一种铁镍基高温合金焊材及其制备方法和应用与流程

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种铁镍基高温合金焊材及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在电力能源生产领域，燃煤发电是主流的电力生产方式之一，具备供电稳定、可靠性高、负荷调节灵活的特点，可有效保障电力系统持续、稳定运行。在构建以新能源为主体的新型能源系统中坚持发展清洁高效灵活的高参数燃煤发电机组，对保障新型电力系统安全稳定运行和能源转型至关重要。

2、燃煤发电是通过产生高温高压的水蒸气来推动汽轮机发电，蒸汽温度和压力越高，发电的效率就越高。目前，国际上主流燃煤发电的水蒸气压力已经达到27~32mpa左右，蒸汽温度为566～620℃，热效率可以达到42～45%, 称为超超临界机组(a-usc)。新一代超高参数超超临界机组可实现主蒸汽压力35.5mpa，蒸汽温度为631℃，热效率突破50%，供电煤耗降低至256.28g/kwh，大幅降低单位发电量的燃煤消耗，节能降耗优势显著。在此技术迭代基础上，行业下一步将650℃等级超超临界燃煤发电技术作为核心研发方向，通过持续提升蒸汽温度参数，进一步优化发电能效、降低燃料损耗，推动燃煤发电技术向高效、低碳、节能方向升级。

3、过热器和再热器是超超临界燃煤发电锅炉中将燃煤产生的热转化为高温高压水蒸气的关键金属管道部件，其中包括大量的焊缝，管道外侧要抗燃煤烟气腐蚀、管道内侧要抗超临界水的氧化腐蚀，同时还要承受高温高压，是整个超超临界系统中工作环境最为恶劣，性能要求较高的部件，随着蒸汽温度的不断提高，使用的金属材料也不断升级。630℃及以下蒸汽温度超超临界电站过热器和再热器的高温管道部件广泛采用铁基耐热钢，如p91/t91、p92/t92、g115等，焊接接头一般采用同成分或近成分焊材。目前现有技术已研制成功650℃超超临界电站过热器、再热器等管道用铁镍基高温合金材料，但无专用的配套焊材，现有630℃及以下蒸汽温度超超临界电站用的铁基耐热钢焊材难以承受650℃温度下长期服役的要求。镍基高温合金焊材如inconel617b、inconel740h等虽然满足650℃承温能力要求，但属于异种材料，在熔合性、膨胀系数、导热系数等方面不匹配，导致焊接难度大、可靠性差，而且价格昂贵，在低成本电力市场背景下，难以实现大规模推广应用。

4、因此，需要研制一种适用于650℃超超临界燃煤电站的耐高温、长寿命铁镍基高温合金焊材，主要用于过热器、再热器等铁镍基高温合金管道焊接。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对目前650℃超超临界电站过热器、再热器等铁镍基高温合金管道无专用配套焊材的问题，基于工程设计要求和系统性研究工作，提出了一种耐高温、长寿命铁镍基高温合金焊材及其制备方法和应用。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种铁镍基高温合金焊材， 所述铁镍基高温合金焊材的成分按重量百分比计包括，c 0.01-0.08%，cr 15-22%，al 1.0-2.5%，ti 1.0-2.5%，mo 2.05-3.0%，co 1.8-2.3%，b0.001-0.005%，fe 25-30%，余量包括ni和不可避免的杂质。

4、进一步的，所述铁镍基高温合金焊材的成分按重量百分比计包括，c 0.01-0.08%，cr 16.7-20.88%，al 1.82-2.0%，ti2.04-2.48%，mo 2.05-3.0%，co 1.8-2.24%，b 0.001-0.003%，fe 25-30%，余量包括ni和不可避免的杂质。

5、进一步的，所述铁镍基高温合金焊材中成分al、ti、co的重量百分含量满足关系式：1.05≤ti/al≤1.6，4.3%≤al+ti+co≤6.7%。

6、进一步的，所述铁镍基高温合金焊材中成分al、ti 、co的重量百分含量满足关系式：1.09≤ti/al≤1.27，5.7%≤al+ti+co≤6.52%。

7、进一步的，所述不可避免的杂质重量百分比含量≤0.5%。

8、进一步的，所述不可避免的杂质各组分按重量百分比计包括：w≤0.10%；和/或，si≤0.10%；和/或，mn≤0.10%；和/或，p≤0.008%；和/或，s≤0.005%；和/或，nb≤0.10%；和/或，cu≤0.10%；和/或，pb≤0.001%；和/或，sn≤0.001%；和/或，as≤0.001%；和/或，sb≤0.001%；和/或，bi≤0.0005%。

9、进一步的，所述铁镍基高温合金焊材的显微组织为形变奥氏体加碳化物。

10、一种铁镍基高温合金焊材的制备方法，包括如下步骤：

11、s1、按照合金焊材组分配比取原料，在真空环境下熔炼，待原料完全熔化后精炼除气，真空浇铸制成电极棒；

12、s2、将s1所述电极棒进行真空二次重熔，制备得到合金锭；

13、s3、对s2所述合金锭进行扩散退火处理；

14、s4、将退火后的合金锭锻造开坯，制成方坯；将所述方坯热轧成型，得到盘条；

15、s5、将s4所述盘条进行退火软化，随后进行剥皮处理；将剥皮后的盘条经多道次拉拔、退火、清洗后制得成品焊丝。

16、进一步的，所述步骤s3合金锭扩散退火温度为1180-1200℃，退火时长24-48h；所述步骤s5中盘条退火软化的工艺为1050-1080℃条件下退火软化1-3h，用于细化合金内部晶粒，降低盘条硬度，适配后续拉拔加工工艺。

