黃璐 張?zhí)鞄?/p>

摘? ?要：文章主要研究應(yīng)變速率對(duì)IN690高溫合金熱變形特性的影響，使用Gleeble-3500熱力模擬試驗(yàn)機(jī)，通過對(duì)熱加工溫度范圍為950～1 100℃、應(yīng)變速率為0.01～1.00 s-1等的溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)的研究，了解該合金的熱變形行為。發(fā)現(xiàn)流變應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率變化敏感，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是主要的軟化機(jī)制;絕熱溫升使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程與應(yīng)變速率密切相關(guān);應(yīng)變速率對(duì)熱變形過程中的非連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶具有顯著影響;通過數(shù)值模擬IN690擠壓過程的微觀結(jié)構(gòu)，獲得在不同工藝條件下的晶粒平均尺寸和動(dòng)態(tài)結(jié)晶的相關(guān)變化規(guī)律。當(dāng)擠壓速度和擠壓比一定時(shí)，溫度升高，晶粒的平均尺寸增大，晶粒增大，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶面積變大;當(dāng)擠壓速度和擠壓溫度一定時(shí)，擠壓比增大，平均晶粒尺寸減小，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶面積增大。在管壁厚度方向，內(nèi)壁到外壁晶粒平均尺寸的規(guī)律是先增長后降低。

關(guān)鍵詞：IN690高溫合金;熱力模擬;熱變形;數(shù)值模擬;熱擠壓

熱能生產(chǎn)是一種經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、清潔的新能源。人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到其效益和重要性，對(duì)熱能的開發(fā)利用和使用安全也日益成熟，人類社會(huì)生存和發(fā)展的必然趨勢(shì)就是利用核電進(jìn)行生產(chǎn)。由于世界經(jīng)濟(jì)快速增長，能源有限，能源消耗高，發(fā)展熱能生產(chǎn)具有更加重要的戰(zhàn)略意義。中國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，需要加快熱能生產(chǎn)的發(fā)展，落實(shí)熱能生產(chǎn)設(shè)備的選址。保護(hù)環(huán)境，保障經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。江蘇、浙江、廣東等地相繼建成多座火力發(fā)電廠，為我國能源供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

1? ? 關(guān)于熱力發(fā)電用耐熱合金熱變形性能的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)末以來，國外科學(xué)家已對(duì)IN690進(jìn)行了大量研究，并進(jìn)行了規(guī)?；a(chǎn)[1]。但在生產(chǎn)保密性等因素影響下，國外公開文獻(xiàn)中基本上是關(guān)于優(yōu)化后的化學(xué)成分設(shè)計(jì)以及解決熱老化的人工處理過程的研究，對(duì)于有關(guān)工藝參數(shù)方面的報(bào)道很少。

在IN690合金的國產(chǎn)化方面，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，并取得一定成果。王彬等[2]研究了高溫?zé)嶙冃喂倘芴幚韺?duì)IN690合金微觀組織的影響，得到了固溶溫度對(duì)合金晶粒尺寸以及碳化物的影響;朱紅等[3]基于試驗(yàn)方法，研究了固溶溫度對(duì)IN690性能和組織的影響，得到了固溶溫度對(duì)IN690合金硬度、晶粒度和析出相的影響規(guī)律;王彬等[4]基于Gleeble-3800熱模擬實(shí)驗(yàn)，研究了IN690合金在高速熱變形過程中微觀組織演變機(jī)制，得到了IN690合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸以及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的演變規(guī)律;呂亞臣等[5]基于熱加工圖，對(duì)IN690合金擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，得到了合理變形參數(shù)以及需避免變形參數(shù)的范圍;王忠堂等[6]基于數(shù)值分析技術(shù)，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)IN690合金成形過程的影響，對(duì)擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行了具體的優(yōu)化。

關(guān)于國產(chǎn)化生產(chǎn)的IN690合金，四川長城特鋼和上海寶山鋼鐵有限公司先后引進(jìn)了特種擠壓設(shè)備，建設(shè)了核鎳基耐腐蝕管材生產(chǎn)基地。其中，2004年，四川長城特鋼對(duì)IN690合金進(jìn)行了研究、開發(fā)，并制備出樣品管材;2007年，寶銀特種鋼管公司建立了我國第一個(gè)傳熱管用IN690合金U型管生產(chǎn)基地，雖然制造出了樣品管材，但與國外先進(jìn)水平相比，仍存在許多的不足，例如產(chǎn)量低、廢渣多、質(zhì)量穩(wěn)定性差等。所以，目前還未應(yīng)用于壓水堆核電站的建設(shè)。2007年，經(jīng)過研究人員的不懈努力，北方重工集團(tuán)終于研制出360 MN重型立式擠出機(jī)，不僅達(dá)到了世界一流水平，還使我國的總體設(shè)計(jì)達(dá)到了更高的水平。

