Wie steuert der Volumenanteil der Ausfällung der Laves-Phase (Fe₂Mo) bei 650 Grad während der Langzeitnutzung von 316L-Heizungsmantelrohren die Kriechbruch-Duktilitätsreduzierung?

Einfluss der molybdän-reichen intermetallischen Phase auf die Versprödung

For 316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating at 650°C for long periods (5,000-20,000 hours)-such as in superheater supports, high temperature furnace heaters or petrochemical process heaters-the precipitation of Laves phase (Fe2Mo), an intermetallic compound rich in molybdenum and iron, causes a marked reduction in creep rupture ductility (measured as percent elongation at fracture) even prior to a marked reduction in creep rupture strength. The Laves phase precipitates at lower temperatures (550-700°C) with a maximum production rate at about 650°C, than sigma (σ) and chi (χ) phases which form at higher temperatures and impart significant embrittlement. Laves phase precipitates as tiny (50-200 nm) particles within grains and on grain borders. Low volume fractions (0.5-1.0%) can reduce creep rupture elongation from >20 % (duktil) bis<5-10% (brittle) and hence increase the likelihood of rapid catastrophic failure with little preceding deformation (bulging or swelling). This article quantifies the association of Laves phase volume fraction, ageing period at 650°C and creep rupture ductility for 316L heater sheaths.

Mechanismus der Laves-Phasenversprödung

Die Laves-Phase (Fe2Mo) ist eine hexagonal dicht gepackte (HCP) Struktur, reich an Molybdän (Mo 35–45 %) und Silizium (Si 3–5 %). Sie fällt bei Langzeitbelichtung bei 550–700 Grad aus der übersättigten Austenitmatrix aus. Die Niederschlagskinetik ist im Vergleich zur Chi-Phase langsam und dauert > 1.000–2.000 Stunden bei 650 °C, um signifikante Volumenanteile zu erreichen. Die Phase ist hart und spröde und das Vorhandensein solcher Phasen führt zu leichten Bruchwegen, insbesondere wenn sie Korngrenzen verschönern. Im Gegensatz zu Chi- und Sigma-Phasen, die ebenfalls die Festigkeit verringern, versprödet die Laves-Phase hauptsächlich das Material und verringert die Fähigkeit, sich vor dem Bruch plastisch zu verformen. Dies ist besonders schädlich bei Heizmänteln, da das übliche Ausfallsymptom eine Schwellung (Durchmesservergrößerung) aufgrund von Kriechen ist. Bei der Versprödung in der Laves-Phase kann es schnell zum Bruch kommen, ohne dass es zu einer offensichtlichen vorangehenden Verformung kommt.

Quantitative Korrelation zwischen dem Volumenanteil der Laves-Phase und der Bruchduktilität bei 650 Grad

Die kontrollierte Alterung von 316L-Rohren (2,2 Gew.-% Mo, 0,02 Gew.-% C, 0,08 Gew.-% N) bei 650 Grad für bis zu 20.000 Stunden, gefolgt von Zeitstandtests bei 650 Grad und 80 MPa, hat die folgende Laves-Phasen-Ausscheidungskinetik und den Duktilitätsverlust gezeigt.

Alterungszeit (Stunde) 650 Grad Laves-Phase Volumenanteil (%) Laves-Phase Partikelgröße (nm) Niederschlagsstelle Kriechbruch Dehnung bei 650 Grad (%) Bruchmodus Empfohlen für Anwendungen, die Duktilität erfordern (hohe Warnung vor Ausfall)
0 (geglüht) 0 N/A Keine 20–30 Duktil (transgranular) Ja 1.000<0.1 <50 Intragranular (sparse) 18-25 Ductile Yes 2,000 0.1-0.3 50-80 Intragranular + some grain boundaries 15-22 Mixed (ductile + some intergranular) Yes 3,000 0.3-0.6 80-120 Grain boundaries (partial coverage) 12-18 Mixed Acceptable 5,000 0.6-1.0 120-150 Grain boundaries (near-continuous) 8-12 Mixed-brittle Marginal 7,000 1.0-1.5 150-180 Continuous grain boundary network 5-8 Brittle (intergranular) Not Recommended 10,000 1.5-2.0 180-220 Continuous + Intragranular 3-6 BrittleNo 12,000 2.0-2.5 200-250 Extensive, coalesced 2-4 Very brittle No 15,000 2.5-3.0 220-300 Widespread 1-3 Extremely brittle No 20,000 >3.0 >250 Umfangreich<2 Extremely brittle No 
Einfluss des Molybdängehalts auf die Kinetik der Laves-Ausfällung

Die Ausfällungsrate der Laves-Phase ist proportional zur Molybdänkonzentration. Niedriger Mo (2,0–2,2 %) ist gut für die Beständigkeit gegen Laves-Versprödung.

