CN107761010B - 一种具有优异高温强度与稳定性的管材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有优异高温强度与稳定性的管材料及其制备方法，合金成分按质量百分比计：C：0.03‑0.06％，Ni：6‑10％，Cr：15‑20％，Al：2.0‑6.5％，Mo：1.0‑3.0％，W：4.5‑8.0％，Nb：1.5‑2.0％，Ti：≤1.0％，Zr：≤0.1％，B≤0.01％，余量为Fe；将配制的合金熔炼成合金母液，制备成合金铸锭，再在850‑1100℃范围内轧制成型板材；将轧制后的板材经固溶处理和时效处理，得到具有优异高温强度与稳定性的管材料。管材料具备良好的高温加工性能，并且具有优异高温强度及韧性，700℃屈服强度不低于300MPa，延伸率高于40％，断面收缩率高于80％。

Description

一种具有优异高温强度与稳定性的管材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种具有优异高温强度与稳定性的管材料及其制备方法。
背景技术
高铬马氏体耐热钢因其低廉的成本及优异的性能而获得广泛应用。较高的铬元素含量确保合金具备良好的抗氧化、抗腐蚀性能，进一步确保了合金在严苛工况条件下的使用性能。其中，最具代表性的为9-12Cr马氏体耐热钢，其已在超临界及超超临界火电机组中获得广泛应用。然而，随着火电机组蒸汽参数的逐渐提高，对材料的性能要求越发苛刻。传统的材料已难以满足蒸汽温度上升对材料带来的影响。因此，开发出具有优异高温性能的新型耐热钢已成为制约新一代火电机组的关键技术瓶颈。目前，超超临界机组关键部件中主要采用奥氏体耐热钢作为主要候选材料。与铁素体耐热钢相比，奥氏体耐热钢往往具有更加优异的高温力学性能。然而，奥氏体耐热钢具有热膨胀系数高，传热性差，成本高昂等缺点。因此，开发出具有良好高温性能的铁素体耐热钢对于超超临界火电机组技术的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优异高温强度与稳定性的管材料及其制备方法，保障合金具备良好抗氧化、抗腐蚀性能的同时，促进合金中颗粒状NiAl相与杆状LAVES相析出，并通过合适的热处理控制LAVES相尺寸及分布，从而使合金获得良好的高温强度与塑性。
为了实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案为：
一种具有优异高温强度与稳定性的管材料，其特征在于，合金成分按质量百分比满足如下范围要求：C：0.03-0.06％，Ni：6-10％，Cr：15-20％，Al：2.0-6.5％，Mo：1.0-3.0％，W：4.5-8.0％，Nb：1.5-2.0％，Ti：≤1.0％，Zr：≤0.1％，B≤0.01％，余量为Fe。
一种具有优异高温强度与稳定性的管材料的制备方法，包括以下步骤：
1)合金配制：合金成分按质量百分比满足如下范围要求：C：0.03-0.06％，Ni：6-10％，Cr：15-20％，Al：2.0-6.5％，Mo：1.0-3.0％，W：4.5-8.0％，Nb：1.5-2.0％，Ti：≤1.0％，Zr：≤0.1％，B≤0.01％，余量为Fe；
2)熔炼步骤：将配制的合金熔炼成合金母液，然后制备成合金铸锭；
3)高温热轧：将合金铸锭在850-1100℃范围内轧制成型板材；
4)合金热处理：将轧制后的板材经固溶处理和时效处理，得到具有优异高温强度与稳定性的管材料。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中采用真空感应炉进行熔炼。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中采用负压铸造工艺制备成合金铸锭。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中轧制时，每道次轧制变形量不低于10％，最终总变形量不低于30％。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中固溶处理的温度为1050-1200℃，时间为0.5-2小时。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中时效处理的温度为700-780℃，时间为8-24小时。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明通过在18Cr-2Mo合金基础上增加较高的W、Ni、Al含量，本发明中由于W为4.5-8.0％，Ni为6-10％，Al为2.0-6.5％，所以保障合金具备良好抗氧化、抗腐蚀性能的同时，促进合金中颗粒状NiAl相与杆状LAVES相析出。按本发明所述方法制备的合金具备良好的综合性能及组织稳定性，长期热暴露条件下析出相尺寸变化不大。合金平均晶粒尺寸60-150微米，主要由高温铁素体及其内部弥散分布的细小NiAl相组成，其中NiAl相平均尺寸为150-250nm。在晶粒内部均匀弥散析出大量细小尺寸的杆状LAVES相，且其体积分数不低于15％，所以合金具备良好的高温加工性能，并且具有优异高温强度及韧性。合金700℃屈服强度不低于300MPa，延伸率高于40％，断面收缩率高于80％。该合金适应用于先进超超临界火电机组(A-USC)再热器、水冷壁等部件，也可应用于宇航、核反应堆和石化等领域，如飞机部件、反应堆部件及石油化工装备等。
