專利名稱：一種自發(fā)形成Al₂O₃保護(hù)層的奧氏體耐熱不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料中的奧氏體耐熱不銹鋼領(lǐng)域，特別是在高溫下能在表面自發(fā) 形成以Al2O3為主的保護(hù)層，具有優(yōu)越的高溫抗氧化性和力學(xué)性能。
背景技術(shù)：
奧氏體耐熱不銹鋼廣泛應(yīng)用于汽輪發(fā)動機(jī)、蒸汽管道及柴油發(fā)動機(jī)等高溫或高溫 腐蝕環(huán)境下，現(xiàn)有的奧氏體不銹鋼主要是在合金表面通過Cr元素形成Cr2O3，得到高溫抗氧 化性能。但在高溫含水蒸汽或其它腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，Cr2O3易生成具有揮發(fā)性的氫氧化物， 破壞抗氧化膜，使材料的服役壽命大大減短。在高溫環(huán)境下，從熱力學(xué)角度而言，Al2O3比 Cr2O3保護(hù)層具有更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性；從動力學(xué)角度而言，氧化鋁的生長速度比氧化鉻低 1-2個數(shù)量級。因此，Al2O3更具有保護(hù)作用。目前，部分鐵素體不銹鋼可形成Al2O3抗氧化層，但由于其是體心立方結(jié)構(gòu)抗蠕變 性能較差，不適合在600°C以上使用。氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)的鐵素不銹鋼和鎳基高溫合 金，也具有很好的Al2O3膜形成能力和優(yōu)良的高溫抗蠕變性能，但成本太高，限制了它們的 使用。相比較而言，面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體合金具有較好的抗蠕變性能，同時成本較低。目 前在650°C以上，很多是在奧氏體合金的基體上噴涂Al2O3或者是AlCrY等抗氧化性的涂層， 導(dǎo)致工序復(fù)雜，成本反而提高。因此研制可用于650°C以上，自身具備優(yōu)良抗氧化性能的奧 氏體耐熱不銹鋼是很有必要的。本發(fā)明主要是在Fe-Cr-Ni系奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上添加 一定量的Al，使該奧氏體耐熱不銹鋼在高溫下具有優(yōu)越的力學(xué)性能，同時在高溫氧化的過 程中能夠自發(fā)的生成連續(xù)致密的Al2O3保護(hù)層，提高合金的抗氧化能力，尤其適合在650°C 以上的高溫水蒸汽等復(fù)雜環(huán)境下服役，擁有十分廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在高溫下，尤其是在650°C以上含水蒸汽等復(fù)雜服役條 件下能夠自發(fā)形成一層致密地、連續(xù)地Al2O3保護(hù)層，并且具有良好的高溫力學(xué)性能的新型 奧氏體耐熱不銹鋼。本發(fā)明主要是在Fe-Cr-Ni奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上通過添加一定量的 Al元素，使奧氏體不銹鋼在高溫，特別是在650°C以上含水蒸汽等復(fù)雜情況下服役時能夠 形成連續(xù)致密的Al2O3保護(hù)層。對以Al2O3為抗氧化層的奧氏體不銹鋼開發(fā)可追溯到30多 年前，但是一直沒有成功，主要原因是Al和Cr 一樣，是一種強(qiáng)有力的鐵素體穩(wěn)定元素，縮小 奧氏體相區(qū)，擴(kuò)大鐵素體形成能力，并且要求添加更多的Cr來能促進(jìn)Al2O3層的生成。代表 性的研究是添加4-6% Al (重量百分含量，wt%，以下同是)和10-25% Cr，盡管在材料表 面成功地得到Al2O3保護(hù)層，但Al和Cr的加入同時也促進(jìn)鐵素體相的形成，大大降低了高 溫蠕變性能。為了形成單一的奧氏體結(jié)構(gòu)以保證高溫力學(xué)性能，本發(fā)明通過優(yōu)化成分，控制 鉻和鎳的當(dāng)量，研制出一種新型耐熱不銹鋼，該材料不僅具有穩(wěn)定、單一的奧氏體結(jié)構(gòu)而且 高溫下，尤其是在650°C以上的高溫含水蒸汽等復(fù)雜環(huán)境下能夠在表面自發(fā)生成連續(xù)致密 的Al2O3保護(hù)層，呈現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化能力和高溫力學(xué)性能。
