CN101586203B - Ni基铸造合金及以该合金为材料的蒸汽涡轮机用铸造部件 - Google Patents

Ni基铸造合金及以该合金为材料的蒸汽涡轮机用铸造部件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种Ni基铸造合金及以该合金为材料的蒸汽涡轮机用铸造部件，其能够在维持铸造性及焊接性等制造性的同时，谋求提高蠕变断裂强度和热膨胀系数的最佳化。该Ni基铸造合金以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25，余量为Ni及不可避免的杂质。

Description

Ni基铸造合金及以该合金为材料的蒸汽涡轮机用铸造部件
技术领域
本发明涉及以高温、高压的蒸汽作为工作流体流入的蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳的构成材料，特别涉及高温强度等优良的蒸汽涡轮机的Ni基铸造合金及以该合金为材料的蒸汽涡轮机用铸造部件。
背景技术
在具备蒸汽涡轮机的火力发电厂，从保护地球环境的角度出发抑制二氧化碳排放量的技术引人注目，此外发电高效率化的需求也在提高。
为了提高蒸汽涡轮机的发电效率，有效的方法是使涡轮机蒸汽温度高温化，在近年来的具备蒸汽涡轮机的火力发电厂，其蒸汽温度上升到600℃以上。将来有上升到650℃、进一步上升到700℃或700℃以上的倾向。
一般认为以高温、高压的蒸汽作为工作流体流入的蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳是一种高温压力容器，其在高温环境下承受高的内压。因此，涡轮机外壳或阀壳必须耐高温、耐高应力，作为构成涡轮机外壳或阀壳的材料，要求在高温区域具有优良的强度、延性及韧性。
此外，由于在高温下长时间使用，因此还要求具有优良的耐水蒸气氧化特性。再有，涡轮机外壳或阀壳由于形状复杂，因此一般多通过铸造来成型，因而还要求具有尽量不发生铸造缺陷的良好的铸造性。
在发生铸造缺陷时，由于需要削去该部分，进行补修焊接，而且通过焊接在涡轮机外壳或阀壳上接合(结构焊接)短管或弯管等，因此焊接性良好的材料也是重要的要素。
此外，涡轮机外壳或阀壳在其内部结构中可以在结构上与其它部件组合使用。例如，在涡轮机外壳的内部安装有通过蒸汽而旋转的涡轮机转子、及转动叶片、喷嘴(静叶片)、固定螺栓、喷嘴箱等，但是，在涡轮机外壳的热膨胀系数与这些内部结构部件的热膨胀系数处于同等水平的情况下，则易于结构设计，即使在长期使用时可靠性也大大提高。此外，在热膨胀系数低的情况下，作为大型结构件还可使局部产生的热应力降低，从该观点考虑，热膨胀系数与结构设计的容易度和长期可靠性的提高有关。
因此，用于涡轮机外壳或阀壳的Ni基铸造合金要求具有高温下优良的强度(蠕变断裂强度)及延性(蠕变断裂延伸率)、优良的耐水蒸气氧化特性、优良的焊接性、低热膨胀系数。
现在，作为在蒸汽温度为700℃或700℃以上的条件下研究了适用性的Ni基铸造合金，代表性的材料有镍铬铁617合金(Special metals公司制)及镍铬铁625合金(Special metals公司制)。可是，这些材料虽然蠕变断裂延伸率、耐水蒸气氧化特性及焊接性良好，但蠕变断裂强度不充分，热膨胀系数也比较高，因此采用此种材料的涡轮机外壳或阀壳在结构设计上具有难度，在高温下的长期稳定运转方面还存在较多的课题。
另外，以前提出了使用奥氏体系低热膨胀Ni基超合金作为蒸汽涡轮机的螺栓等(例如参照专利文献1)。此外，提出了通过比较容易制作大型锻造件的NiFe基合金，制作可在超过700℃的高温下使用的蒸汽涡轮机转子(例如参照专利文献2)。再有，还提出了使用锻造性良好、低热膨胀的奥氏体系Ni基合金，制作蒸汽涡轮机叶片(例如参照专利文献3)。但是，在上述技术中没有考虑到铸造性及焊接性等。
专利文献1：日本特开2003-13161号公报
专利文献2：日本特开2005-2929号公报
专利文献3：日本专利第3559681号公报
发明内容
如上所述，作为超过700℃的蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳的材料，虽然研究了Ni基铸造合金的适用性，但认为还需要进一步提高高温强度(蠕变断裂强度)。此外，认为需要将热膨胀系数也降低到适当的水平。该Ni基铸造合金的必要的高温强度及热膨胀系数要求在维持Ni基铸造合金的高温延性(蠕变断裂延伸率)及耐水蒸气氧化特性、焊接性等的同时，通过组成改进等来得到。
因而，本发明的目的是，提供一种Ni基铸造合金及以该合金为材料的蒸汽涡轮机用铸造部件，该Ni基铸造合金能够在维持铸造性及焊接性等制造性的同时，谋求提高蠕变断裂强度和热膨胀系数的最佳化。
