[发明专利]一种新型高铬铁素体耐热钢及形变热处理工艺

说明书

技术领域

本发明属于高铬铁素体耐热钢生产技术领域，特别涉及一种新型高铬铁素体耐热钢成分设计及其形变热处理工艺。

背景技术

电站电力设备技术向大功率、高参数方向的发展，与铁素体耐热钢的发展密切相关。只有获得具有足够蠕变强度能承受高温高压的耐热钢材料，才能尽可能提高电站运行的蒸汽参数，达到理论上的效率增长。所以长期以来国内外的科研人员一直在进行着铁素体耐热钢的研制与开发。随着蒸汽参数的提高，超超临界发电机组对耐热钢提出了更高的要求，应当具有如下优良的性能：

（1）常温力学性能：较高的抗拉强度和屈服强度，良好的冲击韧性；

（2）高温力学性能：优异的高温持久性能，抗蠕变性能；

（3）化学性能：良好的高温抗氧化性能和抗蒸汽腐蚀性能；

（4）工艺性能：优良的冷热加工性能及焊接性能；

（5）物理性能：较低的热膨胀系数和良好的导热性；

（6）经济性：尽可能高的性价比。

从广义上来说，由于其服役状态下的基体组织都为体心立方（BCC）结构，故而低合金和中合金耐热钢都可归结为铁素体系耐热钢。铁素体系耐热钢的发展可以分为两条主线，一是纵向通过逐渐提高主要的耐热合金元素Cr的成分含量，即从0Cr到2.25Cr，再到9-12Cr；二是横向通过填加V、Nb、Mo、W和Co等合金元素，提高其沉淀强化及固溶强化能力。从简单的CMn-钢开始到9-12%Cr铁素体系耐热钢，在发展历程中通过采用多元合金化和组织结构控制，并结合多种不同的强化机制，使蠕变强度不断得到提高（提高近10倍）。研究证明，9-12%Cr铁素体耐热钢是铁素体系耐热钢中蠕变强度最高的钢系。因而近年来，日本、欧洲及北美的发达国家在注重改善奥氏体钢性能并提高性价比的同时，已将研发重点转向了9-12%Cr系铁素体耐热钢。

目前，针对于铁素体耐热钢的研究，主要集中于如下几个方面：

（1）根据合金化原理，继续对现有铁素体耐热钢的成分进行微调，通过改变合金成分试图增强其高温下的强化效果。例如固溶强化元素Co，弥散强化元素Ta、Ti、平衡元素Cu的引入。不过合金元素的过多添加虽然可以提高常温及高温拉伸及屈服强度，但是反而会导致高温下组织演变速率的加快，从而导致持久强度反而降低。而且，合金元素的加入还会劣化焊接性能，以及导致成本的上升。因此，适当数量和成分的元素添加对组织演化和长期蠕变的影响目前还是国际上的热点。

（2）根据组织控制原理，通过改变铁素体耐热钢的热处理工艺参数，改变其第二相粒子及晶界的分布，从而提高弥散强化和晶界强化的效果。结合耐热钢的具体成分，制订最合适的正火、冷却及回火参数，可有效提高材料的高温强度，从而延缓蠕变过程中的裂纹扩展速率。此外，控轧控冷、形变热处理等新型工艺的引入也同样可以达到提高高温蠕变强度的目的。

（3）随着服役温度的提高，目前铁素体耐热钢的Cr含量往往不能保证足够的抗腐蚀能力。因此，表面处理技术的引入成为了铁素体耐热钢防腐方面的重点。一方面，要求材料表面具有足够的抗腐蚀抗氧化能力，另一方面，表面涂层与基体的结合强度和弹性模量的匹配也应该在考虑范围内。

（4）新的加工制造技术的引入，主要包括ODS（oxide-dispersed steels，氧化物弥散强化钢）钢的制备。ODS钢主要通过热等静压烧结等手段将合金粉末和细小弥散的氧化物颗粒结合成块体来实现。其高温强度及抗蠕变能力都要远远高于传统的铁素体耐热钢，但是其弊端也非常明显：造价非常昂贵；生产工艺复杂；对于体积较大的管件则需要更大的磨具，使其无法生产大口径管件；焊接工艺还有待进一步研究。

发明内容

针对上述现有技术，通过对现有的铁素体耐热钢进行成分调整，提供一种新型高铬铁素体耐热钢，并提供了相应的形变热处理工艺，从而可以提高该耐热钢的服役温度。

为了解决上述技术问题，本发明一种新型高铬铁素体耐热钢按照质量百分比具有以下组分组成：C0.08-0.1%，Si≤0.5%，Mn0.3-0.6%，Cr8.5-9.0%，Mo0.3-0.6%，W1.5-2.0%，V0.20-0.25%，Cu0.02%，Nb0.07-0.09%，Ti<0.005%，B0.004-0.005%，N<0.005%，其余为Fe和杂质。