高合金奥氏体不锈钢、高合金奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法与流程

本申请大体上涉及材料领域。更具体地，本申请涉及不锈钢焊接领域。

背景技术：

燃煤发电过程产生大量的sox、nox、co2等有害气体污染环境，发展超超临界燃煤机组，即通过提高蒸汽温度和压力参数，进而大幅度提高电厂锅炉的效率，降低煤耗和污染物排放，是实现节能减排的最重要的手段，也是世界各国火电机组的技术发展主流。目前主流技术为600℃超超临界机组。随着火电锅炉蒸汽和压力参数提高，对锅炉用材料提出越来越高的要求。其中过热器管和再热器管是超超临界电站锅炉中温度压力参数最高、腐蚀环境最恶劣的部件，目前该部件锅炉管主要使用tp310hcbn(s31042)。近年来国内外600℃超超临界电站蓬勃发展，由于锅炉管在安装过程中经过大量的焊接工序，锅炉厂和电建公司对tp310hcbn(s31042)的焊接量与日俱增，对焊丝的需求量巨大。

由于锅炉管在运行过程中对高温持久强度和耐高温蒸汽腐蚀性能的要求较高，大量焊接接头容易成为失效的薄弱环节，因此要求焊接后焊缝的质量和性能不低于母材，因此，选择合适的焊丝材料极为关键。目前tp310hcbn配套焊丝在国内没有供应，锅炉厂和电厂只好采用ernicr-3、inconel617等镍基焊丝作为替代。然而镍基焊丝不仅价格昂贵，而且存在粘度大、流动性差等缺点，在焊接过程中容易产生液化裂纹和气孔，同时高mo含量增加有害σ相析出倾向，对焊缝持久和腐蚀性能极为不利。因此，需要开发一种适用于tp310hcbn锅炉管的配套焊丝，从而满足超超临界电站锅炉管的焊接和使用要求。

技术实现要素：

一方面，本申请涉及高合金奥氏体不锈钢，按重量百分比计，其含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，余量为fe及其他不可避免的杂质。

另一方面，本申请涉及含有高合金奥氏体不锈钢的焊丝，其中按重量百分比计，所述高合金奥氏体不锈钢含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，余量为fe及其他不可避免的杂质。

再一方面，本申请涉及焊接超超临界电站锅炉管的方法，其包括使用含有高合金奥氏体不锈钢的焊丝进行焊接，其中按重量百分比计，所述高合金奥氏体不锈钢含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，余量为fe及其他不可避免的杂质。

又一方面，本申请涉及焊接再热器用奥氏体不锈钢管的方法，其包括使用含有高合金奥氏体不锈钢的焊丝进行焊接，其中按重量百分比计，所述高合金奥氏体不锈钢含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，余量为fe及其他不可避免的杂质。

另一方面，本申请涉及含有高合金奥氏体不锈钢的焊缝，其中按重量百分比计，所述高合金奥氏体不锈钢含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，余量为fe及其他不可避免的杂质。

再一方面，本申请涉及制造高合金奥氏体不锈钢焊丝的方法，其包括：

a)采用真空感应熔炼(vim)+电渣重熔(esr)或真空感应熔炼(vim)+真空电弧重熔(var)对母材进行冶炼，从而得到铸锭；

b)对所述铸锭进行锻造，从而得到棒材，优选圆棒或方棒，其中锻造前铸锭的加热温度为1150℃-1250℃，驻炉时间大于等于10小时，开锻温度为1100℃-1200℃，终锻温度大于等于900℃；

c)对所述棒材进行轧制，从而得到线材；以及

d)对所述线材进行冷拔，从而得到所述高合金奥氏体不锈钢焊丝，

其中按重量百分比计，所述高合金奥氏体不锈钢焊丝含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，余量为fe及其他不可避免的杂质。

附图说明

图1示出了本申请一实施方案的焊缝及热影响区的微观组织。

图2示出了本申请一实施方案的焊接坡口的示意图。

详述

在以下的说明中，包括某些具体的细节以对各个公开的实施方案提供全面的理解。然而，相关领域的技术人员会认识到，不采用一个或多个这些具体的细节，而采用其它方法、部件、材料等的情况下仍实现实施方案。

除非本申请中另有要求，在整个说明书和所附的权利要求书中，词语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”应解释为开放式的、含括式的意义，即“包括但不限于”。