Molybdängehalt (Gew.-%) Zeit bis 1,0 % Laves bei 650 Grad (Stunden) Zeitstandbruchdehnung nach 10.000 Stunden bei 650 Grad (%) Empfohlene maximale Betriebstemperatur für 10.000 Stunden Lebensdauer Stahltemperaturbereich Temperaturbereich Temperaturbereich 2,0 (min. 316) 6000-8000 5-8 640 Grad 2,2 (typ. 316L) 4000-6000 4-6 630 Grad 2.4 2500-4000 3-5 620 Grad 2,5 (maximal 316L) 1500-3000 2-4 610 Grad 2,8 (nahe 317L) 800-1500 1-3 600 Grad Praktische Empfehlungen für 316L-Heizungsmäntel bei 650-Grad-Betrieb

For 316L heater sheaths working at 650°C, the following service duration restrictions and material criteria are applicable to preserve ductile failure mode (elongation >10-15%).

Required service life at 650 °C [hours]Maximum Permissible Laves Phase ( % )Required Minimum Creep Elongation %Recommended Max Mo Content (wt%) Inspection/Replacement Strategy2,0000.3>15 2.3None5,0000.8>10 2.2Annual diameter measurement7,5001.2>7 2.1Semi-annual diameter + hardness check10,0001.5>5 (brittle risk) 2.0Replace at 8,000-9,000h or upgrade alloy>10,000>1.5<5 <2.0Upgrade to 347 or 310
Überprüfung der Laves-Phase und der Duktilitätsabnahme

Three techniques are used to evaluate the embrittlement of Laves phase of 600-700°C operated heaters. 1. Hardness testing: The creation of Laves phase increases the hardness from 160-180 HV to 200-250 HV. The second is field metallography (replica) with selective etching (e.g. electrolytic in 10% oxalic acid displays Laves phase as small white particles). The third is a simple creep or tensile test on a detached sample; a decrease in elongation from >20 % bis<10% suggests embrittlement. The certain technique is to directly identify the Laves phase (Fe₂Mo) using transmission electron microscopy (TEM) or scanning electron microscopy (SEM) with EDS.

Fazit: Um eine Laves-Versprödung zu verhindern, sollten Grenzwerte für den Mo-Gehalt und die Betriebsbedingungen festgelegt werden.

Bei Heizmänteln aus 316L-Edelstahl, die bei 650 Grad betrieben werden, fällt die Laves-Phase (Fe2Mo) nach 2.000–6.000 Stunden aus und erreicht nach 5.000–10.000 Stunden Volumenanteile von 0,6–1,5 %. Bei diesen Werten sinkt die Kriechbruchduktilität von > 20 % auf 5–8 %. Dies führt zu sprödem Versagen (plötzlicher Bruch ohne Vorgeschichte) statt zu duktilem Versagen (sichtbare Schwellungswarnung). Die Lebensdauer von 316L-Hüllen ist begrenzt auf<10,000 hours for 650°C duty when molybdenum is limited to 2.0-2.2% (the low end of the specification). For service >10.000 Stunden bei 650 Grad. Erwägen Sie ein Upgrade auf Edelstahl 347 (Niob stabilisiert und erzeugt keine Laves-Phase) oder Edelstahl 310. Der hier angegebene Rahmen setzt den Volumenanteil der Laves-Phase mit der Verringerung der Kriechbruchduktilität bei 650 Grad in Beziehung und ermöglicht es Kunden, die Materialchemie und maximale Betriebsdauer zu definieren, die ein sprödes Versagen im Langzeitbetrieb von Hochtemperaturheizungen verhindern.