一种同时提高铁素体耐热钢抗蠕变性能和抗氢脆性能的方法

本发明属于高性能金属材料制备，具体涉及一种同时提高铁素体耐热钢抗蠕变性能和抗氢脆性能的方法。

背景技术：

1、铁素体耐热钢因具备优良的高温强度、低热膨胀系数及经济性，广泛应用于锅炉、压力容器、航空发动机等高温部件。然而，其在长期高温高压服役中面临蠕变组织退化与氢脆的双重威胁，极易引发突发性脆性断裂并缩短服役寿命，严重制约了高端装备的可靠性。

2、为应对上述挑战，现有技术主要分别从抗蠕变或抗氢脆两个维度分别进行改进。在提升抗蠕变性能方面，主要采取成分优化与组织调控策略：通过添加w、co等元素进行固溶强化；利用nb、v微合金化形成mx相钉扎位错；或添加b元素抑制m23c6碳化物粗化以稳定板条结构。在改善抗氢脆性能方面，主流策略是构建高密度氢陷阱：利用v、nb形成的碳化物作为不可逆氢陷阱捕获氢原子，或通过梯度晶粒尺寸结构及位错缠结来阻碍氢的扩散与聚集。

3、然而，现有技术难以同时解决蠕变性能与抗氢脆性能之间的矛盾：一方面，过度依赖高合金化虽能引入氢陷阱或提升蠕变性能，但会导致材料热加工性能显著下降，并大幅增加生产成本；另一方面，现有通过梯度晶粒尺寸或冷变形引入位错等提升抗氢脆性能的组织特征，在高温服役下极易发生回复或晶界滑移，反而严重损害高温蠕变性能。因此，现有的调控手段难以打破性能权衡，亟须开发一种新型微观组织调控工艺，通过精细的微观结构设计，同步实现优异的抗蠕变性能与抗氢脆能力。

技术实现思路

1、为解决铁素体耐热钢在高温高压服役环境下，抗蠕变性能与抗氢脆性能存在“倒置关系”难以兼得的技术难题，本发明提供了一种同时提高铁素体耐热钢抗蠕变性能和抗氢脆性能的方法。通过特定的形变热处理工艺，在提升铁素体耐热钢高温蠕变强度的同时，显著降低其氢脆敏感性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、本发明技术方案之一：提供一种同时提高铁素体耐热钢抗蠕变性能和抗氢脆性能的方法，包括以下步骤：

4、（1）将铁素体耐热钢加热至铁素体开始转变为奥氏体的起始温度（ac1）以上400～500℃进行高温正火处理；

5、（2）将步骤（1）所得试样空冷至铁素体全部转变为奥氏体的终了温度（ac3）+50～80℃并变形，所述变形结束后水冷；该步骤利用单相奥氏体区的动态回复引入热稳定的位错网络，避免了双相区变形的应力集中；

6、（3）将步骤（2）所得试样进行回火处理并空冷，完成所述铁素体耐热钢抗蠕变性能和抗氢脆性能的同时提高；

7、所述铁素体耐热钢的cr含量为8.5～9.5wt.%。

8、优选地，按质量百分比计，除fe外，所述铁素体耐热钢的化学成分包括：c 0.05～0.15%，cr 8.5～9.5%，w 2.5～3.0%，co 2.5～3.0%，cu 0.5～1.0%，si 0.20～0.40%，mn0.30～0.60%，nb 0.04～0.08%，v 0.10～0.20%，n 0.005～0.015%和b 0.001～0.020%。

