[发明专利]锅炉管用奥氏体耐热钢及其表面化学热处理工艺

说明书

本发明一种锅炉管用奥氏体耐热钢及其表面化学热处理工艺，所述工艺包括步骤1，将待处理的奥氏体耐热钢工件置于AlX_n气氛中加热至奥氏体耐热钢的固溶处理温度并保温，形成铝扩散层，其中，X为Cl、Br或I，n为1或2；步骤2，将步骤1处理得到的奥氏体耐热钢工件空冷至室温。所述耐热钢采用上述工艺得到，其外部铝扩散层的厚度为47.1μm～423.2μm，其中外层铝扩散层平均Al含量为38.0at.％～48.1at.％，余量为Fe和Ni；内层铝扩散层平均Al含量为15.4at.％～23.2at.％，余量为Fe、Ni和Cr。可实现锅炉管用奥氏体耐热钢表面富Al涂层的制备，提高奥氏体耐热钢的抗氧化性能。

技术领域

本发明涉及一种金属表面化学热处理及涂层制备工艺，具体为锅炉管用奥氏体耐热钢及其表面化学热处理工艺。

背景技术

过/再热器是超超临界火电机组中负责回收燃煤烟气能量、加热蒸汽和实现能量转化的关键部件，是锅炉中承受压力最大、温度最高和服役环境最为苛刻的部分。对于620℃超超临界二次再热机组而言，蒸汽温度为620℃，过/再热器管外壁的温度可高达640℃～680℃；而对于目前正在大力研发的650℃超超临界二次再热机组，其蒸汽温度为650℃，相应的过/再热器管外壁的温度则可达700℃。目前国内外尚无商用的620℃超超临界火电机组用合金，或650℃超超临界火电机组用合金。在未研发出新型耐热钢或高温合金之前，奥氏体耐热钢如TP304H、Super304H、TP347H、TP347HFG和HR3C仍是未来更高参数机组末级过/再热器的首选材料。根据文献报道，细晶奥氏体耐热钢在650℃和700℃蒸汽条件下的力学性能仍能满足服役要求，如Super304H钢在650℃和700℃的持久寿命高于HR3C钢，但是过高的蒸汽氧化速率限制了Super304H和TP347HFG等奥氏体耐热钢在更高温度下服役的可能性。

为提高奥氏体耐热钢的抗蒸汽氧化性能，通常采用喷丸细化晶粒或施加表面防护涂层的方法。然而，研究表明喷丸层中的细小晶粒在高于650℃的环境条件下、较短的时间内长大粗化，导致喷丸层失去效用。与之相比，施加表面防护涂层可在不影响基体金属其它性能的前提下，保护金属构件在服役环境中不受高温腐蚀的作用。特别地，富Al涂层在高温水蒸气中氧化生成Al₂O₃膜，其生长速度较耐热钢表面形成的Cr₂O₃膜的生长速度低，且因与水蒸气不发生反应形成挥发性气体，Al₂O₃膜的稳定性也较Cr₂O₃膜更高，因此在奥氏体耐热钢表面施加铝化物涂层成为提高其抗高温蒸汽氧化性能的首选途径。欧洲的“Coatingsfor Supercritical Steam Cycles，简称为SUPERCOAT”项目主要采取了在耐热钢表面进行700℃传统热扩散渗铝的方法。但该法温度高且保温时间长达数小时，也存在制备效率低、能耗高和成本高等问题。中国科学院金属研究所发明了一种大气条件下无保护气氛或保护层的料浆高速渗铝方法“专利公开号为CN103014612A”，在工件表面沉积渗铝料浆后用感应加热或电加热的方式直接对工件进行加热，从而在工件表层制备一定厚度的铝扩散层。但该方法工艺复杂且不适用于形状复杂和尺寸较大的构件。西安热工研究院有限公司开发了一种锅炉过/再热器用奥氏体钢管表面合金化工艺“专利公开号为CN104372338 A”，对奥氏体不锈钢管表面依次进行料浆涂覆、烘干硬化和高温烧结，其中烧结温度为850℃～920℃，烧结时间为30min～300min，但值得注意的是，该方法后期必须通过特定的酸洗工艺将管内壁未反应的料浆层去除，使得该工艺更加复杂，是否可产业化应用仍有待进一步的检验。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种锅炉管用奥氏体耐热钢及其表面化学热处理工艺，可实现锅炉管用奥氏体耐热钢表面富Al涂层的制备，提高奥氏体耐热钢的抗氧化性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

锅炉管用奥氏体耐热钢表面化学热处理工艺，包括以下步骤，