700℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)用材探討

彭建強(qiáng)

(哈爾濱汽輪機(jī)機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

試驗(yàn)研究

700℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)用材探討

彭建強(qiáng)

(哈爾濱汽輪機(jī)機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

綜合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)材料方面的研究資料，給出我國(guó)700℃等級(jí)汽輪機(jī)用候選材料及材料技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)。

700℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī);材料;持久強(qiáng)度

高溫材料是先進(jìn)超超臨界機(jī)組的重要基礎(chǔ)，只有明確合適的高溫材料，才能更快、更好地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)超超臨界機(jī)組的建造和運(yùn)行。本文綜合近年來國(guó)內(nèi)外先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)材料方面的研究成果，分析了國(guó)內(nèi)外700℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)用材及其相關(guān)技術(shù)的研發(fā)情況，給出了我國(guó)700℃等級(jí)汽輪機(jī)用候選材料及材料技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)。

1 高中壓轉(zhuǎn)子

1.1 高中壓轉(zhuǎn)子材料研究

(1)歐洲

歐洲在700℃超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料研發(fā)上主要采用現(xiàn)有成熟合金的技術(shù)路線，在AD700項(xiàng)目中選擇IN625、IN617、Nimonic263等作為高中壓轉(zhuǎn)子材料，并已采用IN625和IN617合金成功制造出了全尺寸轉(zhuǎn)子鍛件。與此同時(shí)，也通過優(yōu)化成分和調(diào)整熱處理等工藝參數(shù)對(duì)現(xiàn)有合金進(jìn)行了改進(jìn)，比如IN718、DT706、DT750等合金，以滿足700℃以上超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子的要求。

IN625和IN617合金轉(zhuǎn)子鍛件已經(jīng)由德國(guó)薩爾公司成功制造，合金錠采用VIM+ESR工藝冶煉，在85MN壓力機(jī)上經(jīng)多次鐓拔工藝成型。鍛件的力學(xué)性能、組織、超聲檢測(cè)等檢驗(yàn)結(jié)果表明，鍛件質(zhì)量良好［2］。

圖1 IN625合金的持久強(qiáng)度［3］Figure 1 Endurance strength of IN625 alloy

IN625是一種固溶強(qiáng)化的鎳基高溫合金，國(guó)產(chǎn)牌號(hào)為GH3625。合金具有良好的拉伸強(qiáng)度、蠕變持久強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗局部腐蝕(點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕)性能、抗氧化性能、抗氯離子應(yīng)力腐蝕開裂性能以及良好的成型性和焊接性能，廣泛用于燃?xì)廨啓C(jī)的各種零部件。圖1是IN625合金的持久強(qiáng)度曲線［3］。從圖1可以看出，合金在705℃、105h持久強(qiáng)度為100 MPa，滿足700℃超超臨界汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子的要求。IN617也是一種鎳基高溫合金，各項(xiàng)性能與IN625相當(dāng)，但是國(guó)內(nèi)沒有對(duì)應(yīng)材料。

Nimonic263是一種時(shí)效強(qiáng)化高溫合金，國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)牌號(hào)為 GH4163，具有更高的高溫強(qiáng)度，700℃、105 h持久強(qiáng)度在150 MPa以上［4］。

N718是國(guó)內(nèi)外常用的燃?xì)廨啓C(jī)輪盤材料，通常采用二段時(shí)效處理，包括720℃和620℃時(shí)效。歐洲AD700項(xiàng)目的研究指出，將時(shí)效溫度提高30～40℃，可以顯著提高長(zhǎng)期蠕變強(qiáng)度。圖2是改進(jìn)熱處理后合金的持久曲線。從圖2可以看出，改進(jìn)熱處理后，IN718合金的持久強(qiáng)度可以滿足700℃汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子的要求。

圖2 改進(jìn)熱處理后IN718試樣的L-M持久曲線［5］Figure 2 L-M endurance curve of IN718 specimen after improved heat treatment

圖3 IN706到DT706和Waspaloy到DT750的改進(jìn)——成分和熱處理的變化［6］Figure 3 Improvement of IN706 to DT706 and improvement ofWaspaloy to DT750-changes in composition and heat treatment

