700℃超超临界电站高温合金探讨
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(+) 12.980
Phase Wt%
MC 0.183
M23C6 0.115
G 0.054
Inconel 740的持久性能
1000
700°C
Stress / MPa
750°C
725°C
775°C 800°C
100
10 100 1000 10000 100000
Time / Hours
几种合金的强化相及持久强度的对比
（c）
Fig.(a) 表示的是NiCr20AlTi合金经标准 热处理后的晶粒度 Fig.(b) 表示的是NiCr20AlTi合金 标准热 处理后晶界特征 Fig.(c) 表示的是NiCr20AlTi 合金晶内γ′ 相特征
Phase Fraction (wt %)
81.615
17.713
MC 0.036
SMC 2 (750℃/5018hr)
Inconel740H的基本组织
500nm
标准热处理（ 1150℃/1h/WQ + 800 ℃ /16h/AC ）后的显微组织
Phase (+) MC M23C6 G
Wt%
14.623
0.220
0.202
0
INCONEL740 和740H在800℃时效的长期组织稳定性的比较
750℃/105h 持久强度(MPa) ～64 ～55 ～70 ～110 ～140
合金 HR6W GH2984 617B Nimonic263 Inconel740
强化相及数量 Laves ～5.74% ～5% ～10% ～13%
740合金的长期组织稳定性
760 ℃/1000h Si (at%): 19.25% A6B16Si7: 24.13% 760 ℃/2000h
中国 600℃ USC 燃煤电站的发展
年代 2006 2007 2008
600MW等 级机组
0 3 11 24
1000MW 等级机组
3 7 11 21
USC机组 总数
3 10 22 45
USC机组 装机容量 (GW)
3.00 8.80 17.90 36.61
2009
2010
39
33
72
59.47
中国燃煤发电行业目前的发展状况
试验温 试验应 断裂时 延伸 度/℃ 750 750 750 力/MPa 310 310 310 间/h 124 136 169 6.4 3.9 4.6
断面收 13.1 5.1 8.3
率/% 缩率/%
C110809003 Z936-1 C110809005 Z936-2 C110809001 Z936-3
时效时间
0h
冲击韧性（J/cm2）
45
Inconel740H冲击韧性得到明显改善
Inconel740H合金热成型性能
（a）
（ b）
Inconel740H合金10T真空自耗钢锭（a） 以及挤压出的φ380mm×89mm×10m管道（b）
Inconel740H合金弯曲及焊接性能
（a） （b）
Inconel740的冷弯管材（a）及厚壁材料的焊接（76mm）(b)
Laves相强化
700℃，105h持久强度
仅有88MPa
617B
Ni-22Cr-12Co-9Mo-0.4Ti-1Al-0.06C
固溶强化为主，少量的相强化（4-5%）
700 ℃/3000h
750 ℃/3000h
617管道的环形焊缝20,000h试验后开裂
Inconel740和617合金的许用应力对比
C 0.06 0.08 0.10 0.06 0.06 0.06 0.03 0.03 0.06 0.03
Cr 19.0 23.0 22.0 20.0 22.0 20.0 25.0 25.0 20 20
Co 5.0 10 12.0 20.0 20.0 20.0 13
Mo 2.2 2.0 8.5 9.0 6.0 0.5 0.5 4.3
到2020年
700℃ A-USC 热效率达到48%
美国的A-USC计划
日本的A-USC计划
中国燃煤发电行业目前的发展状况
中国 600℃ USC 燃煤电站的发展
2006年11月28日，玉环 1#: 1000MW USC 机组 煤耗: 283.2g/kWh, 效率: 45.4%
中国燃煤发电行业目前的发展状况
GH2984
Ni-33Fe-20Cr-2Mo-1Nb-1Ti-0.35Al-0.06C
10年的舰艇服役经验 良好的抗氧化腐蚀性能 持久强度必须进一步提高
标准热处理后： 相呈球形，弥散均匀分布，直径约23nm，数量5.74%，少量MC相
HR6W
45Ni-Fe-23Cr-7W-0.2Nb-0.1Ti-0.08C
700℃超超临界电站用高温合金探讨
谢锡善a，迟成宇a ，赵双群b，林富生b
a. 北京科技大学
b. 上海发电设备成套设计研究院 2012.9.15
内容
中国及世界各国700 ℃ A-USC的发展状况
700 ℃先进超超临界电站（A-USC）高温段用高温 合金的研究现状
a) 锅炉高温管道用Ni基合金
中国燃煤机组蒸汽参数随时间的变化
不同高温材料的使用温度范围
700℃ A-USC电站候选材料
a)锅炉高温管道用Ni基合金
候选材料的名义成分
ASME Code
No 2684 2063 No 2439 No 2702 2702 No No
Alloy GH2984 HR6W Haynes 230 Haynes282 617B Nimonic 263 Inconel 740 Inconel 740H Nimonic80A Waspaloy
Байду номын сангаас
Mn ≤0.5 1.0 0.5 ≤0.3 1.0 0.6 0.3 0.3 ≤0.4 ≤0.10
Fe 33 23 3.0 ≤1.5 1.5 0.7 0.7 0.7 ≤1.5 ≤1.5
W 7 14.0 -
Cu 0.02 (La) 0.2 -
Ni 43 45 Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal.
