三代先进非能动型主泵电机用支撑筒材料热处理工艺研究

郑吉伟，赵忠刚，李雅范，萨仁格日乐，戚彩梦

（1.哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨 150040；2.沈阳科金特种材料有限公司，沈阳 110101；3.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

前言

AP1000机组是我国从美国西屋引进的先进非能动型第三代核电机组，其中屏蔽电动泵由美国的EMD公司设计，我国的沈阳透平机械集团公司和哈尔滨电气集团分别为泵部分和电机部分的技术受让方。屏蔽电动泵与轴封式主泵最大的区别是其驱动电机为屏蔽式电动机，该电机与泵相连，泵中的高温高压反应堆冷却剂可进入电机内部，因此电机的许多部件均为核一级承压部件或安全相关部件。

AP1000屏蔽电机的运行工况决定了其大部分材料为奥氏体不锈钢材料和耐蚀合金，某些部件还采用了高温合金材料。支撑筒是屏蔽电机定子中的部件，它由一套环锻件装配而成，置于电机定子内部两端，承受定子屏蔽套传递而来的高温高压，起到支撑定子屏蔽套的作用。支撑筒采用UNILOY 888材料，它是一种高温合金材料。由于UNILOY 888是一种非标材料，国内各领域均未用过此材料，因此国内制造厂均无该材料的制造业绩，也无法供应该材料。为此应国家要求，哈电集团启动了该材料的国产化，对该材料进行了研究和试制。本文对UNILOY 888材料的热处理工艺进行了研究，最终获得了优化的热处理工艺，填补了国内空白。

1 分析

从UNILOY 888的化学成分可以判断出它属于高温合金范畴，其化学成分要求如表1所示。

从表1可以看出，该材料合金元素主要包括Ni、Cr、Mn、Si、V、C六种。其中Ni、Mn、C属于扩大奥氏体区元素，Cr、V、Si属于扩大铁素体区元素[1]。与铁基铬镍型奥氏体不锈钢对比，其含铬量在8%左右，低于后者；含镍量在7.5%左右，与后者相当；含碳在0.5%左右，远高于后者；并且含有9%左右的Mn元素。因此定性分析，该材料室温组织是以奥氏体为基体的合金钢，属于高温合金范畴。定量分析可以采用Schaeffler相图进行进一步验证。

表1 UNILOY 888化学成分

Schaeffler相图利用Cr当量和Ni当量来判断不锈钢的室温组织[2]。尽管如此，该相图对于判断UNILOY 888材料的室温组织仍有指导意义。在Schaeffler相图中可以看出Creq=%Cr+%Mo+1.5×%Si+0.5×%Nb ，Nieq=%Ni+30×%C+0.5×%Mn。对于 UNILOY 888 材料，Creq为6.75～9.75，Nieq为24.5～31，室温组织区域如上图标记区域所示，因此，该材料室温基体组织为奥氏体。

从UNILOY 888材料化学成分判断，与高温合金GH36相近，GH36化学成分要求如表2所示。

表2 GH36化学成分

图1 Schaeffler相图

GH36合金采用固溶加时效热处理方式进行强化，其推荐的热处理制度为：1140℃保温1～2小时，水冷；650～670℃，保温14～16小时，然后升温至770～800℃保温14～20小时，空冷。热处理后的室温组织为奥氏体+部分碳化物，其中晶粒内部以VC为主，晶界上为Cr23C6，分别起到弥散强化和晶界强化的作用[3]。UNILOY 888材料主要成分与GH36材料主要成分相近，因此热处理制度参考GH36制定，并且可以判断出UNLOY 888室温组织也为奥氏体加部分碳化物。

2 试验计划

根据产品厚度，拟锻制40×40mm截面的两种不同成分的棒材，棒材化学成分分别靠近各元素的上下限。然后采用16种不同的热处理制度对棒材进行热处理，同时为确定长期时效对性能的影响，增加了4组附加热处理。最后进行拉伸试验并对力学性能进行验证，同时采用光学显微镜和电子显微镜进行金相组织检验及能谱分析。拟定热处理制度如表3所示。

表3 拟定UNILOY888材料热处理制度

3 结果及讨论

拉伸试验按ASTM A370进行，采用直径12.5mm，标距50mm的标准圆形试样。拉伸试验结果如表4所示。

由表4数据表明，影响拉伸性能的主要因素包括固溶温度、时效温度及时效时间。试料在1090℃及1100℃固溶处理，并在650℃时效后，其屈服强度及抗拉强度值相对较低。观察固溶后试料金相组织发现，奥氏体基体上存在较多的未溶碳化物。随着时效处理后，奥氏体基体上析出的碳化物数量相对较少且颗粒较大，组织如图2（a）箭头所示。

表4 室温拉伸试验结果

固溶温度低造成固溶效果不佳，碳化物未完全溶于基体中，在晶界及晶粒内以大颗粒形态存在，因此影响时效时第二相的析出效果是造成性能低的根本原因。随着固溶温度提高到1130℃或1150℃，并在650℃时效后，碳化物在晶内呈弥散细小形态析出，组织如图2（b）红色箭头所示，第二相强化作用贡献显著，从而使试料获得了较高的强度。该热处理制度下获得的性能与表5所列国外进口材料性能相比，强度水平略优，塑性相当。

提高时效温度到670℃时，材料强度进一步提高，但是塑性降低较快。当降低时效温度到610℃时，强度水平下降，塑性提高。而在650℃长期时效热处理后，材料的强化效果显著增大，但是塑性急剧下降，延伸率已不能满足技术使用要求。由于支撑筒运行温度在200℃以下，因此可不考虑运行温度对材料造成的时效影响。

表5 国外UNILOY 888材料性能

图2 试样组织照片

为确定组织内强化相类型，进行了XRD衍射分析，分析结果如图3所示。

XRD衍射分析表明，UNILOY 888材料热处理后其组织内强化相主要为VC和 Cr23C6，同时还具有金属间化合物Ni3V相。对于铁基合金，各类碳化物强化作用不同，VC具有强时效硬化能力，M23C6次之，而且M23C6型碳化物倾向于晶界析出，时效硬化作用小[4]。因此UNILOY 888材料，是以晶粒内弥散析出的VC强化为主，以晶界上点状析出的Cr23C6为辅来强化的，即强化方式与GH 36相同，第1节的分析得以验证。

综上所述，为使材料获得综合强韧性能，最终确定材料热处理制度为1130-1150℃固溶、水冷，630～650℃时效、空冷，保温时间视材料厚度而定，并且需控制时效保温时间。

图3 XRD衍射分析

4 结论

（1）UNILOY 888材料与GH 36化学成分相近，强化方式相同；

（2）对于支撑筒材料，最佳热处理制度为：固溶温度：1130～1150℃，冷却方式：水冷；时效温度：630～650℃，冷却方式：空冷；

（3）650℃长时间时效，会引起材料塑性大幅降低，对于该温度附近使用的材料应考虑塑性下降问题。

[1] 崔忠圻.金属学与热处理[M].机械工业出版社,1988.

[2]L.柯洛姆比,J.戈赫曼.不锈钢与热强钢[M].中国工业出版社,1964.

[3] 许昌淦,周鹿宾.合金钢与高温合金[M].北京航空航天大学出版社,1993.

[4] 黄乾尧,李汉康,等.高温合金[M].冶金工业出版社.2000.