哈氏合金还存在中温敏化区

哈氏合金还存在中温敏化区，其敏化倾向随变形率的增加而增大。当温度较高时，哈氏合金易吸收有害元素使它的力学性能和耐腐蚀性能下降。哈氏B-2合金在各种还原性介质中具有优良的耐腐蚀性能，能耐常压下任何温度，任何浓度盐酸的腐蚀。在不充气的中等浓度的非氧化性硫酸、各种浓度磷酸、高温醋酸、甲酸等有机酸、溴酸以及氯化氢气体中均有优良的耐蚀性能，同时，它也耐卤族催化剂的腐蚀。因此，哈氏B-2合金通常应用于多种苛刻的石油、化工过程，如盐酸的蒸馏，浓缩；乙苯的烷基化和低压羰基合成醋酸等生产工艺过程中。但在哈氏B-2合金多年的工业应用中发现：（1）哈氏B-2合金存在对抗晶间腐蚀性能有相当大影响的两个敏化区：1200~1300℃的高温区和550~900℃的中温区；（2）哈氏B-2合金的焊缝金属及热影响区由于枝晶偏析，金属间相和碳化物沿晶界析出，使其对晶间腐蚀敏感性较大；（3）哈氏B-2合金的中温热稳定性较差。当哈氏B-2合金中的铁元素含量降至2%以下时，该合金对β相（即Ni4Mo相，一种有序的金属间化合物）的转变敏感。当合金在650~750℃温度范围内停留时间稍长，β相瞬间生成。β相的存在降低了哈氏B-2合金的韧性，使其对应力腐蚀变得敏感，甚至会造成哈氏B-2合金在原材料生产(如热轧过程中)、设备制造过程中（如哈氏B-2合金设备焊后整体热处理）及哈氏B-2合金设备在服役环境中开裂。现今，我国和世界各国指定的有关哈氏B-2合金抗晶间腐蚀性能的标准试验方法均为常压沸腾盐酸法，评定方法为失重法。由于哈氏B-2合金是抗盐酸腐蚀的合金，因此，常压沸腾盐酸法检验哈氏B-2合金的晶间腐蚀倾向相当不敏感。国内科研机构用高温盐酸法对哈氏B-2合金进行研究发现：哈氏B-2合金的耐蚀性能不仅取决于其化学成分，还取决于其热加工的控制过程。当热加工工艺控制不当时，哈氏B-2合金不仅晶粒长大，而且晶间会析出现高Mo的σ相，此时，哈氏B-2合金的抗晶间腐蚀的性能明显下降，在高温盐酸试验中，粗晶粒板与正常板的晶界浸蚀深度相差约一倍左右。对于哈氏B-2合金来说，在加热前和加热过程中表面保持清洁并远离污染物是十分重要的。如果哈氏B-2合金在含有硫、磷、铅或其他低熔点金属污染物的环境下加热，哈氏合金铸件则会变脆，这些污染物的来源主要包括标记笔痕迹、温度指示漆、油脂和液体、烟气。此烟气必须含硫低；例如：天然气和液化石油气含硫量不超过0.1%，城市空气含硫量不超过0.25g/m3,燃料油的含硫量不超过0.5%即为合格。对加热炉的气体环境要求是中性环境或轻还原性环境，并且不可以在氧化性和还原性之间波动。炉中的火焰不可以直接冲击哈氏B-2合金。同时要以最快的加热速度把材料加热到要求达到的温度，即要求首先要把加热炉的温度上升到要求温度，再把材料放入炉中加热。防止铁离子、油、硫和硫化物等污染，防止铁离子污染，影响耐蚀性能。尾气主要是二氧化碳和水还有HC，CO和NOx三种污染物世界首台哈氏B-3合金大型压力容器的研制发布:2011-08-29|作者:|来源:zhongruizheng|查看:491次|用户关注：摘要：本文在简要介绍哈氏合金的发展、分类与使用的基础上，重点介绍了哈氏B-3合金的发展、性能与各项合格指标。并结合世界首台哈氏B-3合金大型压力容器制造的实例，详细介绍了该类材料在焊接制造大型压力容器时在施工环境、冷热加工、耐蚀试验与质量控制等方面的具体要求。关键词：哈氏合金、冷作硬化、中温脆化、火裂、防污染、带压沸腾盐酸腐蚀试验、双面GTAW1.概述哈氏合金是镍基合金的一种，目前在石油化工、无机化工、能源环摘要：本文在简要介绍哈氏合金的发展、分类与使用的基础上，重点介绍了哈氏B-3合金的发展、性能与各项合格指标。并结合世界首台哈氏B-3合金大型压力容器制造的实例，详细介绍了该类材料在焊接制造大型压力容器时在施工环境、冷热加工、耐蚀试验与质量控制等方面的具体要求。关键词：哈氏合金、冷作硬化、中温脆化、火裂、防污染、带压沸腾盐酸腐蚀试验、双面GTAW1.