INCONEL740H
800℃ /3000h
INCONEL740
800℃ /100h
INCONEL740
849℃ /1000h
Inconel740/740H合金冲击性能对比
合金
Inconel740 750℃/2000h 0h 700℃/2000h Inconel740H 700℃/5024h 750℃/2000h 750℃/5024h 13.6 56 39.7 35.2 37.1 30.6
1）η 相的形成
2）晶界G相析出 3）相的长大
Inconel740H
Ni-25Cr-20Co-0.5Mo-1.5Nb-1.35Ti-1.35Al-0.15Si
1.0
Weight fraction
fcc()
Weight fraction
Solidus 1301oC Liquidus 1371oC fcc() Liquid
C110809009 Z937-1
C110809002 Z937-2 C110809006 Z937-3 C110809007 Z938-1
750
750 750 750
310
310 310 310
154
184 159 161
5.7
5.7 3.8 7.3
12.1
12.2 6.0 7.6
650℃ / 10,000h
650℃ 1000h 1000h
700℃
5000h
5000h
γ′ 相随时效时间的长大规律
100 90 80
r/nm
70 60 50 40 30 20 0
550 C o 600 C o 650 C o 700 C o 750 C
o
1500 3000 4500 6000 7500 9000 10500
0.8
Solidus 1370℃
Liquid 1530℃
0.6
0.4
δ
628oC 821oC M23C6 1091oC MC
703℃
0.2
976℃
fcc(γ ) γ′ M23C6 MX η Liquid σ
0.0 400
600
800
1000
1200
1400
Temperature / oC INCONEL740
Nb 1.1 0.2 2.0 1.5 -
Ti 1.1 0.1 2.1 0.4 2.2 1.8 1.35 2.4 3.0
Al 0.4 0.3 1.5 1.0 0.6 0.9 1.35 1.7 1.4
Si ≤0.5 0.50 0.4 ≤0.15 1.0 0.4 0.5 0.15 ≤0.8 ≤0.15
C110809004 Z938-2
C110809008 Z938-3
750
750
310
310
111
107
4.8
8.7
12.5
300
N07740
250
Allowable Stress, MPa
N06617
200
150
100 C. Maximum Use temp. = 800° 50
0 600
650
700
750 C Temperature, °
800
850
900
Nimonic 263
Ni-20Cr-20Co-6Mo-2.2Ti-0.6Al-0.06C
b) 汽轮机叶片用Ni基合金
结论
燃煤火力电站的发展趋势
锅炉
烟气排放系统 汽轮机
煤场
世界主要国家A-USC电站的发展计划
欧洲 1998年从材料评估开始THERMIE→AD700
目标: 2014年37.5MPa、700℃/720℃机组， 供电效率提高到55%（深海水冷却）或52%（内陆电厂）
弥散均匀分布的相， 10%； 少量M23C6和MC相
700℃/3000h
750℃ /3000h
长期时效组织不稳定，存在相→η相转变
Inconel740
Ni-25Cr-20Co-0.5Mo-2Nb-1.8Ti-0.9Al
标准热处理后（ 1150℃/30min/WQ + 800 ℃ /16h/AC ）的显微组织
M7C3 + M23C6 0.636
γ′相在 650℃随时效时间的变化
1000h 5000h
8000h
10,000h
γ′相在 700℃随时效时间的变化
1000h 5000h
8000h
10,000h
γ′相在 750℃随时效时间的变化
500h 2000h
4000h
