CN109355581A - 一种汽轮机叶片和螺栓用耐热钢 - Google Patents

一种汽轮机叶片和螺栓用耐热钢 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种汽轮机叶片和螺栓用耐热钢。所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.08～0.18％，Mn≤0.15％，Cr 9.80～11.5％，Mo 0.6～1.2％，W 1.7～2.4％，Co 3.0～3.8％，V 0.10～0.40％，Ni≤0.20％，Al≤0.02％，Ti≤0.02％，Cu≤0.20％，Nb 0.02～0.10％，Ta 0.02～0.10％，N 0.005～0.040％，B 0.003～0.015％，杂质≤0.185％，Fe 79.49～84.672％；所述Nb的质量百分含量和Ta的质量百分含量的加和为0.05～0.18％，B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.1～1.2。本发明的耐热钢可以满足工作温度为630℃及630℃以下的汽轮机叶片和螺栓的使用要求。

Description

一种汽轮机叶片和螺栓用耐热钢
技术领域
本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种汽轮机叶片和螺栓用耐热钢。
背景技术
随着汽轮机蒸汽参数的不断提高，对金属材料的高温性能提出了越来越严苛的要求。高温叶片与螺栓作为汽轮机组的核心零部件，其使用寿命和可靠性一直是国内外重点关注的问题。在现有的高温叶片与螺栓材料中，列入国家标准GB/T8732-2014中的高温叶片用材料，高温强度最高的为14Cr11W2MoNiVNbN，列入国家标准GB/T20410-2006中的高温螺栓用材料，高温强度最高的为1Cr11MoNiW1VNbN，两者实为同一材料，只是材料牌号的新旧表述方法不同而已。14Cr11W2MoNiVNbN/1Cr11MoNiW1VNbN耐热钢材料虽具有较高的强度、塑性和韧性，但最高工作温度不能超过600℃。作为长时高温性能指标的蠕变断裂强度，14Cr11W2MoNiVNbN钢在630℃/10万小时条件下只有63MPa左右，已不能满足工作温度为630℃的汽轮机高温叶片与螺栓的设计要求。因此，有必要对现有高温叶片与螺栓材料进行进一步的研究与改进。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种汽轮机叶片和螺栓用耐热钢及其制备方法，可以满足工作温度为630℃及630℃以下的汽轮机叶片和螺栓的使用要求。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明的一方面提供一种汽轮机叶片和螺栓用耐热钢，所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.08～0.18％，Mn≤0.15％，Cr9.80～11.5％，Mo 0.6～1.2％，W 1.7～2.4％，Co 3.0～3.8％，V 0.10～0.40％，Ni≤0.20％，Al≤0.02％，Ti≤0.02％，Cu≤0.20％，Nb 0.02～0.10％，Ta 0.02～0.10％，N0.005～0.040％，B 0.003～0.015％，杂质≤0.185％，Fe 79.49～84.672％；所述Nb的质量百分含量和Ta的质量百分含量的加和为0.05～0.18％，B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.1～1.2。
在本发明的一些实施方式中，所述的杂质包括Si、P、S的一种或多种。
在本发明的一些实施方式中，以耐热钢的总质量为基准计，所述Si、P、S对应的质量百分数分别是：Si≤0.15％，P≤0.020％，S≤0.015％。
在本发明的一些实施方式中，铬当量≤10.0％。
在本发明的一些实施方式中，所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C0.08～0.15％，Mn≤0.10％，Cr 9.80～11.0％，Mo 0.70～1.0％，W 1.7～2.2％，Co 3.0～3.5％，V 0.10～0.30％，Ni≤0.10％，Al≤0.01％，Ti≤0.01％，Cu≤0.20％，Nb 0.02～0.08％，Ta 0.02～0.08％，N 0.010～0.035％，B 0.003～0.012％，杂质≤0.125，Fe81.098％～84.567％；所述Nb的质量百分含量和Ta的质量百分含量的加和为0.06～0.15％，B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.1～0.8。
在本发明的一些实施方式中，所述的杂质包括Si、P、S中的一种或多种，以汽轮机叶片和螺栓用耐热钢总质量为基准计，所述Si、P、S质量百分数分别是Si≤0.10％，P≤0.015％，S≤0.010％。
在本发明的一些实施方式中，铬当量≤8.0％。
在本发明的第二方面，提供前述汽轮机叶片和螺栓用耐热钢的制备方法，经过冶炼、重熔、锻造或轧制工序得到型坯，并进行热处理。
在本发明的一些实施方式中，所述热处理采用一次淬火和一次回火工艺，淬火温度为1070℃～1160℃；回火温度不低于650℃。
本发明的第三方面，所述汽轮机叶片和螺栓用耐热钢在汽轮机领域的用途。
具体实施方式
