[发明专利]700℃等级超超临界燃煤电站用镍基高温合金及其制备

说明书

技术领域

本发明属于镍基高温合金材料技术领域，尤其涉及一种700℃等级超超临界燃煤电站用镍基合金材料，适用于制造蒸汽温度为700℃等级的先进超超临界燃煤电站高温部件，在实际使用温度800℃左右以下长期使用。

背景技术

能源供应紧张和环境保护问题已经成为当今世界各国经济、社会和环境可持续发展的主要制约因素。电力作为二次能源在今后相当长的时期内仍将在能源消费市场中占据主要地位。在电力生产结构中，除少数国家外，火力发电在绝大多数国家占据主导地位，并且在今后相当长时期内不会改变。现阶段世界上燃煤电站仍然是以蒸汽参数为538℃/18.5MPa等级的亚临界电站为主。但是，自上个世纪末以来，蒸汽参数为566℃/24MPa等级的超临界电站和蒸汽参数为600℃/27MPa等级的超超临界电站的发展在燃煤电站的发展中占据了主要地位。电站的热效率已经由亚临界机组的35％左右提高到了超超临界机组的45％左右。对节约燃煤和降低污染物SOx、NOx和CO₂等的排放发挥了重要作用。同时，十余年来，世界主要经济发达国家和组织，如欧盟、美国和日本，陆续开展700℃(或760℃)等级先进超超临界燃煤发电技术的研发，欧盟最先于1998年开始此项研究计划，将蒸汽参数提高到了700℃/720℃/35MPa，预计发电效率从目前的45％提高到超过50％。美国和日本则随后于21世纪初启动了类似的研究项目。2011年，我国也开始开展700℃等级先进超超临界燃煤发电技术的研发。在我国的电力结构中，火力发电占到了80％以上，而我国的电站平均煤耗则远高于世界上经济发达的国家，因此提高燃煤电站的蒸汽参数，从而降低煤耗，节约煤炭资源和减少CO₂等排放，对经济、社会和环境的可持续发展具有重要意义。

随着燃煤发电机组的温度和压力提高到700℃/720℃/35MPa等级，对电站关键高温部件，如汽轮机中的高、中压转子和汽缸与阀壳，锅炉中的过热器和再热器管，以及集箱和蒸汽管道等材料，在强度和耐腐蚀性能方面提出了更高的要求。一般认为，锅炉内部过热器和再热器管的外壁温度要比管内的蒸汽温度高50℃左右。因此，当过热器和再热器管内的蒸汽温度达到700℃和720℃时，管外壁的最高温度可能达到770℃左右，甚至还要更高一些。同时，管内的蒸汽压力也提高了。在这样的蒸汽温度和压力条件下，原来在600℃等级的超超临界燃煤电站中广泛使用的9～12Cr％钢和奥氏体耐热钢，如Super304H和HR3C已不能满足强度和耐蚀性能的要求，必须使用镍基高温合金。

现今在民用(如石化)领域使用的镍基合金，通常需考虑在氧化或还原环境下的耐腐蚀性能和高温性能，在航空领域使用的一些时效硬化型镍基合金，高温强度的要求则显得更重要一些，但运行时间短。由于这些用途区别较大，特别是超超临界电站具有运行时间长(30～40年)的突出特点，使得现有的镍基高温合金，通常不能同时满足高温强度、最高使用温度和组织稳定性、耐氧化/硫化性能的要求，以致于不能满足700℃等级超超临界燃煤电站高温部件长时间应用的要求。欧盟在700℃等级超超临界发电计划中研究了Inconel617和Nimonic263镍基合金，并通过对617合金的成分优化得到了617B合金，目前也在对263合金进行优化。日本Sumitomo金属公司发展了Fe-Ni基合金HR6W，瑞典Sandvik公司也发展了Fe-Ni基的Sanicro25合金，这些合金都不能满足在最高温度段部件的要求。美国SMC为欧盟的700℃超超临界计划发展了Inconel740合金，兼具强度高和耐蚀性能良好的明显特点，成为机组高温部件主要的候选材料。中国也正在原用作舰船锅炉过热器的、镍-铁基合金GH2984的基础上，积极发展可以在更高温度应用的合金。迄今为止，上述合金仍然处在发展和研究之中。

本发明通过对Co、Cr、Mo、w、Al、Ti、Nb和C等元素对组织和性能的研究，综合考虑合金固溶强化和析出强化的合理搭配，并辅以良好的晶界强化得到一种可以在800℃以下高温范围内长期使用的镍基合金，室温和高温拉伸及持久性能好，抗腐蚀性优越，在蒸汽温度为700℃等级超超临界燃煤电站装备中的应用前景广阔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种700℃等级超超临界燃煤电站用镍基高温合金材料及其制备方法，成分设计合理，具有热加工塑性好、高温性能好和耐蚀腐蚀性能优越以及高温长期组织稳定等优点。