5000h
晶界碳化物随时效时间的变化
2.0
1.5
0.3
0.3
0.7
0.7
0.5
0.15
Bal
Bal
北京科技大学开发的两炉改型合金在750℃时效5018h的显微组织照片
Beijign1# （750℃/5018hr ）
Beijign2# （750℃/5018hr）
美国SMC公司进一步验证北科大的改进方案
SMC 1 (750℃/5018hr)
t/h
相分析结果中各相质量百分量
(a)
(b)
(c)
NiCr20AlTi合金经不同时效处理后各相的含量(wt%) (a) γ'相; (b) M23C6+M7C3 ; (c) MC
NiCr20AlTi合金长期时效后750℃持久性能
试验编号 600℃ / 10,000h 700℃ / 10,000h
试样 编号
几种候选材料的高温持久性能比较
目标要求：105h持久强度不小于100MPa
几种候选材料耐煤灰腐蚀性能
氧化腐蚀
2×105h<2mm
b)汽轮机叶片用Ni基合金
Nimonic 80A
NiCr20AlTi
Nimonic 80A标准热处理后的典型组织
（a）
（ b）
标准热处理 :
1080º C/ 8h /AC+845º C/ 24h /AC+700º C/ 16h /AC
Temperature/℃
INCONEL740H Thermal-calc 热力学计算平衡相图
Inconel740到Inconel740H的发展
Alloy C Cr Mo Co Al Ti Nb Mn Fe Si Ni
740
740H
0.03
0.03
25
25
0.5
0.5
20
20
0.9
1.35
1.8
1.35
美国 2002年开始760℃/720℃ A-USC计划
目标: 在2020年机组的工作温度提高到760℃，效率提高到50%
日本 原计划650℃ USC计划中止, 2008开始 （Cool EarthInnovative Energy Technology Program ）
目标: 到2016年 700℃ A-USC 热效率达到46%
EDS
G相(760 ℃/1000h) 和η相 (760 ℃/2000h) 的SEM照片
Inconel 740 中γ′ 相的粗化以及 η 相 的析出
Inconel 740 中γ′ 相的粗化
Inconel 740中 η 相的析出行为
Inconel740
Inconel740合金存在的组织稳定性问题：
Phase Wt%
MC 0.183
M23C6 0.115
G 0.054
Inconel 740的持久性能
1000
700°C
Stress / MPa
750°C
725°C
775°C 800°C
100
10 100 1000 10000 100000
Time / Hours
几种合金的强化相及持久强度的对比
（c）
Fig.(a) 表示的是NiCr20AlTi合金经标准 热处理后的晶粒度 Fig.(b) 表示的是NiCr20AlTi合金 标准热 处理后晶界特征 Fig.(c) 表示的是NiCr20AlTi 合金晶内γ′ 相特征
Phase Fraction (wt %)
81.615
17.713
MC 0.036
SMC 2 (750℃/5018hr)
Inconel740H的基本组织
500nm
标准热处理（ 1150℃/1h/WQ + 800 ℃ /16h/AC ）后的显微组织
Phase (+) MC M23C6 G
Wt%
14.623
0.220
0.202
0
INCONEL740 和740H在800℃时效的长期组织稳定性的比较
750℃/105h 持久强度(MPa) ～64 ～55 ～70 ～110 ～140
合金 HR6W GH2984 617B Nimonic263 Inconel740
强化相及数量 Laves ～5.74% ～5% ～10% ～13%
740合金的长期组织稳定性
760 ℃/1000h Si (at%): 19.25% A6B16Si7: 24.13% 760 ℃/2000h
中国 600℃ USC 燃煤电站的发展
