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第 50 卷 第 2 期
2 0 1 5 年 2 月
Vol.50,No.2,p54-60,69
February 2015
钢 铁
Iron and Steel
700℃汽轮机转子用耐热合金的研究进展
田仲良, 包汉生, 何西扣, 刘正东(钢铁研究总院特殊钢研究所,北京 100081)
摘 要:700 ℃超超临界电站用高中压转子是汽轮机中的核心部件,高中压汽轮机转子材料的选择是当前的研究热
点。新型铁素体系和奥氏体系耐热钢的研发促进了600 ℃超超临界火力发电机组的建设,而铁素体系和奥氏体系耐
热钢已经不适用于700 ℃超超临界电站中高温部件的制造,必须考虑采用镍基耐热合金。文章着重分析了700 ℃超
超临界汽轮机转子用耐热合金的技术特点,介绍了欧洲、美国和日本在700 ℃超超临界汽轮机转子耐热合金的研发
和工业制造方面所取得的最新进展,讨论了中国700 ℃超超临界汽轮机转子耐热合金的发展趋势。
关键词:700 ℃超超临界机组;耐热合金;汽轮机转子
文献标志码:A 文章编号:0449-749X(2015)02-0054-07
Research development on the heat resistant alloy
used for 700℃ USC turbine rotorTIAN Zhong-liang, BAO Han-sheng, HE Xi-kou, LIU Zheng-dong
(Institute for Special Steels,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China)
Abstract:The high pressure and intermediate pressure turbine rotor are the core components of 700 ℃ USC power
plants. Many researchers are focusing on the candidates material used for HP and IP rotor. New developed ferritic and aus-
tenitic heat resistant steels promotes the construction of 600 ℃ USC power plants. But ferritic and austenitic steels can't be
used for high temperature components of 700 ℃ USC plants,and nickel based alloy must be considered. The technologi-
cal characteristics of heat resistant alloy used for 700 ℃ USC steam turbine rotor were introduced. The latest research re-
sults on material selection and commercial manufacture in Europe,America and Japan was reviewed. Moreover,the de-
velopment of heat resistant alloy for 700 ℃ USC turbine rotor in China was discussed.
Key words:700 ℃ ultra-supercritical unit; heat resistant alloy; turbine rotor
火力发电(特别是燃煤发电)在中国电力供应中
处于主导地位,燃煤发电无法避免CO2、SO2和 NOx
等污染物的排放。必须采用先进的发电技术降低煤
耗,减少排放,发展大容量超超临界火力发电机组是
有效途径之一。
700 ℃超超临界电站是当今最先进的燃煤火力
发电技术,它的煤耗为 223 g/(kW·h)(2013 年中国
火电平均煤耗为 314.5 g/(kW·h)[1]。按 2013年用电
量计算 [2],如果全部采用 700 ℃超超临界机组发电,
