本發(fā)明涉及高溫金屬結(jié)構(gòu)材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體為一種高鈮含量奧氏體耐熱鋼及其制備方法。
背景技術(shù)：
：我國煤炭資源豐富，燃煤火電機組提供了我國75％以上的電力，這種能源結(jié)構(gòu)在未來很長的時間內(nèi)很難改變。目前，我國燃煤火電機組平均發(fā)電效率低，能耗高，是二氧化硫、氮化物nox、二氧化碳及汞的主要排放源，環(huán)境保護的壓力大。采用高參數(shù)大容量火電機組是實現(xiàn)節(jié)能減排最直接、經(jīng)濟、有效的措施之一。因此，發(fā)展高參數(shù)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)，對我國經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)環(huán)境友好，具有十分重要的戰(zhàn)略意義和實際應(yīng)用價值，600℃超超臨界火電機組是目前國內(nèi)已商用的先進的燃煤發(fā)電技術(shù)。高溫結(jié)構(gòu)材料是實現(xiàn)先進超超臨界發(fā)電技術(shù)最重要的材料基礎(chǔ)，服役環(huán)境要求其具有優(yōu)異的高溫強度、韌性、抗蒸汽氧化性能、抗煙氣腐蝕性能、組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。在現(xiàn)役的600℃超超臨界火電機組中，hr3c合金廣泛用于制造鍋爐的末級(高溫段)過熱器和再熱器。hr3c合金屬于高等級奧氏體耐熱鋼，是日本住友金屬公司在tp310鋼的基礎(chǔ)上通過復(fù)合添加nb、n等合金元素研制出的一種奧氏體耐熱鋼。但hr3c合金在服役過程中也表現(xiàn)出了一些不足，即組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，合金的韌性隨著服役時間的增加下降很快，影響了電站的安全運行。同時，在現(xiàn)役600℃超超臨界機組中，hr3c的服役溫度已接近其極限，在超600℃(如650℃、700℃)超超臨界機組中如繼續(xù)使用hr3c合金作為末級過熱器和再熱器，則面臨高溫強度不足的問題。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)中hr3c合金存在的問題，本發(fā)明提供一種高鈮含量奧氏體耐熱鋼及其制備方法，成分設(shè)計合理，高溫強度和韌性優(yōu)異，加工性能和性價比好。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種高鈮含量奧氏體耐熱鋼，其成分按重量百分比計包括，ni19-25％，cr20-25％，co1.0-6.0％，mn≤1.0％，nb2-4％，v0-0.5％，si≤1.0％，n0.1-0.3％，c0.04-0.15％，b0.001-0.003％，zr0.001-0.003％，ce0-0.04％，p0.01-0.03％，余量為fe。優(yōu)選的，所述的ni的重量百分比為19-22％。優(yōu)選的，所述的cr的重量百分比為22-25％。優(yōu)選的，所述的co的重量百分比為1.0-5.0％。優(yōu)選的，所述的mn的重量百分比為不大于0.8％。優(yōu)選的，所述的nb的重量百分比為2.5-3.5％。優(yōu)選的，所述的v的重量百分比為0-0.25％，si的重量百分比為不大于0.75％，n的重量百分比為0.15-0.25％。優(yōu)選的，所述的zr的重量百分比為0.001-0.003％，b的重量百分比為0.001-0.002％，ce的重量百分比為0-0.02％。一種高鈮含量奧氏體耐熱鋼的制備方法，包括以下步驟：步驟1，按重量百分比計，依照合金成分及燒損量配備原材料，并將原材料在真空環(huán)境下熔煉并澆注成合金錠；合金錠的組成成分按重量百分比計為，19-25％的ni，20-25％的cr，1.0-6.0％的co，≤1.0％的mn，2-4％的nb，0-0.5％的v，≤1.0％的si，0.1-0.3％的n，0.04-0.15％的c，0.001-0.003％的b，0.001-0.003％的zr，0-0.04％的ce，0.01-0.03％的p，余量為fe；步驟2，將合金錠在1150-1210℃均勻化20-35小時；步驟3，將均勻化后的合金錠在1000-1150℃進行熱變形處理；步驟4，將熱變形后的合金在1180-1240℃進行5-45分鐘固溶熱處理，然后水冷得到高鈮含量奧氏體耐熱鋼。優(yōu)選的，步驟4中制備得到的高鈮含量奧氏體耐熱鋼，基體為無序面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體，主要強化相為laves相、mx相和m23c6，晶粒尺寸為50-80μm，在700℃時的屈服強度大于200mpa，延伸率大于25％。