Incoloy 800HT so với Hợp kim 600:-Ổn định lâu dài về cấu trúc vi mô ở 800–900 độ

Incoloy 800HTvà Hợp kim 600 đều là hợp kim sắt-niken-crom và niken-crom-thường được xem xét cho các bộ phận lò, thiết bị xử lý nhiệt-và thiết bị xử lý hoạt động trong phạm vi 800–900 độ. Mặc dù có hình dáng giống nhau trên biểu dữ liệu nhưng chúng có tuổi thọ rất khác nhau sau hàng nghìn giờ ở nhiệt độ: một loại được thiết kế có mục đích-để có độ bền{10}}dài hạn, loại còn lại dùng để chống ăn mòn trong-hoạt động hóa chất và hạt nhân ở nhiệt độ thấp hơn.

Hướng dẫn này so sánh tính chất hóa học, hành vi kết tủa cacbua, cấu trúc hạt, độ bền-khi rão và khả năng chống oxy hóa/cacbon hóa của chúng, để các kỹ sư có thể chọn hợp kim thực sự có thể trụ vững trong chiến dịch dịch vụ nhiều{1}}năm thay vì hỏng sớm do thay đổi cấu trúc vi mô ngoài dự kiến.

Incoloy 800HT và Hợp kim 600 là gì và tại sao so sánh chúng ở 800–900 độ?

Incoloy 800HT (UNS N08811) là hợp kim sắt-niken-crom được thiết kế đặc biệt để có-độ bền nhiệt độ cao và độ ổn định cấu trúc, trong khi Hợp kim 600 (UNS N06600) là hợp kim sắt niken-crom-được thiết kế chủ yếu để chống ăn mòn - sự khác biệt trong mục đích thiết kế sẽ trở nên quyết định khi cả hai hợp kim được giữ trong thời gian dài ở 800–900 độ.

Cả hai hợp kim đều có chung nền ba{0} nguyên tố (niken, crom, sắt) tương tự nhau, đó là lý do tại sao đôi khi chúng được so sánh cho cùng một ứng dụng nhiệt độ-cao. Tuy nhiên, chiến lược hợp kim hóa của họ có sự khác biệt rõ rệt. Incoloy 800HT bổ sung cacbon được kiểm soát cộng với nhôm và titan, đồng thời chỉ định kích thước hạt thô hơn được kiểm soát, đặc biệt là để tối đa hóa độ bền đứt gãy-của rão trên 700 độ .

Hợp kim 600được phát triển để có khả năng chống chịu tuyệt vời đối với clorua do ăn mòn ứng suất-gây ra và nứt ăn da trong máy tạo hơi nước hạt nhân và xử lý hóa học, với-độ bền cấu trúc ở nhiệt độ cao được coi là yếu tố thứ yếu. Ở 800–900 độ, các mục tiêu thiết kế khác nhau này tạo ra hành vi cấu trúc vi mô dài hạn-khác nhau có thể đo lường được.

Bảng 1 - Phạm vi thành phần hóa học đại diện theo thông số kỹ thuật của ASTM/ASME (B407/B163 cho 800HT; B166/B168 cho Hợp kim 600). Xác minh các thông số kỹ thuật hiện tại của nhà máy để sử dụng trong thiết kế.

Những thay đổi cấu trúc vi mô nào xảy ra ở cả hai hợp kim khi tiếp xúc với nhiệt độ-cao-trong thời gian dài?

Cả hai hợp kim đều trải qua quá trình kết tủa cacbua, một số tiến hóa hóa học ở ranh giới hạt và mất dần-độ dẻo ở nhiệt độ phòng trong quá trình-tiếp xúc lâu dài ở 800–900 độ, nhưng kích thước hạt và cacbon được kiểm soát của Incoloy 800HT được thiết kế đặc biệt để thực hiện những thay đổi này có lợi cho độ bền rão, trong khi cấu trúc hạt mịn hơn, không được kiểm soát và hàm lượng cacbon thấp hơn của Hợp kim 600 tạo ra những thay đổi tương tự có nhiều khả năng làm giảm độ dẻo mà không mang lại lợi ích về độ bền bù đắp.

