Hastelloy C-22

G3合金管材生產(chǎn)工藝:1 熱軋成型 2熱擠壓成型 ( G3合金高溫塑性差，熱成型溫度范圍窄，變形抗力較大，在1150℃~1220℃左右時(shí)，合金的熱塑性最好，因此G-3合金管材生產(chǎn)主要采用熱擠壓工藝成型。坯料在擠壓筒中的熱變形是熱擠壓成型中的關(guān)鍵技術(shù)，也是G-3合金管材生產(chǎn)的瓶頸)

在高溫奧氏體區(qū)變形的金屬，隨著變形量的增大，加工硬化過(guò)程和高溫動(dòng)態(tài)軟化過(guò)程(動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶)同時(shí)進(jìn)行。

Ⅰ 加工硬化階段(0<ε<εc)

當(dāng)塑性變形小時(shí)，位錯(cuò)密度不斷增加，變形抗力也不斷增加直到最大值。另一方面，由于材料在高溫下變 形，變形中產(chǎn)生的位錯(cuò)能夠在熱加工過(guò)程中通過(guò)交滑移和攀移等方式運(yùn)動(dòng)，使部分位錯(cuò)消失，部分重新排列，造成奧氏體的回復(fù)。由于位錯(cuò)的增值速度相對(duì)來(lái)說(shuō)與變形量無(wú)關(guān)，而位錯(cuò)的消失速度則與位錯(cuò)密度值有關(guān)。因此當(dāng)變形量逐漸增大時(shí)，位錯(cuò)密度也增大，位錯(cuò)消失速度也增大，反映在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上隨著變形量增大加工硬化速度減慢，但是總的趨向在第一階段還是超過(guò)動(dòng)態(tài)軟化，因此隨著變形量增加變形應(yīng)力不斷增加。

Ⅱ 開(kāi)始再結(jié)晶階段(εc<ε<εs)

在第一階段動(dòng)態(tài)軟化抵消不了加工硬化，隨著變形量的增加金屬內(nèi)部畸變能不斷升高，達(dá)到一定程度后在奧氏體中將發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。通過(guò)大角度晶界的移動(dòng)，位錯(cuò)大量消失，位錯(cuò)原來(lái)集聚的地方形成新的晶粒。隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，在熱加工過(guò)程中不斷形成再結(jié)晶核心并繼續(xù)成長(zhǎng)直到完成一輪再結(jié)晶，變形應(yīng)力降到最低值。發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶需要一個(gè)最低的變形量，稱為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量，以εc表示，εc幾乎與真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量εp相等，一般εc≈0.8-0.9εp。

Ⅲ 穩(wěn)定變形階段(ε>εs)

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生后，隨著變形的繼續(xù)，一方面再結(jié)晶繼續(xù)發(fā)展，使金屬軟化;另一方面已發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒又承受新的變形，產(chǎn)生加工硬化。這兩個(gè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到平衡時(shí)，流變應(yīng)力近似不變，使真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線近似水平。這種情況稱為連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶如。如果變形溫度較高，變形速率較小，則第三階段的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線可能出現(xiàn)波浪式變化，稱為間斷動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

(1) 動(dòng)態(tài)回復(fù)

動(dòng)態(tài)回復(fù)常常發(fā)生在一些層錯(cuò)能較高的金屬的熱塑性變形過(guò)程中，如鋁及鋁合金，工業(yè)純鐵、鐵素體鋼以及鋅、鎂、錫等金屬。這類金屬在熱塑性變形時(shí)，其位錯(cuò)的交滑移和攀移比較容易進(jìn)行，因此一般認(rèn)為動(dòng)態(tài)回復(fù)是這類材料熱加工過(guò)程中唯一的軟化機(jī)制，即使在遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜態(tài)再結(jié)晶溫度下進(jìn)行熱加工，通常也只有動(dòng)態(tài)回復(fù)而不發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程中發(fā)生的組織演化主要是點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)的消除和重排以及亞晶的形成。動(dòng)態(tài)回復(fù)的發(fā)生降低了變形畸變能，減小了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的驅(qū)動(dòng)力，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程受到一定抑制或根本不發(fā)生。

當(dāng)熱變形以動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)制進(jìn)行時(shí)，其組織主要呈現(xiàn)以下特征:原始晶粒沿變形方向被拉長(zhǎng)，亞晶呈等軸性并且亞晶內(nèi)位錯(cuò)密度很低;其真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線是一個(gè)逐漸增大直至達(dá)到一穩(wěn)態(tài)流變階段的曲線，沒(méi)有峰值應(yīng)力。動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)制發(fā)生的溫度一般在0.4-0.6Tm。動(dòng)態(tài)回復(fù)后的金屬位錯(cuò)密度高于相應(yīng)的冷變形后靜態(tài)回復(fù)的密度。

