CN101790595A - 涡轮转子及涡轮转子的制造方法 - Google Patents

涡轮转子及涡轮转子的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供不会导致制造成本的升高，不会使制造时间长期化，且具有适当的强度、韧性的涡轮转子及涡轮转子的制造方法。在焊接由高Cr钢构成的高温用转子材和由低Cr钢构成的低温用转子材构成的涡轮转子中，所述高温用转子材由氮含量以质量％计为0.02％以上的高Cr钢形成，焊接所述高温用转子材和低温用转子材的熔合材是氮含量以质量％计为0.025％以下的9％Cr系熔合材。

Description

涡轮转子及涡轮转子的制造方法
技术领域
本发明涉及涡轮转子及涡轮转子的制造方法，特别是适用于蒸汽涡轮的转子及涡轮转子的制造方法。
背景技术
制造蒸汽涡轮用转子时，从相对于蒸汽涡轮内的温度分布的高温强度的观点出发选择该转子材料。具体地说，在超过566℃的高温区域使用含有0.02％以上的氮被强化的10％Cr钢或含有W(钨)的10％Cr钢(高Cr钢)等，在566～380℃的中间区域使用1～2.25％CrMoV低合金钢，在低于380℃的低温区域使用3.5％NiCrMoV低合金钢构成的涡轮转子。另外，在高温区域和中低温区域共存的环境中，使用相对于高温区域具有强度的高Cr钢构成的一体型涡轮转子。
但是，所述高Cr钢是高成本材料，在高温区域和中低温区域共存的环境中使用的涡轮转子全体由高Cr钢构成，在成本面负担太大。
因此，提出了不同钢种焊接转子，用于蒸汽涡轮内高温区域和中低温区域共存的蒸汽涡轮，其中，配置在蒸汽涡轮内的环境温度为中低温区域的位置的涡轮转子部位由低价的所述低合金钢形成，配置在蒸汽涡轮内的环境温度为高温区域的位置的涡轮转子部位由高温强度优异的所述高Cr钢形成。
作为所述不同钢种焊接转子，在专利文献1中公开有例如使用Cr钢含量以质量％计为1.0～3.5％的熔合材焊接高Cr钢转子和低Cr钢转子的涡轮转子。
但是，在专利文献1中公开的现有的焊接高Cr钢转子材和低Cr钢转子材的涡轮转子中，通常为了提高高温强度，在高Cr钢中以质量％计含有0.02％以上的氮，但在焊接作为高Cr钢的10％的Cr钢或含有W的10％Cr钢和低Cr钢时，存在由于所述高Cr钢中所含的氮使得熔合材中容易产生微小的吹孔的问题。
特别是使用低Cr钢的熔合材时，确认到由于熔合材中的Cr含量少，所以熔合材的氮的溶解度低，微小的吹孔容易产生。涡轮转子是高速旋转体，不允许受到反复疲劳的缺陷，即使是微小的吹孔，集中时也会发生问题，因此，需要没有吹孔的稳定的焊接接头。
另外，在专利文献2中公开了如下的制造不同钢种转子的技术，其中，在焊接由12％Cr钢(广义上讲为10％Cr钢)构成的高温用转子材和由低合金构成的低温用转子材制造不同钢种转子时，包括对所述高温用转子材实施适当材料的包覆焊接形成中间材的工序，和对具有该中间材的高温用转子材进行高温热处理的工序，和对所述中间材焊接所述低温用转子材的工序，和对这些高温用转子材和低温用转子材的全体进行低温热处理的工序。
但是，在专利文献2所公开的技术中，包覆焊接需要两次热处理，因此，存在制造成本高，制造时间长时间化的课题。
另外，在专利文献3中公开了如下技术，高温用转子材由9％Cr钢(广义上讲为10％Cr钢)形成，低温用转子材由1％Cr钢形成，使用9％Cr系熔合材讲所述高温用转子材和低温用转子材焊接，在625～655℃进行热处理，由此，制造不同钢种转子。但是，在专利文献3所公开的技术中也会有微小吹孔发生的情况。
即，在专利文献1所公开的技术中，直接焊接为了提高高温强度而以质量％计含有0.02％以上的氮的高Cr钢转子材和低Cr钢转子材时，由于所述高Cr钢中所含的氮，存在熔合材中发生微小吹孔的问题。还有，所述焊接中使用的熔合材不是低Cr，是9Cr钢等的高Cr钢时，虽然吹孔难以产生，但并非完全不产生，不能解决问题。
