EAST超导磁体SUS316LN不锈钢管焊接工艺

EAST纵场(TF)和极向场(PF)线圈采用迫流冷却超导导体(CICC),该导体由Nb—Ti超导线经多级绞缆绞成超导缆和外加壁厚1.5mm的铠甲组成。铠甲由SUS316LN奥氏体不锈钢无缝钢管(每根长约10m)通过自动氩弧焊对接成600m圆管,超导缆首先穿人薄壁圆管铠甲中,然后缩径成方,形成方截面的600mCICC导体。着重介绍在研制CICC导体过程中焊接和质量控制两个重要工艺技术及研究成果。

加热规范对316LN铸态奥氏体不锈钢组织和性能的影响

研究了316LN奥氏体不锈钢在不同温度和不同保温时间下,铁素体的含量、形貌的变化规律以及对力学性能的影响。结果表明:随固溶温度的升高、固溶时间的延长,铁素体的含量逐渐减少,形貌由原来的骨骼状逐渐向比较光滑的圆点状演变,硬度有整体下降的趋势。

316LN高氮超低碳奥氏体不锈钢的热变形行为和组织演变

试验的316LN钢(/%:0.011C,0.49Si,1.52Mn,0.016P,0.001S,16.65Cr,13.43Ni,2.18Mo,0.153N)为7.2 t铸锭初轧开坯并锻造成的φ180 mm圆钢。利用Gleeble-3800热模拟试验机研究了316LN钢在应变速率0.1~50 s^(-1)、1 050~1 200℃时的热变形行为和组织演变规律,并通过线性回归分析建立了316LN钢的本构方程。结果表明,变形温度升高有利于动态再结晶的形核,并在热变形过程中促进动态再结晶扩展;热变形过程材料常数α为0.0061,应力指数n为5.543 6,表观激活能550.512 kJ/mol,动态再结晶晶粒数量随着变形温度的增加而增多,到1 200℃变形时发生了完全的动态再结晶。

氮对316LN奥氏体不锈钢力学性能和耐蚀性的影响

试验用316LN钢（／％：0．015C、0．65Si、0．90Mn、17．3Cr、12．8Ni、2．6Mo、0．018～0．200N）由50kg真空感应炉冶炼，破真空后加入氮化铬铁，铸锭锻成qb20lnln棒材和热轧成4mm板材，并分别经1100℃30min和10min水淬固溶处理。研究结果表明，316LN不锈钢每增加0．010％的氮，抗拉强度提高9MPa，屈服强度提高7MPa；伸长率降低0．55％，氮含量对断面收缩率没有影响，约保持在72．5％；氮强烈提高316LN不锈钢的耐点腐蚀性能，每增加0．010％的氮，其点蚀击穿电位提高7mV；添加适宜的氮（0．079％N），可以改善316LN不锈钢的耐晶间腐蚀性能，过高的氮含量（超过0．120％N）对晶间腐蚀性能有害。

核电用316LN奥氏体不锈钢延性断裂阈值研究

在Gleeble-1500D模拟机上对核电用316LN奥氏体不锈钢的热拉伸行为进行了研究,获得了钢在变形温度900~1200℃、应变速率0.01~1 s-1条件下拉伸变形的真应力-真应变曲线。通过Deform-3D有限元软件模拟了热拉伸过程,利用迭代法对试样颈缩后对应的真应力-真应变曲线进行修正。对试样颈缩前塑性变形部分对应的真应力-真应变数据拟合处理,得到了不同变形条件下316LN奥氏体不锈钢的硬化指数。将修正后的真应力-真应变曲线和计算得到的硬化指数导入Deform-3D软件中模拟热拉伸过程,计算得到了316LN奥氏体不锈钢热变形时的断裂阈值。

