超超臨界汽輪機高中壓轉子用材的現狀研究

陳 敏

(大唐水電科學技術研究院，四川 成都 610000)

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，用電需求也迅速增長，平衡好電力生產與環境保護之間的關系成為電力行業面臨的巨大挑戰。我國能源結構和國情決定了今后相當長一段時間內電源結構仍將以燃煤發電為主，預計到2020年，火電裝機維持在60%左右，2030年在50%左右，2050年在38%左右。淘汰能耗高、污染重的落后產能，大力發展能耗低、效率高的超超臨界機組成為提高能源效率和解決環境保護問題的最佳途徑[1]。

我國火電機組經歷了壓力參數由16.66 MPa向35 MPa擴展，溫度參數由亞臨界540 ℃向超臨界565 ℃和超超臨界600 ℃/620 ℃/630 ℃發展的過程。高參數、大功率機組提高了發電效率，降低了煤耗，減少了CO2的排放。據測算，主蒸汽溫度每提高10 ℃，熱效率可相對提高0.25%～0.3%，再熱蒸汽溫度每提高10 ℃，熱效率可相對提高0.15%～0.2%。對于超超臨界機組，蒸汽溫度從600 ℃提高到650 ℃，可以減少8%～10%的CO2排放，可取得顯著的節能減排效果。現今世界各國都在爭相發展更先進的超超臨界機組，見圖1。

圖1 火電機組的發展歷程

汽輪機轉子作為火電機組的核心部件，其性能狀況對機組的安全穩定起著關鍵作用。在火電機組調峰越來越頻繁的背景下，對汽輪機轉子材料的抗蠕變、抗疲勞、抗氧化性能提出了更嚴苛的要求。國內620 ℃等級超超臨界機組汽輪機高中壓轉子均使用FB2轉子鋼，該材料具有優良的高溫力學性能及蠕變強度，良好的組織穩定性及抗沖擊、抗疲勞、抗蒸汽氧化性能。

目前，國內廠家還未實現FB2轉子鍛件的國產化制造，由于超超臨界機組汽輪機高中壓轉子尺寸較大，要實現化學成分的精準控制和鍛件性能的均勻性控制，對工藝提出了很高的要求。制造廠和院校對FB2轉子鋼的研究重點主要在冶煉工藝、制造工藝、熱處理參數對材料性能的影響規律，轉子服役過程中材料性能的變化趨勢等方面。

2 汽輪機高中壓轉子用材的現狀研究

汽輪機高中壓轉子鋼經歷了從傳統Cr-Mo-V系鋼到9%～12%Cr高合金耐熱鋼再到新型9%Cr復合強化耐熱鋼的發展歷程[2]。

9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼比Cr-Mo-V系鋼擁有更低的C含量，可避免轉子在高溫下長時間運行形成大量碳化物；較高的Cr含量，顯著提高了抗氧化性能；添加W、Mo、V等元素，提高了鋼的高溫強度；添加微量Nb與C、N形成穩定的碳、氮化物，提高了鋼的熱強性；添加微量N在晶界處形成氮化物，抑制大量碳化物的析出，提高了晶界高溫強度和蠕變強度。新型9%Cr復合強化耐熱鋼添加了少量的Co、B元素，Co是固溶強化元素，也是奧氏體形成元素，可有效抑制δ-鐵素體的析出；B是間隙固溶強化元素，能抑制M23C6的粗化，可提高組織穩定性，改善蠕變性能。

傳統Cr-Mo-V系轉子鋼使用溫度一般在545 ℃以下亞臨界蒸汽環境。歐洲研發的X21CrMoV121轉子鋼，將使用溫度提高至550 ℃。日本和美國通過添加Nb、Ta、N等元素，制造出了11CrMoVTaN、11CrMoVNbN及12CrMoVW等轉子鋼，使用溫度達到了565 ℃。日本通過增加Mo含量，增強固溶強化作用，開發了TMK1轉子鋼，歐洲通過添加Nb、N，降低C含量，研發的X12CrMoVWNbN1011，將使用溫度提高到593 ℃。在此基礎上，進一步添加B，并去除W，開發了X18CrMoVWNb91，日本將W含量增至1.84%，研制出TMK2，可用于620 ℃等級超超臨界機組轉子。在TMK2的基礎上添加3%Co、0.01%B和2.7%W，研制出HR1200，應用于650 ℃等級機組中[3]，如圖2所示。

