Effect of microstructure on low temperature hydrogen-induced cracking behaviour of nickel-based alloy weld metals
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (monograph)
| Defence date: 2015-09-18
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
132 + app. 13
Series
VTT Science, 105
Abstract
Various nickel-based materials are susceptible to low temperature crack propagation (LTCP) in simulated PWR (pressurized water reactor) water at a temperature range of about 50 to 150 °C. Experimental evidence from various sources shows that the hydrogen content of the water has a decreasing effect on the fracture resistance, thus LTCP is widely regarded as a hydrogen-induced phenomenon. This thesis concentrates on the LTCP phenomenon of Alloy 182, 82, 152 and 52 weld metals. The studied materials were both all-weld metals and dissimilar metal weld (DMW) mock-ups. The material conditions studied in this work were as-welded (AW), post-weld heat treated (PWHT) and high temperature water pre-exposed. The experimental work was divided in fracture mechanical testing in an environment, microstructural examination of fracture surfaces and hydrogen thermal desorption measurements. The obtained J-R test results show that Alloy 182 is the most susceptible nickel-based weld metal to LTCP, whereas Alloy 52 retains its high fracture resistance in hydrogenated water with moderate hydrogen content. The results obtained for all-weld metal Alloy 52 showed, however, a clear reduction of fracture resistance when tested at a high hydrogen content (100 cm3 H2/kg H2O), whereas narrow gap mock-up Alloy 52 DMW appeared to be less susceptible to LTCP in the corresponding environment. Hydrogen concentrations of Alloy 182 and 152 weld metal samples decrease during the high temperature water exposure, even when exposed to water containing 30 cm3 H2/kg H2O, and the fracture resistance values of Alloys 182 and 152 are improved. A clear relation between the low fracture resistance values and intergranular/interdendritic type of fracture was observed. The effect of grain boundary carbides and their hydrogen trapping properties are discussed based on the obtained SEM/EDS and thermal desorption spectroscopy results and a model was applied in order to determine the activation energies for hydrogen desorption of Alloys 182 and 52. The different LTCP behaviour of Alloy 182 and 52 weld metals is believed to be caused mainly by different types of carbides dominating the hydrogen-induced fracture. The carbides may have an effect on hydrogen distribution at the grain/dendrite boundaries and the availability of hydrogen close to the crack tip, by acting as trapping sites for hydrogen and by affecting the strain distribution at the grain boundary area.Useiden nikkeliseoshitsien on todettu olevan alttiita matalan lämpötilan särönkasvulle (eng., low temperature crack propagation, LTCP) simuloidussa painevesireaktoriympäristössä lämpötilavälillä 50-150 °C. Eri lähteissä esitetty kokeellinen tulosaineisto osoittaa, että vetypitoisuuden kasvaessa kyseisten materiaalien murtumisvastus alenee, joten LTCP:n uskotaan yleisesti olevan vedyn aiheuttama ilmiö. Tässä väitöstyössä keskitytään LTCP -ilmiöön nikkelivaltaisissa Alloy 182, 82, 152 ja 52 hitsiaineissa. Tutkittavat materiaalit koostuvat sekä puhtaista hitsiaineista sekä Alloy 182, 152 ja 52 hitsiaineiden tapauksessa myös eriparihitseistä. Näytteitä tutkittiin hitsauksen jälkeen, jälkilämpökäsiteltynä sekä korkealämpötilavedessä suoritetun altistuksen jälkeen. Työn kokeellinen osa jakautui murtumismekaaniseen testaukseen ympäristössä, murtopintojen ja poikkileikkausten mikroskopiatutkimuksiin sekä vedyn desorptiomittauksiin. J-R -kokeiden tulokset osoittavat Alloy 182 hitsiaineen olevan LTCP -herkin nikkelivaltainen hitsiaine, kun taas Alloy 52 säilyttää korkean murtumisvastuksen vetypitoisuudella 30 cm3 H2/kg H2O. Kuitenkin myös puhtaan Alloy 52 hitsiaineen murtumisvastuksessa havaittiin selkeä aleneminen korkealla vetypitoisuudella (100 cm3 H2/kg H2O). Toisaalta Alloy 52 kapearailohitsi säilytti useimpien koesauvojen tapauksessa korkean murtumisvastuksen vastaavassa runsasvetyisessä ympäristössä. Vetypitoisuusmittaukset osoittavat, että altistus korkealämpötilavedessä alentaa Alloy 182 ja 152 hitsiaineiden kokonaisvetypitoisuuksia veden vetypitoisuuden ollessa 30 cm3 H2/kg H2O. Kyseisten materiaalien murtumissitkeysarvot nousevat korkealämpötilavesialtistuksen myötä. Matalampien murtumissitkeysarvojen ja rae- tai dendriiittirajamurtuman välillä todettiin selvä yhteys. Raerajakarbidien toimimista vetyloukkuina arvioitiin saatujen mikroskopiatulosten pohjalta. Lisäksi työssä sovellettiin mallia vedyn desorption aktivaatioenergioiden määrittämiseksi Alloy 182 ja 52 hitsiaineissa. Kyseisten materiaalien erilaisen LTCP -käyttäytymisen uskotaan johtuvan pääasiassa niissä esiintyvistä erityyppisistä raerajakarbideista, jotka ovat keskeisessä asemassa vedyn aiheuttamassa murtumisessa. Erilaisilla karbideilla voi myös olla erilainen vaikutus vedyn jakautumiseen rae- tai dendriittirajoilla sekä vedyn saatavuuteen särön kärjen läheisyydessä, koska karbidit toimivat vetyloukkuina ja vaikuttavat raerajojen ja niiden lähialueiden deformaatiojakaumaan.Description
Supervising professor
Hänninen, Hannu, Prof., Aalto University, Department of Engineering Design and Production, FinlandThesis advisor
Karlsen, Wade, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, FinlandKeywords
nickel-based weld metals, low temperature crack propagation, hydrogen trapping, fracture resistance, nikkeliseoshitsit, matalan lämpötilan särönkasvu, vedyn loukkuuntuminen, murtumisvastus