另外，在专利文献2所公开的技术中，包覆焊接需要两次热处理，因此，存在制造成本高，制造时间长时间化的课题。
即，在专利文献3所公开的技术中，使用9％Cr钢和1％Cr钢的不同钢种转子即使在高中温度区域中使用的高中压涡轮的情况下，也存在产生微小吹孔的问题。
专利文献1特开2008-93668号公报
专利文献2特开2001-123801号公报
专利文献3特开2003-49223号公报
发明内容
因此，本发明鉴于上述技术课题，其目的在于，提供一种涡轮转子及涡轮转子的制造方法，焊接和热处理次数1次即可，不会导致制造成本的升高，难以发生制造时间的长期化，且没有吹孔。
本发明者确认到作为熔合材使用氮含量为0.025％以下的9％Cr钢时，能够防止微小的吹孔的产生，从而发明了能够解决课题的涡轮转子及涡轮转子的制造方法。
在解决上述课题的本发明中，在焊接由高Cr钢构成的高温用转子材和由低Cr钢构成的低温用转子材构成的涡轮转子中，所述高温用转子材由氮含量以质量％计为0.02％以上的高Cr钢形成，焊接所述高温用转子材和低温用转子材的熔合材是氮含量以质量％计为0.025％以下的9％Cr系熔合材。
通过使所述熔合材为氮含量以质量％计为0.025％以下的9％Cr系熔合材，即使焊接由氮含量为0.02％以上的高Cr钢构成的高温用转子材和由低Cr钢构成的低温用转子材，也能够防止微小吹孔的发生。
另外，由于没有必要包覆焊接，所以焊接次数、热处理次数1次即可，不会发生制造成本的升高，制造时间的长期化的问题。
另外，所述低温用转子材由2.25CrMoV钢形成，对被焊接的所述高温用转子材和低温用转子材，在625～650℃进行40～60小时热处理，所述高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。
不同钢种焊接接头的蠕变破断位置是低合金钢侧生成的微细组织的热影响部，蠕变强度受低合金钢的种类和微细组织的状态支配。因此，通过用比1％Cr钢材的蠕变强度高的2.25CrMoV钢形成所述低温用转子材，能够确保充分的蠕变强度。另外，使用氮含量以质量％计为0.025％以下的9％Cr系熔合材进行焊接，在625～650℃进行40～60小时热处理，使高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下，由此，所述高温用转子不会发生延迟裂纹，能够得到适当的涡轮转子。
另外，所述低温用转子材由3.5NiCrMoV钢形成，对被焊接的所述高温用转子材和低温用转子材，在595～620℃进行40～60小时热处理，使高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。
另外，由于所述低温用转子材由3.5NiCrMoV钢形成，使用氮含量以质量％计为0.025％以下的9％Cr系熔合材进行焊接，在595～620℃进行40～60小时热处理，使高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下，从而所述高温用转子不会发生延迟裂纹，能够得到能够确保适当的强度的涡轮转子。
另外，对用于解决课题的涡轮转子的制造方法进行说明。在焊接由高Cr钢构成的高温用转子材和由低Cr钢构成的低温用转子材的涡轮转子的制造方法中，用氮含量以质量％计为0.02％以上的高Cr钢形成所述高温用转子材，用氮含量以质量％计为0.025％以下的9％Cr系熔合材，通过焊接接合所述高温用转子材和低温用转子材。
可以用2.25CrMoV钢形成所述低温用转子材，通过焊接接合所述高温用转子材和低温用转子材后，在625～650℃对被焊接的所述高温用转子材和低温用转子材进行40～60小时热处理，使所述高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。
