CN101294251B

CN101294251B - 燃气轮机叶片及其制造方法

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Publication number: CN101294251B
Application number: CN200810093183.0A
Authority: CN
Inventors: 今野晋也; 市川国弘; 土井裕之; 田中胜巳
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: US8813361B2; JP4417977B2; JP2008274314A; EP1985719A1; US20100266418A1; US20110296685A1; CN101294251A; EP1985719B1

Abstract

本发明在包括焊接部的燃气轮机叶片中抑制焊接金属的晶界直线化，得到疲劳特性和抗裂纹性优良的燃气轮机叶片。其解决方法是，在用焊接金属构成由γ’相析出强化型Ni基超合金基体材料的一部分的燃气轮机叶片中，使焊接金属是以下成分的Ni基合金，该Ni基合金含有：4.8～5.3wt.％的Ta、18～23wt.％的Cr、12～17wt.％的Co、14～18wt.％的W、0.03～0.1wt.％的C、1～2wt.％的Mo、1wt.％以下的Al，氧含量是0～30ppm，Ti含量是0～0.1wt.％，Re含量是0～0.5wt.％。用以下工序制造：使叶片基体材料带材化的工序、使γ’相再固溶的固溶处理工序、用可以得到的上述焊接金属的焊丝通过TIG法在惰性气体的腔内焊接的工序、1100～1150℃下的HIP处理工序、和835～855℃下的时效处理工序。

Description

燃气轮机叶片及其制造方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机叶片及其制造方法。本发明的燃气轮机叶片适宜于产业用燃气轮机的涡轮机转动叶片。另外，主要以受到损伤后进行焊接修补的焊接修补叶片作为对象，但是即使是新的叶片，也可以预先用焊接金属构成高温高应力部而使用。

背景技术

由于燃气轮机转动叶片暴露于1000℃以上的高温中，所以会发生疲劳裂纹、氧化损耗等的损伤。受到损伤的转动叶片被废弃或者通过修补而再使用。

燃气轮机的转动叶片是精密铸造材质，存在等轴晶材质、单向凝固材质、单晶材质3种类型，无论哪一种材质都是γ’相析出强化型Ni基超合金。γ’相是由Ni₃Al形成的金属间化合物，由于具有所谓伴随温度的上升其强度上升的特异特性，所以γ’相析出强化型Ni基超合金显示出极高的高温强度。另外，由于呈现铸造组织特有的树枝状组织，所以即使是等轴晶或单向凝固材质，其晶界也成为复杂的形态，晶界强度高，抗裂纹性和疲劳强度极高。

这样，用于燃气轮机转动叶片的γ’相析出强化型Ni基超合金具有高的高温强度，但是另一方面，由于在高温和低温下的延展性低、加工性和焊接性差，所以焊接困难而难以焊接修补。

但是，通过焊接方法的升级及强度和焊接性优良的焊接材料的开发，使焊接修补成为可能。焊接材料分类为粉末材料和焊丝材料。焊丝材料其作业性良好，利用率也良好，但是由于用热加工和冷拔方法制作焊丝材料，所以不能使用加工性差的高强度材料。由于粉末材料由急冷喷雾的液相而制作，所以虽然加工性差的高强度材料也可以使用，但是由于材料的总表面积大，所以焊接过程中因氧化或吸附而混入的气体成分的量比焊丝材料多，不能得到充分的抗氧化性和疲劳强度。

专利文献1～3记载了用于焊接修补燃气轮机叶片的焊接材料。如上所述，燃气轮机转动叶片材料是γ’相析出强化型合金，由于在高温和低温下的延展性低、加工性和焊接性差，所以在这些公知的例子中，不是γ’相析出强化型合金，而是使用多量添加Mo、W、Ta、Nb等的难熔元素的固溶强化型合金。在专利文献2中，难熔金属的总和是15～28wt.％(重量％)，高的高温强度特性和加工性、焊接性并存。在专利文献1中，不是对于难熔元素的总和而是对于W、Mo、Ta分别规定适当的添加量。另外，不添加Mo，相应地增加Ta的添加量。由于在专利文献1～3的任一个中，γ’相的析出量都减少，所以Al的添加量就减少，但是Al是大大有助于提高耐热合金的抗氧化性的元素，由于伴随Al的减量导致抗氧化性变差，所以要适量添加用于补偿该作用的Mn、Si。专利文献3提出，为了抑制高温下的晶界氮化必须降低Al。

