CN102517508A

CN102517508A - 超超临界火电机组汽轮机叶片用铁素体耐热钢及制造方法

Info

Publication number: CN102517508A
Application number: CN2011104531665A
Authority: CN
Inventors: 杨钢; 包汉生; 刘正东; 王立民; 殷凤仕
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute; Shandong University of Technology
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute; Shandong University of Technology
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明提供一种超超临界火电机组汽轮机叶片用铁素体耐热钢，其特征在于其化学组成以质量百分比计为：铬：10.0～12.0、钼：0.1～0.6、钨：2.4～3.0、钴：1.0～4.0、镍：0～0.5、锰：0.2～1.0、氮：0.01～0.06、钒：0.10～0.30、铌：0.03～0.10、钛：0.005～0.015、碳：0.06～0.15，硼：0.008～0.015、锆：0.002～0.01％，余量为铁和不可避免的杂质；其制造方法为：将构成元素的原料组成物依次经熔炼、浇注，得到耐热钢钢锭，然后将钢锭进行锻造，最后进行热处理，其特征在于：热处理工艺为1050-1150℃保持0.5-1h油冷，720-790℃保持1-2h空冷。该耐热钢在高温下的抗腐蚀性和抗蠕变性能良好，高温长期使用过程中组织稳定，可用作620℃以上超超临界火电机组汽轮机用叶片材料。

Description

超超临界火电机组汽轮机叶片用铁素体耐热钢及制造方法

技术领域

本发明涉及一种超超临界火电机组汽轮机叶片用铁素体耐热钢及制造方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

为提高火力发电机组的效率，降低CO₂气体的排放，其关键是提高火力发电机组的蒸汽参数，即提高蒸汽的温度和压力，但是参数的提高程度主要取决于所用材料。12Cr系铁素体耐热钢在淬火回火状态下的显微组织为回火板条马氏体，在原奥氏体晶界和马氏体板条界分布有M₂₃C₆型碳化物，在板条界和板条内含有高密度的MX型纳米析出相，因而除具有较高的耐蚀性外，还具有较高的热强性、韧性和冷变形性能，能在湿蒸汽及一些酸碱溶液中长期运行，且其减振性是已知钢中最好的，因此是主要的叶片材料。目前，使用的叶片材料主要是12Cr-1Mo、12Cr-1Mo-V、12Cr-1Mo-V-W等。日本三菱公司开发了12Cr系铁素体系耐热钢用于蒸汽温度为593℃叶片。东芝公司在565℃主要采用12CrMoVNbN，在593℃采用改进型的12％Cr钢12CrMoVNbNW。更高蒸汽温度使用的12％Cr铁素体叶片钢正在开发、试验中，并不断改进。现有的汽轮机叶片材料还不能满足蒸汽温度为620℃条件下的性能要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、工作性能优良的超超临界火电机组汽轮机叶片用铁素体耐热钢及制备方法，其技术方案为：

一种超超临界火电机组汽轮机叶片用铁素体耐热钢，其特征在于其化学组成以质量百分比计为：铬：10.0～12.0、钼：0.1～0.6、钨：2.4～3.0、钴：1.0～4.0、镍：0～0.5、锰：0.2～1.0、氮：0.010～0.019、钒：0.10～0.30、铌：0.03～0.10、钛：0.005～0.015、碳：0.06～0.15，硼：0.008～0.015、锆：0.002～0.01％，余量为铁和不可避免的杂质。

所述的超超临界火电机组汽轮机叶片用铁素体耐热钢的制造方法，将构成元素的原料组成物依次经熔炼、浇注，得到耐热钢钢锭，然后将钢锭进行锻造，最后进行热处理，其特征在于：热处理工艺为1050-1150℃保持0.5-1h油冷，720-790℃保持1-2h空冷。

下面对规定各构成元素含量范围的理由解释如下：

碳：与铬结合形成M₂₃C₆型碳化物强化相，与钒、铌、钛等元素结合形成MX型碳氮化物强化相。碳同时还是奥氏体形成元素，拟制高温δ-铁素体的形成。但过高的碳含量也会抑制MX型碳氮化物相以纳米尺寸析出，故本发明钢中，碳的质量百分比控制在0.06％～0.15％之间。

氮：同碳一起与钒、铌、钛、锆等元素结合形成MX型碳氮化物强化相，促进MX型碳氮化物强化相以纳米尺寸形式析出。但当质量百分比超过0.019％时，高温长期服役过程中会析出粗大富铬、铌和钒的复杂氮化物相，即Z相。由于Z相和MX型纳米析出相的构成元素中都含有钒和铌，所以Z相的形成以消耗MX纳米析出相为代价，加速高温强度的退化。因此，本发明钢中，氮的质量百分比控制在0.010～0.019％之间。

铬：提高耐蚀性和抗氧化性，形成M₂₃C₆型碳化物强化相。当质量百分比超过12％，热处理时容易形成δ-铁素体，降低蠕变断裂强度。为保证既具有良好的耐蚀性和抗氧化性，又不损害高温蠕变断裂强度，本发明钢中铬的质量百分比规定在10.0～12.0％之间。

钴：奥氏体形成元素，抑制高温δ-铁素体形成，对提高蠕变断裂强度有利，但增加成本，尽量限制使用。本发明钢中钴的质量百分比规定在1.0～4.0％之间。

镍：奥氏体形成元素，抑制高温δ-铁素体形成，但会降低钢的临界点，使蠕变断裂强度降低，同时还增加成本，因此本发明钢中镍的质量百分比控制在0.5％以下或不加镍。

锰：奥氏体形成元素，抑制高温δ-铁素体形成，但含量过高，会降低蠕变断裂强度，因此本发明钢中锰的质量百分比控制在0.2～1.0％之间。

钼和钨：起固溶强化的作用，同时还有促进MX型碳氮化物以纳米形式析出的作用。但过多会导致δ-铁素体形成，降低强度和韧性。因此，本发明钢中，钨的质量百分比控制在24～3.0％之间，钼的质量百分比控制在0.1～0.6％之间。