可以用3.5NiCrMoV钢形成所述低温用转子材，通过焊接接合所述高温用转子材和低温用转子材后，在595～620℃对被焊接的所述高温用转子材和低温用转子材进行40～60小时热处理，使所述高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。
根据上述的本发明，能够提供不会导致制造成本的升高和制造时间的长期化，且具有适当强度、韧性的涡轮转子及涡轮转子的制造方法。
附图说明
图1是本发明制造的涡轮转子的截面图。
图2是图1的焊接部附近的放大图。
图3是显示实施例的接头的截面图。
图4是显示在1600℃合金元素对钢水中的N的溶解度的影响的图。
图5是显示焊接接头的蠕变破断试验结果的特性图。
图6是显示实施例中包括焊接接头的测定位置的硬度的特性图。
图7是显示实施例中其他的包括焊接接头的测定位置的硬度的特性图。
图8是显示维氏硬度和延迟裂纹发生区域的图。
具体实施方式
(熔合材的选择)
本发明者对现有的不同钢种焊接接头发生的微小吹孔的发生原因进行了详细研究。历来，多认为焊接部的吹孔是一氧化碳的原因，所述微小吹孔对吹孔内部气体进行分析的结果标明，是氮气。
图4显示在1600℃合金元素对钢水中的N的溶解度的影响的图(日本铁钢协会编，第3版，第1卷基础，(1981)，p.417)。横轴是钢水中所含的合金元素浓度(wt％)，纵轴显示N的溶解度(wt％)。从图4可知钢水中的Cr含量越多N的溶解度越高。
在不进行包覆焊接，而是通过Cr钢熔合材焊接由以质量％计0.02％的氮强化的高Cr钢和低合金钢的焊接接头时，为了所述高Cr钢侧的所述强化而含有的氮溶入熔合材中，熔合材中的氮的溶解度如图4所示，依存于Cr含量。为此，熔合材使用第Cr钢时，由于熔合材中的Cr含量低，所以氮的溶解度小，溶解度以上的氮成为气体，在焊接中从熔池不能扩散的氮气成为吹孔。
由此，需要使用Cr含量高的熔合材，作为熔合材使用含有与所述高Cr钢相近的Cr含量的9％Cr系熔合材。
但是，即使使用9％Cr系熔合材也会产生微小吹孔。这是因为，在一般能够得到的9％Cr系熔合材中大多含有微量的氮，该氮和高Cr钢中所含的氮溶入焊接金属中，在其量多时产生微小的吹孔。
因此，制作氮含量不同其他成分的含量大致相同的9％Cr系熔合材作为7种的试料1～7，进行高Cr钢和由2.25CrMoV钢构成的焊接接头的焊接，通过超声波探伤试验检测焊接金属内的微小吹孔的产生状况。结果在表1中显示。表1中的数值表示试料中各成分的含量(质量％)。表1明确表明，熔合材中的氮含量以质量％计为0.025％以下时，未产生微小吹孔。因此，确认到使用氮含量以质量％计0.025％以下的9％Cr系熔合材时，能够防止吹孔的产生。
表1
Figure GPA00001014022900061
实施例
以下，参照附图对本发明的优选实施例示例性地进行详细说明。但是，该实施例中记载的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对的配置等没有特别的限定，并非是对本发明的范围进行的限定，不过是说明例。
(涡轮转子的制造)
图1是本发明制造的涡轮转子的截面图，图2是图1的焊接部8附近的放大图。如图1所示，将由高Cr钢的10％Cr钢或含有W的10％Cr钢构成的高温用转子材4和由低Cr钢的2.25％CrMoV钢或3.5NiCrMoV钢构成的低温用转子材6对接，使用氮含量以质量％计0.025％以下的9％Cr系熔合材进行例如电弧焊，由此，在高温用转子材4和低温用转子材6之间形成焊接部10。
作为所述高温用转子材4所用的10％Cr钢或含有W的1-Cr钢材、低温用转子材6所用的2.25％CrMoV钢或3.5NiCrMoV钢以及9％Cr系熔合材例举例如表2所示的组成范围，在本实施例中同样使用表2所示的实施例的组成的材料。
