一种低残余应的高温合金无缝管及其制备方法

申请号 CN202111298570.X 申请日 2021-11-04 公开(公告)号 CN116065097A 公开(公告)日 2023-05-05
申请人 宝武特种冶金有限公司; 发明人 王婷婷; 徐松乾; 陈士华; 周灿栋;
摘要 本 发明 公开了一种低残余应 力 的高温 合金 无缝管 及其制备方法,该低残余 应力 的 高温合金 无缝管包括按 质量 百分比计的如下成分:C:0.03~0.12%、Mn:1.0~2.1%、Cr:14~17%、Ni:35~38%、Mo:1.5~3.5%、Nb:0.5~1.5%、W:0.5~2.0%、B:0.004%、Y:0.1~0.2%、Zr:0.05~0.1%,余量为Fe和不可避免地杂质。通过设计合金成分,采用 真空 感应 冶炼 →真空自耗 重熔 →均匀化处理→ 锻造 开坯→热 挤压 制管→表面精整→渗层获得低残余应力、高温下组织 稳定性 优异的高温合金无缝管。
权利要求

1.一种低残余应的高温合金无缝管,其特征在于,包括按质量百分比计的如下成分:
C:0.03~0.12%、Mn:1.0~2.1%、Cr:14~17%、Ni:35~38%、Mo:1.5~3.5%、Nb:0.5~
1.5%、W:0.5~2.0%、B:0.004%、Y:0.1~0.2%、Zr:0.05~0.1%,余量为Fe和不可避免地杂质。
2.根据权利要求1所述的低残余应力高温合金无缝管,其特征在于,所述低残余应力的高温合金无缝管的成分满足:W/Nb为0.5~0.8。
3.根据权利要求1所述的低残余应力的高温合金无缝管,其特征在于:
在室温下,所述低残余应力的高温合金无缝管的屈服强度Rp0.2≥240MPa,抗拉强度Rm≥550MPa,延伸率A≥45%,冲击功KV2≥400J;
在750℃下,所述低残余应力的高温合金无缝管的屈服强度Rp0.2≥140MPa,抗拉强度Rm≥270MPa,延伸率A≥60%。
4.一种如权利要求1~3任一项所述的低残余应力的高温合金无缝管的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,真空感应冶炼,采用真空感应冶炼并浇铸电极棒,然后对所述电极棒进行退火处理和表面精整处理;
S2,真空自耗重熔,将所述电极棒进行真空自耗重熔得到自耗锭;
S3,均匀化处理,将所述自耗锭均匀化处理后,出炉空冷;
S4,锻造开坯,将经步骤S3处理后的自耗锭进行加热处理,然后出炉锻造为管坯
S5,热挤压制管,将所述管坯进行预热处理,然后再加热至1150~1200℃,保温时间≥
1h,随后进行热挤压制管得到荒管,挤压后采用环向冷;
S6,表面精整,将所述荒管的内外表面进行机加工处理;
S7,渗层,对所述荒管的内表面进行渗Cr、N处理,获得所述低残余应力的高温合金无缝管。
5.根据权利要求4所述的低残余应力的高温合金无缝管的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中,所述退火处理中,退火温度为1000~1100℃。
6.根据权利要求4所述的低残余应力的高温合金无缝管的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中,所述真空重熔自耗过程中,熔速为6.0~6.8kg/min。
7.根据权利要求4所述的低残余应力的高温合金无缝管的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中:
所述均匀化处理过程中,加热温度为1160~1220℃,保温时间≥24h;和/或
所述均匀化处理过程中,所述自耗锭的装炉温度≤500℃,升温速率≤100℃/h。
8.根据权利要求4所述的低残余应力的高温合金无缝管的制备方法,其特征在于,所述步骤S4中:
所述加热过程中,所述自耗锭先加热至900~1000℃,保温2~3h,然后再加热至1120~
1200℃,保温时间≥2h;和/或
所述锻造过程中,锻造变形量为20~60%。