9、优选地，所述高温正火处理的时间为0.5～2h。

10、此温度区间避开了铁素体耐热钢的高温δ-铁素体区，能有效粗化原奥氏体晶粒以抑制晶间蠕变裂纹，同时实现m23c6、富cu相的完全固溶。

11、优选地，所述变形的形变量为25～35%。

12、优选地，所述回火处理的温度为730～780℃，时间为3～5h。

13、此温度区间保证了m23c6和富cu相的充分析出，同时避免了位错的过度回复。

14、本发明技术方案之二：提供一种根据上述同时提高铁素体耐热钢抗蠕变性能和抗氢脆性能的方法制得的铁素体耐热钢。

15、本发明所制得铁素体耐热钢的微观组织中包含高密度位错缠结（位错密度≥3.5×1014m-2）、弥散分布的纳米级m23c6碳化物及富cu相，以及细化的马氏体板条结构。其中，纳米级富cu相与基体保持半共格关系，m23c6碳化物与基体保持非共格关系，两者与高密度位错共同构成多尺度的协同氢陷阱网络。

16、本发明技术方案之三：提供一种上述铁素体耐热钢在制备高温压力容器设备中的应用。

17、优选地，所述高温压力容器设备包括：超临界火电机组锅炉管道、高温高压容器、航空发动机部件或石油化工加氢反应器部件。

18、本发明的有益技术效果如下：

19、1）本发明通过奥氏体区变形+快速水冷引入的高密度位错网络，为m23c6、富cu相提供了丰富的异质形核位点和快速的元素扩散通道，显著提高了其析出数密度。

20、2）弥散分布的m23c6和富cu相（不可逆氢陷阱）与高密度位错网络（可逆氢陷阱）共同作用，构建了多尺度的协同氢陷阱网络。其中，非共格m23c6碳化物的氢捕获能力更强，这归因于其较高的界面能。同时与基体半共格的纳米富cu相也作为高密度的不可逆陷阱协同阻碍氢扩散，这种多层次陷阱显著提高了氢陷阱激活能，有效抑制氢在钢中的扩散。

21、3）蠕变过程中，m23c6和富cu相可作为laves相的异质形核位点，提升laves相的析出数密度，有效分散了溶质原子，加剧了颗粒间的竞争生长，从而显著抑制了laves相的过度粗化。三种析出相通过钉扎晶界和位错，阻碍了马氏体板条回复，保证了蠕变过程中的界面强化和位错强化，从而增强了材料的抗蠕变性能。

22、4）本发明提供的制备工艺简单可控，成功克服了传统手段中“抗蠕变性能与抗氢脆性能不可兼得”的矛盾。经本发明提供的方法处理后，铁素体耐热钢在大幅降低高温蠕变速率的同时，显著降低了氢致塑性损失，实现了双重性能的协同提升。

1.一种同时提高铁素体耐热钢抗蠕变性能和抗氢脆性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述同时提高铁素体耐热钢抗蠕变性能和抗氢脆性能的方法，其特征在于，按质量百分比计，除fe外，所述铁素体耐热钢的化学成分包括：c 0.05～0.15%，cr8.5～9.5%，w 2.5～3.0%，co 2.5～3.0%，cu 0.5～1.0%，si 0.20～0.40%，mn 0.30～0.60%，nb 0.04～0.08%，v 0.10～0.20%，n 0.005～0.015%和b 0.001～0.020%。

3.根据权利要求1所述同时提高铁素体耐热钢抗蠕变性能和抗氢脆性能的方法，其特征在于，所述高温正火处理的时间为0.5～2h。

4.根据权利要求1所述同时提高铁素体耐热钢抗蠕变性能和抗氢脆性能的方法，其特征在于，所述变形的形变量为25～35%。

5.根据权利要求1所述同时提高铁素体耐热钢抗蠕变性能和抗氢脆性能的方法，其特征在于，所述回火处理的温度为730～780℃，时间为3～5h。

6.一种根据权利要求1～5任一项所述同时提高铁素体耐热钢抗蠕变性能和抗氢脆性能的方法制得的铁素体耐热钢。

7.一种权利要求6所述铁素体耐热钢在制备高温压力容器设备中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述高温压力容器设备包括：超临界火电机组锅炉管道、高温高压容器、航空发动机部件或石油化工加氢反应器部件。