Ở nhiệt độ cao duy trì, crom kết hợp với cacbon để tạo thành cacbua giàu crom-(chủ yếu là M23C6), có xu hướng tạo mầm dọc theo ranh giới hạt trước tiên. Trong Incoloy 800HT, lượng kết tủa cacbua này được thiết kế có chủ ý: hàm lượng cacbon cao hơn của hợp kim và kích thước hạt thô được kiểm soát (cỡ hạt ASTM 5 hoặc thô hơn) thúc đẩy mạng lưới cacbua ranh giới bán{6}}hạt liên tục{7}} giúp xác định các ranh giới hạt và chống trượt ranh giới hạt - cơ chế biến dạng rão chiếm ưu thế ở những nhiệt độ này.

Trong Hợp kim 600 không được thiết kế với cơ chế tăng cường này, lượng kết tủa cacbua tương tự thường tạo ra màng biên-hạt liên tục mà không có lợi ích tăng cường phù hợp, có thể làm cạn kiệt crom (độ nhạy) cục bộ và giảm cả khả năng chống ăn mòn cũng như độ dẻo của rão.

Lượng mưa cacbua khác nhau như thế nào giữa Incoloy 800HT và Hợp kim 600?

Incoloy 800HT được thiết kế để tạo ra cấu trúc cacbua ranh giới{1}}hạt được kiểm soát, không liên tục giúp cải thiện độ bền rão, trong khi hàm lượng cacbon được kiểm soát ít hơn và thấp hơn của Hợp kim 600 khiến nó dễ tạo ra màng cacbua liên tục thúc đẩy nứt giữa các hạt khi tiếp xúc và ứng suất nhiệt lâu dài.

Bảng 2 - Hành vi kết tủa cacbua so sánh và mục đích thiết kế cho Incoloy 800HT và Hợp kim 600 ở nhiệt độ cao.

Hợp kim nào có khả năng chống lại pha Sigma và các pha liên kim loại dễ vỡ khác tốt hơn?

Cả hai hợp kim đều không có nhiều khả năng hình thành pha sigma so với các siêu hợp kim chứa -crom, molypden{1}}cao hơn, nhưng thiết kế hợp kim của Incoloy 800HT và lịch sử sử dụng lâu dài trong phạm vi 800–900 độ mang lại cho hợp kim này-khả năng chống lại sự giòn của các pha liên kim loại khi phơi nhiễm nhiều{6} năm nhiều năm so với Hợp kim 600, vốn có thành tích ngắn hơn đặc biệt ở phạm vi nhiệt độ này.

Pha Sigma và các kim loại tạo giòn có liên quan hình thành dễ dàng nhất trong các hợp kim có hàm lượng crom cao kết hợp với hàm lượng molypden, vonfram hoặc niobi ở nhiệt độ trung gian (khoảng 600–900 độ). Cả Incoloy 800HT và Hợp kim 600 đều có hàm lượng crom khiêm tốn và hàm lượng molypden từ-đến{6}}thấp không đáng kể so với các hợp kim như 625 hoặc thép không gỉ siêu austenit, giúp hạn chế rủi ro pha sigma ở cả hai. Tuy nhiên, Incoloy 800HT đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ trong ống lò nhiệt phân ethylene, giỏ xúc tác và các thiết bị xử lý nhiệt đặc biệt ở nhiệt độ 800–1100 độ, mang lại cho các nhà luyện kim lượng dữ liệu lão hóa dài hạn lớn hơn nhiều xác nhận độ ổn định cấu trúc vi mô của nó trong cửa sổ này so với Hợp kim 600 vốn thường được chỉ định cho dịch vụ dưới 650 độ.

