超超临界汽轮机转子用高强高韧耐热合金及其制备方法技术

一种超超临界汽轮机转子用高强高韧耐热合金及其制备方法，属于耐热合金技术领域。合金成分按质量百分比计含有：C：0.02～0.04％，Cr：19.0～20.5％，Mo:6.0～8.1％，Co:9.0～12.0％，W：0.10～0.50％，Al：1.40～1.60％，Ti：1.55～1.95％，Nb：0.10～0.60％，Mg：0.002～0.015％，Zr：0.002～0.01％，B：0.002～0.008％，Si：不大于0.10％，Mn：不大于0.20％，S：不大于0.002％，P：不大于0.004％，余量为Ni。且Al+Ti质量百分比满足：3.0％≤Al+Ti≤3.5％，Ti/Al质量百分比满足0.95≤Ti/Al≤1.20。优点在于，可使获得特定组织的该耐热合金具有高强高韧的特性，适用于700℃～760℃蒸汽参数超超临界机组汽轮机转子等高温大型部件使用。

High strength and high toughness heat-resistant alloy for rotor of ultra supercritical steam turbine and preparation method thereof

The utility model relates to a high strength and high toughness heat-resistant alloy for a rotor of an ultra supercritical steam turbine and a preparation method thereof, belonging to the technical field of heat resistant alloy. Alloy compositions in weight percentage: containing C:0.02 ~ 0.04%, Cr:19.0 ~ 20.5%, Mo:6.0 ~ 8.1%, Co:9.0 ~ 12%, W:0.10 ~ 0.50%, Al:1.40 ~ 1.60%, Ti:1.55 ~ 1.95%, Nb:0.10 ~ 0.60%, Mg:0.002 ~ 0.015%, Zr:0.002 ~ 0.01%, B:0.002 ~ 0.008%, Si: Mn: not more than 0.10%, not more than 0.20% S: not more than 0.002%, P less than 0.004%, the rest is Ni. And the mass percentage of Al+Ti meet: 3% = Al+Ti = 3.5%, Ti/Al = Ti/Al = 0.95 to meet the mass percentage of 1.20. The utility model has the advantages that the heat-resistant alloy with certain tissue can have the characteristics of high strength and high toughness, and can be applied to the high temperature large components, such as steam temperature parameters of 700 DEG C to 760 DEG C, ultra supercritical unit, steam turbine rotor, etc..