热变形对316LN奥氏体不锈钢微观组织和力学性能的影响

利用Gleeble-1500热模拟试验机、光学显微镜、显微硬度计和纳米力学探针仪研究了温度、变形量和变形道次对316LN不锈钢组织和性能的影响。结果表明,试样3个变形区域的组织和显微硬度差距很大,难变形区变化最小,心部区域变化最大。统计分析不同试样的心部区域可知,大的变形量能得到细的晶粒和较高的显微硬度;高的变形温度能使材料充分再结晶;多道次变形后,试样的晶粒均匀性和圆整性得到改善;变形量为0.6时,1000℃下大变形后材料的纳米硬度和弹性模量高于原始材料,1200℃下则相反。

316LN奥氏体不锈钢亚动态再结晶行为的研究

采用Gleeble-1500D热力模拟试验机,进行了1050℃～1150℃和0.005s-1～0.1s-1应变速率条件下的双道次热压缩试验,研究了316LN奥氏体不锈钢不同温度和应变速率条件下的亚动态再结晶行为。结果表明,随着道次间隔保温时间的延长,316LN奥氏体不锈钢的软化程度增大;随着温度的升高以及应变速率的增加,软化分数迅速增大。通过分析实验数据,得出了316LN奥氏体不锈钢热加工晶粒尺寸预测的亚动态再结晶动力学方程以及晶粒尺寸演变模型。

显微组织对碟簧用SUS316L亚稳态奥氏体不锈钢力学性能及点蚀行为的影响

本文以不同冷轧压下量的SUS316L不锈钢基材的碟形弹簧作为研究对象,通过光学显微镜和电子背散射衍射(EBSD)中的取向成像图和相分布图,对点蚀前后的不锈钢基材进行表征。使用万能拉伸机、显微维氏硬度计和铁素体仪对不锈钢基材不同冷轧压下量的碟簧进行力学性能和马氏体转变量测试。结果显示,碟簧强度随SUS316L基材的冷轧压下率的增加而增加,且强度提升主要为加工硬化所致,与α’马氏体的转变量无明显关系。然而,耐蚀性却与冷轧压下率存在负相关关系。经过5%、12%和25%冷轧压下率后,相比未经冷轧的基材,碟簧抗压能力分别提升约4.4%、9.5%、16.7%,点蚀电位下降率分别为5.85%、11.47%和32.45%。

316LN奥氏体不锈钢在预蠕变条件下位错的变化

在320℃（核电主管道APl000近似运行温度）和600℃（液态用核电材料近似运行温度）条件下，分别在20和120MPa的应力下老化500和2000h进行316LN不锈钢预蠕变试验。通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观测预蠕变后试样的微观组织。结果表明：在预蠕变阶段受到温度和应力作用，晶面滑移产生位错以及原有位错发生分解，被激活的位错在同一个平面内沿不同方向滑移移动，相遇时发生反应生成四边形或六边形的位错网络，随着温度以及应力增大位错网络消失。对于硬度变化而言随着温度从320℃升高到600℃时，显微硬度逐渐升高。

316LN奥氏体不锈钢超低温结构件热丝TIG焊工艺研究

本结构件所用材料为316LN奥氏体不锈钢,根据结构件所用板材的规格选用30mm板材进行了热丝TIG焊工艺评定,并根据对照性试验,制定出了合理的焊接工艺,成功完成了该超低温结构件的焊接,同时也为此类材料的热丝TIG焊接提供了解决方案和参考。

固溶热处理后小变形量校形对316LN奥氏体不锈钢性能的影响

采用数值模拟和物理模拟研究了小变形量校形对固溶态316LN奥氏体不锈钢性能的影响,结果表明,通过控制小变形校形的变形量,固溶态316LN不锈钢校形前后各项理化性能均能满足设计要求;小变形量校形后的400℃消应热处理对室温、高温拉伸性能和硬度影响很小;采用数值模拟进行变形计算,采用物理模拟进行等变形试验,是评估316LN不锈钢工件校形后理化性能的可行方法。

