CN107649665A

CN107649665A - 通过定向凝固的方法制备t91耐热钢的工艺

Info

Publication number: CN107649665A
Application number: CN201710881923.6A
Authority: CN
Inventors: 王文权; 王秋实; 董树成
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2018-02-02

Abstract

本发明涉及一种通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺，属于耐热钢制造领域。采用液态金属冷却法，选取液态金属锡作为冷却液以增加冷却速率和温度梯度，将T91钢铸锭放入定向凝固装置的熔炼室，待铸锭完全熔化后浇筑入膜壳中，最后匀速下拉膜壳至冷却液，即可得到长而平行的单向柱状晶。由于T91钢的热强性高，并且具有良好的持久塑性，是制备耐热管道的首选材料；而定向凝固技术可以使得晶粒沿着特定方向排布，降低材料的弹性模量，改善热疲劳。如果能采用定向凝固方法制备T91钢，不但能够将耐热钢的自身特性与定向凝固技术的优点相结合，显著提升T91钢在沿管道内液体流动方向的上疲劳寿命，更可以为生产抗热疲劳的耐热钢材料开辟一条新的道路。

Description

通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺

技术领域

本发明涉及耐热钢制造领域，特别涉及液态金属冷却的定向凝固工艺，尤指一种通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺。是一种通过改变材料内部晶粒排布方向以降低弹性模量，旨为改善锅炉管道热疲劳性能方面的生产T91钢的创新工艺。

背景技术

耐热钢的发展与能源、动力机械的进步有着密切的关系。在火力发电、原子核能、宇航、航空、石油和化学工业等新技术开发领域中，耐热钢性能的优劣是其成功与否的关键性环节，因此耐热钢的重要性日益提高。T91钢是一种典型的铁素体/马氏体型耐热钢，由于该钢的热强性高、生产成本低，并且具有良好的持久塑性，因此被广泛应用于过热器、再热器等。然而电站锅炉管中的耐热钢在高温、高压和蒸汽腐蚀中工作，管壁温度比蒸汽温度高几十度，在这样的环境下长期运行，钢材的组织和性能将会发生变化，诱发塑性变形，T91钢将承受因温度变化产生的周期性膨胀收缩，产生沿着蒸汽流动的轴向方向的热疲劳。这将可能使金属高温性能明显恶化，从而影响设备运行的安全性。因此，通过一种特定的工艺方法来改善T91钢的热疲劳，尤其是沿管道轴向的热疲劳性能至关重要。目前国内外学者对T91钢的研究基本集中在异质接头应力分析及对T91钢进行表面改性等方面，这些研究大多是为了提升铁素体耐热钢的强度、抗氧化性和耐蚀性能，关于提高T91钢热疲劳性研究极少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺，解决了现有技术存在的上述问题。为处理T91钢热疲劳问题提供新思路，即通过改变铸造过程中的凝固方向和凝固速率，控制金属内部晶粒的排列方向和尺寸，以解决T91钢用作耐热管道时出现的热疲劳问题。热疲劳由循环改变的温度梯度引起，属于应变控制的低周疲劳，与材料本身的弹性模量有着直接关系。资料表明，按固定方向分布排列的柱状晶或单晶，可以明显降低材料的弹性模量。而定向凝固技术通过在凝固金属和未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，使熔体沿着与热流相反的方向凝固，可以获得具有特定取向的柱状晶，是降低弹性模量、改善合金热疲劳和高温蠕变性的有效手段。如果能用定向凝固的方法制备T91钢，不但能够将耐热钢的自身特性与定向凝固技术的优点相结合，而且可以为具有最佳热疲劳性能的耐热钢材料的生产开辟一条新的道路。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺，包括改变抽拉速率，使铸锭在30μm/s、90μm/s、180μm/s三种速率下生长，制备在不同凝固速率下的T91钢定向凝固试样并作对比，得到晶粒尺寸200μm到500μm的耐热钢以满足抗热疲劳需求。具体步骤如下：

制作盛放铸锭的膜壳，配料为：陶瓷粉3kg、分散剂400g、增塑剂500g，将所述配料放入球磨机中，球磨机转速为40rad/min，30分钟后取出，注入流延机，即可生产出平整的陶瓷膜壳；

