[发明专利]用多种纳米析出相复合强化铬镍型奥氏体耐热钢的方法

说明书

  

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种超超临界电站锅炉用多种纳米析出相复合强化的25/20铬镍型奥氏体耐热钢。 

背景技术

电力是保证国民经济可持续发展的一个重要能源支柱。当前我国的总发电量约80%来自燃煤火力电站。要提高发电厂热效率达到节能减排（CO₂及其它有害气体）保护环境已是我国重要的基本国策之一。为了达到这个目的，大力开展高蒸汽参数的超超临界发电机组已是世界燃煤电厂发展的重要方向。我国于2006年12月第一台600℃超超临界燃煤发电机组投入运行，各项指标均已达到国际先进标准。此后我国大力发展600℃超超临界机组，至今已超过100台机组投产，在世界超超临界燃煤发电机组总量上占绝对优势。发展600℃超超临界发电机组的必要条件是使用优质高强抗蚀奥氏体型耐热钢。 

为超超临界锅炉—汽轮机发电机组提供600℃高参数蒸汽锅炉中温度最高的关键部件是过热器和再热器管道。目前广泛采用的是以单一的NbC或Nb（CN）即MX纳米相析出强化的18/10型铬镍奥氏体耐热钢TP347H，以及用纳米富Cu相和MX两种相析出强化的Super304H奥氏体耐热钢和用纳米MX和NbCrN两种析出相析出强化的25/20铬镍型奥氏体耐热钢HR3C。在这三种目前广泛使用商用钢种中Super304H具有最高的持久强度，HR3C钢具有最好的抗氧化腐蚀性能。但是，HR3C钢在高温长期时效后会产生冲击韧性急剧下降的严重缺点，迫切需要改进。 

发明内容

本发明目的是为了满足电站锅炉过热器/再热器的实际服役条件，即同时获得具有优良的高温持久强度和优良的抗氧化腐蚀性能，同时为了解决长期时效后冲击性能下降的问题， 

在600℃等级超超临界电站锅炉过热器/再热器管道用材料中，TP347H、Super304H及HR3C耐热钢是现阶段用量最大的三种商用耐热钢。但是TP347H高温强度相对较低；Super304H尽管具有优良的高温强度但是其抗氧化腐蚀性能略低，而HR3C在这三种材料中尽管抗氧化腐蚀性能较好，但HR3C的冲击韧性及高温强度略低。本发明通过加入Cu，Nb，N等合金元素，使材料的综合性能提高。

一种用多种纳米析出相复合强化铬镍型奥氏体耐热钢的方法，其特征在于，化学成分质量%为0.05-0.15%C，24-26%Cr，19-22%Ni，3-6%Cu，0.2-0.8%Nb，0.10-1.0%N，余量为Fe和不可避免的杂质，将原料熔炼制备成合金并热加工成材，其热处理工艺是固溶处理，即在1150℃保温30min后水淬；得到多种纳米析出相复合强化铬镍型奥氏体耐热钢；该钢种经1150℃高温固溶处理后在650-700℃时效条件下造成纳米级的Nb（C,N）型MX相，NbCrN相和富Cu相共同复合析出强化。 

复合强化铬镍型奥氏体耐热钢的成分特点考虑了如下因素： 

铬：Cr是提高抗氧化腐蚀性能的主要元素，在蒸汽氧化的条件下可以形成富Cr的致密氧化层，保护材料不被进一步氧化，因此应保证Cr含量在20%以上；同时Cr能与C、N元素形成碳化物、氮化物或者碳氮化物，可以在晶内析出，起到第二相强化的效果，亦可在晶界析出，起到钉扎晶界的作用，使材料获得良好的强度。

镍：Ni是保证形成奥氏体的重要元素与Cr元素配合以保持高的抗氧化腐蚀性能。 

铜：Cu是在铬镍奥氏体钢中形成纳米富Cu相析出强化的一个非常重要的元素，由于大量富Cu相的弥散分布均匀析出强化而造成优异的强化效果。采用18/10铬镍Super304H奥氏体钢中析出富Cu相强化的优点而引入25/20高铬镍奥氏体钢中也能产生富Cu相析出强化既是本发明的一个特色也是本发明钢种的一个优点。 

铌：Nb具有一定的固溶强化作用但主要是与C和N形成稳定细小的纳米时效析出Nb（C，N）即MX相而产生良好的强化效果。Nb（C，N）型MX相时效析出强化是本发明钢种中一种不可缺少的纳米级稳定强化相。 

氮：N与碳有类似的作用，是一种间隙原子，如上所述与Nb形成稳定细小的纳米析出相Nb（C，N）型MX相。N在本发明中的又一特点是与Nb和Cr形成NbCrN型另一种纳米级的时效析出强化相，NbCrN相具有良好的热稳定性，可以提高材料的高温强度，这也是本发明组织设计中的一个特点。 

碳：C在这类奥氏体钢中是一个重要的强化元素。一方面是稳定奥氏体组织，另一方面会形成Nb（C，N）型纳米级MX相析出强化，本发明要求C控制在0.05-0.15%范围内。