700℃以上超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子用材研究

彭建強(qiáng)

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

眾所周知，煤在發(fā)電廠中扮演著極其重要的角色，降低CO2排放的工作必然包括尋找煤的更清潔的使用方法。在燃燒前或燃燒后去除碳的成本非常高，會(huì)大大降低燃煤發(fā)電廠的競(jìng)爭(zhēng)力。如果總循環(huán)的效率提高，那么單位發(fā)電量所消耗的CO2就會(huì)降低。

由于大容量、高效率超超臨界機(jī)組是目前火力發(fā)電設(shè)備的最佳選擇，歐洲、日本和美國(guó)等都對(duì)超超臨界技術(shù)進(jìn)行了大量細(xì)致的研發(fā)工作。目前，正在進(jìn)行的700℃以上先進(jìn)超超臨界機(jī)組的研發(fā)項(xiàng)目包括歐洲的Thermie AD700項(xiàng)目、美國(guó)的“Vision21”項(xiàng)目和日本的“New Sunshine”項(xiàng)目等。在這些項(xiàng)目中，主蒸汽和再熱蒸汽溫度將提高到700℃或更高的溫度，相應(yīng)的壓力將從目前的30 MPa左右提高到35 MPa～40 MPa，機(jī)組的供電效率可達(dá)到50%～55%。

我國(guó)也正在制定相應(yīng)的高參數(shù)先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)研發(fā)計(jì)劃，2010年7月國(guó)家能源局舉行了“國(guó)家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)聯(lián)盟”啟動(dòng)儀式，依托我國(guó)的能源、電力、設(shè)備制造和冶金行業(yè)及科研院所、高等院校等，正式組建和啟動(dòng)了國(guó)家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟[1]。

高中壓轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)的核心部件，需要承受高溫、高應(yīng)力、蒸汽氧化腐蝕等嚴(yán)苛的工況條件。

目前，燃煤超超臨界電廠的高中壓汽輪機(jī)的進(jìn)汽溫度已經(jīng)接近或略微超過600℃。使用最近開發(fā)的鐵素體鋼作為高中壓轉(zhuǎn)子可以使汽輪機(jī)的進(jìn)汽溫度提高到620℃，也就是這些新型9～12Cr鐵素體鋼的使用溫度的極限。汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)進(jìn)一步提高，需要使用高溫合金作為高中壓轉(zhuǎn)子材料。世界各國(guó)正在進(jìn)行700℃以上超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子用高溫合金材料的研究工作，以滿足建造蒸汽溫度在700℃以上的示范電廠的需要。

從世界各國(guó)的研究工作可以看出，700℃以上汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子材料主要需解決三方面問題：(1)降低材料的熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，CTE)，避免轉(zhuǎn)子發(fā)生疲勞損傷；(2)提高材料的冶煉、鍛造等熱加工性能，實(shí)現(xiàn)大型鍛件的制造；(3)解決材料的組織穩(wěn)定性問題，避免轉(zhuǎn)子長(zhǎng)時(shí)高溫運(yùn)行后性能劣化。本文綜合國(guó)外700℃以上汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子材料研究情況，對(duì)上述三個(gè)問題進(jìn)行論述，并結(jié)合我國(guó)高溫合金材料的發(fā)展水平，給出我國(guó)700℃以上超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子用材建議。

1 國(guó)外700℃以上汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子研究情況

1.1 歐洲

在歐洲的Thermie AD700項(xiàng)目中，700℃以上高中壓轉(zhuǎn)子候選材料主要以現(xiàn)有高溫合金為主，比如固溶強(qiáng)化合金IN617、IN625，有大型輪盤制造經(jīng)驗(yàn)的IN718合金，高溫持久性能優(yōu)良的時(shí)效強(qiáng)化合金263等。歐洲已經(jīng)對(duì)這四種合金進(jìn)行深入而全面的實(shí)驗(yàn)室性能試驗(yàn)和全尺寸試驗(yàn)轉(zhuǎn)子試制及解剖分析工作，部分性能數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 歐洲AD700項(xiàng)目中高中壓候選轉(zhuǎn)子鍛件的性能數(shù)據(jù)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)[2]Table 1 The performance data of HP and MP candidate rotor forging in Europe AD700 project (mass fraction,%)

歐洲還通過對(duì)現(xiàn)有合金進(jìn)行改進(jìn)，給出了700℃超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子候選材料，比如以具有大型輪盤應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的IN706合金為基礎(chǔ)開發(fā)出的DT706合金，以持久性能優(yōu)異的Waspaloy合金為基礎(chǔ)開發(fā)出的DT750合金等。

