高溫轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)的核心部件，其運(yùn)行于蒸汽氧化腐蝕的工況條件，且需要承受高溫、高應(yīng)力。當(dāng)蒸汽溫度達(dá)到650℃后，現(xiàn)有的各類9％～12％Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）鋼已經(jīng)無(wú)法滿足汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子的使用要求，必須采用鎳基合金。然而，660MW、1000MW等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子的質(zhì)量均超過(guò)20ｔ，中壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量均超過(guò)40ｔ。由于鎳基合金的變形抗力大、變形溫度區(qū)間窄等特點(diǎn)，導(dǎo)致目前無(wú)法采用Ni基合金制造20ｔ以上的大型轉(zhuǎn)子鍛件。大功率超超臨界汽輪機(jī)高、中壓轉(zhuǎn)子必須采用焊接結(jié)構(gòu)，僅在蒸汽溫度超過(guò)600℃的部分采用鎳基合金，以便將鎳基合金鍛件控制在10ｔ以內(nèi)。即便如此，所需鑄錠質(zhì)量也超過(guò)20ｔ，直徑超過(guò)1000mm，這就對(duì)大尺寸鎳基合金鑄錠的冶煉和制備提出了巨大挑戰(zhàn)[1]。

為了解決650℃等級(jí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用大型鍛件的材料問(wèn)題，本文將分析國(guó)內(nèi)外超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子用大型鎳基合金的成分特點(diǎn)、冶煉工藝、鍛件尺寸、性能水平等，重點(diǎn)闡述國(guó)內(nèi)在大型鎳基合金冶煉工藝、鍛造、熱處理等制造工藝方面的研究現(xiàn)狀，旨在為下一步國(guó)內(nèi)大型鎳基合金制造方面的研究工作提供參考。

1、現(xiàn)有候選合金成分　

國(guó)內(nèi)外超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子候選合金成分如表1所示[2-5]，由表1可以看出：

（1）617和625合金屬于固溶強(qiáng)化合金，是歐洲AD700項(xiàng)目研發(fā)的700℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子候選合金；263合金屬于時(shí)效強(qiáng)化合金，是德國(guó)薩爾公司研發(fā)的750℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子候選合金。　

（2）TOS1X和TOS1X-Ⅱ是日本東芝公司在617合金基礎(chǔ)上改進(jìn)的時(shí)效強(qiáng)化合金，LTES700Ｒ是日本三菱公司開(kāi)發(fā)的低膨脹時(shí)效強(qiáng)化合金，F(xiàn)ENIX-700是日本日立公司在706合金基礎(chǔ)上改進(jìn)的時(shí)效強(qiáng)化合金，三種合金均為700℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子候選合金?！　?/p>

（3）282合金屬于時(shí)效強(qiáng)化合金，其Al、Ti含量較高，是美國(guó)研發(fā)的760℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子候選合金?！　?/p>

（4）C-HRA-2和C-HRA-3屬于固溶強(qiáng)化合金，C700R-1屬于時(shí)效強(qiáng)化合金，這3種合金是我國(guó)鋼研總院研發(fā)的超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子候選合金，分別為650℃、700℃和750℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子候選合金。

2、國(guó)內(nèi)外大型鎳基合金鍛件研制現(xiàn)狀

2.1　國(guó)外情況　　

國(guó)外大型鎳基合金鑄錠和鍛件情況如表2所示[2，6-9]。

（1）德國(guó)

德國(guó)薩爾公司是目前世界上該領(lǐng)域研發(fā)和制造能力最強(qiáng)的公司。2000年至今，薩爾公司已經(jīng)為世界各國(guó)的各類650℃及以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)的研發(fā)項(xiàng)目提供了大量大型鎳基合金鍛件。從表2可以看出：其制造的固溶型強(qiáng)化617合金的最大ESR鑄錠直徑達(dá)1300mm，鑄錠質(zhì)量達(dá)38.2ｔ，鍛件交貨質(zhì)量達(dá)18.9ｔ；時(shí)效強(qiáng)化型263合金的最大ESR鑄錠直徑達(dá)1000mm，鑄錠質(zhì)量達(dá)23ｔ，鍛件交貨質(zhì)量達(dá)12.3ｔ?！　?/p>

（2）美國(guó)

為了滿足大功率超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子的用材需求，美國(guó)對(duì)Ｈａｙｎｅｓ282、ＩｎCｏｎｅｌ740Ｈ、ＩｎCｏｎｅｌ720Ｌｉ、NiｍｏNiC105等合金進(jìn)行了篩選，最終確定選用Ｈａｙｎｅｓ282合金作為轉(zhuǎn)子候選材料。ＧＥ公司采用真空感應(yīng)＋電渣重熔＋真空電弧重熔（VIM＋ESR＋VAR）三聯(lián)工藝，使用壓機(jī)制造了φ1220mm、質(zhì)量2.19ｔ的鍛件，并對(duì)其進(jìn)行了解剖分析。其中，2根φ457mm的鑄錠由VIM工藝冶煉而成，2根φ559mm的鑄錠由ESR工藝冶煉而成。二者的照片如圖1所示。最終采VAR工藝冶煉成1根φ610mm的鑄錠。

