（材料学专业论文）热处理工艺对inconel690合金组织和性能的影响研究.pdf

钢铁研究总院硕卜学佗论文 摘要 i n c o n e l 6 9 0 合金是一种铬含量3 0 的奥氏体镍基耐蚀合金，以其优异的耐蚀性能逐 渐成为理想的核电蒸汽发生器管材用料，现已在国内外得到广泛应用。 本文以i n c o n e l 6 9 0 合金为研究对象，通过显微组织观察、力学性能实验、耐蚀实 验，系统研究了热处理工艺对i n c o n e l 6 9 0 合金组织性能的影响，在热处理参数、合金显 微组织、力学性能及耐蚀性能之间建立起了有机联系。对i n c o n e l 6 9 0 合金平衡相进行了 热力学计算，对合会贫铬区演变进行了动力学模拟计算，所得结果对该合金的成分最优 设计、热处理工艺合理选择具有理论指导意义。 主要结论如下： 1 固溶处理对i n c o n e l 6 9 0 合会组织和力学性能影响显著。在9 5 0 l1 5 0 0 c 之问，随着 固溶温度的升高，合金室温及3 5 0 抗拉强度、屈服强度逐渐下降，延伸率提高； 合会平均晶粒尺寸变化符合a r r h e n i u s 公式，晶粒长大表观激活能q = 3 0 9 k j m o l 。当 固溶温度为1 0 5 0 11 0 0 时，固溶时间与合金平均品粒尺寸之间符合b e c k 公式； 1 0 5 0 固溶保温不同时间，合金平均晶粒尺寸与室温力学拉伸性能之间符合h a l l p e r c h 公式。 2 通过合会平衡相的热力学计算和实验研究，i n c o n e l 6 9 0 合金的主要析出相为富铬 m 2 3 c 6 和富钛m ( c n ) 。当固溶温度达到1 0 5 0 。c 以上时组织中m 2 3 c 6 碳化物溶解完 全，合金组织固溶充分。 3 按照合金典型成分，采用热力学软件对i n c o n e l 6 9 0 合金m 2 3 c 6 析出行为进行计算。 结果表明在6 0 0 0 8 0 0 。c 之间，提高敏化温度m 2 3 c 6 最大析出量下降。化学元素中 碳含量变化对m 2 3 c 6 析出量影响显著，铬、铁次之，钛、铝影响较小。 4 采用本文建立的动力学模型可以较好地模拟晶界贫铬区铬的回填趋势，预测晶界附 近的最低铬浓度。 5 根据全文研究结果，推荐i n c o n e l 6 9 0 合金的热处理工艺为( 1 0 5 0 - - 11 0 0 ) 。0 2 5 m i n + 7 0 0 。c ( 1 0 2 0 ) h 。 关键词：i n c o n e l 6 9 0 合金，热处理，组织，力学性能，耐蚀，模拟计算 铡铁f 究总院硕十。何论文 a b s t r a c t i n c o n e l 6 9 0i sa na u s t e n i t i cn i c k e l - b a s e da l l o yw h o s ec h r o m i u mc o n c e n t r a t i o ni s3 0w tp c t i ti sb e c o m i n gt h ei d e a lt u b i n gm a t e r i a lf o rs t e a mg e n e r a t o r ( s g ) o fp w r p o w e rp l a n tb e c a u s e o fi t sb e t t e rc o r r o s i o n - r e s i s t a n tt h a ni n c o n e l 6 0 0a n di su s e dw i d e l yi nd o m e s t i ca n da b r o a d t h ee f f e c t so fh e a t - t r e a t m e n to nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sw e r es t u d i e db y m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v m i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t sa n dc o r r o s i o n - r e s i s t a n te x p e r i m e n t si n o r d e rt of i n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a t - t r e a t m e n tp a r a m e t e r s ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s t h et