700℃超超臨界發電機組鐵鎳基合金轉子熱處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種700℃超超臨界發電機組鐵鎳基合金轉子熱處理方法，屬于鎳基合金熱處理方法技術領域，該方法確定材質配料成分并經鍛造后，采取二級固溶熱處理+一級時效熱處理后消除鐵鎳基合金轉子內的γ″相，并提高γ′的穩定性。本發明的鐵鎳基合金材料經過一次固溶熱處理、二次固溶熱處理、時效熱處理后，室溫的拉伸斷裂強度在1200~1300MPa之間，屈服強度在750~850MPa之間，斷后延伸率大于20%，斷面收縮率大于20%，700℃的拉伸斷裂強度在850~900MPa之間，屈服強度在680~750MPa之間，斷后延伸率大于20%，斷面收縮率大于40%；在700℃，105h條件下外推持久強度大于等于100MPa。
【專利說明】
700°C超超臨界發電機組鐵鎳基合金轉子熱處理方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種700°C超超臨界發電機組鐵鎳基合金轉子熱處理方法，屬于鎳基 合金熱處理方法技術領域。
【背景技術】
[0002] 近10年來，歐盟、日本等國（地區)致力于研究700°C以上先進超超臨界燃煤發電技 術，可使發電效率提高到50%以上。我國于2010年成立了700°C超超臨界燃煤發電技術創新 聯盟，在能源局的組織下目前已有19家電力部門、制造企業和研究院所參與了700°C先進超 超臨界機組新材料研究和新產品的試制。
[0003] 當蒸汽溫度超過700°C時，常規的鋼鐵材料的高溫強度和持久服役性能已不能夠 滿足需求，因此需要發展鐵鎳基或者鎳基合金作為候選材料，此類材料具有高的高溫強度、 良好的持久性能和抗腐蝕性。
[0004] 時效強化的鐵鎳基合金，成本較低，同時具有良好的鍛造性和焊接性，很適合于制 造700°C超超臨界汽輪機高壓轉子。
[0005] 時效強化的鐵鎳基合金的高強度主要是由于合金中含有鋁(Al)、鈦(Ti)和鈮(Nb) 等γ ' (Ni3(Al，Ti))和y〃（Ni3Nb)相形成元素，但由于γ〃相在高于650°C的環境中長時保 溫會快速長大并發生相轉變，因此其最高服役溫度不能夠超過650°C，為了得到一種新型的 能夠在700°C甚至更高溫度服役的材料，就需要消除γ〃相，并提高γ 7的穩定性。鈮(Nb)是 一種易偏析元素，含量較高會限制鑄錠直徑，同時也是形成γ〃相的主要元素，錯(Al)含量 增加不僅可以增加 γ7相的含量和提高其穩定性，同時還能消除在7〇o°C服役過程中不是很 穩定、易長大并發生相轉變的γ 〃相，適量加入鉭(Ta)可增加 γ '相的高溫穩定性，加入一定 量的硼（B)和鋯（Zr)能夠凈化晶界，增加晶界強度，提高持久性能，因此可以通過控制鈮 (Nb)含量并提高鋁(Al)含量且加入一定量的鉭(Ta)、鋯(Zr)和硼(B)實現鍛件的大型化和 700°C甚至更高溫度長期服役的顯微組織性能穩定性。
【發明內容】
[0006] 為了克服上述技術上的不足，本發明提供了一種700°C超超臨界發電機組鐵鎳基 合金轉子熱處理方法，該方法確定材質配料成分并經鍛造后，采取二級固溶熱處理+-級時 效熱處理后消除鐵鎳基合金轉子內的γ〃相，并提高γ 7的穩定性。
[0007] 本發明解決其技術難題所采用的技術方案是:一種700°C超超臨界發電機組鐵鎳 基合金轉子熱處理方法，由以下化學成分及質量組分百分比(％)組成： 碳（C):0.02-0.04%;鉻（Cr):15-17%;鉬(Mo):0.05-0.1%;鈮(Nb):1.5-2.0 %;硼（B): 0·003-0.006%;鋁（Al):0.7-1.5%;鈦（Ti):1.5-1.8%;鉭（Ta):0·1-0.3%;鋯（Zr):0.01-0.03%;鎳(Ni) :41.13-41.63%;硅(Si):彡0.1;錳(Μη):彡0.1;余量為鐵(Fe)和其它一些不 可避免的雜質。
