Cr-Ni-Mo-V鋼反應(yīng)堆壓力容器大型鍛件的綜合熱處理

吳 慶

(江蘇核電有限公司,江蘇連云港 222042)

0 引言

當(dāng)前國(guó)際上壓水反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)方向是提高功率和60年運(yùn)行壽期，反應(yīng)堆壓力容器(Reactor Pressure Vessel，簡(jiǎn)稱RPV)向大型化發(fā)展，制造RPV需要大截面、大尺寸的鍛件，并要求鍛件具有良好的力學(xué)性能和優(yōu)良的抗輻照性能[1-2]，保證鍛件具有低初始臨界脆性轉(zhuǎn)變溫度(TK0)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，除了需要調(diào)整改進(jìn)材料的化學(xué)成分外，更重要的是需要制定出合適的鍛件熱處理工藝方案。

1 VVER型RPV材料性能

VVER型機(jī)組RPV材料采用Cr-Ni-Mo-V鋼鍛件(牌號(hào)15X2HMФA系列鋼)，分為法蘭段、接管區(qū)筒體段、支撐筒體段、堆芯筒體段和封頭。其中法蘭段鍛件厚度達(dá)480 mm，堆芯筒體段鍛件長(zhǎng)度為5 400 mm、內(nèi)徑4 250 mm，澆注重量415 t。該RPV設(shè)計(jì)壓力17.64 MPa，設(shè)計(jì)溫度350 ℃，設(shè)計(jì)壽命60 a，要求材料具有良好的力學(xué)性能和抗輻照脆化性能，而輻照脆化性能與材料的低溫脆-韌性指標(biāo)TK0密切相關(guān)，隨著對(duì)RPV運(yùn)行安全和延壽的要求提高，TK0的要求值也從2000年左右的-25 ℃，提高到目前的-45 ℃，后續(xù)還將提升至-55 ℃。這就要求鍛件在整個(gè)長(zhǎng)度截面上具有成分均勻、各向同性,以及貝氏體-馬氏體的細(xì)化晶粒組織。本文研究的15X2HMФA系列鋼鍛件的化學(xué)成分和力學(xué)性能要求分別見(jiàn)表1[3]和表2[3]。

表1 15Х2НМФА系列鋼鍛件的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 15Х2НМФА series steel forgings %

表2 15Х2НМФА系列鋼鍛件的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of 15Х2НМФА series steel forgings

2 需解決的熱處理工藝問(wèn)題

15X2HMФA系列鋼所需要的強(qiáng)度、塑性和韌性指標(biāo)不僅取決于其冶金質(zhì)量，材料的組織因素起決定性作用。鍛造不同截面會(huì)有不同的鍛造比,并且由于存在鍛造、沖壓等高溫加工工序，鍛件中高穩(wěn)定性過(guò)冷奧氏體容易保持其原始粗大晶粒狀態(tài)，因此粗大晶粒、晶粒取向、不等粒度等微觀組織形態(tài)，都會(huì)成為鍛件力學(xué)性能差、脆性斷裂傾向加劇、回火脆性敏感的原因。為了保證15Х2НМФА系列鋼鍛件達(dá)到需要的力學(xué)性能及抗輻照脆化性能，制定合適的熱處理工藝需要考慮以下因素：

(1)消除鍛件中的氫，避免氫致裂紋；

(2)通過(guò)預(yù)備熱處理，消除組織遺傳性，在整個(gè)鍛件截面獲得均勻細(xì)化晶粒的回火馬氏體組織，為后續(xù)的性能熱處理做好組織準(zhǔn)備；

(3)通過(guò)性能熱處理，獲得細(xì)化晶粒的貝氏體-馬氏體組織；

(4)選擇合適的回火參數(shù)，消除鍛件的回火脆性，以獲得所需要的綜合力學(xué)性能。

2.1 消除組織遺傳性，細(xì)化晶粒

大型鍛件制造期間經(jīng)受多次高溫加熱及鍛壓變形處理，會(huì)形成晶粒粗大的過(guò)熱組織，而且因不同截面的鍛造比不同，會(huì)產(chǎn)生明顯的不等粒度。15Х2НМФА鋼的TK與晶粒尺寸對(duì)數(shù)(ln(d/d0))之間呈線性關(guān)系(見(jiàn)圖1[4])，減小晶粒尺寸可以降低材料的初始TK0，進(jìn)而提高RPV的抗輻照性能，提高運(yùn)行壽命[4]。因此，需要保證鍛件在整個(gè)截面上是細(xì)化晶粒的均勻回火貝氏體-馬氏體組織[5-6]，晶粒度推薦不小于G5(按ГОСТ 5639—82檢測(cè))[3]。

