MICROSTRUCTURAL STABILITY OF 10CR1MOW STEEL DURING LONG-TERM CREEP TESTING. Dagmar Jandová Josef Kasl Václav Kanta

Transkript

1 MIKROSTRUKTURNÍ STABILITA 10CR1MOW OCELI BĚHEM DLOUHODOBÝCH ZKOUŠEK TEČENÍ MICROSTRUCTURAL STABILITY OF 10CR1MOW STEEL DURING LONG-TERM CREEP TESTING Dgmr Jndová Josef Ksl Václv Knt ŠKODA VÝZKUM s.r.o., Tylov 1/57, Plzeň, ČR, Astrkt Mteriál experimentálního rotoru zhotoveného z mrtenzitické oceli X12CrMoWVNN yl podroen zkouškám tečení do lomu v rozshu teplot 500 ž 600 C. U vyrných zkoušek při 500 C 575 C yl proveden podroný mikrostrukturní rozor zhrnující vedle světelné mikroskopie i řádkovcí trnsmisní elektronovou mikroskopii. Sustruktur popuštěného mrtenzitu tvořená feritickými lťkmi se suzrny, hruými částicemi n hrnicích zrn suzrn jemným intrgrnulárním precipitátem yl kvntittivně vyhodnocen. Po zkoušce tečení 500 C/ 250MP/ h ylo zznmenáno zvýšení četnosti hruých kridů n hrnicích zrn mírné zmenšení suzrn. Po zkoušce 575 C/ 155MP/ 34707h ylo ptrné zhrunutí částic n hrnicích zrn/suzrn kromě kridů M 23 C 6 yly detekovány částice Lvesovy fáze. Hustot volných dislokcí se s růstem teploty doy do lomu snižovl. Je diskutován vliv mikrostrukturních změn n creepovou pevnost. Astrct Mteril of tril rotor mde of mrtensitic X12CrMoWVNN10-1-1steel underwent creep testing to the rupture in the temperture rnge from 500 C to 600 C. Microstructures of selected specimens tested t 500 C nd 575 C tht ruptured fter exposures exceeding 100,000 hrs nd 30,000 hrs, respectively, were studied in detil using light, scnning nd trnsmission electron microscopy. Quntittive nlysis of sustructure ws crried out. Tempered mrtensite consisted of ferritic lths with sugrins, corse prticles t grin nd sugrin oundries nd fine intrgrnulr precipitte. A numer of prticles t grin nd sugrin oundries increses nd size of sugrins slightly decresed fter test t 500 C/ 250MP/ hrs. A corsening of prticles t oundries nd occurrence of Lves phse were found out fter test t 575 C/ 155MP/ 34707hrs. Disloction density decresed with incresing temperture nd time of creep exposure. An influence of microstructurl chnges on creep strength is discussed. 1. ÚVOD V tepelných elektrárnách je trvlá snh zvyšovt jejich účinnost, to jk z důvodů snižování nákldů n výrou elektřiny, tk i z důvodů snižování emisí skleníkových plynů. Oecně lze dosáhnout vyšší účinnosti zvýšením teploty prcovního cyklu tlku páry. Provozování energetických zřízení z těchto podmínek všk vyžduje použití mteriálů s lepšími prmetry. Jko nákldově nejvýhodnější, při poždovných prmetrech, se jeví použití mrtenziticko feritických ocelí. Z hledisk dosttečných mechnických vlstností, dlouhodoé žáropevnosti, oxidční odolnosti v prostředí páry, svřitelnosti dlších technologických vlstností potřených pro výrou hmotných výroků jsou speciálně vyždovány 9 12% Cr oceli. Zostávání Evropy z USA Jponskem ve vývoji nových mteriálů pro energetická zřízení vedlo