700℃超超临界发电机组铁镍基合金转子热处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种700℃超超临界发电机组铁镍基合金转子热处理方法，属于镍基合金热处理方法技术领域，该方法确定材质配料成分并经锻造后，采取二级固溶热处理+一级时效热处理后消除铁镍基合金转子内的γ″相，并提高γ′的稳定性。本发明的铁镍基合金材料经过一次固溶热处理、二次固溶热处理、时效热处理后，室温的拉伸断裂强度在1200~1300MPa之间，屈服强度在750~850MPa之间，断后延伸率大于20%，断面收缩率大于20%，700℃的拉伸断裂强度在850~900MPa之间，屈服强度在680~750MPa之间，断后延伸率大于20%，断面收缩率大于40%；在700℃，105h条件下外推持久强度大于等于100MPa。
【专利说明】
700°C超超临界发电机组铁镍基合金转子热处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种700°C超超临界发电机组铁镍基合金转子热处理方法，属于镍基 合金热处理方法技术领域。
【背景技术】
[0002] 近10年来，欧盟、日本等国（地区)致力于研究700°C以上先进超超临界燃煤发电技 术，可使发电效率提高到50%以上。我国于2010年成立了700°C超超临界燃煤发电技术创新 联盟，在能源局的组织下目前已有19家电力部门、制造企业和研究院所参与了700°C先进超 超临界机组新材料研究和新产品的试制。
[0003] 当蒸汽温度超过700°C时，常规的钢铁材料的高温强度和持久服役性能已不能够 满足需求，因此需要发展铁镍基或者镍基合金作为候选材料，此类材料具有高的高温强度、 良好的持久性能和抗腐蚀性。
[0004] 时效强化的铁镍基合金，成本较低，同时具有良好的锻造性和焊接性，很适合于制 造700°C超超临界汽轮机高压转子。
[0005] 时效强化的铁镍基合金的高强度主要是由于合金中含有铝(Al)、钛(Ti)和铌(Nb) 等γ ' (Ni3(Al，Ti))和y〃（Ni3Nb)相形成元素，但由于γ〃相在高于650°C的环境中长时保 温会快速长大并发生相转变，因此其最高服役温度不能够超过650°C，为了得到一种新型的 能够在700°C甚至更高温度服役的材料，就需要消除γ〃相，并提高γ 7的稳定性。铌(Nb)是 一种易偏析元素，含量较高会限制铸锭直径，同时也是形成γ〃相的主要元素，错(Al)含量 增加不仅可以增加 γ7相的含量和提高其稳定性，同时还能消除在7〇o°C服役过程中不是很 稳定、易长大并发生相转变的γ 〃相，适量加入钽(Ta)可增加 γ '相的高温稳定性，加入一定 量的硼（B)和锆（Zr)能够净化晶界，增加晶界强度，提高持久性能，因此可以通过控制铌 (Nb)含量并提高铝(Al)含量且加入一定量的钽(Ta)、锆(Zr)和硼(B)实现锻件的大型化和 700°C甚至更高温度长期服役的显微组织性能稳定性。
【发明内容】
[0006] 为了克服上述技术上的不足，本发明提供了一种700°C超超临界发电机组铁镍基 合金转子热处理方法，该方法确定材质配料成分并经锻造后，采取二级固溶热处理+-级时 效热处理后消除铁镍基合金转子内的γ〃相，并提高γ 7的稳定性。
[0007] 本发明解决其技术难题所采用的技术方案是:一种700°C超超临界发电机组铁镍 基合金转子热处理方法，由以下化学成分及质量组分百分比(％)组成： 碳（C):0.02-0.04%;铬（Cr):15-17%;钼(Mo):0.05-0.1%;铌(Nb):1.5-2.0 %;硼（B): 0·003-0.006%;铝（Al):0.7-1.5%;钛（Ti):1.5-1.8%;钽（Ta):0·1-0.3%;锆（Zr):0.01-0.03%;镍(Ni) :41.13-41.63%;硅(Si):彡0.1;锰(Μη):彡0.1;余量为铁(Fe)和其它一些不 可避免的杂质。
