[发明专利]一种晶界析出强化的奥氏体耐热钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高温金属材料制造技术领域，特别涉及具有良好高温持久强度的奥氏体系耐热钢及其制造方法。

背景技术

火力发电依然是我国电力生产的主体。提高火力发电机组的蒸汽参数（温度，压力）是提高热电效率的有效途径。高效、洁净的超临界、超超临界机组的发展对于提高火力发电的效率有十分明显的影响，而机组锅炉过热器、再热器高温段的材料则是我国超临界机组发展的主要制约因素。

发电机组锅炉过热器和再热器材料需要具有优异的高温抗蠕变性能，同时还要具有良好的抗高温氧化性能以及经济性。目前，投入使用的高温金属材料主要有铁素体耐热钢、奥氏体耐热钢以及高温合金三大类。铁素体系耐热钢因低廉的价格及良好的工艺性能获得了广泛的应用，新型9-12Cr铁素体耐热钢成为了600℃超临界机组的关键材料，但是由于其抗氧化能力以及组织稳定性的关系，其最高工作温度不能超过650℃，难以满足机组蒸汽温度700℃乃至更高的温度条件；高温合金高温持久强度较好，但是其加工工艺性能差，价格昂贵，也极大的限制了其使用。相比价而言，由于奥氏体具有FCC密排结构，较BCC结构的铁素体更易获得较好的组织稳定性，且奥氏体耐热钢含有更高的铬，具有更好的抗高温氧化性能，因而在新型耐热钢的开发中更具潜力。

在专利CN1340109，US7731895B2，US6939415B2中公开的奥氏体耐热钢中，主要合金元素为铬（Cr）、镍（Ni）、铌（Nb）以及碳（C）,其强化原理无一例外都是通过在钢中添加合金元素碳（C），依靠在高温长期服役过程中析出的含铬碳化物M₂₃C₆以及NbC、MX相析出强化，第二相析出高温下能够有效钉扎位错运动，从而达到耐热钢在600-650℃温度范围内的蠕变强度，但主要析出相M₂₃C₆在耐热钢长期服役过程中易粗化长大，稳定性不佳，对抗高温蠕变性能不利，同时，碳（C）元素的添加还将使得材料焊接性能下降，不利于材料的生产应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有强化的奥氏体耐热钢高温存在的问题，提出一种新型的晶界析出强化的奥氏体耐热钢，通过热处理诱导Laves相Fe₂Nb在晶界上的析出，利用高温条件下稳定性更好的Laves phase作为析出强化相，取代钢中常见的碳化物析出相，能够有效提高材料的高温持久强度，且组成元素较少，成分简单，易于在工业生产中使用。

本发明提出的一种晶界析出强化的奥氏体耐热钢，其特征在于，该耐热钢在高温服役条件下析出强化相为Laves相Fe₂Nb，代替常见碳化物析出相，通过固溶处理及时效处理，在晶界上得到Laves相Fe₂Nb析出，强化奥氏体晶界，改善抗蠕变性能；该奥氏体耐热钢的各成分占总质量分数分别为：铬：18wt%-22wt%，镍：31wt%-35wt%，铌：3wt%-5wt%，硼：0.002wt%-0.02wt%，其余为Fe

该钢中利用Laves相取代常见碳化物作为析出强化相，有效强化了晶界，从而改善了高温使用性能。

本发明还提出上述奥氏体耐热钢的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）将按上述比例称量的金属铁、镍、铬、铌鉄、錋铁放入氧化镁坩埚中；

（2）将氧化镁坩埚置于真空炉中，对真空炉抽真空，当真空炉内压强小于10Pa时，对真空炉中的感应圈进行送电，感应线圈产生电流，加热炉料，送电功率从10kw直到60kw，使氧化镁坩埚中炉料熔化；

（3）对真空炉进一步抽真空，使真空炉中的真空度小于或等于1Pa，对炉料进行精炼，精炼时间为15分钟，以除去炉料中的氧、氮、氢；

（4）氧化镁坩埚静置3分钟，用以降温；

（5）在氧化镁坩埚中加入终脱氧剂，30kw送电，保持1.5分钟，在高于熔点150℃的温度下将坩埚从真空炉取出，将熔融炉料浇注到钢锭模中；

所述的终脱氧剂为镍镁合金；

（6）待钢锭凝固后，把钢锭从锭模中脱出。

本发明还包括热处理制度;

（7）将钢锭锻造和轧制成所需的型材，在1150℃固溶处理1h，而后在800℃条件下进行时效处理后淬火。