Control Technology of Materials and Microstructure Properties for Steam Turbine Blades in Ultra-supercritical Power Plants

Zhao Jiqing; Yang Gang; Liu Zhengdong; He Xikou; Bao Hansheng

doi:10.20057/j.1003-8620.2025-00147

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Control Technology of Materials and Microstructure Properties for Steam Turbine Blades in Ultra-supercritical Power Plants

Overview | 更新时间：2025-09-02

- Control Technology of Materials and Microstructure Properties for Steam Turbine Blades in Ultra-supercritical Power Plants
- Special Steel Vol. 46, Issue 4, Pages: 1-11(2025)
- 作者机构：
  
  钢铁研究总院有限公司特殊钢研究院，北京 100081
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2025-00147
  CLC： TG115.2
- Received：31 May 2025，
  
  Revised：2024-06-26，
  
  Accepted：26 June 2024，
  
  Published：30 July 2025
- 稿件说明：
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赵吉庆,杨钢,刘正东等.超超临界电站汽轮机叶片材料及组织性能控制技术[J].特殊钢,2025,46(04):1-11.

Zhao Jiqing,Yang Gang,Liu Zhengdong,et al.Control Technology of Materials and Microstructure Properties for Steam Turbine Blades in Ultra-supercritical Power Plants[J].Special Steel,2025,46(04):1-11.
赵吉庆,杨钢,刘正东等.超超临界电站汽轮机叶片材料及组织性能控制技术[J].特殊钢,2025,46(04):1-11. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00147.

Zhao Jiqing,Yang Gang,Liu Zhengdong,et al.Control Technology of Materials and Microstructure Properties for Steam Turbine Blades in Ultra-supercritical Power Plants[J].Special Steel,2025,46(04):1-11. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00147.

摘要

综述了超超临界汽轮机叶片钢和合金的研究进展和发展现状。叶片材料按使用环境不同，可分为高温叶片和末级大叶片。高温叶片材料，在役600~620 ℃超超临界电站选用9%~12%系铁素体耐热钢，630 ℃以上蒸汽参数铁基材料的热稳定性不足，需选用镍基耐热合金，世界首台630 ℃示范机组选用了80A叶片合金。700 ℃以上蒸汽参数镍基叶片合金仍处于研发阶段，世界各国的候选材料均为γ’时效强化型镍基合金，我国已开发出W/Mo复合强化的GY200镍基叶片合金。末级大叶片可分为12%Cr马氏体钢、高Cr沉淀强化型不锈钢、钛合金，新一代末级叶片钢2Cr12Ni4Mo3VNbN、B50A789G具有更高的强度韧性匹配，将逐渐替代传统的12%Cr马氏体钢和17-4PH叶片钢，应用于大功率机组。从成分控制、二次重熔、锻造开坯、终锻成型工艺等方面，总结了用量最广的铁素体（马氏体）系叶片钢的成分-组织-性能的关系，以及生产过程的关键控制技术。对叶片钢的发展提出建议与展望，未来10年，对于铁素体（马氏体）系叶片钢，低成本的纯净化冶炼技术、批量化的质量稳定性控制技术是未来主要发展方向，对于700 ℃镍基叶片合金，国内正在开展材料与产品的设计开发攻关，预计2030年形成技术突破，开发出自主化的叶片合金和产品。

