700℃超超臨界汽輪機關鍵部件用鎳基高溫合金選材

王天劍 范 華 張邦強 鞏秀芳 張 波

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

0 前言

目前世界上成功投入商業運行的超超臨界燃煤發電機組的蒸汽進汽溫度在600℃左右。隨著世界各國加大對提高能源利用率以及對降低污染排放的要求，提高燃煤發電機組的效率成為其中最重要的途徑之一。在所有提高燃煤發電機組的效率的方法中，提高蒸汽的進汽初溫無疑是最有效的方法之一。但蒸汽初溫的提高，對材料的蠕變、疲勞、高溫氧化與腐蝕等性能都提出了更加苛刻的要求。國外的研究計劃對材料的研發無疑是非常重視的，都將材料研發作為整個700℃燃煤發電技術的最開始也是最關鍵的第一步。目前最新的研究成果報道，商業化的9%～12%Cr耐熱鋼的最高使用溫度能夠達到620℃左右，對于更加先進的、更高溫度的700℃及以上等級的超超臨界汽輪機高溫部件，必須使用鎳基高溫合金。本文對世界上正在進行的700℃先進燃煤發電機組研究計劃中汽輪機關鍵部件使用鎳基高溫合金進行了簡要的介紹。

1 國外700℃先進超超臨界燃煤發電研究計劃

歐洲、美國關于700℃等級超超臨界燃煤發電機組的研發工作早在上世紀90年代中期就相繼啟動了相關的大型項目，如歐洲的AD700計劃，目標：38MPa/700℃/720℃。美國的A-USC計劃，目標38.5MPa/760℃/760℃。日本最初是進行650℃等級機組的研發，后來終止，于2008年也開始進行700℃等級燃煤發電機組的研發。

歐洲于1998年提出了最新的研究計劃—AD700，發展新一代的火力發電機組來適應更高的蒸汽參數。AD700計劃主要是通過鎳基高溫合金的應用，使蒸汽參數提高到700℃以上，發電效率提高到50%以上，CO2的排放量降低15%，發電機組的功率在400MW～1000MW。汽輪機材料研究方面，AD700計劃首先選擇了一些具有應用前景的合金作為備選材料：alloy 155，230，263，617， 625， 706， 718， 901 以及 Waspaloy。采用鑄造，鍛造的方式將這些合金制備成試樣，對這些材料進行全面的室溫及高溫力學性能測試，篩選出最合適的合金，再對這幾種合金進行大型試樣的鑄造、焊接、鍛造試驗，制備模擬件，將制備的部件用于建立試驗電站，最后商業化運行[1]。圖1是AD700的計劃時間表。從中可以看到，AD700計劃目前已經進行到了試驗電站建設的最后階段。

圖1 歐洲AD700計劃時間簡表

1999年，美國能源部 （DOE）啟動了 “Vision 21”計劃。該計劃通過發展先進的技術使原料（煤，天然氣，石油等）轉換成電能達到很高的效率并且實現接近零排放。“Vision 21”計劃中包括38.5MPa，760℃/760℃/760℃超超臨界機組研究項目。研究的第一階段從2001年6月到2006年12月，包括8個方面： （1）初步設計和經濟分析。研究了在提高蒸汽參數，使用新材料以后，機組的效率、成本同傳統機組比較。（2）先進合金的力學性能分析。研究了六種不同的合金：一種鐵素體合金SAVE12，兩種奧氏體合金Super 304H、HR6W，三種鎳基合金 Haynes 230、CCA617、In740。（3）合金抗氧化性能研究。在研究的六種合金中，鎳基合金CCA617，Haynes263，Inco740具有較高的抗氧化性能。（4）抗腐蝕性能。模擬了機組運行狀態下腐蝕環境，測試材料在這種環境下運行時的抗氧化性能。（5）焊接性能。研究了采用不同的焊接方法，如埋弧焊 (SAW)、氣體保護金屬極電弧焊 (GMAW)、氣體保護鎢極電弧焊 (GTAW)、自動保護金屬極電弧焊 (SMAW)，研究發現，Haynes 230、In740適用于 GMAW，Super 304H、CCA617能用于GTAW。（6）加工成形性。主要研究了將合金加工成不同變形量的U型管。（7）表面處理。研究了不同的表面處理方法：噴鍍，噴涂 （冷噴涂、高速火焰噴涂），鍍鉻，鍍鉻-硅，鍍鉻-鋁。（8）零部件設計規則制定。在前期研究數據的基礎上，進行零部件的設計工作，并制定設計規則[2]。

