一種含稀土的高鐵鎳鐵基雙相合金的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種含稀土的高鐵鎳鐵基雙相合金，包括以下化學(xué)成分：C、Cr、Fe、Al、Si、Ti、Nb、Mo、W、Mn、Y以及Ni；其中，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)，0<C<0.1％、18％≤Cr≤25％、25％≤Fe≤40％、0.8％≤Al≤1.5％、0.01％≤Si≤0.08％、1％≤Ti≤2.5％、1％≤Nb≤2％、0≤Mo≤1％、0<W≤1％、0≤Mn≤1％、0≤Y≤0.15％，余量為Ni。本發(fā)明可用于艦船鍋爐過(guò)/再熱器、燃煤電廠(chǎng)鍋爐的過(guò)/再熱器，通過(guò)添加稀土元素及優(yōu)化設(shè)計(jì)合金中的耐蝕元素，使合金在850℃以下具有較低的氧化速率以及較高的抗氧化膜剝落能力。此外，該合金還具有較好的強(qiáng)度，生產(chǎn)成本低，具有明顯的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種含稀土的高鐵鏡鐵基雙相合金
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種稀土鎳鐵基合金，具體涉及一種含稀土的高鐵鎳鐵基雙相合金。技術(shù)背景
[0002]目前，我國(guó)600°C超超臨界發(fā)電技術(shù)水平和建成機(jī)組都占據(jù)世界首位。為解決急增的用電需求、日益凸顯的能源緊缺及環(huán)境污染問(wèn)題，在600°C超超臨界發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高火電機(jī)組蒸汽參數(shù)(溫度和壓力)已成為必然的趨勢(shì)。
[0003]然而，在600°C機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，材料(主要為粗晶、細(xì)晶18Cr_8Ni不銹鋼及高Cr奧氏體耐熱鋼)的蒸汽側(cè)氧化是不可忽視的問(wèn)題。高溫水蒸汽下過(guò)/再熱器管內(nèi)壁形成氧化膜，首先導(dǎo)致承受壓力的有效壁厚減薄，使管易發(fā)生蠕變斷裂。其次，低熱傳導(dǎo)率的氧化膜對(duì)管起到一定的屏蔽作用，導(dǎo)致超溫。再者，在鍋爐啟停時(shí)，由于與合金的熱膨脹系數(shù)差別較大，氧化膜易發(fā)生剝落，剝落的氧化膜一方面會(huì)堵塞過(guò)/再熱器管從而引發(fā)爆管，另一方面被高流速的蒸汽攜帶出，沖蝕高、中壓段汽輪機(jī)葉片。大量的實(shí)踐表明，由氧化膜剝落導(dǎo)致的氣流受阻并引發(fā)的長(zhǎng)期過(guò)熱是鍋爐管失效及電站效益降低的主要原因之一?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著蒸汽參數(shù)的不斷提高(如溫度達(dá)700°C )，由氧化膜的生長(zhǎng)和剝落導(dǎo)致的鍋爐管失效問(wèn)題將更為凸顯。這是因?yàn)?，更高溫度時(shí)過(guò)/再熱器管材的氧化將更為嚴(yán)重:氧化膜的形成和生長(zhǎng)速度都將大幅提高，管內(nèi)壁將形成更厚的氧化膜；隨著厚度增加，氧化膜的剝落傾向加大。
[0004]為保證超超臨界鍋爐過(guò)/再熱器管的正常運(yùn)行，以及實(shí)現(xiàn)更高蒸汽參數(shù)的火力發(fā)電技術(shù)，必須開(kāi)發(fā)出具備優(yōu)良抗氧化能力的合金，即合金應(yīng)具備氧化速率低、形成的氧化膜與基體金屬的粘附性能好這兩個(gè)重要特征。
[0005]目前，針對(duì)超超臨界電站鍋爐高溫部件用材料的研發(fā)，多從增加Cr含量的角度來(lái)改善合金的抗高溫氧化性能。如Ni基合金Haynes230、Inconel740H中Cr含量高達(dá)25wt.%。這些合金抗蝕性強(qiáng)，但難以加工、焊接性能差、成本高。與之相反，成本較低且易加工的N1-Fe基合金如GH2984雖含19wt.%的Cr，仍不滿(mǎn)足抗蝕性的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供了一種含稀土的高鐵鎳鐵基雙相合金，該高鐵鎳鐵基雙相合金具有較好的強(qiáng)度，在850°C以下具有良好的抗氧化性能以及抗腐蝕能力。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明該高鐵鎳鐵基雙相合金包括以下化學(xué)成分:C、Cr、Fe、Al、S1、T1、Nb、Mo、W、Mn、Y 以及 Ni ;其中，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)，0〈C〈0.1%U8%≤ Cr ≤25%,25%≤ Fe≤ 40%,0.8%≤ Al ≤ 1.5%,0.01 % ≤ Si ≤ 0.08 %,1 %≤ Ti ≤ 2.5 %,1 %≤Nb≤ 2%,O ≤ Mo ≤ 1%,0 ≤ W ≤ 1%,0 ≤ Mn ≤ 1%,0<Y ≤ 0.15%，余量為 Ni。
[0008]該高鐵鎳鐵基雙相合金中包含Y相和相，Y '相為Ni3 (Al，Ti)，且Y '相占高鐵鎳鐵基雙相合金總體積的14% -20%。
[0009]所述的Y的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05% -0.1 %。[0010]所述的Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25% -35%。
