一种提高析出强化奥氏体耐热钢中特殊晶界比例的方法

摘要

本发明属于析出强化奥氏体耐热钢领域，涉及一种提高析出强化奥氏体耐热钢中特殊晶界比例的方法。优化处理工艺包括固溶、冷轧和退火。其特征在于，先经1150～1300℃保持20～60min的固溶处理；再进行变形量为20～60%室温轧制，单道次压下量不低于15%，随后在1100～1250℃的温度下，进行周期性短时退火，水冷。经过优化处理后，析出强化奥氏体耐热钢显微组织中特殊晶界分布均匀，比例高于80%。本发明通过增加室温变形量提高应变储存能，促进析出强化奥氏体钢中再结晶的发生，从而提高析出强化型高Cr高Ni奥氏体耐热钢中特殊晶界比例，优化其与晶界相关的性能，尤其是耐腐蚀性和抗辐照肿胀能力。

说明书

技术领域

本发明适用于弥散析出相强化的奥氏体耐热钢以及面心立方(FaceCenteredCubic,fcc) 结构的金属与合金。尤其为奥氏体耐热钢中低ΣCSL(CoincidenceSiteLattice,CSL)特殊结 构晶界含量的提高，提供了一种技术方法，本发明属变形与热处理技术领域。

背景技术

发展洁净、高效的第Ⅳ代超临界水冷概念堆和超超临界火力发电系统，对降低CO₂排放、缓解能源危机具有重要意义。高温高压含水蒸汽的服役环境对材料的高温耐蚀性和热 强性提出了更高要求。目前，奥氏体耐热钢通常以弥散析出相提高其高温力学性能。但是， 奥氏体耐热钢在中子辐照、更高温度及苛刻腐蚀介质的协同作用下，其抗辐照能力、耐腐蚀 性能，尤其在超临界水中的耐蚀性仍有待进一步提高。奥氏体耐热钢的抗辐照能力及高温高 压中的耐蚀性与其显微组织中晶界结构类型及分布密切相关。因此，可以通过提高特殊晶界 比例的方法，优化和改善奥氏体耐热钢与晶界有关的性能，如晶界扩散、辐照肿胀、偏聚、 敏化和腐蚀等。

在多晶体材料中，晶粒间是以晶界为界面的，有些晶界的结构及性质不同于自由大 角晶界，原子重合几率相对较大，排列的规律性较高，晶界能量较低，称为低ΣCSL(Σ <29)的晶界。1984年，日本学者Watanabe首次提出了“晶界设计与控制”的说法。1995 年，Lin等人通过进一步研究，将其发展为“晶界工程”概念。目前，晶界工程已经成为一 种广泛可行的提高材料耐晶间腐蚀、应力腐蚀、提高蠕变强度、高温氧化等性能的有效途 径。通过合理的热机械处理可以有效设计和控制材料的晶界分布。主要有形变再结晶和形变 退火：(1)在小于10％的变形后，进行低于再结晶温度长时间(几十小时)退火；(2)10～ 40％的变形后，进行高于再结晶温度的短时间(5～60min)退火，并重复进行3～7次。这 两种工艺多用于304，316奥氏体不锈钢、镍基合金、铅合金等金属材料，在形成退火孪晶 的基础上，提高低ΣCSL晶界含量。Engelberg等在研究304型不锈钢的变形历史对后续变 形量的影响时发现，在单道次变形量为5％/1050℃/1h时获得较高百分数的Σ3晶界和二级、 三级孪晶界。而在二步大应变量分别为30％和82％，却没有得到期望的低ΣCSL晶界含 量。Fang等对304奥氏体不锈钢的研究表明，小变形量(6％～10％)样品在1173K进行长时间 (2～96h)退火，可增加特殊晶界的比例，并有效阻断一般大角晶界网络的连通性，提高材料 的晶间腐蚀抗力。Kumar等认为在退火过程中，不同变形量(50～80％)的304L奥氏体不锈 钢，Σ3特殊晶界的产生过程不同。Sekine观察了晶界工程控制的PNC316中的CSL晶界分 数达到86％，晶界网被隔断，在700℃时效100h后，晶界网没有明显变化，具有很低的辐 照肿胀速率。

但是，对于高温力学性能和组织稳定性更为优异的310级奥氏体耐热钢中晶界工程 设计的研究，鲜见报道。由于高Cr、高Ni及强碳化物形成元素的添加，使得其后续退火过 程中生成析出相，消耗应变储存能，抑制再结晶的发生，特殊晶界含量不易提高。因此，本 发明提出一种增加应变储存能的中等室温变形及后续高温再结晶退火的方法，提高特殊结构 晶界含量，从而提高改进310奥氏体耐热钢的与晶界相关的性能。本发明采用的工艺方法， 具有简便易行、节能减耗的优点。

发明内容

本发明中解决的技术问题是：克服现有技术中未考虑析出与再结晶的竞争过程，析 出过程消耗系统能量，使用于再结晶的能量减少，再结晶滞后，现有的晶界工程设计方法的 实施效果欠佳。本发明提供了一种实用性强，组织结构稳定，提高析出强化奥氏体耐热钢中 特殊晶界含量的有效方法，以进一步优化奥氏体耐热钢的耐腐蚀和抗辐照肿胀性能。