Abstract

The research progress and development status of ultra-supercritical steam turbine blade steels and alloys are reviewed. According to the different operating environments， blade materials can be classified into high-temperature blades and last-stage large blades. For high-temperature blade materials， 9% to 12% ferritic heat-resistant steels are used in 600 ℃-620 ℃ ultra-supercritical power plants in operation. For steam parameters above 630 ℃， the thermal stability of iron-based materials is insufficient， and nickel-based heat-resistant alloys need to be selected. The world's first 630 ℃demonstration unit selected 80A blade alloy. Nickel-based blade alloys for steam parameters above 700 ℃are still in the research and development stage. The candidate materials in various countries are all γ' precipitation-strengthened nickel-based alloys，and China has developed the W/Mo composite-strengthened GY200 nickel-based blade alloy. Last-stage large blades can be divided into 12%Cr martensitic steel， high-Cr precipitation-strengthened stainless steel， and titanium alloys. The new generation of last-stage blade steels， 2Cr12Ni4Mo3VNbN and B50A789G， have a better strength-toughness match and will gradually replace traditional 12%Cr martensitic steel and 17-4PH blade steel， being applied in high-power units. The relationship between composition， microstructure， and properties of the most widely used ferritic （martensitic） blade steels is summarized from aspects such as composition control， secondary remelting， forging billet， and final forging forming process， as well as the key control technologies in the production process. Suggestions and prospects for the development of blade steels are proposed. In the next 10 years， for ferritic （martensitic） blade steels， low-cost purification smelting technology and batch quality stability control technology will be the main development directions. For 700°C nickel-based blade alloys， domestic research and development of materials and products are underway and will become the main development direction in the field of blade materials. It is expected that a technological breakthrough will be achieved by 2030， and self-developed blade alloys and products will be developed.

关键词

Keywords

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王　倩，王卫良，刘　敏，等 . 超（超）临界燃煤发电技术发展与展望［J］. 热力发电， 2021 ， 50 （ 2 ）： 1 - 9 .

王哮江，刘鹏，李荣春，等 ." 双碳"目标下先进发电技术研究进展及展望［J］. 热力发电， 2022 ， 51 （ 1 ）： 58 - 65 .

史进渊，李军，刘霞，等 . 我国大型汽轮机技术研究进展与展望［J］. 动力工程学报， 2022 ， 42 （ 6 ）： 498 - 506 .

杨　钢，王立民，程世长，等 . 蒸汽轮机用叶片钢的研究进展［J］. 特钢技术， 2009 ， 15 （ 3 ）： 1 - 7 .

刘正东，程世长，王起江，等 . 中国600 ℃火电机组锅炉钢进展［M］. 北京：冶金工业出版社， 2011 .

Lucacci G . Materials for Ultra-Supercritical and Advanced Ultra-Supercritical Power Plants ［M］. Cambridge， England ： Woodhead Publishing ， 2017 .

刘正东，陈正宗，何西扣，等 . 630～700 ℃超超临界燃煤电站耐热管及其制造技术进展［J］. 金属学报， 2020 ， 56 （ 4 ）： 539 - 548 .

Tadashi Tanuma . Advances in Steam Turbines for Modern Power Plants ［M］. Cambridge， England ： Woodhead Publishing ， 2022 .

Masuyama F . Advances in physical metallurgy and processing of steels. history of power plants and progress in heat resistant steels ［J］. ISIJ International ， 2001 ， 41 （ 6 ）： 612 - 625 .

Ronald L ， Klueh ， Donald R ， Harries ， Development of High （ 7 %-12%） Chromium Martensitic Steels. High-Chromium Ferritic and Martensitic Steels for Nuclear Applications ［J］. ASTM International ， 2001， 1 ： 5 - 11 .

林腾昌，王　慧，王成杰，等 . 超临界高中压转子用12%Cr钢的研究现状［J］. 铸造技术， 2012 ， 33 （ 11 ）： 1267 - 1269 .

范　华，杨功显 . 超临界与超超临界汽轮机组用材［J］. 东方电气评论， 2005 ， 19 （ 2 ）： 90 - 97+105 .

赵成志，魏双胜，高亚龙，等 . 超临界与超超临界汽轮机耐热钢的研究进展［J］. 钢铁研究学报， 2007 ， 19 （ 9 ）： 1 - 5 .

Viswanathan R ， Bakker W ， Materials for Boilers in Ultra Supercritical Fossil Power Plants ［C］. Proceedings of 2000 International Joint Power Generation Conference ， Florida ： 2000 ， 1 - 22 .

Viswanathan R ， Bakker W . Materials for ultrasupercritical coal power plants—Turbine materials： Part II ［J］. Journal of Materials Engineering and Performance ， 2001 ， 10 （ 1 ）： 96 - 101 .

