一、研究的背景与问题

超超临界发电技术和重型燃机发电技术在推动国家能源转型，实现“双碳”目标，保障电力供应等方面发挥着不可或缺的作用，是国家能源安全领域的重要发展方向。汽轮机和燃气轮机作为超超临界发电机组和燃气轮机发电机组的核心装备，是实现高效、环保发电的关键。叶片作为汽轮机和燃气轮机的核心部件，对其性能和可靠性具有决定性的影响，也是制约高效发电技术的瓶颈问题之一。

随着我国电站汽轮机高参数大容量化和重型燃机发电高效化，对高品质叶片材料的需求极为迫切，在产品洁净度、组织均匀性、高温服役稳定性等方面提出了更高的要求。然而我国叶片钢研发起步相对较晚，高端叶片钢多以仿制为主，未能形成具有自主知识产权的叶片用钢体系。由于高端叶片钢成分体系复杂、技术指标要求高，国内相关基础研究相对薄弱，致使高端叶片钢国产化过程中出现夹杂物超标、δ铁素体含量超标、高温持久性能合格率偏低等系列共性问题，难以达到国外一流高端叶片用钢企业控制水平。

二、解决问题的思路与方案

项目总体思路如图1所示。

 图1 项目总体思路

本项目由鞍钢集团北京院牵头，联合钢研总院、攀长特、成都先进金属材料院共同完成。项目以推进超超临界和重型燃机叶片钢国产化进程，提高620~630℃超高参数汽轮机用系列高端耐热叶片钢质量稳定性控制为目标，自2017年起，聚焦“超高洁净化”、“超低δ铁素体”、“高温持久性能稳定性”三大共性难题进行研发攻关，在9个方面取得关键技术突破。

三、主要创新点

1、首创了攀长特电炉冶炼低Si低Al叶片钢工艺，形成了高端叶片钢超高洁净冶炼和易烧损元素精确控制技术，实现了[Si]≤0.05%、[Al]≤0.008%、[O]≤25ppm、非金属夹杂物9项之和≤2.5级；易烧损元素B得到稳定控制，B含量偏差由-0.007%～﹢0.012%提升至±0.005%。

（1）采用低成本的“电炉+AOD+LF+VD+ESR”工艺路线，综合考虑脱氧效果，在电炉及精炼过程中全程控Al、Si含量，设计了精炼渣渣系和电渣渣系成分，形成了低Si低Al钢控硅控铝控氧控渣技术，实现了高洁净化冶炼和Si、Al成分稳定控制（[Si]≤0.05%、[Al]≤0.008%、[O]≤25ppm、非金属夹杂物9项之和≤2.5级）。

（2）揭示了电渣重熔过程中B元素烧损机理，开发了低Si低Al钢含B钢电渣渣系，形成了低Si低Al含B叶片钢电渣易烧损元素精确化控制技术，实现了易烧损B元素稳定控制，B含量偏差由-0.007%～﹢0.012%提升至±0.005%。

图2 不同熔速条件下元素宏观分布：(a)C元素；(b)Nb元素；(c)Cr元素；(d)Mo元素

（3）揭示了电渣重熔工艺参数包括熔速、填充比和渣量对C、Nb、Cr和Mo等易偏析元素的影响，明确了电渣锭凝固过程冷速对δ铁素体分布与含量变化关系，形成了偏析仿真预测技术，实现电渣重熔过程偏析的精准预报，建立了电渣铸锭低偏析凝固质量控制工艺规范。

2、形成了高品质叶片钢中δ铁素体控制成套技术，明确了抑制δ铁素体Ni/Cr临界当量比，掌握了电渣重熔低偏析仿真模拟预测技术，构建了热变形工艺参数与δ铁素体含量回归模型，建立了均质热锻拔铁素体消除技术规范，实现了系列叶片钢δ铁素体含量稳定≤2%。

（1）以叶片钢中δ铁素体问题最为典型的05Cr17Ni4Cu4Nb钢为例，研究了元素对相组成和δ铁素体固溶析出影响规律，控制Nirep/Crrep当量比，明确了超低δ铁素体含量控制的元素窄成分控制范围，实现从源头抑制δ铁素体产生。

（2）设计了“热”与“力”强关联的锻造+均匀化制备工艺，建立了热变形条件与δ铁素体含量之间的多因素回归模型，形成了热-力强关联控制δ铁素体工艺技术，实现了δ铁素体的低含量控制。05Cr17Ni4Cu4Nb钢最严重视场δ铁素体含量稳定控制在≤2%，其他牌号叶片钢≤1%，平均δ铁素体含量稳定控制在≤0.5%，远超GB/T8732-2014要求。

（3）建立了叶片钢锻造仿真模拟，形成了精准变形温区与先大后小道次变形分配锻造关键技术，避免了锻造过程M₂₃C₆、δ铁素体析出粗化和聚集。

 图3 微观组织演变原位观测 图4 高温均质化热处理前后金相组织

3、揭示了高品质叶片钢持久断裂机理，形成了以调控M₂₃C₆与Laves为核心的“微合金优化-低偏析凝固-均质化形变-精确固态转变”全流程组织析出相调控技术，避免了大尺寸/聚集态析出相产生，有效调控了M₂₃C₆、Laves弥散分布，实现了系列叶片钢持久性能合格率提升≥30%，稳定在95%以上

（1）以成分复杂的10Cr11Co3W3NiMoVNbNB钢为例，阐明了C、Cr、Mo等变化对M₂₃C₆和Laves析出的影响，明确了C和W对M₂₃C₆和Laves析出定量关系，从6.从源头抑制大尺寸MX碳氮化物，有效调控M₂₃C₆和Laves相。

（2）形成了叶片钢低偏析仿真模拟预测技术，并通过高温均质化优化，实现了叶片钢中易偏析元素Cr、Mo、V、W和Nb均匀化控制，有效避免成分不均引起的M₂₃C₆、Laves相链状团聚。

（3）确立了淬回火优化原则，形成了锻后热处理关键技术，精准控制了M₂₃C₆、Laves相溶解析出行为，实现了持久性能合格率大幅提升和稳定化控制。22Cr12NiWMoV、14Cr12Ni3Mo2VN钢高温持久合格率由72.5%提升至100%，2Cr11Mo1NiWVNbN、2Cr11Mo1VNbN钢高温持久合格率由70%提升至100%，10Cr11Co3W3NiMoVNbNB钢高温持久合格率由45%提升至95%。

(a)一镦一拔 (b)三镦三拔

图5 不同镦拔变形后析出相SEM和TEM形貌

本项目获授权专利15件，其中发明专利14件，发表学术论文15篇，专有技术13件。经鉴定，该项目具有自主知识产权，整体技术达到国际先进水平。

四、应用情况与效益

该成套技术在攀钢集团江油长城特殊钢有限公司得到应用，实现了系列高品质高端叶片钢工业化稳定生产和国产化替代，近三年累计生产项目所涉系列高端叶片钢11147.56吨，技术降本创效8705.74万元，系列高端叶片钢在东方汽轮机有限公司等单位得到广泛应用，成功用于超超临界火电和国产首台F级50MW重型燃气轮机等关系国家能源安全等重大领域，服务国家“双碳”战略，社会效益、经济效益和生态环境效益显著。

信息来源：鞍钢集团北京研究院有限公司,钢铁研究总院有限公司,攀钢集团江油长城特殊钢有限公司,成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司