Kích thước hạt và đặc điểm ranh giới hạt ảnh hưởng như thế nào đến sự ổn định lâu dài?

Kích thước hạt thô được chỉ định của Incoloy 800HT trực tiếp cải thiện tuổi thọ rão-bằng cách giảm tổng diện tích ranh giới hạt có sẵn để trượt ranh giới hạt, trong khi cấu trúc hạt được ủ-của Hợp kim 600 thường mịn hơn, được nghiền{3}}tốt cho độ dẻo trong phòng-độ dẻo ở nhiệt độ phòng và khả năng chống ăn mòn - trở thành nguyên nhân gây ra khả năng chống rão ở 800–900 độ .

Biến dạng rão ở nhiệt độ cao và ứng suất từ ​​thấp{0}}đến{1}trung bình bị chi phối bởi sự trượt và khuếch tán ranh giới hạt dọc theo ranh giới hạt. Cấu trúc hạt thô hơn có tổng diện tích ranh giới hạt trên một đơn vị thể tích nhỏ hơn tương ứng, điều này trực tiếp làm chậm cơ chế biến dạng này và kéo dài thời gian vỡ. Thông số kỹ thuật máy nghiền của Incoloy 800HT yêu cầu kích thước hạt thô được kiểm soát cụ thể để khai thác mối quan hệ này. Hợp kim 600, được sản xuất chủ yếu cho các ứng dụng ăn mòn trong đó kích thước hạt mịn giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn và nứt giữa các hạt ở nhiệt độ thấp hơn, thường được cung cấp cấu trúc hạt mịn hơn, phản tác dụng về mặt luyện kim đối với dịch vụ rão ở nhiệt độ cao-c dai dẳng.

Hợp kim nào có độ rão tốt hơn-Độ bền đứt ở 800–900 độ ?

Incoloy 800HT cung cấp độ bền đứt-cao hơn đáng kể so với Hợp kim 600 ở 800–900 độ, đó là lý do chính khiến nó - thay vì Hợp kim 600 - là hợp kim được chỉ định tiêu chuẩn cho các thành phần cấu trúc có thời gian tồn tại-trong phạm vi nhiệt độ này.

Bảng 3 - So sánh định tính về tính phù hợp của thiết kế đứt gãy-từ biến. Các giá trị ứng suất thực tế cho phép là nhiệt độ-, thời gian- và mã-phiên bản-cụ thể; tham khảo ASME Phần II Phần D hiện hành hoặc mã thiết kế hiện hành cho các giá trị số.

So sánh khả năng chống oxy hóa và cacbon hóa ở những nhiệt độ này?

Hàm lượng crom cao hơn của Incoloy 800HT mang lại cho nó khả năng chống oxy hóa tuyệt vời ở nhiệt độ 800–900 độ trong không khí và khí quyển oxy hóa nhẹ, trong khi hàm lượng niken cao hơn nhiều của Hợp kim 600 mang lại lợi thế trong việc cacbon hóa hoặc giảm khí quyển mạnh, nơi độ hòa tan và độ khuếch tán carbon thấp hơn trong quá trình thu nhận carbon giới hạn ma trận niken-cao.

Bảng 4 - So sánh điện trở cụ thể của môi trường-giữa Incoloy 800HT và Alloy 600.

Hợp kim nào chống bụi kim loại tốt hơn ở nhiệt độ cao?

Hợp kim 600 thường có khả năng chống bám bụi kim loại tốt hơn Incoloy 800HT trong môi trường khí xử lý giàu carbon,{2}}giàu carbon,{3}}oxy thấp, vì hàm lượng niken cao hơn đáng kể của nó ngăn chặn hiệu quả quá trình bão hòa carbon bắt đầu tấn công bụi kim loại.