Gianfrancesco A D ， Cipolla L ， Venditti D ， et al . Creep behaviour and microstructural analysis of FB2 trial rotor steel ［C］. International Conference on Advances in Materials Technology for . 2008 ： 366 - 376 .

Gianfrancesco A Di ， Cipolla L ， Paura M ， et al ， The Role of Boron in Long Term Stability of a CrMoCoB（FB 2 ） Steel for Rotor Application ［C］. Proceedings from the sixth International Conference on Advances in Materials Technology for Fossil Plants ， 2010 ： 342 - 360 .

Fedoseeva A E ， Nikitin I S ， Fedoseev A E ， et al . Effect of tantalum on short-term creep of a 12%Cr-3%Co-0.07%Ta martensitic steel for steam blades ［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering ， 2020 ， 848 （ 1 ）： 012020 .

Dashunin N V ， Manilova E P. ， Rybnikov A I . Phase and Structural Transformations in 12% Chromium Steel ÉP428 due to Long-term Operation of Moving Blades ［J］. Metal Science and Heat Treatment ， 2007 ， 49 （ 1 ）： 23 - 29 .

闫超鹏，孙　锋，单爱党，等 . 超超临界火电机组用铁素体耐热钢的研究现状［J］. 机械工程材料， 2008 ， 32 （ 12 ）： 1 - 4 .

龚志华，杨　钢，定　巍，等 . 热处理工艺对1Cr 11 Co 3 W3 NiMoVNbNB钢析出相及性能的影响［J］. 钢铁研究学报， 2018 ， 30 （ 4 ）： 315 - 321 .

Chen X F ， Yao Z H ， Zhang M C ， et al . Long time high temperature stress rupture strength behavior and structure stability study on Ni-base superalloy nimonic 80A ［J］. Applied Mechanics and Materials ， 2016 ， 853 ： 148 - 152 .

纪世东，周荣灿，王生鹏，等 . 700 ℃等级先进超超临界发电技术研发现状及国产化建议［J］. 热力发电， 2011 ， 40 （ 7 ）： 86 - 88 .

Gianfrancesco A D . Materials for ultra-supercritical and advanced ultra-supercritical power plants ［M］. Duxford ： Woodhead Publishing ， 2017 .

王天剑，范华，张邦强，等 . 700 ℃超超临界汽轮机关键部件用镍基高温合金选材［J］. 东方汽轮机， 2012 ， 2 ： 46 - 53 .

毛健雄 . 700 ℃超超临界机组高温材料研发的最新进展［J］. 电力建设， 2013 ， 34 （ 8 ）： 69 - 76 .

Abe F . Research and development of heat-resistant materials for advanced USC power plants with steam temperatures of 700 ℃ and above ［J］. Engineering ， 2015 ， 1 （ 2 ）： 211 - 224 .

彭建强 . 700 ℃等级超超临界汽轮机用材探讨［J］. 大型铸锻件， 2014 （ 1 ）： 1 - 8+38 .

Viswanathan R ， Hawk J ， Schwant R ， et al . Steam turbine materials for ultrasupercritical coal power plants ［R］. Energy Industries of Ohio， Incorporated ， 2009 .

EIJI SAITO ， SHIN NISHMOTO ， HIROYUKI ENDO ， et al . Development of 700 ℃ Class Steam Turbine Technology ［J］. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review ， 2017 ， 54 （ 3 ）： 10 - 15 .

刘正东 . 电站耐热材料的选择性强化设计与实践［M］. 北京：冶金工业出版社， 2017 .

熊林敞，田仲良 . 超超临界汽轮机转子用耐热钢研究进展［J］. 上海金属， 2018 ， 40 （ 1 ）： 89 - 94 .

田仲良，包汉生，何西扣，等 . 700 ℃汽轮机转子用耐热合金的强化机理［J］. 钢铁研究学报， 2015 ， 27 （ 9 ）： 1 - 6 .

汪　力 . 700 ℃超超临界蒸汽轮机叶片用Waspaloy合金组织与性能研究［D］. 昆明：昆明理工大学， 2016 .

700 ℃汽轮机叶片用Nimonic 105合金的组织及性能研究［D］. 北京：. 北京科技大学， 2021 .