(2) 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶可以分為兩種:連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和斷續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。金屬在變形中全部發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后，繼續(xù)變形一定程度后才開(kāi)始發(fā)生第二輪動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，為斷續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。反之，前一輪動(dòng)態(tài)再結(jié)晶結(jié)束之前，在已發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的部分中，繼續(xù)變形，又重新發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，則為連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。斷續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶一般發(fā)生在變形溫度很高，應(yīng)變速率極低的情況下，在大部分的變形條件下發(fā)生的都是連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是在變形過(guò)程中形核和長(zhǎng)大的。變形停止，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶就停止。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核方式與靜態(tài)再結(jié)晶類似，需要滿足 "尺寸和取向的差別"條件，即要求再結(jié)晶核心的尺寸要達(dá)到一定的臨界尺寸，一般為1-3μm;同時(shí)要求再結(jié)晶核心至少有一個(gè)大角度晶界。因此，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的優(yōu)先形核位置一般在應(yīng)變集中的微區(qū)，如原始晶界、析出相周圍、孿晶界面等。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力是新晶粒與原始晶粒間的畸變能差。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程的最大特點(diǎn)是新晶粒內(nèi)部的畸變能還要隨著變形的進(jìn)行而增大，所以在再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大過(guò)程中，長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力隨變形的進(jìn)行不斷減小，最終晶粒停止長(zhǎng)大，達(dá)到一定的穩(wěn)定尺寸。所以當(dāng)熱變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其晶粒尺寸也呈穩(wěn)定的分布。

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶能夠細(xì)化原始粗大奧氏體組織，得到新的畸變程度較小的晶粒，因此動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在熱加工中有著非常重要的應(yīng)用。通常在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生前會(huì)有不同程度的動(dòng)態(tài)回復(fù)發(fā)生，降低一部分的畸變能，但此時(shí)畸變能還是在增大的。隨著變形的進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到臨界應(yīng)變時(shí)，積累的大量畸變能便會(huì)引發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，隨著再結(jié)晶的發(fā)生，位錯(cuò)大量消除，畸變能降低。當(dāng)全部畸變組織被新的再結(jié)晶晶粒占據(jù)時(shí)，再結(jié)晶過(guò)程結(jié)束。

晶粒尺寸主要受變形溫度、應(yīng)變速率以及第二相的影響。在變形過(guò)程沒(méi)有晶界第二相時(shí)變形溫度的提高和應(yīng)變速率的降低，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸變大。溫度和應(yīng)變速率的綜合影響可以用Zener-Hollomn因子表示。

動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸隨著Z因子的增大而減小，隨Z因子的減小而增大。金屬在熱變形時(shí)如有細(xì)小分散的第二相存在(如鋼中的碳化物，高溫合金中的金屬間化合物)，會(huì)阻礙晶界移動(dòng)，起抑制動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的作用。

(3) 亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶以及晶粒長(zhǎng)大

亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶核心在應(yīng)變結(jié)束后的晶粒長(zhǎng)大。靜態(tài)再結(jié)晶是在變形后在高位錯(cuò)密度區(qū)(如晶界、形變帶)形成的沒(méi)有應(yīng)變的新核心的形核與長(zhǎng)大。再結(jié)晶完成后，在高溫繼續(xù)停留時(shí)，晶界會(huì)繼續(xù)遷動(dòng)，但遷動(dòng)的速度比較慢，大晶粒吞并小晶粒，這叫做晶粒長(zhǎng)大。晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力不再是畸變能而是界面能。靜態(tài)再結(jié)晶和亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的不同在于，靜態(tài)再結(jié)晶強(qiáng)烈的依賴于形變量和溫度，較少依賴于應(yīng)變速率，但是亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶對(duì)應(yīng)變不敏感，溫度略有影響，主要受應(yīng)變速率的控制。

亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶以及晶粒長(zhǎng)大是金屬在熱變形后的高溫停留時(shí)間或變形間隙中發(fā)生的，可以統(tǒng)稱為后動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與后動(dòng)態(tài)再結(jié)晶構(gòu)成了金屬在熱變形過(guò)程和變形間隙以及變形后期的組織演化，建立合適的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶以及后動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型對(duì)于制定不同金屬材料的熱加工參數(shù)、熱變形組織的控制幫助十分重大。

