CN101600814B - 对镍基合金的环境辅助开裂脱敏的方法和据此制造的部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对Ni基合金的环境辅助开裂进行脱敏的热处理方法，所述Ni基合金的重量百分比组成为：C≤0.10％；Mn≤0.5％；Si≤0.5％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni≥40％；Cr＝12-40％；Co≤10％；Al≤5％；Mo＝0.1-15％；Ti≤5％；B 0.01％；Cu 5％；W＝0.1-15％，Nb＝0-10％，Ta＝10％；余量为Fe，以及加工过程导致的不可避免的杂质，其特征在于，将所述合金在950-1160℃下保持在含有至少100ppm与中性气体混合的氢气的气氛中或者纯氢气气氛中。本发明还涉及用所述组成的Ni基合金制造并经过所述热处理的部件。

Description

对镍基合金的环境辅助开裂脱敏的方法和据此制造的部件
技术领域
本发明涉及镍基合金的冶金，更具体地涉及用于制造核反应堆的结构部件或所述反应堆中插入的燃料组件的结构部件的合金。 
背景技术
核反应堆的某些部件是用镍基合金例如各种类型的 
Figure DEST_PATH_GSB00000452404900011
制造的，这些部件例如是换热器、棒束的导销、管道、用于固定钢质元件的螺钉和螺栓，所述钢质元件用于制造轻水核反应堆或带有气体或熔融盐或液态金属载热流体的核反应堆的冷却回路。这些部件在高温和高压下在长时间内(几十年)应当具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性、抗蠕变性以及对循环热应力和机械应力的抗性，镍基合金很适合这些用途。 
轻水核反应堆的燃料组件的某些结构部件也可以由镍基合金制成，其中718合金是优先的例子。在栅格弹簧和压紧弹簧和螺钉元件的情况下尤其如此，其中栅格弹簧通常由这种合金的带材制成，压紧弹簧要么由用于叠板弹簧的半成品板制成，要么由螺旋弹簧的线制成，螺钉元件由棒材制成。 
可用于这些情况下的镍基合金具有以重量百分比表示的如下一般组成：C≤0.10％；Mn≤0.5％；Si≤0.5％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni≥40％；Cr＝12-40％；Co≤10％；Al≤5％；Mo＝0.1-15％；Ti≤5％；B≤0.01％；Cu≤5％；W＝0.1-15％，Nb＝0-10％，Ta≤10％；余量为铁，以及加工过程导致的不可避免的杂质。未指明最小值的元素可以完全不存在，或者仅以痕量存在。也可以任选地存在少量的其他更少使用 的元素，以调整某些机械或化学性能，它们将不会剧烈改变合金的环境辅助开裂敏感性方面的性能，这种敏感性在水性介质中表现为应变腐蚀现象。 
通常，这种合金的具体实例718合金的组成为：C≤0.08％；Mn≤0.35％；Si≤0.35％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni＝50-55％；Cr＝17-21％；Co≤1％；Al＝0.2-0.8％；Mo＝2.8-3.3％；Ti＝0.65-1.15％；B≤0.006％；Cu≤0.3％；Nb+Ta＝4.75-5.5％；余量为铁以及加工过程导致的不可避免的杂质。它也可以含有几百ppm的Mg。 
在含有这种部件的反应堆的运行中越来越重要的一个问题是所述部件对环境辅助开裂的耐受性。这是因为，一方面，人们希望尽可能延长燃料组件的运行周期时长。因此希望将其从目前常规的12个月长度延长到18个月，甚至24个月。另一方面，轻水反应堆(英文为LWR)的初级(primaire)介质的特定条件有利于环境辅助开裂的发展。对于带有气体或熔融盐或液态金属载热流体的核反应堆，情况也是这样，这是因为所达到的加剧氧化现象的极高温度的原因。特别是，对于压水反应堆的经验已表明，在发生应变腐蚀(CSC)的情况下，由于环境辅助开裂的发展，718合金制成的栅格弹簧会在使用过程中突然发生断裂。也遇到过X750合金制成的棒束的导销、600合金制成的蒸汽发生器的管道、槽底套管、焊接区域的断裂或裂缝，所有这些部件均是由不同牌号的镍基合金制成的。 
因此，为了改善镍基合金、尤其是178合金制成的部件的可靠性，需要寻找降低这些部件对环境辅助开裂的敏感性的方法。 
迄今为止，所采用的方案尤其已经产生良好的工业实用性或者采用缓解措施。 
