CN110157993B - 一种高强耐蚀铁镍基高温合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强耐蚀铁镍基高温合金及其制备方法，合金成分按质量百分比满足：Cr：15～18％，Ti：0.5～1.0％，Al：3.0～3.5％，W：0～1.0％，Mo：0～1.0％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，Cu：0～3.5％，C：0.07～0.1％，Fe：42～50％，余量为Ni，其中，Ti+Al<4.0；将配制的合金在熔炼成合金母液，然后采用电渣重熔工艺精炼，冷却，合金母液凝固成铸锭；均匀化处理后热轧，最后热处理。本发明为具有较高Al、Ti含量的新型铁镍基高温合金，合金中较高的Al元素含量也保障了其具备优异的抗氧化能力，同时合金中较高的Fe元素含量也改善了合金加工性能并降低了原料成本。

Description

一种高强耐蚀铁镍基高温合金及其制备方法
技术领域
本发明属高温用合金材料领域，具体涉及一种高强耐蚀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，主蒸汽管道、集箱等大口径厚壁管道对材料的服役性能及加工性能均提出了极高的要求。大口径厚壁管道在服役期间将承受高温蠕变、热疲劳、氧化等多重因素的影响。随着火电机组主蒸汽参数的大幅提高，开发出可以满足高参数机组大口径厚壁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。
大口径厚壁管道作为火电机组锅炉中服役工况最严苛的部件之一，对其候选材料的持久强度及抗氧化性能提出了极高的要求，并且材料需同时兼备良好的加工性能。优异的持久性能是合金在高温条件下长时间服役的重要保障，以固溶强化作为主要强化方式往往会带来较大的成本提升以及组织不稳定等问题，因此目前的候选合金主要采用析出强化作为的主要强化方式。另一方面，抗腐蚀性能同样对合金的服役性能具有重要影响，一般认为提高Cr含量具有改善合金抗氧化性能的效果。此外，较高的Fe元素含量对合金的加工性能提高及原料成本降低均具有明显效果。针对高参数锅炉再热器管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Inconel 740H、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FENIX700、日本东芝公司开发的TOS1X、日本三菱公司开发的LTESR700等镍基变形高温合金。然而，目前上述合金均具有加工性能较差等问题，因此以其作为大口径厚壁管材料仍有待研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强耐蚀铁镍基高温合金及其制备方法。
为了实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案为：
一种高强耐蚀铁镍基高温合金，合金成分按质量百分比满足如下范围要求：Cr：15～18％，Ti：0.5～1.0％，Al：3.0～3.5％，W：0～1.0％，Mo：0～1.0％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，Cu：0～3.5％，C：0.07～0.1％，Fe：42～50％，余量为Ni，其中，Ti+Al<4.0。
一种高强耐蚀铁镍基高温合金的制备方法，包括以下步骤：
1)配制合金：合金成分按质量百分比满足如下范围要求：Cr：15～18％，Ti：0.5～1.0％，Al：3.0～3.5％，W：0～1.0％，Mo：0～1.0％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，Cu：0～3.5％，C：0.07～0.1％，Fe：42～50％，余量为Ni，其中，Ti+Al<4.0；
2)熔炼：将配制的合金在熔炼成合金母液，然后采用电渣重熔工艺精炼，冷却，合金母液凝固成铸锭；
3)均匀化处理，得到高温合金铸锭；
4)热轧：将铸锭进行轧制，总变形量为50～70％，每道次变形量控制在15～25％范围内，变形温度为1050-1150℃；
5)热处理：将轧制后的合金在1120-1150℃保温0.5-1小时进行再结晶处理，然后在1000-1050℃保温1-2小时，空冷至室温后在650-700℃保温6-8小时，最后升温至800-850℃保温4-5小时，空冷至室温。
本发明进一步的改进在于，步骤2)熔炼在真空熔炼炉内进行，熔炼时真空度不高于1.0×10-4MPa。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，在凝固成铸锭过程中温度达到900℃前，控制冷却速率不超过15℃/min，温度达到900℃后以超过10℃/min的冷却速度冷却至室温。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中从合金母液凝固成铸锭开始至冷却至室温所用时间不超过15min。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体过程为：将铸锭加热至1020-1080℃保温半小时后，继续升温至1150-1200℃保温24小时，最后冷却至室温，得到高温合金铸锭。
