超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢及制造方法

摘要

本发明提供一种超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢，其特征在于其化学组成以质量百分比计为：铬：10.0～12.0、钼：0.1～0.6、钨：2.4～3.0、钴：1.0～4.0、镍：0～0.5、锰：0.2～1.0、氮：0.010～0.019、钒：0.10～0.30、铌：0.03～0.10、钛：0.005～0.015、碳：0.06～0.15，硼：0.008～0.015、铜：1.0-3.0、锆：0.002～0.01％，余量为铁和不可避免的杂质；其制造方法为将构成元素的原料组成物依次经熔炼、浇注，得到耐热钢钢锭，然后将钢锭进行锻造，最后进行热处理，其特征在于热处理工艺为：1050-1150℃保持0.5-1h油冷，720-790℃保持1-2h空冷。该耐热钢在高温下的抗腐蚀性和抗蠕变性能良好，高温长期使用过程中组织稳定，可用作620℃以上超超临界火电机组汽轮机用叶片材料。

权利要求

1.一种超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢，其特征在于其化学组成以质量百分比计为：铬：10.0～12.0、钼：0.1～0.6、钨：2.4～3.0、钴：1.0～4.0、镍：0～0.5、锰：

0.2～1.0、氮：0.010～0.019、钒：0.10～0.30、铌：0.03～0.10、钛：0.005～0.015、碳：

0.06～0.15，硼：0.008～0.015、铜：1.0-3.0、锆：0.002～0.01％，余量为铁和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢的制造方法，将构成元素的原料组成物依次经熔炼、浇注，得到耐热钢钢锭，然后将钢锭进行锻造，最后进行热处理，其特征在于热处理工艺为：1050-1150℃保持0.5-1h油冷，720-790℃保持1-2h空冷。

说明书

超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢及制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢及制造方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

[0002] 为提高火力发电机组的效率，降低CO2气体的排放，其关键是提高火力发电机组的蒸汽参数，即提高蒸汽的温度和压力，但是参数的提高程度主要取决于所用材料。12Cr系铁素体耐热钢在淬火回火状态下的显微组织为回火板条马氏体，在原奥氏体晶界和马氏体板条界分布有M23C6型碳化物，在板条界和板条内含有高密度的MX型纳米析出相，因而除具有较高的耐蚀性外，还具有较高的热强性、韧性和冷变形性能，能在湿蒸汽及一些酸碱溶液中长期运行，且其减振性是已知钢中最好的，因此是主要的叶片材料。目前，使用的叶片材料主要是12Cr-1Mo、12Cr-1Mo-V、12Cr-1Mo-V-W等。日本三菱公司开发了12Cr系铁素体系耐热钢用于蒸汽温度为593℃叶片。东芝公司在565℃主要采用12CrMoVNbN，在593℃采用改进型的12％Cr钢12CrMoVNbNW。更高蒸汽温度使用的12％Cr铁素体叶片钢正在开发、试验中，并不断改进。现有的汽轮机叶片材料还不能满足蒸汽温度为620℃条件下的性能要求。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、工作性能优良的超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢及制造方法，其技术方案为：

[0004] 一种超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢，其特征在于其化学组成以质量百分比计为：铬：10.0～12.0、钼：0.1～0.6、钨：2.4～3.0、钴：1.0～4.0、镍：0～0.5、锰：0.2～1.0、氮：0.010～0.019、钒：0.10～0.30、铌：0.03～0.10、钛：0.005～0.015、碳：
0.06～0.15，硼：0.008～0.015、铜：1.0-3.0、锆：0.002～0.01％，余量为铁和不可避免的杂质。

[0005] 所述的超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢的制造方法，将构成元素的原料组成物依次经熔炼、浇注，得到耐热钢钢锭，然后将钢锭进行锻造，最后进行热处理，其特征在于热处理工艺为：1050-1150℃保持0.5-1h油冷，720-790℃保持1-2h空冷。

[0006] 下面对规定各构成元素含量范围的理由解释如下：

[0007] 碳：与铬结合形成M23C6型碳化物强化相，与钒、铌、钛等元素结合形成MX型碳氮化物强化相。碳同时还是奥氏体形成元素，拟制高温δ-铁素体的形成。但过高的碳含量也会抑制MX型碳氮化物相以纳米尺寸析出，故本发明钢中，碳的质量百分比控制在0.06％～0.15％之间。

[0008] 氮：同碳一起与钒、铌、钛、锆等元素结合形成MX型碳氮化物强化相，促进MX型碳氮化物强化相以纳米尺寸形式析出。但当质量百分比超过0.019％时，高温长期服役过程中会析出粗大富铬、铌和钒的复杂氮化物相，即Z相。由于Z相和MX型纳米析出相的构成元素中都含有钒和铌，所以Z相的形成以消耗MX纳米析出相为代价，加速高温强度的退化。因此，本发明钢中，氮的质量百分比控制在0.010～0.019％之间。

[0009] 铬：提高耐蚀性和抗氧化性，形成M23C6型碳化物强化相。当质量百分比超过12％，热处理时容易形成δ-铁素体，降低蠕变断裂强度。为保证既具有良好的耐蚀性和抗氧化性，又不损害高温蠕变断裂强度，本发明钢中铬的质量百分比规定在10.0～12.0％之间。

[0010] 钴：奥氏体形成元素，抑制高温δ-铁素体形成，对提高蠕变断裂强度有利，但增加成本，尽量限制使用。本发明钢中钴的质量百分比规定在1.0～4.0％之间。

[0011] 镍：奥氏体形成元素，抑制高温δ-铁素体形成，但会降低钢的临界点，使蠕变断裂强度降低，同时还增加成本，因此本发明钢中镍的质量百分比控制在0.5％以下或不加镍。