Cr-Ni-Mo-V鋼有顯著的組織遺傳性[7-8]。在組織遺傳的作用下，15Х2НМФА系列鋼淬火階段的奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中通常不發(fā)生晶粒細(xì)化，而是奧氏體晶粒在α→γ→α相變后還原成原始形狀的粗大晶粒，并保持原始的結(jié)晶取向。某廠曾對(duì)VVER-1000型RPV兩個(gè)接管區(qū)筒體段進(jìn)行了粗大晶粒的組織遺傳試驗(yàn)，在沖壓過(guò)程中多次加熱到1 100～1 150 ℃時(shí)形成的粗大晶粒，即使經(jīng)過(guò)4次淬火，也無(wú)法使之細(xì)化，仍為粗大晶粒，強(qiáng)度無(wú)法滿足要求[8]。因此，為了得到細(xì)化晶粒組織，15Х2НМФА系列鋼的熱處理工藝必須首先避免組織遺傳。

圖1 TK與晶粒尺寸對(duì)數(shù)之間關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between TK and the logarithm ofgrain size

Cr-Ni-Mo-V鋼細(xì)化粗大晶粒的傳統(tǒng)工藝是多次正火，其缺點(diǎn)是熱處理周期長(zhǎng)。為了縮短熱處理周期，制定出更有效的等溫退火工藝，通過(guò)擴(kuò)散機(jī)理，在鐵素體-珠光體區(qū)間分解奧氏體，以消除組織遺傳的影響[9]，但該工藝不能完全消除15Х2НМФА系列鋼鍛件鍛造過(guò)程中反復(fù)高溫加熱和鍛造比不同而導(dǎo)致的粗大晶粒和不等粒度，也無(wú)法保證在整個(gè)截面上獲得均勻的細(xì)化晶粒組織[6]。通過(guò)采用膨脹測(cè)量方法進(jìn)行了該鋼奧氏體分解動(dòng)力學(xué)的研究，得出其АC1= 696 ℃，АC3= 805 ℃，鐵素體-珠光體轉(zhuǎn)變溫度范圍為630～710 ℃，其最大轉(zhuǎn)化率在690～710 ℃區(qū)間，同時(shí)由于合金元素減緩了擴(kuò)散過(guò)程，過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性增加，珠光體相變的孕育期變長(zhǎng)，根據(jù)擴(kuò)散機(jī)理，過(guò)冷奧氏體完全分解的時(shí)間為6～48 h[4,10]。因此，為了消除組織遺傳，15Х2НМФА系列鋼在預(yù)備熱處理階段采用兩次等溫退火工藝，可以消除過(guò)熱痕跡，獲得細(xì)化的鐵素體-珠光體組織。

(a)無(wú)預(yù)回火 (b)650 ℃回火10 h

(c)650 ℃回火50 h (d)650 ℃回火100 h

預(yù)備熱處理階段加入高溫回火，可以進(jìn)一步消除15Х2НМФА系列鋼的組織遺傳，糾正過(guò)熱組織殘余的粗大晶粒。文獻(xiàn)[11]中研究了高溫回火的效果，15Х2НМФА鋼按4種回火保持時(shí)間后得到的不同初始組織，再分別按890,950,1 050,1 150 ℃進(jìn)行加熱，保持時(shí)間從0.5～4 h后測(cè)定其晶粒尺寸，得出其奧氏體晶粒生長(zhǎng)曲線(見(jiàn)圖2[11])。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了可以通過(guò)預(yù)高溫回火糾正該鋼中的過(guò)熱粗大晶粒組織，650°С回火溫度下的最佳保持時(shí)間為10～50 h，后續(xù)的奧氏體化加熱最佳溫度控制在890～950 ℃之間[11]。