2? ? 擬重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)

本文研究開發(fā)熱力發(fā)電蒸汽發(fā)生器傳熱管新型奧氏體不銹鋼材料熱加工性能，通過物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合，研究熱擠壓制柸與冷軋工藝，填補(bǔ)國內(nèi)熱力發(fā)電蒸汽發(fā)生器傳熱管用關(guān)鍵管材熱加工工藝參數(shù)研究的空白。通過材料、工藝的系統(tǒng)研究打破國外對(duì)于相關(guān)工藝的壟斷。

熱能生產(chǎn)發(fā)展必須符合我國國情，走本土化的道路，要加強(qiáng)自主設(shè)計(jì)設(shè)備的獨(dú)立管理和選址。熱能生產(chǎn)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力主要取決于自身的熱能生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。選址是降低熱能生產(chǎn)成本、提高熱能生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵，在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)、加強(qiáng)自主開發(fā)的基礎(chǔ)上，把熱能生產(chǎn)建設(shè)定位，是加速我國熱力發(fā)電發(fā)展的根本出路。就設(shè)備的安全性、可靠性來說，蒸汽發(fā)生器傳熱管材料及其制備是關(guān)鍵之一。擬重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下兩個(gè)方面。

（1）通過物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合，確定材料最佳加工工藝。

（2）利用Deform-3D軟件，模擬相關(guān)熱擠壓過程，為實(shí)際工藝生產(chǎn)節(jié)省成本，提高效率。

3? ? 新型熱力發(fā)電用奧氏體不銹鋼材料實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析

以自主創(chuàng)新和技術(shù)國產(chǎn)化為目標(biāo)，開發(fā)新材料及其制造技術(shù)。結(jié)合國外熱力發(fā)電所用材料的應(yīng)用研究和國內(nèi)外材料科學(xué)的最新成果及我國多年來的研究成果，按ASME規(guī)范和我國有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，研究開發(fā)新型熱力發(fā)電用奧氏體不銹鋼材料。

（1）試驗(yàn)方案：為了消除IN690合金中析出相的影響，必須先對(duì)毛料進(jìn)行固溶處理，而且必須在1 150 ℃下處理5 min。本實(shí)驗(yàn)利用Gleeble-3800熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)，在預(yù)先設(shè)定的變形溫度和壓力速度下，進(jìn)行恒溫、恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)。

為了使材料均勻變形，減少摩擦給應(yīng)力狀態(tài)帶來的影響，壓縮前在圓筒兩端加入石墨鉭片，其主要作用是潤滑，并通過在試樣表面焊上熱電偶來補(bǔ)償試樣表面溫度的變化。升溫速率選擇的是5 ℃/s，當(dāng)達(dá)到理想溫度時(shí)，溫度保持3 min，然后開始變形。選擇的變形溫度分別為952 ℃，1 000 ℃，1 050 ℃和1 100 ℃;應(yīng)變速率?分別為0.01 s-1，0.10 s-1，0.50 s-1，1.00 s-1，最大變形量為55%。

（2）可行性：研究思路與方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案在以往的研究過程中都已經(jīng)實(shí)施過，所用的儀器設(shè)備已具備，課題研究方案完全可行。

4? ? 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）熱模擬技術(shù)是科學(xué)研究的重要方法和工具。在實(shí)驗(yàn)過程中，通常利用一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)中縮小比例，再現(xiàn)加工過程中的熱力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)并獲取熱加工過程中性能和材料結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在加工過程中產(chǎn)生的問題，不僅可以節(jié)省大量成本、時(shí)間和精力，還可以精確地測(cè)量和控制所需的參數(shù)。

（2）程序的處理對(duì)象是一個(gè)復(fù)雜的三維零件，將材料成形、熱管理和加工設(shè)備特性的數(shù)值模擬分析結(jié)合起來，適用于熱、溫、冷加工，輸出材料的順序和設(shè)備的負(fù)荷、應(yīng)力、溫度等數(shù)據(jù)等進(jìn)行工藝分析。

5? ? 結(jié)語

本文研究應(yīng)變速率對(duì)IN690高溫合金熱變形特性的影響，通過物理模擬與數(shù)值模擬，研究該合金的熱變形行為，開發(fā)熱力發(fā)電蒸汽發(fā)生器傳熱管新型奧氏體不銹鋼材料熱加工性能，填補(bǔ)國內(nèi)熱力發(fā)電蒸汽發(fā)生器傳熱管用關(guān)鍵管材熱加工工藝參數(shù)研究的空白，對(duì)打破國外對(duì)于相關(guān)工藝的壟斷具有重要意義。

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