CN113684424B - 一种nial强化型铁素体耐热钢及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料领域，具体涉及一种NIAL强化型铁素体耐热钢及制备方法，按质量百分比满足如下范围要求：C：0.06～0.09％，Cr：15～18％，Ni：4～6％，Mn：4～7％，Si：0.2～0.5％，W：1.0～2.0％，Ti+Al：2.0～3.0％，Al：1～2％，Cu：≤0.3％，余量为Fe，本发明的合金采用真空熔炼及热轧加工的方式制备成型，热处理完成后合金由铁素体基体与晶界碳化物构成，晶内弥散分布颗粒状NiAl相，其平均直径不超过250nm。合金在20～650℃的平均线膨胀系数不高于12.5×10‑6/K，合金具有良好的高温力学性能。

Description

一种NIAL强化型铁素体耐热钢及制备方法
技术领域
本发明属高温用合金钢领域，具体涉及一种NIAL强化型铁素体耐热钢及制备方法，其在650℃以上具备高强韧性及良好的耐蚀性，可适用于超超临界燃煤机组过/再热器、主蒸汽管道、集箱等高温承压部件。
背景技术
高效洁净的高参数超超临界燃煤发电技术是当今世界洁净燃煤发电技术的主要发展趋势之一。目前在研的700℃级先进超超临界(A-USC)燃煤发电系统热效率可超50％，供电煤耗低于240G/KW。但A-USC技术的商业价值将决定于许多变数：煤价、镍基合金成本(约是高级铁素体钢成本的20倍)和碳税等。650℃及其二次再热机组的热效率可超50％，供电煤耗低于260G/KW，是目前在较短时间内实现我国电力工业高层次的产业升级、规范化地实现洁净煤发电的有效途径之一。
与传统奥氏体耐热钢相比，铁素体耐热钢具有热膨胀系数低、导热性好、耐应力腐蚀性能优异、合金成本低(含有少量甚至不含镍等贵金属)等特性，是机组热端部件，尤其是管道、集箱等厚壁部件的首选材料。但随着蒸汽参数的进一步提高，现有商用铁素体耐热钢均难以满足机组热端部件对合金高温强度、抗蒸汽氧化和抗腐蚀(小管)的性能要求，目前获得广泛应用的9-12Cr及改进型铁素体耐热钢推荐使用温度一般不高于620℃。G115合金中通过添加Cu元素有效改善了合金强度性能，但由于其Cr元素含量不超过9％而使合金在更高温度服役工况下的抗腐蚀与抗氧化性能无法得到有效保障。具有更高耐热强度的奥氏体耐热钢如Super304H、HR3C等具有较高的热膨胀系数及较差的传热效率，使其对温度波动较为敏感，进而容易引发热疲劳损伤等问题，造成锅炉调峰运行能力下降。因此，目前的USC机组中厚壁部件仍以P92等铁素体耐热钢作为首选材料。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种NIAL强化型铁素体耐热钢及制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种NIAL强化型铁素体耐热钢，按质量百分比计，包括C：0.06～0.09％，Cr：15～18％，Ni：4～6％，Mn：4～7％，Si：0.2～0.5％，W：1.0～2.0％，Ti+Al：2.0～3.0％，Al：1～2％，Cu：≤0.3％，余量为Fe，该合金由铁素体基体与晶界碳化物构成，晶内弥散分布颗粒状NiAl相；Ti+Al表示Ti与Al的总的质量百分数。
本发明进一步的改进在于，该合金在20～650℃的平均线膨胀系数不高于12.5×10-6/K。
本发明进一步的改进在于，该合金在650℃屈服强度不低于250MPa，延伸率不低于40％。
一种NIAL强化型铁素体耐热钢的制备方法，按质量百分比计，将C：0.06～0.09％，Cr：15～18％，Ni：4～6％，Mn：4～7％，Si：0.2～0.5％，W：1.0～2.0％，Ti+Al：2.0～3.0％，Al：1～2％，Cu：≤0.3％，余量为Fe，在真空下冶炼，得到铸锭；其中，Ti+Al表示Ti与Al的总的质量百分数；
将铸锭进行均匀化处理，然后采用热轧的方式加工变形后进行固溶处理，处理完成后水冷；
最后，在700～750℃下进行时效处理8～12h，处理后水冷或空冷。
