第四代核能系统换热管用Inconel 617B的热加工性能与组织特性

程晓农，陈乐利，张肖佩佩，袁 飞，崔树刚，杨玉艳，高 佩，2，刘 天，杨 柳，罗 锐

（1.江苏大学 材料科学与工程学院，江苏镇江 212013；2.江苏银环精密钢管有限公司，江苏宜兴 214203）

0 引言

Co-Mo强化奥氏体合金Inconel 617B因具备优异的高温耐腐蚀性能、高温抗氧化性能和高温蠕变强度，被列为第四代核电系统换热管的关键候选材料［1-3］。Inconel 617B荒管在热轧、热穿孔等工序中，由于Co，Mo等强化元素溶入基体，原子间结合力增大，导致热变形抗力增大，热加工成品率降低［4］。因而亟需制定合理的热加工工艺，促进该合金在第四代核能系统中的应用。郭宏钢等［5］确定了铸态Inconel 617B的荒管开坯工艺为1 190℃-30%变形量；王岩等［6］指出1 165～1 200℃是Inconel 617B的加工安全温度区间；另外，王岩等［7］还研究了应变速率对该合金温升效应的影响，但并未指出安全的应变速率区间。因此，系统全面地研究Inconel 617B的热加工性能，并结合微观组织演变规律确定其安全、合理的热加工窗口，具有重要的学术价值与工程意义。

基于动态材料模型（Dynamic Materials Model，DMM）理论［8］，并经由ZIEGLER等［9］完善的热加工图是研究金属材料热加工性能、控制变形组织、优化热加工工艺的有效工具。OUYANG等［10］利用热加工图确定了Co-Ni基耐热合金的热加工失稳区间，并制定了最佳的热加工窗口；SUN等［11］建立了高温合金Inconel 690的热加工图，并确定了该合金的最佳热加工区间。因此，建立Inconel 617B的热加工图，可确定其在不同变形参数下的可加工性，控制微观组织演变并优化热加工工艺参数。

本文利用先进的Gleeble热模拟技术，结合热加工图对高温合金Inconel 617B的热加工性能进行系统研究，揭示热加工功率耗散效率η随变形温度、应变速率及应变量的变化规律；明确该合金的热加工失稳区间。同时，通过分析不同热加工参数下的微观组织特征，明确该合金最佳的热加工窗口，为其在第四代核电等领域的应用提供科学的指导与依据。

1 材料与方法

本研究所用材料为固溶态高温合金Inconel 617B，其化学成分如表1所示。试样是尺寸为∅8 mm×12 mm的圆柱，利用Gleeble-3500型热力模拟试验机对圆柱试样进行单道次等温压缩试验，试样两端加一层0.05 mm厚的钽片。试验参数：压缩变形温度950～1 200℃，应变速率0.01～5 s-1，真应变0.8。利用K型热电偶丝控制试样温度，以10℃/s的速率将试样升温至变形温度，保温30 s后进行恒定速率的热压缩变形，压缩完成后立即进行淬火。将淬火后的试样沿压缩轴向对半剖开，制备成金相试样，并利用光学显微镜拍摄微观形貌。腐蚀剂成分为50 ml盐酸+5 g氯化铜+50 ml水，腐蚀时间105 s。基于计算机自动采集的压缩数据，绘制Inconel 617B合金的真应力-真应变曲线，构建DMM热加工图，并结合微观组织，确定最佳的热加工窗口。

表1 高温合金Inconel 617B的化学成分 %

2 结果与讨论

2.1 热加工变形抗力

高温合金Inconel 617B在不同变形参数下的真应力-真应变曲线如图1所示，合金的变形抗力随变形温度的升高或应变速率的降低而减小。如图1（a）所示，当应变速率ε·=1 s-1，合金经950℃变形时的真应力超过550 MPa，即使温度升高至1 000℃，变形抗力仍在450 MPa以上。这表明Inconel 617B在较低温度下进行热加工时具有极高的变形抗力，这正是导致其热加工困难、成品率低的根本原因。而当变形温度超过1 150℃后，变形抗力减小至200 MPa左右，有利于该合金的热加工。在图1（b）中，变形温度T=1 100℃，较低应变速率（0.01 s-1，0.1 s-1）与较高应变速率（1 s-1，5 s-1）下的变形抗力呈现明显差异，这意味着适当降低应变速率可有效改善Inconel 617B的热加工性能。

图1 高温合金Inconel 617B在不同变形参数下的真应力-真应变曲线

2.2 热加工图的构建

仅通过真应力-真应变曲线难以全面、准确地评判高温合金Inconel 617B的热加工性能。为解决这一问题，PRASAD［8］提出了DMM 理论，ZIEGLER等［9］对该理论进行完善并提出失稳判据，最终形成了完整的Prasad-Ziegler热加工图理论，用以科学系统地预测和改善材料热加工性能、控制材料热变形组织、设计材料热加工工艺。

2.2.1 功率耗散图的构建

根据DMM理论［8］，金属材料在热加工过程中，可通过功率耗散效率η评判其热加工性能，并绘制功率耗散图，以揭示不同变形参数下的热加工特性。

σ——变形抗力，MPa；

图2 高温合金Inconel 617B在不同应变量下的功率耗散图

由图2（a）可知，应变量ε=0.2时，功率耗散效率η的增势大致倾向高温、低速率区，且出现一个峰值37%，相应的变形参数为：1 175～1 200℃，0.01～0.32 s-1；而应变量ε=0.8时（见图2（b）），η出现两个峰值，均为47%，较ε=0.2时的峰值明显升高，相应的变形参数分别为：1 075～1 125℃，0.05～0.5 s-1和1 175～1 200℃，0.06～0.5 s-1。此外，该应变（ε=0.8）下的η增势更加复杂，这与Inconel 617B在实际大应变下进行热加工的复杂性能变化是一致的。

