VLIV MIKROSTRUKTURNÍCH ZMĚN ŽÁROPEVNÉ OCELI PO ZKOUŠKÁCH TEČENÍ NA TVAR POLARIZAČNÍCH KŘIVEK SVOČ FST 2014

Transkript

1 VLIV MIKROSTRUKTURNÍCH ZMĚN ŽÁROPEVNÉ OCELI PO ZKOUŠKÁCH TEČENÍ NA TVAR POLARIZAČNÍCH KŘIVEK SVOČ FST 2014 Bc. Jana Sladká, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika ABSTRAKT Tato práce vytváří korelaci mezi tvarem polarizačních křivek a mikrostrukturou oceli CB2 před a po dlouhodobých zkouškách tečení. Byl studován tvar křivek a mikrostruktura oceli CB2. V oceli při creepu došlo k precipitaci, měnil se typ i objemový podíl sekundárních fází. Přítomnost Lavesovy fáze v oceli se na polarizačních křivkách projevila výrazným píkem v hlavní pasivační oblasti. Změny v podílu karbidů chromu a nitridů vanadu či niobu, popř. Z-fáze se projevily na poudových hustotách v transpasivní oblasti. KLÍČOVÁ SLOVA Ocel CB2, creep, mikrostruktura, elektrochemie, potenciodynamická křivka, uhlíková extrakční replika, řádkovací elektronová mikroskopie, transmisní elektronová mikroskopie ÚVOD Pro neustálé zvyšování spotřeby elektrické energie je nutné zvýšit účinnost výroby elektrické energie. Je tedy snaha zvyšovat pracovní parametry elektráren, převážně teplotu a tlak páry, a proto je nutné vyvíjet nové materiály s vyšší žáropevností. Mezi vhodné materiály pro výrobu zařízení pracujících za teplot kolem 600 C v prostředí vodní páry patří (9-12)%Cr oceli. Tyto oceli mají dobré jak vlastnosti žáropevné, tak odolnost proti korozi a také mechanické vlastnosti. Dalším důvodem pro volbu těchto materiálů pro elektrárenské aplikace je nízká cena oproti niklovým či titanovým slitinám. Mezi tyto oceli patří i ocel CB2 studovaná v této práci. Žáropevnost materiálu je závislá na chemickém složení a mikrostruktuře daného materiálu. Vysoká žáropevnost je podmíněna mikrostrukturní stabilitou během zatěžování při zvýšené teplotě. Pro zjištění mikrostruktury materiálu je nutný odběr vzorku a následný metalografický rozbor. A ne vždy je možné právě vzorek z používaného elektrárenského zařízení odebrat. Cílem této práce je ověření možnosti použití nedestruktivní elektrochemické potenciodynamické zkoušky pro posouzení mikrostrukturních změn oceli CB2 během dlouhodobého creepu. Při znalostí souvislostí mezi tvarem polarizační křivky a mikrostrukturou dané oceli by bylo možné určit stupeň degradace materiálu z polarizační křivky změřené přímo v elektrárně. Tato práce se zabývá studiem tvaru křivek při měnící se mikrostruktuře vlivem creepové expozice. Výsledkem této práce bude vyjádření vztahu mezi tvarem potenciodymanické křivky a mikrostrukturou po zkouškách tečení. K určení mikrostruktury se použije elektronová mikroskopie, a to jak řádkovací, tak i transmisní. POLARIZAČNÍ KŘIVKA Polarizační křivka je výsledkem elektrochemického potenciodynamického měření. Tato křivka je naměřena jako součtová křivka anodické a katodické reakce. Jedná se o grafický záznam součtu dílčích proudových hustot při potenciálové polarizaci v závislosti na elektrochemickém potenciálu. Při měření polarizační křivky dochází k rozpouštění fází vlivem průchodu elektrického proudu. Měřený vzorek je umístěn v elektrolytu, pomocí něhož je vodivě spojen s referenční elektrodou a tím i s potenciostatem. Na obrázku 1 je schéma potenciodynamické křivky. Z polarizačních křivek korozivzdorných ocelí lze podle tvaru křivky a polohy základních bodů určit odolnost proti korozi v aktivním stavu, odolnost proti bodové korozi, schopnosti pasivace a odolnost vůči strukturním formám koroze (rozpouštění určité fáze v některé oblasti polarizační křivky). Poloha a tvar polarizační křivky je závislá na chemickém složení, strukturním stavu a stavu povrchu měřeného vzorku, proto je důležité měřený vzorek připravovat vždy stejným způsobem. [1, 2]

