316LN奧氏體不銹鋼波動管超聲檢測無底波原因分析及改善

周　旭

(國核工程有限公司，上海200233)

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316LN奧氏體不銹鋼波動管超聲檢測無底波原因分析及改善

周旭

(國核工程有限公司，上海200233)

對316LN奧氏體不銹鋼波動管超聲檢測無底波的原因進行了分析，確定晶粒狀態后對鍛件進行了均質熱處理來改善組織性能，從而有效實施產品超聲檢測。

AP1000；316LN波動管；超聲檢測；熱處理工藝

AP1000第三代先進壓水堆核電站穩壓器波動管材料為316LN鉻鎳系奧氏體不銹鋼。AP1000波動管設計要求波動管采用316LN鍛件一體成型且產品交貨狀態晶粒度為1.8級或更細。316LN奧氏體不銹鋼沒有同素異晶轉變，無法通過熱處理細化，因此，需要通過鍛造獲得細小晶粒和改善組織性能。由于316LN的鍛造區間窄，鍛造過程中較難精確控制溫度范圍，易造成粗晶、混晶，一旦在超聲檢測環節發現粗晶、混晶，則以報廢處理，造成嚴重損失。本文通過對粗晶造成超聲檢測無底波的不合格波動管鍛件進行理化分析，確定粗晶狀態以及制訂均質化補救措施，使鍛件晶粒均勻化，可有效實施超聲檢測。

1　試驗方案

1.1降低超聲檢測頻率

首先，降低超聲波探頭頻率，將常用頻率2 MHz降為1 MHz或0.5 MHz，發現在低頻率下底波恢復且材料內部沒有缺陷波信號反射。因此，可初步分析無底波的原因不是裂紋、夾雜物等材料冶金缺陷，而是由粗晶、混晶原因導致。

1.2無底波區域掏棒取樣

在超聲檢測無底波區域套取了一根?25 mm×工件壁厚的試棒(見圖1)，切成等高的金相試樣數塊，進行非金屬夾雜物、晶粒度觀察。

圖1　超聲檢測無底波區域掏棒取樣示意圖

1.3均質熱處理工藝試驗

根據金相觀察結果，將試樣按照表1的工藝進行均質熱處理工藝試驗，對混晶區域粗大的晶粒進行細化并使細小的晶粒長大。試驗后觀察金相組織，再進行一次固溶處理后又觀察金相組織，固溶處理工藝為1 060℃保溫4 h水冷。為進行對比，取相同數量的固溶態試樣共同處理。

表1　均質熱處理工藝

1.4超聲檢測

根據熱處理工藝試驗結果，對報廢波動管進行熱處理，在熱處理后按照相同的超聲檢測規程進行檢測。

1.5力學性能試驗

取波動管縱向、徑向和切向試樣進行不同熱處理后，按照ASTM標準進行室溫、高溫和晶間腐蝕性能檢測。

2　試驗結果

2.1金相檢測結果

將所有試樣進行磨制拋光后觀察，按照ASTM E45進行非金屬夾雜物評級，其A、B、C、D四類非金屬夾雜物均未超過0.5級。采用硝酸水溶液電解腐蝕后觀察，所有試樣上均存在明顯的混晶，粗大的晶粒占據了大部分面積，在粗大晶粒中存在明顯的滑移線。細小的晶粒尺寸十分細小，為動靜態再結晶剛完成的晶粒，還未充分長大。金相檢測結果見圖2。

圖2　無底波區域試棒金相檢測結果

2.2均質熱處理工藝試驗結果

對均質熱處理后的金相試樣磨制拋光后，用硝酸水溶液電解腐蝕后的金相組織見圖3。從圖3看到，經800℃處理后的試樣金相組織沒有變化；經1 000～1 060℃處理的試樣發生了明顯變化，大晶粒變小，原先細小的晶粒也長大，使得晶粒整體變得均勻、細小。而原先經過固溶處理的試樣再次經過均質熱處理工藝后，晶粒尺寸沒有變化，見圖4。均質熱處理后的試樣再次經過固溶處理后，800℃處理后試樣的晶粒變得均勻細小，而其他幾個試樣的晶粒度沒有明顯變化，見圖5。對比圖3和圖5可以看出，經過均質熱處理+固溶處理的試樣，晶粒度較固溶熱處理前略有長大。固溶態試樣經過均質熱處理+固溶處理后，晶粒度也是略有長大，見圖6。

(a)800℃

(b)1 000℃

(c)1 040℃

(d)1 060℃

(a)固溶態　　(b)熱處理后(1060℃)

(a)800℃×1h+1060℃×1h　(b)1000℃×1h+1060℃×1h　(c)1040℃×1h+1060℃×1h　(d)1060℃×1h+1060℃×1h

(a)固溶態　　　　(b)熱處理后

2.3超聲檢測試驗結果

根據均質熱處理試驗結果，將檢測無底波的波動管管段在1 000～1 060℃之間進行一次均質熱處理，再次進行超聲檢測，檢測結果滿足標準要求，說明鍛件內部的晶粒尺寸和均勻性得到了充分的改善。

