Influence of initial thermomechanical treatment on high temperature properties of laves phase strengthened ferritic steels

  • Einfluss der initialen thermomechanischen Behandlung auf die Hochtemperatur-Eigenschaften von Lavesphasen-verfestigten ferritischen Stählen

Talík, Michal; Singheiser, Lorenz (Thesis advisor); Beck, Tilmann (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek (2016, 2017)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt 338
Seite(n)/Artikel-Nr.: xxiii, 130 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Kurzfassung

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und die Bewertung der mechanischen Eigenschaftenvon ferritischen HiperFer (High perfomrance Ferite) Hochleistungsstählen mit einem Chromgehalt von 17 Gew%, deren Verfestigung durch Ausscheidung intermetallischer Laves-Phasenpartikel erreicht wird. Diese sollen in zukünftigen, ultrasuperkritischen Kraftwerksprozessen mit verbesserten Wirkungsgraden eingesetzt werden. Hierzu sind erheblich verbesserte Materialien mit hoher Beständigkeit gegen Heißgas- und Dampfoxidation sowie ausreichender Kriech- und Zeitstandfestigkeit erforderlich. Die Arbeit konzentrierte sich auf die Charakterisierungder Kriecheigenschaften eines 17Cr2.5W0.5Nb0.25Si Versuchsstahls. Zusätzlich wurdenKleinstschmelzen (17Cr3W0.5Nb0.25Si und 17Cr3W0.9Nb0.25Si), um den Einfluß geänderterchemischer Zusammensetzungen auf das Ausscheidungsverhalten zu analysieren. Die Kriechfestigkeit von HiperFer Stählen wird durch eine möglichst homogene Verteilung feiner, thermodynamisch stabiler Laves-Phasenpartikel erreicht, während hohe Korrosionsbeständigkeit durch den vergleichsweise hohen Chromgehalt gewährleistet wird. Die Versuchsstähle wurdenauf der Basis thermodynamischer Modellierung (Thermocalc) hinsichtlich Vermeidung der spröden (Fe,Cr)-sifgma Phase und Maximierung des Gehalts der verfestigenden C14 Laves-Phase vom Fe2Nb -Typ optimiert. Alle Versuchsstähle wurden bei 650 °C ausgelagert, um die Rolle der chemischen Zusammensetzung und des thermomechanischen Behandlungszustandes auf das Ausscheidungsverhalten bewerten zu können. Die Ausscheidung der Laves-Phase erfolgt schnell (im Bereich einiger Minuten bis hin zu maximal 2 Stunden), ihre Größe nimmt innerhalb von1,000 Stunden nicht nennenswert zu. Die experimentell beobachtete Entwicklung der Teilchengröße wurde mit thermodynamischen Modellrechnungen (TC-Prisma) vergleichen. Die Kriecheigenschaften des 17Cr2.5W0.5Nb0.25Si Versuchsstahls in unterschiedlichen thermomechanischen Behandlungszuständen (unterschiedlicher Walzverfahren und Wärmebehandlungen)wurden bei 650 °C geprüft. Vergrößerte Umformgrade wirkten sich positiv aus, was nichtnur auf Warm-Kalt-Verfestigung, sondern auch auf die Beschleunigung der Laves-Phasenausscheidungzurückzuführen ist. Rekristallisationsgeglühtes Material zeigte dagegen deutlich geringere Zeitstandfestigkeit. Um dem entgegenzuwirken, wurden zwei vielversprechende Wärmebehandlungen zur Wiederherstellung der Zeitstandfestigkeit (bis auf das Niveau des gewalzten Materials) identifiziert. Tempern bei 540 °C beschleunigt die Bildung der Laves-Phase und reduziertderen Größe. Kurzzeitige Wärmehandlung bei 800 °C bewirkt eine dichte Belegung der Korngrenzen mit Laves-Phasenteilchen, ohne nachteiligen Einfluss auf die Morphologie der bei Betriebstemperatur im Korninneren ausgeschiedenen Partikel. Die dichte Belegung der Korngrenzen bewirkt eine Verzögerung des Korngrenzengleitens, somit eine Verlängerung der Tertiärkriechphase und auf dieser Grundlage verbesserte Zeitstandfestigkeit.

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