一種鎳基合金和鐵鎳基合金的變形加工工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鎳基合金和鐵鎳基合金的變形加工工藝，解決了鎳基合金和鐵鎳基合金在固溶狀態(tài)下變形加工降低材料隨后的時(shí)效或服役時(shí)晶界碳化物析出數(shù)量，從而降低持久強(qiáng)度，而在時(shí)效狀態(tài)下變形加工時(shí)塑性低、強(qiáng)度高，變形困難容易開裂的技術(shù)問題。其技術(shù)特征在于對(duì)固溶處理的鎳基合金和鐵鎳基合金進(jìn)行一次較高溫度的熱處理，先行在晶界附近析出碳化物同時(shí)減少或避免晶內(nèi)γ′或γ′′相的析出，然后進(jìn)行變形加工，達(dá)到部件所需的外形和尺寸，最后進(jìn)行時(shí)效處理既保證材料變形加工階段的工藝性能，又保證產(chǎn)品最終的持久強(qiáng)度。
【專利說明】一種鎳基合金和鐵鎳基合金的變形加工工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種合金變形加工工藝，特別是涉及一種鎳基合金和鐵鎳基合金的變形加工工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國(guó)際上對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，火力發(fā)電行業(yè)面臨越來越大的CO2溫室氣體以及SOx.NOx等污染物減排的壓力，同時(shí)火力發(fā)電行業(yè)所面臨的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也在日益加劇，這都要求電廠進(jìn)一步降低發(fā)電成本。解決這些問題的有效方法就是提高火力發(fā)電機(jī)組的熱效率，而提高機(jī)組的蒸汽參數(shù)是改善熱效率的最有效途徑之一。歷史上的火力發(fā)電廠依次從低壓、中壓、高壓、超高壓、亞臨界、超臨界發(fā)展到目前的超超臨界參數(shù)，目前600°C等級(jí)超超臨界發(fā)電技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)基本上成熟。
[0003]為了追求更高的發(fā)電效率，人們提出了將蒸汽溫度進(jìn)一步提高到700°C及以上的先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)計(jì)劃。由于蒸汽溫度大幅度提高，對(duì)機(jī)組一些高溫段的部件，如鍋爐高溫過熱器、高溫再熱器、集箱和管道等，傳統(tǒng)的鐵基耐熱鋼強(qiáng)度和抗腐蝕性能等已經(jīng)滿足不了要求，需要采用持久強(qiáng)度更高、抗腐蝕性能更好的鎳基或鐵鎳基高溫合金。`
[0004]鎳基和鐵鎳基合金固溶按強(qiáng)化方式分為固溶強(qiáng)化型合金和沉淀強(qiáng)化型合金兩大類。固溶強(qiáng)化型合金是以固溶強(qiáng)化為主要強(qiáng)化機(jī)理的合金，通過加入與基體金屬原子尺寸不同的元素(鉻、鎢、鑰等)引起基體金屬點(diǎn)陣的畸變，加入能降低合金基體堆垛層錯(cuò)能的元素(如鈷)和加入能減緩基體元素?cái)U(kuò)散速率的元素(鎢、鑰等)，以強(qiáng)化基體。
[0005]沉淀強(qiáng)化或稱時(shí)效強(qiáng)化合金是以沉淀硬化為主要強(qiáng)化機(jī)理的合金，即通過固溶和時(shí)效處理，從過飽和固溶體中析出第二相(Y '、Y 〃、碳化物等)，以強(qiáng)化合金。
[0006]用于先進(jìn)超超臨界發(fā)電機(jī)組的鎳基或鐵鎳基合金，由于對(duì)部件高溫長(zhǎng)期服役的要求，主要的候選材料以沉淀強(qiáng)化合金為主，如263合金、625合金、Inconel740H和Inconel740合金、Haynes282合金等。即使采用的部分歸類為固溶強(qiáng)化型的合金，如617合金、617B(617mod.)合金，在熱處理或者在服役過程中也會(huì)析出碳化物和Y'等析出相。在這些合金中Y'、Y 〃主要分布在晶粒內(nèi)部，由于其顆粒小，數(shù)量多，對(duì)基體起到重要的強(qiáng)化作用。M23C6等碳化物主要分布在晶界，對(duì)晶界起到強(qiáng)化作用。
