SIMULACE REDISTRIBUCE UHLÍKU V HETEROGENNÍM SVAROVÉM SPOJI P91/27NiCrMoV15-6

Transkript

1 SIMULACE REDISTRIBUCE UHLÍKU V HETEROGENNÍM SVAROVÉM SPOJI P91/27NiCrMoV15-6 SIMULATION OF CARBON REDISTRIBUTION IN HETEROGENEOUS WELD JOINT OF P91/27NiCrMoV15-6 STEELS Zdeněk Hodis, Bronislav Zlámal a Jiří Sopoušek b a VUT FSI,Technická 2, Brno, ČR, hodisz@seznam.cz, zlbr@ .cz b Masarykova univerzita, Kotlářská 2, Brno, ČR, sopousek@sci.muni.cz Abstrakt Požadavek na vyšší efektivitu získávání elektrické energie vede k nutnosti zvyšování provozních teplot. Především strukturní stabilita je důležitou součástí spolehlivých odhadů životnosti svarových spojů za vyšších teplot. Za těchto teplot jsou redistribuce prvků a fázové transformace řízeny difúzními procesy. Pro výpočty fázových diagramů sledovaných ocelí P91 a 27NiCrMoV15-6 byla použita metodika CALPHAD a termodynamická databáze STEEL. Tohoto přístupu bylo uplatněno i pro výpočet aktivit uhlíku, dusíku a ostatních prvků. Pro kinetickou simulaci byl použit program DICTRA, který umožňuje simulovat výpočty fázových profilů a profilů přerozdělení prvků uvnitř difúzně ovlivněné zóny svarového spoje. Tato simulace uvažuje koexistenci rozdílných fází (karbidů, nitridů, karbonitridů) ve svarovém spoji a předpokládá platnost podmínky lokální fázové rovnováhy za podmínek difúzí kontrolovaných procesů fázových transformací. Abstract The demand for higher efficiency of energy production in power engineering goes to increasing of the working temperatures. Mainly the structural stability evaluation is essential for reliable estimations of life-time limitations of weld joints at higher temperatures. At these temperatures element redistributions and phase transformations are frequently diffusioncontrolled. The phase diagrams of the investigated heat resistant steel P91 and steel 27NiCrMoV15-6 were calculated using CALPHAD approach with utilisation of thermodynamic database STEEL. Activities of carbon, nitrogen, and other elements were calculated by the same method. The CALPHAD approach complemented with appropriate diffusion model given in DICTRA code enabled us to simulate phase and element profile evolutions inside diffusion-affected zone of weld joint. The simulation supposed a coexistence of different phases (carbides, nitrides, carbonitrides) in the weld joint and they were realised under the assumption that the local phase equilibrium holds under the examined conditions and that diffusion is the control process of phase transformations. 1. ÚVOD Tento příspěvek se zaměřuje na simulaci redistribuce uhlíku ve svarovém spoji materiálů P91 a 27NiCrMoV15-6 a srovnává aktivity uhlíku pro tyto základní materiály a přídavné svarové kovy 9Cr4Ni, P23, OK Svarové spoje základních materiálů jsou simulovány jako spoje s ostrým přechodem, kterého je možno dosáhnout např. svařením sendvičových párů elektrickým šokem v ochranné atmosféře argonu [1]. Do budoucna se však počítá s provedením simulace reálného svarového spoje a to včetně výše uvedených přídavných svarových kovů. 1

2 Pro svarový spoj byly zvoleny materiály strukturního typu ferit/ferit. U těchto materiálů je v současné době už dobrá shoda mezi experimentálními výsledky a použitým typem databáze STEEL a DIF. 2. MATERIÁL A METODY Materiály svarových spojů prezentované v této práci jsou materiály použité pro návrh reálného svarového spoje [2]. Zjištění skutečného chemického složení použitých materiálů proběhlo na opticko - emisním spektrometru s doutnavým výbojem SPECTRUMAT GDS-750. Výsledky těchto analýz jsou uvedeny v tab. 1. Dále byly obdobným způsobem provedeny analýzy chemického složení přídavných svařovacích materiálů, které jsou uvedeny v tab. 2. Tabulka 1. Chemické složení základních materiálů Table 1. Chemical composition of base materials Materiál Obsah prvků [hm. % ] C Mn Si Cr Ni Mo V W Nb Ostatní P91 0,09 0,50 0,30 8,45 0,23 0,84 0,21-0,08 N=0,05 27NiCrMo V ,25 0,36 0,09 1,74 3,46 0,48 0, Tabulka 2. Chemické složení přídavných svarových kovů Table 2. Chemical composition of filler materials Materiál Obsah prvků [hm. % ] C Mn Si Cr Ni Mo V W Nb Ostatní 9Cr4Ni 0,02-0,7 12,2 4,7 0, P23 0,07 0,3 0,25 2,2-0,15 0,25 1,65 0,05 N=0,03 OK ,09 1,39 0,56 0,54 2,6 0,39 0, Výpočty fázových diagramů, aktivit prvků a difúzních profilů sledovaných ocelí P91 a 27NiCrMoV15-6 byly založeny na již zmíněné metodice CALPHAD [3]. Simulace daného svarového spoje P91/27NiCrMoV15-6 proběhla za pomocí programů ThermoCalc a DICTRA s využitím termodynamické databáze STEEL a kinetické databáze DIF. 3. VÝSLEDKY A DISKUSE Pro dané základní materiály byly nejprve vypočteny programem ThermoCalc řezy fázovými diagramy (viz. obr.1 a obr.2). Fázové diagramy byly aproximovány jako soustavy Fe-Me-C-N, kde Me jsou substituční prvky Cr, Mo, V, Nb (zanedbán byl vliv Si, Mn). V dalším kroku byl proveden výpočet aktivity C pro základní materiály a svarové kovy. Jak je patrno z obr.3, je rozdíl v aktivitě uhlíku v oblasti výskytu feritu (BCC mřížka), v pracovním rozmezí C, mezi materiály P91 a 27NiCrMoV15-6 velmi vysoký. Dále jsou v tab.3 vysvětleny zkratky použité pro popis fázových diagramů (obr.1 a obr.2). 2

