一种铁基高温合金及其制备方法和应用与流程

本发明属于合金，具体涉及一种铁基高温合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、高效洁净的高参数超超临界燃煤发电技术是当今世界洁净燃煤发电技术的主要发展趋势之一。蒸汽参数达到650℃需要解决一系列技术难题，其中开发出热强度高、抗高温烟气氧化腐蚀和高温汽水介质腐蚀、可焊性和工艺性良好、价格低廉的锅炉末级过/再热器用耐热合金是实现高参数超超临界燃煤发电技术的关键。

2、目前，国内外已开发出了一系列固溶强化和析出强化镍基和镍铁基高温合金材料，如inconel 740h、haynes 282、cca 617、nimonic 263、usc41。这些材料具备优异的高温持久强度及抗氧化性能，但这些价格昂贵、焊接性能差、冶炼和热加工等技术要求高，限制了其迅速推广应用。fe元素作为一种廉价的元素，可以显著降低合金的成本，提高其加工性。因此，国内外还开发了一系列铁基耐热合金，例如inconel 718、gh2984、hr6w、hr35、sanicro 25、super304h、hr3c、g115等。与镍基和镍铁基高温合金相比，上述几种铁基高温合金和耐热钢虽然具有原料成本优势，但热强度低且组织稳定性较差，难以满足服役性能要求。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的铁基高温合金和耐热钢热强度低，热稳定性差的缺陷，从而提供一种铁基高温合金及其制备方法和应用。

2、为此，本发明提供了以下技术方案。

3、一种铁基高温合金，成分按质量百分比计，包括：c：0.05～0.08％，ni：23～25％，cr：13.5～14.8％，w：0.1～0.3％，mo：0.6～1.0％，ti：2.0～2.5％，al：1.0～1.5％，co：1.0～1.6％，mn：≤0.5％，si：≤0.3％，b：≤0.005％，zr：≤0.03％，余量为fe。

4、一种铁基高温合金的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤1、将原料在真空环境下熔炼成母合金锭；

6、步骤2、对母合金锭进行均匀化退火；

7、步骤3、高温轧制；

8、步骤4、热处理。

9、进一步的，所述步骤4包括固溶处理和时效处理；

10、所述时效处理包括第一次高温时效、低温时效和第二次高温时效。

11、进一步的，所述第一次高温时效包括：热处理炉加热到γ′相开始析出温度以上130-170℃，将经过固溶处理的合金放入的热处理炉中处理1-2h，水冷至室温。

12、进一步的，所述低温时效包括：热处理炉加热到γ′相开始析出温度以下150-200℃，将经过第一次高温时效的合金放入的热处理炉中处理8-16h，水冷至室温。

13、进一步的，所述第二次高温时效包括：热处理炉加热到γ′相开始析出温度以下30-150℃，将经过低温时效的合金放入的热处理炉中处理4-24h，水冷至室温。

14、进一步的，所述步骤2包括：将母合金锭以10-30℃/min的升温速率自室温升温至γ′相开始析出温度以上300-350℃，均匀化退火20-35h，然后空冷至室温。

15、进一步的，所述步骤3包括：将经均匀化退火后的母合金锭在γ′相析开始出温度以上200-250℃进行高温轧制，每道次变形量为15-25％，最终总变形量不低于60％。

16、进一步的，所述固溶处理包括：将热处理炉加热到γ′相开始析出温度以上250-300℃，将经过高温轧制后的合金放入热处理炉中固溶处理0.5-2h，然后水冷至室温。

17、制得的合金在火电机组中的应用。

18、本发明技术方案，具有如下优点：

19、1.本发明提供的铁基高温合金，成分按质量百分比计，包括：c：0.05～0.08％，ni：23～25％，cr：13.5～14.8％，w：0.1～0.3％，mo：0.6～1.0％，ti：2.0～2.5％，al：1.0～1.5％，co:1.0～1.6％，mn：≤0.5％，si：≤0.3％，b：≤0.005％，zr：≤0.03％，余量为fe。

