Temperaturpåverkan på egenskaperna hos högtemperaturtåliga austenitiska rostfria stål KME 701

Den globala ökningen av energianvändning och sammanhängande ökning i CO2-utsläpp vid förbränning har skärpt kraven på energileverantörer att i större utsträckning använda hållbara biobränslen samt att höja verkningsgraden på energiomvandlingsprocesserna. Detta kan uppnås genom att höja tryck och temperatur i biomasseldade förbränningspannor. Sådana omställningar leder oftast till nya utmaningar kopplade till materialegenskaper. I framtiden kommer behovet av reglerkraft att öka för att kompensera för väderbaserade energianläggningar, såsom sol- och vindkraft. Detta leder till att anläggningarna måste stoppas och startas betydlig oftare än nu. Det skapar ett behov av provningsmetoder som tar hänsyn till cykliska mekaniska och temperaturbaserade laster. Tillsammans med att framtidens material måste tåla högre temperaturer och tuffare miljöer, relaterat till bränsleflexibiliteten, innebär detta att befintliga austenitiska rostfria stål måste förbättras. Inte bara genom en ökning av andelen nickel och andra verksamma legeringselement utan även genom att generera ny kunskap om hur de mekaniska egenskaperna påverkas av den tuffare högtemperatursmiljön. Syftet med detta projekt var att utvärdera mekaniska beteenden relaterade till kombinerad cyklisk och statisk belastning, långtidsåldring samt cyklisk mekanisk och temperaturbelastning vid höga temperaturer. Detta uppnåddes genom att: Utvärdera kryp-utmattningsinteraktion beteendet hos pannmaterial. Utvärdera den strukturella stabiliteten hos de austenitiska rostfria stålen efter långtidsåldring vid hög temperatur. Utvärdera termomekaniska utmattningsegenskaper hos pannmaterial. Utvärdera spänningsrelaxation sprickningsbeteenden hos pannmaterial. Mekanisk provning enligt ovan har utförts och analyserats vid Linköpings universitet samt Sandvik Materials Technology för att få en ökad förståelse för hur mekaniska egenskaper påverkas av den tuffare högtemperatursmiljön som framtidens biomasseldade pannor utgör. Detta kan användas i materialutveckling samt vidare för att förbättra konstruktionen av framtidens biomasseldade pannor. Resultaten visade att: De undersökta pannmaterialen uppvisar kryp-utmattningsinteraktion skador och längre cykliskt liv är relaterat till högt krypmotstånd. Austenitiska rostfria stål uppvisar försprödning på grund av intermetalliska utskiljningar efter långtidsåldring vid höga temperaturer. De austenitiska rostfria stålen med högst högtemperaturshållfasthet uppvisade bäst termomekaniska utmattningsegenskaper. Mer metodutveckling och undersökning krävs för att utvärdera spänningsrelaxation sprickningsbeteendet hos pannmaterialen. A global increase in use of energy connected to an increase in CO2 emission during combustion has increased the demand on energy producers to use sustainable biomass fuels and to increase efficiency by increasing temperature and pressure in energy conversion plants. This often leads to problems related to materials properties. In the future, clear signs of increasing needs for regulating power to compensate for weather-based energy facilities, such as solar and wind power. This means that the power plants must be stopped and started significantly more often than now. It creates a need for testing methods that take into account cyclic mechanical and temperature-based loads. In addition, the future materials needs to withstand higher temperatures and tougher environments related to fuel flexibility. All this means that existing austenitic stainless steels need to be improved. Not only by increasing the nickel content and other alloying elements, but also by generating new knowledge of how the mechanical properties are affected by the tougher high-temperature environment. The purpose of this project was to evaluate mechanical behavior related to combined cyclic and static deformation, long-term ageing and cyclic mechanical and temperature stress at high temperatures. This was achieved by: Evaluate the creep-fatigue interaction behavior of boiler materials. Evaluate the structural stability of the austenitic stainless steel after long-term ageing at high temperature. Evaluate thermo-mechanical fatigue properties of boiler materials. Evaluate stress relaxation cracking behavior of boiler materials. Mechanical testing mentioned above have been performed and analysed at Linköping University and Sandvik Materials Technology to obtain a greater understanding of how mechanical properties are affected by the tougher high-temperature environment that the future biomass-fired boilers will require. This knowledge can be used in material development and further to improve the design of future biomass-fired boilers. The results showed that: The investigated boiler materials exhibit creep-fatigue interaction damage and longer cyclic life was related to high creep resistance. Austenitic stainless steels show an embrittlement after long-term ageing at high temperatures due to intermetallic precipitates. Austenitic stainless steel with higher high-temperature strength showed the best thermo-mechanical fatigue properties. Further method development and investigation are required to evaluate the stress relaxation cracking behavior of the boiler materials