17、一种铁镍基高温合金焊材的应用，所述铁镍基高温合金焊材用于制造超超临界机组的管道部件。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、本发明解决了650℃超超临界燃煤电站过热器、再热器等铁镍基高温合金管道无专用配套焊材的问题。与现有630℃及以下蒸汽温度超超临界电站用的铁基耐热钢焊材相比，本发明的铁镍基高温合金焊材承温能力达到了650℃，满足电站设计要求。与现有镍基高温合金焊材相比，具有成本低、与母材匹配性好、焊接性能好的优势，其成本只有镍基合金inconel617b、inconel740h的60~70%，可大规模推广应用，其成分与母材相近，在焊接熔合性、膨胀系数、导热系数等方面与母材匹配度好，焊接性好、可靠性高。在使用的便捷性方面，本发明的焊材在现场焊接后不需要进行固溶热处理，直接进行焊缝的低温时效热处理即可达到性能要求。

20、本发明通过严格控制合金焊材中c含量，使得在焊接时提高液态金属流动性、热处理时沿晶界形成m23c6 等类型碳化物，起到强化晶界的作用，能够延缓蠕变空洞萌生、扩展和合并，从而提高合金的高温持久寿命。当c 含量小于0.01%时，不足以形成足够数量的m23c6。当c 含量过高时形成的mc 尺寸较大，并且会过多的消耗合金中的mo、cr、ti ，一方面不仅减少了mo、cr 的固溶强化作用，另一方面减少了用于形成ni3（al、ti）强化相的al和ti，对合金的高温强度和持久性能产生不利影响。

21、本发明通过采用适量的 cr ，提高了合金的抗氧化、抗水蒸汽氧化和抗腐蚀性能，尤其是耐硫腐蚀性能，考虑抗650℃超临界水蒸汽氧化腐蚀和抗烟气腐蚀的要求，cr 含量需控制在15%以上，但cr 含量过高时易于形成拓普密排相，降低合金长期组织性能稳定性，本发明中兼顾抗氧化性能、抗腐蚀性能和长期组织稳定性，将cr 含量控制在15-22%。mo是重要的固溶强化元素，也是碳化物形成元素，细小弥散的mo的碳化物对合金的高温强度和持久性能有很大促进作用。但mo 含量过高易造成有害的tcp相，本发明通过系统性研究表明，当mo含量不超2%时，晶界上mo的碳化物不明显，当mo含量在2.05-3.0%时可在晶界形成可观数量的mo的碳化物，但当mo含量高于3%时，在650℃长期服役过程中容易形成有害的tcp相，因此本发明的mo 含量控制为 2.05-3.0%，w 含量应控制不超0.1%。

22、本发明中考虑co自身的作用和与al、ti的交互作用，控制co 1.8~2.3%，且4.3%≤al+ti+co≤6.7%，co 既是重要的固溶强化元素，也是重要的析出强化元素。co 元素可固溶于基体中为合金提供良好的固溶强化效果，可显著降低基体堆垛层错能，拉宽扩展位错宽度，使位错不易束集而发生交滑移，从而提高合金的抗蠕变性能和持久寿命。co也可部分替代ni3al 型相析出强化相中的元素，改善相长期服役中的稳定性；co还可以降低al、ti 元素在基体中的固溶度，促进γ′强化相的析出并提高其析出数量和固溶温度。

23、本发明适量b的添加，一是由于b的原子半径很小，只有约85皮米，而ni原子半径约135皮米，因此b 原子很容易在晶界富集，使得有害的低熔点元素不能在晶界偏聚，这样就提高了晶界结合力；二是晶界上的硼化物可以阻止晶界滑移、空洞萌生和扩展，对提高合金的抗蠕变性能和持久寿命有利。但过多的b 却会恶化合金焊接性能，控制b 含量为0.001-0.005%。

24、本发明中，适量的加入fe代替ni不仅可以降低合金的成本，而且可以提高合金的热加工性。但是过高的fe 含量会降低合金的耐蚀能力，阻碍强化相γ′的析出，降低合金的组织稳定性和高温强度，本发明合金的fe 含量控制在25-30%。

25、本发明中，ti和al均为γ′相形成元素，析出的γ′相可促进合金的高温强度，al还具有提高合金抗内氧化的能力，但含量过高影响焊接性能，ti 具有抗热和抗硫化腐蚀的作用，但含量过高容易形成有害的tcp相。同时ti/al 对合金的组织和性能也有影响，ti/al过高时会降低γ′相在高温时的稳定性，发生相转变，降低合金的高温强度和热加工性，ti/al过低时合金的强度和塑性偏低。综合考虑合金的强度和组织稳定性，控制ti 1.0~2.5%，al1.0~2.5%，1.05≤ti/al≤1.6。

26、本发明中si含量控制小于等于0.10%，si是重要的脱氧元素，适量加入可以促进合金的抗氧化性能，但si 含量过高会降低合金焊接性能。mn 可以代ni 形成和稳定奥氏体并有固定合金中s 的作用，但mn 含量过高会降低合金的抗氧化性能，mn 含量控制小于等于0.10%。nb是强化γ′相元素，加入可促进合金的高温强度，但在焊接过程中的液态金属中容易形成大尺寸nbc并诱发裂纹，nb含量控制不超0.10% 。cu可以促进和稳定γ′相析出，提高对非氧化性酸的耐蚀性。但过量的cu 会降低合金的高温强度，cu 含量控制小于等于0.10%。