熱力發電用耐熱合金熱變形性能研究及數值模擬

黃璐 張天帥

摘? ?要：文章主要研究應變速率對IN690高溫合金熱變形特性的影響，使用Gleeble-3500熱力模擬試驗機，通過對熱加工溫度范圍為950～1 100℃、應變速率為0.01～1.00 s-1等的溫熱壓縮實驗的研究，了解該合金的熱變形行為。發現流變應力對應變速率變化敏感，動態再結晶是主要的軟化機制;絕熱溫升使得動態再結晶過程與應變速率密切相關;應變速率對熱變形過程中的非連續動態再結晶和連續動態再結晶具有顯著影響;通過數值模擬IN690擠壓過程的微觀結構，獲得在不同工藝條件下的晶粒平均尺寸和動態結晶的相關變化規律。當擠壓速度和擠壓比一定時，溫度升高，晶粒的平均尺寸增大，晶粒增大，完全動態再結晶面積變大;當擠壓速度和擠壓溫度一定時，擠壓比增大，平均晶粒尺寸減小，完全動態再結晶面積增大。在管壁厚度方向，內壁到外壁晶粒平均尺寸的規律是先增長后降低。

關鍵詞：IN690高溫合金;熱力模擬;熱變形;數值模擬;熱擠壓

熱能生產是一種經濟、安全、可靠、清潔的新能源。人們越來越認識到其效益和重要性，對熱能的開發利用和使用安全也日益成熟，人類社會生存和發展的必然趨勢就是利用核電進行生產。由于世界經濟快速增長，能源有限，能源消耗高，發展熱能生產具有更加重要的戰略意義。中國經濟的可持續發展，需要加快熱能生產的發展，落實熱能生產設備的選址。保護環境，保障經濟可持續發展。江蘇、浙江、廣東等地相繼建成多座火力發電廠，為我國能源供應和經濟發展作出了重要貢獻。

1? ? 關于熱力發電用耐熱合金熱變形性能的國內外研究現狀

自20世紀末以來，國外科學家已對IN690進行了大量研究，并進行了規模化生產[1]。但在生產保密性等因素影響下，國外公開文獻中基本上是關于優化后的化學成分設計以及解決熱老化的人工處理過程的研究，對于有關工藝參數方面的報道很少。

在IN690合金的國產化方面，國內學者進行了大量的研究工作，并取得一定成果。王彬等[2]研究了高溫熱變形固溶處理對IN690合金微觀組織的影響，得到了固溶溫度對合金晶粒尺寸以及碳化物的影響;朱紅等[3]基于試驗方法，研究了固溶溫度對IN690性能和組織的影響，得到了固溶溫度對IN690合金硬度、晶粒度和析出相的影響規律;王彬等[4]基于Gleeble-3800熱模擬實驗，研究了IN690合金在高速熱變形過程中微觀組織演變機制，得到了IN690合金動態再結晶的晶粒尺寸以及動態再結晶的演變規律;呂亞臣等[5]基于熱加工圖，對IN690合金擠壓工藝參數進行了研究，得到了合理變形參數以及需避免變形參數的范圍;王忠堂等[6]基于數值分析技術，研究了不同工藝參數對IN690合金成形過程的影響，對擠壓工藝參數進行了具體的優化。

關于國產化生產的IN690合金，四川長城特鋼和上海寶山鋼鐵有限公司先后引進了特種擠壓設備，建設了核鎳基耐腐蝕管材生產基地。其中，2004年，四川長城特鋼對IN690合金進行了研究、開發，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傳熱管用IN690合金U型管生產基地，雖然制造出了樣品管材，但與國外先進水平相比，仍存在許多的不足，例如產量低、廢渣多、質量穩定性差等。所以，目前還未應用于壓水堆核電站的建設。2007年，經過研究人員的不懈努力，北方重工集團終于研制出360 MN重型立式擠出機，不僅達到了世界一流水平，還使我國的總體設計達到了更高的水平。

