Взаимодействие водорода со сталью 316L, полученной методом послойного лазерного сплавления

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследовано влияние водорода на структуру и физико-механические свойства аустенитной нержавеющей стали 316L (в мас.% 67.5Fe, 17.7Cr, 10.6Ni, 2.6Mo, 1.2Mn, 0.4Si), изготовленной с помощью метода послойного лазерного сплавления (ПЛС). Определены кинетические параметры взаимодействия водорода со сталью 316L-ПЛС при температурах в диапазоне от 300°С до 700°С. Показано, что в температурном диапазоне от 20°С до 600 °С наиболее чувствительными к влиянию водорода являются характеристики пластичности. Их максимальное снижение, вызванное воздействием водорода при 600°С, не превысило 30%, при этом такие характеристики, как относительное удлинение после разрыва, и относительное сужение после разрыва остаются на достаточно высоком уровне. Снижение прочностных характеристик наблюдается только при температуре 600°С и не превышает 10%. Длительное термическое воздействие и происходящие при этом структурные изменения на кинетические параметры взаимодействия водорода со сталью 316L-ПЛС влияния не оказывают. Растворимость водорода в сталях 316L-ПЛС и 12Х18Н10Т, изготовленных по “традиционной” технологии, практически одинакова.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. Е. Бойцов

Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики

Email: arkad@triton.vniief.ru
Россия, 607188, Саров, Нижегородская область, пр. Мира, 37

А. В. Бучирин

Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики

Email: arkad@triton.vniief.ru
Россия, 607188, Саров, Нижегородская область, пр. Мира, 37

И. П. Максимкин

Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики

Email: arkad@triton.vniief.ru
Россия, 607188, Саров, Нижегородская область, пр. Мира, 37

И. Л. Малков

Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики

Email: arkad@triton.vniief.ru
Россия, 607188, Саров, Нижегородская область, пр. Мира, 37

Р. К. Мусяев

Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики

Email: arkad@triton.vniief.ru
Россия, 607188, Саров, Нижегородская область, пр. Мира, 37

Е. В. Шевнин

Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики

Email: arkad@triton.vniief.ru
Россия, 607188, Саров, Нижегородская область, пр. Мира, 37

А. А. Юхимчук

Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики

Автор, ответственный за переписку.
Email: arkad@triton.vniief.ru
Россия, 607188, Саров, Нижегородская область, пр. Мира, 37

А. В. Ялышева

Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики

Email: arkad@triton.vniief.ru
Россия, 607188, Саров, Нижегородская область, пр. Мира, 37

С. В. Шотин

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: arkad@triton.vniief.ru
Россия, 603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23

А. В. Пискунов

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: arkad@triton.vniief.ru
Россия, 603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23

А. В. Семенычева

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: semenycheva@nifti.unn.ru
Россия, 603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23

М. Ю. Грязнов

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: arkad@triton.vniief.ru
Россия, 603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23

В. Н. Чувильдеев

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: arkad@triton.vniief.ru
Россия, 603022, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23

