第 50 卷 第 2 期

2 0 1 5 年 2 月

Vol.50，No.2，p54-60，69

February 2015

钢 铁

Iron and Steel

700℃汽轮机转子用耐热合金的研究进展

田仲良， 包汉生， 何西扣， 刘正东（钢铁研究总院特殊钢研究所，北京 100081）

摘 要：700 ℃超超临界电站用高中压转子是汽轮机中的核心部件，高中压汽轮机转子材料的选择是当前的研究热

点。新型铁素体系和奥氏体系耐热钢的研发促进了600 ℃超超临界火力发电机组的建设，而铁素体系和奥氏体系耐

热钢已经不适用于700 ℃超超临界电站中高温部件的制造，必须考虑采用镍基耐热合金。文章着重分析了700 ℃超

超临界汽轮机转子用耐热合金的技术特点，介绍了欧洲、美国和日本在700 ℃超超临界汽轮机转子耐热合金的研发

和工业制造方面所取得的最新进展，讨论了中国700 ℃超超临界汽轮机转子耐热合金的发展趋势。

关键词：700 ℃超超临界机组；耐热合金；汽轮机转子

文献标志码：A 文章编号：0449-749X（2015）02-0054-07

Research development on the heat resistant alloy

used for 700℃ USC turbine rotorTIAN Zhong-liang， BAO Han-sheng， HE Xi-kou， LIU Zheng-dong

(Institute for Special Steels，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China)

Abstract：The high pressure and intermediate pressure turbine rotor are the core components of 700 ℃ USC power

plants. Many researchers are focusing on the candidates material used for HP and IP rotor. New developed ferritic and aus-

tenitic heat resistant steels promotes the construction of 600 ℃ USC power plants. But ferritic and austenitic steels can't be

used for high temperature components of 700 ℃ USC plants，and nickel based alloy must be considered. The technologi-

cal characteristics of heat resistant alloy used for 700 ℃ USC steam turbine rotor were introduced. The latest research re-

sults on material selection and commercial manufacture in Europe，America and Japan was reviewed. Moreover，the de-

velopment of heat resistant alloy for 700 ℃ USC turbine rotor in China was discussed.

