黄璐 张天帅

摘   要：文章主要研究应变速率对IN690高温合金热变形特性的影响，使用Gleeble-3500热力模拟试验机，通过对热加工温度范围为950～1 100℃、应变速率为0.01～1.00 s-1等的温热压缩实验的研究，了解该合金的热变形行为。发现流变应力对应变速率变化敏感，动态再结晶是主要的软化机制;绝热温升使得动态再结晶过程与应变速率密切相关;应变速率对热变形过程中的非连续动态再结晶和连续动态再结晶具有显著影响;通过数值模拟IN690挤压过程的微观结构，获得在不同工艺条件下的晶粒平均尺寸和动态结晶的相关变化规律。当挤压速度和挤压比一定时，温度升高，晶粒的平均尺寸增大，晶粒增大，完全动态再结晶面积变大;当挤压速度和挤压温度一定时，挤压比增大，平均晶粒尺寸减小，完全动态再结晶面积增大。在管壁厚度方向，内壁到外壁晶粒平均尺寸的规律是先增长后降低。

关键词：IN690高温合金;热力模拟;热变形;数值模拟;热挤压

热能生产是一种经济、安全、可靠、清洁的新能源。人们越来越认识到其效益和重要性，对热能的开发利用和使用安全也日益成熟，人类社会生存和发展的必然趋势就是利用核电进行生产。由于世界经济快速增长，能源有限，能源消耗高，发展热能生产具有更加重要的战略意义。中国经济的可持续发展，需要加快热能生产的发展，落实热能生产设备的选址。保护环境，保障经济可持续发展。江苏、浙江、广东等地相继建成多座火力发电厂，为我国能源供应和经济发展作出了重要贡献。

1    关于热力发电用耐热合金热变形性能的国内外研究现状

自20世纪末以来，国外科学家已对IN690进行了大量研究，并进行了规模化生产[1]。但在生产保密性等因素影响下，国外公开文献中基本上是关于优化后的化学成分设计以及解决热老化的人工处理过程的研究，对于有关工艺参数方面的报道很少。

在IN690合金的国产化方面，国内学者进行了大量的研究工作，并取得一定成果。王彬等[2]研究了高温热变形固溶处理对IN690合金微观组织的影响，得到了固溶温度对合金晶粒尺寸以及碳化物的影响;朱红等[3]基于试验方法，研究了固溶温度对IN690性能和组织的影响，得到了固溶温度对IN690合金硬度、晶粒度和析出相的影响规律;王彬等[4]基于Gleeble-3800热模拟实验，研究了IN690合金在高速热变形过程中微观组织演变机制，得到了IN690合金动态再结晶的晶粒尺寸以及动态再结晶的演变规律;吕亚臣等[5]基于热加工图，对IN690合金挤压工艺参数进行了研究，得到了合理变形参数以及需避免变形参数的范围;王忠堂等[6]基于数值分析技术，研究了不同工艺参数对IN690合金成形过程的影响，对挤压工艺参数进行了具体的优化。

关于国产化生产的IN690合金，四川长城特钢和上海宝山钢铁有限公司先后引进了特种挤压设备，建设了核镍基耐腐蚀管材生产基地。其中，2004年，四川长城特钢对IN690合金进行了研究、开发，并制备出样品管材;2007年，宝银特种钢管公司建立了我国第一个传热管用IN690合金U型管生产基地，虽然制造出了样品管材，但与国外先进水平相比，仍存在许多的不足，例如产量低、废渣多、质量稳定性差等。所以，目前还未应用于压水堆核电站的建设。2007年，经过研究人员的不懈努力，北方重工集团终于研制出360 MN重型立式挤出机，不仅达到了世界一流水平，还使我国的总体设计达到了更高的水平。

2    拟重点解决的关键技术

本文研究开发热力发电蒸汽发生器传热管新型奥氏体不锈钢材料热加工性能，通过物理模拟与数值模拟相结合，研究热挤压制柸与冷轧工艺，填补国内热力发电蒸汽发生器传热管用关键管材热加工工艺参数研究的空白。通过材料、工艺的系统研究打破国外对于相关工艺的垄断。

