DE3003336C2

DE3003336C2 - Verfahren zur Alterungsbestimmung von Stahlteilen

Info

Publication number: DE3003336C2
Application number: DE3003336A
Authority: DE
Inventors: Shuichi Yokohama Komatsu; Shinichi Nakamura; Yoshio Yokohama Nakayama; Kazumi Kawasaki Shimotori
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-01-31
Filing date: 1980-01-30
Publication date: 1982-05-19
Also published as: DE3003336A1; GB2045430A; US4287417A; GB2045430B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungsgrades eines hitzebeständigen, ferritischen Stahlteils, das hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

Der Rotor und die Schaufeln einer Dampfturbine bestehen im allgemeinen aus hitzebeständigem, ferritischem Stahl. Der hitzebeständige Stahl derartiger «0 Dampfturbinenteile altert allmählich, wenn die Dampfturbine längere Zeit bei höheren Temperaturen betrieben wird. Diese Alterung führt zwangsläufig zu einer Abnahme der mechanischen Festigkeit dieser ferritischen Stahlteile, so daß sie für den weiteren Einsatz ungeeignet sind und Störfälle auftreten können. Insbesondere wenn die Dampfturbine in einem Kraftwerk verwendet wird, würde ein Störfall, der durch die Turbine auftritt, die Stromversorgung beeinträchtigen. Um solche Störfälle zu vermeiden, werden daher regelmäßig Untersuchungen der Dampfturbinenteile, wie des Rotors oder der Schaufeln durchgeführt, um den Grad der Alterung zu bestimmen, der in diesen Teilen aufgrund der Deformation oder anderer Defekte eingetreten ist.

Aus der JP-OS 53-8871 ist es bekannt, daß sich der Alterungsgrad eines Turbinenteils anhand der Änderung der Fehlorientierung der Subkristalle abschätzen läßt. Dem bekannten Untersuchungsverfahren haftet jedoch der Mangel an, daß eine genaue Bestimmung des Alterungsgrades nicht möglich ist. Es besteht daher ein großes Bedürfnis nach einem Verfahren zur Bestimmung der Alterung beispielsweise von Turbinenteilen, die aus einem hitzebeständigen, ferritischen Stahl hergestellt sind, bei dem einfach kleine Bereiche dieser *>5 Teile als Proben entnommen werden.

Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem einfach und genau die Alterung hitzebeständiger, ferritischer Stahlteile, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, bestimmt werden kann.

Falls der Alterungsgrad, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren berechnet wird, abgezogen wird von einer bereits bekannten Zeitspanne, die erforderlich ist, damit der Stahl der Turbinenteile unter praktischen Bedingungen schließlich bricht, dann ist es möglich, die restliche effektive Lebensdauer des Stahlteils zu ermitteln.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigt jeweils in graphischer Wiedergabe

F i g. 1 die Beziehung zwischen dem Zeitraum, in dem eine Probe aus Cr-Mo-V-Stahl den beschleunigenden Versuchsbedingunges. unterworfen wird, und der Teilchengröße eines Karbids, das in dieser Stahlprobe auskristallisiert ist;

F i g. 2 die Beziehung zwischen dem Zeitraum, in dem eine Probe der gleichen Stahlsorte wie in Fig. 1 den gleichen beschleunigenden Versuchsbedingungen unterworfen wird, und dem Abstand zwischen den Teilchen eines Karbids, das in der besagten Stahlprobe auskristallisiert ist;

F i g. 3 die Beziehung zwischen der Zeitspanne, in der die besagte Probe den gleichen beschleunigenden Versuchsbedingungen unterworfen wird, und dem VoluTienanteil eines Karbids, das aus dieser Stahlprobe auskristallisiert ist;

Fig.4 die Beziehung zwischen dem Larson-Miller-Parameter, der durch den Kriechversuch des Cr-Mo-V-Stahl ermittelt wurde, und zwar unter unterschiedlichen Temperatur- und Zeitbedingungen, und dem Abstand zwischen den Teilchen des V₄Cj, das in diesem Cr-Mo-V-Stahl auskristallisiert ist;

Fig. 5 die Beziehung zwischen dem Larson-Miller-Parameter und der Teilchengröße des V₄Cj, das in dem Stahl auskristallisiert ist;

Fig. 6 die Beziehung zwischen dem Larson-Miller-Parameter und der Dichte des V₄Cj. das in dem Cr-Mo-V-Stahl auskristallisiert ist; und

F i g. 7 die Beziehung zwischen der Belastung, der der Cr-Mo-V-Stahl bei Temperaturen von 500, 550 und 600⁰C ausgesetzt ist, und den Zeiträumen, die für den Bruch des besagten Cr-Mo-V-Stahls bei diesen Temperaturen erforderlich sind.

Eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit eines hitzebeständigen, ferritischen Stahls, der beispielsweise als Material für die Schaufeln einer Dampfturbine verwendet wird, wird dadurch erreicht, daß man kleine Teilchen aus Karbid, M3C, M7C3 und M2jCt, (M ist ein Metall) durch Wärmebehandlung in der Matrix des Ferritstahles auskristallisieren läßt. Insbesondere bei vanadiumhaltigem Stahl wird versucht, die mechanischen Eigenschaften, wie die Zeitstandfestigkeit des Stahles dadurch zu erhöhen, daß kleine Teilchen aus Vanadiumkarbid V₄Cj getrieben werden, um durch Wärmebehandlung gleichmäßig innerhalb der Matrix des Stahles auszukristallisieren.

Dort, wo jedoch hitzebeständiger Stahl bei hohen Temperaturbereichen und unter hohem Druck verwendet wird, ergeben sich dann Schwierigkeiten, da mit der Zeit verschiedene Karbide einschließlich V₄Cj anwachsen. Es wurde angenommen, daß das merkliche Anwachsen dieser Karbide in hitzebeständigem Stahl mit der Alterung des Stahls zusammenhängt. Bis heute wurde dieser Zusammenhang jedoch noch nicht

quantitativ bestimmt. Es wurde als schwierig angesehen, eine quantitative Analyse insbesondere von Vanadiumkarbid durchzuführen, das in dem hitzebeständigen Stahl in Form extrem kleiner Teilchen auskristallisiert. Es wurde nunmehr das Kristallisationsverhalten von bereits beschriebenen Karbiden, die als MjC, M7C3, M23Q, und V4C3 angegeben sind, genau untersucht und als Ergebnis wurde festgestellt, daß die Größen oder Parameter der Kristallisation dieser Karbide, wie die Teilchengröße, der Abstand zwischen den Teilchen sowie der Volumengehalt, im engen Zusammenhang stehen mit der Alterung des erwähnten hitzebeständigen Stahls. Mit anderen Worten, der Zeitraum, in dem dieser Stahl in der Praxis bei hohen Temperaturen angewendet werden kann und dieser Zusammenhang '5 können gut durch den Larson-Miller-Parameter P=T (log ί + ^bestimmt werden, worin

P = eine Konstante, die durch eine" Wert definiert wird, der die Kristallisationsgröße bezeichnet, ?u

T = absolute Temperatur

t =■ ein Zeitraum, und

c = eine Konstante, die durch das Material des ferritischen Stahlteils bestimmt wird und die bei hitzebeständigem, ferritischem Stahl vor- ^ zugsweise 20 ist.

Es hat sich auch herausgestellt, daß besonders kleine V,(C3-Teilchen auf dem Schirm eines Elektronenmikroskops durch das Dunkelfeld-Verfahren sichtbar gemacht werden können, und daß die Kristallisationsfaktoren dieser V₄C₃-Teilchen, die durch quantitative Analyse des Bildes der V₄Cj-Teilchen auf einer Vorrichtung mit einer Bildauswertung durch einen Computer bestimmt werden, schließlich durch den « Larson-Miller-Parameterdefiniert werden können.

Damit ist es möglich, das Ausmaß der Alterung hitzebeständiger Stahlteile auf einfache Weise dadurch zu bestimmen, daß dieser Stahl einem Kriechversuch unterworfen wird, der bei einer höheren Temperatur *<(beschleunigenden Temperatur) durchgeführt wird als derjenigen, die in dem Bereich herrscht, in dem die Teile in der Praxis eingesetzt werden; das Verhältnis zwischen den Kristallisationsgrößen der kristallisierten Karbide und dem Larson-Miller-Parameter bestimmt "5 wird (d. h. die beschleunigende Temperatur, die bei dem Kriechversuch angewendet wird und der Zeitraum, in dem der Stnhl untersucht worden ist); und diese Verhältnisdiagramme (Alterungskurven) in bezug auf die Kristallisationsgrößen eines Karbids angewendet ω werden, das in der Praxis angewendeten Dampfturbinenteilen aus ferritischem Stahl auskristallisiert ist.