表2
Figure GPA00001014022900071
所述低温用转子材6为2.25％CrMoV钢时，在625～650℃的温度范围实施40～60小时热处理，由此使高温用转子材以维氏硬度为Hv350以下。特别是，高温用转子材为10％Cr钢或含有W的10％Cr钢时，为了使Hv硬度为350以下，优选长时间保持热处理时间，特别优选为60小时。
图8是显示维氏硬度和延迟裂纹发生区域的图(涡轮机械协会，第53次研修资料(2001年)，“关于蒸汽涡轮的腐蚀和侵蚀”，伊东眸)。根据图8明确可知，如果维氏硬度Hv为350以下，则作用于高温用转子构件的应力即使高也不会产生延迟裂纹，而维氏硬度Hv超过350时，所述应力即使很低也会产生延迟裂纹。因此，在所述625～650℃的温度范围实施40～60小时热处理，由此使维氏硬度为Hv350以下，从而能够制造不产生延迟裂纹的涡轮转子。
另外，所述低温用转子材6为3.5NiCrMoV钢时，在595～620℃进行40～60小时热处理，由此能够使所述高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。
(评价)
如图3所示，通过切削分别对所述表2所示的实施例的组成的高温用转子材4和低温用转子材6实施坡口加工后，使用表1所示的9％Cr系熔合材在构件4、6之间形成焊接部10。接着，以所述的温度和时间对通过焊接部10形成的所述转子材4、6实施热处理制造焊接接头。
关于所述焊接接头如图3所示从厚度1/2的位置采取试验片12，以恒定的试验温度实施蠕变试验。蠕变试验是制造以下两种焊接接头而进行的。
试验片1，高温用转子材：10％Cr钢，低温用转子材：2.25％CrMoV钢；
试验片2，高温用转子材：含W的10％Cr钢，低温用转子材：2.25％CrMoV钢；
另外，作为比较例，制作如下的试验片3，高温用转子材：10％Cr钢，低温用转子材：1％CrMoV钢，对其也以恒定的试验温度实施蠕变试验。
结果如图5所示。在图5中，纵轴为应力，横轴为由蠕变试验温度和破断时间决定的值，由于以恒定的试验温度实施蠕变试验，所以图5中是成为破断时间的指标的值。如图5所示，确认到在本实施例中，与低温用转子材使用1％CrMoV钢的比较例相比，蠕变强度提高。
另外，对所述试验片1、2测定了硬度分布。结果如图6所示。在图6中，纵轴表示维氏硬度Hv，横轴表示距低温用转子材6的定点的距离。根据图6明确可知，确认到所得到的焊接接头，在10％Cr钢或含W的10％Cr钢，其热影响部、焊接部、2.25％CrMoV钢，其热影响部的任意位置均显示Hv350以下。
另外，对以下的试验片4也进行与所述试验片1、2相同的硬度分布测定。
试验片4，高温用转子材：10％Cr钢，低温用转子材：3.5％NiCrMoV钢
结果如图7所示。确认到试验片4也与试验片1、2相同在任意位置均显示Hv350以下。
林外，对所述试验片1、2、4进行0.2％屈服应力、抗拉强度测定。其结果如表3所示。另外，还测定了其热影响部、焊接部的冲击特性(室温的吸收能和50％断面转移温度)。其结果在表4中显示。还有，表3和表4中的规格值表示所制造的涡轮转子没有问题能够使用所需要满足的范围。
表3
表4
根据表3明确可知，所得到的焊接接头和其构成母材的0.2％屈服应力以及抗拉强度的实测值全部满足规格值，满足转子所需的强度水平。另外，根据表4明确可知，所得到的焊接接头的母材、焊接部等具有充分满足规格值的冲击特性。
根据以上，本发明的涡轮转子由于焊接和热处理为1次，所以不会导致制造成本的升高，不会使制造时间长期化，且具有适当的强度、韧性。
