近十多年来，世界各国相继开始研发700 ℃等级超超临界（A-USC）燃煤发电技术。欧盟早在1998 年1 月就启动“Thermal AD700 Power Plant”计划，开发37.5 MPa/705 ℃/700 ℃等级超超临界示范机组，机组热效率将超过50%^{[1, 2]}；美国于2001年开始组织和实施“760 ℃”计划，开发37.9 MPa/732 ℃/760 ℃机组，热效率也将超过50%^[3]；日本则于2008年3月启动“New Sunshine”计划建设A-USC火力发电机组，其参数达到35 MPa/700 ℃/720 ℃，热效率为48%~50%^[4]。

我国也于2011年1月开始了“国家700 ℃超超临界燃煤发电关键技术和设备研发及应用示范”项目的研究，目标是自主完成700 ℃超超临界燃煤机组的总体方案设计，机组参数达到35 MPa/700 ℃/720 ℃，容量为600 MW 等级，效率将达到48%~50%。该项关键技术的开发和实施将对我国的节能减排工作产生重大的促进作用。

700 ℃等级A-USC锅炉对金属材料的基本要求有：良好的高温持久蠕变性能（700~750 ℃、100 000h持久强度大于100 MPa）、长期时效的组织热稳定性、管内壁抗蒸汽氧化性、管外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀性能、加工焊接性能和较低的成本^[5]。本文即对国内外700 ℃等级A-USC锅炉过（再）热器及高温蒸汽管道等重要部件用金属材料的研究情况进行分析。

过（再）热器布置在锅炉烟温最高区域，运行中其管壁温度高于管内介质20%~90%。过（再）热器长期受高温应力作用，既要承受较大的蠕变强度，还要承受高温烟气的腐蚀和磨损；而700 ℃等级A-USC锅炉的温度和压力将分别达到700~760 ℃和37.5 MPa，在此工况下，目前600 ℃等级锅炉过（再）热器广泛使用的9%~12%Cr马氏体热强钢和传统奥氏体不锈钢已经不能满足要求，需要寻找新的替代钢种，而高温性能更好的镍基或铁镍基高温合金成为首选。

美国电力科学研究院（EPRI）对当前超超临界锅炉主要使用的过（再）热器管材的持久强度进行了比较研究，结果见图 1[6]所示。可以看出，Inconel617、Haynes230、Inconel617B、Nimonic263 和Inco⁃nel740等镍基高温合金能够满足700 ℃等级A-USC锅炉的过（再）热器对于持久强度的要求，其中Inc⁃onel740合金的持久强度最大^{[6, 7, 8, 9]}。以下即对主要的几种700 ℃等级镍基高温合金的成分、组织和性能进行分析。

图 1

图 1 超超临界锅炉过（再）热器备选管材持久强度对比

Inconel617 合金是原国际镍合金公司（INCOAlloys International）在20 世纪70 年代开发的Cr-Mo-Co固溶强化及碳化物硬化的含20%Cr、50%Ni的镍基热强钢^[10]。该合金中添加了Al和Ti形成少量的γ′相（Ni₃（Al，Ti），质量分数为4%～5%）析出强化。γ′相是镍基合金中的重要强化相，具有fcc（面心立方）超点阵结构，点阵常数约为0.36。在时效态合金中还有少量M₆C相和Ni₂（Cr，Mo）相，没有发现σ相和μ相。该合金已被纳入ASME CodeCase 1956 标准序列^[11]，并被选作欧盟“ThermalAD700 Power Plant”计划中第1台锅炉的材料。其名义化学成分见表 1所示。

表 1 (Table 1)

