[發明專利]一種鎳基合金和鐵鎳基合金的變形加工工藝

有效

• 申請號: 201310744032.8
• 申請日: 2013-12-28
• 公開（公告）號: CN103710656A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 周榮燦;唐麗英;王博涵;郭巖;侯淑芳
• 申請（專利權）人: 西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: C22F1/10
• 分類號: C22F1/10;C21D8/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術領域

本發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

隨著國際上對環境保護的重視，火力發電行業面臨越來越大的CO₂溫室氣體以及SOx、NOx等污染物減排的壓力，同時火力發電行業所面臨的市場競爭也在日益加劇，這都要求電廠進一步降低發電成本。解決這些問題的有效方法就是提高火力發電機組的熱效率，而提高機組的蒸汽參數是改善熱效率的最有效途徑之一。歷史上的火力發電廠依次從低壓、中壓、高壓、超高壓、亞臨界、超臨界發展到目前的超超臨界參數，目前600℃等級超超臨界發電技術在國內外已經基本上成熟。

為了追求更高的發電效率，人們提出了將蒸汽溫度進一步提高到700℃及以上的先進超超臨界發電技術的研究開發計劃。由于蒸汽溫度大幅度提高，對機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，傳統的鐵基耐熱鋼強度和抗腐蝕性能等已經滿足不了要求，需要采用持久強度更高、抗腐蝕性能更好的鎳基或鐵鎳基高溫合金。

鎳基和鐵鎳基合金固溶按強化方式分為固溶強化型合金和沉淀強化型合金兩大類。固溶強化型合金是以固溶強化為主要強化機理的合金，通過加入與基體金屬原子尺寸不同的元素(鉻、鎢、鉬等)引起基體金屬點陣的畸變，加入能降低合金基體堆垛層錯能的元素（如鈷）和加入能減緩基體元素擴散速率的元素（鎢、鉬等），以強化基體。

沉淀強化或稱時效強化合金是以沉淀硬化為主要強化機理的合金，即通過固溶和時效處理，從過飽和固溶體中析出第二相（γ′、γ、碳化物等），以強化合金。

用于先進超超臨界發電機組的鎳基或鐵鎳基合金，由于對部件高溫長期服役的要求，主要的候選材料以沉淀強化合金為主，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析出碳化物和γ′等析出相。在這些合金中γ′、γ主要分布在晶粒內部，由于其顆粒小，數量多，對基體起到重要的強化作用。M₂₃C₆等碳化物主要分布在晶界，對晶界起到強化作用。

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晶溫度以上進行加工，彎后需要重新進行固溶處理。冷彎是在材料的再結晶溫度以下進行加工，通常是在室溫下進行加工，按照變形量的大小確定是否需要重新進行固溶處理，實際生產中盡量避免重新固溶處理。

固溶強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行。沉淀強化型鎳基和鐵鎳基合金的性能熱處理為固溶處理＋一次或多次時效處理，其冷彎通常安排在固溶處理后進行，也有安排在固溶＋時效處理后進行。

經過時效處理后，合金中的γ′、γ、碳化物大量析出，由于分布在晶內的γ′、γ尺寸小、數量多，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度300MPa左右，延伸率55%左右，斷面收縮率達到67%，室溫沖擊韌性達到250J/cm2，經過800℃×16小時的時效處理后，室溫屈服強度提高到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度380MPa，延伸率64%，室溫沖擊韌性310J/cm²，經過800℃×8小時的時效后，室溫屈服強度提高到618MPa，延伸率降低到35%，室溫沖擊韌性降低到78J/cm²。由于時效處理后，鍋爐管的強度大幅度上升，使得彎管過程中的變形抗力增加，由于塑性和韌性減低，彎管過程中容易產生裂紋。

在固溶處理后直接進行彎管，然后進行時效處理或者在運行中利用服役溫度進行時效，由于固溶態合金屈服強度低，塑性和韌性高，變形能力強，避免了時效后進行彎管的上述問題。然而試驗表明，在固溶處理后進行彎管等變形，在最后的時效處理或者服役過程的自時效中，晶界附近的析出相特別是碳化物的析出大幅度減少，在隨后的高溫長期服役過程中，晶界位置沒有足夠的強化相，首先發生開裂導致部件失效，降低壽命。如果在變形加工后重新進行固溶或固溶＋時效處理，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，重復的固溶處理導致晶粒長大，同時熱變形和氧化嚴重，冷卻后需要重新進行冷校正和去除氧化層，成本增加。