CN102105260A - Ni基合金用焊接材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Ni基合金用焊接材料，所述焊接材料包含如下所示的成分：C≤0.05质量％；8质量％≤Cr≤25质量％；Fe≤4.0质量％；W≤15质量％；5质量％≤Mo+1/2(W+Re)≤20质量％；Co≤20质量％；0.01质量％≤Al＜2.0质量％；0.01质量％≤Ti＜2.0质量％；Al+1/2Ti≤3.0质量％；Nb+1/2Ta≤1.5质量％；B≤0.007质量％；Zr≤0.04质量％；0.01质量％≤Si≤0.5质量％；Mn≤1.0质量％；P≤0.010质量％；S≤0.002质量％；O≤0.005质量％；及构成余量的Ni和不可避免的杂质。

Description

Ni基合金用焊接材料
技术领域
本发明涉及一种Ni基合金用焊接材料，所述焊接材料被用于Ni基合金的焊接。
背景技术
在蒸汽轮机和燃气轮机中，例如，应该经历高温的转子通过主要利用铁素体12Cr钢而形成，所述铁素体12Cr钢的制造性和耐热强度优异且具有低热膨胀系数。例如，如图2中所示，通过熔化和锻造来将转子210制造成为由12Cr钢形成的整体(参见图2A)。或者，以如下方式来制造转子220：通过熔化和锻造由12Cr钢形成经历高温的主体部221；通过熔化和锻造由低合金钢形成轴端部222；然后将所述主体部221和所述轴端部222焊接在一起(参见图2B)。
就这一点而言，为了改进例如蒸汽轮机中的热效率，近年来已经对蒸汽温度的进一步提高进行了研究(650℃以上)。当施用这种650℃以上的高温蒸汽时，由12Cr钢形成的转子难以实现足够的耐热强度。为了解决这个问题，例如，专利文献1等提出了将热膨胀系数低的奥氏体Ni基合金用于这种转子。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本特开2007-332412号公报
专利文献2：日本特开平3-077791号公报
专利文献3：PCT国际申请2005-070612号的公布的日文译文
发明内容
技术问题
专利文献1等中提出的上述Ni基合金含有各种元素成分。因此，当如在12Cr钢等的情况下通过熔化和锻造由Ni基合金一体化地形成大型转子时，各种元素成分可能不均匀地存在，且可能偏析。
在这方面，考虑了图1中所示的转子的如下制造技术。具体地，以如下方式来制造转子110(参见图1A)：各自通过熔化和锻造而由热膨胀系数低的奥氏体Ni基合金形成分割成多个的主体部111A和111B；通过熔化和锻造而由比较便宜的12Cr钢或低合金钢形成用于约600℃的轴端部112；然后将所述主体部111A和111B与所述轴端部112焊接在一起。作为替代，以如下方式来制造转子120(参见图1B)：各自通过熔化和锻造而由Ni基合金形成分割成多个的主体部121A和121B；通过熔化和锻造而由低合金钢形成轴端部122；通过熔化和锻造而由12Cr钢形成中间部123，然后将所述主体部121A和121B与所述轴端部122焊接在一起，使得所述中间部123介于其间。
然而，当通过利用典型的Ni基合金用焊接材料(例如，AWS标准A5.14“ERNiCrMo-3”等)来焊接这种热膨胀系数低的奥氏体Ni基合金等时，所述Ni基合金的脆性温度范围(BTR)很宽(在“ERNiCrMo-3”的情况下为约200℃)，从而使得焊接期间的热裂纹可能更频繁地出现。
在这种情形下，本发明的目的是提供一种Ni基合金用焊接材料，其在对热膨胀系数低的奥氏体Ni基合金等的焊接性优异的同时，能够防止引起焊接期间的热裂纹。
解决问题的手段
