本發(fā)明屬于電站金屬材料領(lǐng)域，具體為一種高強(qiáng)低膨脹高溫合金。
背景技術(shù)：
對(duì)于燃煤火力發(fā)電機(jī)組，提高蒸汽參數(shù)可以顯著提高機(jī)組熱效率、降低煤耗、減少碳氮化物廢氣排放等。目前運(yùn)行的超超臨界火電機(jī)組的蒸汽參數(shù)已達(dá)到了620℃，目前正在向650℃/30MPa、700℃/35MPa及更高參數(shù)發(fā)展。對(duì)于650℃機(jī)組，由于是近年提出的新型機(jī)組，其汽輪機(jī)關(guān)鍵部件還沒有合適的材料，特別是螺栓和葉片等部件用低膨脹高溫金屬材料缺乏。高溫金屬材料是高參數(shù)機(jī)組的基礎(chǔ)，開發(fā)出性能優(yōu)良的高強(qiáng)低膨脹高溫合金才能制造出滿足高參數(shù)機(jī)組的發(fā)電設(shè)備。
汽輪機(jī)用低膨脹高溫合金要求合金在高溫下具有優(yōu)良的高溫性能、較低的熱膨脹性能、抗氧化性等，同時(shí)兼具較低的成本，以降低電站的建設(shè)投入。目前600℃超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)用的低膨脹合金中耐熱鋼有12CrMoVNbNW、X19CrMoNBVN11-1等，鎳基合金有R26(Fe基-36Ni-17Cr-18.5Co-2.6Mo-18.5Cr-2.7Ti)、Inconel783(Ni基-25Fe-3Cr-5.5Al-34Co-3.5Nb)、Inconel718(Ni基-18Fe-18Cr-3.0Mo-5.4Nb-0.6Al-0.9Ti)、Nimonic80A(Ni基-0.8Fe-19.5Cr-2.3Ti-1.4Al)等。耐熱鋼具有較低的熱膨脹系數(shù)，但650℃已達(dá)到此類合金服役的溫度上限。R26合金的熱膨脹系數(shù)較大，抗應(yīng)力腐蝕能力差，含有較多的貴重元素鈷，不適合用作超臨界機(jī)組的緊固件。Inconel783合金在650℃以下具有較低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的高溫性能和抗氧化性，但存在應(yīng)力加速晶界氧化問題，在600℃汽輪機(jī)運(yùn)行中頻頻出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了電站運(yùn)行的安全性，同時(shí)合金原料成本較高。Inconel718合金是美國GE公司大量使用的汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)螺栓用材料，其室溫強(qiáng)度超過1300MPa，由于該合金和汽缸的熱膨脹系數(shù)相差很大和缺口敏感性，發(fā)生了多起聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽缸螺栓斷裂事故。Nimonic80A合金在650℃時(shí)的熱膨脹系數(shù)超過15×10-6，同時(shí)其在650℃的長期性能和組織穩(wěn)定性還需進(jìn)一步的考核。汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中要求部件緊密結(jié)合，螺栓材料的高熱膨脹系數(shù)會(huì)降低氣缸的密封性；葉片材料高的膨脹系數(shù)會(huì)導(dǎo)致服役的葉片伸長，發(fā)生刮蹭和降低效率，影響汽輪機(jī)的性能。
鎳基高溫合金由于具有較高的力學(xué)性能和抗氧化性能，是高參數(shù)超超臨界機(jī)組關(guān)鍵部件重要的候選合金之一。該類合金通常含有較高的金屬元素Co、Nb、W等獲得固溶強(qiáng)化，加入Ti、Al等形成沉淀強(qiáng)化，加入較高的Cr和Al提高合金的抗氧化能力；但通常鎳基高溫合金存在熱膨脹系數(shù)高、長期組織穩(wěn)定性差、成本價(jià)格昂貴等問題，限制了其使用，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對(duì)650℃級(jí)超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)對(duì)低膨脹高溫合金的需求，提出一種熱膨脹系數(shù)低、綜合性價(jià)比高的高強(qiáng)低膨脹高溫合金。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種高強(qiáng)低膨脹高溫合金，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，該合金的化學(xué)成分組成包括：10％≤Cr≤18％，10.5％≤Fe≤19％，Ti≥1.3％，Al≥1.2％，Mo≥3％，0.2％≤W≤4％，0.1％≤Si≤0.8％，0.1％≤Mn≤0.8％，C≥0.02％，0.002≤B≤0.02％，其余量為Ni。