CN102953760B - Ni基合金大型部件以及使用Ni基合金大型部件的Ni基合金焊接构造物和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供能够抑制高温裂纹的Ni基合金大型部件以及使用Ni基合金大型部件的Ni基合金焊接构造物和其制造方法。对于在基材具有碳化物的带状偏析的Ni基合金大型部件，通过依靠摩擦搅拌处理法的处理和固溶处理在焊接坡口面形成均质的改性层（区域A），以使焊接的焊透深度比改性层的厚度浅的方式进行焊接，制造Ni基合金的焊接构造物。
Description
技术领域
本发明涉及Ni基合金大型部件以及使用Ni基合金大型部件的Ni基合金焊接构造物和其制造方法。
背景技术
为了获得高效率蒸汽涡轮，例如像专利文献1所记载的那样，研究了在涡轮转子、锅炉配管等中适用Ni基合金。
适用了Ni基合金的涡轮转子或锅炉配管通过在Ni基合金大型锻造材料（Ni基合金大型部件）上实施TIG（TungstenInertGas；钨极氩弧焊）焊接或是MIG（MetalInertGas；熔化极惰性气体保护焊）焊接来进行制造。Ni基合金大型锻造材料一般按以下顺序进行制造。即，（1）真空熔化、（2）电渣再熔化或是真空电弧再熔化、（3）分块锻造、（4）精加工、以及（5）热处理的顺序。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-052308号公报
发明内容
发明所要解决的课题
根据本发明者的研究，在使用Ni基合金大型锻造材料（大型熔化锻造材料）的模型试验中，判明出发生未曾在使用了小型熔化锻造材料的预备研究中发生过的高温裂纹。
因此，本发明的目的在于提供能够抑制高温裂纹的Ni基合金大型部件以及使用Ni基合金大型部件的Ni基合金焊接构造物和其制造方法。
用于解决课题的手段
本发明为了达成上述目的，在构成Ni基合金的焊接构造物的Ni基合金大型部件的焊接面上，形成有实施了依靠摩擦搅拌处理法（FrictionStirProcessing；FSP，以下记作FSP处理）的处理和固溶处理的改性层。
发明的效果
根据本发明，可以提供能够抑制高温裂纹的Ni基合金大型部件以及使用Ni基合金大型部件的Ni基合金焊接构造物和其制造方法。
附图说明
图1-A是以往的Ni基合金大型部件的表面的光学显微镜观察结果的素描图。
图1-B是以往的Ni基合金大型部件的表面的光学显微镜观察结果的素描图（图1-A的放大图）。
图2-A是本发明所涉及的Ni基合金大型锻造材料的平面以及侧面的示意图。
图2-B是图2-A中X部分的放大图。
图3-A是本发明所涉及的焊接Ni基合金大型部件而制得的Ni基合金大型焊接构造物的平面以及侧面的示意图。
图3-B是图3-A中Y部分的放大图。
图4是使用本发明所涉及的Ni基合金大型部件制得的涡轮转子的剖面示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的实施方式进行详细说明。然而，本发明并不限定于此处所列举的实施方式。
首先，对达成本发明的原委进行说明。
本发明者对Ni基合金大型部件的高温裂纹的原因进行了调查以及研究。其结果发现，高温裂纹起因于Ni基合金大型锻造材料制造时的带状碳化物偏析层的出现以及高温延展性的降低。并且，进而发现，通过对Ni基合金大型锻造材料的焊接剖面进行FSP处理，接着进行固溶处理，由此能够使该带状碳化物偏析层消失。本发明正是基于这样的发现。下面就这些发现进行详细叙述。
Ni基合金大型部件的高温裂纹的主要原因被认为是带状碳化物偏析层。