本发明采用的技术方案为：以添加强碳化物形成元素的高Cr高Ni奥氏体耐热钢的 热轧钢板为材料，材料成分为(wt.％)：C不大于0.1；Si:0.2～0.8；Mn:0～1.6；Cr:15～26；Ni: 16～28；Mo:0～3；Ti:0～0.5；W:0～0.5；Zr:0～0.5；V:0～0.5；P不大于0.02；S不大于0.015； 余量为F。提高其特殊晶界比例的变形热处理方法：包括固溶、冷轧和退火。其主要特征在 于如下步骤：

(1)固溶处理：由于合金含量较高，为了顺利实现室温变形，需在更高温下进行固溶处 理。在1150～1300℃的温度范围内，保温20～60min，然后淬水；

(2)冷轧：在室温下，对固溶处理后的钢板进行中等变形量的轧制，变形量范围为20～ 60％，控制单道次压下量不低于15％；

(3)退火：在1100～1250℃的温度范围内，同一温度分不同周期进行退火，第一周期是保 温20min然后淬水，第二周期是在该温度下保温20min淬水后，再保温40min后淬水。第 三周期是在第二周期基础上，再在该温度下保温退火60min后淬水，以此类推。周期性退火 工艺过程示意图详见图1。

所述步骤(1)优选在1180～1250℃下保温25～40min，水冷至室温。

所述步骤(2)中的冷轧压下量优选为30～40％，两道次完成。

所述步骤(3)优选在1150～1230℃下，进行1～2个周期的退火，水冷至室温。

所述步骤(1)和(3)中分两段加热，室温～800℃的升温速度不大于10℃/min； 800℃～目标温度的升温速率为15～25℃/min。

本发明的优点是：

(1)本发明主要针对含有稳定化元素的奥氏体耐热不锈钢，或具有广阔应用前景的核电及 超超临界电站用高性能奥氏体耐热钢。通过合适的变形热处理工艺，控制晶界类型，低Σ CSL晶界含量在80％以上，从而进一步优化奥氏体耐热钢的高温性能，尤其是耐氧化性、 腐蚀性能以及抗中子辐照肿胀的能力；

(2)在析出强化奥氏体耐热钢中，为了实现退火过程的再结晶并提高特殊晶界比例，本发 明的采用中等变形量的室温轧制变形，增加累积位错及应变储存能，并在更高温度下进行退 火；

(3)本发明在退火过程中采用循环性的周期退火过程，避免在高温保温过程中，晶粒尺寸 的长大，从而实现优化显微结构和提高特殊晶界含量的目的。本发明中采用的工艺方法，不 需要长时间保温，也不需要进行循环多次的冷变形，此方法更为简便，具有可操作性强，兼 具节约时间和成本的优点。

附图说明

图1为本发明周期性循环退火的工艺示意图

图2为本发明实例1的特殊晶界分布图

图3为本发明实例2的特殊晶界分布图

图4为本发明实例3的特殊晶界分布图

具体实施方式

为了进一步阐明本发明的技术方案，下面通过具体实例进行说明。

实施例1对热轧态的改进型310奥氏体耐热钢进行晶界优化处理，其名义化学成分 为：25Cr,20Ni,0.1C,0Mn,2.0Mo,0.65Si,0.2Ti,0.2Zr,0.15W,0.15V,热轧态的平均晶粒尺寸 为30μm。

第一步，在1200℃下，保温40min，然后在两辊轧机上进行室温轧制变形，变形量 为30％，两道次完成；第二步，在1120℃下，保温20min后淬水冷却至室温，然后在 1120℃下再保温40min，淬水冷却至室温；第三步，对处理后的试样进行点解抛光和EBSD 测试，用HKL-Channel5软件分析，不同晶界含量如表1所示，Σ≤29特殊晶界含量达 86.24％；其分布如图2所示。

实施例2采用上述(1)～(3)的方法，试样在1230℃温度保温30min固溶后，进 行40％的室温冷轧。随后在1150℃进行2个周期的再结晶退火。对其组织进行EBSD观 察，借助HKL-Channel5软件对EBSD图片进行分析，结果如图3所示。不同特殊晶界的 分布较为均匀，其含量Σ≤29的晶界含量为83.15％(见表1，各实例钢的不同晶界含量 (数量比例，％))。

实施例3根据上述方法，对改进型310不锈钢进行晶界优化处理。实施钢的名义化 学成分为：Fe-25Cr-20Ni-0.2T-0.2Zr-0.1W-0.15V-2.0Mn-0.65Si-0.1C(wt.％)，试样在1250℃温 度保温40min固溶后，进行50％的室温冷轧。随后在1200℃进行1个周期的再结晶退火。 对其组织进行EBSD观察，结果如图4所示。显微组织的均匀性较好，不同晶界类型的数量 百分比总和较高，达86.33％。

表1