Grupa Badawcza Badania Materiałów dla Energetyki

International Journal of Pressure Vessels and Piping 195 (2022) 104574

Autorzy:
Grzegorz Golański, Hanna Purzyńska

The article presents the results of investigations of the microstructure and mechanical properties of austenitic, creep-resistant TP347HFG steel in delivery conditio and after operation at 585 ◦C. As-received, the tested steel is characterised by an austenitic structure with twins and NbX precipitates. The conducted studies showed that the operation resulted in precipitation processes, mainly at grain boundaries, where M23C6 carbides and σ phase precipitates were observed. Single M23C6 particles were visible at twin boundaries. NbX precipitates were observed inside the grains. After operation, the yield strength (YS) of the tested steel was lower than in delivery condition, which was related to the over-ageing of the alloy. The fine-grained microstructure and the presence of relatively numerous twins in the steel structure allowed maintaining relatively good plastic properties and impact energy.

https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2021.104574

Keywords: austenitic stainless steel; precipitates; microstructure; mechanical properties.

BULLETIN OF THE POLISH ACADEMY OF SCIENCES TECHNICAL SCIENCES, Vol. 71(2), 2023, Article number: e144612

Autorzy:
Adam Zieliński, Marek Sroka, Hanna Purzyńska, Frantisek Novy

DOI: 10.24425/bpasts.2023.144612
https://bibliotekanauki.pl/articles/2204537

Abstract

The paper shows the degradation process of the modern austenitic Super 304H (X10CrNiCuNb18-9-3) steel which was subjected to long-term ageing for up to 50 000 h at 650 and 700◦C. The investigations include microstructure examination (SEM), identification and analysis
of the precipitation process, and mechanical properties tests. The Super 304H steel has a structure characteristic of austenitic steels with visible annealing twins and single primary NbX precipitates. Long-term ageing in steel leads to numerous precipitation processes of M23C6, MX carbides, σ phase, Z phase, and ε-Cu phase. Precipitation processes lead to a decrease in plastic properties and impact energy as well as alloy over ageing. Yield strength and tensile strength values after 50 000 h of ageing were similar to those as delivered. The yield and tensile strength value strongly depend on the applied ageing temperature.

Keywords: super 304H steel; mechanical properties; ageing.

Współpraca pomiędzy Laboratorium Pełzania – Grupa Badawcza Badania Materiałów dla Energetyki (ME), Grupą Badawczą Badania Właściwości i Struktury Materiałów (ML) oraz Politechniką Śląską

Autorzy:
Hanna Purzyńska, Grzegorz Golański, Adam Zieliński, Janusz Dobrzański i Marek Sroka:

Materials at High Temperatures, 2019, t. 36, nr 4, s. 1-8
https://doi.org/10.1080/09603409.2018.1546919

The article presents the results of research on the precipitation processes in austenitic T321H steel in the as-received state and after around 207,000 h of service under the creep conditions at the temperature of 540°C. The tests performed on the T321H steel showed that during long-term service the precipitation of G phase and sigma phase occurred and those phases precipitated at the cost of M23C6 carbides. The preferential place of precipitation of the phases was the boundaries of grains, and in the case of sigma phase – the triple points at grain boundaries. After long-term service, the sigma phase was the dominant precipitate in the examined steel. Inside the grains, both in the as-received state and after long-term service, the TiX and TiC precipitates were observed. The following precipitation sequence for austenitic T321H steel can be suggested: MX→MX+ M23C6→MX+M23C6+sigma phase→MX+ M23C6+sigma phase+Gphase

Keywords: T321H heat-resistant austenitic stainless steellong-term serviceprecipitation evolution

Współpraca pomiędzy Laboratorium Pełzania – Grupa Badawcza Badania Materiałów dla Energetyki (ME), Grupą Badawczą Badania Właściwości i Struktury Materiałów (ML), Politechniką Częstochowską oraz Politechniką Śląską

Journal of Metallic Materials, 2021, t. 73, nr 4, s. 23–27

Autorzy:
Purzyńska Hanna, Stroniewski Jacek, Jung Tymoteusz, Szulc Michał:

Głównym celem przeprowadzonych badań była analiza mikrostruktury oraz podstawowych właściwości mechanicznych nowoczesnej stali martenzytycznej Thor 115. Wdrażanie nowych materiałów dla energetyki wymaga nie tylko zdobycia wiedzy w zakresie stabilności mikrostruktury w wyniku długotrwałego oddziaływania temperatury i naprężenia ale także opracowania technologii wykonywania elementów konstrukcyjnych z wykorzystaniem technologii spawania. Szczegółowa analiza zmian mikrostruktury, właściwości mechanicznych oraz zastosowanie metod ilościowej analizy obrazu mikrostruktury tych stali po długotrwałym oddziaływaniu podwyższonej temperatury i naprężenia umożliwi opisanie i opracowanie modeli zmian w procesie wydzieleniowym, które z kolei pozwolą oszacować ich stopień wyczerpania a więc czas dalszej bezpiecznej eksploatacji elementów ciśnieniowych wykonanych z tej stali.

Słowa kluczowe: pełzanie, mikrostruktura, Thor 115, wydzielenia

Zobacz więcej

Development of the foundations of a new methodology for testing creep-resistant alloys in corrosive conditions and mechanical loads, Journal of Metallic Materials, 2021, 73 (1), s. 47–51

Autorzy:
Radosław Swadźba, Hanna Purzyńska, Michał Szulc, Piotr tawarczyk

Współpraca pomiędzy Laboratorium Pełzania – Grupa Badawcza Badania Materiałów dla Energetyki (ME), Grupą Badawczą Badania Właściwości i Struktury Materiałów (ML)

Strength properties and microstructure of TP347HFG austenitic steel after 40 000 hrs of operation in creep conditions

Energetyka 2020, nr 2, s. 83-85

Autorzy:
Kwiecień Michał, Purzyńska Hanna

Impact of use on release processes in austenitic steel TP347HFG

Journal of Metallic Materials, 2020, t.72, nr 4, s.22-26

Autorzy:
Purzyńska Hanna, Golański Grzegorz, Kwiecień Michał, Paryż Dariusz

Współpraca pomiędzy Laboratorium Pełzania – Grupa Badawcza Badania Materiałów dla Energetyki (ME), Grupą Badawczą Badania Właściwości i Struktury Materiałów (ML) oraz Politechniką Częstochowską

Zobacz więcej

Materials at High Temperatures, 2019, t. 36, nr 6, s. 531-539

Autorzy:
Duda Piotr, Felkowski Łukasz, Purzyńska Hanna, Duda Andrzej

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09603409.2019.1648364

Autorzy:
Tomaszewska Agnieszka, Moskal Grzegorz, Homa Marta, Kierat Milena, Liśkiewicz, Maciej, Mikuszewski Tomasz, Migas, Damian and Kałamarz Piotr

Available at SSRN: https://ssrn.com/abstract=4119182
or http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4119182

To effectively design the chemical composition of cobalt-based superalloys, it is necessary to consider the potential creation of various topologically close-packed phases (e.g., Laves phases, 𝜎 phases, and other phases commonly observed in cobalt superalloys). This article presents experimental identifications of the phase composition of an as-cast Co-20Ni-9Al-7W-3Re-2Ti superalloy. The microscopic observations are supported by simulation results using a CALPHAD method and so-called structure maps. We focus on the chemical and phase compositions of the interdendritic areas, which are most susceptible to the formation of unfavorable compounds during the late stages of solidification. Microscopic imaging techniques and electron diffraction strategies were employed to identify phase components in micro-areas. Moreover, scanning transmission electron microscopy enabled precise determination of the chemical and phase compositions of individual precipitates. The experimental results were compared with the computational data extracted from the structure maps. Overall, there was significant agreement between the experimental and simulated phase compositions and the thermodynamic calculations.

Keywords: Co-based superalloy, Co-Al-W alloy, rhenium, primary microstructure, phase identification
Współpraca pomiędzy Laboratorium Pełzania – Grupa Badawcza Badania Materiałów dla Energetyki (ME), Grupą Badawczą Badania Właściwości i Struktury Materiałów (ML), Politechniką Śląską oraz Krakowskim Instytutem Technologicznym