在整个说明书中提到的“一实施方案”、“实施方案”、“在另一实施方案中”或“在某些实施方案中”意指在至少一实施方案中包括与该实施方案所述的相关的具体参考要素、结构或特征。因此，在整个说明书中不同位置出现的短语“在一实施方案中”或“在实施方案中”或“在另一实施方案中”或“在某些实施方案中”不必全部指同一实施方案。此外，具体要素、结构或特征可以任何适当的方式在一个或多个实施方案中结合。

定义

在本文中，术语“奥氏体”系指γ-fe中固溶少量碳的无磁性固溶体。

在本文中，术语“奥氏体不锈钢”系指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。

在本文中，术语“高合金奥氏体不锈钢”系指除fe之外的合金总含量大于40％的不锈钢。

在本文中，术语“超超临界”系指蒸汽压力大于等于25mpa的状态。

在本文中，术语“真空感应熔炼(vacuuminductionmelting，简称vim)”系指在真空条件下利用电磁感应加热原理来熔炼金属的金属工艺制程。

在本文中，术语“电渣重熔(electroslagremelting，简称esr)”系指利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。

在本文中，术语“真空电弧重熔(vacuumarcremelting，简称var)”系指在真空条件下利用电弧的能量来熔炼金属的方法。

在本文中，术语“冷拔”系指在外加拉力作用下，迫使金属坯料通过模孔的一种钢管冷加工方式。

在本文中，术语“tp310hcbn”系指一种应用于600℃超超临界电站锅炉过热器和再热器的耐热不锈钢材料，基于质量百分比，其主要化学成分包括：c0.04-0.10％，si0-1.00％，mn0-2.00％，p0-0.045％，s0-0.030％，cr24.0-26.0％，ni19.0-22.0％，nb0.20-0.60％，n0.15-0.35％。

在本文中，术语“断后伸长率(a)”系指金属材料受外力(拉力)作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比。断裂后伸长率(a)的计算公式为：a＝(lh-l0)/l0×100％，其中l0为最初标距长度：在试件变形前的标距长度，lh为最终标距长度：在试件断裂后并且将断裂部分仔细地对合在一起使之处于一直线上的标距长度。

在本文中，术语“屈服强度rp0.2”系指非比例延伸率为0.2％时的延伸强度。

在本文中，术语“抗拉强度rm”系指指材料在拉断前承受最大应力值。

具体实施方式

一方面，本申请涉及高合金奥氏体不锈钢，按重量百分比计，其含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，余量为fe及其他不可避免的杂质。

在某些实施方案中，按重量百分比计，高合金奥氏体不锈钢含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，o≤0.004，h≤0.0005，余量为fe及其他不可避免的杂质。

在本申请中，c可以起到稳定焊缝金属奥氏体的作用，在焊接凝固过程中与cr形成的共晶碳化物有助于避免形成结晶裂纹，同时形成弥散分布的mx碳化物可以提高焊缝持久强度。要达到以上效果，c含量应在0.04％以上。但是，当c含量过高时，形成过量的碳化物会降低焊缝韧性。因此，c含量限定在0.15％以下。

在本申请中，si在冶炼时可以起到脱氧作用，提高焊丝的洁净度，但过量添加后降低可焊性，同时增加焊缝形成σ相的倾向，降低焊缝冲击韧性，因此限定在0.5％以下。

在本申请中，mn是作为冶炼时的脱氧、脱硫剂，可以提高焊缝洁净度，同时提高奥氏体稳定性。要达到以上效果，mn含量应在1.0％以上。若添加量过大，会降低焊缝韧性。因此，mn含量限定在2.0％以下。

在本申请中，p是有害杂质元素，在焊接凝固时易形成低熔点相，增加焊接热裂纹形成倾向，并且高温长时过程中在晶界形成脆化相，降低持久强度，因此，将其限定在0.01％以下。

在本申请中，s与p同为有害杂质元素，降低焊接金属凝固熔点，增加凝固裂纹敏感性，同时在高温长时后易偏聚在晶界，降低晶界强度。因此，将其限定在0.002％以下。

在本申请中，cr是锅炉管耐蒸汽腐蚀和煤灰腐蚀的重要元素，同时cr在焊缝金属凝固时形成的共晶碳化物可以有效防止焊接过程中的凝固裂纹。要达到以上效果，cr含量应在22％以上。但是当其含量超过30％时，高温长时易生成有害σ相，组织稳定性变差，必须增加ni含量。因此，cr含量限定在30％以下。

在本申请中，ni是最重要的奥氏体形成元素，可有效抑制焊缝金属凝固时δ铁素体的形成，同时可以保证使用过程中的组织稳定性，要达到以上效果，ni含量应在17％以上。但是ni是昂贵金属，添加过量会导致成本过高，因此，ni含量限定在25％以下。