h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o no ne q u i l i b r i u mp h a s e so fi n c o n e l 6 9 0a n dk i n e t i cc a l c u l a t i o no n c h a n g eo fc h r o m i u md e p l e t e dz o n ep r o v i d e dat h e o r yi n s t r u c t i o nf o rd e s i g n i n gt h er e a s o n a b l e c o m p o s i t i o na n dh e a t - t r e a t m e n tp r o c e s s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 s o l i d s o l u t i o nt r e a t m e n th a sas i g n i f i c a n te f f e c to nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f i n c o n e l 6 9 0 i nt h er a n g eo f9 5 0 。ct o115 0 ct h et e n s i l ea n dy i e l ds t r e n g t hd e c r e a s e s w h i l ee l o n g a t i o ni n c r e a s e sa tr o o mt e m p e r a t u r ea n d3 5 0 。ca ss o l u t i o nt e m p e r a t u r e i n c r e a s i n g , a n dt h ec h a n g eo fg r a i ns i z eo nt e m p e r a t u r eo b e y st h ea r r h e n i u se q u a t i o n w h i l et h ea c t i v a t i o ne n e r g yo fg r a i ng r o w t hi s3 0 9 k j m 0 1 t h ec h a n g eo fg r a i ns i z eo n s o l i d - s o l m i o nt i m ea t1 0 5 0 。c 一11 0 0 * co b e y st h eb e c ke q u a t i o n ，a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ng r a i ns i z ea n dr o o mt e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa t10 5 00 cf o rd i f f e r e n t t i m ea r ei na c c o r d a n c ew i t hh a l l p e t c he q u a t i o n 2 t h em a i np r e c i p i t a t e sa r ec r - r i c hm 2 3 c 6a n dt i - r i c h m ( c n ) b yt h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o no ne q u i l i b r i u mp h a s e sa n de x p e r i m e n t a la n a l y s i so fi n c o n e l 6 9 0 m 2 3 c 6c a r b i d e i ni n c o n e l 6 9 0d i s s o l v e sc o m p l e t e l ya ss o l u t i o nt e m p e r a t u r ei sa b o v e10 5 0 ( 2 3 t h ep r e c i p i t a t i o nb e h a v i o ro fm 2 3 c 6h a sb e e ns t u d i e db yt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h et y p i c a lc o m p o s i t i o no fl n c o n e l 6 9 0 t h er e s u l ts h o w st h a tt h em a x i m u m m 2 3 c 6p r e c i p i t a t i o nd e c r e a s e sa st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e si nt h er a n g eo f6 0 0 。