2.2 消氫處理

15Х2НМФА系列鋼熔煉階段真空化處理后液態(tài)金屬中氫含量略小于1.2ppm[3]。根據(jù)Fe-H相圖，氫在鋼中溶解度極小，在α-Fe中比γ-Fe中的溶解度更小，隨著溫度降低，過(guò)飽和的氫在鋼中的顯微孔隙中聚集并壓強(qiáng)增大，形成白點(diǎn)，因此,固溶于鋼中的氫是造成白點(diǎn)類氫脆的主要原因。

鍛件傳統(tǒng)的消氫工藝采用等溫退火，即在奧氏體化后緩冷到高于200 ℃，并連續(xù)在低于臨界溫度進(jìn)行幾次中間緩冷的等溫保持[12]。這種退火工藝周期較長(zhǎng)，為了縮短退火周期，對(duì)15Х2НМФА系列鋼鍛件的消氫，可采用提高奧氏體化后的冷卻速度、等溫退火與高溫回火相結(jié)合的模式。首先，鍛件在奧氏體最小穩(wěn)定化溫度之下等溫保持，過(guò)冷至250～300 ℃，目的是使奧氏體完全并快速地轉(zhuǎn)化為鐵素體-珠光體，使原子氫轉(zhuǎn)化為分子氫，聚集在微觀孔穴中并向鍛件表面擴(kuò)散；然后，鍛件第一次奧氏體化后，在拉出的爐排上再次冷卻到最小奧氏體穩(wěn)定化溫度區(qū)間，并進(jìn)行等溫保持，目的是使殘余奧氏體更完全分解，進(jìn)一步使分子氫擴(kuò)散至鍛件表面；高溫回火作為最終消氫工序，實(shí)現(xiàn)鍛件最大程度的消氫[6]。

2.3 弱化回火脆性

15Х2НМФА系列鋼含有P,Sb,Sn等雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)在晶界處偏析而導(dǎo)致晶間內(nèi)聚力減弱，因此具有回火脆性。減少鋼中雜質(zhì)元素含量、細(xì)化晶粒都可以顯著減少Cr-Ni-Mo-V鋼的回火脆性；另外，在性能熱處理階段，通過(guò)提高高溫回火后的冷卻速度也可以削弱回火脆性[13]。冷卻速度可以根據(jù)Cr-Ni-Mo-V鋼中P,Ni元素濃度來(lái)確定。按照確保最小可接受ΔTk位移值不大于極限ΔTK值(≤50 ℃)的原則，建立了P,Ni元素濃度與冷卻速度之間的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖3[13])。根據(jù)圖3，對(duì)于Ni含量為1%～1.5%的15Х2НМФA鋼，在P濃度分別為：≤0.010%,0.010%～0.012%,0.012%～0.014%,0.014%～0.016%,0.016%～0.02%時(shí)，大型鍛件回火后中心部位的最小允許冷卻速率分別為2.5,5,10,20,40 ℃/h。

圖3 15Х2НМФA鋼在650 ℃回火后臨界冷卻速率V回火與P，Ni含量的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between critical cooling rate Vtempering and Pand Ni content of 15Х2НМФA steel after tempering at 650 ℃

3 工業(yè)化綜合熱處理工藝

經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究，形成了15Х2НМФА系列鋼工業(yè)化生產(chǎn)綜合熱處理工藝，該工藝包含兩個(gè)階段：預(yù)備熱處理和性能熱處理。預(yù)備熱處理所獲得的先前組織對(duì)性能熱處理后形成的最終細(xì)化晶粒組織起重要作用；性能熱處理采用單次淬火，為了保證獲得更好的韌性，在淬火之前增加了正火和等溫退火工序。

3.1 預(yù)備熱處理

預(yù)備熱處理工藝曲線見(jiàn)圖4。

圖4 預(yù)備熱處理工藝曲線Fig.4 Preliminary heat treatment process curve

(1)合裝待料①：在最小奧氏體穩(wěn)定化溫度(680～700 ℃)下進(jìn)行，使奧氏體完全并快速地轉(zhuǎn)化為鐵素體-珠光體，做好晶粒細(xì)化的組織準(zhǔn)備，同時(shí)使鍛件中的原子氫擴(kuò)散。

(2)第一次奧氏體化：過(guò)冷②至250～300 ℃，將鍛件進(jìn)行第一次奧氏體化加熱③，其對(duì)應(yīng)于奧氏體再結(jié)晶溫度(比AC3高130～160 ℃)，以細(xì)化晶粒。