9.根据权利要求4所述的低残余应力的高温合金无缝管的制备方法,其特征在于,所述步骤S5中:
所述预热处理过程中,预热温度为750~900℃;和/或
所述热挤压制管过程中,挤压速度为160~180mm/s。
10.根据权利要求4所述的低残余应力的高温合金无缝管的制备方法,其特征在于,所述步骤S7中,所述渗层过程中,处理温度为1000~1150℃。

说明书全文

一种低残余应的高温合金无缝管及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及镍基高温合金无缝管制造领域,更具体地说,涉及一种低残余应力的高温合金无缝管及其制备方法。

背景技术

[0002] 钠冷快堆作为当今世界最前沿的核电技术之一,是我国发展第四代先进核能系统的主力堆型,也是中国核能技术实现闭式燃料循环和可持续发展的重要战略选择。现阶段我国已建成钠冷实验快堆,其中600MW示范快堆工程正在积极建设中。由于钠冷快堆的服役工况极其苛刻,长期处于高温、腐蚀、辐照等苛刻环境,使得钠冷快堆的关键结构材料选用标准明显高于二代和三代压堆。目前钠冷快堆关键结构件用材仍未实现国产化,这严重制约了中国快堆工程的长远发展。
[0003] 钠冷快堆系统中的动导管是为控制棒的落棒提供通道,长期在高温、钠、辐照环境下服役,为了保证控制棒能够精准地上下移动,要求在长期服役过程中不能发生变形。而在制造结构件的热加工或冷加工过程中不可避免地引起内部残余应力,残余应力在服役过程中的静、动载荷交互作用下,极易导致结构件变形,所以低残余应力是保证动导管变形小的重要前提。另外,钠冷快堆的使用寿命长达40~60年,关键部件在反应堆运行过程中的正常稳定运行是保证核电安全的重要前提,因此要求材料在高温下具备良好的组织和性能稳定性。关于钠冷快堆各种关键结构件用材及相关工艺,目前国外一直处于技术封状态,鲜有公开报道。公开号CN111876690A提供了一种钠冷快堆控制棒驱动机构用合金动导管及制造方法,采用热挤压+多道次冷轧方法制备了动导管,不仅制管工艺流程越长,而且多道次冷轧容易导致材料残余应力大、混晶等组织不稳定现象。
[0004] 鉴于上述情况,针对上述钠冷快堆动导管的服役特点以及考察W、Mo、Nb、W/Nb对合金高温下组织稳定性的影响以及制管工艺对残余应力的影响,需要开发一种低残余应力高组织稳定性的高温合金无缝管,以保证钠冷快堆动导管在长期服役过程中具备良好的组织和性能稳定性。

发明内容

[0005] 针对现有技术中存在的上述缺陷,本发明的目的是提供一种低残余应力的高温合金无缝管及其制备方法,通过设计合金成分,采用真空感应冶炼→真空自耗重熔→均匀化处理→锻造开坯→热挤压制管→表面精整→渗层,获得低残余应力、高温下组织稳定性优异的高温合金无缝管。
[0006] 为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0007] 本发明第一方面提供了一种低残余应力的高温合金无缝管,包括按质量百分比计的如下成分:C:0.03~0.12%、Mn:1.0~2.1%、Cr:14~17%、Ni:35~38%、Mo:1.5~3.5%、Nb:0.5~1.5%、W:0.5~2.0%、B:0.004%、Y:0.1~0.2%、Zr:0.05~0.1%,余量为Fe和不可避免地杂质。
[0008] 优选地,所述低残余应力的高温合金无缝管的成分满足:W/Nb为0.5~0.8。
[0009] 优选地,在室温下,所述低残余应力的高温合金无缝管的屈服强度Rp0.2≥240MPa,抗拉强度Rm≥550MPa,延伸率A≥45%,冲击功KV2≥400J;
[0010] 在750℃下,所述低残余应力的高温合金无缝管的屈服强度Rp0.2≥140MPa,抗拉强度Rm≥270MPa,延伸率A≥60%。
[0011] 本发明第二方面提供了一种如本发明第一方面所述的低残余应力的高温合金无缝管的制备方法,包括以下步骤:
[0012] S1,真空感应冶炼,采用真空感应冶炼并浇铸电极棒,然后对所述电极棒进行退火处理和表面精整处理;
