[发明专利]一种镍基耐热合金锅炉管加工工艺

说明书

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，特别是提供了一种镍基耐热合金锅炉管加工工艺。通过对700℃蒸汽参数超超临界火电机组用镍基耐热合金（C-HRA-1）的制管流程和工艺参数的改进，调控材料的显微组织，尤其是晶界组织，使得锅炉管的持久寿命提高，适用于先进超超临界火电机组锅炉管及相关管道的制造。 

背景技术

随着能源需求不断攀升和环保问题日益严重，提高发电效率已成为重要议题。我国的自然资源和国情决定了在未来很长一段时间内，以燃煤发电机组为绝对主力的火力发电将仍然是中国电源结构的绝对主体。燃煤机组发电效率主要由蒸汽参数决定，蒸汽温度和蒸汽压力越高，热效率就越高，煤耗越低，温室气体和有害气体的排放越少，就越节约能源和资源。我国于2010年启动了700℃蒸汽参数超超临界火电机组技术研发国家计划。700℃蒸汽参数超超临界电站关键挑战之一在于须开发出一种能够在700-750℃长期稳定服役的耐热材料。 

钢铁研究总院刘正东教授团队开发的镍基耐热合金C-HRA-1是用于700℃蒸汽参数超超临界火电机组锅炉管道的主要候选材料之一，其化学成分如表1所示。如何在现有化学成分的基础上，通过对材料加工工艺的研究，一方面提供C-HRA-1作为小口径锅炉管的工业生产方案，另一方面进一步优化材料的微观组织，尤其优化相对薄弱的晶界组织，具有很重要的理论和实际意义。晶界工程（Grain boundary engineering，GBE）的概念是T.Watanabe于1984年首先提出，该理论主要是针对中低层错能的面心立方金属或合金通过形变-热处理（冷变形加退火）的方法来提高材料中重合位置点阵（Coincidence site lattice）晶界的比例，从而改善材料和晶界相关的某些性能，如抗晶间应力腐蚀性能、疲劳性能、蠕变性能等。重合位置点阵晶界又称Σ晶界，Σ值为晶界两侧晶体点阵重合比例的倒数，如Σ3晶界两侧晶体点阵重合率为1/3。Σ值越小，晶界两侧晶体点阵的重合率就越高，晶界的能量就越低，晶界就越稳定，则该晶界在蠕变过程中就越难发生滑移，对提高材料的蠕变性能起到一定的积极作用。晶界工程理论在提高Inconel690合金抗晶间应力腐蚀性能方面已得到验证，且已工业应用，但晶界工程理论在提高材料蠕变性能方面则鲜有报道，更无相应的工业应用。 

表1C-HRA-1合金最佳化学成分范围（wt%） 

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍基耐热合金锅炉管加工工艺，针对C-HRA-1合金，在合金含量不变的前提下，通过加工工艺的优化，调控合金的显微组织，进一步提高合金的持久寿命，从而提高部件服役的稳定性。在本发明中主要的理论依据来源于“晶界工程学”理论。 

本发明采用了热挤压一次到位，接近成品管尺寸，后期通过一道次冷轧加退火处理，提高了合金中重合位置点阵晶界的比例，打破了大角晶界网络的连续性，从而提高了合金在750℃的持久寿命。工艺步骤及工艺中控制的技术参数： 

（1）采用VIM+VAR（或ESR）的工艺冶炼钢锭； 

（2）钢锭均匀化处理工艺为1200℃保温72小时，采用快锻机热锻开坯； 

（3）热穿孔预制热挤压管坯，热挤压前管坯清理和机加工，采用热挤压机制管，直接挤压到接近成品管尺寸，对热挤压后的管进行固溶处理，固溶工艺为1150℃/30min水冷； 

（4）接着进行一道次“晶界工程学”冷变形，变形量为3～6%，退火温度为1100±20℃，退火时间为10～20分钟，水冷； 

（5）对退火处理后的成品管进行800℃/16h空冷时效处理。 

晶界工程对合金显微组织的影响主要体现在两个方面，其一是Σ晶界比例的提高；其二是合金中大角晶界网络连续性的破坏。锅炉管在超超临界服役条件下（700-750℃，30-37.5MPa），蠕变裂纹应沿大角晶界网络扩展，或者说蠕变裂纹沿着大角晶界扩展的概率远远大于沿着Σ晶界扩展的概率，从某种意义上来说Σ晶界在蠕变过程中是相对“安全”的。采用适当的形变-热处理方法，可提高Σ晶界比例，且设法使更多的Σ晶界“加入”到大角晶界的网络结构中，以有效阻碍材料服役过程中蠕变裂纹扩展，从而提高材料的蠕变寿命。