700_超超臨界汽輪機(jī)關(guān)鍵部件用鎳基高溫合金選材

1、700超超臨界汽輪機(jī)關(guān)鍵部件用鎳基高溫合金選材王天劍 范 華張邦強(qiáng)鞏秀芳張 波（東方汽輪機(jī) ， 四 川 德 陽(yáng) ， 618000）摘要： 700等級(jí)先進(jìn)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)是目前世界各國(guó)正在研究中 的 最 先 進(jìn) 、 經(jīng)濟(jì)性最好的發(fā)電技術(shù)之一 。 由 于蒸汽溫度和壓力的提高對(duì)關(guān)鍵部件的蠕變 、 疲 勞 、 高溫氧化與腐蝕等性能都提出了更苛刻的要求 ， 導(dǎo)致汽輪機(jī)關(guān)鍵部件的 使用材料發(fā)生了巨大的變化 。 文 章 對(duì) 國(guó) 際 上 700先進(jìn)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)中的汽輪機(jī)關(guān)鍵部 件用鎳基高溫合金以及選 材情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹 。關(guān)鍵詞 ： 700， 超超臨界汽輪機(jī) ， 鎳 基 高 溫 合 金Nick

2、el-based Superalloy for Key Components ofUltra-Supercritical Steam Turbine Operating Above 700Wang Tianjian， Fan Hua， Zhang Bangqiang， Gong Xiufang， Zhang Bo（Dong fang Turbine Co., Ltd. Deyang Sichuan 618000）Abstract： The 700 -class ultra -supercritical coal -fired power technology is one of the adv

3、anced and economical technologies.The requirements for the performance of creep, fatigue, high temperature oxidation, and corrosion properties become more rigorous with the increasing of steam temperature and pressure, which lead to the key components materials of steam turbine to be changed.This pa

4、per introduces the nickel-based superalloy used in the 700 class ultra-supercritical coal-fired steam turbine s key compo-nents.Key words： 700, advanced ultra-supercritical steam turbine, nickel-based superalloy放 的 要 求 ， 提高燃煤發(fā)電機(jī)組的效 率 成 為 其 中 最 0 前言重要的途徑之一 。在所有提高燃煤 發(fā) 電 機(jī) 組 的 效率 的 方 法 中 ， 提高蒸汽的進(jìn)汽初溫 無(wú)

5、疑 是 最 有 效的 方 法 之 一 。 但 蒸 汽 初 溫 的 提 高 ， 對(duì) 材 料 的 蠕 變 、疲 勞 、 高溫氧化與腐蝕等性能都提 出 了 更 加 苛 刻目前世界上成功投入 商業(yè)運(yùn)行的超超臨界燃 煤發(fā)電機(jī)組的蒸汽進(jìn)汽溫度在 600左 右 。隨 著 世的 要 求 。國(guó)外的研究計(jì)劃對(duì)材料的 研 發(fā) 無(wú) 疑 是 非界各國(guó)加大對(duì)提高能源利用率以及 對(duì) 降 低 污 染 排作 者 簡(jiǎn) 介 ： 王 天 劍 （1984-）， 男 ， 主要從事汽輪機(jī)新材料研發(fā) ， 失效分析等工作 。700超超臨界汽輪機(jī)關(guān)鍵部件用鎳基高溫合金選材DONGFANG TURBINEFP5FPGFP71A 可 行 性 驗(yàn) 證

6、1B 材 料 性 能 試 驗(yàn)2A 第 3 階 段 基 礎(chǔ) 設(shè) 計(jì)2B 材 料 性 能 驗(yàn) 證3 COMTES700 （CTF, ETR）4 全尺寸試驗(yàn)電站建設(shè) 5 試 驗(yàn) 電 站 運(yùn) 行6 反 饋圖 1 歐 洲 AD700 計(jì) 劃 時(shí) 間 簡(jiǎn) 表47常重視 的 ， 都將材料研發(fā)作為整個(gè) 700燃 煤 發(fā) 電技術(shù)的最開(kāi)始也是最關(guān)鍵的第一步 。目 前 最 新 的研 究 成 果 報(bào) 道 ，商 業(yè) 化 的 9%12%Cr 耐 熱 鋼 的 最高 使用溫度能夠達(dá)到 620 左 右 ，對(duì) 于 更 加 先 進(jìn)的、更 高 溫 度 的 700及以上等級(jí)的超超臨界汽輪 機(jī) 高 溫 部 件 ， 必須使用鎳基高溫合金