表 1 700 ℃等级A-USC锅炉过（再）热器使用的耐高温合金中各化学成分质量分数

表 1 700 ℃等级A-USC锅炉过（再）热器使用的耐高温合金中各化学成分质量分数

Haynes230 合金是美国哈氏合金公司（HaynesInternational）于20世纪80年代初研制成功的一种Ni-Cr-W系固溶强化高温合金，具有良好的高温强度和耐腐蚀性，高温时效态有γ′强化相析出^{[12, 13]}；在1149 ℃以下长期服役，具有良好的抗氧化性能，尤其是在氮气环境中，化学稳定性更为突出；长期时效的组织热稳定性良好，在649~871 ℃范围内长期时效至16 000 h没有σ相和μ相出现，在中温区间表现出良好的塑性；此外，该合金加工性能良好，在925~1175 ℃范围内易于锻造成型，且热膨胀系数小，铸造性能良好。由该合金生产的管道由于不需要进行时效热处理，通常经高温固溶处理后即可投入使用。Haynes230合金外推700 ℃、100 000 h持久强度为105~110 MPa，并被纳入ASME Code Case2063标准序列，但其是否可以用于700 ℃等级锅炉的高温部件还有待进一步验证。

Inconel617B即CCA617合金（Controlled concen⁃tration alloy 617），是德国蒂森克虏伯公司的VDM工厂在Inconel617合金基础上进行成分控制优化，降低C、Cr、Fe、Mn及Al等元素的质量分数上限、缩小成分范围而研制出的一种固溶强化和少量γ′相强化的合金，其名义化学成分见表 1所示。该合金具有较大的高温强度，在700 ℃时的高温蠕变强度较In⁃conel617合金大25%^[14]。合金中Ni和Cr质量分数较大，使得合金具有较强的耐蚀性；Al和Cr的共同作用使其具有较强的抗高温氧化能力；而Co和Mo则起到了固溶强化作用，并使合金易于成型和焊接。该合金外推700 ℃、100 000 h持久强度为120 MPa，750 ℃、100 000 h持久强度为90~100 MPa，在欧洲已有30 000 h持久强度的试验数据^[5]。但是，由于合金中Mo质量分数较大，其耐烟气腐蚀及沉积硫酸盐腐蚀的能力相对较弱^{[15, 16]}，有待改进。该合金通常在固溶退火状态下使用，此状态下的粗晶粒结构具有最佳的蠕变开裂强度。图 2为利用Inconel617B生产的过热器管屏^[14]。

图 2

图 2 利用Inconel617B生产的过热器管屏

Nimonic263 合金是英国Rolls-Royce 公司于1971年研制的一种依靠γ′相硬化和固溶强化的镍基合金^[17]。合金中加入6%Mo 主要起固溶强化作用；加入Ti和Al析出约6%的γ′相进行析出强化；高温时效态有少量MC和M₂₃C₆碳化物及少量的η相存在。该合金外推700 ℃、100 000 h持久强度为150MPa，750 ℃、100 000 h持久强度为115 MPa。但该合金抗腐蚀能力较弱，且制作较为困难^[18]。

Inconel740合金是美国特殊金属公司研发的时效沉淀强化型镍基合金，由于其潜在的高许用应力而作为700 ℃等级锅炉的备选材料之一^[19]。该合金是在Nimonic263基础上通过降低C、Mo质量分数分别至0.04%和0.5%、增加Cr质量分数至24%、添加2%Nb 形成的新型镍基合金，主要依靠γ′相强化。该合金也是欧盟“Thermal AD700 Power Plant”和德国“MACRO DE2”计划中锅炉高温过热器和高温再热器使用的新型耐高温合金。其外推700 ℃、120150521 h的持久强度为210 MPa，750 ℃、100 000 h的持久强度为111 MPa；200 000 h的氧化腐蚀层深度不大于2 mm，强度和抗腐蚀性能均优于Nimonic263合金。该合金供货状态为固溶处理态，热处理制度为1150 ℃固溶处理30 min、水淬，然后在800 ℃时效16 h；组织状态为单相奥氏体，晶粒尺寸不均匀并伴有大量孪晶，晶粒直径为10~120 μm，平均直径约为50 μm^{[20, 21]}。