(3)等溫退火：在拉出的爐床上冷卻，進(jìn)行等溫退火保持④12～20 h，對(duì)應(yīng)于最小奧氏體穩(wěn)定化溫度，以進(jìn)一步通過(guò)γ→α轉(zhuǎn)變消除鍛件中的氫，并使在階段③中形成的再結(jié)晶奧氏體小晶粒內(nèi)出現(xiàn)鐵素體組織而使晶粒進(jìn)一步細(xì)化；最后在拉出的爐排上冷卻至250～300 ℃⑤。

(4)高溫回火⑥：在比AC1低20～50 ℃的溫度下進(jìn)行，松弛熱應(yīng)力，分解殘余奧氏體，使分子氫向微孔表面和鍛件表面擴(kuò)散。

3.2 性能熱處理

性能熱處理工藝曲線見(jiàn)圖5。

圖5 性能熱處理工藝曲線Fig.5 Properties heat treatment process curve

表3 某核電工程部分RPV鍛件熱處理后鍛件力學(xué)性能參數(shù)Tab.3 Mechanical properties of some RPV forgings after heat treatment in a nuclear power project

(1)第二次奧氏體化⑦：加熱至奧氏體再結(jié)晶溫度(比AC3高130～160 ℃)，以消除預(yù)熱處理后殘留的不等粒度晶粒，細(xì)化晶粒。

(2)等溫退火⑧：二次奧氏體化后，采用等溫保持，在最小奧氏體穩(wěn)定化溫度下保持12～20 h，通過(guò)奧氏體→鐵素體+珠光體轉(zhuǎn)變使晶粒細(xì)化。

(3)淬火⑨：第三次奧氏體化在高于AC3溫度110～140 ℃下進(jìn)行，以限制奧氏體晶粒的生長(zhǎng)，最大程度地溶解碳化物相，并獲得所需的奧氏體合金化程度，提高工件的淬透性。淬火后形成細(xì)化晶粒的均勻貝氏體組織。

(4)高溫回火⑩：在640～660 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行，保證鍛件具有需要的強(qiáng)度和韌性，并提供焊接和返修后進(jìn)行補(bǔ)充工藝性回火的裕量。

3.3 結(jié)果分析

采用上述綜合熱處理工藝生產(chǎn)的某核電站RPV鍛件力學(xué)性能見(jiàn)表3?？梢钥闯觯?5Х2НМФА系列鋼鍛件的力學(xué)性能和韌性指標(biāo)都能滿足要求，部分鍛件TK0值非常優(yōu)異。

表3列出了兩個(gè)鍛件制造廠的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)工廠鍛件的晶粒度相差不大，而其中一個(gè)廠的TK0指標(biāo)更為優(yōu)異，這與該廠采用的常年恒溫水有關(guān)，并且強(qiáng)制循環(huán)換水淬火的效果要好于另一個(gè)廠。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)工業(yè)化生產(chǎn)的結(jié)果可以證明，該綜合熱處理工藝能保證15Х2НМФА系列鋼在鍛件的整個(gè)橫截面上提供細(xì)化晶粒的均勻組織，消除鍛件在橫截面和高度方向的不均勻性，提供滿足設(shè)計(jì)需要的力學(xué)性能，并提高材料的韌性，降低初始TK0值，減少ΔTK。

但根據(jù)兩個(gè)廠以往的制造經(jīng)驗(yàn)，采用該熱處理工藝的15Х2НМФА系列鋼鍛件并不能總是保證鍛件TK0值達(dá)到一致低的水平，個(gè)別鍛件的TK0僅能達(dá)到-40 ℃水平。出現(xiàn)這種情況可能與Cr-Ni-Mo-V鋼過(guò)冷奧氏體的高穩(wěn)定性有關(guān)，在550～720 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，其分解程度與過(guò)熱程度、等溫保持時(shí)間、組織遺傳、奧氏體分解產(chǎn)物亞穩(wěn)態(tài)比例、對(duì)合金化、熔煉、鍛造等程度的敏感性，以及各種雜質(zhì)都存在關(guān)聯(lián)，同時(shí)也與鍛件的幾何和截面尺寸密切相關(guān)。因此，針對(duì)不同的鍛件，需要對(duì)其熱處理工序中的過(guò)冷和回火次數(shù)、冷卻速度，以及奧氏體化、過(guò)冷和回火的保持溫度和時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。