[0007]鍋爐高溫過熱器、高溫再熱器在制造過程中需要將鍋爐管通過彎管等工藝加工成所需的形狀。彎管分為冷彎和熱彎兩種工藝。熱彎是在材料的再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行加工，彎后需要重新進(jìn)行固溶處理。冷彎是在材料的再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行加工，通常是在室溫下進(jìn)行加工，按照變形量的大小確定是否需要重新進(jìn)行固溶處理，實(shí)際生產(chǎn)中盡量避免重新固溶處理。
[0008]固溶強(qiáng)化型鎳基和鐵鎳基合金的性能熱處理為固溶處理，其冷彎在固溶處理后進(jìn)行。沉淀強(qiáng)化型鎳基和鐵鎳基合金的性能熱處理為固溶處理+—次或多次時(shí)效處理，其冷彎通常安排在固溶處理后進(jìn)行，也有安排在固溶+時(shí)效處理后進(jìn)行。[0009]經(jīng)過時(shí)效處理后，合金中的Y '、Y"、碳化物大量析出，由于分布在晶內(nèi)的Y '、
Y〃尺寸小、數(shù)量多，且通常與基體之間共格，使得材料的室溫和高溫屈服強(qiáng)度、硬度大幅度上升，而塑性和韌性卻大幅度降低。如IncOnel740合金，固溶處理后的室溫屈服強(qiáng)度300MPa左右，延伸率55%左右，斷面收縮率達(dá)到67%，室溫沖擊韌性達(dá)到250J/cm2，經(jīng)過8000C X 16小時(shí)的時(shí)效處理后，室溫屈服強(qiáng)度提高到700MPa以上，延伸率降低到50%，斷面收縮率降低到49%，室溫沖擊韌性降低到88J/cm2。263合金固溶處理后室溫屈服強(qiáng)度380MPa，延伸率64%，室溫沖擊韌性310J/cm2，經(jīng)過800°C X 8小時(shí)的時(shí)效后，室溫屈服強(qiáng)度提高到618MPa，延伸率降低到35%，室溫沖擊韌性降低到78J/cm2。由于時(shí)效處理后，鍋爐管的強(qiáng)度大幅度上升，使得彎管過程中的變形抗力增加，由于塑性和韌性減低，彎管過程中容易產(chǎn)生裂紋。[0010]在固溶處理后直接進(jìn)行彎管，然后進(jìn)行時(shí)效處理或者在運(yùn)行中利用服役溫度進(jìn)行時(shí)效，由于固溶態(tài)合金屈服強(qiáng)度低，塑性和韌性高，變形能力強(qiáng)，避免了時(shí)效后進(jìn)行彎管的上述問題。然而試驗(yàn)表明，在固溶處理后進(jìn)行彎管等變形，在最后的時(shí)效處理或者服役過程的自時(shí)效中，晶界附近的析出相特別是碳化物的析出大幅度減少，在隨后的高溫長(zhǎng)期服役過程中，晶界位置沒有足夠的強(qiáng)化相，首先發(fā)生開裂導(dǎo)致部件失效，降低壽命。如果在變形加工后重新進(jìn)行固溶或固溶+時(shí)效處理，可以避免晶界附近的析出相的減少，但是由于固溶處理的溫度很高，重復(fù)的固溶處理導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)熱變形和氧化嚴(yán)重，冷卻后需要重新進(jìn)行冷校正和去除氧化層，成本增加。
[0011]因此按照現(xiàn)有的工藝，無論是固溶后或是固溶+時(shí)效后進(jìn)行彎管等加工均存在技術(shù)問題，嚴(yán)重影響鎳基合金和鐵鎳基合金在鍋爐制造中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決鎳基合金和鐵鎳基合金鍋爐管在固溶狀態(tài)下冷彎降低材料晶界碳化物析出數(shù)量，從而降低持久強(qiáng)度，而在時(shí)效狀態(tài)下冷彎時(shí)塑性低、強(qiáng)度高，變形困難容易開裂的問題，從而提高鎳基合金和鐵鎳基合金的持久強(qiáng)度的鎳基合金和鐵鎳基合金的變形加工工藝。