为达到上述目的，第1发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第2发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第3发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第4发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、B：0.001～0.02，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第5发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第6发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第7发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、B：0.001～0.02，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第8发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第9发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、B：0.001～0.02，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第10发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第11发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、B：0.001～0.02、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第12发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、B：0.001～0.02，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第13发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第14发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、B：0.001～0.02、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第15发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、B：0.001～0.02、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第16发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、B：0.001～0.02、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
此外，第17发明的Ni基铸造合金，其特征在于：在第2、6、7、8、12、13、14、16发明中的任何一发明中，所述Al的含量以质量％计为0.2～0.3。
此外，第18发明的Ni基铸造合金，其特征在于：在第2、6、7、8、12、13、14、16中的任何一项中，所述Ti的含量以质量％计为0.5～2.0。
此外，第19发明的Ni基铸造合金，其特征在于：在第3、6、9、10、12、13、15、16发明中的任何一发明中，所述选自Nb及Ta中的1种或2种的含量以质量％计且以Nb+Ta/2计为1.0～2.5。
此外，第20发明的Ni基铸造合金，其特征在于：在第4、7、9、11、12、14、15、16发明中的任何一发明中，所述B的含量以质量％计为0.002～0.015。
此外，第21发明的Ni基铸造合金，其特征在于：在第5、8、10、11、13、14、15、16发明中的任何一发明中，所述Zr的含量以质量％计为0.02～0.10。
此外，第22发明的Ni基铸造合金，其特征在于：在第1～21发明中的任何一发明中，所述Co的含量以质量％计为7～17。
此外，第23发明的Ni基铸造合金，其特征在于：在第1～22发明中的任何一发明中，所述选自Mo、W及Re中的1种或2种以上的含量以质量％计且以Mo+(W+Re)/2计为13～20。
此外，第24发明的Ni基铸造合金，其特征在于：在第1～23发明中的任何一发明中，所述Cr的含量以质量％计为18～23。
此外，第25发明的Ni基铸造合金，其特征在于：在第1～24发明中的任何一发明中，所述Fe的含量以质量％计为5以下。
此外，第26发明的Ni基铸造合金，其特征在于：在第1～25发明中的任何一发明中，所述C的含量以质量％计为0.07～0.15。