7、。本 文 對(duì) 世界上正 在 進(jìn) 行 的 700先進(jìn)燃煤發(fā)電機(jī)組研究計(jì)劃 中汽輪機(jī)關(guān)鍵部件使用鎳基高溫合金 進(jìn) 行 了 簡(jiǎn) 要 的介紹 。率并且實(shí)現(xiàn)接 近 零 排 放 。計(jì) 劃 中 包“Vision 21”括 a， 760/760/760超 超 臨 界 機(jī) 組 研 究項(xiàng) 目 。 研究的第一階段從 2001 年 6 月 到 2006 年12 月 ， 包 括 8 個(gè) 方 面 ：（1）初步設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)分 歐 洲 、 美 國(guó) 關(guān) 于 700等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電 機(jī)組的研發(fā)工作早在上 世 紀(jì) 90 年代中期就相繼啟 析 。 研究了在提高蒸汽參數(shù) ， 使用新材料以后 ，機(jī) 組 的 效 率 、 成 本 同 傳

8、統(tǒng) 機(jī) 組 比 較 。先 進(jìn) 合（2）動(dòng)了相關(guān)的大 型 項(xiàng) 目 ，如 歐 洲 的 AD700 計(jì) 劃 ，目目金的力學(xué)性能分析 。 研究了六種不 同 的 合 金 ：一標(biāo) ：38MPa/700/720。 美 國(guó) 的 A-USC 計(jì) 劃 ，種 鐵 素 體 合 金 SAVE12， 兩種奧氏體合金 Super標(biāo) /760。 日本最初是進(jìn)行 650等級(jí) 機(jī) 組 的 研 發(fā) ， 后 來(lái) 終 止 ， 于 2008 年 也 開(kāi) 始 進(jìn) 行700等級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組的研發(fā) 。歐 洲 于 1998 年 提 出 了 最新的研究計(jì) 劃 三 種 鎳 基 合 金304H、 HR6W，Haynes 230、合 金 抗 氧 化 性

9、 能 研 究 。 在CCA617、 In740。（3）研 究 的 六 種 合 金 中 ，鎳 基 合 金CCA617，Haynes263， Inco740 具 有 較 高 的 抗 氧 化 性 能 。AD700，發(fā)展新一代的火力發(fā)電機(jī)組來(lái)適應(yīng)更高 （4）境 ，（5）抗 腐 蝕 性 能 。模擬了機(jī)組運(yùn)行 狀 態(tài) 下 腐 蝕 環(huán)的 蒸 汽 參 數(shù) 。 AD700 計(jì)劃主要是通過(guò)鎳 基 高 溫 合測(cè)試材料在這種環(huán)境 下運(yùn)行時(shí)的抗氧化性能 。焊 接 性 能 。 研究了采用不同的 焊 接 方 法 ， 如金的應(yīng) 用 ，使蒸汽參數(shù)提高到 700以 上 ，發(fā) 電 效率 提 高 到 50% 以 上 ， CO2 的

10、排 放 量 降 低 15% ，發(fā)埋弧焊氣體保護(hù)金屬極電弧焊 (SAW)、(GMAW)、電機(jī)組的功率在 400MW1000MW。汽 輪 機(jī) 材 料 研氣 體 保 護(hù) 鎢 極 電 弧 焊(GTAW) 、自動(dòng)保護(hù)金屬極 究 方 面 ， AD700 計(jì)劃首先選擇了一些具 有 應(yīng) 用 前電 弧 焊適 用 于研 究 發(fā) 現(xiàn) ，(SMAW) ，Haynes 230、 In740景的合金作為備選材料 ： alloy 155， 230，617， 625， 706， 718， 901 以 及 Waspaloy。鑄 造 ， 鍛造的方式將這些合金制備成 試 樣 ，263，采 用 對(duì) 這GMAW， Super 304H

11、、 CCA617能 用 于GTAW。（6） 加 工 成 形 性 。主 要 研究了將合金加 工成不同變形量的 U 型 管 。（7） 表 面 處 理 。 研 究些材料進(jìn)行全面的室溫及高溫力學(xué)性 能 測(cè) 試 ，篩了 不同的表面處理方法 ： 噴 鍍 ，噴 涂（ 冷 噴 涂 、選出最合適的合金 ， 再對(duì)這幾種合金 進(jìn) 行 大 型 試高速 火 焰 噴 涂 ）， 鍍 鉻 ， 鍍 鉻-硅 ， 鍍 鉻-鋁 。（8）零部件設(shè)計(jì)規(guī)則制定 。 在 前期研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上 ，進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)工作 ， 并制定設(shè)計(jì)規(guī)則2。樣 的 鑄 造 、 焊 接 、 鍛 造 試 驗(yàn) ， 制 備 模 擬 件 ，將 制備的部件用于建立試驗(yàn)電站

