CN107779718A - 一种铁镍基高温合金及其制备方法 - Google Patents

一种铁镍基高温合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种铁镍基高温合金及其制备方法，按质量百分比计包括：C：0.03～0.07％，Cr：24～28％，Ni：37～45％，Si：≤0.3％，Nb：≤0.3％，Mo：≤2.5％，W：≤2.0％，Ti：≤0.9％，Al：≤0.7％，N：≤0.10％，B：≤0.005％，Re：≤0.1％，余量为Fe；将配制的合金熔炼成合金母液，将合金母液浇入离心铸造机中充型凝固制成管材；固溶、时效处理后即可。合金材料呈双相结构特征，基体是无序面心结构的奥氏体，晶界存在呈不连续分布的碳化物Cr23C6。晶内均匀弥散分布着MX型碳氮化物及Ni3Al。本发明的合金具有较好的屈服强度以及延伸率及断面收缩率。

Description

一种铁镍基高温合金及其制备方法
技术领域
本发明属于材料及材料制备领域，具体涉及一种铁镍基高温合金及其制备方法。
背景技术
随着我国用电需求不断增加，能源紧缺及环境污染问题日益凸显，发展高效、节能、环保发电方式的需求越发紧迫。火力发电作为我国长期以来最主要的发电技术，提高机组蒸汽参数被认为是解决上述问题最有效的途径。以往大量实践表明，关键部件材料的服役性能是制约锅炉机组蒸汽参数提高的最主要原因，而作为火电机组锅炉中服役工况最严苛的关键部件之一，再热器管对材料的服役性能提出了极高的要求。再热器主要作用是将汽轮机高压缸的排汽再加热到需求温度以进入中压缸继续做功，其在服役期间将承受高温蠕变、热疲劳、氧化及高温烟气腐蚀等多重因素的影响。随着火电机组主蒸汽参数的大幅提高，开发出可以满足700℃级机组再热器管使用性能需求的高温合金材料已成为火力发电行业亟待解决的课题。
目前国内外600℃级以下火电机组再热器主要选用铁素体耐热钢(Cr:9wt.％-12wt.％)及奥氏体耐热钢。常用铁素体耐热钢主要有T/P91、NF616、E911、HCM12A等，这些材料具有优良的持久性能和抗腐蚀性能，因而在600℃级以下机组再热器中获得大量应用。其中T/P91已完全实现国产化，广泛应用于我国亚临界及超临界火电机组，并已积累了丰富的使用性能数据。这些结果均表明铁素体耐热钢难以满足更高温度参数对再热器管材料性能的使用性能需求。
对于蒸汽温度参数在600℃以上的超超临界机组，再热器材料主要选用粗晶(TP304H、TP347H等)、细晶(Super304H、TP347HFG等)以及高铬(HR3C、NF709、SAVE25等)奥氏体耐热钢。与铁素体耐热钢相比，奥氏体钢具备更加优异的持久强度、抗氧化及腐蚀性能等。然而，其在应用过程中也暴露出传热效率低，热膨胀系数高，成本较高等诸多问题。尤其是在再热蒸汽温度达到700℃以上时，奥氏体耐热钢的强度同样也无法满足再热器管对材料的服役性能要求。
针对700℃级超超临界机组锅炉关键部件对材料使用性能的需求，目前国外已开发出了一系列镍基变形高温合金材料，如美国特殊金属公司开发的Inconel740H、美国哈氏公司开发的Haynes 282、德国蒂森克虏伯公司开发的CCA 617、英国Rolls-Royce公司开发的Nimonic 263、日本日立公司开发的USC41等。这些材料具备优异的高温持久强度及抗腐蚀性能，但价格昂贵、冶炼和热加工等技术要求高，限制了其迅速推广应用。另外，日本住友公司还开发出HR6W、HR35等铁镍基高温合金；瑞典山特维克公司开发了Sanicro 25铁镍基合金；我国中科院沈阳金属所、钢铁研究总院也分别开发出GH2984、GH110等铁镍基变形高温合金。然而，这些材料主要针对700℃级超超临界机组锅炉过热器开发，设计过程中主要参考合金强度作为关键性能评价指标。由于再热器管道服役压力较低，因此一般认为将过热器管壁减薄即可用于再热器管材。然而与过热器的服役工况相比，再热器虽然管道内部压力较低，但服役温度往往更高。因此，材料的氧化腐蚀及其组织稳定性等因素对合金的服役寿命也会造成显著影响。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提出一种具有良好高温力学性能、优异的组织稳定性及抗氧化/腐蚀性能，且焊接及加工工艺简单的铁镍基高温合金及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种铁镍基高温合金，按质量百分数计，包括以下成分：C：0.03～0.07％，Cr：24～28％，Ni：37～45％，Si：≤0.3％，Nb：≤0.3％，Mo：≤2.5％，W：≤2.0％，Ti：≤0.9％，Al：≤0.7％，N：≤0.10％，B：≤0.005％，Re：≤0.1％，余量为Fe；其中，所述的Al、Ti元素在合金中的含量满足下式要求：
