[发明专利]一种新型氮化物强化马氏体耐热钢

说明书

技术领域

本发明涉及铁基耐热钢技术领域，特别提供了一种新型氮化物强化马氏体耐热钢。 

背景技术

提高蒸汽参数，发展超临界和超超临界发电技术是提高燃煤发电效率，减少碳排放的有效措施，目前已在全世界范围内得到大力发展。随着蒸汽参数的提高，对其关键部件（如主蒸汽管道）用耐热结构材料提出了更加苛刻的要求。目前，电站用先进铁素体/马氏体耐热钢主要有T/P91、T/P92、P122等。 

国外对先进铁素体/马氏体耐热钢（如T/P91、T/P92、P122等）进行了高温长时实验研究，如图1所示，并研究了在该条件下材料的组织与力学性能的关系。结果表明，随着服役时间的增加，高合金化的耐热钢的强度－断裂时间曲线上出现一个强度陡降区域，即图2中的中应力区。这个陡降区域正是造成目前国际上高估P92、P122等先进铁素体/马氏体耐热钢长时（如10万小时）持久强度的原因。一般用短时实验数据推测长时持久寿命，均采用直线外推法进行，而此强度陡降区域的存在使得常用的直线外推存在较大的误差。例如P92钢600℃10万小时的持久强度，日本新日铁给出的外推值为132MPa，并依此制定了ASME标准；而欧洲蠕变委员会根据其更长时间的实验结果给出的外推值为115MPa。因而使得各使用P92材料建造的超临界电厂不得不降低参数运行，造成了极大的经济损失。 

进一步的研究表明，耐热钢组织失稳是造成中应力区强度陡降的主要原因。因此如何获得组织稳定性高的铁素体/马氏体耐热钢是提高耐热钢长时高温条件下力学性能的关键。对于铁素体/马氏体耐热钢，由于耐热钢在高温服役条件下的特殊性和组织演变的复杂性，提高其长时高温条件下的组织稳定性需要如下两个层次的理解。 

第一，原始组织要具有较高的稳定性。传统先进铁素体/马氏体耐热钢的正火+回火态的原始组织结构如图3所示，主要为马氏体基体上分布着析出相（碳化物和氮化物）。其中析出相主要有M₂₃C₆型和MX型，M₂₃C₆型主要是(Cr, Fe)₂₃C₆，MX型析出相主要为NbC、VC、NbN、VN、TaN等。其中M₂₃C₆型析出相主要分布于马氏体基体的原奥氏体晶界和板条界上，而MX型析出相主要分布于板条内。然而在满足理想的化学配比条件下，碳化物和氮化物的热稳定性是不同的，氮化物的热稳定性要普遍高于碳化物的热稳定性。基于这一理念，日本研究学者设计了氮化物强化马氏体耐热钢的显微组织，如图4所示，并成功地开发出氮化物强化马氏体耐热钢9Cr3W3CoNbN。 

第二，减缓长时服役过程中钢组织中的粗大析出相，主要是Laves相和Z相的析出。Laves相主要为Fe₂W和Fe₂Mo，Z相主要为CrNbN。它们在钢的服役过程中易于粗化，尺寸均较大，对稳定组织作用较小。随着其尺寸的长大，反而会分别消耗钢中有效的W、Mo固溶元素含量和氮化物，诱发蠕变孔洞，因此必须尽量延缓它们的析出。 

然而日本学者研发的氮化物强化马氏体耐热钢9Cr3W3CoNbN存在一个致命的缺点，就是钢中为了抑制由于碳含量的降低而形成δ铁素体所加入的大量Co、W元素。但Co元素作为非Laves相形成元素，会强烈促进Laves相的粗化，而W元素作为Laves相的形成元素，也会促进Laves相的析出和粗化。钢中粗大的Laves相会诱发蠕变空洞，损害材料的高温性能。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型氮化物强化马氏体耐热钢，以解决以往马氏体耐热钢耐高温组织稳定性差的问题。 

本发明提供了一种新型氮化物强化马氏体耐热钢，其特征在于：所述马氏体耐热钢的主要合金成分（重量百分比）为Mn：0.8～1.5%；Cr: 8.0～10.0%；W: ≤1.5%；Mo: ≤1.5%；且W+Mo: 1.5～2.0%；Nb: ≤ 0.06%；Ta: ≤0.15%；且Nb+Ta：0.05～0.15%；V: 0.1～0.3%；N: 0.03~0.05%；Fe：余量。 

其中，所述的马氏体耐热钢还可以含有以下成分（重量百分比）为：C：≤0.005%；Si：≤0.5%；S:≤0.005%；P: ≤0.005%；Co: ≤1.5%；O: ≤0.0010%；Ni: ≤0.01%；Al: <0.01%；Ti: <0.005%；Cu: <0.01%。