Arch. Metall. Mater. 67 (2022), 2, 495-500

DOI: https://doi.org/10.24425/amm.2022.137782

Autorzy:
Milena Kierat, Grzegorz Moskal, Adam Zieliński, Tymoteusz Jung

The study investigated the primary structure of the new generation of superalloys based on Co-10Al-5Mo-2Nb and Co-20Ni-10Al-5Mo-2Nb cobalt. research on a group of cobalt-based materials was initiated in 2006 by J. sato. These materials may replace nickel-based superalloys in the future due to their excellent properties at elevated temperatures relative to nickel-based superalloys. The primary microstructure characterisation of the Co-10Al-5Mo-2Nb and Co-20Ni-10Al-5Mo-2Nb alloy are the basic subject of this article. the Co-10Al-5Mo-2Nb and Co-20Ni-10Al-5Mo-2Nb alloy are tungsten free alloys of a new type with the final microstructure based on the Co-based solid solution L12 phase of the Co3(Al,Mo,Nb) type as a strengthened structural element. The analysed alloys were investigated in an as-cast state after a vacuum casting process applied on graphite moulds. The primary microstructure of the alloys and the chemical constituent of dendritic and interdendritic areas were analysed using light, scanning electron and transmission microscopy. Currently, nickel-strengthened γ’ phase steels are still unrivalled in aerospace applications, however, cobalt based superalloys are a response to their existing limitations, which do not allow maintaining the current rate of development of aircraft engines.

Keywords: Co-10Al-5Mo-2Nb; Co-20Ni-10Al-5Mo-2Nb; casting; primary microstructure; segregation; dendrites

Współpraca pomiędzy Laboratorium Pełzania – Grupa Badawcza Badania Materiałów dla Energetyki (ME), Grupą Badawczą Badania Właściwości i Struktury Materiałów (ML) oraz Politechniką Śląską

Arch. Metall. Mater. 66 (2021), 1, 5-14

DOI: 10.24425/amm.2021.134752

Autorzy:
Damian Migas, Milena Kierat, Grzegorz Moskal

In this investigation, the formation of oxide scales on different Co-Ni based superalloys of γ–γ′ type was analyzed. Co-20Ni-7Al-7W (at. %) alloy as well as its W-free modifications based on Co-Ni-Al-Mo-Nb and Co-Ni-Al-Ta systems was analyzed under conditions of high temperature oxidation at 800 and 900°C. Therefore, the alloys were isothermally oxidized at selected temperatures for 100 h in laboratory furnace. Afterwards, the oxidation products were evaluated by means of X-ray diffraction (XRD), optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). The performed tests showed that W-free alloys exhibit worse oxidation resistance compared to those of Co-Ni-Al-W alloys. After oxidation at 900°C, all alloys were prone of oxide spallation. The scales characterized by oxide peeling were mostly composed of complex Co-based oxides, including CoWO4, CoTa2O6, Co2Mo3O8, CoNb2O6.

Keywords: γ–γ′ cobalt-based superalloys, high temperature oxidation, Co-Ni superalloy, W-free cobalt superalloys

Współpraca pomiędzy Laboratorium Pełzania – Grupa Badawcza Badania Materiałów dla Energetyki (ME), Grupą Badawczą Badania Właściwości i Struktury Materiałów (ML) oraz Politechniką Śląską

Acta Physica Polonica A, Volume 138, Issue 2, August 2020, Pages 129-132 (40)
10.12693/APhysPolA.138.129
http://przyrbwn.icm.edu.pl/APP/PDF/138/app138z2p01.pdf

Autorzy:
Tomaszewska Agnieszka, Kierat Milena, Moskal Grzegorz, Zieliński Adam

In the study we investigated the primary structure and physical properties of the new generation of superalloys based on Co10Al5Mo2Nb type cobalt. The microstructural investigations were carried out with a scanning electron microscope on conventionally prepared electrolytically etched metallographic microsections. The studies of microstructure using a transmission electron microscope were performed using thin films. The testing of mechanical properties in the as-received condition included the performance of static tensile test at room temperature using a testing machine with a maximum load of 200 kN. These materials may replace nickel-based superalloys in the future due to their excellent properties at elevated temperatures relative to nickel-based superalloys. Currently, nickel-strengthened γ phase steels are still unrivalled in aerospace applications. However, cobalt-based superalloys are a response
to their existing limitations, which do not allow maintaining the current rate of development of aircraft engines.

