¿Cómo controla la fracción de volumen de la segregación intergranular de boro por debajo de 50 ppm B en la tubería de revestimiento del calentador 316L la mejora de la ductilidad de fluencia a 650 grados para un servicio de 20 000 horas?

Efectos de los oligoelementos sobre la cohesión del límite del grano y la resistencia a la cavitación

Para tubos calefactores eléctricos revestidos de acero inoxidable 316L que funcionan a 650 C durante períodos prolongados de tiempo (20,{3}} horas), la adición de trazas de boro (generalmente 20-50 ppm) a la aleación puede mejorar significativamente la ductilidad por fluencia y extender la vida de ruptura por fluencia al segregar los límites de los granos y mejorar la cohesión de los límites de los granos. El boro no es una adición estándar al 316L, pero puede ser residual de la chatarra o agregado intencionalmente en algunos grados altos. La segregación de boro en los límites de los granos en valores óptimos (20-30 ppm B) reduce la tasa de difusión de los límites de los granos y el inicio de la cavitación por fluencia, lo que aumenta el alargamiento de rotura por fluencia del 10-15% al ​​25-35% y aumenta la vida útil de la rotura por fluencia del 30-50%. Por encima de 50-70 ppm B, el exceso de boro forma partículas de boruro quebradizas (por ejemplo, Fe 2 B, Cr 2 B) cerca de los límites de los granos, lo que disminuye la ductilidad. El impacto positivo es mínimo por debajo de 15 ppm de B. Este artículo cuantifica el vínculo entre el contenido de B, la segregación de los límites de grano y la ductilidad por fluencia a 650 grados durante 20 000 horas de servicio.

Mecanismo de aumento de la ductilidad de fluencia inducido por el boro

El boro es un elemento intersticial diminuto que se segrega fuertemente en los límites de los granos (factor de segregación de 10 a 100). El boro en los límites de los granos reduce la difusividad de los límites de los granos del cromo y el hierro a 650 grados, lo que retarda la tasa de nucleación y crecimiento de la cavidad de fluencia. El boro también ayuda a que los límites de los granos se mantengan mejor unidos, lo que dificulta el crecimiento de las caries. A la concentración ideal de boro, la cobertura en los límites de los granos es casi una monocapa completa (~0,2-0,5 monocapa, correspondiente a 1-2% at en los límites de los granos). Por encima de este umbral, el boro se sobresatura y precipita como boruros duros y frágiles (M2B) en los límites de los granos y en los puntos triples, que son sitios para la nucleación rápida de la cavidad.

Correlación cuantificada entre la concentración de boro y la ductilidad de fluencia a 650 grados

Se ha descubierto que las adiciones controladas de boro a 316L (0,015 % C, 0,08 % N, 2,2 % Mo, resto Fe) evaluadas a 650 grados y 80 MPa durante hasta 20 000 horas exhiben las siguientes propiedades de fluencia.

Contenido de boro (ppm) Segregación de boro en el límite del grano (proporción estimada de monocapa) M_2_B Fracción de volumen de boruro (%) Alargamiento de ruptura por fluencia a 650 grados, 80 MPa (%) Vida de ruptura por fluencia (horas) Vida de ruptura relativa (B-línea base libre) Recomendado para servicio de 20 000 h a 650 grados 0 (B-libre) 0 0 12-18 8,000-12,000 1.00× Aceptable 5-10 0.1-0.2 0 15-20 10,000-14,000 1.10-1.20× Aceptable 10-15 0.2-0.3 0 18-24 11,000-15,000 1.20-1.35× Sí 15-20 0.3-0.4 0 22-28 12,000-17,000 1.35-1.50× Sí 20-25 0.4-0.5<0.01 25-32 14,000-18,000 1.50-1.60× Best 25-30 0.5-0.7 0.01-0.02 24-30 13,000-17,000 1.40-1.55× Yes 30-40 0.7-0.9 0.02-0.05 20-26 12,000-15,000 1.20-1.35× Acceptable 40-50 0.9-1.0 (near monolayer) 0.05-0.10 16-22 10,000-13,000 1.00-1.20× Marginal 50-70 Fully saturated 0.10-0.20 12-18 8,000-11,000 0.80-1.00× Not recommended 70-10
Efecto del nitrógeno sobre la segregación del boro

El nitrógeno compite con el boro por los sitios de segregación en los límites de los granos. La segregación efectiva de boro disminuye con el aumento de nitrógeno.

Contenido de nitrógeno (ppm) Rango ideal de boro para máxima ductilidad de fluencia (ppm) Alargamiento de rotura por fluencia en B ideal (%) Relación B:N recomendada<200 20-30 28-35 >0.10 200-400 25-35 25-30 0.08-0.12 400-600 30-40 22-28 0.06-0.08 600-800 35-50 (less effective) 18-24 0.05-0.07 >800No recomendado<18 N/A Practical Recommendations for 650°C Boron-Enhanced 316L

La ductilidad de fluencia óptima de los calentadores revestidos de 316L para un servicio de 20 000 horas a 650 grados se logra con los siguientes niveles de boro.

Vida útil deseada a 650 grados (horas) Rango posible de boro (ppm) Boro para evitar la fragilización (máx.) (ppm) Nitrógeno mínimo (ppm) Vida útil esperada (horas) 10,000 10-30 50<600 10,000-15,000 15,000 15-25 40 <500 12,000-18,000 20,000 20-25 30 <400 15,000-18,000 25,000 20-25 25 <300 16,000-20,000
Verificación y segregación del contenido de boro

There are three ways purchasers looking for boron-enhanced 316L can confirm it. First is chemical analysis (ICP or GDMS) for total boron content: acceptability 20-30 ppm. The second is secondary ion mass spectroscopy (SIMS) or Auger electron spectroscopy (AES) to measure grain boundary boron segregation (needs fracture in vacuum). Acceptance: covering of grain boundaries is 0.4-0.7 monolayer. 3. creep screening test: 650°C, 80 MPa; time to 1% strain >2,000 hours and elongation >25% aceptable.

Conclusión: Optimización del boro para una vida útil de 20 000 horas a 650 grados

La adición de 20 a 30 ppm de boro a las vainas del calentador de acero inoxidable 316L a 650 grados se segrega en los límites de los granos, lo que aumenta el alargamiento de rotura por fluencia del 12 al 18 % al 25 al 32 % y la vida de rotura del 30 al 50 % (de 8000 a 12 000 horas a 12 000 a 18 000 horas). Pero por debajo de 15 ppm el beneficio es pequeño. Un exceso de boro superior a 50-70 ppm crea boruros de límite de grano frágiles (M 2 B) que disminuyen la ductilidad y la longevidad. Si un ingeniero especifica fundas de 316L para un servicio de 20.000 horas a 650 grados, debería exigir una adición de boro regulada de 20 a 30 ppm y un límite de nitrógeno de<400-500 ppm. The approach proposed here links boron concentration and grain boundary segregation to creep ductility and rupture life at 650°C, enabling purchasers to specify boron-optimized 316L that maximises high-temperature creep performance through improved grain boundary cohesion.