鄭吉偉，趙忠剛，李雅范，薩仁格日樂，戚彩夢(mèng)

（1.哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱 150040；2.沈陽(yáng)科金特種材料有限公司，沈陽(yáng) 110101；3.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

前言

AP1000機(jī)組是我國(guó)從美國(guó)西屋引進(jìn)的先進(jìn)非能動(dòng)型第三代核電機(jī)組，其中屏蔽電動(dòng)泵由美國(guó)的EMD公司設(shè)計(jì)，我國(guó)的沈陽(yáng)透平機(jī)械集團(tuán)公司和哈爾濱電氣集團(tuán)分別為泵部分和電機(jī)部分的技術(shù)受讓方。屏蔽電動(dòng)泵與軸封式主泵最大的區(qū)別是其驅(qū)動(dòng)電機(jī)為屏蔽式電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)與泵相連，泵中的高溫高壓反應(yīng)堆冷卻劑可進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，因此電機(jī)的許多部件均為核一級(jí)承壓部件或安全相關(guān)部件。

AP1000屏蔽電機(jī)的運(yùn)行工況決定了其大部分材料為奧氏體不銹鋼材料和耐蝕合金，某些部件還采用了高溫合金材料。支撐筒是屏蔽電機(jī)定子中的部件，它由一套環(huán)鍛件裝配而成，置于電機(jī)定子內(nèi)部?jī)啥?，承受定子屏蔽套傳遞而來(lái)的高溫高壓，起到支撐定子屏蔽套的作用。支撐筒采用UNILOY 888材料，它是一種高溫合金材料。由于UNILOY 888是一種非標(biāo)材料，國(guó)內(nèi)各領(lǐng)域均未用過(guò)此材料，因此國(guó)內(nèi)制造廠均無(wú)該材料的制造業(yè)績(jī)，也無(wú)法供應(yīng)該材料。為此應(yīng)國(guó)家要求，哈電集團(tuán)啟動(dòng)了該材料的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)該材料進(jìn)行了研究和試制。本文對(duì)UNILOY 888材料的熱處理工藝進(jìn)行了研究，最終獲得了優(yōu)化的熱處理工藝，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

1 分析

從UNILOY 888的化學(xué)成分可以判斷出它屬于高溫合金范疇，其化學(xué)成分要求如表1所示。

從表1可以看出，該材料合金元素主要包括Ni、Cr、Mn、Si、V、C六種。其中Ni、Mn、C屬于擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素，Cr、V、Si屬于擴(kuò)大鐵素體區(qū)元素[1]。與鐵基鉻鎳型奧氏體不銹鋼對(duì)比，其含鉻量在8%左右，低于后者；含鎳量在7.5%左右，與后者相當(dāng)；含碳在0.5%左右，遠(yuǎn)高于后者；并且含有9%左右的Mn元素。因此定性分析，該材料室溫組織是以?shī)W氏體為基體的合金鋼，屬于高溫合金范疇。定量分析可以采用Schaeffler相圖進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

表1 UNILOY 888化學(xué)成分

Schaeffler相圖利用Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量來(lái)判斷不銹鋼的室溫組織[2]。盡管如此，該相圖對(duì)于判斷UNILOY 888材料的室溫組織仍有指導(dǎo)意義。在Schaeffler相圖中可以看出Creq=%Cr+%Mo+1.5×%Si+0.5×%Nb ，Nieq=%Ni+30×%C+0.5×%Mn。對(duì)于 UNILOY 888 材料，Creq為6.75～9.75，Nieq為24.5～31，室溫組織區(qū)域如上圖標(biāo)記區(qū)域所示，因此，該材料室溫基體組織為奧氏體。

從UNILOY 888材料化學(xué)成分判斷，與高溫合金GH36相近，GH36化學(xué)成分要求如表2所示。

表2 GH36化學(xué)成分

圖1 Schaeffler相圖

GH36合金采用固溶加時(shí)效熱處理方式進(jìn)行強(qiáng)化，其推薦的熱處理制度為：1140℃保溫1～2小時(shí)，水冷；650～670℃，保溫14～16小時(shí)，然后升溫至770～800℃保溫14～20小時(shí)，空冷。熱處理后的室溫組織為奧氏體+部分碳化物，其中晶粒內(nèi)部以VC為主，晶界上為Cr23C6，分別起到彌散強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化的作用[3]。UNILOY 888材料主要成分與GH36材料主要成分相近，因此熱處理制度參考GH36制定，并且可以判斷出UNLOY 888室溫組織也為奧氏體加部分碳化物。