[0011]所述的Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% -25%。
[0012]0.2%≤ Mo ≤ 1%、0.4%≤ W ≤ 1%、0.2%≤ Mn ≤ 1%。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0014]首先，本發(fā)明合金中的Cr是保證合金在高溫環(huán)境中具有良好抗氧化性能的最重要的元素。而且隨著Cr含量增加，本發(fā)明合金的耐腐蝕性能增強(qiáng)。本發(fā)明合金中的Al在提高合金抗高溫氧化性能中起到重要的作用。當(dāng)Cr含量相同時(shí)，Al含量高的合金其抗氧化性能明顯優(yōu)于A(yíng)l含量較低的合金。鑒于此，本發(fā)明的合金中添加了質(zhì)量含量不低于0.8%的Al，但Al的質(zhì)量含量不大于1.5%，這是因?yàn)檫^(guò)高的Al含量將使合金的塑韌性惡化，降低合金的熱加工性能與焊接性能。本發(fā)明中Si與Al的作用相似，Si主要通過(guò)兩方面來(lái)提高N1-Fe基合金的抗高溫氧化性能，即:①當(dāng)Si的含量足夠高時(shí)，在氧化膜與金屬基體間形成SiO2非晶層，其缺陷濃度低，可起到很好的擴(kuò)散障作用；②優(yōu)先形成的SiO2可為Cr2O3提供形核質(zhì)點(diǎn)，從而促進(jìn)Cr2O3的快速生長(zhǎng)。此外，經(jīng)過(guò)研究表明，適量Si的加入還可提高Cr2O3膜的粘附性。然而，與Al—樣，Si質(zhì)量含量過(guò)高時(shí)會(huì)降低N1-Fe基合金的塑韌性。鑒于此，本發(fā)明合金中Si的質(zhì)量含量應(yīng)控制在0.01% -0.08%。
[0015]然后，本發(fā)明合金內(nèi)還添加微量的稀土元素Y，Y能夠在降低Cr2O3膜的生長(zhǎng)速度的同時(shí)，顯著的改善Cr2O3膜與基體的粘附性，提高Cr2O3膜的抗剝落性能，從而提高合金的抗高溫氧化性能和耐蝕性。而且，本發(fā)明通過(guò)加入Y也能夠改善其熱加工性能。但是，由于稀土的價(jià)格較為昂貴，而且稀土質(zhì)量含量過(guò)高時(shí)，將于晶界處析出，誘發(fā)顯微裂紋，因此，本發(fā)明合金中Y的質(zhì)量含量≤0.15%。
[0016]最后，為提高本發(fā)明合金的高溫強(qiáng)度，除加入Al外，本發(fā)明的合金中還添加了 Ti和Nb作為析出相強(qiáng)化元素。此外，本發(fā)明還將W和Mo作為固溶強(qiáng)化元素添加到合金中。但Mo的含量應(yīng)適宜，避免出現(xiàn)災(zāi)害性的氧化，因此，本發(fā)明控制Mo的質(zhì)量含量在O~1%。本發(fā)明加入的C能夠與Cr、T1、W等形成碳化物，降低合金的抗氧化性能，因此，本發(fā)明合金中C的質(zhì)量含量小于0.1 %。
[0017]進(jìn)一步，本發(fā)明合金中添加了質(zhì)量含量為25-35%的Fe以降低合金中的成本。
[0018]進(jìn)一步，當(dāng)Cr含量增至20%以上時(shí)，本發(fā)明N1-Fe基合金的力學(xué)性能將因組織變化而劣化。而對(duì)于高Fe (質(zhì)量含量大于30% )的N1-Fe合金系而言，當(dāng)Cr質(zhì)量含量高于20%時(shí)，α-Cr相析出。因此，雖然高Cr含量雖能夠使N1-Fe基合金滿(mǎn)足所需抗氧化能力，但卻很難滿(mǎn)足力學(xué)性能和長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性的要求。所以，本發(fā)明將合金中的Cr質(zhì)量含量控制在20-25 %，更優(yōu)化含量為22-25 %，以使本發(fā)明的合金滿(mǎn)足抗氧化能力的要求，又滿(mǎn)足力學(xué)性能和長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性的要求。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為合金在750°C空氣中的恒溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)；其中，a為實(shí)施例3，b為實(shí)施例4，c為實(shí)施例2，d為對(duì)比例1，e為對(duì)比例2, f為HR3C，g為GH2984 ；
[0020]圖2為合金在750°C空氣中的循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)；其中，a為實(shí)施例2，b為對(duì)比例 2，c 為 HR3C?！揪唧w實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明含稀土的高鐵鎳鐵基雙相合金包括以下化學(xué)成分:C、Cr、Fe、Al、S1、T1、Nb、Mo、W、Mn、Y 以及 Ni ;其中，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)，0〈C〈0.Cr ( 25%,25%^ Fe ( 40%,
0.8 % ^ Al ^ 1.5 0.01 % ^ Si ^ 0.08 %,1 % ^ Ti ^ 2.5 %,1 % ^ Nb ^ 2
O ^ Mo ^ 1 ^ W ^ 1 ^ Mn ^ 1 ^ Y ^ 0.15%，余量為 Ni。