od konce 70-tých let ke koordinovnému úsilí předních výroců, výzkumných ústvů kdemických prcovišť v olsti vývoje odzkoušení nových typů mteriálů. Proíhlo od roku 1971 v rámci progrmů COST 501, COST 522 v součsné doě COST 536. Prolemtik vývoje nových mteriálů yl řešen nejen n úrovni lortorních zkoušek, le i při výroě reálných dílů prních turín. V rámci progrmu COST 501 yl vyvinut ocel E911 ((9-10)%Cr-1%Mo-1%W-0,25%V-0,05%N- 0,05%N). K dlšímu vývoji ověřování vlstností yly vyrány oceli s modifikovnými složeními prcovně oznčenými A B. Při vývoji ocelí v této etpě yly pro jejich vlstnosti vytyčeny následující poždvky [1]: - creepová pevnost 100 MP při 600 C výdrži hodin, - dorá tžnost (prodloužení nd 10 %) při creepu nízká vruová citlivost, 1

2 - dorá proklitelnost do průměru nejméně mm, - minimální mez kluzu od 600 do 700 MP, - oxidční odolnost, houževntost odolnost proti zkřehnutí n úrovni konvenčních 12% CrMoV 1% CrMoV ocelí. Ze dvou nejslinějších ocelí (ocel E legovná 1 % W 1 % Mo ocel F legovná 1,5 % Mo) yly následně vyroeny rotory vzorky z nich oderné yly podroeny rozsáhlému zkušenímu progrmu. Krátkodoé zkoušky žáropevnosti v teplotním ooru C nznčovly výrzně lepší creepové vlstnosti ve srovnání s konvenční 12% CrMoV ocelí [2]. Nicméně se ukázlo, že přídvek 1 % W nevede ke zlepšení dlouhodoé meze pevnosti při tečení v nízkonpěťové olsti [3]. Lortoře ŠKODA VÝZKUM s.r.o. se v rámci tohoto projektu podílely společně s dlšími šesti evropskými orgnizcemi n dlouhodoých zkouškách žáropevnosti vzorků oderných z rotoru E. Při zkouškách yly dosženy doy do lomu přeshující hodin (přestože očekávné hodnoty yly okolo hodin). Výsledky tkto dlouho trvjících zkoušek mjí velký význm, neoť zpřesňují korigují odhdy žáropevnosti získné extrpolcí ze zkoušek proíhjících po krtší dou. 2. EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM Rotor E o mximálním průměru 1200 mm z ingotu o celkové hmotnosti 42 t yl dodán výrocem Srsthl Völklingen (Germny). Chemické složení výkovku je uvedeno v tulce 1. Tepelné zprcování proěhlo ve dvou vrintách, které měly vést ke stvu s nízkou (630 MP) resp. vysokou mezí kluzu (750 MP). V prvém přípdě ylo provedeno zprcování 1071 C/17hod/olej C/25hod + 690/24hod C/22hod/pec, ztímco v druhém 1071 C/17hod/olej C/25hod C/24h. Vzorky pro zkoušky tečení yly vyroeny z povrchové části loku pocházejícího ze středové olsti ingotu yly orientovány v tngenciálním směru. Byly provedeny zkoušky tečení do lomu s měřením deformce. U přetržených tyčí yly provedeny následující práce: frktogrfické hodnocení lomových ploch, rozor mikrostruktury pomocí světelné řádkovcí elektronové mikroskopie, kvntittivní hodnocení částic sekundárních fází dislokční sustruktury pomocí trnsmisní elektronové mikroskopie tenkých fólií. Fólie yly připrveny tryskovým elektrolytickým ztenčováním v roztoku kyseliny chloristé v metnolu při teplotě -40 ž -50 C. Fázové složení částic sekundárních fází ylo