一種鎳基耐熱合金鍋爐管加工工藝的制作方法
【專利摘要】一種鎳基耐熱合金鍋爐管加工工藝，屬于材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】。對C-HRA-1鎳基耐熱合金在采用6噸級VIM+VAR雙真空工藝冶煉，鋼錠均勻化處理工藝為1200℃保溫72小時，采用快鍛機(jī)熱鍛開坯，熱穿孔預(yù)制熱擠壓管坯，采用6000噸熱擠壓機(jī)制管，對熱擠壓后的管坯進(jìn)行固溶處理，固溶工藝為1150℃/30min水冷。接著進(jìn)行一道次的冷軋，變形量為5%，退火處理工藝為1100℃/20min水冷，對退火處理后的管材進(jìn)行了800℃/16h空冷時效處理。優(yōu)點在于，合金750℃的持久壽命較常規(guī)加工工藝提高了近20%，在成分不變的條件下，簡化了工藝，降低了能耗，提高了持久壽命，為C-HRA-1鎳基耐熱合金在700℃超超臨界電站鍋爐管的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
【專利說明】一種鎳基耐熱合金鍋爐管加工工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是提供了一種鎳基耐熱合金鍋爐管加工工藝。通過對700°C蒸汽參數(shù)超超臨界火電機(jī)組用鎳基耐熱合金(C-HRA-1)的制管流程和工藝參數(shù)的改進(jìn)，調(diào)控材料的顯微組織，尤其是晶界組織，使得鍋爐管的持久壽命提高，適用于先進(jìn)超超臨界火電機(jī)組鍋爐管及相關(guān)管道的制造。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源需求不斷攀升和環(huán)保問題日益嚴(yán)重，提高發(fā)電效率已成為重要議題。我國的自然資源和國情決定了在未來很長一段時間內(nèi)，以燃煤發(fā)電機(jī)組為絕對主力的火力發(fā)電將仍然是中國電源結(jié)構(gòu)的絕對主體。燃煤機(jī)組發(fā)電效率主要由蒸汽參數(shù)決定，蒸汽溫度和蒸汽壓力越高，熱效率就越高，煤耗越低，溫室氣體和有害氣體的排放越少，就越節(jié)約能源和資源。我國于2010年啟動了 700°C蒸汽參數(shù)超超臨界火電機(jī)組技術(shù)研發(fā)國家計劃。700°C蒸汽參數(shù)超超臨界電站關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一在于須開發(fā)出一種能夠在700-750°C長期穩(wěn)定服役的耐熱材料。
[0003]鋼鐵研究總院劉正東教授團(tuán)隊開發(fā)的鎳基耐熱合金C-HRA-1是用于700°C蒸汽參數(shù)超超臨界火電機(jī)組鍋爐管道的主要候選材料之一，其化學(xué)成分如表1所示。如何在現(xiàn)有化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，通過對材料加工工藝的研究，一方面提供C-HRA-1作為小口徑鍋爐管的工業(yè)生產(chǎn)方案，另一方面進(jìn)一步優(yōu)化材料的微觀組織，尤其優(yōu)化相對薄弱的晶界組織，具有很重要的理論和實際意義。晶界工程(Grain boundary engineering, GBE)的概念是T.Watanabe于1984年首先提出，該理論主要是針對中低層錯能的面心立方金屬或合金通過形變-熱處理(冷變形加退火)的方法來提高材料中重合位置點陣(Coincidence sitelattice)晶界的比例，從而改善材料和晶界相關(guān)的某些性能，如抗晶間應(yīng)力腐蝕性能、疲勞性能、蠕變性能等。重合位置點陣晶界又稱Σ晶界，Σ值為晶界兩側(cè)晶體點陣重合比例的倒數(shù)，如Σ 3晶界兩側(cè)晶體點陣重合率為1/3。Σ值越小，晶界兩側(cè)晶體點陣的重合率就越高，晶界的能量就越低，晶界就越穩(wěn)定，則該晶界在蠕變過程中就越難發(fā)生滑移，對提高材料的螺變性能起到一定的積極作用。晶界工程理論在提高Inconel690合金抗晶間應(yīng)力腐蝕性能方面已得到驗證，且已工業(yè)應(yīng)用，但晶界工程理論在提高材料蠕變性能方面則鮮有報道，更無相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用。
[0004]表1C-HRA-1合金最佳化學(xué)成分范圍(wt%)
[0005]
~Cr Co~Nb~Ti~M~? C B Zr ~
Min 23.5 18.0 1.2 0 8 1.4 / 0.01 / 0.03 Bal.Mqx 25.5 20.0 1.5 1.4 1.8 1.0 0.03 0.002 0.08
嚴(yán)格控制其他有害元素含量和氫氧含量，使之盡可能低
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種鎳基耐熱合金鍋爐管加工工藝，針對C-HRA-1合金，在合金含量不變的前提下，通過加工工藝的優(yōu)化，調(diào)控合金的顯微組織，進(jìn)一步提高合金的持久壽命，從而提高部件服役的穩(wěn)定性。在本發(fā)明中主要的理論依據(jù)來源于“晶界工程學(xué)”理論。