“Vision 21”計劃同目前歐洲正在進行的“AD700”計劃相比，有以下幾個不同的地方：（1）蒸汽參數更高，達到了760℃，因此機組的效率更高，對材料的要求也就更加的嚴格。（2）歐洲和美國在使用原料不同，歐洲的機組基本上使用的是低硫碳，而美國機組使用的煤炭對含硫量沒有特定的要求，選擇的范圍較廣，因此，要求機組材料能夠適應各種含硫量的煤炭。（3）機組設計和運行參數不同，AD700研究出來的合金不能直接用于美國，在 “Vision 21”計劃中將進行重新的評估。

由于在資源方面的匱乏，日本在先進發電機組方面投入了大量的人力和物力。日本對于材料的基礎性研究非常的重視，除系統、細致地研究合金元素、雜質元素、脫氧方法、熱處理等對耐熱鋼的性能影響外，還耗巨資進行長時間蠕變試驗研究。日本關于超超臨界機組的研發，最初的溫度等級設定在650℃，但在2008年，日本對機組的參數進行了提高，也上升到了700℃等級。圖2是日本700℃先進超超臨界燃煤發電機組研究計劃簡圖，日本計劃從2008年開始，用8年的時間，完成一個小型試驗電站的建設[3]。

圖2 日本700℃先進超超臨界機組研發計劃簡圖

2 汽輪機中關鍵部件用材

700℃先進超超臨界汽輪機技術的實現，難度遠大于從566℃等級的超臨界向600℃等級的超超臨界機組的跨越。國內外研究表明，新12%Cr耐熱鋼的使用溫度不能超過630℃，700℃先進超超臨界汽輪機的研制成功關鍵在于開發新型耐高溫材料。

2.1 高中壓轉子

對于汽輪機中最重要部件之一的高中壓轉子，國外的研究計劃中均考慮采用鎳基高溫合金。若采用整鍛鎳基高溫合金轉子，無論從鎳基高溫合金的鑄鍛造工藝考慮，還是從機組的經濟性考慮，都是不適合以及無法實現的。目前國外最新的研究表明，700℃等級超超臨界汽輪機高壓和中壓轉子均采用焊接轉子，高溫段部分采用鎳基高溫合金，中溫段部分采用新型的10%Cr耐熱鋼，采用鎳基合金焊料進行焊接。

歐洲 AD700計劃中，采用 IN617，IN625，IN718，Nimonic263四種鎳基高溫合金作為轉子的候選材料。IN617為固溶強化鎳基Ni-Cr-Co-Mo高溫合金，具有良好的高溫強度和優異的抗氧化性能，該合金能夠在較大范圍的腐蝕環境下使用。該合金還具有一個優點，就是其熱膨脹系數較低，低于其他大多數的奧氏體合金。同時，IN617合金還具有優異的加工，特別是其具有優異的焊接性能，非常適合于作為700℃先進超超臨界汽輪機高中壓焊接轉子。IN625為Ni-Cr固溶強化鎳基高溫合金，其采用Mo、Nb元素進行強化，使其具有優異的高溫強度，該合金也能夠在較大范圍的腐蝕環境下使用，具有優異的抗氧化性能。同時，IN625合金也具有非常優異的焊接性能，其使用溫度能夠達到980℃。該合金在航空、核電領域都有著非常廣泛的應用。

IN718是以Ni為基體，在合金中加入鋁，鈦以形成金屬間化合物進行γ′(Ni3Al/Ti)相沉淀強化。這樣就使得該合金具有高溫強度高，高溫穩定性好，抗氧化性好，熱疲勞性能及沖擊韌性優異等特點，同時，該合金具有優異的加工性能和焊接性能。Nimonic263合金是英國Rolls-Royce公司于1972年研制出來的一種Ni-Co-Cr鎳基高溫合金，目前其主要用于燃氣輪機，其具有Nimonic75優異的塑性和加工性能，同時還具有Nimonic80A合金優異的抗蠕變性能。

AD700計劃中四種材料的名義化學成分如表1所示。典型的熱處理工藝如表2所示。

表1 歐洲AD700計劃中轉子候選材料的名義化學成分 （%）

表2 歐洲AD700計劃中轉子候選材料的熱處理工藝

在歐洲AD700計劃中，成功試制了直徑達到700mm的IN617和IN625合金高壓轉子試驗件，同時，詳細研究了該合金的熱處理工藝，并對該試驗件進行了詳細的解剖試驗，包括材料的力學性能，長時蠕變持久性能等等。表3是四種合金經過熱處理后的典型拉伸性能數據。在此基礎上，還成功試制了直徑達到1.5m的中壓轉子試驗件。對于IN718和N263兩種合金，采用模鍛的方式制造了試驗輪盤并進行了詳細的解剖試驗[4]。

