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下變形加工降低材料隨后的時效或服役時晶界碳化物析出數量，從而降低持久強度，而在時效狀態下變形加工時塑性低、強度高，變形困難容易開裂的技術問題。其技術特征在于對固溶處理的鎳基合金和鐵鎳基合金進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減少或避免晶內γ′或γ′′相的析出，然后進行變形加工，達到部件所需的外形和尺寸，最后進行時效處理既保證材料變形加工階段的工藝性能，又保證產品最終的持久強度。
【專利說明】一種鎳基合金和鐵鎳基合金的變形加工工藝
【技術領域】
[0001]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】
[0002]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°C等級超超臨界發電技術在國內外已經基本上成熟。
[0003]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°C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。`
[0004]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、鑰等)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、鑰等)，以強化基體。
[0005]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(Y '、Y 〃、碳化物等)，以強化合金。
[0006]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Y'等析出相。在這些合金中Y'、Y 〃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。
[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。
[0008]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+—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。[0009]經過時效處理后，合金中的Y '、Y"、碳化物大量析出，由于分布在晶內的Y '、
Y〃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8000C X 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°C X 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。[0010]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。
[0011]因此按照現有的工藝，無論是固溶后或是固溶+時效后進行彎管等加工均存在技術問題，嚴重影響鎳基合金和鐵鎳基合金在鍋爐制造中的應用。
【發明內容】
[0012]本發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下冷彎降低材料晶界碳化物析出數量，從而降低持久強度，而在時效狀態下冷彎時塑性低、強度高，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度的鎳基合金和鐵鎳基合金的變形加工工藝。
[0013]為達到上述目的，本發明采用的技術方案是: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行熱處理、冷卻后進行變形加工，達到部件所需的外形和尺寸，最后進行時效處理或者在高溫運行中自時效處理。
[0014]所述的鎳基合金和鐵鎳基合金為以主要強化相的合金。
[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]本發明對固溶處理的鎳基合金和鐵鎳基合金進行一次較高溫度的熱處理，先行析出碳化物同時減少或避免Y1或(和)Y"相的析出，然后進行變形加工，達到部件所需的外形和尺寸，最后進行時效處理(對沉淀強化合金)或者利用高溫服役時自時效(對617、617B等固溶強化合金)。
[0023]當用于本發明時，術語“較高溫度的熱處理”定義的是比最終的時效熱處理(對沉淀強化合金)或服役溫度(對固溶強化合金)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。由于不同合金化學成分的不同，或者同一合金成分的波動，其溫度范圍是不同的。
[0024]當用于本發明時， 術語“變形加工”定義的是合金再結晶溫度以下的變形加工。
[0025]與現有技術相比，本發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，同時避免Y ^、Y"等晶內析出相的大量析出，保持固溶態合金屈服強度低、塑性和韌性高的優點，有利于彎管加工的實施，在隨后的時效處理中晶內析出、
Y"等強化相，晶界附近的碳化物等強化相得到保留，從而保證了部件的性能。本發明解決了鎳基合金和鐵鎳基合金鍋爐管在固溶狀態下冷彎降低材料碳化物析出，從而降低持久強度，在時效狀態下冷彎時塑性低、強度高，變形困難容易開裂的技術問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明變形加工工藝示意圖；
[0027]圖2是本發明對比試樣3的微觀組織；