【技术实现步骤摘要】
超超临界汽轮机转子用高强高韧耐热合金及其制备方法
本专利技术属于耐热合金
，特别涉及了一种超超临界汽轮机转子用高强高韧耐热合金及其制备方法，适用于700℃～760℃蒸汽参数超超临界火电机组汽轮机转子等高温大型部件使用。
技术介绍
随着社会的发展，人类社会对电力的需求越来越高。对我国而言，火力发电量约占全国总发电量的80％。预计在今后很长一段时间火力发电仍将是我国乃至全球最主要的发电方式。提高热效率最有效的途径是提高机组的蒸汽温度与压力。目前世界各国在研最先进的700℃蒸汽参数超超临界电站，其发电热效率预计可达50％以上。从本世纪初欧美，日本和韩国都已相继开展700℃蒸汽参数超超临界电站研发工作。2010年，国家能源局在人民大会堂宣布成立“国家700℃超超临界燃煤发电技术创新联盟”，标志着我国正式开展700℃超超临界火电机组技术国家发展计划。随着蒸汽温度与压力的升高，超超临界发电机组对相关键耐热材料提出了更高的使用要求。通常在服役工况下，材料应满足：(1)服役温度下105小时后，持久强度不低于100MPa；(2)在服役中2×105h后的材料氧化腐蚀层厚度要小于2mm；(3)服役温度(700℃～760℃)下长时组织稳定性；(4)较高的强度、韧性以及疲劳强度；(5)优良的铸造性、加工成形性和焊接性。对于上述更苛刻的性能要求，传统的铁素体和奥氏体耐热钢已经不能满足使用要求，发电机组的高温段部件必须选用镍基耐热合金。目前开发的镍基耐热合金主要分两类：一类是固溶强化型合金，另一类是时效强化型合金。针对工况更复杂的大型高温部件，主要备选的材料以时效型合金为主，如日本东芝公司基于专利合金(CN101838757A)优化的合金TOS1X－2，钢铁研究总院新近研发的700℃级转子用专利合金C700R1(CN103866163A)。与这两种合金相比，Haynes公司研发的Haynes282合金(US8066938B2)由于具有更高的强度和持久性能，有望应用于更高温度等级超超临界火电机组中，如美国已计划将此材料应用于760℃超超临界火电机组中。在现今超超临界用耐热合金中，Haynes282合金以其高强度、高持久性能，良好的热稳定性和焊接性能，成为各国研究的重点材料。但在大量会议和文献报道中科研人员发现：除上述优点外，该合金室温韧性(冲击功)较差。经标准热处理态后其冲击功小于30J，且在时效后迅速下降到10J左右。本专利技术人对Haynes282实验研究中也进一步证实了这一问题的存在。Haynes282韧性差这一问题严重制约了其在实际工业中地应用。已经有研究报道明确指出：“晶界弱化和晶内强化是Haynes282合金冲击功降低的主要原因。但是，目前还未见可解决该问题的相关文献，需要进行深入研究”。因此，为满足700℃～760℃蒸汽参数超超临界火电机组中工况更复杂的汽轮机转子等大型部件使用要求，亟需开发出比Haynes282韧性更佳、综合性能更好的耐热镍基合金材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超超临界汽轮机转子用高强高韧耐热合金及其制备方法，(至少在相当程度上)解决上述技术问题，是一种具有韧性更佳、综合性能更好的镍基耐热合金，涉及材料的最佳成分范围、加工工艺和热处理工艺，以满足700℃～760℃蒸汽参数超超临界火电机组中工况更复杂的汽轮机转子等大型部件的使用要求。为实现上述目的，本专利技术(1)基于“多元素复合强化”理论和“选择性强化”理论对合金成分进行全面优化设计：在尽量避免长时效有害相生成的前提下，一方面通过Co、Mo、W、Nb元素的合理添加来实现合金固溶强化效果的最优化；另一方面控制Al、Ti、Nb元素的含量和配比来控制γ’的含量，以达到固溶强化和时效强化的最佳匹配；并严格控制C、Cr、Mo的含量来控制合金晶界碳化物的形态(断续状分布)，以保证合金的晶界强度和韧性；(2)结合大型部件材料工业生产实际问题，根据合金成分对冶炼－热加工工序搭配及热加工工艺进行最佳设定；(3)对热处理工艺进行精确调控，以获得最优性能理想组织：晶内析出大量平均尺寸小于30nm的γ’，晶界处析出碳化物为断续状。基于上述设计原理，具体技术方案如下：1、本专利技术提供了一种超超临界汽轮机转子用高强高韧耐热合金，其合金成分按质量百分比计含有：碳(C)：0.02～0.04％，铬(Cr)：19.0～20.5％，钼(Mo)：6.0～8.1％，钴(Co):9.0～12.0％，钨(W)：0.10～0.50％，铝(Al)：1.40～1.60％，钛(Ti)：1.55～1.95％，铌(Nb)：0.10～0.60％，镁(Mg)：0.002～0.015％，锆(Zr)：0.002～0.01％，硼(B)：0.002～0.008％，硅(Si)：不大于0.10％，锰(Mn)：不大于0.20％，硫(S)：不大于0.002％，磷(P)：不大于0.004％，余量为镍(Ni)。优选的Al+Ti质量百分比满足：3.0％≤Al+Ti≤3.5％，且Ti/Al比满足0.95≤Ti/Al≤1.20。除合金基体镍以外，上述主要化学成分具体选取理由如下(本说明书中合金成分均按质量百分比计)：碳：镍基耐热合金中C主要在冶炼、变形加工和热处理过程中与其他合金元素作用形成碳化物，如MC、M23C6、M6C等。这些碳化物优先在晶界析出，对材料的晶界性能产生重要的影响。一方面过高的C对材料的焊接性能产生不利的影响，另一方面过高的C还易产生连续析出的碳化物。如Haynes282通过添加大量C使合金在晶界上形成连续分布的M23C6型碳化物，即形成所谓的“stonewall”结构来提高蠕变强度。但大量研究表明：连续分布的碳化物韧性较差；而颗粒状不连续碳化物，既可以阻止晶界滑移和裂纹扩展来提高持久寿命，又可以改善持久塑性和韧性。为此，本专利技术基于经典热力学形核理论，主要通过减少碳化物的形核驱动力来减少形核质点，以得到断续分布的碳化物。基于理论计算，减少碳的添加量可有效较低碳化物的形核驱动力，因此本专利技术合金中为保证晶界强度和韧性，将C含量严格控制在0.02-0.04％。铬：Cr抗蒸汽腐蚀最重要的元素。随着Cr含量的增加，其抗蒸汽腐蚀性能明显增加。但研究表明，过量的Cr一方面会形成α-Cr降低材料的高温强度；另一方面Cr的添加会促进晶界碳化物的形成，使连续状碳化物更易形成。因此本专利技术钢为满足抗蒸汽腐蚀性能和晶界碳化物形态(断续状)控制要求，选取Cr含量范围为:19.0～20.5％。钼，Mo在镍基合金中主要起固溶强化作用。Mo加入可减慢Al、Ti和Cr的高温扩散速度，提高固溶体中原子间结合力，减慢软化速度，显著地改善耐热合金的热强性；但过量的Mo一方面会促进大块M6C型碳化物的生成，另一方面容易导致形成富Mo的金属间化合物，这两方面都会导致材料性能的恶化。因此，为保证本专利技术合金经预时效处理后没有M6C型碳化物，且尽量避免长时效中富Mo的M6C型碳化物和金属间化合物的生成，本专利技术合金中Mo含量严格控制为6.0～8.1％。钴：Co是镍基合金主要固溶强化元素之一，Co加入基体可降低基体的堆垛层错能，层错能降低，层错出现的几率增大，使位错的交滑移更加困难，这样变形就需要更大的外力，从而降低蠕变速率，提高蠕变抗力。但过量的Co会形本文档来自技高网...

