第四代核能系統換熱管用Inconel 617B的熱加工性能與組織特性

程曉農，陳樂利，張肖佩佩，袁 飛，崔樹剛，楊玉艷，高 佩，2，劉 天，楊 柳，羅 銳

（1.江蘇大學 材料科學與工程學院，江蘇鎮江 212013；2.江蘇銀環精密鋼管有限公司，江蘇宜興 214203）

0 引言

Co-Mo強化奧氏體合金Inconel 617B因具備優異的高溫耐腐蝕性能、高溫抗氧化性能和高溫蠕變強度，被列為第四代核電系統換熱管的關鍵候選材料［1-3］。Inconel 617B荒管在熱軋、熱穿孔等工序中，由于Co，Mo等強化元素溶入基體，原子間結合力增大，導致熱變形抗力增大，熱加工成品率降低［4］。因而亟需制定合理的熱加工工藝，促進該合金在第四代核能系統中的應用。郭宏鋼等［5］確定了鑄態Inconel 617B的荒管開坯工藝為1 190℃-30%變形量；王巖等［6］指出1 165～1 200℃是Inconel 617B的加工安全溫度區間；另外，王巖等［7］還研究了應變速率對該合金溫升效應的影響，但并未指出安全的應變速率區間。因此，系統全面地研究Inconel 617B的熱加工性能，并結合微觀組織演變規律確定其安全、合理的熱加工窗口，具有重要的學術價值與工程意義。

基于動態材料模型（Dynamic Materials Model，DMM）理論［8］，并經由ZIEGLER等［9］完善的熱加工圖是研究金屬材料熱加工性能、控制變形組織、優化熱加工工藝的有效工具。OUYANG等［10］利用熱加工圖確定了Co-Ni基耐熱合金的熱加工失穩區間，并制定了最佳的熱加工窗口；SUN等［11］建立了高溫合金Inconel 690的熱加工圖，并確定了該合金的最佳熱加工區間。因此，建立Inconel 617B的熱加工圖，可確定其在不同變形參數下的可加工性，控制微觀組織演變并優化熱加工工藝參數。

本文利用先進的Gleeble熱模擬技術，結合熱加工圖對高溫合金Inconel 617B的熱加工性能進行系統研究，揭示熱加工功率耗散效率η隨變形溫度、應變速率及應變量的變化規律；明確該合金的熱加工失穩區間。同時，通過分析不同熱加工參數下的微觀組織特征，明確該合金最佳的熱加工窗口，為其在第四代核電等領域的應用提供科學的指導與依據。

1 材料與方法

本研究所用材料為固溶態高溫合金Inconel 617B，其化學成分如表1所示。試樣是尺寸為?8 mm×12 mm的圓柱，利用Gleeble-3500型熱力模擬試驗機對圓柱試樣進行單道次等溫壓縮試驗，試樣兩端加一層0.05 mm厚的鉭片。試驗參數：壓縮變形溫度950～1 200℃，應變速率0.01～5 s-1，真應變0.8。利用K型熱電偶絲控制試樣溫度，以10℃/s的速率將試樣升溫至變形溫度，保溫30 s后進行恒定速率的熱壓縮變形，壓縮完成后立即進行淬火。將淬火后的試樣沿壓縮軸向對半剖開，制備成金相試樣，并利用光學顯微鏡拍攝微觀形貌。腐蝕劑成分為50 ml鹽酸+5 g氯化銅+50 ml水，腐蝕時間105 s。基于計算機自動采集的壓縮數據，繪制Inconel 617B合金的真應力-真應變曲線，構建DMM熱加工圖，并結合微觀組織，確定最佳的熱加工窗口。

