[发明专利]具有纳米析出相强化的铁素体系耐热钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于火力发电机组的具有纳米析出相强化的铁素体系耐热钢及其制造方法，属于冶金技术领域。

背景技术

气候变暖成为全球关注的热点，减少CO₂等温室气体的排放已引起各国的重视。燃煤发电企业是CO₂气体释放的主要来源。为提高火力发电机组的效率，降低CO₂气体的排放，其关键是提高发电机组的蒸汽参数。目前世界各国火电机组参数已由亚临界参数发展到超临界，甚至超超临界(ultra-super critical，USC)参数。发展USC机组的关键技术是开发热强度高、抗高温烟气氧化腐蚀和高温汽水介质腐蚀、可焊性和工艺性良好、价格相对低廉的材料。高铬(9-12％铬)铁素体系耐热钢因其低廉的价格和良好的工艺性能在USC火电机组中获得了广泛应用。

9-12％铬型高铬耐热钢在正火和高温回火状态下使用，其微观组织特征是在回火板条马氏体基体上分布有MX(M是指钒、铌等元素，X是指碳和氮)型碳氮化物和M₂₃C₆型(M是铬和可置换铬的金属元素如铁)碳化物强化相。其中，MX相比M₂₃C₆相尺寸小，稳定性高，在使用温度下不易长大，可在长时间内保持强化作用。但在传统的高铬耐热钢中，MX型纳米析出相尺寸一般在30～50nm之间，且颗粒密度较低，强化效果不显著[张新宝(译).利用纳米级析出物提高铁素体系耐热钢的强度.上海钢研，2005(2)：39-43]。为利用稳定的MX型纳米析出相强化高铬耐热钢，专利ZL02801301.8公开了一种铁素体系耐热钢及其制造方法，通过减少碳元素含量到0.01％以下，添加钴元素确保淬火性，同时添加氮元素和MX形成元素，实现了在晶界上和晶内的界面上析出MX型强化相，提高了高温蠕变强度。但其组成和加工工艺使MX型析出相主要分布在晶界和晶内的界面上，强化效果不显著。文献[R.L.Klueh，et al.Development of new nano-particle-strengthened martensitic steels.Scripta Materialia，53(2005)275-280]采用热机械处理(thermomechanical treatment)的方法，在马氏体板条内的基体中获得了大量分布的MX型纳米析出相，但由于存在变形组织而使材料出现各向异性。本发明人的前期工作[Feng-shi Yin，et al.Microstructure and creep rupturecharacteristics of an ultra-low carbon ferritic/martensitic heat-resistant steel.Scripta Materialia 57(2007)469-472]尽管通过调整耐热钢的组成和热加工工艺也在马氏体板条内获得了高密度的MX型纳米析出相，但由于获得的MX型纳米析出相不稳定，在650℃、长时间蠕变条件下的断裂强度并没有提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、工作性能优良的具有纳米析出相强化的铁素体系耐热钢及其制造方法，其技术方案为：

一种具有纳米析出相强化的铁素体系耐热钢，其特征在于其化学组分为：铬：8.5～10.0％、钼：0.3～0.5％、钨：1.5～2.0％、钴：3.0～4.5％、镍：0～1.0％、氮：0.01～0.03％、钒：0.18～0.25％、铌：0.05～0.08％、钛：0.003～0.01％、碳：0.002～0.03％，余量为铁和不可避免的杂质，在钢的基体内分布有高密度的、均匀分布的MX型纳米析出相，其尺寸在5～50nm之间，每平方微米颗粒数大于300个。

所述的具有纳米析出相强化的铁素体系耐热钢的制造方法，采用以下步骤：将构成元素的原料组合物依次经熔炼、浇注、锻造或轧制后，先1050～1150℃保持0.5～1.5h正火处理，再回火处理。

所述的具有纳米析出相强化的铁素体系耐热钢的制造方法，回火处理包括两次，第一次在650～720℃保持0.5～1.5h，空冷，第二次在750℃～780℃保持1～2h，空冷。

所述的具有纳米析出相强化的铁素体系耐热钢的制造方法，回火处理包括两个阶段，先在620～720℃保持0.5～1.5h，不经冷却继续加热到750～780℃保持1～2h，然后空冷。

下面对规定各构成元素含量范围的理由解释如下：