HP40Nb型乙烯裂解管的高温真空渗碳行为

采用乙炔真空渗碳方式对未服役和服役5年的乙烯裂解炉管耐热钢HP40Nb进行了加速渗碳处理,并利用SEM和定量电子探针对渗碳前后炉管内壁的渗碳行为进行了系统分析。结果表明,未服役HP40Nb炉管内壁在渗碳前分布在晶界上的主要是以M7C3和Nb C为主的链状一次碳化物。真空渗碳之后,强烈渗碳区域的碳化物形貌随着深度增加发生较大的变化,碳化物种类随深度增加也逐渐发生由M3C2、M7C3到M23C6的转变。渗碳造成表面硬度升高,脆性增加。服役态HP40Nb炉管的内壁横截面分为表面的氧化层、亚表层的贫碳化物区和内部的渗碳区3个区域,表面氧化层区又可以分为Cr2O3和Si O2两个区域。表面氧化层对于抗渗碳性能具有较大的影响。Cr2O3具有一定的抗渗碳能力,但在高碳活度下较长时间后Cr2O3会逐渐不稳定发生碳化。晶间氧化区主要以Si O2为主,Si O2在高碳活度下比较稳定,难以碳化,因而造成渗碳速率下降。     

服役态Cr35Ni45Nb合金高温真空渗碳行为及相演化机理研究

采用乙炔真空渗碳方式对服役6 a的乙烯裂解炉管合金Cr35Ni45Nb进行了加速渗碳处理,并利用SEM,XRD及定量电子探针等手段对渗碳前后炉管内壁的渗碳行为及相演化机理进行系统研究.结果表明,炉管内表面形成了较厚的Cr2O3/Si O2复合氧化层.复合氧化层表现出良好的抗腐蚀能力,是阻止C渗入炉管内部的有效障碍.材料的抗渗碳能力主要取决于表层Cr2O3的连续性、致密性和亚表层Si O2的稳定性.在低氧分压且具有还原性的气氛中,表层的Cr2O3层逐渐碳化为Cr3C2,并且Cr3C2逐渐剥离和脱落,使得保护性Cr2O3膜的抗渗碳能力逐渐减弱甚至消失.亚表层的Si O2虽具有优良的热力学稳定性,但Si较低的活度使得Si O2层不够连续,仍有部分C从氧化层空隙间渗入.当移除该复合氧化层或者渗碳时间足够长使得复合氧化层抗渗碳能力急剧减弱时,炉管材料内部由于发生严重的内部渗碳使得组织结构发生了显著变化:枝晶间碳化物严重合并和粗化,并原位发生由M23C6到M7C3的转变,同时在碳化物内部析出类似于离异共析状的蠕虫状g相.距表面越近,C活度越高,导致在约0.5 mm深的范围内发生以大量石墨析出为特征的金属尘化现象.碳化物的严重合并粗化以及金属尘化现象会造成炉管组织的严重弱化、宏观裂纹的产生以及炉管服役寿命的降低.     

Cr35-Ni45炉管服役过程中的结焦机理和组织特征

针对乙烯裂解炉管在服役过程中的结焦失效现象,采用XRD、扫描电镜和电子探针等手段对服役2.5年Cr35-Ni45型炉管的结焦机制、组织特征及力学性能进行了研究。结果表明,炉管的焦体由催化结焦形成的丝状焦和热裂解结焦形成的球状焦油滴组成,焦体对氧化膜破坏较大,导致了严重的渗碳。结焦后炉管内壁外侧的Cr2O3氧化层基本消失,只剩下了少量沿晶界分布的SiO2,内壁附近的碳化物贫化区消失,在其亚表层出现了一个很宽的渗碳层。结焦炉管中有3种碳化物,分别是内壁最外侧少量富铬的M3C2,渗碳区富铬的M7C3,心部基体的M23C6。此外,结焦引起的碳化物粗化及组织不均匀,导致炉管的力学性能下降。造成结焦炉管组织性能变化的主要原因是该合金在高温服役时不同碳、铬浓度下的析出相稳定性不同。     

Cr35Ni45钢高温长期服役过程的氧化机理研究

采用扫描电镜、电子探针和XRD等方法对不同服役时间(原始态、1.5年、6年)Cr35Ni45乙烯裂解炉管内壁的氧化行为进行分析。结果表明,高温长时服役后炉管内壁出现了氧化层、碳化物贫化区和碳化物富集区三个区域,其氧化行为包括Cr2O3外氧化和SiO2内氧化;由于清焦、热应力及Cr2O3的高温不稳定性的影响,服役过程中外氧化膜发生了反复破坏和重建;外氧化膜的反复破坏和重建使亚表层贫铬,导致形成碳化物的临界碳浓度增加,在内壁亚表层形成贫碳化物区,多余的碳原子在其内侧析出,形成碳化物富集区。服役6年炉管的组织已经进入“Cr-C重新内分布”到“碳化物氧化”的过渡阶段,发生严重的内碳化和内氧化,组织弱化严重。     

