何焕生1,余黎明,1,刘晨曦1,李会军1,高秋志2,刘永长,1

我国资源与能源结构特点决定了在未来相当长的一段时期内，燃煤火力发电在电力能源结构中仍将占据绝对重要的地位(约超过70%)[1]。火力发电在满足人们生产生活需求的同时也因排放大量CO2、SO2、NOx等有毒有害气体对生态环境造成了极大破坏。因此，发展更高参数的超超临界(ultra super-critical，USC)发电技术迫在眉睫，即通过提高火力发电机组中耐热锅炉的蒸汽温度和压力参数来提升热效率，进而减少煤耗[2~4]。目前全球商用火电站普遍应用的是600℃ USC发电技术[5]，大力推进650℃及以上温度USC示范电站建设以进一步降低碳排放、实现绿色发展是现阶段全球火电站建设发展共同面临的工程难题。

650℃ USC机组是一个庞大、复杂、系统的工程，其发展进程面临诸多关键技术问题的挑战，其中材料技术首当其冲，急需开发出能够在高温高压蒸汽环境下仍然具有足够高温强度和抗氧化腐蚀性能的高温材料。尤其是USC机组中的大口径锅炉管道，工作条件复杂、环境恶劣，对材料的高温强度和抗氧化腐蚀性能要求更为苛刻，这类材料的研发是发展USC燃煤发电技术亟待解决的关键问题，已成为制约我国USC机组建设与发展的瓶颈要素[6,7]。目前有望在650℃ USC机组使用的耐热钢主要有(9%~12%)Cr (质量分数)马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢和镍基高温合金[8,9]。奥氏体耐热钢，比如NF709 (20Cr25Ni1.5MoNbTi)[10]、HR3C (25Cr20NiNbN)[11]等，虽具有良好的抗高温腐蚀性能，但热传导系数低、热膨胀系数大，只能用于制备小口径锅炉。镍基合金虽然高温强度明显优于耐热钢，但热加工性较差且生产成本高，难以大范围应用。(9%~12%)Cr马氏体耐热钢相比其他耐热钢具有成本低、热膨胀系数小、热稳定性好以及良好的抗氧化性能和抗疲劳性能等优点[12~15]，最具经济性和实用性，也是目前应用最广的耐热钢。基于此，钢铁研究总院在600℃ USC机组大口径锅炉使用的P92钢的基础上，通过调整优化合金元素比例，开发了一种新型的马氏体耐热钢——G115。G115钢在620~650℃具有优异的力学性能，特别是在650℃下，G115钢的蠕变持久强度是P92钢的1.5倍[5,16]，也高于日本同类的MARBN和SAVE12AD钢[17]。2018年《电站用新型马氏体耐热钢G115无缝钢管》行业标准正式公布，同年G115钢被纳入到国家工信部《重点新材料首批次应用示范指导目录》，标志着G115钢成为650℃超超临界火电站锅炉用钢最优候选材料之一。

1成分特点

G115钢以P92钢为基础，在成分设计上充分利用“多元素复合强化”和“选择性强化”理论，以提高材料热强性为设计目标，以获得高位错密度的全马氏体基体为设计原则，在充分发挥Cr、W、Co、Mo等元素固溶强化作用的基础上，充分考虑固溶强化、弥散强化(Nb、V、N、Cu等)、亚结构强化和位错强化的协同效应，引入纳米尺度Cu以进一步提高热强性，同时精确调控B和N的比例以有效提升高温晶界强度[16,18,19]，得出了最优成分体系。相较于P92钢，G115钢中用W取代Mo，并添加了3%Co (质量分数，下同)和适量的B。W和Mo都是典型的固溶强化元素，但W的固溶强化作用比Mo更加明显[20]，且适量的W还会抑制M23C6粗化，提高蠕变强度[21,22]。研究[23]表明，W含量过高会产生δ-铁素体，降低钢的综合性能，因此一般将W含量控制在3%左右。添加Co主要是为了抑制δ-铁素体产生，防止材料发生脆断[23,24]，同时提升G115钢的固溶强化效应。添加一定量的B除了可以促进M23C6在晶界析出从而提高晶界强度外，还可以抑制M23C6粗化[25]。与日本的MARBN和SAVE12AD钢相比，G115钢化学成分最大的创新之处在于额外添加了1%左右的Cu[26]，Cu除了具有良好的抗腐蚀性外，还可以在一定条件下形成极其稳定的富Cu相，提高弥散强化作用[27,28]。为了更好了解G115钢成分特点，表1[19,26,29]分别列出了G115钢和成分相近的P92、MARBN以及SAVE12AD钢的化学成分。

表1P92、MARBN、SAVE12AD和G115钢化学成分[19,26,29](mass fraction / %)