Ti/Al≤1.1。
本发明进一步的改进在于，按质量百分数计，包括以下成分：C：0.03～0.07％，Cr：24～25％，Ni：42～45％，Si：≤0.3％，Nb：≤0.3％，W：≤2.0％，Ti：0.6％，Al：0.6％，N：≤0.07％，B：≤0.005％，余量为Fe；其中，所述的Al、Ti元素在合金中的含量满足下式要求：
Ti/Al≤1.1。
一种铁镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
1)原料配制：合金成分按质量百分比计包括：C：0.03～0.07％，Cr：24～28％，Ni：37～45％，Si：≤0.3％，Nb：≤0.3％，Mo：≤2.5％，W：≤2.0％，Ti：≤0.9％，Al：≤0.7％，N：≤0.10％，B：≤0.005％，Re：≤0.1％，余量为Fe；其中，所述的Al、Ti元素在合金中的含量满足下式要求：
Ti/Al≤1.1
2)熔炼：将配制的合金熔炼成合金母液，最终，在合金母液温度达到1600-1650℃时出炉；
3)铸造：将步骤2)的合金母液浇入离心铸造机中充型凝固制成管材；
4)将管材加热至1050-1200℃固溶处理1-3小时后空冷至室温，随后在620-650℃保温不超过8小时，最后升温至700-780℃保温16-24小时，得到铁镍基高温合金。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中采用中频真空感应电弧炉进行熔炼。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中控制合金母液中P、S杂质元素的质量百分比含量均＜0.03％。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中充型凝固过程中离心机转速与设计的铸件内径之间满足下式关系：
12000≥n×ro 1/2≥5000
式中：
n:离心机转速，r/min；
ro:铸件内半径，mm。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明通过调整元素的比例关系，降低Al、Ti等元素含量并适量加入W、N等元素，在保证合金具备较好的高温强度同时，降低了其在服役过程中随时间延长而出现的强度下降趋势。同时合金具备良好的加工及焊接性能，无需焊后热处理。
本发明的合金材料呈双相结构特征，基体是无序面心结构的奥氏体，晶界存在呈不连续分布的碳化物Cr23C6。晶内均匀弥散分布着MX型碳氮化物及Ni3Al。其中，MX平均尺寸不超过2微米，Ni3Al体积分数不高于10％。合金固溶处理后在650-750℃温度范围内屈服强度不低于150MPa，延伸率及断面收缩率均不低于30％。经时效后合金在650-750℃温度范围内屈服强度不低于200MPa，延伸率及断面收缩率均不低于30％。
附图说明
图1为实施例1中铸造高温合金中粗大的奥氏体柱状树枝晶的扫描电镜图。
图2为实施例1中时效过程中形成的晶界不连续碳化物及晶内MX相。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明中的式中元素符号表示该元素含量的质量百分数。
对比例
本实施例的铁镍基高温合金，按质量百分比计包括：C：0.07％，Cr：25％，Mo：2.0％，Nb：0.2％，Si：0.3％，Ni：42％，Ti：0.6％，Al：0.6％，N：0.07％，B：0.004％，余量为Fe。
对比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：0.07％，Cr：25％，Mo：2.0％，Nb：0.2％，Si：0.3％，Ni：42％，Ti：0.6％，Al：0.6％，N：0.07％，B：0.004％，余量为Fe。