钒：与铌、钛和锆一起形成MX型纳米碳氮化物强化相。其含量低于0.10％时，不足以在钢的基体中形成高密度的MX型纳米强化相，但质量百分比超过0.30％时，容易形成粗大碳氮化物，降低蠕变断裂强度。因此本发明钢中，钒的质量百分比控制在0.10～0.30％之间。

铌：与钒、钛和锆一起形成MX型纳米碳氮化物强化相。其质量百分比低于0.03％时，不足以在钢的基体中形成高密度的MX型纳米强化相，但质量百分比超过0.10％时，容易形成粗大碳氮化物，降低蠕变断裂强度。因此本发明钢中，铌的质量百分比控制在0.03～0.10％之间。

钛：钛除与钒、铌和锆一起形成MX型纳米碳氮化物强化相外，还有稳定MX相和抑制有害的Z-相形成的作用。但质量百分比超过0.015％时，容易形成粗大碳氮化物，降低蠕变断裂强度。因此本发明钢中，钛的质量百分比控制在0.005～0.015％之间。

锆：除与钒、铌和钛一起形成MX型纳米碳氮化物强化相外，还有在晶界和板条界偏聚，起强化晶界和板条界的作用，但锆含量超过0.010％时，会形成粗大的锆的碳化物和氧硫化物夹杂，降低高温蠕变强度。因此本发明钢中，锆的质量百分比控制在0.002～0.010％之间。

硼：有稳定M₂₃C₆型碳化物的作用，还有在晶界和板条界偏聚，起强化晶界和板条界的作用，因而显著提高蠕变断裂强度。但过高的硼含量，会形成硼化物，降低蠕变断裂强度，而且对热加工工艺不利。本发明钢中，硼的质量百分比控制在0.008～0.015％之间。

本发明热处理工艺参数的选择理由如下：

淬火温度和保温时间：淬火的目的是为了将粗大的M₂₃C₆型碳化物和MX型碳氮化物溶解到奥氏体中，以便在淬火后的回火过程中析出细小的M₂₃C₆型碳化物和纳米尺寸的MX型碳氮化物。淬火温度低于1050℃，碳化物和碳氮化物溶解不充分，不利于高温蠕变强度的提高，淬火温度高于1150℃，晶粒尺寸长大，降低钢的冲击韧度。因此，本发明优化的淬火工艺参数为1050-1150℃保持0.5-1h油冷。

回火温度和回火时间：回火的目的是使淬火马氏体分解，提高组织的稳定性，同时获得细小的M₂₃C₆型碳化物和纳米尺寸MX型碳氮化物来提高钢的高温蠕变强度。回火温度低于720℃，马氏体分解不完全，使组织不稳定，温度高于790℃会使淬火马氏体板条再结晶，降低高温蠕变强度。因此，本发明优化的回火工艺参数为720-790℃保持1-2h空冷。

本发明钢的优点

本发明钢以10～12Cr铁素体耐热钢为基础，通过优化碳、钴、锰、镍、钨、钼、铌、钒和Ti，并利用锆和硼元素对晶界和板条界强化，经过优化的制造工艺处理后，不仅具有高的抗蒸汽腐蚀能力，还具有高的抗蠕变能力，可用做620℃以上高温蒸汽参数的超超临界火电机组汽轮机叶片材料。

具体实施方式

表1列出了成分在本发明规定成分范围内的14种耐热钢和不在本发明规定成分的4种比较钢。其制作方法均为：采用真空感应炉将构成元素的原料组成物依次经熔炼、浇注，得到耐热钢钢锭，然后将该耐热钢钢锭进行锻造获得φ20mm棒材，经表2所述对应的热处理工艺进行热处理后，加工成标准拉伸蠕变试样和夏氏V型缺口冲击试样，然后做室温拉伸和冲击试验以及在600-700℃之间的持久断裂试验，根据持久试验结果，利用Larson-Miller参数法估算620℃、10万小时条件下的持久断裂强度。测试结果见表2。从表2可以看出，本发明耐热钢具有良好的强韧性和明显的高的高温持久断裂强度，620℃、10万小时条件下的持久断裂强度达到130MPa。

蒸汽压力为26-35MPa，蒸汽温度为620℃的超超临界机组对叶片材料的力学性能要求是：室温下，抗拉强度R_m≥833MPa，屈服强度R_p0.2≥619MPa，伸长率A≥14％，冲击功A_KV≥10J；620℃、10万小时条件下的持久断裂强度大于100MPa。可见，本发明耐热钢完全满足620℃以上超超临界火电机组汽轮机用叶片材料的要求。

表1

^*超出本发明规定的成分范围

表2

Claims

1.一种超超临界火电机组汽轮机叶片用铁素体耐热钢，其特征在于其化学组成以质量百分比计为：铬：10.0～12.0、钼：0.1～0.6、钨：2.4～3.0、钴：1.0～4.0、镍：0～0.5、锰：0.2～1.0、氮：0.010～0.019、钒：0.10～0.30、铌：0.03～0.10、钛：0.005～0.015、碳：0.06～0.15，硼：0.008～0.015、锆：0.002～0.01％，余量为铁和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的超超临界火电机组汽轮机叶片用铁素体耐热钢的制造方法，将构成元素的原料组成物依次经熔炼、浇注，得到耐热钢钢锭，然后将钢锭进行锻造，最后进行热处理，其特征在于：热处理工艺为1050-1150℃保持0.5-1h油冷，720-790℃保持1-2h空冷。