HP耐热钢裂解炉管服役弱化的组织特征及其成因

在分析测试服役HP耐热钢裂解炉管的基础上,探讨了使用过程中炉管内壁材质的弱化机制、结果表明,炉管内壁亚表层贫碳化物区及内部渗碳区的形成及加深主要与表面氧化层的剥落和重建、晶间氧化区的形成、碳及合金元素在基体中的扩散速度以及形成碳化物的临界碳浓度cmax密切相关;丝状催化焦炭的形成与发展促进了炉管内壁组织弱化,而非催化气相焦炭的沉积在一定程度上抑制了材料的弱化;反复的结焦和清焦是促使炉管内壁材质弱化的主要原因.     

真空渗碳处理对Cr35Ni45Nb合金高温持久寿命的影响

采用真空渗碳方式对服役2.5年的乙烯裂解炉管钢Cr35Ni45Nb进行了加速渗碳处理,并进行了一系列的高温(1080℃)持久试验;分析了合金在接近实际服役温度下的渗碳特性和持久试验中合金内氧化与蠕变交互作用所引起的材料组织转变、空洞萌生及裂纹形核扩展等规律,重点讨论了渗碳对于合金高温持久寿命的影响机理。结果表明:在高温应力及渗碳因素的叠加条件下,Cr35Ni45Nb炉管近表面碳化物-基体相界面发生内氧化,造成低应力下较易形成空洞和裂纹,而且,裂纹更容易在柱状晶区枝晶间萌生扩展。渗碳时间越久,渗碳层深度越大,Cr35Ni45Nb钢炉管的持久寿命越长。主要原因在于,渗碳造成枝晶间或晶界碳化物增多,降低了合金的蠕变速率,延长了持久寿命;同时,渗碳过程形成的相当于合金内部摩擦力的渗碳应力也部分抵消了外部应力的作用。此外,尽管渗碳强化Cr35Ni45Nb耐热钢,但降低了其高温塑性,同时也会与服役环境下温差热应力及热疲劳损伤等发生交互作用,导致实际服役炉管的早期失效。     

化学成分对奥氏体耐热钢抗渗碳性能的影响

本文通过固体渗碳实验方法,研究了Ni、Si和Nb等合金元素对奥氏体耐热钢抗渗碳性能的影响规律。结果表明:Ni、Si或Nb均提高耐热钢的抗渗碳能力。其中Ni和Si主要通过阻碍渗层碳化物的形成而降低渗层碳浓度。Nb既即可通过表面氧化膜的作用,限制碳向钢中扩散,降低渗层碳浓度;有时又可能提高渗层碳浓度,降低渗层厚度的增长速率。     

HP40裂解炉管组织及裂纹产生原因分析

本文用SEM、EDS、XRD对开裂的HP40裂解炉管进行分析,发现多数裂纹均位于焊缝附近,且均沿枝晶间和晶界开裂的碳化物扩展.经EDS成分分析和XRD结构分析,这些开裂的碳化物为M23C6和富Nb、Si的碳化物.新炉管组织为奥氏体和枝晶间分布的M7C3及高Nb、Si的共晶碳化物.新旧炉管比较可知,开裂炉管的结构和形态在长时间高温下均发生了明显变化,即M7C3转变为M23C6且明显粗化,在晶界呈连续分布.这种脆而硬的碳化物在组织应力和热应力作用下碎裂成为潜在的裂纹源,它们加速了裂纹扩展进程,缩短了炉管的使用寿命.沿裂纹打开断口发现,整个断面被这两种碳化物所覆盖.这进一步证实了造成裂解炉管早期开裂的原因是这种沿晶界连续分布的粗大碳化物的存在.     

汽车排气系统用耐热材料的抗氧化性能研究

介绍了采用氧化增重法对4种耐热材料进行高温抗氧化性能的对比试验,得出以下结论:(1)QTANi35Si5Cr2材料抗高温氧化性能较差,ZG40Cr25Ni13Nb2Si1和ZG40Cr25Ni12Si2材料抗高温氧化性能较好,ZG40Cr25Ni20Si2材料抗高温氧化性能最优;(2)ZG40Cr25Ni13Nb2Si1、ZG40Cr25Ni12Si2、QTANi35Si5Cr2材料的氧化层由外到内可分2层,一层为富含Fe、O元素的外氧化膜,另一层为富含Cr、Mn、O元素的内氧化膜,ZG40Cr25Ni20Si2材料只观察到一层富含Cr、Mn、O元素的氧化膜,4种材料的氧化层与基体间为一层富含Si元素的过渡区;(3)4种耐热材料氧化层大部分由MnxCryOz氧化物和CrxFeyOz氧化物构成;(4)奥氏体系耐热铸造材料中w(Ni)量越高,越有利于Cr元素的扩散,进而促进Cr2O3保护膜的形成。     