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，該合金的化學(xué)成分組成包括：12％≤Cr≤18％，10.5％≤Fe≤16％，Ti≥1.3％，Al≥1.2％，Mo≥3％，1％≤W≤3％，0.2％≤Si≤0.6％，0.1％≤Mn≤0.6％，C≥0.02％，0.002≤B≤0.02％，其余量為Ni。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，該合金中Ti與Al的總的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2.5～4％。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，Ti與Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足1≤Ti/Al≤1.4。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，該合金中W與Mo的總的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4～12％。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，該合金中C與B的總的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.02～0.15％。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：本發(fā)明鎳基高溫合金的基體為奧氏體，晶內(nèi)主要利用沉淀強(qiáng)化相γ'(Ni3(Ti、Al))進(jìn)行析出沉淀強(qiáng)化，利用Cr、W、Mo等形成固溶強(qiáng)化；晶界利用M23C6型碳化物進(jìn)行晶界強(qiáng)化。添加的Ti、Al與Ni結(jié)合為γ'相形成析出沉淀強(qiáng)化，通常γ'相的體積分?jǐn)?shù)隨合金中加入的Ti+Al的含量而增加，相應(yīng)的合金強(qiáng)度會(huì)有所提高；但過高的Ti含量會(huì)形成η有害相，降低合金的強(qiáng)度；同時(shí)一定的Al含量可以提高抗氧化能力；因此需對(duì)Ti和Al的含量進(jìn)行優(yōu)化控制。利用Cr和Al在高溫環(huán)境中形成致密的(Cr,Al)2O3氧化物附著在合金表面，阻止合金的進(jìn)一步氧化，提高合金的抗氧化能力；但Cr含量過高，一方面會(huì)顯著提高合金的熱膨脹系數(shù)，同時(shí)可促進(jìn)拓?fù)涿芘庞泻ο嗟奈龀?，Cr含量要限制在相應(yīng)較低的范圍內(nèi)。
W、Mo是重要的固溶強(qiáng)化元素，同時(shí)其復(fù)合添加可以顯著降低合金的熱膨脹系數(shù)；但過量重元素W的添加，容易造成合金熔煉時(shí)形成嚴(yán)重的偏析，損害合金的性能；過高M(jìn)o元素會(huì)形成易揮發(fā)的氧化物，不利于提高合金的抗高溫氧化性能；同時(shí)W、Mo含量過高，容易形成σ等有害相，因此要對(duì)W、Mo總量控制為4～12％。
加入適量的C、B微量元素來提高晶界強(qiáng)度。C主要形成晶界的M23C6型碳化物，釘軋晶界的滑移，偏聚于晶界降低晶界的自由能；但過高含量的C能促進(jìn)大量一次碳化物MC的形成，降低合金的性能，所以本發(fā)明中C≥0.02％。B元素可以偏聚在晶界，有效增強(qiáng)晶界的結(jié)合力，加入適量的B可以提高合金的高溫力學(xué)性能。適量的Si和Mn可以減少合金熔煉時(shí)的氧化，而Mn是穩(wěn)定合金奧氏體的重要元素；Si、Mn含量過高會(huì)增加合金的熱膨脹系數(shù)，所以本發(fā)明中對(duì)Si和Mn的含量進(jìn)行了限定。
Co的原料價(jià)格是Ni價(jià)格的3倍以上，同時(shí)是Fe價(jià)格的30倍以上，本發(fā)明的鎳基高溫合金中去除了高溫合金中通常含有的貴重元素Co，控制了合金的原料成本。合金中不含元素Nb，降低合金開坯軋制中的開裂傾向，同時(shí)避免含Nb有害相的析出。加入一定的元素Fe，進(jìn)一步降低合金的成本，同時(shí)提高合金的加工性，為合金制備大型鍛件提供良好的塑韌性；其原料成本與Inconel783、R26合金相比降低了30％以上。