2)熔炼：采用中频真空感应电弧炉将配制的合金熔炼成合金母液，控制母液中P、S杂质元素的质量百分比含量均＜0.03％，最终，在合金母液温度达到1650℃时出炉；
3)铸造：将合金母液浇入离心铸造机中充型凝固制成管材，具体利用离心铸造工艺形成管材，充型凝固过程中离心机转速与设计的铸件内径之间应满足下式关系：
12000≥n×ro 1/2≥5000
式中：
n:离心机转速(r/min)；
ro:铸件内半径(mm)；
4)对浇注成型的铸管材料加热至1200℃保温时间2h后空冷至室温，得到铁镍基高温合金。
实施例1
本实施例的铁镍基高温合金，按质量百分比计包括：C：0.06％，Cr：25％，Mo：2.0％，Nb：0.2％，Si：0.3％，Ni：42％，Ti：0.6％，Al：0.6％，N：0.07％，B：0.004％，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：0.06％，Cr：25％，Mo：2.0％，Nb：0.2％，Si：0.3％，Ni：42％，Ti：0.6％，Al：0.6％，N：0.07％，B：0.004％，余量为Fe。
2)熔炼：采用中频真空感应电弧炉将配制的合金熔炼成合金母液，控制母液中P、S杂质元素的质量百分比含量均＜0.03％，最终，在合金母液温度达到1650℃时出炉；
3)铸造：将的合金母液浇入离心铸造机中充型凝固制成管材，具体利用离心铸造工艺形成管材，充型凝固过程中离心机转速与设计的铸件内径之间应满足下式关系：
12000≥n×ro 1/2≥5000
式中：
n:离心机转速(r/min)；
ro:铸件内半径(mm)；
4)对浇注成型的铸管材料加热至1200℃保温时间2h后空冷至室温，然后在750℃保温时间20h，最后空冷至室温，得到铁镍基高温合金。
参见表1，对实施例的合金性能分别进行了测试。
从结果可见，合金固溶处理后在650-750℃温度范围内屈服强度不低于150MPa，延伸率及断面收缩率均不低于30％。
经时效后合金在650-750℃温度范围内屈服强度不低于200MPa，延伸率及断面收缩率均不低于40％。
参见图1，可以看出，具有柱状晶。
参见图2，可以看出，成型后的合金组织内部均匀分布的MX型碳氮化物，且MX平均尺寸不超过2微米，晶界碳化物不连续。
表1合金力学性能测试结果
实施例2
一种铁镍基高温合金，按质量百分数计，包括以下成分：C：0.03％，Cr：24％，Ni：37％，Nb：0.1％，Mo：2.5％，W：1％，Ti：0.65％，Al：0.7％，N：0.10％，B：0.005％，Re：0.1％，余量为Fe。
1)原料配制：按照上述质量百分数配制原料；
2)熔炼：采用中频真空感应电弧炉将配制的合金熔炼成合金母液，控制母液中P、S杂质元素的质量百分比含量均＜0.03％，最终，在合金母液温度达到1600℃时出炉；
3)铸造：将的合金母液浇入离心铸造机中充型凝固制成管材，具体利用离心铸造工艺形成管材，充型凝固过程中离心机转速与设计的铸件内径之间应满足下式关系：
12000≥n×ro 1/2≥5000
式中：
n:离心机转速(r/min)；
ro:铸件内半径(mm)；
4)对浇注成型的铸管材料加热至1050℃保温时间3h后空冷至室温，随后在620℃保温8小时，然后在700℃保温时间24h，最后空冷至室温，得到铁镍基高温合金。
实施例3
一种铁镍基高温合金，按质量百分数计，包括以下成分：C：0.03％，Cr：25％，Ni：45％，Si：0.1％，Ti：0.28％，Al：0.3％，余量为Fe；
1)原料配制：按照上述质量百分数配制原料；
2)熔炼：采用中频真空感应电弧炉将配制的合金熔炼成合金母液，控制母液中P、S杂质元素的质量百分比含量均＜0.03％，最终，在合金母液温度达到1650℃时出炉；
3)铸造：将的合金母液浇入离心铸造机中充型凝固制成管材，具体利用离心铸造工艺形成管材，充型凝固过程中离心机转速与设计的铸件内径之间应满足下式关系：
12000≥n×ro 1/2≥5000
式中：
n:离心机转速(r/min)；
ro:铸件内半径(mm)；
4)对浇注成型的铸管材料加热至1100℃保温时间2h后空冷至室温，随后在650℃保温4小时，然后在780℃保温时间16h，最后空冷至室温，得到铁镍基高温合金。
实施例4
