第四代核能系統(tǒng)換熱管用Inconel 617B的熱加工性能與組織特性

程曉農(nóng)，陳樂(lè)利，張肖佩佩，袁 飛，崔樹(shù)剛，楊玉艷，高 佩，2，劉 天，楊 柳，羅 銳

（1.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇銀環(huán)精密鋼管有限公司，江蘇宜興 214203）

0 引言

Co-Mo強(qiáng)化奧氏體合金Inconel 617B因具備優(yōu)異的高溫耐腐蝕性能、高溫抗氧化性能和高溫蠕變強(qiáng)度，被列為第四代核電系統(tǒng)換熱管的關(guān)鍵候選材料［1-3］。Inconel 617B荒管在熱軋、熱穿孔等工序中，由于Co，Mo等強(qiáng)化元素溶入基體，原子間結(jié)合力增大，導(dǎo)致熱變形抗力增大，熱加工成品率降低［4］。因而亟需制定合理的熱加工工藝，促進(jìn)該合金在第四代核能系統(tǒng)中的應(yīng)用。郭宏鋼等［5］確定了鑄態(tài)Inconel 617B的荒管開(kāi)坯工藝為1 190℃-30%變形量；王巖等［6］指出1 165～1 200℃是Inconel 617B的加工安全溫度區(qū)間；另外，王巖等［7］還研究了應(yīng)變速率對(duì)該合金溫升效應(yīng)的影響，但并未指出安全的應(yīng)變速率區(qū)間。因此，系統(tǒng)全面地研究Inconel 617B的熱加工性能，并結(jié)合微觀組織演變規(guī)律確定其安全、合理的熱加工窗口，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與工程意義。

基于動(dòng)態(tài)材料模型（Dynamic Materials Model，DMM）理論［8］，并經(jīng)由ZIEGLER等［9］完善的熱加工圖是研究金屬材料熱加工性能、控制變形組織、優(yōu)化熱加工工藝的有效工具。OUYANG等［10］利用熱加工圖確定了Co-Ni基耐熱合金的熱加工失穩(wěn)區(qū)間，并制定了最佳的熱加工窗口；SUN等［11］建立了高溫合金Inconel 690的熱加工圖，并確定了該合金的最佳熱加工區(qū)間。因此，建立Inconel 617B的熱加工圖，可確定其在不同變形參數(shù)下的可加工性，控制微觀組織演變并優(yōu)化熱加工工藝參數(shù)。

本文利用先進(jìn)的Gleeble熱模擬技術(shù)，結(jié)合熱加工圖對(duì)高溫合金Inconel 617B的熱加工性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示熱加工功率耗散效率η隨變形溫度、應(yīng)變速率及應(yīng)變量的變化規(guī)律；明確該合金的熱加工失穩(wěn)區(qū)間。同時(shí)，通過(guò)分析不同熱加工參數(shù)下的微觀組織特征，明確該合金最佳的熱加工窗口，為其在第四代核電等領(lǐng)域的應(yīng)用提供科學(xué)的指導(dǎo)與依據(jù)。

1 材料與方法

本研究所用材料為固溶態(tài)高溫合金Inconel 617B，其化學(xué)成分如表1所示。試樣是尺寸為?8 mm×12 mm的圓柱，利用Gleeble-3500型熱力模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)圓柱試樣進(jìn)行單道次等溫壓縮試驗(yàn)，試樣兩端加一層0.05 mm厚的鉭片。試驗(yàn)參數(shù)：壓縮變形溫度950～1 200℃，應(yīng)變速率0.01～5 s-1，真應(yīng)變0.8。利用K型熱電偶絲控制試樣溫度，以10℃/s的速率將試樣升溫至變形溫度，保溫30 s后進(jìn)行恒定速率的熱壓縮變形，壓縮完成后立即進(jìn)行淬火。將淬火后的試樣沿壓縮軸向?qū)Π肫书_(kāi)，制備成金相試樣，并利用光學(xué)顯微鏡拍攝微觀形貌。腐蝕劑成分為50 ml鹽酸+5 g氯化銅+50 ml水，腐蝕時(shí)間105 s?；谟?jì)算機(jī)自動(dòng)采集的壓縮數(shù)據(jù)，繪制Inconel 617B合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，構(gòu)建DMM熱加工圖，并結(jié)合微觀組織，確定最佳的熱加工窗口。

