專利名稱：超超臨界火電機組汽輪機葉片用鐵素體耐熱鋼及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超超臨界火電機組汽輪機葉片用鐵素體耐熱鋼及制造方法，屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為提高火力發(fā)電機組的效率，降低(X)2氣體的排放，其關(guān)鍵是提高火力發(fā)電機組的蒸汽參數(shù)，即提高蒸汽的溫度和壓力，但是參數(shù)的提高程度主要取決于所用材料。12Cr系鐵素體耐熱鋼在淬火回火狀態(tài)下的顯微組織為回火板條馬氏體，在原奧氏體晶界和馬氏體板條界分布有M23C6型碳化物，在板條界和板條內(nèi)含有高密度的MX型納米析出相，因而除具有較高的耐蝕性外，還具有較高的熱強性、韌性和冷變形性能，能在濕蒸汽及一些酸堿溶液中長期運行，且其減振性是已知鋼中最好的，因此是主要的葉片材料。目前，使用的葉片材料主要是12Cr-lMo、12Cr-lMo-V、12Cr-lMo-V-W等。日本三菱公司開發(fā)了 12Cr系鐵素體系耐熱鋼用于蒸汽溫度為593°C葉片。東芝公司在565°C主要采用12CrMoVNbN，在593°C采用改進(jìn)型的12% Cr鋼12CrMoVNbNW。更高蒸汽溫度使用的12% Cr鐵素體葉片鋼正在開發(fā)、試驗中，并不斷改進(jìn)?，F(xiàn)有的汽輪機葉片材料還不能滿足蒸汽溫度為620°C條件下的性能要求。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能克服上述缺陷、工作性能優(yōu)良的超超臨界火電機組汽輪機葉片用鐵素體耐熱鋼及制備方法，其技術(shù)方案為
一種超超臨界火電機組汽輪機葉片用鐵素體耐熱鋼，其特征在于其化學(xué)組成以質(zhì)量百分比計為鉻10. 0 12. 0、鉬0. 1 0. 6、鎢2. 4 3. 0、鈷1. 0 4. 0、鎳0 0. 5、 猛0. 2 1. 0、氮0. 010 0. 019、釩0. 10 0. 30、鈮0. 03 0. 10、鈦0. 005 0. 015、 碳0. 06 0. 15，硼0. 008 0. 015、鋯0. 002 0. 01 %，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
所述的超超臨界火電機組汽輪機葉片用鐵素體耐熱鋼的制造方法，將構(gòu)成元素的原料組成物依次經(jīng)熔煉、澆注，得到耐熱鋼鋼錠，然后將鋼錠進(jìn)行鍛造，最后進(jìn)行熱處理，其特征在于熱處理工藝為1050-1150°C保持0. 5-lh油冷，720_790°C保持l_2h空冷。
下面對規(guī)定各構(gòu)成元素含量范圍的理由解釋如下
碳與鉻結(jié)合形成M23C6S碳化物強化相，與釩、鈮、鈦等元素結(jié)合形成MX型碳氮化物強化相。碳同時還是奧氏體形成元素，擬制高溫S-鐵素體的形成。但過高的碳含量也會抑制MX型碳氮化物相以納米尺寸析出，故本發(fā)明鋼中，碳的質(zhì)量百分比控制在0. 06% 0. 15%之間。
氮同碳一起與釩、鈮、鈦、鋯等元素結(jié)合形成MX型碳氮化物強化相，促進(jìn)MX型碳氮化物強化相以納米尺寸形式析出。但當(dāng)質(zhì)量百分比超過0.019%時，高溫長期服役過程中會析出粗大富鉻、鈮和釩的復(fù)雜氮化物相，即Z相。由于Z相和MX型納米析出相的構(gòu)成元素中都含有釩和鈮，所以Z相的形成以消耗MX納米析出相為代價，加速高溫強度的退化。因此，本發(fā)明鋼中，氮的質(zhì)量百分比控制在0. 010 0. 019%之間。
鉻提高耐蝕性和抗氧化性，形成禮3(6型碳化物強化相。當(dāng)質(zhì)量百分比超過12%， 熱處理時容易形成δ-鐵素體，降低蠕變斷裂強度。為保證既具有良好的耐蝕性和抗氧化性，又不損害高溫蠕變斷裂強度，本發(fā)明鋼中鉻的質(zhì)量百分比規(guī)定在10. 0 12. 0%之間。