[0013] S2,真空自耗重熔,将所述电极棒进行真空自耗重熔得到自耗锭;
[0014] S3,均匀化处理,将所述自耗锭均匀化处理后,出炉空冷;
[0015] S4,锻造开坯,将经步骤S3处理后的自耗锭进行加热处理,然后出炉锻造为管坯
[0016] S5,热挤压制管,将所述管坯进行预热处理,然后再加热至1150~1200℃,保温时间≥1h,随后进行热挤压制管得到荒管,挤压后采用环向水冷;
[0017] S6,表面精整,将所述荒管的内外表面进行机加工处理;
[0018] S7,渗层,对所述荒管的内表面进行渗Cr、N处理,获得所述低残余应力的高温合金无缝管。
[0019] 优选地,所述步骤S1中,所述退火处理中,退火温度为1000~1100℃。
[0020] 优选地,所述步骤S2中,所述真空重熔自耗过程中,熔速为6.0~6.8kg/min。
[0021] 优选地,所述步骤S3中:
[0022] 所述均匀化处理过程中,加热温度为1160~1220℃,保温时间≥20h;和/或[0023] 所述均匀化处理过程中,所述自耗锭的装炉温度≤500℃,升温速率≤100℃/h。
[0024] 优选地,所述步骤S4中:
[0025] 所述加热过程中,所述自耗锭先加热至900~1000℃,保温2~3h,然后再加热至1120~1200℃,保温时间≥2h;和/或
[0026] 所述锻造过程中,锻造变形量为20~60%。
[0027] 优选地,所述步骤S5中:
[0028] 所述预热处理过程中,预热温度为750~900℃;和/或
[0029] 所述热挤压制管过程中,挤压速度为160~180mm/s。
[0030] 优选地,所述步骤S7中,所述渗层过程中,处理温度为1000~1150℃。
[0031] 本发明低残余应力的高温合金无缝管的成分设计的原则如下:
[0032] :C作为铁材料中最常用的强化元素,可以与合金元素形成M23C6、MX等碳化物,有效钉扎板条界,长时保持材料的性能;但过高的C含量对加工和焊接性能不利,因此碳含量为0.03~0.12wt%。
[0033] 铬:从提高抗化性的度,往往希望Cr含量越高越好,但是Cr含量太高时材料中会出现δ‑铁素体,降低材料的持久强度和韧性,因此铬含量为14~17wt%。
[0034] 钨:W元素在钢中都有两种存在形态,一是固溶到基体起固溶强化作用,二是以析出相的形式存在起沉淀强化作用。但W作为钢中易偏析元素,特别工业化生产时产生的凝固偏析更为严重而且难以彻底消除。因此,控制钨含量为0.5~2.0wt%。
[0035] 钼:Mo元素和W元素类似,同样在钢中不仅起固溶强化作用,而且起沉淀强化作用。相关研究研究表明W、Mo复合添加比单独加W或Mo的强化效果好。Mo含量太低不足以发挥上述效果,而当W+Mo含量太高时,不仅不利于性能提高,还会导致高温铁素体析出从而显著降低合金的热加工性能及力学性能。因此,控制钼含量为1.5~3.5wt%。
[0036] 铌:Nb与C元素主要形成MC相。相关研究表明,添加Nb可以显著提升合金的高温强度。但过高的Nb容易因元素偏析而析出大状的碳化物;因此,控制铌含量为0.5~1.5wt%。
[0037] 锰:Mn有脱氧作用,同时Mn有利于渗氮工艺;因此,控制锰含量为1.0~2.1wt%。
[0038] 本发明的具有以下有益效果:
[0039] 1、制管流程短:摒弃了传统热挤压+多道次冷轧的方式,精简为热挤压方式;
[0040] 2、残余应力低:采用高温热挤压(挤压温度>1150℃),使得热变形过程中变形晶粒充分再结晶,不仅显著降低变形抗力,而且有利于降低残余应力;采用环向水冷却方式,使得管内壁和外壁冷却均匀,可以显著降低残余应力;此外,通过表面渗层处理不仅可以提高表面耐磨性和抗疲劳性能而且有效降低了制管过程中产生的残余应力;
[0041] 3、组织稳定性优异:添加Nb 0.5~1.5wt%,W 0.5~2.0wt%,并控制W/Nb为0.8~1.0,显著提升材料在高温下的组织稳定性;采用高温热挤压(挤压温度>1150℃)有助于晶粒等微观组织趋于平衡稳定。