由于焊接时会发生疏松和气孔等的微观缺陷，以除去这些缺陷作为目的要进行HIP处理。HIP处理是在高温下附加各向同性的高压力的处理，燃气轮机转动叶片材料的场合，通常在γ’相固溶的1160℃～1200℃下实施。

【专利文献1】特开2001-123237号公报(摘要)

【专利文献2】特开2001-158929号公报(摘要)

【专利文献3】特开2006-291344号公报(摘要)

发明内容

焊接材料由于在焊接中气体成分的混入、因重视焊接性和加工性而导致的合金成分的不同，所以难以得到与转动叶片材料同等的强度。特别是混入的氧多时，抗氧化性大大劣化。另外，不仅气体成分和合金成分不同，因凝固速度的不同造成的凝固组织也不同。

转动叶片材料由于是精密铸造，在铸型中缓慢凝固，但是焊接材料与其相比较时其凝固时的冷却速度却相当快。特别是由于C在凝固时在液相中富化，在作为最终凝固部位的晶界进行偏析，所以在晶界形成的碳化物多。在晶界析出的碳化物具有固定晶界、阻止晶界迁移的作用，对于凝固速度慢、晶界偏析大的转动叶片材料，即使进行HIP处理，也不会发生晶界迁移，维持凝固时的树枝状组织。不仅碳化物，共晶γ’相和在晶界偏析的高熔点金属也具有阻止晶界迁移的作用。

与此相反，由于焊接材料凝固速度快，偏析就小，由于在晶界形成的碳化物也少，所以在HIP处理中晶界容易迁移，树枝状组织会直线化，藉此，晶界强度降低，高温延展性、疲劳强度和抗裂纹性降低。

本发明的目的在于，在由焊接金属构成焊接修补部或者高温高应力部的燃气轮机叶片中，抑制焊接金属的晶界直线化，得到具有比以往优良的疲劳特性和抗裂纹性的焊接部。

本发明是用焊接金属构成由γ’相析出强化型Ni基超合金形成的叶片基体材料的一部分的燃气轮机叶片，其特征在于，上述焊接金属由以下成分的Ni基合金制成，该Ni基合金含有：4.8～5.3wt.％的Ta、18～23wt.％的Cr、12～17wt.％的Co、14～18wt.％的W、0.03～0.1wt.％的C、1～2wt.％的Mo、1wt.％以下的Al，氧含量是0～30ppm，Ti含量是0～0.1wt.％，Re含量是0～0.5wt.％。

本发明是用由固溶强化型Ni基合金形成的焊接金属构成由γ’相析出强化型Ni基超合金形成的叶片基体材料的一部分的燃气轮机叶片，其特征在于，上述焊接金属由以下成分的Ni基合金制成，该Ni基合金含有：4.8～5.3wt.％的Ta、18～23wt.％的Cr、12～17wt.％的Co、14～18wt.％的W、0.03～0.1wt.％的C、1～2wt.％的Mo、1wt.％以下的Al，氧含量是0～30ppm，Ti含量是0～0.1wt.％，Re含量是0～0.5wt.％；上述叶片基体材料和上述焊接金属的边界部分由上述γ’相析出强化型Ni基超合金和上述焊接金属的混合物形成。

本发明是用焊接金属构成由γ’相析出强化型Ni基超合金形成的叶片基体材料的一部分的燃气轮机叶片的制造方法，其特征在于，包括以下工序：将上述叶片基体材料制成带材的工序；使上述的上述叶片基体材料中的γ’相再固溶的固溶处理工序；使用由以下成分的Ni基合金制成的焊丝，该Ni基合金含有：4.8～5.3wt.％的Ta、18～23wt.％的Cr、12～17wt.％的Co、14～18wt.％的W、0.03～0.1wt.％的C、1～2wt.％的Mo、1wt.％以下的Al、氧含量是0～30ppm、Ti含量是0～0.1wt.％、Re含量是0～0.5wt.％、通过TIG法在惰性气体的腔内焊接而形成用上述焊接金属构成的部分的焊接工序；上述焊接工序结束后在1100～1150℃的温度下实施HIP处理的HIP处理工序；和其后在835～855℃的温度下实施时效处理的时效处理工序。