2 A obrázek 1 Potenciodynamická křivka [5] B C Potenciodynamickou křivku lze rozdělit do 3 oblastí (v obrázku 1 označené písmeny A,B,C) : pásmo aktivity (A), pásmo pasivity (B), pásmo transpasivity (C), Na polarizační křivce se nalézají některé významné body: E kor je korozní potenciál, E p je pasivační potenciál, E rp je potenciál repasivace, E b je potenciál depasivace, E t je transpasivační potenciál. [2, 3, 4]. A dále jsou významné i proudové hustoty při těchto elektrochemických potenciálech, jelikož charakterizují rychlost rozpouštění. Jsou známy 2 elektrochemické reakce a to anodová a katodová, přičemž polarizační křivka vzniká jako součtová křivka obou těchto reakcí. Tyto dvě reakce jsou na sebe vázány a nemohou probíhat samostatně, pokud vzorkem neprochází elektrický proud. Pokud má dojít ke změně elektrochemické reakce, musí se potenciál elektrody vychýlit z rovnovážné polohy. Změna potenciálu se nazývá polarizace, pokud je polarizace vyvolána vnějším proudem dochází k anodové reakci, a tedy vznikají elektrony. Katodová reakce naopak elektrony spotřebovává. Anodová reakce odpovídá oxidaci kovů, přičemž katodová reakce představuje depolarizaci materiálu a umožňuje další pokračovaní rozpouštění kovu.[3] Anodová proudová hustota roste v oblasti aktivity, při zvětšujícím se kladném potenciálu proudová hustota klesá a při překročení E p přechází ocel do pasivního stavu. Při dalším zvyšování potenciálu může dojít k překročení E t, kdy dojde ke zvýšení rychlosti anodové reakce, nebo se dříve dosáhne potenciálu pro vylučování kyslíku a ocel se již nezúčastňuje reakce. [3] V aktivní oblasti (A) dochází k rozpouštění korozivzdorných ocelí většinou za současného vývoje vodíku. K rozpouštění materiálu dochází až do překročení kritické proudové pasivační hustoty. [3] Nejdůležitější oblast pro zkoumání je oblast pasivity (B). Tuto oblast lze definovat jako oblast korozní odolnosti. V této oblasti křivky klesá rychlost rozpouštění, a to z důvodu vytvoření tenké oxidické vrstvy na povrchu vzorku. Materiál koroduje velmi pomalu i v této fázi z důvodu neustálého rozpouštění této vrstvy a nutného dalšího obnovení. Rychlost koroze v této oblasti nepřevyšuje několik setin mm/rok u korozivzdorných ocelí. Hlavním kritériem pro určení této oblasti je kritická pasivační proudová hustota, která charakterizuje schopnost oceli přejít do pasivního stavu. Čím nižší je hodnota kritické pasivační proudové hustoty, tím lépe přechází materiál do oblasti pasivity. Pasivační potenciál se pohybuje mezi 0,58 V (čisté železo) až do - 0,25 V (čistý chrom). [3, 4] V transpasivní oblasti (C) dochází k oxidaci stabilního oxidu na sloučeniny s vyšším mocenstvím, které mohou být rozpustné. Tato oblast se dá ještě rozdělit na další 3 podoblasti, a to na korozi v transpasivním stavu, oblast sekundární pasivity a oblast vylučování kyslíku. Sekundární pasivita není nijak dokonalá, jelikož jsou zde vysoké proudové hustoty. [3] ELEKTROCHEMICKÉ MĚŘENÍ Vzorky pro elektrochemické měření byly zhotoveny následujícím způsobem: Vzorek o rozměrech, maximální průměr či délku nejdelší úhlopříčky vzorku, 19mm byl ručně zalit do dentakrylu. K měřenému vzorku byl připájen elektricky vodivý kontakt pro připojení k potenciostatu. Zalévá se vždy do stejné formy určitého průměru, aby mohlo dojít k vložení vzorku do elektrochemické průtočné cely a nedocházelo k žádným netěsnostem mezi vzorkem a stěnou elektrochemické průtočné cely. Následuje metalografický výbrus měřené plochy, tedy vybroušení a vyleštění zkoumané plochy. Následně na vyleštěnou plochu se nanese inertní silikonová maska k vymezení měřené plochy. Tato velikost by měla mít velikost cca. 40mm 2. K přesnému změření vymezené plochy se používá obrazová analýza. Měřená plocha se