Key words：700 ℃ ultra-supercritical unit; heat resistant alloy; turbine rotor

火力发电（特别是燃煤发电）在中国电力供应中

处于主导地位，燃煤发电无法避免CO2、SO2和 NOx

等污染物的排放。必须采用先进的发电技术降低煤

耗，减少排放，发展大容量超超临界火力发电机组是

有效途径之一。

700 ℃超超临界电站是当今最先进的燃煤火力

发电技术，它的煤耗为 223 g/(kW·h)（2013 年中国

火电平均煤耗为 314.5 g/(kW·h)[1]。按 2013年用电

量计算 [2]，如果全部采用 700 ℃超超临界机组发电，

可节约标准煤约 4.87亿 t，显著降低污染物的排放。

因此，发展 700 ℃超超临界火力发电技术也是中国

未来实现节能减排、提高经济效益的重要措施。

先进耐热钢是推动火力发电技术进步的基础。

亚临界、超临界和超超临界火电技术的发展，都是在

耐热钢技术进步的基础上实现的[3-4]。早期用于超临

界或超超临界的奥氏体耐热钢，由于热传导率低、线

膨胀系数高，导致机组事故频发，蒸汽参数曾一度停

滞不前。直到铁素体耐热钢的出现，超超临界机组

才得到了飞跃发展。近 10年来，600 ℃超超临界机

组的运行情况表明，铬质量分数为9%～12%的铁素

体耐热钢和铬质量分数为 18%、25%的奥氏体耐热

钢能满足超超临界机组的使用要求 [5-7]。但是对于

700 ℃先进超超临界（A-USC）机组，主蒸汽温度为

700 ℃或更高，蒸汽压力为35～40 MPa，这对机组关

键部件材料的持久强度、疲劳性能、高温氧化与腐

蚀等性能都提出了更苛刻的要求[8-9]，故传统的铁素

体耐热钢和奥氏体耐热钢已经不能满足设计要求，

必须选用镍基耐热合金。

基金项目：国家高技术研究发展（863）计划资助项目（2012AA03A501）；国家能源应用技术研究及工程示范资助项目（NY20110102-1）；国家

能源应用技术研究及工程示范项目（NY20110102-1）

作者简介：田仲良（1982—），男，博士生； E-mail：tianzlgy@163.com； 收稿日期：2014-06-18

田仲良，等：700 ℃汽轮机转子用耐热合金的研究进展第 2 期 · 55 ·

镍基耐热合金制造 700 ℃汽轮机转子是发展

700 ℃A-USC机组的瓶颈问题之一。汽轮机转子是

火力发电的心脏，质量在几十吨以上，在高温、高压

超超临界水蒸气环境中以1 500～3 600 r/min的高速

运转[10]。尤其是高、中压转子同时承受高应力、高温

度的作用，要求具有良好高温力学性能、长期组织稳

定性、耐腐蚀性及较低的线膨胀系数，以保证汽轮机

的长期安全运行。

当前研发的汽轮机转子用耐热合金是由用于航

空发动机和高温油、汽条件下的镍基合金发展而来

的[11]，两者明显的不同在于设计寿命和服役温度，因

此对材料的性能要求也不同。通常，汽轮机转子的

设计寿命为3×105 h，而商用航空发动机的设计寿命

为 3×104 h。航空发动机用材料使用温度为 800 ℃

以上，工作环境高温、短时；汽轮机转子为700 ℃，中高

温、长时。由于以上不同，航空用镍基合金不能直接

用于汽轮机转子，合金的成分、冶炼工艺、热加工工

艺、热处理工艺等均需重新优化和研究。对于700 ℃

超超临界汽轮机转子材料的研究，欧洲和美国等相继

开展了研究，并已经取得了一定进展[12-13]。

1 700 ℃转子用耐热合金技术特点

先进超超临界机组蒸汽温度从 600 ℃提升到

700 ℃，除了转子材料成分体系的变化，对转子材料

的持久强度、加工性能、物理性能和焊接性能等均提

出了较高的要求。

（1）持久强度。根据设计许用应力要求，转子

耐热合金候选材料700 ℃持久强度要求105 h外推值

大于 100 MPa。而当今航空发动机用镍基合金材料

更关注短时间高应力持久强度，持久试验时间一般

低于1 000 h。实现转子高温持久强度的基础是材料

的长时组织稳定性高，合金中析出相粗化速率缓慢，

不易发生析出相转变，服役过程中避免发生持久强

度陡降的情况。

（2）加工工艺性。按照 660 MW设计的 700 ℃

电站，高中压转子锻件直径在 600～1 000 mm，合金

锭重 10 t 以上。普通设备无法完成转子锻件热加

工，需要采用万吨级水压机完成。同时，镍基耐热合

金的最佳热加工温度区间较窄，在窄温度窗口内完

成热加工，又增加了难度。因此，良好的热加工工艺

性是耐热合金候选材料需要具备的工艺优点。

（3）线膨胀系数。低线膨胀系数是转子材料需

要考核的关键物理性能，700 ℃汽轮机转子用镍基

耐热合金，其线膨胀系数较高，由此会产生高的热应

力，导致转子的轴向膨胀、旋转件与固定部分的不同

膨胀，这会影响汽轮机的结构和性能[14]。因此，转子

候选材料尽量选取热传导率高、热线胀系数低的耐

热合金。

（4）焊接性能。目前，700 ℃超超临界电站汽轮

机转子倾向采用焊接转子，即高温段用镍基耐热合

金，低温段用铁素体钢。镍基耐热合金与铁素体钢

焊接是需要考虑的问题，镍基合金焊接过程中，容易

产生焊接热裂纹、气孔等缺陷，导致焊接接头力学性

能及高温持久寿命下降[15]。因此，候选材料首先应

具有良好的焊接性，且焊接转子的焊后热处理工艺

能够在建造现场实施。显然，固溶强化型合金比时

效强化型合金的焊后热处理更易实施。

2 国外 700 ℃高、中压转子耐热合金研究进展

对于使用温度为 700 ℃的高、中压转子耐热

合金，选材以固溶强化或时效强化的镍基合金为

主 [16]。欧洲、美国、日本已选定了部分耐热合金作为

700 ℃超超临界汽轮机转子候选材料（表1）[17-21]。

表1 700℃超超临界机组汽轮机转子候选材料 (质量分数)