鈷奧氏體形成元素，抑制高溫δ-鐵素體形成，對提高蠕變斷裂強度有利，但增加成本，盡量限制使用。本發(fā)明鋼中鈷的質(zhì)量百分比規(guī)定在1. 0 4. 0%之間。
鎳奧氏體形成元素，抑制高溫δ-鐵素體形成，但會降低鋼的臨界點，使蠕變斷裂強度降低，同時還增加成本，因此本發(fā)明鋼中鎳的質(zhì)量百分比控制在0. 5%以下或不加ο
錳奧氏體形成元素，抑制高溫δ -鐵素體形成，但含量過高，會降低蠕變斷裂強度，因此本發(fā)明鋼中錳的質(zhì)量百分比控制在0. 2 1. 0%之間。
鉬和鎢起固溶強化的作用，同時還有促進(jìn)MX型碳氮化物以納米形式析出的作用。但過多會導(dǎo)致S-鐵素體形成，降低強度和韌性。因此，本發(fā)明鋼中，鎢的質(zhì)量百分比控制在M 3. 0%之間，鉬的質(zhì)量百分比控制在0. 1 0. 6%之間。
釩與鈮、鈦和鋯一起形成MX型納米碳氮化物強化相。其含量低于0. 10%時，不足以在鋼的基體中形成高密度的MX型納米強化相，但質(zhì)量百分比超過0. 30%時，容易形成粗大碳氮化物，降低蠕變斷裂強度。因此本發(fā)明鋼中，釩的質(zhì)量百分比控制在0. 10 0. 30% 之間。
鈮與釩、鈦和鋯一起形成MX型納米碳氮化物強化相。其質(zhì)量百分比低于0. 03% 時，不足以在鋼的基體中形成高密度的MX型納米強化相，但質(zhì)量百分比超過0. 10%時， 容易形成粗大碳氮化物，降低蠕變斷裂強度。因此本發(fā)明鋼中，鈮的質(zhì)量百分比控制在 0. 03 0. 10%之間。
鈦鈦除與釩、鈮和鋯一起形成MX型納米碳氮化物強化相外，還有穩(wěn)定MX相和抑制有害的Z-相形成的作用。但質(zhì)量百分比超過0.015%時，容易形成粗大碳氮化物，降低蠕變斷裂強度。因此本發(fā)明鋼中，鈦的質(zhì)量百分比控制在0. 005 0. 015%之間。
鋯除與釩、鈮和鈦一起形成MX型納米碳氮化物強化相外，還有在晶界和板條界偏聚，起強化晶界和板條界的作用，但鋯含量超過0.010%時，會形成粗大的鋯的碳化物和氧硫化物夾雜，降低高溫蠕變強度。因此本發(fā)明鋼中，鋯的質(zhì)量百分比控制在0. 002 0. 010%之間。
硼有穩(wěn)定M23C6型碳化物的作用，還有在晶界和板條界偏聚，起強化晶界和板條界的作用，因而顯著提高蠕變斷裂強度。但過高的硼含量，會形成硼化物，降低蠕變斷裂強度，而且對熱加工工藝不利。本發(fā)明鋼中，硼的質(zhì)量百分比控制在0. 008 0. 015%之間。
本發(fā)明熱處理工藝參數(shù)的選擇理由如下
淬火溫度和保溫時間淬火的目的是為了將粗大的M23C6型碳化物和MX型碳氮化物溶解到奧氏體中，以便在淬火后的回火過程中析出細(xì)小的M23C6型碳化物和納米尺寸的 MX型碳氮化物。淬火溫度低于1050°C，碳化物和碳氮化物溶解不充分，不利于高溫蠕變強度的提高，淬火溫度高于1150°C，晶粒尺寸長大，降低鋼的沖擊韌度。因此，本發(fā)明優(yōu)化的淬火工藝參數(shù)為1050-1150°C保持0. 5-lh油冷。
回火溫度和回火時間回火的目的是使淬火馬氏體分解，提高組織的穩(wěn)定性，同時獲得細(xì)小的M23C6型碳化物和納米尺寸MX型碳氮化物來提高鋼的高溫蠕變強度?；鼗饻囟鹊陀?20°C，馬氏體分解不完全，使組織不穩(wěn)定，溫度高于790°C會使淬火馬氏體板條再結(jié)晶，降低高溫蠕變強度。因此，本發(fā)明優(yōu)化的回火工藝參數(shù)為720-790°C保持1- 空冷。
本發(fā)明鋼的優(yōu)點
本發(fā)明鋼以10 12Cr鐵素體耐熱鋼為基礎(chǔ)，通過優(yōu)化碳、鈷、錳、鎳、鎢、鉬、鈮、釩和Ti，并利用鋯和硼元素對晶界和板條界強化，經(jīng)過優(yōu)化的制造工藝處理后，不僅具有高的抗蒸汽腐蝕能力，還具有高的抗蠕變能力，可用做620°C以上高溫蒸汽參數(shù)的超超臨界火電機組汽輪機葉片材料。