ct o8 0 0 a n dt h ec a r b o nc o n t e n tc h a n g eh a sar a t h e rg r e a ti n f l u e n c et h a no t h e rc h e m i c a l e l e m e n t si nl n c o n e l 6 9 0o np r e c i p i t a t i o na l n o u n to f m 2 3 c 6 一i i 钢铁研究总院硕士学何论文 4 t h ed y n a m i cm o d e li nt h ep a p e rc a l lw e l ls i m u l a t et h et r e n df oc h r o m i u mb a c k f i l l i n go f c h r o m i u md e p l e t e dr e g i o na n dp r e d i c tt h em i n i m u mc h r o m i u mc o n c e n t r a t i o nn e a r b yt h e g r a i nb o u n d a r y 5 a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t st h e r e a s o n a b l eh e a t t r e a t m e n tp r o c e s so fi n c o n e l 6 9 0i s ( 1 0 5 0 11 0 0 ) 。c x 2 5 m i n + 7 0 0 。c x ( 1 0 - - 2 0 ) h k e yw o r d s ：i n c o n e l 6 9 0 ，h e a t - t r e a t m e n t , m i c r o s t r u c t u r e , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， c o r r o s i o n r e s i s t a n t , a n a l o g yc a l c u l a t i o n 钢铁研究总院硕十学何论文 图表索引 图1 1 压水堆核电站流程示意3 图1 2 蒸汽发生器结构及腐蚀类型4 图1 3 几种材料的加工硬化倾向比较图8 图1 41 3 7 3 k 时n i c r - f e 相图1 0 图2 1 不同固溶温度的i n c o n e l 6 9 0 合会会相组织2 1 图2 2 固溶温度对i n c o n e l 6 9 0 合会平均晶粒尺寸的影响2 2 图2 3i n c o n e l 6 9 0 合舍平均晶粒尺寸与固溶温度的关系2 3 图2 4 固溶时间对i n c o n e l 6 9 0 合金平均品粒尺寸的影响2 4 图2 5 不同固溶温度下i n c o n e l 6 9 0 合金的b e c k 关系2 5 图2 6 不同固溶温度下的i n c o n e l 6 9 0 合会s e m 显微组织2 6 图2 79 5 0 固溶温度下i n c o n e l 6 9 0 合金的碳化物形貌2 7 图2 8i n c o n e l 6 9 0 合金中平衡相的析出量与完全溶解温度关系2 8 图2 9 固溶温度对室温力学拉伸性能的影响2 9 图2 1 0 固溶温度对3 5 0 。c 力学拉伸性能的影响。2 9 图2 1 11 0 5 0 固溶温度下固溶时间对室温力学拉伸性能的影响2 9 图2 1 21 0 5 0 固溶温度下固溶时i 、日j 对3 5 0 力学拉伸性能的影响2 9 图2 1 311 0 0 固溶温度下固溶时间对室温力学拉伸性能的影响3 0 图2 1 41 1 0 0 固溶温度下固溶时间对3 5 0 力学拉伸性能的影响3 0 图2 1 51 0 5 0 不同固溶时间处理后的h a l l p e t c h 关系式3 l 图2 1 6 不同固溶温度下i n c o n e l 6 9 0 合金的点蚀电位3 2 图2 1 7i n c o n e l 6 9 0 合金点蚀坑s e m 形貌3 3 图2 1 8 不同固溶时间下的点蚀电位及腐蚀率3 4 图2 1 9i n c o n e l 6 9 0 合金试样e p r 实验后的s e m 形貌一3 6 图3 1 敏化时i 、日j 对i n c o n e l 6 9 0 合金平均品粒尺寸的影响4 0 图3 27 0 0 。