Table 1 Candidate materials of 700℃ ultra-supercritical steam rotor %

牌号

Nimonic263

Inconel625

Inconel617

Haynes282

Udimet720Li

Inconel740

Nimonic105

FENIX-700

LTES700R

TOS1X

TOS1X-Ⅱ

C

0.060

0.060

0.060

0.060

0.015

0.030

0.150

0.020

0.030

0.013

0.070

Cr

20.0

21.0

22.0

20.0

16.0

25.0

15.0

16.0

12.0

23.0

18.0

Co

20.00

≤1.00

12.00

10.00

14.75

20.00

20.00

12.50

12.50

Mo

6.0

9.0

9.0

8.5

3.0

0.5

5.0

6.2

10.0

10.0

W

1.2

7.0

Fe

≤0.7

≤5.0

≤1.5

≤1.5

0.7

37.0

Al

≤0.60

≤0.40

1.00

1.50

2.50

0.90

4.70

1.30

1.60

1.70

1.25

Ti

2.20

≤0.40

0.40

2.10

5.00

1.80

1.10

1.50

0.80

0.40

1.35

Ta

0.1

0.1

Nb

3.7

2.0

2.0

0.4

0.4

Si

≤0.40

≤0.50

≤1.00

≤0.15

0.50

0.50

0.05

Mn

≤0.60

≤0.50

≤1.00

≤0.30

0.30

0.50

0.02

Ni

余量

余量

余量

余量

余量

余量

余量

余量

余量

余量

余量

国家/地区

欧洲

美国

日本

钢 铁 第 50 卷· 56 ·

2. 1 欧洲研究进展

欧洲AD700项目中，700 ℃汽轮机转子材料采

用镍基合金与铁素体钢异种材料焊接，图 1 为 Al-

stom设计的高压焊接转子示意图[22]。欧洲所选镍基

合金主要有固溶强化型Alloy617、Alloy625，时效强

化型 Alloy263、Alloy718，4 种合金全尺寸试验转子

部分性能数据见表2[17]。

图1 Alstom高压焊接转子示意图

Fig. 1 HP welded rotor of Alstom

表2 欧洲AD700高、中压转子候选材料性能

Table 2 Mechanical properties of HP and IP rotor

candidates in Europe AD700 project

合金

263

617

625

718

尺寸

ϕ 600 mm×100 mm

ϕ 700 mm×800 mm

ϕ 725 mm×1 230 mm

ϕ 730 mm×320 mm

Rm/MPa

912

772

763

1 340

Rp0.2 /MPa

615

359

363

1 155

A/%

21

48

57

19

Z/%

18

45

52

21

德 国 Saarschmiede 采 用 VIM ＋ ESR 制 造

ϕ 1 000 mm的Alloy617铸锭，重达20 t。经均匀化热

处理、镦粗、拔长，最终生产出 ϕ 700 mm高压转子和

ϕ 1 000 mm中压转子。 ϕ 750 mm的Alloy625转子铸

锭，冶炼工艺与Alloy617相同，最终成品为 ϕ 710 mm

高压转子锻件 [23]。Alloy617 和 Alloy625 转子高、低

倍组织检查表明，锻件组织均匀，无宏观组织偏析。

力学性能、超声波探伤检结果见表3[24]。

表3 Alloy617和Alloy625试验转子测试结果

Table 3 Test results of Alloy617 and Alloy625 trial rotor

合金

617

617

617

625

铸锭

VIM-ESR

ϕ 750 mm/7 t

VIM-ESR

ϕ 1 000 mm/14 t

VIM-ESR

ϕ 1 000 mm/15 t

VIM-ESR

ϕ 750 mm/7 t

尺寸

ϕ 700 mm×800 mm

ϕ 850 mm×1 480 mm