利用这些蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳等铸造部件用的Ni基铸造合金，通过按上述的组成成分范围构成，能够在维持以往的蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳等铸造部件用的Ni基铸造合金的铸造性及焊接性的同时，提高高温强度。
此外，在导入高温蒸汽的蒸汽涡轮机成套设备中，至少规定部位可以由上述的任何一种Ni基铸造合金构成。采用此种蒸汽涡轮机用的涡轮机外壳或阀壳等铸造部件，可提高高温强度，即使在高温环境下也具有高的可靠性。
根据本发明，能够提供一种Ni基铸造合金及以该合金为材料的蒸汽涡轮机用铸造部件，其能够在维持铸造性及焊接性等制造性的同时，谋求蠕变断裂强度的提高和热膨胀系数的最佳化。
具体实施方式
下面，对本发明的一实施方式进行说明。本发明的一实施方式的Ni基铸造合金由以下所示的组成成分范围构成。再有，在以下的说明中，只要不特别明示，表示组成成分的％为质量％。
(M1)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M2)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M3)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M4)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、B：0.001～0.02，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M5)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M6)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M7)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、B：0.001～0.02，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M8)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M9)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、B：0.001～0.02，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M10)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M11)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、B：0.001～0.02、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M12)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、B：0.001～0.02，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M13)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M14)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、B：0.001～0.02、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M15)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、B：0.001～0.02、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M16)一种Ni基铸造合金，以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、B：0.001～0.02、Zr：0.01～0.2，余量为Ni及不可避免的杂质。
(M17)根据上述M2、M6～M8、M12～M14、M16的任何一项所述的Ni基铸造合金，其中，所述Al的含量以质量％计为0.2～0.3。
(M18)根据上述M2、M6～M8、M12～M14、M16的任何一项中，所述Ti的含量以质量％计为0.5～2.0。
(M19)根据上述M3、M6、M9、M10、M12、M13、M15、M16的任何一项所述的Ni基铸造合金，其中，所述选自Nb及Ta中的1种或2种的含量以质量％计且以Nb+Ta/2计为1.0～2.5。
