[发明专利]一种析出强化的高强度抗氧化铁基高温合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种析出强化的高强度抗氧化铁基高温合金，以质量百分比的原料计，包括以下元素：Al 1.5～3.5％；Ti 1.2～2.8％；Ni 24～30％；Cr 13～16％；Mo≤2.0％；Mn≤1.0％；C 0.02～0.2％；B≤0.05％；Si≤1.0％；余量为Fe。本发明还公开了一种析出强化的高强度抗氧化铁基高温合金的制备方法。本发明合理调控Ni、Al、Ti元素含量，确保合金在服役期间具有高体积分数的Ni₃(Al,Ti)析出相存在，获得了良好的高温力学性能；并通过成分设计，使合金在高温服役时合金表面形成增长速率慢、热稳定性好的氧化铝氧化层，具有优异的抗氧化性能；合金的力学性能及抗氧化性能显著优于目前工业上广泛应用的沉淀硬化型铁基高温合金GH2132(中国牌号)或IncoloyA‑286(美国牌号)，同时材料成本与IncoloyA‑286/GH2132相似，具有十分广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于高温合金技术领域，尤其是涉及一种析出强化的高强度抗氧化铁基高温合金及其制备方法。

背景技术

燃煤火电机组提供了我国70％以上的电力，但火电机组平均发电效率低，能耗高，是二氧化硫、氮化物NOx、二氧化碳及汞的主要排放源。提高火电机组的蒸汽温度和压力是提高发电效率和减少温室气体排放的重要途径。世界各国都在积极研发能在650℃以上运行的超超临界(A-USC)燃煤发电技术。然而，650℃超超临界发电技术对高温合金材料的要求高，要求材料具有优异综合性能，包括：高温力学性能、韧性、抗氧化性能等等，目前在燃煤火电机组广泛使用的奥氏体耐热钢远远无法满足需求。虽然高温力学性能、抗氧化性能更强的材料例如镍基高温合金能够满足要求，但原材料成本昂贵。开发高温力学性能好、抗氧化性能佳，同时原料成本低的新型铁基高温合金具有重要的社会和经济效益。

提高合金高温力学性能的手段有固溶强化、析出强化、晶界强化等，而析出强化是提高合金高温力学性能最重要的手段之一。如果能在铁基高温合金中析出高温下稳定具有L1₂结构的Ni₃(Al,Ti)相，将显著提升铁基高温合金的高温力学性能。但目前析出强化型的铁基高温合金中往往均含有Ta、Nb、V等难熔金属元素，这些昂贵难熔元素的加入提高了合金的成本。因此，在降低或不含昂贵金属元素含量的基础上，保持合金优异的高温力学性能，是铁基高温合金设计的难点。

此外，目前广泛使用的铁基耐热合金在服役时主要依赖氧化铬氧化层的保护。氧化铬氧化层增厚快，且在含有蒸汽的环境中易形成不稳定的铬的羟基氧化物，加速氧化。而氧化铝氧化膜生成增长速率慢、热稳定性好，能对合金在高温使用时提供足够的保护。

综上所述，通过合金成分设计，成功研发含有大量Ni₃(Al,Ti)析出强化相，又具备氧化铝保护层形成能力同时不含Ta、Nb、V等昂贵金属元素(合金原材料成本例举如表1所示)的低成本铁基高温合金，对当前燃煤火电领域等领域意义重大，应用前景广阔。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种含有大量的Ni₃(Al,Ti)析出强化相、具备氧化铝保护层形成能力同时不含Ta、Nb、V等昂贵金属元素，强度高、抗氧化能力强、成本低的析出强化的高强度抗氧化铁基高温合金及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种析出强化的高强度抗氧化铁基高温合金，以质量百分比的原料计，包括以下元素：

进一步的，Al的含量为2.5～3.2％。

进一步的，Ti的含量为1.8～2.5％。

进一步的，Ni的含量为25～29％。

进一步的，合金基体为奥氏体，Ni₃(Al,Ti)强化相在晶内均匀弥散分布，其体积分数不低于40％。