1.2 日本

日本主要汽輪機(jī)制造商為了發(fā)展700℃及以上高中壓轉(zhuǎn)子材料，開發(fā)出了多種新型合金，比如FENIX-700、LTES700R、TOS1X、USC141、USC800等合金。

FENIX-700是日立公司以706合金為基礎(chǔ)開發(fā)出的700℃高中壓轉(zhuǎn)子材料。合金在700℃具有很好的長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性，預(yù)計(jì)700℃、105h持久強(qiáng)度超過100 MPa，如圖1所示。

USC141和USC800也是日立公司開發(fā)的低膨脹系數(shù)、高參數(shù)超超臨界高中壓轉(zhuǎn)子候選材料，使用溫度分別在700℃和750℃以上。

TOS1X是東芝公司以617合金為基礎(chǔ)開發(fā)出的新型合金，預(yù)計(jì)700℃、105h持久強(qiáng)度約為150 MPa，如圖2所示。已經(jīng)成功制造出直徑1 000 mm、重7 t的鍛件。

LTES700R是三菱公司開發(fā)的一種低膨脹系數(shù)合金，熱膨脹系數(shù)與12Cr鋼近似。最初，LTES700是為小部件開發(fā)的，比如汽缸螺栓等。LTES700R是在LTES700基礎(chǔ)上為大型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件開發(fā)的材料。

圖1 FENIX-700合金的持久強(qiáng)度[3]Figure 1 Endurance strength of FENIX-700 alloy

圖2 TOS1X合金的持久強(qiáng)度[3]Figure 2 Endurance strength of TOS1X alloy

2 制造700℃以上高中壓轉(zhuǎn)子需要解決的主要問題

2.1 降低材料的熱膨脹系數(shù)

眾所周知，歐美在20世紀(jì)50年代就開始制造蒸汽溫度在600℃以上的超超臨界汽輪機(jī)機(jī)組。然而，由于當(dāng)時(shí)的超超臨界機(jī)組為了滿足零部件對(duì)高溫性能的要求使用了大量奧氏體材料，奧氏體材料存在熱膨脹系數(shù)高、導(dǎo)熱性差的問題，很容易使厚壁部件產(chǎn)生熱疲勞損傷。因此，當(dāng)時(shí)的超超臨界機(jī)組由于零部件發(fā)生熱疲勞損傷而發(fā)生了多起事故，導(dǎo)致機(jī)組不得不降低參數(shù)運(yùn)行。

日本自20世紀(jì)80年代開始投入大量科研力量對(duì)熱膨脹系數(shù)較低的9～12Cr鐵素體耐熱鋼進(jìn)行了深入的研究，開發(fā)出了一系列高溫性能優(yōu)異的9～12Cr鐵素體耐熱鋼，使其使用溫度高達(dá)620℃，也就是這類鋼的使用溫度極限，解決了620℃以下超超臨界汽輪機(jī)組用材問題。這也使得日本在超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位，目前最高參數(shù)的超超臨界汽輪機(jī)機(jī)組均為日本制造，比如德國(guó)的Walsum-10機(jī)組(參數(shù)為29 MPa/600℃/620℃)和日本新磯子2#機(jī)組(參數(shù)為25MPa/600℃/620℃)。

然而，對(duì)于蒸汽溫度在700℃以上的先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子，9～12Cr鐵素體耐熱鋼的高溫性能已經(jīng)不能滿足使用要求，而必須使用高溫性能更高的鎳基高溫合金材料。傳統(tǒng)的鎳基高溫合金材料均為奧氏體組織，也存在熱膨脹系數(shù)高、導(dǎo)熱性差的問題。因此，為了滿足蒸汽溫度在700℃以上的先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子的用材要求，必須在保持優(yōu)異高溫性能的同時(shí)解決鎳基合金的高熱膨脹系數(shù)問題。

Ryuichi Yamamoto等人[4]指出可以采用以下公式預(yù)測(cè)合金的熱膨脹系數(shù)：

CTE=13.873 2 + 7.276 4×10-2×Cr + 3.751×10-2×(Ta+1.95Nb) + 1.977 4×10-2×Co + 7.3×10-5×Co×Co - 1.835×10-2×Al - 7.953 2×10-2×W - 8.238 5×10-2×Mo -1.633 81×10-1×Ti

(1)

從公式(1)可以看出，W和Mo對(duì)降低合金的熱膨脹系數(shù)同樣有效。然而，含有較多的W會(huì)由于生成α-W相降低合金的塑性，進(jìn)而影響合金的可鍛性。而對(duì)于高中壓轉(zhuǎn)子來說，可鍛性是非常重要的性能。日本三菱公司的科研人員綜合考慮W、Mo含量、Al/Ti比等因素對(duì)合金的室溫和高溫拉伸性能、高溫持久性能、組織穩(wěn)定性等的影響，開發(fā)出一種高溫持久性能優(yōu)異的低膨脹鎳基合金LTES700R。