图3可更为直观地反映功率耗散效率η随变形参数的变化规律。在相同的应变速率下，更高的变形温度伴随着更高的η值，材料具备更优的热加工性能。而当变形温度一定时，η值随应变速率及应变量的变化却并非简单的负相关。如图3（a）所示，在900℃且应变量不超过0.3时，η值随应变速率的减小而增大；而随着应变的继续升高，0.01 s-1变形条件下的η值反而比更高速率下的η值更小。这一现象同样出现在1 200℃的变形条件下，如图3（b）所示。此外，在图3（b）中，应变速率0.01 s-1和5 s-1下的η值随应变量的增加呈现先降后升的特点。由此表明Inconel 617B的热加工性能随变形参数的变化是十分复杂的，因而本研究对于该合金热加工性能的探索和优化具有重要意义。

图3 高温合金Inconel 617B在不同变形参数下的功率耗散效率η变化曲线

2.2.2 流变失稳图的构建

ZIEGLER等［9］发现，仅通过η值评判材料的热加工性能存在一定的局限性，即使是在较高的η值下进行加工，材料也可能发生剪切变形或局部流变等失稳现象。因此，ZIEGLER等［9］在DMM模型的基础上提出了流变失稳判据，绘制流变失稳图，用以明确材料的热加工失稳区域。

流变失稳判据如下：

2.2.3 热加工图的构建

将功率耗散图叠加在流变失稳图上，即可得到Inconel 617B的热加工图（如图5所示），从而更为直观地判定材料的安全加工区间。在失稳参数区，η值几乎不超过30%。而η峰值区均出现在安全加工区，这意味着出现η峰值的变形参数可能作为Inconel 617B的最佳热加工参数。本研究以较大应变量ε=0.8时的加工图作为依据，Inconel 617B基于DMM理论的最佳热加工窗口可初步确定为：1 075～1 125℃，0.05～0.5 s-1和1 175～1 200℃，0.06～0.5 s-1。

图4 高温合金Inconel 617B在不同变形量下的失稳图

图5 高温合金Inconel 617B在不同变形量下的加工图

2.3 微观组织的演变

由加工图获得的最佳热加工参数需结合微观组织加以验证。图6示出高温合金Inconel 617B经不同压缩参数变形后的微观形貌。图6（a）为T=950℃=0.01 s-1（失稳区）变形条件下的微观组织，具有明显的局部塑性流动特征，变形极不均匀，原始奥氏体晶粒被严重拉长，未发生动态再结晶，呈现典型的失稳组织特征。

由图5（b）可以看出，较大应变下的功率耗散值会出现两个峰，相应的显微组织如图6（b）（c）所示。Inconel 617B在T=1 100℃，=0.1 s-1（见图6（b））条件下进行热加工，发生动态再结晶。细小的再结晶晶粒沿原奥氏体晶界形核、长大。部分变形晶粒未被再结晶晶粒完全取代，呈现出“项链状”结构，微观组织的均匀性较差，不利于材料抵抗蠕变载荷和交变应力，制约其在实际工况下的服役寿命，因此应避免这种“混晶”组织（即由细小的动态再结晶晶粒及被拉长的初始晶粒构成，组织均匀性差，不利于材料最终的服役性能）的产生。而另一个峰值区域的微观组织如图6（c）所示，材料发生了完全动态再结晶，原始变形晶粒完全被再结晶晶粒吞噬，组织由均匀的等轴状再结晶晶粒组成，有利于提高材料的高温蠕变抗性和疲劳强度等力学性能。对比两峰值区域的微观组织可知，升高变形温度可有效促进动态再结晶的发生。图6（c）所对应的峰值区域，温度范围为1 175～1 200℃，应变速率范围为0.06～0.5 s-1，可确定为Inconel 617B的最佳热加工窗口。

图6 高温合金Inconel 617B在不同变形参数下的微观组织

3 结论

本研究利用先进的Gleeble热模拟技术对高温合金Inconel 617B进行了热压缩试验，构建了合金的热加工图，结合微观分析，确定了合金的最佳热加工窗口，为第四代核电用Inconel 617B传热管的加工生产提供科学的指导与依据，得到结论如下。

（1）高温合金Inconel 617B在较低温度（950℃）下变形时，变形抗力可超过550 MPa，热加工难度大。升高温度或降低速率可有效改善合金的热加工性能。较小应变量（ε=0.2）下功率耗散效率值η的增势大致倾向高温、低速率区，且出现一个峰值37%；较大应变量（ε=0.8）下的η出现两个峰值，均为47%，且增势更加复杂。

（2）高温合金Inconel 617B的热加工失稳区面积大，且分布复杂，升高变形温度可有效增大合金的可加工区间。较小应变量下的失稳区更容易出现在低温变形参数下；而在高应变速率参数下，安全加工区与严重失稳区交替出现。较大应变下的失稳区则集中分布在中高应变速率范围内。

（3）结合微观组织分析，高温合金Inconel 617B的最佳热加工窗口可确定为：温度范围1 175～1 200℃，应变速率范围0.06～0.5 s-1，在该区间可获得均匀的等轴状动态再结晶晶粒。