可节约标准煤约 4.87亿 t,显著降低污染物的排放。
因此,发展 700 ℃超超临界火力发电技术也是中国
未来实现节能减排、提高经济效益的重要措施。
先进耐热钢是推动火力发电技术进步的基础。
亚临界、超临界和超超临界火电技术的发展,都是在
耐热钢技术进步的基础上实现的[3-4]。早期用于超临
界或超超临界的奥氏体耐热钢,由于热传导率低、线
膨胀系数高,导致机组事故频发,蒸汽参数曾一度停
滞不前。直到铁素体耐热钢的出现,超超临界机组
才得到了飞跃发展。近 10年来,600 ℃超超临界机
组的运行情况表明,铬质量分数为9%~12%的铁素
体耐热钢和铬质量分数为 18%、25%的奥氏体耐热
钢能满足超超临界机组的使用要求 [5-7]。但是对于
700 ℃先进超超临界(A-USC)机组,主蒸汽温度为
700 ℃或更高,蒸汽压力为35~40 MPa,这对机组关
键部件材料的持久强度、疲劳性能、高温氧化与腐
蚀等性能都提出了更苛刻的要求[8-9],故传统的铁素
体耐热钢和奥氏体耐热钢已经不能满足设计要求,
必须选用镍基耐热合金。
基金项目:国家高技术研究发展(863)计划资助项目(2012AA03A501);国家能源应用技术研究及工程示范资助项目(NY20110102-1);国家
能源应用技术研究及工程示范项目(NY20110102-1)
作者简介:田仲良(1982—),男,博士生; E-mail:[email protected]; 收稿日期:2014-06-18
田仲良,等:700 ℃汽轮机转子用耐热合金的研究进展第 2 期 · 55 ·
镍基耐热合金制造 700 ℃汽轮机转子是发展
700 ℃A-USC机组的瓶颈问题之一。汽轮机转子是
火力发电的心脏,质量在几十吨以上,在高温、高压
超超临界水蒸气环境中以1 500~3 600 r/min的高速
运转[10]。尤其是高、中压转子同时承受高应力、高温
度的作用,要求具有良好高温力学性能、长期组织稳
定性、耐腐蚀性及较低的线膨胀系数,以保证汽轮机
的长期安全运行。
当前研发的汽轮机转子用耐热合金是由用于航
空发动机和高温油、汽条件下的镍基合金发展而来
的[11],两者明显的不同在于设计寿命和服役温度,因
此对材料的性能要求也不同。通常,汽轮机转子的
设计寿命为3×105 h,而商用航空发动机的设计寿命
为 3×104 h。航空发动机用材料使用温度为 800 ℃
以上,工作环境高温、短时;汽轮机转子为700 ℃,中高
温、长时。由于以上不同,航空用镍基合金不能直接
用于汽轮机转子,合金的成分、冶炼工艺、热加工工
艺、热处理工艺等均需重新优化和研究。对于700 ℃
超超临界汽轮机转子材料的研究,欧洲和美国等相继
开展了研究,并已经取得了一定进展[12-13]。
1 700 ℃转子用耐热合金技术特点
先进超超临界机组蒸汽温度从 600 ℃提升到
700 ℃,除了转子材料成分体系的变化,对转子材料
的持久强度、加工性能、物理性能和焊接性能等均提
出了较高的要求。
(1)持久强度。根据设计许用应力要求,转子
耐热合金候选材料700 ℃持久强度要求105 h外推值
大于 100 MPa。而当今航空发动机用镍基合金材料
更关注短时间高应力持久强度,持久试验时间一般
低于1 000 h。实现转子高温持久强度的基础是材料
的长时组织稳定性高,合金中析出相粗化速率缓慢,
不易发生析出相转变,服役过程中避免发生持久强
度陡降的情况。
(2)加工工艺性。按照 660 MW设计的 700 ℃
电站,高中压转子锻件直径在 600~1 000 mm,合金
锭重 10 t 以上。普通设备无法完成转子锻件热加
工,需要采用万吨级水压机完成。同时,镍基耐热合
金的最佳热加工温度区间较窄,在窄温度窗口内完
成热加工,又增加了难度。因此,良好的热加工工艺
性是耐热合金候选材料需要具备的工艺优点。
(3)线膨胀系数。低线膨胀系数是转子材料需
要考核的关键物理性能,700 ℃汽轮机转子用镍基
耐热合金,其线膨胀系数较高,由此会产生高的热应
力,导致转子的轴向膨胀、旋转件与固定部分的不同
膨胀,这会影响汽轮机的结构和性能[14]。因此,转子
候选材料尽量选取热传导率高、热线胀系数低的耐
热合金。
(4)焊接性能。目前,700 ℃超超临界电站汽轮
机转子倾向采用焊接转子,即高温段用镍基耐热合
金,低温段用铁素体钢。镍基耐热合金与铁素体钢
焊接是需要考虑的问题,镍基合金焊接过程中,容易
