CN105312793B - 一种700℃超超临界火电高温部件用Fe‑Ni基高温合金焊丝及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种700℃超超临界火电高温部件用Fe‑Ni基高温合金焊丝及其应用，属于焊接领域。该焊丝化学成分：C 0.02～0.06％，Cr 20～25％，Fe 18～22％，Mo 2～10％，Nb 1～3.3％，Al 0.3～1.1％，Ti 0.9～1.4％，B≤0.0065％，P<0.022％，余量为Ni及不可避免的杂质。本发明焊丝在常温和700℃都具有较高抗拉强度，室温下，焊缝抗拉强度≥600MPa，屈服强度≥380MPa，伸长率≥12％，700℃下，焊缝抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥350MPa，伸长率≥8％。本焊材应用于700℃超超临界火电锅炉高温部件用Fe‑Ni高温合金的焊接。
Description
技术领域
本发明涉及焊接材料开发技术领域里，具体涉及一种700℃超超临界火电高温部件用Fe-Ni基高温合金焊丝及其应用。
背景技术
提高蒸汽压力和温度是提高超超临界机组效率的一个重要途径。蒸汽参数的提高对火电锅炉高温部件材料(如过热器，再热器)的高温性能提出了更高的要求。目前，国内外火电领域都在积极开发700℃超超临界火电锅炉高温用材，主要是在开发700℃用高温合金，有Ni基高温合金，Fe-Ni基高温合金。与Ni基高温合金相比，Fe-Ni基高温合金价格低，变形相对容易，是一种有前途的700℃超超临界火电锅炉高温部件用材的候选材料。新材料在火电锅炉高温部件(如过热器，再热器)应用中，必将涉及过热器管和再热器管与其他部件的焊接。开发新型火电用Fe-Ni基高温焊材是加快新材料应用和确保锅炉焊接部件安全性的基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种700℃超超临界火电高温部件用Fe-Ni基高温合金焊丝及其应用。
本发明技术方案如下：
一种700℃超超临界火电高温部件用Fe-Ni基高温合金焊丝，按重量百分含量计，该焊丝化学成分为：C 0.02～0.06％，Cr 20～25％，Fe 18～22％，Mo 2～10％，Nb 1～3.3％，Al 0.3～1.1％，Ti 0.9～1.4％，B≤0.0065％，P<0.022％，余量为Ni及其他不可避免的杂质元素。
按重量百分含量计，该焊丝化学成分中：S<0.002％，Si≤0.1％，Mn≤0.05％，N≤0.007％，O≤0.001％，H≤0.0002％。
所述焊丝适用母材为Fe-Ni基高温合金，按重量百分含量计，其化学成分为：C0.03～0.06％，Cr 21.0～23.0％，Fe 19～21％，Mo 2.1～2.3％，Nb 1.1～1.3％，Al0.9～1.1％，Ti 1.2～1.4％，B 0.005～0.007％，P 0.018～0.022％，S≤0.002％，Si≤0.06％，Mn≤0.05％，余量为Ni。
所述焊丝配合Fe-Ni基高温合金母材焊接，获得焊缝力学性能如下：
室温条件下：焊缝抗拉强度σb≥600MPa，屈服强度σp0.2≥380MPa，伸长率A≥12％；700℃时：焊缝抗拉强度σb≥500MPa，屈服强度σp0.2≥350MPa，伸长率A≥8％。
本发明焊丝用于700℃超超临界火电高温部件用Fe-Ni基高温合金的焊接。该焊丝在火力发电厂700℃超超临界机组锅炉过热器和再热器用Fe-Ni基高温合金上有很好应用前景，也可以应用于其他工程领域。
本发明耐高温Fe-Ni基焊丝的设计思想如下：
Cr和C：加入Cr可提高合金的抗氧化和抗腐蚀性能，同时，Cr和C在时效时可形成M23C6钉扎晶界，提高晶界强度，过高的Cr可能达不到很好的强韧性匹配，因此，本发明中的Cr含量(质量分数)控制在20-25％，过量的C可能会和Nb、Ti等元素形成MC碳化物，对焊接性不利，因此，本发明中的C含量(质量分数)控制在0.02～0.06％。