热能生产发展必须符合我国国情，走本土化的道路，要加强自主设计设备的独立管理和选址。热能生产在市场中的竞争力主要取决于自身的热能生产经济性。选址是降低热能生产成本、提高热能生产经济性的关键，在引进国外先进技术、加强自主开发的基础上，把热能生产建设定位，是加速我国热力发电发展的根本出路。就设备的安全性、可靠性来说，蒸汽发生器传热管材料及其制备是关键之一。拟重点解决的关键技术主要包括以下两个方面。

（1）通过物理模拟与数值模拟相结合，确定材料最佳加工工艺。

（2）利用Deform-3D软件，模拟相关热挤压过程，为实际工艺生产节省成本，提高效率。

3    新型热力发电用奥氏体不锈钢材料实验方案及可行性分析

以自主创新和技术国产化为目标，开发新材料及其制造技术。结合国外热力发电所用材料的应用研究和国内外材料科学的最新成果及我国多年来的研究成果，按ASME规范和我国有关国家标准进行试验，研究开发新型热力发电用奥氏体不锈钢材料。

（1）试验方案：为了消除IN690合金中析出相的影响，必须先对毛料进行固溶处理，而且必须在1 150 ℃下处理5 min。本实验利用Gleeble-3800热模拟实验机，在预先设定的变形温度和压力速度下，进行恒温、恒应变速率压缩试验。

为了使材料均匀变形，减少摩擦给应力状态带来的影响，压缩前在圆筒两端加入石墨钽片，其主要作用是润滑，并通过在试样表面焊上热电偶来补偿试样表面温度的变化。升温速率选择的是5 ℃/s，当达到理想温度时，温度保持3 min，然后开始变形。选择的变形温度分别为952 ℃，1 000 ℃，1 050 ℃和1 100 ℃;应变速率?分别为0.01 s-1，0.10 s-1，0.50 s-1，1.00 s-1，最大变形量为55%。

（2）可行性：研究思路与方法、技术路线、试验方案在以往的研究过程中都已经实施过，所用的仪器设备已具备，课题研究方案完全可行。

4    主要创新点

（1）热模拟技术是科学研究的重要方法和工具。在实验过程中，通常利用一些实验设备，在实验中缩小比例，再现加工过程中的热力学行为，发现并获取热加工过程中性能和材料结构的演变规律，发现在加工过程中产生的问题，不仅可以节省大量成本、时间和精力，还可以精确地测量和控制所需的参数。

（2）程序的处理对象是一个复杂的三维零件，将材料成形、热管理和加工设备特性的数值模拟分析结合起来，适用于热、温、冷加工，输出材料的顺序和设备的负荷、应力、温度等数据等进行工艺分析。

5    结语

本文研究应变速率对IN690高温合金热变形特性的影响，通过物理模拟与数值模拟，研究该合金的热变形行为，开发热力发电蒸汽发生器传热管新型奧氏体不锈钢材料热加工性能，填补国内热力发电蒸汽发生器传热管用关键管材热加工工艺参数研究的空白，对打破国外对于相关工艺的垄断具有重要意义。

[参考文献]

[1]乔培鹏.镍基690合金蒸汽发生器传热管耐腐蚀性研究[D].上海：上海交通大学，2010.

[2]王彬，程明，张士宏，等.Inconel690合金的固溶处理制度[J].材料热处理学报，2012（11）：68-72.

[3]朱红，董建新，张麦仓，等.固溶处理对Incone1690合金组织影响[J].北京科技大学学报，2002（5）：511-513.

[4]王彬，于振涛.Inconel690合金高速热变形过程中动态再结晶机理研究[J].材料保护，2013（2）：103-105.

[5]吕亚臣，任运来，聂绍珉.基于热加工图的690合金挤压工艺参数研究[J].塑性工程学报，2009（6）：39-44.

[6]王忠堂，邓永刚，张士宏，等.高温合金IN690管材挤压成形数值模拟[J].特种铸造及有色合金，2011（10）：895-898.