文獻(xiàn)［6］對(duì)700℃超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子候選材料IN706、IN617和Waspaloy合金進(jìn)行了研究，指出IN706和Waspaloy合金均存在一定問題，改進(jìn)后才能滿足要求。IN706在700℃長(zhǎng)期暴露后存在組織不穩(wěn)定現(xiàn)象(γ'和γ''相很快轉(zhuǎn)變?yōu)棣窍?，導(dǎo)致蠕變持久強(qiáng)度顯著下降，無法滿足使用要求。通過提高Al、Ti含量和降低Fe含量解決了IN706合金組織不穩(wěn)定問題，開發(fā)出一種新型合金DT706。另外，為了提高合金的抗氧化腐蝕性能，還可以將Cr含量從16%提高到18%。Waspaloy合金雖然有非常高的蠕變持久強(qiáng)度，充分滿足700℃轉(zhuǎn)子的使用要求，但是其在重熔冶煉時(shí)容易形成亮斑缺陷，很難制造大型合金錠。通過降低Ti、添加Nb解決了這一問題，開發(fā)出新型合金DT750。圖3給出了IN706到DT706和Waspaloy到DT750的改進(jìn)-成分和熱處理的變化。

(2)日本

日本在先進(jìn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料研發(fā)上，采用以開發(fā)新型合金為主、改進(jìn)現(xiàn)有合金為輔的技術(shù)路線。

傳統(tǒng)鎳基高溫合金的熱膨脹系數(shù)較高，容易發(fā)生熱疲勞損傷。因此，日本開發(fā)了多種低膨脹的鎳基合金用作先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)的高中壓轉(zhuǎn)子材料。這些合金有 LTES700R、USC141、USC800等。

LTES700R是為了滿足大鍛件的制造要求，在LTES700(日本三菱公司開發(fā)的先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)葉片和螺栓材料，平均線膨脹系數(shù)與傳統(tǒng)12Cr鋼相當(dāng)，高溫持久強(qiáng)度與R-26合金相當(dāng))的基礎(chǔ)上進(jìn)行成分優(yōu)化得到的。在保持低熱膨脹系數(shù)的同時(shí)，提高了可制造性和高溫性能，可以制造700℃以上超超臨界汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子材料。文獻(xiàn)［7］通過450～700℃的熱穩(wěn)定試驗(yàn)證實(shí)了LTES700R合金的組織穩(wěn)定性。先進(jìn) 12Cr鋼(MTR10A)是630℃超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子材料。持久試驗(yàn)采用光滑缺口聯(lián)合試樣，試驗(yàn)表明材料沒有缺口敏感性。在相同的應(yīng)力和時(shí)間條件下，LTES700R 的溫度比先進(jìn) 12Cr鋼(MTR10A)高100℃以上。

提高合金中低膨脹元素Mo的含量，可以顯著降低合金的熱膨脹系數(shù)。日本日立金屬公司開發(fā)出一種低膨脹高溫合金材料USC141。USC141的持久性能與合金R-26和Nimonic 80A相當(dāng)，略低于合金252。

為了滿足在750℃以上蒸汽溫度下運(yùn)行的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的要求，日本開發(fā)出一種新型的高溫合金材 料 Ni-23Co-18Cr-8W-4Al-0.1C，命 名 為USC800。USC800合金不含Ti、Ta和Nb等元素，使其在運(yùn)行溫度下的γ'相含量提高的同時(shí)保持較低的γ'相溶解溫度。這樣就可以使得該合金在大幅提高高溫強(qiáng)度的同時(shí)還具有良好的熱加工性能。

USC800的蠕變持久強(qiáng)度分別是USC141和Nimonic263合金的1.5倍和2倍。估計(jì)USC800合金作為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料的耐蠕變溫度分別比USC141和Nimonic263合金高40℃和55℃。在經(jīng)計(jì)算的相圖中，雖然USC800的γ'相溶解溫度比IN740低，但是由于其含有更多的γ'相，其高溫強(qiáng)度高于IN740合金［9］。

TOS1X是日本東芝公司在IN617基礎(chǔ)上經(jīng)優(yōu)化開發(fā)出來，具有高溫強(qiáng)度高、性能裕量大等優(yōu)點(diǎn)，而且TOS1X是固溶強(qiáng)化型合金，具有容易焊接的優(yōu)勢(shì)。德國(guó)薩爾公司已經(jīng)向東芝交付了兩個(gè)大型試制鍛件［10］。圖4是TOS1X合金與其他合金的持久強(qiáng)度比較。從圖4可以看出，合金在700℃、105h持久強(qiáng)度在160 MPa以上。