(M20)根据上述M4、M7、M9、M11、M12、M14～M16的任何一项所述的Ni基铸造合金，其中，所述B的含量以质量％计为0.002～0.015。
(M21)根据上述M5、M8、M10、M11、M13～M16的任何一项所述的Ni基铸造合金，其中，所述Zr的含量以质量％计为0.02～0.10。
(M22)根据上述M1～M21的任何一项所述的Ni基铸造合金，其中，所述Co的含量以质量％计为7～17。
(M23)根据上述M1～M22的任何一项所述的Ni基铸造合金，其中，所述选自Mo、W及Re中的1种或2种以上的含量以质量％计且以Mo+(W+Re)/2计为13～20。
(M24)根据上述M1～M23的任何一项所述的Ni基铸造合金，其中，所述Cr的含量以质量％计为18～23。
(M25)根据上述M1～M24的任何一项所述的Ni基铸造合金，其中，所述Fe的含量以质量％计为5以下。
(M26)根据上述M1～M25的任何一项所述的Ni基铸造合金，其中，所述C的含量以质量％计为0.07～0.15。
在上述组成成分范围内的Ni基铸造合金适合作为构成运转时的温度为680～750℃的蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳等铸造部件的材料。这里，可以用此种Ni基铸造合金构成蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳等铸造部件的所有部位，此外也可以用此种Ni基铸造合金构成特别是达到高温的蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳等铸造部件的部分部位。
此外，上述组成成分范围内的Ni基铸造合金能够在维持以往的Ni基铸造合金的铸造性及焊接性等加工性的同时，能提高高温强度。也就是说，通过采用此种Ni基铸造合金，构成蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳等铸造部件，能够提高涡轮机外壳或阀壳等铸造部件的高温强度，制作即使在高温环境下也具有较高的可靠性的涡轮机外壳或阀壳等铸造部件。此外，在制作蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳等铸造部件时，能够维持以往的Ni基铸造合金的铸造性及焊接性等加工性。
下面，对上述的有关本发明的Ni基铸造合金的各组成成分范围的限定理由进行说明。
(1)C(碳)
C作为强化相的M23C6型碳化物的构成元素是有用的，特别是在650℃以上的高温环境下，成为在蒸汽涡轮机的运转中使M23C6型碳化物析出，维持合金的蠕变强度的重要因素之一。此外，还可防止晶粒的粗大化。另外，还一并具有确保铸造时的熔液的流动性的效果。在C的含有率低于0.05％时，不能确保碳化物的足够的析出量，而且铸造时的熔液的流动性显著降低。另一方面，如果C的含有率超过0.2％，则制作大型铸造件时的成分偏析倾向会增强，同时促进作为脆化相的M6C型碳化物的生成，引起耐蚀性及延性的下降。因此，将C的含有率规定为0.05～0.2％。更优选为0.07～0.15％。
(2)Cr(铬)
Cr在奥氏体母相中固溶，不仅是进行固溶强化的元素，而且是对于提高耐氧化性及耐蚀性不可缺的元素。而且，作为M23C6型碳化物的构成元素也是不可缺的，尤其在650℃以上的高温环境下，通过在蒸汽涡轮机的运转中使M23C6型碳化物析出，可维持合金的蠕变强度。此外，Cr还可提高高温蒸汽环境下的耐氧化性。在Cr的含有率低于15％时，耐氧化性下降。另一方面，如果Cr的含有率超过25％，则因显著促进M23C6型碳化物的析出而使粗大化倾向增强，在高温下保持长时间时会引起强度及延性的下降。此外，由于Cr使合金的热膨胀系数增大，因此在高温用机器的设计中优选添加量低的。因此，将Cr的含有率规定为15～25％。更优选为18～23％。
(3)Co(钴)
Co在奥氏体母相内固溶，可提高高温强度。此外，也在γ’相[Ni3(Al、Ti、Nb、Ta)]中固溶，具有强化γ’相的同时使γ’相的析出量增加的效果。但是，如果Co的含有率超过20％，则生成金属间化合物相，使机械强度下降，而且成为合金成本上升的主要因素。另一方面，在Co的含有率低于5％时，机械强度下降。因此，将Co的含有率规定为5～20％。更优选为7～17％。
(4)Mo(钼)、W(钨)、Re(铼)
Mo、W、Re都在奥氏体母相内固溶，可提高高温强度。此外，通过在M23C6型碳化物中置换一部分可提高碳化物的稳定性。另外，还具有降低合金的热膨胀系数的效果，因此在高温用机器的设计中是有用的。在Mo+(W+Re)/2的含有率低于8％时，上述效果小，如果Mo+(W+Re)/2的含有率超过25％，则制作大型铸件时的成分偏析倾向增强，而且促进脆化相的M6C型碳化物的生成，引起延性下降。因此，将Mo+(W+Re)/2的含有率规定为8～25％。更优选为13～20％。
(5)Al(铝)
