一种新型含铝奥氏体耐热钢及其制备方法和用途

本发明属于耐热钢领域，特别涉及一种新型含铝奥氏体耐热钢及其制备方法和用途。

背景技术：

1、当前，环境污染是人类面临的最大问题之一。在可预见的未来，煤炭仍将是主要的发电能源，减少或消除co2排放是火力发电厂的首要任务。提高火电机组的蒸汽温度和蒸汽压力，可以有效提高发电效率，降低煤耗，从而减少co2的排放。因此，发展700℃/35mpa以上级别的超超临界发电技术已经迫在眉睫。限制火力发电技术发展的关键是火力发电机组中关键部位材料的选择，马氏体耐热钢在温度大于650℃后，组织稳定性能和抗氧化性能严重变差，镍基合金可以满足服役要求，但价格昂贵，经济成本高。奥氏体耐热钢兼具优良的抗氧化、抗腐蚀性能以及高温持久强度，在火力发电领域拥有广阔的应用前景。

2、含铝奥氏体耐热钢(afa钢)优异的抗氧化性源于基体中的al元素，其在高温下形成al2o3氧化膜，能够提供比cr2o3更好的保护作用。如何在拥有优异抗氧化性能的同时进一步提高材料的蠕变性能成为人们关注的重点。

3、含铝奥氏体耐热钢中可能出现的第二相有mc型碳化物、m23c6相、b2-nial相、σ相、laves相以及l12-ni3al相等。一般情况下，纳米尺寸的mc型碳化物能够提供最有效的强化效果，从而获得高温蠕变强度，mc型碳化物主要是指nbc、tic等。除此以外，纳米尺寸的l12相同样能够有效提高含铝奥氏体耐热钢的高温蠕变强度。l12相是镍基合金中常见的析出相，与奥氏体基体保持共格关系，若想在含铝奥氏体耐热钢中得到这种相，提高ni元素含量是最有效的手段，同时，通过调整或添加其他合金元素来促进l12相的析出，也是一种可行的方法。

4、最初的含铝奥氏体耐热钢主要以纳米尺寸的mc型碳化物作为主要强化相，缺少类似镍基高温合金中γ/γ′两相组织的共格强化机制，因此，根据含铝奥氏体耐热钢的发展现状，材料的强度仍可以继续提高，材料的成分仍存在优化的空间。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种新型含铝奥氏体耐热钢(下称30ni-afa钢)，并提出其制备方法与用途，所提供的30ni-afa钢在700℃时效后存在nbc相、l12-ni3al相、m23c6相和b2-nial相，其中l12-ni3al相在时效480h过程中，其平均粒径仅增长至28.5nm，粗化速率非常缓慢，有利于材料高温强度的提升，兼具优良的抗氧化、抗腐蚀性能以及高温持久强度，以满足于发展700℃/35mpa以上级别的火力发电机组中超超临界发电技术的要求。

2、根据本发明的第一方面，本发明提供了一种新型含铝奥氏体耐热钢：由fe、ni、cr、mn、mo、w、c、nb、al、cu、si和ti元素组成，质量百分含量具体为：ni为(29-31)wt.％，cr为(13.5-14)wt.％，mn为(0.8-1.0)wt.％，mo<0.03wt.％，w为(1.8-2.2)wt.％，c为(0.055-0.065)wt.％，nb为(0.55-0.65)wt.％，al为(2.5-3.0)wt.％，cu为(1.3-1.6)wt.％，si为(0.1-0.15)wt.％，ti为(0.01-0.015)wt.％，余量为fe，所述fe、ni、cr、mn、mo、w、c、nb、al、cu、si和ti的质量百分含量之和为100wt.％。

3、所提供的30ni-afa钢在700℃时效后存在nbc相、l12-ni3al相、m23c6相和b2-nial相，其中l12-ni3al相在时效480h过程中，其平均粒径仅增长至28.5nm，粗化速率非常缓慢，有利于材料高温强度的提升。