IN706具有大型輪盤鍛件應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，是一種通過Ni3Nb(γ"相)和Ni3Al(γ'相)時(shí)效強(qiáng)化合金。但是由于合金錠凝固時(shí)，Nb元素很容易偏析，使得IN706合金很難制造10 t以上的鍛件。而且，IN706合金在700℃長(zhǎng)期暴露后析出有害相，因此其使用溫度限制在650℃以下。文獻(xiàn)［11］指出，F(xiàn)ENIX-700是在IN706基礎(chǔ)上通過調(diào)整化學(xué)成分得到的一種合金，解決了大型合金錠的偏析問題，在700℃具有很好的組織穩(wěn)定性，可以作為先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子材料。

(3)美國(guó)

美國(guó)700℃以上先進(jìn)汽輪機(jī)的高中壓轉(zhuǎn)子材料選擇新開發(fā)合金和改型合金，比如 IN740、IN740H、CCA617。

IN740合金是美國(guó)特種金屬公司(SMC)在20世紀(jì)末專門為歐洲的700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)項(xiàng)目Thermie AD700開發(fā)的一種新型鎳基高溫合金，開發(fā)目標(biāo)是700～760℃、105h持久強(qiáng)度不小于100 MPa。

IN740合金在700～750℃具有高的蠕變持久強(qiáng)度和良好的抗蒸汽氧化性能，但也存在一些問題。例如，在高溫長(zhǎng)期時(shí)效后，組織穩(wěn)定性存在析出相γ'、在750/760℃長(zhǎng)大較快、晶界和晶內(nèi)η相及晶界G相形成等問題，影響到合金的沖擊和持久性能;同時(shí)厚壁部件焊接性能有待進(jìn)一步改進(jìn)。因此，我國(guó)鋼鐵研究總院與美國(guó)SMC公司共同對(duì)IN740合金進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)出IN740H合金［13］。

由于740H合金的成分改進(jìn)，使其高溫組織穩(wěn)定性得到明顯改進(jìn)，因此可以預(yù)期740H合金的長(zhǎng)期蠕變持久性能不會(huì)比原型合金740差。

圖4 TOS1X合金與其他合金的持久強(qiáng)度［10］Figure 4 Endurance strength of TOS1X alloy and other alloys

圖5 CCA617合金L-M參數(shù)持久數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)617合金數(shù)據(jù)帶的比較［14］Figure 5 Comparison between L-M parameter endurance data of CCA617 alloy and standard 617 alloy data tape

617合金是一種非常成熟的固溶強(qiáng)化合金，具有良好的高溫蠕變持久性能。為了進(jìn)一步提高其使用溫度，對(duì)其成分進(jìn)行了更加嚴(yán)格的控制，開發(fā)出 CCA617合金。美國(guó)橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室對(duì)CCA617合金進(jìn)行了蠕變持久試驗(yàn)，并與標(biāo)準(zhǔn)617合金進(jìn)行了對(duì)比，如圖5所示。從圖5可以看出，CCA617在700℃以下的持久強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)617合金，CCA617和617合金在700～750℃之間的105h外推持久強(qiáng)度趨于一致。CCA617合金可以作為汽缸、高中壓轉(zhuǎn)子、蒸汽管道的候選材料。

1.2 異種金屬焊接技術(shù)

由于鎳基高溫合金存在變形抗力大、變形溫度區(qū)間窄等問題，很難用于制造大型轉(zhuǎn)子鍛件。因此，只能在汽輪機(jī)的最高溫度區(qū)采用鎳基高溫合金鍛件，溫度較低區(qū)域采用新12Cr鋼鍛件，然后通過異種金屬焊接將兩部分連接在一起。

歐洲的Alstom公司在焊接轉(zhuǎn)子方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，并成功地完成了歐洲AD700項(xiàng)目要求的全尺寸轉(zhuǎn)子異種金屬焊接(IN617與10Cr鋼、IN625與10Cr鋼)試驗(yàn)。

日本三菱公司開發(fā)出了12Cr鋼與低合金鋼(2.25CrMoV或3.5NiCrMoV)的異種金屬焊接技術(shù)，并成功解決了異種鋼焊后熱處理問題。即首先在12Cr鋼基體上堆焊一層9Cr鋼后，進(jìn)行焊后去應(yīng)力處理;然后用2.25CrMoV焊接金屬把低合金鋼(2.25CrMoV或3.5NiCrMoV)與9Cr鋼連接在一起，再在垂直狀態(tài)下，對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)行焊后去應(yīng)力熱處理［15］。對(duì)于時(shí)效強(qiáng)化的鎳基合金與12Cr鋼之間的異種金屬焊接也可借鑒三菱公司的方法。即在鎳基合金上堆焊一種特殊成分的鎳基合金后，進(jìn)行時(shí)效處理，然而再與12Cr鋼焊接，然后進(jìn)行焊后去應(yīng)力處理。

