中国超超临界汽轮机转子耐热材料及锻件研制进展
何西扣
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，刘正东
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，王天剑
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，彭建强
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，聂义宏
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，沈国劬
5
(1. 钢铁研究总院有限公司， 北京 100081；2. 东方汽轮机有限公司， 四川 德阳 618000；
3. 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司， 黑龙江 哈尔滨 150046；4. 中国第一重型机械有限公司，
黑龙江 齐齐哈尔 161042；5. 二重(德阳)重型装备有限公司， 四川 德阳 618000)
转子是超超临界汽轮机的重要部件，转子材料及锻件的发展是支撑超超临界汽轮机及电站技术进步的基础。随着超超临界机组蒸汽温度从620 ℃提高至630 ℃，甚至未来到650 ℃和700 ℃，汽轮机高中压转子耐热材料及锻件的制造将是要面临的主要挑战之一。综述了中国超超临界汽轮机高中压转子耐热材料的发展历程、设计思路及研制进展，重点介绍了中国630~700 ℃超超临界汽轮机高中压转子系列自主研制的耐热材料C630R、C650R、C700R及其锻件研制的最新进展，并展望了高中压转子锻件的未来研究和发展重点，以期助力加速中国超超临界汽轮机的完全自主化进程。
超超临界； 汽轮机； 转子锻件； 耐热钢； 镍基合金
在“双碳”战略背景下，发展大容量高参数超超临界电站成为清洁高效燃煤发电技术的主旋律，也是实现节能减排目标的重要手段。提高蒸汽参数、提高热效率是世界超超临界燃煤发电行业的永恒追求。20世纪80年代初，欧洲通过COST 501、522和536计划，研发了多种耐热材料，推动超超临界机组热效率提高了10%以上。1998年，欧盟启动“AD700”计划，开发35 MPa/705 ℃/720 ℃等级的先进超超临界机组，但由于成本昂贵且材料性能未达到预期目标，该计划被一再推迟。20世纪90年代末，日本建成世界首台600 ℃超超临界电站。此后受欧洲“AD700”计划影响，于2008年启动“700 ℃ A-USC”计划，目标是将机组参数提高到35 MPa/700 ℃/720 ℃/720 ℃等级，并于2016年在电加热试验台上完成了新材料转子动态试验。2001年美国启动“AD760”计划，开发了蒸汽参数为35 MPa/760 ℃/760 ℃等级的超超临界机组，开展了关键部件试验平台的建造工作。中国自2006年建成首台600 ℃超超临界电站后，至今该等级电站已超过300台，占世界同类电站的90%以上；2015年中国建成世界最先进的623 ℃二次再热超超临界电站；2017年国家能源局批复世界首台大唐郓城630 ℃超超临界二次再热国家电力示范项目，目前正在建设。600~630 ℃超超临界机组的设计运行经验，为中国650、700 ℃超超临界电站的发展奠定了良好基础。近年来中国加速推进650 ℃超超临界电站研发和700 ℃超超临界电站技术论证，并成立“700 ℃超超临界燃煤发电技术创新联盟”，这些成就标志着中国已成为世界清洁高效燃煤发电技术最先进的国家。
耐热材料及部件是超超临界电站的基础支撑。经过多年的攻关，中国已建立了超超临界锅炉端自主耐热材料体系，实现了全系锅炉管的国产化和自主化，能够支撑630~700 ℃超超临界电站锅炉的设计和建设。然而，中国超超临界汽轮机高中压转子锻件尚不能完全自主生产。超超临界汽轮机服役工况为高温高压流动蒸汽，转子转速高且需稳定运行20年以上，这就要求转子材料具有良好的持久强度、韧性、疲劳性能、高温长时组织稳定性和抗蒸汽氧化性能等。高中压转子材料合金含量高、锻件尺寸大，所需钢锭质量大，制造难度很大，长期制约着中国超超临界汽轮机的自主建设和发展。笔者重点对中国超超临界汽轮机转子耐热材料及锻件研制的最新进展进行综述，并提出未来的研究和发展方向。
归纳总结了中国超超临界汽轮机转子耐热材料的发展历程、设计思路及研制新进展。近年来，中国620~700 ℃超超临界汽轮机转子材料及锻件研制已取得很大进步，FB2锻件实现了国产化和工程应用，开发了C630R、C650R和C700R系列自主牌号，并正在开展全尺寸转子锻件研制，这些进展与中国高参数超超临界发电技术的进步和电站建设密不可分，是工程牵引推动下取得的材料技术进步。但不可否认的是，中国在超超临界汽轮机转子锻件制造技术水平上与国外仍存在不小的差距。因此，加大超超临界汽轮机转子耐热材料及锻件研制的投入，形成先进的转子材料及锻件制造技术是中国发展高参数超超临界电站的重中之重。中国超超临界汽轮机转子耐热材料及锻件发展未来将重点围绕以下几个方面：
1)加强大吨位FB2钢电渣冶炼工艺、渣系和B烧损控制、大尺寸BN夹杂物控制等研究，推进百吨级FB2电渣锭和中压转子锻件的国产化进程，不断提升国产FB2锻件产品的性能和稳定性，尽快实现620 ℃超超临界汽轮机高中压转子FB2锻件的全面国产化。
2)加强C630R钢的化学成分与制造工艺匹配优化研究，深入研究大型锻件的冶炼、锻造和热处理工艺，突破大吨位电渣锭B、Zr、N元素精确控制及大型锻件组织晶粒和性能调控等技术，推进C630R钢全尺寸转子锻件研制和解剖分析，支撑自主材料在630 ℃超超临界汽轮机转子的工程应用。
3)加强C650R和C700R合金偏析控制研究、高温持久性能和组织稳定性研究，突破12~20吨级大型镍基合金锭冶炼、锻造、热处理工艺技术，推进C650R合金全尺寸转子锻件研制和解剖评价，支撑650 ℃超超临界汽轮机的设计和制造。
4)建立中国630~700 ℃超超临界汽轮机转子耐热材料及锻件制造自主体系，开展镍基-铁基焊接转子的攻关研发，解决焊接材料及焊接工艺问题，实现中国大容量高参数超超临界电站材料的全面自主化。
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