王天剑 范 华 张邦强 巩秀芳 张 波

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

0 前言

目前世界上成功投入商业运行的超超临界燃煤发电机组的蒸汽进汽温度在600℃左右。随着世界各国加大对提高能源利用率以及对降低污染排放的要求，提高燃煤发电机组的效率成为其中最重要的途径之一。在所有提高燃煤发电机组的效率的方法中，提高蒸汽的进汽初温无疑是最有效的方法之一。但蒸汽初温的提高，对材料的蠕变、疲劳、高温氧化与腐蚀等性能都提出了更加苛刻的要求。国外的研究计划对材料的研发无疑是非常重视的，都将材料研发作为整个700℃燃煤发电技术的最开始也是最关键的第一步。目前最新的研究成果报道，商业化的9%～12%Cr耐热钢的最高使用温度能够达到620℃左右，对于更加先进的、更高温度的700℃及以上等级的超超临界汽轮机高温部件，必须使用镍基高温合金。本文对世界上正在进行的700℃先进燃煤发电机组研究计划中汽轮机关键部件使用镍基高温合金进行了简要的介绍。

1 国外700℃先进超超临界燃煤发电研究计划

欧洲、美国关于700℃等级超超临界燃煤发电机组的研发工作早在上世纪90年代中期就相继启动了相关的大型项目，如欧洲的AD700计划，目标：38MPa/700℃/720℃。美国的A-USC计划，目标38.5MPa/760℃/760℃。日本最初是进行650℃等级机组的研发，后来终止，于2008年也开始进行700℃等级燃煤发电机组的研发。

欧洲于1998年提出了最新的研究计划—AD700，发展新一代的火力发电机组来适应更高的蒸汽参数。AD700计划主要是通过镍基高温合金的应用，使蒸汽参数提高到700℃以上，发电效率提高到50%以上，CO2的排放量降低15%，发电机组的功率在400MW～1000MW。汽轮机材料研究方面，AD700计划首先选择了一些具有应用前景的合金作为备选材料：alloy 155，230，263，617， 625， 706， 718， 901 以及 Waspaloy。采用铸造，锻造的方式将这些合金制备成试样，对这些材料进行全面的室温及高温力学性能测试，筛选出最合适的合金，再对这几种合金进行大型试样的铸造、焊接、锻造试验，制备模拟件，将制备的部件用于建立试验电站，最后商业化运行[1]。图1是AD700的计划时间表。从中可以看到，AD700计划目前已经进行到了试验电站建设的最后阶段。

图1 欧洲AD700计划时间简表

1999年，美国能源部 （DOE）启动了 “Vision 21”计划。该计划通过发展先进的技术使原料（煤，天然气，石油等）转换成电能达到很高的效率并且实现接近零排放。“Vision 21”计划中包括38.5MPa，760℃/760℃/760℃超超临界机组研究项目。研究的第一阶段从2001年6月到2006年12月，包括8个方面： （1）初步设计和经济分析。研究了在提高蒸汽参数，使用新材料以后，机组的效率、成本同传统机组比较。（2）先进合金的力学性能分析。研究了六种不同的合金：一种铁素体合金SAVE12，两种奥氏体合金Super 304H、HR6W，三种镍基合金 Haynes 230、CCA617、In740。（3）合金抗氧化性能研究。在研究的六种合金中，镍基合金CCA617，Haynes263，Inco740具有较高的抗氧化性能。（4）抗腐蚀性能。模拟了机组运行状态下腐蚀环境，测试材料在这种环境下运行时的抗氧化性能。（5）焊接性能。研究了采用不同的焊接方法，如埋弧焊 (SAW)、气体保护金属极电弧焊 (GMAW)、气体保护钨极电弧焊 (GTAW)、自动保护金属极电弧焊 (SMAW)，研究发现，Haynes 230、In740适用于 GMAW，Super 304H、CCA617能用于GTAW。（6）加工成形性。主要研究了将合金加工成不同变形量的U型管。（7）表面处理。研究了不同的表面处理方法：喷镀，喷涂 （冷喷涂、高速火焰喷涂），镀铬，镀铬-硅，镀铬-铝。（8）零部件设计规则制定。在前期研究数据的基础上，进行零部件的设计工作，并制定设计规则[2]。

