[发明专利]一种镍基合金和铁镍基合金的变形加工工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种合金变形加工工艺，特别是涉及一种镍基合金和铁镍基合金的变形加工工艺。

背景技术

随着国际上对环境保护的重视，火力发电行业面临越来越大的CO₂温室气体以及SOx、NOx等污染物减排的压力，同时火力发电行业所面临的市场竞争也在日益加剧，这都要求电厂进一步降低发电成本。解决这些问题的有效方法就是提高火力发电机组的热效率，而提高机组的蒸汽参数是改善热效率的最有效途径之一。历史上的火力发电厂依次从低压、中压、高压、超高压、亚临界、超临界发展到目前的超超临界参数，目前600℃等级超超临界发电技术在国内外已经基本上成熟。

为了追求更高的发电效率，人们提出了将蒸汽温度进一步提高到700℃及以上的先进超超临界发电技术的研究开发计划。由于蒸汽温度大幅度提高，对机组一些高温段的部件，如锅炉高温过热器、高温再热器、集箱和管道等，传统的铁基耐热钢强度和抗腐蚀性能等已经满足不了要求，需要采用持久强度更高、抗腐蚀性能更好的镍基或铁镍基高温合金。

镍基和铁镍基合金固溶按强化方式分为固溶强化型合金和沉淀强化型合金两大类。固溶强化型合金是以固溶强化为主要强化机理的合金，通过加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)引起基体金属点阵的畸变，加入能降低合金基体堆垛层错能的元素（如钴）和加入能减缓基体元素扩散速率的元素（钨、钼等），以强化基体。

沉淀强化或称时效强化合金是以沉淀硬化为主要强化机理的合金，即通过固溶和时效处理，从过饱和固溶体中析出第二相（γ′、γ、碳化物等），以强化合金。

用于先进超超临界发电机组的镍基或铁镍基合金，由于对部件高温长期服役的要求，主要的候选材料以沉淀强化合金为主，如263合金、625合金、Inconel740H和Inconel740合金、Haynes282合金等。即使采用的部分归类为固溶强化型的合金，如617合金、617B（617mod.）合金，在热处理或者在服役过程中也会析出碳化物和γ′等析出相。在这些合金中γ′、γ主要分布在晶粒内部，由于其颗粒小，数量多，对基体起到重要的强化作用。M₂₃C₆等碳化物主要分布在晶界，对晶界起到强化作用。

锅炉高温过热器、高温再热器在制造过程中需要将锅炉管通过弯管等工艺加工成所需的形状。弯管分为冷弯和热弯两种工艺。热弯是在材料的再结晶温度以上进行加工，弯后需要重新进行固溶处理。冷弯是在材料的再结晶温度以下进行加工，通常是在室温下进行加工，按照变形量的大小确定是否需要重新进行固溶处理，实际生产中尽量避免重新固溶处理。

固溶强化型镍基和铁镍基合金的性能热处理为固溶处理，其冷弯在固溶处理后进行。沉淀强化型镍基和铁镍基合金的性能热处理为固溶处理＋一次或多次时效处理，其冷弯通常安排在固溶处理后进行，也有安排在固溶＋时效处理后进行。

经过时效处理后，合金中的γ′、γ、碳化物大量析出，由于分布在晶内的γ′、γ尺寸小、数量多，且通常与基体之间共格，使得材料的室温和高温屈服强度、硬度大幅度上升，而塑性和韧性却大幅度降低。如Inconel740合金，固溶处理后的室温屈服强度300MPa左右，延伸率55%左右，断面收缩率达到67%，室温冲击韧性达到250J/cm2，经过800℃×16小时的时效处理后，室温屈服强度提高到700MPa以上，延伸率降低到50％，断面收缩率降低到49%，室温冲击韧性降低到88J/cm²。263合金固溶处理后室温屈服强度380MPa，延伸率64%，室温冲击韧性310J/cm²，经过800℃×8小时的时效后，室温屈服强度提高到618MPa，延伸率降低到35%，室温冲击韧性降低到78J/cm²。由于时效处理后，锅炉管的强度大幅度上升，使得弯管过程中的变形抗力增加，由于塑性和韧性减低，弯管过程中容易产生裂纹。

在固溶处理后直接进行弯管，然后进行时效处理或者在运行中利用服役温度进行时效，由于固溶态合金屈服强度低，塑性和韧性高，变形能力强，避免了时效后进行弯管的上述问题。然而试验表明，在固溶处理后进行弯管等变形，在最后的时效处理或者服役过程的自时效中，晶界附近的析出相特别是碳化物的析出大幅度减少，在随后的高温长期服役过程中，晶界位置没有足够的强化相，首先发生开裂导致部件失效，降低寿命。如果在变形加工后重新进行固溶或固溶＋时效处理，可以避免晶界附近的析出相的减少，但是由于固溶处理的温度很高，重复的固溶处理导致晶粒长大，同时热变形和氧化严重，冷却后需要重新进行冷校正和去除氧化层，成本增加。