根据为了解决上述问题而作出的第一项发明的Ni基合金用焊接材料，其特征在于，所述焊接材料包含如下所示的成分：C≤0.05质量％；8质量％≤Cr≤25质量％；Fe≤4.0质量％；W≤15质量％；5质量％≤Mo+1/2(W+Re)≤20质量％；Co≤20质量％；0.01质量％≤Al＜2.0质量％；0.01质量％≤Ti＜2.0质量％；Al+1/2Ti≤3.0质量％；Nb+1/2Ta≤1.5质量％；B≤0.007质量％；Zr≤0.04质量％；0.01质量％≤Si≤0.5质量％；Mn≤1.0质量％；P≤0.010质量％；S≤0.002质量％；O≤0.005质量％；及构成余量的Ni和不可避免的杂质。
根据第二项发明的Ni基合金用焊接材料，其特征在于，所述焊接材料包含如下所示的成分：C≤0.05质量％；8质量％≤Cr≤25质量％；Fe≤4.0质量％；W≤15质量％；5质量％≤Mo+1/2(W+Re)≤20质量％；Co≤20质量％；0.01质量％≤Al＜2.0质量％；0.01质量％≤Ti＜2.0质量％；Al+1/2Ti≤3.0质量％；1.5质量％＜Nb≤6.5质量％；Nb+1/2Ta≤6.5质量％；B≤0.007质量％；Zr≤0.04质量％；0.01质量％≤Si≤0.5质量％；Mn≤1.0质量％；P≤0.010质量％；S≤0.002质量％；O≤0.005质量％；及构成余量的Ni和不可避免的杂质。
根据第三项发明的Ni基合金用焊接材料，其特征在于，第二项发明所述的Ni基合金用焊接材料具有进一步满足N≤0.03质量％且C+N≤0.05质量％的组成。
根据第四项发明的Ni基合金用焊接材料，其特征在于，第二项发明所述的Ni基合金用焊接材料具有进一步满足稀土元素≤0.01质量％的组成。
发明效果
本发明的Ni基合金用焊接材料具有上述组成，因此在对热膨胀系数低的奥氏体Ni基合金等的焊接性优异的同时，能够防止引起焊接期间的热裂纹。
附图说明
[图1]图1显示了在将Ni基合金用于轮机转子主体部的情况下描述转子材料的图。
[图2]图2显示了在将12Cr钢用于轮机转子主体部的情况下描述转子材料的图。
具体实施方式
在下文中，对本发明Ni基合金用焊接材料的实施方式进行描述。应注意，在各实施方式中，省略了与前述实施方式中的内容相同的内容的描述。
[第一实施方式]
第一实施方式的Ni基合金用焊接材料具有如下组成：C≤0.05质量％，8质量％≤Cr≤25质量％，Fe≤4.0质量％，W≤15质量％，5质量％≤Mo+1/2(W+Re)≤20质量％，Co≤20质量％，0.01质量％≤Al＜2.0质量％，0.01质量％≤Ti＜2.0质量％，Al+1/2Ti≤3.0质量％，Nb+1/2Ta≤1.5质量％，B≤0.007质量％，Zr≤0.04质量％，0.01质量％≤Si≤0.5质量％，Mn≤1.0质量％，P≤0.010质量％，S≤0.002质量％，O≤0.005质量％，且余量是Ni和不可避免的杂质。
C(碳)具有增强固溶体从而提高拉伸强度的作用。然而，其过量导致伴随碳化物的产生，热加工性下降。因此，将其含量设定为0.05质量％以下。
Cr(铬)具有提高耐腐蚀性的作用。然而，其过量导致对焊接期间的热裂纹的敏感性升高和热膨胀系数增加。因此，将其含量设定为8～25质量％。
Fe(铁)具有抑制鳞状体出现的作用，所述鳞状体可能在高Cr含量的情况下出现。然而，其过量导致高温强度下降和热膨胀系数增加。因此，将其含量设定为4质量％以下。
Mo(钼)、W(钨)和Re(铼)具有通过在奥氏体相中固溶而增强固溶体从而提高高温强度的作用，以及降低热膨胀系数的作用。然而，当这些元素的总量过量时，导致热加工性下降和延展性下降。另外，当W超过15质量％时，α-W析出，从而导致热加工性下降。因此，将Mo+1/2(W+Re)设定为5～20质量％，且将W设定为15质量％以下。
Co(钴)具有通过在奥氏体相中固溶而增强固溶体从而提高强度的作用。然而，其过量导致热加工性和焊接性下降。因此，将其含量设定为20质量％以下。