因而，已经提出通过机械途径(喷丸处理、微珠化处理(microbillage)、喷沙处理等)或化学途径(电抛光)改变结构元件的表面状态。例如，文献JP-A-2000 053 492教导对Ni基超级合金制成的单晶浇铸材料进行材料最外层的去除，这是通过对所述层进行氧化然后进行电化学抛光来实现的。然后，在等于或高于再结晶温度 的温度下进行热处理。由此消除了使材料对环境辅助开裂敏感的材料表面残余应力。然后将表面用陶瓷层覆盖。该文献教导了将该方法应用于燃气轮机的叶片，但是还已经在600和690合金制成的蒸汽发生器的管上进行材料表面状态的改变以消除残余应力。 
另一种方法在于在材料上涂布合适的涂层。因而常见对718合金制成的栅格弹簧进行镀镍以降低其在工作中断裂的数量。其他类型的涂层也是可以的，例如通过扩散进行表面处理。因而，文献US-A-5 164270提出在含有9-30％Cr的铁合金表面上植入Nb和/或Zr并使其暴露于O2/S气体混合物。这也可以应用于Ni基合金。 
另一种方案在于在结构元件上进行高温(1100℃)全面或局部热处理，从而引起材料微结构的改变。这样在600合金制成的蒸汽发生器弯头上进行了局部处理。还寻求通过这种方式去除718合金中的任何痕量δ相(见文献US-A-5 047 093)。 
另一种方案在于或多或少根本性地改变材料的化学组成，这有时可以导致开发出新牌号的合金。因而将600合金用690合金替换来制造蒸汽发生器的管。这是一种在研究开发时昂贵的途径，并且它并不总能得到对于工业应用来说在技术和/或经济方面可行的结果。 
最后，人们不再针对材料本身，而是针对结构的设计，方式是降低结构所受的应力的水平。这种途径无论如何在开发时也是昂贵的，并且经常导致失败。 
通常，这些良好实践的规则更多地倾向于优化结构对其所承受的应力的耐受性，而不是持久地且确实地改善材料的性能并接近其固有特性。 
发明内容
本发明的目的是提出在独立于部件的设计的情况下，改善在承受易于促使环境辅助开裂出现的条件下镍基合金制成的核反应堆的部件的性能和可靠性的措施，特别是为了得到长持续时间的运行周期。这种措施还应当在不涉及或很少涉及材料的其他特性的情况下消除材料 对环境辅助开裂(fissuration assistée par l’environnement)的敏感性。 
为此，本发明的目的是对Ni基合金的环境辅助开裂进行脱敏(désensibilisation)的热处理方法，所述Ni基合金的重量百分比组成为：C≤0.10％；Mn≤0.5％；Si≤0.5％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni≥40％；Cr＝12-40％；Co≤10％；Al≤5％；Mo＝0.1-15％；Ti≤5％；B≤0.01％；Cu≤5％；W＝0.1-15％，Nb＝0-10％，Ta≤10％；余量为Fe，以及加工过程导致的不可避免的杂质，其特征在于，将所述合金在950-1160℃下保持在含有至少100ppm与中性(neutre)气体混合的氢气的气氛中或者纯氢气气氛中。 
所述对环境辅助开裂进行脱敏的处理可以在950和1010℃之间进行。 
所述对环境辅助开裂进行脱敏的处理可以在1010和1160℃之间进行。 
所述对环境辅助开裂进行脱敏的处理可以在随后将经受旨在改变其冶金结构的处理的半成品上进行。 
所述处理可以是退火处理、再结晶处理、固溶(mise en solution)处理，或者硬化处理，又称老化处理。 
所述对环境辅助开裂进行脱敏的处理可以在随后不经受旨在改变其冶金结构的处理的产品上进行。 
在对环境辅助开裂进行脱敏的处理后，可以对合金进行机械加工和/或抛光。 
所述脱敏处理可以在对氧的亲和性(avidité)比所述合金大的化合物的存在下进行。 
所述化合物是金属如Al、Zr、Ti、Hf，或者含有这些金属中的至少一种的合金，或者元素或元素的化合物例如Mg、Ca。 
至少在对环境辅助开裂进行脱敏的处理过程中，可以将N i基合金包裹在所述的对氧的亲和性(affinité)比所述Ni基合金大的化合物或合金或金属的带材(feuillard)中。 
至少在对环境辅助开裂进行脱敏的处理过程中，可以将所述Ni基合金置于具有一个或多个壁的盒子 
Figure G2007800509753D00051
中，所述壁由所述的对氧的亲和性比所述Ni基合金大的化合物或合金或金属制成。 
至少在对环境辅助开裂进行脱敏的处理过程中，可以将所述Ni基合金置于由所述的对氧的亲和性比所述Ni基合金大的化合物或合金或金属制成的粉末中。 
该合金可以具有如下重量百分比组成：C≤0.08％；Mn≤0.35％；Si≤0.35％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni＝50-55％；Cr＝17-21％；Co≤1％；Al＝0.2-0.8％；Mo＝2.8-3.3％；Ti＝0.65-1.15％；B≤0.006％；Cu≤0.3％；Nb+Ta＝4.75-5.5％；余量为铁以及加工过程导致的不可避免的杂质。 