GE公司測(cè)試了鍛件的晶粒度和低周疲勞性能、蠕變持久性能等，并將鍛件性能與采用VIM＋ESR雙聯(lián)工藝軋制而成的粗晶282合金進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果分別如圖2至圖4所示。　

從圖2～4中可以看出：　　

（1）三聯(lián)工藝鍛件的晶粒細(xì)小均勻，為ASTM8～9級(jí)，ALA4級(jí)；　

（2）三聯(lián)工藝鍛制的細(xì)晶282合金的低周疲勞性能優(yōu)于雙聯(lián)工藝軋制的粗晶282合金棒材；　　

（3）三聯(lián)工藝鍛制的細(xì)晶282合金的蠕變持久性能略低于雙聯(lián)工藝軋制的粗晶282合金棒材。

以上現(xiàn)象的原因是，細(xì)晶有利于提升疲勞性能，而粗晶有利于提高合金的蠕變持久性能。對(duì)于轉(zhuǎn)子而言，其低周疲勞性能和高溫蠕變持久性能都需要優(yōu)異。因此，在研發(fā)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用大型鎳基合金鍛件時(shí)，應(yīng)綜合考慮不同工藝制備對(duì)合金各項(xiàng)應(yīng)用性能的影響?！　?/p>

（3）日本

日本制鋼所采用VIM＋ESR雙聯(lián)工藝，使用140MN水壓機(jī)鍛制了2件10ｔ級(jí)FENIX-700轉(zhuǎn)子鍛件，直徑為877mm，長(zhǎng)度為2154mm，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)。

由于第1件的晶粒較為粗大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的超聲可探性較差，最小可探尺寸為3.7～4.8mm。因此，日本制鋼所試制了第2件鍛件，通過(guò)優(yōu)化鍛造工藝，細(xì)化了晶粒，提高了轉(zhuǎn)子的超聲可探性，第2件最小可探尺寸降低至1.6～1.9mm，達(dá)到620℃等級(jí)轉(zhuǎn)子鋼ＦＢ2的水平。

然而，第2件的持久性能要比第1件稍差，這是因?yàn)樵诘葟?qiáng)溫度以上，晶界強(qiáng)度弱于晶內(nèi)強(qiáng)度，粗晶材料有更好的蠕變持久性能。二者蠕變持久性能對(duì)比如圖5所示。但第2件的蠕變持久性能仍滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）小結(jié)

綜上所述，上述國(guó)家關(guān)于超超臨界轉(zhuǎn)子用鎳基合金研制的工作具有以下特點(diǎn)：

1）涵蓋合金種類多；

2）以雙聯(lián)冶煉工藝（VIM＋ESR）為主；

3）掌握了制備10ｔ級(jí)大型轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)；

4）為提高鍛件超聲可探性，開(kāi)展了大量細(xì)化晶粒方面的工作，包括鍛造工藝、熱處理工藝的優(yōu)化等。

2.2　國(guó)內(nèi)情況　

（1）冶煉工藝

國(guó)內(nèi)一重等公司采用不同的冶煉工藝制備了不同規(guī)格的鑄錠和鍛坯，并開(kāi)展了相關(guān)研究工作[11-19]，如表3所示?！　?/p>

從表3可以看出，在冶煉方面，國(guó)內(nèi)一重等公司對(duì)617及其各類改型合金分別采用了4種工藝開(kāi)展了試制研究工作。國(guó)內(nèi)目前還無(wú)法制備出?900mm以上的大型鎳基合金鑄錠，因此無(wú)法解決超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子用10ｔ級(jí)以上的大型鍛件的需求難題，主要難點(diǎn)是鋼錠的偏析問(wèn)題。文獻(xiàn)[20]為了揭示大型鎳基合金鑄錠的內(nèi)部凝固偏析行為，采用VIM＋ESR＋VAR三聯(lián)工藝制備了C700Ｒ-1合金鑄錠。結(jié)果表明，凝固初期，枝晶快速形成，液體的體積分?jǐn)?shù)快速下降。凝固的最后階段，殘余液體凝固緩慢，Al、Ni、W和Co元素在枝晶干中偏析，而Ti、Nb和Mo元素在枝晶間富集，其中也析出MC型碳化物。凝固結(jié)束時(shí)，Mo和Cr的偏析進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致出現(xiàn)極低的固相線，形成共晶區(qū)，并導(dǎo)致凝固條件惡化。　　