Ni基合金锭块的熔化前的重量由于提高制造效率而超过6吨。在这样的大型的锭块的熔化、凝固时，出现微观偏析，在锻造后也有残留。即，由于微观偏析，C（碳）以及Mo（钼）在作为最终凝固部的枝晶交界部偏析，碳化物密集在该部分。该碳化物的密集区域通过锻造而被拉长，形成碳化物在锻造方向排列的带状组织（多个带状的碳化物偏析层的集合）。
带状的碳化物偏析层由于熔点低，所以，在焊接时发生局部熔融，以其作为基点产生高温裂纹。另外，锻造材料的组织成为带状的碳化物偏析层的结晶粒小、带状的碳化物偏析层以外的部分的结晶粒大的混粒组织，给机械方面性质带来不良影响。
另外，作为Ni基合金大型部件的高温裂纹的其他原因，认为是高温延展性的降低。
当在高温下进行锻造、热处理时，结晶粒度变大，高温延展性降低。若高温延展性降低，则会因锻造材料的温度下降时的收缩而产生高温裂纹。
为了降低上述的两个高温裂纹的原因，在本发明中，对Ni基合金大型部件的焊接面实施依靠FSP处理法的处理和固溶处理，形成均质的改性层。
在制造涡轮转子的轴、锅炉的配管等的情况下，Ni基合金通过锻造而被拉长。带状组织形成在因锻造被拉长的方向（长度方向）上。
本发明者认为，为了瓦解形成于该长度方向的带状组织，从与长度方向垂直的方向施加冲击是有效的。首先，通过喷丸硬化或锤击来施加冲击，进行固溶处理。但是，虽然通过这些方法导入了应变，能够在固溶处理后进行再结晶，但却无法瓦解带组织。这被认为是由于，通过这些方法并未在与长度方向垂直的方向搅拌组织。
于是，当对Ni基合金锻造材料的焊接面整体进行FSP处理、进行固溶处理时，实现了对带状组织的瓦解。
进而，可知的是，在进行FSP处理的情况下，再结晶后的组织是微细（结晶粒度（根据JISG0551进行测定）为2以上）且均匀的，高温延展性变高。
进行FSP处理的装置没有特别限定，可以使用市面出售的装置。旋转工具优选使用具有高温耐摩耗性的工具。具体来讲，可以适当使用WRe（钨铼）合金制的工具。
FSP处理是对Ni基合金锻造材料的焊接面整体进行的。
FSP处理的压入深度优选为2mm以上，更优选的是2～3mm。焊接锻造材时的焊透深度一般为1mm左右，但若进行FSP处理的深度为1mm，则细粒化的组织的部位全部都在焊接时熔融，无法获得高的高温延展性。另外，若进行FSP处理的深度超过3mm，则会增大旋转工具的摩耗以及处理时间。
在进行完FSP处理之后，进行固溶处理。这是为了使由FSP处理搅拌了的组织再结晶化而进行的。固溶处理的条件优选以再结晶后的结晶粒度为2～5的条件进行。这是因为，若结晶粒度不足2，则无法获得充分的高温延展性，而若大于5，则蠕变强度会降低。固溶处理的条件优选的是，具体为在950～1200℃下进行1～24个小时。
将进行了FSP处理以及固溶处理的大型部件的经过处理的面彼此焊接，制造大型焊接构造物。焊接方法没有特别限定，例如可以进行TIG焊接等的坡口焊接。
本发明在适用于具有混粒组织（例如枝晶部的结晶粒度小于1、枝晶交界部的结晶粒度大于3）和碳化物偏析层呈带状相连的带状组织的大型Ni基合金锻造材料的情况下，可以获得特别显著的效果。另外，本发明也同样能够适用于因凝固偏析在基材发生碳化物的带状偏析的大型铸造件，可获得大的效果。
实施例
以下，基于实施例对本发明进行更为详细的说明，但本发明并不限定于此。另外，在下述内容中，试样A～C以及D1为比较例，试样D2～D4为本发明所涉及的实施例。
关于表1所示的化学成分的Ni基合金，通过真空熔化以及电渣再熔化法，制作大约6吨的钢块，通过热锻造制作大约4吨的钢坯。通过进一步对该钢坯进行热加工，制作直径750mm、壁厚40mm的配管。配管按每300mm进行切断，形成14根配管。配管在1160℃下实施固溶之后，进行空冷而形成为试样（基材）。