Al(铝)和Ti(钛)在焊接过程中充当脱氧剂，且具有通过与Ni结合而形成γ′相的析出强化的作用。而且，Ti具有降低热膨胀系数和促进γ′相的时效析出硬化的作用。然而，当Al和Ti的总量过量时，高温延展性下降，使得焊接期间的热裂纹更频繁地出现。另外，当Al和Ti中的每一种都为2质量％以上时，在焊接期间熔渣浮在熔池的表面上，且作为鳞状体涂层坚固地附着至焊接金属的表面。这导致未焊透等，从而使得导致焊接加工性下降。因此，将Al和Ti中的每一种设定为0.01质量％以上但低于2.0质量％，且将Al+1/2Ti设定为3.0质量％以下。
Nb(铌)和Ta(钽)具有通过形成碳化物来抑制失延裂纹的作用，且还利用碳化物发挥通过与Ni结合而形成析出强化相γ′相来提高高温强度的作用。然而，太多量的Nb导致焊接期间的凝固裂纹出现得更频繁，且太多量的Ta导致延展性下降。因此，将Nb+1/2Ta设定为1.5质量％以下。
B(硼)不但具有通过在晶界偏析来提高高温强度的作用以及提高热加工性的作用，而且具有抑制富Ti合金中η相析出的作用。然而，其过量导致焊接性下降。因此，将其含量设定为0.007质量％以下。
Zr(锆)具有通过在晶界偏析来提高高温强度的作用，且具有提高热加工性的作用。然而，其过量导致焊接性下降。因此，将其含量设定为0.04质量％以下。
Si(硅)在焊接中充当脱氧剂。然而，其过量导致焊接期间的凝固裂纹出现得更频繁。因此，将其含量设定为0.01～0.5质量％。
Mn(锰)在焊接中充当脱氧剂，且具备脱硫作用，S可能引起焊接期间的热裂纹，凭借脱硫作用通过固定S而在焊接期间抑制热裂纹。然而，其过量导致在焊接中熔渣的流动性差，从而降低了焊接加工性。因此，将其含量设定为1.0质量％以下。
P(磷)与Ni形成熔点低的共晶体，从而导致焊接期间的凝固裂纹出现得更频繁。因此，其含量优选尽可能小。然而，其过度减少则影响了成本效益。因此，将其含量设定为0.010质量％以下。
S(硫)是不可避免的杂质，其与Ni形成熔点低的共晶体，从而导致焊接期间的热裂纹出现得更频繁。因此，其含量优选尽可能小。因此，将其含量设定为0.002质量％以下。
O(氧)在焊补材料熔化期间从空气中进入到其中，并在焊接金属的晶界处作为氧化物聚集，从而使得晶界的高温强度下降，且对焊接期间的热裂纹的敏感性升高。因此，将其含量令人满意地设定为0.005质量％以下。
因此，本实施方式的Ni基合金用焊接材料具有如上所述的组成，并因此在对热膨胀系数低的奥氏体Ni基合金等的焊接性优异的同时，能够防止引起焊接期间的热裂纹(后面将描述具体实施例)。
[第二实施方式]
第二实施方式的Ni基合金用焊接材料具有如下组成：C≤0.05质量％，8质量％≤Cr≤25质量％，Fe≤4.0质量％，W≤15质量％，5质量％≤Mo+1/2(W+Re)≤20质量％，Co≤20质量％，0.01质量％≤Al＜2.0质量％，0.01质量％≤Ti＜2.0质量％，Al+1/2Ti≤3.0质量％，1.5质量％＜Nb≤6.5质量％，Nb+1/2Ta≤6.5质量％，B≤0.007质量％，Zr≤0.04质量％，0.01质量％≤Si≤0.5质量％，Mn≤1.0质量％，P≤0.010质量％，S≤0.002质量％，O≤0.005质量％，且余量是Ni和不可避免的杂质。
简言之，上述第一实施方式的Ni基合金用焊接材料具有Nb和Ta满足“Nb+1/2Ta≤1.5质量％”的组成，而本实施方式的Ni基合金用焊接材料具有Nb和Ta满足“1.5质量％＜Nb≤6.5质量％”与“Nb+1/2Ta≤6.5质量％”两者的组成。下面给出关于该差别的描述。
如上所述，Nb和Ta具有抑制焊接期间的失延裂纹的作用。然而，太多量的Nb导致焊接期间的凝固裂纹出现得更频繁。由于这个原因，使上述第一实施方式的Ni基合金用焊接材料满足“Nb+1/2Ta≤1.5质量％”，从而防止在焊接期间出现凝固裂纹，而不是大幅度抑制焊接期间的失延裂纹。
