[发明专利]Z-相强化的马氏体抗蠕变钢

说明书

发明领域

本发明涉及马氏体或马氏体-铁素体合金钢，特别涉及用于高温元件的抗 蠕变合金钢。本发明进一步涉及这种钢的制造。

发明背景

在火力发电厂领域，目前重点集中在通过增加工作蒸汽温度和压力来提高 工厂的效率。一个主要的限制因素是用于锅炉，蒸汽管道和涡轮机的材料的高 温性能。这些材料必须被设计成用于在高温和高压下长期工作，因此需要高的 蠕变强度和抗氧化能力，以使得老化降到最低。回火马氏体合金钢提供了蠕变 强度、抗氧化能力、热膨胀系数和屈服强度的最佳组合。

在过去的二十年间，开发出几种具有改善的蠕变强度的含9％Cr马氏体合 金钢。这些合金钢使得蒸汽参数从通常的250巴和540℃提高到目前最佳的300 巴和600℃，相当于提高了10％的效率。这里的含量以及下文中的含量全部是 重量百分比。

最近，马氏体合金钢已经得到发展以能够获得更高的蒸汽参数。为了使蒸 汽温度提高到600℃以上，该合金钢需要更好的蠕变强度以及11-12％的Cr以 改善抗氧化能力。新的11-12％Cr合金钢经过数千小时的蠕变试验被证实具有 更佳的蠕变强度。然而，长期试验表明蠕变强度会出现不可预期的下降，甚至 低于现有钢的强度水平。

马氏体钢中含有的少量元素如C、N、V、Nb会形成沉淀粒子，例如M₂₃C₆碳化物和MX(V，Nb)-碳氮化物。这些沉淀粒子通过颗粒强化带来高的蠕变强 度，但是经过在高温下的长期暴露，M₂₃C₆碳化物会粗化并失去颗粒强化的效 果。MX粒子的粗化速度较低，它们会保持细小，这对保持高的长期蠕变强度 起到主要贡献。

然而，研究表明：经过在高温下长期测试，细小的MX粒子可能会溶解， 并被Z-相粒子Cr(V，Nb)N取代。发现Z-相析出物缓慢并不断成核和快速长大。 这导致Z-相粒子具有大的平均粒度，尽管可能观测到小的和大的Z-相粒子共 存在同一个试样中。与细小的MX粒子相比，具有较大平均粒径的Z-相对于 颗粒强化的贡献很小。这样，Z-相析出物可以解释新的11-12％Cr钢中观察到 的长期强度的下降。

很久前即从奥氏体不锈钢中获知Z-相氮化物，它在奥氏体不锈钢中沉积 成非常细小的颗粒，并能保持细小，有利于高的蠕变强度。然而，在马氏体钢 中，发现Z-相总是长到较大的平均粒径。

上述提到的研究在“Behaviour of Z phase in 9-12％Cr steels”，H.K. Danielsen and J.Hald，Energy Materials，2006，Vol.1，No.1.中有描述。

发明目的

本发明的一个目的是提供一种马氏体或马氏体-铁素体合金钢，该合金钢 与目前已知的材料相比具有改善的长期抗蠕变性能。

本发明的另一个目的是提供一种马氏体或马氏体-铁素体合金钢，该合金 钢与目前已知的材料相比具有改善的耐腐蚀性能。

本发明的优选实施方式的目的是，提供一种马氏体或马氏体-铁素体合金 钢，其中该合金钢同时具有优异的抗蠕变性能和高的耐腐蚀性能。

本发明的进一步目的是提供现有技术的替代品。

发明内容

本发明的第一个方面是通过提供一种合金钢来达到上述目的和其它几个 目的，该合金钢以wt％计包含以下成分：9-15％的Cr，0.01-0.20％的N，小于 0.1％的C，选自0.01-0.5％V、0.01-1％Nb、0.01-2％Ta中的一种或多种，其余 量基本上为铁和不可避免的杂质，所述合金钢具有马氏体结构或马氏体-铁素 体结构，并且包含Z-相(CrXN)粒子，其中X是元素V、Nb和Ta中的一种或 多种元素，Z-相粒子的平均粒度小于400nm，例如小于300nm，例如小于 200nm，例如小于100nm。

本发明基于下述观点，Z-相粒子的析出应被加快以获得大量粒子，并得到 较小的粒径。Z-相粒子既可以在作为制造工艺的一部分的热处理期间析出，也 可以在使用中暴露在高温下的期间析出。如果在钢的制造期间粒子已经析出， 这对使用前的质量控制是有利。