表1 高溫合金Inconel 617B的化學(xué)成分 %

2 結(jié)果與討論

2.1 熱加工變形抗力

高溫合金Inconel 617B在不同變形參數(shù)下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示，合金的變形抗力隨變形溫度的升高或應(yīng)變速率的降低而減小。如圖1（a）所示，當(dāng)應(yīng)變速率ε·=1 s-1，合金經(jīng)950℃變形時(shí)的真應(yīng)力超過(guò)550 MPa，即使溫度升高至1 000℃，變形抗力仍在450 MPa以上。這表明Inconel 617B在較低溫度下進(jìn)行熱加工時(shí)具有極高的變形抗力，這正是導(dǎo)致其熱加工困難、成品率低的根本原因。而當(dāng)變形溫度超過(guò)1 150℃后，變形抗力減小至200 MPa左右，有利于該合金的熱加工。在圖1（b）中，變形溫度T=1 100℃，較低應(yīng)變速率（0.01 s-1，0.1 s-1）與較高應(yīng)變速率（1 s-1，5 s-1）下的變形抗力呈現(xiàn)明顯差異，這意味著適當(dāng)降低應(yīng)變速率可有效改善Inconel 617B的熱加工性能。

圖1 高溫合金Inconel 617B在不同變形參數(shù)下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

2.2 熱加工圖的構(gòu)建

僅通過(guò)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線難以全面、準(zhǔn)確地評(píng)判高溫合金Inconel 617B的熱加工性能。為解決這一問(wèn)題，PRASAD［8］提出了DMM 理論，ZIEGLER等［9］對(duì)該理論進(jìn)行完善并提出失穩(wěn)判據(jù)，最終形成了完整的Prasad-Ziegler熱加工圖理論，用以科學(xué)系統(tǒng)地預(yù)測(cè)和改善材料熱加工性能、控制材料熱變形組織、設(shè)計(jì)材料熱加工工藝。

2.2.1 功率耗散圖的構(gòu)建

根據(jù)DMM理論［8］，金屬材料在熱加工過(guò)程中，可通過(guò)功率耗散效率η評(píng)判其熱加工性能，并繪制功率耗散圖，以揭示不同變形參數(shù)下的熱加工特性。

σ——變形抗力，MPa；

圖2 高溫合金Inconel 617B在不同應(yīng)變量下的功率耗散圖

由圖2（a）可知，應(yīng)變量ε=0.2時(shí)，功率耗散效率η的增勢(shì)大致傾向高溫、低速率區(qū)，且出現(xiàn)一個(gè)峰值37%，相應(yīng)的變形參數(shù)為：1 175～1 200℃，0.01～0.32 s-1；而應(yīng)變量ε=0.8時(shí)（見(jiàn)圖2（b）），η出現(xiàn)兩個(gè)峰值，均為47%，較ε=0.2時(shí)的峰值明顯升高，相應(yīng)的變形參數(shù)分別為：1 075～1 125℃，0.05～0.5 s-1和1 175～1 200℃，0.06～0.5 s-1。此外，該應(yīng)變（ε=0.8）下的η增勢(shì)更加復(fù)雜，這與Inconel 617B在實(shí)際大應(yīng)變下進(jìn)行熱加工的復(fù)雜性能變化是一致的。

圖3可更為直觀地反映功率耗散效率η隨變形參數(shù)的變化規(guī)律。在相同的應(yīng)變速率下，更高的變形溫度伴隨著更高的η值，材料具備更優(yōu)的熱加工性能。而當(dāng)變形溫度一定時(shí)，η值隨應(yīng)變速率及應(yīng)變量的變化卻并非簡(jiǎn)單的負(fù)相關(guān)。如圖3（a）所示，在900℃且應(yīng)變量不超過(guò)0.3時(shí)，η值隨應(yīng)變速率的減小而增大；而隨著應(yīng)變的繼續(xù)升高，0.01 s-1變形條件下的η值反而比更高速率下的η值更小。這一現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在1 200℃的變形條件下，如圖3（b）所示。此外，在圖3（b）中，應(yīng)變速率0.01 s-1和5 s-1下的η值隨應(yīng)變量的增加呈現(xiàn)先降后升的特點(diǎn)。由此表明Inconel 617B的熱加工性能隨變形參數(shù)的變化是十分復(fù)雜的，因而本研究對(duì)于該合金熱加工性能的探索和優(yōu)化具有重要意義。

圖3 高溫合金Inconel 617B在不同變形參數(shù)下的功率耗散效率η變化曲線

2.2.2 流變失穩(wěn)圖的構(gòu)建

ZIEGLER等［9］發(fā)現(xiàn)，僅通過(guò)η值評(píng)判材料的熱加工性能存在一定的局限性，即使是在較高的η值下進(jìn)行加工，材料也可能發(fā)生剪切變形或局部流變等失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，ZIEGLER等［9］在DMM模型的基礎(chǔ)上提出了流變失穩(wěn)判據(jù)，繪制流變失穩(wěn)圖，用以明確材料的熱加工失穩(wěn)區(qū)域。