本发明能够提供不会导致制造成本的升高，不会使制造时间长期化，且具有适当的强度、韧性的涡轮转子及涡轮转子的制造方法。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.(修改后)一种涡轮转子，焊接由高Cr钢构成的高温用转子材和由低Cr钢构成的低温用转子材而构成，其特征在于，
所述高温用转子材用氮含量以质量％计为0.02％以上的由下述(1)的化学组成构成的10Cr钢或由下述(2)的化学组成构成的含W的10Cr钢形成，
焊接所述高温用转子材和由下述(3)或下述(4)的化学组成构成的所述低温用转子材的熔合材是氮含量以质量％计为0.025％以下的由下述(5)的化学组成构成的9％Cr系熔合材，
化学组成(1)以质量％计含有C：0.05～0.4、Si：0.35以下、Mn：2以下、Ni：7.0以下、Cr：8～15、Mo：0.1～3、V：0.01～0.5、N：0.02～0.1、Nb：0.2以下，余量是Fe；
化学组成(2)以质量％计含有C：0.05～0.4、Si：0.35以下、Mn：2以下、Ni：7.0以下、Cr：8～15、Mo：1以下、V：0.01～0.5、N：0.02～0.1、Nb：0.2以下、W：0.1～3，余量是Fe；
化学组成(3)以质量％计含有C：0.2～0.35、Si：0.35以下、Mn：1.5以下、Ni：0.2～2.0、Cr：1.5～3.0、Mo：0.90～1.50、V：0.20～0.30，余量是Fe；
化学组成(4)以质量％计含有C：0.40以下、Si：0.35以下、Mn：1.0以下、Ni：3.0～4.5、Cr：1.0～2.5、Mo：0.1～1.5、V：0.01～0.3，余量是Fe；
化学组成(5)以质量％计含有C：0.10以下、Si：0.30以下、Mn：1.20以下、Ni：1.0以下、Cr：8.00～9.50、Mo：0.60～1.00、V：0.10～0.30、N：0.025以下、Nb：0.04以下，余量是Fe。
2.(修改后)根据权利要求1所述的涡轮转子，其特征在于，
所述低温用转子材由上述(3)的化学组成构成的2.25CrMoV钢形成，
对被焊接的所述高温用转子材和低温用转子材在625～650℃进行40～60小时热处理，使所述高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。
3.(修改后)根据权利要求1所述的涡轮转子，其特征在于，
所述低温用转子材由上述(4)的化学组成构成的3.5NiCrMoV钢形成，
对被焊接的所述高温用转子材和低温用转子材在595～620℃进行40～60小时热处理，使所述高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。
4.(修改后)一种涡轮转子的制造方法，是焊接由高Cr钢构成的高温用转子材和由低Cr钢构成的低温用转子材进行接合的涡轮转子的制造方法，其特征在于，
用氮含量以质量％计为0.02％以上的由下述(1)的化学组成构成的10Cr钢或由下述(2)的化学组成构成的含W的10Cr钢形成所述高温用转子材，
用氮含量以质量％计为0.025％以下的由下述(5)的化学组成构成的9％Cr系熔合材，通过焊接接合所述高温用转子材和由下述(3)或下述(4)的化学组成构成的低温用转子材，
化学组成(1)以质量％计含有C：0.05～0.4、Si：0.35以下、Mn：2以下、Ni：7.0以下、Cr：8～15、Mo：0.1～3、V：0.01～0.5、N：0.02～0.1、Nb：0.2以下，余量是Fe；
化学组成(2)以质量％计含有C：0.05～0.4、Si：0.35以下、Mn：2以下、Ni：7.0以下、Cr：8～15、Mo：1以下、V：0.01～0.5、N：0.02～0.1、Nb：0.2以下、W：0.1～3，余量是Fe；