附图说明
图1为实施例1时效态组织图。
图2为实施例2固溶态组织图。
图3为实施例3时效态组织图。
图4为对比例1时效态组织图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的管材料是一种耐热钢材料。
实施例1
本实施例的耐热钢材料，按质量百分比计包括：C：0.05％，Ni：6.0％，Cr：18％，Al：2.0％，Mo：2.0％，W：6.0％，Nb：1.8％，Ti：0.3％，Zr：0.05％，B：0.005％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比计包括：C：0.05％，Ni：6.0％，Cr：18％，Al：2.0％，Mo：2.0％，W：6.0％，Nb：1.8％，Ti：0.3％，Zr：0.05％，B：0.005％，余量为Fe。
2)熔炼步骤：采用真空感应炉将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用吸铸方式(负压铸造工艺)制备成合金铸锭。
3)高温热轧：将合金铸锭在1050℃轧制成型板材，轧制时每道次轧制变形量不低于10％，最终总变形量不低于30％。
4)合金热处理：将合金轧制的板材在1050℃固溶处理2小时后空冷，随后在750℃时效24小时，最后空冷至室温，得到具有优异高温强度与稳定性的管材料。
实施例2
本实施例的耐热钢材料，按质量百分比计包括：C：0.05％，Ni：6.0％，Cr：18％，Al：4.0％，Mo：2.0％，W：6.0％，Nb：1.8％，Ti：0.3％，Zr：0.05％，B：0.005％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比计包括：C：0.05％，Ni：6.0％，Cr：18％，Al：4.0％，Mo：2.0％，W：6.0％，Nb：1.8％，Ti：0.3％，Zr：0.05％，B：0.005％，余量为Fe。
2)熔炼步骤：采用真空感应炉将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用吸铸方式(负压铸造工艺)制备成合金铸锭。
3)高温热轧：将合金铸锭在1050℃轧制成型板材，轧制时每道次轧制变形量不低于10％，最终总变形量不低于30％。
4)合金热处理：将合金轧制的板材在1050℃固溶处理2小时后空冷，随后在750℃时效24小时，最后空冷至室温，得到具有优异高温强度与稳定性的管材料。
实施例3
本实施例的耐热钢材料，按质量百分比计包括：C：0.05％，Ni：6.0％，Cr：18％，Al：6.5％，Mo：2.0％，W：6.0％，Nb：1.8％，Ti：0.3％，Zr：0.05％，B：0.005％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比计包括：C：0.05％，Ni：6.0％，Cr：18％，Al：6.5％，Mo：2.0％，W：6.0％，Nb：1.8％，Ti：0.3％，Zr：0.05％，B：0.005％，余量为Fe。
2)熔炼步骤：采用真空感应炉将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用吸铸方式(负压铸造工艺)制备成合金铸锭。
3)高温热轧：将合金铸锭在1050℃轧制成型板材，轧制时每道次轧制变形量不低于10％，最终总变形量不低于30％。
4)合金热处理：将合金轧制的板材在1050℃固溶处理2小时后空冷，随后在750℃时效24小时，最后空冷至室温，得到具有优异高温强度与稳定性的管材料。
对比例1
本实施例的耐热钢材料，按质量百分比计包括：C：0.05％，Ni：3.0％，Cr：18％，Al：2.0％，Mo：2.0％，W：6.0％，Nb：1.8％，Ti：0.3％，Zr：0.05％，B：0.005％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比计包括：C：0.05％，Ni：3.0％，Cr：18％，Al：2.0％，Mo：2.0％，W：6.0％，Nb：1.8％，Ti：0.3％，Zr：0.05％，B：0.005％，余量为Fe。
2)熔炼步骤：采用真空感应炉将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用吸铸方式制备成合金铸锭。
3)高温热轧：铸锭成型后在1050℃轧制成型板材，每道次轧制变形量不低于10％，最终总变形量不低于30％。
4)合金热处理：合金轧板在1050℃固溶处理2小时后空冷，随后在750℃时效24小时，最后空冷至室温。
对实施例1-2以及HR3C的性能进行了测试，见表1。
表1合金力学性能测试结果
屈服强度/MPa 延伸率/％ 断面收缩率/％
