核反应堆用大尺寸直角弯管锻件的性能热处理工艺路线研究

2020-10-11李少飞任利国

经济技术协作信息 2020年28期

◎李少飞任利国

使用大尺寸直角弯管锻件粗加工余料开展了热处理参数试验，分析研究了不同淬火方案对试验用16MND5材料力学性能及金相组织的影响。结果表明在常规的淬火和回火之间增加一次亚温淬火，可进一步优化试验材料的组织形态，有效提高材料的冲击韧性，进而确定了直角弯锻件的性能热处理工艺路线。

我公司承制了国内某型号反应堆RPV产品，采用一体化紧凑式设计，该堆型RPV包含一种直角弯管锻件，其热处理厚度超过270mm，且轮廓尺寸复杂，属于厚截面异形锻件。该项目要求对首件产品进行解剖评定，锻件水、冒口侧及内外拐角处均需内外1/4壁厚和壁厚中心位置全部取样检验，性能合格难度较大。

核反应堆RPV作为核一级设备，为保证其在长时间的中子辐照情况下仍能正常服役，对其性能提出了非常严格的要求。为了获得锻件优异的综合性能，前人做了大量的研究工作，涌现出关于化学元素、冷速、淬透性等影响因素的大量研究成果。随着锻件壁厚的增加，由于材料自身的导热限制，导致无论如何提升淬火设备的冷却能力，锻件的性能取样位置处的冷却速度都无法实现明显提升，采用常规的热处理工艺方案保证力学性能合格难度极大。

亚温淬火，又称临界区淬火或者两相区淬火，是指将具有平衡态或非平衡态原始组织的亚共析钢加热到铁素体与奥氏体双相区的一定温度区间（AC1~AC3）保温一定时间后淬火的热处理工艺。亚温淬火工艺能够得到超细化复合组织，可在不明显降低材料强度的条件下显著提高材料的韧性。研究表明，采取亚温淬火是提高工程用钢强韧性特别是提高落锤性能的有效方法。

本文以此大尺寸直角弯管锻件原位试料为研究对象，通过实验室热处理模拟实验，研究制定了锻件的最优性能热处理工艺路线。

一、试验材料的选择

本项目直角弯管材质为16MND5，对应我国牌号19MnNiMo，为低碳低合金钢。试验材料为直角弯管完成锻造成形及锻后热处理后的粗加工余料，其化学成分见表1。

二、试验过程及结果分析

1.热处理工艺参数实验。为保证锻件一次检验合格，需研究制定锻件最优的热处理工艺参数。热处理参数方案涵盖了常规淬火+回火及淬火+亚温淬火+回火两种类型的热处理工艺参数路线，具体工艺见图1所示。

图1不同工艺参数热处理工艺图

经过不同工艺参数热处理后的试样毛坯，全部进行了615℃*24H的模拟焊后热处理。

2.性能检验。将经热处理后的坯料分别加工成标准的拉伸和冲击试样，按照产品技术文件规定进行了拉伸和低温冲击试验，不同工艺参数热处理后试样测试的力学性能结果如图2所示。

图2不同参数热处理工艺的力学性能结果

从试验结果可看出，试验钢经历不同温度的淬火和回火后，得到不同的力学性能结果。单独采用常规淬火时，提高淬火温度将导致韧性的降低，而且冲击吸收能量均较低。试验材料在常规淬火后再进行亚温淬火时，冲击吸收能量得到了大幅提高，且随着亚温淬火温度的升高，呈现先升高后降低的趋势，同时强度逐渐升高。

综合对比检验数据，可看出，试验材料在910℃常规淬火+745℃亚温淬火+640℃回火时可获得最好的强韧性配合。参照其他锻件的生产经验及工艺制定原则，可确定此大尺寸直角弯管锻件的性能热处理工艺路线为淬火+亚温淬火+回火，可最大程度发掘锻件材料的性能潜力，获得最佳的强韧性。

3.分析。为了进一步验证和研究亚温淬火改进试验材料韧性的机理，本文对常规淬火和亚温淬火的试样分别进行了金相分析。正常调质条件下，试验材料的组织为上贝氏体，碳化物分布于晶界以及上贝氏体铁素体条束之间，碳化物存在特征为条状和团状。经过完全奥氏体化加亚温淬火处理后的组织为上贝氏体和粒状贝氏体及少量的铁素体，碳化物细小弥散。

分析认为，通过在奥氏体-铁素体两相区淬火，增加了碳和合金元素在各相中的不均匀性，先形成的奥氏体中C和Mn的含量高于平均成分，使淬火时得到马氏体（或下贝氏体）和贝氏体的双相组织，增加总的界面面积，提高裂纹扩展阻力，从而显著提高了韧性。

由于亚温淬火温度处于两相区，在奥氏体化过程中未溶铁素体以细小的针状或颗粒状弥散分布，阻碍奥氏体晶粒长大，从一定程度上细化了奥氏体晶粒。晶粒细化后，单个晶粒体积减小，表面积与体积的比值升高，使单位面积上有害杂质的含量降低，有效减少了有害杂质元素的偏聚，可起到净化晶界、降低缺口敏感性和晶界脆性的作用。