汽车排气系统用耐热材料的抗氧化性能研究(2)

介绍了采用氧化增重法对4种耐热材料进行高温抗氧化性能的对比试验,得出以下结论:(1)QTANi35Si5Cr2材料抗高温氧化性能较差,ZG40Cr25Ni13Nb2Si1和ZG40Cr25Ni12Si2材料抗高温氧化性能较好,ZG40Cr25Ni20Si2材料抗高温氧化性能最优;(2)ZG40Cr25Ni13Nb2Si1、ZG40Cr25Ni12Si2、QTANi35Si5Cr2材料的氧化层由外到内可分2层,一层为富含Fe、O元素的外氧化膜,另一层为富含Cr、Mn、O元素的内氧化膜,ZG40Cr25Ni20Si2材料只观察到一层富含Cr、Mn、O元素的氧化膜,4种材料的氧化层与基体间为一层富含Si元素的过渡区;(3)4种耐热材料氧化层大部分由Mn_xCr_yO_z氧化物和Cr_xFe_yO_z氧化物构成;(4)奥氏体系耐热铸造材料中w(Ni)量越高,越有利于Cr元素的扩散,进而促进Cr_2O_3保护膜的形成。     

DZ125合金表面碳化铬／Ni_3Al堆焊涂层显微组织

采用药芯焊丝法制得Ni—Al-Cr3C2复合焊丝,将该焊丝堆焊于DZ125合金表面．在氩弧物理热的作用下,Ni与Al化合成Ni3Al并释放大量反应热;Cr3C2发生分解,并在随后凝固过程中重新析出细小的富Cr的M3C2和M7C3相．受冷却速率的影响,靠近母材区域的碳化物尺寸小于外层区域．母材合金元素进入焊接熔池中,发生一系列碳化和氧化反应,生成的化合物按自由能高低随温度降低顺序析出,导致在焊接熔合区形成大量富Hf,Ta,Ti和W的MC复合碳化物和少量氧化物,距焊层表面越近,数量越少直至消失．     

MICROSTRUCTURE OF PILE-UP WELDING CHROMIUM CARBIDE/Ni3 Al COMPOSITE CLADDING ON DZ125 ALLOY

采用药芯焊丝法制得Ni-Al-Cr3C2复合焊丝, 将该焊丝堆焊于DZ125合金表面. 在氩弧物理热的作用下, Ni与Al化合成Ni3Al并释放大量反应热; Cr3C2发生分解, 并在随后凝固过程中重新析出细小的富Cr的M3C2和M7C3相. 受冷却速率的影响, 靠近母材区域的碳化物尺寸小于外层区域. 母材合金元素进入焊接熔池中, 发生一系列碳化和氧化反应, 生成的化合物按自由能高低随温度降低顺序析出, 导致在焊接熔合区形成大量富Hf, Ta, Ti和W的$M$C复合碳化物和少量氧化物, 距焊层表面越近, 数量越少直至消失.     

渗碳与结焦共同作用的Cr35Ni45Nb合金性能演变数值模拟分析

基于已开发的顺次耦合的热应力耦合程序,运用有限元分析软件ABAQUS,对于已存在的结焦层和渗碳层的Cr35Ni45Nb合金乙烯裂解炉管,对其开车升温过程中温度场以及应力场的分布进行了数值分析。讨论了结焦层和渗碳层尺寸、不同升温方式对于炉管力学性能和传热性能的影响。结果表明:随着结焦层和渗碳层的厚度的增加,导致了炉管传热性能的加速下降。应力在结焦层、渗碳层和金属基体的界面处发生了突变的现象,其中产生的最大环向应力位于炉管的内壁,最小环向应力位于炉管的外壁,而且这种分布并不会随着炉管服役时间的增长而得到改变。     

Cr25Ni35Nb和Cr35Ni45Nb合金高温渗碳浓度场的数值模拟

以Cr25Ni35Nb和Cr35Ni45Nb炉管钢为研究对象,以菲克第二定律和"平衡常数法"为理论基础,采用有限差分数值方法,实现了这两种高Cr-Ni裂解炉管材料高温渗碳时碳的扩散和碳化物析出的模拟,给出了渗层的总碳含量、基体中的碳含量、基体中合金元素含量在不同渗碳时间沿壁厚的分布.在1000℃对两种材料进行了固体渗碳实验,分析比较了高温下两种材料的渗碳动力学规律.结果表明,浓度场模拟结果与实验测量值吻合较好.从渗碳增重曲线和浓度场模拟结果可以看出,Cr35Ni45Nb钢的抗渗碳能力强于Cr25Ni35Nb钢.     