G3鎳基耐蝕合金以抗液體介質(zhì)(室溫，有時(shí)也可高于室溫)腐蝕能力為其主要性能。含鎳量一般不超過(guò)70%，主要添加Cu,Cr,Mo,Fe,W等，以適應(yīng)各種不同化學(xué)性質(zhì)的工作介質(zhì)。其主要合金化原理如下:

鎳:基體元素，具有非常好的延展性，面心立方結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠容納大量的合金元素。對(duì)堿溶液有極佳的抵抗能力。

鋁:作為脫氧劑，冶煉時(shí)去除熔化金屬的氧。

碳:有害元素，會(huì)導(dǎo)致碳化物的形成，造成晶界敏化，降低腐蝕性能。

鉻:主要的合金元素，增強(qiáng)對(duì)氧化性溶液(如硝酸，鉻酸)的抵抗能力，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)局部腐蝕的抵抗能力(如點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕)。

銅:增強(qiáng)對(duì)非氧化性溶液的抵抗能力(如鹽酸、稀硫酸)。

鐵:在滿足使用性能的情況下用來(lái)降低成本，但是使用鐵質(zhì)模具和廢料來(lái)生產(chǎn)就不可避免包含一些鐵的成分。

鎢和鉬:增強(qiáng)對(duì)氧化性溶液的抵抗能力(如鹽酸、稀硫酸)，增強(qiáng)對(duì)局部腐蝕的抵抗能力。

鈮和釩:原來(lái)用于固定碳元素。

硅:有害元素，原材料冶煉中帶過(guò)來(lái)，要盡可能的降低，硅會(huì)穩(wěn)定碳化物和金屬間化合物，如σ相、μ相。

G3合金再結(jié)晶后，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體晶粒發(fā)生了長(zhǎng)大和粗化，有的晶界部分有二次再結(jié)晶生 成并發(fā)生長(zhǎng)大;晶粒度隨著溫度的增高長(zhǎng)大粗化的更明顯，這是因?yàn)殡S著溫度升高，位錯(cuò)密度減小，晶界遷移速率變快，晶粒長(zhǎng)大速度變大;在其它變形條件相同的條件下，初始晶粒度大小和再結(jié)晶后的晶粒大小沒(méi)有必然的聯(lián)系，總體來(lái)說(shuō)初始晶粒度越大再結(jié)晶晶粒越大，但長(zhǎng)大規(guī)律不明顯;在其它變形條件一定的情況下，隨著應(yīng)變速率的升高，再結(jié)晶晶粒變細(xì)，這是因?yàn)樵谄渌冃螚l件相同的情況下，應(yīng)變速率越高，變形后的位錯(cuò)密度越大，再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力越大，形核率也越高，因而再結(jié)晶晶粒越多，晶粒尺寸越小;隨著變形溫度升高，晶粒尺寸增加較大，其原因是在其它變形條件相同的情況下，變形溫度越高，材料的位錯(cuò)密度越小，導(dǎo)致再結(jié)晶時(shí)形核率減少;同時(shí)溫度越高再結(jié)晶的晶粒的長(zhǎng)大速度越快，后形核的再結(jié)晶核來(lái)不及長(zhǎng)大就被先長(zhǎng)大的大晶粒吞并，從而再結(jié)晶過(guò)程中能長(zhǎng)大的晶粒數(shù)減少，再結(jié)晶晶粒變粗。

G系列合金(G3、G30、G35)主要用于石化工業(yè)如油井管、濕法磷酸生產(chǎn)使用的蒸發(fā)器，核工業(yè)中核燃料再生設(shè)備、以及鋼廠酸洗設(shè)備等。C系列合金(C276、C22、C4)是使用量最大的一類耐蝕合金之一，在氧化或還原環(huán)境下都有很好的耐腐蝕性。因此廣泛應(yīng)用于各種腐蝕環(huán)境復(fù)雜的地方，如核工業(yè)、制藥工業(yè)等。690合金是一種非常重要的核材料，是核電站核能發(fā)電蒸汽管的不可替代材料，屬于核心部件，對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂具有很好的抵抗作用。

鉆采石油、天然氣時(shí)，除需要鉆探機(jī)械設(shè)備外，還需要專用管材，即鉆柱、套管、油管等，統(tǒng)稱為"油井管"。油氣工業(yè)用鋼總量中，油井管約占40%，是石油、天然氣開(kāi)采中的一個(gè)重要組成部分。根據(jù)中國(guó)油氣開(kāi)采環(huán)境的特殊性，專家認(rèn)為，超高強(qiáng)度油套管、高抗擠套管、耐酸性環(huán)境腐蝕油管和特殊螺紋油井管是中國(guó)當(dāng)今和未來(lái)急需的高性能油井管。中國(guó)高性能油井管基本上都依賴進(jìn)口，生產(chǎn)上基本是空白的。因此，

