[发明专利]一种低成本高强抗氧化铁镍基合金及其制备方法

说明书

本发明一种低成本高强抗氧化铁镍基合金及其制备方法，所述合金强度高，在650℃～700℃具有良好的抗高温蒸汽氧化性能，合金生产成本低，性价比优势明显。所述合金包括以下化学成分：C、Cr、Fe、Co、Mo、W、Al、Si、Ti以及Ni；按质量分数组分如下，0C0.08％、14％≤Cr≤18％、37％≤Fe≤48％、0.5％≤Al+Si≤3.0％、2％≤Ti≤2.2％、Co≤1.5％、0.4≤Mo+W≤1.5％，余量为Ni；所述合金在650‑700℃范围内的蒸汽氧化期间，通过选择性氧化获得含氧化铬/氧化铝双层结构的致密氧化层。

技术领域

本发明涉及一种高铁铁镍基合金，具体为一种低成本高强抗氧化铁镍基合金及其制备方法。

背景技术

为解决急增的用电需求、日益凸显的能源紧缺及环境污染问题，先进燃煤发电技术未来的发展趋势是：在5-10年的中期发展中，在现有600℃机组基础上，通过采用二次再热和提高主蒸汽温度，提高热效率2-3个百分点；在10-20年的长期发展中，700℃机组将投入示范运行，其热效率将达52-55％。由于700度电厂所需的镍基高温合金需要较高的制备技术，价格昂贵，约是奥氏体钢成本的10倍、高级铁素体钢成本的20倍；综合考虑电厂效率、成本、国产化水平和制备能力、机组安全运行和维护等因素，我国今后10-15年的重点发展方向应是利用优化或新研发的铁素钢和奥氏体钢，将商业化电厂机组参数逐步提高至650℃(热效率可达50％左右)。

过/再热器部件是超超临界机组锅炉中负责回收燃煤烟气能量、加热蒸汽、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、服役环境罪苛刻的部分。炉管内部蒸汽氧化后氧化层的隔热作用会引起金属超温，当氧化皮达到一定厚度而发生剥落时，剥落的腐烛产物堆积在管道弯头造成堵管，或者随蒸汽进入汽轮机冲蚀汽轮机通流部件，这两种情况都给机组的安全运行带来了严重的隐患。大量的实践也表明，由氧化膜剥落导致的气流受阻并引发的长期过热是锅炉管失效及电站效益降低的主要原因之一。而火力发电厂机组的高蒸汽参数、高效率化发展，使得锅炉管服役工况更加复杂、苛刻，其使用材料在更高要求下的使用性能也需要进一步验证和改进。

服役电站机组中，锅炉关键部件合金的设计规律延续了按Cr含量(质量分数)划分的标准，主要分为低合金钢(1％～3％Cr)、铁素体/马氏体钢(9％～12％Cr)和奥氏体钢(18％～25％Cr)3类。Cr不仅是金属材料合金化设计的重要元素，同时也是合金表面能否形成稳定、致密的保护性氧化膜的关键。如，低合金钢由于较低的Cr含量不具有抗高温蒸汽氧化能力；9％Cr钢的蒸汽氧化速率限制其使用温度不高于600℃，12％Cr铁素体/马氏体钢抗蒸汽氧化能力稍高一些；Cr含量越高，奥氏体不锈钢越不容易受腐蚀，25％Cr含量的合金表面能形成致密的保护性Cr₂O₃膜。尽管Cr元素是电站材料具有抗高温蒸汽氧化能力的关键，但是高温合金复杂的元素体系使合金中其它元素的影响也不容忽视。Maziasz等对NF709钢的高温蒸汽氧化行为进行研究时，指出抗蒸汽氧化性能的提高主要源自合金中较高的Cr和Ni，保证了Cr₂O₃膜的快速形成。但是，Sarver等认为Cr含量的提高对金属抗高温蒸汽氧化作用存在上限，且以奥氏体耐热钢的Cr含量为分界线，Cr含量更高的合金，650℃的抗蒸汽氧化性能并没有实质性的改善，800℃时的抗蒸汽氧化性能的改善也不是十分显著。Zurek等研究了9％～12％Cr钢在600～650℃的蒸汽氧化行为，发现氧化速率在较低的温度下反而出现了最高的氧化增重，他们指出这与合金中其它元素对氧化膜成分以及形貌的影响有着很大关系。合金中Al是形成γ′相强化的重要组分，适量的Al含量对提高合金抗腐蚀性能有积极作用。Yamamoto等报道的含铝奥氏体钢，能够在600～900℃的环境中生长Al₂O₃膜，从而使水蒸汽对其氧化速率的影响变得不敏感。根据Saunders的研究，水蒸汽对生长Al₂O₃合金的氧化速率并不敏感，在高温高压蒸汽中Al₂O₃是最稳定的氧化物。