CN109694989A - 一种825/x70镍基合金复合板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种825/X70镍基合金复合板及其生产方法。制造复合板的复合坯包括X70低合金钢基材和825合金复材，基材与复材的长、宽相同，且长度为2～4m，宽度为1～3m，厚度比为3～10；对复材和基材待复合表面进行机加工，按基材、复材、复材、基材的顺序依次叠放形成复合坯，两复材之间喷涂隔离剂，将复合坯抽取真空后进行真空电子束密封焊接；将焊后的复合坯加热至1200～1250℃保温，开轧温度为1180～1200℃，单道次压下率≥15％且头三道次≥20％，总压下率≥80％；生产的5～32mm复合板具有优良的耐腐蚀性，适用于高抗腐蚀性能要求同时兼顾整体结构力学性能的管线制造。

Description

一种825/X70镍基合金复合板及其生产方法

技术领域

本发明属于复合板制备技术领域，特别涉及到一种应用真空复合+热轧技术生产825/X70镍基合金复合板的工艺方法。

背景技术

高腐蚀性油气田在开采作业和油气输送过程中普遍采用耐蚀合金甚至镍基合金管道。不仅在经济成本方面造成了显著的提高，同时在整体性能上也受到了很大的局限。普通耐蚀管材中仅三分之一左右厚度起耐蚀层作用，用以保证管材的抗腐蚀性，其余部分均用作结构支撑，若都采用耐蚀合金制作则会造成资源的极大浪费。无论从经济方面还是力学性能方面，耐蚀合金复合管的研发应用成为了解决上述问题的有效途径之一。

825/X70镍基合金复合板是以全奥氏体镍铁铬合金825为复层、低合金钢X70为基层的复合材料，其设计原则是X70低合金钢基层满足结构强度要求，825合金复层满足管线抵抗腐蚀的要求。825/X70复合板综合了两种金属的性能特点，相对于整体825合金管能有效降低成本，而且在保证耐蚀性的同时提高整体强度及安全性。

目前，生产镍基合金复合板的主要方法有爆炸法和轧制法，另外，针对复合管材方面，机械复合法应用的也比较多。采用爆炸法生产的镍基合金复合板，规格尺寸受到很大的限制，难以满足用户要求，由于大能力轧机的投产运营，爆炸法制备的镍基合金复合板只在某些特殊领域被采用，已经出现了被淘汰的趋势。机械复合法是将镍基合金管和管线钢管直接套嵌在一起，两者之间并无固定连接，应用领域十分有限。近年来，越来越多的学者针对轧制法制备镍基合金复合板技术进行了研究。

CN101564792A公开了C22镍基合金复合钢板的爆炸焊接方法，CN101559517A公开了C276镍基合金复合钢板的爆炸焊接方法，CN101559527A公开了NO8825镍基合金复合钢板的爆炸焊接方法，CN101559528公开了烟气脱硫用NO6059镍基合金复合钢板的爆炸焊接方法，上述专利均采用爆炸法制备镍基合金复合板，能够有效的将镍基合金板与普通钢板复合，从而在保证复合钢板具有镍基合金所有优点的前提下，拥有了需要的强度，从而节约了昂贵金属的使用量。但是生产的复合板规格尺寸受到了很大的限制，复合性能稳定性较差。

CN105671424A公开了一种管线用镍基合金复合钢板及其制造方法，采用轧制法制备管线用镍基合金复合钢板，但其复合界面强度有限，无法满足目前对复合强度越来越高的要求；CN104801562A公开了一种用于生产钢镍镍基合金复合坯料的生产方法，可用于轧制法制备镍基合金复合板，工艺简单，但其生产效率低、生产环节多，成材率低且成本高。

羊东明等人在《工艺与新技术》2015年vol.44，No.11，P33-36发表的论文“825合金/20钢双金属复合管焊接工艺”和杨旭在《焊管》2008年vol31，No.5，P 33-35发表的论文“Incoloy 825合金+X65复合管焊接性和焊接工艺”中，均提到了采用机械法制备的镍基合金复合板，其复层金属和基层金属之间存在间隙，导致整体结构稳定性差，由其制备的管线易出现焊接接头疲劳断裂等缺陷。

综上说述，针对镍基合金复合钢板制备技术，众多学者虽然开展了大量的研究工作。但是，现有的制备技术在产品规格尺寸、综合性能等方面仍存在较大的局限性。面对油气开采及运输等领域针对其管线材料提出的经济成本、抗腐蚀性能和力学性能的多重标准，迫切需要开发一种高性能、低成本，并适合工业大生产的一种825/X70镍基合金复合板及其生产方法。