【技术保护点】
超超临界汽轮机转子用高强高韧耐热合金，其特征在于：合金成分按质量百分比计含有：C：0.02～0.04％，Cr：19.0～20.5％，Mo:6.0～8.1％，Co:9.0～12.0％，W：0.10～0.50％，Al：1.40～1.60％，Ti：1.55～1.95％，Nb：0.10～0.60％，Mg：0.002～0.015％，Zr：0.002～0.01％，B：0.002～0.008％，Si：不大于0.10％，Mn：不大于0.20％，S：不大于0.002％，P：不大于0.004％，余量为Ni。

【技术特征摘要】
1.超超临界汽轮机转子用高强高韧耐热合金，其特征在于：合金成分按质量百分比计含有：C：0.02～0.04％，Cr：19.0～20.5％，Mo:6.0～8.1％，Co:9.0～12.0％，W：0.10～0.50％，Al：1.40～1.60％，Ti：1.55～1.95％，Nb：0.10～0.60％，Mg：0.002～0.015％，Zr：0.002～0.01％，B：0.002～0.008％，Si：不大于0.10％，Mn：不大于0.20％，S：不大于0.002％，P：不大于0.004％，余量为Ni。2.根据权利要求1所述的耐热合金，其特征在于：Al+Ti质量百分比满足：3.0％≤Al+Ti≤3.5％，且Ti/Al质量百分比满足0.95≤Ti/Al≤1.20。3.一种权利要求1或2所述耐热合金的制备方法，其特征在于：工艺步骤及在工艺中控制的技术参数如下：(1)冶炼与均匀化工艺：采用VIM+ESR+VAR三联工艺冶炼流程进行合金冶...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘正东，姜森宝，陈正宗，田仲良，包汉生，杨钢，翁宇庆，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11