Soldadura de aceros avanzados para alta temperatura : procedimiento de soldadura, composición química, microestructura y propiedades mecánicas

Título

Soldadura de aceros avanzados para alta temperatura : procedimiento de soldadura, composición química, microestructura y propiedades mecánicas

Colaborador

Surian, Estela S.
Svoboda, Hernan G.

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2023-02-08

Extensión

303 p.

Resumen

A partir de la necesidad de tener que incrementar la eficiencia de las plantas de generación termoeléctrica para bajar sus emisiones, se han desarrollado variantes de los aceros 9 Cr que, modificando el contenido de algunos microaleantes, buscan aumentar la resistencia a su principal carga de trabajo, el creep. La adición y optimización de los niveles de boro es uno de los ejemplos de la evolución de estos materiales. La soldabilidad de estos aceros, para el caso, es un factor crítico debido a que son equipos de construcción soldada. Es por ello que el campo de la soldadura viene acompañado de la misma tendencia que las aleaciones fundidas, tomando como primera medida la modificación de la formulación de los electrodos empleados para la soldadura por arco eléctrico de los componentes de una planta. Como sucede en la aleación de base, la optimización de los niveles de boro en los depósitos de soldaduras 9Cr con resistencia al creep mejorada (CSE9Cr) persigue reducir la velocidad de coalescencia de los carburos M23C6 ubicados principalmente en bordes de granos y sub-granos y brindar un mayor anclaje al movimiento de las dislocaciones durante la deformación. Pero no todo el control de las propiedades mecánicas de estas soldaduras se logra modificando la composición química del metal depositado, es necesario también aplicar isotermas que logren una adecuada combinación de todos los mecanismos de endurecimiento que actúan desde el principio de la deformación en la microestructura. Por consiguiente, los efectos de los parámetros del tratamiento térmico post soldadura (PWHT) aplicado, tales como las temperaturas, los tiempos de solubilizado y de revenido, tendrán marcada relevancia también en el comportamiento de la unión en servicio. Se comenzaron los estudios preliminares buscando determinar el efecto de los parámetros del PWHT sobre la evolución microestructural del metal de soldadura de un CSE9Cr que registraban incrementos en el contenido de boro respecto de un electrodo comercial. Los depósitos fueron obtenidos de dos electrodos de alambre tubular flux-cored experimental, mediante un proceso semiautomático (FCAW) bajo protección de gas Ar-20%CO2. Con dichos consumible se soldaron una serie de cupones de metal de aporte puro (AWM), elaborados según los establecido en la norma ANSI/AWS A5.29/A5.29M:2010, presentando niveles de 20 y 60 ppm de boro en su composición química. Se realizaron PWHT a distintas temperaturas y tiempos. Se extrajeron un conjunto de muestras para realizar una batería inicial de experiencias. Se contemplaron principalmente ensayos de tenacidad y dureza a temperatura ambiente y de tracción en caliente (HTT) como una alternativa a ensayos de creep, aprovechando la ventaja de obtener resultados en cortos períodos. Se aplicaron equivalencias entre los datos de HTT y de rotura al creep sobre la base de las relaciones de Norton y de Monkman-Grant, extrapolando sus resultados a tiempos más prologados por métodos paramétricos como el de Larson-Miller. Una segunda etapa, tuvo como objeto principal estudiar la evolución microestructural durante la deformación a altas temperaturas de muestras extraídas de los cupones soldados en la primera etapa y a los cuales se les aplicó los PWHT que surgieron de los resultados de los estudios preliminares. Principalmente se llevó adelante un esquema de degradación dentro de un mismo intervalo de tiempo, aplicando para el caso una fatiga termomecánica de bajo de ciclos de deformación. Mediante la difracción de rayos X (XRD) in-situ se registró la evolución de las microestructuras mientras avanzaba dicha degradación. Se correlacionaron datos de propiedades mecánicas con parámetros microestructurales obtenidos de XRD. La aplicación de PWHT de solubilizado más un doble revenido a tiempos prolongados generaron microestructuras con mayor contenido de mecanismos de refuerzo que mitigaron la degradación a alta temperatura. Con microestructuras de partida prácticamente iguales, tomando como referencia los PWHT aplicados, se observó que las muestras con 60 ppm de B comienzan a esgrimir indicios de degradación luego de haber recibido más deformación, dando cuenta de un efecto favorable respecto del contenido de B. Como evidencia de esto se observó un menor engrosamiento de partículas M23C6 y ritmo más pausado ante la pérdida de dislocaciones durante la deformación aplicada.
The efforts to improve the thermal power generation plants efficiency, looking for reducing their emissions, mobilized the development of 9 Cr steels variants. Modifications in the chemical composition related to some microalloying elements to increase the resistance to creep were proposed. The addition and optimization of boron levels are examples of this evolution. Considering that many components and equipment of these plants are of welded construction, weldability is considering as a critical factor. Modifications to the formulation of the electrodes used for arc welding have been applied. Optimization of boron levels in the weld deposits of creep strength enhanced 9Cr steels (CSE9Cr) has been incorporated. From a metallurgical point of view, the reduction of the coalescence rate of M23C6 carbides at grain and subgrain boundaries, as well as the decrease of dislocation mobility during deformation, were the objectives pursued. To adjust the microstructure in order to obtain the required mechanical properties of these welds, it is also necessary apply PWHT that optimize the combination of the different strengthening mechanisms. The PWHT temperature and time will be the parameters that will define the behavior of the welded joint. In this work, initial studies showed the effect of PWHT parameters on the microstructural evolution of CSE9Cr weld metal. Two experimental flux-cored tubular wire electrodes designed to deposit 20 and 60 ppm of boron in the weld metal, were used in an FCAW process with Ar-20%CO2 shielding gas. AWM coupons were built according to the specifications of ANSI/AWS A5.29/A5.29M:2010 standard. PWHT was performed at different temperatures and times. A set of samples was extracted to carry out initial experiments. Toughness and hardness tests were conducted at room temperature, and HTT tests were used as an alternative to creep tests. Equivalences between HTT and creep rupture data were applied based on the Norton and Monkman-Grant relationships. The results of these tests were extrapolated using the parametrization proposed by LarsonMiller. The evolution of microstructure during high-temperature deformation was the objective of the second stage of the studies. PWHT parameters were applied based on preliminary results. A degradation scheme was carried out within the same time interval. A low-cycle thermomechanical fatigue was applied to achieve the degradation of the microstructures. In-situ XRD reported the evolution of these microstructures. Mechanical property data were correlated with microstructural parameters obtained with XRD. Solubilization PWHT combined with double tempering produced microstructures with the better microstructural characteristics that mitigated high-temperature degradation. Samples with 60 ppm boron showed signs of degradation after receiving greater deformation. A low growth rate of M23C6 particles and a lower loss of dislocations were observed as evidence.

Tiene formato.

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