本发明的目的还在于镍基合金部件的制造方法，所述镍基合金具有如下重量百分比组成：C≤0.10％；Mn≤0.5％；Si≤0.5％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni≥40％；Cr＝12-40％；Co≤10％；Al≤5％；Mo＝0.1-15％；Ti≤5％；B≤0.01％；Cu≤5％；W＝0.1-15％，Nb＝0-10％，Ta≤10％；余量为Fe，以及加工过程导致的不可避免的杂质，其特征在于，所述方法包括上述类型的对环境辅助开裂进行脱敏的热处理。 
本发明的目的还在于用镍基合金制成的部件，其特征在于所述合金经受上述类型的对环境辅助开裂进行脱敏的热处理。 
所述部件可以是核反应堆的燃料组件的结构元件。 
所述部件因而可以是压紧(maintien)系统或栅格的弹簧，或者螺钉。 
所述部件因而可以用具有如下重量百分比组成的镍基合金制造：C≤0.08％；Mn≤0.35％；Si≤0.35％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni＝50-55％；Cr＝17-21％；Co≤1％；Al＝0.2-0.8％；Mo＝2.8-3.3％；Ti＝0.65-1.15％；B≤0.006％；Cu≤0.3％；Nb+Ta＝4.75-5.5％；余量为铁以及加工过程导致的不可避免的杂质。 
所述部件可以是核反应堆的冷却回路的元件。 
所述部件因而可以是管道(tuyauterie)，或者棒束的导销，或 者弹簧，或者换热器，或者螺钉，或者螺栓，或者与载热流体相接触的由镍基合金制造的任何其他部件。 
所述部件可以是半成品，由该半成品可以通过成型工艺或通过机械加工或通过切割制造部件。 
所述部件因而可以是板材或带材或线材或棒材或毛坯。 
具体实施方式
可以理解，本发明首先基于开发在氢气气氛或者含氢气的气氛下进行的材料热处理，在后一种情况下通常存在强还原剂。该处理导致对合金的环境辅助开裂的持久脱敏，下面将解释其机理。 
该脱敏处理不能代替为获得所寻求的机械特性而通常由本领域技术人员进行的可能的热处理，但是可以在其基础上另外实施。 
已发现，在对取自718合金带材的试样在Ar-H2(5％)气体混合物中在980℃下进行100小时的等温保温处理后，由此获得的材料对环境辅助开裂导致的晶间脆性断裂的敏感性显著降低，在对试样的外表面进行抛光后甚至可使所述敏感性消除。 
该发现使得发明人找到了通过至少将处于部件表面附近的氮、氧和碳的含量降低来改变718合金和类似材料的组成的途径。因而可以显著降低它们对环境辅助开裂和高温(＞350℃)晶间开裂的敏感性，从而使得它们特别适合制造冷却回路或燃料组件的结构元件，这些元件将在环境辅助开裂尤其可能成为问题的条件下工作。在压水反应堆(REP)的情况下尤其是这样。但是本发明也适用于沸水反应堆(REB)，并且适用于用气体或熔融盐或液态金属冷却的反应堆，以及使用运行在氧化性条件下、中等温度(200-500℃)或高温(500-1200℃)下、气体或液体介质中的镍基合金结构元件的其他装置。 
然而，如果脱敏的温度导致对应用的适应性不好的微结构，则脱敏处理应当通过其它热处理和/或热力学处理来完善，以便使合金重建使其最佳地适应期望的用途的机械性能和结构。 
可以解释Ni基合金在水性介质中例如在轻水反应堆的初级流体 中通过环境辅助开裂而产生裂缝的最可能的机理如下。它基于构成初级流体的水的解离所产生的氧原子在晶间的扩散。因而可以在晶界发生多种将导致其机械强度降低的机理，即： 
-通过碳的氧化形成CO和CO2； 
-形成一种或多种致脆氧化物，例如Cr2O3； 
-氧引起的晶界的固有脆化； 
-氧与含硫析出物的反应释放出同样很具致脆性的硫，所述含硫析出物是由制造过程以杂质的形式产生的。 
其他载热流体也存在类似的机理。在这种情况下，氧原子来自存在于环境介质甚至材料本身中的杂质，氧的较低的量得到镍基合金部件的更高的运行温度的补偿。 
在先的研究(文章“Oxidation Resistance and critical sulfurcontent of single crystal superalloys”(单晶超级合金的抗氧化性和临界硫含量)，J.L.Smialek，International Gas Turbineand Aeroengine Congress & Exhibition，Birmingham，10-13.06.1996)已经表明在含氢气的气氛中长时间(8至100小时)暴露于高温下(1200-1300℃)使得能够通过H2S的蒸发而使单晶Ni基合金的表面脱硫。这是为了缓解材料的鳞片状脱落问题。但是该方法不能原样地转换到任意的非单晶Ni基超级合金上。这是因为，在这种情况下，高温导致晶粒生长和晶体结构改变，这些并不一定是希望的。 