Al与Ni一同生成γ’相[Ni3(Al、Ti、Nb、Ta)]，通过析出可提高Ni基铸造合金的高温强度。此外，还具有提高耐高温腐蚀性的效果。在Al的含有率低于0.1％时，因γ’相的析出不充分，对强化没有效果，如果Ti、Nb、Ta大量存在，则γ’相不稳定，η相(Ni3Ti)及δ相[Ni3(Nb、Ta)]析出，变得脆化。另一方面，如果大量添加，则在铸造时析出大量的共晶γ’相，成为高温强度下降或发生铸造裂纹的原因。因此，将Al的含有率规定为0.1～0.4％。更优选为0.2～0.3％。
(6)Ti(钛)
Ti同Al一样，与Ni一同生成γ’相[Ni3(Al、Ti、Nb、Ta)]，通过析出可提高Ni基铸造合金的高温强度。此外，还具有降低合金的热膨胀系数的效果，因此在高温用机器的设计中是有用的。在Ti的含有率低于0.1％时，无法发挥上述效果，但如果Ti的含有率超过2.5％，则助长脆化相的η相(Ni3Ti)的析出，使高温强度的下降和缺陷敏感性增大。因此，将Ti的含有率规定为0.1～2.5％。更优选为0.5～2.0％。
(7)B(硼)
B进入晶界，可提高高温强度。此外，在Ti量大时，可抑制脆化相的η相(Ni3Ti)的析出，防止高温强度及延性的下降。另外，虽然B与Cr等形成硼化物，但由于该硼化物的熔点低，因此固液共存温度范围宽，铸造性提高。在B的含有率低于0.001％时，无法发挥上述的效果，如果B的含有率超过0.02％，则有可能性导致晶界脆化，使高温强度及韧性下降。因此，将B的含有率规定为0.001～0.02％。更优选为0.002～0.015％。
(8)Nb(铌)、Ta(钽)
Nb及Ta在γ’相[Ni3(Al、Ti、Nb、Ta)]中固溶，可提高高温强度，抑制γ’相的粗大化，使析出强度稳定。此外，通过与C结合形成碳化物有助于提高高温强度。在Nb+Ta/2的含量低于0.5％时，无法发挥上述的效果，如果Nb+Ta/2的含量超过5％，则δ相[Ni3(Nb、Ta)]析出，变得脆化。因此，将Nb+Ta/2的含量规定为0.5～5％。更优选为1～2.5％。
(9)Zr(锆)
Zr与B一样进入晶界，可提高高温强度。此外，与C结合形成碳化物，有助于提高高温强度。如果Zr的含量低于0.01％，则无法发挥上述的效果，如果Zr的含量超过0.2％，则反而使得高温强度下降，而且还引起延性下降。因此，将Zr的含量规定为0.01～0.2％。更优选为0.02～0.1％。
(10)Fe(铁)
Fe在Ni基超合金铸造件中有助于降低合金的成本。但是，如果大量添加，则不仅引起高温强度下降，而且还涉及到合金的热膨胀系数的增大，这在高温用机器的设计中是不利的。因此，将Fe的含量规定为10％以下。更优选为5％以下。
(11)Si(硅)
Si作为熔化精炼时的脱氧剂是有用的。还能改善耐氧化性。但是，如果含量过高，则引起延性下降。适当的Si含量为0.01～1％。更优选为0.02～0.5％。
(12)Mn(锰)
Mn与Si一样作为熔化精炼时的脱氧剂是有用的。但是，如果含量过高，则引起高温氧化特性的下降及由η相(Ni3Ti)的析出造成的延性下降。适当的Mn含量为0.01～1％。更优选为0.1～0.3％。
下面，对本发明的Ni基铸造合金的机械特性(高温强度的代表性特性即蠕变断裂强度及蠕变断裂延伸率)、耐水蒸气氧化、低热膨胀系数及焊接性优良的情况进行说明。
(样品的化学组成)
表1示出了评价用的各样品的化学组成，该评价用于对本发明的Ni基铸造合金的机械特性(高温强度的代表性特性即蠕变断裂强度及蠕变断裂延伸率)、耐水蒸气氧化、低热膨胀系数及焊接性优良的情况进行说明。对这些样品实施了规定的热处理。表1中记载了作为本发明的Ni基铸造合金的实施例的样品No.1～样品No.29、及作为比较例的样品No.1～样品No.11。比较例是化学组成不在本发明的化学组成范围内的Ni基铸造合金，其中，样品No.1具有相当于以往的铸造合金即镍铬铁617的化学组成，样品No.2具有相当于以往的合金即镍铬铁625的化学组成。
(蠕变断裂试验)
在蠕变断裂试验中，将具有表1所示的化学组成的实施例的样品No.1～样品No.29、及比较例的样品No.1～样品No.11的Ni基铸造合金各20kg用非真空熔炼炉熔化，铸入到模具中，从凝固的铸锭制作规定尺寸的试验片。在700℃、250MPa的条件下对各样品实施了蠕变断裂试验。蠕变断裂试验是按JIS Z 2271(金属材料的蠕变及蠕变断裂试验方法)实施的。作为通过蠕变断裂试验得到的特性，表2示出了得到的蠕变断裂时间(hr)及蠕变断裂延伸率(％)。可以看出实施例的样品No.1～样品No.29与以往的铸造合金即比较例的样品No.1(相当于镍铬铁617)及比较例的样品No.2(相当于镍铬铁625)相比较，蠕变断裂时间都大幅度延长，蠕变断裂强度都提高。此外，与Mo+(W+Re)/2低于本发明的化学组成范围的下限的比较例的样品No.5、或Ti低于本发明的化学组成范围的下限的比较例的样品No.7相比较，实施例的样品No.1～样品No.29的蠕变断裂时间都大幅度延长，蠕变断裂强度都提高。另一方面，发现Mo+(W+Re)/2、Ti、Nb+Ta/2超出本发明的化学组成范围的上限的各比较例No.6、比较例No.8、比较例No.9，虽见蠕变断裂时间都延长，但反而蠕变断裂延伸率的下降显著。