Список литературы

  1. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1985. 217 с.
  2. Pillot S., Coudreuse L. Hydrogen-induced disbonding and embrittlement of steels used in petrochemical refining. In: Gaseous Hydrogen Embrittlement of Materials in Energy Technologies. V. 2. Eds. R.P. Gangloff, B.P. Somerday. Woodhead Publishing. 2012. P. 51–93.
  3. Michler T., Lindner M., Eberle U., Meusinger J. Assessing hydrogen embrittlement in automotive hydrogen tanks. In: Gaseous Hydrogen Embrittlement of Materials in Energy Technologies. V. 2. Eds. R.P. Gangloff, B.P. Somerday. Woodhead Publishing. 2012. P. 94–125.
  4. Young G.A. Jr., Richey E., Morton D.S. Hydrogen embrittlement in nuclear power systems/ in: Gaseous Hydrogen Embrittlement of Materials in Energy Technologies. V. 2. Eds. R.P. Gangloff, B.P. Somerday. Woodhead Publishing. 2012. P. 149–176.
  5. Sims J.R. Standards and codes to control hydrogen-induced cracking in pressure vessels and pipes for hydrogengas storage and transport/ in: Gaseous Hydrogen Embrittlement of Materials in Energy Technologies. V. 2. Eds. R.P. Gangloff, B.P. Somerday. Woodhead Publishing. 2012. P. 177–192.
  6. Коррозия и защита химической аппаратуры, т. 9. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность / Под ред. А.М. Сухотина, А.В. Шрейдера, Ю.И. Арчакова. Л.: Химия, 1974. 576 с.
  7. Нельсон Г.Г. Водородное охрупчивание / В сб. “Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов” под ред. К.Л. Брайнет, С.К. Бенерджи. М.: Металлургия, 1988. С. 256–332.
  8. Gerberich W. Modeling hydrogen induced damage mechanisms in metals. In: Gaseous Hydrogen Embrittlement of Materials in Energy Technologies. V.1. Eds. R.P. Gangloff, B.P. Somerday. Woodhead Publishing, 2012. P. 209–246.
  9. Robertson I.M., Sofronis P., Nagao A., Martin M.L., Wang S., Gross D.W., Nygren K.E. Hydrogen embrittlement understood // Metall. Mater. Trans. B. 2015. V. 46. P. 1085–1103.
  10. Martin M.L., Dadfarnia M., Nagao A., Wang S., Sofronis P. Enumeration of hydrogen-enhanced localized plasticity mechanism for hydrogen embrittlement in structural materials // Acta Mater. 2019. V. 165. P. 734–750.
  11. San Marchi C. Hydrogen embrittlement of austenitic stainless steels and their welds / in: Gaseous Hydrogen Embrittlement of Materials in Energy Technologies. V.2. Eds. R.P. Gangloff, B.P. Somerday. Woodhead Publishing. 2012. P. 592–623.
  12. Robinson S.L., Somerday B.P., Moody N.R. Hydrogen Embrittlement of Stainless Steels // Sandia National Laboratories, Livermore, CA, USA. www.wp-content/uploads/2015/12/10762–41242–1-PB.pdf.
  13. San Marchi C., Michler T., Nibur K.A., Somerday B.P. On the physical differences between tensile testing of type 304 and 316 austenitic stainless steels with internal hydrogen and in external hydrogen // Int. J. Hydrog. Energy. 2010. V. 35. P. 9736–9745.
  14. Michler T., Yukhimchuk A. Hydrogen environment embrittlement testing at low temperatures and high pressures // Corros. Sci. 2008. V. 50. P. 3519–3526.
  15. San Marchi C., Somerday B.P., Tang X., Schiroky G.H. Effects of alloy composition and strain hardening on tensile fracture of hydrogen-precharged type 316 stainless steels // Int. J. Hydrog. Energy. 2008. V. 33. P. 889–904.
  16. Boitsov I., Kanashenko S., Causey R., Denisov E., Glugla M., Grishechkin S., Hassanein A., Lebedev B. Kompaniets T., Kurdyumov A., Malkov I., Yukhimchuk A. Effect of radiogenic helium on stainless steel 12Cr18Ni10Ti mechanical properties and hydrogen permeability // Fusion Sci. Technol. 2008. V. 54. № 2. P. 497–500.
  17. Michler T., San Marchi C., Naumann J. Weber S., Martin M. Hydrogen environment embrittlement of stable austenitic steels // Int. J. Hydrog. Energy. 2012. V. 37. P. 16231–16246.
  18. Louthan M.R., Derrick R.G. Hydrogen transport in austenitic stainless steel // Corros. Sci. 1975. V. 15. P. 565–577.
  19. San Marchi C., Somerday B.P., Robinson S.L. Permeability, solubility and diffusivity of hydrogen isotopes in stainless steels at high gas pressure // Int. J. Hydrog. Energy. 2007. V. 32. P. 100–116.
  20. Масленков С.Б., Масленкова Е.А. Стали и сплавы для высоких температур / Справочник. В 2-х книгах. Книга 1. М.: Металлургия, 1991. 382 с.
  21. Шишковский И.В. Основы аддитивных технологий высокого разрешения. СПб.: Питер, 2016. 400 c.
  22. Дуб А.В. Аддитивные технологии для атомной энергетики // Аддитивные технологии. 2018. № 2. C. 23–25.
  23. DebRoy T., Wei H.L., Zuback J.S., Mukherjee T., Elmer J.W., Milewski J.O., Beese A.M., Wilson-Heid A., De A., Zhang W. Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties // Prog. Mater. Sci. 2018. V. 92. P. 112–224.