c 敏化不同时问后的i n c o n e l 6 9 0 合金s e m 显微组织4 1 7 5 钢铁研究总院硕f ：学化论文 图3 37 0 0 不同敏化处理h c f 白j 下l n c o n e l 6 9 0 合会的t e m 形貌4 2 图3 4 晶界上析出的m 2 3 c 6 碳化物4 4 图3 5 晶界上的m 2 3 c 6 4 6 图3 6 晶界m 2 3 c 6 附近的元素分布4 6 图3 7 晶界附近铬浓度测量示意图4 7 图3 8 敏化处理过程巾晶界贫铬和晶界周围碳消耗示意图4 8 图3 9 合金7 0 0 敏化不同时问试样e p r 实验后的s e m 形貌5 2 图4 1i n c o n e i 6 9 0 合金中平衡相的析 ：量与完全溶解温度关系5 5 图4 2 温度对i n c o n e l 6 9 0 合会m 2 3 c 6 桐析出量的影响5 7 图4 3 碳含量与合金中甲衡相关系相图5 9 图4 4 碳含量对m 2 3 c 6 棚析出量和完全溶解温度的影响5 9 图4 5 敏化处理中的贫铬区演变示意图6 0 图4 6i n c o n e l 6 9 0 合金m 2 3 c 6 长大扩散模型6 1 图4 7 不同敏化处理温度时晶界碳化物大小随处理时| 、f i j 变化曲线6 2 图4 87 0 0 敏化处理时品界碳化物长大速度随处理时间变化曲线6 3 图4 9 不同温度敏化处理时晶界铬浓度分布随处理时| 、口j 的变化曲线6 5 图4 1 07 0 0 敏化处理下品界附近铬浓度的实验测量值和模型计算值的比较6 6 7 6 4 ) 9 铁研究总院硕+ 学位论文 表1 1 退火态i n c o n e l 6 9 0 合金的室温物理常数5 表1 2i n c o n e l 6 9 0 合金的室温机械性能5 表1 3 历年国外研究的成分控制情况6 表1 4i n c o n e l 6 9 0 合会经不同热处理后的碳化物形貌1 0 表2 1 实验材料化学成分1 8 表2 2 合金夹杂物分析1 9 表2 3i n c o n e l 6 9 0 合金各析出相的桐组成2 8 表2 4 不同固溶温度下i n c o n e l 6 9 0 合金的点腐蚀率3 2 表2 5 不同固溶温度下i n c o n e l 6 9 0 合金的点蚀电位3 3 表2 6 不同固溶温度下i n c o n e l 6 9 0 合会的晶间腐蚀率3 5 表2 7 不同固溶温度下i n c o n e l 6 9 0 合金的凡值3 6 表3 1 敏化处理的参数设计3 9 表3 2 合会析出相的结构分析4 5 表3 3m 2 3 c 6 析出相的定量分析4 5 表3 4 不同敏化时间下晶界附近铬浓度测量值4 7 表3 5 不同敏化时间对室温力学拉伸性能的影响4 9 表3 6 不同敏化时间对3 5 0 力学拉伸性能的影响4 9 表3 7 不同敏化时间下i n c o n e l 6 9 0 合会的点蚀电位5 0 表3 8 不同敏化时间下i n c o n e l 6 9 0 合金的晶问腐蚀率5 1 表3 9 不同敏化时间下i n c o n e l 6 9 0 合金的氏值5 l 表4 1i n c o n e l 6 9 0 合金各析出相的相组成5 6 表4 2 合金元素含量变化范围5 8 表4 3 不同元素含量对i n c o n e l 6 9 0 合金7 0 0 。c m 2 3 c 6 相析出量的影响5 9 7 7 钢铁研究总院硕十学位论文 引言 蒸汽发生器( s t e a mg e n e r a t o r ) 是压水堆核电站( p w rp o w e rp l a j l t l 中一、二回路热 量交换的关键设备。由于其恶劣的服役环境，一直以来蒸汽发生器管材用料的选择 都非常严格。 i n c o n e l 6 9 0 合金是一种3 0 铬含量的奥氏体型镍基耐蚀合金，以其优异的耐蚀 性能及较高的强度逐渐取代对晶间腐蚀( i g a ) 及晶f 白j 应力腐蚀开裂( i g s c c ) 敏感的 i n c o n e l 6 0 0 合会和1 8 8 型奥氏体不锈钢，成为理想的核电蒸汽发生器管材用料。当 今世界各国核电站选用的蒸汽发生器用i n c o n e l 6 9 0 合金管材，其重要性被列为“核 一级”部件，目前仅有法国、瑞典和日本等少数国家制造供应。 目前国内用i n c o n e l 6 9 0 合金传热管材料全部依赖进口，在我国积极发展核电的 背景下，每年2 0 0 万千瓦核电机组的建设，至少需要消耗3 5 0 吨的i n c o n e l6 9 0 合金 管材，因此它是我国紧缺的一种镍基合金管材。国内的中国核动力研究设计院、中 科院金属研究所、北京科技大学、钢铁研究总院等科研院所及宝山钢铁股份有限公 司特殊钢分公司、攀钢集团四川长城特殊钢有限责任公司等企业单位对i n c o n e l 6 9 0 合金做过许多研究工作，积累了部分经验及数据，但实现最终大批量国产化仍有很 多问题需要研究和克服。 