发明人因此对取自具有如下组成的带材的试样进行了首次处理试验：C＝0.016％；Ni＝53.7％；B＝0.0009％；Mn＝0.11％；Mg＝0.0087％；Mo＝2.88％；Fe＝18.03％；Si＝0.12％；Al＝0.54％；Co＝0.04％；P＝0.005％；Cu＝0.03％；S＝0.00034％；Ti＝1.04％；Cr＝18.1％；Nb+Ta＝5.15％；该处理在Ar-H2(5％)混合物流下进行，用NiCoCrAlYTa粉末覆盖样品以降低氧分压。相继地进行如下过程： 
-在980℃下处理100小时；该温度可以限制晶粒的生长，但是它引起δ相的析出，这在希望避免环境辅助开裂时通常被认为是不期望的； 
-通过在1080℃下停留1小时，使δ相重新固溶，这同样引起晶粒的生长； 
-在720℃下硬化(老化)8小时或者在620℃下硬化(老化)8小时。 
在该处理后，从炉中释放出H2S的气味。然而，辉光放电质谱的精细分析没有显示出硫含量的显著降低，反而显示出碳、氮以及尤其是氧元素含量的显著降低。 
在空气中在650℃下以10-3s-1的牵引速度进行的牵引试验显示出具有若干晶间断裂迹象的试样的断裂外观裂相(faciès)，但是其数量比未处理的参考样品上的少得多。 
在与以上试样相同的试样的每个面上进行15μm的抛光使得可以获得完全延展性的且跨晶的断裂外观裂相，这是由于消除了未完全脱敏的表面区域导致的。 
抛光是可选的操作。其在脱敏过程中的引入使得可以降低热处理的持续时间。 
相反，在处理气氛中不存在H2的以上条件下进行处理然后抛光的试样总是具有晶间断裂外观裂相。 
该处理的优点可能来自于热处理气氛的强还原性特点，其： 
-引起存在于合金中，特别是晶界处的氧、碳和氮的脱气； 
-防止样品表面氧化。 
这种对晶界脆性的消除有利于对材料的环境辅助开裂进行脱敏。 
因而进行了旨在确认以上良好结果并确定合适的处理范围的试验程序。 
样品是0.27mm厚的带材，其对环境辅助开裂的强敏感性是已知的(在反应堆中使用时观察到断裂)。 
用于脱敏的处理温度是990℃±10℃，以避免奥氏体晶粒的生长并限制δ相的析出。 
处理气氛为Ar-H2(5％)。 
将样品包裹于如下组成的FeCrAlY合金箔片中：Al＝5％；C＝ 0.02％；Cr＝22％；Mn＝0.2％；Si＝0.3％；Y＝0.1％；Zr＝0.1％；Fe＝余量。 
脱敏处理的持续时间最高到100小时。 
环境辅助开裂脱敏的质量通过以下方式进行确定： 
-在空气中，在650℃下以约10-3s-1的速度进行牵引试验，将以断裂模式表示的结果视为在高温条件下，在气体或熔融盐或液态金属介质中获得的结果的代表； 
-在350℃下，在REP初级介质中(脱气纯水，在25℃下pH值等于6.4，含有以氢氧化锂形式加入的锂2ppm，以及以硼酸形式加入的硼1200ppm，将氢气分压调整到0.5巴，F-、Cl-和SO4 2-含量小于30ppb)进行慢牵引试验(约1.7.10-8s-1的速度)，该试验在尽可能模拟栅格弹簧脚几何形状的V形试样上进行，所述栅格弹簧脚是对环境辅助开裂最敏感的区域； 
-在脱敏后对栅格弹簧的慢压缩试验。 
截面为2×0.27mm2或3×0.27mm2的受试718合金试样的组成为：C＝0.016％；Ni＝53.7％；B＝0.0009％；Mn＝0.11％；Mg＝0.0087％；Mo＝2.88％；Fe＝18.03％；Si＝0.12％；Al＝0.54％；Co＝0.04％；P＝0.005％；Cu＝0.03％；S＝0.00034％；Ti＝1.04％；Cr＝18.1％；Nb+Ta＝5.15％。 
它们已经通过在980℃下在Ar-H2(5％)气氛中根据不同的试验停留半小时到100小时来进行对环境辅助开裂脱敏的热处理，然后根据通常实施于所涉及的产品的老化处理方法，在相同的气氛中或在真空中，在720℃下进行8小时的老化，然后在620℃下进行8小时的老化。对于两个参考试验，不进行980℃下的脱敏。对于其中一个试验，把样品包裹于FeCrAlY箔片中替换为将试样放入FeCrAlY盒子中。 
在该处理后，检查断裂外观裂相，以确定它是晶间的(IG)、跨晶的(TG)或者混合的(IG+TG)。 
结果汇总于表1中。 
表1：在650℃下在空气中以及在350℃下在REP初级介质中进行的牵引试验的样品处理条件-试验结果 
  试验   处理   气氛   断裂类型
  1   720℃/8小时+620℃/8小时   真空   混合
  2   720℃/8小时+620℃/8小时，然后抛光   真空   混合
  3   980℃/100小时+1080℃/1小时+720℃/8小时  +620℃/8小时   Ar-H2/真空   TG