流變失穩(wěn)判據(jù)如下：

2.2.3 熱加工圖的構(gòu)建

將功率耗散圖疊加在流變失穩(wěn)圖上，即可得到Inconel 617B的熱加工圖（如圖5所示），從而更為直觀地判定材料的安全加工區(qū)間。在失穩(wěn)參數(shù)區(qū)，η值幾乎不超過(guò)30%。而η峰值區(qū)均出現(xiàn)在安全加工區(qū)，這意味著出現(xiàn)η峰值的變形參數(shù)可能作為Inconel 617B的最佳熱加工參數(shù)。本研究以較大應(yīng)變量ε=0.8時(shí)的加工圖作為依據(jù)，Inconel 617B基于DMM理論的最佳熱加工窗口可初步確定為：1 075～1 125℃，0.05～0.5 s-1和1 175～1 200℃，0.06～0.5 s-1。

圖4 高溫合金Inconel 617B在不同變形量下的失穩(wěn)圖

圖5 高溫合金Inconel 617B在不同變形量下的加工圖

2.3 微觀組織的演變

由加工圖獲得的最佳熱加工參數(shù)需結(jié)合微觀組織加以驗(yàn)證。圖6示出高溫合金Inconel 617B經(jīng)不同壓縮參數(shù)變形后的微觀形貌。圖6（a）為T(mén)=950℃=0.01 s-1（失穩(wěn)區(qū)）變形條件下的微觀組織，具有明顯的局部塑性流動(dòng)特征，變形極不均勻，原始奧氏體晶粒被嚴(yán)重拉長(zhǎng)，未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，呈現(xiàn)典型的失穩(wěn)組織特征。

由圖5（b）可以看出，較大應(yīng)變下的功率耗散值會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰，相應(yīng)的顯微組織如圖6（b）（c）所示。Inconel 617B在T=1 100℃，=0.1 s-1（見(jiàn)圖6（b））條件下進(jìn)行熱加工，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。細(xì)小的再結(jié)晶晶粒沿原奧氏體晶界形核、長(zhǎng)大。部分變形晶粒未被再結(jié)晶晶粒完全取代，呈現(xiàn)出“項(xiàng)鏈狀”結(jié)構(gòu)，微觀組織的均勻性較差，不利于材料抵抗蠕變載荷和交變應(yīng)力，制約其在實(shí)際工況下的服役壽命，因此應(yīng)避免這種“混晶”組織（即由細(xì)小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒及被拉長(zhǎng)的初始晶粒構(gòu)成，組織均勻性差，不利于材料最終的服役性能）的產(chǎn)生。而另一個(gè)峰值區(qū)域的微觀組織如圖6（c）所示，材料發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，原始變形晶粒完全被再結(jié)晶晶粒吞噬，組織由均勻的等軸狀再結(jié)晶晶粒組成，有利于提高材料的高溫蠕變抗性和疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能。對(duì)比兩峰值區(qū)域的微觀組織可知，升高變形溫度可有效促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。圖6（c）所對(duì)應(yīng)的峰值區(qū)域，溫度范圍為1 175～1 200℃，應(yīng)變速率范圍為0.06～0.5 s-1，可確定為Inconel 617B的最佳熱加工窗口。

圖6 高溫合金Inconel 617B在不同變形參數(shù)下的微觀組織

3 結(jié)論

本研究利用先進(jìn)的Gleeble熱模擬技術(shù)對(duì)高溫合金Inconel 617B進(jìn)行了熱壓縮試驗(yàn)，構(gòu)建了合金的熱加工圖，結(jié)合微觀分析，確定了合金的最佳熱加工窗口，為第四代核電用Inconel 617B傳熱管的加工生產(chǎn)提供科學(xué)的指導(dǎo)與依據(jù)，得到結(jié)論如下。

（1）高溫合金Inconel 617B在較低溫度（950℃）下變形時(shí)，變形抗力可超過(guò)550 MPa，熱加工難度大。升高溫度或降低速率可有效改善合金的熱加工性能。較小應(yīng)變量（ε=0.2）下功率耗散效率值η的增勢(shì)大致傾向高溫、低速率區(qū)，且出現(xiàn)一個(gè)峰值37%；較大應(yīng)變量（ε=0.8）下的η出現(xiàn)兩個(gè)峰值，均為47%，且增勢(shì)更加復(fù)雜。

（2）高溫合金Inconel 617B的熱加工失穩(wěn)區(qū)面積大，且分布復(fù)雜，升高變形溫度可有效增大合金的可加工區(qū)間。較小應(yīng)變量下的失穩(wěn)區(qū)更容易出現(xiàn)在低溫變形參數(shù)下；而在高應(yīng)變速率參數(shù)下，安全加工區(qū)與嚴(yán)重失穩(wěn)區(qū)交替出現(xiàn)。較大應(yīng)變下的失穩(wěn)區(qū)則集中分布在中高應(yīng)變速率范圍內(nèi)。

（3）結(jié)合微觀組織分析，高溫合金Inconel 617B的最佳熱加工窗口可確定為：溫度范圍1 175～1 200℃，應(yīng)變速率范圍0.06～0.5 s-1，在該區(qū)間可獲得均勻的等軸狀動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒。