CN103667967B - 一种超超临界汽轮机转子用耐热钢 - Google Patents

一种超超临界汽轮机转子用耐热钢 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，其能解决采用X12CrMoWVNbN10-1-1铁素体耐热钢加工的超超临界汽轮机转子不能满足超超临界汽轮机组620℃要求的问题。其特征在于：其包括以下质量百分比的元素材料，碳（C）：0.1～0.15；锰（Mn）：0.15～0.25；铬（Cr）：10.00～11.00；钴（Co）：2.0～4.0；钼（Mo）：0.6～1.1；钨（W）：1.0～3.0；镍（Ni）：0.15～0.25；钒（V）：0.15～0.25；铌（Nb）：0.07～0.09；氮（N）：0.02～0.04；余量为Fe及杂质元素。

Description

一种超超临界汽轮机转子用耐热钢
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体为一种超超临界汽轮机转子用耐热钢。
背景技术
目前，我国已成为世界上投运超超临界机组最多的国家，对超超临界机组用材料的需求量很大，前几年向全球采购供不应求，有些关键部件材料的价格成倍上涨，使机组的制造成本大幅上升，材料已成为中国发展超超临界机组的制约因素之一。为了解除材料制约，迫切需要开展超超临界机组用关键材料的研制及应用研究。
X12CrMoWVNbN10-1-1（即X12耐热钢）是目前常用的超超临界汽轮机转子用钢，它是在9Cr-1Mo耐热钢的基础上改进而来，目前X12钢的使用温度极限为600℃。但随着超超临界机组参数—温度的进一步提高至620℃，X12钢已不能满足要求，迫切要求研究出新一代材料来满足实际需要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，其能解决采用X12CrMoWVNbN10-1-1铁素体耐热钢加工的超超临界汽轮机转子不能满足超超临界汽轮机组620℃要求的问题。
一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，其特征在于：其包括以下质量百分比的元素材料，碳（C）：0.1～0.15；锰（Mn）：0.15～0.25；铬（Cr）：10.00～11.00；钴（Co）：2.0～4.0；钼（Mo）：0.6～1.1；钨（W）：1.0～3.0；镍（Ni）：0.15～0.25；钒（V）：0.15～0.25；铌（Nb）：0.07～0.09；氮（N）：0.02～0.04；余量为Fe及杂质元素。
其进一步特征在于：
所述钴（Co）的含量优选3.0～4.0；
所述钼（Mo）的含量优选0.75～0.95；
所述钨（W）的含量优选1.0～2.0；
所述杂质元素的成份控制，硫（S）≤0.010；磷（P）≤0.012；铜（Cu）≤0.15；铝（Al）≤0.010；锡（Sn）≤0.010；锑（Sb）≤0.0015份；砷（As）≤0.020；硅（Si）≤0.12；H≤1.0ppm；O≤35ppm。
加工上述一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，先将构成元素的原料组成物按配比依次进行真空熔炼、浇注，得到耐热钢钢锭，然后将所述耐热钢钢锭依次进行锻造、热处理，最后进行力学性能试验；
其中力学性能试验中，材料的室温性能要求应满足抗拉强度Rm≥889MPa；屈服强度Rp0.2≥700MPa；伸长率：A≥13%；断面收缩率：Z≥40%；冲击功：Akv≥30J；力学性能试验，包括进行短时高温持久试验，短时高温持久试验的试验条件为试验温度650℃、应力180Mpa，持久断裂时间大于200小时。
与X12耐热钢材料相比较，本发明超超临界汽轮机转子用耐热钢的有益效果在于：其能满足超超临界汽轮机组620℃要求，
（1）其成份中添加了钴（Co）元素，钴（Co）元素是一种奥氏体形成元素，其能抑制高铬铁素体钢高温淬火下δ-Fe的生成，并且钴（Co）元素对于Ac1温度只有轻微的影响，且其能提高Ms和居里温度，较高的居里温度有利于钢保持其自身的铁磁性，从而保护高的扩散能垒，并减缓钢中溶质的扩散过程、减缓沉淀粒子的长大；同时Co在铁素体中显示出很高的固溶度，而它几乎不溶于Laves相；
