Comment la fraction volumique des précipitations de phase Chi (χ) à 700 degrés pendant le service à long terme - du tube de gaine chauffante 316L contrôle-t-elle la réduction de la résistance aux chocs de la température ambiante

La phase intermétallique fragilisante s'est formée à 600-800 degrés

Precipitation of the intermetallic Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀ phase, called chi (χ) phase, severely embrittles 316L stainless steel sheathed electric heating tubes in service for extended periods (thousands of hours) in the 600-800°C range, such as superheater supports, high-temperature furnace heaters, and petrochemical process heaters, as measured by room temperature impact toughness (Charpy V-notch testing). Chi phase has an even more negative influence on toughness. Unlike the well known sigma (σ) phase formation at higher temperature (650-900°C), chi phase precipitates more quickly at lower temperature (600-750°C). Molybdenum and chromium rich chi phase is found on the ferrite-austenite boundaries and on the grain boundaries. Even small volume fractions of chi phase (i.e. 0.5-1.0%) can lower the room temperature impact energy of 316L from >200 J (ductile) à<50 J (brittle), and at 2-3% chi phase the impact energy is below 20 J (severe embrittlement). This paper evaluates the link between chi phase volume fraction, precipitation kinetics at 700oC, and consequent room temperature toughness for 316L heater sheaths.

Mécanisme de fragilisation de la phase Chi

La phase χ a une structure cubique centrée (BCC) avec une grande cellule unitaire (a≈ 8,9 Å) et est riche en molybdène (généralement 20-30 % Mo) et en chrome (25-35 % Cr). Il précipite préférentiellement aux joints de grains, aux contacts ferrite-austénite et au niveau des inclusions. La phase est dure et cassante et sa présence offre des voies de fracture pratiques le long des joints de grains. Contrairement à la phase sigma, la phase chi est un agent fragilisant plus puissant car elle se forme sous forme de petites particules étroitement espacées qui forment un réseau fragile continu à des fractions volumiques inférieures. Le maximum est observé à 700 degrés et 1 000 à 5 000 heures de vieillissement en fonction de la teneur en molybdène. Le standard 316L (2,0-2,5 % Mo) est sensible ; une augmentation du molybdène (2,5 à 3,0 % de Mo, proche de 317 L) améliore le taux de production de chi.

Relation quantitative entre la fraction volumique traitée thermiquement - et la résistance aux chocs à 700 degrés

Progression de la fragilisation déterminée par le vieillissement contrôlé du tube 316L à 700 degrés (courbe TTT du nez de la phase chi) avec différents temps de vieillissement suivis d'une quantification de la phase chi (diffraction des rayons X-, SEM) et d'un test d'impact Charpy V-encoche à température ambiante (20 degrés).

Temps de vieillissement à 700 degrés (h) Fraction volumique de la phase Chi (% Taille des particules Chi (nm) Site de précipitation Température ambiante Énergie d'impact (encoche J, Charpy V-) Aspect de la surface de fracture Recommandé pour le service où la robustesse est nécessaire
0 (annealed) 0 N/A None >200 Ductile (100% shear)Yes 100 < 0.1 < 50Grain boundaries (sparse) 180-200 Mostly ductile Yes 250 0.1-0.3 50-100 Grain boundaries (scattered) 150-180Ductile, with some cleavage Yes 500 0.3-0.6 100-150 Grain boundaries (partial coverage) 100-150 Mixed (50% cleavage) Acceptable 750 0.6-1.0 150-200 Grain boundaries (near-continuous) 60-100Marginal Mostly cleavage 1,000 1.0-1.5 150-250 Continuous grain boundary network 30-60 Cleavage (brittle)Not recommended 1500 1.5-2.0 200-300Continuous + intragranular 15-30 Brittle (100% cleavage) No 2,000 2.0-2.5 250-350 Extensive, coalesced 10-20Very Brittle No 3,000 2.5-3.0 300-400 Widespread, coarse 5-15Very brittle No. 5,000 3.0-4.0 >400 Large, trop vieilli 5-10Extrêmement fragile Non
Diagramme TTT pour la phase Chi en 316L

Le diagramme TTT de la phase chi dans le 316L (2,3 % Mo) indique que la précipitation la plus rapide se produit à 700 °C et que le nez dure environ 1 000 à 2 000 heures.

