核电关键设备用镍基合金大截面棒材及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种用于核电关键设备的镍基合金及其棒材的制备方法，该合金包括按如下元素：C、Cr、Fe、W、V，余量为Ni和不可避免的杂质，其中，Ni的含量不低于58％。所述棒材的制备方法为：制备镍基合金，棒材的热轧成型以及棒材的热处理。与现有技术相比，本发明专利技术具有如下的有益效果：本发明专利技术所述制造工艺，尤其适合制造Ф300mm‑Ф660mm的大截面镍基合金棒材，完全适用于核电站核岛设备关键部件，对于有效促进我国大型核电站自主建设具有重要意义。

Nickel-based Alloy Bar with Large Section for Key Equipment of Nuclear Power Plant and Its Manufacturing Method

The present invention provides a preparation method of a nickel-based alloy and its bars for key nuclear power equipment. The alloy comprises the following elements: C, Cr, Fe, W, V, the remaining amount of Ni and the unavoidable impurities, in which the content of Ni is not less than 58%. The preparation method of the bar is as follows: preparing nickel base alloy, hot rolling forming of the bar and heat treatment of the bar. Compared with the existing technology, the invention has the following beneficial effects: the manufacturing process of the invention is especially suitable for manufacturing large section nickel-based alloy bars of 300mm 660mm, which is completely applicable to key components of nuclear island equipment in nuclear power plants, and is of great significance for effectively promoting the independent construction of large nuclear power plants in China.

【技术实现步骤摘要】
核电关键设备用镍基合金大截面棒材及其制造方法
本专利技术涉及镍基耐蚀合金棒材制造相关
，尤其涉及一种有特殊性能要求的超大截面镍基合金棒材的成分和制造方法，该棒材可用于制造其技术要求异常苛刻的核电站爆破阀剪切盖。具体涵盖大截面镍基合金棒材的成分、冶炼方法、锻造和热处理关键工艺技术。
技术介绍
核电是先进的清洁能源，是国家能源战略重要的组成部分，是实现国家节能减排目标的最重要举措之一。核电设备一般设计寿命为60年，由于镍基合金耐高温、耐腐蚀性能优异，核岛中大量关键部件选用镍基合金，如蒸汽发生器下封头隔板、U型换热管、安注箱、堆芯补水箱、压力容器、控制棒驱动机构、堆内构件、稳压器、爆破阀、主泵飞轮盖板、主泵屏蔽套、换热器、稳压器等设备中均有镍基合金零部件。这些零部件使用环境特殊，其完整性直接核电站的稳定运行，对其力学性能、耐腐蚀性等都有很高的要求，其中尤以爆破阀剪切盖用镍基合金最为苛刻。爆破阀是AP1000、CAP1400等非能动反应堆的特有、关键设备，属核一级承压部件，有着极其重要的安全性和可靠性要求。剪切盖是爆破阀工作的关键组成部分，不仅需要依靠密闭的剪切盖来保证爆破阀关闭时的密封性，确保不会发生泄漏，而且在事故阶段，还需要保证剪切盖的顺利切断，确保阀门开启，阻止事故进一步向核岛外扩展，因此，对剪切盖选用的690合金材料的性能及检测条件提出了严格限制，某些性能指标不能太低，也不可过于高，需要保持在一个稳定的范围内。