Все о растрескивании сплавов на основе никеля под воздействием окружающей среды

Сплавы на основе никеля (Ni) используются в высококоррозионных средах и часто там, где другие металлы, такие как нержавеющая сталь, обладают недостаточной коррозионной стойкостью. Поскольку сплавы на основе никеля, как правило, более устойчивы к коррозии, чем нержавеющие стали, они часто заменяют нержавеющие стали, в которых присутствуют хлориды, и в сочетании с минимальными остаточными напряжениями могут вызывать коррозионное растрескивание под напряжением хлоридов (SCC) этих сплавов. ( Дополнительную информацию по этой теме см. в разделе:Коррозионное растрескивание аустенитной нержавеющей стали под напряжением хлорида.)

Предпочтительным сплавом, по-видимому, является сплав C276, который практически невосприимчив к SCC.

Кроме того, многие считают, что сплавы на основе никеля также устойчивы к растрескиванию под воздействием окружающей среды (EAC). Однако, к сожалению, существуют некоторые специфические условия — в сочетании с определенными микроструктурными изменениями — где эти сплавы также могут быть подвержены EAC. (Обратите внимание, что требуемое растягивающее напряжение может быть как приложенным, так и остаточным.)

В этой статье будут освещены условия, в которых различные классы сплавов на основе никеля подвержены EAC. Такое растрескивание не всегда очень распространено; но если эти среды потенциально присутствуют, настоятельно рекомендуется оценка потенциального растрескивания с помощью испытаний, например, U-образного изгиба, С-образного кольца или оценки медленной скорости деформации. В этой статье не проводится различие между SCC и водородным охрупчиванием.

Растрескивание сплавов на основе Ni под воздействием окружающей среды:основы

Для водных галоидных систем сочетание условий может способствовать склонности сплавов на основе никеля к ЭАС. К ним относятся:

• Температура выше 205 градусов Цельсия.
• Высокая концентрация хлоридов.
• Кислотные условия.
• Присутствие окислителей.
• Присутствие сероводорода (H₂ С).
• Высокое растягивающее напряжение.

Существует две основные классификации сплавов на основе никеля:жаропрочные и коррозионностойкие. И последняя категория состоит из трех основных типов:

• Сплавы Ni-Mo.
• Сплавы Ni-Cr-Mo.
• Сплавы Ni-Cr-Fe-(Mo).

Новые методы оценки растрескивания никеля под воздействием окружающей среды на основе суперсплавов

Хотя испытание на медленную скорость деформации, также известное как испытание на усталость с выдержкой, может обеспечить меру восприимчивости сплава к EAC, оно не всегда дает достаточную информацию о механизме растрескивания.

В принципе, методы могут быть использованы для исследования областей вершины трещины усталостных образцов. Возможные методы включают просвечивающую электронную микроскопию в сочетании с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (EDXA), масс-спектрометрию вторичных ионов в наномасштабе (nano-SIMS) и атомно-зондовую томографию — все они использовались для изучения этой проблемы.

Эти исследования показали, что зачастую деградация окружающей среды происходит очень локально в субмикронном масштабе. Однако до сих пор не изучено влияние экологических повреждений на локальные механические свойства в области перед вершиной трещины. Использование методов микромеханических испытаний теперь может применяться для оценки механического поведения в субмикронном масштабе. Используя эти тесты, мы можем проводить измерения в субмикронных масштабах для конкретных участков; и это может сыграть решающую роль в лучшем понимании механизмов взлома.

Растрескивание никель-молибденовых сплавов с помощью окружающей среды

Наиболее распространенными сплавами Ni-Mo являются Alloy B, Alloy B2 и Alloy B3. Эти сплавы обладают превосходной коррозионной стойкостью в неокисляющих и восстанавливающих кислых средах и показали свою устойчивость к Cl-SCC, например, к кипящему хлориду магния (MgCl₂ ) решения.

Сплав B2 и в некоторой степени сплав B3 при нагревании до температуры от 550 до 850 градусов Цельсия теряют пластичность из-за образования в твердом состоянии упорядоченной интерметаллической фазы, такой как Ni₄ Мо. Такие фазы могут возникать в околошовной зоне (ЗТВ) при сварке. Исследования медленной скорости деформации продемонстрировали склонность этих сплавов к растрескиванию в восстановительно-кислотных условиях при термообработке до 570 градусов Цельсия или в условиях, типичных для сварки.

Было объяснено, что степень растрескивания связана с образованием интерметаллической фазы и последующим выделением водорода (H₂ ) охрупчивание. Это исследование могло бы объяснить наблюдаемое межкристаллитное растрескивание в ЗТВ сплава B2 при воздействии органических растворителей, содержащих следы серной кислоты (H₂ ТАК₄ ) и транскристаллитный крекинг в присутствии йодистого водорода (HI).

Химия катодных и анодных растворов вблизи сварных швов может быть критическим фактором для EAC. Состав Alloy B3 задерживает реакцию старения и позволяет использовать его в состоянии после сварки, что может снизить потенциал EAC.