Bụi kim loại là một dạng cacbon hóa thảm khốc xảy ra trong khí quyển khí siêu bão hòa cacbon-có nhiệt độ khoảng 400–800 độ, trong đó bề mặt hợp kim phân hủy thành bụi gồm các hạt kim loại mịn và cacbon. Niken có độ hòa tan và độ khuếch tán cacbon thấp hơn nhiều so với sắt, do đó, hợp kim có hàm lượng niken cao hơn thường chống lại sự hình thành bụi kim loại tốt hơn so với hợp kim giàu sắt có hàm lượng crom tương tự.

Vì Hợp kim 600 mang hàm lượng niken nhiều hơn gấp đôi so với Incoloy 800HT nên nó thường hoạt động tốt hơn trong quá trình-chuyển hóa khí, khí tổng hợp và các môi trường xử lý giàu-hoạt động-cacbon khác trong đó bụi kim loại là mối đe dọa chủ yếu, mặc dù Incoloy 800HT vẫn là lựa chọn mạnh mẽ hơn cho dịch vụ leo cấu trúc thuần túy trong môi trường oxy hóa.

Các nghiên cứu-lão hóa dài hạn cho thấy điều gì về sự mất đi độ dẻo?

Cả hai hợp kim đều mất đi một số-độ dẻo ở nhiệt độ phòng sau hàng nghìn giờ ở 800–900 độ do kết tủa cacbua ranh giới hạt, nhưng hình thái cacbua được kiểm soát của Incoloy 800HT thường dẫn đến sự mất độ dẻo dần dần, dễ dự đoán hơn so với Hợp kim 600, có thể cho thấy độ giòn rõ hơn nếu các màng cacbua ranh giới hạt- trở nên liên tục.

Sự mất đi độ dẻo trong quá trình lão hóa dài hạn-chủ yếu do sự chuyển đổi từ các cacbua ranh giới hạt-không liên tục, cô lập sang mạng lưới cacbua liên tục, tạo ra một đường dẫn dễ dàng cho sự lan truyền vết nứt giữa các hạt khi vật liệu nguội và được nạp ở nhiệt độ phòng (ví dụ: trong quá trình tắt máy hoặc chu trình nhiệt). Thiết kế hợp kim của Incoloy 800HT - bao gồm cả nhôm và titan bổ sung, cũng tạo thành kết tủa nội hạt mịn - giúp cân bằng sự hình thành cacbua ranh giới-của hạt chống lại việc tăng cường ma trận tổng thể, tạo ra hành vi lão hóa lâu dài-dễ chịu hơn. Do lượng kết tủa cacbua của Hợp kim 600 không được cân bằng tương tự theo thiết kế nên việc tiếp xúc liên tục ở 800–900 độ có thể tạo ra mạng lưới cacbua biên{12}hạt liên tục hơn và độ dẻo ở nhiệt độ phòng giảm mạnh hơn tương ứng trong các chiến dịch sử dụng lâu dài.

Nên chọn hợp kim nào cho các ứng dụng-nhiệt độ cao cụ thể?

Incoloy 800HT phải là lựa chọn mặc định cho các thành phần cấu trúc có thời gian dài-hoạt động liên tục ở nhiệt độ 800–900 độ trong môi trường oxy hóa, trong khi Hợp kim 600 vẫn là lựa chọn tốt hơn khi khả năng chống cacbon hóa hoặc bụi kim loại là chế độ hư hỏng chủ yếu hoặc khi thành phần đó cũng yêu cầu khả năng chống ăn mòn clorua-rất tốt ở nhiệt độ thấp hơn.

Ống lò nhiệt phân ethylene, giỏ đỡ chất xúc tác và giá treo ống bức xạ: Độ bền rão của Incoloy 800HT - và khả năng chống oxy hóa là các yêu cầu quản lý.

Các thiết bị-xử lý nhiệt, bộ giảm âm và bình cổ cong hoạt động liên tục trên 800 độ: Độ ổn định chiều dài hạn của Incoloy 800HT --khi chịu tải là rất quan trọng.

