1、哈氏合金還存在中溫敏化區(qū)，其敏化傾向隨變形率的增加而增大。當(dāng)溫度較高時(shí)，哈氏合金易吸收有害元素使它的力學(xué)性能和耐腐蝕性能下降。哈氏B-2合金在各種還原性介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，能耐常壓下任何溫度，任何濃度鹽酸的腐蝕。在不充氣的中等濃度的非氧化性硫酸、各種濃度磷酸、高溫醋酸、甲酸等有機(jī)酸、溴酸以及氯化氫氣體中均有優(yōu)良的耐蝕性能，同時(shí)，它也耐鹵族催化劑的腐蝕。因此，哈氏B-2合金通常應(yīng)用于多種苛刻的石油、化工過程，如鹽酸的蒸餾，濃縮；乙苯的烷基化和低壓羰基合成醋酸等生產(chǎn)工藝過程中。但在哈氏B-2合金多年的工業(yè)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：（1）哈氏B-2合金存在對抗晶間腐蝕性能有相當(dāng)大影響的兩個(gè)敏化區(qū)：1200

2、1300的高溫區(qū)和550900的中溫區(qū)；（2）哈氏B-2合金的焊縫金屬及熱影響區(qū)由于枝晶偏析，金屬間相和碳化物沿晶界析出，使其對晶間腐蝕敏感性較大；（3）哈氏B-2合金的中溫?zé)岱€(wěn)定性較差。當(dāng)哈氏B-2合金中的鐵元素含量降至2%以下時(shí)，該合金對相（即Ni4Mo相，一種有序的金屬間化合物）的轉(zhuǎn)變敏感。當(dāng)合金在650750溫度范圍內(nèi)停留時(shí)間稍長，相瞬間生成。相的存在降低了哈氏B-2合金的韌性，使其對應(yīng)力腐蝕變得敏感，甚至?xí)斐晒螧-2合金在原材料生產(chǎn)(如熱軋過程中)、設(shè)備制造過程中（如哈氏B-2合金設(shè)備焊后整體熱處理）及哈氏B-2合金設(shè)備在服役環(huán)境中開裂?，F(xiàn)今，我國和世界各國指定的有關(guān)哈氏B-2合

3、金抗晶間腐蝕性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法均為常壓沸騰鹽酸法，評定方法為失重法。由于哈氏B-2合金是抗鹽酸腐蝕的合金，因此，常壓沸騰鹽酸法檢驗(yàn)哈氏B-2合金的晶間腐蝕傾向相當(dāng)不敏感。國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)用高溫鹽酸法對哈氏B-2合金進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：哈氏B-2合金的耐蝕性能不僅取決于其化學(xué)成分，還取決于其熱加工的控制過程。當(dāng)熱加工工藝控制不當(dāng)時(shí)，哈氏B-2合金不僅晶粒長大，而且晶間會(huì)析出現(xiàn)高M(jìn)o的相，此時(shí)，哈氏B-2合金的抗晶間腐蝕的性能明顯下降，在高溫鹽酸試驗(yàn)中，粗晶粒板與正常板的晶界浸蝕深度相差約一倍左右。對于哈氏B-2合金來說，在加熱前和加熱過程中表面保持清潔并遠(yuǎn)離污染物是十分重要的。如果哈氏B-2合金在含有硫、

4、磷、鉛或其他低熔點(diǎn)金屬污染物的環(huán)境下加熱， 哈氏合金鑄件則會(huì)變脆，這些污染物的來源主要包括標(biāo)記筆痕跡、溫度指示漆、油脂和液體、煙氣。此煙氣必須含硫低；例如：天然氣和液化石油氣含硫量不超過0.1%，城市空氣含硫量不超過0.25g/m3,燃料油的含硫量不超過0.5%即為合格。 對加熱爐的氣體環(huán)境要求是中性環(huán)境或輕還原性環(huán)境，并且不可以在氧化性和還原性之間波動(dòng)。爐中的火焰不可以直接沖擊哈氏B-2合金。同時(shí)要以最快的加熱速度把材料加熱到要求達(dá)到的溫度，即要求首先要把加熱爐的溫度上升到要求溫度，再把材料放入爐中加熱。防止鐵離子、 油、 硫和硫化物等污染， 防止鐵離子污染， 影響耐蝕性能。尾氣主要是二氧化

