Effect of high-energy shot peening process on the oxidation behaviour of AISI 321 stainless steel at 900 °C

ABSTRACT

The present work comparatively investigates the oxidation behaviour of AISI 321 austenitic stainless steel at 900 °C in Ar-21vol.%O₂ in two conditions of solution annealed (SAed) and after a high-energy shot peening process (HESPed). Kinetic observations indicated that during the initial 25 h of oxidation, the HESPed sample exhibits higher oxidation kinetics. However, as oxidation progresses, the kinetics of the SAed sample surpasses in a way that after 150 h, the weight gain for SAed is 0.93 mg/cm², and for HESPed, it is 0.71 mg/cm². GI-XRD results after 150 h of oxidation revealed similar oxide phases on both samples, including (Cr,Fe)₂O₃, Mn(Fe,Cr)₂O₄, and Fe₂O₃. An important point is that the oxide formed on the surface of the SAed sample, unlike HESPed, undergoes severe spallation and cracking after 150 h, leading to sub-surface oxidation and the formation of Ni-rich oxide phases such as Ni(Fe,Cr)₂O₄. The enhancement observed in the oxidation performance of the HESPed sample can be ascribed to the augmented density of high-diffusivity paths, a consequence of the high-energy shot peening process, and the prompt development of uniform inner Si-rich and intermediate Cr-rich oxide layers.

Le travail courant examine comparativement le comportement à l’oxydation de l’acier inoxydable austénitique AISI 321 à 900°C dans Ar-21% vol O₂ dans deux conditions d’hypertrempe (SAed) et après un procédé de grenaillage à haute énergie (HESPed). Les observations cinétiques ont indiqué qu’au cours des 25 premières heures d’oxydation, l’échantillon HESPed présente une cinétique d’oxydation plus élevée. Cependant, à mesure que l’oxydation progresse, la cinétique de l’échantillon SAed surpasse de telle sorte qu’après 150 h, le gain de poids du SAed est de 0.93 mg/cm² et pour le HESPed, il est de 0.71 mg/cm². Les résultats de GI-XRD après 150 h d’oxydation ont révélé des phases d’oxyde similaires sur les deux échantillons, incluant (Cr,Fe)₂O_3, Mn(Fe,Cr)₂O₄ et Fe_eO₃. Un point important est que l’oxyde formé à la surface de l’échantillon SAed, contrairement à l’HESPed, subit une spallation et une fissuration sévères après 150 h, menant à une oxydation sous la surface et à la formation de phases d’oxyde riches en Ni telles que Ni(Fe,Cr)₂O₄. L’amélioration observée dans les performances à l’oxydation de l’échantillon HESPed peut être attribuée à l’augmentation de la densité des voies à diffusivité élevée, une conséquence du procédé de grenaillage à haute énergie, et au développement rapide de couches d’oxyde uniformes internes riches en Si et intermédiaires riches en Cr.

KEYWORDS:

• AISI 321 stainless steel
• high temperature oxidation
• surface severe plastic deformation
• GI-XRD
• TGA
• FE-SEM/EDS

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).