650马氏体耐热钢研究及其进展_吴增强

第50卷第5期2015年5月

V ol.50，No.5，p1-6

May2015钢铁

Iron and Steel

DOI：10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20140656

650℃马氏体耐热钢研究及其进展

吴增强1，白银1，2，马龙腾1，刘正东1

（1.钢铁研究总院特殊钢研究所，北京100081；2.北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083）

摘要：超超临界电站能够有效提高化石燃料的利用率，缓解能源危机和环境压力。马氏体型耐热钢因其有良好的热物理性能和廉价的成本而广泛应用于电站锅炉中。650℃及以下的电站锅炉关键材料主要采用马氏体型耐热钢。介绍了世界各主要国家探索开发650℃马氏体耐热钢的主要科技项目，包括欧洲、美国和日本。从合金化角度介绍了马氏体耐热钢中主要元素的作用。介绍了当前研究650℃马氏体耐热钢的主要成果，分析了这些钢种的强化机制。

关键词：650℃超超临界电站；马氏体耐热钢；合金化；强化机制

文献标志码：A文章编号：0449-749X（2015）05-0001-06

Research and development of martensitic creep-resistant steels

for650℃

WU Zeng-qiang1，BAI Yin1，2，MA Long-teng1，LIU Zheng-dong1

(1.Institute for Special Steels，Center Iron and Steel Research Institute，Beijing100081，China；

2.School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing100083，China)

Abstract：The ultra-supercritical power plants are accepted for high energy efficiency in the world.The ultra-supercritical technology will release pressure of energy crisis and environment problems.Because of its good thermal properties and cheap cost，martensite heat-resistant steel is widely used in power station boiler.The martensite creep-resistant steels were used as key materials for power plant applications with service temperatures not exceeding650℃.The projects about these kind of materials were recommended in some main countries.The effects of various elements were analyzed based on alloying principle in creep-resistant steels.Some new creep-resistant steels designed for650℃power plant applica-tions recently were discussed and the strengthening mechanism was analyzed.

Key words：650℃ultra supercritical power plant；martensite creep-resistant steel；alloying；strengthening mechanism

20世纪以后全世界的科技进步和经济发展都十分迅猛。伴随着经济的蓬勃发展，各国对能源和原材料的需求也日益增多。获取能源的成本和能源的有效利用率已经成为影响经济发展的重要因素。中国、印度等新兴工业国家是发展中大国，对于能源的需求量极大。世界能源署（IEA）的调查显示[1]，世界能源需求的重心正向新兴经济体转移。中国是发展中大国，据不完全统计，中国企业支付的电价是美国的2倍，这是由于中国能源获取成本高、能源利用率低。高电价导致企业在国际市场的竞争力降低。因此，提高能源利用效率是世界各国都在不断努力的方向。

中国是全球第2大电力生产国和消费国，仅次于美国。从电力构成上看，中国以火电为主，其发电总量比例为70%～80%，且这一事实在短期内难以改变。中国早期建设的大部分火电机组普遍效率低，平均热效率约为30%。这不仅造成了能源浪费，而且带来了严重的环境污染。所以无论从经济角度还是环保角度，中国都亟待发展高效率的电站技术。提高电站发电效率的方法包括合理的管理技术和提高机组效率两个方面，其中提高机组效率的有效方法是提高蒸汽参数水平。世界范围内，火力发电的运行蒸汽参数不断提高，由亚临界向超临界、超超临界发展。据预测，700℃超超临界机组的热效率能够达到50%～55%，这将极大地提高能源利用效率[2]。提高运行蒸汽参数过程中，一个重要的制约因素是关键材料，如锅炉管、汽轮机转子等。目前，广泛使用的电站金属材料的使用温度上限为600～

基金项目：国家高技术研究发展（863）计划资助项目（2012AA03A501）

作者简介：吴增强(1967—)，男，博士生，高级工程师；E-mail：wuzq@；收稿日期：2014-11-05

钢铁第50卷·2·

620℃，尚无十分成熟的应用于650℃的马氏体型材料[3]。650℃是马氏体型耐热钢的极限使用温度，更高温度下只能采用价格昂贵的合金材料或奥氏体钢。综合来看，650℃马氏体耐热钢的开发既是提高火电站运行参数的重点，也是开发过程中的难点。为了更好、更快地开发650℃马氏体耐热钢，必须要了解国际上在此方面的研究，借鉴已有的研究经验和成果。

