690合金晶界特征对特殊的枝晶状M23C6型碳化物析出调控机理研究

Alloy 690 is a kind of high chromium alloyed nickel-based alloy which is wildly used in the steam-generator tubing application of nuclear power plants, and the evolution behavior of intergranular carbides in manufacture has been noticed to be one of the main factors that could affect the quality of Alloy 690 tubes. It was found in our previous study that the intergranular M23C6 carbides precipitating in the continuous cooling process of Alloy 690 exhibited a dendrite-like morphology, and this kind of carbides could generate “fine-grain band” which would be detrimental to the microstructural uniformity and properties of SG tubes. Therefore, we are planning to give this phenomenon a further investigation, which requires to systematically study the precipitation rule of dendrite-like carbides during the continuous cooling of Alloy 690 and to clarify their morphology characteristics and growth orientation; to investigate the evolution of grain boundary structure during continuous cooling and explicit the relationship between carbide morphology and grain boundary structure; to explore the grain boundary clustering behavior of C and Cr atoms during continuous cooling and reveal its influencing mechanism upon the grain boundary evolution. The successful operation of this project would not only enrich the precipitation theory of M23C6 carbides in Alloy 690, but also be helpful in directing the precipitation control of grain boundary carbide in industrial practices, which could probably pave way for a better fabrication quality and a longer performance life of Alloy 690 SG tubes.

在核电蒸汽发生器用690合金传热管的制备过程中，晶界碳化物的热变形演变是影响管材质量的主要因素之一。申请人发现，铸锭连续冷却过程中在晶界析出的M23C6型碳化物呈枝晶状形貌，这种碳化物可在铸锭后续的热变形中引发“细晶带”，而“细晶带”可严重危害690管材的组织均匀性及耐应力腐蚀性能。本项目拟系统分析枝晶状M23C6型碳化物在690合金连续降温过程中的析出规律，明确其几何特征与生长取向；研究连续冷却过程中晶界结构的演变行为，阐明其对析出碳化物形貌的调控机理；探究C、Cr原子在连续冷却过程中的晶界偏聚规律，揭示原子偏聚对于晶界演变的作用机理。研究结果不仅能丰富690合金M23C6型碳化物析出理论，还可有助于控制传热管晶界碳化物析出，避免“细晶带”出现，为提高690合金传热管的制造质量和使用寿命提供新思路。

蒸汽发生器用690合金传热管的性能可靠性和质量稳定性是压水堆核电站安全运行的重要保障，而碳化物析出控制是690合金传热管获得均质显微组织和良好力学性能与耐蚀性能的关键。本项目以工程化量级3吨大尺寸690合金电渣锭的变形组织控制为背景，针对690合金在连续冷却过程中出现的枝晶状碳化物及其析出演化行为进行了系统研究，详细讨论了枝晶状碳化物的形成机理及其对合金晶界形貌、组织均匀性和耐蚀性能的影响，并提出大尺寸690合金铸锭的碳化物析出形貌调控方法。.通过研究，本项目已明确了枝晶状碳化物的析出过程和形貌演化行为。碳化物的形貌枝晶化是一种界面失稳现象，碳化物的界面稳定性主要取决于碳化物附近的晶界溶质浓度梯度。晶界溶质浓度梯度增大，碳化物发生界面失稳的临界尺寸减小，枝晶状碳化物更容易形成。较高的固溶温度（>1120℃）和适宜的冷速（2-10 ℃/min）能够增大冷却过程中的晶界溶质浓度梯度，促进枝晶状碳化物的析出。通过研究碳化物形貌对晶界形态的影响，澄清了连续冷却过程中弯曲晶界的形成机理。因M23C6晶界碳化物与两侧晶粒共格关系不同，生长过程中在两侧晶粒中引发溶质浓度差和空位梯度，进而驱动晶界迁移，诱发锯齿晶界。.本项目研究结果表明，枝晶状碳化物一般会降低690合金的耐蚀性能，恶化材料变形组织均匀性，应予以避免。但对于大尺寸690合金铸锭，因为铸锭尺寸较大，铸锭芯部具有固有的缓冷特性，枝晶状碳化物的析出无法通过加强冷却等外部环境手段进行有效抑制。针对这一问题，本项目从枝晶状碳化物析出需要较大的溶度浓度梯度这一内在机理出发，提出采用“近固溶处理+缓冷”的热处理方式，在消除大尺寸碳化物的同时保留大量核心，通过诱导碳化物早期分散长大而避免界面失稳枝晶化的发生。本项目的研究结果对690合金传热管及其他产品的工程化制造具有很大的指导借鉴意义，应用前景非常广阔。