本发明进一步的改进在于，冶炼时，真空度不高于0.5Pa，出炉浇注的温度不低于1650℃。
本发明进一步的改进在于，变形温度不低于750℃，单道次变形量不低于25％。
本发明进一步的改进在于，均匀化处理的温度不高于1050℃，时间为8～24h。
本发明进一步的改进在于，固溶处理的温度为1100～1200℃，时间为30～60min。
本发明进一步的改进在于，时效处理的温度为700～750℃，时间为8～12h。
本发明进一步的改进在于，经固溶处理后合金为铁素体基体，残余奥氏体体积百分数不超过5％。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于：
由于较高的Cr元素含量易造成组织不稳定，诱发有害相析出并促进碳化物长大，进而对合金的强度性能带来危害，所以本发明中采用的Cr元素的质量百分数为15～18％。本发明的合金通过促进NiAl相在晶内弥散析出改善合金强度性能，弥补由于碳化物粗化造成的合金强度下降；本发明中Mn元素的添加有助于降低合金层错能，促进变形孪晶的形成进而抑制裂纹萌生。同时Mn元素的加入有助于提高加工硬化倾向，改善合金强度性能，最终确保合金获得优异的强韧性。本发明所述合金适用于650～700℃高温服役工况，如超超临界燃煤机组过/再热器、主蒸汽管道、汽轮机转子等。
由于NiAl相的析出温度接近合金奥氏体相区温度下限，同时其尺寸、体积分数等也将对合金强度性能带来显著影响，所以本发明通过时效处理控制析出相的形核及生长行为，同时避免由于时效温度过高而导致合金中残余奥氏体体积分数过高，进而最终获得良好的高温力学性能。
附图说明
图1为实施例1合金微观组织形貌。
图2为实施例1合金晶粒内部颗粒状NiAl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。
一种NIAL强化型铁素体耐热钢，合金成分中各元素按质量百分比计满足：C：0.06～0.09％，Cr：15～18％，Ni：4～6％，Mn：4～7％，Si：0.2～0.5％，W：1.0～2.0％，Ti+Al：2.0～3.0％，Al：1～2％，Cu：≤0.3％，余量为Fe，该由铁素体基体与晶界碳化物构成，晶内弥散分布颗粒状NiAl相。其中，Ti+Al表示Ti与Al的总的质量百分数。
合金在真空下冶炼，真空度不高于0.5Pa，并控制合金出炉浇注温度不低于1650℃。
然后进行均匀化处理，均匀化处理温度不高于1050℃，时间满足8～24h。
再采用热轧的方式加工变形，变形温度不低于750℃，单道次变形量不低于25％。
然后再在1100～1200℃范围内进行固溶处理，保温时间30～60min，处理完成后水冷。
最后再在700～750℃范围内进行时效处理，保温时间8～12h，处理完成后水冷或空冷。
合金经固溶处理后为铁素体基体，残余奥氏体体积分数不超过5％；
合金经时效处理后颗粒状NiAl相在铁素体中晶粒内部析出，其平均直径不超过250nm且体积分数不低于10％。
合金与热膨胀系数介于铁素体钢与奥氏体钢之间，其在20～650℃的平均线膨胀系数不高于12.5×10-6/K。
合金具有良好的高温力学性能，其在650℃屈服强度不低于250MPa，延伸率不低于40％。
实施例1
本实施例的高强耐蚀合金材料，按质量百分比包括：C：0.08％，Cr：18％，Ni：4.0％，Mn：5.0％，Si：0.4％，W：2.0％，Ti：1.4％，Al：1.2％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比包括：C：0.08％，Cr：18％，Ni：4.0％，Mn：5.0％，Si：0.4％，W：2.0％，Ti：1.4％，Al：1.2％，余量为Fe
2)熔炼成型：合金采用真空冶炼，并控制合金出炉浇注温度为1650℃。完成后对铸锭在1000℃进行16h均匀化处理。合金采用热轧的方式加工变形，轧制温度1000℃，终轧温度750℃，单道次变形量30％。
3)热处理：合金固溶处理在1200℃，保温时间30min，处理完成后水冷。时效处理温度750℃，保温时间8h，处理完成后水冷。
