[发明专利]一种高强低膨胀高温合金

说明书

一种高强低膨胀高温合金，按质量百分数计，该合金的化学成分组成包括：10％≤Cr≤18％，10.5％≤Fe≤19％，Ti≥1.3％，Al≥1.2％，Mo≥3％，0.2％≤W≤4％，0.1％≤Si≤0.8％，0.1％≤Mn≤0.8％，C≥0.02％，0.002≤B≤0.02％，其余量为Ni。本发明的成分设计中，采用γ'相沉淀强化和强化元素固溶强化相结合的方式，获得较好的高温强度；合金具有较低的热膨胀系数；同时合金中不含贵重金属钴，加入一定含量的铁，以降低合金的成本和提高加工性，大大提高了合金的性价比，可用于650℃级超超临界电站汽轮机螺栓和叶片等部件。

技术领域

本发明属于电站金属材料领域，具体为一种高强低膨胀高温合金。

背景技术

对于燃煤火力发电机组，提高蒸汽参数可以显著提高机组热效率、降低煤耗、减少碳氮化物废气排放等。目前运行的超超临界火电机组的蒸汽参数已达到了620℃，目前正在向650℃/30MPa、700℃/35MPa及更高参数发展。对于650℃机组，由于是近年提出的新型机组，其汽轮机关键部件还没有合适的材料，特别是螺栓和叶片等部件用低膨胀高温金属材料缺乏。高温金属材料是高参数机组的基础，开发出性能优良的高强低膨胀高温合金才能制造出满足高参数机组的发电设备。

汽轮机用低膨胀高温合金要求合金在高温下具有优良的高温性能、较低的热膨胀性能、抗氧化性等，同时兼具较低的成本，以降低电站的建设投入。目前600℃超超临界机组汽轮机用的低膨胀合金中耐热钢有12CrMoVNbNW、X19CrMoNBVN11-1等，镍基合金有R26(Fe基-36Ni-17Cr-18.5Co-2.6Mo-18.5Cr-2.7Ti)、Inconel783(Ni基-25Fe-3Cr-5.5Al-34Co-3.5Nb)、Inconel718(Ni基-18Fe-18Cr-3.0Mo-5.4Nb-0.6Al-0.9Ti)、Nimonic80A(Ni基-0.8Fe-19.5Cr-2.3Ti-1.4Al)等。耐热钢具有较低的热膨胀系数，但650℃已达到此类合金服役的温度上限。R26合金的热膨胀系数较大，抗应力腐蚀能力差，含有较多的贵重元素钴，不适合用作超临界机组的紧固件。Inconel783合金在650℃以下具有较低的热膨胀系数、优异的高温性能和抗氧化性，但存在应力加速晶界氧化问题，在600℃汽轮机运行中频频出现断裂现象，严重影响了电站运行的安全性，同时合金原料成本较高。Inconel718合金是美国GE公司大量使用的汽轮机和燃气轮机螺栓用材料，其室温强度超过1300MPa，由于该合金和汽缸的热膨胀系数相差很大和缺口敏感性，发生了多起联合循环机组汽缸螺栓断裂事故。Nimonic80A合金在650℃时的热膨胀系数超过15×10^-6，同时其在650℃的长期性能和组织稳定性还需进一步的考核。汽轮机在运行过程中要求部件紧密结合，螺栓材料的高热膨胀系数会降低气缸的密封性；叶片材料高的膨胀系数会导致服役的叶片伸长，发生刮蹭和降低效率，影响汽轮机的性能。

镍基高温合金由于具有较高的力学性能和抗氧化性能，是高参数超超临界机组关键部件重要的候选合金之一。该类合金通常含有较高的金属元素Co、Nb、W等获得固溶强化，加入Ti、Al等形成沉淀强化，加入较高的Cr和Al提高合金的抗氧化能力；但通常镍基高温合金存在热膨胀系数高、长期组织稳定性差、成本价格昂贵等问题，限制了其使用，需要对其进行改进设计和优化。

发明内容

本发明的目的在于针对650℃级超超临界机组汽轮机对低膨胀高温合金的需求，提出一种热膨胀系数低、综合性价比高的高强低膨胀高温合金。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高强低膨胀高温合金，按质量百分数计，该合金的化学成分组成包括：10％≤Cr≤18％，10.5％≤Fe≤19％，Ti≥1.3％，Al≥1.2％，Mo≥3％，0.2％≤W≤4％，0.1％≤Si≤0.8％，0.1％≤Mn≤0.8％，C≥0.02％，0.002≤B≤0.02％，其余量为Ni。