[发明专利]通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及耐热钢制造领域，特别涉及液态金属冷却的定向凝固工艺，尤指一种通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺。是一种通过改变材料内部晶粒排布方向以降低弹性模量，旨为改善锅炉管道热疲劳性能方面的生产T91钢的创新工艺。

背景技术

耐热钢的发展与能源、动力机械的进步有着密切的关系。在火力发电、原子核能、宇航、航空、石油和化学工业等新技术开发领域中，耐热钢性能的优劣是其成功与否的关键性环节，因此耐热钢的重要性日益提高。T91钢是一种典型的铁素体/马氏体型耐热钢，由于该钢的热强性高、生产成本低，并且具有良好的持久塑性，因此被广泛应用于过热器、再热器等。然而电站锅炉管中的耐热钢在高温、高压和蒸汽腐蚀中工作，管壁温度比蒸汽温度高几十度，在这样的环境下长期运行，钢材的组织和性能将会发生变化，诱发塑性变形，T91钢将承受因温度变化产生的周期性膨胀收缩，产生沿着蒸汽流动的轴向方向的热疲劳。这将可能使金属高温性能明显恶化，从而影响设备运行的安全性。因此，通过一种特定的工艺方法来改善T91钢的热疲劳，尤其是沿管道轴向的热疲劳性能至关重要。目前国内外学者对T91钢的研究基本集中在异质接头应力分析及对T91钢进行表面改性等方面，这些研究大多是为了提升铁素体耐热钢的强度、抗氧化性和耐蚀性能，关于提高T91钢热疲劳性研究极少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺，解决了现有技术存在的上述问题。为处理T91钢热疲劳问题提供新思路，即通过改变铸造过程中的凝固方向和凝固速率，控制金属内部晶粒的排列方向和尺寸，以解决T91钢用作耐热管道时出现的热疲劳问题。热疲劳由循环改变的温度梯度引起，属于应变控制的低周疲劳，与材料本身的弹性模量有着直接关系。资料表明，按固定方向分布排列的柱状晶或单晶，可以明显降低材料的弹性模量。而定向凝固技术通过在凝固金属和未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，使熔体沿着与热流相反的方向凝固，可以获得具有特定取向的柱状晶，是降低弹性模量、改善合金热疲劳和高温蠕变性的有效手段。如果能用定向凝固的方法制备T91钢，不但能够将耐热钢的自身特性与定向凝固技术的优点相结合，而且可以为具有最佳热疲劳性能的耐热钢材料的生产开辟一条新的道路。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

通过定向凝固的方法制备T91耐热钢的工艺，包括改变抽拉速率，使铸锭在30μm/s、90μm/s、180μm/s三种速率下生长，制备在不同凝固速率下的T91钢定向凝固试样并作对比，得到晶粒尺寸200μm到500μm的耐热钢以满足抗热疲劳需求。具体步骤如下：

制作盛放铸锭的膜壳，配料为：陶瓷粉3kg、分散剂400g、增塑剂500g，将所述配料放入球磨机中，球磨机转速为40rad/min，30分钟后取出，注入流延机，即可生产出平整的陶瓷膜壳；

将T91钢铸锭经过粗抛、清洗之后装入陶瓷膜壳，稳定放置在抽拉杆上端的平台上，调整平台的位置使试样下端距离冷却液5cm，并在冷凝器上端铺一层碳毡作为隔热层；

关闭炉门后开始通电加热，经90min后功率达到26.5kW，保温20min以充分释放热量；手动调整功率，直至温度达到1580℃，保温10min；

打开锡锅的加热电源熔化锡至液态，239℃，液态锡约占锡锅容量的三分之二，保温直到实验结束；

通过抽拉系统，分别以30μm/s、90μm/s、180μm/s的速率，将陶瓷膜壳匀速下拉至锡金属液中，待陶瓷膜壳被冷却液浸没，试样完全凝固后，敲碎陶瓷膜壳，取出试样。

热疲劳由循环改变的温度梯度引起，与材料本身的弹性模量有着直接关系，而按固定方向分布排列的柱状晶可以明显降低材料的弹性模量。

除了合金成分外，晶粒特征决定了高温合金性能，定向铸锭由于消除了垂直于应力轴的横向晶界，晶向和作用于叶片的应力方向平行，耐温能力明显提高，具有更好的纵向机械性能，能够在高温燃气的恶劣环境中长时间工作。

本发明的有益效果在于：

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：

1、首次将定向凝固方法与T91耐热钢结合起来，综合了两者的工艺优势与性能优势，从金属内部的晶粒排布出发，通过控制枝晶取向、晶粒大小而非对钢材外表面加工处理来改变T91钢的弹性模量，从本质上提高材料的抗热疲劳性能。