[0013]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:將固溶處理的鎳基合金和鐵鎳基合金在高于鎳基合金和鐵鎳基合金的Y、Y''相的溶解溫度和晶界碳化物的析出溫度，而低于碳化物的溶解溫度下進(jìn)行熱處理、冷卻后進(jìn)行變形加工，達(dá)到部件所需的外形和尺寸，最后進(jìn)行時(shí)效處理或者在高溫運(yùn)行中自時(shí)效處理。
[0014]所述的鎳基合金和鐵鎳基合金為以主要強(qiáng)化相的合金。
[0015]所述的鎳基合金和鐵鎳基合金的晶界碳化物為M23C6型碳化物。
[0016]所述的熱處理的溫度為850°C -1050°C。
[0017]所述的冷卻采取快速冷卻方式冷卻至Y丨相的析出終了溫度以下。
[0018]所述的快速冷卻方式為水冷。
[0019]所述的變形加工的溫度低于Y'或(和)Y''相的析出溫度。
[0020]所述的變形加工的溫度為室溫，變形加工為冷彎。
[0021]所述的部件為鍋爐管。
[0022]本發(fā)明對(duì)固溶處理的鎳基合金和鐵鎳基合金進(jìn)行一次較高溫度的熱處理，先行析出碳化物同時(shí)減少或避免Y1或(和)Y"相的析出，然后進(jìn)行變形加工，達(dá)到部件所需的外形和尺寸，最后進(jìn)行時(shí)效處理(對(duì)沉淀強(qiáng)化合金)或者利用高溫服役時(shí)自時(shí)效(對(duì)617、617B等固溶強(qiáng)化合金)。
[0023]當(dāng)用于本發(fā)明時(shí)，術(shù)語(yǔ)“較高溫度的熱處理”定義的是比最終的時(shí)效熱處理(對(duì)沉淀強(qiáng)化合金)或服役溫度(對(duì)固溶強(qiáng)化合金)溫度更高的一次中間熱處理，其溫度在、
Y"相的溶解溫度與晶界碳化物的溶解溫度之間。由于不同合金化學(xué)成分的不同，或者同一合金成分的波動(dòng)，其溫度范圍是不同的。
[0024]當(dāng)用于本發(fā)明時(shí)， 術(shù)語(yǔ)“變形加工”定義的是合金再結(jié)晶溫度以下的變形加工。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過固溶處理后增加一次中間的較高溫度的熱處理，其溫度高于Y '、Y 〃相的溶解溫度和晶界碳化物的析出溫度，而低于碳化物的溶解溫度，在晶界上析出碳化物，同時(shí)避免Y ^、Y"等晶內(nèi)析出相的大量析出，保持固溶態(tài)合金屈服強(qiáng)度低、塑性和韌性高的優(yōu)點(diǎn)，有利于彎管加工的實(shí)施，在隨后的時(shí)效處理中晶內(nèi)析出、
Y"等強(qiáng)化相，晶界附近的碳化物等強(qiáng)化相得到保留，從而保證了部件的性能。本發(fā)明解決了鎳基合金和鐵鎳基合金鍋爐管在固溶狀態(tài)下冷彎降低材料碳化物析出，從而降低持久強(qiáng)度，在時(shí)效狀態(tài)下冷彎時(shí)塑性低、強(qiáng)度高，變形困難容易開裂的技術(shù)問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明變形加工工藝示意圖；
[0027]圖2是本發(fā)明對(duì)比試樣3的微觀組織；
[0028]圖3是本發(fā)明對(duì)比試樣4的微觀組織；
[0029]圖4是實(shí)施例試樣I的微觀組織；
[0030]圖5是實(shí)施例試樣2的微觀組織；
[0031]圖6是實(shí)施例試樣3的微觀組織；
[0032]圖7是對(duì)比試樣5持久斷裂后的微觀組織；
[0033]圖8是對(duì)比試樣6持久斷裂后的微觀組織；
[0034]圖9是實(shí)施例試樣4持久斷裂后的微觀組織。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0036]參見圖1，本發(fā)明公開的某些非限制性實(shí)施方案涉及鎳基合金和鐵鎳基合金變形加工工藝，步驟包括:將固溶處理的鎳基合金和鐵鎳基合金在高于鎳基合金和鐵鎳基合金的Y'、Y 〃相的溶解溫度和晶界碳化物的析出溫度，而低于碳化物的溶解溫度下進(jìn)行熱處理、冷卻后進(jìn)行變形加工，達(dá)到部件所需的外形和尺寸，最后進(jìn)行時(shí)效處理或者在高溫運(yùn)行中自時(shí)效處理。
