028铁镍基耐蚀合金油井管制备工艺优化及组织精确控制

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随着国家经济的发展,对石油、天然气的需求逐年增多,在油气的开采过程中需要用到大量的油井管。油井管用耐蚀合金028以其良好的耐腐蚀性能在石油、天然气等领域得到广泛地应用。但由于管材制备过程中出现析出相超标、晶粒尺寸不均匀等问题影响了该类合金管材的使用性能尤其是耐腐蚀性能,短流程提高成材率也是迫切需要考虑的问题。为此,系统地研究028合金在管材制备过程中工艺与组织控制的关联性,探究管材制备环节中的组织演变规律,合金的变形行为,对于优化工艺提高管材的综合性能和经济竞争性具有重要的理论和工程应用意义。本文首先系统研究了铸锭及均匀化程度对铸锭热变形行为的影响规律,得出铸锭直接开坯锻造具有可行性但开裂风险较大,铸锭经过1170℃/10h部分均匀化后的流变应力小于1200℃/30h完全均匀化后的流变应力,而动态再结晶体积分数却大于后者。据此提出028合金铸锭可采用1170℃/10h部分均匀化退火工艺,既可降低经济成本,又减少抗力,提高开坯再结晶程度,研究证明了该种经济型工艺具有合理性。同时,结合实际生产工艺,明确影响管材性能的主要析出相为6相,结构式为Cr2.4Mo0.5Fe7Ni0.1,析出峰值温度为900℃,在该温度6相大量析出后使得。相完全回溶又不使晶粒度快速长大的固溶制度为1160℃/2h。通过系统的热物理模拟实验获得了028合金的热变形流变应力曲线,建立了028合金的本构方程,分析了热变形参数对动态再结晶组织的影响规律,构建了合金的动态再结晶图和热加工图。基于028合金的热变形行为,结合对热加工图不同区域的分析,获得了在应变量0.844时其热加工的安全区为变形温度1120~1160℃,应变速率0.1~1 s-1,应变量为0.163和0.357时的热加工安全区分别为变形温度1120~1156℃,应变速率0.1~6 s-1和变形温度1120~1180℃,应变速率0.1℃3 s-1。在此基础上,建立了动态再结晶和晶粒长大的组织控制模型,并利用Deform-2D软件对热压缩试样的实验与模拟结果进行对比分析,验证了晶粒组织演化模型和计算方法的正确性。利用该模型能够实现热挤压工艺参数对荒管组织影响规律的精确预测。进而提出了满足设备吨位(35MN)和组织要求(55μm)的最佳热挤压工艺范围为:坯料预热温度为1160℃~180℃,挤压速度为170~200 mm/s,挤压比为9.8~12,摩擦系数为0.02~0.09。进而对固溶后的荒管经冷轧及中间退火处理的系统研究,建立了028合金冷轧的加工硬化模型,得到了满足管材力学性能要求的冷轧变形量为23%~45%,构建了退火再结晶品粒长大模型,获得了析出相在退火过程中的演变规律,揭示了冷轧变形工艺和退火制度对织构和晶界特征的影响本质。综合析出相回溶和晶粒尺寸均匀性及织构和晶界特征等因素,提出了冷轧变形量30%时的最佳退火制度为1160℃/3min。总之,本文的研究结果能够对028合金油井管材的经济性和生产工艺的改进和优化提供指导,进而对实现管材组织的精确控制和力学性能的提高具有重要的工程应用价值。
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