Растрескивание никель-хром-молибденовых сплавов при содействии окружающей среды

Сплавы Ni-Cr-Mo являются наиболее универсальными сплавами на основе Ni из-за включения молибдена (Mo), который может повысить коррозионную стойкость в восстановительных условиях, и присутствия хрома (Cr), который обеспечивает большую коррозионную стойкость в окислительных условиях. .

Hastelloy C был первым сплавом этой группы и послужил основой для разработки многих сплавов, включая сплавы C276, C4, C22, C-2000, 625, 5923hMo и 686. Когда эти сплавы состариваются при температурах выше 600 градусов Цельсия, может происходить выделение тетраэдрически замкнуто упакованных фаз, что может снизить их пластичность. Время, необходимое каждому сплаву для трансформации через эти фазы, варьируется; например, сплав С4 обладает более высокой устойчивостью к таким микроструктурным изменениям, чем сплав С276. Восприимчивость к EAC также может быть увеличена при холодной обработке с последующей низкотемпературной обработкой. Таким образом, эти сплавы могут иметь склонность к EAC в средах, содержащих H₂ С.

Также сообщалось, что сплавы C276 и 625 могут страдать от межкристаллитного растрескивания при воздействии различных водных растворов вблизи критической точки воды. Испытания на расширение трещины в кислом растворе для имитации ядерных отходов для сплавов C4, -22 и 625, по-видимому, связаны со временем, которое для таких агрессивных и критических сред должно включать более длительные испытания.

Для влажно-горячего фтороводорода (HF) — и в зависимости от температуры и концентрации HF — эти сплавы могут быть восприимчивы к EAC. Наиболее уязвимы сплавы, содержащие вольфрам.

Высокие уровни Mo в этих сплавах, по-видимому, вредны для горячих едких сред, поскольку Mo и Cr разъединяют сплавы. Такой механизм может способствовать транскристаллитному растрескиванию в сплаве С276. Однако восприимчивость также может зависеть от условий тестирования.

Alloy C22 чувствителен к EAC в средах, содержащих хлориды и бикарбонаты (HCO₃ ) или карбонат при повышенной температуре и анодных потенциалах. Потери Cr при растворении HCO₃ ^- в защитной оксидной пленке может быть источником восприимчивости.

Растрескивание сплавов Ni-Cr-Fe-(Mo) с помощью окружающей среды

Сплавы Ni-Cr-Fe-(Mo) включают сплавы 600, 690, 825 и 800. Они широко используются в различных областях, например в реакторах с первичным водяным охлаждением.

В частности, было обнаружено, что сплавы 600 и 690 подвержены ЭАС в чистой воде и щелочи с предрасположенностью к растрескиванию, сильно зависящей от температуры, уровня растягивающего напряжения, присутствия H₂ газ, рН раствора и электрохимический потенциал. Металлургические факторы, влияющие на растрескивание, включают наличие второстепенных или примесных элементов, степень холодной обработки и термической обработки для образования и локализации карбидов. Сплав 690, имеющий более высокое содержание Cr, обладает большей устойчивостью к растрескиванию, чем сплав 600 в этих средах; но все еще может треснуть.

Было высказано предположение, что диффузия кислорода внутрь на границах зерен может привести к межкристаллитному окислению Cr, где охрупчивание при межкристаллитном окислении является предшественником последующего растрескивания. Сплав 800 также подвержен EAC в этих условиях; но механизм другой. При температуре 300 градусов Цельсия и pH выше 10 может происходить отщепление железа (Fe) и хрома, что приводит к механизму расщепления пленки. Присутствие свинца (Pb) или анионов сульфата может усилить деградацию Alloy 800 в этих условиях.

Сплав 825 более устойчив к Cl-SCC, чем аустенитные нержавеющие стали; однако он все еще восприимчив. Сплавы 800 и 825 при нагревании до температуры от 400 до 800 градусов Цельсия будут сенсибилизироваться, то есть карбиды хрома осаждаются на границах зерен. Если условия процесса таковы, что на поверхности металла образуется сульфидная окалина, эти сплавы подвержены коррозионному растрескиванию под действием политионовой кислоты. (Подробнее по этой теме см.:Коррозионное растрескивание аустенитной нержавеющей стали под действием политионовой кислоты.)

Морфология трещин в сплавах на основе Ni

Морфология трещин ЭАК для сплавов на основе никеля может быть транскристаллитной (сквозь зерна), межкристаллитной (по границам зерен) или смешанной, с разветвленным вторичным растрескиванием в зависимости от условий окружающей среды, таких как температура, наличие технологических примесей, химический состав процесса и микроструктурные вариации. Однако наличие этих трещин не означает автоматически, что EAC является механизмом разрушения, поскольку другие механизмы, такие как растрескивание при релаксации напряжений, распространяются по межкристаллитному типу. (Дополнительную информацию по этой теме см. в статье:Трещина при релаксации стресса, забытый феномен.)

Для правильного определения точного вида отказа может потребоваться подробный анализ отказа, включая тщательную оценку условий процесса и возможное тестирование EAC.