除此之外，爆破阀剪切盖用棒材的设计规格非常大，最小截面直径为Ф315mm，最大可达到Ф660mm，这更进一步加大了制造难度。剪切盖材料选用ASMESB-166UNSN06690合金制造的圆形棒材，其成分要求如表1所示。表1ASMESB-166UNSN06690合金棒材的化学成分要求(重量百分比)元素CNiCrFeSiMnCuS含量≤0.05≥58.027.0–31.07.0–11.0≤0.5≤0.5≤0.5≤0.015但爆破阀剪切盖用镍基合金棒材的技术要求要比ASMESB-166UNSN06690合金更加严格，不仅增加了350℃高温力学性能、晶间腐蚀等技术指标，而且力学性能对于抗拉强度、延伸率、屈服强度指标均有上下限的要求，更为苛刻的是，抗拉强度×延伸率的乘积(强塑积)也有上下限的限定，且拉伸测试时的应变速率单值限定，技术要求对比如表2所示。就现有技术及产品而言：其一，室温拉伸延伸率50～62％，超出表2的规定值上限，相应地强塑积Rm×A的值也不符合要求；其二，350℃高温拉伸性能尤其是屈服强度低于标准值；其三，耐腐蚀性能不符合要求，晶间腐蚀速率超过20毫克/平方分米.天；其四，现有锻造棒材的规格较小，常规ASMESB-166UNSN06690锻造棒材产品规格为Ф80mm-Ф200mm，远达不到Ф315mm-Ф660mm的规格要求，众所周知，产品直径放大以后，性能还会进一步降低。因此，如按照ASMESB-166UNSN06690所述成分冶炼并且按照常规的锻造、热处理进行生产，则根本无法达到核电爆破阀剪切盖的设计要求。必须通过合金成分的设计、改进的锻造成型方法及优化的热处理工艺实现。表2核电设备用镍基合金与ASMESB-166UNSN06690合金棒材主要性能指标对比经过文献查询和专利检索：专利“CN201310714808.1大尺寸GH690镍基合金棒坯的细晶锻造方法”公开了一种GH690合金棒材的锻造方法，其成分按照标准成分冶炼，棒材的规格(横截面)也较小，锻造方法复杂，相关内容未覆盖本专利技术。专利“CN200810235501.2一种核电用蒸汽发生器镍基合金”公开了一种改良的UNSN06600合金，产品为冷拉棒材或丝材，规格很小，成分、制造方法和产品规格均未覆盖本专利技术所述合金。专利“CN201310472590.3核电站设备零部件用的镍基合金的制备方法”公开了一种采用锻造的生产方法制造的宽厚比很大的板状锻件，成分、用途、性能、产品形状也没有覆盖本专利所述内容，与本专利技术无冲突。专利“CN201410809408.3大尺寸、超纯净、高性能镍基合金690的电渣重熔方法”公开了一种采用小规格电极生产大规格电渣重熔锭的方法，本专利所采用的钢锭是用大规格电极生产的大规格电渣锭，与本专利技术不冲突。而对于核电关键设备爆破阀剪切盖用镍基合金大截面棒材的的生产方法，国外企业进行了严格的保密，不作相关报道，没有相关专利文献资料及介绍。通过全面对比分析，已公开的信息没有覆盖本
技术实现思路
。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种强塑性匹配良好的新型镍基合金,尤其适合制造核电站爆破阀剪切盖用超大截面镍基合金棒材。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种用于核电关键设备的镍基合金，其包括按重量百分数计的如下元素：C：0.015～0.040％，Cr：28.0～31.0％，Fe：7.0～11.0％，W：0.01～0.15％，V：0.01～0.15％，余量为Ni和不可避免的杂质，其中，Ni的含量不低于58％，所述不可避免的杂质包括Mn、Si、P、S、Mo、Nb、Al、Ti、Co、N、Cu、B，且Mn、Si、P、S、Mo、Nb、Al、Ti、Co、N、Cu、B的含量分别不超过0.5％、0.5％、0.015％、0.010％、0.10％、0.10％、0.50％、0.50％、0.05％、0.05％、0.20％、0.005％。本专利技术钢选择化学成分范围的原因如下：碳(C)：碳含量过高会降低合金的腐蚀性能，尤其是增加了应力腐蚀开裂倾向，但碳含量过低则会降低力学性能，因大截面棒材变形量相对较小，综合考虑将C含量控制在0.015-0.040％，优选0.018-0.030％。