DZ125合金表面碳化铬/Ni3A1堆焊涂层显微组织

采用药芯焊丝法制得Ni-Al-Cr3C2复合焊丝,将该焊丝堆焊于DZ125合金表面.在氩弧物理热的作用下,Ni与Al化合成Ni3Al并释放大量反应热;Cr3C2发生分解,并在随后凝固过程中重新析出细小的富Cr的M3C2和MrC3相.受冷却速率的影响,靠近母材区域的碳化物尺寸小于外层区域.母材合金元素进入焊接熔池中,发生一系列碳化和氧化反应,生成的化合物按自由能高低随温度降低顺序析出,导致在焊接熔合区形成大量富Hf,Ta,Ti和W的MC复合碳化物和少量氧化物,距焊层表面越近,数量越少直至消失.     

低碳中铬钢渗碳层的耐磨粒磨损性能研究

对低碳中铬钢（1Cr6Si2Mo）固体法稀土渗碳层的组织和耐磨性能与渗碳20钢及淬火Cr12Mo1V钢进行了对比试验研究。1C6Si2Mo钢的渗碳层内含有大量粒度为2．5－3．0μm、弥散分布的铬碳化物,其尺寸比Cr12Mo1V钢中的共晶碳化物小。渗碳淬火后的1Cr6Si2Mo钢试样耐磨粒磨损性能大大优于渗碳淬火后的20钢,但不及真空热处理的Cr12Mo1V。     

Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金表面ZrSi_2-NbSi_2复合渗层的组织及其抗高温氧化性能

采用先磁控溅射Zr膜,再Si-Y扩散共渗的方法,在新型Nb-Ti-Si-Cr基超高温合金表面制备了Zr Si2-Nb Si2复合渗层,分析了渗层的显微组织及形成机制,并研究了其在1250℃的恒温氧化行为.结果表明,1150,1250和1350℃下Si-Y共渗4 h所制备的渗层具有相似的显微组织,均主要由Zr Si2外层,(Nb,X)Si2(X=Ti,Cr,Zr和Hf)中间层和(Ti,Nb)5Si4内层组成.恒温氧化实验结果表明,所制备的渗层具有优异的抗高温氧化性能.氧化时渗层表面形成了由Si O2,Ti O2,Zr Si O4和Cr2O3混合组成的致密氧化膜,能够在1250℃空气中保护基体合金至少100 h不被氧化.     

碳钢表面等离子高Cr合金层耐蚀性能的研究

在Q235钢表面进行双层辉光离子渗Cr，表面Cr含量约为40％，渗层厚度近50 μm；然后进行超饱和渗碳，表面含C量达到2.7％左右，超过Fe-Cr-C平衡碳计算值0.3％.随后进行淬火＋低温回火处理，经X射线衍射分析，合金化层碳化物类型为M23C6、M7C3.将双层辉光离子渗Cr＋渗碳淬火试样，在10％H2SO4、3.5％NaCl水溶液和H2S富液(含H2S 5～8 g/L，NH3·H2O 20 g/L)中，进行电化学腐蚀试验.结果表明，渗Cr试样在10％H2SO4、3.5％NaCl水溶液和H2S富液中的耐腐蚀程度比Q235基体试样，分别提高了2.35、3.10、2.14倍.     

服役HPM S-C合金炉管焊接接头研究

HPM S-C合金炉管具有耐高温、耐腐蚀、抗渗碳和抗蠕变等特点。对比研究该炉管在乙烯裂解炉辐射段服役前后组织的性能变化,重点分析背面充氩气保护小线能量TIG焊焊接新炉管与新炉管、服役炉管与新炉管、服役炉管与服役炉管的焊接接头的金相组织、拉伸性能、弯曲性能和冲击性能。结果表明,服役后的HPM S-C合金炉管内壁存在渗碳,晶界析出大量脆性相,塑形指标显著降低,焊接接头热影响区的粗晶脆化进一步恶化了合金的变形能力。     

HP40Nb退役炉管的微观组织和磁滞特性

研究了HP40Nb炉管在服役之后微观组织和磁滞特性,使用光学显微镜观测微观组织的演化,并通过磁力显微镜观测服役炉管厚度中心区域和近内表面区域的磁畴结构,综合分析了振动样品强磁计测量的不同区域试样的磁滞回线变化原因。微观组织研究表明,退役炉管近内表面区域损伤最为严重,并且该区域出现典型的铁磁性材料磁畴结构,磁滞特性也随着损伤程度的增加而加强,表明磁滞特性用于评价炉管材料劣化的可行性。