谢锡善等学者的研究认为，Inconel740合金在高温长期时效后由于γ′强化相的长大、晶界和晶内η相的析出及晶界G相的形成，会表现出组织不稳定性^{[16, 21, 22]}。在725 ℃以下时，合金中γ′相的长大速率较小，形成的η相和G相也较少，组织稳定性好；但在725 ℃以上时，针状的η相在晶界处形核，同时向晶内生长形成γ′相并急剧长大，而Si又会抑制G相的形成，因此合金的组织稳定性较差。以上学者通过对Inconel740合金的成分进行调整（提高Al质量分数、适当降低Ti质量分数并严格控制Si质量分数），研制出了改性后的Inconel740H合金，其名义化学成分见表 1所示。该合金的组织稳定性较Inco⁃nel740合金有了显著提高，在750 ℃、800 ℃时长达5000 h时效后不会出现η相和G相，同时γ′相的稳定温度也得以提高。

曾莉等学者在Inconel740合金的基础上设计出GH4700 镍基高温合金，该合金主要成分为55Ni25Cr20Co（见表 1）。GH4700合金的合金化程度高，由于有害杂质元素偏析及低熔点共晶产物和组织的存在，造成其热加工性能较差，而且流变行为具有较高的变形温度和应变速率敏感性，随着变形温度的下降和应变速率的提高，合金的流变应力迅速升高^[23]。

目前对该合金的研究还处于初级阶段，尚未投入应用。上述研究对进一步研究该合金在热加工过程中的组织演变、了解其热塑性特征并确定热加工过程的工艺参数，具有理论指导意义。

Y Yamamoto等学者^{[24, 25, 26, 27]}在奥氏体耐热钢基础上，通过调控Ni、Al、Nb和C等元素的质量分数研制出一种新型含铝奥氏体耐热钢。该钢种通过纳米级NbC进行析出相强化，是一种自形成氧化铝保护膜的奥氏体耐热钢（Al₂O₃-forming austenitic stain⁃less steel，简称AFA），具有相当于镍基高温合金的蠕变强度，同时具备优异的耐蒸汽腐蚀性能和良好的可加工性能，其化学成分见表 1所示。从材料成本分析，相比于其他新型奥氏体耐热钢（如NF709）以及镍基高温合金（如Inconel617），AFA钢含有相对较少的贵金属元素（如Cr、Ni、Co和Mo等），价格相对低廉。这类新型含铝奥氏体耐热钢有望成为700 ℃等级A-USC锅炉使用的新一代耐高温材料。目前，美国橡树岭国家实验室、法国阿尔斯通公司及国内的中国科学研究院金属所和上海交通大学等都在开展该类材料的研究。

锅炉主蒸汽管道及过（再）热器集箱等厚壁高温管道主要用于输送高温高压蒸汽，其结构较为复杂，管道上有很多的接管座，因此要求制作材料应具有足够大的蠕变强度、持久强度及较强的持久塑性和抗热疲劳性能，同时还应具备良好的断裂韧性、焊接及加工性能，接触蒸汽的管道内表面还需具有良好的耐蒸汽氧化性能。在蒸汽温度提高至700 ℃时，只能采用Nimonic263、Inconel617B及Inco⁃nel740H等镍基高温合金^{[13, 27, 28, 29]}。以下对这几类高温管道备选材料进行介绍。

成功实现A-USC技术的一个重要前提就是机组大型组件的大规模生产，在这一过程中涉及冶炼、大型铸件偏析防治、减小残余应力、避免锻造和轧制过程中的灾难性断裂等方面的技术问题。通过大量工作，美国威曼高登公司为欧盟“ThermalAD700 Power Plant”计划项目成功试制出Nimon⁃ic263合金的集箱管道，该管道外径为378 mm、壁厚88 mm、长8.9 m^[18]。Nimonic263合金持久强度大，性能水平接近Inconel740合金，700 ℃时用作大口径管可以减小壁厚，但制作较为困难。

