Inconel625镍基合金焊接管无缝加工关键技术研究

李红莉

浙江工业职业技术学院 浙江绍兴 312000

1 序言

太阳能光热发电将太阳能转化为热能，再将热能转化为电能，如图1所示。太阳能发电设备中关键的零部件是钢管，它的性能质量对光热技术的实施至关重要，除了需具备良好的耐高温性能外，还要求壁厚薄，具备强度高、耐疲劳和耐应力腐蚀等优异性能。通常光热发电管材采用高温合金材料制成，其中，Inconel625镍基合金管材是最普遍采用的光热发电管材[1]。

图1 太阳能光热发电原理

2 镍基合金管材应用与研究现状

Inconel625镍基合金的成形管材分为无缝管材和焊接管材。其中，无缝管材因其良好的性能，备受关注，但价格昂贵。对应的焊接管材虽较为经济，但焊缝的力学性能和组织特性却很难接近基材本身，影响了Inconel625镍基合金焊接管材应用范围的拓展[2，3]。目前光热发电行业使用较多的管材，一种是宝钢生产的Inconel625镍基合金无缝钢管，规格为φ19mm×1.2mm×12000mm，不仅价格昂贵，生产周期长，而且规格小；另一种是美国生产的Inconel625镍基合金焊接钢管，规格为φ44.45mm×1.2mm×12000mm。

随着光电行业需求的进一步提升，较大规格尺寸（φ44.45mm×1.2mm×12000mm）的Inconel625镍基合金钢管需求量增大，然而Inconel625镍基合金的硬度高，加工硬化严重，难变形，导致无缝钢管的直接加工较为困难，且价格昂贵。因此，在保证电站运行可靠、满足设计寿命要求的前提下，考虑对该规格的Inconel625镍基合金钢管的焊接管材进行无缝加工，得到与无缝钢管性能相同，甚至更好的合金钢管，这是一个非常有意义的研究与探索。

近年来，国内研究人员在热挤压技术制备高温合金管材工艺方面做了详细研究。胥国华等[4]对沉淀强化型镍基高温合金GH202进行了热挤压工艺研究，发现高温合金GH202热挤压荒管表面质量良好，组织均匀细小，经多道次冷轧及热处理后的无缝管材可满足弯管的工艺要求；王忠堂等[5]通过玻璃润滑热挤压方法成功制备出了GH4169高温合金管坯，经多道次冷轧后合金管材质量满足要求；黄晓斌等[6]通过热挤压技术制备出高温合金G3无缝管材；李郑周等[7]采用玻璃润滑热挤压工艺制备出Inconel625合金荒管；赵鸿磊等[8]采用热挤压技术制备航天用GH3600合金管材，研究发现挤压开坯可以明显细化组织，提高组织均匀性，经冷轧加工的成品管材满足航空技术指标要求。综上研究表明，高温合金管材多经热挤压技术制备，成本较高，并且缺少关于焊接合金管材焊缝处理优化改进的研究。

为此，针对光热发电行业所用Inconel625镍基合金的焊接管材进行无缝加工关键技术研究，指导合金型材加工工艺的调整，最终得到太阳能光热发电行业所需的与无缝管材相同、甚至更好性能的Inconel625镍基合金焊接管材，主要研究内容包括以下几个方面。

1）Inconel625镍基合金管材内焊缝的辊轧处理关键技术研究。

2）Inconel625镍基合金焊接管材整管辊轧及热处理等无缝加工关键处理技术研究。

3）对Inconel625镍基合金焊接管材无缝加工改进处理后的力学性能、工艺性能和微观组织等进行检测，并对焊接管材和无缝管材的性能参数进行对比，提出加工工艺优化方案。

4）确定合理的Inconel625镍基合金管材的加工工艺，降低合金管材和相关零件的生产成本。

3 试验

Inconel625镍基合金具有优秀的应用性能，并具有很好的抗氧化性、耐高温、抗腐蚀性，在众多的高温合金中，是使用最广泛、品种最繁多的一种合金[9-11]。试验用Inconel625镍基合金化学成分见表1。

表1 试验用Inconel625镍基合金化学成分 （质量分数） （%）

1）采用三轧冷轧机（见图2），对焊接管材焊缝和整管进行轧制，轧制过程如图3所示，轧机送进每分钟65次，每次送进量1mm。经过轧制，获得Inconel625镍基合金焊接无缝管。热处理采用天然气连续式加热炉（见图4），温度控制为1150℃，保温时间6min，水冷方式进行急冷工艺处理，冷却速度为550～600℃/min。

图2 冷轧机

图3 轧制过程

图4 连续式加热炉

2）对实施轧制和热处理加工后的管材采用金相分析仪，进行微观组织检测，结果如图5所示，焊缝与基体结合情况较好。

图5 焊缝金相组织

3）为了构建对比系统，选取一段试样，先后进行处理前母材和实施轧制与热处理加工后整管的力学性能检测，结果见表2。

表2 加工前后力学性能检测结果

4）选取两段试样，在实施轧制和热处理加工后进行整管的力学性能检测，结果见表3。

表3 加工后力学性能检测结果

4 结果与分析

1）对比加工前母材和加工后整管的力学性能检测结果，可以看出，加工后屈服强度增加5%，抗拉强度基本不变，伸长率降低12.5%。由此表明，针对经济型的焊接管材进行焊缝加工处理及整管的无缝加工，实现了焊接管材的工艺创新，使焊接钢管的性能大幅度提升，几乎达到与合金无缝钢管母材差异不大的良好性能。

2）企业具体生产情况调研显示，项目实施降低了高温合金管材的加工成本约50%，实现了利润升级，帮助企业实现了产品转型，提高了企业的市场竞争力；利用焊接管材替代无缝管材，有助于发展绿色经济、建设节约型社会，可取得良好的经济效益和社会效益。

5 结束语

针对光热发电行业所用Inconel625镍基合金的焊接管材进行无缝加工关键技术研究，指导合金型材加工工艺的调整，得到太阳能光热发电行业所需的与无缝管材相同、甚至更好性能的Inconel625镍基合金焊接管材，对探索合理的Inconel625镍基合金加工工艺，降低高温合金管材的生产成本以及加速合金产业化具有深远意义。同时，促进难变形的高温合金管材加工技术新方案的研发，为其他高温合金管材的应用提供新的加工可能性。