圖3是LTES700R的熱膨脹系數(shù)與其他合金的比較。從圖3可以看出，LTES700R的平均熱膨脹系數(shù)低于合金鋼2.25Cr，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)高溫合金R26。

圖4是LTES700R合金的持久強(qiáng)度曲線。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。先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料的持久強(qiáng)度目標(biāo)是：700℃、105h持久強(qiáng)度大于98 MPa。

圖3 LTES700R的熱膨脹系數(shù)與其他合金的比較[5]Figure 3 Comparison between the thermal expansion coefficient of LTES700R and that of other alloy

圖4 LTES700R和先進(jìn)12Cr鋼(MTR10A)的持久強(qiáng)度[5]Figure 4 Endurance strength of LTES700R and advanced 12%Cr steel (MTR10 A)

傳統(tǒng)高溫合金252含有10%Mo，因此其熱膨脹系數(shù)非常低，接近鐵素體鋼。然而，合金252含有10%非常昂貴的Co元素，而且其持久塑性也不夠高。因此，日本日立公司的科研人員在合金252的基礎(chǔ)上，通過研究Mo含量、γ'相含量、γ'相中Al/Ti比等因素對(duì)合金熱膨脹系數(shù)(見圖5)、拉伸性能和蠕變持久強(qiáng)度的影響，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，如圖6所示。USC141合金除了可作為超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子外，還可用作葉片、噴嘴、螺栓等零部件。

2.2 提高材料的熱加工性能

由于高溫合金材料含有的合金元素多，冶煉大型錠時(shí)，元素很容易偏析，而且其所含的強(qiáng)化相(如γ'相)顯著提高了鍛造溫度和變形抗力。采用高溫合金材料很難制造出大型鍛件。然而，汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子重達(dá)40 t以上，即使采用焊接結(jié)構(gòu)，僅在進(jìn)汽段采用高溫合金材料，也要求鍛件重量在10 t以上。因此，必須解決大型高溫合金鍛件面臨的偏析、可鍛性差等問題。

圖5 Mo含量、γ'相含量、γ'相中Al/Ti比等因素對(duì)合金熱膨脹系數(shù)的影響[6]Figure 5 The influence of Mo content, γ'phase content and Al/Ti ofγ'phase on the thermal expansion coefficient of alloy

圖6 USC141和其他合金的持久強(qiáng)度(L-M參數(shù)法)[6]Figure 6 Endurance strength of USC141 and other alloy (L-M parametric method)

圖7 FEXIX-700合金重熔過程中εR1.1 的變化[8]Figure 7 Changes of FEXIX-700 alloy in remelting process

目前，有兩種解決辦法：改進(jìn)現(xiàn)有合金和開發(fā)新合金。

2.2.1 改進(jìn)現(xiàn)有合金

日立公司在IN706合金的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整化學(xué)成分(降低Nb含量、提高Al含量)與合金錠的凝固速度，開發(fā)出一種新型合金FENIX-700，解決了宏觀偏析問題。FEXIX-700在重熔過程中εR1.1的變化如圖7所示。采用FENIX-700可以制造?850 mm的合金錠而不發(fā)生宏觀偏析。

2.2.2 開發(fā)新型合金

傳統(tǒng)高γ'相強(qiáng)化的鎳基高溫合金中，γ'相含量與其溶解溫度的關(guān)系見圖8。很明顯，合金中γ'相含量與其固溶溫度呈正比關(guān)系。合金的固溶溫度越高，高溫強(qiáng)度就越高。但是，合金的可鍛性越來越差。合金的鍛造通常在γ'相溶解的條件下進(jìn)行，也就是說合金只能在γ'相固溶溫度以上鍛造。對(duì)于大型鍛件，將鍛造溫度提高到1 000℃以上是很困難的。

圖9是Ni-Co-Cr-Al-W合金中以Ti代Al對(duì)不同溫度下γ'相含量的影響。很明顯，在高溫下，γ'相含量隨Ti含量增加而提高，而在低溫下，γ'相含量基本不隨Ti含量變化。沉淀強(qiáng)化合金主要依靠γ'相的數(shù)量。Ti只有在900℃以上的高溫下才有穩(wěn)定γ'相的作用，而在900℃以下Ti對(duì)穩(wěn)定γ'相的作用很小。Ta和Nb對(duì)γ'相的作用一樣。γ'相溶解溫度越高，合金的可鍛性越差。因此，為了兼顧高溫性能和可鍛性，在鎳基合金中不應(yīng)添加Ti、Ta、Nb等元素。