5、碳和水 還有HC，CO和NOx三種污染物世界首臺哈氏B-3合金大型壓力容器的研制發(fā)布:2011-08-29 | 作者: | 來源: zhongruizheng | 查看:491次 | 用戶關(guān)注：摘要：本文在簡要介紹哈氏合金的發(fā)展、分類與使用的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了哈氏B-3合金的發(fā)展、性能與各項(xiàng)合格指標(biāo)。并結(jié)合世界首臺哈氏B-3合金大型壓力容器制造的實(shí)例，詳細(xì)介紹了該類材料在焊接制造大型壓力容器時(shí)在施工環(huán)境、冷熱加工、耐蝕試驗(yàn)與質(zhì)量控制等方面的具體要求。關(guān)鍵詞：哈氏合金、冷作硬化、中溫脆化、火裂、防污染、帶壓沸騰鹽酸腐蝕試驗(yàn)、雙面GTAW1.概述哈氏合金是鎳基合金的一種，目前在石油化工、無機(jī)化工、

6、能源環(huán)摘要：本文在簡要介紹哈氏合金的發(fā)展、分類與使用的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了哈氏B-3合金的發(fā)展、性能與各項(xiàng)合格指標(biāo)。并結(jié)合世界首臺哈氏B-3合金大型壓力容器制造的實(shí)例，詳細(xì)介紹了該類材料在焊接制造大型壓力容器時(shí)在施工環(huán)境、冷熱加工、耐蝕試驗(yàn)與質(zhì)量控制等方面的具體要求。 關(guān)鍵詞：哈氏合金、冷作硬化、中溫脆化、火裂、防污染、帶壓沸騰鹽酸腐蝕試驗(yàn)、雙面GTAW 1.概述 哈氏合金是鎳基合金的一種，目前在石油化工、無機(jī)化工、能源環(huán)保等許多行業(yè)有苛刻耐蝕要求的裝置中已大量使用。該合金最早是由美國哈氏合金公司（HAYNES INTERNATIONAL，INC.）于二十世紀(jì)初發(fā)明的一種鎳基高溫耐蝕合金材料。并

7、于二十世紀(jì)七十年代將哈氏B等合金分別成功地應(yīng)用于火星探測器、阿波羅登月艙的火箭噴嘴和噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器等耐高溫、抗氧化零、部件的制作上。二十世紀(jì)七十年代后期，哈氏合金公司通過采用氬氧脫碳重熔精煉工藝，解決了哈氏合金焊后耐蝕問題，研發(fā)出極低碳、硅含量的標(biāo)志性產(chǎn)品、鎳鉻鉬耐蝕合金-哈氏C-276。進(jìn)而哈氏合金公司利用這一先進(jìn)工藝，先后生產(chǎn)出多種型號的優(yōu)質(zhì)耐蝕哈氏合金材料。一舉在鎳基合金材料研發(fā)方面處于世界領(lǐng)先地位。目前，哈氏合金已發(fā)展成為一個(gè)包括B、C、G、X等多個(gè)系列的哈氏合金材料族，被列入ASTM、UNS等標(biāo)準(zhǔn)體系中。 其中哈氏B系列合金也從最早的能做火箭噴嘴的哈氏合金發(fā)展成能用于制作抗鹽

8、酸、硫酸、醋酸、甲酸、乙酸和食品級磷酸等還原型酸腐蝕裝備的哈氏-合金。但由于-合金在冷加工過程中會(huì)隨著變形率的增加而增加強(qiáng)度和硬度，降低延伸率；同時(shí)在中溫區(qū)（）會(huì)快速析出脆性相，使其延展性迅速下降。從而使得用哈氏-合金制造壓力容器變得非常困難。進(jìn)入二十一世紀(jì)，針對哈氏B-2合金材料的加工硬化、中溫脆化等妨礙設(shè)備制造的缺點(diǎn)，哈氏合金公司又研發(fā)出哈氏B-3合金，使其熱加工性能有了很大的提升,具體見圖1。 圖1 哈氏B-2/B-3 熱拉伸曲線圖但哈氏B-3的冷加工性能仍未得到有效地改善。具體見表1。 表1 哈氏合金冷加工變形/材料性能統(tǒng)計(jì)表目前，所有哈氏B系列合金材料的化學(xué)成分如下。 表2 哈氏B系