ϕ 1 000 mm×1 350 mm

ϕ 710 mm×1 150 mm

最终

质量/t

4.5

4.7

8.8

3.7

Rp0.2 /MPa

359

398

362

363

Rm/MPa

772

620

775

763

A/%

48

17

42

57

Z/%

45

20

45

52

KV2 /J

99～102

82～104

173～211

2 MHz超声

波缺陷尺寸

检测/mm

2.8

2.5

2.8

2.0

晶粒尺寸

(ASTM

E112)/级

表面：3～4

中心：2～4

表面：4～6

中心：3～6

表面：3～5

中心：1～3

表面：3～5

中心：1～4

2.2 美国研究进展

美国先进超超临界电站设计蒸汽参数 760 ℃/

35 MPa，高于欧洲的设计温度。汽轮机材料研究项

目从2005年开始，为期9年，由美国能源部（DOE）和

俄亥俄州煤炭发展办公室（OCDO）资助，美国电力

研究协会(EPRI)、橡树岭国家实验室和汽轮机制造

厂家参与。该项目分2个阶段，2009年第1阶段任务

已经完成，主要对汽轮机材料进行筛选；第2阶段到

2014年结束，主要确定汽轮机各个部件的候选材料，

对材料的加工性、焊接性、力学性能等进行深入研

究。高、中压转子的制造分为大型焊接转子和整体

锻造转子2种[25-27]。

汽轮机转子材料筛选主要由Alstom、Siemens、

GE 承担。Alstom 研究 Nimonic263/Incone617 焊接

及焊后性能，Siemens 研究 Haynes282/Haynes282、

Haynes282/Inconel617、Haynes282/Udimet720Li同种

和异种材料的焊接。

GE 通过 Thermocalc 计算，结合材料的物理性

能、力学性能及高温热稳定性，从19种合金中选取Ni-

monic105、Udimet720Li、Haynes282 和 Inconel740 作

为整体锻造转子候选材料。

目前，转子材料研究主要取得结果如下：

（1）以 Inconel17为焊材，采用窄间隙钨极氩弧

焊研究了Nimonic263/Inconel617焊接性能及焊后长

期高温暴露对焊接微观组织和力学性能的影响。研

究焊后热处理对 Haynes282/Udimet720Li 焊后应变

田仲良，等：700 ℃汽轮机转子用耐热合金的研究进展第 2 期 · 57 ·

时效裂纹影响。研究表明，在经过不同时效以及亚

固溶条件的焊后热处理后，Udimet720Li均没有出现

时效裂纹。

（2）Haynes282、Nimonic105 和 Waspalloy 持久

强度满足 760 ℃/2.5×105 h≥100 MPa 的要求，可作

为汽轮机转子材料。Nimonic105由于加工性、焊接

性较差，不能作为760 ℃转子选材，只能作叶片、螺栓

和阀杆等使用。Inconel740仅能满足 760 ℃×105 h

持久强度要求，Udimet720Li持久强度不能满足转子

材料要求。

（3）从制造能力和经济方面考虑，否定了760 ℃

整体锻造转子的可行性。项目第2阶段将研究采用

焊接转子或者螺栓连接转子。

Haynes282蠕变强度高，加工性和焊接性能优异，

同时热处理温度窗口宽，被美国选为760 ℃汽轮机转

子材料，并进行了试制。图2是VIM+ESR+VAR工艺

制造的直径约为610 mm的Haynes282转子铸锭[18]。

2. 3 日本研究进展

日本700 ℃先进超超临界电站研究计划起步较

晚，但在转子材料研究方面进展迅速。目前，已研制

出 FENIX- 700、LTES700R 和 TOS1X 等多种用于

700 ℃汽轮机转子的耐热合金[28]。日本700 ℃转子设

计和材料方向与欧洲一致，采用镍基合金与铬质量分

数为12%的钢焊接生产大型转子，主要选材见表4[29]。

图2 Haynes282转子铸锭

Fig. 2 Haynes 282 alloy ingot

表4 日本700℃转子材料

Table 4 700℃ rotor materials in Japan

耐热材料

FENIX-700

LTES700R

TOS1X

温度等级

700 ℃

＞700 ℃

＞720 ℃

质量

＞10 t

研发目标

无偏析10 t级镍基合金

与铬质量分数为12%的耐热钢具有良好焊

接性的10 t级镍基合金

