材料高温失效

1700°F (927°C)
940 (6.5)
1,650 (11.4)
1,900 (13.1) 1,050
(7.2) 1,650 (11.4)
-
2,180 (15.0)
1800°F (982°C)
660 (4.6) 1,150 (7.9) 1,200 (8.3)
630 (4.3)
450 (3.1)
1,200 (8.3) 1,490 (10.3)
600合金制作的金属表面处理罩式炉，在炉体上用600及602CA合金在肋部做加固，从图片中明显看 到在1975°F (1080°C)工况下长期工作后，602CA强度更高而没有明显变形，600则产生变形。
高温变形 高温合金失效的其中一个主要原因是变形或者开裂。我们需要认识到很重要的一点是相对于低碳钢， 不锈钢及镍基合金的导热性能不是很好。其热导率及热膨胀系数如表格3所示。由于它们的低导热率， 这些合金更易产生加热不均匀及产生过热区域。
9．5毫米厚的煅烧炉壳体产生开裂，原因是壳体与内壁突出件的温度差别。
结论： 1. 耐高温合金的最高工作温度是根据其在空气环境下的氧化速率来考虑的 2. 超过极限工作温度情况下即使是小的温度的增加，也会极大的加剧其氧化速度，降低其强度，从
而大大缩短材料的使用寿命 3. 在高温下设备的设计应考虑允许设备（部件）在加热-冷却情况下自由伸缩。
1900°F 1038°C)
860 (5.9)
400 (2.8)
990 (6.8)
2000°F (1093°C)
680 (4.7)
280 (1.9)
620 (4.3) 670 (4.6)
技术的革新带来具有更高高温蠕变强度的新合金的发明。这些高温合金通过不同的方法来获得更高的 蠕变强度。如800H/T合金通过固溶处理来获得粗大晶粒以及添加铝和钛元素来增加蠕变强度，253MA 是通过添加氮元素来强化。602CA的强化则是通过较高的碳含量（0.2%）及固溶处理来实现。
循环高温-冷却氧化增重（毫克/平方厘米）对比，样品每周循环高温-冷却，总测试时间3000小时。
注意：310在2000°F (1093°C)，其氧化增重的速度比较低，但是在2100°F（1149°C) 时氧化增重急加快，增重率超过下 表中的极限值。
600和602 CA样品在2150°F (1177°C)，3000小时后的材料氧化情况对比。（同为6.3毫米厚度） 除了高温氧化外，材料在高温工作时的另一个重要的性能是是高温蠕变-开裂强度。高温蠕变-开裂强 度会随着工作温度的升高而急剧降低，同时材料在高温下长期服役就必须考虑材料的高温蠕变-开裂 强度。当材料在1000°F (538°C)以上，高温蠕变-开裂强度相比于短期的抗拉力学数据更能体现材料的 使用性能。
本文主要讨论了选择高温合金的几点考虑要素，但是其它未在本文中讨论的因素也会影响到材料的使 用寿命，所以选材时考虑的要素不仅仅局限于本文谈到的几点。
253MA烧嘴由于在微火加热下造成的火焰冲击，导致加热不均匀而失效 案例 2 煅烧炉的壳体表面的具有一定规则性的开裂，原因是壳体与内壁突出件的温度差。壳体是通过燃气烧 嘴从外部加热，而内壁突出件是通过由壳体传导的热量加热，同时与内部反应的粉末有更多的接触而 冷却更快。所以导致内壁突出件比壳体温度低，从而两部分膨胀收缩不均匀，高温的壳体在低温的内 壁突出件应力作用下开裂。 对于这种情形，建议内壁突出件与壳体接触面不要完全焊死，只在中间部分局部焊接。使内壁突出件 两端自由伸缩并且不与壳体接触。
没有变化，马弗炉或者辐射管却需要承受更苛刻的工况从而使其使用寿命缩短。即使是很小的温度提 高也有可能急剧的影响高温合金的使用性能及工作寿命。 当材料在高出其建议最高工作温度近100°F (56°C)的温度工作时，会发现在这种超出其极限工作温度的 情况下材料氧化起皮速度急剧加快。下表是氧化起皮增重的数据对比。
各种高温合金在空气气氛下的建议工作温度极限。红色为不锈钢，蓝色为镍基合金。材料的熔化区 间一般在1300-1400°C 之间。
316L在982°C，空气气氛下严重氧化掉皮。（316L建议工作温度在816°C内，尽管其熔点为1343°C）。 我们需要认识到马弗炉或者是煅烧炉炉体通常比其加热的零件或者粉末温度要高。当工厂要求更高的 产量及生产率时，各种高温工作设备如马弗炉或者是煅烧炉等其工况也随之改变，尽管需加热的物件 温度不变，但是，由于需加热材料的重量增加，需要通过炉壁给炉内提供更多的热量。尽管加热温度
RA330® HT
35
19
43
1.25
0.05
RA333® 22H
45
25
18
1
0.05
钼,钴,钨
Alloy 601
602CA®
61
21
14
0.2
0.05
63
25
9
0.03wenku.baidu.com