[0008] 采用真空感應熔煉+電渣重熔的熔煉方法，得到鐵鎳基合金鑄錠，并經過鍛造得到 合金鍛件； 700°C超超臨界發電機組鐵鎳基合金轉子熱處理方法，具體實施方法的步驟為： 步驟一:一次固溶熱處理:將轉子加熱960-1020°C，保溫時間為3h+心部到溫時間，心部 到溫時間根據材料部件的實際熱處理厚度尺寸確定，按照厚度每增加1mm，保溫時間增加 1.5min，固溶處理結束后選擇快速冷卻(水冷）； 步驟二：二次固溶熱處理:800-950°C，保溫時間為2h+心部到溫時間，心部到溫時間根 據材料部件的實際熱處理厚度尺寸確定，按照厚度每增加1mm，保溫時間增加1.5min，空冷； 步驟三:時效熱處理，溫度范圍為720-750°C，保溫時間為8h+心部到溫時間，心部到溫 時間根據材料部件的實際熱處理厚度尺寸確定，按照厚度每增加1mm，保溫時間增加 1.5min，空冷。
[0009] 本發明的有益效果是:本發明的鐵鎳基合金材料經過合理的二級固溶熱處理+- 級時效熱處理后，室溫的拉伸斷裂強度在1200~1300MPa之間，屈服強度在750~850MPa之間， 斷后延伸率大于20%，斷面收縮率大于20%，700°(：的拉伸斷裂強度在850~90010^之間，屈服 強度在680~750MPa之間，斷后延伸率大于20%，斷面收縮率大于40%;在700°C，105h條件下外 推持久強度大于等于lOOMPa。
【附圖說明】
[0010] 圖1是實施例1所得鐵鎳基合金金相組織5000倍η相金相圖。
[0011] 圖2是實施例1所得鐵鎳基合金金相組織20000倍γ 7相金相圖。
[0012] 圖3是實施例2所得鐵鎳基合金金相組織5000倍η相金相圖。
[0013] 圖4是實施例2所得鐵鎳基合金金相組織20000倍γ '相金相圖。
[0014] 圖5是實施例3所得鐵鎳基合金金相組織5000倍η相金相圖。
[0015] 圖6是實施例3所得鐵鎳基合金金相組織20000倍γ '相金相圖。
【具體實施方式】
[0016] 一種700°C超超臨界發電機組鐵鎳基合金轉子熱處理方法，由以下化學成分及質 量組分百分比(％)組成： 碳（C):0.02-0.04%;鉻（Cr):15-17%;鉬(Mo):0.05-0.1%;鈮(Nb):1.5-2.0 %;硼（B): 0·003-0.006%;鋁（Al):0.7-1.5%;鈦（Ti):1.5-1.8%;鉭（Ta):0·1-0.3%;鋯（Zr):0.01-0.03%;鎳(Ni) :41.13-41.63%;硅(Si):彡0.1;錳(Μη):彡0.1;余量為鐵(Fe)和其它一些不 可避免的雜質。
[0017] 實施例！ 由以下化學成分及質量組分百分比(％)組成： 碳(0:0.04%;鉻（Cr): 15%;鉬(Mo) :0.05%;鈮(Nb) :2.0%;硼(B) :0.003%;鋁(Al) :1.2%; 鈦（1^):1.5%;鉭（丁&):0.1%;鋯（2〇 :0.02%;鎳（附）：41.13%;硅（31) :0.1%;錳（]?11): 0.055%;余量為鐵(Fe)。
[0018] 實施例2 由以下化學成分及質量組分百分比(％)組成： 碳（C):0·02%;鉻（Cr):16%;鉬（Mo):0·1%;鈮（Nb):1. 8%;硼（B): 0·006%;鋁（Al): 0.7%;鈦（Ti):1.6%;鉭（Ta): 0.3%;鋯（Zr):0.03%;鎳（Ni): 41.63%;硅（Si):0.08%;錳 (Mn) : 0 · 046%;余量為鐵(Fe)。
[0019] 實施例3 由以下化學成分及質量組分百分比(％)組成： 碳（0:0.03%;鉻（0):17%;鉬(]?〇):0.1% ;鈮（仙）：1.5%;硼（8):0.006%;鋁（八1) : 1.5%;鈦（Ti):1.8%;鉭（Ta): 0.2%;鋯（Zr):0.01%;鎳(Ni): 41.45%;硅（Si):0.07%;錳 (Mn) :0.039%;余量為鐵(Fe)。