1世界各国650℃机组研究计划

美国是开发应用超临界技术最早的国家，有丰富的超临界机组运行经验。美国橡树岭国家实验室成功开发T/P91钢是马氏体型耐热钢研究中的一个里程碑。从1986年至今，美国分别提出了CCT计划、Combustion2000计划、AST计划和Vision21计划。Vision21计划的目标是将蒸汽参数提高到35MPa、760℃/760℃/760℃，使机组热效率提高到55%，污染物排放比亚临界机组减少30%[4]。计划中，应用于650℃部件的备选材料为T23、T92和HCM12，但美国方面关于改良后T23、T92和HCM12在650℃的性能的报道较少。

欧洲的COST(Co-Operation in the field of Sci-ence and Technology)项目是一个以国家合作形式开发电站材料的多国项目[5]。其中，COST536项目的目标是将材料在650℃、105h的蠕变断裂强度值提高到100MPa，即开发应用于650℃的耐热材料。1998年，在欧盟的主导下，欧洲开启了为期17年的700℃级超超临界参数的开发项目“AD700计划”，目标是在2014年开发出先进的蒸汽参数值

为37.5MPa、700℃/720℃的超超临界火电机组，将供电效率提高到52%～55%。其中，应用于650℃部件的备选材料为T24、HCM12和Inconel617。在材料开发方面，欧洲研究了硼、钨、钴、钛等元素对材料的影响，同时根据材料计算方法设计了许多新材料，并且部分材料的蠕变强度优于P92、P122钢。

日本在电站及电站材料方面的研究比欧美起步晚，但发展迅速，开发了目前应用广泛的NF616（T/P92）、HCM2S和HCM12A等材料[6]。1997年起日本国立金属材料研究所提出了一项用于35MPa、650℃参数级别的超超临界机组材料研究计划，目标是开发可应用于650℃的马氏体型耐热钢。之后日本又提出了“新阳光”计划，其目标是建造运行温度为700℃的发电机组。在材料开发方面，日本进行了大量积极的探索，并开发出9Cr-3W-3Co、Save12、NF12等钢种。关于这些材料的持久蠕变性能已经有部分报道，其性能优于P92钢。

2马氏体型耐热钢的合金设计

应用于650℃的马氏体耐热钢的研究集中于铬质量分数为9%～12%的钢种，这主要是由于铬质量分数为9%～12%的钢具有良好的强度，和抗氧化性匹配，兼具较低成本。一般来讲，铬质量分数为9%～12%的钢的发展可分为4个阶段，见表1[7]。对比可以看出，耐热钢的成分设计中主要是通过添加析出物类元素和固溶类元素，并优化其成分配比达到持久强度提高的目的。各国学者也对各种元素的影响进行了大量的研究。

表1铬质量分数为9%～12%的铁素体耐热钢的发展阶段Table1Development steps of9%-12%Cr ferritic creep-resistant steels

年份

1960—1970 1970—1985 1985—1995 1995—至今

成分优化

添加钼、铌、钒

优化碳、铌、钒质量分数

钨部分代替钼

增加钨质量分数，添加钴

600℃×105h持久强度/MPa

60

100

140

180

典型材料

F11、CF12

T/P91

T/P92、T/P122

NF12、SA VE12、MARBN

最高使用温度/℃

565

593

620

650

碳、氮是钢中重要的析出强化元素，对强度提高有重要贡献。在马氏体型耐热钢中，碳化物和氮化物类析出相的析出弥散强化是重要的强化因素，在表1中的各典型钢种中都有M23C6和MX(C，N)相。M23C6相析出快，尺寸较大，是早期的重要强化项；MX相尺寸细小且长时性能稳定，不易粗化，是长时重要强化项。碳质量分数影响着M23C6的析出量和长大粗化行为，一般碳质量分数控制在0.12%以下。氮质量分数主要影响NbN和VN的析出行为。当材料中存在硼时，则需要注意氮和硼的配比。硼的氮化物容易粗化，对持久性能不利。

钒、铌形成的MX相是马氏体耐热钢中的重要析出物，其特点是细小且弥散，长期性能稳定。对10Cr2Mo钢的研究表明，钒、铌的最佳配比在不同温度下有所不同。600℃时钢中添加钒质量分数0.1%、铌质量分数0.05%具有最高的持久强度；而在650℃时，钢中添加钒质量分数0.2%、铌质量分数0.05%具有最高的持久强度[8]。与钒、铌化学性质相