产生焊接热裂纹、气孔等缺陷,导致焊接接头力学性
能及高温持久寿命下降[15]。因此,候选材料首先应
具有良好的焊接性,且焊接转子的焊后热处理工艺
能够在建造现场实施。显然,固溶强化型合金比时
效强化型合金的焊后热处理更易实施。
2 国外 700 ℃高、中压转子耐热合金研究进展
对于使用温度为 700 ℃的高、中压转子耐热
合金,选材以固溶强化或时效强化的镍基合金为
主 [16]。欧洲、美国、日本已选定了部分耐热合金作为
700 ℃超超临界汽轮机转子候选材料(表1)[17-21]。
表1 700℃超超临界机组汽轮机转子候选材料 (质量分数)
Table 1 Candidate materials of 700℃ ultra-supercritical steam rotor %
牌号
Nimonic263
Inconel625
Inconel617
Haynes282
Udimet720Li
Inconel740
Nimonic105
FENIX-700
LTES700R
TOS1X
TOS1X-Ⅱ
C
0.060
0.060
0.060
0.060
0.015
0.030
0.150
0.020
0.030
0.013
0.070
Cr
20.0
21.0
22.0
20.0
16.0
25.0
15.0
16.0
12.0
23.0
18.0
Co
20.00
≤1.00
12.00
10.00
14.75
20.00
20.00
12.50
12.50
Mo
6.0
9.0
9.0
8.5
3.0
0.5
5.0
6.2
10.0
10.0
W
1.2
7.0
Fe
≤0.7
≤5.0
≤1.5
≤1.5
0.7
37.0
Al
≤0.60
≤0.40
1.00
1.50
2.50
0.90
4.70
1.30
1.60
1.70
1.25
Ti
2.20
≤0.40
0.40
2.10
5.00
1.80
1.10
1.50
0.80
0.40
1.35
Ta
0.1
0.1
Nb
3.7
2.0
2.0
0.4
0.4
Si
≤0.40
≤0.50
≤1.00
≤0.15
0.50
0.50
0.05
Mn
≤0.60
≤0.50
≤1.00
≤0.30
0.30
0.50
0.02
Ni
余量
余量
余量
余量
余量
余量
余量
余量
余量
余量
余量
国家/地区
欧洲
美国
日本
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2. 1 欧洲研究进展
欧洲AD700项目中,700 ℃汽轮机转子材料采
用镍基合金与铁素体钢异种材料焊接,图 1 为 Al-
stom设计的高压焊接转子示意图[22]。欧洲所选镍基
合金主要有固溶强化型Alloy617、Alloy625,时效强
化型 Alloy263、Alloy718,4 种合金全尺寸试验转子
部分性能数据见表2[17]。
图1 Alstom高压焊接转子示意图
Fig. 1 HP welded rotor of Alstom
表2 欧洲AD700高、中压转子候选材料性能
Table 2 Mechanical properties of HP and IP rotor
candidates in Europe AD700 project
合金
263
617
625
718
尺寸
ϕ 600 mm×100 mm
ϕ 700 mm×800 mm
ϕ 725 mm×1 230 mm
ϕ 730 mm×320 mm
Rm/MPa
912
772
763
1 340
Rp0.2 /MPa
615
359
363
1 155
A/%
21
48
57
19
Z/%
18
45
52
21
德 国 Saarschmiede 采 用 VIM + ESR 制 造
ϕ 1 000 mm的Alloy617铸锭,重达20 t。经均匀化热
处理、镦粗、拔长,最终生产出 ϕ 700 mm高压转子和
ϕ 1 000 mm中压转子。 ϕ 750 mm的Alloy625转子铸
锭,冶炼工艺与Alloy617相同,最终成品为 ϕ 710 mm
高压转子锻件 [23]。Alloy617 和 Alloy625 转子高、低
倍组织检查表明,锻件组织均匀,无宏观组织偏析。
力学性能、超声波探伤检结果见表3[24]。
表3 Alloy617和Alloy625试验转子测试结果
