[发明专利]纳米金属间化合物析出强化的超级钢及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Ni₃(Al，Ti)纳米金属间化合物析出强化的超级钢及其制备方法，以质量百分比的原料计，该超级钢包括以下元素：Al2～6％；Ni25～35％；Cr4～14％；Ti0.1～3％；Ta、Nb、Mo和W中的至少一种2～12％；C0～0.2％；B0～0.1％；余量为Fe。本发明的超级钢是一种高强高韧、抗氧化、高温下综合性能好的铁基高温合金。

技术领域

本发明涉及高温合金技术领域，尤其涉及一种Ni₃(Al,Ti)纳米金属间化合物析出强化的超级钢及其制备方法。

背景技术

目前，传统奥氏体钢能在600℃具有良好的蠕变强度和环境抗力，因此被广泛应用于火电发电领域。但随着该行业向更高发电热效率的目标迈进，奥氏体钢越来越不能满足该行业的需求。提高火电机组的蒸汽温度和压力是提高发电效率和减少温室气体排放的重要措施。为了能达到低排放高效率的目标，下一代大电厂用结构合金的工作温度需提高50℃～100℃。

用于高温条件的奥氏体钢主要依赖Cr₂O₃氧化层的保护。但Cr₂O₃氧化层增厚很快，且在含有蒸汽的环境中易形成不稳定的铬的羟基氧化物，加速氧化。

而在镍基高温合金中，生成的氧化物保护层为Al₂O₃，与Cr₂O₃氧化层相比，Al₂O₃氧化层的增长速率慢，热稳定性更好，并且在600℃～800℃范围内对蒸汽腐蚀有很好的抗力，能提供更好的保护作用。因此，高温下Al₂O₃氧化层作为保护层的优势更明显。

但在奥氏体钢中添加Al元素非常困难，主要由于以下两个原因：

(1)Al是非常强的体心立方稳定化元素，即添加Al后很容易形成铁素体；

(2)添加Al后，易析出脆性金属间化合物相，如NiAl、FeAl等，这样的材料韧性差，没有好的力学性能。

对于在较高温度下运行的发电厂，镍基高温合金是一种可以满足其性能需求的候选材料。例如，高温合金Inconel 718是一种析出强化的镍基合金，含有大量的Fe、Nb、Mo，在高达700℃下仍具有极高的屈服强度、拉伸强度和抗蠕变断裂性能，主要应用于喷气发动机和燃气轮机。

然而，由于镍的成本高，与不锈钢或其他先进的铁基合金(如A-286)相比，用Ni基合金建造发电厂的成本高昂。

发明内容

本发明提供了一种Ni₃(Al,Ti)纳米金属间化合物析出强化的超级钢，是一种高强高韧、抗氧化、高温下综合性能好的铁基高温合金。

具体技术方案如下：

一种Ni₃(Al,Ti)纳米金属间化合物析出强化的超级钢，以质量百分比的原料计，包括以下元素：

本发明的超级钢中析出具有L1₂结构的球状纳米金属间化合物，析出相的平均尺寸为30纳米，这些纳米析出相主要成分为Ni、Al、Ti、Ta，且均匀分布在具有面心立方结构(FCC)的奥氏体中，是合金强化的主要因素。

本发明的超级钢是铁基合金，从室温到800℃温度范围内，其力学性能接近于镍基高温合金Inconel 718，并将Ni的含量从Inconel 718的50％降低为20％～30％左右，成本较Inconel 718大幅降低。

在本发明中，各合金原料的纯度≥99.5％。

在本发明的超级钢中，各成分的作用如下：