Khí tổng hợp, chất cải tạo hydro và các thành phần quy trình giàu-hoạt động{1}}cacbon khác dưới khoảng 800 độ: Khả năng chống bụi và cacbon hóa của kim loại hợp kim 600 - là các yêu cầu quản lý.

Các thành phần chuyển đổi giữa dịch vụ nhiệt độ-cao và khả năng tiếp xúc với dung dịch nước hoặc clorua-có nhiệt độ thấp hơn-: Hợp kim 600 - kết hợp khả năng chịu nhiệt độ-cao và clorua SCC có thể cần thiết, mặc dù Hợp kim 690 hiện nay thường được ưu tiên cho các thiết kế mới yêu cầu cả hai.

Các ứng dụng-môi trường hỗn hợp: tham khảo thành phần khí quy trình cụ thể, mức độ căng thẳng và tuổi thọ thiết kế cần thiết, vì việc lựa chọn hợp kim ở nhiệt độ 800–900 độ phải luôn được xác thực theo chế độ hỏng hóc điều chỉnh chứ không chỉ riêng nhiệt độ.

Câu hỏi thường gặp

Hợp kim 600 có thể tồn tại-khi tiếp xúc ngắn hạn ở nhiệt độ 900 độ, nhưng đối với dịch vụ chịu tải-liên tục trong hàng nghìn giờ, Incoloy 800HT là lựa chọn tốt hơn vì kích thước hạt được kiểm soát và khả năng tăng cường lớp lót cacbit/gamma-cung cấp độ bền đứt-từ biến cao hơn đáng kể ở nhiệt độ đó.

Tại sao Incoloy 800HT chỉ định cỡ hạt thô trong khi hạt mịn hơn thường cải thiện độ bền?

Các hạt mịn cải thiện độ bền ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp bằng cách chống lại chuyển động lệch vị trí, nhưng ở nhiệt độ cao, chúng làm tăng tổng diện tích ranh giới hạt có sẵn để trượt ranh giới hạt, đây là cơ chế biến dạng rão chiếm ưu thế trên khoảng 0,5 lần điểm nóng chảy của hợp kim; cấu trúc hạt thô hơn làm giảm hiệu ứng này và cải thiện tuổi thọ của rão.

Nhìn chung, Hợp kim 600 có khả năng chống ăn mòn cao hơn Incoloy 800HT không?

Hợp kim 600 thường có khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất clorua và bụi kim loại tốt hơn do hàm lượng niken cao hơn, trong khi Incoloy 800HT cung cấp khả năng chống oxy hóa tốt hơn trong môi trường không khí nóng và khí đốt do hàm lượng crom cao hơn, vì vậy câu trả lời phụ thuộc vào môi trường ăn mòn cụ thể thay vì một hợp kim có khả năng chống ăn mòn phổ biến hơn.

Việc-tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ 800–900 độ có làm cho hợp kim trở nên không an toàn khi sử dụng sau đó ở nhiệt độ phòng không?

Cả hai hợp kim đều giữ được độ dẻo hữu ích ở nhiệt độ phòng-sau khi tiếp xúc với nhiệt độ-cao-trong thời gian dài, mặc dù dự kiến ​​sẽ có sự giảm bớt và được tính đến trong thiết kế; các thành phần được loại bỏ khỏi dịch vụ nhiệt độ cao-cao-dài hạn phải được kiểm tra và, nếu mã hiện hành yêu cầu, được đánh giá xem có phù hợp để sử dụng liên tục trước khi sử dụng lại hay không.

Hợp kim nào được sử dụng rộng rãi hơn cho ống lò nứt ethylene?

Incoloy 800HT và các loại đúc tương ứng của nó (chẳng hạn như các hợp kim biến tính-HP) phổ biến hơn nhiều đối với ống lò nhiệt phân ethylene so với Hợp kim 600, vì các ống này là các bộ phận chịu áp lực-hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong đó cường độ rão-chi phối tuổi thọ thiết kế.