JP2009221545A - 蒸気タービンのタービンロータ用のNi基合金および蒸気タービンのタービンロータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】蒸気タービンのタービンロータ用のNi基合金は、重量%で、C:0.01〜0.15、Cr:15〜28、Co:10〜15、Mo:8〜12、Al:1.5〜2、Ti:0.1〜0.6、B:0.001〜0.006、Re:0.5〜3を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなる。
【選択図】図1
Description
Cは、強化相であるM23C6型炭化物の構成元素として有用であり、特に650℃以上の高温環境下では、蒸気タービンの運転中にM23C6型炭化物を析出させることが合金のクリープ強度を維持させる要因の一つである。また、鋳造時の溶湯の流動性を確保する効果も併せ持つ。Cの含有率が0.01%未満の場合には、炭化物の十分な析出量を確保することができないため、機械的強度が低下するとともに、鋳造時の溶湯の流動性が著しく低下する。一方、Cの含有率が0.15%を超えると、大型鋳塊作製時の成分偏析傾向が増加するとともに脆化相であるM6C型炭化物の生成を促進し、機械的強度は向上するが、鍛造性が低下する。そのため、Cの含有率を0.01〜0.15%とした。
Crは、Ni基合金の耐酸化性、耐食性および機械的強度を高めるのに不可欠な元素である。さらにM23C6型炭化物の構成元素として不可欠であり、特に650℃以上の高温環境下では、蒸気タービンの運転中にM23C6型炭化物を析出させることで、合金のクリープ強度が維持される。また、Crは、高温蒸気環境下における耐酸化性を高める。Crの含有率が15%未満の場合には、耐酸化性が低下する。一方、Crの含有率が28%を超えると、M23C6型炭化物の析出を著しく促進することによって粗大化傾向を高める。そのため、Crの含有率を15〜28%とした。
Coは、Ni基合金において、母相内に固溶して母相の機械的強度を向上させる。しかしながら、Coの含有率が15%を超えると、機械的強度を低下させる金属間化合物相を生成し、鍛造性が低下する。一方、Coの含有率が10%未満の場合には、加工性が低下し、さらに機械的強度が低下する。そのため、Coの含有率を10〜15%とした。
Moは、Ni母相中に固溶して母相の機械的強度を向上させる効果を有し、また、M23C6型炭化物中に一部が置換することによって炭化物の安定性を高める。Moの含有率が8%未満の場合には、上記した効果が発揮されず、Moの含有率が12%を超えると、大型鋳塊作製時の成分偏析傾向が増加するとともに、脆化相であるM6C型炭化物の生成を促進する。そのため、Moの含有率を8〜12%とした。
Alは、Niとともにγ’(ガンマプライム:Ni3Al)相を生成し、析出によるNi基合金の機械的強度を向上させる。Alの含有率が1.5%未満の場合には、機械的強度が従来鋼と比べて向上されず、Alの含有率が2%を超えると、機械的強度は向上するが、鍛造性が低下する。そのため、Alの含有率を1.5〜2%とした。
Tiは、Alと同様、Niとともにγ’(ガンマプライム:Ni3Al)相を生成し、Ni基合金の機械的強度を向上させる。Tiの含有率が0.1%未満の場合には、上記した効果が発揮されず、Tiの含有率が0.6%を超えると、熱間加工性および鍛造性が低下し、さらに、切欠き感受性が高くなる。そのため、Tiの含有率を0.1〜0.6%とした。
Bは、粒界に偏析して高温特性に影響を及ぼす。また、Bは、Ni母相中に析出して母相の機械的強度を向上させる効果を有する。Bの含有率が0.001%未満の場合には、母相の機械的強度を向上させる効果が発揮されず、Bの含有率が0.006%を超えると、粒界脆化を招く恐れがある。そのため、Bの含有率を0.001〜0.006%とした。
Reは、Ni母相中に固溶して母相の機械的強度を向上させる効果を有する。Reの含有率が0.5%未満の場合には、母相の機械的強度を向上させる効果が発揮されず、Reの含有率が3%を超えると、脆弱な相を形成する。そのため、Reの含有率を0.5〜3%とした。Co、MoもReと同様にNi母相中に固溶して母相の機械的強度を向上させる効果を有するが、同量の含有率でReが最も機械的強度の向上に優れ、ベース金属の化学成分組成を大きく変化させることなく機械的強度を向上させることができる。