“Vision 21”计划同目前欧洲正在进行的“AD700”计划相比，有以下几个不同的地方：（1）蒸汽参数更高，达到了760℃，因此机组的效率更高，对材料的要求也就更加的严格。（2）欧洲和美国在使用原料不同，欧洲的机组基本上使用的是低硫碳，而美国机组使用的煤炭对含硫量没有特定的要求，选择的范围较广，因此，要求机组材料能够适应各种含硫量的煤炭。（3）机组设计和运行参数不同，AD700研究出来的合金不能直接用于美国，在 “Vision 21”计划中将进行重新的评估。

由于在资源方面的匮乏，日本在先进发电机组方面投入了大量的人力和物力。日本对于材料的基础性研究非常的重视，除系统、细致地研究合金元素、杂质元素、脱氧方法、热处理等对耐热钢的性能影响外，还耗巨资进行长时间蠕变试验研究。日本关于超超临界机组的研发，最初的温度等级设定在650℃，但在2008年，日本对机组的参数进行了提高，也上升到了700℃等级。图2是日本700℃先进超超临界燃煤发电机组研究计划简图，日本计划从2008年开始，用8年的时间，完成一个小型试验电站的建设[3]。

图2 日本700℃先进超超临界机组研发计划简图

2 汽轮机中关键部件用材

700℃先进超超临界汽轮机技术的实现，难度远大于从566℃等级的超临界向600℃等级的超超临界机组的跨越。国内外研究表明，新12%Cr耐热钢的使用温度不能超过630℃，700℃先进超超临界汽轮机的研制成功关键在于开发新型耐高温材料。

2.1 高中压转子

对于汽轮机中最重要部件之一的高中压转子，国外的研究计划中均考虑采用镍基高温合金。若采用整锻镍基高温合金转子，无论从镍基高温合金的铸锻造工艺考虑，还是从机组的经济性考虑，都是不适合以及无法实现的。目前国外最新的研究表明，700℃等级超超临界汽轮机高压和中压转子均采用焊接转子，高温段部分采用镍基高温合金，中温段部分采用新型的10%Cr耐热钢，采用镍基合金焊料进行焊接。

欧洲 AD700计划中，采用 IN617，IN625，IN718，Nimonic263四种镍基高温合金作为转子的候选材料。IN617为固溶强化镍基Ni-Cr-Co-Mo高温合金，具有良好的高温强度和优异的抗氧化性能，该合金能够在较大范围的腐蚀环境下使用。该合金还具有一个优点，就是其热膨胀系数较低，低于其他大多数的奥氏体合金。同时，IN617合金还具有优异的加工，特别是其具有优异的焊接性能，非常适合于作为700℃先进超超临界汽轮机高中压焊接转子。IN625为Ni-Cr固溶强化镍基高温合金，其采用Mo、Nb元素进行强化，使其具有优异的高温强度，该合金也能够在较大范围的腐蚀环境下使用，具有优异的抗氧化性能。同时，IN625合金也具有非常优异的焊接性能，其使用温度能够达到980℃。该合金在航空、核电领域都有着非常广泛的应用。

IN718是以Ni为基体，在合金中加入铝，钛以形成金属间化合物进行γ′(Ni3Al/Ti)相沉淀强化。这样就使得该合金具有高温强度高，高温稳定性好，抗氧化性好，热疲劳性能及冲击韧性优异等特点，同时，该合金具有优异的加工性能和焊接性能。Nimonic263合金是英国Rolls-Royce公司于1972年研制出来的一种Ni-Co-Cr镍基高温合金，目前其主要用于燃气轮机，其具有Nimonic75优异的塑性和加工性能，同时还具有Nimonic80A合金优异的抗蠕变性能。

AD700计划中四种材料的名义化学成分如表1所示。典型的热处理工艺如表2所示。

表1 欧洲AD700计划中转子候选材料的名义化学成分 （%）

表2 欧洲AD700计划中转子候选材料的热处理工艺

在欧洲AD700计划中，成功试制了直径达到700mm的IN617和IN625合金高压转子试验件，同时，详细研究了该合金的热处理工艺，并对该试验件进行了详细的解剖试验，包括材料的力学性能，长时蠕变持久性能等等。表3是四种合金经过热处理后的典型拉伸性能数据。在此基础上，还成功试制了直径达到1.5m的中压转子试验件。对于IN718和N263两种合金，采用模锻的方式制造了试验轮盘并进行了详细的解剖试验[4]。