Współpraca pomiędzy Laboratorium Pełzania – Grupa Badawcza Badania Materiałów dla Energetyki (ME), Grupą Badawczą Badania Właściwości i Struktury Materiałów (ML) oraz Politechniką Śląską

Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica, Monografia nr 12, 2019

Autor:
Janusz Dobrzański

Opracowanie przedstawia stworzoną i zgromadzoną przez autora wiedzę z zakresu problematyki trwałości eksploatacyjnej części ciśnieniowej bloków energetycznych, szczególnie dotyczącą elementów pracujących w warunkach pełzania po przekroczeniu obliczeniowego czasu pracy. Ideą autora było zaprezentowanie zastosowania wiedzy materiałoznawczej w praktyce inżynierskiej w odniesieniu do warunków przemysłowych bloków energetycznych. W ogólności praca odnosi się do problematyki przedłużania czasu eksploatacji elementów konstrukcyjnych, które przekroczyły obliczeniowy czas pracy 100 i 200 tys. godz. Ma to fundamentalne znaczenie dla gospodarki i bezpieczeństwa energetycznego kraju. Dla uporządkowania wiedzy przypomniano umowny podział elementów części ciśnieniowej kotła, rurociągów oraz turbin parowych Przedstawiono stosowany podział elementów części ciśnieniowej kotła i rurociągów ze względu na niezawodność i w zależności od temperatury pracy (rozdział 2). Omówiono również podstawowe pojęcia i definicje niezbędne dla zrozumienia przedstawionej problematyki i zachodzących w wyniku eksploatacji zmian w materiale (rozdział 3). Dokonano krótkiego omówienia zachodzących w czasie eksploatacji procesów niszczenia i wyspecyfikowano procesy niszczenia najczęściej występujące w poszczególnych grupach elementów. Typowe procesy niszczenia scharakteryzowano na przykładach zaczerpniętych z praktyki przemysłowej (rozdział 4). W kolejnym rozdziale zaprezentowano opracowaną i stosowaną w praktyce przemysłowej metodologię oceny stanu materiału oraz przydatności do dalszej eksploatacji elementów części ciśnieniowej bloków energetycznych pracujących w warunkach pełzania. Szczególną uwagę skupiono na analizie stanu degradacji struktury obserwowanej w badaniach replik wykonanych bezpośrednio na obiekcie. Omówiono sposób oceny stanu elementów pracujących w warunkach pełzania, a w szczególności: wyboru miejsc do badań, doboru metod badań w zależności od czasu eksploatacji, rodzaju i charakteru pracy elementu, oceny elementu na podstawie wyników badań nieniszczących, wyników badań niszczących z uwzględnieniem jako podstawy oceny stanu materiału podstawowego i złączy spawanych (rozdział 5). Podstawą w wyznaczaniu czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji, a zarazem metodą najbardziej obiektywną są wyniki badań pełzania materiału po długotrwałej eksploatacji. Omówiono rodzaj prób pełzania i ich przydatność w ocenie stanu, prognozie dalszej bezpiecznej pracy, oraz sposób ich wykorzystania dla celów inżynierskich. Zaprezentowano autorski sposób wyznaczania czasu bezpiecznej eksploatacji poza obliczeniowy czas pracy na przykładzie z praktyki inżynierskiej, jak również sposób wyznaczania minimalnej grubości ścianki elementu niezbędnej do przenoszenia rzeczywistych obciążeń eksploatacyjnych (rozdział 6). Omówiono rolę w diagnostyce obliczeniowych metod oceny stanu materiału elementów pracujących w warunkach pełzania dokonując analizy, której wyniki należy stosować wyłącznie we wstępnym prognozowaniu czasu dalszej eksploatacji. Jest to pomocne w analizie ekonomicznej umożliwiającej podejmowanie decyzji o przystąpieniu do badań diagnostycznych i pomiarów instalacji oraz jej elementów (rozdział 7). Ponadto w pracy mocny akcent położono na zbudowanie obiektywnych zasad oceny elementów stanu materiału części ciśnieniowej kotła i rurociągów na podstawie wieloletnich obserwacji i badań zachodzących zmian w czasie eksploatacji skutkujących obniżaniem się właściwości użytkowych, których miarą jest stopień wyczerpania. Zdefiniowano sposób oceny stanu materiału i określenia bezpiecznego czasu dalszej eksploatacji na podstawie nieniszczących badań materiałowych dla wybranych grup elementów (rozdział 8). Ważnym zagadnieniem w ocenie trwałości eksploatacyjnej jest ocena stanu materiału złączy spawanych elementów pracujących w warunkach pełzania. Zaprezentowane wyniki badań dowodzą, że trwałość resztkowa tych złączy jest znacznie mniejsza niż materiału rodzimego. Problemem jest również przesunięcie w kierunku temperatury dodatniej temperatury przejścia w stan kruchy. Oddzielnym problemem jest trwałość resztkowa spawanych złączy modernizacyjnych i naprawczych, która jest zależna od stopnia wyeksploatowania materiału po długotrwałej pracy poddanego spawaniu i najczęściej jest niższa od wyznaczonej dla złącza spawanego po eksploatacji (rozdział 9). Długoletnie doświadczenie autora w badaniach diagnostycznych umożliwiło opracowanie sposobu postępowania w diagnostyce materiałowej dla najważniejszych grup elementów pracujących w warunkach pełzania. Dla każdej z grup podano sposób postępowania w wyznaczaniu czasu dalszej bezpiecznej eksploatacji, zweryfikowany wielokrotnie w praktyce przemysłowej i omówiony na przykładach. Szczegółowy przykład takiego postępowania przedstawiono również dla walczaków, które są jednak elementami kotła pracującymi poniżej temperatury granicznej. Są one zaliczane do elementów krytycznych to znaczy pracujących w najtrudniejszych warunkach temperaturowo-naprężeniowych, a ich wymiana technicznie jest prawie niemożliwa. Ich stan ma jednak istotny wpływ na przydatność kotła do przedłużonej eksploatacji (rozdział 10). Oddzielnym zagadnieniem opisanym w pracy jest ocena roli badań materiałowych w identyfikacji przyczyn nadmiernej utraty trwałości eksploatacyjnej elementów części ciśnieniowej kotłów energetycznych. Ich sposób wykorzystania w analizie przyczynowo-skutkowej pokazano na przykładach z praktyki przemysłowej. Dokonano oceny skutków nadmiernego wytężenia elementów konstrukcyjnych, wpływu niezgodności temperatury obliczeniowej i rzeczywistej oraz innych uwarunkowań eksploatacyjnych, a także sumowania się skutków procesów niszczenia na utratę trwałości eksploatacyjnej (rozdział 11). Trwałość elementów konstrukcyjnych bloku energetycznego w dużym stopniu zależy również od stabilności warunków eksploatacji. Omówiono wpływ zmiennych warunków pracy na rzeczywistą trwałość eksploatacyjną, dokonano oceny przydatności materiału podstawowego i złączy spawanych po długotrwałej pracy w warunkach pełzania do eksploatacji w układzie regulacyjnym, a także pokazano wpływ temperaturowych warunków pracy na rzeczywistą trwałość eksploatacyjną materiału na przykładach z praktyki inżynierskiej (rozdział 12). W podsumowaniu wskazano na najistotniejsze czynniki mające decydujący wpływ na obiektywną ocenę stanu części ciśnieniowej bloków energetycznych i prognozę bezpiecznej eksploatacji poza obliczeniowy czas pracy. Praca kierowana jest do kadry inżynierskiej branży energetycznej, inspektorów Urzędu Dozoru Technicznego, firm diagnostycznych, a także studentów i doktorantów oraz pracowników badawczych zajmujących się problematyką materiałów dla energetyki.