9、列合金材料的化學(xué)成份所有哈氏B系列合金的機(jī)械性能如下表。 表3 哈氏B系列合金的機(jī)械性能盡管哈氏合金公司全力推出哈氏B-3合金，用以全面取代哈氏-合金，并使得其在600800中溫區(qū)脆性相開始析出時(shí)間由B-2的0.10.2hr左右延長至B-3的24hr左右，使其設(shè)備制造難度有一定的下降。但由于哈氏B-3合金仍具有比其他材料相對困難的中溫脆化與冷作加工硬化問題，使得焊接制造哈氏-壓力容器仍具有相當(dāng)?shù)碾y度，仍需要開發(fā)哈氏B-3材料的機(jī)械加工與成型、焊縫耐腐蝕性能保證及大型薄壁零部件的冷、熱加工成型與固熔處理等關(guān)鍵制造工藝技術(shù)。 2.哈氏B-3合金大型壓力容器的制造難點(diǎn) 由哈氏B-3材料的化學(xué)成份和機(jī)

10、械性能可以看出，它是一種又粘又硬的高鎳鉬合金，其加工、焊接與熱處理均與其他材料有不同的特點(diǎn)，具體如下所述。 2.1哈氏B-3材料的冷加工性能 從前文介紹和從表一均可以看出，哈氏B-3合金具有非常嚴(yán)重的冷作加工硬化趨勢，從表二可以看出，哈氏B-3合金是以熔點(diǎn)較高的鎳元素作為基體，并含有相當(dāng)數(shù)量高熔點(diǎn)的鉬、鈷、鎢、釩等元素，使得其具有極高的強(qiáng)度、硬度、粘度和高溫機(jī)械性能。從而使其具備了極困難的機(jī)械加工性能。所以，在機(jī)械加工哈氏B-3合金時(shí)，往往發(fā)現(xiàn)切削阻力大、切削溫度高、冷作硬化現(xiàn)象嚴(yán)重、刀具極易磨損、崩刃與燒損，甚至發(fā)生刀刃打滑、鉆頭磨細(xì)的現(xiàn)象。 2.2哈氏B-3材料的熱成型加工性能 從圖一可以

11、看出，哈氏B-3合金在550800時(shí)，會(huì)在晶界形成有害的Ni-Mo相脆性組織，使其延展性迅速下降，從而降低了哈氏B-3合金的熱成型加工性能。 另據(jù)哈氏合金公司有關(guān)資料介紹，對光亮退火的=3.2mm的薄板，在其由315升至425溫度區(qū)的過程中，其51mm延伸率下降近50%，由63.4%迅速下降至32.0%。 此外，據(jù)哈氏合金公司的Dwaine L.Klarstorm在超級合金的熱處理裂紋一文中介紹，當(dāng)在哈氏B-3合金的表面有殘余拉伸應(yīng)力和應(yīng)力集中因素出現(xiàn)、在合金內(nèi)部有超應(yīng)變顯微組織存在時(shí)，其在10501150固熔處理時(shí)會(huì)在表面產(chǎn)生“火裂”（fire cracking）。 由上述論述可知，哈氏B-

12、3材料的熱加工性能也是相當(dāng)苛刻的，其有把握的熱成型加工溫度應(yīng)小于425。而其熱處理也只能是在10501150時(shí)的快速固熔處理，且須注意防止表面產(chǎn)生“火裂”。 2.3哈氏B-3材料的焊接性能 哈氏B-3材料的焊接是其壓力容器制造的關(guān)鍵，除了要按照鎳基合金焊接要求進(jìn)行控制外，對哈氏B-3的焊接還有其特殊的要求。 2.3.1由于其冷加工性能差，相應(yīng)其焊縫的清根打磨很困難，所以要考慮采用不清焊根的方法進(jìn)行打底焊道的焊接。 2.3.2由于當(dāng)在材料內(nèi)部有超應(yīng)變顯微組織存在時(shí)，會(huì)在固熔處理過程中產(chǎn)生“火裂”，所以在焊接和熱處理過程中要注意防止材料顯微組織的變異，即要注意防止化學(xué)成分與金相組織的污染與改變。

13、2.3.3為防止“火裂”，還需注意焊縫和母材表面的應(yīng)力集中和拉伸應(yīng)力的分布。 此外對于控制焊接線能量和層間溫度、防止合金元素的燒損以及整個(gè)施工環(huán)境的防污染保護(hù)都是保證哈氏B-3合金焊接質(zhì)量須考慮的關(guān)鍵因素。 2.4哈氏B-3合金的耐腐蝕性能 哈氏B-3合金最主要的優(yōu)點(diǎn)就是它的優(yōu)異的耐鹽酸等還原性介質(zhì)腐蝕的特性。由于一般不銹鋼和絕大部分其他金屬及合金在鹽酸中耐蝕性都很差，所以哈氏B-3合金的耐鹽酸腐蝕的性能顯得尤為可貴。為了考核、控制哈氏B-3合金的耐腐蝕性能，哈氏合金公司專門研究開發(fā)，給出了沸騰硫酸、醋酸、甲酸、磷酸和鹽酸等腐蝕試驗(yàn)方法的合格指標(biāo)，具體如表4示。 表4 哈氏B-3合金沸騰酸中抗