本发明是用焊接金属构成由γ’相析出强化型Ni基超合金形成的叶片基体材料的一部分的燃气轮机叶片的制造方法，其特征在于，包括以下工序：使用由以下成分的Ni基合金制成的焊丝，该Ni基合金含有：4.8～5.3wt.％的Ta、18～23wt.％的Cr、12～17wt.％的Co、14～18wt.％的W、0.03～0.1wt.％的C、1～2wt.％的Mo、1wt.％以下的Al、氧含量是0～30ppm、Ti含量是0～0.1wt.％、Re含量是0～0.5wt.％、通过TIG法在惰性气体的腔内焊接而形成用上述焊接金属构成的部分的焊接工序；上述焊接工序结束后在1100～1150℃的温度下实施HIP处理的HIP处理工序；和其后在835～855℃的温度下实施时效处理的时效处理工序。

本发明的燃气轮机叶片中的焊接金属或本发明的燃气轮机叶片的制造方法中的焊丝可以含有0.25～1wt.％的Al、0.15～0.35wt.％的Si和0.4～2wt.％的Mn。藉此，可以提高焊接部的抗氧化性。

在本发明的燃气轮机叶片的一例中，焊接修补部用上述的焊接金属构成。另外，在另一例中，新品的燃气轮机叶片的暴露于高温高应力中的部分用上述的焊接金属构成。

在本发明的燃气轮机叶片的制造方法中，优选固溶处理在γ’相的固溶温度以上、部分熔融温度以下的温度下进行。

另外，在本发明的燃气轮机叶片的制造方法中，优选在焊接进行之前剥离在燃气轮机叶片基体材料表面上形成的覆盖膜。

通过本发明，可以抑制晶界的直线化，得到具有疲劳强度和抗氧化特性优良的焊接部的燃气轮机叶片。

附图说明

图1是描绘平衡凝固时的液相浓度的图。

图2是表示强度的温度依赖性的图。

图3是表示现有方法和本发明的焊接修补工序的图。

图4是焊接金属的结晶组织的模式图。

图5是表示高温疲劳特性的图。

图6是表示高温抗氧化特性的图。

图7是表示燃气轮机叶片的焊接修补部的模式图。

符号说明

101氧化损耗部 102焊接修补部

具体实施方式

图1是对于专利文献1所述的焊接材料的化学成分用CALPHAD法计算平衡凝固时的液层浓度、描绘该计算值的图。由于Mo、W随着凝固的进行、即随着固相率的增加优先进入固相侧，所以液层中的浓度降低。因而Mo、W不易晶界偏析。与此相反，由于Ta随着凝固的进行在液层富化，所以在晶界偏析，是对抑制晶界直线化有效的元素。

专利文献2规定难熔元素的总和，但是由于Mo、W和Ta的偏析行为完全不同，所以有必要分别规定各自的添加量。

为了抑制晶界直线化，有必要添加4.8wt.％以上的Ta，但是超过5.3wt.％的添加时，其加工性变差，不易焊丝化。

Mo、W在提高晶内强度方面是重要的，必须添加1～2wt.％的Mo和14～16wt.％的W。虽然哪一种元素都有助于晶内强度的提高，但是添加过量时，生成有害相，延展性大大降低。

从抑制晶界氮化裂纹和抑制γ’相析出的观点出发，Al的添加量必须在1wt.％以下，特别是优选在0.75wt.％以下。为了维持抗氧化性，要添加0.25wt.％以上的Al，同时添加0.15～0.35wt.％的Si、0.4～2wt.％的Mn以及18～23wt.％的Cr，焊接后的氧含量要尽量地少，优选为0～30ppm。虽然Si、Mn、Cr可以提高抗氧化性，但是过量添加时会使材料脆化。

Co用于扩展Cr的固溶度，必须添加12wt.％以上，但是由于过量添加时会生成特有的有害相，材料会脆化，所以必须在17wt.％以下。

由于焊接材料不是析出强化型，所以减少Ti的含量，优选取为0～0.1wt.％。

优选Re的量取为0～0.5wt.％。

图2模式地表示了固溶强化型合金和γ’相析出强化型合金的强度的温度依赖性。γ’相析出强化型在直至γ’相固溶的温度附近显示高的强度，但是在该温度以上时，其强度急剧地降低。为了消除缺陷，必须在强度变低的温度下进行HIP处理，由于作为燃气轮机转动叶片广泛使用的IN738和Rene80等的γ’固溶温度是1160℃左右，所以一般的HIP处理在1160℃以上进行。