表2
Figure G2009101389660D00161
(水蒸气氧化试验)
在水蒸气氧化试验中，与蠕变断裂试验同样，从具有表1所示的化学组成的实施例的样品No.1～样品No.29、及比较例的样品No.1～样品No.11的Ni基铸造合金，采取宽10mm、长15mm、厚3mm的试验片，在700℃的水蒸气环境中暴露3000小时，测定了暴露前后的氧化增量(mg/cm2)。其结果见表2。由表2得知，实施例的样品No.1～样品No.29的水蒸气氧化增量都与以往的铸造合金即比较例的样品No.1(相当于镍铬铁617)及比较例的样品No.2(相当于镍铬铁625)相同，具有良好的耐水蒸气氧化特性。可是，如果与Cr低于本发明的化学组成范围的下限的比较例的样品No.3相比较，实施例的样品No.1～样品No.29的水蒸气氧化增量都大幅度降低，耐水蒸气氧化特性都显著提高。
(平均热膨胀系数测定)
在平均热膨胀系数测定中，与蠕变断裂试验及水蒸气氧化试验一样，从具有表1所示的化学组成的实施例的样品No.1～样品No.29、及比较例的样品No.1～样品No.11的Ni基铸造合金，采取直径5mm、长19mm的圆棒的试验片，采用理学电机工业制造的热机械分析装置进行了测定。作为标准样品使用石英，在升温速度为5℃/分钟的条件下，通过示差膨胀方式测定了从室温到700℃的平均热膨胀系数。其结果见表2。由表2得知，实施例的样品No.1～样品No.29与以往的铸造合金即比较例的样品No.1
(相当于镍铬铁617)及比较例的样品No.2(相当于镍铬铁625)相比，从室温到700℃的平均热膨胀系数都减小。此外，可以看出与Cr超出本发明的化学组成范围的上限的比较例的样品No.4、及Mo+(W+Re)/2低于本发明的化学组成范围的下限的比较例的样品No.5相比，实施例的样品No.1～样品No.29从室温到700℃的平均热膨胀系数都减小。
(焊接性试验)
在焊接性试验中，与蠕变断裂试验、水蒸气氧化试验及平均热膨胀系数测定一样，从具有表1所示的化学组成的实施例的样品No.1～样品No.29、及比较例的样品No.1～样品No.11的Ni基铸造合金，制作长150mm×宽80mm×厚20mm的平板，利用规定的焊接棒在其板面上进行3道次的焊接，然后，对与焊接焊道垂直的5个截面检查了裂纹发生的有无。其结果见表2。在全部5个截面上都没有发现裂纹时，将裂纹发生的有无记载为“无”，在5个截面上的任意一个截面以上发现了裂纹时，将裂纹发生的有无记载为“有”。实施例的样品No.1～样品No.29都为“无”。此外，以往的铸造合金即比较例的样品No.1(相当于镍铬铁617)及比较例的样品No.2(相当于镍铬铁625)也为“无”。另外，Cr低于本发明的化学组成范围的下限的比较例的样品No.3、Cr超出上限的比较例的样品No.4、Mo+(W+Re)/2低于本发明的化学组成范围的下限的比较例的样品No.5、Mo+(W+Re)/2超出上限的比较例的样品No.6及Ti低于本发明的化学组成范围的下限的比较例的样品No.7也都为“无”，但Ti超出本发明的化学组成范围的上限的比较例的样品No.8、Nb+Ta/2超出本发明的化学组成范围的上限的比较例的样品No.9、B超出本发明的化学组成范围的上限的比较例的样品No.10及Zr超出本发明的化学组成范围的上限的比较例的样品No.11都为“有”。

Claims (19)

1.一种Ni基铸造合金，其特征在于：该Ni基铸造合金的组成为：以质量％计，C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：7～17、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：13～20，且余量为Ni及不可避免的杂质。
2.一种Ni基铸造合金，其特征在于：该Ni基铸造合金的组成为：以质量％计，C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：7～17、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：13～20、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5，且余量为Ni及不可避免的杂质。
3.一种Ni基铸造合金，其特征在于：该Ni基铸造合金的组成为：以质量％计，C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：7～17、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：13～20、Zr：0.01～0.2，且余量为Ni及不可避免的杂质。