我國(guó)自1964年成功焊接了6 MW燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子以來，已經(jīng)成功焊接了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等各類轉(zhuǎn)子共計(jì)360余根。2005年成功開發(fā)了超超臨界1 000 MW汽輪機(jī)高中壓12Cr鋼轉(zhuǎn)子軸頸堆焊技術(shù)并已應(yīng)用于產(chǎn)品制造［16］。

1.3 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，材料應(yīng)力隨著殘余應(yīng)力的釋放會(huì)發(fā)生很大變化，隨著時(shí)間的增加而緩慢地發(fā)生塑性變形，特別是在局部超溫的情況下，會(huì)使蠕變速度大大加速。為了提高汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子的抗熱疲勞能力和抗蠕變強(qiáng)度，減少轉(zhuǎn)子高溫區(qū)域的熱應(yīng)力，汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)汽部分采用冷卻蒸汽對(duì)轉(zhuǎn)子高溫區(qū)域進(jìn)行冷卻［17］。700℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)的高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)汽部分均采用導(dǎo)熱性差、熱膨脹系數(shù)大的鎳基高溫合金制造。為了減少轉(zhuǎn)子進(jìn)汽部分的熱應(yīng)力，保證機(jī)組安全運(yùn)行，700℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)的高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)汽部分也必須采用冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 汽缸和閥殼

2.1 汽缸和閥殼材料

歐洲的AD700項(xiàng)目中選擇IN625和IN617作為汽缸和閥殼材料，并且制造了全尺寸的汽缸和閥殼。

日本采用IN625、IN617和LTES700(鑄件)作為700℃以上超超臨界汽輪機(jī)的汽缸和閥殼的候選材料。東芝公司已經(jīng)試制出3.5 t的IN625合金閥殼，并進(jìn)行了解剖試驗(yàn)［1］。

圖6 CF8C-Plus鑄鋼和各種變形合金的拉米參數(shù)曲線［18］Figure 6 Lamy parameter curve of CF8C-Plus cast steel and various deformed alloys

對(duì)于700℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)的汽缸和閥殼鑄件，美國(guó)選擇IN625、CCA617、CF8C-Plus等作為候選材料［18］。

CF8C-Plus是美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)和卡特彼勒公司［18］在鑄造347H(CF8C)不銹鋼基礎(chǔ)上研發(fā)出的一種新型奧氏體鋼，其蠕變強(qiáng)度高于NF709和Super304H，接近鎳基高溫合金617，見圖6。該鋼具有如下優(yōu)點(diǎn):

①高溫蠕變持久強(qiáng)度高，與鎳基高溫合金相當(dāng);

②具有穩(wěn)定的奧氏體組織，無鐵素體相，長(zhǎng)期時(shí)效不會(huì)出現(xiàn)σ相等脆化相;

③鑄造性能和焊接性能良好;④抗疲勞和熱疲勞性能良好;⑤鑄造后即可獲得各項(xiàng)優(yōu)良的性能，無需進(jìn)行熱處理。

由于新型的CF8C-Plus鋼具有上述優(yōu)點(diǎn)，而且與鎳基高溫合金相比，其具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。美國(guó)對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，并將其廣泛用于燃?xì)廨啓C(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造部件。

2.2 鑄造工藝

高溫合金大型鑄件的制造對(duì)現(xiàn)有鑄造設(shè)備和技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，文獻(xiàn)［10］指出大型鑄件主要有以下五方面的問題:

所以，很多夫妻吵吵鬧鬧也就是吵吵鬧鬧而已，吵鬧倒是現(xiàn)實(shí)生活中的一把鹽，使得他們的生活更加有滋有味。但蘇秋琴和那些女人不同，她回到家就把自己掙的錢拍在客堂的飯桌上，一排排地?cái)傞_，讓白天明見識(shí)了什么叫有錢。蘇秋琴將自己的錢收起來后，就要白天明把他掙的錢也放在桌上，讓她也見識(shí)見識(shí)。

①合金材料的鑄造工藝有待提高，以提高鑄件的填充性、流動(dòng)性，改善鑄件的疏松、縮孔、澆鑄不足等缺陷。對(duì)于該問題，英國(guó)Goodwin公司提出了在冒口和澆口上布置感應(yīng)加熱的解決措施，并取得了良好的效果。