将T91钢铸锭经过粗抛、清洗之后装入陶瓷膜壳，稳定放置在抽拉杆上端的平台上，调整平台的位置使试样下端距离冷却液5cm，并在冷凝器上端铺一层碳毡作为隔热层；

关闭炉门后开始通电加热，经90min后功率达到26.5kW，保温20min以充分释放热量；手动调整功率，直至温度达到1580℃，保温10min；

打开锡锅的加热电源熔化锡至液态，239℃，液态锡约占锡锅容量的三分之二，保温直到实验结束；

通过抽拉系统，分别以30μm/s、90μm/s、180μm/s的速率，将陶瓷膜壳匀速下拉至锡金属液中，待陶瓷膜壳被冷却液浸没，试样完全凝固后，敲碎陶瓷膜壳，取出试样。

热疲劳由循环改变的温度梯度引起，与材料本身的弹性模量有着直接关系，而按固定方向分布排列的柱状晶可以明显降低材料的弹性模量。

除了合金成分外，晶粒特征决定了高温合金性能，定向铸锭由于消除了垂直于应力轴的横向晶界，晶向和作用于叶片的应力方向平行，耐温能力明显提高，具有更好的纵向机械性能，能够在高温燃气的恶劣环境中长时间工作。

本发明的有益效果在于：

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：

1、首次将定向凝固方法与T91耐热钢结合起来，综合了两者的工艺优势与性能优势，从金属内部的晶粒排布出发，通过控制枝晶取向、晶粒大小而非对钢材外表面加工处理来改变T91钢的弹性模量，从本质上提高材料的抗热疲劳性能。

2、本发明采用的是定向凝固中的液态金属冷却法（LMC），使用熔点低热导系数高的液态锡作为冷却液，膜壳浸入液态金属中会迅速散热，得到很大的温度梯度。分段加热，保温时间为30min，使得热量充分释放。所以晶体在生长过程中择优取向会与热流方向相反，使所有晶向同向；结晶过程短暂，晶粒细小，生产出的铸锭热强性高。

3、本发明在实施过程中通过改变抽拉速率，使铸锭在30μm/s、90μm/s、180μm/s三种速率下生长，制备在不同凝固速率下的T91定向凝固试样并作对比，得到不同晶粒尺寸的耐热钢以满足热疲劳需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的定向凝固方法制备T91耐热钢的X射线衍射图谱；

图2为本发明的定向凝固方法制备T91耐热钢在30μm/s凝固速率下的显微组织整体形貌；

图3为本发明的定向凝固方法制备T91耐热钢在90μm/s凝固速率下的显微组织整体形貌；

图4为本发明的定向凝固方法制备T91耐热钢在180μm/s凝固速率下的显微组织整体形貌；

图5为本发明的定向凝固方法制备T91耐热钢的扫描电镜形貌。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5所示，本发明的通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺，采用液态金属冷却法，选取导热系数高、热容大的液态金属锡作为冷却液以增加冷却速率和温度梯度，将T91钢铸锭放入定向凝固装置的熔炼室，待铸锭完全熔化后浇筑入膜壳中，最后匀速下拉膜壳至冷却液，即可得到长而平行的单向柱状晶。由于T91钢的热强性高，并且具有良好的持久塑性，是制备耐热管道的首选材料；而定向凝固技术可以使得晶粒沿着特定方向排布，降低材料的弹性模量，改善热疲劳。如果能采用定向凝固方法制备T91钢，不但能够将耐热钢的自身特性与定向凝固技术的优点相结合，显著提升T91钢在沿管道内液体流动方向的上疲劳寿命，更可以为生产抗热疲劳的耐热钢材料开辟一条新的道路。

包括改变抽拉速率，使铸锭在30μm/s、90μm/s、180μm/s三种速率下生长，制备在不同凝固速率下的T91钢定向凝固试样并作对比，得到晶粒尺寸200μm到500μm的耐热钢以满足抗热疲劳需求。具体步骤如下：

T91钢是典型的马氏体耐热钢，高温回火后的马氏体板条碎化成亚稳态位错网，具有马氏体强化效果，使得T91钢热稳定性高。

制作盛放铸锭的膜壳，要求其既要能耐高温钢水，入锡不易爆裂，又要保持适当的厚度，保证熔体的散热能力。配料为：陶瓷粉3kg、分散剂400g、增塑剂500g，将所述配料放入球磨机中，球磨机转速为40rad/min，30分钟后取出，注入流延机，即可生产出平整的陶瓷膜壳；

实施例：

通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺，采用T91钢作为原料，使用液态金属冷却法（LMC）工艺，将导热系数高、热容大的液态金属锡作为冷却液以增大温度梯度，选取T91铸锭放入定向凝固装置的熔炼室，待铸锭完全熔化后浇筑入膜壳中，最后匀速下拉膜壳至冷却液，得到细长而平行的单向柱状晶。

