一种高强韧马氏体耐热钢

技术领域

本发明涉及一种高强韧马氏体耐热钢，特别是该高强韧马氏体耐热钢在高温长时间工作后仍具有优异的强度和韧性。

背景技术

近年来，虽然非化石能源如风能、核能、光伏等装机比例逐渐走高，但是火力发电仍然是我国电力能源的主导。随着低碳发展逐渐成为全社会的共识，节能减排的呼声越来越高，在这样的背景下，如何提高火力发电的热电转换效率已经成为主要研究方向，因此，超超临界（USC）锅炉的概念应运而生，超超临界锅炉恶劣的运行环境对材料的要求更高。

目前，应用于超超临界锅炉关键部件的材料主要有三类：马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢以及镍基高温合金。奥氏体耐热钢以及镍基高温合金由于Cr、Ni含量较高，导致其成本优势不明显，马氏体耐热钢的Cr元素含量相对较低，成本方面有一定优势，因此，受到广泛关注和研究。

目前，MARBN、T/P9系列、SAVE12AD、G115等马氏体耐热钢都是商业化应用较多的材料，这类材料由于W的存在，在650℃-750℃（USC温度）下工作一段时间后Fe

基于此，本发明旨在提出一种在高温长时间工作后仍具有优异强度和韧性的高强韧马氏体耐热钢。

发明内容

本发明提供一种高强韧马氏体耐热钢，该耐热钢在650-750℃长期工作后，仍具有优异的强度和韧性，从而确保材料在高温工况下长期工作的可靠性高，具有优异的长期服役稳定性。

本发明的技术目的是通过以下手段实现的。

本发明的目的在于提供一种高强韧马氏体耐热钢，所述高强韧马氏体耐热钢的成分按质量百分比计为：C：0.05-0.10%，Cr：8.5-9.5%，W：2.7-3.3%，Co：2.5-3.5%，Mn：0.3-0.8%，V：0.1-0.4%，Si：0.1-0.5%，Cu：0.8-1.2%，Nb：0.03-0.07%，N：0.006-0.009%，B：0.01-0.016%，Zr：0.1-0.25%，Re（铼）：0.2-0.5%，余量为Fe和不可避免的杂质，并且W、Zr、Re的含量关系满足：W=

下面，对本发明的成分设计原理进行介绍。

本发明的主要创新之处在于向马氏体耐热钢中加入了Zr、Re元素，同时协同控制W和Zr与Re之间的含量关系。如前所述，传统马氏体耐热钢在高温工作时，Fe

接下来，在前述原理的基础上介绍本发明各元素的作用。

C元素促进马氏体相变，对于获得马氏体基体是至关重要的。其促进M

Cr元素提高马氏体耐热钢的耐蚀性和抗氧化性，并且对于高温强度具有突出贡献。在高温工作时，Cr会与O反应形成三氧化二铬，在马氏体耐热钢的表面形成保护膜，减缓氧化过程，Cr可以形成Cr

W元素可以抑制M

Co元素是奥氏体形成元素，可以抑制δ铁素体的形成，提高耐热钢的高温强度，同时Co可以促进W元素固溶强化作用的发挥，有利于韧性的提高，Co含量过高，反而会使马氏体耐热钢的高温强度下降，而Co含量过低，则不能有效组织δ铁素体的形成。故此，本发明的Co含量控制在2.5-3.5%，优选2.8-3.2%。

Mn元素同样是抑制δ铁素体的形成的元素，Mn含量过低，抑制δ铁素体的形成的效果不够明显，Mn含量过高会导致塑性下降，高温工作时断裂风险增加。本发明的Mn含量控制在0.3-0.8%，优选0.45-0.65%。

Si元素是有效的脱氧元素，其也是促进δ铁素体和Laves相形成的元素，同时Si有助于提高马氏体耐热钢的高温抗氧化能力，Si含量过高容易导致δ铁素体和Laves相析出过多影响韧性，Si含量过低则钢材的高温抗氧化性下降，进而对高温力学性能带来不利影响。故此，本发明的Si含量控制在0.1-0.5%，优选0.15-0.45%。

V和Nb都是碳/氮化物形成元素，起到固溶强化和沉淀强化的作用，对于马氏体耐热钢的高温强度有着重要作用，V和Nb的含量过高，会导致碳/氮化物粗化，并且造成元素偏析，导致马氏体耐热钢的高温强度恶化，V和Nb的含量过低，则强化相数量不足，强化作用不够明显，故此，本发明控制V含量在0.1-0.4%，Nb含量在0.03-0.07%，优选V含量在0.15-0.35%，Nb含量在0.04-0.06%。