圖2 轉子材料的應用狀況

歐洲COST501(1986—1997)項目開發9%～10%Cr鐵素體耐熱鋼，使用COST E鋼制造出了Φ1280 mm/45 t的轉子，使用COST F鋼制造出了Φ1380 mm/44 t的轉子，可適用于600 ℃等級火電機組。COST522(1998—2003)項目在9%～10%Cr鐵素體耐熱鋼的基礎上，降低C，提高Cr，添加1%Co和0.0085%B，研制出成分為9Cr-1.5Mo-1Co-0.010B的COST FB2鋼，使用溫度達到620 ℃。澳大利亞的Boehler、意大利的SdF Terni、德國的Saar 3個廠分別用電渣澆注、電爐+爐外精煉和電渣重熔的方法制備了直徑為1180 mm、1110 mm、1215 mm的全尺寸轉子鍛件。COST536項目降低Mn、增加Mo，優化B、N含量，研制了COST FB4鋼，Saar試制了直徑1250 mm，重30 t的轉子鍛件[4-5]。

目前，歐洲、日本企業已經具備了制造大尺寸FB2轉子鍛件的技術能力，而國內制造企業還處于工業化試制和研究階段。

3 FB2轉子鋼現狀研究

3.1 轉子鍛件性能特點

FB2轉子鍛件金相組織為完全回火馬氏體組織，組織均勻性好，在原奧氏體晶界和馬氏體板條界及板條內部分布著大量析出相，如圖3(a)、(b)所示，板條內存在高密度位錯，組織穩定性好。FB2轉子在室溫和高溫下均為循環軟化材料，室溫屈服強度大于700 MPa，蠕變斷后伸長率大于10%[6]。轉子鍛件淬透深度大于1200 mm，表面到心部強度基本一致，斷面伸長率、斷面收縮率及沖擊功呈現小幅下降趨勢，心部的FATT50明顯增大，塑韌性逐漸變差。620 ℃工況下依然具有較高的疲勞壽命，外推法測算625 ℃/105h時效后蠕變強度達到100 MPa。表1為國內外制造廠對FB2轉子的技術要求。

(a)

(b)圖3 FB2轉子鍛件微觀形貌

表1 各汽輪機制造廠對FB2的技術要求

3.2 制造工藝

620 ℃等級超超臨界機組汽輪機高中壓轉子尺寸大，性能要求高，對冶煉、鍛造及熱處理等各環節的工藝要求較高，圖4為高中壓轉子生產工藝流程。FB2轉子鋼合金含量高，成分體系復雜，全尺寸轉子鍛件的制造難度非常大。尺寸大，易產生粗大晶粒，散熱和變形不均勻易出現混晶現象[7]。要得到純凈、均勻、偏析少的鋼錠，需嚴格控制冶煉中鋼錠模設計、澆注溫度和鋼錠模預熱等工藝環節。FB2轉子為全尺寸整鍛制造，主要采用ESR熔煉，生產出的鋼錠具有成分均勻，偏析小，非金屬夾雜物少，脫氧、脫硫效果好等優點[8]。

圖4 高中壓轉子生產工藝流程

鋼錠鍛造時進行拔長前鐓粗，可破碎鋼錠的樹枝狀鑄造組織和碳化物，改變夾雜物的分布狀態，提高鍛件拔長鍛造比，減少力學性能的異向性。采用WHF鍛造工藝，可去除大鋼錠澆注凝固過程中，在中心區形成的非金屬夾雜物、偏析和疏松等缺陷。要特別注意防止變形不均勻，造成熔煉時形成的粗大相未能碎化或未溶到基體中，最終導致晶粒大小不均勻。

鍛后熱處理是為消除內應力，改善鍛造時形成的過熱和粗大組織，均勻成分，細化晶粒，提高機加工性能和力學性能。機加工后，性能熱處理前進行預備熱處理，在700 ℃左右等溫足夠長時間，通過珠光體轉變獲得鐵素體加碳化物的致密組織。性能熱處理由淬火加2次回火組成，第1次回火對淬火得到的馬氏體進行回火，并使殘余奧氏體轉變為馬氏體，第2次回火是對第1次回火過程中形成的馬氏體回火，得到完全的回火馬氏體組織。同時，FB2轉子鍛件尺寸大，鍛造溫度高、時間長，轉子各部分散熱和變形量不均勻，產生混晶，為此可增加等溫退火工序，控制退火溫度和時間來消除混晶，可得到均勻細小的晶粒[9]。