表1 高溫合金Inconel 617B的化學成分 %

2 結果與討論

2.1 熱加工變形抗力

高溫合金Inconel 617B在不同變形參數下的真應力-真應變曲線如圖1所示，合金的變形抗力隨變形溫度的升高或應變速率的降低而減小。如圖1（a）所示，當應變速率ε·=1 s-1，合金經950℃變形時的真應力超過550 MPa，即使溫度升高至1 000℃，變形抗力仍在450 MPa以上。這表明Inconel 617B在較低溫度下進行熱加工時具有極高的變形抗力，這正是導致其熱加工困難、成品率低的根本原因。而當變形溫度超過1 150℃后，變形抗力減小至200 MPa左右，有利于該合金的熱加工。在圖1（b）中，變形溫度T=1 100℃，較低應變速率（0.01 s-1，0.1 s-1）與較高應變速率（1 s-1，5 s-1）下的變形抗力呈現明顯差異，這意味著適當降低應變速率可有效改善Inconel 617B的熱加工性能。

圖1 高溫合金Inconel 617B在不同變形參數下的真應力-真應變曲線

2.2 熱加工圖的構建

僅通過真應力-真應變曲線難以全面、準確地評判高溫合金Inconel 617B的熱加工性能。為解決這一問題，PRASAD［8］提出了DMM 理論，ZIEGLER等［9］對該理論進行完善并提出失穩判據，最終形成了完整的Prasad-Ziegler熱加工圖理論，用以科學系統地預測和改善材料熱加工性能、控制材料熱變形組織、設計材料熱加工工藝。

2.2.1 功率耗散圖的構建

根據DMM理論［8］，金屬材料在熱加工過程中，可通過功率耗散效率η評判其熱加工性能，并繪制功率耗散圖，以揭示不同變形參數下的熱加工特性。

σ——變形抗力，MPa；

圖2 高溫合金Inconel 617B在不同應變量下的功率耗散圖

由圖2（a）可知，應變量ε=0.2時，功率耗散效率η的增勢大致傾向高溫、低速率區，且出現一個峰值37%，相應的變形參數為：1 175～1 200℃，0.01～0.32 s-1；而應變量ε=0.8時（見圖2（b）），η出現兩個峰值，均為47%，較ε=0.2時的峰值明顯升高，相應的變形參數分別為：1 075～1 125℃，0.05～0.5 s-1和1 175～1 200℃，0.06～0.5 s-1。此外，該應變（ε=0.8）下的η增勢更加復雜，這與Inconel 617B在實際大應變下進行熱加工的復雜性能變化是一致的。

圖3可更為直觀地反映功率耗散效率η隨變形參數的變化規律。在相同的應變速率下，更高的變形溫度伴隨著更高的η值，材料具備更優的熱加工性能。而當變形溫度一定時，η值隨應變速率及應變量的變化卻并非簡單的負相關。如圖3（a）所示，在900℃且應變量不超過0.3時，η值隨應變速率的減小而增大；而隨著應變的繼續升高，0.01 s-1變形條件下的η值反而比更高速率下的η值更小。這一現象同樣出現在1 200℃的變形條件下，如圖3（b）所示。此外，在圖3（b）中，應變速率0.01 s-1和5 s-1下的η值隨應變量的增加呈現先降后升的特點。由此表明Inconel 617B的熱加工性能隨變形參數的變化是十分復雜的，因而本研究對于該合金熱加工性能的探索和優化具有重要意義。

圖3 高溫合金Inconel 617B在不同變形參數下的功率耗散效率η變化曲線

2.2.2 流變失穩圖的構建

ZIEGLER等［9］發現，僅通過η值評判材料的熱加工性能存在一定的局限性，即使是在較高的η值下進行加工，材料也可能發生剪切變形或局部流變等失穩現象。因此，ZIEGLER等［9］在DMM模型的基礎上提出了流變失穩判據，繪制流變失穩圖，用以明確材料的熱加工失穩區域。

