專利名稱：提高鐵素體/馬氏體耐熱鋼抗高溫水蒸汽氧化性能的方法
技術領域：
本發明涉及一種提高火力發電廠、化工、燃料電池等領域中水蒸汽或 者含有水蒸汽的混合氣氛通流部件用鐵素體/馬氏體耐熱鋼抗蒸汽氧化性 能的方法。
背景技術：
鐵素體/馬氏體型耐熱鋼具有良好的工藝性能、熱強性能、低的熱膨 脹系數、高的熱傳導率且成本相對奧氏體耐熱鋼低廉，在火力發電廠、核 電廠、化工廠、燃料電池裝置等中應用非常廣泛，特別是一些厚壁部件無 法采用奧氏體耐熱鋼替代。鐵素體/馬氏體型耐熱鋼可以分為低合金耐熱鋼和9-12%Cr馬氏體耐熱鋼(實際的Cr含量范圍在8wt呢一13wt^之間) 兩大類，后者O含量更高，因此從抗氧化的角度考慮其使用溫度更高。在火力發電領域中，隨著人們對節約能源和環境保護的日益重視，機 組的參數被不斷提高以改善機組效率、降低單位發電量的污染物排放。但 是隨著蒸汽參數特別是蒸汽溫度的提高，機組中大量的高溫蒸汽流通部 件，如過熱器、再熱器、高溫蒸汽管道、汽輪機轉子、葉片、高中壓內缸 等與高溫水蒸汽的氧化反應加劇，給機組的運行帶來一系列的問題，如受 熱面管的傳熱性能下降、承壓部件減薄、汽輪機通流部件沖蝕、受熱面管 氧化層剝落后引起堵塞等，嚴重影響了機組的安全運行。在其它領域如化 學工業裝置中的爐管、燃料電池等也由于與高溫水蒸汽接觸也存在相同的 水蒸汽氧化問題。低合金耐熱鋼由于Cr含量低抗水蒸汽氧化能力差，即使是9-12。^Cr馬氏體耐熱鋼當使用溫度提高到60CTC以上，其蒸汽氧化問 題就變得突出，因此迫切需要可以有效提高這些部件所使用的耐熱鋼的抗 蒸汽側氧化性能的工藝和方法。為了降低水蒸汽氧化帶來的各種風險，人們提出了各種技術措施來降 低鋼的氧化速率1) 提高材料的Cr、 Si、 Al等合金元素含量從而提高抗氧化能力；2) 對材料表面進行噴丸或其它冷加工形成表面應變層；3) 材料表面進行鍍Cl"或者進行鉻酸鹽處理；4) 通過特殊的熱加工工藝或熱處理工藝使材料的整體獲得細晶粒的 組織。但是上述方法均存在一定的局限性或者不適合于鐵素體/馬氏體耐熱 鋼，如方法(1)，即通過增加材料中的Cr、 Si、 Al等合金元素含量被證 明是提高抗氧化的一種有效途徑，在馬氏體耐熱鋼中Cr含量增加受到限 制，Cr含量增加到一定程度會析出S鐵素體，導致蠕變脆性增加而持久強度降低，最新的研究還表明Cr含量增加還促進馬氏體耐熱鋼在高溫運行 中Z相的析出，后者被證明與持久強度的降低有直接關系。鋼中Si、 Al 兩種元素的增加導致工藝性能惡化，馬氏體耐熱鋼中Al含量增加會消耗 添加的N，降低持久強度。方法2獲得的應變層被證明對Cr含量較高的材料如18%Cr—8%Ni系 列奧氏體耐熱鋼有效，對Cr含量較低的鐵素體/馬氏體耐熱沒有明顯提高 抗氧化能力的效果。方法3即采用滲Cr或者鉻酸鹽處理提高材料的抗氧化性能會帶來嚴 重的環境問題，同時在熱循環工況下表面處理層容易剝落。方法4僅適合于含Nb或者Ti的奧氏體耐熱鋼，對鐵素體/馬氏體耐熱鋼由于獲得的晶粒尺寸不夠細，沒有明顯的作用。耐熱鋼在蒸汽環境下的抗氧化能力與其氧化層的成分和結構有很大的關系，當氧化層中的Cr、 Si、 Al含量提高時其保護作用增強，抗氧化 能力提高，特別是當表面形成一層致密的Cr必,時，抗氧化能力大幅度改善。 但只有母材中Cr含量高于22. 5wty。左右時才能形成完整的保護性CrA， 當Cr含量較低時不能生成完整穩定的保護膜。但采用細晶粒鋼或者對材 料表面進行噴丸等冷變形加工后，在氧化過程中基體內部的Cr元素會通 過晶界和亞晶界、位錯等短路擴散通道為表面提供Cr，形成富Cr的保護 層，也就是降低了形成保護性氧化層的臨界Cr含量。 發明內容本發明的目的是提供一種提高鐵素體/馬氏體耐熱鋼抗蒸汽側氧化性 能的方法，即通過激光相變熱處理，使鐵素體/馬氏體耐熱鋼表層獲得極 細晶粒尺寸的組織，實現提高抗高溫蒸汽氧化能力的目的。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是對鐵素體/馬氏體耐熱鋼 表面進行激光表面相變熱處理，使鐵素體/馬氏體耐熱鋼表層以103 107 °C/s的速度升溫至奧氏體區，發生奧氏體相變，在瞬間以103°C/s以上的 冷卻速度進行自冷淬火形成晶粒尺寸小于25 um細晶區。鐵素體/馬氏體 耐熱鋼為加熱和冷卻過程中發生固態相變的鐵素體/馬氏體型耐熱鋼。通過調整激光功率、掃描速度為和聚焦光斑等參數，使耐熱鋼升溫速 率及冷卻速率進一步提高，分別增加到104 107°C/s及10"C/s以上，在 耐熱鋼表面形成晶粒尺寸在10iim以下的細晶區，晶粒尺寸進一步降低， 對鐵素體/馬氏體耐熱鋼抗水蒸汽氧化性能的改善進一步提高。本發明利用激光相變熱處理快速加熱和快速冷卻的特點，使鋼材表面形成晶粒尺寸小于25um的細晶區，通過該處理層高密度晶界、亞晶界、 位錯、空位等多種途徑促進Cr等元素由基體向氧化界面的擴散，改善抗 高溫水蒸汽氧化性能。本發明的激光表面相變熱處理之前為了增加基體對激光的吸收率，可 以在處理前對表面施以激光加工領域所熟知的各種涂層即所謂的"黑化" 處理，也可以不進行任何處理直接進行激光表面相變處理，但為了實現相 變處理的目的，所需的激光功率增加或者掃描速率降低。