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：本發(fā)明所述的高鈮含量奧氏體耐熱鋼，通過合金中含有較高的cr，以提高抗蒸汽氧化和抗煙氣腐蝕能力；v可形成碳化物、氮化物以及碳氮化物強化相，nb可以形成laves相，以提高合金的高溫強度；b、zr、p、ce可以降低晶界處碳化物的粗化速率，還可以凈化晶界，降低晶界界面能，提高晶界結(jié)合強度，從而改善合金韌性；co可以降低基體的層錯能，也會提高合金的高溫強度。合金成分的優(yōu)化使得合金高強度得到大幅度提高，同時具有高韌性，以及優(yōu)異的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。能夠適用于制造在高溫、高壓、超超臨界水蒸汽和腐蝕性煙氣環(huán)境下服役的部件，如600℃及以上超超臨界火電機組鍋爐的過熱器和再熱器。附圖說明圖1本發(fā)明實施例1制備的高鈮含量奧氏體耐熱鋼的組織特征。具體實施方式下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。由于高溫材料的成分、組織結(jié)構(gòu)和性能密切相關(guān)，通過合金的成分的優(yōu)化設(shè)計，可以在進一步提高合金的高溫強度和沖擊韌性，從而提高奧氏體耐熱鋼的承溫能力，為未來建設(shè)更高參數(shù)的超超臨界火電機組提供關(guān)鍵高溫部件的備選材料。實施例：1-31.合金的成分表1給出的是本發(fā)明實施例1、2、3的化學(xué)成分組成。試驗用合金1#-3#是本發(fā)明實施例1-3的高鈮含量奧氏體合金，為了和商用的hr3c合金進行比較，表中也列出了hr3c的成分。表1本發(fā)明實施例1-3與比較例(hr3c)的化學(xué)成分(重量％，余量為fe)合金1#2#3#hr3cni19.420.921.519-22cr20.72422.124-26mn0.610.40.23≤2.0nb2.932.413.360.2-0.6si0.280.460.31≤0.75n0.130.160.210.15-0.25c0.130.10.060.04-0.1b0.0020.0020.002-zr0.0020.0030.002-p0.0180.0160.018≤0.03co4.745.231.78-v0.090.050.06-ce<0.0050.020.01-2.合金的熔煉和熱變形按重量百分比19-25％的ni，20-25％的cr，1.0-6.0％的co，≤1.0％的mn，2-4％的nb，0-0.5％的v，≤1.0％的si，0.1-0.3％的n，0.04-0.15％的c，0.001-0.003％的b，0.001-0.003％的zr，0-0.04％的ce，0.01-0.03％的p，余量為fe，加入到真空感應(yīng)爐中熔煉，澆注成合金錠。將合金錠在1150-1210℃均勻化20-35小時，然后將均勻化后的合金錠在1000-1150℃進行熱變形(熱鍛或熱軋)，總變形量60-80％，最后一道次變形量不低于20％。實施例1#-3#合金的熱加工性能與hr3c相當(dāng)。3.合金的熱處理將熱變形后的合金在1230℃進行20-30分鐘固溶熱處理，然后水冷，得到高鈮含量奧氏體耐熱鋼。4.合金的組織結(jié)構(gòu)特征合金的晶粒尺寸范圍為50-80μm，其典型組織特征如圖1所示。laves相、mx相和m23c6為主要的強化相。5.合金的力學(xué)性能5.1拉伸性能實施例1#-3#合金的室溫拉伸性能，遠高于gb5310-2008標(biāo)準(zhǔn)中hr3c的指標(biāo)。隨著溫度的升高，奧氏體耐熱鋼的強度會降低。在650℃和700℃，實施例1#-3#合金的抗拉強度均大大高于hr3c在600℃時的374mpa。表明實施例合金具有優(yōu)異的室溫和高溫強度。表2實施例合金與hr3c的拉伸性能5.2沖擊韌性實施例1#-3#合金在650℃熱暴露500小時后，其室溫沖擊韌性如表3所示，均大于50j/cm2，高于hr3c(45j/cm2)10％以上。表明本發(fā)明的合金具有優(yōu)異的沖擊韌性。表3實施例合金與hr3c在650℃熱暴露500小時后的室溫沖擊性能合金沖擊韌性(j/cm2)1#552#513#52hr3c<45綜上所述，本發(fā)明的高鈮含量奧氏體耐熱鋼與現(xiàn)在商用的hr3c相比，其熱加工性能和成本相當(dāng)，但同時具有優(yōu)異的高溫強度和高韌性，克服了hr3c合金的不足。本發(fā)明的奧氏體耐熱鋼適用于制作600℃及以上在高溫、高壓、超超臨界水蒸汽和腐蝕煙氣條件下工作的部件，如600℃及以上超超臨界燃煤發(fā)電機組(a-usc)中的過熱器和再熱器等。實施例4-7表4給出的是本發(fā)明實施例4、5、6和7的化學(xué)成分組成。試驗用合金4#-6#是本發(fā)明實施例4、5、6和7的高鈮含量奧氏體合金。表4本發(fā)明實施例4-7的化學(xué)成分(重量％，余量為fe)合金4#5#6#7#ni23222519cr21232025mn0.50.31.00.8nb2.53.542si0.10.60.750.5n0.150.250.30.1c0.050.150.040.08b0.0010.0020.0030.001zr0.0020.0030.0020.001p0.0150.010.0220.03co6.01.02.03.0v0.2500.010.1ce<0.0050.020.010.04當(dāng)前第1頁12