Effetto delle terre rare in acciai inossidabili duplex innovativi per getti di componenti di elevato spessore utilizzati in impianti di dissalazione: ottimizzazione del trattamento termico e della composizione chimica

The increasing scarcity of freshwater resources worldwide has driven growing interest in desalination technologies over recent decades. These systems produce potable water from seawater for domestic, agricultural, and industrial uses. The desalination process generates large volumes of brine, a byproduct with high chloride content and dissolved gases such as carbon dioxide and hydrogen sulfide, which promote aggressive corrosion. Component degradation in desalination plants occurs through mechanisms including uniform corrosion and localized forms like stress corrosion cracking, intergranular corrosion, pitting, and crevice corrosion. Such conditions require materials with high mechanical strength and excellent corrosion resistance. Duplex stainless steels are widely used due to their biphasic microstructure, featuring a ferritic matrix with uniformly distributed austenitic islands. These alloys offer mechanical properties comparable to martensitic steels with superior corrosion resistance. However, manufacturing and application require careful control to avoid precipitation of harmful secondary phases during production and service. Performance depends on maintaining a balanced ferrite-to-austenite ratio and avoiding secondary phases, which can precipitate during slow cooling or prolonged exposure to certain temperatures, adversely affecting toughness and corrosion resistance. Producing large desalination components often involves sand casting, which may not cool rapidly enough to prevent deleterious phase formation, especially in thick sections. Solution annealing heat treatments are needed to restore a balanced microstructure, involving heating to high temperatures, holding to dissolve secondary phases, and rapid quenching to prevent re-precipitation. This research was conducted with Gruppo Cividale S.p.A., a leading European metal producer of carbon steels, low- and high-alloy steels, cast irons, stainless steels, and nickel-based alloys. The study focused on optimizing solution annealing, examining temperature and holding time effects on microstructure, mechanical properties, and corrosion resistance. Sand-cast X2CrNiMoN25-7-4 stainless steel (SAF 2507) samples, supplied by Acciaieria Fonderia Cividale S.p.A., underwent isothermal treatments between 950 °C and 1150 °C for up to two hours, followed by rapid water quenching. Microstructure was analyzed via optical microscopy and image analysis; mechanical properties were assessed by tensile, impact, and hardness tests; corrosion resistance was evaluated by immersion in ferric chloride. All tests followed ASTM standards. The study then examined minor additions of rare earth elements (cerium and lanthanum) on secondary phase precipitation. Castings with varying rare earth contents underwent the same treatments for direct comparison. Finally, samples containing both rare earths and trace boron were investigated to assess combined effects on material properties. Results showed solution annealing at 1100 °C dissolves embrittling intermetallic phases but causes ferritic-austenitic imbalance, reducing mechanical properties. A two-step heat treatment with a secondary annealing near 1025 °C restored phase balance and improved performance, while reducing energy consumption. Rare earths and boron additions improved material properties, suggesting promising paths for optimizing super duplex stainless steels in corrosive environments like desalination plants. This research supports future efforts to enhance durability and corrosion resistance of these critical materials.

La progressiva scarsità di risorse idriche dolci in molte aree del pianeta ha suscitato un crescente interesse verso le tecnologie di dissalazione, finalizzate alla produzione di acqua potabile a partire da quella marina per scopi civili, agricoli e industriali. Tali impianti generano rilevanti volumi di salamoie ad alta concentrazione di cloruri e gas disciolti, quali anidride carbonica e idrogeno solforato, responsabili di intensi fenomeni corrosivi. In questo contesto, l’impiego di materiali caratterizzati da elevate proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione è di estrema importanza. Gli acciai duplex, contraddistinti da una microstruttura bifasica ferritico-austenitica, rispondono a tali requisiti, combinando resistenza meccanica e durabilità. Tuttavia, la loro efficacia è subordinata al mantenimento di un corretto equilibrio tra le fasi e all’assenza di fasi secondarie, la cui formazione, favorita da raffreddamenti lenti o prolungate permanenze in intervalli termici critici, compromette la tenacità e la resistenza alla corrosione. La produzione di componenti di grandi dimensioni per impianti di dissalazione impone l’impiego di tecniche di colata in sabbia, che non garantiscono velocità di raffreddamento tali da prevenire la formazione di fasi indesiderate, specie nei getti di elevato spessore. Si rende pertanto necessario un trattamento termico di solubilizzazione, volto a dissolvere le fasi secondarie mediante riscaldamento e mantenimento a temperature elevate, seguito da rapido raffreddamento per evitarne la riformazione. La presente ricerca, svolta in collaborazione con Gruppo Cividale S.p.A., ha inizialmente riguardato l’ottimizzazione del trattamento di solubilizzazione. Campioni di acciaio super duplex X2CrNiMoN25-7-4 (SAF 2507), ottenuti mediante colata in sabbia da Acciaieria Fonderia Cividale S.p.A., sono stati sottoposti a trattamenti isotermici tra 950 °C e 1150 °C, con tempi di mantenimento variabili e successiva tempra in acqua. La microstruttura è stata analizzata tramite microscopia ottica su campioni attaccati con reagente di Murakami e successiva elaborazione digitale. Le proprietà meccaniche sono state valutate mediante prove di trazione, impatto e durezza; la resistenza alla corrosione tramite immersioni in soluzione di ferrocloruro, secondo standard ASTM. Successivamente, l’attenzione si è concentrata sull’effetto dell’aggiunta di modeste quantità di terre rare, in particolare cerio e lantanio, sulla cinetica di formazione delle fasi secondarie. Sono stati realizzati nuovi getti con differenti tenori di terre rare, sottoposti ai medesimi trattamenti e caratterizzazioni, al fine di un confronto diretto con la lega standard. Un’ulteriore fase sperimentale ha previsto l’introduzione simultanea di terre rare e boro, con l’obiettivo di valutarne l’effetto sinergico sulle proprietà del materiale. I risultati hanno evidenziato come il trattamento a 1100 °C consenta di dissolvere le fasi infragilenti, ma determini uno squilibrio tra le fasi, con conseguente riduzione delle proprietà meccaniche. Per ovviare a tale effetto, è stato introdotto un secondo stadio termico a circa 1025 °C. Le indagini microstrutturali, meccaniche e di corrosione hanno confermato il ruolo negativo della fase σ e l’efficacia del nuovo ciclo termico, che consente inoltre una riduzione del consumo energetico. L’aggiunta controllata di terre rare e boro ha mostrato effetti positivi sulle caratteristiche del materiale, aprendo nuove prospettive per l’ottimizzazione degli acciai super duplex destinati ad ambienti ad alta aggressività chimica. I risultati costituiscono un valido punto di partenza per futuri approfondimenti volti al potenziamento della durabilità e della resistenza alla corrosione di questi materiali strategici.