[0007]本發(fā)明采用了熱擠壓一次到位，接近成品管尺寸，后期通過一道次冷軋加退火處理，提高了合金中重合位置點陣晶界的比例，打破了大角晶界網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性，從而提高了合金在750°C的持久壽命。工藝步驟及工藝中控制的技術(shù)參數(shù):
[0008](I)采用VM+VAR (或ESR)的工藝冶煉鋼錠；
[0009](2)鋼錠均勻化處理工藝為1200°C保溫72小時，采用快鍛機(jī)熱鍛開坯；
[0010](3)熱穿孔預(yù)制熱擠壓管坯，熱擠壓前管坯清理和機(jī)加工，采用熱擠壓機(jī)制管，直接擠壓到接近成品管尺寸，對熱擠壓后的管進(jìn)行固溶處理，固溶工藝為1150°C /30min水冷;
[0011](4)接著進(jìn)行一道次“晶界工程學(xué)”冷變形，變形量為3~6%，退火溫度為1100±20°C，退火時間為10~20分鐘，水冷；
[0012](5)對退火處理后的成品管進(jìn)行800°C /16h空冷時效處理。
[0013]晶界工程對合金顯微組織的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，其一是Σ晶界比例的提高；其二是合金中大角晶界網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性的破壞。鍋爐管在超超臨界服役條件下(700-750°C, 30-37.5MPa)，蠕變裂紋應(yīng)沿大角晶界網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，或者說蠕變裂紋沿著大角晶界擴(kuò)展的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沿著 Σ晶界擴(kuò)展的概率，從某種意義上來說Σ晶界在蠕變過程中是相對“安全”的。采用適當(dāng)?shù)男巫?熱處理方法，可提高Σ晶界比例，且設(shè)法使更多的Σ晶界“加入”到大角晶界的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，以有效阻礙材料服役過程中蠕變裂紋擴(kuò)展，從而提高材料的蠕變壽命。
[0014]實際應(yīng)用中，形變-熱處理的實施方法主要有兩種，第一種是應(yīng)變退火，即室溫單道次小變形(變形量一般在7%以下)加高溫退火，第二種方法是應(yīng)變再結(jié)晶，即室溫多道次中高變形(變形量一般在10%以上)加高溫退火，一般重復(fù)3-7次。在本發(fā)明中，對兩種不同的形變-熱處理方法都進(jìn)行了實驗室研究。在應(yīng)變退火方法中，為避免長時間的退火，參考TInconel617[Effect of thermomechanical processing on grain boundary characterdistribution of a Ni—base superalloy.L.Tan, K.Sridharan and T.Allen.J.Nucl.Mater.Vol.371 (2007), 171], Inconel690[Effect of strain and annealing processeson the distribution of Σ 3boundaries in a Ni—based superalloy.S.Xia, B.X.Zhou, ff.J.Chen and W.G.Wang.Script.Mater.Vol.54(2006)，2019]和 Incoloy800H[An electronbackscattered diffraction study of grain boundary engineered INC0L0Y alloy800H.L.Tan and T.Allen.Metal.Mater.Trans.Vol.36A (2005)，1921]的變形工藝，選擇了 3.3%、
6.7%和10%三種不同的變形量和5、10、20和40分鐘四個不同的退火時間，退火溫度定為1100°C。在應(yīng)變再結(jié)晶方法中，選擇了 5%，10%和15%三種變形量，退火工藝定為1100°C /20分鐘，對于每種變形量，都進(jìn)行了 4道次的形變+退火處理。對上述所有試樣，利用EBSD分析手段對樣品縱截面至少500個晶粒進(jìn)行了表征，以保證統(tǒng)計結(jié)果的可靠性。通過軟件的晶界類型分析功能，給出了各種不同類型晶界的長度分?jǐn)?shù)。[0015]表2為固溶態(tài)C-HRA-1合金中重合位置點陣晶界的比例統(tǒng)計，在固溶態(tài)樣品中，重合位置點陣晶界所占比例約為60%，其中絕大多數(shù)為Σ3晶界，即退火孿晶界。而相應(yīng)的Σ9和Σ27晶界的比例很低，基本可以忽略。固溶態(tài)樣品的大角晶界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在該圖中，為了更直觀地反映大角晶界網(wǎng)絡(luò)，重合位置點陣晶界利用EBSD軟件處理不作顯示，只顯示大角晶界。從圖1中可以看出，在固溶態(tài)樣品中大角晶界形成了一個完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在材料服役過程中，一旦在晶界出現(xiàn)裂紋，其很容易沿著大角晶界的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致材料的早期失效。
