[发明专利]一种700℃超超临界汽轮机转子用耐热合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于耐热合金技术领域，特别是涉及一种700℃超超临界汽轮机转子用耐热合金及其制备方法，具有优异综合性能的镍基耐热合金，可作为700℃超超临界火电机组汽轮机高中压转子材料。

背景技术

提高火电机组蒸汽参数是提高机组热效率和实现节煤减排的最重要措施。随着传统铁素体和奥氏体耐热钢技术的发展，现在世界范围内已可以批量建设600℃超超临界火电机组。近年新型9Cr-3W-3Co系铁素体耐热钢和Sanicro25新型奥氏体不锈钢的成功研发，批量建设630℃超超临界火电机组已经成为可能。目前，欧洲、美国、日本、中国、韩国、印度等正在研发700℃超超临界燃煤发电技术，其制约性“瓶颈”问题之一就是汽轮机高温转子耐热合金。迄今世界尚无成熟的汽轮机高温转子耐热合金可用，致使世界首台700℃超超临界燃煤示范机组开工建设日期一再推后。

用作700℃超超临界汽轮机转子的耐热材料最基本要求为700℃十万小时持久强度大于100MPa，此外材料还应具有良好的组织稳定性、抗多种环境腐蚀能力、可加工性等。虽然镍基高温合金已经在航空、航天、石油化工等高温领域获得了广泛应用，但由于服役条件不同，上述高温合金并不适合用于汽轮机高温转子的制造。在汽轮机转子耐热材料研究方面，欧洲以Inconel617和Nimonic263(U.S.Pat.No.3222165)为主。Inconel617在热加工性、高温韧性、耐腐蚀性以及焊接性等方面具有优异的性能，但持久强度不足成为该合金的最大的弊端，后续发展的一系列Inconel617的衍生耐热合金均以提升合金的持久强度为主。Nimonic263在热加工性和高温强韧性上表现优良，但该合金700～850℃时效过程中易形成η-Ni₃Ti相，消耗了合金的高温强化相γ′，产生γ′相的贫化区，降低了合金室温韧性和高温蠕变强度，缩短了材料的使用寿命。美国高温转子材料选取Haynes282(U.S.Pat.No.8066938)，该合金具有良好的组织热稳定性、高温强度，Haynes282合金在持久强度方面完全能够满足高温转子要求，然而该合金非常低的冲击韧性将不利于转子对冲击的承载。日本在Inconel617基础上改进的高温转子材料(CNNo.101838757)热加工性能优良、组织结构稳定，合金持久强度还需进一步验证。钢铁研究总院刘正东研究团队在Inconel617基础上添加镁元素开发研制了具有良好热加工性的耐热合金CN617(CNNo.103614593)，但该合金主要适用于大口径锅炉管并不适合高温转子材料。从目前世界范围700℃超超临界汽轮机转子合金的选取来看，现有成熟合金以及在成熟合金基础上改进的耐热合金如要用于汽轮机高温转子制造均存在一定的短板，目前急需一种综合性能优异的耐热合金来填补汽轮机高温转子材料的空白。

700℃超超临界汽轮机转子材料的研制具有重大意义，但在技术上存在非常大的困难，迄今尚未取得重大突破。高温转子在高温、高压蒸汽环境中高速旋转，用于汽轮机转子的材料除持久强度、长期组织稳定性、抗腐蚀性和热加工性要求外还应具有良好的焊接性、热加工性能和较低的热膨胀系数。为节约成本，高、中压汽轮机转子采用焊接方式生产，即高温部分采用镍基合金，低温部分采用铁素体耐热钢。因此，对汽轮机转子用镍基耐热合金的焊接性能及焊后热处理的现场可操作性提出了要求。为避免由于材料热膨胀不同而引起转子内应力的产生，造成转子材料的提前失效，用作汽轮机转子的耐热合金热膨胀系数应与铁素体耐热钢的热膨胀系数尽可能相近。镍基合金转子直径在850mm以上，长度大于3000mm，重量达10吨以上，合金的热加工温度区间较窄，表面和心部温降速率大不相同，直接影响转子组织和性能的整体均匀性。为提高合金高温性能而添加大量合金元素，极易造成合金元素的偏析及其它冶金缺陷，增加了合金的冶炼及制造难度。转子服役长达几十年，合金中析出相的粗化或者转变，导致合金性能的降低，严重威胁到整个机组的安全运行。

发明内容