Taは、γ’(ガンマプライム:Ni3Al)相に固容し強度を高め、析出強度を安定させる。Taの含有率が0.1%未満の場合には、上記した効果において従来鋼と比べて向上がみられず、Taの含有率が0.7%を超えると、機械的強度は向上するが、鍛造性が低下する。そのため、Taの含有率を0.1〜0.7%とした。
Nbは、Taと同様に、γ’(ガンマプライム:Ni3Al)相に固容し強度を高め、析出強度を安定させる。Nbの含有率が0.05%未満の場合には、上記した効果において従来鋼と比べて向上がみられず、Nbの含有率が0.35%を超えると、機械的強度は向上するが、鍛造性が低下する。そのため、Nbの含有率を0.05〜0.35%とした。
SiおよびMnは、本発明に係るNi基合金においては、不可避的不純物に分類されるものである。ここでは、不可避的不純物のうち、特に、SiおよびMnの残存含有率を制限している。このような、不可避的不純物は、可能な限りその残存含有率を0%に近づけることが望ましい。
ここでは、本発明の化学組成範囲にあるNi基合金が、優れた機械的強度および鍛造性を有することを説明する。表1は、引張強度試験および鍛造性の評価に用いられた試料1〜試料8の化学組成を示す。なお、試料1〜試料7は、本発明の化学組成範囲にあるNi基合金であり、試料8は、その組成が本発明の化学組成範囲にないNi基合金であり、比較例である。また、試料8は、従来鋼であるインコネル617相当の化学組成を有する。なお、ここで使用した本発明の化学組成範囲にあるNi基合金には、不可避的不純物として、Si、Mn以外に、Fe(鉄)、Cu(銅)S(硫黄)が含まれている。
ここでは、本発明の化学組成範囲にあるNi基合金が、優れた熱間加工性を有することを説明する。なお、ここでは、表1に示す各試料に対して、グリーブル試験(鉄鋼業界において一般的な試験方法)を行なった。
ここでは、本発明の化学組成範囲にあるNi基合金を高温で所定時間保持しても、機械的強度を維持できることを説明する。
Claims (6)
- 重量%で、C:0.01〜0.15、Cr:15〜28、Co:10〜15、Mo:8〜12、Al:1.5〜2、Ti:0.1〜0.6、B:0.001〜0.006、Re:0.5〜3を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなることを特徴とする蒸気タービンのタービンロータ用のNi基合金。
- 重量%で、C:0.01〜0.15、Cr:15〜28、Co:10〜15、Mo:8〜12、Al:1.5〜2、Ti:0.1〜0.6、B:0.001〜0.006、Ta:0.1〜0.7、Re:0.5〜3を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなることを特徴とする蒸気タービンのタービンロータ用のNi基合金。
- 重量%で、C:0.01〜0.15、Cr:15〜28、Co:10〜15、Mo:8〜12、Al:1.5〜2、Ti:0.1〜0.6、B:0.001〜0.006、Nb:0.05〜0.35、Re:0.5〜3を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなることを特徴とする蒸気タービンのタービンロータ用のNi基合金。
- 重量%で、C:0.01〜0.15、Cr:15〜28、Co:10〜15、Mo:8〜12、Al:1.5〜2、Ti:0.1〜0.6、B:0.001〜0.006、Ta+2Nb:0.1〜0.7を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなることを特徴とする蒸気タービンのタービンロータ用のNi基合金。
- 前記不可避的不純物のうち、重量%で、Si:0.1以下、Mn:0.1以下に抑制されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の蒸気タービンのタービンロータ用のNi基合金。
- 高温蒸気が導入される蒸気タービンに貫設されるタービンロータであって、
少なくとも所定部位が、請求項1乃至5のいずれか1項記載の蒸気タービンのタービンロータ用のNi基合金からなることを特徴する蒸気タービンのタービンロータ。
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