3.3 元素的作用

Cr作為主要合金成分，能夠縮小γ相區，在一定程度上提高材料的蠕變強度和持久壽命，提高材料的抗高溫氧化和抗腐蝕能力。Mo主要起固溶強化作用，降低材料的回火脆性，可以有效抑制M23C6的聚集粗化，提高材料高溫強度。Co是固溶強化元素，也是奧氏體形成元素，可以有效抑制對鋼的蠕變持久性能不利的δ-鐵素體的形成。V和Nb在鋼中形成基體中彌散分布的MX相，MX相在高溫條件下具有良好的穩定性，提高鋼的高溫強度，適量的V、Nb可以使鋼有較好的持久強度和韌性。Ni能擴大γ相區，提高鋼的淬透性和韌性。Mn起到脫氧、脫硫的作用。B是間隙固溶強化元素，能夠在原奧氏體晶界附近的M23C6碳化物處聚集，可溶性B降低原奧氏體晶界處M23C6的粗化速率和遷移，保持晶界附近的碳化物均勻分布，提高顯微組織的穩定性和蠕變持久強度[10-11]。

但是，過量的B和N會在正火熱處理過程中促進大尺寸BN化合物生成，呈團簇狀長條形析出，尺寸可達100 μm，分布在原奧氏體三岔晶界和晶內。BN為脆性相，尺寸較大時，會降低材料的沖擊和低周疲勞性能。高Cr馬氏體鋼中B、N含量與BN析出物的關系，如圖5所示。高Cr鋼中可溶性B含量的降低，會削弱硼化物和氮化物對基體的強化作用，從而降低材料的高溫蠕變強度，因此，在轉子冶煉過程中要嚴格控制B、N含量。

圖5 高Cr馬氏體鋼中B、N含量與BN析出物的關系

3.4 強化機理

FB2轉子鋼的強化機制主要有固溶強化、位錯強化和析出強化。鋼中的Mo、W和Co通過置換原子或間隙固溶，進入到鐵素體基體中，改變原有的點陣常數，形成晶格畸變，增加位錯密度，起到固溶強化的作用。位錯蠕變是主要的變形機制，鋼中高的位錯密度和小的亞晶界尺寸起到了位錯強化的作用。FB2鋼中析出M23C6、MX相，具有很強的穩定性，能釘扎位錯，維持馬氏體板條束的穩定，在基體中形成彌散強化。

FB2鋼中析出相主要有M23C6(M為Cr、Fe、Mo、W等)、MX(M為V、Nb，X為C、N)、Laves相和Z相。回火后，在晶界和亞晶界分布著大量的M23C6，M23C6相為復雜面心立方結構，能長時間釘扎位錯，有效阻礙位錯運動和亞晶生長，延遲回復過程，強化基體，提高持久蠕變強度[12]。一次MX相主要析出在亞晶內的位錯處，有效阻礙亞晶界和自由位錯間的“交織作用”，阻礙奧氏體化時晶粒的粗化，減緩位錯蠕變速度。馬氏體板條內的針狀MX相，具有釘扎位錯的作用，降低蠕變速率。FB2鋼時效初期有短桿狀Laves相析出，Laves相為密排六方金屬化合物，尺寸細小的Laves相能提高材料的抗拉-蠕變強度，長期時效后，Laves相逐漸粗化，鋼的韌性降低。Z相比MX相擁有更高的熱力學穩定性，是FB2鋼長期時效后，以消耗細小的MX相為代價形成的相，隨著Z相含量的增加，鋼的持久強度降低。

3.5 時效

FB2轉子長期高溫服役過程中，受到自身重力、蒸汽沖擊和離心力等載荷，會加劇轉子的蠕變損傷；溫度變化，轉子受到的交變熱應力，會引起轉子的疲勞損傷。組織中馬氏體板條逐漸粗化，亞晶界回復使位錯密度和纏結作用下降；高溫下擴散作用的增強加速位錯在沉淀相周圍的攀移，位錯運動阻力降低；粘塑性形變和與之相關的位錯滑移和攀移造成亞晶消失和位錯密度的下降等因素都將導致材料的蠕變強度下降[13-14]。