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

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USC机组不同组件因性能参数要求不同需要用到不同种类的钢种，其在应用时必然涉及到异质焊接。相比于同质焊接，异质焊接接头成分、组织、性能不均匀性也更加明显，在工程上更易于失效断裂。李林平等[80,81]研究了G115/T92钢异质焊接后热处理制度，认为在 (770 ± 5)℃保温1 h可获得良好的力学性能，此时接头室温抗拉强度约为685 MPa，屈服强度约为545 MPa，与T92钢母材相当，满足工业标准要求。Yang等[82]对G115/Sanicro25异种钢焊接接头PWHT后发现室温屈服强度较Sanicro25钢提升了近100 MPa，拉伸强度相当，这主要得益于PWHT过程中形成的残余奥氏体转变成马氏体。Xiong等[83]发现G115/CB2异种钢焊接PWHT后虽然部分回火马氏体会发生回复，转变成亚结构，位错密度也降低，但在原始奥氏体晶界会析出细小的M23C6，弥补基体“损伤”，最终仍然使焊件拉伸性能提高，拉伸断裂机制也由解理断裂转为韧性断裂。Yang等[82]和Zhang等[84]也发现了类似现象。李婷[85]还发现对G115/CB2钢异质焊接引入磁场辅助后，接头焊缝处晶粒尺寸更加均匀，板条马氏体更加细小，拉伸强度较原始焊接接头提升了58 MPa，焊缝硬度在整体上也高于初始焊缝，该方法有利于弥补传统焊接过程中因组织不均匀造成的接头性能差异。目前对G115钢焊件的研究重点主要集中在接头的强韧性评估、焊后热处理制度等方面，有关焊接接头的蠕变持久性能、抗疲劳性能等还鲜有报道。

3.6管材制备

G115钢主要工业目标是应用于USC机组中大口径锅炉管道，这类耐热材料对蠕变持久性能、抗疲劳性能和抗蒸汽氧化性能等都有更苛刻的要求。因此在工业冶炼中要精准控制各元素添加量，尤其是保证关键强化元素Cr、W、Co的含量，精准控制晶界调控元素B和N的比例，同时要控制极低的P、S等杂质元素含量，实现超纯净冶炼，以保证铸锭成分精确性和均匀性[86]。在钢管制备方面，内蒙古北方重工与钢铁研究总院、宝钢特钢有限公司等单位通过反向挤压成型手段率先成功试制了直径540 mm、壁厚70 mm、长度5000 mm的G115钢大口径厚壁管，其制备流程及关键技术在文献[87]中有详细介绍，而后又成功制备了直径从38 mm到680 mm、壁厚从9 mm到140 mm各类尺寸不同的钢管。制备后的钢管需在1070~1090℃至少保温1.5 h，然后在770~790℃保温不少于4 h，以改善组织不均匀性，具体保温时间可根据壁厚不同进行调整[88]。为了改善大口径锅炉钢中可能因晶粒粗大产生的组织遗传现象，可以对G115钢进行2次或多次循环正火处理以提高耐热锅炉的安全性和使用寿命[89,90]。经过多年集中攻关，2018年中国钢铁协会团体标准《电站用新型马氏体耐热钢G115无缝钢管》正式通过审定，并且现在已经将G115钢应用于我国正在建设的世界首座630℃超超临界示范电站中的锅炉和六大管道[91]，标志着G115钢迎来了从研发试制到工业生产的跨越。

4总结与展望

我国自主研发的新一代马氏体耐热钢G115与同一服役级别的耐热钢相比，在组织稳定性、抗疲劳性能和抗氧化性能等方面均具有显著优势，是目前世界上最有前景应用在650℃ USC电站上的耐热钢之一。本文介绍了G115钢的成分特点和形貌特点，归纳总结了G115钢在热稳定性能、蠕变性能、抗疲劳性能等方面的研究现状，未来G115钢的研究可以重点围绕以下几方面开展研究。

(1) 深化富Cu相影响规律认识。G115钢与日本的MARBN钢成分非常接近，但G115钢各项性能指标均高于MARBN钢，现已证实与富Cu相析出有关。目前对富Cu相的分布位置、形态、尺寸以及富Cu相强化方式等方面做了一定研究，但有关富Cu相与其他析出相的交互影响以及富Cu相的形核生长热力学和动力学研究还较少。此外，目前认为富Cu相在长时间应力条件下会溶解消失，如何有效遏制富Cu相的消失也是研究的重点。

(2) 抑制Laves相粗化，改善韧性。G115钢中的Laves相在服役过程快速粗化，尤其是会吞并M23C6，极大地降低了G115钢长期服役的蠕变持久性能和抗疲劳性能。同时，韧性较低也是G115钢的一大短板，如何有效抑制Laves相的粗化速率并且尽可能改善韧性也将是G115钢后期研究的重点内容。

(3) 提高抗蒸汽氧化性能和抗腐蚀性能。耐热锅炉在服役过程中会被高温产生的水蒸气氧化，氧化皮的剥落容易堵塞管道，引起局部超温，使电站的安全性存在极大安全隐患。目前针对G115钢的抗蒸汽氧化性能研究主要集中在氧化膜的形貌、生长机理等方面，且模拟的蒸汽氧化环境与实际服役环境差异较大。有关抗蒸汽氧化措施以及蒸汽氧化行为失效预警研究还鲜有报道。此外，腐蚀行为也是影响耐热锅炉安全性的重要因素之一，后期可考虑在工业服役实际环境下将抗蒸汽氧化性能和抗高温腐蚀性能结合起来进行研究。

(4) 深入评价焊接接头性能。USC机组耐热锅炉通常以焊接方式安装使用，焊接接头是材料服役失效断裂的薄弱区，其性能很大程度上决定了耐热锅炉的使用寿命。目前有关G115钢焊接性能的研究主要集中于焊材成分设计和焊后热处理制度上，对焊接接头性能评估主要是强韧性评估，后期要重点加强焊接接头的服役性能和失效行为分析的研究。