4、所提供的30ni-afa钢包含12种元素成分，其中al为铁素体形成元素，为抑制δ-铁素体形成，需添加mn元素来调整，例如在0.8-1％之间，能够使30ni-afa钢的基体为单一的奥氏体，添加过多会对材料的抗氧化性能带来负面影响。w的加入是为了在起到固溶强化效果的同时抑制laves相的粗化，这是因为laves相的组成元素包括fe、mo、w等，而在高温下，w的扩散速率大于mo，能够有效降低laves相的粗化速率。l12-ni3al相是镍基合金中的主要强化相，添加适量的cu元素能够促进l12-ni3al相在afa钢中的析出，从而降低ni元素含量，降低材料的成本。si的含量不能过高，否则会降低材料的高温抗氧化性能，添加少量的si元素能够起到细化laves相尺寸的作用。此外，材料中还存在少量ti元素，能够起到稳定l12-ni3al相的作用。

5、进一步地，所述ni的质量分数为29.74％，所述cr的质量分数为14.31％，所述mn的质量分数为1.05％，所述mo的质量分数为0.03％，所述w的质量分数为1.84％，所述c的质量分数为0.06％，所述nb的质量分数为0.59％，所述al的质量分数为2.81％，所述cu的质量分数为1.52％，所述si的质量分数为0.11％，所述ti的质量分数为0.01％，以及余量的fe。所提供的铸造态30ni-afa钢的基体为单一的奥氏体，基体中随机分布着大尺寸和小尺寸的nbc相，经过锻造和时效处理后，30ni-afa钢中析出l12-ni3al相、m23c6相、和b2-nial相。

6、进一步地，所述30ni-afa钢的锻造温度为1150℃，固溶温度为1200℃，固溶温度高于30ni-afa钢中除nbc外的所有析出相的溶解温度；时效温度为700℃，此温度为30ni-afa钢预计服役的温度，时效过程中过饱和的元素会以第二相的形式析出，从而提高材料的强度，时效480h后，所述30ni-afa钢的抗拉强度达到898mp，屈服强度为554mpa；氧化温度为800℃，氧化512h后，单位面积增重为1.59mg/cm-2。

7、此外根据本发明的第二方面，本发明提供了一种30ni-afa钢的制备方法，所述含铝奥氏体耐热钢为本发明第一方面所述的30ni-afa钢，所述制备方法如下：

8、a.将原料混合熔融，得到铸态30ni-afa钢；

9、b.随后浇铸成铸锭，获得所述30ni-afa钢的圆柱形铸锭，自然冷却至室温；将铸态30ni-afa钢在8个小时的加热过程中匀速升温到1150℃，保温2h后沿铸锭的径向进行四个维度的锻造处理，得到所述30ni-afa钢的锻造态钢板，自然冷却至室温；

10、c.将所述锻造态30ni-afa钢于1200℃真空环境中固溶处理2h，获得固溶态30ni-afa钢；

11、d.将所述固溶态30ni-afa钢于700℃空气中时效2h、12h、24h、120h、480h和960h，获得时效态30ni-afa钢；

12、e.将所述锻造态30ni-afa钢于800℃干燥空气中进行氧化处理。

13、根据本发明的第三方面，本发明提供了一种30ni-afa钢在提高含铝奥氏体耐热钢强度领域中的应用，所述含铝奥氏体耐热钢为本发明第一方面所述的30ni-afa钢，本发明产品锻造态30ni-afa钢主要适用于火力发电厂超700℃临界发电锅炉中的关键部件。

14、进一步地，所述部件是过热器或再热器。

15、与现有技术相比，本技术的技术方案具备以下有益效果：

16、1、本发明所展示的一种新型含铝奥氏体耐热钢及其制备方法和用途，加入cu元素后，引入了l12-ni3al相，增强了含铝奥氏体耐热钢的析出强化效果；经过时效处理后共存在4种析出相，nbc相、l12-ni3al相、m23c6相和b2-nial相，其中，l12-ni3al相弥散分布在基体中，可以有效提高材料的高温强度，同时具有优异的高温氧化性能，可应用于火力发电机组中的关键部件。

17、2、本发明所展示的一种新型含铝奥氏体耐热钢及其制备方法和用途，耐高温温度可达700℃以上，满足火力发电厂超700℃临界发电锅炉的使用要求。

18、3、本发明所展示的一种新型含铝奥氏体耐热钢及其制备方法和用途，在700℃时效12-480h过程中，l12-ni3al平均颗粒尺寸从9.4nm生长至28.5nm，生长速度非常缓慢，有利于材料高温强度的提升。

19、4、本发明所展示的一种新型含铝奥氏体耐热钢及其制备方法和用途，在800℃的干燥空气中氧化512h后，单位面积增重仅1.59mg/cm-2，证明30ni-afa钢具有优异的抗氧化性能。