Table 3 Test results of Alloy617 and Alloy625 trial rotor
合金
617
617
617
625
铸锭
VIM-ESR
ϕ 750 mm/7 t
VIM-ESR
ϕ 1 000 mm/14 t
VIM-ESR
ϕ 1 000 mm/15 t
VIM-ESR
ϕ 750 mm/7 t
尺寸
ϕ 700 mm×800 mm
ϕ 850 mm×1 480 mm
ϕ 1 000 mm×1 350 mm
ϕ 710 mm×1 150 mm
最终
质量/t
4.5
4.7
8.8
3.7
Rp0.2 /MPa
359
398
362
363
Rm/MPa
772
620
775
763
A/%
48
17
42
57
Z/%
45
20
45
52
KV2 /J
99~102
82~104
173~211
2 MHz超声
波缺陷尺寸
检测/mm
2.8
2.5
2.8
2.0
晶粒尺寸
(ASTM
E112)/级
表面:3~4
中心:2~4
表面:4~6
中心:3~6
表面:3~5
中心:1~3
表面:3~5
中心:1~4
2.2 美国研究进展
美国先进超超临界电站设计蒸汽参数 760 ℃/
35 MPa,高于欧洲的设计温度。汽轮机材料研究项
目从2005年开始,为期9年,由美国能源部(DOE)和
俄亥俄州煤炭发展办公室(OCDO)资助,美国电力
研究协会(EPRI)、橡树岭国家实验室和汽轮机制造
厂家参与。该项目分2个阶段,2009年第1阶段任务
已经完成,主要对汽轮机材料进行筛选;第2阶段到
2014年结束,主要确定汽轮机各个部件的候选材料,
对材料的加工性、焊接性、力学性能等进行深入研
究。高、中压转子的制造分为大型焊接转子和整体
锻造转子2种[25-27]。
汽轮机转子材料筛选主要由Alstom、Siemens、
GE 承担。Alstom 研究 Nimonic263/Incone617 焊接
及焊后性能,Siemens 研究 Haynes282/Haynes282、
Haynes282/Inconel617、Haynes282/Udimet720Li同种
和异种材料的焊接。
GE 通过 Thermocalc 计算,结合材料的物理性
能、力学性能及高温热稳定性,从19种合金中选取Ni-
monic105、Udimet720Li、Haynes282 和 Inconel740 作
为整体锻造转子候选材料。
目前,转子材料研究主要取得结果如下:
(1)以 Inconel17为焊材,采用窄间隙钨极氩弧
焊研究了Nimonic263/Inconel617焊接性能及焊后长
期高温暴露对焊接微观组织和力学性能的影响。研
究焊后热处理对 Haynes282/Udimet720Li 焊后应变
田仲良,等:700 ℃汽轮机转子用耐热合金的研究进展第 2 期 · 57 ·
时效裂纹影响。研究表明,在经过不同时效以及亚
固溶条件的焊后热处理后,Udimet720Li均没有出现
时效裂纹。
(2)Haynes282、Nimonic105 和 Waspalloy 持久
强度满足 760 ℃/2.5×105 h≥100 MPa 的要求,可作
为汽轮机转子材料。Nimonic105由于加工性、焊接
性较差,不能作为760 ℃转子选材,只能作叶片、螺栓
和阀杆等使用。Inconel740仅能满足 760 ℃×105 h
持久强度要求,Udimet720Li持久强度不能满足转子
材料要求。
(3)从制造能力和经济方面考虑,否定了760 ℃
整体锻造转子的可行性。项目第2阶段将研究采用
焊接转子或者螺栓连接转子。
Haynes282蠕变强度高,加工性和焊接性能优异,
同时热处理温度窗口宽,被美国选为760 ℃汽轮机转
子材料,并进行了试制。图2是VIM+ESR+VAR工艺
制造的直径约为610 mm的Haynes282转子铸锭[18]。
2. 3 日本研究进展
日本700 ℃先进超超临界电站研究计划起步较
晚,但在转子材料研究方面进展迅速。目前,已研制
出 FENIX- 700、LTES700R 和 TOS1X 等多种用于
700 ℃汽轮机转子的耐热合金[28]。日本700 ℃转子设
计和材料方向与欧洲一致,采用镍基合金与铬质量分
数为12%的钢焊接生产大型转子,主要选材见表4[29]。
图2 Haynes282转子铸锭
Fig. 2 Haynes 282 alloy ingot
表4 日本700℃转子材料