[0008] 采用真空感应熔炼+电渣重熔的熔炼方法，得到铁镍基合金铸锭，并经过锻造得到 合金锻件； 700°C超超临界发电机组铁镍基合金转子热处理方法，具体实施方法的步骤为： 步骤一:一次固溶热处理:将转子加热960-1020°C，保温时间为3h+心部到温时间，心部 到温时间根据材料部件的实际热处理厚度尺寸确定，按照厚度每增加1mm，保温时间增加 1.5min，固溶处理结束后选择快速冷却(水冷）； 步骤二：二次固溶热处理:800-950°C，保温时间为2h+心部到温时间，心部到温时间根 据材料部件的实际热处理厚度尺寸确定，按照厚度每增加1mm，保温时间增加1.5min，空冷； 步骤三:时效热处理，温度范围为720-750°C，保温时间为8h+心部到温时间，心部到温 时间根据材料部件的实际热处理厚度尺寸确定，按照厚度每增加1mm，保温时间增加 1.5min，空冷。
[0009] 本发明的有益效果是:本发明的铁镍基合金材料经过合理的二级固溶热处理+- 级时效热处理后，室温的拉伸断裂强度在1200~1300MPa之间，屈服强度在750~850MPa之间， 断后延伸率大于20%，断面收缩率大于20%，700°(：的拉伸断裂强度在850~90010^之间，屈服 强度在680~750MPa之间，断后延伸率大于20%，断面收缩率大于40%;在700°C，105h条件下外 推持久强度大于等于lOOMPa。
【附图说明】
[0010] 图1是实施例1所得铁镍基合金金相组织5000倍η相金相图。
[0011] 图2是实施例1所得铁镍基合金金相组织20000倍γ 7相金相图。
[0012] 图3是实施例2所得铁镍基合金金相组织5000倍η相金相图。
[0013] 图4是实施例2所得铁镍基合金金相组织20000倍γ '相金相图。
[0014] 图5是实施例3所得铁镍基合金金相组织5000倍η相金相图。
[0015] 图6是实施例3所得铁镍基合金金相组织20000倍γ '相金相图。
【具体实施方式】
[0016] 一种700°C超超临界发电机组铁镍基合金转子热处理方法，由以下化学成分及质 量组分百分比(％)组成： 碳（C):0.02-0.04%;铬（Cr):15-17%;钼(Mo):0.05-0.1%;铌(Nb):1.5-2.0 %;硼（B): 0·003-0.006%;铝（Al):0.7-1.5%;钛（Ti):1.5-1.8%;钽（Ta):0·1-0.3%;锆（Zr):0.01-0.03%;镍(Ni) :41.13-41.63%;硅(Si):彡0.1;锰(Μη):彡0.1;余量为铁(Fe)和其它一些不 可避免的杂质。
[0017] 实施例！ 由以下化学成分及质量组分百分比(％)组成： 碳(0:0.04%;铬（Cr): 15%;钼(Mo) :0.05%;铌(Nb) :2.0%;硼(B) :0.003%;铝(Al) :1.2%; 钛（1^):1.5%;钽（丁&):0.1%;锆（2〇 :0.02%;镍（附）：41.13%;硅（31) :0.1%;锰（]?11): 0.055%;余量为铁(Fe)。
[0018] 实施例2 由以下化学成分及质量组分百分比(％)组成： 碳（C):0·02%;铬（Cr):16%;钼（Mo):0·1%;铌（Nb):1. 8%;硼（B): 0·006%;铝（Al): 0.7%;钛（Ti):1.6%;钽（Ta): 0.3%;锆（Zr):0.03%;镍（Ni): 41.63%;硅（Si):0.08%;锰 (Mn) : 0 · 046%;余量为铁(Fe)。
[0019] 实施例3 由以下化学成分及质量组分百分比(％)组成： 碳（0:0.03%;铬（0):17%;钼(]?〇):0.1% ;铌（仙）：1.5%;硼（8):0.006%;铝（八1) : 1.5%;钛（Ti):1.8%;钽（Ta): 0.2%;锆（Zr):0.01%;镍(Ni): 41.45%;硅（Si):0.07%;锰 (Mn) :0.039%;余量为铁(Fe)。
