Applicability of a Dynamic Recrystallization Model for an Open Die Forging Process for the As-Cast Superaustenitic Stainless Steel Alloy 28

Abstract

In the petrochemical industry, extreme conditions require materials that can withstand high fatigue pressures and highly corrosive environments. In the last decade, the use of super austenitic steels (SASS) has increased due to their excellent properties in these environments. Alloy 28 high nickel super austenitic steel has a resistance to corrosion and high fatigue cycles, becoming one of the main options for manufacturing pipes for the petrochemical industry. SASS has a purely austenitic structure due to its high nickel content, an alloy that gives the material high toughness and good forging behaviour. However, it also makes it susceptible to variations in the process factors, and controlling these conditions is essential. One of the most critical parameters determining a material's mechanical behaviour is the microstructure, so it is crucial to predict it. Simulation software is used to reproduce the manufacturing process and obtain the mechanical properties to predict the state of the material. Therefore, it is necessary to determine a mathematical model that predicts the material's behaviour and calculates the material parameters for a specific model. In this project, the microstructural evolution of Alloy 28 has been studied for an open die forging process. Furthermore, the file will be used to reproduce, through the FORGE® forming process analysis software, the industrial process of obtaining forged round bars from TUBACEX, manufacturer of pipes for Oil & Oil&Gas applications. An exhaustive bibliographic search was carried out to understand and identify all the phenomena that occur during the transformation of the material subjected to hot deformation and how they can be studied at a laboratory scale. Furthermore, the conditions that perform hot compression tests were determined, and the results of the stress-strain curves and microstructures obtained after deformation were analysed. Finally, the model's parameters to be implemented in the simulation are determined with the results obtained. Finally, the model obtained during this study is validated by comparing it with the one used by the manufacturer. Although this reference model is industrially validated, it does not precisely consider the physical phenomena involved in a hot process, allowing a more accurate material model.

Industria petrokimikoan, muturreko baldintzak direla-eta neke presio handiak eta giro oso korrosiboekiko esposizioa jasaten dituzten materialak behar dira. Azken hamarkadetan, altzairu super austenikoen (SASS) erabilera handitu egin da, ingurune horiei aurre egiteko propietate bikainak dituztelako. Alloy 28 nikel maila handiko altzairu superaustenitikoak korrosioarekiko eta neke ziklo handiekiko erresistentzia handia du, eta horrek egiten du industria petrokimikorako hodiak fabrikatzeko aukera nagusietako bat izatea. Altzairu mota horiek egitura austenitiko hutsa dute, nikel asko baitute, eta aleatzaile horri esker materialak zailtasun handia du, eta forjan portaera ona. Hala ere, prozesuan zehar prozesuaren faktoreetan gertatzen diren aldaketekiko oso sentikorra da, eta baldintza horiek kontrolatzea funtsezkoa da. Materialaren mikroegitura da materialaren portaera mekanikoa zehazteko propietate garrantzitsuenetako bat, eta prozesuan zehar mikroegitura kontrolatzea oso garrantzitsua izango da materiala optimizatzeko. Materialaren egoera aurreikusteko, fabrikazio prozesua erreproduzitzeko eta azken materialaren propietateak lortzeko simulazio softwareetara jotzen da. Horretarako, eredu matematiko bat zehaztu behar da, haren portaera aurreikusteko, eta eredu jakin baterako materialaren parametroak kalkulatu behar dira. Proiektu honetan, Alloy 28 altzairu superaustenitikoaren bilakaera mikroestrukturalaren azterketa egin da, forjaketa irekiko prozesu baterako, galdatutako materialetik abiatuta, horren eredu fenomenologikoa lortzeko helburuarekin. Artxiboa FORGE® konformazio prozesuak aztertzeko softwarearen bidez erreproduzitzeko erabiliko da, Oil&Gas aplikazioetarako hodien fabrikatzailea den TUBACEX enpresaren barra biribil forjatuak lortzeko benetako prozesua erreproduzitzeko. Horretarako, benetako prozesua eta materialak galdaren ondoren eta forja amaitzean dituen faseak aztertu dira. Ondoren, bilaketa bibliografiko sakon bat egin da beroan deformatutako materialaren eraldaketan gertatzen diren fenomeno guztiak ulertzeko eta identifikatzeko, eta laborategi eskalan aztertzeko moduak identifikatzeko. Azken horri esker, beroko konpresio saiakuntzak egiteko baldintzak zehaztu ahal izan dira, eta, ondoren, tentsio-deformazio kurben eta deformazioaren ondoren lortutako mikroegituren emaitzak aztertu ahal izan dira. Lortutako emaitzekin, simulazioan ezarriko den ereduaren parametroak zehazten dira. Azkenik, azterlan honetan lortutako eredua baliozkotu da, fabrikatzaileak erabilitakoarekin alderatuta. Erreferentziako eredu hori industrialki baliozkotzen bada ere, ez ditu zehatz-mehatz kontuan hartzen beroko prozesu batean inplikatutako fenomeno fisikoak, eta, horri esker, material eredu zehatzagoa lortu ahal izango da.