在本申请中，cu可在焊缝金属中形成弥散分布的富铜相，可以提高焊缝耐蚀性和高温持久强度。要达到以上效果，cu含量应在2.0％以上。但是cu含量过高会增加热加工脆性，因此cu含量限定在4.0％以下。

在本申请中，nb可以在焊缝金属晶粒内部形成细小弥散的nb(c,n)，提高焊缝高温蠕变强度。要达到以上效果，nb含量应在0.2％以上。但是nb含量过高后会增加焊接热裂纹的形成倾向，因此，nb含量限定在0.6％以下。

在本申请中，mo元素可以提高焊缝金属碳化物形成倾向，提高焊缝的高温组织稳定性和高温强度。要达到以上效果，mo含量应在0.5％以上。但是过高的mo含量会增加有害σ相的形成倾向，因此，mo含量限定在1.3％以下。

在本申请中，w在焊缝金属中可以起到固溶在强化作用，提高焊接机头蠕变强度，此外，w还可以抑制s在焊缝金属晶界的偏聚，防止焊接热裂纹产生。为了达到上述效果，w含量应在0.1％以上。但是，w价格过于昂贵，焊丝中w含量在达到0.3％后效果达到饱和，因此，w含量限定在0.3％以下。

在本申请中，n是奥氏体形成元素，可显著提高焊缝金属的高温蠕变强度和组织稳定性。为了达到上述效果，n含量应在0.15％以上。但是n含量过高时，会促使焊接时产生气孔缺陷。因此，n含量限定在0.4％以下。

在本申请中，b可以净化晶界，起到强化晶界的作用，提高焊缝金属高温强度。要达到这一效果，b含量至少应在0.001％以上。但b含量过高会促进焊接热影响区热裂纹的形成，因此，b含量限定在0.01％以下。

在本申请中，o和h是焊缝金属极有害的杂质元素，会增加焊缝金属缺陷形成倾向，降低焊接接头塑性。因此，o含量限定在0.004％以下，h含量限定在0.0005％以下。

在某些实施方案中，适用于本申请的高合金奥氏体不锈钢的母材奥氏体不锈钢，按重量百分含量计，含有：c0.04-0.13，si≤0.75，mn≤2.0，p≤0.03，s≤0.025，cr24-26，ni17-23，nb0.2-0.6，n0.15-0.35，余量为fe及其他不可避免的杂质。

在本申请中，以母材的成分为基础，提高cr含量以提高焊缝耐蚀性，同时降低凝固裂纹产生倾向。

在本申请中，以母材的成分为基础，添加少量的mo、w元素提高焊缝的组织稳定性及高温强度。

在本申请中，以母材的成分为基础，适度提高n含量以增加共晶碳化物形成倾向，抑制脆性裂纹产生。

在本申请中，以母材的成分为基础，添加cu含量形成富铜相以提高抗腐蚀性能。

在本申请中，以母材的成分为基础，时严格控制p、s、o、h等杂质元素的含量以提高钢质洁净度。

另一方面，本申请涉及含有高合金奥氏体不锈钢的焊丝，其中按重量百分比计，所述高合金奥氏体不锈钢含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，余量为fe及其他不可避免的杂质。

再一方面，本申请涉及焊接超超临界电站锅炉管的方法，其包括使用含有高合金奥氏体不锈钢的焊丝进行焊接，其中按重量百分比计，所述高合金奥氏体不锈钢含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，余量为fe及其他不可避免的杂质。

在某些实施方案中，使用本申请的焊丝焊接tp310hcbn锅炉管，焊接性良好，焊后的焊缝及热影响区未出现裂纹、气孔等缺陷。

在某些实施方案中，使用本申请的焊丝焊接tp310hcbn锅炉管，室温下焊缝抗拉强度rp0.2≥295mpa，rm≥655mpa，a≥30％。

在某些实施方案中，使用本申请的焊丝焊接tp310hcbn锅炉管，600℃下的焊缝抗拉强度rp0.2≥190mpa，rm≥374mpa，a≥30％。

又一方面，本申请涉及焊接再热器用奥氏体不锈钢管的方法，其包括使用含有高合金奥氏体不锈钢的焊丝进行焊接，其中按重量百分比计，所述高合金奥氏体不锈钢含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，余量为fe及其他不可避免的杂质。