法国瓦卢瑞克&曼内斯曼公司成功利用Inco⁃nel617B合金生产出用于制作高温管道和集箱的大管径厚壁管道，其主要生产过程如下：真空感应熔炼—电渣重熔—制成锻件并预热—热变形成型—冲拉成型—在皮尔格式轧管机上最后成型—固溶退火热处理。经上述工序可加工外径330~420 mm、壁厚25~80 mm 的大管径厚壁管道，在700 ℃和725 ℃温度下100 000 h 的持久强度分别达到140MPa和110 MPa。此外，在对厚壁Inconel617B管道进行防止焊缝应力松弛断裂的焊后退火处理试验中，未发现材料的蠕变强度有明显降低，在一定程度上说明该合金厚壁管道具有良好的焊接性^[30]。低应变率测试结果显示，在焊后或冷变形后700 ℃下热处理3 h可预防管道因残余应力断裂，然后缓慢冷却至室温可有效提高其韧性。图 3为利用Inco⁃nel617B合金制造的过热器集箱^[14]。

图 3

图 3 利用Inconel617B制造的过热器集箱

Young 等人研究了不同气氛及参数下Inco⁃nel617B的焊接性能，认为使用Tissen617焊丝在Ar+2.5%H2的气体保护下进行TIG焊接能够使接头得到最优的组织和性能^[31]：组织方面，基体与焊缝的微观结构和成分不会有明显差异，但焊缝的组织相对粗大；性能方面，室温下焊缝与基体的抗拉强度比为0.89、屈服强度比为0.96，700 ℃高温下焊缝与基体的抗拉强度比为0.86、屈服强度比达到0.71。说明该合金具有良好的焊接性且焊缝强度损失较小。

美国特殊金属有限公司已于2011年生产出了迄今为止最大的Inconel740H合金钢锭（见图 4a），该钢锭直径达750 mm，经真空熔炼及真空自耗电弧熔炼而成，其截面组织无宏观偏析，微观组织中存在碳化物和粗大γ′相，但未见η相存在。该钢锭经顶锻和冲孔挤压可生产出直径380 mm、壁厚89mm、长10 m的大口径管道（见图 4b），用于制造集箱及主蒸汽管道等大管径、厚壁管道。

图 4

图 4 Inconel740H合金大型铸锭及厚壁管道

现有的超过30 000 h蠕变断裂测试数据显示，Inconel740H合金厚壁管道在760 ℃以下的运行条件下具有优良的抗拉强度和屈服强度^[19]。

就目前研究现状而言，Inconel617B作为在Inco⁃nel617合金基础上严格控制合金含量制得的镍基合金，其高温蠕变强度较Inconel617 高25%，可作为中、低温段过（再）热器的备选材料。

Inconel740在上述各种耐热合金中Cr质量分数最高、Mo质量分数最低、耐腐蚀性能最好，但高温组织稳定性较差。经严格控制合金含量改进后的Inc⁃onel740H的高温持久性能与Inconel740相当，但具有更加稳定的高温长时组织及更优异的高温长时持久性能，因此是目前金属壁温达到750 ℃的高温过（再）热器的最佳备选材料，同时可使管壁最薄，应是最经济的选择。

对于主蒸汽管道和高温出口集箱等厚壁管道，欧盟和美国分别研制出了Nimonic263、Inconel617B和Inconel740H 等几种合金的厚壁管道和高温集箱。Nimonic263合金厚壁管道加工制作困难；Inco⁃nely617B合金外推750 ℃、100 000 h持久强度为90~100 MPa，Inconel740H合金外推750 ℃、100 000 h的持久强度为111 MPa，后者较前者高10%，同时Inco⁃nel740H 具有十分优异的焊接性能，因此，Inco⁃nel740H应是主蒸汽管道和高温出口集箱等厚壁管道的主要备选材料。

对于GH4700及AFA等合金，目前还处于初始研究阶段，未见公开的制成品及应用的报道，其应用前景还有待进一步验证。