本發(fā)明涉及高溫金屬結(jié)構(gòu)材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體為一種奧氏體耐熱鋼及其制備方法
背景技術(shù)：
：燃煤火電機(jī)組提供了我國75％以上的電力，但我國火電機(jī)組平均發(fā)電效率低，能耗高，是二氧化硫、氮化物NOx、二氧化碳及汞的主要排放源。我國政府承諾到2020年單位GDP二氧化碳排量在2005年基礎(chǔ)上減少40～45％。采用高參數(shù)大容量火電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)最直接、經(jīng)濟(jì)、有效的措施之一。因此，發(fā)展高參數(shù)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)，對我國節(jié)約能源、降低污染物和二氧化碳排放具有十分重要的戰(zhàn)略意義和實(shí)際應(yīng)用價值，600℃超超臨界火電機(jī)組是目前國內(nèi)已商用的先進(jìn)的燃煤發(fā)電技術(shù)。高溫結(jié)構(gòu)材料是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)最重要的材料基礎(chǔ)，服役環(huán)境要求其具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、韌性、抗蒸汽氧化性能、抗煙氣腐蝕性能、組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。在現(xiàn)役的600℃超超臨界火電機(jī)組中，HR3C合金廣泛用于制造鍋爐的末級(高溫段)過熱器和再熱器。HR3C合金屬于高等級奧氏體耐熱鋼，是日本住友金屬公司在TP310鋼的基礎(chǔ)上通過復(fù)合添加Nb、N等合金元素研制出的一種奧氏體耐熱鋼。但HR3C合金在服役過程中也表現(xiàn)出了一些不足，即組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，合金的韌性隨著服役時間的延長下降很快，影響了電站的安全運(yùn)行。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)中HR3C合金存在的問題，本發(fā)明提供一種奧氏體耐熱鋼及其制備方法，成分配比合理，高溫強(qiáng)度高和韌性優(yōu)異，加工性能和性價比好。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種奧氏體耐熱鋼，所述奧氏體耐熱鋼的成分按重量百分比計(jì)包括，Ni19-25％，Cr20-25％，Co1.0-6.0％，Mn≤1.0％，Nb0.2-0.8％，V0-0.5％，Si≤1.0％，N0.1-0.3％，C0.04-0.10％，B0.001-0.003％，Ce0-0.04％，P0.01-0.03％，余量為Fe。優(yōu)選的，所述的Ni的重量百分比為19-22％。優(yōu)選的，所述的Cr的重量百分比為22-25％。優(yōu)選的，所述的Co的重量百分比為1.0-5.0％。優(yōu)選的，所述的Mn的重量百分比為不大于0.8％。優(yōu)選的，所述的Nb的重量百分比為0.2-0.6％。優(yōu)選的，所述的N的重量百分比為0.15-0.25％。優(yōu)選的，所述的V的重量百分比為0-0.25％，B的重量百分比為0.001-0.003％，Ce的重量百分比為0-0.02％，Si的重量百分比為不大于0.75％。一種奧氏體耐熱鋼的制備方法，包括以下步驟：步驟1，按重量百分比計(jì)，依照合金成分及燒損量配備原材料，并將原材料在真空環(huán)境下熔煉并澆注成合金錠；合金錠的組成成分按重量百分比計(jì)為，19-25％的Ni，20-25％的Cr，1.0-6.0％的Co，不大于1.0％的Mn，0.2-0.8％的Nb，0-0.5％的V，不大于1.0％的Si，0.1-0.3％的N，0.04-0.10％的C，0.001-0.003％的B，0-0.04％的Ce，0.01-0.03％的P，余量為Fe；步驟2，將合金錠在1150-1200℃均勻化20-30小時；步驟3，將均勻化后的合金錠在1000-1150℃進(jìn)行熱變形處理；步驟4，將熱變形后的合金在1180-1240℃進(jìn)行10-40分鐘固溶熱處理，然后水冷得到所述的奧氏體耐熱鋼。優(yōu)選的，步驟4中制備得到的奧氏體耐熱鋼，基體為無序面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體，主要強(qiáng)化相為MX、Z相和M23C6，晶粒尺寸為50-80μm，在700℃時的屈服強(qiáng)度大于180MPa，延伸率大于20％。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：本發(fā)明所述的奧氏體耐熱鋼，通過合金中含有較高的Cr，以提高抗蒸汽氧化和抗煙氣腐蝕能力；V、Nb可形成碳化物、氮化物以及碳氮化物強(qiáng)化相，以提高合金的高溫強(qiáng)度；B、P、Ce可以降低晶界處碳化物的粗化速率，還可以降低晶界界面能，提高晶界結(jié)合強(qiáng)度，從而改善合金韌性；Co可以降低基體的層錯能，也會提高合金的高溫強(qiáng)度。