12、 ， 最后商業(yè)化運(yùn)行1。圖 1 是 AD700 的 計(jì) 劃 時(shí) 間 表 。 從 中 可 以 看 到 ， AD700 計(jì)劃目前已經(jīng)進(jìn)行到了試驗(yàn)電站 建 設(shè) 的 最 后階段 。計(jì)劃同目前歐洲正在進(jìn)行的 “ Vision 21”“ AD700” 計(jì) 劃 相 比 ， 有 以 下 幾個(gè)不同的地方 ：（1） 蒸 汽 參 數(shù) 更 高 ， 達(dá) 到 了 760，因 此 機(jī) 組 的 效1999 年，美國(guó)能源部啟 動(dòng) 了（DOE）“Vision率 更 高 ， 對(duì) 材 料 的 要 求也就更加的嚴(yán)格 。（2）歐21” 計(jì) 劃 。該 計(jì) 劃通過(guò)發(fā)展先進(jìn)的技術(shù)使原料 洲和美國(guó)在使用原料不同 ，歐 洲 的 機(jī) 組 基 本 上

13、 使（煤 ， 天 然 氣 ， 石 油 等 ） 轉(zhuǎn) 換成電能達(dá)到很高的效 1 國(guó) 外 700先進(jìn)超超臨界燃煤發(fā) 電 研 究 計(jì)劃DONGFANG TURBINE系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì)材 料 鍋 爐 技 術(shù)制 造汽 輪 機(jī) 技 術(shù)材 料 閥 門(mén) 技 術(shù)鍋爐部件和小型汽輪機(jī)試驗(yàn) 圖 2 日 本 700先進(jìn)超超臨界機(jī)組研發(fā)計(jì)劃簡(jiǎn)圖 48用 的 是 低 硫 碳 ， 而美國(guó)機(jī)組使用的煤 炭 對(duì) 含 硫 量合 金 元 素 、 雜 質(zhì) 元 素 、 脫 氧 方 法 、 熱 處 理 等 對(duì) 耐沒(méi)有特定的要求 ， 選擇的范圍較廣 ， 因 此 ，要 求機(jī) 組熱鋼的性能影響外 ，還耗巨資進(jìn)行 長(zhǎng) 時(shí) 間 蠕 變 試機(jī)組材料能夠

14、適應(yīng)各種 含 硫 量 的 煤 炭 。驗(yàn) 研 究 。 日本關(guān)于超超臨界機(jī)組的 研 發(fā) ， 最 初 的（3）設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)不同 ，能 直 接 用 于 美 國(guó) ， 在 重新的評(píng)估 。AD700 研 究 出 來(lái) 的 合 金 不溫度等級(jí)設(shè)定在 650， 但 在 2008 年 ，日 本 對(duì) 機(jī)計(jì) 劃 中 將 進(jìn) 行組的參數(shù)進(jìn)行了提高 ，也 上 升 到 了 700等 級(jí) 。圖“Vision 21”2 是 日 本 700先進(jìn)超超臨界燃 煤發(fā)電機(jī)組研究計(jì) 由于在資源方面的匱乏 ， 日本在先進(jìn)發(fā)電機(jī) 劃 簡(jiǎn) 圖 ，日 本 計(jì) 劃 從 2008 年 開(kāi) 始 ，用 8 年 的 時(shí)組方面投入了大量的人力和物力 。日 本

15、 對(duì) 于 材 料間，完成一個(gè)小型試驗(yàn)電站的建設(shè)3。的基礎(chǔ)性研究非常的重視 ，除 系 統(tǒng) 、細(xì) 致 地 研 究采用整鍛鎳基高溫合金轉(zhuǎn)子 ，無(wú) 論 從 鎳 基 高 溫 合 2 汽輪機(jī)中關(guān)鍵部件用材金的鑄鍛造工藝考慮 ， 還 是從機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性考慮 ，都是不適合以及無(wú)法實(shí)現(xiàn)的 。目 前 國(guó) 外 最 新 的 研究 表 明 ， 700等級(jí)超超臨界汽 輪機(jī)高壓和中壓轉(zhuǎn) 700先進(jìn)超超臨界汽輪 機(jī) 技 術(shù) 的 實(shí) 現(xiàn) ，難 度子均采用焊接轉(zhuǎn)子 ，高溫段部分采 用 鎳 基 高 溫 合遠(yuǎn) 大 于 從 566等 級(jí) 的 超 臨 界 向 600等 級(jí) 的 超 超臨 界 機(jī) 組 的 跨 越 。 國(guó)內(nèi)外研究表明 ， 新