（2）钼（Mo）、钨（W）是铁素体形成元素，并且Mo和W已成为耐热钢的主要固溶强化元素，添加Mo和W元素可以提高耐热钢的蠕变强度，但当添加量超过某一极限时，就会生成δ铁素体和Laves相从而将对钢的长期性能带来不利影响；本发明耐热钢材料相较X12耐热钢的成分降低了Mo元素的含量、同时提高了W元素的含量，其中Mo在铁素体钢中是对强度、韧性和耐蚀性都有利的合金元素，Mo的加入主要是增加回火稳定性、强化二次硬化效应和在晶界偏聚提高晶界结合力，其能达到同时增加钢的强度而韧性并不降低的效果，而在材料中单独加入Mo或W，在保持相同的Mo当量（Mo+1/2W）情况下，只加W的材料蠕变性能更好一些，这是因为两种元素在基体的分布方式存在差异，Mo更加倾向于以团簇方式聚集，而随着蠕变的进行，基体固溶的Mo和W都会降低，而Mo因为团聚而造成的不均匀分布更为加剧，低Mo的局部区域就成为蠕变集中的地方，从而降低了蠕变激活能，但是，也正因为Mo的团聚，其本身又能有很好的稳定晶界作用，因此可以用W作为主要的固溶强化元素，少量的Mo作为晶界稳定元素，从而综合发挥各元素的强化作用；但是W除固溶强化外还可通过沉淀强化的方式影响蠕变性能，过高的W含量导致蠕变过程中生成的Laves相不仅不能增加蠕变强度，反而会损害材料的长期蠕变性能，因此，保持相同的Mo当量（Mo+1/2W）为1.6，控制Mo的质量百分比含量在0.6～1.1、W的质量百分比含量在1.0～3.0，可以有效增加材料的蠕变强度并降低材料脆性和韧性。
附图说明
图1为本发明一种超超临界汽轮机转子用耐热钢经热处理后的典型金相组织图。
具体实施方式
实施例一：
加工一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，将构成元素的原料组成物按以下配比依次进行真空熔炼、浇注，碳（C）：0.1；锰（Mn）：0.2；铬（Cr）：11.00；钴（Co）：3.0；钼（Mo）：0.75；钨（W）：1.7；镍（Ni）：0.25；钒（V）：0.15；铌（Nb）：0.072；氮（N）：0.02；余量为Fe及杂质元素，其中杂质元素硫（S）≤0.010；磷（P）≤0.012；铜（Cu）≤0.15；铝（Al）≤0.010；锡（Sn）≤0.010；锑（Sb）≤0.0015份；砷（As）≤0.020；硅（Si）≤0.12；H≤1.0ppm；O≤35ppm；得到耐热钢钢锭，然后将得到的耐热钢钢锭依次进行锻造、热处理，最后进行力学性能试验，经检测材料的室温力学性能以及在650℃、180Mpa条件下短时高温持久试验下材料持久能见表1。
实施例二：
加工一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，将构成元素的原料组成物按以下配比依次进行真空熔炼、浇注，碳（C）：0.11；锰（Mn）：0.2；铬（Cr）：10.5；钴（Co）：2.4；钼（Mo）：0.9；钨（W）：1.4；镍（Ni）：0.23；钒（V）：0.2；铌（Nb）：0.08；氮（N）：0.03；余量为Fe及杂质元素，其中杂质元素硫（S）≤0.010；磷（P）≤0.012；铜（Cu）≤0.15；铝（Al）≤0.010；锡（Sn）≤0.010；锑（Sb）≤0.0015份；砷（As）≤0.020；硅（Si）：0.115；H≤1.0ppm；O≤35ppm；得到耐热钢钢锭，然后将得到的耐热钢钢锭依次进行锻造、热处理，最后进行力学性能试验；经检测材料的室温力学性能以及在650℃、180Mpa条件下短时高温持久试验下材料持久能见表1。
实施例三：
加工一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，将构成元素的原料组成物按以下配比依次进行真空熔炼、浇注，碳（C）：0.125；锰（Mn）：0.2；铬（Cr）：10.35；钴（Co）：3.1；钼（Mo）：0.82；钨（W）：1.5；镍（Ni）：0.24；钒（V）：0.2；铌（Nb）：0.08；氮（N）：0.03；余量为Fe及杂质元素，其中杂质元素硫（S）≤0.010；磷（P）≤0.012；铜（Cu）≤0.15；铝（Al）≤0.010；锡（Sn）≤0.010；锑（Sb）≤0.0015份；砷（As）≤0.020；硅（Si）：0.115；H≤1.0ppm；O≤35ppm；得到耐热钢钢锭，然后将得到的耐热钢钢锭依次进行锻造、热处理，最后进行力学性能试验；经检测材料的室温力学性能以及在650℃、180Mpa条件下短时高温持久试验下材料持久能见表1。
