一種提高析出強化奧氏體耐熱鋼中特殊晶界比例的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明適用于彌散析出相強化的奧氏體耐熱鋼以及面心立方（Face Centered Cubic, fee)結(jié)構(gòu)的金屬與合金。尤其為奧氏體耐熱鋼中低XCSL(Coincidence Site Lattice, CSL)特殊結(jié)構(gòu)晶界含量的提高，提供了一種技術(shù)方法，本發(fā)明屬變形與熱處理技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)展?jié)崈簟⒏咝У牡贗V代超臨界水冷概念堆和超超臨界火力發(fā)電系統(tǒng)，對降低CO2排放、緩解能源危機具有重要意義。高溫高壓含水蒸汽的服役環(huán)境對材料的高溫耐蝕性和 熱強性提出了更高要求。目前，奧氏體耐熱鋼通常以彌散析出相提高其高溫力學(xué)性能。但 是，奧氏體耐熱鋼在中子輻照、更高溫度及苛刻腐蝕介質(zhì)的協(xié)同作用下，其抗輻照能力、耐 腐蝕性能，尤其在超臨界水中的耐蝕性仍有待進一步提尚。奧氏體耐熱鋼的抗福照能力及 高溫高壓中的耐蝕性與其顯微組織中晶界結(jié)構(gòu)類型及分布密切相關(guān)。因此，可以通過提高 特殊晶界比例的方法，優(yōu)化和改善奧氏體耐熱鋼與晶界有關(guān)的性能，如晶界擴散、輻照腫 脹、偏聚、敏化和腐蝕等。
[0003] 在多晶體材料中，晶粒間是以晶界為界面的，有些晶界的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)不同于 自由大角晶界，原子重合幾率相對較大，排列的規(guī)律性較高，晶界能量較低，稱為低 XCSL(X〈29)的晶界。1984年，日本學(xué)者Watanabe首次提出了"晶界設(shè)計與控制"的說法。 1995年，Lin等人通過進一步研究，將其發(fā)展為"晶界工程"概念。目前，晶界工程已經(jīng)成為 一種廣泛可彳丁的提尚材料耐晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、提尚懦變強度、尚溫氧化等性能的有效途 徑。通過合理的熱機械處理可以有效設(shè)計和控制材料的晶界分布。主要有形變再結(jié)晶和形 變退火：（1)在小于10%的變形后，進行低于再結(jié)晶溫度長時間（幾十小時）退火；（2) 10~ 40%的變形后，進行高于再結(jié)晶溫度的短時間（5~60min)退火，并重復(fù)進行3~7次。這 兩種工藝多用于304,316奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鉛合金等金屬材料，在形成退火孿晶的 基礎(chǔ)上，提高低SCSL晶界含量。Engelberg等在研究304型不銹鋼的變形歷史對后續(xù)變 形量的影響時發(fā)現(xiàn)，在單道次變形量為5% /1050°C /Ih時獲得較高百分?jǐn)?shù)的Σ 3晶界和二 級、三級孿晶界。而在二步大應(yīng)變量分別為30%和82%，卻沒有得到期望的低XCSL晶界 含量。Fang等對304奧氏體不銹鋼的研究表明，小變形量（6%~10% )樣品在1173K進行 長時間（2~96h)退火，可增加特殊晶界的比例，并有效阻斷一般大角晶界網(wǎng)絡(luò)的連通性， 提高材料的晶間腐蝕抗力。Kumar等認(rèn)為在退火過程中，不同變形量（50~80% )的304L 奧氏體不銹鋼，Σ 3特殊晶界的產(chǎn)生過程不同。Sekine觀察了晶界工程控制的PNC316中的 CSL晶界分?jǐn)?shù)達(dá)到86%，晶界網(wǎng)被隔斷，在700°C時效IOOh后，晶界網(wǎng)沒有明顯變化，具有很 低的輻照腫脹速率。
[0004] 但是，對于高溫力學(xué)性能和組織穩(wěn)定性更為優(yōu)異的310級奧氏體耐熱鋼中晶界工 程設(shè)計的研究，鮮見報道。由于高Cr、高Ni及強碳化物形成元素的添加，使得其后續(xù)退火過 程中生成析出相，消耗應(yīng)變儲存能，抑制再結(jié)晶的發(fā)生，特殊晶界含量不易提高。因此，本發(fā) 明提出一種增加應(yīng)變儲存能的中等室溫變形及后續(xù)尚溫再結(jié)晶退火的方法，提尚特殊結(jié)構(gòu) 晶界含量，從而提高改進310奧氏體耐熱鋼的與晶界相關(guān)的性能。本發(fā)明采用的工藝方法， 具有簡便易行、節(jié)能減耗的優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明中解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)中未考慮析出與再結(jié)晶的競爭過程， 析出過程消耗系統(tǒng)能量，使用于再結(jié)晶的能量減少，再結(jié)晶滯后，現(xiàn)有的晶界工程設(shè)計方法 的實施效果欠佳。