在中國(guó)大力開(kāi)發(fā)高性能油井管已勢(shì)在必行。長(zhǎng)期以來(lái)，油井管選材主要有13Cr、22Cr、25Cr、316不銹鋼等。這幾種不銹鋼強(qiáng)度較高，同時(shí)含有較高的Cr含量，在合金表面容易形成一層致密的cr2o3鈍化膜，能有效抵抗CO，的腐蝕，且隨著Cr含量的增加，抗CO2腐蝕的能力逐漸增強(qiáng)油。但是隨著埋藏很深的高酸性油氣田的逐漸發(fā)現(xiàn)和開(kāi)采，開(kāi)采環(huán)境中H2S，CO2，S，C1一含量很高，常用的不銹鋼管材已無(wú)法滿足開(kāi)采需求。因此，高合金化的鎳基耐蝕合金(028、825、G一3、2550、050、625、C276)逐漸應(yīng)用于油井管中 G3合金是一種性能優(yōu)越的鎳基耐蝕合金，屬于含Mo、Cu的Ni-Cr-Fe系，它具有優(yōu)良的抗氧化和大氣腐蝕及抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力。合金中由于含有較高的Fe，相對(duì)于其它鎳基耐蝕合金具有成本低的特點(diǎn)。用該合金制成的油井管具有優(yōu)異的抗H2S、CO2、Cl腐蝕性能，是酸性氣田油井管的最佳選材。

隨著酸性油氣田的逐步開(kāi)發(fā)，鎳基合金油井管的需求量不斷上升。相關(guān)產(chǎn)品被國(guó)外少數(shù)廠家壟斷，中國(guó)

還沒(méi)有完全掌握鎳基耐蝕合金管材的制造技術(shù)，這嚴(yán)重威脅了國(guó)家的能源安全。因此，國(guó)產(chǎn)化鎳基合金管材勢(shì)在必行。鎳基合金由于變形抗力高，管材的成型只能采用熱擠壓方式。而國(guó)內(nèi)對(duì)熱擠壓的研究主要集中在鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)金屬，由于合金的材料學(xué)特征不同，其難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鎳基合金的熱擠壓。因此，有必要建立鎳基合金材料學(xué)特性與熱擠壓工藝的關(guān)聯(lián)，為鎳基合金管材的國(guó)產(chǎn)化提供一定的技術(shù)支持。 具體中國(guó)川渝地區(qū)高酸性氣田腐蝕環(huán)境，使用125ksi級(jí)G一3合金管材，可以有效抑制和減緩腐蝕介質(zhì)的全面腐蝕、局部腐蝕、SSC、HIC、SCC等滿足其安全生產(chǎn)。由于G3合金高溫塑性差，熱成形區(qū)間窄，無(wú)法采用常規(guī)熱軋或熱穿孔方法實(shí)現(xiàn)，必須通過(guò)熱擠壓工藝進(jìn)行熱加工，組織為單相奧氏體組織，室溫強(qiáng)度低，高強(qiáng)度油套管的鋼級(jí)必須通過(guò)熱擠壓后的冷加工強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)，合金冷加工硬化程度高，冷加工工藝控制難度大。目前中國(guó)尚不能完全工業(yè)化生產(chǎn)，因此進(jìn)一步摸索其高溫?zé)崴苄约袄浼庸ぬ匦跃哂信e足輕重的意義。

合金G3是合金G的改進(jìn)型。該合金同樣具有優(yōu)良的抗腐蝕性，但是其抗HAz(熱影響區(qū))腐蝕的能力更強(qiáng)，并具有良好的焊接性。該合金較低的碳含量可以延緩碳化物的析出動(dòng)力學(xué)行為。而其略高的鋁含量，提供了優(yōu)良的抗局部腐蝕能力。G3合金在幾乎所有的工業(yè)應(yīng)用中，至今已取代了G合金。同時(shí)，在許多需要抗局部腐蝕的應(yīng)用中也取代了825合金。常用的井下油管材質(zhì)是825、G3、G50、C276和028合金。根據(jù)川渝地區(qū)高酸性氣田的流體性質(zhì)，材質(zhì)必須滿足以下三個(gè)方面的要求:抗高溫、抗高壓、耐強(qiáng)腐蝕。