[发明专利]一种爆破阀GH690合金剪切盖的晶粒控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种爆破阀GH690合金剪切盖的晶粒控制方法，属于材料加工技术领域。

背景技术

爆破阀作为一种特殊阀门在新一代压水堆核电站中首次被引入，主要用于自动卸压系统、低压安注系统和安全壳再循环系统中，在严重事故情况下，通过开启阀门信号触发爆破单元，产生的高压气体推动阀门中的活塞运动，切断阀门通径的盲管，也就是剪断剪切盖，冷却水即可进入堆芯进行冷却，阻止核反应堆继续运行，从而最大限度地提高核电站的安全性。图1是爆破阀开阀原理示意图。

剪切盖是爆破阀安全服役和开阀动作执行的关键部件，材料是0Cr30Ni60Fe10合金(牌号为GH690)，目前采用锻造+热处理+机械加工方法制造。GH690是一种约30%Cr含量的奥氏体型镍基合金，具有高强度、优异抗多种酸/碱水性介质腐蚀和高温气氛侵蚀能力、良好的冶金稳定性和优良的加工特性，被广泛应用于核电站压水反应堆的重要设备。GH690合金在常规工艺温度（1160℃-1180℃）下锻造成型过程中，高温和变形量不足容易发生二次再结晶，从而导致晶粒不均匀及异常长大等问题。图2是爆破阀剪切盖锻件示意图，实际产品包括不同型号爆破阀装配的剪切盖，尺寸大小虽然不同，但形状结构相近，均具有厚壁、形状复杂和塑性变形不均的锻造工艺特点。锻件外形轮廓需要在成形胎内锻打棒坯成形，限制了锻件底部区域的变形量，在高温和小变形量双重不利因素作用下，剪切盖底部不可避免地发生二次再结晶导致晶粒异常长大，这类不均匀组织无法通过后续热处理消除，异常长大的晶粒降低GH690合金材料强度，均匀性差的组织加大了合金基体不同部位的电极电位差异，恶化了合金在高温水介质服役工况下的晶间腐蚀及应力腐蚀性能，影响剪切盖的可靠性及服役寿命。

针对GH690合金成品管晶粒组织均匀性控制差的问题，可以引入不均匀因子Z评定组织均匀性，设计单、双道次冷轧和退火实验（北京科技大学学报.2012年，第34卷，第4期，410-416页），实验结果表明：690合金荒管经变形量50%的单道次冷轧，在1100℃下保温5min的中间退火处理后晶粒组织最均匀；荒管经一二道次变形量依次为50%、70%的双道次冷轧，两道冷轧工序之间采用1100℃保温时间5min的中间退火，最后在1060℃保温5min或者1100℃保温3min进行固溶处理获得的组织均匀性最好，保证了晶粒大小指数介于5级和9级之间。冷轧+退火工艺技术对解决结构简单、薄壁的GH690合金管晶粒组织均匀性控制差的问题很有效，对于厚壁剪切盖锻造成形并不适用。

专利《大尺寸GH690镍基合金棒坯的细晶锻造方法》(公开号CN103695826A)，利用锭坯均匀化（1100℃-1200℃）+多次分级锻造（1160℃-1180℃）的复合工艺来制作GH690镍基合金细晶棒坯，能使所述锻造用棒坯的晶粒变得均匀细小。虽然反复墩粗拔长的分级锻造工艺可以获得晶粒细小的棒坯，但由于剪切盖锻件外形复杂，要在胎模内成形，无法应用反复墩粗拔长的细化晶粒工艺，而整体变形不均匀且底部变形量小的成形特点，无法避免剪切盖在常规工艺温度下胎模锻过程中发生二次再结晶。

发明内容

本发明提出一种爆破阀GH690合金剪切盖的晶粒控制方法，旨在解决爆破阀GH690合金材质剪切盖锻件组织不均匀、晶粒异常长大等问题。锻造变形量、锻造温度和第二相粒子是影响锻造过程晶粒长大的三个重要因素：锻造过程大变形量有利于破碎大晶粒，细化组织；温度越高，晶界越容易迁移，晶粒越容易粗化；第二相粒子会阻碍晶界迁移，降低晶粒长大速率。本发明针对剪切盖锻造加工难题，提出在高温（1020℃-1150℃）时实施大变形量自由锻造，中温（710℃-850℃）时实施小变形量胎模锻造的工艺方法，在此适中温度区间，碳化物作为第二相粒子析出，起到进一步阻碍晶界移动的作用，抑制剪切盖锻造加工过程中的晶粒异常长大。

本发明采用的技术方案是：一种爆破阀GH690合金剪切盖的晶粒控制方法，所述方法采用以下步骤：

（1）选用晶粒等级为3-8级、组织均匀的镍基GH690合金为原料的钢锭，所述钢锭的直径不低于设计剪切盖最小截面直径的145%，把钢锭放在1020℃-1150℃热处理炉中加热，在锻压机上把所述钢锭锻打、拔长至直径为剪切盖最小截面直径的85-95%后水冷；

（2）把所述钢锭放在1020℃-1100℃热处理炉中固溶处理，让晶界处碳化物M₂₃C₆充分溶解，Cr、Ti、C合金元素均匀固溶到奥氏体基体内；