一种含Nb奥氏体耐热合金无缝管及其制备和组织调控方法

本发明涉及属于耐热合金无缝管加工及组织调控，尤其涉及一种含nb奥氏体耐热合金无缝管及其制备和组织调控方法。

背景技术：

1、发展超超临界发电技术是提高燃煤机组发电效率的有效途径，随着超超临界机组蒸汽参数不断提高，锅炉过热器、再热器等高温承压部件对耐热合金无缝管的高温强度、持久性能、抗氧化腐蚀性能以及长期组织稳定性提出了更高要求。

2、sp2215奥氏体耐热合金含cr、ni、cu、nb和n等元素，能够通过奥氏体基体固溶强化以及富cu相、nb(c,n)相、nbcrn相等析出相的复合强化获得较好的高温综合性能，因此成为620~650℃高参数超超临界锅炉管材等高温服役部件的优选材料。

3、含nb奥氏体耐热合金无缝管的制备通常包括管坯制备、热穿孔、冷轧及固溶热处理等工序。热穿孔过程中管坯内外表面的受力、应变速率及散热条件等存在差异，易造成管壁内外层金属流动和塑性变形不协调，增加穿孔过程中偏心、壁厚不均及表面缺陷的发生倾向，甚至诱发微裂纹造成开裂。同时热穿孔后的荒管需经多道次周期式冷轧。冷轧工艺参数匹配不当时，容易造成管壁内外层塑性变形不协调，使局部残余应力、温升和损伤累积，进而引起管材尺寸偏差、椭圆度增大、表面折叠或局部损伤，并增加后续加工过程中变形或开裂的风险。

4、除影响管材的宏观成形质量外，工艺参数的选择还会直接影响合金的再结晶行为和析出相演变。前序工序形成的变形不均匀及组织差异若不能得到有效调控，可能在后续冷轧和热处理过程中继续遗传和放大，最终导致管壁不同区域的晶粒尺寸和析出相分布不均。

5、nb为强碳、氮化物形成元素，在合金中易形成nb(c,n)、nbcrn等富nb析出相。粗大或分布不均匀的富nb析出相在定向变形作用下可能沿加工方向呈链状/条带状偏聚，使不同区域的晶界钉扎作用和再结晶条件产生差异，从而增加异常晶粒长大、混晶及组织不均匀的倾向。现有奥氏体耐热合金无缝管组织调控方法主要是通过超高温长时间均匀化处理促进析出相回溶，然而该类析出相具有较高的热稳定性，完全回溶温度达1300℃以上，与合金熔点温度相当，仅通过提高热处理温度或延长保温时间难以将其充分消除，且过高的温度或过长的保温时间还可能引起奥氏体晶粒明显粗化。需要有改进现有的无缝管加工工艺，对管坯加热、热穿孔、冷轧、中间热处理及最终固溶等工序进行协同调控，以获得加工性能良好、组织均匀、综合性能优异的无缝管。

6、因此，有必要研究一种含nb奥氏体耐热合金无缝管及其制备和组织调控方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种含nb奥氏体耐热合金无缝管的制备及组织调控方法，以解决现有技术中含nb奥氏体耐热合金无缝管在热穿孔、冷轧及热处理过程中存在的变形不均匀、残余应力累积、富nb析出相分布不均以及由此引起的混晶和组织不均匀的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种含nb奥氏体耐热合金无缝管的制备及组织调控方法，包括如下步骤：

4、s1）原料准备：采用含nb奥氏体耐热合金管坯作为原料；

5、s2）管坯加热：将所述含nb奥氏体耐热合金管坯进行分级加热，先在第一温度段保温，使管坯中粗大一次富nb相部分回溶并细化奥氏体晶粒；再升温至高于所述第一温度段的第二温度段保温，完成穿孔前的组织预调控；

6、s3）热穿孔：将经s2）处理后的管坯采用二辊斜轧方式进行热穿孔，获得荒管；

7、s4）第一道次冷轧：对所述荒管进行第一道次冷轧，第一道次冷轧变形量小于第二道次冷轧变形量；

8、s5）中间退火：对第一道次冷轧后的管材进行中间退火处理，中间退火温度为1000～1050℃，保温后水冷；

9、s6）第二道次冷轧：对中间退火后的管材进行第二道次冷轧；

10、s7）固溶处理：将第二道次冷轧后的管材进行固溶处理，水冷后得到所述含nb奥氏体耐热合金无缝管。

11、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s2）中，所述第一温度段为1000～1050℃，保温时间为60～150min；所述第二温度段为1100～1150℃，保温时间为15～20min；由所述第一温度段升温至所述第二温度段的升温速率不低于10℃/min。

