主泵屏蔽套用C-276合金薄板的研制

徐長征，馬天軍，趙 欣，秦 斌，李雅范，李夢啟

?

主泵屏蔽套用C-276合金薄板的研制

徐長征1，馬天軍1，趙 欣1，秦 斌2，李雅范2，李夢啟2

（1. 寶鋼集團中央研究院特鋼技術中心，上海 201900；2. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150000）

本文主要介紹了寶鋼特鋼研制的主泵屏蔽套用C-276合金薄板的制造難點及在這些方面做的深入研究，并與進口產品的性能做了對比。結果表明，寶鋼特鋼研制成功的主泵屏蔽套用C-276合金薄板，其性能和組織完全符合核電使用技術要求，且均優于進口產品。

C-276；屏蔽主泵；冷軋薄板；核電；國產化

0 前言

核電是先進的清潔能源，是國家能源戰略重要的組成部分，是實現國家節能減排目標的最重要舉措之一，核電自主化將對保障我國能源結構優化和國家能源安全起到積極有效的促進作用。從上世紀八十年代開始，我國多種形式發展核電，逐步開展了核電設備及其關鍵材料的國產化工作。經多年努力，我國已能獨立生產制造百萬千瓦級核電站核島的絕大部分主設備，但唯有核主泵還未國內生產制造完成過，百萬千瓦級別的核主泵一直依賴進口，其國產化已成為制約我國成套提供百萬千瓦級核電主設備的瓶頸之一，而核主泵用鎳基合金關鍵材料的制造成為重中之重。

在強放射性的核反應堆中，核主泵是唯一長期高速轉動的裝備，堪稱核電站的“心臟”，也是核電設備中重要的核安全一級設備。其功能是通過驅動核島內高放射性高溫高壓水循環，將反應堆內核裂變熱量傳遞給蒸汽發生器，產生蒸汽來推動汽輪機發電。AP1000/CAP1000 /CAP1400型壓水堆核電機組采用的是帶屏蔽電機的屏蔽泵，將電機的定子、轉子分別包裹在可以耐腐蝕的一層超薄屏蔽套內，以防止轉子銅條和定子繞組接觸反應堆冷卻劑，以保證屏蔽主泵無污染無泄漏運行。因此，屏蔽套薄板的性能和質量會直接影響主泵的正常運行，是核主泵關鍵部件之一[1]。

核主泵屏蔽套用的材料是耐腐蝕、非磁性金屬Hastelloy C-276合金（ASME SB575 UNS N10276），它的高合金度特別是大量高比重的鉻（Cr）、鉬（Mo）和鎢（W）化學元素的構成和力學性能使其具備了適應核主泵運行各種工況條件的優選材料，冶金質量難以控制，普遍存在著熱加工性極差、軋制易開裂等問題，在屏蔽套所需的大型鋼錠中顯得尤其突出，并成為極難克服的技術瓶頸之一[2-10]。

本文圍繞屏蔽套用薄板的制造過程，重點介紹該合金的特性及在制造難點方面的研究結果，為屏蔽套的應用及該系列合金的制造提供借鑒作用。

1 屏蔽套用C-276合金及其薄板的特點

C-276合金在ASME SB 575中的牌號為UNS N10276，其成分要求見表1。由于其同時含有16%左右的Cr和Mo元素，因此在氧化性和還原性介質中都具有較強抵抗能力，被稱為通用型耐蝕合金。與一般不銹鋼和其它耐蝕材料相比，它在各種腐蝕環境（包括電化學腐蝕和化學腐蝕）中可耐各種形式腐蝕破壞（包括均勻腐蝕、局部腐蝕以及應力腐蝕等）的能力，而且還有很好的力學性能及加工性能，非常適宜于電廠煙氣脫硫、造紙、化工制造、海洋開發等眾多領域的苛刻介質環境，被認為是目前世界上應用最為廣泛的鎳基耐蝕合金之一，是一種具有強度高、電阻率高、導熱性能好、焊接性能優的非磁性材料。電機使用其做屏蔽套比用普通不銹鋼板效率可提高2.1~3.5個百分點[2]。

表1 UNS N10276材料的化學成分（%）

C-276合金在成分上具有低碳（C）、低硅（Si）、高Mo和高Cr的特點，對合金的冶煉要求非常嚴格，同時由于W、鐵（Fe）等元素的存在使合金的熱加工成型十分困難。保持C-276合金的高合金度，特別是大量高比重的Cr、Mo和W元素是提高合金基體耐蝕性能的關鍵，但另一方面也會使合金具有較高的熱變形抗力，而且在凝固過程中容易產生較嚴重的枝晶偏析，形成一些Cr、Mo或W的富集相，造成合金熱加工塑性下降[2-10]。歸納起來，其制造難度主要集中在一下幾個方面：

（1）對C、Si、O及殘余有害元素的控制要求極為嚴格，給冶煉帶來很大的難度。

（2）由于其熱加工塑性較差，對鋼錠的均勻性提出了很高的要求，需要盡可能的減少宏觀和微觀偏析。

（3）隨著裝機容量的增加，核電設備規格越來越大，屏蔽套所需薄板的板幅很寬，尤其是CAP1400主泵電機要求屏蔽套板材超過1000mm，為AP1000屏蔽套寬度的1.2倍左右，產品的規格要求倒逼鋼錠必須采用大錠型。而這類難變形、易開裂合金，采用傳統圓錠很難通過開坯展寬獲得滿意的軋制坯料，而無限增加圓錠的尺寸又會導致嚴重偏析。

（4）為了保證電機具有高性能，并盡量減少屏蔽套內的渦流損耗，屏蔽套越薄越好，目前設計厚度，定子屏蔽套為0.4mm、轉子屏蔽套為0.7mm；該厚度薄板無法酸洗，只能光亮退火，必須軋制成卷，該合金高溫強度高、導熱系數大，對爐卷軋制考驗極大。

針對上述制造難點，我們擬定了下面的基本工藝路線：

真空感應冶煉→電渣重熔→特殊開坯工藝→初軋→爐卷熱軋→酸退→冷軋→光亮退火

2 制造實踐和研制結果

2.1 C-276合金冶煉與鋼錠制造技術研究

通過合理的冶煉流程及工藝設計、合金化成分及有害元素控制、脫氧技術及非金屬夾雜物控制技術，提高鋼液純凈度，降低有害元素、氣體含量和非金屬夾雜物，為澆注電渣重熔電極提供了優質鋼水。并研究了電渣重熔過程中渣系的選擇、電渣重熔關鍵工藝措施，很好的控制了電渣鋼錠的表面質量和內部冶金質量。

圖1為C-276鋼錠局部的低倍組織，從圖中可以看出，一般疏松、中心疏松、錠型偏析均為0.5級，沒有任何其他低倍缺陷，鑄態組織良好。

圖1 C-276鋼錠低倍組織

對鑄態合金采用金相顯微鏡和掃描電鏡（SEM）觀察該合金工藝優化前后的組織形貌，并應用SEM線掃描分析各元素工藝優化前后偏析程度。圖2為C-276合金鑄態高倍組織，圖2a為優化前，圖2c為優化前微觀元素線掃描；圖2b為優化后的組織，圖2d為優化后元素線掃描。

從圖2（a）優化前試樣的光學顯微組織形貌圖中可以看到發達的枝晶組織。從圖2（c）線掃描能譜沿掃描線方向的變化趨勢來看，代表Ni、Cr、W、Si、Mn和Fe合金元素分布的譜線波動較小，說明這幾種元素分布較為均勻，偏析程度較小。然而，Mo元素譜線沿線掃方向波動幅度較大，表明該元素在合金中分布均勻性較差，偏析程度較大。

從圖2（b）優化后組織觀察顯示，晶界連續性析出物和晶內塊狀析出已全部消除。圖2（d）線掃描結果表明同優化前比較，Mo元素譜線沿線掃方向的變化趨勢與其它偏析程度較小的合金元素相似，工藝優化后Mo元素在合金中分布均勻性大大改善，偏析基本消除。

可見，當前的C-276冶煉和鋼錠制造工藝，完全可以得到宏觀和微觀均勻的鑄錠，這為后續開坯和軋制奠定了良好的基礎。

2.2 C-276合金熱加工制造技術研究

該合金高溫強度較高，且有著比較高的導熱系數，在熱加工過程中如生產節奏掌握不好，則溫度降低后，其變形抗力會迅速增加，且由于析出μ項，其熱加工塑性也會急劇惡化，導致開裂。在鍛造、熱軋工序，主要研究了熱加工開裂的機制和防止措施，通過加熱制度、開軋(鍛)溫度、終軋(鍛)溫度、變形制度、特殊處理等工藝參數的配合和熱加工變形及加工火次的控制，有效預防了熱加工開裂的難題。

圖3是C-276平衡態相組成計算結果，可見當溫度為1350~1120℃時合金為單相奧氏體結構；溫度低于1120℃時μ相從基體中析出；溫度繼續降低到1100℃以下時，碳化物從基體析出，且在1100~800℃溫度范圍內，碳化物的析出量隨溫度降低快速增加，當溫度低于800℃時，隨溫度的降低，碳化物析出量增加減緩。

圖3 C-276合金的熱力學平衡相圖

圖4是軋制開裂后在不同位置的取樣分析金相，如圖4（a）所示，在正常區域，組織中并未觀察到明顯的碳化物和其他相。而在開裂區域，可明顯觀察到顆粒狀的富Mo析出相（EDS：Mo的質量分數為43%），如圖4（b）所示，而裂紋就沿著這些析出相擴展。該相很有可能是枝晶間偏聚元素在變形中被誘發析出的。該相在熱變形過程中很容易成為裂紋源，嚴重影響熱加工塑性。

由于Mo、W含量較高，即使合金經1250℃高溫固溶熱處理，也不能完全抑制富Ni、Mo的μ相(Fe?Ni)7(Mo、W)6析出。研究表明[2, 11-16]，C-276合金中元素偏析最主要來自Mo元素，在合金凝固過程中，溶質再分配是產生偏析的根本原因，Mo和Cr元素偏聚于枝晶間即液相最后凝固區域；W和Fe則偏聚于枝晶干。Mo元素熔點高，密度大，在C-276合金中質量分數最高，同時偏析程度相對最大。由Thermo-Calc計算得知，相同溫度時，Mo的擴散比同樣含量的Cr困難。例如，1220℃時，Mo的擴散系數為1.4×10-14，Cr的擴散系數則為1.7×10-14，表明Cr元素更容易擴散均勻[16]。較Mo而言，W和Fe雖然擴散困難，但兩者在C-276合金中含量較少，偏析相對不嚴重，尤其是Mo元素在制造過程中會優先形成μ相而嚴重影響到加工塑性，所以偏析必須消除。通過圖3的熱力學計算可知，晶界析出相為M6C (元素含量為58%Mo-9%Cr-5%W-2%C-2%Fe-23%Ni)，回溶溫度為1082℃，富Mo的析出相為μ相(元素含量為48%Mo-16%Cr-5%W-2%Fe-29%Ni)，低于1109℃時存在。

圖4 C-276合金熱加工開裂取樣金相分析

據此，我們通過優化的工藝將枝晶和元素偏析盡可能地消除，可降低有害相析出，顯著提高了合金的熱加工性能，使得合金順利的完成鍛造和熱軋，為冷軋提供了完全滿足要求的坯料。

2.3 C-276合金冷加工技術研究

圖5為C-276合金的冷加工硬化性能，從強度及硬度隨變形量的變化來看，其加工硬化能力很強，當變形量不足冷軋難80%時，其屈服強度已變成退火態屈服強度的4倍左右，冷軋卷板幅超過1000mm，變形抗力很大，給冷軋工序帶來極大難度。

圖5 C-276冷加工硬化曲線

冷軋時對板材的板形、殘余應力的大小和分布等的控制很重要，通過系統研究合金冷軋加工硬化機制及冷變形條件下組織演變規律，優化軋制道次分配、軋程、退火工藝等關鍵參數，針對高強度C-276薄板研究并建立了一套特有的冷軋規程，順利將其軋至最薄0.4mm左右。

對于屏蔽套而言，板形、表面質量和尺寸精度要求高，通過軋制工藝、退火工藝、矯平、剪切等協同控制，也實現了高尺寸精度、板形優良、表面良好的薄板產品，完全滿足使用要求。

2.4 C-276合金熱處理技術研究

固溶退火是保證C-276合金力學性能、耐腐蝕性能和電學性能的關鍵，同時也是保證表面質量的重要工序。C-276合金中含有高含量的易氧化元素，常規的光亮退火工藝難以控制表面氧化，通過針對性的調整生產工藝，形成了高鉬鎳基合金特有的優化的光亮退火制度，在保證合金性能的前提下，確保了板材光亮退火表面質量。

圖6是優化的固溶退火工藝下所獲取的C-276合金薄板金相，可見其晶粒細小均勻，完全符合屏蔽套技術要求。

2.5 屏蔽套用C-276合金薄板研制結果

所研制的屏蔽套用C-276合金薄板四周（四邊）光滑平直，無塌邊、咬邊、凹陷，邊部毛刺≤0.02mm，表面無裂紋、氣泡、夾雜、結疤、氧化皮，也沒有任何劃傷、擦傷、壓入等缺陷，尺寸、化學成分等完全符合主泵屏蔽套的技術要求。

圖6 C-276冷軋薄板固溶退火態金相組織

表2為寶鋼特鋼研制的屏蔽套用C-276合金薄板的性能實績。從數據不難看出，寶鋼生產的產品不僅完全滿足標準要求，而且性能和組織均優于國外進口產品。

表2 寶鋼特鋼屏蔽套用C-276合金薄板的性能實績

3 結論

寶鋼特鋼研制的屏蔽套用C-276合金薄板成分、性能和外觀完全滿足標準要求，且性能和組織均優于國外進口產品。

寶鋼攻克了該類難變形鎳基耐蝕合金的各種工藝難關和技術瓶頸，形成了具有寶鋼自主知識產權的從冶煉、軋制到熱處理的主泵屏蔽套用薄板全流程制造技術，為保障國家能源戰略安全和核電自主建設起到了重要的支撐作用。

[1] 西屋電氣公司. 西屋公司的AP1000先進非能動型核電廠[J]. 現代電力, 2006, 23(5): 55-65.

[2] 朱冠妮. 鎳基耐蝕合金C-276的組織性能及熱變形行為研究[D]. 北京: 北京科技大學, 2009.

[3] 馬廣義. 用于核主泵屏蔽套的哈氏合金薄板激光焊接工藝基礎[D]. 大連: 大連理工大學,2013: 17.

[4] Stephen A M. Corrosion performance and fabricability of the new generation of highly corrosion-resistance Nickel-Chromium-Molybdenum alloys[J]. Special Metals Wiggni Ltd, 2004.

[5] Gdowski G E. Survey of degradation modes of four Nickel-Chromium-Molybdenum alloys, LLNL Report No.UCRL-ID-108330.1991:67.

[6] 杜彬. Hastelloy C-276 鎳基合金高溫塑性變形行為研究[D]. 北京: 北京有色金屬研究院, 2013. 13-14.

[7] 杜彬，李德富，郭勝利，謝偉. Hastelloy C-276 鎳基合金的熱壓縮行為 [J].稀有金屬, 2013 ,37(2):215.

[8] 仲增墉, 莊景云. 變形高溫合金生產工藝中幾個重要問題的研究和進展[J]. 鋼鐵研究學報, 2003, 15(7): 129-130.

[9] 常連華. 主要合金元素對鎳基合金組織和性能的影響[J]. 汽輪機技術, 2001(10): 319-321.

[10] 胡慧峰. 哈氏 C-276 的制造性能[J]. 工程技術, 2010, (13): 76-77

[11] 李隆盛. Ni-Cr-Mo型鑄造鎳基合金中析出相的形成規律及其對合金耐蝕性能的影響[J]. 大連工學院學報, 1987, (1): 39-40.

[12] 蔡玉林. μ相的形成及其對力學性能的影響[J]. 金屬學報, 1982, (1): 31-32.

[13] 馬永會. 定向凝固鎳基高溫合金中μ相析出對室溫拉伸性能的影響[J]. 電子顯微學報, 2006, (25): 116-117.

[14] 胡慧峰. 哈氏 C-276的制造性能[J]. 工程技術, 2010, (13): 76-77

[15] 焦少陽, 朱冠妮. Hastelloy C-276中碳化物析出及晶界貧Mo規律研究[J]. 材料工程, 2011, (1): 49-50

[16] 朱冠妮, 畢中南, 董建新, 等. 鎳基耐蝕合金C-276鑄錠元素偏析和均勻化工藝[J]. 北京科技大學學報, 2010, 32(5):628-633.

Research and manufacturing of alloy C-276 strip for reactor coolant pump can in Baosteel

XU Changzheng1, MA Tianjun1, ZHAO Xin1, QIN Bin2, LI Yafan2, LI Mengqi2

(1. R&D Center for Special Metals, Research Institute, Baosteel Group Co., Shanghai 201900,China; 2. Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd., Harbin 150000, China)

This paper mainly introduces the manufacturing difficulties and the research work in these aspects of the alloy C-276 strip for reactor coolant pump can developed in BAOSTEEL. The performance of strip is compared with the imported product correspondingly. The results show that the microstructure and properties of the alloy C-276 strip fully comply with the requirements of the technical standards of nuclear power. In particular, the performance of the BAOSTEEL products are better than them of imported products. The successful domestic manufacture of this product breaks the foreign monopoly on the market and technical blockade, and filled the blank of the product.

C-276; canned pump; cold rolled strip; nuclear power; domestic manufacture

TM304

A

1000-3983(2017)02-0012-05

2016-10-21

徐長征（1978-），2007畢業于西安交通大學，主要從事先進核電裝備用鎳基合金關鍵材料的研究開發與制造工作，高級工程師。

審稿人：霍巖