Cu元素是奥氏体形成元素，可以有效抑制δ铁素体的形成，同时还可以起到析出强化和提高耐蚀性的作用。但是Cu含量过高会降低钢材的韧性，而Cu含量过低则无法有效抑制δ铁素体，强化效果不足。故此，本发明的Cu含量控制在0.8-1.2%，优选0.9-1.1%。

N元素是形成MX碳氮化物从而实现析出强化的重要元素，其属于奥氏体形成元素，可以有效抑制δ铁素体的形成，N含量过高则碳氮化物粗大，恶化马氏体耐热钢的韧性，N含量过低则强化效果不充分。故此，本发明的N含量控制在0.006-0.009%之间。

B具有稳定晶界的作用，其可以有效提高强度。但是B含量过高则容易与N形成粗大的BN，影响马氏体耐热钢的高温强度和韧性，而B含量过低则强化效果不足。故此，本发明的B含量控制在0.01-0.016%，优选0.012-0.015%。

Zr、Re(铼)是本发明特意添加的元素，本发明的发明人发现通过添加少量的Zr和Re，Zr和Re可以以杂原子的形式与W形成掺杂，掺杂了Zr和Re的Fe

本发明的高强韧马氏体耐热钢的制备工艺可以通过已知的熔炼、铸造工艺获得，在投入高温工况使用之前，优选进行正火+回火的热处理工艺。作为非限定性的描述，正火可以在950-1250℃下保温1-20h，可以采用风冷或者空冷至室温，然后在650-800℃下进行1-20h的回火处理并随炉冷至室温，作为非限定性的描述，正火可以是一次的，也两次的，还可以是多次循环的，回火可以是一次的，也可以是两次以上的，熔炼工艺可以是常规的熔炼工艺，也可以采用电渣重熔等方式进行。

本发明的高强韧马氏体耐热钢其性能至少达到以下要求之一。

650℃温度下工作1000h后，其组织中所述Fe

650℃温度下工作8000h后，其组织中所述Fe

750℃温度下工作5000h后，其组织中所述Fe

本发明的有益效果如下：本发明向马氏体耐热钢中加入了Zr、Re元素，同时协同控制W和Zr与Re之间的含量关系，可以确保马氏体耐热钢在高W含量的条件下，确保了高温强度的同时，在长期高温工作后仍具有优异的高温韧性。微量的Zr和Re以杂原子的形式与W形成掺杂，掺杂了Zr和Re的Fe

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体的试验例做进行进一步说明。

按照设计成分熔炼钢液并且浇铸成锭，铸锭尺寸为长1000mm×宽600mm×高400mm，具体成分见表1，其中杂质元素P、S均控制在0.02%±0.002%，表1中

表1：各钢材的成分，%，余量为Fe。

对上述试验序号1~21钢材进行各项性能检测的结果见表2，Fe

表2：各钢材的性能。

表3：各钢材的Fe

下面结合表1~3对上述实施例和对比例作进一步分析说明。

表1中试验序号1~8均符合本发明的成分要求，且

根据本发明的实施例不难看出，符合本发明成分要求并且

下面，对照本发明的实施例和对比例进一步详细解释本发明。

对比例9、10均是实施例3的对比例，在其他条件相同的情况下，分别省略了实施例3中的Zr和Re元素，虽然省略Zr或者Re后

对比例11、12均是实施例5的对比例，在其他条件相同的情况下，分别省略了实施例5中的Zr或Re元素，并且对比例11、12添加的Re或Zr总量为实施例5中Zr与Re之和，省略Zr或者Re后

对比例13、14均是实施例3的对比例，在其他条件相同的情况下，分别对实施例3中的Zr或Re含量进行了调整，调整后的Zr和Re虽然仍在发明要求范围内，但是

对比例15、16均是实施例4的对比例，在其他条件相同的情况下，分别对实施例4中的Zr或Re含量进行了调整，调整后的Zr和Re虽然仍在发明要求范围内，但是

对比例17是实施例2的对比例，在其他条件相同的情况下，同时省略了Zr和Re，然而，试验发现，不添加Zr和Re时，无法实现Zr和Re与W的共同掺杂，因此，并不能有效的抑制USC温度下Fe

对比例18、19均是实施例1的对比例，在其他条件相同的情况下，分别对实施例1中的Zr或Re含量进行了调整，调整后的Zr和Re不在发明要求范围内，但是

对比例20、21均是实施例7的对比例，在其他条件相同的情况下，分别对实施例7中的Zr或Re含量进行了调整，调整后的Zr和Re不在发明要求范围内，但是

通过以上实施例和对比例不难看出，本发明通过控制Zr、Re的添加量并且精准控制Zr、Re和W含量的关系，可以大幅度减少或者避免马氏体耐热钢在USC温度（650-750℃）下的Fe

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。