本发明发明人经过大量探索实验，提供了一种汽轮机叶片和螺栓用耐热钢，可以满足工作温度为630℃及630℃以下的汽轮机叶片和螺栓的使用要求，在此基础上完成了本发明。
下面详细说明根据本发明的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢及其制备方法。
首先说明根据本发明第一方面的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢。
本发明所提供的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.08～0.18％，Mn≤0.15％，Cr 9.80～11.5％，Mo 0.6～1.2％，W 1.7～2.4％，Co 3.0～3.8％，V 0.10～0.40％，Ni≤0.20％，Al≤0.02％，Ti≤0.02％，Cu≤0.20％，Nb 0.02～0.10％，Ta 0.02～0.10％，N 0.005～0.040％，B 0.003～0.015％，杂质≤0.185％，Fe79.49～84.672％。
所述Nb的质量百分含量和Ta的质量百分含量的加和为0.05～0.18％，Nb和Ta的添加有利于形成碳氮化物，从而达到析出强化的作用，但是如果Nb和Ta的含量过高就会影响钢的高温持久性，导致有害相Z相的析出，本发明将Nb的质量百分含量和Ta的质量百分含量的加和限定在0.05～0.18％，可以保持钢的高温持久性能。
所述B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.1～1.2。在汽轮机叶片和螺栓用耐热钢中添加微量B元素可以显著提高其高温蠕变温度；N元素在汽轮机叶片和螺栓用耐热钢中主要与添加的V、Nb元素形成弥散的MX型沉淀而起到沉淀强化的效果；当B和N元素含量过高时，极易在正火处理过程中在汽轮机叶片和螺栓用耐热钢内产生粗大的具有极高热稳定性的BN沉淀相，在1300℃时仍不发生溶解，降低晶界强度，恶化蠕变性能。所以B和N的质量百分含量很重要，本发明人在大量的实验基础上，发现本发明中当B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.1～1.2时，配合前述质量百分含量的其他化学元素，得到的汽轮机材料的耐高温性能更好。
本发明所提供的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢中，所述的杂质包括Si、P、S的一种或多种。Si是钢中不可避免的常存杂质元素，是钢中不可避免的常存杂质元素，过高的硅含量会促进脆性的σ相形成或富硅的G相在晶界析出。S是钢中一种有害杂质元素，主要是降低钢的热塑性，影响热加工性，降低耐腐蚀性，特别是对热塑性不利。因为硫偏聚晶界，降低晶界结合力，致使高温持久强度降低。P是钢中一种有害的杂质元素，特别高时会使钢产生一定的脆性。钢中有害杂质元素对耐热钢及合金的力学性能有不利影响，P和S作为杂质元素应尽量降低其含量。
本发明所提供的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢中，以汽轮机叶片和螺栓用耐热钢的总质量为基准计，所述Si、P、S对应的质量百分数分别是：Si≤0.15％，P≤0.020％，S≤0.015％。
本发明所提供的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢中，铬当量小于等于10.0％。铬当量是指将不锈钢中铁素体形成元素，按其作用的程度折算成Cr元素(以Cr的作用系数为1)的总和，即称为铬当量。铬当量的计算公式：铬当量＝Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb+12Al+8Ti-40C-2Mn-4Ni-2Co-30N。通常认为δ铁素体是降低合金钢强韧性的重要原因，且对材料的高温长时性能有重要影响。另外，δ铁素体还将大幅降低钢合金的耐腐蚀性。在实际生产过程中，应尽量避免δ铁素体的生成。在本发明中，只有在铬当量小于等于10.0％时，才会消除δ-铁素体，可以通过调整钢的化学成分来调整铬当量。
本发明所提供的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢中，优选地，汽轮机叶片和螺栓用耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.08～0.15％，Mn≤0.10％，Cr 9.80～11.0％，Mo 0.70～1.0％，W 1.7～2.2％，Co 3.0～3.5％，V 0.10～0.30％，Ni≤0.10％，Al≤0.01％，Ti≤0.01％，Cu≤0.20％，Nb 0.02～0.08％，Ta 0.02～0.08％，N 0.010～0.035％，B 0.003～0.012％，杂质≤0.125，Fe 81.098～84.567％；所述Nb的质量百分含量和Ta的质量百分含量的加和为0.06～0.15％，B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.1～0.8，铬当量≤8.0％。
本发明所提供的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢中，优选地，所述的杂质包括Si、P、S中的一种或多种，以汽轮机叶片和螺栓用耐热钢总质量为基准计，所述Si、P、S质量百分数分别是Si≤0.10％，P≤0.015％，S≤0.010％。