  24. Lin J., Chen F., Liu F., Xu D., Gao J, Tang X. Hydrogen permeation behavior and hydrogen-induced defects in 316L stainless steels manufactured by additive manufacturing // Mater. Chem. Phys. 2020. V. 250. P. 123038.
  25. Khaleghifar F., Razeghi K., Heidarzadeh A., Taherzadeh Mousavian R. Effect of Hydrogen on the Tensile Behavior of Austenitic Stainless Steels 316L Produced by Laser-Powder Bed Fusion // Metals. 2021. V. 11. P. 586.
  26. Bertsch K.M., Nagao A., Rankouhi B., Kuehl B., Thoma D.J. Hydrogen embrittlement of additively manufactured austenitic stainless steel 316L // Corros. Sci. 2021. V. 192. P. 109790.
  27. Zhu H., Pan Q., Zhang K., Zhou C., Zhang W., Yao Y., Ying D., He Y., Zheng J., Zhang L. The difference in fatigue crack growth induced by internal and external hydrogen in selective laser melted 304L stainless steel // Int. J. Fatigue. 2022. V. 163. P. 107052.
  28. Baek S-W., Song E.J., Kim J.H., Jung M., Baek U.B., Nahm S.H. Hydrogen embrittlement of 3D printing manufactured austenitic stainless steel part for hydrogen service // Scr. Mater. 2017. V. 130. P. 87–90.
  29. Maksimkin I.P., Yukhimchuk A.A., Malkov I.L., Boitsov I.E., Musyaev R.K., Buchirin A.V., Baluev V.V., Vertei A.V., Shevnin E.V., Shotin S.V., Chuvil’deev V.N., Gryaznov M. Yu. Effect of hydrogen on the structure and mechanical properties of 316L steel and Inconel 718 alloy processed by selective laser melting // Materials. 2022. V. 15. P. 4806.
  30. Грязнов М.Ю., Шотин С.В., Чувильдеев В.Н., Семенычева А.В., Мусяев Р.К., Юхимчук А.А. Повышение механических характеристик нержавеющий стали 316L методом послойного лазерного сплавления и исследование влияния пористости на них // Проблемы прочности и пластичности. 2023. Т. 85. № 3. С. 375–389.
  31. Basunov Α.V., Boitsov I.E., Grishechkin S.К., Ismagilov V.Z., Malkov I.L., Khabarov Yu.А., Yukhimchuk A.A. Physical and mechanical properties of structural materials in gaseous mediacontaining hydrogen isotopes // J. Moscow Phys. Society. 1999. V. 9. № 3. P. 237–243.
  32. Бойцов И.Е., Гришечкин С.К., Glugla M., Канашенко С.Л., Hassanein A., Юхимчук А.А. Влияние радиогенного 3Не и водорода на механические свойства и структуру стали 12Х18Н10Т // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2008. Вып. 2. С. 336–344.
  33. Арчаков Ю.И. Водородная коррозия стали. М.: Металлургия, 1985. 192 c.
  34. Максимкин И.П., Царев М.В., Юхимчук А.А., Бойцов И.Е., Малков И.Л., Мокрушин В.В., Царева И.А., Забродина О.Ю., Канунов А.Е., Кашафдинов И.Ф., Мусяев Р.К., Бучирин А.В., Балуев В.В., Вертей А.В., Шевнин Е.В., Шотин С.В., Чувильдеев В.Н., Грязнов М.Ю. Свойства поверхности частиц порошков стали 316L и сплава Inconel 718 и взаимодействие с водородом образцов, полученных методом ПЛС // Материаловедение. 2022. № 1. С. 7–17.
  35. Бойцов И.Е., Балуев В.В., Гришечкин С.К., Michler T., Малков И.Л., Туманова Н.Ю., Фильчагин С.В., Шевнин Е.В., Юхимчук А.А. Исследование влияния водорода высокого давления на механические свойства некоторых нержавеющих сталей в диапазоне температур от минус 80 °C до комнатной. Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами (IHISM-07) / Сб. докладов Третьей международной конференции и Третьей международной школы молодых ученых и специалистов, РФЯЦ-ВНИИЭФ. 2008. С. 304–309.
  36. Ткачев В.И., Холодный В.И., Левина И.Н. Работоспособность сталей и сплавов в среде водорода. Львов: “Вертикаль”, 1999. 256 с.
  37. Brytan Z. Comparison of vacuum sintered and selective laser melted steel AISI 316L // Arch. Metall. Mater. 2017. V. 62. P. 2125–2131.
  38. Li X., Yi D., Wu X., Zhang J., Yang X., Zhao Z., Wang J., Liu B., Bai P. Study on Mechanism of Structure Angle on Microstructure and Properties of SLM–Fabricated 316L Stainless Steel // Front. bioeng. biotechnol. 2021. V. 9. Р .778332.
  39. Qiu Ch., Al Kindi M., Alawadi A.S., Al Hatmi I. A comprehensive study on microstructure and tensile behavior of a selectively laser melted stainless steel // Sci. Rep. 2018. V. 8. P. 7785.
  40. Röttger A., Boes J., Theisen W., Thiele M., Esen C., Edelmann A., Hellmann R. Microstructure and mechanical properties of 316L austenitic stainless steel processed by different SLM devices // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2020. V. 108. P. 769–783.
  41. Saeidi K. Stainless steels fabricated by laser melting. Scaled-down structural hierarchies and microstructural heterogeneitics // Doctoral Thesis, Stockholm University Sweden, Stockholm. 2016.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изображение частиц порошка (a) и гистограмма распределения по размерам частиц (б) порошка нержавеющей стали 316L.