2? ? 擬重點解決的關鍵技術

本文研究開發熱力發電蒸汽發生器傳熱管新型奧氏體不銹鋼材料熱加工性能，通過物理模擬與數值模擬相結合，研究熱擠壓制柸與冷軋工藝，填補國內熱力發電蒸汽發生器傳熱管用關鍵管材熱加工工藝參數研究的空白。通過材料、工藝的系統研究打破國外對于相關工藝的壟斷。

熱能生產發展必須符合我國國情，走本土化的道路，要加強自主設計設備的獨立管理和選址。熱能生產在市場中的競爭力主要取決于自身的熱能生產經濟性。選址是降低熱能生產成本、提高熱能生產經濟性的關鍵，在引進國外先進技術、加強自主開發的基礎上，把熱能生產建設定位，是加速我國熱力發電發展的根本出路。就設備的安全性、可靠性來說，蒸汽發生器傳熱管材料及其制備是關鍵之一。擬重點解決的關鍵技術主要包括以下兩個方面。

（1）通過物理模擬與數值模擬相結合，確定材料最佳加工工藝。

（2）利用Deform-3D軟件，模擬相關熱擠壓過程，為實際工藝生產節省成本，提高效率。

3? ? 新型熱力發電用奧氏體不銹鋼材料實驗方案及可行性分析

以自主創新和技術國產化為目標，開發新材料及其制造技術。結合國外熱力發電所用材料的應用研究和國內外材料科學的最新成果及我國多年來的研究成果，按ASME規范和我國有關國家標準進行試驗，研究開發新型熱力發電用奧氏體不銹鋼材料。

（1）試驗方案：為了消除IN690合金中析出相的影響，必須先對毛料進行固溶處理，而且必須在1 150 ℃下處理5 min。本實驗利用Gleeble-3800熱模擬實驗機，在預先設定的變形溫度和壓力速度下，進行恒溫、恒應變速率壓縮試驗。

為了使材料均勻變形，減少摩擦給應力狀態帶來的影響，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償試樣表面溫度的變化。升溫速率選擇的是5 ℃/s，當達到理想溫度時，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、技術路線、試驗方案在以往的研究過程中都已經實施過，所用的儀器設備已具備，課題研究方案完全可行。

4? ? 主要創新點

（1）熱模擬技術是科學研究的重要方法和工具。在實驗過程中，通常利用一些實驗設備，在實驗中縮小比例，再現加工過程中的熱力學行為，發現并獲取熱加工過程中性能和材料結構的演變規律，發現在加工過程中產生的問題，不僅可以節省大量成本、時間和精力，還可以精確地測量和控制所需的參數。

（2）程序的處理對象是一個復雜的三維零件，將材料成形、熱管理和加工設備特性的數值模擬分析結合起來，適用于熱、溫、冷加工，輸出材料的順序和設備的負荷、應力、溫度等數據等進行工藝分析。

5? ? 結語

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

[參考文獻]

[1]喬培鵬.鎳基690合金蒸汽發生器傳熱管耐腐蝕性研究[D].上海：上海交通大學，2010.

[2]王彬，程明，張士宏，等.Inconel690合金的固溶處理制度[J].材料熱處理學報，2012（11）：68-72.

[3]朱紅，董建新，張麥倉，等.固溶處理對Incone1690合金組織影響[J].北京科技大學學報，2002（5）：511-513.

[4]王彬，于振濤.Inconel690合金高速熱變形過程中動態再結晶機理研究[J].材料保護，2013（2）：103-105.

[5]呂亞臣，任運來，聶紹珉.基于熱加工圖的690合金擠壓工藝參數研究[J].塑性工程學報，2009（6）：39-44.

[6]王忠堂，鄧永剛，張士宏，等.高溫合金IN690管材擠壓成形數值模擬[J].特種鑄造及有色合金，2011（10）：895-898.