CN106917053B

CN106917053B - 一种高铌含量奥氏体耐热钢及其制备方法

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Publication number: CN106917053B
Application number: CN201710262553.8A
Authority: CN
Inventors: 袁勇; 朱传志; 尹宏飞; 党莹樱; 赵新宝; 严靖博; 杨珍; 鲁金涛; 周永莉; 黄锦阳
Original assignee: Xian Thermal Power Research Institute Co Ltd; Huaneng Power International Inc
Current assignee: Xian Thermal Power Research Institute Co Ltd; Huaneng Power International Inc
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2019-02-22
Anticipated expiration: 2037-04-20
Also published as: CN106917053A

Abstract

本发明一种高铌含量奥氏体耐热钢及其制备方法，成分设计合理，高温强度和韧性优异，加工性能和性价比好。所述的高铌含量奥氏体耐热钢，其成分按重量百分比计包括，Ni 19‑25％，Cr 20‑25％，Co 1.0‑6.0％，Mn≤1.0％，Nb 2‑4％，V 0‑0.5％，Si≤1.0％，N 0.1‑0.3％，C 0.04‑0.15％，B 0.001‑0.003％，Zr 0.001‑0.003％，Ce 0‑0.04％，P 0.01‑0.03％，余量为Fe。所述制备方法包括，浇注成合金锭；将合金锭均匀化和热变形处理；将热变形后的合金在1180‑1240℃进行5‑45分钟固溶热处理，然后水冷到室温。

Description

一种高铌含量奥氏体耐热钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及高温金属结构材料技术领域，具体为一种高铌含量奥氏体耐热钢及其制备方法。

背景技术

我国煤炭资源丰富，燃煤火电机组提供了我国75％以上的电力，这种能源结构在未来很长的时间内很难改变。目前，我国燃煤火电机组平均发电效率低，能耗高，是二氧化硫、氮化物NO_x、二氧化碳及汞的主要排放源，环境保护的压力大。采用高参数大容量火电机组是实现节能减排最直接、经济、有效的措施之一。因此，发展高参数超超临界燃煤发电技术，对我国经济和社会的可持续发展，实现环境友好，具有十分重要的战略意义和实际应用价值，600℃超超临界火电机组是目前国内已商用的先进的燃煤发电技术。

高温结构材料是实现先进超超临界发电技术最重要的材料基础，服役环境要求其具有优异的高温强度、韧性、抗蒸汽氧化性能、抗烟气腐蚀性能、组织结构稳定性等。在现役的600℃超超临界火电机组中，HR3C合金广泛用于制造锅炉的末级(高温段)过热器和再热器。HR3C合金属于高等级奥氏体耐热钢，是日本住友金属公司在TP310钢的基础上通过复合添加Nb、N等合金元素研制出的一种奥氏体耐热钢。但HR3C合金在服役过程中也表现出了一些不足，即组织结构稳定性较差，合金的韧性随着服役时间的增加下降很快，影响了电站的安全运行。同时，在现役600℃超超临界机组中，HR3C的服役温度已接近其极限，在超600℃(如650℃、700℃)超超临界机组中如继续使用HR3C合金作为末级过热器和再热器，则面临高温强度不足的问题。

发明内容

针对现有技术中HR3C合金存在的问题，本发明提供一种高铌含量奥氏体耐热钢及其制备方法，成分设计合理，高温强度和韧性优异，加工性能和性价比好。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高铌含量奥氏体耐热钢，其成分按重量百分比计包括，Ni 19-25％，Cr 20-25％，Co 1.0-6.0％，Mn≤1.0％，Nb 2-4％，V 0-0.5％，Si≤1.0％，N 0.1-0.3％，C 0.04-0.15％，B 0.001-0.003％，Zr 0.001-0.003％，Ce0-0.04％，P 0.01-0.03％，余量为Fe。

优选的，所述的Ni的重量百分比为19-22％。

优选的，所述的Cr的重量百分比为22-25％。

优选的，所述的Co的重量百分比为1.0-5.0％。

优选的，所述的Mn的重量百分比为不大于0.8％。

优选的，所述的Nb的重量百分比为2.5-3.5％。

优选的，所述的V的重量百分比为0-0.25％，Si的重量百分比为不大于0.75％，N的重量百分比为0.15-0.25％。

优选的，所述的Zr的重量百分比为0.001-0.003％，B的重量百分比为0.001-0.002％，Ce的重量百分比为0-0.02％。

一种高铌含量奥氏体耐热钢的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按重量百分比计，依照合金成分及烧损量配备原材料，并将原材料在真空环境下熔炼并浇注成合金锭；合金锭的组成成分按重量百分比计为，19-25％的Ni，20-25％的Cr，1.0-6.0％的Co，≤1.0％的Mn，2-4％的Nb，0-0.5％的V，≤1.0％的Si，0.1-0.3％的N，0.04-0.15％的C，0.001-0.003％的B，0.001-0.003％的Zr，0-0.04％的Ce，0.01-0.03％的P，余量为Fe；