流變失穩判據如下：

2.2.3 熱加工圖的構建

將功率耗散圖疊加在流變失穩圖上，即可得到Inconel 617B的熱加工圖（如圖5所示），從而更為直觀地判定材料的安全加工區間。在失穩參數區，η值幾乎不超過30%。而η峰值區均出現在安全加工區，這意味著出現η峰值的變形參數可能作為Inconel 617B的最佳熱加工參數。本研究以較大應變量ε=0.8時的加工圖作為依據，Inconel 617B基于DMM理論的最佳熱加工窗口可初步確定為：1 075～1 125℃，0.05～0.5 s-1和1 175～1 200℃，0.06～0.5 s-1。

圖4 高溫合金Inconel 617B在不同變形量下的失穩圖

圖5 高溫合金Inconel 617B在不同變形量下的加工圖

2.3 微觀組織的演變

由加工圖獲得的最佳熱加工參數需結合微觀組織加以驗證。圖6示出高溫合金Inconel 617B經不同壓縮參數變形后的微觀形貌。圖6（a）為T=950℃=0.01 s-1（失穩區）變形條件下的微觀組織，具有明顯的局部塑性流動特征，變形極不均勻，原始奧氏體晶粒被嚴重拉長，未發生動態再結晶，呈現典型的失穩組織特征。

由圖5（b）可以看出，較大應變下的功率耗散值會出現兩個峰，相應的顯微組織如圖6（b）（c）所示。Inconel 617B在T=1 100℃，=0.1 s-1（見圖6（b））條件下進行熱加工，發生動態再結晶。細小的再結晶晶粒沿原奧氏體晶界形核、長大。部分變形晶粒未被再結晶晶粒完全取代，呈現出“項鏈狀”結構，微觀組織的均勻性較差，不利于材料抵抗蠕變載荷和交變應力，制約其在實際工況下的服役壽命，因此應避免這種“混晶”組織（即由細小的動態再結晶晶粒及被拉長的初始晶粒構成，組織均勻性差，不利于材料最終的服役性能）的產生。而另一個峰值區域的微觀組織如圖6（c）所示，材料發生了完全動態再結晶，原始變形晶粒完全被再結晶晶粒吞噬，組織由均勻的等軸狀再結晶晶粒組成，有利于提高材料的高溫蠕變抗性和疲勞強度等力學性能。對比兩峰值區域的微觀組織可知，升高變形溫度可有效促進動態再結晶的發生。圖6（c）所對應的峰值區域，溫度范圍為1 175～1 200℃，應變速率范圍為0.06～0.5 s-1，可確定為Inconel 617B的最佳熱加工窗口。

圖6 高溫合金Inconel 617B在不同變形參數下的微觀組織

3 結論

本研究利用先進的Gleeble熱模擬技術對高溫合金Inconel 617B進行了熱壓縮試驗，構建了合金的熱加工圖，結合微觀分析，確定了合金的最佳熱加工窗口，為第四代核電用Inconel 617B傳熱管的加工生產提供科學的指導與依據，得到結論如下。

（1）高溫合金Inconel 617B在較低溫度（950℃）下變形時，變形抗力可超過550 MPa，熱加工難度大。升高溫度或降低速率可有效改善合金的熱加工性能。較小應變量（ε=0.2）下功率耗散效率值η的增勢大致傾向高溫、低速率區，且出現一個峰值37%；較大應變量（ε=0.8）下的η出現兩個峰值，均為47%，且增勢更加復雜。

（2）高溫合金Inconel 617B的熱加工失穩區面積大，且分布復雜，升高變形溫度可有效增大合金的可加工區間。較小應變量下的失穩區更容易出現在低溫變形參數下；而在高應變速率參數下，安全加工區與嚴重失穩區交替出現。較大應變下的失穩區則集中分布在中高應變速率范圍內。

（3）結合微觀組織分析，高溫合金Inconel 617B的最佳熱加工窗口可確定為：溫度范圍1 175～1 200℃，應變速率范圍0.06～0.5 s-1，在該區間可獲得均勻的等軸狀動態再結晶晶粒。