3 vymezí inertním silikonem, aby nedocházelo ke styku elektrolytu se zalévací hmotou a nezkreslovaly se tím získané výsledky.pokud se jedná o měření v provozu, pouze se na měřený kus nanese inertní silikonová maska a poté se pomocí dalšího silikonu připevní na měřený kus elektrochemická průtočná cela. Je nutné, aby byly v průběhu celé zkoušky konstantní podmínky, tedy i průtok celou a teplota elektrolytu. Konstantní průtok je zajištěn pomocí membránového čerpadla, kdy je pomocí silikonových trubiček vytvořen obvod s elektrolytem, který vede z nádoby s elektrolytem, přes membránové čerpadlo, přes vtok do průtočné cely a poté přes výtok zpět do nádoby s elektrolytem. Konstantní teplota je udržována pomocí termostatu, ve kterém je umístěna nádoba s elektrolytem. Poté je nutné připojit k průtočné cele referenční kalomelovou elektrodu do již vytvořeného místa v průtočné cele (skleněná trubička), pomocnou elektrodu nijak k průtočné cele připojovat není potřeba, jelikož je již součástí samotné elektrochemické průtočné cely. Poté je nutno všechny tři elektrody připojit k potenciostatu a tento potenciostat připojit k PC. Pomocí PC se poté spouští samotné měření polarizační křivky, a také se kontroluje a vyhodnocuje polarizační křivka. Jelikož se při měření používají 3 elektrody: referenční kalomelová, pomocná a pracovní (vzorek), jedná se o tříelektrodové zapojení. Samotné měření má 2 fáze, kdy v první fázi dochází k rozpouštění materiálu při konstantním potenciálu. Tato fáze je do měření zapojena z důvodu dodržení stále stejně upraveného povrchu, aby nedocházelo ke změnám v průběhu měření polarizační křivky např. z důvodu uchycení nečistot na povrchu. V druhé fázi již dochází k zvyšování potenciálu podle nastaveného programu a tedy k měření samotné polarizační křivky. Elektrolyt je temperován na stálou teplotu a pomocí membránového čerpadla je nastaven konstantní průtok skrz elektrochemickou průtočnou celu. Jako elektrolyt se používají např. různě koncentrované kyseliny (H 2 SO 4, HNO 3, HCl). Teplota termostatu byla nastavena na 40 Ca byla udržována v průběhu celého měření. Výsledkem elektrochemického potenciodynamického měření je polarizační křivka, jedná se o grafickou závislost proudové hustoty na elektrochemickém potenciálu, vztaženému k referenční kalomelové elektrodě. Tato křivka lze rozdělit do 3 oblastí: pásma aktivity, pásma pasivity a pásma transpasivity. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL Z oceli CB2 o chemickém složení uvedeném v tabulce na obrázku 2 byl v rámci evropského projektu COST odlit 4t vysokotlaký ventil. Z ventilu byly odebrány vzorky z míst o různých tloušťkách stěny. V této práci byly použity vzorky ze stěny o tloušťce 120mm označené A. C Si Mn P S Al Cr Mo Ni V Co Nb B [ppm] N A ,44 0,22 0,19 0,96 0, ,021 obrázek 2 Chemické složení oceli CB2 [% hmotnostní] Tepelné zpracování oceli CB2 bylo prováděna v následujícím režimu: -žíhání při 1100 C 9 hodin a následně ochlazeno stlačeným vzduchem, -žíhání při 740 C 10hodin, -žíhání při 730 C 24hodin. Výsledkem tepelného zpracování byla popuštěná martenzitická struktura s obsahem hrubých primárních nitridů boru a niobu, jemných nitridů vanadu či niobu a karbidů M 23 C 6. Dva vzorky byly podrobeny creepovému namáhání při teplotě 650 C o předem určeném napětí. Výsledky zkoušek tečení (creepové expozice) pro jednotlivé vzorky včetně daného napětí jsou uvedeny v tabulce na obrázku 3. Zkušební tyč Teplota [ C] Napětí [MPa] Doba do lomu [h] A A A obrázek 3 Výsledky zkoušek tečení Během creepového namáhání vyprecipitovalo v martenzitické struktuře velké množství sekundárních částic. Jedná se o Lavesovu fázi, sekundární nitridy niobu a vanadu a také další částice karbidů chromu. Mikrostruktura oceli CB2 po creepovém namáhání je na obrázku 4.