14、均勻腐蝕性能表為了進(jìn)一步嚴(yán)格控制哈氏B-3材料在抗還原性腐蝕介質(zhì)壓力容器中的耐腐蝕性能，又提出帶壓沸騰鹽酸腐蝕試驗(yàn)法，即試樣在20%沸騰鹽酸溶液釜中加壓升溫至150左右，并連續(xù)煮沸100小時(shí)左右，將試樣洗凈后，放在數(shù)百倍金相顯微鏡下測定晶界侵蝕深度，要求最大腐蝕深度0.15mm左右。而要通過這一腐蝕試驗(yàn)，無論是對母材，還是對焊縫，都是非常嚴(yán)格的要求。必須要對其化學(xué)成分與金相組織的純凈度、焊接熱輸入量與層間溫度、固熔熱處理的溫度與保溫時(shí)間及升降溫速度等進(jìn)行嚴(yán)格的控制。 3.哈氏 B-3合金大型壓力容器的制造 2004年，在完成了對哈氏B-3合金冷、熱加工性能、焊接性能和耐腐蝕性能的充分研究后，我

15、廠與設(shè)備使用廠和合肥通用機(jī)械研究院合作，共同完成了世界首臺哈氏B-3合金大型壓力容器的研制。 圖2 世界首臺哈氏B-3合金大型壓力容器表5 世界首臺哈氏B-3大型壓力容器幾何參數(shù) 名稱 幾何參數(shù)（mm） 設(shè)備總長 10000左右 設(shè)備直徑 3800左右 設(shè)備最大壁厚 14左右 為完成世界首臺哈氏B-3合金大型壓力容器的研制，須對以下環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的控制： 3.1建立清潔的施工環(huán)境 由哈氏合金的冶煉方法知，須采用氬氧脫碳重熔精煉，嚴(yán)格脫除材料中的碳、硅、硫、磷等雜質(zhì)，才能獲得焊后耐蝕的、符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的哈氏B-3合金材料。又從耐腐蝕試驗(yàn)和防止固熔“火裂”的要求可知，防止污染是關(guān)鍵。所以建立一個(gè)高質(zhì)量

16、要求的清潔施工環(huán)境是焊接制造大型哈氏B-3合壓力容器的關(guān)鍵措施。為此，特意建造了一座3000m2的清潔廠房，并完善了相關(guān)的管理制度，從根本上為焊接制造該類高合金、高耐蝕材料大型壓力容器奠定了基礎(chǔ)。圖3 大型壓力容器清潔廠房3.2選擇合適的切削刀具材料與切削工藝 由于哈氏B-3合金材料機(jī)械加工時(shí)，具有切削阻力大、切削溫度高、冷作硬化現(xiàn)象嚴(yán)重、刀具極易磨損等特點(diǎn)，所以選用的刀具要具有足夠的常溫與高溫強(qiáng)度、硬度與耐磨性，并要能承受一定的振動(dòng)和沖擊載荷。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，YH1、YH2、YW2、 YG8、YG8W、YG6X等類型的硬質(zhì)合金刀具基本符合上述要求，只要再選擇好前角、后角、主偏角和刃傾角等刀具幾何

17、參數(shù) ；采用低切削速度、大進(jìn)刀量的切削工藝，哈氏B-3合金的冷加工關(guān)完全可以順利突破。 3.3嚴(yán)格控制熱加工溫度 由于哈氏B-3合金的強(qiáng)度高、硬度大、冷作回彈和冷作硬化趨勢嚴(yán)重，其封頭等變形量超過7%部件的成型制作與固熔熱處理成為該類壓力容器研制的關(guān)鍵工序之一。根據(jù)前述已知，哈氏B-3合金大變形量零部件只有在室溫400的中溫成型加工區(qū)進(jìn)行溫成型加工和在10501150的固熔處理溫度區(qū)進(jìn)行快速固熔處理，才能得到合格的成型加工件。所以在制造大型壓力容器的封頭等成型件時(shí)，采用T400的沖鼓、旋壓等成型工藝，成型后再對成型件進(jìn)行T=10501150的固熔處理。 在成型過程中要注意監(jiān)測材料的硬度變化和板

