沉淀硬化奥氏体耐热钢 (precipitation hard-ening iron-base high temperature alloy)

在奥氏体基体上通过第二相沉淀强化的耐热钢，用于制造600～750℃的燃气轮机部件。沉淀硬化奥氏体耐热钢是在18/8和18/12铬-镍不锈钢的基础上发展起来的。为保证有足够的抗氧化性，铬含量均在12%以上，加入足够量的镍以稳定奥氏体组织。根据镍含量不同，有低镍、25%、35%、45%不同类型，第二相沉淀强化元素有钛、铝、铌、钒等，固溶强化元素有钨、钼等，还有硼、锆、铈、镁等微量元素强化晶界。根据强化相的类型，又可分为碳化物沉淀硬化奥氏体耐热钢和金属间化合物沉淀硬化耐热钢两大类。

碳化物沉淀硬化奥氏体耐热钢 以碳化物形成元素钒、铌和钼形成的MC和M23C6型碳化物作为强化相，使用温度650℃。为保证足够高的高温强度，必须有足够高的碳化物体积分数，故这类钢的碳含量应保持在0.4%左右。代表性的中国牌号为GH36，它是一种节镍型的Fe-13Cr-8Ni-8Mn钢，并含有强化元素钼、钒和铌。其中钼主要是起固溶强化作用，钼含量约为1.4%。钒和铌含量分别约为1.4%和0.4%，王要起沉淀强化作用。GH36钢中最主要的碳化物是Vc，其中溶有部分铌和钼，随钢中钒含量增加，钢的高温强度增加，VC析出量最多时(670~750℃)与最大硬度相符，其颗粒从几个nm到20nm。第二种碳化物是M23C6，其成分为(Cr，Fe，V，Mo)23C6复合碳化物，最高形成温度为900℃。钼的溶入促进了M23C6的强化效应。第三种碳化物为NbC溶有部分钒和钼，铌虽有固溶强化作用，但过量易生成一次粗大的NbC或Nb(C，N)夹杂物，不利于钢的强化。VC和M23C6只有在相当高温度下才能溶解，所以固溶温度在1120～1140℃保温80min。时效处理采用二次时效热处理制度，即650~670℃时效14～16h后升温到770～800℃时效14~20h，然后空冷。此时钢中主要强化相为1%左右的弥散分布的VC和3%左右颗粒稍大的M23C6以及0.3%左右的难溶解的NbC或Nb(C，N)。为限制NbC或Nb(C，N)出现，应控制低的氮含量和N3gN的碳含量和不太高的氮含量，氮含量增加不仅使钢的强度低，而且持久塑性也显著下降。为改善钢的性能，加入少量铝(约0.3%)以固定氮，减少Nb(C，N)夹杂物，可以更好发挥钒和铌的强化作用。同时加入微量镁(0.003%～0.005%)可强化晶界，提高钢的持久塑性。

此外，还有铁一铬一镍一钴基的碳化物沉淀硬化型耐热钢如美国的S-590(含有0.4%碳、21%铬、20%镍、20%钴、4%钨、4%钼、4%铌)，其沉淀强化相为NbC。另一类型是借温加工来促进碳化物沉淀强化的中国耐热钢G18B(含有0．4%碳、13%铬、13%镍、10%钴、2.5%钨、2%钼、3%铌)，其沉淀强化相亦为NbC。

金属间化合物沉淀硬化奥氏体耐热钢 以金属间化合物γ’-Ni3(Ti，A1)作为主要沉淀强化相，用于温度在650～750℃甚至更高的温度运转的燃气轮机部件。由于加入大量铁素体型强化元素如钨、钼、钛、铝和铌等，为保证基体奥氏体组织的稳定性，加入了大量的镍，其基体根据镍含量不同可分为Fe-15Cr-25Ni、Fe-15Cr-35Ni等，加入钛和铝主要是为形成γ’-Ni3(Ti，A1)金属间化合物，以便经过时效处理产生沉淀强化。图为cr15Ni25钢加入钛和铝所形成的各种金属间化合物。其中能作为沉淀强化相的是溶有钛和铝的γ’-Ni3(Ti，A1)相，长时间后γ’-Ni3(Ti，A1)相会转变成η-Ni3Ti相而出现胞状沉淀组织，使沉淀强化效果消失。一般A1/Ti小于1，铝有稳定γ’-Ni3(Ti，A1)的作用。过量的铝又会形成Ni2A1Ti和Ni(A1，Ti)相，易聚集长大，不能作为沉淀强化相。这类钢中γ’相的体积分数不超过20%，因而限制了进一步提高钢高温强度。进一步合金化还单独或同时加入钨和钼以固溶强化来提高其高温强度和使用温度。钨和钼除有形成Laves相倾向外，还可能形成σ相和μ相，使钢失去组织稳定性，甚至造成脆化效应。通过调整成分或细化晶粒减轻σ相在晶界密集程度，是保证钢在高温长期使用安全的重要措施。钼能改善由钛引起的低塑性和缺口敏感性。钢中加入晶界强化元素硼、锆、铈、镁等，其中硼含量不宜过高，否则在晶界易形成硼化物低熔点共晶而产生热脆。这些微量元素可改善钢的持久塑性和强度，消除缺口敏感性。硅作为残留元素在钢中存在，当其含量在上限时易生成Ni14Ti9Si6的G相，消耗主要强化元素钛及奥氏体形成元素镍，且G相性脆，要严格控制其生成。由于这类钢的组织稳定性较差，γ’-Ni3(Ti，A1)易生成η-Ni3Ti的不利转变和微量脆性相析出倾向，限制了钢在较高温度下的强化，只能在650～750℃的中温范围使用。