本发明进一步的改进在于，以不超过10℃/min的升温速率将铸锭加热至1050℃，再以不高于5℃/min的升温速率升温至1200℃。
本发明进一步的改进在于，步骤5)中，自室温以不超过10℃/min的升温速率升温至1120-1150℃，以不超过10℃/min的升温速率升温至1000-1050℃，自室温以不不超过10℃/min的升温速率升温至650-700℃，以不不超过10℃/min的升温速率升温至800-850℃。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明基于析出强化的合金设计理念，开发出了一种具有较高Al、Ti含量的新型铁镍基高温合金，合金中较高的Al元素含量也保障了其具备优异的抗氧化能力，同时合金中较高的Fe元素含量也改善了合金加工性能并降低了原料成本。
按本发明所述方法制备的合金具备优异的强度性能与抗氧化性能，同时具备良好的焊接及加工性能。合金与基体具有FCC结构，平均晶粒尺寸约30-70微米，并有尺寸细小的析出相在晶粒内部均匀弥散分布。其中，奥氏体晶界存在呈不连续分布的碳化物(NbC与Cr23C6)，体积分数约占5-20％，晶内均匀弥散分布细小球状的Ni3Al析出相，其尺寸不大于50nm。
附图说明
图1为实施例1热处理态合金显微组织。
图2为实施例2热处理态合金显微组织。
图3为实施例2热处理态合金显微组织中纳米析出相。
图4为实施例2热处理态合金显微组织中晶界碳化物。
图5为实施例3热处理态合金显微组织。
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。
本发明的析出强化型合金为铁镍基高温合金材料。
本发明制备的高强耐蚀铁镍基高温合金基体是无序面心结构的奥氏体，平均晶粒尺寸小于100微米，奥氏体晶界存在呈不连续分布的碳化物(NbC与Cr23C6)，体积分数约占5-20％，晶内均匀弥散分布细小球状的Ni3Al析出相，其尺寸不大于50nm。
本发明采用析出强化的合金设计理念，通过促进合金内部析出大量均匀弥散分布的二次强化相使合金获得良好的强度性能，同时在确保合金组织稳定性的前提下使合金中具备较高的Fe元素含量，进而得到优异的加工性能及较低的原料成本。
实施例1
本实施例的高强耐蚀铁镍基高温合金，按质量百分比计包括：Cr：15％，Ti：0.7％，Al：3.0％，Si：0.5％，Mn：0.5％，C：0.1％，Fe：45％，余量为Ni；
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：Cr：15％，Ti：0.7％，Al：3.0％，Si：0.5％，Mn：0.5％，C：0.1％，Fe：45％，余量为Ni；
2)熔炼步骤：将陶瓷坩埚与配制的原料同时置于真空熔炼炉内，采用真空感应炉在真空度不高于1.0×10-4MPa下，将配制的合金熔炼成合金母液，当合金母液凝固的同时利用电弧在低功率下对陶瓷坩埚进行预热。合金完全凝固成为铸锭后，将其移至预热后的陶瓷坩埚内，避免合金锭与铜坩埚接触而导致其冷却速率过高。从合金母液凝固成铸锭开始至冷却至室温所用时间不超过15min。
3)均匀化处理：将铸锭取出，随后将铸锭以10℃/min的速率加热至1050℃并保温半小时后，继续以5℃/min的速率升温至1200℃的热处理炉内保温24小时，最后冷却至室温，得到高温合金铸锭；
4)热轧：将铸锭进行轧制，其总变形量为50～70％，每道次变形量控制在15～25％范围内，变形温度为1050-1150℃；
5)热处理：将轧制后的合金以10℃/min的速率加热至1140℃并保温0.5小时进行再结晶处理，随后空冷至1020℃保温1小时，空冷后在650℃保温6小时，最后升温至820℃保温4小时，完成后空冷至室温。
参见图1，可以看出，合金奥氏体晶粒的晶界处析出不连续碳化物。
实施例2
本实施例的高强耐蚀铁镍基高温合金，按质量百分比计包括：Cr：15％，Ti：0.7％，Al：3.0％，Si：0.5％，Mn：0.5％，Cu：3.0％，C：0.1％，Fe：45％，余量为Ni；
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：Cr：15％，Ti：0.7％，Al：3.0％，Si：0.5％，Mn：0.5％，Cu：3.0％，C：0.1％，Fe：45％，余量为Ni；
2)熔炼步骤：将陶瓷坩埚与配制的原料同时置于真空熔炼炉内，采用真空感应炉在真空度不高于1.0×10-4MPa下，将配制的合金熔炼成合金母液，当合金母液凝固的同时利用电弧在低功率下对陶瓷坩埚进行预热。合金完全凝固成为铸锭后，将其移至预热后的陶瓷坩埚内，避免合金锭与铜坩埚接触而导致其冷却速率过高。从合金母液凝固成铸锭开始至冷却至室温所用时间不超过15min。
