Abstract

Titanium-niobium dual stabilized ferritic stainless steels used in high-temperature applications can undergo microstructural changes affecting the steel’s properties, such as yield strength and creep resistance. Microstructure evolution in such steels has been simulated both numerically, using the thermodynamic software Thermo-Calc, and physically, using a Gleeble thermomechanical simulator and conventional furnace heat treatments with peak temperatures from 450 to 1050 °C for up to 120 hours.

Thermodynamic simulations for high temperatures predicted the precipitation of MX type carbides and carbonitrides containing Nb and Ti, as well as intermetallic Laves (η), Chi (χ) and sigma (σ) phases. After heat treatments, depending on the temperature and time, all of the above phases apart from χ-phase were found. The composition and morphology of the η-phase was analysed from extracted and in situ particles. It was identified as hexagonal (FeCrSi)₂(MoNb) with either plate-like or equiaxed morphology depending on whether or not the particle had an orientation relationship with the matrix.

The effect of precipitation on yield stress at ambient temperature and at 600 °C was investigated through a breakdown of the strengthening mechanisms such as solid solution and precipitation strengthening. Yield stress at ambient temperature increased as a result of heat treatment at 600 °C due to precipitation strengthening. However, the effect was the opposite regarding the yield stress at 600 °C, due to the different temperature sensitivity of the strengthening mechanisms. The solid solution strengthening coefficient of Nb in α-Fe needed for the calculations was estimated using analysis of literature data to be 16 MPa / at.%.

The experimental results together with comprehensive numerical simulations were used to design a new type of steel with excellent creep resistance at very high temperatures. It is based on the optimal precipitation of the η-phase achieved by alloying Nb, Si and Mo to raise the solvus temperature of the η-phase and results in dispersion strengthening and/or grain boundary pinning, depending on the dominant creep mechanism. The validity of the new approach was confirmed by the use of high-temperature sag tests, which showed that the new steel composition gave significantly better results than can be obtained with commercially available ferritic stainless steels.

Tiivistelmä

Korkeissa lämpötiloissa käytettävät titaanilla ja niobilla stabiloidut ferriittiset ruostumattomat teräkset altistuvat käyttökohteissaan mikrorakenteen muutoksille, jotka voivat vaikuttaa teräksen ominaisuuksiin, kuten myötölujuuteen sekä virumiskestoon.

Mikrorakenteen muutoksia kyseisissä teräksissä on tässä työssä simuloitu numeerisesti Thermo-Calc mallinnusohjelmistolla, fysikaalisesti Gleeble laitteistolla, sekä perinteisellä uunilla 450–1050 °C lämpötiloissa jopa 120 tuntia kestäneillä lämpökäsittelyillä.

Mallinnuksen tulokset ennustivat MX tyyppisten Nb ja Ti sisältävien karbidien, karbonitridien sekä Laves (η), Chi (χ) ja sigma (χ) -faasien erkautumisen. Lämpökäsittelyjen aikana lämpötilasta ja pitoajasta riippuen teräkseen erkaantui kaikkia yllämainittuja faaseja, paitsi χ-faasia. η-faasin koostumus ja morfologia analysoitiin in situ -partikkeleista sekä teräksestä syövyttämällä irrotetuista partikkeleista. η-faasin kiderakenne on analyysin perusteella heksagonaalinen ja koostumus (FeCrSi) ₂ (MoNb). Partikkelit olivat partikkelin ja matriisin orientaatiosuhteesta riippuen joko levymäisiä tai tasa-aksiaalisia.

Erkautumisen vaikutusta myötölujuuteen huoneenlämpötilassa ja 600 °C lämpötilassa tutkittiin jakamalla myötölujuus eri lujitusmekanismeihin, kuten liuoslujittamiseen sekä erkaumalujittamiseen, ja tarkastelemalla mekanismeja erikseen. Huoneenlämpötilassa mitattu myötölujuus nousi lämpökäsittelyissä tapahtuneen erkautumisen ja siitä seuranneen erkautumislujittamisen vuoksi. 600 °C lämpötilassa erkautumisen vaikutus myötölujuuteen oli kuitenkin päinvastainen lujitusmekanismien erilaisen lämpötilariippuvuuden vuoksi. Liuoslujittamisen arvioimiseen tarvittiin niobin lujituskerroin, joka määritettiin kirjallisuudesta saadun datan perusteella olevan 16 MPa / at.%.

Kokeellisesti mitattuja sekä mallinnuksella saatuja tuloksia käytettiin uudenlaisen, korkeisiin lämpötiloihin soveltuvan ja virumiskestoltaan erinomaisen teräksen kehittämiseen. Teräksen hyvä virumiskesto perustuu η-faasin optimaaliseen erkautumiseen seostamalla oikeassa suhteessa niobia, piitä sekä molybdeenia. Seostus nostaa η-faasin liukenemislämpötilaa, sekä lisää erkautumislujittamista ja/tai raerajalukitsemista riippuen virumismekanismista. Virumiskeston todettiin parantuneen korkean lämpötilan Sag testien perusteella. Kehitetyn teräksen Sag testin tulokset olivat huomattavasti parempia verrattuna muihin saatavilla oleviin korkean lämpötilan käyttökohteissa tyypillisesti käytettäviin teräksiin.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Juuti, T. J., Karjalainen, L. P., & Heikkinen, E. P. (2011). Precipitation of Si and its Influence on Mechanical Properties of Type 441 Stainless Steel. Advanced Materials Research, 409, 690–695. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.409.690

2. Juuti, T., Karjalainen, P., Rovatti, L., Heikkinen, E.-P., & Pohjanne, P. (2011). Contribution of Mo and Si to laves-phase precipitation in type 444 steel and its effect on steel properties. In Proceedings : 7th European Stainless Steel Conference - Science and Market, Como, Italy 21 - 23.9.2011 Associazione Italiana di Metallurgia AIM.

3. Juuti, T., Rovatti, L., Mäkelä, A., Karjalainen, L. P., & Porter, D. (2014). Influence of long heat treatments on the laves phase nucleation in a type 444 ferritic stainless steel. Journal of Alloys and Compounds, 616, 250–256. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.06.201

4. Juuti, T., Rovatti, L., Porter, D., Angella, G., & Kömi, J. (2018). Factors controlling ambient and high temperature yield strength of ferritic stainless steel susceptible to intermetallic phase formation. Materials Science and Engineering: A, 726, 45–55. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.04.074

5. Juuti, T., Manninen, T., Uusikallio, S., Kömi, J., & Porter, D. (2019). New Ferritic Stainless Steel for Service Temperatures up to 1050 °C Utilizing Intermetallic Phase Transformation. Metals, 9(6), 664. https://doi.org/10.3390/met9060664

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version