如图2所示，固溶强化型合金的强度的温度依赖性小，虽然在1100℃左右时比γ’相析出强化型合金的强度低，但是在高温下其强度降低不大。另一方面，由于晶界的直线化越是高温越加速，所以为了抑制固溶强化型合金中的晶界的直线化，有必要将HIP温度取为1150℃以下。低于1100℃时，难以消除缺陷。只要焊接条件合适，就不会发生焊接裂纹，缺陷是气孔和微小疏松。由于在作为固溶强化型合金的焊接金属中发生这些缺陷，所以HIP温度必须是1150℃以下1100℃以上。在γ’相的固溶温度以上的HIP处理可以使粗大化或者扁平化的γ’相再固溶、重新析出，具有恢复基体材料损伤的效果。

将HIP温度取为1150℃以下1100℃以上的场合，γ’相不能再固溶，没有基体材料损伤恢复的效果。因而，本发明中优选在焊接修补前进行γ’相的再固溶处理。但是，如果基体材料损伤小，也可以省略再固溶处理。

如果进行HIP处理，为了以提高基体材料的强度为主，就要进行时效处理。优选时效处理的温度是适于调整析出物的粒径和形态的835～855℃。

通过选择以上的焊接金属成分和制造工序，晶界的直线化被改善，疲劳强度大大提高。

图7示出了焊接修补叶片的例子。用本发明材料在焊接修补部102修补因氧化发生损耗的氧化损耗部101。

(实施例1)

用真空熔炼制作表1所示的化学成分的合金，用热煅和冷拔丝加工成约2mm的焊丝。用该焊丝通过TIG焊接在转动叶片基体材料上形成焊接金属，从其上采取试验片，实施各种评价。

表2示出了所用的焊接材料(焊丝)、焊接修补工序、焊接气氛、得到的焊接金属的氧含量和组织形态。

表1

供试验材料的化学成分

表2

焊接修补工序和组织形态

	焊接材料	焊接修补工序	焊接气氛	氧含量	组织形态
						比较例A	比较材料1	图3(a)	惰性气体腔	12ppm	图4(c)
比较例B	比较材料2	图3(a)	惰性气体腔	15ppm	图4(c)
						比较例C	发明材料1	图3(a)	惰性气体腔	20ppm	图4(c)
比较例D	发明材料1	图3(a)	大气中	45ppm	图4(b)
						本发明A	发明材料1	图3(b)	惰性气体腔	10ppm	图4(a)
本发明B	发明材料2	图3(b)	惰性气体腔	12ppm	图4(a)
						本发明C	发明材料3	图3(b)	惰性气体腔	15ppm	图4(a)

焊接修补工序如图3所示。(a)是现有的方法，(b)是本发明的方法。

图4中用模式图表示了由本实施例得到的焊接金属的组织。(a)是晶界的直线化被抑制，成为树枝状，(b)是树枝状组织散开，进行直线化。(c)是晶界已直线化。

本发明的A～C都得到图4(a)的组织，晶界的直线化被抑制。其中，Ta含量多以及使HIP处理温度比现有的低发挥了作用。

图5表示本发明材料和现有材料的高温疲劳试验的结果。纵轴表示疲劳试验中直至损坏的次数。与现有材料相比，本发明材料的疲劳强度大幅度升高。这是如表2所示的晶界直线化被抑制的效果。

图6是用氧含量不同的试验材料进行的抗氧化性试验结果。可以确认，本发明材料的抗氧化性丝毫不比现有材料逊色。

Claims

1.一种燃气轮机叶片，是用焊接金属构成叶片基体材料的一部分的燃气轮机叶片，其中，所述叶片基体材料由γ’相析出强化型Ni基超合金形成，其特征在于，上述焊接金属由以下成分的Ni基合金制成，该Ni基合金含有4.8～5.3wt.％的Ta、18～23wt.％的Cr、12～17wt.％的Co、14～18wt.％的W、0.03～0.1wt.％的C、1～2wt.％的Mo、0.25～1wt.％的Al、0.15～0.35wt.％的Si、0.4～2wt.％的Mn，且其中氧含量是0～30ppm，剩余部分是Ni和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片，其特征在于，用上述焊接金属构成的部分是焊接修补部位。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片，其特征在于，用上述焊接金属构成的部分是暴露于高温高应力下的部分。