（2）鍛造工藝

國(guó)內(nèi)的重機(jī)廠采用Ｇｌｅｅｂｌｅ等設(shè)備，對(duì)617及其改型合金進(jìn)行等溫?zé)釅嚎s試驗(yàn)，獲得了不同條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，并對(duì)壓縮試樣的微觀組織進(jìn)行分析，最終得到應(yīng)變速率與峰值應(yīng)力、變形溫度之間的本構(gòu)關(guān)系方程：ε＝1.971×1015[ｓｉｎｈ（0.00426σｐ）]4.29ｅｘｐ(－49807∕Ｔ)（1）式中，ε為應(yīng)變速率；σｐ為峰值應(yīng)力；Ｔ為變形溫度。　　

617和CN617合金的熱加工參數(shù)如表4所示，熱加工圖如圖6所示?！　?/p>

根據(jù)上述研究成果，一重公司采用VIM＋ESR雙聯(lián)工藝冶煉得到5.5ｔ鑄錠，通過(guò)多次墩拔的自由鍛造方式試制了直徑為620mm的鎳基合金轉(zhuǎn)子鍛件。其與日本FENIX-700的直徑為877mm的鍛件相比，鍛態(tài)晶粒度及超聲可探靈敏度的比較結(jié)果如表5所示，其力學(xué)性能如表6所示[12-13]。

綜上可知，國(guó)內(nèi)重機(jī)廠獲得了鎳基合金的本構(gòu)方程、熱加工圖、始鍛和終鍛溫度等，并掌握了熱包套技術(shù)等大型鎳基合金鍛件的專有制造技術(shù)，完成了5.5ｔ鑄錠、φ620mm鍛件的試制并進(jìn)行了性能組織分析，結(jié)果顯示鍛件各項(xiàng)性能優(yōu)異，晶粒細(xì)小均勻，具有良好的超聲可探性，但與國(guó)外鍛件的超聲可探性相比還有一定差距?！　?/p>

（3）熱處理工藝

對(duì)于本文所述鍛件的熱處理工藝而言，除獲得優(yōu)異的各項(xiàng)應(yīng)用性能外，如何控制晶粒長(zhǎng)大也至關(guān)重要。與鍛造時(shí)盡量獲得細(xì)小均勻的組織一樣，控制晶粒長(zhǎng)大的目的也是為了提高

轉(zhuǎn)子鍛件的超聲可探性?！　?/p>

陳正宗等[23]研究了不同固溶處理工藝對(duì)CN617耐熱合金組織和硬度的影響，結(jié)果顯示：在1125～1200℃溫度范圍內(nèi)對(duì)合金進(jìn)行固溶處理時(shí)，晶粒正常長(zhǎng)大，晶粒平均尺寸從31μm增長(zhǎng)到206μm；固溶溫度超過(guò)1175℃時(shí)，富Cr和Ｍｏ碳化物基本回溶。CN617合金平均晶粒度與固溶溫度的關(guān)系如圖7所示。

（4）最新研究成果

在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目支持下，鋼鐵研究總院在617B、C-HRA-2和C-HRA-3合金基礎(chǔ)上，針對(duì)650℃汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件性能和服役工況要求，研發(fā)出C650Ｒ合金。通過(guò)降低Ｍｏ含量，改善了熱塑性；優(yōu)化Cｏ和Ｍｏ元素配比，避免了服役過(guò)程中Ｍ6C和μ相形成；優(yōu)化Ti、Al總量及配比，提高γ＇相高溫長(zhǎng)時(shí)組織穩(wěn)定性；添加合適的C含量，以保證碳化物的析出強(qiáng)化效果；添加少量的Ｎｂ，促進(jìn)ＭＸ相形成、減少Ｍ6C相的析出，從而提高焊接性能；利用B、Zr復(fù)合強(qiáng)化，提高了晶界結(jié)合力，從而提高合金強(qiáng)度和韌性。采用VIM＋ESR＋VAM三聯(lián)冶煉工藝完成了12～20ｔ級(jí)C650R合金錠研制，如圖8所示，后續(xù)將開(kāi)展650℃超超臨界汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子全尺寸試制鍛件研制和解剖分析[24]。

3、結(jié)論

（1）在大型鎳基合金鍛件冶煉方面，對(duì)于大型鎳基合金鑄錠，目前國(guó)內(nèi)常用的ESR鑄錠最大直徑為508mm，ＶＡＲ鑄錠最大直徑為660mm，但通過(guò)深入研究冶煉工藝，國(guó)內(nèi)已經(jīng)可以采用三聯(lián)工藝冶煉12～20ｔ級(jí)大型鎳基合金鑄錠。

（2）國(guó)內(nèi)的鎳基合金鍛件在制造技術(shù)和操作細(xì)節(jié)方面與國(guó)外還有較大差距，制造直徑超過(guò)1000mm的大型鎳基合金鍛件還需要進(jìn)一步優(yōu)化和完善制造工藝和操作規(guī)程。

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