Скачать (253KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Политерма водородопроницаемости стали 316L-ПЛС.

Скачать (69KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Температурная зависимость коэффициента диффузии стали 316L-ПЛС.

Скачать (65KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Температурная зависимость константы растворимости стали 316L-ПЛС.

Скачать (72KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Структура стали 316L-ПЛС в исходном состоянии в плоскости, перпендикулярной направлению построения (а, б), и в плоскости, параллельной направлению построения (в, г).

Скачать (518KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Сотовая ячеисто-столбчатая микроструктура стали 316L-ПЛС в плоскости, параллельной направлению построения образца (растровая электронная микроскопия).

Скачать (394KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сотовая ячеисто-столбчатая микроструктура стали 316L-ПЛС в плоскости, перпендикулярной направлению построения образца (растровая электронная микроскопия).

Скачать (504KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Структура стали 316L-ПЛС после наводороживания при температурах 500° (а) и 600°С (б) в плоскости, перпендикулярной направлению построения (растровая электронная микроскопия).

Скачать (499KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Структура образцов “3” (а, б) и “2” (в, г) из стали 316L-ПЛС после испытаний на водородопроницаемость в плоскости, параллельной направлению построения (а, в – оптическая микроскопия; б, г – растровая электронная микроскопия).

Скачать (493KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Структура стали 316L-ПЛС в плоскости, параллельной направлению построения, после отжига при температуре 1075°С в течение часа (растровая электронная микроскопия).

Скачать (238KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Результаты измерения микротвердости стали 316L-ПЛС: 1 – исходное состояние; 2 – после наводороживания; 3 – после испытаний на водородопроницаемость; 4 – после отжига 1075°С, 1 ч; 5 – после отжига 1075°С, 1 ч и наводороживания при 40 МПа, 600°С, 44 ч; 6 (пруток из стали 12Х18Н10Т) – после отжига 1075°С, 1 ч; 7 (пруток из стали 12Х18Н10Т) – после отжига 1075°С, 1 час и наводороживания при 40 МПа, 600°С, 44 ч.

Скачать (43KB)
Метаданные