【摘 要】
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发展700℃先进超超临界燃煤发电关键技术是我国实现“碳达峰、碳中和”目标的重要举措之一,燃煤发电系统核心部件用镍基合金无缝管是电力装备“心脏”的“主动脉”,其在高温高压环境下的质量稳定性直接影响到机组的可靠运行。镍基合金无缝管制造工艺流程较为复杂,涉及冶炼、热锻、热挤压、冷轧（或热轧）及热处理等一系列工序,在这些制造过程前后合金的显微组织差异显著,从而导致无缝管的服役性能发生较大变化。因此,揭示镍
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发展700℃先进超超临界燃煤发电关键技术是我国实现“碳达峰、碳中和”目标的重要举措之一,燃煤发电系统核心部件用镍基合金无缝管是电力装备“心脏”的“主动脉”,其在高温高压环境下的质量稳定性直接影响到机组的可靠运行。镍基合金无缝管制造工艺流程较为复杂,涉及冶炼、热锻、热挤压、冷轧（或热轧）及热处理等一系列工序,在这些制造过程前后合金的显微组织差异显著,从而导致无缝管的服役性能发生较大变化。因此,揭示镍基合金无缝管形变加工过程中的显微组织及力学性能变化规律,实现先进发电装备无缝管材高质量制造及可靠服役具有重要的工程价值和学术意义。本文针对700℃先进超超临界火电机组过热器及再热器用传热管的服役环境,以Haynes 230镍基合金无缝管的制造流程为主线,采用金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）及X射线衍射仪技术（XRD）等表征手段,基于先进的Gleeble热模拟技术,分析了镍基合金在热变形过程中的组织演变规律,确定了最佳的热变形参数范围。研究了热处理工艺对对镍基合金无缝管冷轧组织及力学性能的影响规律,获得了镍基合金无缝管最佳的热处理工艺范围,选取典型规格无缝管按该工艺进行了固溶处理,并对其组织及性能进行了评价。研究了服役温度下合金的组织及力学性能随时效时间的演变规律,为优化其加工工艺、控制其组织及力学性能提供科学依据。主要结论如下:1.通过等温热压缩试验,获得了Haynes 230镍基合金变形抗力及显微组织随热变形参数的影响规律。构建了Haynes 230镍基合金耦合应变量的改进型本构模型,并对合金在热压缩过程中的变形抗力进行了预测,结果表明预测值与实验值间的相关系数为97.94%,平均相对误差为6.9976%,表面改进型模型具有较准确的预测能力。建立了基于动态材料模型（DMM）的热变形机理图,并以此获得了Haynes 230镍基合金的最佳热加工参数:应变速率为0.06～0.16 s-1,温度为1100～1150℃。2.通过热拉伸试验,获得了Haynes 230镍基合金拉伸性能随应变速率及温度的变化规律,经过热拉伸试样断口及轴向显微组织分析,证明了断口形貌变化规律与拉伸性能变化曲线的一致性。综合分析拉伸性能曲线、断口形貌及断口轴向显微组织,确定Haynes 230镍基合金最佳的热加工工艺为:应变速率为0.01 s-1时最佳的热加工温度为1150～1200℃,应变速率为0.1～5 s-1时最佳的热加工温度为1150～1225℃。经计算分析,热拉伸变形较热压缩的激活能大,表明在同样变形条件下,热拉伸发生变形及动态再结晶的难度较大,热拉伸较热压缩的完全再结晶温度高约50℃。3.研究了不同冷轧变形量及热处理工艺对Haynes 230镍基合金中碳化物含量、平均晶粒尺寸、室温力学性能的影响规律,获得了平均晶粒尺寸与热力学温度的Beck关系式,平均晶粒尺寸与屈服强度及硬度的Hall-Petch关系式。综合考虑合金的晶粒尺寸及均匀性、力学性能等因素,确定了Haynes 230镍基合金无缝管最佳的热处理工艺参数为:1225～1250℃/1 h,水冷。采用该热处理工艺对典型规格Φ89×12 mm的合金无缝管进行了固溶处理,组织及性能检测结果表明:Haynes 230镍基合金中除奥氏体基体组织外,主要含有M6C型碳化物和少量的M23C6型碳化物,前者面积百分比约为2%,合金平均晶粒度约为6.4级。Haynes 230镍基合金无缝管在25～900℃拉伸性能、700℃高温持久性能、硬度及冲击吸收能量、耐晶间腐蚀性能良好,满足700℃先进超超临界机组的使用要求。4.长期时效试验结果表明:合金基体中析出两种碳化物M6C和M23C6,且前者含量远大于后者。在长期时效过程中发生了M23C6向M6C碳化物类型转变,且M6C型碳化物的含量不断增加,最终占据析出强化的主导地位。Haynes 230镍基合金在1000h时效热处理后由于析出ε（P）而使室温拉伸强度及硬度达到峰值,随后因析出稳定的M6C碳化物而使力学性能基本保持稳定,直到时效10034 h的室温力学性能仍然较高,表明该合金在700℃长期服役条件下能够保持组织及力学性能的稳定性。
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