[0020] 實施例4 將上述實施例1-3的材料分別采用真空感應熔煉+電渣重熔的熔煉方法，得到鐵鎳基合 金鑄錠，并經過鍛造得到合金鍛件； 700°C超超臨界發電機組鐵鎳基合金轉子的熱處理方法，具體實施方法的步驟為： 步驟一:一次固溶熱處理:將轉子加熱960-1020°C，保溫時間為3h+心部到溫時間，心部 到溫時間根據材料部件的實際熱處理厚度尺寸確定，按照厚度每增加1mm，保溫時間增加 1.5min，水冷； 步驟二：二次固溶熱處理:800-950°C，保溫時間為2h+心部到溫時間，心部到溫時間根 據材料部件的實際熱處理厚度尺寸確定，按照厚度每增加1mm，保溫時間增加1.5min，空冷； 步驟三:時效熱處理，溫度范圍為720-750°C，保溫時間為8h+心部到溫時間，心部到溫 時間根據材料部件的實際熱處理厚度尺寸確定，按照厚度每增加1mm，保溫時間增加 1.5min，空冷。
[0021] 實施例1~3經過實施例4的熱處理后，其力學性能檢測結果見表1。由表可見，本發 明的鐵鎳基合金材料經過合理的二級固溶熱處理+-級時效熱處理后，室溫的拉伸斷裂強 度在大于1250MPa，屈服強度大于750MPa，斷后延伸率和斷面收縮率均大于20%，700 °C的拉 伸斷裂強度大于870MPa，屈服強度大于680MPa，斷后延伸率大于20%，斷面收縮率大于40%; 在700°C，三個實施例在250MPa應力下的持久時間均大于7500h，力學性能優異。
[0022] 表1實施例1-3力學性能對比表
本發明充分考慮了材料的冶煉性能和長期高溫環境服役的顯微組織與性能的穩定性， 在傳統鐵鎳基合金的基礎上，通過將鈮(Nb)含量控制在2%以下，同時鋁(Al)含量提高到 O · 7%以上，并加入O · 1-0 · 3%的鉭(Ta)和O · 01-0 · 03%的鋯(Zr)及O ·003-0 · 006%的硼(B)，得到 了一種新型的能夠滿足700°C超超臨界發電機組轉子用的鐵鎳基合金。
[0023]鋁(Al)含量提高能抑制在高溫服役過程中不是很穩定、易長大并發生相轉變的 γ〃相的析出，并增加材料中γ7相的含量和提高其穩定性，從而能夠在不影響材料高溫強 度的前提下將材料的服役溫度提高至700°C甚至更高;鈮(Nb)含量降低能夠減少材料在冶 煉過程中的偏析，有利于得到更大的錠型，從而滿足700°C超超臨界發電機組轉子的重量和 尺寸要求，同時能夠降低Laves相等有害TCP相的析出傾向，保證了材料在700°C服役過程中 的顯微組織穩定性;組(Ta)的加入不僅能夠提尚γ 7相的顯微組織穩定性，還能提尚γ 7 /Ni 的界面穩定性;鋯(Zr)和硼(B)的加入不僅能夠凈化晶界和脫氧，還能夠增加晶界強度，提 高材料的持久性能。因此，將鈮(Nb)控制在1-2%，將鋁(Al)提高至0.7-1.5%，同時加入0. ΙΟ. 3%的鉭 (Ta) 、0.01-0 .03%的鋯(Zr) 和0.003-0 .006%的硼(B) ， 不僅能夠得到足夠大的鑄 錠，抑制不穩定的Y 〃相和Laves等有害TCP相的析出，還能夠使得材料中析出足夠量的在高 溫高壓環境中穩定存在的均勻細小的γ7相。
[0024]實施例1-3的熱處理金相組織見圖1-6。圖1、3、5為放大5000倍的金相組織，可見其 晶界晶內無 TCP等有害相存在，只在晶界存在一定量的短棒狀的η相析出，η相呈短棒狀少量 析出于晶界有益于持久性能的提高。圖2、4、6為放大20000倍的金相組織，可見三個實施例 的晶內均析出大量細小的球狀γ 7相，而沒有γ〃相的存在，球形的γ7相與基體共格關系良 好，能夠在高溫長時穩定的存在，有效提高材料在高溫長時服役過程的組織和力學性能穩 定性。
[0025]根據具體的材料成分，選擇不同的一級固溶熱處理溫度，一級固溶處理目的是使 得熱加工過程中析出的如γ7相、η相等析出相回溶，此固溶熱處理溫度范圍為：960~1020 °C，保溫時間為3h+心部到溫時間，心部到溫時間根據材料部件的實際熱處理厚度尺寸確 定，按照厚度每增加1mm，保溫時間增加1.5min。
[0026] 一級固溶熱處理后選擇快速冷卻。由于本新型鐵鎳基合金中的γ7相的析出溫度 較高，析出量多，且在高溫段易長大，因此一次固溶處理后選擇快速冷卻，防止冷卻過程中 析出γ7相并發生快速長大。