4 M 23 C 6 BN Lavesova fáze obrázek 4 Mikrostruktura oceli CB2 po creepovém namáhání [7] Pro elektrochemické poteciodynamické měření byla k dispozici část zkušebního tělesa ze zkoušek tečení odebraná cca 5 mm pod rovinou lomu. POLARIZAČNÍ KŘIVKY Z MÍSTA A Oblast aktivity Oblast pasivity Oblast transpasivity 1.oblast 2.oblast 3.oblast obrázek 5 Souhrn polarizačních křivek z místa A Na obrázku 5 je znázorněn souhrn polarizačních křivek z místa A, kdy modře je zobrazena křivka pro vzorek A1, zeleně pro vzorek A12 a červeně pro vzorek A14. Již na první pohled je viditelný nárůst proudové hustoty v pasivní a transpasivní oblasti, tvoří se zde další píky. Předpokladem je, že v pasivní oblasti se rozpouští Lavesova fáze, což bylo ověřeno při pozorování naleptaného povrchu pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu. Velikost píku odpovídá množství rozpuštěných částic, čili množství vyprecipitovaných částic při creepovém namáhání. V transpasivní oblasti bylo zaznamenáno zvýšení proudové hustoty a následný pokles, který lze rozčlenit na 3 oblasti oddělené inflexním bodem. 1.oblast odpovídá pravděpodobně rozpouštění karbidů M 23 C 6 2. a 3. Oblast rozpouštění nitridů. Tento předpoklad byl ověřován pomocí transmisní elektronové mikroskopie na uhlíkových extrakčních replikách, jelikož tyto částice jsou velmi jemné. V dalších kapitolách bude tedy dávána do korelace tvar křivky v pasivní a transpasivní oblasti se změnami v mikrostruktuře vzniklými v průběhu creepové expozice, tedy s precipitujícími částicemi. OBLAST PASIVITY Ověření původu výrazného píku v hlavním pásmu pasivity bylo provedeno posouzením povrchu po elektrochemickém potenciodynamickém měření a povrchu vzorku A14 bez elektrochemické zkoušky. Vzorek A14 byl pro zviditelnění přítomných sekundárních fází chemicky naleptán ve Villela Bain. Následně byly určeny rozdíly v nalezených částicích v obou vzorcích. Sekundární částice byly pozorovány ve dvou režimech, v sekundárních a odražených elektronech. V sekundárních elektronech se zobrazuje mnoho částic. K identifikaci částic bylo použito zobrazení v odražených elektronech a EDX mikroanalýza. V režimu odražených elektronů,,svítí Lavesova fáze naopak částice karbidů chromu

5 mají podobný kontrast jako matrice, a proto v režimu odražených elektronů nejsou zřetelné. Tento jev zobrazuje obrázek 6, kdy vlevo je fotografie z sekundárních elektronů a vpravo z odražených elektronů. obrázek 6 Snímky z sekundárních a odražených elektronů, s označenými místy pro EDX mikroanalýzu Chemické složení,,svítíchích částic ověřeno EDX mikroanalýzou, kdy na obrázku 6 jsou označeny místa, ze kterých byla prováděna mikroanalýza a v tabulce na obrázku 7 jsou shrnuty výsledky v hmotnostních %. Spectrum Al Si V Cr Mn Fe Mo Total S S S S S S S obrázek 7 Výsledky EDX mikroanalýzy V částicích Lavesovy fáze je zpravidla obsaženo určité množství chromu a křemíku (,,svítící částice S2 a S3 na obrázku 6 v tabulce na obrázku 7). obrázek 8 Polarizační křivka naměřená v pásmu pasivity Následující snímky byly pořízeny pouze v odražených elektronech, neboť v sekundárních elektronech nelze částice Lavesovy fáze odlišit od ostatních. Tyto snímky moniturují mikrostrukturu vzorku po naměření polarizační křivky v intervalu mV, tato křivka je na obrázku 8. Po elektrochemickém měření v tomto intervalu potenciálu nebyly nalezeny částice Lavesovy fáze, jak je zřejmé z obrázku 9 a EDX mikroanalýzy v tabulce na obrázku 10 provedené z míst zachycených na obrázku 9.

