超超臨界轉(zhuǎn)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(dāng)長的時(shí)期內(nèi)電力生產(chǎn)仍處于以煤為主的格局。為保證電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，加快電力結(jié)構(gòu)調(diào)整的步伐，最現(xiàn)實(shí)、最可行的途徑就是提高機(jī)組效率，加快建設(shè)超超臨界機(jī)組。其中，轉(zhuǎn)子作為汽輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其材料的研究與發(fā)展對超超臨界機(jī)組的服役性能有著至關(guān)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(jìn)行更高參數(shù)超超臨界技術(shù)的研發(fā)工作。如果要進(jìn)一步提高蒸汽溫度，就需要使用鎳基合金。我國電站產(chǎn)品在下一階段的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整中必將側(cè)重于鎳基轉(zhuǎn)子鍛件的生產(chǎn)，對鎳基材料進(jìn)行探索性研究具有開創(chuàng)性意義[3～5]。

根據(jù)國際上關(guān)于超超臨界轉(zhuǎn)子鎳基材料研究的新進(jìn)展，確定對以下三種成分合金進(jìn)行研究，分別是Inconel625，Inconel617和Nimonic263。

1 鋼錠冶煉及成分分析

為了達(dá)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(yīng)熔煉爐進(jìn)行冶煉。切割水、冒口，分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)。

采用CS600、ICAP500及X熒光光譜儀測得的成分結(jié)果如表1所示。結(jié)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?。籔、S、As、Sn、Sb等雜質(zhì)含量很低，冶煉結(jié)果達(dá)到了我們的要求。

2 熱壓縮實(shí)驗(yàn)

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

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The test result of chemical composition(mass fraction, %)

圖1 Inconel625的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 1 The stress-strain curve of Inconel625

圖2 Inconel617的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 2 The stress-strain curve of Inconel617

圖3 Nimonic263的真應(yīng)力-應(yīng)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(jìn)行真應(yīng)變?yōu)?.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(shí)，變形抗力隨溫度的升高而降低。對比同種材質(zhì)不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶流變曲線，即曲線有明顯的應(yīng)力峰值，越過應(yīng)力峰后，由于動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化作用，曲線緩慢下降，逐步達(dá)到穩(wěn)定應(yīng)力狀態(tài)。

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(fā)現(xiàn)，Nimonic263和Inconel617的試樣很多出現(xiàn)開裂，而Inconel625試樣則保持比較圓整規(guī)則的表面形態(tài)?？梢缘贸觯琁nconel625是最適于鍛造成型的，較適宜的鍛造溫度為材料發(fā)生明顯再結(jié)晶的溫度，即1 000～1 150℃。

3 結(jié)語

取試樣粉末進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示利用真空感應(yīng)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(jìn)一步提高超超臨界的蒸汽溫度，我國尚需要進(jìn)行大量的材料和加工工藝基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，特別是長期實(shí)驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)，以積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

[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(zhuǎn)子材料發(fā)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.

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