18、邊圓滑程度的控制，防止在成型過程中產(chǎn)生開裂失效。對于加熱方法也須注意，最好采用電加熱，以防止煤、柴油、煤氣等對哈氏B-3合金表面的污染。 在固熔處理時(shí)要注意防止工件在高溫時(shí)的變形，最好用既有高溫強(qiáng)度又無污染的材料制作胎膜，以控制工件的高溫變形。當(dāng)然，還須配備具有相當(dāng)容積和水流能夠循環(huán)流動(dòng)的水淬槽；能夠加熱到1150、具有相當(dāng)容積、溫度均勻、可調(diào)的大型熱處理爐；以及便于及時(shí)起吊高溫紅熱工件和胎膜的起吊裝備。在旋壓與固熔處理前，還要注意哈氏B-3材料表面的清潔度，以防止在熱加工過程中對材料的污染。圖4 大型哈氏B-3壓力容器部件固熔處理3.4大型哈氏B-3壓力容器的焊接 哈氏B-3合金大型壓力容器

19、的核心制造技術(shù)是焊接問題。哈氏合金公司資料上介紹，其可焊性與一般不銹鋼一樣，除了氣焊和大線能量的埋弧焊以外其他所有焊接方法均可使用。但我們使用該類材料的目的是要達(dá)到耐強(qiáng)還原性酸腐蝕的要求。這樣就不是資料上所介紹的概念了，據(jù)焊接試驗(yàn)和焊接工藝評定的結(jié)果來看，必須從焊接方法、焊接坡口設(shè)計(jì)、焊接規(guī)范的調(diào)整和焊接全過程的質(zhì)量保證等方面加以控制，才能獲得耐強(qiáng)還原性腐蝕酸腐蝕的理想焊縫。 3.4.1焊接方法的確定 由于哈氏B-3材料的強(qiáng)度、硬度太高，且易加工硬化，無法制作藥芯焊絲，所以目前尚無法進(jìn)行FCAW。目前最好的焊接方法仍是無氧化的GTAW。至于SMAW和GMAW，由于有焊渣和飛濺，對苛刻的150左

20、右 20%帶壓沸騰HCl腐蝕試驗(yàn)的耐腐蝕性能有一定影響，所以一般不用于接觸腐蝕介質(zhì)側(cè)焊縫的焊接。 由于哈氏B-3合金材料價(jià)格太貴，強(qiáng)度與硬度太高，全焊透的對接焊縫一般不易作清焊根處理，而采用雙面GTAW進(jìn)行封底焊，可以取得很好的效果。所以對于大型哈氏B-3壓力容器的對接焊盡量采用X型坡口進(jìn)行雙面GTAW。圖5 雙面GTAW焊3.4.2焊接規(guī)范的確定與焊接全過程的質(zhì)量控制 通過多次的焊接試驗(yàn)和焊接工藝評定，發(fā)現(xiàn)，焊接接頭要通過150左右 20%帶壓沸騰HCl腐蝕試驗(yàn)較為困難。要求焊接時(shí)須做到： 1）.焊接環(huán)境要清潔，包括壓力容器的組對、焊接、吊運(yùn)與擺放的場地、施工人員和工藝裝備均應(yīng)做到無塵、無風(fēng)

21、、無鐵、銅污染。 2）.焊接前坡口及兩側(cè)100mm范圍須仔細(xì)清理，可用丙酮或酒精擦洗焊接坡口。特別要注意不可用棉紗、毛巾等擦拭坡口，防止棉絮沾粘在焊接坡口中，焊接時(shí)碳化污染焊縫。 3）.GTAW雙面打底焊和單面填充焊時(shí)要嚴(yán)格控制焊接線能量，以焊縫金屬呈現(xiàn)銀白色為原則，若出現(xiàn)淺黃色可通過用專用不銹鋼絲刷擦刷消除，若出現(xiàn)其他顏色，則必須用專用砂輪片打磨去除，打磨時(shí)尚須注意打磨溫度的控制，防止打磨溫度太高，造成打磨處氧化變色。 4）.填充焊時(shí)，熔池背面須用專用氬氣保護(hù)盒通氬保護(hù)焊道背面，防止焊道背面氧化變色。 5）.每道焊道厚度不能厚，以防止熱輸入量太大，每道焊道的層間溫度T90，以最大限度的減少合金元素?zé)龘p和焊道變色，影響耐腐蝕性能。 6）.蓋面焊道盡量要平滑，可采用多道壓道焊。不可有咬邊、高低不平、單道寬焊道蓋面、焊縫變色及接頭過高或未接上等焊接缺陷或影響耐