②解決高溫合金鑄件中的成分偏析問題。成分偏析會(huì)造成鑄件材料性能下降和性能的不均勻性，而解決成分偏析的方法也只有控制合金元素含量和改善澆鑄冷卻條件。

③提高內(nèi)部缺陷探測(cè)技術(shù)。對(duì)于高溫合金鑄件，超聲檢測(cè)極其困難，如何快速經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)大型高溫合金鑄件的無損檢測(cè)是有待進(jìn)一步深入研究的課題。

④冶煉澆鑄過程中元素的燒損問題。高溫合金一般采用真空熔煉和澆鑄，但對(duì)于大型鑄件，實(shí)現(xiàn)真空澆鑄的技術(shù)難度很大。如果采用非真空澆鑄，就面臨著極為嚴(yán)重的元素?zé)龘p問題。能否開發(fā)出大型的真空澆鑄或保護(hù)氣氛澆鑄技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大型高溫合金制造的關(guān)鍵問題。

⑤雜質(zhì)元素的控制。雜質(zhì)元素對(duì)合金性能的影響很大，如何有效地控制高溫合金中的雜質(zhì)元素，不僅需要提高檢測(cè)技術(shù)水平，更應(yīng)該加強(qiáng)控制原料質(zhì)量。

3 葉片

3.1 葉片材料

有很多變形鎳基合金的性能完全滿足700℃等級(jí)汽輪機(jī)的要求，而且這些葉片材料在燃?xì)廨啓C(jī)中也有很成熟的制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，比如U500、U520、U700、Waspaloy、IN-X750、IN713C、M252、MAR-M509、X45。

日本選用其開發(fā)的低熱膨脹合金LTES700、USC141等作為葉片的候選材料。

LTES700的熱膨脹系數(shù)與傳統(tǒng)的12Cr鋼相當(dāng)，如圖7所示。LTES700的高溫強(qiáng)度與傳統(tǒng)高溫合金Refractaloy 26相當(dāng)，如圖8所示［19］。

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬研究所郭建亭等［20］開發(fā)的鐵基高溫合金GH2107具有良好的塑韌性和冷熱疲勞性能。金屬所測(cè)試了GH2107在700℃不同應(yīng)力下的持久時(shí)間，其中200MPa應(yīng)力下的持久斷裂時(shí)間31 800 h，大約3年零8個(gè)月，是目前國(guó)內(nèi)已知的持久時(shí)間最長(zhǎng)的高溫合金試驗(yàn)，見圖9。由此外推的700℃、105h持久強(qiáng)度達(dá)170 MPa，完全能夠滿足700℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)高溫葉片的要求。另外，GH2107是一種鐵基合金，與鎳基合金相比，具有一定的成本優(yōu)勢(shì)。

3.2 葉片成型技術(shù)

雖然可選擇的葉片材料種類很多，但是仍然要確定葉片的制造方法。傳統(tǒng)方法包括用型鋼機(jī)械加工制造，較大的葉片多采用模鍛制造。然而，由于高溫合金的價(jià)值和機(jī)械加工的難度，高溫合金葉片應(yīng)采用精密鍛造技術(shù)。

圖7 LTES700與耐熱鋼、高溫合金的平均熱膨脹系數(shù)比較［19］Figure 7 Comparison between themean thermal expansion coefficients of LTES700，heat resistant steel and high temperature alloy

圖8 LTES700與Refractaloy 26的持久強(qiáng)度［19］Figure 8 Endurance strengths of LTES700 and Refractaloy 26

圖9 GH2107合金700℃持久應(yīng)力-持久斷裂時(shí)間的關(guān)系曲線［20］Figure 9 The endurance stress-rupture time relation curve of GH2107 alloy at700℃

精鍛是在普通模鍛基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種凈成形技術(shù)。精鍛生產(chǎn)更加完整地保持了金屬流線的連續(xù)，增加了葉片的強(qiáng)度和承載能力，在很大程度上提高了葉片的性能和壽命，同時(shí)節(jié)約了昂貴的材料，解決了難加工材料、薄型面葉片機(jī)械加工的困難［21］。

精密鍛造在國(guó)外已經(jīng)是非常成熟的葉片成型技術(shù)。近年來，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)和專家學(xué)者對(duì)葉片精鍛工藝和葉片的檢測(cè)技術(shù)作了深入的研究，并取得了許多成果。但是，由于我國(guó)葉片精鍛技術(shù)起步晚，工藝不完善，設(shè)備落后，鍛造余量和公差仍然較大，與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍存在很大的差距［22、23］。

另外，精密鑄造葉片已經(jīng)非常成功的應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)，目前國(guó)外正在進(jìn)行汽輪機(jī)葉片精密鑄件的研究［5］。