určováno n zákldě vyhodnocení elektronových difrktogrmů. Tulk 1. Prvkové složení mteriálu v hm. % Tle 1. Chemicl composition in weight % C Si Mn Cr Mo Ni V W N N Al B 0,12 0,10 0,45 10,4 1,06 0,74 0,18 0,81 0,045 0,52 0,008 0,002 Tulk 2. Podmínky výsledky zkoušek žáropevnosti Tle 2. Conditions nd results of creep tests Teplot [ C] Npětí [MP] Vzorek Do do lomu [hod] Prodloužení [%] Kontrkce [%] Poznámk 335 E ,3 81,9 TEM 315 E ,0 81,9 290 E ,0 79,7 270 E ,9 80,8 250 E ,1 80,8 TEM 210 E E Přerušeno 170 E Přerušeno 155 E ,9 84,0 TEM 135 E ,1 85,0 2

3 3. VÝSLEDKY 3.1 Zkoušky žáropevnosti Výsledky dlouhodoých zkoušek tečení prováděných ve ŠKODA VÝZKUM s.r.o. n vzorcích rotoru tepelně zprcovného n nízkou mez kluzu jsou uvedeny v tulce 2. N or. 1 jsou grficky znázorněny závislosti npětí n doě do lomu pro oě vrinty tepelného zprcování rotoru (hodnoty pro ocel s vyšší mezí kluzu yly získány n prtnerských prcovištích). Plná čár předstvuje žáropevnost oceli E911 podle mteriálových listů [4]. Nejdelší doy do lomu yly dosženy pro teplotu 500 C 107 tis. hodin pro teplotu 575 C 60 tis. hodin. Vrint mteriálu s vyšší mezí kluzu se vyznčovl vyšší žáropevností. Or. 1. Závislost npětí n doě do lomu: ) pro teplotu 500 C, ) pro teplotu 575 C Fig. 1 Dependence of stress on time to frcture: ) for temperture of 500 C, ) for temperture of 575 C 3

4 3.2 Frktogrfický rozor Lomové plochy všech zkoušených vzorků mjí podoný chrkter. S lomem je spojeno reltivně velké prodloužení kontrkce. Lomové plochy mjí číškový vzhled. Středová olst má chrkter trnskrystlického tvárného lomu s jmkovou morfologií (or. 2). Jmky svojí velikostí spdjí do dvou velikostních tříd (or. 2). Kolem vměstků přípdně větších částic sekundárních fází se vytvářejí větší jmky o velikosti okolo µm, ztímco v kovové mtrici jsou jmky mnohem jemnější o průměru okolo jednoho ž několik málo mikrometrů. Neyly nlezeny fsety interkrystlického porušení. N žádné z lomových ploch se nencházely metlurgické defekty mteriálu, které y mohly průěh porušování ovlivnit. Or. 2. Lomová ploch vzorku E 65 (500 C/ 250 MP/ h), snímek ŘEM Fig. 2. Frcture surfce of specimen E 65 (500 C/ 250 MP/ hrs), SEM microgrph 3.3 Mikrostrukturní rozor Mikrostrukturní rozor včetně TEM yl proveden u tří vzorků oznčených E61, E65 E69. Výchozí stv mteriálu pro zkoušky tečení neyl k dispozici. Vzorek E 61 předstvuje stv mteriálu nejméně ovlivněný creepem (500 C/ 335 MP/ 587 h). Vzorky E65 E69 yly vystveny podsttně delším creepovým expozicím. Vzorek E 65 yl ztěžován 250 MP při 500 C po dou h vzorek E69 npětím 155 MP při 575 C po dou h. Mikrostruktur všech vzorků je tvořen vysoce popuštěným mrtenzitem s částicemi sekundárních fází. Mrtenzitické lťky (desky) jsou rozděleny n suzrn. N hrnicích původních ustenitických zrn, feritických ltěk suzrn se ncházejí hrué částice, uvnitř ltěk jemný precipitát. Hustot dislokcí je nerovnoměrná. Vyšší hustot dislokcí je ovykle spojen s výskytem