4.一种燃气轮机叶片，是用由固溶强化型Ni基合金形成的焊接金属构成叶片基体材料的一部分的燃气轮机叶片，其中，所述叶片基体材料由γ’相析出强化型Ni基超合金形成，其特征在于，上述焊接金属由以下成分的Ni基合金制成，该Ni基合金含有4.8～5.3wt.％的Ta、18～23wt.％的Cr、12～17wt.％的Co、14～18wt.％的W、0.03～0.1wt.％的C、1～2wt.％的Mo、0.25～1wt.％的Al、0.15～0.35wt.％的Si、0.4～2wt.％的Mn，且其中氧含量是0～30ppm，剩余部分是Ni和不可避免的杂质；上述叶片基体材料和上述焊接金属的边界部分由上述γ’相析出强化型Ni基超合金和上述焊接金属的混合物形成。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机叶片，其特征在于，用上述焊接金属构成的部分是焊接修补部位。

6.根据权利要求4所述的燃气轮机叶片，其特征在于，用上述焊接金属构成的部分是暴露于高温高应力下的部分。

7.一种燃气轮机叶片的制造方法，是用焊接金属构成叶片基体材料的一部分的燃气轮机叶片的制造方法，其中，所述叶片基体材料由γ’相析出强化型Ni基超合金形成，其特征在于，包括以下工序：将上述叶片基体材料制成带材的工序；使上述的上述叶片基体材料中的γ’相再固溶的固溶处理工序；使用由以下成分的Ni基合金制成的焊丝，通过TIG法在惰性气体的腔内焊接而形成用上述焊接金属构成的部分的焊接工序，其中，该Ni基合金含有4.8～5.3wt.％的Ta、18～23wt.％的Cr、12～17wt.％的Co、14～18wt.％的W、0.03～0.1wt.％的C、1～2wt.％的Mo、0.25～1wt.％的Al、0.15～0.35wt.％的Si、0.4～2wt.％的Mn，且其中氧含量是0～30ppm，剩余部分是Ni和不可避免的杂质；上述焊接工序结束后在1100～1150℃的温度下实施HIP处理的HIP处理工序；和其后在835～855℃的温度下实施时效处理的时效处理工序。

8.根据权利要求7所述的燃气轮机叶片的制造方法，其特征在于，用上述焊接金属构成的部分是焊接修补部位。

9.根据权利要求7所述的燃气轮机叶片的制造方法，其特征在于，预先用上述焊接金属构成上述燃气轮机叶片的暴露于高温高应力下的部分。

10.根据权利要求7所述的燃气轮机叶片的制造方法，其特征在于，使上述固溶处理在γ’相的固溶温度以上、部分熔融温度以下的温度下进行。

11.根据权利要求7所述的燃气轮机叶片的制造方法，其特征在于，将上述燃气轮机叶片基体材料制成带材的工序是剥离在燃气轮机叶片基体材料表面上形成的覆盖膜的处理。

12.一种燃气轮机叶片的制造方法，是用焊接金属构成叶片基体材料的一部分的燃气轮机叶片的制造方法，其中，所述叶片基体材料由γ’相析出强化型Ni基超合金形成，其特征在于，包括以下工序：使用由以下成分的Ni基合金制成的焊丝，通过TIG法在惰性气体的腔内焊接而形成用上述焊接金属构成的部分的焊接工序，其中，该Ni基合金含有4.8～5.3wt.％的Ta、18～23wt.％的Cr、12～17wt.％的Co、14～18wt.％的W、0.03～0.1wt.％的C、1～2wt.％的Mo、0.25～1wt.％的Al、0.15～0.35wt.％的Si、0.4～2wt.％的Mn，且其中氧含量是0～30ppm，剩余部分是Ni和不可避免的杂质；上述焊接工序结束后在1100～1150℃的温度下实施HIP处理的HIP处理工序；和其后在835～855℃的温度下实施时效处理的时效处理工序。

13.根据权利要求12所述的燃气轮机叶片的制造方法，其特征在于，用上述焊接金属构成的部分是焊接修补部位。

14.根据权利要求12所述的燃气轮机叶片的制造方法，其特征在于，预先用上述焊接金属构成上述燃气轮机叶片的暴露于高温高应力下的部分。