化学组成(3)以质量％计含有C：0.2～0.35、Si：0.35以下、Mn：1.5以下、Ni：0.2～2.0、Cr：1.5～3.0、Mo：0.90～1.50、V：0.20～0.30，余量是Fe；
化学组成(4)以质量％计含有C：0.40以下、Si：0.35以下、Mn：1.0以下、Ni：3.0～4.5、Cr：1.0～2.5、Mo：0.1～1.5、V：0.01～0.3，余量是Fe；
化学组成(5)以质量％计含有C：0.10以下、Si：0.30以下、Mn：1.20以下、Ni：1.0以下、Cr：8.00～9.50、Mo：0.60～1.00、V：0.10～0.30、N：0.025以下、Nb：0.04以下，余量是Fe。
5.(修改后)根据权利要求4所述的涡轮转子的制造方法，其特征在于，
用由上述(3)的化学组成构成的2.25CrMoV钢形成所述低温用转子材，
通过焊接接合所述高温用转子材和低温用转子材后，在625～650℃对被焊接的所述高温用转子材和低温用转子材进行40～60小时热处理，使所述高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。
6.(修改后)根据权利要求4所述的涡轮转子的制造方法，其特征在于，
用由上述(4)的化学组成构成的3.5NiCrMoV钢形成所述低温用转子材，
通过焊接接合所述高温用转子材和低温用转子材后，在595～620℃对被焊接的所述高温用转子材和低温用转子材进行40～60小时热处理，使所述高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。

Claims (6)

1.一种涡轮转子，焊接由高Cr钢构成的高温用转子材和由低Cr钢构成的低温用转子材而构成，其特征在于，
所述高温用转子材由氮含量以质量％计为0.02％以上的高Cr钢形成，
焊接所述高温用转子材和低温用转子材的熔合材是氮含量以质量％计为0.025％以下的9％Cr系熔合材。
2.根据权利要求1所述的涡轮转子，其特征在于，
所述低温用转子材由2.25CrMoV钢形成，
对被焊接的所述高温用转子材和低温用转子材在625～650℃进行40～60小时热处理，使所述高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。
3.根据权利要求1所述的涡轮转子，其特征在于，
所述低温用转子材由3.5NiCrMoV钢形成，
对被焊接的所述高温用转子材和低温用转子材在595～620℃进行40～60小时热处理，使所述高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。
4.一种涡轮转子的制造方法，是焊接由高Cr钢构成的高温用转子材和由低Cr钢构成的低温用转子材进行接合的涡轮转子的制造方法，其特征在于，
用氮含量以质量％计为0.02％以上的高Cr钢形成所述高温用转子材，
用氮含量以质量％计为0.025％以下的9％Cr系熔合材，通过焊接接合所述高温用转子材和低温用转子材。
5.根据权利要求4所述的涡轮转子的制造方法，其特征在于，
用2.25CrMoV钢形成所述低温用转子材，
通过焊接接合所述高温用转子材和低温用转子材后，在625～650℃对被焊接的所述高温用转子材和低温用转子材进行40～60小时热处理，使所述高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。
6.根据权利要求4所述的涡轮转子的制造方法，其特征在于，
用3.5NiCrMoV钢形成所述低温用转子材，
通过焊接接合所述高温用转子材和低温用转子材后，在595～620℃对被焊接的所述高温用转子材和低温用转子材进行40～60小时热处理，使所述高温用转子材的维氏硬度为Hv350以下。
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