12、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s4）第一道次冷轧变形量为30～35%，所述s6）第二道次冷轧变形量为55～60%。

13、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s5）中间退火的保温时间为60～150min。

14、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s7）固溶处理温度为1200～1250℃，保温时间为30～60min。

15、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述含nb奥氏体耐热合金的各组分按质量百分数计为：cr22.0～24.0%，ni13.0～17.0%，cu3.0～4.0%，nb0.30～0.70%，mo0.15～0.6%，v0.10～0.45%，c0.04～0.10%，n0.15～0.45%，b0.0020～0.0060%，si≤0.75%，mn≤2.00%，p≤0.030%，s≤0.010%，余量为fe和不可避免的杂质。

16、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s3）中的二辊斜轧热穿孔过程中，顶头前伸量为45～55mm，轧辊间距为94～98mm，导板间距为112～120mm，送进角为9～11°，碾轧角为14～16°，穿孔轧辊转速为30～60r/min；穿孔后所得荒管外径为108～114mm、壁厚为13～15mm。

17、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s4）和s6）中的冷轧均采用两辊周期式冷轧，送进量为4～6mm，轧辊转速为60～80r/min，管材回转角为30～60°。

18、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s1）中采用的含nb奥氏体耐热合金管坯直径为105～115mm；所述s4）第一道次冷轧后得到的中间管外径为86～92mm、壁厚为11～13mm；经s6）第二道次冷轧及s7）固溶处理后所得成品管外径为48～53mm、壁厚为9～10.5mm。

19、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种含nb奥氏体耐热合金无缝管，所述含nb奥氏体耐热合金无缝管由所述的制备及组织调控方法制备而成；所述含nb奥氏体耐热合金无缝管的成品外径为48～53mm、壁厚为9～10.5mm，晶粒度为5～7级，650℃/10万小时外推持久强度不低于130mpa，700℃/10万小时外推持久强度不低于78mpa，富nb析出相在晶界上呈弥散分布，无链状/条带状偏聚。

20、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

21、1、通过穿孔前分级加热工艺，先在1000～1050℃保温60～150min使粗大一次富nb相部分回溶、尺寸减小，再快速升温至1100～1150℃保温15～20min细化奥氏体晶粒，增加单位体积晶界面积，使富nb相在晶界上分布更加弥散；配合合理控制二辊斜轧穿孔的顶头前伸量、轧辊间距、导板间距、送进角和碾轧角等参数，使管坯内外层变形协调，有效改善荒管成形稳定性、尺寸精度和组织均匀性，降低因内外层变形不均引起的偏心、壁厚不均、表面损伤及开裂风险。

22、2、通过合理分配两道次冷轧变形量（第一道次30～35%、第二道次55～60%）并在两道次冷轧之间匹配1000～1050℃中间退火，使第一道次冷轧产生的变形储能和残余应力充分释放，促进再结晶和晶粒细化，调控富nb析出相的尺寸及分布，减弱富nb析出相的链状/带状分布，降低异常晶粒长大和混晶倾向，从而提高成品管组织均匀性，实现无缝管尺寸成形与组织调控的协同控制。

23、3、本发明将组织调控措施分布于管坯加热、热穿孔、冷轧及中间退火等多个工序，而非仅依赖提高固溶温度或延长保温时间消除组织不均；由于含nb奥氏体耐热合金中富nb析出相热稳定性高、完全回溶温度达1300℃以上，单纯提高热处理温度不仅难以充分消除粗大析出相，还可能引起奥氏体晶粒明显粗化，本发明通过多工序协同调控有效规避了上述风险，有利于减轻高温处理引起的晶粒过度长大并改善最终组织均匀性。

24、4、采用本发明所述方法制备的含nb奥氏体耐热合金无缝管，晶粒度可控制在5～7级。

25、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。