[0020] 实施例4 将上述实施例1-3的材料分别采用真空感应熔炼+电渣重熔的熔炼方法，得到铁镍基合 金铸锭，并经过锻造得到合金锻件； 700°C超超临界发电机组铁镍基合金转子的热处理方法，具体实施方法的步骤为： 步骤一:一次固溶热处理:将转子加热960-1020°C，保温时间为3h+心部到温时间，心部 到温时间根据材料部件的实际热处理厚度尺寸确定，按照厚度每增加1mm，保温时间增加 1.5min，水冷； 步骤二：二次固溶热处理:800-950°C，保温时间为2h+心部到温时间，心部到温时间根 据材料部件的实际热处理厚度尺寸确定，按照厚度每增加1mm，保温时间增加1.5min，空冷； 步骤三:时效热处理，温度范围为720-750°C，保温时间为8h+心部到温时间，心部到温 时间根据材料部件的实际热处理厚度尺寸确定，按照厚度每增加1mm，保温时间增加 1.5min，空冷。
[0021] 实施例1~3经过实施例4的热处理后，其力学性能检测结果见表1。由表可见，本发 明的铁镍基合金材料经过合理的二级固溶热处理+-级时效热处理后，室温的拉伸断裂强 度在大于1250MPa，屈服强度大于750MPa，断后延伸率和断面收缩率均大于20%，700 °C的拉 伸断裂强度大于870MPa，屈服强度大于680MPa，断后延伸率大于20%，断面收缩率大于40%; 在700°C，三个实施例在250MPa应力下的持久时间均大于7500h，力学性能优异。
[0022] 表1实施例1-3力学性能对比表
本发明充分考虑了材料的冶炼性能和长期高温环境服役的显微组织与性能的稳定性， 在传统铁镍基合金的基础上，通过将铌(Nb)含量控制在2%以下，同时铝(Al)含量提高到 O · 7%以上，并加入O · 1-0 · 3%的钽(Ta)和O · 01-0 · 03%的锆(Zr)及O ·003-0 · 006%的硼(B)，得到 了一种新型的能够满足700°C超超临界发电机组转子用的铁镍基合金。
[0023]铝(Al)含量提高能抑制在高温服役过程中不是很稳定、易长大并发生相转变的 γ〃相的析出，并增加材料中γ7相的含量和提高其稳定性，从而能够在不影响材料高温强 度的前提下将材料的服役温度提高至700°C甚至更高;铌(Nb)含量降低能够减少材料在冶 炼过程中的偏析，有利于得到更大的锭型，从而满足700°C超超临界发电机组转子的重量和 尺寸要求，同时能够降低Laves相等有害TCP相的析出倾向，保证了材料在700°C服役过程中 的显微组织稳定性;组(Ta)的加入不仅能够提尚γ 7相的显微组织稳定性，还能提尚γ 7 /Ni 的界面稳定性;锆(Zr)和硼(B)的加入不仅能够净化晶界和脱氧，还能够增加晶界强度，提 高材料的持久性能。因此，将铌(Nb)控制在1-2%，将铝(Al)提高至0.7-1.5%，同时加入0. ΙΟ. 3%的钽 (Ta) 、0.01-0 .03%的锆(Zr) 和0.003-0 .006%的硼(B) ， 不仅能够得到足够大的铸 锭，抑制不稳定的Y 〃相和Laves等有害TCP相的析出，还能够使得材料中析出足够量的在高 温高压环境中稳定存在的均匀细小的γ7相。
[0024]实施例1-3的热处理金相组织见图1-6。图1、3、5为放大5000倍的金相组织，可见其 晶界晶内无 TCP等有害相存在，只在晶界存在一定量的短棒状的η相析出，η相呈短棒状少量 析出于晶界有益于持久性能的提高。图2、4、6为放大20000倍的金相组织，可见三个实施例 的晶内均析出大量细小的球状γ 7相，而没有γ〃相的存在，球形的γ7相与基体共格关系良 好，能够在高温长时稳定的存在，有效提高材料在高温长时服役过程的组织和力学性能稳 定性。
[0025]根据具体的材料成分，选择不同的一级固溶热处理温度，一级固溶处理目的是使 得热加工过程中析出的如γ7相、η相等析出相回溶，此固溶热处理温度范围为：960~1020 °C，保温时间为3h+心部到温时间，心部到温时间根据材料部件的实际热处理厚度尺寸确 定，按照厚度每增加1mm，保温时间增加1.5min。
[0026] 一级固溶热处理后选择快速冷却。由于本新型铁镍基合金中的γ7相的析出温度 较高，析出量多，且在高温段易长大，因此一次固溶处理后选择快速冷却，防止冷却过程中 析出γ7相并发生快速长大。