表3 四種合金經熱處理后的典型拉伸性能數據

美國的A-USC計劃同歐洲的AD700計劃相比，溫度達到了760℃，因此，美國對高中壓焊接轉子用鎳基高溫合金有不同的選擇。美國的待選材料有 5種，分別是 Nimonic105，Haynes282，Udimet720Li，IN740，Waspaloy。目前，主要是對Nimonic105，Haynes282，Udimet720Li這三種合金進行包括蠕變持久、疲勞在內的性能測試和評估。目前持久試驗已經做到了12000小時以上。同時，對5種合金進行了10萬小時和25萬小時的持久強度外推。結果見表4所示。圖3是5種材料的持久強度對比圖。從表中得出，只有Nimonic105，Haynes282和Waspaloy三種合金滿足760℃、10萬小時持久強度大于100MPa。

表4 美國A-USC計劃中5種待選轉子鎳基高溫合金的長時外推持久強度數據

圖3 美國A-USC計劃中5種待選轉子鎳基高溫合金持久強度對比

同歐洲和美國相比，日本在700℃先進超超臨界轉子材料方面的研究進展較快。日本三家主要的汽輪機制造公司分別進行了轉子材料的研究。三菱公司研發的材料是低膨脹系數合金LTES700R，該合金的熱膨脹系數同12Cr鋼相似，其原型LTES700最初是用于小零部件，如螺栓，經合金成分改型后，用于轉子材料[5]。TOS1X合金是東芝公司在Alloy617合金的基礎上改進而來，其在700℃、100000小時的持久斷裂強度期望值在150MPa左右，東芝公司目前已經成功制造了直徑1000mm，重量為7噸的鍛件[3]。FENIX-700合金是日立公司在Alloy706合金的基礎上改進而來，目前，日立公司已經完成了該合金30000小時的持久試驗，該合金在700℃，100000小時的持久斷裂強度期望值也在100MPa以上[7]。

2.2 汽缸及閥殼

汽缸及閥殼鑄件材料必須具有一定的高溫強度、組織穩定性、優異的持久—蠕變性能、高溫抗氧化性能、較好的焊接性能、鑄造性能、耐磨性能和耐沖蝕性能等。

對于700℃等級先進超超臨界汽輪機，高溫鑄件的候選材料有：CF8C-Plus，IN617，IN625。CF8C-Plus是由美國 ORNL和Capterpillar在CF8C基礎上開發出一個新類型鋼，其具有比NF709和Super304H更好的蠕變強度。其蠕變強度接近于鎳基高溫合金617。圖4是該合金持久強度外推結果。CF8C-Plus鋼采用 “微觀結構設計”的方法研制開發，使得其具有穩定的奧氏體相。CF8CPlus鋼良好的高溫蠕變強度來自于晶粒內彌散分布納米尺度的NbC。雖然該鋼具有高的強度，但由于其不含有σ相或者其他的脆化析出相，所以具有高的蠕變斷裂韌性。CF8C-Plus鋼還具有優秀的抗疲勞和熱疲勞性能。其毛坯鑄件，不需任何附加熱處理，就擁有如上所述的良好性能，這是使用CF8C-Plus鋼鑄造大型鑄件的一大優點[7]。

在歐洲AD700計劃中，主要是針對IN617和IN625這兩種材料作為大型鑄件材料的研究。圖5是采用IN617合金鑄造的并經噴丸處理后的閥殼實物。

圖4 CF8C-PLUS材料的持久強度外推值

圖5 采用IN617合金鑄造的閥殼

對于溫度更高的760℃等級超超臨界汽輪機用鑄件，目前的研究主要是采用CCA617和IN740這兩種合金。CCA617（chemistry-controlled variant of alloy）合金是IN617的改進型，相對于IN617，CCA617的特點就是對合金化學成分要求范圍控制更加嚴格，提高了合金的綜合性能，使其適用于更高的使用溫度。表5是CCA617合金化學成分同IN617合金的對比情況[8]。圖6是CCA617合金同IN617合金蠕變性能的對比圖，從圖6中可以明顯看出，通過合金成分控制后，蠕變性能有明顯的提高。IN740合金是最近才新研制出的一種鎳基高溫合金，它是在Nimonic263的基礎上改進而來，主要采用γ′相和碳化物相進行強化[9]。