16、12%Cr 耐 熱鋼的使用溫度不能超過(guò) 630， 700先 進(jìn) 超 超 臨界汽輪機(jī)的研制成功關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā) 新 型 耐 高 溫 材料。金 ，中溫段部分采用新型的 10%Cr 耐 熱 鋼 ，采 用鎳基合金焊料進(jìn)行焊接 。歐 洲 AD700 計(jì) 劃 中 ， 采 用 IN617， IN625， IN718， Nimonic263 四 種 鎳 基高溫合金作為轉(zhuǎn)子的 候 選 材 料 。 IN617 為固溶強(qiáng)化鎳基 Ni-Cr-Co-Mo高 溫 合 金 ，具有良好的高溫強(qiáng)度和 優(yōu) 異 的 抗 氧 化 高中壓轉(zhuǎn)子對(duì)于汽輪機(jī)中最重要 部件之一的高中壓轉(zhuǎn)子 ，國(guó)外的研究計(jì)劃中均考慮采用鎳基高 溫 合 金 。 若性

17、 能 ， 該合金能夠在較大 范圍的腐蝕環(huán)境下使用 。該合金還具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn) ， 就是其熱膨脹系數(shù)較低 ，DONGFANG TURBINE49低于其他大多數(shù)的奧氏體合金 。 同時(shí)，IN617 合 金以形成金屬間化合物 進(jìn) 行 (Ni3Al/Ti)相 沉 淀 強(qiáng)還具有優(yōu)異的加工 ，特別是其具有優(yōu) 異 的 焊 接 性化 。 這樣就使得該合金具有高溫強(qiáng) 度 高 ，高 溫 穩(wěn)能，非常適合于作為 700先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)高 定 性 好 ， 抗 氧 化 性 好 ，熱 疲 勞 性 能 及 沖 擊 韌 性 優(yōu)中壓焊接轉(zhuǎn)子 。 IN625 為 Ni-Cr 固溶強(qiáng)化鎳基高溫 異 等 特 點(diǎn) ， 同 時(shí) ，該合金具有優(yōu)

18、異 的 加 工 性 能 和合 金 ，其 采 用 Mo、 Nb 元 素 進(jìn) 行 強(qiáng) 化 ，使 其 具 有焊 接 性 能 。Nimonic263 合 金 是 英 國(guó) Rolls-Royce 公優(yōu)異的高溫強(qiáng)度 ，該合金也能夠在較 大 范 圍 的 腐司 于 1972 年 研制出來(lái)的一種 Ni-Co-Cr 鎳 基 高 溫蝕 環(huán) 境 下 使 用 ， 具有優(yōu)異的抗氧化性能 。 同 時(shí) ，合 金 ， 目 前 其 主 要用于燃?xì)廨啓C(jī) ，其 具 有 Nimon-IN625 合金也具有非常優(yōu)異的焊接性能 ，其 使 用 溫ic75 優(yōu)異的塑性和加工性能 ， 同 時(shí) 還 具 有 Nimon-ic80A 合金優(yōu)異的抗蠕變

19、性能 。AD700 計(jì)劃中四種材料 的名義化學(xué)成分如表 1 所示。 典型的熱處理工藝如表 2 所示。度能夠 達(dá) 到 980。著非常廣泛的應(yīng)用 。該 合 金 在 航 空 、 核 電 領(lǐng) 域 都 有IN718 是 以 Ni 為 基 體 ，在合金中加入鋁 ， 鈦表 1 歐洲 AD700 計(jì)劃中轉(zhuǎn)子候選材料的名義化學(xué)成分（%）合 金CNiFeCrMoWCoNbTiAlB26361762571830Zr-balbal bal54.1Mn0.340.35 bal SiP3.0S-Cu-V-3.7N-0.480.480.46263617625718表 2 歐洲 AD700 計(jì)劃中轉(zhuǎn)子候選材料的熱處理工藝熱