[0012] 锰：奥氏体形成元素，抑制高温δ-铁素体形成，但含量过高，会降低蠕变断裂强度，因此本发明钢中锰的质量百分比控制在0.2～1.0％之间。

[0013] 铜：奥氏体形成元素，抑制高温δ-铁素体形成，同时还具有弥散析出强化作用和提高耐蚀性，但铜含量过高会降低钢的冲击韧性，因此本发明钢中铜的质量百分比控制在1.0～3.0％之间。

[0014] 钼和钨：起固溶强化的作用，同时还有促进MX型碳氮化物以纳米形式析出的作用。但过多会导致δ-铁素体形成，降低强度和韧性。因此，本发明钢中，钨的质量百分比控制在2.4～3.0％之间，钼的质量百分比控制在0.1～0.6％之间。

[0015] 钒：与铌、钛和锆一起形成MX型纳米碳氮化物强化相。其含量低于0.18％时，不足以在钢的基体中形成高密度的MX型纳米强化相，但质量百分比超过0.30％时，容易形成粗大碳氮化物，降低蠕变断裂强度。因此本发明钢中，钒的质量百分比控制在0.10～0.30％之间。

[0016] 铌：与钒、钛和锆一起形成MX型纳米碳氮化物强化相。其质量百分比低于0.03％时，不足以在钢的基体中形成高密度的MX型纳米强化相，但质量百分比超过0.10％时，容易形成粗大碳氮化物，降低蠕变断裂强度。因此本发明钢中，铌的质量百分比控制在0.03～0.10％之间。

[0017] 钛：钛除与钒、铌和锆一起形成MX型纳米碳氮化物强化相外，还有稳定MX相和抑制有害的Z-相形成的作用。但质量百分比超过0.015％时，容易形成粗大碳氮化物，降低蠕变断裂强度。因此本发明钢中，钛的质量百分比控制在0.005～0.015％之间。

[0018] 锆：除与钒、铌和钛一起形成MX型纳米碳氮化物强化相外，还有在晶界和板条界偏聚，起强化晶界和板条界的作用，但锆含量超过0.010％时，会形成粗大的锆的碳化物和氧硫化物夹杂，降低高温蠕变强度。因此本发明钢中，锆的质量百分比控制在0.002～0.01％之间。

[0019] 硼：有稳定M23C6型碳化物的作用，还有在晶界和板条界偏聚，起强化晶界和板条界的作用，因而显著提高蠕变断裂强度。但过高的硼含量，会形成硼化物，降低蠕变断裂强度，而且对热加工工艺不利。本发明钢中，硼的质量百分比控制在0.008～0.015％之间。

[0020] 本发明热处理工艺参数的选择理由如下：

[0021] 淬火温度和保温时间：淬火的目的是为了将粗大的M23C6型碳化物和MX型碳氮化物溶解到奥氏体中，以便在淬火后的回火过程中析出细小的M23C6型碳化物和纳米尺寸的MX型碳氮化物。淬火温度低于1050℃，碳化物和碳氮化物溶解不充分，不利于高温蠕变强度的提高，淬火温度高于1150℃，晶粒尺寸长大，降低钢的冲击韧度。因此，本发明优化的淬火工艺参数为1050-1150℃保持0.5-1h油冷。

[0022] 回火温度和回火时间：回火的目的是使淬火马氏体分解，提高组织的稳定性，同时获得细小的M23C6型碳化物和纳米尺寸MX型碳氮化物以及纳米尺寸的铜颗粒来提高钢的高温蠕变强度。回火温度低于720℃，马氏体分解不完全，使组织不稳定，温度高于790℃会使淬火马氏体板条再结晶，降低高温蠕变强度。因此，本发明优化的回火工艺参数为720-790℃保持1-2h空冷。

[0023] 本发明钢的优点

[0024] 本发明钢以10～12Cr铁素体耐热钢为基础，通过优化碳、钴、锰、镍、钨、钼、铌、钒，并添加铜元素进行弥散强化，锆和硼元素对晶界和板条界强化，经过优化的制备工艺处理后，不仅具有高的抗蒸汽腐蚀能力，还具有高的抗蠕变能力，可用做620℃以上高温蒸汽参数的超超临界火电机组汽轮机叶片材料。

具体实施方式

[0025] 表1列出了成分在本发明规定成分范围内的14种耐热钢。其制作方法均为：采用真空感应炉将构成元素的原料组成物依次经熔炼、浇注，得到耐热钢钢锭，然后将该耐热钢钢锭进行锻造获得φ20mm棒材，经表2所述对应的热处理工艺进行热处理后，加工成标准拉伸蠕变试样和夏氏V型缺口冲击试样，然后做室温拉伸和冲击试验以及在600-700℃之间的持久断裂试验，根据持久试验结果，利用Larson-Miller参数法估算620℃、10万小时条件下的持久断裂强度。测试结果见表2。从表2可以看出，本发明耐热钢具有良好的强韧性和明显的高的高温持久断裂强度，620℃、10万小时条件下的持久断裂强度达到140MPa。

[0026] 蒸汽压力为26-35MPa，蒸汽温度为620℃的超超临界机组对叶片材料的力学性能要求是：室温下，抗拉强度Rm≥833MPa，屈服强度Rp0.2≥619MPa，伸长率A≥14％，冲击功AKV≥10J；620℃、10万小时条件下的持久断裂强度大于100MPa。可见，本发明耐热钢完全满足620℃以上超超临界火电机组汽轮机用叶片材料的要求。

[0027] 表1

[0028]