表1
表1
试样的化学成分（mass%）
| Ni | Co | Mo | Cr | W | Al | Ti | Nb | C | B |
| 剩余 | 15 | 9 | 22 | 0.01 | 1.2 | 0.6 | 0.1 | 0.09 | 0.01 |
在图1-A以及1-B中表示试样的Ni基合金大型锻造材料的表面的光学显微镜观察结果的素描图。图1-B是图1-A的放大图。
在试样中，观察到了碳化物密集的区域连成带状的带状组织。在碳化物密集的区域中，结晶粒度为3.0，在不密集的区域中，结晶粒度为0，成为混粒组织。
接着，通过TIG焊接来接合两根该配管而形成试样A。焊接金属是表1所示的成分，是与基材相同的成分。作为由光学显微镜观察试样A的表面组织的结果，与试样同样，在碳化物的密集区域产生了高温裂纹。这是由于，碳在该部分偏析，熔点在局部降低。
接着，对另外的两根配管的焊接面实施喷丸硬化，在1160℃下进行固溶处理。并且，与试样A同样通过TIG来焊接两根配管，形成试样B。当通过光学显微镜观察试样B的表面组织时，在喷丸硬化处理后，在焊接前的状态下，从焊接面起朝向配管长度方向的中心0.5mm的区域的结晶粒微细化，但在焊接时该区域熔融，焊接后的组织与试样A同样产生了高温裂纹。另外，虽然在焊接前实现了细粒化，但带组织并未消失。
接着，在通过锤击来强力击打另外两根配管的焊接面之后，在1160℃进行固溶处理，与试样A同样通过TIG焊接来接合两根配管，形成试样C。作为通过光学显微镜观察试样C的表面组织的结果，在焊接金属与基材交界的基材侧，观察到了结晶粒微细化的区域，但带组织有所残留，在碳化物的密集部分观察到高温裂纹。
接着，对另外的两根配管的焊接面进行FSP处理之后，在1160℃下进行固溶处理，与试样A同样地通过TIG焊接来接合两根配管，形成试样。在FSP中使用WRe合金的旋转工具。通过改变工具的插入深度，能够使搅拌的深度变化成为1mm、2mm、3mm、4mm，分别形成试样D1、D2、D3、D4。作为FSP处理条件，在搅拌深度为2mm的情况下，工具旋转为500rpm，工具移动速度为100mm/min，旋转方向在从工具侧观看时为顺时针。调整这些条件，获得此外的搅拌深度的试样。
对于试样D1，在焊接前，在由FSP进行了处理的区域中，结晶粒细粒化，进而带组织也消失，成为均质的组织，但在焊接时，经过处理的区域熔融。焊接后的剖面组织与试样A同样，也确认出高温裂纹。
对于试样D2，焊接前的剖面组织与试样D1同样，但组织改性的深度为大约2mm，在焊接后，改性的组织的层残留大约1mm。另外，对于试样D2，没有确认到在试样A、B、C、D1中观看到的高温裂纹。
对于试样D3、D4，也与D2同样，带组织消失，没有确认到高温裂纹。在D1～D4中，不仅仅是带组织消失，而且固溶后的结晶粒度为2～4，获得了高的高温延展性。
将试样A～C以及D1～D4的焊接面处理、结晶粒度、带状组织以及焊接裂纹有无的结果汇集在表2中。
表2
表2
试样的评价结果
| 试样 | 焊接面处理 | 结晶粒度 | 带状组织 | 焊接裂纹 |
| A | - | 0~3 | 有 | 有 |
| B | 喷丸硬化 | 1~6 | 有 | 有 |
| C | 锤击 | 1~6 | 有 | 有 |
| D1 | FSP处理(处理深度：1mm) | 2~4 | 无 | 有 |
| D2 | FSP处理(处理深度：2mm) | 2~4 | 无 | 无 |