表3 四种合金经热处理后的典型拉伸性能数据

美国的A-USC计划同欧洲的AD700计划相比，温度达到了760℃，因此，美国对高中压焊接转子用镍基高温合金有不同的选择。美国的待选材料有 5种，分别是 Nimonic105，Haynes282，Udimet720Li，IN740，Waspaloy。目前，主要是对Nimonic105，Haynes282，Udimet720Li这三种合金进行包括蠕变持久、疲劳在内的性能测试和评估。目前持久试验已经做到了12000小时以上。同时，对5种合金进行了10万小时和25万小时的持久强度外推。结果见表4所示。图3是5种材料的持久强度对比图。从表中得出，只有Nimonic105，Haynes282和Waspaloy三种合金满足760℃、10万小时持久强度大于100MPa。

表4 美国A-USC计划中5种待选转子镍基高温合金的长时外推持久强度数据

图3 美国A-USC计划中5种待选转子镍基高温合金持久强度对比

同欧洲和美国相比，日本在700℃先进超超临界转子材料方面的研究进展较快。日本三家主要的汽轮机制造公司分别进行了转子材料的研究。三菱公司研发的材料是低膨胀系数合金LTES700R，该合金的热膨胀系数同12Cr钢相似，其原型LTES700最初是用于小零部件，如螺栓，经合金成分改型后，用于转子材料[5]。TOS1X合金是东芝公司在Alloy617合金的基础上改进而来，其在700℃、100000小时的持久断裂强度期望值在150MPa左右，东芝公司目前已经成功制造了直径1000mm，重量为7吨的锻件[3]。FENIX-700合金是日立公司在Alloy706合金的基础上改进而来，目前，日立公司已经完成了该合金30000小时的持久试验，该合金在700℃，100000小时的持久断裂强度期望值也在100MPa以上[7]。

2.2 汽缸及阀壳

汽缸及阀壳铸件材料必须具有一定的高温强度、组织稳定性、优异的持久—蠕变性能、高温抗氧化性能、较好的焊接性能、铸造性能、耐磨性能和耐冲蚀性能等。

对于700℃等级先进超超临界汽轮机，高温铸件的候选材料有：CF8C-Plus，IN617，IN625。CF8C-Plus是由美国 ORNL和Capterpillar在CF8C基础上开发出一个新类型钢，其具有比NF709和Super304H更好的蠕变强度。其蠕变强度接近于镍基高温合金617。图4是该合金持久强度外推结果。CF8C-Plus钢采用 “微观结构设计”的方法研制开发，使得其具有稳定的奥氏体相。CF8CPlus钢良好的高温蠕变强度来自于晶粒内弥散分布纳米尺度的NbC。虽然该钢具有高的强度，但由于其不含有σ相或者其他的脆化析出相，所以具有高的蠕变断裂韧性。CF8C-Plus钢还具有优秀的抗疲劳和热疲劳性能。其毛坯铸件，不需任何附加热处理，就拥有如上所述的良好性能，这是使用CF8C-Plus钢铸造大型铸件的一大优点[7]。

在欧洲AD700计划中，主要是针对IN617和IN625这两种材料作为大型铸件材料的研究。图5是采用IN617合金铸造的并经喷丸处理后的阀壳实物。

图4 CF8C-PLUS材料的持久强度外推值

图5 采用IN617合金铸造的阀壳

对于温度更高的760℃等级超超临界汽轮机用铸件，目前的研究主要是采用CCA617和IN740这两种合金。CCA617（chemistry-controlled variant of alloy）合金是IN617的改进型，相对于IN617，CCA617的特点就是对合金化学成分要求范围控制更加严格，提高了合金的综合性能，使其适用于更高的使用温度。表5是CCA617合金化学成分同IN617合金的对比情况[8]。图6是CCA617合金同IN617合金蠕变性能的对比图，从图6中可以明显看出，通过合金成分控制后，蠕变性能有明显的提高。IN740合金是最近才新研制出的一种镍基高温合金，它是在Nimonic263的基础上改进而来，主要采用γ′相和碳化物相进行强化[9]。