20、處 理（保 溫 溫 度 ，/保 溫 時(shí) 間 ，h/冷 卻 介 質(zhì) ）合 金尺 寸固 溶 處 理中 間 處 理時(shí) 效 處 理263617625718600mm100mm700mm800mm 725mm1230mm 730mm320mm1150/10/空 冷1100/3/水 冷1100/6/水 冷1065/1/空 冷800/8/空 冷760/8/爐 冷650/12/空 冷在 歐 洲 AD700 計(jì) 劃 中 ，成功試制了直徑達(dá)到 經(jīng)過(guò)熱處理后的典型拉伸 性 能 數(shù) 據(jù) 。 在 此 基 礎(chǔ) 上 ，還成功試制了 直 徑 達(dá) 到 的中壓轉(zhuǎn)子試驗(yàn)件 。700mm 的 IN617 和 IN625 合 金 高壓

21、轉(zhuǎn)子試驗(yàn)件 ，同 時(shí) ， 詳細(xì)研究了該合金的熱處理工藝 ，并 對(duì) 該對(duì)于 IN718 和 N263 兩 種 合 金 ，采用模鍛的方式制 試驗(yàn)件進(jìn)行了詳細(xì)的解剖試驗(yàn) ， 包 括 材 料 的 力 學(xué)性 能 ， 長(zhǎng)時(shí)蠕變持久性能等等 。 表 3 是 四 種 合 金造了試驗(yàn)輪盤(pán)并進(jìn)行了詳細(xì)的解剖試驗(yàn)4。DONGFANG TURBINENimonic 10530WaspaloyHaynes 282IN 74028Udimet 720Li26）02=（ 24cP ML222018101001000Stress（MPa）圖 3 美 國(guó) A-USC 計(jì) 劃 中 5 種待選轉(zhuǎn)子鎳基高溫合金持久強(qiáng)度對(duì)比 50表

22、3 四種合金經(jīng)熱處理后的典型拉伸性能數(shù)據(jù)合 金MPaRm/MPaA/%Z/%263617625718615359363115591277276313402148571918455221美 國(guó) 的 A-USC 計(jì) 劃 同 歐 洲 的 AD700 計(jì) 劃 相目前持久試驗(yàn)已 經(jīng) 做 到 了 12000 小 時(shí) 以 上 。 同 時(shí) ，對(duì) 5 種 合 金 進(jìn) 行 了 10 萬(wàn) 小 時(shí) 和 25 萬(wàn) 小 時(shí) 的 持 久 強(qiáng) 度 外 推 。 結(jié) 果 見(jiàn) 表 4 所 示 。 圖 3 是 5 種 材 料 的 持久強(qiáng)度對(duì)比圖 。 從 表 中 得 出 ， 只 有 Nimonic105，比， 溫 度 達(dá) 到 了 76

23、0， 因 此 ，美國(guó)對(duì)高中壓焊接 轉(zhuǎn)子用鎳基高溫合金有不同的選擇 。 美 國(guó) 的 待 選材 料 有 5 種 ， 分 別 是 Nimonic105， Haynes282，Udimet720Li， IN740， Waspaloy。 目 前 ，主 要 是 對(duì)Haynes282 和 Waspaloy 三 種 合 金 滿(mǎn) 足 760 、萬(wàn)小時(shí)持久強(qiáng)度大于 100MPa。10Nimonic105， Haynes282， Udimet720Li 這 三 種 合 金進(jìn)行包括蠕變持久 、 疲 勞 在 內(nèi)的性能測(cè)試和評(píng)估 。表 4 美國(guó) A-USC 計(jì)劃中 5 種待選轉(zhuǎn)子鎳基高溫合金的長(zhǎng)時(shí)外推持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)合 金外

24、 推 時(shí) 間/h760持 久 應(yīng) 力/MPa100MPa 可 達(dá) 溫 度/10 萬(wàn)25 萬(wàn)10 萬(wàn)25 萬(wàn)10 萬(wàn)25 萬(wàn)10 萬(wàn)25 萬(wàn)10 萬(wàn)25 萬(wàn)16914112710230127453154129805788786770728712768751797780Nimonic 105Haynes 282Udimet 720LiInconel 740WaspaloyDONGFANG TURBINE持久強(qiáng)度外推到 100,000 小時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度/600650700750800300CF8C-Plus： 數(shù) 據(jù) 點(diǎn)NF709）aP 100MAlloy 617（ 80力應(yīng) 6040TP347HFG