[0022]具體的，該高鐵鎳鐵基雙相合金中包含Y相和相，Y'相為Ni3(Al，Ti)，且
Y'相占高鐵鎳鐵基雙相合金總體積的14% -20%。
[0023]具體的，所述的Y的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05% -0.1%。
[0024]具體的，所述的Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25% -35%。
[0025]具體的，所述的Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% -25%。
[0026]具體的，0.2%≤ Mo ≤ 1%、0.4%≤ W ≤ 1%、0.2%≤ Mn ≤ 1%。
[0027]根據(jù)含稀土的高鐵鎳鐵基雙相合金的化學(xué)成分范圍，給出了稀土鎳鐵基合金的制備方法:將單質(zhì)的Cr、Fe、Al、S1、T1、Nb、Mo、W、Mn、Ni以及Al-Y金屬間化合物按上述比例以顆粒形式加入真空感應(yīng)爐中熔煉后澆注成錠，并進(jìn)行熱處理，即得到含稀土的高鐵鎳鐵基雙相合金；其中，熱處理制度為:1100°C X Ih/空冷+760°C X8h/爐冷+650°C X 16h/空冷。
[0028]本發(fā)明在750°C、100h空氣中的氧化增重≤0.01g/m2hr, 100h純水蒸汽中的氧化增重< 0.01g/m2hr，合金的氧化動(dòng)力學(xué)遵循拋物線(xiàn)規(guī)律。750°C循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)遵循拋物線(xiàn)規(guī)律，熱-冷循環(huán)過(guò)程中偏離拋物線(xiàn)的百分比不高于100%。因此，本發(fā)明可改善鍋爐過(guò)再熱器管道內(nèi)壁氧化皮易脫落、堵塞的問(wèn)題。本發(fā)明還可用于艦船鍋爐過(guò)/再熱器、燃煤電廠(chǎng)鍋爐的過(guò)/再熱器，通過(guò)添加稀土元素及優(yōu)化設(shè)計(jì)合金中的耐蝕元素，使合金在850°C以下具有較低的氧化速率以及較高的抗氧化膜剝落能力。此外，該合金還具有較好的強(qiáng)度，生產(chǎn)成本低，具有明顯的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]表1是實(shí)施例1-7的合金、對(duì)比例I的合金、對(duì)比例2的合金、合金GH2984以及合金HR3C的化學(xué)成分組成(化學(xué)成分組成以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))；其中，實(shí)施例1、2的合金為鑄態(tài)，合金GH2984和HR3C為軋制態(tài)。
[0030]表1實(shí)施例合金、對(duì)比例合金、合金GH2984以及合金HR3C的化學(xué)成分組成
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種含稀土的高鐵鎳鐵基雙相合金，其特征在于，該高鐵鎳鐵基雙相合金包括以下化學(xué)成分:c、Cr、Fe、Al、S1、T1、Nb、Mo、W、Mn、Y 以及 Ni ;其中，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)，0〈C〈0.1%,18%^ Cr ^ 25%,25% ^ Fe ^ 40%,0.8%^ Al ^ 1.5%,0.01 % ^ Si ^ 0.08 %,1 %^ Ti ^ 2.5%U%^ Nb ^ 2%,O ^ Mo ^ IO ^ff ^ IO ^ Mn ^ 1%,0<Y ^ 0.15%,余量為Ni。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含稀土的聞鐵鎮(zhèn)鐵基雙相合金，其特征在于:該聞鐵鎮(zhèn)鐵基雙相合金中包含Y相和Y '相，Y '相為Ni3 (Al，Ti)，且Y丨相占高鐵鎳鐵基雙相合金總體積的14% -20%ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含稀土的高鐵鎳鐵基雙相合金，其特征在于:所述的Y的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05% -0.1%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含稀土的高鐵鎳鐵基雙相合金，其特征在于:所述的Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25% -35%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含稀土的高鐵鎳鐵基雙相合金，其特征在于:所述的Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% -25%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述的含稀土的高鐵鎳鐵基雙相合金，其特征在于:0.2%≤ Mo ≤ 1%、0.4%≤ W ≤ 1%、0.2%≤ Mn ≤ 1%。
【文檔編號(hào)】C22C19/05GK104018029SQ201410216377
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月21日
【發(fā)明者】楊珍, 魯金濤, 趙新寶, 黨瑩櫻, 尹宏飛, 袁勇, 嚴(yán)靖博 申請(qǐng)人:西安熱工研究院有限公司