我国要形成批量建设大型核电站的综合能力，必须摆脱对国外的技术依赖，努力 提高本国核电产业的整体水平和自主化能力，这对保障我国核设施长期有效运行以 及国家安全意义重大。 钢铁砂究总院硕十。位论文 1 1 课题来源 国家8 6 3 高技术研究发展基金 课题编号：2 0 0 6 a a 0 3 2 5 2 5 1 绪论 课题名称：核电蒸汽发生器用高温合金 1 2 课题背景 能源是人类社会! l 存和发展的摹础，当今世界j f 面临着能源不足的巨大挑战。近年 来石油等有机燃料能源短缺造成的巨大能源压力迫使人们将目光向核能、水力、太阳 能、地热和潮汐能等方向转移。水力发电投资周期长，而且水力资源往往远离负荷中心 且需要大量移民和改变生态环境。太阳能、潮汐能、风力及地热发电大规模地应用于工 业还受到很多条件的限制。从目前来看，比较成熟并具有工业规模应用的是核能。据国 际原子能机隧j ( i a e a ) 统计，自19 5 4 年世界上第一座核电厂问世到2 0 0 5 年1 1 月，全球 正在运行的核电机组共4 4 1 台，总装机容量3 6 8 亿千瓦，分布在3 1 个国家和地区，发 电量占全球总发电量的1 6 【1 2 1 。经过几十年的发展，核能应用尽管遇到一些挫折，但 其高能量、低排放等优点被越米越多的人所认可，其安全性与经济性也己通过工业规模 化的考验。 在世界上i f 在运行的4 0 0 多台核电机纰中，压水堆、沸水堆加在一起的比例达 8 5 以上，压水堆更是世界上具有系列化建设的机型之一1 2 、3j 。压水堆核电站是通过 一套动力装置将原子核反应堆释放的核能转变为蒸汽的动能，进而转变为电能。该 动力装置由一回路系统、二陋l 路系统及其他辅助系统和设备组成，见图1 1 。一【u i 路 系统芏要设备除反迸堆外，还有蒸汽发生器、冷却剂丰泵机组、稳j i f i 器及主管道 等。二回路系统主要设备为汽轮发电机机组。采川带汽水分离器的蕉汽发，卜器是将 反应堆的热能传递给二旧路介质以产生蒸汽的热交换设备，它一般由卣一、 ：式倒u 型 传热管束、管板、三级汽水分离器及外壳容器等f i t ) & 。冷却剂由蕉汽发生器卜封头 的进il 管进入叫路水室，经过倒u 型传热竹，将热：季传递给管了外而的- l 1 路， 2 钢铁研究总院硕十学位论文 放热后的一回路水汇集到下封头的出口水室，再流向回路主泵吸入口。而u 型管 外侧的二回路给水是由蒸汽发生器筒体的给水接管进入环型管的，经环型通道流向 底部，然后沿着倒u 型管束的外空间上升，同时被加热，部分水变为蒸汽，汽水混 合物进入上部汽水分离器，经过粗、细两级分离和第三级分离干燥后达到一定干度 的饱和蒸汽，汇聚到蒸汽发生器顶部出口处，经二回路主蒸汽管道进入汽轮机，推 动汽轮机运转而发电。 核锅炉船分汽轮发电机盔分 图1 1 压水堆核电站流程示意【4 】 蒸汽发生器是压水堆核电站中一、二回路热量交换的关键设备。这种u 型管束的 服役条件十分恶劣，既有管内外一、二回路工作介质约8 m p a 的压力差，又有一、二回 路高温( 3 0 0 c 一3 5 0 c ) 水介质的综合腐蚀，见图1 2 ，还有二回路侧由于水的蒸发、水中 杂质氯离子等的浓缩、滞流水区污垢的堆积以及u 型管束需与管板进行胀一焊连接，既 有焊接热影响又有焊接残余应力。这些都使得蒸汽发生器成为压水堆一回路最薄弱的环 节【5j 。国外运行经验表明，目前世界上大约有3 0 , - 4 0 的压水反应堆因为蒸汽发生器 传热管损伤而影j 1 1 f i l j f 常运行、降低功率运行或者被迫停堆，甚至更换蒸汽发生器【6 】。而 且一旦该管材发生破损，则会导致核电站发生设计基准事故，产生严重的安全后果，因 此蒸汽发生器传热管是核电站纵深防御重要的实体屏障，其损伤成为影响压水堆核电站 安全运行的主要因素之一。 3 钢铁研究总院硕l j 学化论丈 h1 2 蒸汽发生器结构及腐蚀类型【4 】 正是由于这些原因，几十年来蒸汽发生器管材的选择一直足国内外极为关注的问 题，人们对管材的质量要求非常严格。国外蒸汽发生器传热管的选材基本上经过了三个 阶段：第一阶段是在2 0 世纪5 0 、6 0 年代，核电发展的早期，各国主要是选用1 8 8 型 奥氏体不锈钢管；第二阶段是在7 0 、8 0 年代，由于蒸汽发生器不锈钢管二回路的氯离 子应力腐蚀问题的大量出现，材料工程师根据石化工程方面的经验，选用镍基高温合金 i n c o n e l 6 0 0 合金管；第三阶段是8 0 年代以后，由于i n c o n e l 6 0 0 合会耐应力腐蚀试验介质 主要为高浓m g c l 2 沸腾水溶液( 1 4 0 。c - 1 4 5 。