6 obrázek 9 Vzorek A14 rozpouštěný v intervalu mV, odražené elektrony, zvětšení 5000x s označenými místy pro EDX mikroanalýzu Po naměření elektrochemické polarizační křivky v pasivní oblasti až do elektrochemicého potenciálu 0,750V již v materiálu nejsou částice Lavesovy fáze, jak dokazují naměřená spektra. Je možno tedy odvodit, že pík v pasivní oblasti vzniká díky rozpouštění Lavesovy fáze. Tyto částice precipitují v materiálu během creepové expozice a jejich objemový podíl roste s časem do lomu. Spectrum O Al S Cl K Cr Mn Fe Total S S S S S S obrázek 10 EDX mikroanalýza pro vzorek A14 po elektrochemii OBLAST TRANSPASIVITY Na základě dosažených výsledků se zřejmě v 1.stadiu rozpouštějí karbidy chromu a ve 2.a 3. nitridy vanadu niobu popř. Z-fáze. Je tedy nutné nejprve najít tyto částice ve výchozím stavu před elektrochemickou zkouškou. Jelikož se jedná o velmi malé částice je nutno použít transmisní elektronový mikroskop, který dosahuje zvětšení až x. Nejprve bylo ověřováno rozpouštění karbidů chromu v první oblasti v transpasivní oblasti. Tato polarizační křivka je naměřena na obrázku 11. Na uhlíkových replikách bylo možné v transmisním elektronovém mikroskopu pozorovat jemné částice nitridů vanadu niobu, popř.z-fáze. Při měření polarizační křivky byla zahrnuta i oblast pasivace, aby došlo k rozpuštění i velkých částic Lavesovy fáze. obrázek 11 Polarizační křivka v pásmu transpasivity Nejprve je nutno analyzovat mikrostrukturu u vzorku A14 před elektrochemickým potenciodynamickým měřením a pak po elektrochemickém rozpouštění až do transpasivní oblasti. Na obrázku 12 a 13 jsou vyobrazeny snímky s částicemi

7 vyextrahovanými do repliky. Tyto částice jsou v červených kroužcích. Konkrétní částice byly určovány pomocí EDX spekter a elektronových difraktogramů. Vyhodnocení difraktogramů se provádělo na základě výpočtu mezirovinných vzdáleností, určení Millerových indexů, úhlů mezi nimi a poté určení fáze podle databáze [6]. Levý snímek na obrázku 12 ukazuje částici, která při pozorovaní elektronové difrakce se zobrazí v tmavém poli, tmavé pole je v pravé části obrázku 12. Po analýze difraktogramu byla určena částice (NbV)N v orientaci [102]. Spektrum této částice se nachází na obrázku 13. I pomocí chemického složení, bylo dokázáno, že se jedná o částici (NbV)N. Levý a prostřední snímek na obrázku 14 pochází ze vzorku po elektrochemii a je patrné, že větší částice karbidů chromu se při měření polarizační křivky rozpustily a díky tomuto vznikl při měření polarizační křivky pík v této oblasti. Naopak velmi malé nitridy ve vzorku zůstaly. Částice byly identifikovány pomocí elektronové difrakce a EDX mikroanalýzy. Na prostředním snímku obrázku 14 jsou ještě patrné otisky po větších částicích, které se do repliky nevyextrahovaly, jelikož zasahovaly hluboko pod povrch měřeného vzorku. Tedy na snímcích vzorku rozpouštěném až do konce prvního píku v transpasivní oblasti se nacházejí pouze velmi malé částice nitridů a ojediněle již naleptaný karbid chromu. Větší množštví karbidů je zde splavených z odleptané vrstvy při výrobě extrakčních uhlíkových replik. Na pravém snímku obrázku 14 je vzorek před měřením polarizačních křivek. Jsou zde kromě malých částic i větší částice, které podle analýz patří karbidům chromu. Tyto částice se na snímcích z replik po elektrochemickém rozpouštění našly v minimálním počtu. Jednalo se převážně o částice splavené z odleptané vrstvy při přípravě uhlíkové extrakční repliky. (NbV)N obrázek 12 Snímek z uhlíkové extrakční repliky, zvětšení 50k, Světlé a tmavé pole obrázek 13 EDX spektrum částice na obrázku 12

