[發明專利]一種鎳基耐熱合金鍋爐管加工工藝

無效

• 申請號: 201310476326.7
• 申請日: 2013-10-12
• 公開（公告）號: CN103484803A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 劉正東;崇嚴;徐松乾;包漢生;王立民;楊鋼;翁宇慶;干勇
• 申請（專利權）人: 鋼鐵研究總院
• 主分類號: C22F1/10
• 分類號: C22F1/10
• 代理公司: 北京華誼知識產權代理有限公司 11207
• 代理人: 劉月娥

技術領域

本發明屬于材料加工技術領域，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℃蒸汽參數超超臨界火電機組用鎳基耐熱合金（C-HRA-1）的制管流程和工藝參數的改進，調控材料的顯微組織，尤其是晶界組織，使得鍋爐管的持久壽命提高，適用于先進超超臨界火電機組鍋爐管及相關管道的制造。?

背景技術

隨著能源需求不斷攀升和環保問題日益嚴重，提高發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，以燃煤發電機組為絕對主力的火力發電將仍然是中國電源結構的絕對主體。燃煤機組發電效率主要由蒸汽參數決定，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，就越節約能源和資源。我國于2010年啟動了700℃蒸汽參數超超臨界火電機組技術研發國家計劃。700℃蒸汽參數超超臨界電站關鍵挑戰之一在于須開發出一種能夠在700-750℃長期穩定服役的耐熱材料。?

鋼鐵研究總院劉正東教授團隊開發的鎳基耐熱合金C-HRA-1是用于700℃蒸汽參數超超臨界火電機組鍋爐管道的主要候選材料之一，其化學成分如表1所示。如何在現有化學成分的基礎上，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生產方案，另一方面進一步優化材料的微觀組織，尤其優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?site?lattice）晶界的比例，從而改善材料和晶界相關的某些性能，如抗晶間應力腐蝕性能、疲勞性能、蠕變性能等。重合位置點陣晶界又稱Σ晶界，Σ值為晶界兩側晶體點陣重合比例的倒數，如Σ3晶界兩側晶體點陣重合率為1/3。Σ值越小，晶界兩側晶體點陣的重合率就越高，晶界的能量就越低，晶界就越穩定，則該晶界在蠕變過程中就越難發生滑移，對提高材料的蠕變性能起到一定的積極作用。晶界工程理論在提高Inconel690合金抗晶間應力腐蝕性能方面已得到驗證，且已工業應用，但晶界工程理論在提高材料蠕變性能方面則鮮有報道，更無相應的工業應用。?

表1C-HRA-1合金最佳化學成分范圍（wt%）?

發明內容

本發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，通過加工工藝的優化，調控合金的顯微組織，進一步提高合金的持久壽命，從而提高部件服役的穩定性。在本發明中主要的理論依據來源于“晶界工程學”理論。?

本發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，打破了大角晶界網絡的連續性，從而提高了合金在750℃的持久壽命。工藝步驟及工藝中控制的技術參數：?

（1）采用VIM+VAR（或ESR）的工藝冶煉鋼錠；?

（2）鋼錠均勻化處理工藝為1200℃保溫72小時，采用快鍛機熱鍛開坯；?

（3）熱穿孔預制熱擠壓管坯，熱擠壓前管坯清理和機加工，采用熱擠壓機制管，直接擠壓到接近成品管尺寸，對熱擠壓后的管進行固溶處理，固溶工藝為1150℃/30min水冷；?

（4）接著進行一道次“晶界工程學”冷變形，變形量為3～6%，退火溫度為1100±20℃，退火時間為10～20分鐘，水冷；?

（5）對退火處理后的成品管進行800℃/16h空冷時效處理。?

晶界工程對合金顯微組織的影響主要體現在兩個方面，其一是Σ晶界比例的提高；其二是合金中大角晶界網絡連續性的破壞。鍋爐管在超超臨界服役條件下（700-750℃，30-37.5MPa），蠕變裂紋應沿大角晶界網絡擴展，或者說蠕變裂紋沿著大角晶界擴展的概率遠遠大于沿著Σ晶界擴展的概率，從某種意義上來說Σ晶界在蠕變過程中是相對“安全”的。采用適當的形變-熱處理方法，可提高Σ晶界比例，且設法使更多的Σ晶界“加入”到大角晶界的網絡結構中，以有效阻礙材料服役過程中蠕變裂紋擴展，從而提高材料的蠕變壽命。?