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本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種高溫氧化自發(fā)形成Al2O3層的新型奧氏體耐熱不銹鋼的化學(xué)成分如下(重量 百分含量):C 為 0-1. 0%，Cr 為 10-30%, Ni 為 8-30%, Al 為 2. 5-4. 0%，Nb 為 0-2%, Mn 為 1-10%, Si 為 0-1. 2%，Mo 為 0-4%, Ti 為 0. 1-0. 5%, V % 0-0. 5%, B % 0-0. 1%, P % 0. 01-0. 04%, S < 0. 01%, N < 0. 005%，余量為 Fe。上述合金可根據(jù)應(yīng)用需求，進(jìn)一步進(jìn)行成分調(diào)整，Cu為0-2%、Co為0-3%、W為 0-1 %、Zr為0-1. 0 %，Ta為0-0. 5 %，Y為0-0. 5 %和/或從La及Ac系選擇的1種或2種 以上的稀土類元素，合計為0-0. 5%。其中CU、W、Zr、Ta、Y等元素可提高合金的綜合力學(xué)性 能；而Y和稀土元素可提高合金的抗氧化性能。本發(fā)明的優(yōu)點是1、本發(fā)明所提供的一種能夠自發(fā)形成Al2O3保護(hù)層的新型奧氏體耐熱不銹鋼具有 優(yōu)越的高溫抗氧化能力，尤其適合在650°C以上的高溫含水蒸汽等復(fù)雜環(huán)境下服役。2、本發(fā)明所提供的一種能夠自發(fā)形成Al2O3保護(hù)層的新型奧氏體耐熱不銹鋼具有 優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。3、與氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)鋼和鎳基合金相比，本發(fā)明所提供的一種能夠自發(fā)形 成Al2O3保護(hù)層的新型奧氏體耐熱不銹鋼使用溫度高而成本低，符合低碳經(jīng)濟(jì)原則。


圖1為NF709鋼在800°C空氣加10%水蒸氣的環(huán)境下氧化100小時的氧化層截面 圖；圖2為本發(fā)明實施例3號鋼在800°C干燥空氣中氧化100小時的氧化層截面圖；圖3為本發(fā)明實施例3號鋼在800°C空氣加10%水蒸氣的環(huán)境下循環(huán)氧化800小 時的氧化層截面圖；圖4為本發(fā)明實施例3號鋼在800°C空氣加10%水蒸氣的環(huán)境下循環(huán)氧化800小 時的氧化層電子探針面掃面圖。
具體實施方案下面根據(jù)具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。根據(jù)本發(fā)明奧氏體不銹鋼的成分范圍，我們冶煉了 4種試驗鋼，為了對比對比方 便，我們同時也冶煉了 NF709合金，其各試驗鋼的化學(xué)成分見表1，表中1、2、3、4為本發(fā)明 鋼，NF709為對比合金。按照表1成分方案配料，在高真空氬氣氛電弧爐中進(jìn)行冶煉澆鑄， 將制得的鑄錠通過固溶處理和冷變形加工，然后對加工后的試驗鋼分別在800°C的干燥空 氣和空氣加10%的水蒸汽的氣氛中進(jìn)行循環(huán)氧化實驗。各個試驗鋼在800°C干燥空氣中的 循環(huán)氧化增重實驗結(jié)果見表2，各個試驗鋼在800°C空氣加10%的水蒸汽的混合氣氛中的 循環(huán)氧化增重實驗結(jié)果見表3。實驗結(jié)果表明，無論是在800°C干燥空氣中還是在含水蒸汽 的環(huán)境中，本發(fā)明鋼的增重都比NF709合金小，說明本發(fā)明鋼具有優(yōu)越的高溫抗氧化性，尤 其是在含水蒸汽的環(huán)境下。