3.3 固體粒子侵蝕問題

許多電站都遇到汽輪機(jī)葉片被固體粒子侵蝕的問題。對(duì)于超超臨界汽輪機(jī)，葉片的固體粒子侵蝕問題尤為嚴(yán)重，因此有必要對(duì)葉片的防固體粒子侵蝕涂層進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［24］指出解決葉片固體粒子侵蝕問題的方法有優(yōu)化葉型設(shè)計(jì)、表面涂層技術(shù)以及改善運(yùn)行條件等。

(1)優(yōu)化葉型設(shè)計(jì)

由實(shí)驗(yàn)可知，減少固體顆粒的碰撞速度和碰撞角度，使碰撞角度避開材料的高侵蝕區(qū)，是提高葉片抗侵蝕性能的主要途徑。

(2)表面涂層技術(shù)

關(guān)于汽輪機(jī)葉片涂層技術(shù)的研究，美國(guó)GE公司早在20世紀(jì)60年代就進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并在實(shí)際運(yùn)行的機(jī)組上進(jìn)行試驗(yàn)和觀察。目前表面涂層技術(shù)主要有表面等離子噴涂工藝和擴(kuò)散滲層工藝。等離子噴涂工藝形成的涂層非常耐侵蝕。但對(duì)于某些結(jié)構(gòu)靜葉片，由于結(jié)構(gòu)的限制，等離子噴涂工藝不能用于葉片出汽邊的內(nèi)弧面，此時(shí)要用到合金擴(kuò)散涂層工藝，比如滲硼工藝等。

(3)改善機(jī)組運(yùn)行環(huán)境

上海外高橋電廠三期工程2×1 000 MW超超臨界工程采取了一系列措施，通過改善機(jī)組運(yùn)行環(huán)境有效解決了固體粒子侵蝕問題。這些措施包括:(a)合理的選擇主設(shè)備型式。對(duì)于塔式爐，與布置有U型對(duì)流受熱面的П型鍋爐不同，其所有對(duì)流受熱面均水平布置，傳熱溫差小，氧化速率低，且啟動(dòng)階段產(chǎn)生的氧化鐵剝離物等極易被蒸汽沖走。(b)配置大容量旁路系統(tǒng)，使其能在機(jī)組的啟動(dòng)過程中將大部分固體顆粒直接排入凝汽器，緩解汽輪機(jī)的固體顆粒侵蝕。(c)研究開發(fā)了機(jī)組啟動(dòng)過程中的“高動(dòng)量沖洗技術(shù)”，以盡最大可能剝離氧化皮，并將自由狀態(tài)的氧化皮及顆粒物，包括低流速區(qū)的滯留物徹底清除，并直接送至凝汽器［25］。

圖10 LTES700螺栓在470℃、550℃蒸汽溫度下運(yùn)行一年后的照片［19］Figure 10 The photo of LTES700 bolt running at470℃，550℃ steam temperatures for one year

圖11 Nimonic合金的持久強(qiáng)度比較［26］Figure 11 The comparison between endurance strength of Nimonic alloys

4 螺栓

螺栓材料是由棒料機(jī)械加工而成的，在制造上不存在難度，而且螺栓材料也已經(jīng)能夠滿足先進(jìn)汽輪機(jī)的要求。最佳合金的選擇取決于具體汽輪機(jī)設(shè)計(jì)的特定要求。

日本選用其開發(fā)的LTES700、USC141等低熱膨脹合金作為螺栓材料。

為了驗(yàn)證LTES700合金用于汽缸中分面螺栓的應(yīng)用性能，采用鍛造棒材制造了蒸汽溫度為470℃和550℃汽輪機(jī)用汽缸中分面螺栓。圖10是運(yùn)行一年后的螺栓照片，經(jīng)著色檢測(cè)后沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷。

圖11通過LM參數(shù)(常數(shù)C取20)方法比較了幾種Nimonic合金的持久強(qiáng)度。通常把合金105h、持久強(qiáng)度在100 MPa以上作為使用溫度的判斷依據(jù)。從圖11可以看出，合金80A、90和263的使用溫度在760℃以下，105和115合金可以滿足760℃蒸汽溫度的要求。263合金可以滿足700℃蒸汽參數(shù)要求。圖12是Nimonic115合金的蠕變和持久強(qiáng)度。從圖12可以看出，Nimonic115合金具有非常高的蠕變持久強(qiáng)度。Nimonic合金是很好的700℃以上汽輪機(jī)汽缸螺栓的候選材料。

