[发明专利]一种钼铈复合合金化的汽轮机叶片钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及马氏体汽轮机叶片钢，特指一种钼铈复合合金化的汽轮机叶片钢及其制备方法，属于钢铁材料领域。

背景技术

1Cr13钢是具有代表性的马氏体汽轮机叶片钢，满足450℃以下蒸汽轮机叶片的使用要求，随着蒸汽参数的提高，1Cr13钢组织稳定性差，不能适应更高的服役温度，因此科技人员在1Cr13的基础上添加了Mo、Nb、V、N、W等合金元素来提高材料在高温下的使用性能。这些合金元素在钢中能起到固溶强化的作用，提高钢的高温强度，同时可提高材料的耐蚀性能，但是以上的合金元素对不锈钢的抗高温氧化性能无显著的提高作用。

根据以往的研究成果，稀土元素在钢中可起到深度净化钢液、变质钢中的夹杂物、控制钢的凝固组织和微合金化的作用，被成为钢的“维生素”，但是，在2010年前，由于稀土价格昂贵，很难大量应用到冶金工业中去。稀土铈是轻稀土元素中含量较为丰富的金属，价格相对比较低廉，近年来，中国加入到WTO后，稀土的出口不再采用配额制，价格下跌至历史低点，但同时，稀土矿是不可再生资源，低廉、大量地出口只会损害本国的稀土工业和相关产业，怎样在国内高效利用稀土元素成为亟待解决的问题。有研究表明：在不锈钢中添加稀土元素，同样可以提高钢的高温力学性能和耐蚀性能，并可同时提高钢的抗高温氧化性能。但是根据研究成果，由于稀土元素原子半径太大，在钢中的溶解度有限，所以单独使用稀土元素，对钢耐蚀性能和高温力学性能提高有限。

本发明基于以上两方面考虑，在同时添加钼和铈，铈的添加，提高了钼在钢中的活度，从而增强了钼的作用，铈本身也可以提高钢的高温力学性能和耐蚀性能，此外还可以提高钢的抗高温氧化性能，两种元素的复合作用，对钢的高温力学性能、耐蚀性能和抗高温氧化性能都起到了较大的提高作用。

发明内容

本发明目的在于提供一种钼铈复合合金化的汽轮机叶片钢。1Cr13钢是最常见的中低温度下使用的汽轮机叶片钢，其它汽轮机叶片钢大部分是以1Cr13钢为基础添加Mo、Nb、V、N、W等合金元素发展起来的，这些元素可提高钢的耐蚀性但不能够提高钢的抗高温氧化性能。本发明同时将稀土元素铈和钼添加到1Cr13钢中，起到了复合合金化的作用，同时提高了钢高温力学性能、耐蚀性和抗高温氧化性能。

上述汽轮机叶片钢，其化学成分按照质量百分数计算为：C 0.10％～0.17％，Mn 0.35％～0.55％，Si 0.30％～0.60％，Ni 0.30％～0.60％，Cr 11.50％～13.00％，Ce 0.02％～0.07％，Mo 0.35％～0.55％，P≤0.030％，S≤0.025％，余量为Fe。

上述汽轮机叶片钢的制备方法，其特征在于：

将称好的工业纯铁、金属镍、金属钼、废石墨电极、金属铬装入真空感应炉的坩埚内，抽真空，通电冶炼，熔清20min后加入硅铁、金属锰，然后加入铝脱氧，提高炉温至出钢温度，添加稀土金属铈后出钢，在真空室内完成钢锭浇注，浇注完后破真空。

进一步地，为了防止真空下C-O反应剧烈导致的喷溅，一开始装炉至熔清后5min，真空度保持在200Pa。

进一步地，为了保证脱氧需求，炉料熔清5min后，将真空度提高至30Pa以下，并保持该真空度15min，然后充氩气使炉内压力增至0.04MPa，添加硅铁、金属锰，2min后添加铝脱氧。

进一步地，提高炉温至出钢温度至1570℃，添加稀土金属铈，1min后出钢，在真空室内完成钢锭浇注，浇注完5min后破真空，开罐将钢锭模吊出，脱模取出钢锭。

所用冶炼设备真空感应炉，坩埚材质为MgO，可在真空室内进行钢锭浇注，具备真空状态下三次加合金的功能。为了保证不受坩埚残余冷钢的影响，冶炼前采用工业纯铁洗炉两次。

发明的该钢种，同时将钼和铈一起加入复合合金化，其优势是显而易见的。钼元素可以提高钢的高温力学性能和耐蚀性能，但不能钢的抗高温氧化性能；铈可以提高钢的高温力学性能、耐蚀性能和抗高温氧化性能，但由于其在钢中的溶解度较低，对高温力学性能和耐蚀性能提高作用有限。同时加入上述两种元素后，铈是活性元素，可以提高钼在钢中的活度，增强钼的有益作用，铈本身也有提高高温力学性能和耐蚀性能的作用，此外还能够提高钢的抗高温氧化性能。