可見，本發(fā)明設(shè)計(jì)的高強(qiáng)低膨脹高溫合金，不含貴重金屬Co，同時(shí)還有一定含量的Fe，具有較低的合金成本，降低電站的投資建設(shè)費(fèi)用對(duì)于合金的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要。在提高合金高溫強(qiáng)度的同時(shí)，保持了較低的熱膨脹系數(shù)，降低了汽輪機(jī)運(yùn)行過程中螺栓部件熱膨脹系數(shù)高造成的氣缸漏氣、葉片部件伸長的風(fēng)險(xiǎn)性。
附圖說明
圖1本發(fā)明實(shí)施例和對(duì)比例合金原料價(jià)格對(duì)比情況。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
一種高強(qiáng)低膨脹高溫合金，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，該合金的化學(xué)成分組成包括：10％≤Cr≤18％，10.5％≤Fe≤19％，Ti≥1.3％，Al≥1.2％，Mo≥3％，0.2％≤W≤4％，0.1％≤Si≤0.8％，0.1％≤Mn≤0.8％，C≥0.02％，0.002≤B≤0.02％，其余量為Ni。
所述的合金中Ti與Al的總的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2.5～4％，并且Ti與Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足1≤Ti/Al≤1.4。
所述的合金中W與Mo的總的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4～12％。
所述的合金中C與B的總的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.02～0.15％。
所述的合金在20℃～650℃之間的熱膨脹系數(shù)不大于15×10-6。
對(duì)選取的合金熔煉為母合金錠，將母合金錠在1200℃進(jìn)行20h均勻化處理，隨后開坯并軋制為板材，對(duì)板材進(jìn)行熱處理，熱處理制度為：1150℃/1h/空冷+750℃/12h/空冷，得到高強(qiáng)低膨脹高溫合金。
實(shí)施例和比較例
取本發(fā)明中上述高溫合金成分范圍內(nèi)的2種鎳基高溫合金進(jìn)行熔配，同時(shí)給出了2種比較例的合金成分進(jìn)行熔配，如表1所示。對(duì)選取的4種合金進(jìn)行了熔煉和制備，在室溫和650℃測(cè)量了4種制備得到的合金的屈服強(qiáng)度，同時(shí)測(cè)量了20℃-650℃時(shí)的熱膨脹系數(shù)，結(jié)果如表2所示。表1和表2同時(shí)給出了現(xiàn)有合金R26和Inconel 783的相關(guān)數(shù)據(jù)，分別為比較例3和比較例4。
表1為本發(fā)明實(shí)施例和對(duì)比例采用的合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)％)
表2為本發(fā)明實(shí)施例和對(duì)比例獲得的性能特征
注：參考文獻(xiàn)
[1]A.Fujita,M.Shinohara,M.Kamada,H.Yokota,Improvement of Creep Rupture Ductility in Ni Base SuperalloyNimonic 80A and Its Material Properties,ISIJ International,1998,38(3):291-299
[2]蘇昕，彭建強(qiáng)，楊鑫，700℃及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)螺栓材料選材的探討，汽輪機(jī)技術(shù)，2014,56(1)：78-80
[3]Special Metals公司數(shù)據(jù),http://www.specialmetals.com/assets/documents/alloys/inconel/inconel-alloy-783.pdf
由表1和表2的結(jié)果可知，本發(fā)明合金的室溫屈服強(qiáng)度和高溫屈服強(qiáng)度較高，同時(shí)具有較低的熱膨脹系數(shù)，滿足先進(jìn)超超臨界機(jī)組部件的使用需求。與對(duì)比例1、對(duì)比例2和對(duì)比例3相比，本發(fā)明合金的熱膨脹系數(shù)較低，在20～650℃之間的熱膨脹系數(shù)低于15.0×10-6/℃。參見圖1，與對(duì)比例3和4相比，本發(fā)明合金原料的價(jià)格低廉。本發(fā)明合金具有較高的性價(jià)比，適于在高參數(shù)電站關(guān)鍵部件中推廣應(yīng)用。