圖12 Nimonic115合金的蠕變和持久強(qiáng)度［26］Figure 12 Creep and rupture strength of Nimonic115 alloy

Waspaloy合金具有良好的蠕變持久性能和工藝性能，也是一種非常好的螺栓材料。

5 蒸汽管道

700℃及以上超超臨界汽輪機(jī)蒸汽管道的候選材料有 IN625、IN617、CCA617、Nimonic263、IN740、GH2984等。

歐洲在三年掛爐運(yùn)行試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)IN617合金減溫器管道焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)較大的裂紋，初步判斷是由于焊接的殘余應(yīng)力引起的。對(duì)于殘余應(yīng)力引起的開裂，關(guān)鍵在于焊后熱處理問題。為了改善合金的蠕變強(qiáng)度和塑性，歐洲采用微合金化，即在IN617合金中添加(20～50)×10-6的硼，得到一種改型合金IN617B。然而，隨著硼元素的添加，合金的可焊性會(huì)變差［10］。因此，對(duì)于合金的焊后熱處理及成分優(yōu)化還需進(jìn)行更深入的研究。

GH2984合金是中科院金屬所與上鋼五廠、哈爾濱703所等單位自1969年8月起研制的一種適合我國(guó)高參數(shù)艦船主鍋爐過熱器管長(zhǎng)期使用的鎳鐵基高溫合金。該合金具有良好的長(zhǎng)期持久強(qiáng)度、抗氧化和耐腐蝕性能、良好的冷熱加工性能、較好的組織穩(wěn)定性和可焊性，使用溫度可達(dá)到7OO℃，已用于制作艦用鍋爐過熱器管材(外徑?25 mm、壁厚2.5 mm)。經(jīng)十余年使用考核，效果良好，已投入批量使用［27］。GH2984可以作為我國(guó)700℃等級(jí)汽輪機(jī)蒸汽管道的候選材料。

6 我國(guó)700℃等級(jí)先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)用候選材料及材料研發(fā)的重點(diǎn)

6.1 候選材料

經(jīng)過50多年的發(fā)展，我國(guó)雖然擁有了獨(dú)立的高溫合金材料體系，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域也積累了豐富的高溫合金材料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，然而，到目前為止，我國(guó)在汽輪機(jī)大型零部件用高溫合金材料方面的研發(fā)才剛剛起步。國(guó)內(nèi)重機(jī)廠才剛剛開始進(jìn)行大型鑄鍛件用高溫合金材料的小爐試驗(yàn)。開發(fā)新型合金需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，而且需要進(jìn)行長(zhǎng)期材料性能驗(yàn)證。760℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)需要用到大量時(shí)效強(qiáng)化鎳基合金，其鑄造、鍛造、焊接等工藝技術(shù)非常復(fù)雜，很難在短時(shí)間實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還需要開發(fā)新型合金。歐洲的AD700項(xiàng)目主要采用成熟的固溶強(qiáng)化合金，鍛造、鑄造、焊接等工藝技術(shù)較易實(shí)現(xiàn)，而且該項(xiàng)目自1998年開始至今已經(jīng)進(jìn)行了大量研發(fā)工作，并取得了重大進(jìn)展。

因此，對(duì)于我國(guó)700℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)的候選材料選擇，應(yīng)該充分借鑒歐洲AD700項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，以現(xiàn)有成熟合金為主，同時(shí)開展改型合金的研究工作。

綜上所述，給出我國(guó)先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)的候選材料，如表1所示。

表1 先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)用材方案Table 1 Thematerial scheme for advanced ultra-super critical steam turbine

6.2 材料研發(fā)重點(diǎn)

由于鎳基高溫合金存在難以制造大型鑄鍛件、加工難度大、價(jià)值高等問題，還需進(jìn)行大量的研究工作，具體如下:

(1)重點(diǎn)進(jìn)行鎳基合金鑄鍛件的大型化研究

鎳基合金由于其導(dǎo)熱差、線膨脹系數(shù)大、變形抗力大、變形溫度區(qū)間窄等特點(diǎn)，很難制造汽輪機(jī)汽缸、轉(zhuǎn)子等大型鑄鍛件。因此應(yīng)重點(diǎn)研究鎳基合金大型鑄鍛件的冶煉、鑄造、鍛造等工藝性能。

(2)掌握大型鑄鍛件的同種和異種金屬焊接技術(shù)