表5 CCA617合金化学成分同IN617合金对比 （%）

2.3 高温叶片和螺栓

作为汽轮机中最重要部件之一的叶片，特别是高温段叶片，在运行过程中需要承受极其恶劣的工况。紧固件则需要很高的强度和高温应力松弛性能、蠕变性能。从国外的研究资料表明，只有使用镍基高温合金，才能满足700℃等级机组对高温段叶片和紧固件对材料性能的要求。

对于叶片材料，国外发达国家的研究计划倾向于采用目前已经广泛在低级别燃气轮机、烟气轮机中使用的镍基高合金，如AD700计划中使用的Waspaloy，Nimonic105；对于紧固件材料，计划使用 Nimonic105，IN740，Waspaloy，IN718等牌号的合金作为备选材料。Waspaloy合金是美国Pratt Whitney公司20世纪50年代发展起来的γ′相沉淀硬化型镍基高温合金，该合金在760℃以下具有高的拉伸和持久强度，在870℃以下具有良好的抗氧化性能，其最大的优点是具有良好的强韧化匹配，即在高强度的条件下又具有足够的韧性[10]。目前，该合金广泛应用于航空发动机和动力机械中涡轮盘和涡轮叶片的制造。

Nimonic105合金为高合金化的时效强化型镍基变形高温合金，具有较高的强度，但热加工性能和焊接性能较差，主要用于制造航空发动机涡轮叶片，高温螺栓等高温零部件。工作温度能够达到750℃～950℃，。IN718合金是以体心立方的γ′相沉淀强化的镍基高温合金，在-253℃～700℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳性、抗氧化、腐蚀性能以及良好的加工性能和长时组织稳定性，同时，该合金的组织对热加工工艺特别敏感，掌握合金中相析出和溶解规律及组织与工艺、性能之间的关系，可针对不同的使用要求制定合理、可行的工艺规程，就能获得可满足不同强度级别和使用要求的各种零件。

3 我国700℃超超临界汽轮机材料研究及东汽选材

我国发展超超临界机组的时间较欧美和日本等先进发达国家较晚，但是发展速度非常快。目前，我国的超超临界机组的蒸汽参数已经达到了600℃，同时，已有30多台超超临界机组投入商业运行，成为在运超超临界机组最多的国家。但是，我国600℃超超临界机组的研发无一例外都是同欧美或者日本的公司如西门子、日立等合作实现的，并未完全实现国产化，一方面的主要原因还是材料的研究不够。根据国家的最新政策，700℃等级燃煤发电机组的研发已经提上日程，要在 “十二五”计划的末期具备建造试验电站的能力。这对于汽轮机行业来讲，是一个重要的契机。根据欧美和日本的研究计划，材料研究均是放在最重要的第一阶段。虽然我国的700℃计划同发达国家相比，时间上落后较多，但是，国内的高校、研究所、发电设备企业等，都已经开展了700℃超超临界汽轮机用材料的研究工作，因此，我们可以高起点开展工作，较短的时间内完成。

公司在已有资料的基础上，主要筛选了IN617，IN740，Haynes282， Waspaloy， Nimonic105 等几种高温合金作为候选材料进行全面的性能研究。IN617等主要作为大型锻件用试验材料，进行合金成分的改进及全面的力学性能试验，并进行模拟件的试制和异种金属的焊接试验。Waspaloy合金等作为中小件如叶片、螺栓、阀杆的候选材料，这种材料有在燃气轮机或者烟气轮机中长期使用的经验，同时还积累了大量的可借鉴的数据，其作为烟气轮机动叶片已经有20多年的使用经验。对于大型的铸件，主要考虑采用IN740合金作为候选材料。

4 结语

700℃等级先进超超临界燃煤发电技术是一种前景广阔的洁净发电技术，对于提高机组效率，降低温室气体排放，都具有重要的现实意义。蒸汽参数的提高对汽轮机转子、汽缸、叶片等的性能提出了新的要求，其高温部件材料只能采用镍基高温合金。我国关于700℃先进超超临界燃煤发电机组的研究目前处于起步阶段，就我国以煤炭资源为主的能源结构而言，700℃机组具有非常广阔的应用前景，在所有的相关研究中，材料研究将是其中最关键也是最开始的一步。

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