Słowa kluczowe: pełzanie, długotrwała eksploatacja, elementy ciśnieniowe pracujące w warunkach pełzania, diagnostyka materiałowa, nieniszczące i niszczące badania materiałowe, degradacja struktury i właściwości, obliczeniowe metody oceny trwałości resztkowej

Structure and mechanical properties of 21HMF steel steam turbine rotor materials after long-term operation for a time significantly exceeding the design time

Journal of Metallic Materials, 2021, 73 (2), s. 40–55

DOI: 10.32730/imz.2657-747.21.2.3
https://jmetallicmaterials.com/api/files/view/1755119.pdf

Autorzy:
Joanna Furmanek, Janusz Dobrzański

The article presents the results of tests of materials for steam turbine rotors with various degrees of depletion in order to determine the suitability of these components for further operation after significantly exceeding the design working time on the basis of the assessment of the microstructure condition and a set of functional properties.

Keywords: rotor, turbine, microstructure, mechanical properties

W pracy przedstawiono wyniki badań materiałów wirników turbin parowych o różnym stopniu wyeksploatowania w celu określenia przydatności tych elementów do dalszej eksploatacji po znacznym przekroczeniu obliczeniowego czasu pracy na podstawie oceny stanu mikrostruktury i zespołu właściwości użytkowych.

Słowa kluczowe: wirnik, turbina, mikrostruktura, właściwości
mechaniczne