相反，使本实施方式的Ni基合金用焊接材料含有大于1.5质量％的Nb，从而大幅度抑制焊接期间的失延裂纹，同时一定程度上允许焊接期间的凝固裂纹。在这个时候，如果Nb和Ta的总量太大，则形成的γ′相的体积比率太大，从而使得热加工性大幅度下降，且焊接期间的凝固裂纹达到不可接受的范围。因此，“Nb≤6.5质量％”与“Nb+1/2Ta≤6.5质量％”两者都要满足。
因此，如在上述第一实施方式的情况中一样，本实施方式的Ni基合金用焊接材料在对热膨胀系数低的奥氏体Ni基合金等的焊接性优异的同时，能够防止引起焊接期间的热裂纹(后面将描述具体实施例)。
[第三实施方式]
第三实施方式的Ni基合金用焊接材料是组成进一步满足N≤0.03质量％和C+N≤0.05质量％的第二实施方式的Ni基合金用焊接材料。N(氮)如在C的情况下一样具有增强固溶体和提高拉伸强度的作用，还具有以通过形成氮化物而使焊接金属部的组织更微细化的方式来降低对焊接期间的热裂纹的敏感性的作用。然而，其过量带来气孔的出现，及由于拉伸强度增加而产生的脆化。因此，其含量设定至0.03质量％以下，并且N和C的总含量设定至0.05质量％以下。
因此，如在上述第二实施方式的情况下一样，本实施方式的Ni基合金用焊接材料在对热膨胀系数低的奥氏体Ni基合金等的焊接性优异的同时，能够防止引起焊接期间的热裂纹(后面将描述具体实施例)。
[第四实施方式]
第四实施方式的Ni基合金用焊接材料是组成进一步满足稀土元素≤0.01质量％的上述第二实施方式的Ni基合金用焊接材料。
稀土元素(REM)如La(镧)或Ce(铈)具有高脱氧作用和高脱硫作用，因此使得可以通过晶界强化而在热加工时防止裂纹出现，且可以降低对焊接期间的热裂纹的敏感性。然而，其过量导致焊接期间的凝固裂纹出现得更频繁，因为与Ni形成熔点低的共晶体。因此，将其含量设定为0.01质量％以下。
因此，与上述第二实施方式的焊接材料相比，本实施方式的Ni基合金用焊接材料能够更有把握地防止引起焊接期间的热裂纹(后面将描述具体实施例)。
实施例
下面描述了为确认本发明Ni基合金用焊接材料的效果而进行的确认试验。然而，本发明不限于下述确认试验。
[确认试验]
制作了具有下表1和2中所示的相应组成(每个值以质量％表示)的Ni基合金用焊接材料的试样1～4，并通过横向可调拘束试验法(Trans-Varestraint testing method)来测定脆性温度范围(BTR)。此外，为了对比，还通过横向可调拘束试验法测定了典型的Ni基合金用焊接材料(AWS标准A5.14“ERNiCrMo-3”/比较样品)的脆性温度范围(BTR)。下表3示出了结果。
[表1]
  C   Cr   Fe   W   Mo   Re   Co   Al   Ti   Nb   Ta   B   Zr
  1   0.031   11.9   0.49   2.9   8.1   0.03   0.12   1.62   0.65   0   0   0.003   0.015
  2   0.030   12.0   0.50   0   9.7   0   0   1.65   0.66   2.5   0   0.003   0.017
  3   0.028   11.9   0.47   6.9   6.0   0.01   0.09   1.64   0.70   2.5   0   0.003   0.031
  4   0.030   12.0   0.50   0   9.7   0   0   0.60   1.00   2.5   0   0.003   0.017
  比较   0.010   20.5   0   0   8.1   -   -   0.16   0.27   3.6   0   -   -
[表2]
  Si   Mn   P   S   O   N   REM   Ni