Ce元素对316LN奥氏体不锈钢高温蠕变性能的影响

采用蠕变持久试验机、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等实验手段,系统研究了Ce元素添加对316LN奥氏体不锈钢(316LN钢)高温蠕变行为和微观组织的影响。结果表明,添加0.032%的Ce元素使316LN钢的蠕变断裂寿命显著提高。在温度为700℃、载荷为150 MPa的条件下,添加0.032%Ce元素的316LN钢蠕变寿命为555.5 h,比不添加Ce元素时的蠕变寿命312.6 h提高了78%。在温度为600~700℃、载荷为150~200 MPa的条件下,未添加Ce元素和添加0.032%Ce元素的316LN钢对应的蠕变应力指数分别为7.64和9.07,蠕变激活能分别为415.3 kJ/mol和454.8 kJ/mol,蠕变门槛应力分别为61.7 MPa和76.6 MPa。蠕变断裂后的微观组织表明,添加0.032%的Ce元素显著促进了蠕变过程中316LN钢晶内Laves相的析出。晶内细小弥散分布的Laves相,在蠕变过程中能够阻碍位错移动,提高基体的蠕变抗力,从而有效改善蠕变性能。

超声冲击处理对316LN不锈钢残余应力影响的数值模拟

采用超声冲击处理技术对316LN奥氏体不锈钢试样进行残余应力模拟分析,得出不同影响因素对残余应力的影响。采用有限元分析软件ABAQUS模拟了超声冲击处理对316LN奥氏体不锈钢的冲击过程,分析了不同的冲击针形状和尺寸、冲击功率以及冲击次数等参数的影响。结果表明,平头针超声冲击产生的应力场较圆头针均匀,而圆头针产生的残余应力数值较大,φ5mm平头针产生的残余应力范围略>φ4mm平头针;提高冲击次数,应力场数值和范围均有显著增加,冲击3次后产生的残余压应力值为0.5MPa,约为单次冲击后的2倍,但继续将冲击次数增加到6次时产生的残余应力较冲击3次后产生的残余应力变化并不大;随着冲击功率的增加,残余应力场的数值和范围也逐渐增加,但增加的幅度并不明显。通过对不同冲击因素进行研究,发现了超声冲击对于提高材料表面残余应力的有效性,可为今后工艺优化提供一定的依据支持。

奥氏体不锈钢焊缝金属的电化学腐蚀性能

采用PASTAT30型恒电位仪测试了SUS316奥氏体不锈钢钨极氩弧焊TIG,熔化极氩弧焊MIG和钨极氩弧焊加填丝TIG+M焊缝金属的电化学腐蚀性能。结果表明,在质量分数9.8%H2SO4溶液中,母材及焊缝的抗电化学腐蚀能力由大到小的顺序为母材>TIG+M焊缝>MIG焊缝>TIG焊缝,在质量分数5.0%HCl溶液中为母材>MIG焊缝>TIG+M焊缝>TIG焊缝,由此可知TIG焊缝金属的抗腐蚀能力最弱。由Tafel曲线可知,SUS316奥氏体不锈钢在H2SO4溶液中的钝化区间较长,在HCl溶液中的钝化区间很短暂,所以不锈钢在盐酸溶液比硫酸溶液中抗腐蚀性能差。晶间腐蚀试验结果与9.8%H2SO4溶液中电化学腐蚀试验结果相同。

预蠕变对316不锈钢组织的影响

在300℃和600℃分别对316不锈钢在20~120 MPa的应力范围内预蠕变500 h和2 000 h,研究了预蠕变对316不锈钢组织的影响。结果表明,300℃时,位错在晶界处大量聚集,未发生动态再结晶,断口特征为塑性断裂。600℃时,发生动态再结晶,晶粒尺寸增加,位错逐渐消失,断口为蠕变孔洞及韧窝的混合状态。

不同温度下316LN奥氏体不锈钢拉伸变形后的组织演变与性能

利用电子万能试验机对316LN不锈钢在-40~300℃范围内进行单轴拉伸实验。借助扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对不锈钢拉伸变形后的组织及断口形貌进行系统分析,研究了温度和拉伸速度对316LN不锈钢组织与性能的影响规律。结果表明:在-40~300℃进行拉伸实验,强度指标随着温度的升高而降低,在25~300℃范围内,随着温度升高,伸长率降低,断口韧性断裂特征逐渐减弱,在-40^-20℃范围内,伸长率随着温度升高而增大,断口呈现韧性断裂特征;同一实验温度下(-20℃、300℃),随着拉伸速度的提高,强度指标增大,伸长率降低;在-40~300℃范围内,随着实验温度的降低,变形组织形态由位错缠结为主向形变孪晶为主发生转变。