附图说明
[0042] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0043] 图1为本发明的低残余应力的高温合金无缝管的晶粒形貌示意图;
[0044] 图2为本发明的低残余应力的高温合金无缝管的断面收缩率随温度变化的示意图。

具体实施方式

[0045] 为了能更好地理解本发明的上述技术方案,下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0046] 本发明的一种低残余应力的高温合金无缝管,包括按质量百分比计的如下成分:C:0.03~0.12%、Mn:1.0~2.1%、Cr:14~17%、Ni:35~38%、Mo:1.5~3.5%、Nb:0.5~
1.5%、W:0.5~2.0%、B:0.004%、Y:0.1~0.2%、Zr:0.05~0.1%,余量为Fe和不可避免地杂质;其中低残余应力的高温合金无缝管的成分还满足:W/Nb为0.5~0.8。该低残余应力的高温合金无缝管在室温下,屈服强度Rp0.2≥240MPa,抗拉强度Rm≥550MPa,延伸率A≥45%,冲击功KV2≥400J;在750℃下,低残余应力的高温合金无缝管的屈服强度Rp0.2≥140MPa,抗拉强度Rm≥270MPa,延伸率A≥60%。
[0047] 上述低残余应力的高温合金无缝管的制备过程如下:
[0048] S1,真空感应冶炼,采用真空感应冶炼并浇铸电极棒,然后对所述电极棒进行退火处理和表面精整处理;
[0049] 具体过程为:根据上述低残余应力的高温合金无缝管的成分进行配比,然后再用真空感应冶炼并浇铸电极棒,然后对电极棒进行退火处理,在1000~1100℃的退火温度下保温10~15h,之后对退火后的电极棒进行表面精整处理;
[0050] S2,真空自耗重熔,将所述电极棒进行真空自耗重熔得到自耗锭;
[0051] 具体过程为:将电极棒进行真空重熔自耗,其中电极棒缩孔朝下安装,熔速为6.0~6.8kg/min,真空设定值为0.25Torr,最终冶炼得到自耗锭;
[0052] S3,均匀化处理,将所述自耗锭均匀化处理后,出炉空冷;
[0053] 具体过程为:将自耗锭转入退火炉中进行均匀化处理,其中自耗锭的装炉温度≤500℃,在均匀化处理中,自耗锭以≤100℃/h的升温速率升温至1160~1220℃(在优选的实施例中均匀化处理的加热温度为1190~1220),保温时间≥20h;然后出炉空冷;
[0054] S4,锻造开坯,将经步骤S3处理后的自耗锭进行加热处理,然后出炉锻造为管坯;
[0055] 具体过程为:将自耗锭先进行加热处理,自耗锭以≤100℃/h的升温速率先加热至900~1000℃并保温2~3h,再以≤100℃/h的升温速率加热至1120~1200℃并保温至少2h,其中自耗锭的装炉温度≤500℃;然后出炉进行锻造得到管坯,其中锻造时,锻造变形量为
20~60%。
[0056] S5,热挤压制管,将所述管坯进行预热处理,然后再加热至1150~1200℃,保温时间≥1h,随后进行热挤压制管得到荒管,挤压后采用环向水冷;
[0057] 具体过程为:将管坯在750~900℃温度下进行预热处理,然后再加热至1150~1200℃并保温至少1h,随后在挤压机上进行热挤压制管得到荒管,控制挤压速度为160~
180mm/s;热挤压结束后采用环向水冷将荒管冷却。
[0058] 通过研究发现,该低残余应力的高温合金无缝管的动态再结晶体积分数随变形温度的升高而升高,随应变速率的升高而下降,在相同变形温度下,再结晶晶粒的尺寸随应变速率的增高而变细;但是当变形温度在1150℃及以上时,不同应变速率下的动态再结晶体‑1积分数均达到100%,当应变速率大于1S 时,应变速率对晶粒大小的影响可以忽略;因此结合热挤压装备实际工况,开发了针对本发明高温合金无缝管的热挤压工艺,控制挤压温度为1150~1200℃,且挤压速率为160~180mm/s。