本發(fā)明提供了一種實用性強，組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，提高析出強化奧氏體耐熱鋼 中特殊晶界含量的有效方法，以進一步優(yōu)化奧氏體耐熱鋼的耐腐蝕和抗輻照腫脹性能。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：以添加強碳化物形成元素的高Cr高Ni奧氏體耐熱 鋼的熱乳鋼板為材料，材料成分為（wt. %) :C不大于0.1 ;Si:0. 2~0. 8;Mn:0~1.6; Cr: 15 ~26 ;Ni : 16 ~28 ;Mo :0 ~3 ;Ti:0 ~0.5 ;W:0 ~0.5 ;Zr:0 ~0.5 ;V:0 ~0.5 ;P 不 大于0. 02 ;S不大于0. 015 ;余量為F。提高其特殊晶界比例的變形熱處理方法：包括固溶、 冷乳和退火。其主要特征在于如下步驟： (1) 固溶處理：由于合金含量較高，為了順利實現(xiàn)室溫變形，需在更高溫下進行固溶處 理。在1150~1300°C的溫度范圍內(nèi)，保溫20~60min，然后淬水； (2) 冷乳：在室溫下，對固溶處理后的鋼板進行中等變形量的乳制，變形量范圍為20~ 60 %，控制單道次壓下量不低于15% ; (3) 退火：在1100~1250Γ的溫度范圍內(nèi)，同一溫度分不同周期進行退火，第一周期是 保溫20min然后淬水，第二周期是在該溫度下保溫20min淬水后，再保溫40min后淬水。第 三周期是在第二周期基礎(chǔ)上，再在該溫度下保溫退火60min后淬水，以此類推。周期性退火 工藝過程示意圖詳見圖1。
[0007] 所述步驟（1)優(yōu)選在1180~1250°C下保溫25~40min，水冷至室溫。
[0008] 所述步驟（2)中的冷乳壓下量優(yōu)選為30~40%，兩道次完成。
[0009] 所述步驟（3)優(yōu)選在1150~1230°C下，進行1~2個周期的退火，水冷至室溫。 [0010] 所述步驟（1)和（3)中分兩段加熱，室溫~800°C的升溫速度不大于10°C /min ; 800°C~目標(biāo)溫度的升溫速率為15~25°C /min。
[0011] 本發(fā)明的優(yōu)點是： (1) 本發(fā)明主要針對含有穩(wěn)定化元素的奧氏體耐熱不銹鋼，或具有廣闊應(yīng)用前景的核 電及超超臨界電站用高性能奧氏體耐熱鋼。通過合適的變形熱處理工藝，控制晶界類型，低 Σ CSL晶界含量在80 %以上，從而進一步優(yōu)化奧氏體耐熱鋼的高溫性能，尤其是耐氧化性、 腐蝕性能以及抗中子輻照腫脹的能力； (2) 在析出強化奧氏體耐熱鋼中，為了實現(xiàn)退火過程的再結(jié)晶并提高特殊晶界比例，本 發(fā)明的采用中等變形量的室溫乳制變形，增加累積位錯及應(yīng)變儲存能，并在更高溫度下進 行退火； (3) 本發(fā)明在退火過程中采用循環(huán)性的周期退火過程，避免在高溫保溫過程中，晶粒尺 寸的長大，從而實現(xiàn)優(yōu)化顯微結(jié)構(gòu)和提高特殊晶界含量的目的。本發(fā)明中采用的工藝方法， 不需要長時間保溫，也不需要進行循環(huán)多次的冷變形，此方法更為簡便，具有可操作性強， 兼具節(jié)約時間和成本的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明周期性循環(huán)退火的工藝示意圖 圖2為本發(fā)明實例1的特殊晶界分布圖 圖3為本發(fā)明實例2的特殊晶界分布圖 圖4為本發(fā)明實例3的特殊晶界分布圖
【具體實施方式】
[0013] 為了進一步闡明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面通過具體實例進行說明。
[0014] 實施例1對熱乳態(tài)的改進型310奧氏體耐熱鋼進行晶界優(yōu)化處理，其名義化學(xué)成 分為：25Cr，20Ni，0. lC，0Mn，2.0Mo,0.65Si，(X2Ti，(X2Zr，(X 15W，0. 15V,熱乳態(tài)的平均晶 粒尺寸為30 μ m。
[0015] 第一步，在1200°C下，保溫40min，然后在兩輥乳機上進行室溫乳制變形，變形量 為30%，兩道次完成；第二步，在1120°C下，保溫20min后淬水冷卻至室溫，然后在1120°C 下再保溫40min，淬水冷卻至室溫；第三步，對處理后的試樣進行點解拋光和EBSD測試，用 HKL-Channel 5軟件分析，不同晶界含量如表1所示，Σ < 29特殊晶界含量達(dá)86. 24% ;其 分布如圖2所示。