Crl5Ni25钢加入钛和铝形成的各种金属间化合物

这类钢的代表性的中国牌号为GHl32钢，为Fe-15Cr-25Ni型，其强化元素为1.25%Mo、2%Ti、<0.4%A1、0.001%～0.01%B。钛含量必须超过1.4%才能产生了γ'相的沉淀，但钛量较高而铝量极低的钢析出的γ'相不稳定，会逐步转变成η-Ni3Ti，故少量的铝起稳定γ’-Ni3(Ti，A1)相的作用，以保持沉淀强化效应。在GHl32钢中最适宜的钛含量为2.15%，既使钛在1.75%～2.35%范围内变化，钢的高温强度也有较大波动，要控制能形成γ'-Ni3(Ti，A1)相的有效钛含量极为重要，防止与氮、氧生成TiN和TiO而使有效钛丢失。

热处理对GH132钢的持久强度和缺口敏感性有很大的影响。固溶处理是使γ'相重新溶解，为时效作准备，消除锻轧的加工组织，使奥氏体成分均匀化。固溶温度从980℃升高，奥氏体晶粒长大，析出相溶解更充分，奥氏体成分更均匀，在时效时有更好的沉淀强化效果。固溶处理一般采用980～1000℃，保温2h后油冷。固溶处理温度过高将引起奥氏体晶粒粗大，塑性降低，缺口敏感性增大。固溶处理后在704～760℃温度范围时效处理可达到沉淀强化最大效果。时效析出相γ'-Ni3(Ti，A1)呈球状，与奥氏体形成共格。这是一种富钛贫铝的γ'相，钛主要是形成第二相的强化元素，而铝只起稳定γ'-Ni3(Ti，A1)的作用，使钢的高温强度能保持较长时间而不致软化。时效的热处理制度为700～720℃时效16h后空冷。

GHl32钢的缺口敏感性是在奥氏体晶界析出的胞状沉淀所造成的。胞状沉淀相一种是M23C6，另一种是η-Ni3Ti。为防止在晶界产生胞状沉淀，一方面要降低钢中的硅，同时加入钒和硼。

15/35型铬镍奥氏体耐热钢比15/25型钢有更高的高温强度。由于含35%镍，可溶解更多的钨、钼、钛、铌等强化元素，并使奥氏体基体稳定，不产生致脆的金属间化合物σ相和x相等。这种耐热钢经过固溶和时效处理后，强化相γ'-Ni3(Ti，A1)随钢中钛、铝含量增高而增加，钢的高温强度也增加，其强化效果与γ'相的数量呈正比。

中国GH135是一种Fe-15Cr-35Ni型奥氏体耐热钢，含第二相强化元素2.3%钛、2.4%铝，含固溶强化元素2%钨、2%钼，晶界强化元素<0.015%硼、<0.03%铈，Ti+Al=4.7%，Al/Ti约为1，可用于700～750℃燃气涡轮部件。

复杂合金化的耐热钢用钨、钼和铬综合强化，促使在高温下钢中形成σ相、Laves相和μ相，因而使钢的组织不稳定，甚至产生脆化倾向，这是由于细小的σ相和μ相在晶界析出所造成。因此，通过钢基体的电子空位数的控制来调整钢的成分或细化晶粒，以减少脆化相的析出数量和晶界密集程度。

沉淀硬化奥氏体耐热钢与镍基高温合金相比，由于有较差的组织稳定性，不可能使强化相γ’相的数量超过20%，且γ’相稳定的最高温度的限制，以及析出微量脆性相的倾向，因而限制了它的高温强化效果和进一步提高使用温度。只能在750℃和750℃以下作为高强度耐热钢使用。