发明内容

基于市场需要和现有技术的不足，兼顾高耐蚀性管线的整体性能和经济成本，本发明的目的是提供一种825/X70镍基合金复合板及其制备方法，采用真空电子束焊接组坯+热轧技术制备镍基合金复合板，工艺复杂性低、生产效率高，特别适用于工业大规模生产，以满足油气管线日益增长的低成本、抗腐蚀和高强度的要求。

采用本发明方法生产的825/X70镍基合金复合板，既保证了板材单面的高抗腐蚀性能，同时整体又具有较高的结构强度。生产的825/X70镍基合金复合板板形平整，复合界面强度高且稳定性好，与纯825合金板相比其经济成本明显降低，且生产工艺简单，可用于生产平板和卷板。

具体的技术方案是：

一种825/X70镍基合金复合板，包括基层和复层，其中基层为X70低合金钢，低合金钢成分按质量百分比计含有C％≤0.08％，Si≤0.25％，Mn≤1.75％，S≤0.003％，P≤0.02％，Nb≤0.07％，Ti≤0.025％，Mo≤0.15％，Cr≤0.2％，Ni≤0.25％，Al≤0.045％，余量为Fe；复层为825合金，825合金成分按质量百分比计含有C≤0.03％，Si≤0.5％，Cr19.5％～23.5％，Ni 38.0％～46.0％，Mo 2.5％～3.5％，Mn≤0.8％，Cu 1.5％～3.0％，Ti0.6％～1.2％，S≤0.015％，P≤0.03％，Fe≥22％。

825合金是一种钛稳定化的Ni-Fe-Cr-Mo-Cu耐蚀合金，由于加入了Ni、Cr和Mo等元素，该合金具有抗氯化物应力腐蚀、抗氧化性和抗点腐蚀能力，同时还具有抗中性和还原性的酸和碱能力，其中Cr元素的加入可以使合金表面形成稳定的氧化膜，Ni可以增加合金抵抗Cl应力腐蚀开裂的能力，而Mo元素能提高合金的耐点腐蚀和晶问腐蚀能力。

随着对石油天然气需求量的不断增加，为了提高输送效率，管道的输送压力和管径不断增大，因而对管线钢的强度和韧性提出了更高的要求。目前X70管线钢已经成为国际石油、天然气长输管线用钢中使用量最多的钢级。

采用本发明方法生产的825/X70镍基合金复合板，既保证了板材单面的高抗腐蚀性能，其825合金侧的抗腐蚀性能检验合格；同时整体又具有较高的结构强度，复合板抗拉强度均达600MPa以上，且屈强比＜0.92，X70的-20℃冲击功远大于190J，达到了X70管线钢的国家标准要求。

与爆炸法或机械法相比，本发明方法生产的825/X70镍基合金复合板板形平整，板幅可达3m；复合界面强度高且稳定性好，其界面剪切强度均达到450MPa以上，结合率为100％。与纯825合金板相比其经济成本明显降低，可用于生产平板和卷板。

一种825/X70镍基合金复合板的生产方法，复合板由复合坯轧制而成，复合坯包括X70低合金钢基材和825合金复材，基材长度为2～4m，宽度为1～3m，厚度为24～120mm；复材的长度和宽度与基材相同，厚度为8～40mm；基材可以为连铸坯、中间坯、板材，复材为板材，基材与复材厚度比为3～10；

具体包括：

(1)选取X70低合金钢基材和825合金板复材作为组坯原料。

(2)通过刨削+磨削或铣削+磨削的机加工方式对基材和复材待复合表面进行加工，加工深度为3～5mm，并保证平整度，去除待复合表面的锈层和氧化层。

(3)对加工后表面进行去油污和吹扫处理。

(4)将825合金复材叠放在X70低合金钢基材之上，且在825合金复材的上表面喷涂隔离剂，静置干燥。隔离剂在1250℃以下时，不与X70低合金钢基材和825合金复材发生反应且保证隔离效果，控制喷涂厚度为0.5～0.8mm。

(5)将两组经过步骤(4)处理后的原料对正叠放在一起，形成复合坯，825合金板复材位于复合坯中间位置。

(6)对复合坯中X70低合金钢基材与825合金复材、825合金复材之间形成的间隙两侧30～50mm表面进行修磨处理，去除锈层、氧化层和油脂；

(7)将复合坯送入真空室抽取真空后进行真空电子束密封焊接，使待复合面处于真空状态；真空度为1.0×10^-2～4.5×10^-2Pa；真空电子束密封焊接的有效熔深为40～50mm，离焦量-1～-3mm。当焊接基材和复材接头时，电子束焦点位置向825合金复材侧偏移量1～3mm；当焊接825合金复材接头时，电子束焦点位置居中，偏移量为0mm；