实施例四：
加工一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，将构成元素的原料组成物按以下配比依次进行真空熔炼、浇注，碳（C）：0.125；锰（Mn）：0.2；铬（Cr）：10.25；钴（Co）：3.8；钼（Mo）：0.8；钨（W）：1.6；镍（Ni）：0.21；钒（V）：0.2；铌（Nb）：0.08；氮（N）：0.03；余量为Fe及杂质元素，其中杂质元素硫（S）≤0.010；磷（P）≤0.012；铜（Cu）≤0.15；铝（Al）≤0.010；锡（Sn）≤0.010；锑（Sb）≤0.0015份；砷（As）≤0.020；硅（Si）：0.115；H≤1.0ppm；O≤35ppm；得到耐热钢钢锭，然后将得到的耐热钢钢锭依次进行锻造、热处理，最后进行力学性能试验；经检测材料的室温力学性能以及在650℃、180Mpa条件下短时高温持久试验下材料持久能见表1。
实施例五：
加工一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，将构成元素的原料组成物按以下配比依次进行真空熔炼、浇注，碳（C）：0.125；锰（Mn）：0.2；铬（Cr）：10.6；钴（Co）：2.4；钼（Mo）：0.85；钨（W）：1.5；镍（Ni）：0.20；钒（V）：0.2；铌（Nb）：0.08；氮（N）：0.03；余量为Fe及杂质元素，其中杂质元素硫（S）≤0.010；磷（P）≤0.012；铜（Cu）≤0.15；铝（Al）≤0.010；锡（Sn）≤0.010；锑（Sb）≤0.0015份；砷（As）≤0.020；硅（Si）：0.115；H≤1.0ppm；O≤35ppm；得到耐热钢钢锭，然后将得到的耐热钢钢锭依次进行锻造、热处理，最后进行力学性能试验；经检测材料的室温力学性能以及在650℃、180Mpa条件下短时高温持久试验下材料持久能见表1。
实施例六：
加工一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，将构成元素的原料组成物按以下配比依次进行真空熔炼、浇注，碳（C）：0.125；锰（Mn）：0.2；铬（Cr）：10.4；钴（Co）：3.1；钼（Mo）：0.88；钨（W）：1.5；镍（Ni）：0.24；钒（V）：0.2；铌（Nb）：0.08；氮（N）：0.03；余量为Fe及杂质元素，其中杂质元素硫（S）≤0.010；磷（P）≤0.012；铜（Cu）≤0.15；铝（Al）≤0.010；锡（Sn）≤0.010；锑（Sb）≤0.0015份；砷（As）≤0.020；硅（Si）：0.115；H≤1.0ppm；O≤35ppm；得到耐热钢钢锭，然后将得到的耐热钢钢锭依次进行锻造、热处理，最后进行力学性能试验；经检测材料的室温力学性能以及在650℃、180Mpa条件下短时高温持久试验下材料持久能见表1。
实施例七：
加工一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，将构成元素的原料组成物按以下配比依次进行真空熔炼、浇注，碳（C）：0.125；锰（Mn）：0.2；铬（Cr）：10.45；钴（Co）：3.8；钼（Mo）：0.86；钨（W）：1.5；镍（Ni）：0.22；钒（V）：0.2；铌（Nb）：0.08；氮（N）：0.034；余量为Fe及杂质元素，其中杂质元素硫（S）≤0.010；磷（P）≤0.012；铜（Cu）≤0.15；铝（Al）≤0.010；锡（Sn）≤0.010；锑（Sb）≤0.0015份；砷（As）≤0.020；硅（Si）：0.115；H≤1.0ppm；O≤35ppm；得到耐热钢钢锭，然后将得到的耐热钢钢锭依次进行锻造、热处理，最后进行力学性能试验；经检测材料的室温力学性能以及在650℃、180Mpa条件下短时高温持久试验下材料持久能见表1。