年代 2006 2007 2008
600MW等 级机组
0 3 11 24
1000MW 等级机组
3 7 11 21
USC机组 总数
3 10 22 45
USC机组 装机容量 (GW)
3.00 8.80 17.90 36.61
2009
2010
39
33
72
59.47
中国燃煤发电行业目前的发展状况
试验温 试验应 断裂时 延伸 度/℃ 750 750 750 力/MPa 310 310 310 间/h 124 136 169 6.4 3.9 4.6
断面收 13.1 5.1 8.3
率/% 缩率/%
C110809003 Z936-1 C110809005 Z936-2 C110809001 Z936-3
时效时间
0h
冲击韧性（J/cm2）
45
Inconel740H冲击韧性得到明显改善
Inconel740H合金热成型性能
（a）
（ b）
Inconel740H合金10T真空自耗钢锭（a） 以及挤压出的φ380mm×89mm×10m管道（b）
Inconel740H合金弯曲及焊接性能
（a） （b）
Inconel740的冷弯管材（a）及厚壁材料的焊接（76mm）(b)
Laves相强化
700℃，105h持久强度
仅有88MPa
617B
Ni-22Cr-12Co-9Mo-0.4Ti-1Al-0.06C
固溶强化为主，少量的相强化（4-5%）
700 ℃/3000h
750 ℃/3000h
617管道的环形焊缝20,000h试验后开裂
Inconel740和617合金的许用应力对比
C 0.06 0.08 0.10 0.06 0.06 0.06 0.03 0.03 0.06 0.03
Cr 19.0 23.0 22.0 20.0 22.0 20.0 25.0 25.0 20 20
Co 5.0 10 12.0 20.0 20.0 20.0 13
Mo 2.2 2.0 8.5 9.0 6.0 0.5 0.5 4.3
到2020年
700℃ A-USC 热效率达到48%
美国的A-USC计划
日本的A-USC计划
中国燃煤发电行业目前的发展状况
中国 600℃ USC 燃煤电站的发展
2006年11月28日，玉环 1#: 1000MW USC 机组 煤耗: 283.2g/kWh, 效率: 45.4%
中国燃煤发电行业目前的发展状况
GH2984
Ni-33Fe-20Cr-2Mo-1Nb-1Ti-0.35Al-0.06C
10年的舰艇服役经验 良好的抗氧化腐蚀性能 持久强度必须进一步提高
标准热处理后： 相呈球形，弥散均匀分布，直径约23nm，数量5.74%，少量MC相
HR6W
45Ni-Fe-23Cr-7W-0.2Nb-0.1Ti-0.08C
700℃超超临界电站用高温合金探讨
谢锡善a，迟成宇a ，赵双群b，林富生b
a. 北京科技大学
b. 上海发电设备成套设计研究院 2012.9.15
内容
中国及世界各国700 ℃ A-USC的发展状况
700 ℃先进超超临界电站（A-USC）高温段用高温 合金的研究现状
a) 锅炉高温管道用Ni基合金
中国燃煤机组蒸汽参数随时间的变化
不同高温材料的使用温度范围
700℃ A-USC电站候选材料
a)锅炉高温管道用Ni基合金
候选材料的名义成分
ASME Code
No 2684 2063 No 2439 No 2702 2702 No No
Alloy GH2984 HR6W Haynes 230 Haynes282 617B Nimonic 263 Inconel 740 Inconel 740H Nimonic80A Waspaloy
Байду номын сангаас
Mn ≤0.5 1.0 0.5 ≤0.3 1.0 0.6 0.3 0.3 ≤0.4 ≤0.10
Fe 33 23 3.0 ≤1.5 1.5 0.7 0.7 0.7 ≤1.5 ≤1.5
W 7 14.0 -
Cu 0.02 (La) 0.2 -
Ni 43 45 Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal. Bal.