另一方面，本申请涉及含有高合金奥氏体不锈钢的焊缝，其中按重量百分比计，所述高合金奥氏体不锈钢含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，余量为fe及其他不可避免的杂质。

再一方面，本申请涉及制造高合金奥氏体不锈钢焊丝的方法，其包括：

a)采用真空感应熔炼(vim)+电渣重熔(esr)或真空感应熔炼(vim)+真空电弧重熔(var)对母材进行冶炼，从而得到铸锭；

b)对所述铸锭进行锻造，从而得到棒材，优选圆棒或方棒，其中锻造前铸锭的加热温度为1150℃-1250℃，驻炉时间大于等于10小时，开锻温度为1100℃-1200℃，终锻温度大于等于900℃；

c)对所述棒材进行轧制，从而得到线材；以及

d)对所述线材进行冷拔，从而得到所述高合金奥氏体不锈钢焊丝，

其中按重量百分比计，所述高合金奥氏体不锈钢焊丝含有：c0.04-0.12，si≤0.5，mn1.0-2.0，p≤0.01，s≤0.002，cr22-30，ni17-25，cu2.0-4.0，nb0.2-0.6，mo0.5-1.3，w0.1-0.3，n0.15-0.4，b0.001-0.01，余量为fe及其他不可避免的杂质。

在某些实施方案中，采用自由锻、径锻或初轧的方式对笃定进行锻造，从而得到棒材。

能够用于本申请的棒材的形状的示例性实例包括但不限于圆棒和方棒。

在某些实施方案中，锻造前铸锭的加热温度约为1150℃-1250℃，驻炉时间约大于等于10小时，开锻温度约为1100℃-1200℃，终锻温度约大于等于900℃。

在某些实施方案中，通过热轧机对棒材进行轧制。

在某些实施方案中，轧制的加热温度约为1150℃-1250℃，开轧温度约为1100℃-1200℃，终轧温度约大于等于950℃。

在某些实施方案中，轧制后线材在约1100℃-1180℃下固溶处理。

在某些实施方案中，对线材进行酸洗。

能够用于本申请酸洗的酸的示例性实例包括但不限于hno3+hf。

在某些实施方案中，对线材进行单道次为多道次冷拔。

在某些实施方案中，冷拔道次变形量约为20-40％。

在某些实施方案中，对线材进行进行退火处理。

在某些实施方案中，对线材进行多道次冷拔以及退火处理。

下文中，本申请将通过如下实施例进行详细解释以便更好地理解本申请的各个方面及其优点。然而，应当理解，以下的实施例是非限制性的而且仅用于说明本申请的某些实施方案。

实施例

本申请实施例的制备工艺如下：采用vim+esr工艺冶炼出1吨铸锭，经过1220℃加热后采用径锻机锻造成φ80mm棒材，再经过1200℃加热后采用初轧机和高线机组轧制成φ5.5mm盘条，再经过多道次拉拔制备成φ2.4mm和φ1.0mm焊丝。

各个实施例实测得到的主体成分和杂质元素的重量百分比见表1。

表1.实施例1-7与对比例的化学成分(重量百分比)

将实施例1-7与对比例所制备的焊丝按表2的焊接工艺对tp310hcbn锅炉管进行焊接，焊接坡口见图2。焊后在焊缝取样分析微观组织、常温下力学性能及600℃下高温力学性能，结果见图1、表3和表4，其中图1为实施例1的焊缝及热影响区的微观组织，实施例2-6具有与图1类似的焊缝及热影响区的微观组织。

表2.实施例1-7与对比例的焊接工艺

表3.实施例1-7与对比例的焊缝在常温下的力学性能

表4.实施例1-7与对比例的焊缝在600℃下的力学性能

从图1、表3及表4的性能对比可以看出，使用实施例焊丝焊接后的tp310hcbn锅炉管，焊后的焊缝及热影响区组织良好，未出现裂纹等缺陷，室温下焊缝抗拉强度rp0.2≥295mpa，rm≥655mpa，a≥30％，600℃下的焊缝抗拉强度rp0.2≥190mpa，rm≥374mpa，a≥30％，断裂位置全部在非焊缝处，焊缝室温强度塑性和高温强度塑性全部优于母材。而对比例材料的合金成本高于实施例，焊缝性能低于本申请实施例的焊丝。

从前述中可以理解，尽管为了示例性说明的目的描述了本发明的具体实施方案，但是在不偏离本发明的精神和范围的条件下，本领域所述技术人员可以作出各种变形或改进。这些变形或修改都应落入本申请所附权利要求的范围。