FENIX-700是日立在Alloy706基础上，降低易

偏析铌元素质量分数，同时增加铝质量分数，研制的

700 ℃转子耐热合金[30]，该材料700 ℃持久试验最长

点达 45 000 h，外推 105 h持久强度大于 100 MPa，如

图 3所示[31]。日立已采用VIM＋ESR＋VAR工艺生

产出 ϕ 1 000 mm铸锭（图4），铸锭组织均匀，同时采

用VIM+ESR工艺生产 ϕ 1 050 mm铸锭，横纵截面

检查，组织均匀没有宏观偏析[32]。

图3 FENIX-700持久强度

Fig. 3 Creep-rupture strength of FENIX-700

图4 FENIX-700 ϕ 1 000 mm 铸锭

Fig. 4 FENIX-700 ϕ 1 000 mm ingot

LTES700 是三菱研制的一种低热膨胀耐热合

金，铬增加抗氧化性，钼、钛和铝为降低线膨胀系数元

素，通过γ′相和沉淀析出A2B相[Ni2(Mo，Cr)]强化[33]。

降低钼，提高铝，添加钨对LTES700成分进行优化，优

化后的合金命名为LTES700R[20，34]。由于钼元素的降

低，LTES700R线膨胀系数高于LTES700，但要低于一

般的镍基合金，如图 5所示[35]。图 6是LTES700R持

久强度 L-M 曲线，该材料 700 ℃×105 h期望值大于

100 MPa，需要进一步考核 [35]。三菱制造重 8 t 的

30～40 t（10 t镍基+30 t钢）

钢 铁 第 50 卷· 58 ·

LTES700R 试验件，并进行了 LTES700R 同种焊接，

LTES700R与铬质量分数为12%的钢异种焊接试验，

焊接试验结果正在评定[28]。

TOS1X是东芝在Alloy617合金基础上，通过增

加铝质量分数，添加铌和钽，提高合金强度，而研

制的 700 ℃转子耐热合金。在TOS1X基础上，降低

铬质量分数到 18%，消除σ相，调整铝和钛质量分数

优化γ′相数量，研制的耐热合金TOS1X-Ⅱ[36]。东芝

TOS1X、TOS1X-Ⅱ合金的700 ℃×105 h外推持久强

度分别为160和200 MPa（图7）[21]。

图5 合金线膨胀系数Fig. 5 Coefficient of thermal expansion

图6 LTES700R持久强度Fig. 6 Creep-rupture strength of LTES700R

图7 汽轮机转子合金105 h持久强度

Fig. 7 105 h creep-rupture strength of turbine rotor alloys

东芝采用 VIM＋ESR 工艺，生产 ϕ 1 000 mm

TOS1X铸锭，重约14 t，最终模型转子尺寸为ϕ850 mm×

1 500 mm，重7 t，见图8[37]。TOS1X-ⅡESR锭直径为

ϕ 1 300 mm，重 31 t，锻造成 ϕ 1 160 mm×2 600 mm

毛坯件，最终机加工成重14 t的成品，见图9[28，36]。

图8 重7 t的TOS1X模型转子

Fig. 8 Model rotor of 7 tons TOS1X

图9 重14 t的TOS1X-Ⅱ锻件

Fig. 9 Forging of 14 tons TOS1X-Ⅱ

3 中国 700 ℃汽轮机转子耐热合金展

望

中国超临界和超超临界发电技术比发达国家晚

了 10 年，近年来通过不断发展和自主研制，中国

600 ℃超超临界发电技术水平和建成的机组都占据

世界首位。600 ℃耐热合金技术国产化过程证明，

中国电站用钢技术进步对企业具有存亡和发展的意

义，对国家具有战略性意义。目前，中国在700 ℃等

级汽轮机转子耐热合金方面还未见报道，而西方发

达国家已经取得了阶段性进展，并正在逐步形成各

自的技术路线（表5）。

欧洲700 ℃等级转子耐热合金，主要以现有成熟

合金为主，并且成功制造了Alloy617和Alloy625大型

锻件，微观组织、探伤和短时力学性能结果表明产品

田仲良，等：700 ℃汽轮机转子用耐热合金的研究进展第 2 期 · 59 ·

表5 欧洲、美国和日本研制的转子耐热合金

Table 5 Introduction of heat resistant alloys in Europe，USA and Japan

地区

欧洲

美国

日本

代表合金

Alloy617( ϕ 1 000 mm)、

Alloy 625( ϕ 750 mm)