[0016]表3為應(yīng)變退火處理后樣品中重合位置點陣晶界比例的EBSD統(tǒng)計結(jié)果，可以看出，在形變-熱處理后樣品中的重合位置點陣晶界比例(63~75%)較固溶態(tài)(60%)相比，均有較大幅度的提高。而且重合位置點陣晶界比例的提高一方面是Σ3晶界比例的提高，更重要的一方面則是Σ9和Σ27晶界比例的大幅度提高，這也就表明了在形變-熱處理過程中，發(fā)生了 Σ晶界的增殖反應(yīng)，SP ΣΑ+ΣΒ=ΣΑΧΒ或者ΣΑ+ΣΒ=ΣΑ/Β，形成了 Σ值更高的重合位置點陣晶界。這種Σ晶界之間的相互反應(yīng)也有利于打破固溶態(tài)樣品中大角晶界的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，更加有利于阻礙裂紋擴(kuò)展。不同變形量樣品在1100°C退火20分鐘后大角晶界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2~4所示，從這些圖中可以發(fā)現(xiàn)，在變形量為3.3%和6.7%的時候，大角晶界的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對不連續(xù)。而較大變形量會導(dǎo)致合金的再結(jié)晶，造成晶粒的細(xì)化，而且大角晶界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重新變得完整，這對提高合金蠕變性能有不利的影響。因此在應(yīng)變退火處理的實際實施過程中，變形量應(yīng)該控制在10%以內(nèi)，而退火時間對Σ晶界的比例影響不明顯，推薦選擇20分鐘。
[0017]表4為不同道次的應(yīng)變再結(jié)晶處理后樣品中重合位置點陣晶界的比例，每一道次退火工藝均為1100°c/20分鐘，對比表4和表3可發(fā)現(xiàn):(1)單道次變形退火提高Σ晶界比例的效果要優(yōu)于多道次變形退火的效果，尤其是對10%和15%變形量，多道次變形后Σ晶界的比例甚至要低于固溶態(tài) 的樣品；(2)小變形量的效果要優(yōu)于大變形量的效果，這一點和應(yīng)變退火處理的結(jié)果是相一致的。不同變形量的I道次、3道次、和4道次處理后，大角晶界的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5~13所示。可以發(fā)現(xiàn)，大角晶界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性和Σ晶界的比例基本是保持一致的，即Σ晶界 的比例越高，大角晶界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性也就越高，反之亦然。
[0018]綜合考慮Σ晶界的比例，大角晶界的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及形變-熱處理工藝的工程可行性，對C-HRA-1合金采用應(yīng)變退火處理，當(dāng)變形量為5%，退火工藝為1100°C /20分鐘時，Σ晶界的比例可以達(dá)到80%左右，而且大角晶界的網(wǎng)絡(luò)也基本不連續(xù)，有利于阻礙裂紋擴(kuò)展。
[0019]表2固溶態(tài)C-HRA-1合金中Σ晶界的比例
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種鎳基耐熱合金鍋爐管加工工藝，其工藝流程包括如下步驟: (1)采用VM+VAR或ESR的工藝冶煉鋼錠； (2)鋼錠均勻化處理工藝為1200°C保溫72小時，采用快鍛機(jī)熱鍛開坯； (3)熱穿孔預(yù)制熱擠壓管坯，熱擠壓前管坯清理和機(jī)加工，采用熱擠壓機(jī)制管，直接擠壓到接近成品管尺寸，對熱擠壓后的管進(jìn)行固溶處理，固溶工藝為1150°C /30min水冷； (4)接著進(jìn)行一道次冷軋，變形量為3~6%，退火溫度為1080~1120°C，退火時間為10~20分鐘，水冷； (5)對退火處理后的成品`管進(jìn)行800°C/16h空冷時效處理。
【文檔編號】C22F1/10GK103484803SQ201310476326
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】劉正東, 崇嚴(yán), 徐松乾, 包漢生, 王立民, 楊鋼, 翁宇慶, 干勇 申請人:鋼鐵研究總院