[发明专利]具有联合的高蠕变断裂强度和抗氧化性的高铬马氏体耐热钢

说明书

用于锅炉应用的马氏体耐热钢，所述钢在高温暴露于含蒸汽环境中时具有增强的蠕变强度和优异的抗氧化性的独特组合，所述钢具有以下熔体分析(以重量％计)：C：0.10至0.16％，Si：0.20至0.60％，Mn：0.30至0.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Al≤0.020％，Cr：10.5至12.00％，Mo：0.10至0.60％，V：0.15至0.30％，Ni：0.10至0.40％，B：0.008至0.015％，N：0.002至0.020％，Co：1.50至3.00％，W：1.50至2.50％，Nb：0.02至0.07％，Ti：0.001至0.020％。所述钢的余量由铁和不可避免的杂质组成。在1050℃至1170℃的温度范围内将所述钢正火持续约10分钟至约120分钟的时段，并在空气或水中冷却至室温，然后在750℃至820℃的温度范围内回火至少1小时。其表现出马氏体显微组织，其中具有小于5体积％的平均δ铁素体含量。

本发明涉及用于在高温(即550至750℃)和高应力下操作的部件的马氏体高铬耐热钢。根据本发明的钢可用于发电、化学工业和石化工业。

现有技术水平

铁素体/马氏体高Cr钢材料广泛用于现代发电厂中作为再热器/过热器的管材以及作为蒸汽管道。进一步提高热电厂的净效率将需要增加蒸汽参数压力和温度。因此，实现更高效的发电厂循环将需要具有改善的蒸汽侧抗氧化性的更强材料。迄今为止，由于形成所谓的Z相，开发兼具优异的蠕变性能和优异的抗氧化性的新型马氏体高铬钢的已知努力已经失败。Z相是复合氮化物，其快速粗化，从而消耗周围的强化MX析出物，M为：Nb、V并且X为：C、N。

表述高铬钢材料通常是指具有大于9重量％Cr的钢。然而，提高的Cr含量(即含有大于9重量％的Cr，这对于良好的蒸汽氧化耐受性是必需的)增加Z相形成的驱动力并且还提高碳化铬析出物的粗化速率。MX的显微组织稳定作用的损失和碳化铬析出物都是造成马氏体高Cr耐热钢等级的长期蠕变断裂强度下降的原因。因此，未来钢发展的主要挑战是解决蠕变断裂强度和抗氧化性之间的明显矛盾。

目前，对于高温应用(也就是使用温度高于550℃的应用)，ASTM等级91和92被广泛使用，它们两者均含有9重量％的Cr，在600℃下10⁵小时之后分别具有90和114MPa蠕变断裂强度。这两种钢之间的主要区别在于，等级92含有1.8重量％的W和0.4重量％的减少的Mo，相比之下等级91的Mo含量为1重量％。此外，等级92含有低于0.005重量％的较小量的B。

在高于600℃的温度下在蒸汽气氛中两种钢都遭受不足的抗氧化性，这显著限制了应用温度范围。特别是在具有传热的锅炉部件中，氧化皮充当热绝缘体，从而增加金属温度并因此降低相应部件的寿命。另外，如果在操作期间氧化皮剥落，则该氧化皮将引起对随后的蒸汽携带部件的侵蚀损伤或者在进入蒸汽涡轮机之后将引起对涡轮叶片和导向叶片的侵蚀损伤。剥落的氧化皮可能导致管堵塞(特别是在弯曲区域中)，从而阻碍蒸汽流动，这经常导致局部过热和灾难性故障。

X20CrMoV11-1是一种用于高温应用的良好确立的高Cr铁素体/马氏体钢，其含有0.20重量％的C、10.5-12重量％的Cr、1重量％的Mo和0.2重量％的V。由于较高的Cr含量，这种钢表现出比ASTM钢等级91和92更好的氧化性能，但是具有不良的蠕变断裂强度(在600℃下10⁵h后的蠕变断裂强度为约59MPa)。另外，由于0.20重量％的高C含量，热加工性和可焊性劣化。ASTM等级122含有10-12％的Cr、1.8％的W、1％的Cu并且还含有V、Nb和N添加物以引起MX强化颗粒的析出。蠕变断裂强度显著低于ASTM等级92，该ASTM等级92在600℃下10⁵h之后表现出98MPa的蠕变断裂强度。

还存在由于Cu含量升高引起的热加工性问题。