4.一种Ni基铸造合金，其特征在于：该Ni基铸造合金的组成为：以质量％计，C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：7～17、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：13～20、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5，且余量为Ni及不可避免的杂质。
5.一种Ni基铸造合金，其特征在于：该Ni基铸造合金的组成为：以质量％计，C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：7～17、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：13～20、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、Zr：0.01～0.2，且余量为Ni及不可避免的杂质。
6.一种Ni基铸造合金，其特征在于：该Ni基铸造合金的组成为：以质量％计，C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：7～17、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：13～20、B：0.001～0.02、Zr：0.01～0.2，且余量为Ni及不可避免的杂质。
7.一种Ni基铸造合金，其特征在于：该Ni基铸造合金的组成为：以质量％计，C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：7～17、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：13～20、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、Zr：0.01～0.2，且余量为Ni及不可避免的杂质。
8.一种Ni基铸造合金，其特征在于：该Ni基铸造合金的组成为：以质量％计，C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：7～17、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：13～20、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、B：0.001～0.02、Zr：0.01～0.2，且余量为Ni及不可避免的杂质。
9.一种Ni基铸造合金，其特征在于：该Ni基铸造合金的组成为：以质量％计，C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：7～17、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：13～20、Al：0.1～0.4、Ti：0.1～2.5、选自Nb及Ta中的1种或2种以Nb+Ta/2计：0.5～5、B：0.001～0.02、Zr：0.01～0.2，且余量为Ni及不可避免的杂质。
10.根据权利要求2、4、5、7、8、9中的任何一项所述的Ni基铸造合金，其特征在于：所述Al的含量以质量％计为0.2～0.3。
11.根据权利要求2、4、5、7、8、9中的任何一项所述的Ni基铸造合金，其特征在于：所述Ti的含量以质量％计为0.5～2.0。
12.根据权利要求4、7、9中的任何一项所述的Ni基铸造合金，其特征在于：所述选自Nb及Ta中的1种或2种的含量以质量％计且以Nb+Ta/2计为1.0～2.5。
13.根据权利要求6、8、9中的任何一项所述的Ni基铸造合金，其特征在于：所述B的含量以质量％计为0.002～0.015。
14.根据权利要求3、5、6、7、8、9中的任何一项所述的Ni基铸造合金，其特征在于：所述Zr的含量以质量％计为0.02～0.10。
15.根据权利要求1～9中的任何一项所述的Ni基铸造合金，其特征在于：所述Cr的含量以质量％计为18～23。
16.根据权利要求1～9中的任何一项所述的Ni基铸造合金，其特征在于：所述Fe的含量以质量％计为5以下。
17.根据权利要求1～9中的任何一项所述的Ni基铸造合金，其特征在于：所述C的含量以质量％计为0.07～0.15。
18.根据权利要求1～9中的任何一项所述的Ni基铸造合金，其特征在于：该Ni基铸造合金适用于蒸汽涡轮机的铸造部件。
19.一种蒸汽涡轮机用铸造部件，其特征在于：是导入高温蒸汽的蒸汽涡轮机设备的蒸汽涡轮机用铸造部件，该蒸汽涡轮机用铸造部件的至少一部分由权利要求1～18中任何一项所述的Ni基铸造合金形成。
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