INCONEL740H
800℃ /3000h
INCONEL740
800℃ /100h
INCONEL740
849℃ /1000h
Inconel740/740H合金冲击性能对比
合金
Inconel740 750℃/2000h 0h 700℃/2000h Inconel740H 700℃/5024h 750℃/2000h 750℃/5024h 13.6 56 39.7 35.2 37.1 30.6
1）η 相的形成
2）晶界G相析出 3）相的长大
Inconel740H
Ni-25Cr-20Co-0.5Mo-1.5Nb-1.35Ti-1.35Al-0.15Si
1.0
Weight fraction
fcc()
Weight fraction
Solidus 1301oC Liquidus 1371oC fcc() Liquid
C110809009 Z937-1
C110809002 Z937-2 C110809006 Z937-3 C110809007 Z938-1
750
750 750 750
310
310 310 310
154
184 159 161
5.7
5.7 3.8 7.3
12.1
12.2 6.0 7.6
650℃ / 10,000h
650℃ 1000h 1000h
700℃
5000h
5000h
γ′ 相随时效时间的长大规律
100 90 80
r/nm
70 60 50 40 30 20 0
550 C o 600 C o 650 C o 700 C o 750 C
o
1500 3000 4500 6000 7500 9000 10500
0.8
Solidus 1370℃
Liquid 1530℃
0.6
0.4
δ
628oC 821oC M23C6 1091oC MC
703℃
0.2
976℃
fcc(γ ) γ′ M23C6 MX η Liquid σ
0.0 400
600
800
1000
1200
1400
Temperature / oC INCONEL740
Nb 1.1 0.2 2.0 1.5 -
Ti 1.1 0.1 2.1 0.4 2.2 1.8 1.35 2.4 3.0
Al 0.4 0.3 1.5 1.0 0.6 0.9 1.35 1.7 1.4
Si ≤0.5 0.50 0.4 ≤0.15 1.0 0.4 0.5 0.15 ≤0.8 ≤0.15
C110809004 Z938-2
C110809008 Z938-3
750
750
310
310
111
107
4.8
8.7
12.5
300
N07740
250
Allowable Stress, MPa
N06617
200
150
100 C. Maximum Use temp. = 800° 50
0 600
650
700
750 C Temperature, °
800
850
900
Nimonic 263
Ni-20Cr-20Co-6Mo-2.2Ti-0.6Al-0.06C
b) 汽轮机叶片用Ni基合金
结论
燃煤火力电站的发展趋势
锅炉
烟气排放系统 汽轮机
煤场
世界主要国家A-USC电站的发展计划
欧洲 1998年从材料评估开始THERMIE→AD700
目标: 2014年37.5MPa、700℃/720℃机组， 供电效率提高到55%（深海水冷却）或52%（内陆电厂）
弥散均匀分布的相， 10%； 少量M23C6和MC相
700℃/3000h
750℃ /3000h
长期时效组织不稳定，存在相→η相转变
Inconel740
Ni-25Cr-20Co-0.5Mo-2Nb-1.8Ti-0.9Al
标准热处理后（ 1150℃/30min/WQ + 800 ℃ /16h/AC ）的显微组织
M7C3 + M23C6 0.636
γ′相在 650℃随时效时间的变化
1000h 5000h
8000h
10,000h
γ′相在 700℃随时效时间的变化
1000h 5000h
8000h
10,000h
γ′相在 750℃随时效时间的变化
500h 2000h
4000h
5000h
晶界碳化物随时效时间的变化
2.0
1.5
0.3
0.3
0.7
0.7
0.5
0.15
Bal
Bal
北京科技大学开发的两炉改型合金在750℃时效5018h的显微组织照片
Beijign1# （750℃/5018hr ）
Beijign2# （750℃/5018hr）
美国SMC公司进一步验证北科大的改进方案
SMC 1 (750℃/5018hr)
t/h
相分析结果中各相质量百分量
(a)
(b)
(c)
NiCr20AlTi合金经不同时效处理后各相的含量(wt%) (a) γ'相; (b) M23C6+M7C3 ; (c) MC
NiCr20AlTi合金长期时效后750℃持久性能
试验编号 600℃ / 10,000h 700℃ / 10,000h
试样 编号
几种候选材料的高温持久性能比较
目标要求：105h持久强度不小于100MPa
几种候选材料耐煤灰腐蚀性能
氧化腐蚀
2×105h<2mm
b)汽轮机叶片用Ni基合金
Nimonic 80A
NiCr20AlTi
Nimonic 80A标准热处理后的典型组织
（a）
（ b）
标准热处理 :
1080º C/ 8h /AC+845º C/ 24h /AC+700º C/ 16h /AC
Temperature/℃
INCONEL740H Thermal-calc 热力学计算平衡相图
Inconel740到Inconel740H的发展
Alloy C Cr Mo Co Al Ti Nb Mn Fe Si Ni
740
740H
0.03
0.03
25
25
0.5
0.5
20
20
0.9
1.35
1.8
1.35
美国 2002年开始760℃/720℃ A-USC计划
目标: 在2020年机组的工作温度提高到760℃，效率提高到50%
日本 原计划650℃ USC计划中止, 2008开始 （Cool EarthInnovative Energy Technology Program ）
目标: 到2016年 700℃ A-USC 热效率达到46%
EDS
G相(760 ℃/1000h) 和η相 (760 ℃/2000h) 的SEM照片
Inconel 740 中γ′ 相的粗化以及 η 相 的析出
Inconel 740 中γ′ 相的粗化
Inconel 740中 η 相的析出行为
Inconel740
Inconel740合金存在的组织稳定性问题：