intrgrnulárního precipitátu. Pro uvedené tři vzorky yly ze snímků tenkých fólií kvntittivně vyhodnoceny hrué částice (o průměru nd 20 nm) dislokční sustruktur. Byly měřeny rozměry částic, suzrn hustot dislokcí v suzrnech. Částice suzrn yl nprhován pomocí editoru ručních úprv. Z inárního orzu yly pro měřené ojekty určeny ekvivlentní průměry mximální minimální Feretovy průměry (mxim minim z Feretových průměrů, které předstvují délku ojektu v různých směrech, v dném progrmu při sklonu měřící přímky 10, 20, 30, 180 ). Střední hodnoty měřených veličin jsou uvedeny v tulkách 2 3 včetně hodnocené plochy počtu proměřených ojektů. Hustot dislokcí yl určen průsečíkovou metodou podle rovnice ρ =( n1 n2 x + ) L1 L2 t (1) kde n1 n2 jsou počty průsečíků dislokcí s rovnoěžnými liniemi o délce L1 L2 vloženými do orzu ve dvou nvzájem kolmých směrech, x je korekční fktor n viditelnost dislokcí, který je roven 2 pro 4

5 zorzení při dvousvzkovém nstvení s reflexí (110) α 1 pro reflexi (200) α, t je tloušťk vzorku určená jko součin počtu proužků v hrnici zrn extinkční hlouky (28,89 nm pro zorzení v reflexi (110) α 42,27 nm pro reflexi (200) α ). Výsledky jsou uvedeny v tulce 4. Tulk 2. Hodnocení velikosti suzrn Tle 2. Evlution of size of sugrins. Hodnocená Počet suzrn Ekvivlentní Mx Feretův Min Feretův Vzorek ploch průměr průměr průměr [µm 2 ] [nm] [nm] [nm] E E E Tulk 3. Hodnocení velikosti částic sekundárních fází Tle 3. Evlution of size of prticles of secondry phses Vzorek Hodnocená ploch Počet částic Ekvivlentní průměr Mximální ekvivlentní průměr Mx Feretův průměr Min Feretův průměr [µm 2 ] [nm] [nm] [nm] [nm] E61 6, E65 7, E69 7, Tulk 4. Hustot dislokcí Tle 4. Disloction density Vzorek Průměrná hustot dislokcí Mximální hustot dislokcí Minimální hustot dislokcí [10 13 m -2 ] [10 13 m -2 ] [10 13 m -2 ] E 61 7,7 12,5 2,0 E 65 2,1 3,4 0,9 E 69 1,4 3,0 0,5 Typická sustruktur vzorku E61 (500 C/ 335 MP/ 587 h) je uveden n or. 3. Dislokce tvoří v některých lťkách neuspořádnou dislokční síť, n dislokcích jsou pozorovány jemné částice nitridů vndu (or. 3c). V jiných lťkách se nchází uněčná struktur v některých již došlo ke vzniku suzrn. N or. 3 jsou zorzeny dislokční stěny Moiré proužky vznikjící při průchodu elektronového svzku suzrny s mírně odlišnou krystlogrfickou orientcí. Velikost suzrn 516 nm yl určen jko střední hodnot ekvivlentního průměru změřeného u 724 suzrn. Šířk suzrn, která se uvádí jko rozhodující prmetr pro sustrukturní zpevnění yl určen jko střední hodnot minimálního Feretov průměru činil 415 nm. Hustot dislokcí je reltivně vysoká; u různých ltěk se pohyovl v mezích (2 ž 12,5) m -2. Hrué částice n hrnicích ltěk původních ustenitických zrn jsou kridy M 23 C 6, střední průměr částic 83 nm yl určen z ekvivlentního průměru proměřených 241 částic. Největší částici odpovídl ekvivlentní průměr 232 nm. U vzorku E65 (500 C/ 250 MP/ h) jsou lépe vyvinut suzrn než v předchozím přípdě, n