何煥生1,余黎明,1,劉晨曦1,李會軍1,高秋志2,劉永長,1

我國資源與能源結構特點決定了在未來相當長的一段時期內，燃煤火力發電在電力能源結構中仍將占據絕對重要的地位(約超過70%)[1]。火力發電在滿足人們生產生活需求的同時也因排放大量CO2、SO2、NOx等有毒有害氣體對生態環境造成了極大破壞。因此，發展更高參數的超超臨界(ultra super-critical，USC)發電技術迫在眉睫，即通過提高火力發電機組中耐熱鍋爐的蒸汽溫度和壓力參數來提升熱效率，進而減少煤耗[2~4]。目前全球商用火電站普遍應用的是600℃ USC發電技術[5]，大力推進650℃及以上溫度USC示范電站建設以進一步降低碳排放、實現綠色發展是現階段全球火電站建設發展共同面臨的工程難題。

650℃ USC機組是一個龐大、復雜、系統的工程，其發展進程面臨諸多關鍵技術問題的挑戰，其中材料技術首當其沖，急需開發出能夠在高溫高壓蒸汽環境下仍然具有足夠高溫強度和抗氧化腐蝕性能的高溫材料。尤其是USC機組中的大口徑鍋爐管道，工作條件復雜、環境惡劣，對材料的高溫強度和抗氧化腐蝕性能要求更為苛刻，這類材料的研發是發展USC燃煤發電技術亟待解決的關鍵問題，已成為制約我國USC機組建設與發展的瓶頸要素[6,7]。目前有望在650℃ USC機組使用的耐熱鋼主要有(9%~12%)Cr (質量分數)馬氏體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼和鎳基高溫合金[8,9]。奧氏體耐熱鋼，比如NF709 (20Cr25Ni1.5MoNbTi)[10]、HR3C (25Cr20NiNbN)[11]等，雖具有良好的抗高溫腐蝕性能，但熱傳導系數低、熱膨脹系數大，只能用于制備小口徑鍋爐。鎳基合金雖然高溫強度明顯優于耐熱鋼，但熱加工性較差且生產成本高，難以大范圍應用。(9%~12%)Cr馬氏體耐熱鋼相比其他耐熱鋼具有成本低、熱膨脹系數小、熱穩定性好以及良好的抗氧化性能和抗疲勞性能等優點[12~15]，最具經濟性和實用性，也是目前應用最廣的耐熱鋼?；诖耍撹F研究總院在600℃ USC機組大口徑鍋爐使用的P92鋼的基礎上，通過調整優化合金元素比例，開發了一種新型的馬氏體耐熱鋼——G115。G115鋼在620~650℃具有優異的力學性能，特別是在650℃下，G115鋼的蠕變持久強度是P92鋼的1.5倍[5,16]，也高于日本同類的MARBN和SAVE12AD鋼[17]。2018年《電站用新型馬氏體耐熱鋼G115無縫鋼管》行業標準正式公布，同年G115鋼被納入到國家工信部《重點新材料首批次應用示范指導目錄》，標志著G115鋼成為650℃超超臨界火電站鍋爐用鋼最優候選材料之一。

1成分特點

G115鋼以P92鋼為基礎，在成分設計上充分利用“多元素復合強化”和“選擇性強化”理論，以提高材料熱強性為設計目標，以獲得高位錯密度的全馬氏體基體為設計原則，在充分發揮Cr、W、Co、Mo等元素固溶強化作用的基礎上，充分考慮固溶強化、彌散強化(Nb、V、N、Cu等)、亞結構強化和位錯強化的協同效應，引入納米尺度Cu以進一步提高熱強性，同時精確調控B和N的比例以有效提升高溫晶界強度[16,18,19]，得出了最優成分體系。相較于P92鋼，G115鋼中用W取代Mo，并添加了3%Co (質量分數，下同)和適量的B。W和Mo都是典型的固溶強化元素，但W的固溶強化作用比Mo更加明顯[20]，且適量的W還會抑制M23C6粗化，提高蠕變強度[21,22]。研究[23]表明，W含量過高會產生δ-鐵素體，降低鋼的綜合性能，因此一般將W含量控制在3%左右。添加Co主要是為了抑制δ-鐵素體產生，防止材料發生脆斷[23,24]，同時提升G115鋼的固溶強化效應。添加一定量的B除了可以促進M23C6在晶界析出從而提高晶界強度外，還可以抑制M23C6粗化[25]。與日本的MARBN和SAVE12AD鋼相比，G115鋼化學成分最大的創新之處在于額外添加了1%左右的Cu[26]，Cu除了具有良好的抗腐蝕性外，還可以在一定條件下形成極其穩定的富Cu相，提高彌散強化作用[27,28]。為了更好了解G115鋼成分特點，表1[19,26,29]分別列出了G115鋼和成分相近的P92、MARBN以及SAVE12AD鋼的化學成分。

表1P92、MARBN、SAVE12AD和G115鋼化學成分[19,26,29](mass fraction / %)

Table 1Chemical compositions of P92, MARBN, SAVE12AD, and G115 steels[19,26,29]