[0027] 一级固溶热处理后，进行二级固溶热处理，温度范围为800-950°C，保温时间为2h+ 心部到温时间，心部到温时间根据材料部件的实际热处理厚度尺寸确定，按照厚度每增加 1mm，保温时间增加1.5min，空冷。此处理是为了在晶界得到少量的短棒状的τι相，可提高材 料的持久性能并降低缺口敏感性，此固溶处理应选择η相可析出而γ '相尚未析出的温度区 间，此温度根据实际成分计算得出，要将η相的析出量不能高于3%。
[0028] 二级固溶热处理后，进行时效热处理，温度范围为720-750°C，保温时间为8h+心部 到温时间，心部到温时间根据材料部件的实际热处理厚度尺寸确定，按照厚度每增加1mm， 保温时间增加1.5min，空冷。此时效处理要使得γ '相尽可能多的形核但尺寸要控制尽可能 小，以满足材料的初始力学性能要求，由于本新型铁镍基合金中不存在Y 〃相，不需要再进 行双级时效处理。
【主权项】
1. 一种700°C超超临界发电机组铁镍基合金转子热处理方法，其特征是：由以下化学 成分及质量组分百分比(％)组成： 碳（0:0.02-0.04%;铬（Cr): 15-17%;钼(Mo) :0.05-0.1%;铌(Nb) :1.5-2·0 %;硼（B): 0.003-0.006%;铝（八1):0.7-1.5%;钛（11):1.5-1.8% ;钽（丁&):0.1-0.3%;锆（2『）：0.01-0.03%;镍(Ni) :41.13-41.63%;硅(Si):彡0.1;锰(Μη):彡0.1;余量为铁(Fe)和其它一些不 可避免的杂质。2. 根据权利要求1所述的700°C超超临界发电机组铁镍基合金转子热处理方法，其特征 是：由以下化学成分及质量组分百分比(％)组成： 碳（0:0.04%;铬（Cr):15%;钼(Μο):0·05%;铌(Nb):2.0% ;硼（Β):0·003%;铝（Α1):1·2%; 钛（1^):1.5%;钽（丁&):0.1%;锆（2〇 :0.02%;镍（附）：41.13%;硅（31) :0.1%;锰（]?11): 0.055%;余量为铁(Fe)。3. 根据权利要求1所述的700°C超超临界发电机组铁镍基合金转子热处理方法，其特征 是：由以下化学成分及质量组分百分比(％)组成： 碳（0:0.02%;铬（0):16%;钼（]?〇):0.1% ;铌（仙）：1.8%;硼（8):0.006%;铝（八1) : 0.7%;钛（1^):1.6%;钽（丁&):0.3% ;锆（2〇:0.03%;镍（附）：41.63%;硅（51) :0.08%;锰 (Μη) : 0 · 046%;余量为铁(Fe)。4. 根据权利要求1所述的700°C超超临界发电机组铁镍基合金转子热处理方法，其特征 是：由以下化学成分及质量组分百分比(％)组成： 碳（0:0.03%;铬（0):17%;钼（]?〇):0.1% ;铌（仙）：1.5%;硼（8):0.006%;铝（八1) : 1.5%;钛（1^):1.8%;钽（丁&):0.2% ;锆（2〇:0.01%;镍(附）：41.45%;硅（51) :0.07%;锰 (]?11):0.039%;余量为铁汗6)。5. 根据权利要求1、2、3、4所述的700°C超超临界发电机组铁镍基合金转子热处理方法， 其特征是:具体实施方法的步骤为： 步骤一:一次固溶热处理:将转子加热960-1020°C，保温时间为3h+心部到温时间，心部 到温时间根据材料部件的实际热处理厚度尺寸确定，按照厚度每增加1mm，保温时间增加 1.5min，固溶处理结束后选择快速冷却(水冷）； 步骤二：二次固溶热处理:800-950°C，保温时间为2h+心部到温时间，心部到温时间根 据材料部件的实际热处理厚度尺寸确定，按照厚度每增加1mm，保温时间增加1.5min，空冷； 步骤三:时效热处理，温度范围为720-750°C，保温时间为8h+心部到温时间，心部到温 时间根据材料部件的实际热处理厚度尺寸确定，按照厚度每增加1mm，保温时间增加 1.5min，空冷。
【文档编号】C22C30/00GK106086581SQ201610730218
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月26日
【发明人】聂义宏, 白亚冠, 朱怀沈, 赵帅, 吴赟, 王宝忠
【申请人】中国第重型机械股份公司, 中国第一重型机械股份公司, 天津重型装备工程研究有限公司