Table 4 700℃ rotor materials in Japan
耐热材料
FENIX-700
LTES700R
TOS1X
温度等级
700 ℃
>700 ℃
>720 ℃
质量
>10 t
研发目标
无偏析10 t级镍基合金
与铬质量分数为12%的耐热钢具有良好焊
接性的10 t级镍基合金
FENIX-700是日立在Alloy706基础上,降低易
偏析铌元素质量分数,同时增加铝质量分数,研制的
700 ℃转子耐热合金[30],该材料700 ℃持久试验最长
点达 45 000 h,外推 105 h持久强度大于 100 MPa,如
图 3所示[31]。日立已采用VIM+ESR+VAR工艺生
产出 ϕ 1 000 mm铸锭(图4),铸锭组织均匀,同时采
用VIM+ESR工艺生产 ϕ 1 050 mm铸锭,横纵截面
检查,组织均匀没有宏观偏析[32]。
图3 FENIX-700持久强度
Fig. 3 Creep-rupture strength of FENIX-700
图4 FENIX-700 ϕ 1 000 mm 铸锭
Fig. 4 FENIX-700 ϕ 1 000 mm ingot
LTES700 是三菱研制的一种低热膨胀耐热合
金,铬增加抗氧化性,钼、钛和铝为降低线膨胀系数元
素,通过γ′相和沉淀析出A2B相[Ni2(Mo,Cr)]强化[33]。
降低钼,提高铝,添加钨对LTES700成分进行优化,优
化后的合金命名为LTES700R[20,34]。由于钼元素的降
低,LTES700R线膨胀系数高于LTES700,但要低于一
般的镍基合金,如图 5所示[35]。图 6是LTES700R持
久强度 L-M 曲线,该材料 700 ℃×105 h期望值大于
100 MPa,需要进一步考核 [35]。三菱制造重 8 t 的
30~40 t(10 t镍基+30 t钢)
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LTES700R 试验件,并进行了 LTES700R 同种焊接,
LTES700R与铬质量分数为12%的钢异种焊接试验,
焊接试验结果正在评定[28]。
TOS1X是东芝在Alloy617合金基础上,通过增
加铝质量分数,添加铌和钽,提高合金强度,而研
制的 700 ℃转子耐热合金。在TOS1X基础上,降低
铬质量分数到 18%,消除σ相,调整铝和钛质量分数
优化γ′相数量,研制的耐热合金TOS1X-Ⅱ[36]。东芝
TOS1X、TOS1X-Ⅱ合金的700 ℃×105 h外推持久强
度分别为160和200 MPa(图7)[21]。
图5 合金线膨胀系数Fig. 5 Coefficient of thermal expansion
图6 LTES700R持久强度Fig. 6 Creep-rupture strength of LTES700R
图7 汽轮机转子合金105 h持久强度
Fig. 7 105 h creep-rupture strength of turbine rotor alloys
东芝采用 VIM+ESR 工艺,生产 ϕ 1 000 mm
TOS1X铸锭,重约14 t,最终模型转子尺寸为ϕ850 mm×
1 500 mm,重7 t,见图8[37]。TOS1X-ⅡESR锭直径为
ϕ 1 300 mm,重 31 t,锻造成 ϕ 1 160 mm×2 600 mm
毛坯件,最终机加工成重14 t的成品,见图9[28,36]。
图8 重7 t的TOS1X模型转子
Fig. 8 Model rotor of 7 tons TOS1X
图9 重14 t的TOS1X-Ⅱ锻件
Fig. 9 Forging of 14 tons TOS1X-Ⅱ
3 中国 700 ℃汽轮机转子耐热合金展
望
中国超临界和超超临界发电技术比发达国家晚
了 10 年,近年来通过不断发展和自主研制,中国
600 ℃超超临界发电技术水平和建成的机组都占据
世界首位。600 ℃耐热合金技术国产化过程证明,
中国电站用钢技术进步对企业具有存亡和发展的意
义,对国家具有战略性意义。目前,中国在700 ℃等
级汽轮机转子耐热合金方面还未见报道,而西方发
达国家已经取得了阶段性进展,并正在逐步形成各
自的技术路线(表5)。
欧洲700 ℃等级转子耐热合金,主要以现有成熟
合金为主,并且成功制造了Alloy617和Alloy625大型