2 試驗(yàn)計(jì)劃

根據(jù)產(chǎn)品厚度，擬鍛制40×40mm截面的兩種不同成分的棒材，棒材化學(xué)成分分別靠近各元素的上下限。然后采用16種不同的熱處理制度對(duì)棒材進(jìn)行熱處理，同時(shí)為確定長(zhǎng)期時(shí)效對(duì)性能的影響，增加了4組附加熱處理。最后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)并對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)采用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)及能譜分析。擬定熱處理制度如表3所示。

表3 擬定UNILOY888材料熱處理制度

3 結(jié)果及討論

拉伸試驗(yàn)按ASTM A370進(jìn)行，采用直徑12.5mm，標(biāo)距50mm的標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4數(shù)據(jù)表明，影響拉伸性能的主要因素包括固溶溫度、時(shí)效溫度及時(shí)效時(shí)間。試料在1090℃及1100℃固溶處理，并在650℃時(shí)效后，其屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度值相對(duì)較低。觀察固溶后試料金相組織發(fā)現(xiàn)，奧氏體基體上存在較多的未溶碳化物。隨著時(shí)效處理后，奧氏體基體上析出的碳化物數(shù)量相對(duì)較少且顆粒較大，組織如圖2（a）箭頭所示。

表4 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

固溶溫度低造成固溶效果不佳，碳化物未完全溶于基體中，在晶界及晶粒內(nèi)以大顆粒形態(tài)存在，因此影響時(shí)效時(shí)第二相的析出效果是造成性能低的根本原因。隨著固溶溫度提高到1130℃或1150℃，并在650℃時(shí)效后，碳化物在晶內(nèi)呈彌散細(xì)小形態(tài)析出，組織如圖2（b）紅色箭頭所示，第二相強(qiáng)化作用貢獻(xiàn)顯著，從而使試料獲得了較高的強(qiáng)度。該熱處理制度下獲得的性能與表5所列國(guó)外進(jìn)口材料性能相比，強(qiáng)度水平略優(yōu)，塑性相當(dāng)。

提高時(shí)效溫度到670℃時(shí)，材料強(qiáng)度進(jìn)一步提高，但是塑性降低較快。當(dāng)降低時(shí)效溫度到610℃時(shí)，強(qiáng)度水平下降，塑性提高。而在650℃長(zhǎng)期時(shí)效熱處理后，材料的強(qiáng)化效果顯著增大，但是塑性急劇下降，延伸率已不能滿足技術(shù)使用要求。由于支撐筒運(yùn)行溫度在200℃以下，因此可不考慮運(yùn)行溫度對(duì)材料造成的時(shí)效影響。

表5 國(guó)外UNILOY 888材料性能

圖2 試樣組織照片

為確定組織內(nèi)強(qiáng)化相類型，進(jìn)行了XRD衍射分析，分析結(jié)果如圖3所示。

XRD衍射分析表明，UNILOY 888材料熱處理后其組織內(nèi)強(qiáng)化相主要為VC和 Cr23C6，同時(shí)還具有金屬間化合物Ni3V相。對(duì)于鐵基合金，各類碳化物強(qiáng)化作用不同，VC具有強(qiáng)時(shí)效硬化能力，M23C6次之，而且M23C6型碳化物傾向于晶界析出，時(shí)效硬化作用小[4]。因此UNILOY 888材料，是以晶粒內(nèi)彌散析出的VC強(qiáng)化為主，以晶界上點(diǎn)狀析出的Cr23C6為輔來(lái)強(qiáng)化的，即強(qiáng)化方式與GH 36相同，第1節(jié)的分析得以驗(yàn)證。

綜上所述，為使材料獲得綜合強(qiáng)韌性能，最終確定材料熱處理制度為1130-1150℃固溶、水冷，630～650℃時(shí)效、空冷，保溫時(shí)間視材料厚度而定，并且需控制時(shí)效保溫時(shí)間。

圖3 XRD衍射分析

4 結(jié)論

（1）UNILOY 888材料與GH 36化學(xué)成分相近，強(qiáng)化方式相同；

（2）對(duì)于支撐筒材料，最佳熱處理制度為：固溶溫度：1130～1150℃，冷卻方式：水冷；時(shí)效溫度：630～650℃，冷卻方式：空冷；

（3）650℃長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效，會(huì)引起材料塑性大幅降低，對(duì)于該溫度附近使用的材料應(yīng)考慮塑性下降問題。

[1] 崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1988.

[2]L.柯洛姆比,J.戈赫曼.不銹鋼與熱強(qiáng)鋼[M].中國(guó)工業(yè)出版社,1964.

[3] 許昌淦,周鹿賓.合金鋼與高溫合金[M].北京航空航天大學(xué)出版社,1993.

[4] 黃乾堯,李漢康,等.高溫合金[M].冶金工業(yè)出版社.2000.