实施例2
本实施例的高强耐蚀合金材料，按质量百分比包括：C：0.08％，Cr：18％，Ni：6.0％，Mn：5.0％，Si：0.4％，W：2.0％，Ti：1.4％，Al：1.2％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比包括：C：0.08％，Cr：18％，Ni：6.0％，Mn：5.0％，Si：0.4％，W：2.0％，Ti：1.4％，Al：1.2％，余量为Fe
2)熔炼成型：合金采用真空冶炼，并控制合金出炉浇注温度为1650℃。完成后对铸锭在1000℃进行16h均匀化处理。合金采用热轧的方式加工变形，轧制温度1000℃，终轧温度750℃，单道次变形量30％。
3)热处理：合金固溶处理在1200℃，保温时间30min，处理完成后水冷。时效处理温度750℃，保温时间8h，处理完成后水冷。
实施例3
本实施例的高强耐蚀合金材料，按质量百分比包括：C：0.08％，Cr：15％，Ni：4.0％，Mn：5.0％，Si：0.4％，W：2.0％，Ti：1.4％，Al：1.2％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比包括：C：0.08％，Cr：15％，Ni：4.0％，Mn：5.0％，Si：0.4％，W：2.0％，Ti：1.4％，Al：1.2％，余量为Fe
2)熔炼成型：合金采用真空冶炼，并控制合金出炉浇注温度为1650℃。完成后对铸锭在1000℃进行16h均匀化处理。合金采用热轧的方式加工变形，轧制温度1000℃，终轧温度750℃，单道次变形量30％。
3)热处理：合金固溶处理在1200℃，保温时间30min，处理完成后水冷。时效处理温度750℃，保温时间8h，处理完成后水冷。
实施例4
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比包括：C：0.06％，Cr：17％，Ni：4.0％，Mn：7.0％，Si：0.2％，W：1.2％，Ti：1％，Al：1％，余量为Fe
2)熔炼成型：合金采用真空冶炼，真空度不高于0.5Pa，并控制合金出炉浇注温度为1680℃。完成后对铸锭在1020℃进行24h均匀化处理。合金采用热轧的方式加工变形，轧制温度为1000℃，终轧温度为750℃，单道次变形量为30％。
3)热处理：合金固溶处理在1120℃，保温时间50min，处理完成后水冷。时效处理温度700℃，保温时间12h，处理完成后水冷。
实施例5
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比包括：C：0.07％，Cr：16％，Ni：5.0％，Mn：5.0％，Si：0.3％，W：1.5％，Ti：1％，Al：2％，余量为Fe
2)熔炼成型：合金采用真空冶炼，真空度不高于0.5Pa，并控制合金出炉浇注温度为1670℃。完成后对铸锭在1050℃进行8h均匀化处理。合金采用热轧的方式加工变形，轧制温度为1000℃，终轧温度为750℃，单道次变形量为30％。
3)热处理：合金固溶处理在1150℃，保温时间40min，处理完成后水冷。时效处理温度750℃，保温时间8h，处理完成后水冷。
实施例6
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比包括：C：0.09％，Cr：15％，Ni：6.0％，Mn：4.0％，Si：0.5％，W：1.0％，Ti：1％，Al：1.5％，余量为Fe
2)熔炼成型：合金采用真空冶炼，真空度不高于0.5Pa，并控制合金出炉浇注温度为1700℃。完成后对铸锭在1010℃进行20h均匀化处理。合金采用热轧的方式加工变形，轧制温度为1000℃，终轧温度为750℃，单道次变形量为30％。
3)热处理：合金固溶处理在1100℃，保温时间60min，处理完成后水冷。时效处理温度720℃，保温时间10h，处理完成后水冷。
对比例1