[0027] 一級固溶熱處理后，進行二級固溶熱處理，溫度范圍為800-950°C，保溫時間為2h+ 心部到溫時間，心部到溫時間根據材料部件的實際熱處理厚度尺寸確定，按照厚度每增加 1mm，保溫時間增加1.5min，空冷。此處理是為了在晶界得到少量的短棒狀的τι相，可提高材 料的持久性能并降低缺口敏感性，此固溶處理應選擇η相可析出而γ '相尚未析出的溫度區 間，此溫度根據實際成分計算得出，要將η相的析出量不能高于3%。
[0028] 二級固溶熱處理后，進行時效熱處理，溫度范圍為720-750°C，保溫時間為8h+心部 到溫時間，心部到溫時間根據材料部件的實際熱處理厚度尺寸確定，按照厚度每增加1mm， 保溫時間增加1.5min，空冷。此時效處理要使得γ '相盡可能多的形核但尺寸要控制盡可能 小，以滿足材料的初始力學性能要求，由于本新型鐵鎳基合金中不存在Y 〃相，不需要再進 行雙級時效處理。
【主權項】
1. 一種700°C超超臨界發電機組鐵鎳基合金轉子熱處理方法，其特征是：由以下化學 成分及質量組分百分比(％)組成： 碳（0:0.02-0.04%;鉻（Cr): 15-17%;鉬(Mo) :0.05-0.1%;鈮(Nb) :1.5-2·0 %;硼（B): 0.003-0.006%;鋁（八1):0.7-1.5%;鈦（11):1.5-1.8% ;鉭（丁&):0.1-0.3%;鋯（2『）：0.01-0.03%;鎳(Ni) :41.13-41.63%;硅(Si):彡0.1;錳(Μη):彡0.1;余量為鐵(Fe)和其它一些不 可避免的雜質。2. 根據權利要求1所述的700°C超超臨界發電機組鐵鎳基合金轉子熱處理方法，其特征 是：由以下化學成分及質量組分百分比(％)組成： 碳（0:0.04%;鉻（Cr):15%;鉬(Μο):0·05%;鈮(Nb):2.0% ;硼（Β):0·003%;鋁（Α1):1·2%; 鈦（1^):1.5%;鉭（丁&):0.1%;鋯（2〇 :0.02%;鎳（附）：41.13%;硅（31) :0.1%;錳（]?11): 0.055%;余量為鐵(Fe)。3. 根據權利要求1所述的700°C超超臨界發電機組鐵鎳基合金轉子熱處理方法，其特征 是：由以下化學成分及質量組分百分比(％)組成： 碳（0:0.02%;鉻（0):16%;鉬（]?〇):0.1% ;鈮（仙）：1.8%;硼（8):0.006%;鋁（八1) : 0.7%;鈦（1^):1.6%;鉭（丁&):0.3% ;鋯（2〇:0.03%;鎳（附）：41.63%;硅（51) :0.08%;錳 (Μη) : 0 · 046%;余量為鐵(Fe)。4. 根據權利要求1所述的700°C超超臨界發電機組鐵鎳基合金轉子熱處理方法，其特征 是：由以下化學成分及質量組分百分比(％)組成： 碳（0:0.03%;鉻（0):17%;鉬（]?〇):0.1% ;鈮（仙）：1.5%;硼（8):0.006%;鋁（八1) : 1.5%;鈦（1^):1.8%;鉭（丁&):0.2% ;鋯（2〇:0.01%;鎳(附）：41.45%;硅（51) :0.07%;錳 (]?11):0.039%;余量為鐵汗6)。5. 根據權利要求1、2、3、4所述的700°C超超臨界發電機組鐵鎳基合金轉子熱處理方法， 其特征是:具體實施方法的步驟為： 步驟一:一次固溶熱處理:將轉子加熱960-1020°C，保溫時間為3h+心部到溫時間，心部 到溫時間根據材料部件的實際熱處理厚度尺寸確定，按照厚度每增加1mm，保溫時間增加 1.5min，固溶處理結束后選擇快速冷卻(水冷）； 步驟二：二次固溶熱處理:800-950°C，保溫時間為2h+心部到溫時間，心部到溫時間根 據材料部件的實際熱處理厚度尺寸確定，按照厚度每增加1mm，保溫時間增加1.5min，空冷； 步驟三:時效熱處理，溫度范圍為720-750°C，保溫時間為8h+心部到溫時間，心部到溫 時間根據材料部件的實際熱處理厚度尺寸確定，按照厚度每增加1mm，保溫時間增加 1.5min，空冷。
【文檔編號】C22C30/00GK106086581SQ201610730218
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月26日
【發明人】聶義宏, 白亞冠, 朱懷沈, 趙帥, 吳赟, 王寶忠
【申請人】中國第重型機械股份公司, 中國第一重型機械股份公司, 天津重型裝備工程研究有限公司