一种低成本高强抗氧化铁镍基合金及其制备方法技术

本发明专利技术一种低成本高强抗氧化铁镍基合金及其制备方法，所述合金强度高，在650℃～700℃具有良好的抗高温蒸汽氧化性能，合金生产成本低，性价比优势明显。所述合金包括以下化学成分：C、Cr、Fe、Co、Mo、W、Al、Si、Ti以及Ni；按质量分数组分如下，0<C<0.08％、14％≤Cr≤18％、37％≤Fe≤48％、0.5％≤Al+Si≤3.0％、2％≤Ti≤2.2％、Co≤1.5％、0.4≤Mo+W≤1.5％，余量为Ni；所述合金在650

【技术实现步骤摘要】
一种低成本高强抗氧化铁镍基合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高铁铁镍基合金，具体为一种低成本高强抗氧化铁镍基合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]为解决急增的用电需求、日益凸显的能源紧缺及环境污染问题，先进燃煤发电技术未来的发展趋势是：在5-10年的中期发展中，在现有600℃机组基础上，通过采用二次再热和提高主蒸汽温度，提高热效率2-3个百分点；在10-20年的长期发展中，700℃机组将投入示范运行，其热效率将达52-55％。由于700度电厂所需的镍基高温合金需要较高的制备技术，价格昂贵，约是奥氏体钢成本的10倍、高级铁素体钢成本的20倍；综合考虑电厂效率、成本、国产化水平和制备能力、机组安全运行和维护等因素，我国今后10-15年的重点发展方向应是利用优化或新研发的铁素钢和奥氏体钢，将商业化电厂机组参数逐步提高至650℃(热效率可达50％左右)。
[0003]过/再热器部件是超超临界机组锅炉中负责回收燃煤烟气能量、加热蒸汽、实现能量转化的关键部件，是锅炉中承受压力最大、温度最高、服役环境罪苛刻的部分。炉管内部蒸汽氧化后氧化层的隔热作用会引起金属超温，当氧化皮达到一定厚度而发生剥落时，剥落的腐烛产物堆积在管道弯头造成堵管，或者随蒸汽进入汽轮机冲蚀汽轮机通流部件，这两种情况都给机组的安全运行带来了严重的隐患。大量的实践也表明，由氧化膜剥落导致的气流受阻并引发的长期过热是锅炉管失效及电站效益降低的主要原因之一。而火力发电厂机组的高蒸汽参数、高效率化发展，使得锅炉管服役工况更加复杂、苛刻，其使用材料在更高要求下的使用性能也需要进一步验证和改进。
[0004]服役电站机组中，锅炉关键部件合金的设计规律延续了按Cr含量(质量分数)划分的标准，主要分为低合金钢(1％～3％Cr)、铁素体/马氏体钢(9％～12％Cr)和奥氏体钢(18％～25％Cr)3类。Cr不仅是金属材料合金化设计的重要元素，同时也是合金表面能否形成稳定、致密的保护性氧化膜的关键。如，低合金钢由于较低的Cr含量不具有抗高温蒸汽氧化能力；9％Cr钢的蒸汽氧化速率限制其使用温度不高于600℃，12％Cr铁素体/马氏体钢抗蒸汽氧化能力稍高一些；Cr含量越高，奥氏体不锈钢越不容易受腐蚀，25％Cr含量的合金表面能形成致密的保护性Cr2O3膜。尽管Cr元素是电站材料具有抗高温蒸汽氧化能力的关键，但是高温合金复杂的元素体系使合金中其它元素的影响也不容忽视。Maziasz等对NF709钢的高温蒸汽氧化行为进行研究时，指出抗蒸汽氧化性能的提高主要源自合金中较高的Cr和Ni，保证了Cr2O3膜的快速形成。但是，Sarver等认为Cr含量的提高对金属抗高温蒸汽氧化作用存在上限，且以奥氏体耐热钢的Cr含量为分界线，Cr含量更高的合金，650℃的抗蒸汽氧化性能并没有实质性的改善，800℃时的抗蒸汽氧化性能的改善也不是十分显著。Zurek等研究了9％～12％Cr钢在600～650℃的蒸汽氧化行为，发现氧化速率在较低的温度下反而出现了最高的氧化增重，他们指出这与合金中其它元素对氧化膜成分以及形貌的影响有着很大关系。合金中Al是形成γ
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相强化的重要组分，适量的Al含量对提高合金抗腐蚀性能有
积极作用。Yamamoto等报道的含铝奥氏体钢，能够在600～900℃的环境中生长Al2O3膜，从而使水蒸汽对其氧化速率的影响变得不敏感。根据Saunders的研究，水蒸汽对生长Al2O3合金的氧化速率并不敏感，在高温高压蒸汽中Al2O3是最稳定的氧化物。
