超超臨界轉子用鎳基材料的探索性研究

王 群 金嘉瑜

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

我國在未來相當長的時期內電力生產仍處于以煤為主的格局。為保證電力工業可持續發展，加快電力結構調整的步伐，最現實、最可行的途徑就是提高機組效率，加快建設超超臨界機組。其中，轉子作為汽輪發電機組的關鍵部件之一，其材料的研究與發展對超超臨界機組的服役性能有著至關重要的影響[1,2]。目前歐美及日本在政府和各大公司的支持下正在進行更高參數超超臨界技術的研發工作。如果要進一步提高蒸汽溫度，就需要使用鎳基合金。我國電站產品在下一階段的產品結構調整中必將側重于鎳基轉子鍛件的生產，對鎳基材料進行探索性研究具有開創性意義[3～5]。

根據國際上關于超超臨界轉子鎳基材料研究的新進展，確定對以下三種成分合金進行研究，分別是Inconel625，Inconel617和Nimonic263。

1 鋼錠冶煉及成分分析

為了達到要求的低氣體含量、低夾雜物含量及高純度，我們采用真空感應熔煉爐進行冶煉。切割水、冒口，分別取樣進行化學成分檢驗。

采用CS600、ICAP500及X熒光光譜儀測得的成分結果如表1所示。結果顯示，水、冒口成分基本一致，說明鋼錠成分均勻性較好，偏析較小；P、S、As、Sn、Sb等雜質含量很低，冶煉結果達到了我們的要求。

2 熱壓縮實驗

超超臨界轉子的鍛造屬于大型鍛件成形，對工件的質量要求高，成型工藝要求嚴格，因此對其鍛件材料變形抗力的研究具有重要意義。轉子鍛件的最終變形程度極大，變形速度在實際生產中比較慢，一般取10-3s-1～10-1s-1。本文采用高溫壓縮實驗，研究鎳基合金單道次熱壓縮變形的規律，取?10 mm×15 mm試樣，在Gleeble-3500熱模擬實驗機上每間隔50℃做高溫壓縮實驗，變形速率為0.01 s-1、0.001 s-1，溫度900～1 150℃，真應變1.0。獲得材料的真應力應變曲線如圖1～圖3所示。

表1 化學成分檢測結果(質量分數，%)Table 1 The test result of chemical composition(mass fraction, %)

圖1 Inconel625的真應力-應變曲線Figure 1 The stress-strain curve of Inconel625

圖2 Inconel617的真應力-應變曲線Figure 2 The stress-strain curve of Inconel617

圖3 Nimonic263的真應力-應變曲線Figure 3 The stress-strain curve of Nimonic263

圖1、圖2、圖3分別給出了鎳基材料在900～1 150℃及0.001 s-11、0.01 s-1條件下進行真應變為1.0壓縮變形后的流變曲線。由圖1～圖3可以看出，溫度、變形速率是影響變形抗力最大的因素。變形速率一定時，變形抗力隨溫度的升高而降低。對比同種材質不同溫度和應變速率下的應力應變曲線可知，此三種成分鋼種在較高的溫度和較慢的變形速率下，呈明顯的動態再結晶流變曲線，即曲線有明顯的應力峰值，越過應力峰后，由于動態回復與動態再結晶產生的軟化作用，曲線緩慢下降，逐步達到穩定應力狀態。

通過對圖1、圖2、圖3的對比可知，Nimonic263在相同的變形溫度和變形速率下，變形抗力是最大的，說明這種合金鍛造成型需要的壓力比較大。對比三種熱壓縮試樣發現，Nimonic263和Inconel617的試樣很多出現開裂，而Inconel625試樣則保持比較圓整規則的表面形態。可以得出，Inconel625是最適于鍛造成型的，較適宜的鍛造溫度為材料發生明顯再結晶的溫度，即1 000～1 150℃。

3 結語

取試樣粉末進行化學成分分析，結果顯示利用真空感應熔煉爐冶煉可以較好的滿足我們的成分要求。Nimonic263屬于變形抗力較大的合金，Inconel625是最適于鍛造成型的，較適宜的鍛造溫度為1 000～1 150℃。為進一步提高超超臨界的蒸汽溫度，我國尚需要進行大量的材料和加工工藝基礎實驗，特別是長期實驗和模擬實驗，以積累數據和經驗。

[1] ZECHBAUER U. Coal s cleaner outlook, Pictures of the future[R]：Siemens, 2008：36-39.

[2] 傅萬堂，張百忠，王寶忠.超臨界與超超臨界轉子材料發展情況綜述[J].大型鑄鍛件，2008(05).

[3] HACK H, STANKO G. Experimental evaluation of fireside corrosion resistance of advanced materials for ultra-supercritical coal-fired power plants. US: Pittsburgh, 2006：1-17.

[4] 蔡玲.超超臨界參數機組的發展和熱力分析.企業技術開發，2006(4)：42～43.