hrnicích zrn suzrn se nchází více hruých částic velikost suzrn je poněkud nižší než u vzorku E61 (or. 4). Průměr suzrn určený z měření je 473 nm, šířk surzn 393 nm. Dislokce jsou většinou soustředěny v dislokčních stěnách oddělujících suzrn s velmi nízkou hustotou dislokcí ez intrgrnulárního precipitátu (or. 4). Nicméně v některých lťkách yl intrgrnulární precipitát pozorován v těchto lťkách ylo i více dislokcí. V různých suzrnech yl nměřen hustot dislokcí od 0,9 do 3, m -2. Jemné částice nitridu vndu rzdí pohy dislokcí, hruší kridy chrómu lokují pohy dislokčních stěn, jk je zřejmé ze snímku 4c znázorňujícím interkce dislokcí s oěm typy částic. Hrué částice o středním průměru 90 nm čsto tvoří více méně souvislé řetízky po hrnicích ltěk, místy i po hrnicích suzrn (or. 4). V porovnání s předcházejícím vzorkem došlo 5

6 k mírnému zhrunutí částic. Střední průměr yl 90 nm největší částice měl průměr 328 nm. Podle vzhledu částic podle výsledků elektronové difrkce náhodně vyrných částic se n hrnicích zrn suzrn ncházejí pouze kridy M23C6. c Or. 3. Sustruktur vzorku E61 (500 C/ 335 MP/ 587 h): ) přehledový snímek, ) surzn hrué kridické částice, c) jemný intrgrnulární precipitát. Snímky TEM Fig. 3. Sustructure of specimen E61 (500 C/ 335 MP/ 587 hrs): ) generl view, ) sugrins nd corse crides, c) fine intrgrnulr precipitte. TEM microgrphs c Or. 4. Sustruktur vzorku E65 (500 C/ 250 MP/ h): ) přehledový snímek, ) surzn hrué kridické částice, c) jemný intrgrnulární precipitát. Snímky TEM Fig. 4. Sustructure of specimen E61 (500 C/ 250 MP/ hrs): ) generl view, ) sugrins nd corse crides, c) fine intrgrnulr precipitte. TEM microgrphs Sustruktur vzorku E69 (575 C/ 155 MP/ h) je dokumentován n or. 5. Téměř všechny lťky jsou dislokčními stěnmi rozděleny n suzrn (or. 5). Střední ekvivlentní průměr suzrn 6

7 525 nm je vyšší než u vzorku E61, přičemž šířk suzrn 416 nm je prkticky stejná. Hustot volných 13-2 dislokcí je velmi nízká (0,5 ž 3) 10 m. Částic se n hrnicích zrn suzrn ncházejí čstěji než u vzorku E61, le je jich nopk méně než u vzorku E65. Částice jsou evidentně hruší než v oou předcházejících přípdech. Střední ekvivlentní průměr vzrostl n 125 nm největší měřená částice měl průměr 723 nm. Kromě kridů M23C6 se n hrnicích zrn suzrn ncházely i částice Lvesovy fáze, které zprvidl ptřily k těm nejhruším. Hrué částice Lvesovy fáze mjí čsto neprvidelný tvr vyznčují se přítomností vrstevných chy. Vrstevné chyy v částicích n okrji fólie jsou ptrné n snímcích světlého tmvého pole n or. 5. Jemný intrgrnulární precipitát nitridu vndu yl pozorován jen výjimečně. c Or. 5. Sustruktur vzorku E69 (575 C/ 155 MP/ h): ) přehledový snímek, ) Lvesov fáze - světlé pole, c) Lvesov fáze - tmvé pole. Snímky TEM Fig. 5. Sustructure of specimen E61 (575 C/ 155 MP/ hrs): ) generl view, ) Lves phse righ field, c) Lves phse drk field. TEM microgrphs 4. DISKUSE Dlouhodoé zkoušky tečení do lomu vzorků rotoru E při