  4   980℃/96小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2   TG
  5   980℃/48小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2   TG
  6   980℃/48小时+720℃/8小时+620℃/8小时，  FeCrAlY盒子中   Ar-H2   TG
  7   980℃/48小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2/真空   TG
  8   980℃/39小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2/真空   TG或混合
  9   980℃/36小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2   TG或混合
  10   980℃/33小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2/真空   混合
  11   980℃/30小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2   混合
  12   980℃/27小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2   混合
  13   990℃/24小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2   混合
  14   980℃/24小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2   混合
  15   980℃/21小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2/真空   混合
  16   980℃/18小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2/真空   混合
  17   980℃/15小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2/真空   混合
  18   980℃/12小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2   混合
  19   980℃/9小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2/真空   混合
  20   980℃/6小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2/真空   混合
  21   980℃/3小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2/真空   混合
  22   980℃/1小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2/真空   混合
  23   980℃/半小时+720℃/8小时+620℃/8小时   Ar-H2/真空   混合
对于两种试验条件，断裂模式是相同的。 
没有经过脱敏处理的试样1和2具有脆性的晶间的和延展性的跨晶的混合断裂外观裂相。 
经过这种处理的试样3至23具有： 
-或者是脆性的晶间的和延展性的跨晶的混合断裂外观裂相， 
-或者是纯延展性的跨晶断裂外观裂相。 
脱敏处理进行的时间越长，外观裂相的延展性的跨晶特征越明显。从36小时开始，存在纯跨晶的外观裂相，并且在超过39小时的处理时，外观裂相变为总是纯跨晶的。因而，36至39小时的处理持续时间处在样品完全脱敏的边界上，并且在这种情况下部分或完全脱敏的获得取决于处理条件如温度的可变性。 
因此，在980℃下进行至少40小时的脱敏处理对于在这些带材上在所有情况下获得材料对空气中在650℃下环境辅助开裂的完全脱敏是完全有效的。 
关于脱敏热处理对材料微结构的影响，可以见下文。 
当在850-1010℃下处理718合金时，有助于δ相的析出，其数量取决于处理的时间和温度。加热速度同样对存在的δ相的量具有重要影响，特别是在高于950℃的高温下。对于较低的加热速度，δ相可以在加热过程中形成。因此，取决于保温温度，如果温度低，δ相的体积分数倾向于增加，或者，如果温度在可接受范围的高端，则它倾向于降低然后稳定。 