Es soll nun eine Ausführungsform ausführlicher beschrieben werden, bei der die Erfindung Anwendung findet, um das Ausmaß oder den Grad der Alterung hitzebeständiger, ferritischer Stahlteile zu bestimmen. Eine Probe aus hitzebeständigem, ferritischem Stahl, beispielsweise aus einem 1% Cr-1% Mc-0,25% V-Stahl wurde für einen Kriechversuch eingesetzt. Dieser Versuch wurde unter beschleunigenden Bedingungen w mit einer höheren Temperatur von 600°C als bei der praktischen Anwendung und einer Belastung von 10 kg/mm² durchgeführt. Nach Beendigung jedes vorgegebenen Zeitraums wurde eine Messjng der Kristallisationsgrößen (Teilchengröße, Abstand zwischen den *>; Teilchen und Volumengehalt) eines Karbids durchgeführt, das in dem Stahl auskristallisiert ist, und zwar mit Hilfe eines ElektronenmikroskoDS und durch Auswertung des erhaltenen Bile es. Dadurch wurden Bezugskurven für die Alterung (Fig. 1 bis 3) erhalten. Die Bruchzeit einer Stahlprobe wurde unter den vorstehend erwähnten Versuchsbedingungen gleichfalls gemessen. Gemäß F i g. 1 betrug die Bruchzeit (tR) 7002 Stunden. Andererseits wurde ein Probestück von einem hitzebeständigen, ferritischem Stahlteil entnommen, das der praktischen Anwendung bei einer Temperatur von beispielsweise 580⁰C und einer Belastung von 10 kg/mm² ausgesetzt war. Die Kristallisationsgrößen des Karbides, das in dem vorstehend erwähnten Probestück auskristallisiert war, wurde mit Hilfe eines Elektronenmikroskops und durch Auswertung des erzeugten Bildes bestimmt. Die Erwärmungszeit, die nötig ist, damit diese Kristallisationsgrößen während des Versuchs entstehen können, der unter beschleunigenden Bedingungen durchgeführt wird, wurde anhand der Bezugskurve für die Alterung bestimmt. Die bestimmte Erwärmungszeit wurde mit Hilfe des Larson-Miller-Parameters umgerechnet in die Zeitspanne, die erforderlich wäre für die Kristallisationsgrößen eines Karbides, das in einer Probe auskristallisiert, die durch den praktischen Einsatz bei einer Temperatur von beispielsweise 580°C erhalten wird. Es hat sich herausgestellt, daß die berechnete, restliche effektive Lebensdauer eines in der Praxis eingesetzten, ferritischen Stahlteils, die erhalten wird, indem die Zeitspanne, die durch die Umrechnung erhalten wird, abgezogen wird von der bekannten Bruchzeit des besagten ferritischen Stahls, gut mit der restlichen effektiven Lebensdauer eines in der Praxis eingesetzten, ferritischen Stahlteils übereinstimmt. Es is», bereits bekannt, daß die Kristallisationsgrößen von Karbiden, wie M3C, M7C3 und M23G, bestimmt werden können, indem die Strukturbilder dieser kristallisierten Karbide ausgewertet werden, die durch das normale Hellfeld-Verfahren mit einem Elektronenmikroskop erhalten werden. V4C3, das in einem ferritischen Stahlteil in extrem kleinen Teilchen auskristallisiert, kann jedoch nicht quantitativ mit großer Genauigkeit analysiert werden. Deshalb basiert eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Alterungsbestimmung hitzebeständiger, ferritischer Stahlteile auf dem Dunkelfeld-Verfahren mit einem Elektronenmikroskop. V.tCj-Teilchen, die in einer gegebenen Legierungskristallstruktur ausgefällt sind, sind in der gleichen Richtung angeorndet. Infolgedessen erscheinen die Bilder dieser kristallisierten V₄C3-Teilchen bei dem Dunkelfeld-Verfahren mit einem Elektronenmikroskop immer als weiße Punkte von Elektronenstrahlen, die mit deutlichem Unterschied von anderen Arten von Karbiden abgelenkt sind. Wenn das Strukturbild der V^-Teilchen, das von dem Dunkelfeld-Verfahren herrührt, durch einen Computer ausgewertet wird, dann können die Kristallisationsgrößen der V₄Cj-Teilchen genau bestimmt werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann mit großer Genauigkeit der Alterungsgrad hitzebeständiger, ferritischer Stahlteile bestimmt oder deren restliche Lebensdauer ermittelt werden. Wie aus F i g. 1 bis 6 ersichtlich, sind bei den Krislallisationsgrößen, wie der Teilchengröße und dem Abstand zwischen den Teilchen eines Karbids, das sich in dem besagten, hitzebeständigen, ferritischen Stahlteilen niedergeschlagen hat, größere Änderungen vorhanden, wenn sie für einen längeren Zeitraum in der Praxis eingesetzt werden oder wenn der Larson-Miller-Parameter einen größeren Wert einnimmt. Mit anderen Worten, wenn die hitzebeständieen. ferritischen Stahlteile bis zu einem

Ausmaß gealtert sind, bei dem sie sich dem Bruch nähern, so führt die anschließende Verwendung dieser Teile in einer kurzen Zeitspanne zu merklichen Änderungen ihrer Kristallisationsgrößen.

Das nachstehende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Es wurde eine Bestimmung durchgeführt, aus der sich der Alterungsgrad eines Dampfturbinentcils ergibt, das aus einem ferritischen Stahl hergestellt ist, der 1% Cr, 1% Mo und 0,3% V enthält und dessen Betriebsvergangenheit bekannt ist.