[0037]具體地，利用該工藝對(duì)鎳基合金和鐵鎳基合金鍋爐管進(jìn)行彎管加工。
[0038]下面采用非限制性實(shí)施例說明本發(fā)明公開的各種非限制性的實(shí)施方案。
[0039]所有對(duì)比試樣和實(shí)施例試樣的材料均為IncOnel740H，為一種超超臨界發(fā)電機(jī)組用高溫合金，其標(biāo)準(zhǔn)熱處理為固溶(I 150°C Xl小時(shí)水冷)+時(shí)效(800°C X16小時(shí)空冷)。
[0040]實(shí)施例1[0041]對(duì)比試樣1:1150°C Xl小時(shí)固溶水冷，硬度為HB168，Rp0.2為314MPa。
[0042]對(duì)比試樣2:11500C Xl小時(shí)固溶水冷+ 800°C X 16小時(shí)時(shí)效空冷，硬度提高到HB304, Rp0.2為728MPa，強(qiáng)度和硬度太高，不適合做變形加工。
[0043]作為與上述兩種現(xiàn)有工藝中變形加工前的熱處理狀態(tài)的對(duì)比，對(duì)材料分別進(jìn)行了不同溫度的熱處理試驗(yàn)。
[0044]對(duì)比試樣3:1150°C X I小時(shí)固溶水冷+ 700V X 4小時(shí)熱處理空冷。熱處理后對(duì)比試樣3的硬度為HB268，微觀組織照片見圖2，由于溫度太低，晶界沒有析出碳化物。
[0045]對(duì)比試樣4:1150°C X I小時(shí)固溶水冷+ 850°C X 2小時(shí)熱處理空冷。熱處理后對(duì)比試樣4的硬度為HB267，微觀組織照片見圖3，晶界上有碳化物析出，但由于溫度低于、'的溶解溫度，晶內(nèi)Y '的析出導(dǎo)致硬度略高。
[0046]實(shí)施例試樣1:1150°C X I小時(shí)固溶水冷+ 900°C X 2小時(shí)熱處理空冷；熱處理后實(shí)施例試樣I的硬度為HB239，微觀組織見圖4，晶界上有碳化物析出，硬度也適中，Rpa2為544MPa，適合于變形加工。
[0047]實(shí)施例試樣2:1150°C X I小時(shí)固溶水冷+ 1010°C X2小時(shí)熱處理空冷。熱處理后實(shí)施例試樣2的硬度為HB181.5，微觀組織見圖5，晶界上有碳化物析出，硬度也適中，Rpa2為455MPa，適合于變形加工。
[0048]實(shí)施例試樣3:1150°C X I小時(shí)固溶水冷+ 900°C X 2小時(shí)熱處理水冷。熱處理后實(shí)施例試樣3的硬度為HB2 29。實(shí)施例試樣3在處理后采用水冷，相對(duì)于實(shí)施例1，進(jìn)一步抑制了冷卻過程中的析出，硬度更低，微觀組織見圖6。
[0049]實(shí)施例2:
[0050]對(duì)Inconel740H進(jìn)行了三種條件下的持久強(qiáng)度試驗(yàn)。
[0051]對(duì)比試樣5:為標(biāo)準(zhǔn)熱處理材料(1150°C父1小時(shí)固溶水冷+ 8001: X 16小時(shí)時(shí)效空冷)，加工成持久強(qiáng)度試樣在750°C、292MPa下進(jìn)行高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)，斷裂時(shí)間為503小時(shí)。圖7為持久斷裂試樣遠(yuǎn)離斷口區(qū)域的微觀組織照片，晶界有明顯的碳化物存在。
[0052]對(duì)比試樣6:采用現(xiàn)有變形加工技術(shù)的常規(guī)工藝，即對(duì)1150°C X I小時(shí)固溶水冷的材料進(jìn)行11%的冷變形，然后進(jìn)行800°c X 16h的時(shí)效處理，加工成持久強(qiáng)度試樣在750°C、292MPa下進(jìn)行高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)，斷裂時(shí)間為380小時(shí)。圖8為持久斷裂試樣遠(yuǎn)離斷口區(qū)域的微觀組織照片，晶界碳化物明顯低于對(duì)比試樣I。
