On Effect of Temperature on Low Cycle Fatigue Behavior of Alloy 617

Abstract

The Very High Temperature Reactor (VHTR) is one the most promising nuclear systems among the Generation-IV reactor types of economically produce secure, long-lasting, proliferation-resistant, and economically viable nuclear energy. The VHTR has a design goal of using helium coolant at temperatures higher than 9000C and operating pressures up to 3-8 MPa for a life of 60 years. In the VHTR systems, some of major components such as reactor internals, reactor pressure vessel (RPV), piping and the hot gas duct (HGD) and the Intermediate Heat Exchanger (IHX). Intermediate Heat Exchanger (IHX) are considered as a critical component in the VHTR system for extracting thermal energy at high temperature, which is the material must be satisfied the characteristics of high temperature operation and long duration of service life. However, material selection becomes critical issues to develop this Nuclear Plant project. A number of solid solution nickel-based alloys have been considered for application in the IHX. The Alloy 617 also designated as INCONEL 617 or UNS N06617 is currently being considered as one of the near-term candidate materials for the design and construction of some major high temperature components of a VHTR due to its superior material properties, oxidation resistance, and phase stability at high temperature compared with other potential superalloys. It also has lower thermal expansion and high thermal conductivity relative to the other candidates. Low cycle fatigue loadings resulted from thermally induced strain cycles associated with start-up and shutdown cycles and fluctuations in reactors operating condition are considered as an important damage mode for the IHX. Many attempts have been proposed to evaluate the LCF behavior in Alloy 617 and similar nickel-based superalloy at elevated temperature. On series of studies on the elevated temperature of low cycle fatigue properties of Alloy 617. This work focuses on the effect of high temperature on low cycle fatigue properties of Alloy 617 base metal. In addition, low cycle fatigue life prediction was performed by using well-known Coffin-Manson-Basquin (C-M-B) relationship and strain energy density (SED). In this investigation, the Low Cycle Fatigue (LCF) tests of Alloy 617 were fully reversed (R=-1) with a triangular waveform and were conducted in air for total strain ranges, i.e. 0.9, 1.2, 1.5% at high temperature of 900 and 9500C with a constant strain rate of 10-3/s, according to ASTM E-606. The temperature was considered to have a small influence in the degradation on the low cycle fatigue at these testing conditions. The reduction of fatigue life may result from higher plastic strain accumulation and material ductility at higher temperature conditions. The cyclic deformation was observed to be softened at high temperature low cycle fatigue, however, higher degree of softening was found as a function of increasing in temperature combined with the effect of total strain range. In addition, a good correlation of life prediction with the experimental data was found in this investigation by using C-M-B relationship and SED method.

초고온가스로(VHTR)는 수소와 전기를 경제적이며 안전하게 생산 가능한 IV세대 원자로 유형 중 하나로 가장 유망 받는 원자로 중의 하나이다. 초고온가스로는 헬륨을 냉각수로 사용하여 900℃보다 높은 온도와 최대 3-8 MPa의 고압하에서 장기간 사용 가능한 설계 목표를 가지고 있다. 초고온가스로의 반응기 내부, 원자로 압력 용기 (RPV), 배관, 고온 가스 도관(HGD) 및 중간 열 교환기(IHX)는 초고온가스로의 주요 구성 요소의 일부이다. 중간 열 교환기(IHX)는 초고온가스로에서 고온에서 열 에너지를 추출하는 데 중요한 구성 요소로, 구조 재료는 고온에서의 작동 및 긴 수명의 특성을 만족시켜야 한다. 그러나 구조 재료 선택은 원자력 발전소 프로젝트를 개발하는데 있어서 중요한 문제가된다. 니켈 기반 합금들은 중간 열 교환기의 구조 재료 응용에 고려되고 있다. Alloy 617는 INCONEL 617 이나 UNS N06617로, 현재 VHTR의 주요 고온 구성 요소의 설계 및 시공을 위한 단기 후보 재료 중 하나로 간주되고 있다. Alloy 617은 다른 후보의 초합금에 비해 고온에서의 물성, 내 산화성 및 상 안정성이 우수하다고 평가되기 때문에 주요 구조 설계시 고려되는 후보 물질이다. 또한, 다른 후보 재료에 비해 낮은 열팽창 및 고 열전도를 갖고있다. 스타트 업 및 셧다운 사이클과 관련된 열로 인한 변형 사이클로 인한 낮은 사이클 피로 하중과 원자로 작동 조건의 변동은 IHX의 중요한 손상 모드로 간주됩니다. 고온에서 Alloy 617 및 유사한 니켈 기반 초합금들의 저사이클 피로 거동을 평가하려는 많은 연구가 제안되었다. 합금 617의 고온 저사이클 피로 특성에 대한 연구는 Alloy 617 모재의 저사이클 피로 특성에 대한 고온의 영향에 중점을 둔다. 또한, 잘 알려진 Coffin-Manson-Basquin(C-M-B) 관계와 변형 에너지 밀도(SED)를 사용하여 저사이클 피로 수명을 예측하여 평가할 수 있다. 이 연구에서, 저사이클 피로(LCF) 시험은 ASTM E-606에 의거하여 900-950℃의 고온에서 완전 양진 하중 형태(R=-1)의 변형률 제어 방식으로 수행하였다. 제어된 전변형률 범위는 0.9%, 1.2% 및 1.5%이며 10-3/s의 일정한 변형률 속도를 유지하였다. 온도의 변화는 이러한 테스트 조건에서 저사이클 피로 수명의 저하에 작은 영향을 미칠 것으로 간주되었다. 고온 환경에서 피로 수명의 감소는 높은 소성 변형의 축적과 재료의 연성과 관련된다. 고온 저사이클 피로의 반복 변형은 연화 것으로 관찰되었고, 연화의 정도는 전변형률 범위의 증가와 함께 온도가 상승함에 따라 더 큰 연화 비율을 가졌다. 또한, 본 연구에서는 실험 데이터 수명과 예측 수명의 상관 관계는 C-M-B 관계 및 SED의 방법을 이용하여 평가하였다.