圖1是T91鋼表層激光熱處理金相組織圖；圖2是T91鋼蒸汽氧化增重曲線圖，其中橫坐標為氧化時間，縱坐標 為單位面積增重。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。本發明通過激光束的照射可以實現材料表面的快速加熱(加熱速率可 達到103-107°C/s)和快速冷卻(冷卻速率可達到103°C/s以上)。對鐵素 體/馬氏體耐熱鋼，如果加熱功率足夠高，激光照射使材料表面迅速達到 上臨界溫度(Ara)以上，工件表面組織發生奧氏體相變，奧氏體相變在過 熱度大的高溫區很短時間完成，相變形核的臨界半徑小，既可在原晶界和 亞晶界形核，也可在相界面和其它晶體缺陷處形核，形核數目多，同時工 件基體仍處于冷態，然后通過基體金屬的熱傳導急速冷卻，在瞬間(冷卻 速度可達105°C/S)可進行自冷淬火，超細晶的奧氏體來不及長大，形成 馬氏體組織，其晶粒和亞結構顯著細化，晶粒內部發生很大的晶格畸變，位錯密度、空位等點陣缺陷大幅度增加，促進了 Cr等元素的擴散，從而 提高材料的抗氧化性能。激光處理后的馬氏體組織形態為板條型和孿晶型馬氏體組織所組成， 該馬氏體組織中的位錯密度相當高，隨著功率密度的增加平均位錯密度也 增加，晶格邊界的位錯密度可達10" 107cm2。大量晶界和位錯、空位均 可作為Cr擴散的通道，有利于提高Cr的擴散速度，從而提高材料的抗氧 化性能。為了增加基體對激光的吸收率，可以在處理前對表面施以激光加工領 域所熟知的各種涂層，即黑化處理，也可以不進行任何處理直接進行激光 表面相變處理，但為了實現相變處理的目的，所需的激光功率增加或者掃 描速率降低。下面列出本發明對9r馬氏體耐熱鋼ASTM A213 T91的一個實施例。 激光功率為500W，激光掃描速度為5500mm/min，聚焦光斑為cD3mm，以105 106°C/s的速度升溫至奧氏體區，發生奧氏體相變，在瞬間以105°C/s以 上的冷卻速度進行自冷淬火。通過金相觀察，可以看出經過對T91鋼表層 進行所述的激光熱處理，表層形成了厚度為100 110iim的細晶區，見附 圖1。經過試驗室650。C、 600小時的蒸汽氧化試驗，進行激光熱處理的試 樣與未處理材料的氧化增重記錄見圖2，可見激光熱處理對提高T91材料 的抗蒸汽氧化性能有明顯效果。
權利要求
1、一種提高鐵素體/馬氏體耐熱鋼抗蒸汽氧化性能的方法，其特征在于對鐵素體/馬氏體耐熱鋼表面進行激光表面相變熱處理，使鐵素體/馬氏體耐熱鋼表層以103～107℃/s的速度升溫至奧氏體區，發生奧氏體相變，在瞬間以103℃/s以上的冷卻速度進行自冷淬火形成晶粒尺寸小于25μm細晶區。
2、 根據權利要求1所述的提高鐵素體/馬氏體耐熱鋼抗蒸汽氧化性能 的方法，其特征在于對鐵素體/馬氏體耐熱鋼表面進行激光表面相變熱處 理，進一步提高加熱及冷卻速度，使鐵素體馮氏體耐熱鋼表層以104 106 °C/s的速度升溫至奧氏體區，發生奧氏體相變，在瞬間以10"C/s以上的 冷卻速度進行自冷淬火形成晶粒尺寸小于lOii m細晶區。
3、 根據權利要求1或2所述的提高鐵素體/馬氏體耐熱鋼抗蒸汽氧化 性能的方法，其特征在于所說的鐵素體/馬氏體耐熱鋼為加熱和冷卻過程 中發生固態相變的鐵素體/馬氏體型耐熱鋼。
全文摘要
一種提高鐵素體/馬氏體耐熱鋼抗高溫水蒸汽氧化性能的方法，對鐵素體/馬氏體耐熱鋼表面進行激光表面相變熱處理，利用激光相變熱處理快速加熱和快速冷卻的特點，使鋼材表面形成晶粒尺寸小于25μm的細晶區，通過該處理層的高密度晶界、亞晶界、位錯、空位等缺陷促進Cr等元素由基體向氧化界面的擴散，改善抗高溫水蒸汽氧化性能。
文檔編號C21D10/00GK101225464SQ200810017459
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月31日 優先權日2008年1月31日
發明者于在松, 周榮燦, 唐麗英, 張紅軍, 王弘喆 申請人:西安熱工研究院有限公司