c ) 乖1 苛性溶液等，并不能合理代表实际工况 条件，导致在蒸汽发生器一、- - n 路侧介质中出现大量腐蚀问题【7 】：19 8 9 年美国印第安 角( i n d i a np o i n t ) 3 号堆【8 1 、1 9 9 1 年加拿大磨石( m i l l s t o n e ) 2 号堆【9 1 等部分核电机组甚至发 生更换蒸汽发_ 7 i - i i 管子的情况。为了解决这些严重腐蚀问题，德幽尝试了i n c o l o y 8 0 0 合 金，法、美、日等幽在i n c o n e l 6 0 0 合金基础上联合丌发了高耐蚀的1 n c o n e l 6 9 0 ( t t ) 合金 管材，9 0 年代初开始i f 式应用于工型6 l 。 困内外核电站十多年的运行经验表明，作为蒸汽发牛器管材l n c o n e l 6 9 0 ( t t ) 合会具 有良好的运行i 己录，它不仅在一、二叫路服役环境中具有优异的腐蚀性能【l ，还具有较 高的强度12 1 ，逐渐耳义代原来的1 8 8 ，奥氏体不锈钢和i n c o n e l 6 0 0 合会，被广泛应j 仃 4 钢铁研究总院硕士学位论文 于核电站压水堆蒸汽发生器上。从目前发展趋势来看，i n c o n e l 6 9 0 ( t t ) 将是今后核电站 蒸汽发生器用管材的主流材料。 1 3i n c o n e l 6 9 0 合金的研究进展 i n c o n e l 6 9 0 合会是一种3 0 铬含量的奥氏体型镍基耐蚀合余，合金的室温物理常数 见表1 1 。i n c o n e l 6 9 0 合金的机械性能随品种、规格的不同而稍有不同，其受热处理工艺 的影响很大。表1 2 为一定状态下合会室温机械性能。合金具有良好的焊接性能【13 1 ，焊 接规范与其他高镍合会基本相同，可参阅文献【1 4 】。 表1 1 退火态i n c o n e l 6 9 0 合金的室温物理常数 密度 熔化温度范同1 3 4 3 。c 1 3 7 7 比热 4 5 0 j k g 。c 电阻率 磁导率( 2 0 0 奥斯特卜) 1 0 0 1 弹性模鼍( 拉伸) 2 11 g p a 泊松比0289 5 钢铁研究总院硕十学佗论文 1 3 1 合金成分 i n c o n e l 6 9 0 合金足在i n c o n e l 6 0 0 合金的堆础上，将铬含量增加到3 0 发展而米的一 种新型镍基合会。1 9 8 1 年a l l o yd i g e s t 公布了合金的主要成分，但是控制范围较宽。表 1 3 列出了历年国外研究的成分控制情况。 表1 3 历年i 亘p l - 研究的成分控制情况( w e o ) 时l n j cc rf et ia inbp 0 0 32 9 8 29 3 80 2 20 2 2 ! ，d 0 9 l 3 2 2 09 2 20 4 6 0 0 5 0 13 0 0 0 10 0 0 9 0 0 3 2 8 38 40 3 00 3 50 0 0 40 0 l3 表1 3 历年国外研究的成分控制情况( 训) 一续 一6 钢铁研究总院硕t 学位论文 国内j t - 近几十年对i n c o n e l 6 9 0 合金( 及n i c r - f e 合金) 中各元素作用进- 7 7 7 艮多研究： 1 3 1 1n i 元素 从j r c e l s 2 0 1 、y s p a r k 【2 i 】和i l w i l s o n 2 2 1 等人对3 0 4 l 和i n c o l o y 8 0 0 合金的比较研 究推测，合金中的n i 含量影响f e - c r - n i 合会耐碱性应力腐蚀破裂( s c c ) 的蚪i - r 厶匕1 1 1 ，即随着 n i 含量的增加合会耐碱性s c c 能力增强。 1 3 1 2c r 元素 f e - c r - n i 合金中c r 含量增加的顺序为i n c o n e l 6 0 0 3 0 4 l i n c o l o y 8 0 0 ，y s p a r k 2 1 】的 研究表明随着c r 含量的增加，碱性s c c 敏感性降低。再从历史上核电站使用 i n c o n e l 6 0 0 合金后甚至爆发出比3 0 4 l 更加严重的腐蚀情况推测，c r 含量的降低的确会 显著降低合金耐蚀性能。n a g a n o 等人【2 3 1 的研究更表明c r 控制在3 0 可使合金具有高耐 蚀性。 1 3 1 3 其他元素 i n c o n e l 6 0 0 合金的一些研究表明f e 在脱氧纯水或含c 1 - 水中具有应力腐蚀开裂敏感 性2 4 1 。对于c ，其含量关系到组织中碳化物的数量，对性能的影响较为复杂2 4 、2 5 、2 6 2 7 1 ，但典型i n c o n e l 6 9 0 合金中c 含量控制均很低。a 1 的加入目的是降低合金中o 含 量，改善合金热加工性能、焊接性能。t i 的加入目的足固c ，改善合金的耐晶间腐蚀性 能，但是其效果有待进一步研究。