表1为本发明汽轮机叶片和螺栓用耐热钢与14Cr11W2MoNiVNbN/1Cr11MoNiW1VNbN钢的化学成分对比。
表1化学成分对比(wt.％)
元素 本发明耐热钢 14Cr11W2MoNiVNbN/1Cr11MoNiW1VNbN
C 0.08～0.18 0.12-0.16
Si ≤0.15 ≤0.15
Mn ≤0.15 0.30-0.70
P ≤0.020 ≤0.015
S ≤0.015 ≤0.015
Cr 9.80-11.5 10.0-11.0
Mo 0.60-1.20 0.35-0.50
W 1.7-2.4 1.50-1.90
Co 3.0-3.8 -
V 0.10-0.40 0.14-0.20
Ni ≤0.2 0.35-0.65
Al ≤0.02 -
Ti ≤0.02 -
Cu ≤0.15 ≤0.10
Nb 0.02-0.10 0.05-0.11
Ta 0.02-0.10 -
N 0.005-0.040 0.04-0.08
B 0.003-0.015 -
Fe 79.49～84.672 余量
由表1可以看出，本发明与现有的高温叶片与螺栓材料14Cr11W2MoNiVNbN/1Cr11MoNiW1VNbN相比，本发明叶片与螺栓用耐热钢成分特点是降低了Ni、Mn、Nb和N元素的含量，提高了W和Mo元素的含量，同时添加了Co、Ta和B元素。Mo和W均是重要的固溶强化组元，提高钢的淬透性，更易得到回火马氏体组织，固溶在马氏体基体中，起到固溶强化的效果。通过增加组元W和Mo的含量，并加入Co组元来提高蠕变性能，添加微量B元素可以显著提高其高温蠕变温度；同时降低C含量，保证足够的固溶强度；适当的降低N的含量也可以提高蠕变强度；Co的高温稳定性很好，使得钢的蠕变强度上升了一个等级。
其次说明根据本发明第二方面的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢的制备方法。
在本发明提供前述汽轮机叶片和螺栓用耐热钢的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
1)冶炼：采用电炉、真空感应炉或非真空感应炉熔炼，然后浇铸成电极棒；
2)重熔：将步骤1)中的电极棒进行电渣重熔或真空自耗重熔处理，制成钢锭；
3)锻造或轧制：将重熔后的钢锭锻造或者轧制成汽轮机叶片或者螺栓毛坯；
4)热处理：对汽轮机叶片或螺栓毛坯进行淬火+一次回火的性能热处理，其中淬火温度为1070～1160℃，回火温度不低于650℃。
本发明第三方面提供汽轮机叶片和螺栓用耐热钢在汽轮机领域的用途，本发明所提供的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢可以被用于制备汽轮机叶片和螺栓，制备获得的汽轮机叶片和螺栓在630℃及630℃以下的高温环境中具有良好的性能，可以满足工作温度为630℃及630℃以下的汽轮机叶片和螺栓的使用要求。
在现有的高温叶片与螺栓材料中，列入国家标准GB/T8732-2014中的高温叶片用材料，高温强度最高的为14Cr11W2MoNiVNbN，列入国家标准GB/T20410-2006中的高温螺栓用材料，高温强度最高的为1Cr11MoNiW1VNbN，两者实为同一材料，只是材料牌号的新旧表述方法不同而已。14Cr11W2MoNiVNbN/1Cr11MoNiW1VNbN耐热钢材料虽具有较高的强度、塑性和韧性，但最高工作温度不能超过600℃。作为长时高温性能指标的蠕变断裂强度，14Cr11W2MoNiVNbN钢在630℃/10万小时条件下只有63MPa左右。本发明的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢可以满足工作温度为630℃及630℃以下的汽轮机叶片和螺栓的使用要求。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
在下述实施例中，所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均可商购获得。
实施例1
采用本发明所述的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢的制备方法制造了一批圆棒，根据理论计算将一定量的合金作为炉料加入真空感应炉冶炼，电渣重熔，凝固后形成一根重量为2吨的钢锭；将钢锭锻造成圆棒，调质热处理工艺的淬火和回火温度分别为1100℃和650℃，经性能热处理后测试得到的各项性能完全满足研发要求，圆棒粗加工后尺寸规格为
表2中列出了所制备的实施例1的汽轮机叶片与螺栓用耐热钢的化学成分分析结果。
实施例2
采用本发明所述的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢的制备方法制造了一批圆棒，根据理论计算将一定量的合金作为炉料加入非真空感应炉冶炼，电渣重熔，凝固后形成一根重量为2吨的钢锭；将钢锭锻造成圆棒，调质热处理工艺的淬火和回火温度分别为1140℃和700℃，经性能热处理后测试得到的各项性能完全满足研发要求，圆棒粗加工后尺寸规格为
表2中列出了所制备的实施例2的汽轮机叶片与螺栓用耐热钢的化学成分分析结果，均满足化学成分指标要求。
表2叶片与螺栓用耐热钢的化学成分(wt.％)
元素 本发明耐热钢 实施例1 实施例2
C 0.08～0.18 0.10 0.15
Si ≤0.15 0.05 0.05
Mn ≤0.15 0.08 0.05
P ≤0.020 0.006 0.007
S ≤0.015 0.001 0.001
Cr 9.80-11.5 10.0 10.5