[0016] 實施例2采用上述（1)~（3)的方法，試樣在1230Γ溫度保溫30min固溶后，進行 40%的室溫冷乳。隨后在1150Γ進行2個周期的再結(jié)晶退火。對其組織進行EBSD觀察，借 助HKL-Channel 5軟件對EBSD圖片進行分析，結(jié)果如圖3所示。不同特殊晶界的分布較為 均勻，其含量Σ <29的晶界含量為83. 15% (見表1，各實例鋼的不同晶界含量（數(shù)量比 例，％))〇
[0017] 實施例3根據(jù)上述方法，對改進型310不銹鋼進行晶界優(yōu)化處理。實施鋼的名義 化學(xué)成分為：Fe-25Cr-20Ni-0. 2T-0. 2Zr-0. 1W-0. 15V-2. OMn-O. 65Si-0. lC(wt. % )，試樣 在1250°C溫度保溫40min固溶后，進行50%的室溫冷乳。隨后在1200°C進行I個周期的再 結(jié)晶退火。對其組織進行EBSD觀察，結(jié)果如圖4所示。顯微組織的均勻性較好，不同晶界 類型的數(shù)量百分比總和較高，達(dá)86. 33%。
[0018] 表 1
【主權(quán)項】
1. 一種提高析出強化奧氏體耐熱鋼中特殊晶界比例的方法：包括固溶、冷乳和退火， 其主要特征在于如下步驟： 步驟一、固溶處理： 由于合金含量較高，為了順利實現(xiàn)室溫變形，需在更高溫下進行固溶處理； 在1150~1300°C的溫度范圍內(nèi)，保溫20~60min，然后淬水； 步驟二、冷乳： 在室溫下，對固溶處理后的鋼板進行中等變形量的乳制，變形量范圍為20~60%，控制 單道次壓下量不低于15% ; 步驟三、退火： 在1100~1250°C的溫度范圍內(nèi)，同一溫度分不同周期進行退火，第一周期是保溫 20min然后淬水，第二周期是在該溫度下保溫20min淬水后，再保溫40min后淬水；第三周 期是在第二周期基礎(chǔ)上，再在該溫度下保溫退火60min后淬水，以此類推。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高析出強化奧氏體耐熱鋼中特殊晶界比例的方法：其 特征在于所述步驟一中：在1180~1250°C下保溫25~40min，水冷至室溫。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高析出強化奧氏體耐熱鋼中特殊晶界比例的方法：其 特征在于所述步驟二中的冷乳壓下量的特征在于：在室溫進行乳制，壓下量為30~40%，控 制單道次壓下量不低于15%。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高析出強化奧氏體耐熱鋼中特殊晶界比例的方法：其 特征在于所述步驟三：在1150~1230°C下，進行1~2個周期的退火，水冷至室溫。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高析出強化奧氏體耐熱鋼中特殊晶界比例的方法： 其特征在于所述步驟一和三中的升溫過程：分兩段加熱，室溫~800°C的升溫速度不大于 10°C/min;800°C~目標(biāo)溫度的升溫速率為15~25°C/min。
【專利摘要】本發(fā)明屬于析出強化奧氏體耐熱鋼領(lǐng)域，涉及一種提高析出強化奧氏體耐熱鋼中特殊晶界比例的方法。優(yōu)化處理工藝包括固溶、冷軋和退火。其特征在于，先經(jīng)1150～1300℃保持20～60min的固溶處理；再進行變形量為20～60%室溫軋制，單道次壓下量不低于15%，隨后在1100～1250℃的溫度下，進行周期性短時退火，水冷。經(jīng)過優(yōu)化處理后，析出強化奧氏體耐熱鋼顯微組織中特殊晶界分布均勻，比例高于80%。本發(fā)明通過增加室溫變形量提高應(yīng)變儲存能，促進析出強化奧氏體鋼中再結(jié)晶的發(fā)生，從而提高析出強化型高Cr高Ni奧氏體耐熱鋼中特殊晶界比例，優(yōu)化其與晶界相關(guān)的性能，尤其是耐腐蝕性和抗輻照腫脹能力。
【IPC分類】C22C38/50, C22C38/46, C22C38/58, C22C38/40, C21D8/02, C21D6/00, C22C38/44
【公開號】CN105177262
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】孫紅英, 周張健, 何強, 楊海杰, 王志剛, 翟雁, 來彥玲, 段非, 劉嵩, 楊建軍, 廉萌萌
【申請人】安陽工學(xué)院
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年9月25日