CN111607691A - 一种具有梯度组织的321奥氏体不锈钢管及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有梯度组织的321奥氏体不锈钢管具有从外至内的梯度组织结构，外层为细晶区，晶粒度为9～10级；内层为粗晶区，晶粒度为5～6级；通过旋压变形和热处理得到。本发明可使得321奥氏体不锈钢产品既有良好的高温强度和抗蠕变性能，在高温烟气腐蚀环境中具有良好的耐蚀性。

Description

一种具有梯度组织的321奥氏体不锈钢管及制备方法
技术领域
本发明涉及一种奥氏体不锈钢管及制备方法，特别是涉及一种具有梯度组织的321奥氏体不锈钢管及制备方法。
背景技术
超临界超超临界火电机组用不锈钢管长年工作在高温、腐蚀、疲劳等复杂的工作环境中，且更换周期长，对其高温力学性能及在高温烟气、超超临界水蒸气中的耐蚀性提出了极高的要求。奥氏体不锈钢具有优良的耐腐蚀性能和高温力学性能，被广泛的应用于超临界超超临界火电机组的高温管道。
研究表明，高温下晶界弱化是奥氏体不锈钢发生蠕变，及高温强度不足的主要原因。因此，粗晶化是奥氏体不锈钢改善高温强度和抗高温蠕变性能的一大技术手段。然而，粗晶奥氏体组织在超临界火电机组工作环境中的抗腐蚀性能不足，在高温腐蚀烟气中的耐蚀性明显劣于细晶组织。
发明内容
发明目的：本发明的目的之一是提供一种具有梯度组织的321奥氏体不锈钢管，能够同时保证不锈钢管产品的耐蚀性能和高温力学性能；本发明的目的之二是提供一种具有梯度组织的321奥氏体不锈钢管的制备方法，制备方法简便易行。
技术方案：本发明的具有梯度组织的321奥氏体不锈钢管，该不锈钢管的管壁具有从外至内的梯度组织结构，外层为细晶区，晶粒度为9～10级；内层为粗晶区，晶粒度为5～6级。其中，晶粒度的评级采用ASTM E112法。
优选地，不锈钢管的管壁厚度为10～15mm。
优选地，外层细晶区的特殊晶界比例大于60％；其中，特殊晶界指重位点阵晶界CSL＜29。
将该321奥氏体不锈钢管进行600℃高温拉伸测试，其屈服强度＞110MPa，抗拉强度＞350Mpa；耐蚀性能优异，无晶间腐蚀裂纹(ASTMA262法)，点腐蚀量≤6mdd(ASTM A923C法)。
本发明还提供了一种所述具有梯度组织的321奥氏体不锈钢管的制备方法，包括如下步骤：
(1)旋压变形：对管壁厚度为10～15mm，晶粒度为5～6级的粗晶321奥氏体不锈钢管进行表面旋压变形；
(2)再结晶退火：对旋压变形处理后不锈钢管进行再结晶退火处理。
优选地，所述步骤(1)中的压头为半球形，压入深度0.1～0.5mm，旋转速度1～10r/min，进管速度1.0～50mm/min。
优选地，所述步骤(2)中的再结晶退火处理的温度为800～900℃，保温时间1～3h，冷却方式为水淬。
发明原理：本发明中的321奥氏体不锈钢管具有梯度组织结构，由表层细晶区和内层粗晶基体构成，能够同时保证不锈钢管产品的耐蚀性能和高温力学性能。其通过对粗晶321奥氏体不锈钢管，进行表面旋压变形，引入表面变形层；旋压变形后进行再结晶处理，通过表面变形和再结晶处理工艺的耦合控制，获得表面细晶层，且细晶层中具有高比例特殊晶界，特别是重位点阵晶界CSL＜29；表面细晶层和粗晶基体构成梯度组织，同时保证了奥氏体不锈钢管的耐蚀性能和高温力学性能。
奥氏体不锈钢中特殊晶界的存在，可有效阻隔沿晶腐蚀的扩展。本发明中的具有梯度组织的321奥氏体不锈钢管，其材料组织中含有高比例特殊晶界，可显著提高奥氏体不锈钢的耐蚀性。
有益效果：本发明的具有梯度组织的奥氏体不锈钢管具有自生梯度组织特征，外表面细晶组织，内表面粗晶组织，可保证产品既有良好的高温强度和抗蠕变性能；600℃高温拉伸，其屈服强度＞110MPa，抗拉强度＞350Mpa；并且，在高温烟气腐蚀环境中具有良好的耐蚀性，无晶间腐蚀裂纹(ASTM A262法)，点腐蚀量≤6mdd(ASTM A923C法)；本发明的制备方法简便易行，制备得到的奥氏体不锈钢管效果显著，应用范围广。
附图说明
图1是外表面细晶区EBSD晶界特征分布图；
图2是内层粗晶区EBSD晶界特征分布图；
图3是对比例1中的晶界特征分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：
对321粗晶奥氏体不锈钢管进行如下处理：
(1)对壁厚为10mm的粗晶(ASTM E112法：晶粒度5级)奥氏体不锈钢管进行表面旋压变形，压头为半球形，压入深度0.1mm，旋转速度10r/min，进管速度50mm/min。
(2)对旋压变形处理后不锈钢管进行再结晶退火处理，再结晶退火温度为800℃，保温时间3h，冷却方式为水淬。
经再结晶退火后的奥氏体不锈钢管，外表面晶粒度9级，特殊晶界比例为65.5％，如图1所示；内层晶粒度5级，如图2所示。其中，图中黑色线条代表普通大角晶界，灰色线条代表特殊晶界，即重位点阵晶界CSL＜29。经测试，600℃高温拉伸，该不锈钢管的屈服强度为124MPa，抗拉强度为360Mpa，无晶间腐蚀裂纹(ASTM A262法)，点腐蚀量6mdd(ASTM A923C法)。
对比例1：
对321粗晶奥氏体不锈钢管进行如下处理：
对壁厚为10mm的粗晶(ASTM E112法：晶粒度6级)奥氏体不锈钢管进行退火处理，退火温度为700℃，保温时间3h，冷却方式为水淬。
退火后的奥氏体不锈钢管，外表面晶粒度6级，特殊晶界比例为53％，内层晶粒度6级，如图3所示；经测试，600℃高温拉伸其屈服强度125MPa，抗拉强度362Mpa，无晶间腐蚀裂纹(ASTM A262法)，点腐蚀量10mdd(ASTM A923C法)。
实施例2：
对321粗晶奥氏体不锈钢管进行如下处理：
(1)对壁厚为15mm，粗晶(ASTM E112法：晶粒度6级)321奥氏体不锈钢管进行表面旋压变形，压头为半球形，压入深度0.5mm，旋转速度1r/min，进管速度1.0mm/min。
(2)对旋压变形处理后不锈钢管进行再结晶退火处理，再结晶退火温度为900℃，保温时间1h，冷却方式为水淬。
经再结晶退火后的奥氏体不锈钢管，外表面晶粒度10级，特殊晶界比例为67.2％，内表面晶粒度6级，600℃高温拉伸：屈服强度114MPa，抗拉强度355Mpa，无晶间腐蚀裂纹(ASTM A262法)，点腐蚀量4.5mdd(ASTM A923C法)。
实施例3：
对321粗晶奥氏体不锈钢管进行如下处理：
(1)对壁厚12mm，粗晶(ASTM E112法：晶粒度5级)321奥氏体不锈钢管进行表面旋压变形，压头为半球形，压入深度0.2mm，旋转速度3r/min，进管速度15mm/min。
(2)对旋压变形处理后不锈钢管进行再结晶退火处理，再结晶退火温度为850℃，保温时间3h，冷却方式为水淬。
经再结晶退火后的奥氏体不锈钢管，外表面晶粒度9级，特殊晶界比例为68.3％，内表面晶粒度5级，600℃高温拉伸：屈服强度138MPa，抗拉强度372Mpa，无晶间腐蚀裂纹(ASTM A262法)，点腐蚀量6mdd(ASTM A923C法)。
实施例4：
对321粗晶奥氏体不锈钢管进行如下处理：
(1)对壁厚14mm，粗晶(ASTM E112法：晶粒度5.5级)321奥氏体不锈钢管进行表面旋压变形，压头为半球形，压入深度0.4mm，旋转速度5r/min，进管速度30mm/min。
(2)对旋压变形处理后不锈钢管进行再结晶退火处理，再结晶退火温度为750℃，保温时间3h，冷却方式为水淬。
经再结晶退火后的奥氏体不锈钢管，外表面晶粒度10级，特殊晶界比例为70.5％，内表面晶粒度5.5级，600℃高温拉伸：屈服强度136MPa，抗拉强度363Mpa，无晶间腐蚀裂纹(ASTM A262法)，点腐蚀量5.5mdd(ASTM A923C法)。
实施例5：
对321粗晶奥氏体不锈钢管进行如下处理：
(1)对壁厚13mm，粗晶(ASTM E112法：晶粒度5.5级)321奥氏体不锈钢管进行表面旋压变形，压头为半球形，压入深度0.35mm，旋转速度8r/min，进管速度35mm/min。
(2)对旋压变形处理后不锈钢管进行再结晶退火处理，再结晶退火温度为825℃，保温时间3h，冷却方式为水淬。
经再结晶退火后的奥氏体不锈钢管，外表面晶粒度10级，特殊晶界比例69.5％，内表面晶粒度5级，600℃高温拉伸：屈服强度136MPa，抗拉强度372Mpa，无晶间腐蚀裂纹(ASTMA262法)，点腐蚀量4mdd(ASTM A923C法)。
实施例6：
对321粗晶奥氏体不锈钢管进行如下处理：
(1)对壁厚14mm，粗晶(ASTM E112法：晶粒度6级)321奥氏体不锈钢管进行表面旋压变形，压头为半球形，压入深度0.45mm，旋转速度3r/min，进管速度25mm/min。
(2)对旋压变形处理后不锈钢管进行再结晶退火处理，再结晶退火温度为800℃，保温时间2h，冷却方式为水淬。
经再结晶退火后的奥氏体不锈钢管，外表面晶粒度10级，特殊晶界比例70.2％，内表面晶粒度6级，600℃高温拉伸：屈服强度123MPa，抗拉强度356Mpa，无晶间腐蚀裂纹(ASTMA262法)，点腐蚀量4mdd(ASTM A923C法)。
实施例7：
对321粗晶奥氏体不锈钢管进行如下处理：
(1)对壁厚12mm，粗晶(ASTM E112法：晶粒度6级)321奥氏体不锈钢管进行表面旋压变形，压头为半球形，压入深度0.15mm，旋转速度7r/min，进管速度30mm/min。
(2)对旋压变形处理后不锈钢管进行再结晶退火处理，再结晶退火温度为725℃，保温时间1.5h，冷却方式为水淬。
再结晶退火后的奥氏体不锈钢管，外表面晶粒度9级，特殊晶界比例63.5％，内表面晶粒度5.5级，600℃高温拉伸：屈服强度125MPa，抗拉强度363Mpa，无晶间腐蚀裂纹(ASTMA262法)，点腐蚀量5.5mdd(ASTM A923C法)。

Claims (7)

1.一种具有梯度组织的321奥氏体不锈钢管，其特征在于：所述不锈钢管的管壁具有从外至内的梯度组织结构，外层为细晶区，晶粒度为9～10级；内层为粗晶区，晶粒度为5～6级。
2.根据权利要求1所述的321奥氏体不锈钢管，其特征在于：所述不锈钢管的管壁厚度为10～15mm。
3.根据权利要求1所述的321奥氏体不锈钢管，其特征在于：外层细晶区的特殊晶界比例大于60％。
4.一种具有梯度组织的321奥氏体不锈钢管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)旋压变形：对粗晶化321奥氏体不锈钢管进行表面旋压变形，奥氏体不锈钢管的晶粒度为5～6级；
(2)再结晶退火：对旋压变形处理后不锈钢管进行再结晶热处理。
5.根据权利要求4所述的321奥氏体不锈钢管的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的旋压变形压入深度0.1～0.5mm，旋转速度1～10r/min，进管速度1.0～50mm/min。
6.根据权利要求4所述的321奥氏体不锈钢管的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的再结晶退火处理的温度为800～900℃，保温时间1～3h，冷却方式为水淬。
7.根据权利要求4所述的321奥氏体不锈钢管的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的压头为半球形。
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Assignor: SOUTHEAST University

Contract record no.: X2022320000120

Denomination of invention: 321 austenitic stainless steel pipe with gradient structure and its preparation method

Granted publication date: 20220211

License type: Exclusive License

Record date: 20220620