合金成分的優(yōu)化使得合金同時具有高強(qiáng)度和高韌性，以及優(yōu)異的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。能夠適用于制造在高溫、高壓、超超臨界水蒸汽和腐蝕性煙氣環(huán)境下服役的部件，如600℃及以上超超臨界火電機(jī)組鍋爐的過熱器和再熱器。附圖說明圖1本發(fā)明實(shí)施例1制備的奧氏體耐熱鋼的組織特征。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。由于高溫材料的成分、組織結(jié)構(gòu)和性能密切相關(guān)，本發(fā)明通過合金的成分優(yōu)化，可以在保持合金的高溫強(qiáng)度同時，提高其沖擊韌性，從而改善其服役特性。本發(fā)明得到的奧氏體耐熱鋼，具有高強(qiáng)度高韌性，基體為無序面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體(γ)，主要強(qiáng)化相為MX、Z相(CrNbN)和M23C6，晶粒尺寸為50-80μm，在700℃時的屈服強(qiáng)度大于180MPa，延伸率大于20％。實(shí)施例1-31.合金的成分表1給出的是本發(fā)明實(shí)施例1、2、3的化學(xué)成分組成。試驗(yàn)用合金1#-3#是本發(fā)明實(shí)施例1、2、3的奧氏體合金，為了和商用的HR3C合金進(jìn)行比較，表中也列出了HR3C的成分。表1本發(fā)明實(shí)施例1-3與比較例(HR3C)的化學(xué)成分(重量％，余量為Fe)2.合金的熔煉和熱變形按重量百分比將19-25％的Ni，20-25％的Cr，1.0-6.0％的Co，≤1.0％的Mn，0.2-0.8％的Nb，0-0.5％的V，≤1.0％的Si，0.1-0.3％的N，0.04-0.10％的C，0.001-0.003％的B，0-0.04％的Ce，0.01-0.03％的P，余量為Fe，加入到真空感應(yīng)爐中熔煉，澆注成合金錠。將合金錠在1150-1200℃均勻化20-30小時，然后將均勻化后的合金錠在1000-1150℃進(jìn)行熱變形(熱鍛或熱軋)，總變形量60-80％，最后一道次變形量不低于20％。實(shí)施例1#-3#合金的熱加工性能與HR3C相當(dāng)。3.合金的熱處理將熱變形后的合金在1180-1240℃進(jìn)行10-40分鐘固溶熱處理，然后水冷，得到高強(qiáng)度高韌性奧氏體耐熱鋼。4.合金的組織結(jié)構(gòu)特征合金的晶粒尺寸范圍為50-80μm，其典型組織特征如圖1所示。MX相、M23C6和Z相為主要的強(qiáng)化相。5.合金的力學(xué)性能5.1拉伸性能實(shí)施例合金1#-3#的室溫拉伸性能，均優(yōu)于GB5310-2008標(biāo)準(zhǔn)中HR3C的指標(biāo)。隨著溫度的升高，奧氏體耐熱鋼的強(qiáng)度會降低。在650℃和700℃，實(shí)施例合金1#-3#的抗拉強(qiáng)度均大大高于HR3C在600℃時的374MPa。表明實(shí)施例合金具有優(yōu)異的室溫和高溫強(qiáng)度。表2實(shí)施例合金與HR3C的拉伸性能5.2沖擊韌性實(shí)施例合金1#-3#在650℃熱暴露500小時后，其室溫沖擊韌性如表3所示。實(shí)施例3#合金的沖擊韌性稍低，為65J/cm2，高于HR3C的45J/cm2近50％。實(shí)施例2#合金的沖擊韌性是HR3C的2倍以上。表明本發(fā)明的合金具有優(yōu)異的沖擊韌性。表3實(shí)施例合金與HR3C在650℃熱暴露500小時后的室溫沖擊性能綜上所述，本發(fā)明的奧氏體耐熱鋼與現(xiàn)在商用的HR3C相比，其熱加工性能和成本相當(dāng)，但同時具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和高韌性，克服了HR3C合金的不足。本發(fā)明的奧氏體耐熱鋼適用于制作600℃及以上在高溫、高壓、超超臨界水蒸汽和腐蝕煙氣條件下工作的部件，如600℃及以上超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組(A-USC)中的過熱器和再熱器等。實(shí)施例4-7表4給出的是本發(fā)明實(shí)施例4、5、6和7的化學(xué)成分組成。試驗(yàn)用合金4#-6#是本發(fā)明實(shí)施例4、5、6和7的奧氏體合金。表4本發(fā)明實(shí)施例4-7的化學(xué)成分(重量％，余量為Fe)合金NiCrMnNbSiNCBPCoVCe4#25200.10.81.00.10.040.0020.071.00.250.0155#22250.80.60.750.150.0870.0030.0145.00.5-6#19230.30.20.660.250.100.0010.016.00.30.047#20221.00.40.900.30.0460.0010.0222.0-0.02當(dāng)前第1頁1 2 3