25、Super 304H2021,000 22,000 23,000 24,000 25,000 26,000 27,000 28,000LMP（C=20）圖 4 CF8C-PLUS 材料的持久強(qiáng)度外推值 圖 5 采 用 IN617 合金鑄造的閥殼 51同歐洲和美國(guó)相比 ， 日 本 在 700先 進(jìn) 超 超 臨界轉(zhuǎn)子材料方面的研究進(jìn)展較快 。日 本 三 家 主 要的 汽 輪機(jī)制造公司分別進(jìn)行了轉(zhuǎn)子材料的研究 。三 菱 公 司 研 發(fā) 的 材 料 是 低 膨 脹 系 數(shù) 合 金 LTES700R， 該合金的熱膨脹系數(shù)同 12Cr 鋼 相 似 ， 其 原 型 LTES700 最初是用于小零部件 ， 如

26、 螺 栓 ，經(jīng)合金成分改 型 后 ， 用 于 轉(zhuǎn) 子 材 料5。TOS1X 合 金是 東 芝 公 司 在 Alloy617 合 金 的 基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái) ，其 在 700 、 100000 小時(shí)的持久斷裂強(qiáng)度 期 望 值在 150MPa 左右，東芝公司目前已經(jīng)成功制造了直徑 1000mm， 重 量 為 7 噸 的 鍛 件 3。 FENIX-700 合金是日立公司在 Alloy706 合金的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái) ，目 前 ，日 立 公 司已經(jīng)完成了該合金 30000 小 時(shí) 的持 久 試 驗(yàn) ， 該 合 金 在 700 ， 100000 小 時(shí) 的 持 久斷裂強(qiáng)度期望值也在 100MPa 以上7。 汽缸

27、及閥殼汽缸及閥殼鑄件材料必 須具有一定的高溫強(qiáng) 度 、 組 織 穩(wěn) 定 性 、 優(yōu) 異 的 持 久 蠕 變 性 能 、 高 溫 抗 氧 化 性 能 、 較好的焊接性能 、 鑄 造 性 能 、 耐 磨 性能和耐沖蝕性能等 。對(duì) 于 700等級(jí)先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī) ，高 溫 鑄件的候選材料有 ： CF8C -Plus， IN617， IN625。CF8C-Plus 是 由 美 國(guó) ORNL 和 Capterpillar 在 CF8C基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一個(gè)新類(lèi)型鋼 ， 其 具 有 比 NF709 和Super304H 更好的蠕變強(qiáng)度 。其蠕變強(qiáng)度 接 近 于 鎳對(duì)于溫度更高的 760等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)用 鑄

28、 件 ， 目前的研究主要是 采 用 CCA617 和 IN740 這兩種合金 。 CCA617 （chemistry-controlled variant of alloy） 合 金 是 IN617 的 改 進(jìn) 型 ， 相 對(duì) 于 IN617， CCA617 的特點(diǎn)就是對(duì)合金化學(xué)成分要求范圍控制 更 加 嚴(yán) 格 ， 提高了合金的綜合性能 ， 使 其 適 用 于基 高 溫 合 金 617。 圖 4 是該合金持久強(qiáng) 度 外 推 結(jié)果 。 CF8C-Plus 鋼 采 用 “ 微 觀(guān) 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) ” 的 方 法 研 制 開(kāi) 發(fā) ， 使 得 其 具 有 穩(wěn)定的奧氏體相 。 CF8C- Plus 鋼良

29、好的高溫蠕變強(qiáng)度來(lái)自于晶 粒 內(nèi) 彌 散 分布 納 米 尺 度 的 NbC。 雖 然 該鋼具有高的強(qiáng)度 ，但由 于 其 不 含 有 相 或者其他的脆化析出相 ，所 以更 高 的 使 用 溫 度 。表 5 是 CCA617 合 金 化 學(xué) 成 分具 有 高的蠕變斷裂韌性 。 CF8C-Plus 鋼 還 具 有 優(yōu)秀的抗疲勞和熱疲勞性能 。 其 毛 坯 鑄 件 ， 不 需 任同 IN617 合 金 的 對(duì) 比 情 況 8。 圖 6 是 CCA617 合 金同 IN617 合 金 蠕 變性能的對(duì)比圖 ， 從 圖 6 中 可 以 明 顯 看 出 ， 通過(guò)合金成分控制后 ， 蠕 變 性 能 有 明 顯的