[0028]圖3是本發明對比試樣4的微觀組織；
[0029]圖4是實施例試樣I的微觀組織；
[0030]圖5是實施例試樣2的微觀組織；
[0031]圖6是實施例試樣3的微觀組織；
[0032]圖7是對比試樣5持久斷裂后的微觀組織；
[0033]圖8是對比試樣6持久斷裂后的微觀組織；
[0034]圖9是實施例試樣4持久斷裂后的微觀組織。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0036]參見圖1，本發明公開的某些非限制性實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行熱處理、冷卻后進行變形加工，達到部件所需的外形和尺寸，最后進行時效處理或者在高溫運行中自時效處理。
[0037]具體地，利用該工藝對鎳基合金和鐵鎳基合金鍋爐管進行彎管加工。
[0038]下面采用非限制性實施例說明本發明公開的各種非限制性的實施方案。
[0039]所有對比試樣和實施例試樣的材料均為IncOnel740H，為一種超超臨界發電機組用高溫合金，其標準熱處理為固溶(I 150°C Xl小時水冷)+時效(800°C X16小時空冷)。
[0040]實施例1[0041]對比試樣1:1150°C Xl小時固溶水冷，硬度為HB168，Rp0.2為314MPa。
[0042]對比試樣2:11500C Xl小時固溶水冷+ 800°C X 16小時時效空冷，硬度提高到HB304, Rp0.2為728MPa，強度和硬度太高，不適合做變形加工。
[0043]作為與上述兩種現有工藝中變形加工前的熱處理狀態的對比，對材料分別進行了不同溫度的熱處理試驗。
[0044]對比試樣3:1150°C X I小時固溶水冷+ 700V X 4小時熱處理空冷。熱處理后對比試樣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]對比試樣4:1150°C X I小時固溶水冷+ 850°C X 2小時熱處理空冷。熱處理后對比試樣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Y '的析出導致硬度略高。
[0046]實施例試樣1:1150°C X I小時固溶水冷+ 900°C X 2小時熱處理空冷；熱處理后實施例試樣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]實施例試樣2:1150°C X I小時固溶水冷+ 1010°C X2小時熱處理空冷。熱處理后實施例試樣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]實施例試樣3:1150°C X I小時固溶水冷+ 900°C X 2小時熱處理水冷。熱處理后實施例試樣3的硬度為HB2 29。實施例試樣3在處理后采用水冷，相對于實施例1，進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]實施例2:
[0050]對Inconel740H進行了三種條件下的持久強度試驗。
[0051]對比試樣5:為標準熱處理材料(1150°C父1小時固溶水冷+ 8001: X 16小時時效空冷)，加工成持久強度試樣在750°C、292MPa下進行高溫持久強度試驗，斷裂時間為503小時。圖7為持久斷裂試樣遠離斷口區域的微觀組織照片，晶界有明顯的碳化物存在。
[0052]對比試樣6:采用現有變形加工技術的常規工藝，即對1150°C X I小時固溶水冷的材料進行11%的冷變形，然后進行800°c X 16h的時效處理，加工成持久強度試樣在750°C、292MPa下進行高溫持久強度試驗，斷裂時間為380小時。圖8為持久斷裂試樣遠離斷口區域的微觀組織照片，晶界碳化物明顯低于對比試樣I。
[0053]實施例試樣4:按照本發明公開的工藝進行加工，即對1150°C X I小時固溶水冷的材料先進行900°C X2小時的中間熱處理，Rp0.2為544MPa，接著進行11%的冷變形，然后進行800°C X 16h的時效處理，加工成持久強度試樣在750°C、292MPa下進行高溫持久強度試驗，斷裂時間為435小時。圖9為持久斷裂試樣遠離斷口區域的微觀組織照片，晶界碳化物明顯比對比試樣2多，與對比試樣I接近。
[0054]實施例3:
[0055]按照本發明公開的工藝進行加工實施例試樣5，即對1150°C X I小時固溶水冷的材料先進行1010°c X2小時的中間熱處理，Rpa2為455MPa，接著進行13%的冷變形，然后進行790°C X8h的時效處理，加工成持久強度試樣在750°C、292MPa下進行高溫持久強度試驗，斷裂時間為582.6小時。即使變形量大于對比試樣6，其壽命仍然比對比試樣6長，甚至高于沒有變形加工的對比試樣5。
【權利要求】
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行熱處理、冷卻后進行變形加工，達到部件所需的外形和尺寸，最后進行時效處理或者在高溫運行中自時效處理。
2.根據權利要求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'主要強化相的合金。
3.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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】C22F1/10GK103710656SQ201310744032
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月28日 優先權日:2013年12月28日
【發明者】周榮燦, 唐麗英, 王博涵, 郭巖, 侯淑芳 申請人:西安熱工研究院有限公司