[0059] S6,表面精整,将所述荒管的内外表面进行机加工处理;
[0060] S7,渗层,对所述荒管的内表面进行渗Cr、N处理,获得所述低残余应力的高温合金无缝管;
[0061] 具体过程为:在1000~1150℃的温度范围内,对上述荒管的内表面进行渗Cr、N处理,最终获得低残余应力的高温合金无缝管。通过渗层处理不仅可以提高表面耐磨性和抗疲劳性能而且有效降低了制管过程中产生的残余应力。
[0062] 结合图1所示,本发明制备的低残余应力的高温合金无缝管的晶粒细小而均匀,能很好地满足晶粒度极差不大于三级的要求。结合图2所示,该低残余应力的高温合金无缝管在800~1250℃的高温下,断面收缩率>40%,其中1000~1250℃,低残余应力的高温合金无缝管的断面收缩率≥60%,由此可见,该低残余应力的高温合金无缝管具有较好的塑性。
[0063] 下面结合具体的例子对本发明的低残余应力的高温合金无缝管及其制备方法作进一步介绍。
[0064] 实施例1
[0065] 本实施例的低残余应力的高温合金无缝管的制备过程如下:
[0066] (1)真空感应冶炼:根据表1中所示的A成分进行配比,采用真空感应冶炼并浇注得到Φ520mm电极棒;对电极棒进行1020℃~1030℃保温15h的退火处理,之后对电极棒表面精整处理。
[0067] (2)真空自耗重熔:将电极棒真空自耗重熔为Φ610mm的自耗锭;熔速6.0~6.8kg/min,真空设定值0.25Torr;自耗锭的化学成分如表1所示;
[0068] (3)均匀化处理:自耗锭的装炉温度≤500℃,以≤100℃/h的升温速率将合金锭加热到1210±10℃,保温时间24h;出炉空冷。
[0069] (4)锻造开坯:自耗锭装炉温度≤500℃,以≤100℃/h的升温速率将自耗锭加热到900~1000℃并保温2~3h,再以≤100℃/h的升温速率加热到1160℃并保温≥2小时,出炉锻造得到规格Φ346mm的管坯,锻造变形量为50~60%。
[0070] (5)热挤压制管:先将管坯在850℃预热,再加热至1180℃并保温1h,之后在挤压机上进行热挤压制管,挤压速度为170mm/s,经热挤压得到规格为Φ194×46mm的荒管,挤压后采用环向水冷。
[0071] (6)表面精整:对上述得到的荒管的内外表面进行机加工处理。
[0072] (7)渗层:在1000~1150℃温度下对荒管内表面进行渗Cr和N处理,得到低残余应力的高温合金无缝管。
[0073] 实施例2
[0074] 本实施例的低残余应力的高温合金无缝管的制备过程如下:
[0075] (1)真空感应冶炼:根据表1中所示的B成分进行配比,采用真空感应冶炼并浇注得到Φ520mm电极棒;对电极棒进行1050℃~1060℃保温15h的退火处理,之后对电极棒表面精整处理。
[0076] (2)真空自耗重熔:将电极棒真空自耗重熔为Φ610mm的自耗锭;熔速6.0~6.8kg/min,真空设定值0.25Torr;自耗锭的化学成分如表1所示;
[0077] (3)均匀化处理:自耗锭的装炉温度≤500℃,以≤100℃/h的升温速率将合金锭加热到1210±10℃,保温时间≥24h;出炉空冷。
[0078] (4)锻造开坯:自耗锭装炉温度≤500℃,以≤100℃/h的升温速率将自耗锭加热到900~1000℃并保温2~3h,再以≤100℃/h的升温速率加热到1170℃并保温≥2小时,出炉锻造得到规格Φ346mm的管坯,锻造变形量为50~60%。
[0079] (5)热挤压制管:先将管坯在850℃预热,再加热至1160℃并保温至少1小时,之后在挤压机上进行热挤压制管,挤压速度为180mm/s,经热挤压得到规格为Φ194×46mm的荒管,挤压后采用环向水冷。
[0080] (6)表面精整:对上述得到的荒管的内外表面进行机加工处理。
[0081] (7)渗层:在1000~1150℃温度下对荒管内表面进行渗Cr和N处理,得到低残余应力的高温合金无缝管。
[0082] 实施例3
[0083] 本实施例的低残余应力的高温合金无缝管的制备过程如下:
[0084] (1)真空感应冶炼:根据表1中所示的C成分进行配比,采用真空感应冶炼并浇注得到Φ520mm电极棒;对电极棒进行1050℃~1060℃保温15h的退火处理,之后对电极棒表面精整处理。
[0085] (2)真空自耗重熔:将电极棒真空自耗重熔为Φ610mm的自耗锭;熔速6.0~6.8kg/min,真空设定值0.25Torr;自耗锭的化学成分如表1所示;
[0086] (3)均匀化处理:自耗锭的装炉温度≤500℃,以≤100℃/h的升温速率将合金锭加热到1200±10℃,保温时间≥30h;出炉空冷。
[0087] (4)锻造开坯:自耗锭装炉温度≤500℃,以≤100℃/h的升温速率将自耗锭加热到900~1000℃并保温2~3h,再以≤100℃/h的升温速率加热到1150℃并保温≥2小时,出炉锻造得到规格Φ346mm的管坯,锻造变形量为50~60%。
[0088] (5)热挤压制管:先将管坯在850℃预热,再加热至1150℃并保温1小时,之后在挤压机上进行热挤压制管,挤压速度为170mm/s,经热挤压得到规格为Φ194×46mm的荒管,挤压后采用环向水冷。
[0089] (6)表面精整:对上述得到的荒管的内外表面进行机加工处理。
[0090] (7)渗层:在1000~1150℃温度下对荒管内表面进行渗Cr和N处理,得到低残余应力的高温合金无缝管。
[0091] 实施例4
[0092] 本实施例的低残余应力的高温合金无缝管的制备过程如下:
[0093] (1)真空感应冶炼:根据表1中所示的A成分进行配比,采用真空感应冶炼并浇注得到Φ520mm电极棒;对电极棒进行1050℃~1060℃℃保温12h的退火处理,之后对电极棒表面精整处理。
[0094] (2)真空自耗重熔:将电极棒真空自耗重熔为Φ610mm的自耗锭;熔速6.0~6.8kg/min,真空设定值0.25Torr;自耗锭的化学成分如表1所示;
[0095] (3)均匀化处理:自耗锭的装炉温度≤500℃,以≤100℃/h的升温速率将合金锭加热到1200±10℃,保温时间≥30h;出炉空冷。
[0096] (4)锻造开坯:自耗锭装炉温度≤500℃,以≤100℃/h的升温速率将自耗锭加热到900~1000℃并保温2~3h,再以≤100℃/h的升温速率加热到1180℃并保温≥2小时,出炉锻造得到规格Φ346mm的管坯,锻造变形量为50~60%。
[0097] (5)热挤压制管:先将管坯在750℃预热,再加热至1150℃并保温1小时,之后在挤压机上进行热挤压制管,挤压速度为160mm/s,经热挤压得到规格为Φ194×46mm的荒管,挤压后采用环向水冷。
[0098] (6)表面精整:对上述得到的荒管的内外表面进行机加工处理。
[0099] (7)渗层:在1000~1150℃温度下对荒管内表面进行渗Cr和N处理,得到低残余应力的高温合金无缝管。
[0100] 实施例5
[0101] 本实施例的低残余应力的高温合金无缝管的制备过程如下:
[0102] (1)真空感应冶炼:根据表1中所示的B成分进行配比,采用真空感应冶炼并浇注得到Φ520mm电极棒;对电极棒进行1050℃~1060℃保温16h的退火处理,之后对电极棒表面精整处理。
[0103] (2)真空自耗重熔:将电极棒真空自耗重熔为Φ610mm的自耗锭;熔速6.0~6.8kg/min,真空设定值0.25Torr;自耗锭的化学成分如表1所示;
[0104] (3)均匀化处理:自耗锭的装炉温度≤500℃,以≤100℃/h的升温速率将合金锭加热到1200±10℃,保温时间≥40h;出炉空冷。
[0105] (4)锻造开坯:自耗锭装炉温度≤500℃,以≤100℃/h的升温速率将自耗锭加热到900~1000℃并保温2~3h,再以≤100℃/h的升温速率加热到1180℃并保温≥2小时,出炉锻造得到规格Φ346mm的管坯,锻造变形量为50~60%。
[0106] (5)热挤压制管:先将管坯在900℃预热,再加热至1190℃并保温1小时,之后在挤压机上进行热挤压制管,挤压速度为180mm/s,经热挤压得到规格为Φ194×46mm的荒管,挤压后采用环向水冷。