应变速率对低温拉伸316LN奥氏体不锈钢微观组织和力学性能的影响

以两种应变速率(5×10^(-4)s^(-1)和1×10^(-2)s^(-1),分别代表慢速拉伸和快速拉伸)对316LN奥氏体不锈钢板状试样进行低温(-40℃)单轴拉伸实验,借助金相显微镜(OM)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及三维形貌轮廓仪分析了拉伸变形过程中的微观组织演变和力学性能变化规律。结果表明,316LN奥氏体不锈钢在低温拉伸条件下发生形变诱导马氏体相变,且马氏体转变量随着应变速率的增加而减少;屈服强度随着应变速率的增加而升高,抗拉强度和延伸率则随着应变速率的增加而降低;拉伸断口形貌均呈现出典型的韧性断裂特征。变形组织均以位错缠结和T-M(Twin-matrix)层片状组织为主,随着应变速率的增加,位错缠结程度加剧,T-M层片状组织的层片间距减小。

固溶温度对316LN奥氏体不锈钢微观组织和高温力学性能的影响

对316LN奥氏体不锈钢进行了不同温度(1020、1050和1070℃)的固溶处理,利用电子万能试验机对316LN奥氏体不锈钢在300℃的高温环境下进行单轴拉伸试验,采用光学显微镜(OM)、透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)对其微观组织和高温力学性能进行分析表征。结果表明:随着固溶温度的升高,316LN奥氏体不锈钢的晶粒尺寸逐渐增大,析出相逐渐溶解,位错密度降低的同时孪晶数量减少,抗拉强度和屈服强度略有降低,伸长率增加;高温下的拉伸断口形貌均呈现出典型的韧性断裂特征;当固溶温度为1050℃时,试验钢的晶粒尺寸均匀,析出相基本完全溶解,伸长率提高明显;在1050℃固溶保温120 min后,316LN奥氏体不锈钢的强塑性匹配较好。

316LN奥氏体不锈钢的高温流变行为与本构模型

利用Gleeble-3500热模拟试验机对锻造态316LN不锈钢进行了等温热压缩试验,研究了应变速率为0.001~1 s^(-1)、变形温度为1223~1523 K、压缩变形量为65%条件下材料的高温流变行为,建立了流变应力本构模型,并将其应用于Deform-3D软件平台,通过导入新材料数据,考虑界面摩擦等尺寸仿真了热模拟试验结果。结果表明:相同应变速率下,随着变形温度升高,316LN奥氏体不锈钢的压缩应力逐渐减小;相同变形温度下,随着应变速率增加,材料的压缩应力逐渐增大;且在真应力-真应变曲线中,随应变量增大,压应力在后期逐渐达到一个稳定值;考虑界面摩擦因数,并利用Arrhenius本构模型进行变形模拟仿真说明了本构方程和仿真模型的有效性和可靠性,可为316LN不锈钢材料的工程应用提供研究基础和理论依据。

热加工工艺对316LN奥氏体不锈钢晶粒度的影响研究

采用Zeiss Imager金相显微镜观察316LN奥氏体不锈钢微观组织形貌,研究了变形温度、变形率以及固溶温度对其晶粒度的影响。结果表明,随着变形温度和变形率的增加,显著促进了其动态再结晶的发生,有助于获得细化和均匀化的奥氏体不锈钢晶粒。锻造变形后钢板的晶粒度由小到大依次为表面>1/4处>心部,变形温度和变形量分别为1050℃,30%时,变形后的晶粒度可达到6级左右。固溶处理对锻造后的钢板晶粒度控制具有均质化作用,结合Jmat-Pro计算分析固溶处理结果,固溶温度应控制在1020~1040℃范围内,温度过高容易导致晶粒过度长大,温度过低容易导致Cr2N相析出,影响钢板的塑性和耐蚀性能。