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USC機組不同組件因性能參數要求不同需要用到不同種類的鋼種，其在應用時必然涉及到異質焊接。相比于同質焊接，異質焊接接頭成分、組織、性能不均勻性也更加明顯，在工程上更易于失效斷裂。李林平等[80,81]研究了G115/T92鋼異質焊接后熱處理制度，認為在 (770 ± 5)℃保溫1 h可獲得良好的力學性能，此時接頭室溫抗拉強度約為685 MPa，屈服強度約為545 MPa，與T92鋼母材相當，滿足工業標準要求。Yang等[82]對G115/Sanicro25異種鋼焊接接頭PWHT后發現室溫屈服強度較Sanicro25鋼提升了近100 MPa，拉伸強度相當，這主要得益于PWHT過程中形成的殘余奧氏體轉變成馬氏體。Xiong等[83]發現G115/CB2異種鋼焊接PWHT后雖然部分回火馬氏體會發生回復，轉變成亞結構，位錯密度也降低，但在原始奧氏體晶界會析出細小的M23C6，彌補基體“損傷”，最終仍然使焊件拉伸性能提高，拉伸斷裂機制也由解理斷裂轉為韌性斷裂。Yang等[82]和Zhang等[84]也發現了類似現象。李婷[85]還發現對G115/CB2鋼異質焊接引入磁場輔助后，接頭焊縫處晶粒尺寸更加均勻，板條馬氏體更加細小，拉伸強度較原始焊接接頭提升了58 MPa，焊縫硬度在整體上也高于初始焊縫，該方法有利于彌補傳統焊接過程中因組織不均勻造成的接頭性能差異。目前對G115鋼焊件的研究重點主要集中在接頭的強韌性評估、焊后熱處理制度等方面，有關焊接接頭的蠕變持久性能、抗疲勞性能等還鮮有報道。

3.6管材制備

G115鋼主要工業目標是應用于USC機組中大口徑鍋爐管道，這類耐熱材料對蠕變持久性能、抗疲勞性能和抗蒸汽氧化性能等都有更苛刻的要求。因此在工業冶煉中要精準控制各元素添加量，尤其是保證關鍵強化元素Cr、W、Co的含量，精準控制晶界調控元素B和N的比例，同時要控制極低的P、S等雜質元素含量，實現超純凈冶煉，以保證鑄錠成分精確性和均勻性[86]。在鋼管制備方面，內蒙古北方重工與鋼鐵研究總院、寶鋼特鋼有限公司等單位通過反向擠壓成型手段率先成功試制了直徑540 mm、壁厚70 mm、長度5000 mm的G115鋼大口徑厚壁管，其制備流程及關鍵技術在文獻[87]中有詳細介紹，而后又成功制備了直徑從38 mm到680 mm、壁厚從9 mm到140 mm各類尺寸不同的鋼管。制備后的鋼管需在1070~1090℃至少保溫1.5 h，然后在770~790℃保溫不少于4 h，以改善組織不均勻性，具體保溫時間可根據壁厚不同進行調整[88]。為了改善大口徑鍋爐鋼中可能因晶粒粗大產生的組織遺傳現象，可以對G115鋼進行2次或多次循環正火處理以提高耐熱鍋爐的安全性和使用壽命[89,90]。經過多年集中攻關，2018年中國鋼鐵協會團體標準《電站用新型馬氏體耐熱鋼G115無縫鋼管》正式通過審定，并且現在已經將G115鋼應用于我國正在建設的世界首座630℃超超臨界示范電站中的鍋爐和六大管道[91]，標志著G115鋼迎來了從研發試制到工業生產的跨越。

4總結與展望

我國自主研發的新一代馬氏體耐熱鋼G115與同一服役級別的耐熱鋼相比，在組織穩定性、抗疲勞性能和抗氧化性能等方面均具有顯著優勢，是目前世界上最有前景應用在650℃ USC電站上的耐熱鋼之一。本文介紹了G115鋼的成分特點和形貌特點，歸納總結了G115鋼在熱穩定性能、蠕變性能、抗疲勞性能等方面的研究現狀，未來G115鋼的研究可以重點圍繞以下幾方面開展研究。

(1) 深化富Cu相影響規律認識。G115鋼與日本的MARBN鋼成分非常接近，但G115鋼各項性能指標均高于MARBN鋼，現已證實與富Cu相析出有關。目前對富Cu相的分布位置、形態、尺寸以及富Cu相強化方式等方面做了一定研究，但有關富Cu相與其他析出相的交互影響以及富Cu相的形核生長熱力學和動力學研究還較少。此外，目前認為富Cu相在長時間應力條件下會溶解消失，如何有效遏制富Cu相的消失也是研究的重點。

(2) 抑制Laves相粗化，改善韌性。G115鋼中的Laves相在服役過程快速粗化，尤其是會吞并M23C6，極大地降低了G115鋼長期服役的蠕變持久性能和抗疲勞性能。同時，韌性較低也是G115鋼的一大短板，如何有效抑制Laves相的粗化速率并且盡可能改善韌性也將是G115鋼后期研究的重點內容。

(3) 提高抗蒸汽氧化性能和抗腐蝕性能。耐熱鍋爐在服役過程中會被高溫產生的水蒸氣氧化，氧化皮的剝落容易堵塞管道，引起局部超溫，使電站的安全性存在極大安全隱患。目前針對G115鋼的抗蒸汽氧化性能研究主要集中在氧化膜的形貌、生長機理等方面，且模擬的蒸汽氧化環境與實際服役環境差異較大。有關抗蒸汽氧化措施以及蒸汽氧化行為失效預警研究還鮮有報道。此外，腐蝕行為也是影響耐熱鍋爐安全性的重要因素之一，后期可考慮在工業服役實際環境下將抗蒸汽氧化性能和抗高溫腐蝕性能結合起來進行研究。

(4) 深入評價焊接接頭性能。USC機組耐熱鍋爐通常以焊接方式安裝使用，焊接接頭是材料服役失效斷裂的薄弱區，其性能很大程度上決定了耐熱鍋爐的使用壽命。目前有關G115鋼焊接性能的研究主要集中于焊材成分設計和焊后熱處理制度上，對焊接接頭性能評估主要是強韌性評估，后期要重點加強焊接接頭的服役性能和失效行為分析的研究。