3)均匀化处理：将铸锭取出，随后将铸锭以10℃/min的速率加热至1050℃并保温半小时后，继续以5℃/min的速率升温至1200℃的热处理炉内保温24小时，最后冷却至室温，得到高温合金铸锭；
4)热轧：将铸锭进行轧制，其总变形量为50～70％，每道次变形量控制在15～25％范围内，变形温度为1050-1150℃；
5)热处理：将轧制后的合金以10℃/min的速率加热至1140℃并保温0.5小时进行再结晶处理，随后空冷至1020℃保温1小时，空冷后在650℃保温6小时，最后升温至820℃保温4小时，完成后空冷至室温。
参见图2、图3和图4，可以看出，合金奥氏体晶粒的晶界处析出不连续碳化物，在晶内存在30-50nm细小颗粒状析出相。
实施例3
本实施例的高强耐蚀铁镍基高温合金，按质量百分比计包括：Cr：15％，Ti：0.7％，Al：3.0％，W：1.0％，Si：0.5％，Mn：0.5％，C：0.1％，Fe：45％，余量为Ni；
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：Cr：15％，Ti：0.7％，Al：3.0％，W：1.0％，Si：0.5％，Mn：0.5％，C：0.1％，Fe：45％，余量为Ni；
2)熔炼步骤：将陶瓷坩埚与配制的原料同时置于真空熔炼炉内，采用真空感应炉在真空度不高于1.0×10-4MPa下，将配制的合金熔炼成合金母液，当合金母液凝固的同时利用电弧在低功率下对陶瓷坩埚进行预热。合金完全凝固成为铸锭后，将其移至预热后的陶瓷坩埚内，避免合金锭与铜坩埚接触而导致其冷却速率过高。从合金母液凝固成铸锭开始至冷却至室温所用时间不超过15min。
3)均匀化处理：将铸锭取出，随后将铸锭以10℃/min的速率加热至1050℃并保温半小时后，继续以5℃/min的速率升温至1200℃的热处理炉内保温24小时，最后冷却至室温，得到高温合金铸锭；
4)热轧：将铸锭进行轧制，其总变形量为50～70％，每道次变形量控制在15～25％范围内，变形温度为1050-1150℃；
5)热处理：将轧制后的合金以10℃/min的速率加热至1140℃并保温0.5小时进行再结晶处理，随后空冷至1020℃保温1小时，空冷后在650℃保温6小时，最后升温至820℃保温4小时，完成后空冷至室温。
参见图5，可以看出，合金奥氏体晶粒的晶界处析出不连续碳化物。
实施例4
本实施例的高强耐蚀铁镍基高温合金，按质量百分比计包括：Cr：17％，Ti：0.5％，Al：3.5％，Mo：0.5％，Si：0.2％，Mn：0.3％，Cu：3.5％，C：0.07％，Fe：42％，余量为Ni；
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：Cr：17％，Ti：0.5％，Al：3.5％，Mo：0.5％，Si：0.2％，Mn：0.3％，Cu：3.5％，C：0.07％，Fe：42％，余量为Ni；
2)熔炼步骤：将陶瓷坩埚与配制的原料同时置于真空熔炼炉内，采用真空感应炉在真空度不高于1.0×10-4MPa下，将配制的合金熔炼成合金母液，当合金母液凝固的同时利用电弧在低功率下对陶瓷坩埚进行预热。合金完全凝固成为铸锭后，将其移至预热后的陶瓷坩埚内，避免合金锭与铜坩埚接触而导致其冷却速率过高。从合金母液凝固成铸锭开始至冷却至室温所用时间不超过15min。
3)均匀化处理：将铸锭取出，随后将铸锭以10℃/min的速率加热至1020℃并保温半小时后，继续以5℃/min的速率升温至1150℃的热处理炉内保温24小时，最后冷却至室温，得到高温合金铸锭；
4)热轧：将铸锭进行轧制，其总变形量为50％，每道次变形量控制为15％，变形温度为1050℃；
5)热处理：将轧制后的合金以10℃/min的速率加热至1120℃并保温1小时进行再结晶处理，随后空冷至1000℃保温2小时，空冷后在680℃保温7小时，最后升温至800℃保温5小时，完成后空冷至室温。
实施例5
本实施例的高强耐蚀铁镍基高温合金，按质量百分比计包括：Cr：16％，Ti：1％，Al：3％，W：0.7％，Mo：0.1％，Si：0.1％，Mn：0.2％，Cu：2％，C：0.08％，Fe：50％，余量为Ni；
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：Cr：16％，Ti：1％，Al：3％，W：0.7％，Mo：0.1％，Si：0.1％，Mn：0.2％，Cu：2％，C：0.08％，Fe：50％，余量为Ni；
2)熔炼步骤：将陶瓷坩埚与配制的原料同时置于真空熔炼炉内，采用真空感应炉在真空度不高于1.0×10-4MPa下，将配制的合金熔炼成合金母液，当合金母液凝固的同时利用电弧在低功率下对陶瓷坩埚进行预热。合金完全凝固成为铸锭后，将其移至预热后的陶瓷坩埚内，避免合金锭与铜坩埚接触而导致其冷却速率过高。从合金母液凝固成铸锭开始至冷却至室温所用时间不超过15min。