HR3C 188 36.5 39.9
实施例1 308 39.6 80.1
实施例2 32.6 49.4 85.13
参见表1，对几种实施例的合金性能分别进行了测试。从结果可见，实施例合金具备良好的室温强度与抗氧化性能。合金700℃时屈服强度不低于300MPa，延伸率高于40％，断面收缩率高于80％。
从图1、图2、图3和图4可以看出，对实施例1-3的合金微观组织观察发现，高温固溶后组织中大量析出弥散NiAl相，并在晶界有碳化物形成。时效处理后，在合金晶粒内部形成大量杆状LAVES相。对比实施例与对比例的组织结果可以看出，合金中Ni元素含量不超过3％时，组织中无NiAl相析出。
实施例4
本实施例的耐热钢材料，按质量百分比计包括：C：0.03％，Ni：7.0％，Cr：15％，Al：2.0％，Mo：1.0％，W：4.5％，Nb：2％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：按上述成分配制合金；
2)熔炼步骤：采用真空感应炉将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用吸铸方式制备成合金铸锭。
3)高温热轧：将合金铸锭在850℃轧制成型板材，轧制时每道次轧制变形量不低于10％，最终总变形量不低于30％。
4)合金热处理：将合金轧制的板材在1100℃固溶处理1小时后空冷，随后在700℃时效24小时，最后空冷至室温，得到具有优异高温强度与稳定性的管材料。
实施例5
本实施例的耐热钢材料，按质量百分比计包括：C：0.06％，Ni：10.0％，Cr：20％，Al：3.0％，Mo：3.0％，W：8％，Nb：1.5％，Ti：1.0％，Zr：0.1％，B：0.01％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：按上述成分配制合金；
2)熔炼步骤：采用真空感应炉将配制的合金熔炼成合金母液，最后采用吸铸方式制备成合金铸锭。
3)高温热轧：将合金铸锭在1100℃轧制成型板材，轧制时每道次轧制变形量不低于10％，最终总变形量不低于30％。
4)合金热处理：将合金轧制的板材在1200℃固溶处理0.5小时后空冷，随后在780℃时效8小时，最后空冷至室温，得到具有优异高温强度与稳定性的管材料。
本发明在18Cr-2Mo合金基础上添加较高的W、Ni、Al含量，保障合金具备良好抗氧化、抗腐蚀性能的同时，促进合金中颗粒状NiAl相与杆状LAVES相析出。并通过合适的热处理控制LAVES相尺寸及分布，从而使合金获得良好的高温强度与塑性。
合金轧板在1050-1200℃固溶处理0.5-2小时，固溶处理完成后合金平均晶粒尺寸60-150微米，主要由高温铁素体及其内部弥散分布的细小NiAl相组成，其中NiAl相平均尺寸为150-250nm。
合金固溶处理后在700-780℃时效8-24小时，随后空冷至室温。合金经时效处理后，在晶粒内部均匀弥散析出大量细小尺寸的杆状LAVES相，且其体积分数不低于15％。

Claims (5)

1.一种具有优异高温强度与稳定性的管材料，其特征在于，合金成分按质量百分比满足如下范围要求：C：0.03-0.06%，Ni：6-10%，Cr：15-20%，Al：2.0-6.5%，Mo：1.0-3.0%，W：4.5-8.0%，Nb：1.5-2.0%，Ti：≤1.0%，Zr：≤0.1%，B≤0.01%，余量为Fe；合金平均晶粒尺寸60-150微米，由高温铁素体及其内部弥散分布的细小NiAl相组成，其中NiAl相平均尺寸为150-250nm，在晶粒内部均匀弥散析出细小尺寸的杆状LAVES相，且其体积分数不低于15%。
2.一种具有优异高温强度与稳定性的管材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）合金配制：合金成分按质量百分比满足如下范围要求：C：0.03-0.06%，Ni：6-10%，Cr：15-20%，Al：2.0-6.5%，Mo：1.0-3.0%，W：4.5-8.0%，Nb：1.5-2.0%，Ti：≤1.0%，Zr：≤0.1%，B≤0.01%，余量为Fe；
2）熔炼步骤：将配制的合金采用真空感应炉进行熔炼成合金母液，然后采用负压铸造工艺制备成合金铸锭；
3）高温热轧：将合金铸锭在850-1100oC范围内轧制成型板材；
4）合金热处理：将轧制后的板材经固溶处理和时效处理，得到具有优异高温强度与稳定性的管材料。
3.根据权利要求2所述的一种具有优异高温强度与稳定性的管材料的制备方法，其特征在于，步骤3）中轧制时，每道次轧制变形量不低于10%，最终总变形量不低于30%。
4.根据权利要求2所述的一种具有优异高温强度与稳定性的管材料的制备方法，其特征在于，步骤4）中固溶处理的温度为1050-1200oC，时间为0.5-2小时。
5.根据权利要求2所述的一种具有优异高温强度与稳定性的管材料的制备方法，其特征在于，步骤4）中时效处理的温度为700-780oC，时间为8-24小时。
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