0.2
2.2 铝, 锆,钛
Alloy 600
HX
76
15
8
0.2
0.04
材料选材
高温合金设备及部件的失效及报废一般是由于高温腐蚀或者材料机械性能的失效等引起的。
表格3：热导率及热膨胀系数对比
低碳钢
309SS RA330
导热系数 BTU*ft/ft2*hr*°F
26.6 7.4 7.2
W/m*K 46.0 12.8 12.5
热膨胀系数 in/in°F*10-6
6.5 8.8 8.3
m/m K*10-6 11.7 15.8 14.9
案例 1 如图8所示，由于加热的不均匀如何导致烧嘴的变形破裂。烧嘴的微火火焰集中在烧嘴的一局部区域， 图8的相对光亮且有变形的区域为火焰集中区，由于烧嘴的其它区域受热更少，温度相对要低。温度 更高的火焰集中区的膨胀趋势受其相对低温区域限制，低温区域的强度同时也更高。从而，导致火焰 集中区破裂。
表格2显示1700-2000°F (927-1093°C)温度之间的平均应力开裂强度。当温度升高100°F (56°C)，平均 应力开裂强度减少30-40%。
表格 2 – 10000 小时，平均应力开裂强度；psi (MPa)
合金牌号 310 253MA 800H RA330 600 601 602CA
表格1-主要高温合金化学成分
锻轧材 对应铸造 镍
铬
铁
硅
碳
其它
料牌号 牌号
446
-
25
73
0.5
0.05
304
8
18
70
0.5
0.05
309
HH
13
23
62
0.8
0.05
310
HK
20
25
52
0.5
0.05
1.4841 (314)
HK
20
25
51
2.2
0.1
253MA®
11
21
65
1.7
0.08
铈, 氮
耐高温合金-如何选择合适的合金及避免失效
耐高温不锈钢及镍基合金广泛的应用于石油化工，冶金及热处理，能源，垃圾焚烧等工业领域的设备 部件上。由于在使用过程中受各种因素影响，这些设备部件不可避免的需要周期性的更换。通过了解 一些造成这些设备材料失效的原因，我们完全可以通过改进设计，工艺操作及合理选材等措施来延长 其使用寿命。尤其是在近些年来，合金材料的价格的升高，延长设备的寿命会大大的减少维护成本。
下面是几种常见的高温失效模式。
腐蚀因素 -氧化 -硫化 -氯化/熔融盐
-金属尘化及碳蚀 机械力学性能因素
-蠕变 -变形 -脆化 -高温疲劳 -热冲击 -熔融金属脆性
了解材料的极限
选材首先需要考虑两个要素： 1． 最高的工作温度极限。 2． 高温工作时具有符合工况需要的力学强度。 罗莱合金根据多年来其各种高温合金在不同行业应用的经验及数据总结，将各高温合金的建议极限工 作温度在下表中列出。此建议极限工作温度是根据氧化速度满足在一定范围内来界定的，而不是根据 其熔融温度来决定的。大多数耐高温合金的耐氧化极限温度比材料熔点低数百度。 高温合金的耐高温腐蚀特性很重要的一点是因为其表面形成的紧密附着的致密氧化膜。这层具有保护 性的氧化膜主要是由合金中的铬元素形成的，也有些合金是通过添加硅，铝和稀土元素来生成保护性 的氧化膜。当材料在建议的极限温度以上工作时，材料表面会急剧氧化并且伴随着氧化皮脱落从而导 致金属的不断损耗。
用253MA的3毫米薄板加工成折弯处理过的热处理料筐由于其材料本身的强度大大高于309和330，使
其在此954°C等温热处理工况下寿命更长。
253MA用来代替原先常用的310合金制做的旋风分离器（2.6 m直径，7米长，在871°C下长期工作）。 253MA至少工作6年后才发生像右图一样的变形失效而更换。310则每2-3年就需要定期更换。 选用高强度的合金甚至同时也带来整体成本的降低，尽管其单位公斤的价格高。含镍量11%的253MA 比含镍量35%的RA330在一定高温温度区间具有更高的力学强度。在一些情况下（一般1093°C工作 温度以下）此合金被用来代替309, 310甚至一些镍基合金。上面的照片列举了253MA在一些情况下代 替309, 310, 甚至 RA330。 下图是用来做燃气轮机叶片表面渗铝沉积处理的罩式炉。之前选用600合金在1975°F (1080°C)时强度 相对较低从而需要更多材料来对炉体进行外部加固来防止9.5毫米厚的炉壁变形，但是加固后抗变形 仍然不理想。后来选用高温强度更高的602CA合金，从而不需要额外的材料来进行外部加固，更简单 的炉体设计使重量比原来600炉体轻了35%。602CA 在总成本上相对于600有竞争力，同时其可服役 工作循环次数平均下来约为600合金炉体的2-3倍。另外在加热过程中使零件受热更均匀从而能更准确 的控制工艺参数，加热所需能源更少，更重要的是602CA具有更好的耐氧化性，从而极大的减少了零 件由于炉体脱落氧化皮导致表面被污染从而产生的报废。