Von diesem Turbinen!eil wurde ein Stück als Probe entfernt. V4C3-Vanadiumkarbid, das in diesem Probestück in einer extrem kleinen Teilchengröße auskristallisiert ist, wurde mit dem Dunkelfeld-Verfahren mit einem Elektronenmikroskop betrachtet. Das betrachtete Bild der kristallisierten V₄Cj-Teilchen wurde quantitativ mit einer Bildauswertungsvorrichtung analysiert, die einen Abstand zwischen den Teilchen von 260 nm anzeigte. Vorher ist die gleiche wie die vorstehend erwähnte Stahlart unter beschleunigenden Versuchsbedingungen untersucht worden, um den Abstand zwischen den Teilchen des in dieser Stahlprobe auskristallisierten V₄CrKarbids zu bestimmen. Es wurde die Alterungsbezugskurve gemäß Fig.4 erhalten. Der Larson-Miller-Parameter, der dem vorstehend genannten Abstand zwischen den Teilchen von 260 nm entspricht, wurde mit 19,70 aus der Alterungsbezugskurve gemäß Fig.4 erhalten, welche die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen den Teilchen aus dem WC) und dem Larson-Miller-Parameter zeigt. Nimmt man an, daß das vorstehend genannte Turbinenteil, das aus 1% Cr-1% Mo-0,3% V-Stahl hergestellt ist, vorher bei einer Temperatur von 600°C und unter einer Belastung von 17 kg/mm² eingesetzt worden ist, dann wird die Zeitspanne, die erforderlich ist, um einen Abstand zwischen den Teilchen von 260 nm zu erhalten.

mit 368 Stunden wie folgt aus dem Larson-Miller-Parameter errechnet:

19.70 = (273 + 600) (log f + 20).
'}

Dies bedeutet, daß das untersuchte Stahlteil bis zu einem Ausmaß gealtert war, das den Bedingungen entspricht, bei welchen dieses Stahlteil 368 Stunden einer Temperatur von 600' C und einer Belastung von

κι 17 kg/mm-ausgesetzt ist.

Ein Kriech-Bruch- oder Zeitslandversuch wurde unter verschiedenen Bedingungen mit einem 1% Cr-1% Mo-0,3% V-Stahl durchgeführt. Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Belastung und der Bruchzeit,

ii die bei Temperaturen von 500, 550 und 600⁰C bestimmt wurde. Die Bruchzei! des Stahls, der einer Belastung von 17 kg/mm² ausgesetzt ist, wurde mit 2000 Stunden aus der Kurve gemäß F i g. 7 bestimmt, die die Temperatur von 600⁰C wiedergibt. Demgemäß wurde die restliche

2(i effektive Lebensdauer eines Stahlteils, das einer Temperatur von 600⁰C und einer Belastung von 17 kg/mm³ ausgesetzt ist, mit 2000 — 368 = 1632 errechnet. Dort, wo das vorstehend erwähnte Stahlteil weilerverwendet worden ist unter den vorstehend

:^r> erwähnten Bedingungen, zerbrach dann das Stahlteil nach 1569 Stunden, wodurch die gute Übereinstimmung mit der restlichen effektiven Lebensdauer dieses Stahlteils, wie sie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt worden ist, demonstriert wird.

Nach der vorstehenden Ausführungsform wu^rde das Ausmaß der Alterung und die restliche effektive Lebensdauer eines Turbinenstahlteils anhand des Abstandes zwischen den Teilchen des V₄C3 bestimmt, das in diesem Stahlteil auskristallisiert war. Bezüglich der Teilchengröße des kristallisierten V4C3 (Fig. 5) und der Dichte des kristallisierten V4C3 wurden im wesentlichen die gleichen Ergebnisse erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung des Alterungsgrades eines hitzebeständigen, ferritischen Stahlteils, das hohen Temperaturen ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß man den Wert wenigstens einer Kristallisationsgröße eines Karbids, das in dem Stahlteil auskristallisiert ist, mißt und daraus den Alterungsgrad berechnet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hitzebeständige, ferritische Stahl Vanadium enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Karbid, das in dem Stahl '5 auskristallisiert ist, V4C3 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kristallisaticnsgröße die Teilchengröße, der Abstand zwischen den Teilchen und der Volumengehalt oder die Kristallisationsdichte des in dem Stahlteil auskristallisierten Karbids gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Kristallisationsgröße des V4C3, das in dem ferritischen Stahlteil auskristallisiert ist, dadurch bestimmt wird, daß das Strukturbild des kristallisierten V₄Cj, das durch das Dunkelfeld-Verfahren mit einem Elektronenmikroskop erzeugt wird, ausgewertet wird.

Jü