Transformation of Delta Ferrite Into Sigma Phase in Metastable Austenitic Stainless Steels After Long-Term High-Temperature Service Exposure
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Abstract
A service temperature increase of turbine exhaust casing liners of heavy-duty industrial gas turbines, driven by the need to raise thermal efficiencies, motivated a number of ageing trials. Casing liners are often made of metastable austenitic stainless steels, suitable for high temperature applications. Alloys such as 321SS and 347SS might contain, in the as-cast condition, rather large amounts of delta ferrite, if not further processed by rolling or forging, easily in excess of 15 %. Even rolled sheet and bar might contain significant volume fractions of that phase if welded, up to 15 % or so in the heat affected zone (HAZ) immediately adjacent to the fusion line, and in the weld metal. It is known from the literature and from field experience that delta ferrite might decompose into sigma phase after long-term service exposure at elevated temperatures. This may embrittle the material and can be detrimental to mechanical properties. It could also deleteriously affect creep strength. The main aim of ageing trials described in this paper was to study the phase stability of delta ferrite under simulated service conditions. The results are correlated to metallographic testing results, obtained from examining actual service components of heavy-duty gas turbine engines in the field.
Kurzfassung
Ein Anstieg der Betriebstemperatur der Auskleidungen des Turbinenaustrittsgehäuses in Industrie-Gasturbinen, der durch die Notwendigkeit herbeigeführt wurde, die thermischen Wirkungsgrade zu erhöhen, war Anlass für mehrere Alterungsversuche. Gehäuseauskleidungen werden häufig aus metastabilen rostfreien austenitischen Stählen gefertigt, die sich für Hochtemperaturanwendungen eignen. Legierungen wie beispielsweise 321SS und 347SS können im Gusszustand ziemlich große Mengen, leicht mehr als 15 %, an Deltaferrit enthalten, wenn sie nicht durch Walzen oder Schmieden weiterverarbeitet werden. Selbst gewalztes Blech oder gewalzte Stangen enthalten erhebliche Volumenanteile dieser Phase, wenn sie verschweißt werden. Sie können bis zu etwa 15 % in der Wärmeeinflusszone (WEZ) erreichen, die im Schweißgut unmittelbar an die Schmelzlinie angrenzt. Aus der Literatur und durch praktische Erfahrungen weiß man, dass Deltaferrit, wird er langandauernd höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt, möglicherweise zu Sigma-Phase zerfallen kann. Dies kann zu einer Versprödung des Werkstoffs führen und sich nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften auswirken. Es kann außerdem negative Auswirkungen auf die Zeitstandfestigkeit haben. Hauptziel der in dieser Arbeit beschriebenen Alterungsversuche war die Untersuchung der Phasenstabilität von Deltaferrit unter simulierten Betriebsbedingungen. Die Ergebnisse werden mit metallographischen Testergebnissen, die bei der Untersuchung tatsächlich im Betrieb eingesetzter Komponenten industrieller Gasturbinen erzielt wurden, in Beziehung gesetzt.
References / Literatur
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© 2014, Carl Hanser Verlag, München
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