teplotách 500 C 575 C překonly očekávání. Porovnáme-li žáropevnost dosženou u zkušení oceli E911 s žáropevností ocelí P91 (9Cr1MoV oceli) P92 (9Cr1MoVW oceli), je zřejmé že pro ocel E911 ylo dosženo výrzně vyšší žáropevnosti, než se uvádí pro ocel P91, srovntelné s ocelí P92. Při 575 C je žáropevnost oceli E911 již prokztelně nižší než u oceli P92 (t. 5). Tulk 5. Porovnání žáropevnosti ocelí P91, P92 E911 Tle 5. Comprison of creep resistnce of P91, P92 nd E911 steels Teplot E911 (rotor E) P91 P92 [ C] Žáropevnost pro h [MP] Npětí [MP] Do do lomu [h] hodnoty podle DIN pro ocel X 10 CrMoVN 9-1 W. Nr hodnoty podle ECCC Dt sheets pro ocel X10CrWMoVN 9-2 7

8 N zákldě detilního mikrostrukturního rozoru tří vzorků po zkouškách tečení z různých podmínek při 500 C 575 C lze odvodit následující závěry: 1) Při 500 C dochází ěhem dlouhodoé creepové expozice k precipitci reltivně hruých částic, které stilizují dislokční sustrukturu; ni po hodinách nedochází k růstu suzrn. Nopk zvýšená hustot částic způsouje mírný pokles velikosti suzrn. 2) Jemný intrgrnulární precipitát MX je při 500 C stilní. Zůstává v suzrnech i po h creepové expozice. 3) Odlišná situce nstává při vyšších teplotách. Během tečení při 575 C dochází k precipitci Lvesovy fáze, jejíž částice reltivně rychle rostou, ochuzují feritickou mtrici o příměrové tomy molydenu wolfrmu. Snižuje se sustituční zpevnění hrué částice mohou nvíc půsoit jko iniciční centr pro rozvoj kvitčního porušení. Po zkoušce tečení doshující téměř h yl nvíc zznmenán výrzný pokles hustoty jemných nitridů vndu, který vede ke snížení příspěvku precipitčního zpevnění. 5. ŽÁVĚR Dlouhodoé zkoušky tečení mikrostrukturní rozor prokázly vysokou žáropevnost oceli E911 při 500 C mikrostrukturní stilitu, které jsou srovntelné s ocelí P92. Při teplotě 575 C všk dochází k význmným mikrostrukturním změnám, které žáropevnost oceli E911 snižují n úroveň oceli P91. Byly potvrzeny dříve pulikovné výsledky [5], podle nichž se při teplotách kolem 600 C legování 9Cr-1Mo oceli jedním procentem wolfrmu neprojeví poždovným zvýšením žáropevnosti. Poděkování Příspěvek vznikl n zákldě řešení projektů MSM nd 1P05OC024 COST 536 z podpory Ministerstv školství, mládeže tělovýchovy České repuliky. LITERATURA [1] Scrlin, R. B. et l.: COST 501-III Advnced Mterils for Power Engineering Components, WP 11: Advnced Power Plnt, Finl Report, GEC Alsthom, Bden, Mrch [2] Kern, T.-U. et l.: High Temperture Forged Components for Advnced Stem Power Plnts, Proc. Mterils for Advnced Power Engineering J. Lecomte-Beckers, et. l., eds, Forsungszentrum Julich, Liege 1998, Prt I - pp [3] Myer, K.H. et l.: Development steps of new steels for dvnced Stem Power Plnt., Proc. Mterils for Advnced Power Engineering J. Lecomte-Beckers, et. l., eds, Forsungszentrum Julich, Liege 2002, Prt II p [4] ECCC dt sheet of steel X11CrWMoVN [5] Vodárek, V.:Fyzikální metlurgie modifikovných (9-12)%Cr ocelí, VŠB TU, Ostrv,