[发明专利]无Z-相析出的铁素体/马氏体高铬耐热钢

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于火力发电机组的铁素体/马氏体耐热钢，属于金属材料技术领域。

背景技术

为提高火力发电机组的效率，降低CO₂气体的排放，火电机组的参数已由亚临界、超临界发展到超超临界(ultra-super critical，USC)参数。发展USC机组的关键技术是开发热强度高、抗高温烟气氧化腐蚀和高温汽水介质腐蚀、可焊性和工艺性良好、价格相对低廉的材料。高铬(铬的质量分数为9-12％)铁素体/马氏体耐热钢因其低廉的价格和良好的工艺性能在USC火电机组中获得了广泛应用。目前在USC机组使用的高铬铁素体/马氏体耐热钢可以使汽轮机的蒸汽温度最高达到600℃，下一个目标是达到650℃[Kouichi MARUYAMA et al，Strengthening Mechanisms of Creep Resistant Tempered Martensitic Steel.ISIJ International，Vol.41(2001)，No.6，pp.641-653]。为提高9-12％铬铁素体/马氏体耐热钢的高温强度，国内外均进行了大量的研究工作。为利用稳定的MX(M是指钒、铌等元素，X是指碳和氮)型纳米析出相强化高铬耐热钢，专利ZL02801301.8公开了一种铁素体系耐热钢及其制造方法，通过减少碳元素含量到0.01％以下，添加钴元素确保淬火性，同时添加氮元素和MX形成元素，实现了在晶界上和晶内的界面上析出MX型强化相，提高了高温蠕变强度。专利ZL200710113974.0公开了一种具有纳米析出相强化的铁素体系耐热钢及其制造方法，通过优化合金成分和热处理工艺，实现了在钢的基体内有高密度的、均匀分布的MX型纳米析出相，显著提高了这类钢的高温蠕变强度。这些新型高铬耐热钢中铬的质量分数偏低(小于10％)，对高温抗腐蚀性不利。文献[Y.Wang at al，Development of new 11％Cr heat resistant ferritic steelswith enhanced creep resistance for steam power plants with operating steam temperatures up to650℃.Materials Science and Engineering A，510-511(2009)180-184]试验研究了大量较高碳含量和铬含量的新型高铬耐热钢，希望可以在蒸汽温度达到650℃的USC机组中使用，但蠕变试验结果表明这一目标并没有达到。发明人通过研究发现影响高铬铁素体/马氏体耐热钢高温蠕变强度的关键因素是高温长期服役过程中析出了一种粗大富铬、铌和钒的复杂氮化物相，(Cr，V，Nb)N，即Z相。由于Z相和MX型纳米强化相的构成元素中都含有钒和铌，所以粗大Z相的形成是以消耗MX型纳米强化相为代价的，因而加速高温强度的退化，导致现有的高铬铁素体/马氏体耐热钢的高温蠕变强度降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、工作性能优良的铁素体/马氏体耐热钢，其技术方案为：

一种无Z-相析出的铁素体/马氏体高铬耐热钢，其特征在于其化学组成以质量百分比计为：铬：10.0-12.0、钼：0.3～0.5、钨：1.5～2.0、钴：2.0～5.0、镍：0～0.05、锰：0.2～1.0、氮：0.005～0.015、钒：0.18～0.25、铌：0.05～0.08、钛：0.005～0.015、碳：0.03～0.15，硼：0.004～0.015，余量为铁和不可避免的杂质。

下面对规定各构成元素含量范围的理由解释如下：

碳：与铬结合形成M₂₃C₆型碳化物强化相，与钒、铌、钛等元素结合形成MX型碳氮化物强化相。碳同时还是奥氏体形成元素，拟制高温δ-铁素体的形成。但过高的碳含量也会抑制MX型碳氮化物相以纳米尺寸析出，故本发明钢中，碳的质量百分比控制在0.03％～0.15％之间。

氮：与钒、铌、钛等元素结合形成MX型碳氮化物强化相，促进MX型碳氮化物强化相以纳米尺寸形式析出。但当质量百分比超过0.015％时，高温长期服役过程中会析出粗大富铬、铌和钒的复杂氮化物相，即Z相。由于Z相和MX型纳米析出相的构成元素中都含有钒和铌，所以Z相的形成以消耗MX纳米析出相为代价，加速高温强度的退化。因此，本发明钢中，氮的质量百分比控制在0.005～0.015％之间。