锻件,微观组织、探伤和短时力学性能结果表明产品
田仲良,等:700 ℃汽轮机转子用耐热合金的研究进展第 2 期 · 59 ·
表5 欧洲、美国和日本研制的转子耐热合金
Table 5 Introduction of heat resistant alloys in Europe,USA and Japan
地区
欧洲
美国
日本
代表合金
Alloy617( ϕ 1 000 mm)、
Alloy 625( ϕ 750 mm)
Haynes282( ϕ 610 mm)
FENIX-700( ϕ 1 050 mm)、
LTES700R( ϕ 910 mm)、TOS1X-Ⅱ
( ϕ 1 300 mm)
持久性能
105 h≥100 MPa
2.5×105 h≥100 MPa
105 h≥100 MPa
技术路线
以现有成熟合金为主
现有合金进行改进
开发新型合金
质量良好,锻件的长期组织演变和性能测试还在进
一步研究。
美国根据其煤炭资源情况的不同,制定蒸汽温
度为760 ℃等级的超超临界机组发展计划。汽轮机
转子耐热合金采用镍基合金筛选和改进并举的研究
方法,目前研究工作主要集中在材料性能的测试上,
Haynes282是760 ℃转子的候选材料。
日本700 ℃等级转子耐热合金主要采用开发新
型合金的技术路线,并进行了大量卓有成效的研发工
作。其中部分耐热合金正在进行装机考核试验。
现有候选材料Alloy617、Alloy617-Mod(改进型)、
Alloy625、Alloy263、FENIX-700、TOS1X和TOS1X-Ⅱ
等公开的105 h外推持久强度值(图10)表明,现有成
熟的 Alloy617 镍基合金不能满足 700 ℃×105 h 持
久强度 100 MPa,必须进行改进。改进后的材
料,TOS1X-Ⅱ和 TOS1X 的持久强度较高,其次
是 Alloy263,改进型Alloy617和Alloy625合金的持久
强度相当,均能满足大于 100 MPa的要求。但目前
105 h持久强度值主要依靠实验室和较短时间的外推
结果,仍需要进一步研究模拟转子的持久性能,获得
至少 10 000 h以上的持久数据,再对候选合金的持
久性能进行评估。
图10 汽轮机转子候选材料105h持久强度
Fig. 10 105 h creep-rupture strength of steam turbine rotor
candidate materials
700 ℃汽轮机转子耐热合金技术是研发 700 ℃
超超临界电站的基础。若 700 ℃电站转子依靠进
口,只能落入受制于人的境地,重蹈中国发展600 ℃
超超临界电站受制于国外的覆辙,未来使中国
700 ℃超超临界火电发展处于被动状态。只有通过
自主研发,形成具有自主知识产权的转子耐热合金
技术,才能保证中国 700 ℃超超临界火电技术的独
立性,在全球竞争中赢得市场,提升中国在火电用钢
及合金领域的竞争力。
2010年中国组建和启动了国家700 ℃超超临界
燃煤发电技术创新联盟。700 ℃超超临界汽轮机高
中压转子制造技术是研发的重点之一,而且国外也
刚起步不久,还处于探索发展阶段。因此,中国可以
吸收国外的研制经验,少走弯路,在短时间内缩短与
国外的差距。中国当前制造装备水平处于世界领先
地位,同时还有政府的大力支持。笔者相信通过不
懈努力,中国一定会掌握 700 ℃耐热合金的核心技
术,拥有自主产权的700 ℃汽轮机转子用耐热合金,
促进中国700 ℃超超临界电站的建设。
4 结语
700 ℃汽轮机转子耐热合金的研究,在世界范
围内还处在探索阶段。欧洲、美国、日本在转子材料
方面已经取得了一定的突破,并且正在逐渐形成各
自的模式。700 ℃汽轮机转子用耐热合金研究的方
法,都遵循以现有成熟合金为主,在此基础上进行改
进,并适时开发新型合金的思路。中国有可能成为
世界上最早建成 700 ℃电站的国家,虽然在 700 ℃
转子材料的研究方面基本处于空白,但中国已经具
备生产大型镍基耐热合金转子的能力,同时也有发
达国家成功经验可循。尽快开展700 ℃汽轮机转子
用耐热合金的研制工作,形成自主知识产权的超超
临界电站用耐热合金技术是中国发展700 ℃电站的
当务之急。
钢 铁 第 50 卷· 60 ·
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