| D3 | FSP处理(处理深度：3mm) | 2~4 | 无 | 无 |
| D4 | FSP处理(处理深度：4mm) | 2~4 | 无 | 无 |
另外，在图2-A中表示本发明所涉及的Ni基合金大型锻造材料的平面以及剖面的示意图，在图3-A中表示本发明所涉及的焊接Ni基合金大型部件而制作成的Ni基合金大型焊接构造物的平面以及剖面的示意图。另外，在图中，在图2-B以及图3-B中分别表示X部分、Y部分的放大图。
在图中，区域A是进行FSP处理的区域，成为细粒化的组织构造。另外，搅拌深度为2～3mm。区域B是未进行FSP处理的区域，碳化物均质地分布在锻造材料长度方向。在固溶处理后进行焊接。焊接的焊透深度为1mm左右。可知的是，区域A以及区域B的组织构造在焊接后也没有变化。
根据以上结果示出了，在本发明中，通过对Ni基合金大型锻造材料的焊接面进行FSP处理并进行固溶处理，能够提供消除了带状组织、使结晶粒细粒化、没有高温裂纹的Ni基合金大型焊接构造物。
本发明的Ni基合金大型部件能够适用于例如锅炉配管等的配管。另外，使用本发明的Ni基合金大型部件，能够制造蒸汽涡轮或气体涡轮等的涡轮转子。在图4中表示采用了本发明的Ni基合金大型部件的蒸汽涡轮转子的一例的剖面示意图。本实施例的涡轮转子适用于例如供给700℃的蒸汽的蒸汽涡轮。在本图中，在高温度（600～700℃）区域部位使用本发明的Ni基合金大型部件2，在中温以及低温度（500℃）区域部位使用铁素体钢5，以焊接部6将两者接合。通过对Ni基合金大型部件2的焊接部6实施FSP处理以及固溶处理，能够提供可抑制高温裂纹的涡轮转子。另外，虽然在成本方面有所不利，但也可以在中温以及低温度区域部位使用Ni基合金大型部件，同样实施FSP处理和固溶处理，并进行焊接来制造涡轮转子。
附图标记
1…Ni基合金大型锻造材料，2…Ni基合金大型部件，3…Ni基合金大型焊接构造物，4…FSP处理装置的旋转工具，5…铁素体钢，6…焊接部。
Claims (6)
1.一种Ni基合金大型部件，该Ni基合金大型部件构成Ni基合金的焊接构造物，其特征在于，所述Ni基合金大型部件在基材具有碳化物的带状偏析，通过依靠摩擦搅拌处理法的处理和固溶处理在焊接坡口面形成有改性层，所述改性层在依靠所述摩擦搅拌处理法的处理后，在焊接前以再结晶后的结晶粒度成为2～5的方式进行所述固溶处理。
2.如权利要求1所述的Ni基合金大型部件，其特征在于，所述改性层的厚度为2mm以上，所述固溶处理在950～1200℃进行1～24个小时，且以再结晶后的结晶粒度成为2～5的方式进行。
3.一种Ni基合金焊接构造物的制造方法，其特征在于，焊接如权利要求1所述的Ni基合金大型部件来制造焊接构造物，以使焊接的焊透深度比所述改性层的厚度浅的方式进行焊接。
4.如权利要求3所述的Ni基合金焊接构造物的制造方法，其特征在于，所述改性层的厚度为2mm以上，所述固溶处理在950～1200℃进行1～24个小时，且以再结晶后的结晶粒度成为2～5的方式进行。
5.一种焊接型蒸汽涡轮转子，其特征在于，通过如权利要求3所述的Ni基合金焊接构造物的制造方法制造而成。
6.一种Ni基合金制大型配管，该Ni基合金制大型配管构成蒸汽涡轮设备的锅炉配管，其特征在于，所述Ni基合金制大型配管在基材具有碳化物的带状偏析，通过依靠摩擦搅拌处理法的处理和固溶处理在焊接坡口面形成有深度为2mm以上的改性层，所述改性层在依靠所述摩擦搅拌处理法的处理后，在焊接前以再结晶后的结晶粒度成为2～5的方式进行所述固溶处理。
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