[0107] (6)表面精整:对上述得到的荒管的内外表面进行机加工处理。
[0108] (7)渗层:在1000~1150℃温度下对荒管内表面进行渗Cr和N处理,得到低残余应力的高温合金无缝管。
[0109] 对比例
[0110] 对比例采用真空感应冶炼→真空自耗重熔→锻造开坯→热挤压制管→冷轧→表面精整;具体过程如下:
[0111] (1)真空感应冶炼:根据表1中所示的D成分进行配比,采用真空感应冶炼并浇注得到Φ520mm电极棒;对电极棒表面精整处理。
[0112] (2)真空自耗重熔:将电极棒真空自耗重熔为Φ610mm的自耗锭;熔速6.0~6.8kg/min。
[0113] (3)锻造开坯:自耗锭装炉温度≤500℃,以≤100℃/h的升温速率将自耗锭加热到900~1000℃并保温2~3h,再以≤100℃/h的升温速率加热到1130℃并保温≥2小时,出炉锻造得到规格Φ346mm的管坯,锻造变形量为50~60%。
[0114] (4)热挤压及冷轧制管:先将管坯在900℃预热,再加热至1150℃并保温1小时,之后在挤压机上进行热挤压制管,挤压速度为150mm/s,经热挤压得到规格为Φ194×46mm的荒管。然后冷轧为Φ180×40mm,之后进行固溶处理:1080℃保温1h,水冷。
[0115] (5)表面精整:对上述得到的荒管的内外表面进行机加工处理。
[0116] 经检测本发明例实施例1~5制备的低残余应力的高温合金无缝管和对比例制备的无缝管的力学性能如表2、3所示;各向残余应力如表4所示。
[0117] 表1化学成分(wt%)
[0118]  C Mn Cr Ni Mo Y B Zr Nb W Fe
A 0.06 1.9 15 36 2.3 0.1 0.004 0.06 1.2 0.6 余
B 0.05 1.7 15 36 2.4 0.1 0.004 0.06 1.2 0.8 余
C 0.08 1.8 15 36 2.4 0.1 0.004 0.07 1.3 0.7 余
D 0.06 1.5 16.6 36 3.4 0.001 0.0017 0.01 ‑ ‑ 余
[0119] 表2室温下的力学性能
[0120]
[0121] 表3高温下的力学性能
[0122]
[0123] 表4切向残余应力
[0124]
[0125]
[0126] 结合表2、表3所示,室温下、350℃以及750℃下,实施例中的低残余应力的高温合金无缝管的延伸率远高于对比例的无缝管,实施例中低残余应力的高温合金无缝管的屈服强度、冲击功高于对比例中的无缝管,实施例中低残余应力的高温合金无缝管的抗拉强度与对比例中的无缝管相当;结合表4所示,实施例中的低残余应力的高温合金无缝管的切向残余应力远低于对比例中的无缝管。
[0127] 综上所述,本发明摒弃了传统热挤压+多道次冷轧的方式,精简为热挤压制管;该低残余应力的高温合金无缝管的残余应力低:采用高温热挤压(挤压温度>1150℃),使得热变形过程中变形晶粒充分再结晶,不仅显著降低变形抗力,而且有利于降低残余应力;采用环向水冷却方式,使得管内壁和外壁冷却均匀,可以显著降低残余应力;此外,通过表面渗层处理不仅可以提高表面耐磨性和抗疲劳性能而且有效降低了制管过程中产生的残余应力;该低残余应力的高温合金无缝管的组织稳定性优异:添加Nb 0.5~1.5wt%,W 0.5~2.0wt%,并控制W/Nb为0.5~0.8,显著提升材料在高温下的组织稳定性;采用高温热挤压(挤压温度>1150℃)有助于晶粒等微观组织趋于平衡稳定。
[0128] 本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施例仅是用来说明本发明,而并非用作为对本发明的限定,只要在本发明的实质精神范围内,对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
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