s ，p 元素对合金耐蚀性能产生有害影响。 1 3 2 冶炼加工工艺 法国核岛设备设计建造规则协会( a f c e m ) 编制的压水堆核岛机械设备设计和建造 规贝l j ( r c c m ) 中“m 4 1 0 5 零件采购技术规范：用于压水堆蒸汽发生器管束的镍一铬 一铁合金( n c 3 0 f e ) 无缝钢管”标准中规定：合金应在电炉中精炼，应经电渣重熔或真空 电弧重熔，以去除杂质和使化学成分均匀【18 1 。 i n c o n e l 6 9 0 合金的热加工性能尚好，热加工变形一般可在1 0 4 0 1 2 0 0o c 间进行， 最低的热变形温度应不低于9 0 0 。c 。合金冷加工及冷成型性能基本上与i n c o n e l 6 0 0 合金 相近。图1 3 为几种材料的加工硬化倾向比较图，可以看到i n c o n e l 6 9 0 合 ；= 冷作硬化倾 向高于纯镍和i n c o n e l 6 0 0 合金，但低于l8 8 不锈钢。 7 钢铁研究总院硕十。学位论文 图1 3 儿种材料的加i ：硬化倾向比较图5 i 1 3 3 热处理工艺 i n c o n e l 6 9 0 合余u 型管材一般需要经过三次热处理：m i l l a n n e a l i n g 、t h e r m a l t r e a t m e n t 和s t r e s sr e l i v i n g 6 1 。 m i l l a n n e a l i n g ，固溶处理。i n c o n e l 6 9 0 合会进行固溶处理一者是为了合金组织充分 再结晶，以获得一定尺寸的等轴奥氏体晶粒，满足力学性能的要求；再者足为了获得单 相奥氏体组织，使前期工艺中析出的碳化物( 一般指富铬碳化物m 2 3 c 6 ) 尽量溶解入基 体【2 引。 t h e r m a lt r e a t m e n t ，t i 处理( 特殊热处理、敏化处理、脱敏处理) ，是在固溶处理 之后，再在一定温度保温一定时间的一种热处理。t 丁处理是从i n c o n e l 6 0 0 合金的研究中 发展起来。大量研究结果表明m3 0 1 ，i n c o n e l6 9 0 合金和6 0 0 合金一样，施以t t 处理可显 著增加合会的耐应力腐蚀丌裂性能。 s t r e s sr e l i v i n g ，消除应力热处理。有研究表口月 3 1 1 ，未经热处理的u 型弯管，在小同 的断面以及同一断面的不同位置，应力值大小：悬殊，大多数处于张应力状态，最人轴f d 应力达5 9 3 8 6 m p a ，最大环向应力达到3 5 l m p a ，都超过了材料的屈服强度。经过消除应 力热处理后，表而残余应力大大降低，无论轴向应力还是环向应力鄙趋于零。 一8 钢铁研究总院硕士学位论文 由于热处理工艺显著影响合金的耐蚀及力学性能，国内外一些学者和公司对其进行 了详尽的研究。对于给定0 0 1 5 加0 2 5 的含碳量范围，加拿大的j a m e sc s m i t h 等人一j 规定合金在1 0 7 1 固溶温度下保温l m i n 以上，之后进：f f 7 0 4 x l o h l t 处理以提高耐碱性 应力腐蚀开裂的能力。对于0 0 2 0 含碳量的i n c o n e l 6 9 0 ( t t ) 合金，日本住友公司采用 1 0 7 5 固溶处理+ 7 0 0 1 5 h 炉冷的工艺【3 2 1 。邱绍宇等人通过研究，推荐合金热处理工 艺是 5 8 0 0 ；c r ：2 8 o f f - - 31 0 0 ；f e ：8 0 0 - - 11 0 0 ；c u s 0 5 0 ；c o _ o 0 18 ；t i 5 0 5 0 ；a i s 0 5 0 ：b s 0 0 0 3 0 ： n b s 0 1 0 ：n 5 0 0 5 。 1 4 1 2 力学性能： 室温拉伸：r 。2 6 3 0 m p a ；r d 0 2 ：2 7 5 3 7 5m p a ；a 芝3 0 ； 3 5 0 拉伸：r r ) 0 立2 1 5m p a 。 1 4 1 3 晶粒度： 5 9 纨 一1 6 钢铁研究总院硕 学位论文 1 4 1 4 纯洁度( 非金属夹杂物) ： a 类：粗系卯5 ，细系s 1 0 ； b 类：粗系 o 5 ，细系s 1 o ； c 类：粗系蜘5 ，细系s 1 0 ； d 类：粗系5 1 o ，细系s 1 5 。 1 4 2 本文研究思路与内容 作为国家8 6 3 课题核电蒸汽发生器用高温合金的一部分，本论文希望在系统研 究热处理工艺对i n c o n e l 6 9 0 合金组织性能的影响，深入分析i n c o n e l 6 9 0 合金脱敏析出行为 规律的基础之上，在热处理参数、合会显微组织、力学性能及耐蚀性能之间建立起有机 联系。