镍(Ni)：奥氏体化形成基本元素，其在氧化及还原介质中都具有良好的稳定性，对于提高均匀腐蚀及抗应力腐蚀开裂敏感性具有较好的效果，同时对于提高材料塑性以便于冷热加工也有益处，且能提高材料的焊接性能，其添加一般与Cr及碳含量相匹配，以达到较好的同时抗晶间腐蚀、点蚀及应力腐蚀的效果，但Ni含量增加会显著提高合金的成本。铬(Cr)：Cr元素不仅赋予合金以高温抗氧化性能，而且提高了合金在高温、含硫气体中的耐蚀性，它是稳定合金表面最重要的元素，它在基体材料的表面形成抗氧化和抗腐蚀的保护层，能防止材料的氧化和热腐蚀，一般认为Cr控制在30％左右可使合金具有高的抗蚀性。铁(Fe)：加入Fe主要是为了控制成本，尤其是在生产当中使用铁质模具和一些废料就不可避免的包含铁元素。但也不能大量使用Fe元素，否则将降低合金的耐腐蚀性能。本专利技术将Fe含量控制在8.5～11.0％。硅(Si)和锰(Mn)：这两种元素在炼钢过程中有一定的脱氧作用，具有一定的固溶强化作用，并能够提高高温力学性能，在符合技术要求的情况下，将Si和Mn控制在较高的水平可以协调合金的强塑性。综合考虑，这两个元素优选地控制在Si：0.2-0.4％、Mn：0.2～0.5％。磷(P)和硫(S)：S、P是本专利技术合金的有害元素，过高的含量会恶化合金的热加工性能，并容易导致显微偏析，其含量越低越好，但低P原料成本高，且P会对合金的延伸率具有一定的调节作用，综合考虑到合金制造成本，将其控制在P：≤0.015、S：≤0.010范围内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于核电关键设备的镍基合金，其特征在于，包括按重量百分数计的如下元素：C：0.015～0.040％，Cr：28.0～31.0％，Fe：7.0～11.0％，W：0.01～0.15％，V：0.01～0.15％，余量为Ni和不可避免的杂质，其中，Ni的含量不低于58％，所述不可避免的杂质包括Mn、Si、P、S、Mo、Nb、Al、Ti、Co、N、Cu、B，且Mn、Si、P、S、Mo、Nb、Al、Ti、Co、N、Cu、B的含量分别不超过0.5％、0.5％、0.015％、0.010％、0.10％、0.10％、0.50％、0.50％、0.05％、0.05％、0.20％、0.005％。

【技术特征摘要】
1.一种用于核电关键设备的镍基合金，其特征在于，包括按重量百分数计的如下元素：C：0.015～0.040％，Cr：28.0～31.0％，Fe：7.0～11.0％，W：0.01～0.15％，V：0.01～0.15％，余量为Ni和不可避免的杂质，其中，Ni的含量不低于58％，所述不可避免的杂质包括Mn、Si、P、S、Mo、Nb、Al、Ti、Co、N、Cu、B，且Mn、Si、P、S、Mo、Nb、Al、Ti、Co、N、Cu、B的含量分别不超过0.5％、0.5％、0.015％、0.010％、0.10％、0.10％、0.50％、0.50％、0.05％、0.05％、0.20％、0.005％。2.如权利要求1所述的用于核电关键设备的镍基合金，其特征在于，各所述元素的重量百分数分别为：C：0.018～0.030％，Cr：28.5～30.5％，Fe：8.5～11.0％，Ni：58.0～63.0％，W：0.02～0.15％，V：0.02～0.15％、Mn：0.1～0.5％、Si：0.1～0.4％、P：0.003～0.012％、S：≤0.005％、Mo：0.01～0.10％、Nb：0.01～0.10％、Al：≤0.40％、Ti：≤0.40％、Co：≤0.03％、N：0.005～0.04％，其中，Mo、W、V、Nb的含量之和不超过0.4％。3.一种如权利要求1或2所述的用于核电关键设备的镍基合金大截面棒材的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：制备镍基合金，棒材的热加工成型以及棒材的热处理；其中，所述镍基合金的制造方法为：真空感应冶炼和氩气保护电渣重熔；所述棒材的成型方法为多向自由锻造开坯和大压下量成型；所述热处理的方法为固溶热处理和补充热处理。4.如权利要求3所述的镍基合金大截面棒材的制造方法，其特征在于，所述多向自由锻造开坯中，合金钢锭的加热温度为合金初熔点温度以下120～200℃，保温时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐长征，马天军，张健英，杨桦，童英豪，高雯，杨磊，唐在兴，
申请(专利权)人：宝钢特钢有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31