熱力發(fā)電用耐熱合金熱變形性能研究及數(shù)值模擬

黃璐 張?zhí)鞄?/p>

摘? ?要：文章主要研究應(yīng)變速率對IN690高溫合金熱變形特性的影響，使用Gleeble-3500熱力模擬試驗機，通過對熱加工溫度范圍為950～1 100℃、應(yīng)變速率為0.01～1.00 s-1等的溫?zé)釅嚎s實驗的研究，了解該合金的熱變形行為。發(fā)現(xiàn)流變應(yīng)力對應(yīng)變速率變化敏感，動態(tài)再結(jié)晶是主要的軟化機制;絕熱溫升使得動態(tài)再結(jié)晶過程與應(yīng)變速率密切相關(guān);應(yīng)變速率對熱變形過程中的非連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶和連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶具有顯著影響;通過數(shù)值模擬IN690擠壓過程的微觀結(jié)構(gòu)，獲得在不同工藝條件下的晶粒平均尺寸和動態(tài)結(jié)晶的相關(guān)變化規(guī)律。當(dāng)擠壓速度和擠壓比一定時，溫度升高，晶粒的平均尺寸增大，晶粒增大，完全動態(tài)再結(jié)晶面積變大;當(dāng)擠壓速度和擠壓溫度一定時，擠壓比增大，平均晶粒尺寸減小，完全動態(tài)再結(jié)晶面積增大。在管壁厚度方向，內(nèi)壁到外壁晶粒平均尺寸的規(guī)律是先增長后降低。

關(guān)鍵詞：IN690高溫合金;熱力模擬;熱變形;數(shù)值模擬;熱擠壓

熱能生產(chǎn)是一種經(jīng)濟、安全、可靠、清潔的新能源。人們越來越認識到其效益和重要性，對熱能的開發(fā)利用和使用安全也日益成熟，人類社會生存和發(fā)展的必然趨勢就是利用核電進行生產(chǎn)。由于世界經(jīng)濟快速增長，能源有限，能源消耗高，發(fā)展熱能生產(chǎn)具有更加重要的戰(zhàn)略意義。中國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，需要加快熱能生產(chǎn)的發(fā)展，落實熱能生產(chǎn)設(shè)備的選址。保護環(huán)境，保障經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。江蘇、浙江、廣東等地相繼建成多座火力發(fā)電廠，為我國能源供應(yīng)和經(jīng)濟發(fā)展作出了重要貢獻。

1? ? 關(guān)于熱力發(fā)電用耐熱合金熱變形性能的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)末以來，國外科學(xué)家已對IN690進行了大量研究，并進行了規(guī)?；a(chǎn)[1]。但在生產(chǎn)保密性等因素影響下，國外公開文獻中基本上是關(guān)于優(yōu)化后的化學(xué)成分設(shè)計以及解決熱老化的人工處理過程的研究，對于有關(guān)工藝參數(shù)方面的報道很少。

在IN690合金的國產(chǎn)化方面，國內(nèi)學(xué)者進行了大量的研究工作，并取得一定成果。王彬等[2]研究了高溫?zé)嶙冃喂倘芴幚韺N690合金微觀組織的影響，得到了固溶溫度對合金晶粒尺寸以及碳化物的影響;朱紅等[3]基于試驗方法，研究了固溶溫度對IN690性能和組織的影響，得到了固溶溫度對IN690合金硬度、晶粒度和析出相的影響規(guī)律;王彬等[4]基于Gleeble-3800熱模擬實驗，研究了IN690合金在高速熱變形過程中微觀組織演變機制，得到了IN690合金動態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸以及動態(tài)再結(jié)晶的演變規(guī)律;呂亞臣等[5]基于熱加工圖，對IN690合金擠壓工藝參數(shù)進行了研究，得到了合理變形參數(shù)以及需避免變形參數(shù)的范圍;王忠堂等[6]基于數(shù)值分析技術(shù)，研究了不同工藝參數(shù)對IN690合金成形過程的影響，對擠壓工藝參數(shù)進行了具體的優(yōu)化。

關(guān)于國產(chǎn)化生產(chǎn)的IN690合金，四川長城特鋼和上海寶山鋼鐵有限公司先后引進了特種擠壓設(shè)備，建設(shè)了核鎳基耐腐蝕管材生產(chǎn)基地。其中，2004年，四川長城特鋼對IN690合金進行了研究、開發(fā)，并制備出樣品管材;2007年，寶銀特種鋼管公司建立了我國第一個傳熱管用IN690合金U型管生產(chǎn)基地，雖然制造出了樣品管材，但與國外先進水平相比，仍存在許多的不足，例如產(chǎn)量低、廢渣多、質(zhì)量穩(wěn)定性差等。所以，目前還未應(yīng)用于壓水堆核電站的建設(shè)。2007年，經(jīng)過研究人員的不懈努力，北方重工集團終于研制出360 MN重型立式擠出機，不僅達到了世界一流水平，還使我國的總體設(shè)計達到了更高的水平。