并且结合i n c o n e l 6 9 0 合金平衡相的热力学计算、合金贫铬区演变的动力学计算研 究，对该合金的最佳成分设计、合理热处理工艺的选择提供理论指导。 研究主要分为以下几个方面： 1 固溶处理对i n c o n e l6 9 0 合金组织的影响研究； 2 固溶处理对i n c o n e l6 9 0 合金力学和耐蚀性能的影响研究； 3 敏化处理对i n c o n e l6 9 0 合金组织的影响研究； 4 敏化处理对i n c o n e l6 9 0 合金力学和耐蚀性能的影响研究； 5 i n c o n e l6 9 0 合金平衡相的热力学计算、贫铬区演变的动力学计算研究。 1 7 铡铁硼f 究总院硕十学位论文 2 固溶处理对i n c o n e l 6 9 0 合金组织和性能的影响研究 2 1 引言 固溶处理足指将合金加热到一定温度区域恒温保持，使过剩桐充分溶解到同溶体中 后快速冷却，以得剑过饱和固溶体的热处理工艺。i n c o n e l 6 9 0 合金固溶处理是为了溶解 奥氏体基体内碳化物等以得到均匀的过饱和同溶体，便于敏化处理时重新析出颗粒细 小、分布均匀的碳化物，同时消除由于冷热加工产生的应力，使合余发生再结晶。其 次，通过同溶处理扶得适宜的晶粒度，以保证合金力学性能。 固溶温度和吲溶时i u j 是固溶处王里的两个重要参数。本章设计了不同试验，以研究不 同固溶温度和不同固溶时f 日j 对i n c o n e l 6 9 0 合金组织、力学性能和耐蚀性能的影响。 2 2 实验材料 为了模拟i n c o n e l 6 9 0 合会成品管，实验j 甘料经真空感应加电渣重熔精炼、锻造、热 轧，最终冷轧成1 1 m m 厚、1 2 0 m m 宽的带材，冷轧变形量为6 5 1 。合会化学成分 分析结果见表2 1 。合会夹杂物分析结果见表2 2 。参照1 4 1 课题目标，可知实验材料 的化学成分和央杂物检验符合预期目标要求。 表2 1 实验材料化学成分( 训) 一1 8 钢铁研究总院硕十学位论文 2 3 实验研究方法 2 3 1 固溶处理参数的设计 参照1 3 3 国内外对i n c o n e l 6 9 0 合金的研究结果，确定本章实验研究温度范围为9 5 0 1 l5 0 之间，保温时问范围为2 5 m i n - 2 0 m i n 之间。将一组试样分别在9 5 0 、1 0 0 0 、1 0 5 0 、l1 0 0 c 、11 5 0 固溶温度下保温2 5 m i n ，气淬，以研究固溶温度对组织性 能的影响规律。将另一组试样在1 0 5 0 和1 1 0 0 固溶温度下，分别保温2 5 m i n 、 5 m i n 、1 0 m i n 、1 5 m i n 、2 0 m i n ，气淬，以研究固溶时问对组织性能的影响规律。所有固 溶处理均在氢保护气氛下进行。 2 3 2 组织观察 采用光学显微镜、扫描电子显微镜( s e m ) 、x 射线能量散射谱( e d s ) 、透射电子显 微镜( t e m ) 等技术，对不同固溶处理参数下合金的组织进行观察研究。按照g b t6 3 9 4 - 2 0 0 2 金属平均晶粒度测定法直线截点法统计平均晶粒尺寸。 2 3 3 力学性能研究 按照g b t2 2 8 2 0 0 2 金属拉伸试验方法测量合金室温拉伸性能，按照g b t 4 3 3 8 2 0 0 6 金属材料高温拉仲试验测量合会3 5 0 拉伸性能。 1 9 钢铁研究总院硕 j 学f 节论文 2 3 4 耐蚀性能研究 2 3 4 1 耐点蚀性能研究 参考g b t1 7 8 9 7 1 9 9 9 不锈钢的三氯化铁点腐蚀试验方法：试样尺寸为3 0 m m 2 0 m m 1 1 m m ，试验介质为3 或6 三氯化铁溶液，试验温度为5 0 1 ，通过 测定试样浸泡2 4 h 后的失重量计算腐蚀速率。采用g b t1 7 8 9 9 1 9 9 9 不锈钢点蚀电位 测量方法：试样尺寸为1 0 m m 1 0 m m 1 i m m ，试验介质为脱氧的中性3 5 氯化钠 溶液，试验温度为3 0 1 ，试样浸入溶液1 0 m i n 稳定后，从自腐蚀电位开始以电位 扫描速度2 0 m v m i n 进行刚极极化，至阳极极化电流达到5 0 0 - - 1 0 0 0 p a c m 2 ，通过测量 点蚀电位评定材料点蚀倾向性大小。本章研究以上述两实验的结果为主要标准，再辅以 形貌观察等，对i n c o n e l 6 9 0 合金耐点蚀性能进行综合评价。 2 3 4 2 耐晶间腐蚀性能研究 a s t mg 2 8 提供了镍基合会的硫酸硫酸 铁失重法评价。电化学动电位再活化法( e l e c t r o c h e m i c a lp o t e n t i o k i n e t i cr e a c t i v a t i o n ， e p r ) 是一种快速、无损、定量检验材料晶间腐蚀敏感