3)均匀化处理：将铸锭取出，随后将铸锭以10℃/min的速率加热至1080℃并保温半小时后，继续以5℃/min的速率升温至1160℃的热处理炉内保温24小时，最后冷却至室温，得到高温合金铸锭；
4)热轧：将铸锭进行轧制，其总变形量为60％，每道次变形量控制为20％，变形温度为1150℃；
5)热处理：将轧制后的合金以10℃/min的速率加热至1150℃并保温0.5小时进行再结晶处理，随后空冷至1050℃保温1小时，空冷后在700℃保温6小时，最后升温至830℃保温3小时，完成后空冷至室温。
实施例6
本实施例的高强耐蚀铁镍基高温合金，按质量百分比计包括：Cr：18％，Ti：0.8％，Al：3.2％，W：0.2％，Mo：0.1％，Si：0.3％，Mn：0.1％，Cu：1％，C：0.1％，Fe：47％，余量为Ni；
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：Cr：18％，Ti：0.8％，Al：3.2％，W：0.2％，Mo：0.1％，Si：0.3％，Mn：0.1％，Cu：1％，C：0.1％，Fe：47％，余量为Ni；
2)熔炼步骤：将陶瓷坩埚与配制的原料同时置于真空熔炼炉内，采用真空感应炉在真空度不高于1.0×10-4MPa下，将配制的合金熔炼成合金母液，当合金母液凝固的同时利用电弧在低功率下对陶瓷坩埚进行预热。合金完全凝固成为铸锭后，将其移至预热后的陶瓷坩埚内，避免合金锭与铜坩埚接触而导致其冷却速率过高。从合金母液凝固成铸锭开始至冷却至室温所用时间不超过15min。
3)均匀化处理：将铸锭取出，随后将铸锭以10℃/min的速率加热至1040℃并保温半小时后，继续以5℃/min的速率升温至1180℃的热处理炉内保温24小时，最后冷却至室温，得到高温合金铸锭；
4)热轧：将铸锭进行轧制，其总变形量为70％，每道次变形量控制为18％，变形温度为1100℃；
5)热处理：将轧制后的合金以10℃/min的速率加热至1130℃并保温0.8小时进行再结晶处理，随后空冷至1030℃保温1.5小时，空冷后在660℃保温8小时，最后升温至850℃保温4小时，完成后空冷至室温。

Claims (6)

1.一种高强耐蚀铁镍基高温合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配制合金：合金成分按质量百分比满足如下范围要求：Cr：15～18％，Ti：0.5～1.0％，Al：3.0～3.5％，W：0～1.0％，Mo：0～1.0％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.5％，Cu：0～3.5％，C：0.07～0.1％，Fe：42～50％，余量为Ni，其中，Ti+Al<4.0；
2)熔炼：将配制的合金在熔炼成合金母液，然后采用电渣重熔工艺精炼，冷却，合金母液凝固成铸锭；
3)均匀化处理，得到高温合金铸锭；
4)热轧：将铸锭进行轧制，总变形量为50～70％，每道次变形量控制在15～25％范围内，变形温度为1050-1150℃；
5)热处理：将轧制后的合金在1120-1150℃保温0.5-1小时进行再结晶处理，然后空冷至1000-1050℃保温1-2小时，空冷至650-700℃保温6-8小时，最后升温至800-850℃保温4-5小时，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种高强耐蚀铁镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤2)熔炼在真空熔炼炉内进行，熔炼时真空度不高于1.0×10-4MPa。
3.根据权利要求1所述的一种高强耐蚀铁镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤2)中，在凝固成铸锭过程中温度达到900℃前，控制冷却速率不超过15℃/min，温度达到900℃后以超过10℃/min的冷却速度冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的一种高强耐蚀铁镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤2)中，步骤2)中从合金母液凝固成铸锭开始至冷却至室温所用时间不超过15min。
5.根据权利要求1所述的一种高强耐蚀铁镍基高温合金的制备方法，其特征在于，步骤3)的具体过程为：将铸锭加热至1020-1080℃保温半小时后，继续升温至1150-1200℃保温24小时，最后冷却至室温，得到高温合金铸锭。
6.根据权利要求5所述的一种高强耐蚀铁镍基高温合金的制备方法，其特征在于，以不超过10℃/min的升温速率将铸锭加热至1050℃，再以不高于5℃/min的升温速率升温至1200℃。
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