[0005]电站锅炉关键部件的抗高温蒸汽氧化能力与合金中Cr含量有最直接的关系。但是，复合添加耐蚀元素能明显改变合金的抗蒸汽氧化性能，文献报道添加Si和稀土元素。但针对超超临界电站锅炉高温部件用材料的研发，仍多从增加Cr含量的角度来改善合金的抗高温氧化性能。如Ni基合金Haynes230、Inconel740H中Cr含量高达25wt.％。这些合金抗蚀性强，但难以加工、焊接性能差、成本高。与之相反，成本较低且易加工的Ni-Fe基合金如GH2984虽含19wt.％的Cr，仍不满足抗蚀性的要求。除此之外，一些元素在提高合金强度及力学性能上有利，但是对合金的抗氧化性不利，容易导致氧化膜剥落等。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种低成本高强抗氧化铁镍基合金及其制备方法，所述合金强度高，在650℃～700℃具有良好的抗高温蒸汽氧化性能，合金生产成本低，性价比优势明显。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0008]一种低成本高强抗氧化铁镍基合金，包括以下化学成分：C、Cr、Fe、Co、Mo、W、Al、Si、Ti以及Ni；按质量分数组分如下，
[0009]0<C<0.08％、14％≤Cr≤18％、37％≤Fe≤48％、0.5％≤Al+Si≤3.0％、2％≤Ti≤2.2％、Co≤1.5％、0.4≤Mo+W≤1.5％，余量为Ni；
[0010]所述合金在650-700℃范围内的蒸汽氧化期间，通过选择性氧化获得含氧化铬/氧化铝双层结构的致密氧化层。
[0011]优选的，当14％≤Cr≤16.5％时，所述的Al和Si的质量分数满足1.3％≤Al+Si≤3.0％，且0.2％≤Si≤0.5％。
[0012]优选的，当14％≤Cr≤16.5％时，所述的W和Mo的质量分数为Mo+W≤1.2％。
[0013]优选的，当37％≤Fe≤40％时，所述的W和Mo的质量分数为0.7≤W+Mo≤1.5％。
[0014]优选的，当40％<Fe≤48％时，所述的W、Mo的质量分数为0.4≤W+Mo≤1.2％，所述合金为高铁铁镍基合金。
[0015]优选的，所述合金晶粒度在80-120μm范围内。
[0016]优选的，所述合金在650℃动态饱和蒸汽中氧化100h后增重≤0.70mg/cm2，1000h动态饱和蒸汽中的氧化增重≤0.90mg/cm2；700℃动态饱和蒸汽中氧化1000h后增重≤0.56mg/cm2。
[0017]优选的，在650-700℃范围内蒸汽氧化行为满足抛物线动力学规律。
[0018]优选的，所述合金在700℃动态饱和蒸汽中氧化1000h后氧化层厚度最高不超过4μm。
[0019]一种低成本高强抗氧化铁镍基合金的制备方法，根据上述任意一项所述合金的化学成分范围，将单质的C、Cr、Fe、Mo、W、Al、Si、Ti以及Ni按质量分数比例，以颗粒形式加入真空感应炉中熔炼后浇注成锭，并进行热处理，得到对应一种低成本高强抗氧化的高铁镍铁基合金。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0021]本专利技术开创性的在650℃～700℃下使用的合金中，将其中添加的Cr含量不高于18％，使得氧化初期尚不足以形成完整的Cr2O3膜，利用选择性氧化原理，通过本专利技术合金中的Al、Si及W、Mo元素含量的控制，促使合金随着高温蒸汽氧化时间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低成本高强抗氧化铁镍基合金，其特征在于，包括以下化学成分：C、Cr、Fe、Co、Mo、W、Al、Si、Ti以及Ni；按质量分数组分如下，0<C<0.08％、14％≤Cr≤18％、37％≤Fe≤48％、0.5％≤Al+Si≤3.0％、2％≤Ti≤2.2％、Co≤1.5％、0.4≤Mo+W≤1.5％，余量为Ni；所述合金在650-700℃范围内的蒸汽氧化期间，通过选择性氧化获得含氧化铬/氧化铝双层结构的致密氧化层。2.根据权利要求1所述的一种低成本高强抗氧化铁镍基合金，其特征在于：当14％≤Cr≤16.5％时，所述的Al和Si的质量分数满足1.3％≤Al+Si≤3.0％，且0.2％≤Si≤0.5％。3.根据权利要求1所述的一种低成本高强抗氧化铁镍基合金，其特征在于：当14％≤Cr≤16.5％时，所述的W和Mo的质量分数为Mo+W≤1.2％。4.根据权利要求1所述的一种低成本高强抗氧化铁镍基合金，其特征在于：当37％≤Fe≤40％时，所述的W和Mo的质量分数为0.7≤W+Mo≤1.5％。5.根据权利要求1所述的一种低成本高强抗氧化铁镍基合金，其特征在于：当40％<Fe≤48...

【专利技术属性】
技术研发人员：周永莉，严靖博，袁勇，鲁金涛，党莹樱，黄锦阳，杨珍，张鹏，尹宏飞，谷月峰，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：