Al、Ti和Nb：Al、Ti和Nb可以共同形成γ′沉淀强化相Ni3(Al、Ti、Nb)，在Fe基高温合金中，需要加入的Ti的含量应多于Al的含量，这样，既可以保持γ′相的形成，也可以提高组织的稳定性，避免过时效。Nb还可以形成γ″相Ni3Nb，与γ′相共同强化，并且γ″相析出较慢，因此有利于该合金的焊接性。过多的γ′沉淀相对焊接性能不利，因此，本发明的Al含量(质量分数)控制在0.3-1.1％，Ti含量(质量分数)控制在0.9-1.4％，Nb含量(质量分数)控制在1-3.3％。
B和P：B可以和P产生协同作用，提高蠕变性能，但过量的B和P对焊接性不利，因此，本发明中的B元素含量(质量分数)控制在0.0065％以下，P元素控制在0.022％以下。
Fe和Ni：Ni和Fe共同作用形成固溶体可强化基体，加入Fe可降低材料的成本，过多的Fe则会降低材料的长期组织稳定性，因此，合金中加入的Fe含量控制在18-22％。
本发明焊丝所具有的优点如下：
1.本发明Fe-Ni基高温焊丝中同时增加了Al、Ti与Nb、Mo元素，使焊缝同时具有时效强化和固溶强化效果，焊缝具有较高的室温和700℃高温强度
2.焊丝中含有一定量的Fe(含量为18-22％)，与Ni基高温合金相比，具有较好的变形能力，焊缝伸长率高于Ni基焊缝，同时价格低。
3.本发明焊丝焊接Fe-Ni基高温合金母材时，室温下的焊缝抗拉强度σb≥600MPa，屈服强度σp0.2≥380MPa，伸长率A≥12％，700℃下的焊缝抗拉强度σb≥500MPa，屈服强度σp0.2≥350MPa，伸长率A≥8％。
附图说明
图1为本发明实施例及比较例焊接坡口尺寸图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的特点和效果进行举例说明，但这些实施例对本发明的范围不构成限制。下述实施例中均通过如下工艺步骤制备本发明Fe-Ni基高温合金焊丝：铸锭加热至1100℃均温后轧制成盘条，然后于1100℃盐浴固溶处理。盘条进行酸洗后拉拔成焊丝，为了保证焊丝成型过程中易成型，各拉拔道次间应视情况进行1100℃的氢退处理。
实施例1
Fe-Ni基高温合金焊丝的化学成分及其含量为，以质量百分比表示：C：0.047％、Cr：21.71％、Fe：20.4％、Mo：2.25％、Nb：1.17％、Al：0.99％、Ti：1.31％、B：0.0060％、P：0.016％、S：≤0.002％、Si：≤0.03％、Mn：≤0.03％，余量为Ni。
实施例2
Fe-Ni基高温合金焊丝的化学成分及其含量为，以重量百分比表示：C：0.047％、Cr：21.06％、Fe：20.6％、Mo：2.70％、Nb：3.24％、Al：0.43％、Ti：0.99％、P：0.004％、S：≤0.001％、Si：0.05％、Mn：≤0.05％，余量为Ni。
实施例3
Fe-Ni基高温合金焊丝的化学成分及其含量为，以重量百分比表示：C：0.037％、Cr：20.30％、Fe：21％、Mo：6.48％、Nb：2.53％、Al：0.35％、Ti：1.08％、B：0.0007％、P：0.004％、S：0.0011％、Si：0.06％、Mn：≤0.03％，余量为Ni。
实施例4
Fe-Ni基高温合金焊丝的化学成分及其含量为，以重量百分比表示：C：0.050％、Cr：21.83％、Fe：20％、Mo：9.17％、Nb：2.47％、Al：0.39％、Ti：1.00％、P：0.003％、S：≤0.002％、Si：≤0.03％、Mn：≤0.03％，余量为Ni。
比较例1
比较例高温合金焊丝的化学成分及其含量为，以重量百分比表示：C：0.076％、Cr：21.87％、Co：12.0％、Mo：9.16％、Al：1.00％、Ti：0.35％、B：≤0.0006％、P：0.002％、S：≤0.002％、Si：≤0.03％、Mn：≤0.03％，余量为Ni。
