隨著石油化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,鎳鐵基耐蝕合金028憑借穩(wěn)定的力學(xué)性能和良好的耐腐蝕性能的優(yōu)勢已經(jīng)在相關(guān)產(chǎn)業(yè)中得到廣泛地應(yīng)用。但由于管材制備過程中出現(xiàn)晶粒尺寸不均勻、析出相等問題將會影響該類合金管材的使用性能尤其是耐腐蝕性能。為此,本文研究了合金的微觀組織特征,諸如晶粒尺寸、析出相、晶粒取向和晶界特征對腐蝕行為的影響規(guī)律,進(jìn)而提出了基于合金耐腐蝕性能提高的組織優(yōu)化方向,從而為高性能耐蝕合金管材的生產(chǎn)提供指導(dǎo)。通過系統(tǒng)分析合金管材制備工藝各階段的組織演變規(guī)律,以及成品管材在不同腐蝕環(huán)境中的腐蝕行為,明確了基于腐蝕性能的028合金管材的組織研究對象為晶粒尺寸、析出相、織構(gòu)及晶界特征,以及外部環(huán)境敏感性條件包括C1-和H2SO4介質(zhì)。內(nèi)部組織對象和外部環(huán)境因素的明確,為合金組織特征與腐蝕行為之間關(guān)聯(lián)性研究奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)分析了C1-和H2SO4環(huán)境中不同晶粒尺寸的腐蝕行為,研究結(jié)果表明了028合金在富含Cl-的環(huán)境中不利于表面穩(wěn)定鈍化的本質(zhì),致使增大晶粒尺寸以減小高能量不穩(wěn)定晶界密度有助于改善合金的耐蝕性能。而在H2SO4環(huán)境中,認(rèn)為小晶粒高晶界密度的組織特征為合金鈍化創(chuàng)造條件,表明小晶粒組織更有利于合金的鈍化。進(jìn)一步獲得了合金中碳化物和。相含量與腐蝕行為間的量化關(guān)系及其對耐腐蝕性能的惡化程度,進(jìn)而結(jié)合對腐蝕后表面形貌的特征分析,建立了存在析出相的合金腐蝕行為微電偶效應(yīng)的模型,揭示了相析出行為對合金耐腐蝕性能的影響機(jī)理。通過對大量不同取向晶粒的點(diǎn)腐蝕行為分析,繪制了028合金不同取向晶粒點(diǎn)腐蝕敏感指數(shù)分布圖,闡明了合金耐點(diǎn)腐蝕性能隨晶粒取向的各向異性規(guī)律,提出了冷變形中通過提高ND//<110>和ND//<111>取向織構(gòu)有助于合金耐腐蝕性能的改善。從而為提高合金耐腐蝕性能提供了冷加工組織設(shè)計的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。同時,結(jié)合管材的實(shí)際生產(chǎn)工藝,針對不同晶界結(jié)構(gòu)特征的腐蝕行為進(jìn)行分析,表明原子排列對稱度高的低能量晶界CSLΣ3具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,明確了提高CSLE3晶界比例有利于降低晶界腐蝕敏感性從而提高合金的腐蝕抗力。并給出小變形量(20%)和中等變形量(50%)退火后CSLΣ3晶界比例的zui大值均出現(xiàn)在再結(jié)晶基本完成但晶粒還未快速長大時所對應(yīng)的退火工藝條件。為合金通過提高CSLE3晶界比例,改善耐腐蝕性能的退火工藝制定提供依據(jù)。總之,綜合分析組織特征與合金腐蝕行為間關(guān)聯(lián)性的研究結(jié)果,針對028合金管材制備過程,需在嚴(yán)格滿足析出相要求的前提下依據(jù)腐蝕介質(zhì)因素調(diào)整晶粒尺寸,具體針對C1-環(huán)境需大晶粒尺寸,而H28O4中可以增加晶界密度以利于合金鈍化,冷變形可以通過增大ND//<110>和ND//<111>取向織構(gòu)和提高CSLE3晶界比例來制定工藝參數(shù)。因此,研究結(jié)果可以為基于合金耐腐蝕性能提高的組織優(yōu)化給出方向,并為合金設(shè)計和管材工藝制定提供指導(dǎo)。
鐵鎳基合金作為一種綜合耐蝕性能優(yōu)良且成本低廉的耐蝕合金,在油氣田的開采領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。針對目前在國內(nèi)油井管材領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的合金028、825以及G3,分析了析出相形成規(guī)律,總結(jié)該類耐蝕合金的冶煉、熱加工和冷加工、機(jī)械性能、耐蝕性能和焊接性能等方面的研究進(jìn)展。