一种铁镍基高温合金，按质量百分数计，包括以下成分：C：0.05％，Cr：28％，Ni：40％，Si：0.2％，Nb：0.3％，Mo：1％，W：2％，Ti：0.9％，Al：0.5％，N：0.03％，Re：0.01％，余量为Fe；
1)原料配制：按照上述质量百分数配制原料；
2)熔炼：采用中频真空感应电弧炉将配制的合金熔炼成合金母液，控制母液中P、S杂质元素的质量百分比含量均＜0.03％，最终，在合金母液温度达到1620℃时出炉；
3)铸造：将的合金母液浇入离心铸造机中充型凝固制成管材，具体利用离心铸造工艺形成管材，充型凝固过程中离心机转速与设计的铸件内径之间应满足下式关系：
12000≥n×ro 1/2≥5000
式中：
n:离心机转速(r/min)；
ro:铸件内半径(mm)；
4)对浇注成型的铸管材料加热至1150℃保温时间1h后空冷至室温，然后在730℃保温时间20h，最后空冷至室温，得到铁镍基高温合金。
本发明的合金管材采用离心铸造工艺直接制备成型，并结合适当的表面处理及热处理确保获得良好的高温性能。成型后的合金组织由奥氏体柱状晶及在其内部均匀分布的MX型碳氮化物组成，且MX平均尺寸不超过2微米。时效后合金晶粒内部析出少量Ni3Al，其体积分数不超过10％。此外，在晶界处有不连续M23C6型碳化物形成。合金经固溶处理后在650-750℃温度范围内屈服强度不低于150MPa，延伸率及断面收缩率均不低于30％。经时效后合金在650-750℃温度范围内屈服强度不低于200MPa，延伸率及断面收缩率均不低于30％。在这一范围内温度升高强度下降不明显，但同时促进塑性显著提高。

Claims (6)

1.一种铁镍基高温合金，其特征在于，按质量百分数计，包括以下成分：C：0.03～0.07％，Cr：24～28％，Ni：37～45％，Si：≤0.3％，Nb：≤0.3％，Mo：≤2.5％，W：≤2.0％，Ti：≤0.9％，Al：≤0.7％，N：≤0.10％，B：≤0.005％，Re：≤0.1％，余量为Fe；其中，所述的Al、Ti元素在合金中的含量满足下式要求：
Ti/Al≤1.1。
2.根据权利要求1所述的一种铁镍基高温合金，其特征在于，按质量百分数计，包括以下成分：C：0.03～0.07％，Cr：24～25％，Ni：42～45％，Si：≤0.3％，Nb：≤0.3％，W：≤2.0％，Ti：0.6％，Al：0.6％，N：≤0.07％，B：≤0.005％，余量为Fe；其中，所述的Al、Ti元素在合金中的含量满足下式要求：
Ti/Al≤1.1。
3.一种铁镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)原料配制：合金成分按质量百分比计包括：C：0.03～0.07％，Cr：24～28％，Ni：37～45％，Si：≤0.3％，Nb：≤0.3％，Mo：≤2.5％，W：≤2.0％，Ti：≤0.9％，Al：≤0.7％，N：≤0.10％，B：≤0.005％，Re：≤0.1％，余量为Fe；其中，所述的Al、Ti元素在合金中的含量满足下式要求：
Ti/Al≤1.1
2)熔炼：将配制的合金熔炼成合金母液，最终，在合金母液温度达到1600-1650℃时出炉；
3)铸造：将步骤2)的合金母液浇入离心铸造机中充型凝固制成管材；
4)将管材加热至1050-1200℃固溶处理1-3小时后空冷至室温，随后在620-650℃保温不超过8小时，最后升温至700-780℃保温16-24小时，得到铁镍基高温合金。
4.根据权利要求3所述的一种铁镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤2)中采用中频真空感应电弧炉进行熔炼。
5.根据权利要求3所述的一种铁镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤2)中控制合金母液中P、S杂质元素的质量百分比含量均＜0.03％。
6.根据权利要求3所述的一种铁镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤3)中充型凝固过程中离心机转速与设计的铸件内径之间满足下式关系：
12000≥n×ro 1/2≥5000
式中：
n:离心机转速，r/min；
ro:铸件内半径，mm。
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