Haynes282( ϕ 610 mm)

FENIX-700( ϕ 1 050 mm)、

LTES700R( ϕ 910 mm)、TOS1X-Ⅱ

( ϕ 1 300 mm)

持久性能

105 h≥100 MPa

2.5×105 h≥100 MPa

105 h≥100 MPa

技术路线

以现有成熟合金为主

现有合金进行改进

开发新型合金

质量良好，锻件的长期组织演变和性能测试还在进

一步研究。

美国根据其煤炭资源情况的不同，制定蒸汽温

度为760 ℃等级的超超临界机组发展计划。汽轮机

转子耐热合金采用镍基合金筛选和改进并举的研究

方法，目前研究工作主要集中在材料性能的测试上，

Haynes282是760 ℃转子的候选材料。

日本700 ℃等级转子耐热合金主要采用开发新

型合金的技术路线，并进行了大量卓有成效的研发工

作。其中部分耐热合金正在进行装机考核试验。

现有候选材料Alloy617、Alloy617-Mod(改进型)、

Alloy625、Alloy263、FENIX-700、TOS1X和TOS1X-Ⅱ

等公开的105 h外推持久强度值（图10）表明，现有成

熟的 Alloy617 镍基合金不能满足 700 ℃×105 h 持

久强度 100 MPa，必须进行改进。改进后的材

料，TOS1X-Ⅱ和 TOS1X 的持久强度较高，其次

是 Alloy263，改进型Alloy617和Alloy625合金的持久

强度相当，均能满足大于 100 MPa的要求。但目前

105 h持久强度值主要依靠实验室和较短时间的外推

结果，仍需要进一步研究模拟转子的持久性能，获得

至少 10 000 h以上的持久数据，再对候选合金的持

久性能进行评估。

图10 汽轮机转子候选材料105h持久强度

Fig. 10 105 h creep-rupture strength of steam turbine rotor

candidate materials

700 ℃汽轮机转子耐热合金技术是研发 700 ℃

超超临界电站的基础。若 700 ℃电站转子依靠进

口，只能落入受制于人的境地，重蹈中国发展600 ℃

超超临界电站受制于国外的覆辙，未来使中国

700 ℃超超临界火电发展处于被动状态。只有通过

自主研发，形成具有自主知识产权的转子耐热合金

技术，才能保证中国 700 ℃超超临界火电技术的独

立性，在全球竞争中赢得市场，提升中国在火电用钢

及合金领域的竞争力。

2010年中国组建和启动了国家700 ℃超超临界

燃煤发电技术创新联盟。700 ℃超超临界汽轮机高

中压转子制造技术是研发的重点之一，而且国外也

刚起步不久，还处于探索发展阶段。因此，中国可以

吸收国外的研制经验，少走弯路，在短时间内缩短与

国外的差距。中国当前制造装备水平处于世界领先

地位，同时还有政府的大力支持。笔者相信通过不

懈努力，中国一定会掌握 700 ℃耐热合金的核心技

术，拥有自主产权的700 ℃汽轮机转子用耐热合金，

促进中国700 ℃超超临界电站的建设。

4 结语

700 ℃汽轮机转子耐热合金的研究，在世界范

围内还处在探索阶段。欧洲、美国、日本在转子材料

方面已经取得了一定的突破，并且正在逐渐形成各

自的模式。700 ℃汽轮机转子用耐热合金研究的方

法，都遵循以现有成熟合金为主，在此基础上进行改

进，并适时开发新型合金的思路。中国有可能成为

世界上最早建成 700 ℃电站的国家，虽然在 700 ℃

转子材料的研究方面基本处于空白，但中国已经具

备生产大型镍基耐热合金转子的能力，同时也有发

达国家成功经验可循。尽快开展700 ℃汽轮机转子

用耐热合金的研制工作，形成自主知识产权的超超

临界电站用耐热合金技术是中国发展700 ℃电站的

当务之急。

钢 铁 第 50 卷· 60 ·

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