本实施例的高强耐蚀合金材料，按质量百分比包括：C：0.08％，Cr：15％，Ni：5％，Mn：10％，Si：0.4％，W：1.0％，Al：2.0％，Cu：1.0％，余量为Fe。
本实施例的制备方法包括以下步骤：
1)原料配制：成分按质量百分比包括：C：0.08％，Cr：15％，Ni：5％，Mn：10％，Si：0.4％，W：1.0％，Al：2.0％，Cu：1.0％，余量为Fe。
2)熔炼成型：合金采用真空冶炼，并控制合金出炉浇注温度为1650℃。完成后对铸锭在1000℃进行16h均匀化处理。合金采用热轧的方式加工变形，轧制温度1000℃，终轧温度750℃，单道次变形量30％。
3)热处理：合金固溶处理在1200℃，保温时间30min，处理完成后水冷。时效处理温度750℃，保温时间8h，处理完成后水冷。
图1中可以看出实施例合金主要由铁素体基体及晶界处的碳化物构成，完成时效处理后在晶内析出大量NiAl相，参见图2，其平均尺寸不超过250nm。
析出相的大量形核与生长确保了合金具备良好的高温强度性能。与NiAl相类似，Cu相在铁素体基体中析出同样具有良好的强化效果，但通过实施例与比较例的对比可见，NiAl相对屈服强度的提高具有更加明显的效果，参见表1，同时可以避免由于“铜脆”现象造成的合金加工性能恶化等问题。
表1合金650℃拉伸性能
Figure BDA0003234239820000081
热膨胀测试结果表明，合金在700℃以内具有极低的膨胀系数，参见表2，可满足热循环条件下高温承压的服役工况。
表2合金平均热膨胀系数/10-6*K-1
Figure BDA0003234239820000082
本发明首先提高合金中Cr元素含量至17％以上，以确保合金在650℃以上具备良好的抗腐蚀与抗氧化能力；同时通过促进晶内弥散分布的NiAl相形核，获得良好的析出强化效果，改善合金的高温强度性能；此外加入适量降低合金层错能的Mn元素，促进应变诱发孪晶现象提高合金室温强韧性，同时改善其加工硬化能力。最终获得一种具有良好高温强度性能与抗腐蚀/氧化能力的新型铁素体耐热钢。
本发明的合金采用真空熔炼及热轧加工的方式制备成型，热处理完成后合金由铁素体基体与晶界碳化物构成，晶内弥散分布颗粒状NiAl相，其平均直径不超过250nm。合金在20～650℃的平均线膨胀系数不高于12.5×10-6/K。合金具有良好的高温力学性能，其在650℃屈服强度不低于250MPa，延伸率不低于40％。

Claims (4)

1.一种NIAL强化型铁素体耐热钢，其特征在于，按质量百分比计，组成为C：0.06～0.09%，Cr：15～18%，Ni：4～6%，Mn：4～7%，Si：0.2～0.5%，W：1.0～2.0%，Ti+Al：2.0～3.0%，Al：1～2%，Cu：≤0.3%，余量为Fe，该合金由铁素体基体与晶界碳化物构成，晶内弥散分布颗粒状NiAl相；Ti+Al表示Ti与Al的总的质量百分数；
该合金在20～650℃的平均线膨胀系数不高于12.5×10-6/K；
该合金在650℃屈服强度不低于250MPa，延伸率不低于40%；
该耐热钢的制备方法为：
在真空下冶炼，得到铸锭；其中，Ti+Al表示Ti与Al的总的质量百分数；
将铸锭进行均匀化处理，然后采用热轧的方式加工变形后进行固溶处理，处理完成后水冷；
最后，在700～750℃下进行时效处理8～12h，处理后水冷或空冷；其中，固溶处理的温度为1100～1200℃，时间为30～60min；
时效处理的温度为700～750℃，时间为8～12h；
均匀化处理的温度不高于1050℃，时间为8～24h。
2.根据权利要求1所述的一种NIAL强化型铁素体耐热钢，其特征在于，冶炼时，真空度不高于0.5Pa，出炉浇注的温度不低于1650℃。
3.根据权利要求1所述的一种NIAL强化型铁素体耐热钢，其特征在于，变形温度不低于750℃，单道次变形量不低于25%。
4.根据权利要求1所述的一种NIAL强化型铁素体耐热钢，其特征在于，经固溶处理后合金为铁素体基体，残余奥氏体体积百分数不超过5%。
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