Linke Bildseite: Mehrlagenschweißgut und Permeationsprobenlage; rechte Bildseite: Wasser-stoffdiffusion in Abhängigkeit der Gefügeorientierung und des Wärmebehandlungszustandes
Quelle: BAM, Abteilung Komponentensicherheit
Geschweißte Komponenten aus kriechfestem P91 9 % Cr-Stahl erfordern eine sorgfältige schweiß-technische Verarbeitung und müssen nach dem Schweißen zwingend nach bei hohen Temperaturen wärmenachbehandelt werden (engl. PWHT – Post Weld Heat Treatment). Vor dem eigentlichen PWHT erfolgt meist ein „Wasserstoffarmglühen“ zur Vermeidung von der sonst potenziell möglicher wasserstoffunterstützter Rissbildung (engl. HAC – Hydrogen Assisted Cracking). In diesem Zusammenhang ist die mikrostruktur- und temperaturabhängige Wasserstoffdiffusion von großer Bedeutung. Verlässliche Wasserstoffdiffusionskoeffizienten von P91-Mehrlagenschweißgut sind aus der Literatur fast nicht bekannt.
In dieser Studie wurde daher das Diffusionsverhalten von P91-Mehrlagenschweißgut für zwei verschiedene Wärmebehandlungszustände, geschweißt („As-welded“ - AW) und geschweißt+wärmebehandelt („PWHT“), untersucht. Dazu wurden elektrochemische Permeationsexperimente bei Raumtemperatur durchgeführt und Diffusionskoeffizienten aus den Messdaten berechnet. Trägergas-Heißextraktion (TGHE) im Bereich von 100 bis 400 °C ermöglichte die Berechnung von Wasserstoffdiffusionkoeffizienten bei erhöhten Temperaturen und zusätzlich die Bestimmung der temperaturabhängigen Wasserstofffreisetzung. Die Ergebnisse zeigen, dass der Wärmebehandlungszustand signifikanten Einfluss auf die Wasserstoffdiffusion hat. Bei Raumtemperatur zeigte die AW-Zustand signifikantes Wasserstofftrapping, was sich durch bis zu 7-fach kleinere Diffusionskoeffizienten im Vergleich zum PWHT-Zustand ausdrückt. Zudem wurde anhand der erhöhten Wasserstoffpermeabilität eine bevorzugte Diffusionsrichtung durch das Schweißgut in Richtung der Wärmeeinflusszone festgestellt. Die TGHE-Experimente lieferten durchgängig geringere berechnete Diffusionskoeffizienten für den AW-Zustand bis 400 °C. Zudem wurde bis zu 100°C noch eine Wasserstoffkonzentration von etwa 21 ml/100 g im Schweißgut getrappt bzw. gebunden. Aus diesem Grund kann eine Kaltrissanfälligkeit des P91-Schweißgutes im „As-welded“ Zustand nicht ausgeschlossen werden. Daher sollte vor der PWHT unbedingt eine Wärmebehandlung der Schweißnaht zum Entfernen des Wasserstoffs durchgeführt werden.
Hydrogen diffusion in creep-resistant 9% Cr P91 multi-layer weld metal, erschienen im Welding in the World, 64, pages267–281 (2020)
Michael Rhode, Tim Richter, P. Mayr, A. Nitsche, Tobias Mente, Thomas Böllinghaus
BAM Abteilung Komponentensicherheit