30、提高 。 IN740 合金是最近才新研制出 的 一 種 鎳 基 高 溫 合 金 ， 它 是 在 Nimonic263 的 基 礎(chǔ) 上 改 進(jìn) 而 來(lái)， 主要采用 相和碳化物相進(jìn)行強(qiáng)化9。何 附 加 熱 處 理 ， 就擁有如上所述的良 好 性 能 ，這是使用 CF8C-Plus 鋼鑄造大型鑄件的一大優(yōu)點(diǎn)7。在 歐 洲 AD700 計(jì) 劃 中 ， 主 要 是 針 對(duì) IN617 和 IN625 這兩種材料作為 大型鑄件材料的研究 。 圖 5 是 采 用 IN617 合 金 鑄造的并經(jīng)噴丸處理后的閥殼 實(shí)物。DONGFANG TURBINE） a PM 617 平 均 值（度 CCA617強(qiáng) 裂 斷

31、 變 蠕圖 6 CCA617L-M P=合 金（1同.8TIN617+492合） 金（logL-Mtrupt+2曲0線(xiàn)） 對(duì) 比52表 5 CCA617 合金化學(xué)成分同 IN617 合金對(duì)比（%）合 金NiCrCoMoFeMnAlCCuSiIN617CCA617BalS20.021.0Ti0.310.011.0P8.08.0BN0.80.80.050.05IN617CCA617基變形高溫合金 ， 具有較高的強(qiáng)度 ， 但 熱 加 工 性能和焊接性能較差 ，主要用于制造 航 空 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 渦輪 葉 片 ， 高溫螺栓等高溫零部件 。 工 作 溫 度 能 夠達(dá) 到 750950 ， 。 IN718

32、合 金 是 以 體 心 立 方 的 相沉淀強(qiáng)化的鎳 基 高 溫 合 金 ， 在-253700溫 度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能 ， 650以 下 的 屈 服 強(qiáng)度居變形高溫合金的首位 ， 并 具 有 良 好 的 抗 疲勞 性 、 抗 氧 化 、腐蝕性能以及良好 的 加 工 性 能 和長(zhǎng)時(shí)組織穩(wěn)定性 ， 同 時(shí) ， 該 合 金 的 組 織 對(duì) 熱 加 工工 藝 特 別 敏 感 ，掌握合金中相析出 和 溶 解 規(guī) 律 及組 織 與 工 藝 、 性能之間的關(guān)系 ， 可 針 對(duì) 不 同 的 使高溫葉片和螺栓作為汽輪機(jī)中最重要部 件 之 一 的 葉 片 ，用要求制定合理 、 可行的工藝規(guī)程 ，就 能 獲 得

33、 可特 別滿(mǎn)足不同強(qiáng)度級(jí)別和使用要求的各種零件 。是 高 溫 段 葉 片 ， 在運(yùn)行過(guò)程中需要承 受 極 其 惡 劣的 工 況 。緊固件則需要很高的強(qiáng)度和 高 溫 應(yīng) 力 松弛 性 能 、 蠕 變 性 能 。 從國(guó)外的研究資 料 表 明 ， 只有使用鎳基高溫合金 ， 才 能 滿(mǎn) 足 700等 級(jí) 機(jī) 組 對(duì) 高溫段葉片和緊固件對(duì)材料性能的要求 。我國(guó)發(fā)展超超臨界機(jī) 組的時(shí)間較歐美和日本 等先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家較晚 ， 但 是 發(fā) 展 速 度 非 常 快 。 目對(duì) 于 葉 片 材 料 ，國(guó) 外 發(fā) 達(dá)國(guó)家的研究計(jì)劃傾 向于采用目前已經(jīng)廣泛在低級(jí)別燃?xì)?輪 機(jī) 、 煙 氣輪機(jī)中使用的 鎳 基 高 合 金

34、， 如 AD700 計(jì) 劃 中 使 用 的 Waspaloy， Nimonic105； 對(duì)于緊固件材料 ， 計(jì) 劃 使 用 Nimonic105， IN740， Waspaloy， IN718 等 牌號(hào)的合金作為備 選 材 料 。 Waspaloy 合 金 是 美 國(guó) Pratt Whitney 公 司 20 世 紀(jì) 50 年代發(fā)展起來(lái)的 相 沉淀硬化型鎳基高溫合金 ， 該 合 金 在760以 下 具 有高的拉伸和持久強(qiáng)度 ， 在870以下具有良好的 抗 氧 化 性 能 ，其最大的優(yōu)點(diǎn) 是具有良好的強(qiáng)韌化匹 前 ，我國(guó)的超超臨界機(jī)組的蒸汽參 數(shù) 已 經(jīng) 達(dá) 到 了同 時(shí) ，已 有 30 多 臺(tái)