高于约1010℃(δ相的溶线温度，它可以根据合金的确切组成而变化若干度)，则晶粒的生长显著增强，这使得微结构对本发明优选的应用的适合性降低。 
相反，在980和1000℃之间，对于足够的保温时间和718合金的所有可能的组成，可以消除δ相的晶间小晶粒并使不溶的析出物球化。 
还已经验证处理气氛对于成功进行脱敏处理具有首要的重要性，这是通过在980℃下在Ar-H2(5％)气氛或真空中进行了96小时处理的样品的对比试验获得的。已经清楚地表明，在真空中进行过处理的样品在进行牵引试验时具有脆性的晶间断裂外观裂相，而在含氢气的气氛中进行过处理的样品具有延展性的跨晶断裂外观裂相。因此，含有至少100ppm与中性气体如Ar混合的H2的含氢气气氛或纯H2气氛的存在对于本发明是很重要的。 
关于在本发明的某些优先应用的情况下(例如燃料组件的栅格弹簧)在脱敏之后进行的老化处理，通常建议不在高于或等于760℃的 温度下进行这样的处理。从这个温度开始，观察到在晶界处的膜或线状的δ相的析出，并且在这些同样的位置缺乏γ’和γ”析出物。结果，当在代表REP初始条件的高压釜(350℃)中进行测试时，经常观察到经受高于或等于合金弹性极限的应力的样品的开裂。按照常规的观点，相对于在较高温度下(高于950℃)在脱敏处理时形成的δ相，在较低温度下过量形成的δ相对于环境辅助开裂的敏感性更具有破坏性。 
实际上，发明人进行的实验表明，当在老化(从740到780℃，8小时，然后在炉中冷却)前对环境辅助开裂进行脱敏处理(980℃，40小时)时，环境辅助开裂的敏感性在任何情况下均得到消除，并且在该处理范围内如此进行的老化对环境辅助开裂没有不同的影响。它们仅仅发挥它们通常的调整材料机械性能的作用。在目前的实例中，它们提高材料的弹性极限。 
合金脱敏的一个必要条件是热处理的气氛是非氧化性的，而且，进一步，该气氛应当使得能够将通常自然存在于材料表面上的氧化物层还原。除非使用纯氢气气氛，否则非常优选在以高于待处理部件的亲和性将存在的氧捕获的化合物的存在下进行脱敏处理。 
为此，可以使用对氧具有高亲和性的金属或其他化合物，例如Al、Ti、Hf、Zr，或者以高含量含有至少一种所述金属的合金，或者元素或元素的化合物如Mg、Ca。 
可以用这种合金的粉末覆盖部件的表面，此时存在导致粉末烧结和部件表面污染的风险，尤其是在长时间的处理过程中，这使得部件的恢复变得困难。然而，已经成功地在该方案的范围内对该方法进行了试验。 
因而可以优选使用其他两种技术，已表明它们是有效的并且不会带来使用粉末时存在的风险。 
第一种技术在于将该部件包裹于具有该金属或该合金的组成的带材中，它起捕获氧的作用。 
第二种技术在于将部件放置于盒子中，所述盒子具有一个或多个由该金属或该合金制成的壁。 
作为这种合金的优先的但非排他性的实例，可以提及在上述脱敏试验过程中使用的FeCrAlY合金。这种材料在汽车工业中用作催化转化器的成分，或者用作机床部件或电阻器的成分，它通常可以在市场上购得，并且证明是很有效的。 
还进行了用于测试栅格弹簧的环境辅助开裂敏感性的试验，所述栅格弹簧用与上述牵引试样相同组成的718合金制成。在350℃下在REP初始介质中进行了测试，位移速度为10-7s-1，施加的位移与所测试的设计相适合。 
在不预先进行环境辅助开裂脱敏的情况下经受过老化处理的弹簧上，在弹簧的四个脚中的三个脚上发现多断裂迹象(multi-amorcagede rupture)，具有晶间断裂外观裂相。 
在老化前在990℃下，Ar-H2(5％)气氛中进行30小时的脱敏处理带来了改善，其程度是仅仅在一个脚上观察到触发晶间断裂的裂缝，并且裂缝的数量比不处理的情况下少。但是，对环境辅助开裂的脱敏是不完全的。 
相反，在990℃下进行42小时脱敏处理的弹簧不具有晶间断裂的迹象。它们因此对环境辅助开裂完全脱敏，这证实了在试样上获得的上述试验结果。 
还在与上述试样的组成很接近的718合金试样上进行了试验，但是其试验显示出它们在脱敏之前的环境辅助开裂敏感性比前述试样低，这可能是因为存在于不同批次的带材中的间隙元素(C、N和O)的量的不同而导致的。 
在某些情况下，发现可以在990℃±10℃下处理15小时后获得环境辅助开裂的完全脱敏。在所有情况下，在990℃±10℃下处理30小时后可以获得非常显著的但并不总是完全的脱敏。从40小时的处理开始，无论在空气中在650℃下还是在REP初级介质中在350℃下，总是获得环境辅助开裂的完全脱敏。 