2.4力學性能測試結果

對鍛件原始態、均質熱處理態(一次熱處理)和均質熱處理+固溶熱處理態的試樣分別進行縱向、徑向和切向的室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗(每個方向做兩拉)以及晶間腐蝕試驗(每個方向做兩個試樣)。試驗結果見圖7和圖8。從圖7和圖8看出，鍛態的室溫和高溫屈服強度最高，抗拉強度略高，均質熱處理態和均質熱處理態+固溶處理態二者的力學性能接近，且各個方向的力學性能值均滿足標準要求。圖7和圖8中黑線為標準要求值，A表示試樣取自檢測合格區，D表示試樣取自檢測不合格區。

2.5晶間腐蝕試驗結果

按照ASTM A262 E法對不同熱處理狀態的材料進行了晶間腐蝕試驗，試驗結果均滿足要求。試樣不同狀態晶間腐蝕試驗結果見圖9。

圖7　試樣不同狀態的常溫力學性能強度對比

圖8　試樣不同狀態的高溫力學性能對比

(a)鍛態試樣

(b)一次熱處理態試樣

(C) 一次熱處理+固溶態試樣

3　分析與討論

奧氏體晶粒的長大是一種熱激活、擴散與界面反應控制的物理冶金過程，主要表現為晶界遷移。鋼在加熱過程中奧氏體化后，在奧氏體晶界凈驅動壓力的作用下發生晶界遷移，導致晶粒長大。因此，加熱溫度對晶粒長大的影響實質上是對鋼中晶界處原子跨越晶界擴散過程的影響。根據相關試驗結果，奧氏體平均晶粒尺寸的變化與加熱溫度存在著密切關系。隨著加熱溫度的升高，平均晶粒尺寸先緩慢增大，當溫度達到1 150℃后，晶粒尺寸迅速增大。這是因為，加熱溫度較低時，鋼中存在大量的未溶粒子，這些粒子釘扎在奧氏體晶界，阻礙晶界遷移，使奧氏體晶粒增大速度較慢。而在較高溫度下，鋼中第二相粒子大量溶解，其對奧氏體晶界的釘扎作用急劇下降。另外，316LN是一種微合金元素含量較高的合金鋼，極易因高溫下微合金元素的溶解導致部分晶粒急劇長大而產生混晶。根據相關試驗結果，當奧氏體不銹鋼加熱至1 200℃且保溫時間超過120 min時，極易出現混晶現象，使鍛件的塑性和韌性降低，疲勞性能下降。

根據以上分析可知，奧氏體晶粒長大是通過晶界遷移進行的，晶界遷移的驅動力來自奧氏體的晶界能。從AP1000波動管的金相分析結果看出，雖然波動管存在嚴重的混晶，但粗大的晶粒中存在大量的滑移線，具有較高的能量，具備再結晶的驅動力，因此，可以通過均質熱處理來使晶粒情況得到改善。但對于已經是等軸的粗晶造成的超聲檢測不合格的試樣，由于晶粒變形儲能已經基本消耗完，不具備晶界遷移的驅動力，增加一次熱處理也沒有意義。

均質熱處理的目的是在晶粒長大速度緩慢的溫度區間，利用混晶區存在的晶界能作為驅動力促使晶界遷移使奧氏體發生再結晶，使得混晶區晶粒尺寸均勻化。在制定均質熱處理溫度時，為了避免晶粒平均尺寸的迅速長大，或者混晶現象的進一步惡化，應控制均質熱處理溫度在1 100℃以下。1 060℃均質熱處理試驗結果即可滿足這一要求，試樣在這一溫度下經過均質熱處理后，混晶區的晶粒尺寸得到了均勻化。

從力學性能上看，試樣各個狀態的力學性能和晶間腐蝕性能均能滿足技術要求，說明對于316LN材料，晶粒度尺寸對其短時常規力學性能和晶間腐蝕并不是關鍵的影響因素。

4　結論

根據以往的生產經驗，奧氏體不銹鋼因晶粒粗大造成超聲檢測不合格時，一般以報廢處理，而沒有認真分析研究晶粒度組織的實際情況。通過對AP1000波動管的試驗分析，得出雖然波動管內部存在嚴重的混晶，但粗大的晶粒中存在大量的滑移線，具有較高的能量，具備再結晶的動力，可以通過增加一次均質熱處理來使晶粒情況得到改善。因此，對于超聲檢測判定的粗晶，可以對其晶粒狀況進行分析后，再確定是否可以通過熱處理工藝進行改善，從而減少企業損失。

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編輯杜敏

Reason Analysis for Ultrasonic Testing Without Bottom Wave of 316LN Austenitic Stainless Steel Surge Line and Its Improvement

Zhou Xu

The reason for ultrasonic testing without bottom wave of 316LN austenitic stainless steel surge line has been analyzed. Meanwhile, the homogeneous heat treatment has been performed on forging after determining grain state to improve the structure property. Thus, the ultrasonic testing on products can be carried out effectively.

AP1000; 316LN surge line; ultrasonic testing; heat treatment process

2016—06—15

TG156

B