CN102517517B - 超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢,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、铜:1.0-3.0、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
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耐热钢及制造方法,其技术方案为:
一种超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢,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、铜:1.0-3.0、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。
铜:奥氏体形成元素,抑制高温δ-铁素体形成,同时还具有弥散析出强化作用和提高耐蚀性,但铜含量过高会降低钢的冲击韧性,因此本发明钢中铜的质量百分比控制在1.0~3.0%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2.4~3.0%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0.18%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0.002~0.01%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型碳氮化物以及纳米尺寸的铜颗粒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,并添加铜元素进行弥散强化,锆和硼元素对晶界和板条界强化,经过优化的制备工艺处理后,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。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140MPa。
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Rm≥833MPa,屈服强度Rp0.2≥619MPa,伸长率A≥14%,冲击功AKV≥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
表2
Claims (2)
1.一种超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢,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、铜:1.0-3.0、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。
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