3 Obr. 1. Fázový diagram oceli P91 Fig. 1. Phase diagram of P91 steel Obr. 2. Fázový diagram oceli 27NiCrMoV Fig. 2. Phase diagram of 27NiCrMoV steel Carbon activity E NiCrMoV P91 OK13.43 P23 9Cr4Ni temperature / Obr. 3. Aktivita uhlíku o C Fig. 3. Activity of carbon Tabulka 3. Použité zkratky fází Table 3. Used abbreviation of phases Fáze Zkr. Fáze Zkr. Vanadium Carbonitride MX M 3 C M3 M 23 C 6 M23 BCC BCC M 7 C 3 M7 FCC FCC M 6 C M

4 Pro posouzení strukturní stability použitých materiálů byla provedena simulace svarového spoje P91/ 27NiCrMoV 15-6 při teplotě 740 C a čase 4h. Tato teplota a nízká časová prodleva odpovídá tepelnému zpracování po svaření pro materiál P91 a jak je patrno z následujících obrázků je dostačující pro vznik nauhličujících a oduhličujících zón na rozhraní svarového spoje. Na obr. 4 je přerozdělení uhlíku na svarovém rozhraní a na obr.5 jsou fázové profily fází vyskytujících se na rozhraní dle vypočtených fázových diagramů (viz. obr. 1 a 2). Na obr. 6 a obr.7 jsou pro přehlednost vyneseny fázové profily karbidů M 23 C 6 a M 7 C 3, u kterých dochází při redistribuci k nejvýraznější změně. Obr. 4. Redistribuce uhlíku Fig. 4. Redistribution of carbon Obr. 5. Fázové profily Fig. 5. Phase profiles Obr. 6. Fázový profil M 23 C 6 Obr. 7. Fázový profil M 7 C 3 Fig. 6. Phase profile of M 23 C 6 Fig. 7. Phase profile of M 7 C 3 4

5 4. ZÁVĚR Jak je patrno z výsledné křivky redistribuce uhlíku (obr. 4) kombinace materiálů P91/27NiCrMoV15-6 není ke svařování příliš vhodná. Přesto je to kombinace, která se při návrhu energetického zařízení může vyskytnout. Nevhodnost zvolené kombinace se projevuje výrazným koncentračním skokem uhlíku na rozhraní a to již po velmi krátké žíhací době (žíhání 740 C/4h). To potvrzuje i výpočet aktivity uhlíku (obr.3), kde je rozdíl mezi P91 a 27NiCrMoV15-6 v oblasti teplot C velmi výrazný. Tento vysoký rozdíl aktivit má za následek rychlé nauhličování oceli P91 a oduhličování oceli 27NiCrMoV15-6, což může mít v případě dlouhodobé teplotní expozice vliv na pokles pevnostních charakteristik materiálu 27NiCrMoV15-6 [4]. Jako vhodné řešení se nabízí kombinace těchto základních materiálů a vhodného svarového kovu, který by plnil funkci difúzní bariéry [5], [6]. Z tohoto hlediska se jeví optimální svarový kov P23, který má aktivitu uhlíku pro dané teplotní rozmezí uprostřed oblasti mezi aktivitami obou základních materiálů. Cílem do budoucna bude zohlednění pásma ztavení (promísení kovů) na rozhraní svarového spoje, které se vyskytuje u reálných spojů zhotovených např. metodou TIG a to za použití výše uvedené kombinace materiálů. LITERATURA [1] DOLEŽAL, P., HODIS, Z., STRÁNSKÝ, K. Diffusion of aluminium, iron, nickel, chromium and carbon in weld joints steels. In 5th International conference JUNIORMAT 05. Brno : Vysoké učení technické v Brně, 2005, s [2] HODIS, Z., SOPOUŠEK, J. Optimalizace návrhu heterogenního svarového spoje ocelí P91. In sborník doktorské konference Víceúrovňový design pokrokových materiálů. Brno : ÚFM AVČR, 2005, s [3] SAUNDERS, N., MIODOVNIK, A. P. CALPHAD (Calculation of Phase Diagram) - A Comprehensive Guide. Amsterodam : Elsevier Science, [4] PILOUS, V., STRÁNSKÝ, K. Structural stability of deposits and welded joints in power engineering Cambridge : Cambridge Int. Science Publishers, [5] SOPOUŠEK, J., HODIS, Z. Activities of interstitial elements inside heat-resistant steels, filler alloys, and welding electrode materials. In sborník konference E-MRS 2006 Fall Meeting. Warshaw : University of Technology, 2006, s [6] SOPOUŠEK, J., FORET, R. More Sophisticated Thermodynamic Designs of Welds between Dissimilar Steels, Science and Technology of Welding and Joining, under review. 5