專利名稱：超超臨界火電機組汽輪機葉片用耐熱鋼及制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種超超臨界火電機組汽輪機葉片用耐熱鋼及制造方法，屬于金屬材料技術(shù)領域。
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?，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耐熱鋼及制造方法，其技術(shù)方案為一種超超臨界火電機組汽輪機葉片用耐熱鋼，其特征在于其化學組成以質(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. 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、銅1. 0-3. 0、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，然后將鋼錠進行鍛造，最后進行熱處理，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MX型碳氮化物強化相以納米尺寸形式析出。但當質(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。銅奧氏體形成元素，抑制高溫δ-鐵素體形成，同時還具有彌散析出強化作用和提高耐蝕性，但銅含量過高會降低鋼的沖擊韌性，因此本發(fā)明鋼中銅的質(zhì)量百分比控制在 1. 0 3. 0%之間。鉬和鎢起固溶強化的作用，同時還有促進MX型碳氮化物以納米形式析出的作用。但過多會導致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2. 4 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. 18%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. 01%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?；鼗饻囟群突鼗饡r間回火的目的是使淬火馬氏體分解，提高組織的穩(wěn)定性，同時獲得細小的M23C6型碳化物和納米尺寸MX型碳氮化物以及納米尺寸的銅顆粒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，通過優(yōu)化碳、鈷、錳、鎳、鎢、鉬、鈮、 釩，并添加銅元素進行彌散強化，鋯和硼元素對晶界和板條界強化，經(jīng)過優(yōu)化的制備工藝處理后，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。
具體實施例方式表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。其制作方法均為采用真空感應爐將構(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行鍛造獲得Φ 20mm棒材，經(jīng)表2所述對應的熱處理工藝進行熱處理后，加工成標準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到140MPa。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耐熱鋼，其特征在于其化學組成以質(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. 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、銅1. 0-3. 0、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，然后將鋼錠進行鍛造，最后進行熱處理，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1_濁空冷。
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耐熱鋼，其特征在于其化學組成以質(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0.010～0.019、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、銅1.0-3.0、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，然后將鋼錠進行鍛造，最后進行熱處理，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C21D1/18GK102517517SQ20111045150
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, 鋼鐵研究總院