王　鲁，杨　钢，刘正东 . 碳含量对Nimonic 105合金的组织和性能的影响［J］. 上海金属， 2017 ， 39 （ 2 ）： 20 - 25+30 .

王鲁 . 700 ℃~750 ℃超超临界火电汽轮机叶片用耐热合金的研究［D］. 北京：钢铁研究总院， 2017 .

王　鲁，杨　钢，钱天才，等 . 添加钨对USC 141镍基合金力学性能的影响［J］. 钢铁研究学报， 2014 ， 26 （ 2 ）： 41 - 47 .

何西扣，王　鲁，汪　力，等 . 一种新型耐热合金GY200的长期时效组织与性能［J］. 上海金属， 2016 ， 38 （ 3 ）： 21 - 27 .

龚志华，杨　钢，马龙腾，等 . 不同Mo、W含量叶片用GY200镍基合金中碳化物的析出行为［J］. 材料热处理学报， 2017 ， 38 （ 9 ）： 83 - 88 .

龚志华，杨　钢，包汉生，等 . 长时时效对汽轮机叶片用GY200镍基合金组织和性能的影响［J］. 稀有金属材料与工程， 2019 ， 48 （ 4 ）： 1281 - 1287 .

梅林波，沈红卫，刘　霞 . 汽轮机末级长叶片材料的开发和序列构建［J］. 热力透平， 2017 ， 46 （ 1 ）： 9 - 12+27 .

彭建强，李宇峰 . 低压汽轮机末级超长叶片材料［J］. 东方汽轮机， 2015 （ 4 ）： 47 - 55 .

AKAISHI Y . E A . Development of Next-Generation Ultra-Long Exhaust End Blades for Steam Turbines and Measurement of Axial Torque at Single-Axial Gas Turbine Combined Cycle Plants ［J］. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review ， 2013 ， 50 （ 3 ）： 11 - 17 .

潘洪泗，揭念柱，方　旭 . 1 050 mm汽轮机钛合金叶片的研制［J］. 热力透平， 2014 ， 43 （ 3 ）： 227 - 230 .

Fujio Abe . Precipitate design for creep strengthening of 9% Cr tempered martensitic steel for ultra-supercritical power plants ［J］. Science and Technology of Advanced Materials ， 2008 （ 9 ）： 1 - 16 .

陈德利 . 抚钢先进汽轮机叶片钢的制备工艺与组织性能研究［D］. 沈阳：东北大学， 2018 .

龚志华，王利伟，姚　斌，等 . 锻造工艺对2Cr11Mo1VNbN钢横纵向组织及性能的影响［J］. 钢铁， 2019 ， 54 （ 11 ）： 88 - 93 .

龚志华，姚　斌，王利伟，等 . 热处理工艺对2Cr11Mo1VNbN耐热钢组织和性能的影响［J］. 钢铁， 2019 ， 54 （ 6 ）： 56 - 62 .

龚志华，何　禛，包汉生，等 . 2Cr12NiMo1 W1V超临界汽轮机叶片用耐热钢的热变形行为［J］. 钢铁， 2019 ， 54 （ 3 ）： 63 - 68 .

杨　钢，刘新权，杨沐鑫，等 . 1Cr12Ni3Mo2VN（M152）耐热钢的脆化机制［J］. 特钢技术， 2009 ， 15 （ 4 ）： 14 - 24+59 .

谢学林，杨　钢，王泽忠，等 . 高温回火对1Cr12Ni3Mo2VN耐热钢力学性能和组织的影响［J］. 特殊钢， 2010 ， 31 （ 2 ）： 51 - 53 .

赵吉庆，万五霞，李造宇，等 . 125 ksi超级马氏体油管成分-组织-性能-工艺综合控制技术［J］. 特殊钢， 2024 ， 45 （ 5 ）： 40 - 46 .

席志伟，罗红梅，孙国栋 . 预备热处理对A-F区亚温淬火-回火的42CrMo钢组织和性能的影响［J］. 特殊钢， 2019 ， 40 （ 4 ）： 43 - 47 .

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