8 (NbV)N (NbV)N Cr 23 C 6 Otisky obrázek 14 Snímky z uhlíkových extrakčních replik před a po měření polarizační křivky do pásma transpasivity ZÁVĚR Tato práce vznikla v rámci řešených 2 výzkumných projektů, ve VZÚ Plzeň a na ZČU v Plzni. V rámci předložené práce byla ve VZÚ Plzeň obnovena elektrochemická potenciodynamická zkouška měření polarizačních křivek a byla prokázána její reprodukovatelnost při zachování konstantních podmínek měření. Dále zde byly proměřeny polarizační křivky na 3 vzorcích oceli CB2 podrobených různým časům creepové expozice a vyvstala otázka zvýšení proudové hustoty u vzorků po creepu v pasivní oblasti a transpasivní oblasti. Bylo prokázáno, že pík v pasivní oblasti vzniká díky rozpouštění Lavesovy fáze, která precipituje během creepové expozice. I přesto, že se našlo po elektrochemických zkouškách několik částic Lavesovy fáze, jedná se o zanedbatelné množství. Mikrostruktura vzorků po elektrochemickém rozpouštění v oblasti pasivity byla pozorována pomocí elektronové řádkovací mikroskopie a EDX mikroanalýzy. Dále se tato práce zabývala oblastí transpasivity, neboť zde vznikl předpoklad rozpouštění malých a velmi malých částic. Kvůli velikosti částic byla zvolena pro pozorování transmisní elektronová mikroskopie. Byly sejmuty extrakční uhlíkové repliky z povrchu, které se vyhotovovaly standartním postupem. Na vzorcích bylo prokázáno rozpouštění karbidů chromu v prvním píku transpasivní oblasti. Tato metoda se ukazuje jako použitelná pro určení stavu degradace při dlouhodobém tepelném namáhání, pouze je nutné mít křivky výchozích stavů bez tepelného namáhání. Bylo by nutné nejprve vytvořit databázi křivek bez tepelného namáhání a poté srovnáním s naměřenou křivkou určit stav degradace materiálu. LITERATURA [1] Strejcius J.: Elektrochemické charakteristiky chromových ocelí pro parní turbíny se zvýšenými parametry páry metodika řešení, výzkumná zpráva, Škoda výzkum s.r.o., [2] Koroze kovů a slitin - Elektrochemické zkušební metody Návody pro provádění potenciostatických a potenciodynamických polarizačních měření, ČSN EN ISO 17475, 2009 [3] Číhal V.: Mezikrystalová koroze ocelí a slitin, Nakladatelství technické literatury, Praha [4] [online]. [cit ]. [5] Novák P., Pedlík M., Jandová J.: Návod k laboratorním cvičením z korozního inženýrství a chemické metalurgie. VŠCHT Praha, [6] Databáze Metals & Aloys, International Centre for Difraction Data, USA, 1978 [7] Jandová D., Strejcius J., Kasl J., Kepka K.: CORRELATION OF MICROSTRUCTURE DEVELOPMENT OF CAST CB2 STEEL AFTER LONG-TERM CREEP TESTS WITH ELECTROCHEMICAL CHARACTERISTICS, 2nd International Conference on Recent Trends in Structurals Materials, Plzeň 2012