  1   0.04   0.05   0.003   0.0004   0.0003   0.0007   -   余量
  2   0.04   0.05   0.003   0.0005   0.0010   0.0010   -   余量
  3   0.05   0.05   0.002   0.0006   0.0006   0.0017   -   余量
  4   0.04   0.05   0.003   0.0005   0.0010   0.0010   0.005   余量
  比较   0.06   0.06   0.005   0.0010   -   -   -   余量
[表3]
  BTR(℃)
  试样1   116
  试样2   137
  试样3   145
  试样4   138
  比较样品   211
从上述表3能够看出，对应于本发明的Ni基合金用焊接材料的试样1～4中每一个的BTR都低于对应于常规Ni基合金用焊接材料的比较样品的BTR。由此确认，本发明的Ni基合金用焊接材料在对热膨胀系数低的奥氏体Ni基合金等的焊接性优异的同时，能够防止引起焊接期间的热裂纹。
工业实用性
本发明的Ni基合金用焊接材料在对热膨胀系数低的奥氏体Ni基合金等的焊接性优异的同时，能够防止引起焊接期间的热裂纹。例如，为了提高热效率，这使得可以通过利用热膨胀系数低的奥氏体Ni基合金等来制造采用了升高的蒸汽温度(650℃以上)的蒸汽轮机用转子。因此，从工业观点来看，能够极有利地使用本发明的Ni基合金用焊接材料。
附图标记列表
110                转子
111A、111B         主体部
112                轴端部
120                转子
121A、121B         主体部
122                轴端部
123                中间部

Claims (4)

1.一种Ni基合金用焊接材料，其特征在于，所述焊接材料包含如下所示的成分：
C≤0.05质量％；
8质量％≤Cr≤25质量％；
Fe≤4.0质量％；
W≤15质量％；
5质量％≤Mo+1/2(W+Re)≤20质量％；
Co≤20质量％；
0.01质量％≤Al＜2.0质量％；
0.01质量％≤Ti＜2.0质量％；
Al+1/2Ti≤3.0质量％；
Nb+1/2Ta≤1.5质量％；
B≤0.007质量％；
Zr≤0.04质量％；
0.01质量％≤Si≤0.5质量％；
Mn≤1.0质量％；
P≤0.010质量％；
S≤0.002质量％；
O≤0.005质量％；及
构成余量的Ni和不可避免的杂质。
2.一种Ni基合金用焊接材料，其特征在于，所述焊接材料包含如下所示的成分：
C≤0.05质量％；
8质量％≤Cr≤25质量％；
Fe≤4.0质量％；
W≤15质量％；
5质量％≤Mo+1/2(W+Re)≤20质量％；
Co≤20质量％；
0.01质量％≤Al＜2.0质量％；
0.01质量％≤Ti＜2.0质量％；
Al+1/2Ti≤3.0质量％；
1.5质量％＜Nb≤6.5质量％；
Nb+1/2Ta≤6.5质量％；
B≤0.007质量％；
Zr≤0.04质量％；
0.01质量％≤Si≤0.5质量％；
Mn≤1.0质量％；
P≤0.010质量％；
S≤0.002质量％；
O≤0.005质量％；及
构成余量的Ni和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2的Ni基合金用焊接材料，其特征在于还包含N≤0.03质量％，且所述焊接材料的特征还在于
C+N≤0.05质量％。
4.根据权利要求2的Ni基合金用焊接材料，其特征在于还包含稀土元素≤0.01质量％。
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