Temperature ( o C) Time to 0.5 % Chi Phase (hours) Time to 1.5 % Chi Phase (hours) Maximum Recommended Service Time Before Embrittlement (Hours) 550 >10,000 >20,000 20,000 600 2,000-4,000 5,000-8,000 5,000 650 800-1,500 2,000-3,500 2,000 675 500-800 1,200-2,000 1,500 700 400-700 1,000-1,500 1,000 725 500-900 1,200-2,000 1,500 750 800-1,500 2,000-4,000 2,500 800 2,000-4,000 5,000-10,000 5,000
Influence de la teneur en molybdène sur le taux de précipitation du Chi

Un molybdène plus élevé favorise la précipitation de la phase chi. Le molybdène inférieur est bon pour le service à 700 degrés.

Teneur en molybdène (% en poids) Temps jusqu'à 1,0 % Chi à 700 degrés (heures) Énergie d'impact après 2 000 heures à 700 degrés (J) Température maximale recommandée pour une durée de vie de 10 000 heures 2,0 (minimum 316) 1 500-2,500 30-60 650 degré 2,2 (typique 316L) 1 000-1,800 25-50 640 degré 2,5 (maximum 316L) 600-1,000 15-35 620 degrés 2,8 (approchant 317L) 300-600 10-25 600 degrés 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 degrés Recommandations pratiques pour les gaines chauffantes 316L à 700 degrés

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) pour les gaines chauffantes 316L à ou autour de 700 degrés, les limitations de service suivantes sont applicables.

Desired service life at 700 °C (hours)Maximum Allowable Chi Phase (%) Recommended Maximum Service Temperature (°C) Alternative Alloy 500 0.5 700 316L acceptable 1,000 1.0 690 316L with lower Mo (2.0-2.2%) 2,000 1.5 670 347 or 316L with annual toughness check 5,000 2.0 650 (or less) 347 (no chi) or 310 10,000 >2.0 (non acceptable)<600 310 or Inconel 600
Tout sujet soumis à des cycles thermiques Gain de temps de 50 % Ci-dessus Passer au niveau supérieur
CARACTÉRISATION DE LA PHASE DE FRAGILATION DU CHI-

Trois méthodes mesurent la fragilisation en phase chi pour les radiateurs qui ont fonctionné à 600-750 degrés. Tout d’abord, les tests de dureté. La dureté augmente de 160-180 HV à 220-300 HV en raison du développement de la phase chi. La seconde est la métallographie de terrain (réplique). Une surface polie et gravée observée entre 500 et 1 000 peut montrer des précipités de chi aux joints de grains. Le troisième est un test d’impact simplifié. Si une partie de l'élément chauffant peut être retirée, un petit test Charpy de petite taille peut évaluer la perte de ténacité. La diffraction des rayons X (XRD) ou SEM/EDS est le moyen définitif d'identifier directement la phase chi.

Conclusion : définir des limites de service pour éviter la fragilisation du Chi

For 316L stainless steel heater sheaths running at 700°C, chi (χ) phase precipitation was observed after 400-1500 h, with a volume fraction of 1.0-1.5% after 1000-2000 h. The room temperature impact toughness at this level diminishes from >200 J à 30-60 J (rupture fragile). Les ingénieurs spécifiant des gaines 316L pour un service à plus de 650 degrés doivent déterminer le temps total passé dans la région de 600 -750 degrés et le comparer aux restrictions indiquées dans le diagramme TTT. Pendant 1 000 à 2 000 heures à 700 degrés ou 5 000 à 10 000 heures à 650 degrés, il est recommandé de passer à l'acier inoxydable 347 (stabilisé au niobium, ne forme pas de chi) ou 310 (complètement austénitique, chrome supérieur). L'approche proposée ici relie le pourcentage volumique de la phase chi à la perte de résistance aux chocs mesurable à température ambiante et permet aux acheteurs d'établir des restrictions de température et de durée qui empêchent la fragilisation des gaines de chauffage 316L lors d'une utilisation à long terme à haute température.