具體實施方式
表1列出了成分在本發(fā)明規(guī)定成分范圍內(nèi)的14種耐熱鋼和不在本發(fā)明規(guī)定成分的4種比較鋼。其制作方法均為采用真空感應(yīng)爐將構(gòu)成元素的原料組成物依次經(jīng)熔煉、澆注，得到耐熱鋼鋼錠，然后將該耐熱鋼鋼錠進(jìn)行鍛造獲得Φ 20mm棒材，經(jīng)表2所述對應(yīng)的熱處理工藝進(jìn)行熱處理后，加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸蠕變試樣和夏氏V型缺口沖擊試樣，然后做室溫拉伸和沖擊試驗以及在600-700°C之間的持久斷裂試驗，根據(jù)持久試驗結(jié)果，利用 Larson-Miller參數(shù)法估算620°C、10萬小時條件下的持久斷裂強度。測試結(jié)果見表2。從表2可以看出，本發(fā)明耐熱鋼具有良好的強韌性和明顯的高的高溫持久斷裂強度，620°C、 10萬小時條件下的持久斷裂強度達(dá)到130MPa。
蒸汽壓力為^5-35MPa，蒸汽溫度為620°C的超超臨界機組對葉片材料的力學(xué)性能要求是室溫下，抗拉強度Rm彡833MPa，屈服強度Rpa2彡619MPa，伸長率A彡14%，沖擊功 Akv彡IOJ ；620°C、10萬小時條件下的持久斷裂強度大于lOOMPa?？梢?，本發(fā)明耐熱鋼完全滿足620°C以上超超臨界火電機組汽輪機用葉片材料的要求。
表 權(quán)利要求
1.一種超超臨界火電機組汽輪機葉片用鐵素體耐熱鋼，其特征在于其化學(xué)組成以質(zhì)量百分比計為鉻:10. 0 12. 0、鉬0. 1 0. 6、鎢2. 4 3. 0、鈷1. 0 4. 0、鎳0 0. 5、 猛0. 2 1. 0、氮0. 010 0. 019、釩0. 10 0. 30、鈮0. 03 0. 10、鈦0. 005 0. 015、 碳0. 06 0. 15，硼0. 008 0. 015、鋯0. 002 0. 01 %，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的超超臨界火電機組汽輪機葉片用鐵素體耐熱鋼的制造方法，將構(gòu)成元素的原料組成物依次經(jīng)熔煉、澆注，得到耐熱鋼鋼錠，然后將鋼錠進(jìn)行鍛造，最后進(jìn)行熱處理，其特征在于熱處理工藝為1050-1150°C保持0. 5-lh油冷，720_790°C保持l_2h 空冷。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超超臨界火電機組汽輪機葉片用鐵素體耐熱鋼，其特征在于其化學(xué)組成以質(zhì)量百分比計為鉻10.0～12.0、鉬0.1～0.6、鎢2.4～3.0、鈷1.0～4.0、鎳0～0.5、錳0.2～1.0、氮0.01～0.06、釩0.10～0.30、鈮0.03～0.10、鈦0.005～0.015、碳0.06～0.15，硼0.008～0.015、鋯0.002～0.01％，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)；其制造方法為將構(gòu)成元素的原料組成物依次經(jīng)熔煉、澆注，得到耐熱鋼鋼錠，然后將鋼錠進(jìn)行鍛造，最后進(jìn)行熱處理，其特征在于熱處理工藝為1050-1150℃保持0.5-1h油冷，720-790℃保持1-2h空冷。該耐熱鋼在高溫下的抗腐蝕性和抗蠕變性能良好，高溫長期使用過程中組織穩(wěn)定，可用作620℃以上超超臨界火電機組汽輪機用葉片材料。
文檔編號C22C38/54GK102517508SQ20111045316
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者劉正東, 包漢生, 楊鋼, 殷鳳仕, 王立民 申請人:山東理工大學(xué), 鋼鐵研究總院