所述T91钢是典型的马氏体耐热钢，经过淬火并高温回火后，组织为回火板条马氏体。高温回火后的马氏体板条碎化成亚稳态位错网，具有马氏体强化效果，使得T91钢热稳强性高。

所述铸锭经过粗抛、清洗之后装入陶瓷膜壳并放入炉内，打开锡锅的加热电源熔化锡至液态（239℃），保温直到实验结束。盛放铸锭的膜壳需要提前制作，要求其既要能耐高温钢水，入锡不易爆裂，又要保持适当的厚度，保证熔体的散热能力。

所述T91钢中的碳化物颗粒主要有两种：M₂₃C₆和MX（M为Cr、Fe、V、Nb等元素，X为C、N等非金属元素）。强碳化合物形成元素Nb、V与C、N形成细小弥散的MX型碳氮化合物，具有高的热稳定性。

所述热疲劳由循环改变的温度梯度引起，属于应变控制的低周疲劳，与材料本身的弹性模量有着直接关系。采用定向凝固技术在凝固金属和未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，使熔体沿着与热流相反的方向凝固，可以获得具有特定取向的柱状晶，降低合金弹性模量、改善热疲劳。

实验材料使用T91钢，其化学成分见表1。

表1 T91钢的化学成分/%（质量分数）

Table1 Chemical compositions of T91 steel

Element

C

Cr

Mo

Si

V

Mn

Content

0.08~0.12

8.00~9.50

0.85~1.05

0.20~0.50

0.18~0.25

0.30~0.60

Element

Nb

N

P

S

Al

Ni

Content

0.06~0.10

0.03~0.07

≤0.020

≤0.010

≤0.040

定向凝固（液态金属冷却法）装置为沈阳铸造研究所的25kg级HRS/LMC两用定向凝固炉，包含加料系统，熔炼炉，保温炉，真空系统，液态金属冷却系统和抽拉系统。冷却液为液态金属锡，氧化铝浮球漂浮在冷却液上以使锡与空气隔离。实验过程为：将成分为表1的T91钢铸锭，装入陶瓷膜中，放入炉体的保温系统。关闭炉门后开始通电加热，经90min后功率达到26.5kW，此后保温20min以充分释放热量。手动调整功率，直至温度达到1580℃，保温10min。打开锡锅的加热电源，使锡熔化为液态（239℃）并持续控温直至试验结束。同时炉内抽真空，待料完全熔化，成分均匀。随后通过抽拉系统，分别以30μm/s、90μm/s和180μm/s的速率，将陶瓷膜壳匀速下拉至锡金属液中，待陶瓷膜被冷却液浸没，试样完全凝固后，敲碎陶瓷膜，取出试样。

将定向凝固得到的三组试样进行抛光、腐蚀处理，使用光学显微镜和扫描电镜观察组织。之后每个试样各取6个不同部位切取，编号1、2、3、4、5、6，并分别制取普通铸造T91钢的相同位置作为对照实验。最后打磨光滑贴上应变片，安装在万能试验机上，并用另一个相同试样进行温度补偿，测试并记录应力数值及与之对应的微应变。拉伸速率为10^-5/s，应变最大值0.2%。在origin软件中将应力应变曲线进行拟合，计算出弹性模量。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺，其特征在于：包括改变抽拉速率，使铸锭在30μm/s、90μm/s、180μm/s三种速率下生长，制备在不同凝固速率下的T91钢定向凝固试样并作对比，得到晶粒尺寸200μm到500μm的耐热钢以满足抗热疲劳需求。

2.根据权利要求1所述的通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺，其特征在于：具体步骤如下：

打开锡锅的加热电源熔化锡至液态，239℃，液态锡占锡锅容量的三分之二，保温直到实验结束；

3.根据权利要求1或2所述的通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺，其特征在于：热疲劳由循环改变的温度梯度引起，与材料本身的弹性模量有着直接关系，而按固定方向分布排列的柱状晶可以明显降低材料的弹性模量。

4.根据权利要求1或2所述的通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺，其特征在于：除了合金成分外，晶粒特征决定了高温合金性能，定向铸锭由于消除了垂直于应力轴的横向晶界，晶向和作用于叶片的应力方向平行，耐温能力明显提高，具有更好的纵向机械性能，能够在高温燃气的恶劣环境中长时间工作。