(8)将真空电子束密封焊接处理后的复合坯加热至1200～1250℃保温，保温时间按照1min/mm×复合坯总厚度计算；开轧温度为1180～1200℃，单道次压下率均≥15％，且头三道次压下率均≥20％，总压下率≥80％，终轧厚度为10～64mm，终轧温度为760～830℃，开冷温度为740～800℃，水冷，返红温度为450～550℃，空冷至室温。

(9)将轧制后复合板进行切边、分板后，进行表面修磨，得到825/X70镍基合金复合板，成品825/X70镍基合金复合板的厚度范围为5～32mm。

在组坯之前对基材和复材待复合表面进行修磨处理，是为了去除锈层和氧化物层，使其在轧制的过程中均以新鲜金属相互接触，有助于两者之间形成冶金结合，提高结合质量，避免夹杂、气孔和未结合等缺陷。

在两层825合金板之间进行了隔离剂喷涂，喷涂厚度在0.5～0.8mm，可以防止825合金板间的直接接触，防止其在轧制过程中发生冶金结合，轧制后分板，可以得到两组复合板。

采用对称组坯方式进行825/X70复合坯的制备，一方面可以降低X70基材和825合金板由于材质不同导致在轧制复合过程中彼此间的应力应变差，降低其冷却过程中形成的应力集中和形变，提高复合界面的结合率和结合质量，避免焊缝撕裂。另一方面，可以改善在轧制较薄规格板材时出现翘曲、波浪等缺陷，通过提高复合坯的厚度，对其终轧厚度进行调控，有效的控制制备复合薄板的板形问题。

在真空环境下对复合坯进行真空电子束封装焊接，可最大限度的降低结合面之间的气体含量，避免在轧制后出现气体残留，造成结合率不合格。同时，结合面之间气体含量的降低还有助于防止其对结合面表面的二次氧化，有助于结合性能的提高。另外，40mm至50mm的焊接熔深，可以有效的保证复合坯在轧制过程中不发生开裂缺陷，使待复合面始终处于真空环境，提高复合质量。

采用电子束焊接工艺进行封装焊接，可以在较低的热输入情况下完成大熔深的焊接，得到的焊接接头深宽比较大，降低焊接过程对复合坯料组织和性能的影响。同时，无需使用焊材并降低焊接能耗均有利于工业大生产的成本控制。

采用向825合金侧偏移的焊接工艺，可以对焊接熔池内的化学成分进行调控，避免接头组织形成大量马氏体，保证接头强度，降低接头裂纹敏感性。

采用单道次压下率均≥15％，且头三道次压下率均≥20％、总压下率≥80％的轧制制度，可以使轧制力有效传导至复合界面并使其挤出新鲜金属并直接接触，形成冶金结合。同时，也可以破碎待结合面间残存气体形成的氧化物，提高复合质量。

采用大压下轧制制度且控温并进行水冷热处理，一方面，轧制温度和变形工艺使奥氏体晶粒再结晶，得到充分细化晶粒，同时又避免出现混晶造成性能损失，采用大压下能有效细化晶粒，促进奥氏体变形并积累形变能，增加形核位置；另一方面，控冷可以获得理想的微观组织结构，使钢板具有适宜的强度、良好的塑性和低温韧性，同时，焊接性和成型性优异，满足制作大口径油气输送管道的要求。

在控制单道次压下率和总压下率的同时，限定复合板的厚度在5～25mm之间，可以控制复合板的冷却速度和界面反应程度，控制X70和825合金之间元素过渡，防止高温轧制复合对X70和825合金母材产生严重影响，避免X70和825合金本身性能的改变。

有益效果：

按上述方案生产的825/X70镍基合金复合板具有以下有益效果：

(1)本发明制备的825/X70镍基合金复合板，既保证了板材单面的高抗腐蚀性能，其825合金侧的抗腐蚀性能检验合格；同时整体又具有较高的结构强度，复合板抗拉强度均达600MPa以上，且屈强比＜0.92，X70的-20℃冲击功远大于190J，达到了X70管线钢的国家标准要求。生产的5～32mm复合板在825合金侧具有优良的耐腐蚀性，适用于油气开采业中油井管、气管、井口装置等对单侧材料提出高抗腐蚀性能要求同时兼顾整体结构力学性能的管线制造。

(2)本发明的组坯封装焊接工艺热裂倾向小，焊接接头性能高，可保证复合坯在轧制过程中焊缝不开裂，使待复合面处于高真空环境。

(3)本发明的轧制工艺轧制效果好，可保证825合金和X70钢之间形成冶金结合，轧制板形好，无需矫直，成材率可达95％以上。

(4)本发明制备的825/X70镍基合金复合板，板幅大，可达3m，厚度可达32mm，且基层和复层的组织和性能稳定，复合界面力学性能优异，其剪切强度均达到450MPa以上，复合面结合率为100％，且825合金复层抗晶间腐蚀检验合格。

附图说明

图1为825/X70镍基合金复合板示意图，复合板上层为825合金，下层为X70低合金钢。

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

表1为本发明实施例复合板的X70低合金钢的实际材质及原料规格；表2为本发明实施例复合板的825合金的实际材质及原料规格；表3为本发明实施例复合板的组坯焊接制度及复合坯相关信息；表4为本发明实施例复合坯的轧前工艺及相关信息；表5为实施例轧制制度；表6本发明实施例复合板实物的性能检验结果。

表1实施例复合板X70低合金钢基层的实际材质及原料厚度

表2实施例825合金的实际材质及原料厚度

表3实施例复合板的组坯焊接制度及复合坯相关信息

表4实施例复合坯的轧前工艺及相关信息

表5实施例轧制制度

表6本发明实施例复合板实物性能检验结果

由实施例可见，采用本发明的组坯、轧制和热处理工艺，生产出的825/X70镍基合金复合板，抗拉强度≥601MPa，屈服强度≥518MPa，屈强比＜0.92，伸长率≥27％，复合界面抗剪切强度≥454MPa，X70的-20℃冲击功远大于190J，复合面结合率100％，825合金晶间腐蚀检验合格，具有优良的耐腐蚀性和力学性能。

Claims (4)

1.一种825/X70镍基合金复合板，包括基层和复层，其特征在于，所述基层为X70低合金钢，化学成分按质量百分比为：C％≤0.08％，Si≤0.25％，Mn≤1.75％，S≤0.003％，P≤0.02％，Nb≤0.07％，Ti≤0.025％，Mo≤0.15％，Cr≤0.2％，Ni≤0.25％，Al≤0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述复层为825合金，化学成分按质量百分比为：C≤0.03％，Si≤0.5％，Cr 19.5％～23.5％，Ni 38.0％～46.0％，Mo 2.5％～3.5％，Mn≤0.8％，Cu1.5％～3.0％，Ti 0.6％～1.2％，S≤0.015％，P≤0.03％，Fe≥22％，余量为不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种825/X70镍基合金复合板，其特征在于，所述复合板的厚度范围为5～32mm。

3.一种如权利要求1或2所述的825/X70镍基合金复合板的生产方法，其特征在于，

复合板由复合坯轧制而成，复合坯包括X70低合金钢基材和825合金复材，基材长度为2～4m，宽度为1～3m，厚度为24～120mm；复材的长度和宽度与基材相同，厚度为8～40mm；基材为连铸坯、中间坯、板材中的一种，复材为板材，基材与复材厚度比为3～10；具体步骤如下：

(1)选取所述X70低合金钢基材和825合金复材作为组坯原料；

(2)对所述X70低合金钢基材和825合金复材待复合表面进行机加工，加工深度为3～5mm，并保证平整度；

(3)对机加工后表面进行去油污和吹扫处理；

(4)将825合金复材叠放X70低合金钢基材之上，在825合金复材的上表面喷涂隔离剂，喷涂厚度为0.5～0.8mm，静置干燥；

(5)将两组经过喷涂隔离剂的原料对正叠放在一起，形成复合坯，825合金复材位于复合坯中间位置；

(6)对复合坯中X70低合金钢基材与825合金复材之间、825合金复材之间形成的间隙两侧30～50mm表面进行修磨处理，去除锈层、氧化层和油脂；

(7)将复合坯送入真空室抽取真空后进行真空电子束密封焊接，使待复合面处于真空状态；真空度为1.0×10^-2～4.5×10^-2Pa；真空电子束密封焊接的有效熔深为40～50mm，离焦量-1～-3mm。当焊接基材和复材接头时，电子束焦点位置向825合金复材侧偏移量1～3mm；当焊接825合金复材接头时，电子束焦点位置居中，偏移量为0mm；

(8)将完成真空电子束密封焊接处理后的复合坯加热至1200～1250℃保温，保温时间按照1min/mm×复合坯总厚度计算；开轧温度为1180～1200℃，单道次压下率均≥15％，且头三道次压下率均≥20％，总压下率≥80％，终轧厚度为10～64mm，终轧温度为760～830℃，开冷温度为740～800℃，水冷，返红温度为450～550℃，空冷至室温；

(9)将轧制后复合板进行切边、分板后，进行表面修磨，得到成品825/X70镍基合金复合板。

4.如权利要求3所述的825/X70镍基合金复合板的生产方法，其特征在于，所述机加工方式为刨削+磨削或铣削+磨削。