En la industria petroquímica, las condiciones extremas precisan de materiales que soporten altas presiones fatiga y la exposición a ambientes altamente corrosivos. En las últimas décadas, el uso de aceros super austenícos (SASS) se ha incrementado debido a sus excelentes propiedades frente a estos ambientes. El Alloy 28 acero superaustenítico de alto niquel, presenta una resistencia a la corrosión y a altos ciclos a fatiga, que lo convierte en una de las principales opciones para la fabricación de tuberías para la industria petroquímica. Este tipo de aceros, presentan una estructura puramente austenítica debido a su alto contenido en niquel, un aleante que otorga al material de alta tenacidad y buen comportamiento en forja. Sin embargo, también lo hace susceptible a las variaciones que ocurren en los factores del proceso durante el mismo y controlar estas condiciones es esencial. Una de las propiedades más importantes a la hora de determinar el comportamiento mecanico del material es la microestructura del mismo y controlar la su durante el proceso será de suma importancia para optimizar el mismo. Para predecir el estado del material, se recurre a los software de simulación que permiten reproducir el proceso de fabricación.y obtener las propiedades del material final. Para ello, es necesario determinar un modelo matemático que permita predecir el comportamiento del mismo, y calcular los parámetros del material para un modelo concreto. En este proyecto, se ha realizado el estudio de la evolución microestructural del acero superaustenitico Alloy 28, para un proceso de forja abierta partiendo del material fundido con el objetivo de obtener el modelo fenomenológico del mismo. El archivo será utilizado para reproducir mediante el software de análisis de procesos de conformado FORGE®, el proceso real de obtención de barras redondas forjadas de TUBACEX, fabricante de tubos para aplicaciones de Oil&Gas. Para ello, se ha estudiado el proceso real y las diferentes fases que presenta el material tras la colada y al finalizar la forja. Posteriormente se ha realizado una exhaustiva búsqueda bibliográfica para comprender e identificar todos los fenómenos que ocurren durante la transformación del material sometido a una deformación en caliente y como se pueden estudiar a escala laboratorio. Esto último ha permitido determinar las condiciones para realizar ensayos de compresión en caliente y posteriormente analizar los resultados de las curvas tensión-deformación y de las microestructuras obtenidas tras la deformación. Con los resultados obtenidos, se determinan los parámetros del modelo que será implementado en la simulación. Finalmente, se valida el modelo obtenido durante este estudio comparándolo con el empleado por el fabricant. Si bien este modelo de referencia es validado industrialmente, no tiene en cuenta de manera precisa los fenómenos físicos implicados en un proceso en caliente, lo que permitirá obtener un modelo de material más precisa.