步骤2，将合金锭在1150-1210℃均匀化20-35小时；

步骤3，将均匀化后的合金锭在1000-1150℃进行热变形处理；

步骤4，将热变形后的合金在1180-1240℃进行5-45分钟固溶热处理，然后水冷得到高铌含量奥氏体耐热钢。

优选的，步骤4中制备得到的高铌含量奥氏体耐热钢，基体为无序面心立方结构的奥氏体，主要强化相为Laves相、MX相和M₂₃C₆，晶粒尺寸为50-80μm，在700℃时的屈服强度大于200MPa，延伸率大于25％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的高铌含量奥氏体耐热钢，通过合金中含有较高的Cr，以提高抗蒸汽氧化和抗烟气腐蚀能力；V可形成碳化物、氮化物以及碳氮化物强化相，Nb可以形成Laves相，以提高合金的高温强度；B、Zr、P、Ce可以降低晶界处碳化物的粗化速率，还可以净化晶界，降低晶界界面能，提高晶界结合强度，从而改善合金韧性；Co可以降低基体的层错能，也会提高合金的高温强度。合金成分的优化使得合金高强度得到大幅度提高，同时具有高韧性，以及优异的组织结构稳定性。能够适用于制造在高温、高压、超超临界水蒸汽和腐蚀性烟气环境下服役的部件，如600℃及以上超超临界火电机组锅炉的过热器和再热器。

附图说明

图1本发明实施例1制备的高铌含量奥氏体耐热钢的组织特征。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

由于高温材料的成分、组织结构和性能密切相关，通过合金的成分的优化设计，可以在进一步提高合金的高温强度和冲击韧性，从而提高奥氏体耐热钢的承温能力，为未来建设更高参数的超超临界火电机组提供关键高温部件的备选材料。

实施例：1-3

1.合金的成分

表1给出的是本发明实施例1、2、3的化学成分组成。试验用合金1#-3#是本发明实施例1-3的高铌含量奥氏体合金，为了和商用的HR3C合金进行比较，表中也列出了HR3C的成分。

表1本发明实施例1-3与比较例(HR3C)的化学成分(重量％，余量为Fe)

合金	1#	2#	3#	HR3C
					Ni	19.4	20.9	21.5	19-22
Cr	20.7	24	22.1	24-26
					Mn	0.61	0.4	0.23	≤2.0
Nb	2.93	2.41	3.36	0.2-0.6
					Si	0.28	0.46	0.31	≤0.75
N	0.13	0.16	0.21	0.15-0.25
					C	0.13	0.1	0.06	0.04-0.1
B	0.002	0.002	0.002	-
					Zr	0.002	0.003	0.002	-
P	0.018	0.016	0.018	≤0.03
					Co	4.74	5.23	1.78	-
V	0.09	0.05	0.06	-
					Ce	<0.005	0.02	0.01	-

2.合金的熔炼和热变形

按重量百分比19-25％的Ni，20-25％的Cr，1.0-6.0％的Co，≤1.0％的Mn，2-4％的Nb，0-0.5％的V，≤1.0％的Si，0.1-0.3％的N，0.04-0.15％的C，0.001-0.003％的B，0.001-0.003％的Zr，0-0.04％的Ce，0.01-0.03％的P，余量为Fe，加入到真空感应炉中熔炼，浇注成合金锭。

将合金锭在1150-1210℃均匀化20-35小时，然后将均匀化后的合金锭在1000-1150℃进行热变形(热锻或热轧)，总变形量60-80％，最后一道次变形量不低于20％。实施例1#-3#合金的热加工性能与HR3C相当。

3.合金的热处理

将热变形后的合金在1230℃进行20-30分钟固溶热处理，然后水冷，得到高铌含量奥氏体耐热钢。

4.合金的组织结构特征

合金的晶粒尺寸范围为50-80μm，其典型组织特征如图1所示。Laves相、MX相和M₂₃C₆为主要的强化相。

5.合金的力学性能

5.1拉伸性能

实施例1#-3#合金的室温拉伸性能，远高于GB5310-2008标准中HR3C的指标。随着温度的升高，奥氏体耐热钢的强度会降低。在650℃和700℃，实施例1#-3#合金的抗拉强度均大大高于HR3C在600℃时的374MPa。表明实施例合金具有优异的室温和高温强度。