Mo 0.60-1.20 1.0 0.7
W 1.7-2.4 1.80 2.0
Co 3.0-3.8 3.0 3.4
V 0.10-0.40 0.21 0.20
Ni ≤0.2 0.10 0.05
Al ≤0.02 0.005 0.006
Ti ≤0.02 0.008 0.008
Cu ≤0.15 0.02 0.02
Nb 0.02-0.10 0.03 0.07
Ta 0.02-0.10 0.07 0.03
N 0.005-0.040 0.016 0.040
B 0.003-0.015 0.010 0.004
Fe 79.49～84.672 83.494 82.714
Cr当量 ≤10 9.844 8.544
B/N 0.1～1.2 0.625 0.1
表3汽轮机叶片与螺栓耐热钢材料的力学性能
由表3可见，本发明实施例1和实施例2获得的强度(屈服强度Rp0.2及抗拉强度Rm)和塑性(延伸率A及断面收缩率Z)满足对比材料14Cr11W2MoNiVNbN/1Cr11MoNiW1VNbN的指标要求。
同时，将实施例1和实施例2获得的样品，分别按照国家标准GB/T 2039进行蠕变断裂强度试验，并推导计算出630℃/10万小时条件下的蠕变断裂强度极限Ru100 000/630，并与14Cr11W2MoNiVNbN/1Cr11MoNiW1VNbN在630℃/10万小时条件下的蠕变断裂强度进行比较，具体数据见表3。由表3可知，本发明耐热钢材料样品的蠕变断裂强度外推值约为100MPa左右，相比现有叶片与螺栓材料14Cr11W2MoNiVNbN/1Cr11MoNiW1VNbN的蠕变断裂强度外推值提高了35％以上，本发明耐热钢材料的强化效果明显，从而使高温蠕变断裂强度明显改善，使用温度明显提高，可满足工作温度为630℃及630℃以下的汽轮机叶片与螺栓的使用要求。

Claims (10)

1.一种汽轮机叶片和螺栓用耐热钢，所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C0.08～0.18％，Mn≤0.15％，Cr 9.80～11.5％，Mo 0.6～1.2％，W 1.7～2.4％，Co 3.0～3.8％，V 0.10～0.40％，Ni≤0.20％，Al≤0.02％，Ti≤0.02％，Cu≤0.20％，Nb 0.02～0.10％，Ta 0.02～0.10％，N 0.005～0.040％，B 0.003～0.015％，杂质≤0.185％，Fe79.49～84.672％；所述Nb 的质量百分含量和Ta的质量百分含量的加和为0.05～0.18％，B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.1～1.2。
2.根据权利要求1所述的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢，其特征在于，所述的杂质包括Si、P、S的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢，其特征在于，以耐热钢的总质量为基准计，所述Si、P、S对应的质量百分数分别是：Si≤0.15％，P≤0.020％，S≤0.015％。
4.根据权利要求1所述的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢，其特征在于，铬当量≤10.0％。
5.根据权利要求1-4所述的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢，其特征在于，所述耐热钢按质量百分含量包括如下化学元素：C 0.08～0.15％，Mn≤0.10％，Cr 9.80～11.0％，Mo 0.70～1.0％，W 1.7～2.2％，Co 3.0～3.5％，V 0.10～0.30％，Ni≤0.10％，Al≤0.01％，Ti≤0.01％，Cu≤0.20％，Nb 0.02～0.08％，Ta 0.02～0.08％，N 0.010～0.035％，B 0.003～0.012％，杂质≤0.125，Fe 81.098～84.567％；所述Nb的质量百分含量和Ta的质量百分含量的加和为0.06～0.15％，B的质量百分含量和N的质量百分含量比例为0.1～0.8。
6.根据权利要求5所述的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢，其特征在于，所述的杂质包括Si、P、S中的一种或多种，以汽轮机叶片和螺栓用耐热钢总质量为基准计，所述Si、P、S质量百分数分别是Si≤0.10％，P≤0.015％，S≤0.010％。
7.根据权利要求5的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢，其特征在于，铬当量≤8.0％。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢的制备方法，经过冶炼、重熔、锻造或轧制工序得到型坯，并进行热处理。
9.根据权利要求8所述的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢的制备方法，其特征在于，所述热处理采用一次淬火和一次回火工艺，淬火温度为1070℃～1160℃；回火温度不低于650℃。
10.根据权利要求1-7任一权利要求所述的汽轮机叶片和螺栓用耐热钢在汽轮机领域的用途。
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