時效過程中，析出相M23C6尺寸緩慢增大，由亞晶界遷移至亞晶內，喪失對亞晶界的釘扎作用；MX相逐漸轉化為Z相，并迅速長大粗化；Laves相在富Cr和高濃度Mo的碳化物周圍或在Mo、W等擴散至晶界的界面處成核，Laves相的析出和粗化降低了基體中的W、Mo含量，削弱固溶強化作用。研究發現，650 ℃時效初期(269 h)未析出Laves相，見圖6；時效中期(20 262 h)，在晶界和馬氏體板條界析出Laves相，尺寸遠大于M23C6，見圖7。從269 h到20 262 h，Laves相析出并長大，消耗了大量的Mo元素，導致固溶強化效果明顯減弱，降低了FB2的沖擊性能，并且易在界面處形成蠕變孔洞，甚至發展成為裂紋。

圖6 650 ℃時效269 h后組織

圖7 650 ℃時效20 262 h后組織

高溫交變載荷下，9%～12%Cr 鋼強度具有非常明顯的周期性軟化特征。周期性軟化源于馬氏體板條亞晶粒的粗化和位錯密度的降低。與恒定載荷相比，在相同區間內的交變載荷促使亞晶粒粗化程度更嚴重，直接引起蠕變強度急劇惡化(最小蠕變速率增加近100倍)[15]。

目前，包括620 ℃等級超超臨界在內的火電機組面臨越來越大的調峰壓力，機組頻繁啟停、變負荷運行，汽輪機轉子運行工況越來越惡劣，轉子的性能也越來越受到考驗。研究FB2轉子的性能特點，強化機制，特別是服役時效狀態下組織中析出相數量、尺寸、位置等對性能的影響規律，并以此對在役FB2轉子的壽命情況進行動態評估，對保障機組的安全穩定運行具有重要意義。

4 高參數機組轉子用材展望

燃煤發電技術的發展，在于進一步提高溫度和壓力，研發出對應等級的材料成為關鍵。FB2轉子鋼的使用溫度極限為620 ℃，目前對于更高等級汽輪機轉子材料的開發主要有2種路線，一種是在9%～10%Cr鐵素體耐熱鋼的基礎上，添加B、N、V和Nb等元素提高性能，研究重點主要是優化n(B)/n(N)配比，用Ta替代Nb，調整工藝；另一種是借鑒航空領域鎳基合金的技術經驗，采用鎳基合金整體制造或鎳基合金與鐵素體耐熱鋼焊接組合的形式制造轉子[16]。

650 ℃下，9%Cr鋼與鎳基合金異種鋼焊縫蠕變斷裂壽命可以達到常規9%Cr鋼的5～10倍。700 ℃以上，日立公司研發的FENIX-700，外推法700 ℃/105h持久強度大于100 MPa，采用VIM+ESR工藝生產出直徑為1050 mm鑄錠。歐洲Therm ie AD 700項目采用鎳基合金與鐵素體鋼焊接，選用固溶強化的Alloy617、Alloy625，時效強化的Alloy263、Alloy718，Saar公司采用VIM+ESR工藝制造了直徑為700 mm高壓轉子和1000 mm的中壓轉子。

我國雖然是世界上擁有超超臨界機組數量最多的國家，但620 ℃等級以上的汽輪機高中壓轉子尚未實現國產化，對700 ℃等級的汽輪機轉子材料研究少見報道。依賴進口，將會嚴重制約我國燃煤發電技術的發展。國內從2008年開始700 ℃等級火電機組關鍵材料的預研究工作，主機設備制造廠對歐盟700 ℃等級先進超超臨界技術開發計劃進行了跟蹤研究，鋼鐵研究總院、中科院金屬所與特鋼廠合作進行部分材料的研制。2010年，我國組建了700 ℃超超臨界燃煤發電技術創新聯盟，對高溫材料強韌化機制理論和制造工藝進行深入研究，在充分吸收國外技術經驗的基礎上，進一步創新，最終實現趕超。