[0053]實(shí)施例試樣4:按照本發(fā)明公開的工藝進(jìn)行加工，即對(duì)1150°C X I小時(shí)固溶水冷的材料先進(jìn)行900°C X2小時(shí)的中間熱處理，Rp0.2為544MPa，接著進(jìn)行11%的冷變形，然后進(jìn)行800°C X 16h的時(shí)效處理，加工成持久強(qiáng)度試樣在750°C、292MPa下進(jìn)行高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)，斷裂時(shí)間為435小時(shí)。圖9為持久斷裂試樣遠(yuǎn)離斷口區(qū)域的微觀組織照片，晶界碳化物明顯比對(duì)比試樣2多，與對(duì)比試樣I接近。
[0054]實(shí)施例3:
[0055]按照本發(fā)明公開的工藝進(jìn)行加工實(shí)施例試樣5，即對(duì)1150°C X I小時(shí)固溶水冷的材料先進(jìn)行1010°c X2小時(shí)的中間熱處理，Rpa2為455MPa，接著進(jìn)行13%的冷變形，然后進(jìn)行790°C X8h的時(shí)效處理，加工成持久強(qiáng)度試樣在750°C、292MPa下進(jìn)行高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)，斷裂時(shí)間為582.6小時(shí)。即使變形量大于對(duì)比試樣6，其壽命仍然比對(duì)比試樣6長(zhǎng)，甚至高于沒有變形加工的對(duì)比試樣5。
【權(quán)利要求】
1.一種鎳基合金和鐵鎳基合金的變形加工工藝，其特征在于:將固溶處理的鎳基合金和鐵鎳基合金在高于鎳基合金和鐵鎳基合金的'相的溶解溫度和晶界碳化物的析出溫度，而低于碳化物的溶解溫度下進(jìn)行熱處理、冷卻后進(jìn)行變形加工，達(dá)到部件所需的外形和尺寸，最后進(jìn)行時(shí)效處理或者在高溫運(yùn)行中自時(shí)效處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基合金和鐵鎳基合金變形加工工藝，其特征在于:所述的鎳基合金和鐵鎳基合金為以Y'主要強(qiáng)化相的合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基合金和鐵鎳基合金變形加工工藝，其特征在于:所述的鎳基合金和鐵鎳基合金的晶界碳化物為M23C6型碳化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基合金和鐵鎳基合金變形加工工藝，其特征在于:所述的熱處理的溫度為850°C -1050°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基合金和鐵鎳基合金變形加工工藝，其特征在于:所述的冷卻采取快速冷卻方式冷卻至Y ^相的析出終了溫度以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鎳基合金和鐵鎳基合金變形加工工藝，其特征在于:所述的快速冷卻方式為水冷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基合金和鐵鎳基合金變形加工工藝，其特征在于:所述的變形加工的溫度低于Y '或(和)Y ' 1相的析出溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的鎳基合金和鐵鎳基合金變形加工工藝，其特征在于:所述的變形加工的溫度為室溫，變形加工為冷彎。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳基合金和鐵鎳基合金變形加工工藝，其特征在于:所述的部件為鍋爐管。
【文檔編號(hào)】C22F1/10GK103710656SQ201310744032
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月28日
【發(fā)明者】周榮燦, 唐麗英, 王博涵, 郭巖, 侯淑芳 申請(qǐng)人:西安熱工研究院有限公司