概述哈氏合金是镍基合金的一种，目前在石油化工、无机化工、能源环保等许多行业有苛刻耐蚀要求的装置中已大量使用。该合金最早是由美国哈氏合金公司（HAYNESINTERNATIONAL，INC.）于二十世纪初发明的一种镍基高温耐蚀合金材料。并于二十世纪七十年代将哈氏B＼Ｃ＼Ｘ等合金分别成功地应用于火星探测器、阿波罗登月舱的火箭喷嘴和喷气式飞机发动机燃烧器等耐高温、抗氧化零、部件的制作上。二十世纪七十年代后期，哈氏合金公司通过采用氩氧脱碳重熔精炼工艺，解决了哈氏合金焊后耐蚀问题，研发出极低碳、硅含量的标志性产品、镍鉻鉬耐蚀合金------哈氏C-276。进而哈氏合金公司利用这一先进工艺，先后生产出多种型号的优质耐蚀哈氏合金材料。一举在镍基合金材料研发方面处于世界领先地位。目前，哈氏合金已发展成为一个包括B、C、G、X等多个系列的哈氏合金材料族，被列入ASTM、UNS等标准体系中。其中哈氏B系列合金也从最早的能做火箭喷嘴的哈氏Ｂ合金发展成能用于制作抗盐酸、硫酸、醋酸、甲酸、乙酸和食品级磷酸等还原型酸腐蚀装备的哈氏Ｂ-２合金。但由于Ｂ-２合金在冷加工过程中会随着变形率的增加而增加强度和硬度，降低延伸率；同时在中温区（６００～８００℃）会快速析出脆性相，使其延展性迅速下降。从而使得用哈氏Ｂ-２合金制造压力容器变得非常困难。进入二十一世纪，针对哈氏B-2合金材料的加工硬化、中温脆化等妨碍设备制造的缺点，哈氏合金公司又研发出哈氏B-3合金，使其热加工性能有了很大的提升,具体见图1。图1哈氏B-2/B-3热拉伸曲线图但哈氏B-3的冷加工性能仍未得到有效地改善。具体见表1。表1哈氏合金冷加工变形/材料性能统计表目前，所有哈氏B系列合金材料的化学成分如下。表2哈氏B系列合金材料的化学成份所有哈氏B系列合金的机械性能如下表。表3哈氏B系列合金的机械性能尽管哈氏合金公司全力推出哈氏B-3合金，用以全面取代哈氏Ｂ-２合金，并使得其在600~800℃中温区脆性相开始析出时间由B-2的0.1~0.2hr左右延长至B-3的2~4hr左右，使其设备制造难度有一定的下降。但由于哈氏B-3合金仍具有比其他材料相对困难的中温脆化与冷作加工硬化问题，使得焊接制造哈氏Ｂ-３压力容器仍具有相当的难度，仍需要开发哈氏B-3材料的机械加工与成型、焊缝耐腐蚀性能保证及大型薄壁零部件的冷、热加工成型与固熔处理等关键制造工艺技术。2.哈氏B-3合金大型压力容器的制造难点由哈氏B-3材料的化学成份和机械性能可以看出，它是一种又粘又硬的高镍鉬合金，其加工、焊接与热处理均与其他材料有不同的特点，具体如下所述。2.1哈氏B-3材料的冷加工性能从前文介绍和从表一均可以看出，哈氏B-3合金具有非常严重的冷作加工硬化趋势，从表二可以看出，哈氏B-3合金是以熔点较高的镍元素作为基体，并含有相当数量高熔点的鉬、钴、钨、钒等元素，使得其具有极高的强度、硬度、粘度和高温机械性能。从而使其具备了极困难的机械加工性能。所以，在机械加工哈氏B-3合金时，往往发现切削阻力大、切削温度高、冷作硬化现象严重、刀具极易磨损、崩刃与烧损，甚至发生刀刃打滑、钻头磨细的现象。2.2哈氏B-3材料的热成型加工性能从图一可以看出，哈氏B-3合金在550~800℃时，会在晶界形成有害的Ni-Mo相脆性组织，使其延展性迅速下降，从而降低了哈氏B-3合金的热成型加工性能。另据哈氏合金公司有关资料介绍，对光亮退火的δ=3.2mm的薄板，在其由315℃升至425℃温度区的过程中，其51mm延伸率下降近50%，由63.4%迅速下降至32.0%。此外，据哈氏合金公司的DwaineL.Klarstorm在《超级合金的热处理裂纹》一文中介绍，当在哈氏B-3合金的表面有残余拉伸应力和应力集中因素出现、在合金内部有超应变显微组织存在时，其在1050~1150℃固熔处理时会在表面产生“火裂”（firecracking）。由上述论述可知，哈氏B-3材料的热加工性能也是相当苛刻的，其有把握的热成型加工温度应小于425℃。