高温转子是汽轮机的核心部件，其运行于蒸汽氧化腐蚀的工况条件，且需要承受高温、高应力。当蒸汽温度达到650℃后，现有的各类9％～12％Cr（质量分数）钢已经无法满足汽轮机高温转子的使用要求，必须采用镍基合金。然而，660MW、1000MW等级超超临界汽轮机高压转子的质量均超过20ｔ，中压转子质量均超过40ｔ。由于镍基合金的变形抗力大、变形温度区间窄等特点，导致目前无法采用Ni基合金制造20ｔ以上的大型转子锻件。大功率超超临界汽轮机高、中压转子必须采用焊接结构，仅在蒸汽温度超过600℃的部分采用镍基合金，以便将镍基合金锻件控制在10ｔ以内。即便如此，所需铸锭质量也超过20ｔ，直径超过1000mm，这就对大尺寸镍基合金铸锭的冶炼和制备提出了巨大挑战[1]。

为了解决650℃等级汽轮机转子用大型锻件的材料问题，本文将分析国内外超超临界汽轮机高温转子用大型镍基合金的成分特点、冶炼工艺、锻件尺寸、性能水平等，重点阐述国内在大型镍基合金冶炼工艺、锻造、热处理等制造工艺方面的研究现状，旨在为下一步国内大型镍基合金制造方面的研究工作提供参考。

1、现有候选合金成分　

国内外超超临界汽轮机高温转子候选合金成分如表1所示[2-5]，由表1可以看出：

（1）617和625合金属于固溶强化合金，是欧洲AD700项目研发的700℃等级超超临界汽轮机高温转子候选合金；263合金属于时效强化合金，是德国萨尔公司研发的750℃等级超超临界汽轮机高温转子候选合金。　

（2）TOS1X和TOS1X-Ⅱ是日本东芝公司在617合金基础上改进的时效强化合金，LTES700Ｒ是日本三菱公司开发的低膨胀时效强化合金，FENIX-700是日本日立公司在706合金基础上改进的时效强化合金，三种合金均为700℃等级超超临界汽轮机高温转子候选合金。　　

（3）282合金属于时效强化合金，其Al、Ti含量较高，是美国研发的760℃等级超超临界汽轮机高温转子候选合金。　　

（4）C-HRA-2和C-HRA-3属于固溶强化合金，C700R-1属于时效强化合金，这3种合金是我国钢研总院研发的超超临界汽轮机高温转子候选合金，分别为650℃、700℃和750℃等级超超临界汽轮机高温转子候选合金。

2、国内外大型镍基合金锻件研制现状

2.1　国外情况　　

国外大型镍基合金铸锭和锻件情况如表2所示[2，6-9]。

（1）德国

德国萨尔公司是目前世界上该领域研发和制造能力最强的公司。2000年至今，萨尔公司已经为世界各国的各类650℃及以上等级超超临界汽轮机的研发项目提供了大量大型镍基合金锻件。从表2可以看出：其制造的固溶型强化617合金的最大ESR铸锭直径达1300mm，铸锭质量达38.2ｔ，锻件交货质量达18.9ｔ；时效强化型263合金的最大ESR铸锭直径达1000mm，铸锭质量达23ｔ，锻件交货质量达12.3ｔ。　　

（2）美国

为了满足大功率超超临界汽轮机高温转子的用材需求，美国对Ｈａｙｎｅｓ282、ＩｎCｏｎｅｌ740Ｈ、ＩｎCｏｎｅｌ720Ｌｉ、NiｍｏNiC105等合金进行了筛选，最终确定选用Ｈａｙｎｅｓ282合金作为转子候选材料。ＧＥ公司采用真空感应＋电渣重熔＋真空电弧重熔（VIM＋ESR＋VAR）三联工艺，使用压机制造了φ1220mm、质量2.19ｔ的锻件，并对其进行了解剖分析。其中，2根φ457mm的铸锭由VIM工艺冶炼而成，2根φ559mm的铸锭由ESR工艺冶炼而成。二者的照片如图1所示。最终采VAR工艺冶炼成1根φ610mm的铸锭。

GE公司测试了锻件的晶粒度和低周疲劳性能、蠕变持久性能等，并将锻件性能与采用VIM＋ESR双联工艺轧制而成的粗晶282合金进行了对比分析，结果分别如图2至图4所示。　

从图2～4中可以看出：　　

（1）三联工艺锻件的晶粒细小均匀，为ASTM8～9级，ALA4级；　

（2）三联工艺锻制的细晶282合金的低周疲劳性能优于双联工艺轧制的粗晶282合金棒材；　　

（3）三联工艺锻制的细晶282合金的蠕变持久性能略低于双联工艺轧制的粗晶282合金棒材。

以上现象的原因是，细晶有利于提升疲劳性能，而粗晶有利于提高合金的蠕变持久性能。对于转子而言，其低周疲劳性能和高温蠕变持久性能都需要优异。因此，在研发汽轮机转子用大型镍基合金锻件时，应综合考虑不同工艺制备对合金各项应用性能的影响。　　

（3）日本

日本制钢所采用VIM＋ESR双联工艺，使用140MN水压机锻制了2件10ｔ级FENIX-700转子锻件，直径为877mm，长度为2154mm，并对其进行了试验。

由于第1件的晶粒较为粗大，导致转子的超声可探性较差，最小可探尺寸为3.7～4.8mm。因此，日本制钢所试制了第2件锻件，通过优化锻造工艺，细化了晶粒，提高了转子的超声可探性，第2件最小可探尺寸降低至1.6～1.9mm，达到620℃等级转子钢ＦＢ2的水平。