将实施例1、2、3、4和比较例1中所制备的焊丝按表1所示焊接规范及图1所示焊接坡口尺寸制成试样后，按相关标准要求测定焊接接头在常温和700℃下的力学性能。所用母材为Fe-Ni基高温合金，母材化学成分为(wt.％)：C：0.03～0.06％、Cr：21.0～23.0％、Fe：19～21％、Mo：2.1～2.3％、Nb：1.1～1.3％、Al：0.9～1.1％、Ti：1.2～1.4％、B：0.005～0.007％、P：0.018～0.022％、S：≤0.002％、Si：≤0.06％、Mn：≤0.05％，余量为Ni。
表1实施例和比较例焊接规范
1.TIG(GTAW):钨极气体保护焊；2.DCEN：直流正接
表2本发明的各实施例以及比较例焊缝的室温的拉伸性能
表3本发明的各实施例以及比较例焊缝的700℃的拉伸性能
表2和表3分别为本发明的实施例及比较例焊缝的室温和700℃的力学性能数据，本发明新型Fe-Ni基高温合金焊丝的焊缝性能要求是：室温下，抗拉强度σb≥600MPa，屈服强度σp0.2≥380MPa，伸长率A≥12％，700℃下，抗拉强度σb≥500MPa，屈服强度σp0.2≥350MPa，伸长率A≥8％。
从表2和表3的实施例1～4和比较例数据看出：采用本发明设计的新型Fe-Ni基焊丝成分，实施例1～4满足本发明的性能要求。比较例中，C含量高于发明范围，且不含Fe，Ti，未在本发明的技术方案内，导致焊缝的高温强度不满足本发明的设计要求，同时高温下伸长率也低于发明设计要求。
Claims (6)
1.一种700℃超超临界火电高温部件用Fe-Ni基高温合金焊丝，其特征在于：按重量百分含量计，该焊丝化学成分为：C 0.02～0.06％，Cr 20～25％，Fe 18～22％，Mo 2～10％，Nb 1～3.3％，Al 0.3～1.1％，Ti 0.9～1.4％，B≤0.0065％，P<0.022％，余量为Ni及其他不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的700℃超超临界火电高温部件用Fe-Ni基高温合金焊丝，其特征在于：按重量百分含量计，该焊丝化学成分中：S<0.002％，Si≤0.1％，Mn≤0.05％，N≤0.007％，O≤0.001％，H≤0.0002％。
3.根据权利要求1或2所述的700℃超超临界火电高温部件用Fe-Ni基高温合金焊丝，其特征在于：所述焊丝配合Fe-Ni基高温合金母材焊接，按重量百分含量计，所述母材的化学成分为：C 0.03～0.06％，Cr 21.0～23.0％，Fe 19～21％，Mo 2.1～2.3％，Nb 1.1～1.3％，Al 0.9～1.1％，Ti 1.2～1.4％，B 0.005～0.007％，P 0.018～0.022％，S≤0.002％，Si≤0.06％，Mn≤0.05％，余量为Ni。
4.根据权利要求3所述的700℃超超临界火电高温部件用Fe-Ni基高温合金焊丝，其特征在于：所述焊丝配合Fe-Ni基高温合金母材焊接，获得焊缝力学性能如下：
室温条件下：焊缝抗拉强度σb≥600MPa，屈服强度σp0.2≥380MPa，伸长率A≥12％；700℃时：焊缝抗拉强度σb≥500MPa，屈服强度σp0.2≥350MPa，伸长率A≥8％。
5.一种如权利要求1所述的700℃超超临界火电高温部件用Fe-Ni基高温合金焊丝的应用，其特征在于：所述焊丝用于700℃超超临界火电高温部件用Fe-Ni基高温合金的焊接。
6.根据权利要求5所述的700℃超超临界火电高温部件用Fe-Ni基高温合金焊丝的应用，其特征在于：该焊丝用于火力发电厂700℃超超临界机组锅炉过热器和再热器用Fe-Ni基高温合金的焊接。
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