2? ? 擬重點解決的關(guān)鍵技術(shù)

本文研究開發(fā)熱力發(fā)電蒸汽發(fā)生器傳熱管新型奧氏體不銹鋼材料熱加工性能，通過物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合，研究熱擠壓制柸與冷軋工藝，填補國內(nèi)熱力發(fā)電蒸汽發(fā)生器傳熱管用關(guān)鍵管材熱加工工藝參數(shù)研究的空白。通過材料、工藝的系統(tǒng)研究打破國外對于相關(guān)工藝的壟斷。

熱能生產(chǎn)發(fā)展必須符合我國國情，走本土化的道路，要加強自主設(shè)計設(shè)備的獨立管理和選址。熱能生產(chǎn)在市場中的競爭力主要取決于自身的熱能生產(chǎn)經(jīng)濟性。選址是降低熱能生產(chǎn)成本、提高熱能生產(chǎn)經(jīng)濟性的關(guān)鍵，在引進國外先進技術(shù)、加強自主開發(fā)的基礎(chǔ)上，把熱能生產(chǎn)建設(shè)定位，是加速我國熱力發(fā)電發(fā)展的根本出路。就設(shè)備的安全性、可靠性來說，蒸汽發(fā)生器傳熱管材料及其制備是關(guān)鍵之一。擬重點解決的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下兩個方面。

（1）通過物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合，確定材料最佳加工工藝。

（2）利用Deform-3D軟件，模擬相關(guān)熱擠壓過程，為實際工藝生產(chǎn)節(jié)省成本，提高效率。

3? ? 新型熱力發(fā)電用奧氏體不銹鋼材料實驗方案及可行性分析

以自主創(chuàng)新和技術(shù)國產(chǎn)化為目標(biāo)，開發(fā)新材料及其制造技術(shù)。結(jié)合國外熱力發(fā)電所用材料的應(yīng)用研究和國內(nèi)外材料科學(xué)的最新成果及我國多年來的研究成果，按ASME規(guī)范和我國有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進行試驗，研究開發(fā)新型熱力發(fā)電用奧氏體不銹鋼材料。

（1）試驗方案：為了消除IN690合金中析出相的影響，必須先對毛料進行固溶處理，而且必須在1 150 ℃下處理5 min。本實驗利用Gleeble-3800熱模擬實驗機，在預(yù)先設(shè)定的變形溫度和壓力速度下，進行恒溫、恒應(yīng)變速率壓縮試驗。

為了使材料均勻變形，減少摩擦給應(yīng)力狀態(tài)帶來的影響，壓縮前在圓筒兩端加入石墨鉭片，其主要作用是潤滑，并通過在試樣表面焊上熱電偶來補償試樣表面溫度的變化。升溫速率選擇的是5 ℃/s，當(dāng)達到理想溫度時，溫度保持3 min，然后開始變形。選擇的變形溫度分別為952 ℃，1 000 ℃，1 050 ℃和1 100 ℃;應(yīng)變速率?分別為0.01 s-1，0.10 s-1，0.50 s-1，1.00 s-1，最大變形量為55%。

（2）可行性：研究思路與方法、技術(shù)路線、試驗方案在以往的研究過程中都已經(jīng)實施過，所用的儀器設(shè)備已具備，課題研究方案完全可行。

4? ? 主要創(chuàng)新點

（1）熱模擬技術(shù)是科學(xué)研究的重要方法和工具。在實驗過程中，通常利用一些實驗設(shè)備，在實驗中縮小比例，再現(xiàn)加工過程中的熱力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)并獲取熱加工過程中性能和材料結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在加工過程中產(chǎn)生的問題，不僅可以節(jié)省大量成本、時間和精力，還可以精確地測量和控制所需的參數(shù)。

（2）程序的處理對象是一個復(fù)雜的三維零件，將材料成形、熱管理和加工設(shè)備特性的數(shù)值模擬分析結(jié)合起來，適用于熱、溫、冷加工，輸出材料的順序和設(shè)備的負荷、應(yīng)力、溫度等數(shù)據(jù)等進行工藝分析。

5? ? 結(jié)語

本文研究應(yīng)變速率對IN690高溫合金熱變形特性的影響，通過物理模擬與數(shù)值模擬，研究該合金的熱變形行為，開發(fā)熱力發(fā)電蒸汽發(fā)生器傳熱管新型奧氏體不銹鋼材料熱加工性能，填補國內(nèi)熱力發(fā)電蒸汽發(fā)生器傳熱管用關(guān)鍵管材熱加工工藝參數(shù)研究的空白，對打破國外對于相關(guān)工藝的壟斷具有重要意義。

[參考文獻]

[1]喬培鵬.鎳基690合金蒸汽發(fā)生器傳熱管耐腐蝕性研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

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