然而，第2件的持久性能要比第1件稍差，这是因为在等强温度以上，晶界强度弱于晶内强度，粗晶材料有更好的蠕变持久性能。二者蠕变持久性能对比如图5所示。但第2件的蠕变持久性能仍满足设计要求。

（4）小结

综上所述，上述国家关于超超临界转子用镍基合金研制的工作具有以下特点：

1）涵盖合金种类多；

2）以双联冶炼工艺（VIM＋ESR）为主；

3）掌握了制备10ｔ级大型转子锻件技术；

4）为提高锻件超声可探性，开展了大量细化晶粒方面的工作，包括锻造工艺、热处理工艺的优化等。

2.2　国内情况　

（1）冶炼工艺

国内一重等公司采用不同的冶炼工艺制备了不同规格的铸锭和锻坯，并开展了相关研究工作[11-19]，如表3所示。　　

从表3可以看出，在冶炼方面，国内一重等公司对617及其各类改型合金分别采用了4种工艺开展了试制研究工作。国内目前还无法制备出⌀900mm以上的大型镍基合金铸锭，因此无法解决超超临界汽轮机高温转子用10ｔ级以上的大型锻件的需求难题，主要难点是钢锭的偏析问题。文献[20]为了揭示大型镍基合金铸锭的内部凝固偏析行为，采用VIM＋ESR＋VAR三联工艺制备了C700Ｒ-1合金铸锭。结果表明，凝固初期，枝晶快速形成，液体的体积分数快速下降。凝固的最后阶段，残余液体凝固缓慢，Al、Ni、W和Co元素在枝晶干中偏析，而Ti、Nb和Mo元素在枝晶间富集，其中也析出MC型碳化物。凝固结束时，Mo和Cr的偏析进一步加剧，导致出现极低的固相线，形成共晶区，并导致凝固条件恶化。　　

（2）锻造工艺

国内的重机厂采用Ｇｌｅｅｂｌｅ等设备，对617及其改型合金进行等温热压缩试验，获得了不同条件下的真应力-真应变曲线，并对压缩试样的微观组织进行分析，最终得到应变速率与峰值应力、变形温度之间的本构关系方程：ε＝1.971×1015[ｓｉｎｈ（0.00426σｐ）]4.29ｅｘｐ(－49807∕Ｔ)（1）式中，ε为应变速率；σｐ为峰值应力；Ｔ为变形温度。　　

617和CN617合金的热加工参数如表4所示，热加工图如图6所示。　　

根据上述研究成果，一重公司采用VIM＋ESR双联工艺冶炼得到5.5ｔ铸锭，通过多次墩拔的自由锻造方式试制了直径为620mm的镍基合金转子锻件。其与日本FENIX-700的直径为877mm的锻件相比，锻态晶粒度及超声可探灵敏度的比较结果如表5所示，其力学性能如表6所示[12-13]。

综上可知，国内重机厂获得了镍基合金的本构方程、热加工图、始锻和终锻温度等，并掌握了热包套技术等大型镍基合金锻件的专有制造技术，完成了5.5ｔ铸锭、φ620mm锻件的试制并进行了性能组织分析，结果显示锻件各项性能优异，晶粒细小均匀，具有良好的超声可探性，但与国外锻件的超声可探性相比还有一定差距。　　

（3）热处理工艺

对于本文所述锻件的热处理工艺而言，除获得优异的各项应用性能外，如何控制晶粒长大也至关重要。与锻造时尽量获得细小均匀的组织一样，控制晶粒长大的目的也是为了提高

转子锻件的超声可探性。　　

陈正宗等[23]研究了不同固溶处理工艺对CN617耐热合金组织和硬度的影响，结果显示：在1125～1200℃温度范围内对合金进行固溶处理时，晶粒正常长大，晶粒平均尺寸从31μm增长到206μm；固溶温度超过1175℃时，富Cr和Ｍｏ碳化物基本回溶。CN617合金平均晶粒度与固溶温度的关系如图7所示。

（4）最新研究成果

在国家重点研发计划项目支持下，钢铁研究总院在617B、C-HRA-2和C-HRA-3合金基础上，针对650℃汽轮机转子锻件性能和服役工况要求，研发出C650Ｒ合金。通过降低Ｍｏ含量，改善了热塑性；优化Cｏ和Ｍｏ元素配比，避免了服役过程中Ｍ6C和μ相形成；优化Ti、Al总量及配比，提高γ＇相高温长时组织稳定性；添加合适的C含量，以保证碳化物的析出强化效果；添加少量的Ｎｂ，促进ＭＸ相形成、减少Ｍ6C相的析出，从而提高焊接性能；利用B、Zr复合强化，提高了晶界结合力，从而提高合金强度和韧性。采用VIM＋ESR＋VAM三联冶炼工艺完成了12～20ｔ级C650R合金锭研制，如图8所示，后续将开展650℃超超临界汽轮机高压转子全尺寸试制锻件研制和解剖分析[24]。

3、结论

（1）在大型镍基合金锻件冶炼方面，对于大型镍基合金铸锭，目前国内常用的ESR铸锭最大直径为508mm，ＶＡＲ铸锭最大直径为660mm，但通过深入研究冶炼工艺，国内已经可以采用三联工艺冶炼12～20ｔ级大型镍基合金铸锭。

（2）国内的镍基合金锻件在制造技术和操作细节方面与国外还有较大差距，制造直径超过1000mm的大型镍基合金锻件还需要进一步优化和完善制造工艺和操作规程。

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