[发明专利]超超临界火电机组汽轮机叶片用耐热钢及制造方法

说明书

技术领域

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

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

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：

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。

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。

下面对规定各构成元素含量范围的理由解释如下：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。