[發明專利]一種壓力蒸汽管道用耐熱合金及其合金管的制造方法

有效

• 申請號: 201410344086.X
• 申請日: 2014-07-19
• 公開（公告）號: CN104087788A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 王巖;徐芳泓;李陽;李莎;曾莉
• 申請（專利權）人: 太原鋼鐵（集團）有限公司
• 主分類號: C22C19/05
• 分類號: C22C19/05;C22C30/00;C22F1/10;C22F1/00
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 王思俊

技術領域

本發明涉及一種壓力蒸汽管道用耐熱合金及其合金管的制造方法。

背景技術

耐熱合金在多行業領域具有廣泛應用，例如：垃圾焚燒爐、連鑄機導輥、燃燒噴嘴、火力發電鍋爐管等等。其在壓力蒸汽管道上的使用直接影響設備安全運行，尤其對于火力發電鍋爐用管材，一次爆管直接損失達到上千萬元。

對于蒸氣溫度為700℃火力發電鍋爐用過熱器管材，管材內壁服役溫度為700℃，而處于向火面的管材外壁，其實際服役溫度最高可以達到750-770℃。本發明人在對一種Ni-Cr-Co鎳基耐熱合金（原型合金）細致研究過程中發現，在770℃長期時效過程中，合金仍然會產生η相，并且首次發現在部分晶界發現異常生長的大塊碳化物，此兩方面因素嚴重降低合金韌性及持久性能。

發明內容

為了克服現有壓力蒸汽管道用耐熱合金的上述不足，本發明提供一種材料安全服役溫度、材料的持久強度高的壓力蒸汽管道用耐熱合金。

本發明的另一個目的是提供一種安全服役溫度、持久強度高的壓力蒸汽管道用的驟耐熱合金管的制造方法。

本發明的主要內容包括：

1）進一步優化限制Al、Ti含量以及二者比值，徹底消除使用溫度長期時效過程中出現的η相及部分晶界出現的異常生長的大塊碳化物。

2）提出添加Mg元素的最佳原則，提升發明合金晶界結合強度，改善熱加工性能，提升持久性能。

3）添加適量的P元素，進一步提升發明合金持久強度。

4）提出了此合金最佳的加工工藝參數。

本發明的壓力蒸汽管道用耐熱合金的機理是；

Cr：Cr是不可缺少的合金化元素，起到固溶強化、析出強化、抗氧化三方面作用。加入合金中的Cr引起合金γ基體晶格畸變，產生彈性應力場強化，使γ固溶體強度提高，起到固溶強化作用；溶解于γ固溶體的Cr能與C形成一系列碳化物，起到析出強化作用；Cr在γ基體中十分重要的作用使形成Cr₂O₃型氧化膜，使合金具有良好的抗氧化和抗腐蝕性能。已有研究結果表明，對于鎳基合金，當Cr含量介于24~26%時，其抗各種腐蝕性能達到最佳。因此，本發明合金Cr含量控制在24~26%之間。

Co：Co作為合金元素加入到合金中，可以降低基體的堆垛層錯能，使交滑移更加困難，引起固溶強化。Co同時還降低Ti和Al在基體中的溶解度，從而增加γ’相沉淀強化相的數量，使析出強化作用增強。本發明合金Co含量控制在19~21%之間。

Nb：一方面，Nb原子半徑較Ni原子半徑大15~18%，并明顯降低基體的堆垛層錯能，起強烈的固溶強化作用；另一方面，對于γ’相析出強化型鎳基合金，Nb溶于γ’相中，使析出相更加穩定。但是，Nb元素含量過高，會與基體中的C結合，形成大塊的一次碳化物和條帶組織，并且降低合金可焊性。而Nb元素含量過低，其固溶強化及析出強化作用不明顯。因此，本發明合金Nb含量控制在1.3~1.5%之間。

Mo：Mo是固溶強化元素，并能夠提高合金高溫持久性能。已有研究結果表明，當Mo含量高于1%時，合金抗煙氣腐蝕性能明顯降低。因此，本發明合金Mo含量控制在0.3~0.5%之間。

Ti：Ti加入合金中約有10%進入基體，起一定的固溶強化作用，約90%進入γ’相中，Ti原子可以替代γ’-Ni₃Al中的Al原子，形成Ni₃(Al,Ti)，起到強烈的析出強化作用，但是當Ti含量過高時，極易產生η相。本發明人在對原型合金在770℃長期時效研究過程中發現，合金中仍然會出現部分η相，并且部分晶界出現異常生長的大塊碳化物，此種碳化物極易成為裂紋源。因此，本發明合金將Ti含量限制在1.4%以內，并且繼續降低Ti/Al比值，使其介于0.7~0.85之間。同時為了確保合金在700~770℃溫度區間至少有質量分數為14%的析出相，Ti含量的下限為1.1%。

Al：Al是γ’-Ni₃Al相基本組成元素，約80%形成Ni₃Al，主要起到析出強化作用。為了能夠使γ’相析出質量分數高于14%，本發明合金要求Al含量高于1.4%，同時要求Al+Ti≥2.6%。