实施例八：
加工一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，将构成元素的原料组成物按以下配比依次进行真空熔炼、浇注，碳（C）：0.125；锰（Mn）：0.2；铬（Cr）：10.8；钴（Co）：4.0；钼（Mo）：0.95；钨（W）：1.3；镍（Ni）：0.16；钒（V）：0.25；铌（Nb）：0.07；氮（N）：0.035；余量为Fe及杂质元素，其中杂质元素硫（S）≤0.010；磷（P）≤0.012；铜（Cu）≤0.15；铝（Al）≤0.010；锡（Sn）≤0.010；锑（Sb）≤0.0015份；砷（As）≤0.020；硅（Si）≤0.12；H≤1.0ppm；O≤35ppm；得到耐热钢钢锭，然后将得到的耐热钢钢锭依次进行锻造、热处理，最后进行力学性能试验；经检测材料的室温力学性能以及在650℃、180Mpa条件下短时高温持久试验下材料持久能见表1。
实施例九：
加工一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，将构成元素的原料组成物按以下配比依次进行真空熔炼、浇注，碳（C）：0.125；锰（Mn）：0.2；铬（Cr）：10.8；钴（Co）：2.0；钼（Mo）：1.1；钨（W）：1.0；镍（Ni）：0.16；钒（V）：0.25；铌（Nb）：0.07；氮（N）：0.035；余量为Fe及杂质元素，其中杂质元素硫（S）≤0.010；磷（P）≤0.012；铜（Cu）≤0.15；铝（Al）≤0.010；锡（Sn）≤0.010；锑（Sb）≤0.0015份；砷（As）≤0.020；硅（Si）≤0.12；H≤1.0ppm；O≤35ppm；得到耐热钢钢锭，然后将得到的耐热钢钢锭依次进行锻造、热处理，最后进行力学性能试验；经检测材料的室温力学性能以及在650℃、180Mpa条件下短时高温持久试验下材料持久能见表1。
实施例十：
加工一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，将构成元素的原料组成物按以下配比依次进行真空熔炼、浇注，碳（C）：0.125；锰（Mn）：0.2；铬（Cr）：10.8；钴（Co）：3.5；钼（Mo）：0.60；钨（W）：2.0；镍（Ni）：0.16；钒（V）：0.25；铌（Nb）：0.07；氮（N）：0.035；余量为Fe及杂质元素，其中杂质元素硫（S）≤0.010；磷（P）≤0.012；铜（Cu）≤0.15；铝（Al）≤0.010；锡（Sn）≤0.010；锑（Sb）≤0.0015份；砷（As）≤0.020；硅（Si）≤0.12；H≤1.0ppm；O≤35ppm；得到耐热钢钢锭，然后将得到的耐热钢钢锭依次进行锻造、热处理，最后进行力学性能试验；经检测材料的室温力学性能以及在650℃、180Mpa条件下短时高温持久试验下材料持久能见表1。
表1：

Claims (2)

1.一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，其特征在于：其包括以下质量百分比的元素材料，碳（C）：0.1～0.125；锰（Mn）：0.15～0.25；铬（Cr）：10.25～11.00；钴（Co）：3.1～4.0；钼（Mo）：0.82～1.1；钨（W）：1.0～1.5；镍（Ni）：0.15～0.25；钒（V）：0.15～0.2；铌（Nb）：0.07～0.072；氮（N）：0.03～0.04；余量为Fe及杂质元素，Mo当量（Mo+1/2W）为1.6。
2.根据权利要求1所述的一种超超临界汽轮机转子用耐热钢，其特征在于：所述杂质元素的成份控制，硫（S）≤0.010；磷（P）≤0.012；铜（Cu）≤0.15；铝（Al）≤0.010；锡（Sn）≤0.010；锑（Sb）≤0.0015份；砷（As）≤0.020；硅（Si）≤0.12；H≤1.0ppm；O≤35ppm。
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