從氧化層的截面圖中可以發(fā)現(xiàn)，NF709合金在800°C含水蒸汽環(huán) 境中氧化時，氧化層是中出現(xiàn)了內(nèi)氧化，且氧化層不連續(xù)，降低了該合金的抗氧化性能，如 圖1所示。圖2和圖3分別為實施例3號鋼在800°C干燥空氣中氧化100小時的截面圖和800°C空氣加10%水蒸汽的環(huán)境下循環(huán)氧化800小時的截面圖，從圖2、3可以看出，本實施 例3號鋼在800°C氧化時，氧化層是連續(xù)并且致密的。通過電子探針(EPMA)面掃面分析得 出，該氧化層主要為氧化鋁的保護(hù)層，如圖4所示。根據(jù)本實施例3號鋼，熱處理后加工成拉伸試樣，在750°C時進(jìn)行高溫拉伸，實驗 結(jié)果表明抗拉強(qiáng)度達(dá)到500MPa，而NF709奧氏體不銹鋼在750°C時的抗拉強(qiáng)度只有420MPa。 說明本發(fā)明鋼種在高溫下具有優(yōu)越的力學(xué)性能。表1實施例鋼化學(xué)成分(wt % ) 表2實施例鋼在800°C干燥空氣中的循環(huán)氧化增重(mg/cm2) 表3實施例鋼在800°C空氣加10%水蒸汽中的循環(huán)氧化增重(mg/cm2)
權(quán)利要求
一種能夠自發(fā)形成Al2O3保護(hù)層的奧氏體耐熱不銹鋼，其特征在于組分以重量百分比計，C為0 1.0％，Cr為10 30％，Ni為8 30％，Al為2.5 4.0％，Nb為0 2％，Mn為1 10％，Si為0 1.2％，Mo為0 4％，Ti為0.1 0.5％，V為0 0.5％，B為0 0.1％，P為0.01 0.04％，S＜0.01％，N＜0.005％，余量為Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的奧氏體耐熱不銹鋼，其特征在于，所述成分還包括下列物質(zhì) Cu 為 0-2%、Co 為 0-3%、W為 0-1%和 /或&為 0-1.0%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的奧氏體耐熱不銹鋼，其特征在于，所述成分還包括下列物質(zhì) Ta為0-0. 5%、Y為0-0. 5%和/或從La及Ac系選擇的1種或2種以上的稀土類元素，合 計為 0-0. 5%。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的奧氏體耐熱不銹鋼，其特征在于所述成分還包括下列物質(zhì) Ta為0-0. 5%，Y為0-0. 5%，和/或從La及Ac系選擇的1種或2種以上的稀土類元素，合 計為 0-0. 5%。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料中的奧氏體耐熱不銹鋼領(lǐng)域，其特征在于組分以重量百分比計，C為0-1.0％，Cr為10-30％，Ni為8-30％，Al為2.5-4.0％，Nb為0-2％，Mn為1-10％，Si為0-1.2％，Mo為0-4％，Ti為0.1-0.5％，V為0-0.5％，B為0-0.1％，P為0.01-0.04％，S＜0.01％，N＜0.005％，余量為Fe。并根據(jù)要求可含有Cu為0-2％、Co為0-3％、W為0-1％、Zr為0-1.0％，Ta為0-0.5％，Y為0-0.5％，和/或從La及Ac系選擇的1種或2種以上的稀土類元素，合計為0-0.5％。本發(fā)明奧氏體耐熱不銹鋼按照上述成分配料冶煉，通過一定的加工和熱處理工藝，高溫下具有優(yōu)越的力學(xué)性能。同時，該奧氏體耐熱不銹鋼氧化時表面能夠自發(fā)地形成連續(xù)致密的氧化鋁保護(hù)層，因而表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性能，尤其適合在650℃以上的高溫水蒸汽等復(fù)雜環(huán)境下服役，擁有十分廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號C22C38/58GK101906595SQ20101023285
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者呂昭平, 吳淵, 張曉峰, 徐向棋, 陳國良 申請人:北京科技大學(xué)