在这些条件下，提出了对镍基合金通过以下热处理进行符合本发明的对环境辅助开裂进行脱敏处理的条件，所述合金的组成一般而言 为：C≤0.10％；Mn≤0.5％；Si≤0.5％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni≥40％；Cr＝12-40％；Co≤10％；Al≤5％；Mo＝0.1-15％；Ti≤5％；B≤0.01％；Cu≤5％；W＝0.1-15％，Nb＝0-10％，Ta≤10％；余量为Fe，以及加工过程导致的不可避免的杂质，其中718合金是优先的但非排他性的实例。 
该气氛或者由纯氢气构成，或者由与至少100ppm氢气混合的中性气体如氩气构成，优选通过使待处理部件的环境中存在与氧的亲和性比所述Ni基合金大的化合物来保证不存在氧。 
所述化合物可以是金属例如Al、Zr、Ti、Hf，或者含有这些金属中的至少一种的合金，例如合金FeCrAlY，或者一种或多种元素的化合物或元素，例如Mg或Ca等。 
至少在对环境辅助开裂进行脱敏的处理过程中，可以将Ni基合金包裹在所述的对氧、碳和氮的亲和性比所述Ni基合金大的化合物的带材中。 
至少在对环境辅助开裂进行脱敏的处理过程中，可以将所述Ni基合金置于具有一个或多个壁的盒子中，所述壁由所述的对氧的亲和性比所述Ni基合金大的化合物制成。 
至少在对环境辅助开裂进行脱敏的处理过程中，可以将所述Ni基合金置于由所述的对氧的亲和性比所述Ni基合金大的化合物的粉末中。 
处理的温度和最短持续时间的确切条件取决于待脱敏的产品和半成品的几何形状，以及所寻求的脱敏质量。 
脱敏热处理的温度可以在950和1160℃之间。通常在950-1010℃和1010-1160℃这两个范围中选择其一。 
所述脱敏热处理的持续时间可以用由实验总结的经验公式确定。例如，对于0.3mm厚且在980-1000℃下处理的带材，以下公式可以确定获得完全脱敏的产品所需的最短处理持续时间： 
-t(小时)＝3.4×(F％)，如果初始脆性F为0至10％ 
-t(小时)＝0.2×(F％)，如果初始脆性F为10至50％ 
材料的脆性F在此定义为：当在代表部件运行条件的介质中进行试验时，晶间开裂区域的累积长度与断裂外观裂相周长的总长度之比。 
处理温度范围的选择(950-1010℃的范围或者1010-1160℃的范围)基本上取决于所处理的材料的加工阶段和对处理结束时微结构的要求。 
在较高温度下的处理优选在半成品阶段进行，如果材料的微结构受到脱敏作用的不利影响，则加工过程的后续处理可以对该微结构进行再生。 
在较低温度下的处理优选在成品阶段进行，并因此构成加工过程的最后一步，因而晶粒的尺寸通常不会受到脱敏处理的显著影响。 
然而，这种选择不是限制性的：当没有任何对微结构的要求时，例如在棒束的导销的情况下，可以对成品进行高温处理。同样，在需要获得完全脱敏的情况下，可以对半成品进行比高温处理时间更长的低温处理，其它情况保持不变。 
然而，有可能希望降低热处理的持续时间，尤其是当在半成品阶段进行处理时。这样获得的半成品在处理结束时仍然对表面的环境辅助开裂具有轻微的敏感性，这是由于导致致敏元素在处理气氛/金属的界面处富集的边缘效应所造成的。在这种情况下，为获得完全脱敏的产品，通过去除未完全脱敏的表面层的操作来对该热处理进行完善。 
表面层的去除可以通过化学、电化学或机械的抛光和/或机械加工来实现。 
如果需要，在对所述Ni基合金的环境辅助开裂进行脱敏处理后可以进行退火、再结晶、固溶作用或硬化(也称为老化处理)热处理，这些处理通常由本领域技术人员在镍基合金制成的产品或半成品的加工过程中实施，以便于后续生产操作并最终获得部件的良好运行所需的微结构和机械特性。一个必要条件是这些任选的热处理在非氧化性气氛中进行，以避免使材料对环境辅助开裂再次敏化。 
下面将给出本发明所能获得的部件和半成品的非穷举性示例。 
如此得到的部件可以是核反应堆的燃料组件的结构元件。 
所述部件因而可以是压紧系统或栅格的弹簧，或者螺钉。 
所述部件可以是核反应堆的冷却回路的元件。 
所述部件因而可以是管道、棒束的导销、弹簧、换热器、螺钉、或者螺栓，或者与载热流体相接触的由镍基合金制造的任何其他部件。 
半成品可以是板材、带材、线材、棒材或毛坯，其例如通过锻造、冲压、模塑或烧结获得，由它们可以通过多种常规的成型或机械加工或切割工艺来制造部件。 
特别是，如此处理的718合金优先应用于核反应堆燃料组件的压紧系统的弹簧部件或栅格弹簧的制造，但是也可以用于制造下述这样的其他部件：它们的用途与其机械性能相适应，并且它们运行时将暴露于有利于产生环境辅助开裂的环境中。 

Claims (24)

1.对Ni基合金的环境辅助开裂进行脱敏的热处理方法，所述Ni基合金的重量百分比组成为：C≤0.10％；Mn≤0.5％；Si≤0.5％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni≥40％；Cr＝12-40％；Co≤10％；Al≤5％；Mo＝0.1-15％；Ti≤5％；B≤0.01％；Cu≤5％；W＝0.1-15％，Nb＝0-10％，Ta≤10％；余量为Fe，以及加工过程导致的不可避免的杂质，其特征在于，将所述合金在950-1160℃下保持在含有至少100ppm与中性气体混合的氢气的气氛中或者纯氢气气氛中，其中所述脱敏处理在对氧的亲和性比所述Ni基合金大的化合物或合金或金属的存在下进行。