由于采用鎳基合金很難制造10 t以上的汽缸、轉(zhuǎn)子等大型鑄鍛件，因此700℃超超臨界汽輪機(jī)的汽缸和轉(zhuǎn)子必然要采用焊接結(jié)構(gòu)，這樣就必須掌握鎳基合金之間及鎳基合金與12Cr鋼的焊接技術(shù)。

(3)開發(fā)使用溫度在600℃以上的新型12Cr鋼

700℃超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不可能采用鎳基合金整鍛轉(zhuǎn)子，必須采用鎳基合金與12Cr鋼的焊接結(jié)構(gòu)。雖然目前我國(guó)實(shí)現(xiàn)了600℃等級(jí)12Cr鋼的國(guó)產(chǎn)化研制，但是如果700℃超超臨界汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子用12Cr鋼的工作溫度在600℃以上，那么還必須開發(fā)使用溫度在600℃以上的新型12Cr鋼。

(4)解決葉片精鍛問題

由于鎳基合金的價(jià)值很高，加工難度很大，對(duì)于700℃超超臨界汽輪機(jī)用葉片應(yīng)采用精密鍛造技術(shù)。近年來，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)和專家學(xué)者對(duì)葉片精鍛工藝和葉片的檢測(cè)技術(shù)作了深入的研究，并取得了許多成果。但是，由于我國(guó)葉片精鍛技術(shù)起步晚，工藝不完善，設(shè)備落后，鍛造余量和公差仍然較大，與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍存在很大的差距。因此，應(yīng)解決700℃超超臨界汽輪機(jī)葉片精鍛問題。

(5)解決葉片固體粒子侵蝕問題

許多電站都遇到汽輪機(jī)葉片被固體粒子侵蝕的問題。對(duì)于超超臨界汽輪機(jī)，葉片的固體粒子侵蝕問題尤為嚴(yán)重，因此有必要對(duì)葉片的防固體粒子侵蝕涂層進(jìn)行研究，解決700℃超超臨界汽輪機(jī)葉片固體粒子侵蝕問題。

7 結(jié)束語

傳統(tǒng)及各種新型的9～12Cr鋼已不能滿足700℃及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)零部件用材的要求，而傳統(tǒng)的奧氏體鋼由于其導(dǎo)熱性差、熱膨脹系數(shù)高，無法制造汽輪機(jī)要求的厚壁部件，因此700℃超超臨界汽輪機(jī)必須采用新型奧氏體鋼和鎳基高溫合金。目前，解決700℃及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)用高溫合金材料問題主要有三種技術(shù)路線:(1)開發(fā)新型合金;(2)對(duì)現(xiàn)有合金進(jìn)行改進(jìn);(3)使用現(xiàn)有合金材料。

日本主要采取第一種技術(shù)路線，開發(fā)了很多新型合金，并進(jìn)行了大量卓有成效的研發(fā)工作。有些合金，比如LTES700等，已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)。美國(guó)根據(jù)其煤炭資源的情況制定了760℃等級(jí)的超超臨界技術(shù)。為了滿足如此高蒸汽參數(shù)的要求，美國(guó)在開發(fā)新型合金的同時(shí)，也對(duì)現(xiàn)有合金進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。歐洲主要以現(xiàn)有合金為主，已經(jīng)采用現(xiàn)有合金成功制造出了大型鑄鍛件，并進(jìn)行了詳細(xì)的性能、組織和無損檢測(cè)檢驗(yàn)，結(jié)果表明產(chǎn)品質(zhì)量良好。

因此，對(duì)于我國(guó)700℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)材料的研發(fā)，應(yīng)充分借鑒歐洲AD700項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，在選材上以現(xiàn)有高溫合金材料為主，研究重點(diǎn)放在大型鑄鍛件的工藝性能研究上，比如鑄造、鍛造、焊接等工藝性能以及解決葉片的精密鍛造技術(shù)、固體顆粒沖蝕等問題。與此同時(shí)，在保持現(xiàn)有合金高溫性能的前提下，以改善材料的工藝性能為目的對(duì)現(xiàn)有高溫合金材料進(jìn)行改進(jìn)，保證我國(guó)700℃超超臨界示范電廠的順利建設(shè)。

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編輯 杜青泉

Discussion on the Materials of 700℃ Class Ultra-super Critical Steam Turbine

Peng Jianqiang

By combining domestic and international advanced research data of materials for ultra-super critical steam turbine，this paper provides the candidatematerials as well as research and development focus ofmaterial technology in China for 700℃ class steam turbine.

700℃ class ultra-super critical steam turbine;material;endurance strength

TG132.2+2

A

2013—04—22