表5 CCA617合金化學成分同IN617合金對比 （%）

2.3 高溫葉片和螺栓

作為汽輪機中最重要部件之一的葉片，特別是高溫段葉片，在運行過程中需要承受極其惡劣的工況。緊固件則需要很高的強度和高溫應力松弛性能、蠕變性能。從國外的研究資料表明，只有使用鎳基高溫合金，才能滿足700℃等級機組對高溫段葉片和緊固件對材料性能的要求。

對于葉片材料，國外發達國家的研究計劃傾向于采用目前已經廣泛在低級別燃氣輪機、煙氣輪機中使用的鎳基高合金，如AD700計劃中使用的Waspaloy，Nimonic105；對于緊固件材料，計劃使用 Nimonic105，IN740，Waspaloy，IN718等牌號的合金作為備選材料。Waspaloy合金是美國Pratt Whitney公司20世紀50年代發展起來的γ′相沉淀硬化型鎳基高溫合金，該合金在760℃以下具有高的拉伸和持久強度，在870℃以下具有良好的抗氧化性能，其最大的優點是具有良好的強韌化匹配，即在高強度的條件下又具有足夠的韌性[10]。目前，該合金廣泛應用于航空發動機和動力機械中渦輪盤和渦輪葉片的制造。

Nimonic105合金為高合金化的時效強化型鎳基變形高溫合金，具有較高的強度，但熱加工性能和焊接性能較差，主要用于制造航空發動機渦輪葉片，高溫螺栓等高溫零部件。工作溫度能夠達到750℃～950℃，。IN718合金是以體心立方的γ′相沉淀強化的鎳基高溫合金，在-253℃～700℃溫度范圍內具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強度居變形高溫合金的首位，并具有良好的抗疲勞性、抗氧化、腐蝕性能以及良好的加工性能和長時組織穩定性，同時，該合金的組織對熱加工工藝特別敏感，掌握合金中相析出和溶解規律及組織與工藝、性能之間的關系，可針對不同的使用要求制定合理、可行的工藝規程，就能獲得可滿足不同強度級別和使用要求的各種零件。

3 我國700℃超超臨界汽輪機材料研究及東汽選材

我國發展超超臨界機組的時間較歐美和日本等先進發達國家較晚，但是發展速度非常快。目前，我國的超超臨界機組的蒸汽參數已經達到了600℃，同時，已有30多臺超超臨界機組投入商業運行，成為在運超超臨界機組最多的國家。但是，我國600℃超超臨界機組的研發無一例外都是同歐美或者日本的公司如西門子、日立等合作實現的，并未完全實現國產化，一方面的主要原因還是材料的研究不夠。根據國家的最新政策，700℃等級燃煤發電機組的研發已經提上日程，要在 “十二五”計劃的末期具備建造試驗電站的能力。這對于汽輪機行業來講，是一個重要的契機。根據歐美和日本的研究計劃，材料研究均是放在最重要的第一階段。雖然我國的700℃計劃同發達國家相比，時間上落后較多，但是，國內的高校、研究所、發電設備企業等，都已經開展了700℃超超臨界汽輪機用材料的研究工作，因此，我們可以高起點開展工作，較短的時間內完成。

公司在已有資料的基礎上，主要篩選了IN617，IN740，Haynes282， Waspaloy， Nimonic105 等幾種高溫合金作為候選材料進行全面的性能研究。IN617等主要作為大型鍛件用試驗材料，進行合金成分的改進及全面的力學性能試驗，并進行模擬件的試制和異種金屬的焊接試驗。Waspaloy合金等作為中小件如葉片、螺栓、閥桿的候選材料，這種材料有在燃氣輪機或者煙氣輪機中長期使用的經驗，同時還積累了大量的可借鑒的數據，其作為煙氣輪機動葉片已經有20多年的使用經驗。對于大型的鑄件，主要考慮采用IN740合金作為候選材料。

4 結語

700℃等級先進超超臨界燃煤發電技術是一種前景廣闊的潔凈發電技術，對于提高機組效率，降低溫室氣體排放，都具有重要的現實意義。蒸汽參數的提高對汽輪機轉子、汽缸、葉片等的性能提出了新的要求，其高溫部件材料只能采用鎳基高溫合金。我國關于700℃先進超超臨界燃煤發電機組的研究目前處于起步階段，就我國以煤炭資源為主的能源結構而言，700℃機組具有非常廣闊的應用前景，在所有的相關研究中，材料研究將是其中最關鍵也是最開始的一步。

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