2.权利要求1的方法，其特征在于对环境辅助开裂进行脱敏的所述处理在950和1010℃之间进行。
3.权利要求1的方法，其特征在于对环境辅助开裂进行脱敏的所述处理在1010和1160℃之间进行。
4.权利要求1至3之一的方法，其特征在于对环境辅助开裂进行脱敏的所述处理在随后将经受旨在改变其冶金结构的处理的半成品上进行。
5.权利要求4的方法，其特征在于所述旨在改变冶金结构的处理是在非氧化性气氛中进行的退火处理、再结晶处理、固溶处理或者硬化处理。
6.权利要求1至3之一的方法，其特征在于对环境辅助开裂进行脱敏的所述处理在随后不经受旨在改变其冶金结构的处理的产品上进行。
7.权利要求1至3之一的方法，其特征在于在对环境辅助开裂进行脱敏处理后，对合金进行机械加工和/或抛光。
8.权利要求1的方法，其特征在于所述的对氧的亲和性比所述Ni基合金大的化合物或合金或金属选自Al、Zr、Ti、Hf或者含有这些金属中的至少一种的合金，或者选自Mg以及Ca的化合物。
9.权利要求8的方法，其特征在于至少在对环境辅助开裂进行脱敏的处理过程中，将Ni基合金包裹在所述的对氧的亲和性比所述Ni基合金大的化合物或合金或金属的带材中。
10.权利要求8的方法，其特征在于至少在对环境辅助开裂进行脱敏的处理过程中，将所述Ni基合金置于具有一个或多个壁的盒子中，所述壁由所述的对氧的亲和性比所述Ni基合金大的化合物或合金或金属制成。
11.权利要求8的方法，其特征在于至少在对环境辅助开裂进行脱敏的处理过程中，将所述Ni基合金置于由所述的对氧的亲和性比所述Ni基合金大的化合物或合金或金属制成的粉末中。
12.权利要求1至3之一的方法，其特征在于该合金的重量百分比组成如下：C≤0.08％；Mn≤0.35％；Si≤0.35％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni＝50-55％；Cr＝17-21％；Co≤1％；Al＝0.2-0.8％；Mo＝2.8-3.3％；Ti＝0.65-1.15％；B≤0.006％；Cu≤0.3％；Nb+Ta＝4.75-5.5％；余量为铁，以及加工过程导致的不可避免的杂质。
13.镍基合金部件的制造方法，所述镍基合金具有如下重量百分比组成：C≤0.10％；Mn≤0.5％；Si≤0.5％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni≥40％；Cr＝12-40％；Co≤10％；Al≤5％；Mo＝0.1-15％；Ti≤5％；B≤0.01％；Cu≤5％；W＝0.1-15％，Nb＝0-10％，Ta≤10％；余量为Fe，以及加工过程导致的不可避免的杂质，其特征在于，该方法包括权利要求1至11之一的所述合金的对环境辅助开裂进行脱敏的热处理。
14.用镍基合金制成的部件，其特征在于所述合金经受权利要求1至12之一的对环境辅助开裂进行脱敏的热处理。
15.权利要求14的部件，其特征在于所述部件是核反应堆燃料组件的结构元件。
16.权利要求15的部件，其特征在于所述部件是压紧系统或栅格的弹簧或者螺钉。
17.权利要求14至16之一的部件，其特征在于它用具有如下重量百分比组成的镍基合金制成：C≤0.08％；Mn≤0.35％；Si≤0.35％；P≤0.015％；S≤0.015％；Ni＝50-55％；Cr＝17-21％；Co≤1％；Al＝0.2-0.8％；Mo＝2.8-3.3％；Ti＝0.65-1.15％；B≤0.006％；Cu≤0.3％；Nb+Ta＝4.75-5.5％；余量为Fe以及加工过程导致的不可避免的杂质。
18.权利要求14的部件，其特征在于所述部件是核反应堆冷却回路的元件。
19.权利要求18的部件，其特征在于所述部件是与载热流体相接触的由镍基合金制造的部件。
20.权利要求19的部件，其特征在于所述部件选自管道，棒束的导销，弹簧，换热器，螺钉或者螺栓。
21.权利要求14的部件，其特征在于它是半成品，由该半成品通过成型方法制造部件。
22.权利要求14的部件，其特征在于它是半成品，由该半成品通过机械加工方法制造部件。
23.权利要求14的部件，其特征在于它是半成品，由该半成品通过切割方法制造部件。
24.权利要求21-23之一的部件，其特征在于它是板材或带材或线材或棒材或毛坯。
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