基于上述研究，日本開發(fā)出一種新型的高溫合金材料Ni-23Co-18Cr-8W-4Al，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。

圖8 傳統(tǒng)鎳基高溫合金中γ'相含量與其溶解溫度的關(guān)系[9]Figure 8 Relationship between theγ' phase content of traditional high temperature nickel base alloy and its melting temperature

圖9 高溫下以Ti代Al對(duì)γ'相含量的影響[9]Figure 9 The influence of Ti replacing Al onγ' phase content

圖10 USC800合金的LM持久曲線[10]Figure 10 LM endurance curve of USC800 alloy

圖10是USC800合金的LM持久曲線。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[10]。

圖11 Inconel 740合金的持久強(qiáng)度[13]Figure 11 Endurance strength of Inconel 740 alloy

2.3 解決組織穩(wěn)定性問題

如前所述，IN706合金具有大型輪盤制造和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可以作為大型轉(zhuǎn)子鍛件的候選材料。但是，IN706合金在700℃長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)析出有害相[11]，導(dǎo)致性能顯著劣化。日本日立公司采用CALPHAD方法[12]和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)IN706合金的化學(xué)成分進(jìn)行了改進(jìn)，解決了合金在700℃長(zhǎng)期運(yùn)行析出有害相的問題，并通過650℃、700℃和750℃的時(shí)效試驗(yàn)對(duì)新合金的組織穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。最長(zhǎng)時(shí)效試驗(yàn)時(shí)間達(dá)10 000 h[8]。

Inconel 740合金是美國(guó)特種金屬公司(SMC)在上世紀(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℃的105h持久強(qiáng)度不小于100 MPa。圖11是AD700項(xiàng)目中測(cè)定的Inconel 740合金的持久性能曲線[13]。利用L-M參數(shù)法可以推測(cè)出合金在700～750℃的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。[14]

圖12是IN740H合金的持久強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。圖中顯示其持久性能與IN740合金沒有明顯區(qū)別。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。

表2 IN740H合金的持久性能[14]Table 2 Endurance property of IN740H alloy

圖12 IN740H合金的持久性能[14]Figure 12 Endurance property of IN740H alloy

IN740H合金長(zhǎng)期時(shí)效沖擊性能如表2所示。可以看出，與原740合金相比，740H的沖擊性能得到改善。一方面，標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)時(shí)，740H合金的沖擊功比740明顯提高；另一方面，高溫時(shí)效后，原740合金沖擊功下降幅度較大，而740H合金的沖擊功下降幅度小，其絕對(duì)值是740合金的近3倍，這主要得益于成分調(diào)整抑制了晶界處因γ'向η的轉(zhuǎn)變而造成的晶界弱化。

3 結(jié)束語(yǔ)

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)高中壓轉(zhuǎn)子的用材要求，而傳統(tǒng)的奧氏體鋼由于導(dǎo)熱性差、熱膨脹系數(shù)高，無法制造汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子。因此，700℃及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子必須采用鎳基高溫合金。從世界各國(guó)的研究工作可以看出，700℃以上汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子材料主要需解決三方面問題：(1)降低材料的熱膨脹系數(shù)，避免轉(zhuǎn)子發(fā)生疲勞損傷；(2)提高材料的可鍛性，實(shí)現(xiàn)大型鍛件的制造；(3)解決材料的組織穩(wěn)定性問題，避免轉(zhuǎn)子長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行后性能劣化。歐洲、日本、美國(guó)等通過對(duì)現(xiàn)有合金進(jìn)行改進(jìn)或開發(fā)新型合金解決了上述三個(gè)問題。

經(jīng)過五十多年的發(fā)展，我國(guó)雖然擁有獨(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)在超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子用高溫合金材料方面的研發(fā)才剛剛起步。國(guó)內(nèi)的重機(jī)廠才開始進(jìn)行大型鑄鍛件用高溫合金材料的小爐試驗(yàn)。因此，對(duì)于我國(guó)700℃超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子材料的研發(fā)，應(yīng)該充分借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，在選材上以現(xiàn)有高溫合金材料為主，工作重點(diǎn)為大型轉(zhuǎn)子鍛件的工藝性能研究(比如鑄造、鍛造、焊接等)及高溫長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的組織穩(wěn)定性研究。在保持現(xiàn)有合金高溫性能的前提下，對(duì)現(xiàn)有高溫合金材料進(jìn)行改進(jìn)，以改善材料的工藝性能和高溫組織穩(wěn)定性，保證我國(guó)700℃超超臨界示范電廠的順利建設(shè)。

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