表2实施例合金与HR3C的拉伸性能

5.2冲击韧性

实施例1#-3#合金在650℃热暴露500小时后，其室温冲击韧性如表3所示，均大于50J/cm²，高于HR3C(45J/cm²)10％以上。表明本发明的合金具有优异的冲击韧性。

表3实施例合金与HR3C在650℃热暴露500小时后的室温冲击性能

合金	冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>)
		1#	55
2#	51
		3#	52
HR3C	<45

综上所述，本发明的高铌含量奥氏体耐热钢与现在商用的HR3C相比，其热加工性能和成本相当，但同时具有优异的高温强度和高韧性，克服了HR3C合金的不足。本发明的奥氏体耐热钢适用于制作600℃及以上在高温、高压、超超临界水蒸汽和腐蚀烟气条件下工作的部件，如600℃及以上超超临界燃煤发电机组(A-USC)中的过热器和再热器等。

实施例4-7

表4给出的是本发明实施例4、5、6和7的化学成分组成。试验用合金4#-6#是本发明实施例4、5、6和7的高铌含量奥氏体合金。

表4本发明实施例4-7的化学成分(重量％，余量为Fe)

合金	4#	5#	6#	7#
					Ni	23	22	25	19
Cr	21	23	20	25
					Mn	0.5	0.3	1.0	0.8
Nb	2.5	3.5	4	2
					Si	0.1	0.6	0.75	0.5
N	0.15	0.25	0.3	0.1
					C	0.05	0.15	0.04	0.08
B	0.001	0.002	0.003	0.001
					Zr	0.002	0.003	0.002	0.001
P	0.015	0.01	0.022	0.03
					Co	6.0	1.0	2.0	3.0
V	0.25	0	0.01	0.1
					Ce	<0.005	0.02	0.01	0.04

Claims

1.一种高铌含量奥氏体耐热钢，其特征在于，所述高铌含量奥氏体耐热钢的成分按重量百分比计组成如下，Ni 19-25％，Cr 20-25％，Co 1.0-6.0％，Mn≤1.0％，Nb 2-4％，V 0-0.5％，Si≤1.0％，N 0.1-0.3％，C 0.04-0.15％，B 0.001-0.003％，Zr 0.001-0.003％，Ce0-0.04％，P 0.01-0.03％，余量为Fe；V和Ce的重量百分比不取0。

2.根据权利要求1所述高铌含量奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的Ni的重量百分比为19-22％。

3.根据权利要求1所述高铌含量奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的Cr的重量百分比为22-25％。

4.根据权利要求1所述高铌含量奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的Co的重量百分比为1.0-5.0％。

5.根据权利要求1所述高铌含量奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的Mn的重量百分比为不大于0.8％。

6.根据权利要求1所述高铌含量奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的Nb的重量百分比为2.5-3.5％。

7.根据权利要求1所述高铌含量奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的V的重量百分比为0-0.25％，Si的重量百分比为不大于0.75％，N的重量百分比为0.15-0.25％；V的重量百分比不取0。

8.根据权利要求1所述高铌含量奥氏体耐热钢，其特征在于：所述的Zr的重量百分比为0.001-0.003％，B的重量百分比为0.001-0.002％，Ce的重量百分比为0-0.02％；Ce的重量百分比不取0。

9.一种高铌含量奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，按重量百分比计，依照合金成分及烧损量配备原材料，并将原材料在真空环境下熔炼并浇注成合金锭；合金锭的组成成分按重量百分比计为，19-25％的Ni，20-25％的Cr，1.0-6.0％的Co，≤1.0％的Mn，2-4％的Nb，0-0.5％的V，≤1.0％的Si，0.1-0.3％的N，0.04-0.15％的C，0.001-0.003％的B，0.001-0.003％的Zr，0-0.04％的Ce，0.01-0.03％的P，余量为Fe；V和Ce的重量百分比不取0；

步骤2，将合金锭在1150-1210℃均匀化20-35小时；

步骤3，将均匀化后的合金锭在1000-1150℃进行热变形处理；

10.根据权利要求9所述一种高铌含量奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于：步骤4中制备得到的高铌含量奥氏体耐热钢，基体为无序面心立方结构的奥氏体，主要强化相为Laves相、MX相和M₂₃C₆，晶粒尺寸为50-80μm，在700℃时的屈服强度大于200MPa，延伸率大于25％。