研究表明:有效控制第二相的析出,可以提高合金的耐蝕性能;在管材的生產(chǎn)工藝上要注意熱加工以及冷加工過程中的加熱溫度、冷卻速度以及變形溫度和變形速率;合金的雙極性鈍化膜有效提高了材料在復(fù)雜服役環(huán)境下的抗局部腐蝕性能。隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對石油、天然氣的需求逐年增多,在油氣的開采過程中需要用到大量的油井管。油井管用耐蝕合金028以其良好的耐腐蝕性能在石油、天然氣等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。但由于管材制備過程中出現(xiàn)析出相超標(biāo)、晶粒尺寸不均勻等問題影響了該類合金管材的使用性能尤其是耐腐蝕性能,短流程提高成材率也是迫切需要考慮的問題。為此,系統(tǒng)地研究028合金在管材制備過程中工藝與組織控制的關(guān)聯(lián)性,探究管材制備環(huán)節(jié)中的組織演變規(guī)律,合金的變形行為,對于優(yōu)化工藝提高管材的綜合性能和經(jīng)濟(jì)競爭性具有重要的理論和工程應(yīng)用意義。本文首先系統(tǒng)研究了鑄錠及均勻化程度對鑄錠熱變形行為的影響規(guī)律,得出鑄錠直接開坯鍛造具有可行性但開裂風(fēng)險較大,鑄錠經(jīng)過1170℃/10h部分均勻化后的流變應(yīng)力小于1200℃/30h*均勻化后的流變應(yīng)力,而動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)卻大于后者。據(jù)此提出028合金鑄錠可采用1170℃/10h部分均勻化退火工藝,既可降低經(jīng)濟(jì)成本,又減少抗力,提高開坯再結(jié)晶程度,研究證明了該種經(jīng)濟(jì)型工藝具有合理性。同時,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝,明確影響管材性能的主要析出相為6相,結(jié)構(gòu)式為Cr2.4Mo0.5Fe7Ni0.1,析出峰值溫度為900℃,在該溫度6相大量析出后使得。相*回溶又不使晶粒度快速長大的固溶制度為1160℃/2h。通過系統(tǒng)的熱物理模擬實(shí)驗(yàn)獲得了028合金的熱變形流變應(yīng)力曲線,建立了028合金的本構(gòu)方程,分析了熱變形參數(shù)對動態(tài)再結(jié)晶組織的影響規(guī)律,構(gòu)建了合金的動態(tài)再結(jié)晶圖和熱加工圖?；?28合金的熱變形行為,結(jié)合對熱加工圖不同區(qū)域的分析,獲得了在應(yīng)變量0.844時其熱加工的安全區(qū)為變形溫度1120～1160℃,應(yīng)變速率0.1～1 s-1,應(yīng)變量為0.163和0.357時的熱加工安全區(qū)分別為變形溫度1120～1156℃,應(yīng)變速率0.1～6 s-1和變形溫度1120～1180℃,應(yīng)變速率0.1℃3 s-１。在此基礎(chǔ)上,建立了動態(tài)再結(jié)晶和晶粒長大的組織控制模型,并利用Deform-2D軟件對熱壓縮試樣的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證了晶粒組織演化模型和計算方法的正確性。利用該模型能夠?qū)崿F(xiàn)熱擠壓工藝參數(shù)對荒管組織影響規(guī)律的預(yù)測。進(jìn)而提出了滿足設(shè)備噸位(35MN)和組織要求(55μm)的熱擠壓工藝范圍為：坯料預(yù)熱溫度為1160℃～180℃,擠壓速度為170～200 mm/s,擠壓比為9.8～12,摩擦系數(shù)為0.02～0.09。進(jìn)而對固溶后的荒管經(jīng)冷軋及中間退火處理的系統(tǒng)研究,建立了028合金冷軋的加工硬化模型,得到了滿足管材力學(xué)性能要求的冷軋變形量為23%～45%,構(gòu)建了退火再結(jié)晶品粒長大模型,獲得了析出相在退火過程中的演變規(guī)律,揭示了冷軋變形工藝和退火制度對織構(gòu)和晶界特征的影響本質(zhì)。綜合析出相回溶和晶粒尺寸均勻性及織構(gòu)和晶界特征等因素,提出了冷軋變形量30%時的退火制度為1160℃/3min?？傊?本文的研究結(jié)果能夠?qū)?28合金油井管材的經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和優(yōu)化提供指導(dǎo),進(jìn)而對實(shí)現(xiàn)管材組織的控制和力學(xué)性能的提高具有重要的工程應(yīng)用價值。
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