35、超超臨界機(jī)組投入商 600，業(yè) 運(yùn) 行 ， 成為在運(yùn)超超臨界機(jī)組最 多 的 國(guó) 家 。但是，我 國(guó) 600超超臨界機(jī)組的研發(fā)無(wú)一例外都是 同歐美或者日本的公司如西門(mén)子 、日 立 等 合 作 實(shí)現(xiàn) 的 ， 并未完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化 ， 一 方 面 的 主 要 原 因還是材料的研究不夠 。 根據(jù)國(guó)家的最新政策 ，700等級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組的研發(fā) 已 經(jīng) 提 上 日 程 ，要在“十 二 五 ”計(jì)劃的末期具備建造 試 驗(yàn) 電 站 的 能配 ，即 在 高 強(qiáng) 度的條件下又具有足夠的韌性 10。目力 。 這對(duì)于汽輪機(jī)行業(yè)來(lái)講 ， 是一個(gè)重要的契機(jī) 。前 ， 該合金廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和 動(dòng) 力 機(jī) 械 中渦輪盤(pán)和渦

36、輪葉片的制造 。Nimonic105 合金為高合金化的時(shí)效強(qiáng)化 型 鎳根據(jù)歐美和日本的研究計(jì)劃 ，材 料 研 究 均 是 放 在最重要的第一階段 。雖 然 我 國(guó) 的 700計(jì) 劃 同 發(fā) 達(dá)國(guó) 家 相 比 ， 時(shí)間上落后較多 ， 但 是 ， 國(guó) 內(nèi) 的 高 校 、3 我 國(guó) 700超超臨界汽輪機(jī)材 料 研 究 及東汽選材DONGFANG TURBINE53研究所 、 發(fā)電設(shè)備企業(yè)等 ， 都 已 經(jīng) 開(kāi) 展 了 700超2 R. Viswanathan, J. F. Henry, J. Tanzosh, etc.U.S programon materials technology for US

37、C power plant. Journal ofMaterials Engineering and Performance, 2005, 14 ( 3) :281292 3 Masafumi Fukuda, Eiji Saito, Yoshinori Tanaka, etc.Advanced USC technology development in Japan. Proceedings from the sixth International Conference onAdvances in Materials Technology for Fossil Plants, 2010超臨界汽輪

38、機(jī)用材料的研究工作 ， 因 此 ，以高起點(diǎn)開(kāi)展工作 ， 較短的時(shí)間內(nèi)完成 。我 們 可公司在已有資料的 基 礎(chǔ) 上 ，主 要 篩 選 了 IN617，IN740，Haynes282， Waspaloy， Nimonic105 等 幾 種 高 溫合金作為候選材料進(jìn)行全面的性能研究 。IN617 等主要作為大型鍛件用試驗(yàn)材料 ，進(jìn) 行 合 金成分的改進(jìn)及全面的力學(xué)性能試驗(yàn) ，并 進(jìn) 行 模 擬 4Rudolph Blum, Rod W. Vanstone. Material developmentfor boilers and steam turbine operating at 700 . Pr

39、oceedings from the Fourth International Conference on Advances in Materials Technology for Fossil Plants, 2004Seiji Kurata, Shigeki Ueta, Toshiharu Noda, etc. Ni -base Superalloy “ LTES700R” with low thermal expansion for advanced 700- class steam turbine. 電 氣 制 鋼 , 2008,79 (3) : 239-244件的試制和異種金 屬 的

40、 焊 接 試 驗(yàn) 。Waspaloy 合 金等 作 為中小件如葉片 、 螺 栓 、 閥桿的候選材料 ，這種材料有在燃?xì)廨啓C(jī)或者煙氣輪機(jī) 中 長(zhǎng) 期 使 用的 經(jīng) 驗(yàn) ， 同時(shí)還積累了大量的可借鑒 的 數(shù) 據(jù) ，其5作為煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片已經(jīng)有 20 多 年 的 使 用 經(jīng) 驗(yàn) 。對(duì)于大型的鑄件 ， 主 要 考 慮 采 用 IN740 合 金 作 為 候選材料 。 6 Shinya Imamo, Jun Sato, Hironori Kamshida, etc.Development status of Ni -Fe base superalloy for 700 class A -USC steam turbine application. Proceedings from the sixth Int