20、合金中各元素的作用及其含量范围的选择原因如下：

21、ni是奥氏体稳定化元素，ni的添加可以提高低温条件下fe基奥氏体的稳定性。同时，ni还能与al和ti等元素形成有序相γ′相，提高合金强度。

22、fe价格低廉，大量的加入可以降低合金的成本，而且可以提高合金的加工性。fe元素的大量加入可以降低γ′相开始析出的温度，进而降低时效过程中γ′相粗化速率。

23、cr的主要作用是提高合金的抗氧化、抗水蒸气氧化和抗腐蚀性能，尤其是耐硫腐蚀性能。随着cr含量的增加，抗氧化、抗水蒸气氧化和抗腐蚀性能提高。但本发明添加了大量的fe，会阻碍γ′相的析出，γ′相体积分数降低导致强度降低，同时大量fe与cr、co、mo相互作用通常会导致针状或者片状的α-cr相，σ相和η相的大量析出。本发明通过将cr含量控制在较低范围(13.5～14.8％)，使γ′相体积分数回升，避免强度大幅度降低，同时避免针状或者片状的α-cr相，σ相和η相的析出。

24、ti和al均为γ′相形成元素，析出的γ′相可以显著提高合金的高温强度。另外，al具有提高合金抗内氧化的能力，ti具有抗热腐蚀和硫化腐蚀的作用。

25、mo、w和co是重要的固溶强化元素，对合金高温强度和持久性能有很大的促进作用。

26、si是重要的脱氧元素，适量添加可以促进合金的抗氧化性能。

27、mn可以替代ni形成和稳定奥氏体并固定合金中s的作用。

28、c、b和zr为晶界偏析元素，少量的添加可以增加晶界的结合力，强化和净化晶界，改变晶界沉淀相的形态，从而提高合金的强度。此外，c和b可以与合金中ti、mo和fe等元素形成碳化物和硼化物，少量的析出可以钉扎晶界，提高合金的持久性能。

29、本发明的合金具有较高的fe元素含量(约fe 54～57％)，较低的ni、cr、w、mo含量，显著降低了合金的原料成本。

30、本发明通过合金的成分优化，在显著降低合金成本同时，保持合金的高温强度，兼具良好的组织结构和强度的热稳定性。合金经过热暴露之后未发现针状相析出，并且主要强化相γ’长大速率十分缓慢，表明合金热稳定性好。

31、2.本发明提供的铁基高温合金的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将原料在真空环境下熔炼成母合金锭；步骤2、对母合金锭进行均匀化退火；步骤3、高温轧制；步骤4、固溶处理；步骤5、时效处理。

32、具体的，本发明的熔炼采用电弧熔炼，放弃高温合金传统的三重熔炼工艺而，降低了合金的制备成本。

33、3.本发明提供的铁基高温合金的制备方法，所述步骤3包括：将经均匀化退火后的母合金锭在γ′相析出温度以上200-250℃进行高温轧制，每道次变形量为15-25％，最终总变形量不低于60％。本发明在特定温度下对合金采用多道次大变形量加工，确保了合金交工期间具备足够的应变储能，便于后期再结晶过程的发生。

34、4.本发明提供的铁基高温合金的制备方法，所述步骤4包括固溶处理和时效处理；所述时效处理包括第一次高温时效、低温时效和第二次高温时效。

35、第一次高温时效控制晶界析出相碳化物的析出，低温时效促进主要强化相γ′相颗粒析出形核，第二次高温时效促进γ′相颗粒析出和长大，确保合金具有优异的拉伸强度。经热处理后合金具备优异的高温强度性能，其在700℃抗拉强度不低于680mpa，延伸率高于25％。并且，合金具有优异微观组织稳定性，在700℃/10000h热暴露后，主要强化相γ′相颗粒的平均尺寸为45-55nm；合金中未发现有针状相和片状相析出；在长时间热暴露后合金仍具有较高的压缩屈服强度，说明本发明合金具有较高的热稳定性。