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。
技术实现要素：
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。
本发明进一步的改进在于，该合金的化学成分组成包括：12％≤Cr≤18％，10.5％≤Fe≤16％，Ti≥1.3％，Al≥1.2％，Mo≥3％，1％≤W≤3％，0.2％≤Si≤0.6％，0.1％≤Mn≤0.6％，C≥0.02％，0.002≤B≤0.02％，其余量为Ni。
本发明进一步的改进在于，该合金中Ti与Al的总的质量百分数为2.5～4％。
本发明进一步的改进在于，Ti与Al的质量分数满足1≤Ti/Al≤1.4。
本发明进一步的改进在于，该合金中W与Mo的总的质量百分数为4～12％。
本发明进一步的改进在于，该合金中C与B的总的质量百分数为0.02～0.15％。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明镍基高温合金的基体为奥氏体，晶内主要利用沉淀强化相γ'(Ni3(Ti、Al))进行析出沉淀强化，利用Cr、W、Mo等形成固溶强化；晶界利用M23C6型碳化物进行晶界强化。添加的Ti、Al与Ni结合为γ'相形成析出沉淀强化，通常γ'相的体积分数随合金中加入的Ti+Al的含量而增加，相应的合金强度会有所提高；但过高的Ti含量会形成η有害相，降低合金的强度；同时一定的Al含量可以提高抗氧化能力；因此需对Ti和Al的含量进行优化控制。利用Cr和Al在高温环境中形成致密的(Cr,Al)2O3氧化物附着在合金表面，阻止合金的进一步氧化，提高合金的抗氧化能力；但Cr含量过高，一方面会显著提高合金的热膨胀系数，同时可促进拓扑密排有害相的析出，Cr含量要限制在相应较低的范围内。
W、Mo是重要的固溶强化元素，同时其复合添加可以显著降低合金的热膨胀系数；但过量重元素W的添加，容易造成合金熔炼时形成严重的偏析，损害合金的性能；过高Mo元素会形成易挥发的氧化物，不利于提高合金的抗高温氧化性能；同时W、Mo含量过高，容易形成σ等有害相，因此要对W、Mo总量控制为4～12％。
加入适量的C、B微量元素来提高晶界强度。C主要形成晶界的M23C6型碳化物，钉轧晶界的滑移，偏聚于晶界降低晶界的自由能；但过高含量的C能促进大量一次碳化物MC的形成，降低合金的性能，所以本发明中C≥0.02％。B元素可以偏聚在晶界，有效增强晶界的结合力，加入适量的B可以提高合金的高温力学性能。适量的Si和Mn可以减少合金熔炼时的氧化，而Mn是稳定合金奥氏体的重要元素；Si、Mn含量过高会增加合金的热膨胀系数，所以本发明中对Si和Mn的含量进行了限定。
Co的原料价格是Ni价格的3倍以上，同时是Fe价格的30倍以上，本发明的镍基高温合金中去除了高温合金中通常含有的贵重元素Co，控制了合金的原料成本。合金中不含元素Nb，降低合金开坯轧制中的开裂倾向，同时避免含Nb有害相的析出。加入一定的元素Fe，进一步降低合金的成本，同时提高合金的加工性，为合金制备大型锻件提供良好的塑韧性；其原料成本与Inconel783、R26合金相比降低了30％以上。
可见，本发明设计的高强低膨胀高温合金，不含贵重金属Co，同时还有一定含量的Fe，具有较低的合金成本，降低电站的投资建设费用对于合金的产业化应用至关重要。在提高合金高温强度的同时，保持了较低的热膨胀系数，降低了汽轮机运行过程中螺栓部件热膨胀系数高造成的气缸漏气、叶片部件伸长的风险性。
附图说明
图1本发明实施例和对比例合金原料价格对比情况。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
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。
所述的合金中Ti与Al的总的质量百分数为2.5～4％，并且Ti与Al的质量分数满足1≤Ti/Al≤1.4。
所述的合金中W与Mo的总的质量百分数为4～12％。
所述的合金中C与B的总的质量百分数为0.02～0.15％。
所述的合金在20℃～650℃之间的热膨胀系数不大于15×10-6。
对选取的合金熔炼为母合金锭，将母合金锭在1200℃进行20h均匀化处理，随后开坯并轧制为板材，对板材进行热处理，热处理制度为：1150℃/1h/空冷+750℃/12h/空冷，得到高强低膨胀高温合金。
实施例和比较例
取本发明中上述高温合金成分范围内的2种镍基高温合金进行熔配，同时给出了2种比较例的合金成分进行熔配，如表1所示。对选取的4种合金进行了熔炼和制备，在室温和650℃测量了4种制备得到的合金的屈服强度，同时测量了20℃-650℃时的热膨胀系数，结果如表2所示。表1和表2同时给出了现有合金R26和Inconel 783的相关数据，分别为比较例3和比较例4。
表1为本发明实施例和对比例采用的合金成分(质量分数％)
表2为本发明实施例和对比例获得的性能特征
注：参考文献
[1]A.Fujita,M.Shinohara,M.Kamada,H.Yokota,Improvement of Creep Rupture Ductility in Ni Base SuperalloyNimonic 80A and Its Material Properties,ISIJ International,1998,38(3):291-299
[2]苏昕，彭建强，杨鑫，700℃及以上等级超超临界汽轮机螺栓材料选材的探讨，汽轮机技术，2014,56(1)：78-80
[3]Special Metals公司数据,http://www.specialmetals.com/assets/documents/alloys/inconel/inconel-alloy-783.pdf
由表1和表2的结果可知，本发明合金的室温屈服强度和高温屈服强度较高，同时具有较低的热膨胀系数，满足先进超超临界机组部件的使用需求。与对比例1、对比例2和对比例3相比，本发明合金的热膨胀系数较低，在20～650℃之间的热膨胀系数低于15.0×10-6/℃。参见图1，与对比例3和4相比，本发明合金原料的价格低廉。本发明合金具有较高的性价比，适于在高参数电站关键部件中推广应用。