而其热处理也只能是在1050~1150℃时的快速固熔处理，且须注意防止表面产生“火裂”。2.3哈氏B-3材料的焊接性能哈氏B-3材料的焊接是其压力容器制造的关键，除了要按照镍基合金焊接要求进行控制外，对哈氏B-3的焊接还有其特殊的要求。2.3.1由于其冷加工性能差，相应其焊缝的清根打磨很困难，所以要考虑采用不清焊根的方法进行打底焊道的焊接。2.3.2由于当在材料内部有超应变显微组织存在时，会在固熔处理过程中产生“火裂”，所以在焊接和热处理过程中要注意防止材料显微组织的变异，即要注意防止化学成分与金相组织的污染与改变。2.3.3为防止“火裂”，还需注意焊缝和母材表面的应力集中和拉伸应力的分布。此外对于控制焊接线能量和层间温度、防止合金元素的烧损以及整个施工环境的防污染保护都是保证哈氏B-3合金焊接质量须考虑的关键因素。2.4哈氏B-3合金的耐腐蚀性能哈氏B-3合金最主要的优点就是它的优异的耐盐酸等还原性介质腐蚀的特性。由于一般不锈钢和绝大部分其他金属及合金在盐酸中耐蚀性都很差，所以哈氏B-3合金的耐盐酸腐蚀的性能显得尤为可贵。为了考核、控制哈氏B-3合金的耐腐蚀性能，哈氏合金公司专门研究开发，给出了沸腾硫酸、醋酸、甲酸、磷酸和盐酸等腐蚀试验方法的合格指标，具体如表4示。表4哈氏B-3合金沸腾酸中抗均匀腐蚀性能表为了进一步严格控制哈氏B-3材料在抗还原性腐蚀介质压力容器中的耐腐蚀性能，又提出带压沸腾盐酸腐蚀试验法，即试样在20%沸腾盐酸溶液釜中加压升温至150℃左右，并连续煮沸100小时左右，将试样洗净后，放在数百倍金相显微镜下测定晶界侵蚀深度，要求最大腐蚀深度δ≤0.15mm左右。而要通过这一腐蚀试验，无论是对母材，还是对焊缝，都是非常严格的要求。必须要对其化学成分与金相组织的纯净度、焊接热输入量与层间温度、固熔热处理的温度与保温时间及升降温速度等进行严格的控制。3.哈氏B-3合金大型压力容器的制造2004年，在完成了对哈氏B-3合金冷、热加工性能、焊接性能和耐腐蚀性能的充分研究后，我厂与设备使用厂和合肥通用机械研究院合作，共同完成了世界首台哈氏B-3合金大型压力容器的研制。图2世界首台哈氏B-3合金大型压力容器表5世界首台哈氏B-3大型压力容器几何参数名称几何参数（mm）设备总长~10000左右设备直径~Ф3800左右设备最大壁厚~14左右为完成世界首台哈氏B-3合金大型压力容器的研制，须对以下环节进行有效的控制：3.1建立清洁的施工环境由哈氏合金的冶炼方法知，须采用氩氧脱碳重熔精炼，严格脱除材料中的碳、硅、硫、磷等杂质，才能获得焊后耐蚀的、符合相关标准的哈氏B-3合金材料。又从耐腐蚀试验和防止固熔“火裂”的要求可知，防止污染是关键。所以建立一个高质量要求的清洁施工环境是焊接制造大型哈氏B-3合压力容器的关键措施。为此，特意建造了一座3000m2的清洁厂房，并完善了相关的管理制度，从根本上为焊接制造该类高合金、高耐蚀材料大型压力容器奠定了基础。图3大型压力容器清洁厂房3.2选择合适的切削刀具材料与切削工艺由于哈氏B-3合金材料机械加工时，具有切削阻力大、切削温度高、冷作硬化现象严重、刀具极易磨损等特点，所以选用的刀具要具有足够的常温与高温强度、硬度与耐磨性，并要能承受一定的振动和冲击载荷。经试验发现，YH1、YH2、YW2、YG8、YG8W、YG6X等类型的硬质合金刀具基本符合上述要求，只要再选择好前角、后角、主偏角和刃倾角等刀具几何参数；采用低切削速度、大进刀量的切削工艺，哈氏B-3合金的冷加工关完全可以顺利突破。3.3严格控制热加工温度由于哈氏B-3合金的强度高、硬度大、冷作回弹和冷作硬化趋势严重，其封头等变形量超过7%部件的成型制作与固熔热处理成为该类压力容器研制的关键工序之一。根据前述已知，哈氏B-3合金大变形量零部件只有在室温~400℃的中温成型加工区进行温成型加工和在1050~1150℃的固熔处理温度区进行快速固熔处理，才能得到合格的