JP2009280858A - Ni基鋳造合金およびそれを材料とする蒸気タービン用鋳造部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなるNi基鋳造合金。
【選択図】なし
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、合金のクリープ強度を維持させる要因の一つとなる。また、結晶粒の粗大化も防止する。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0.05%未満の場合には、炭化物の十分な析出量を確保できないとともに、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0.2%を超えると、大型鋳造品製作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、耐食性や延性の低下を引き起こす。そのため、Cの含有率を0.05〜0.2%とした。さらに好ましくは0.07〜0.15%である。
Crは、オーステナイト母相に固溶し、固溶強化するだけでなく、耐酸化性や耐食性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25%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、高温長時間で強度や延性の低下を引き起こす。また、Crは合金の熱膨張係数を増加させるため、高温用機器設計において添加量は低めの方が好ましい。そのため、Crの含有率を15〜25%とした。さらに好ましくは18〜23%である。
Coは、オーステナイト母相内に固溶して高温強度を向上させる。また、γ’相[Ni3(Al,Ti,Nb,Ta)]にも固溶し、γ’相を強化するとともにγ’相の析出量も増加させる効果を有する。しかしながら、Coの含有率が20%を超えると、金属間化合物相を生成し、機械的強度を低下させるとともに、合金のコストアップ要因にもなる。一方、Coの含有率が5%未満の場合には、機械的強度が低下する。そのため、Coの含有率を5〜20%とした。さらに好ましくは7〜17%である。
Mo、W、Reはいずれも、オーステナイト母相内に固溶して高温強度を向上させる。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。さらに、合金の熱膨張係数を下げる効果があり、高温用機器設計において有用である。Mo+(W+Re)/2の含有率が8%未満の場合には、上記の効果が少なく、Mo+(W+Re)/2の含有率が25%を超えると、大型鋳造品製作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て、延性の低下を引き起こす。そのため、Mo+(W+Re)/2の含有率を8〜25%とした。さらに好ましくは13〜20%である。
Alは、Niとともにγ’相[Ni3(Al,Ti,Nb,Ta)]を生成し、析出によるNi基鋳造合金の高温強度を向上させる。また、耐高温腐食性の向上にも効果がある。Alの含有率が0.1%未満の場合には、γ’相の析出が不十分で強化に効かず、Ti、Nb、Taが多量に存在するとγ’相が不安定になり、η相(Ni3Ti)やδ相[Ni3(Nb,Ta)]が析出して脆化する。一方、多量の添加では、鋳造時に多量の共晶γ’相が析出し、高温強度の低下や鋳造割れの原因になる。そのため、Alの含有率を0.1〜0.4%とした。さらに好ましくは0.2〜0.3%である。
Tiは、Alと同様、Niとともにγ’相[Ni3(Al,Ti,Nb,Ta)]を生成し、析出によるNi基鋳造合金の高温強度を向上させる。さらに、合金の熱膨張係数を下げる効果があり、高温用機器設計において有用である。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2.5%を超えると、脆化相のη相(Ni3Ti)の析出を助長し、高温強度の低下と欠き感受性を増大させる。そのため、Tiの含有率を0.1〜2.5%とした。さらに好ましくは、0.5〜2.0%である。
Bは、結晶粒界に入り込み、高温強度を向上させる。また、Tiの量が多い場合は、脆化相のη相(Ni3Ti)の析出を抑制し、高温強度および延性の低下を防止する。さらに、BはCrなどとホウ化物を形成するが、このホウ化物は融点が低いため、固液共存温度域が広がり、鋳造性が向上する。Bの含有率が0.001%未満の場合には、上記した効果が発揮されず、Bの含有率が0.02%を超えると、粒界脆化を招き、高温強度および靭性の低下を生ずる可能性がある。そのため、Bの含有率を0.001〜0.02%とした。さらに好ましくは、0.002〜0.015%である。
NbやTaは、γ’相[Ni3(Al,Ti,Nb,Ta)]に固溶し、高温強度を高め、γ’相の粗大化を抑制して、析出強度を安定させる。また、Cと結合して炭化物を形成することによっても高温強度向上に寄与する。Nb+Ta/2の含有量が0.5%未満の場合には、上記した効果が発揮されず、Nb+Ta/2の含有量が5%を超えると、δ相[Ni3(Nb,Ta)]が析出して脆化する。そのため、Nb+Ta/2の含有量を0.5%〜5%とした。さらに好ましくは、1%〜2.5%である。
Zrは、Bと同様に、結晶粒界に入り込み、高温強度を向上させる。また、Cと結合して炭化物を形成し、高温強度の向上に寄与する。Zrの含有量が0.01%未満では、上述した効果が発揮されず、Zrの含有量が0.2%を超えると、逆に高温強度が低下するとともに、延性の低下も引き起こされる。そのため、Zrの含有量を0.01〜0.2%とした。さらに好ましくは、0.02〜0.1%である。
Feは、Ni基超合金鋳造品においては、合金のコスト低減に貢献する。ただし、多量に添加すると、高温強度の低下を引き起こすだけでなく、合金の熱膨張係数の増加につながり、高温用機器設計において不利になる。そのため、Feの含有量は10%以下とした。さらに好ましくは、5%以下である。
Siは、溶解精錬時の脱酸剤として有用である。耐酸化性も改善する。ただし、含有量が多過ぎると、延性の低下を引き起こす。適正なSi含有量は0.01〜1%とした。さらに好ましくは、0.02〜0.5%である。
Mnは、Siと同様に、溶解精錬時の脱酸剤として有用である。ただし、含有量が多過ぎると、高温酸化特性の低下や、η相(Ni3Ti)の析出による延性の低下が引き起こされる。適正なMn含有量は0.01〜1%とした。さらに好ましくは、0.1〜0.3%である。
表1は、本発明に係るNi基鋳造合金が、機械的特性(クリープ破断強度およびクリープ破断伸び)、耐水蒸気酸化、低熱膨張係数および溶接性に優れていることを説明するための評価に用いた各種試料の化学組成を示す。これらの試料に所定の熱処理を施した。表1には、試料No.1〜試料No.29の本発明に係るNi基鋳造合金の実施例、および試料No.1〜試料No.11の比較例が記載されている。比較例は本発明の化学組成範囲にないNi基鋳造合金であり、そのうち、試料No.1は従来鋳造合金であるインコネル617相当の化学組成、試料No.2は従来合金であるインコネル625相当の化学組成を有する。
クリープ破断試験では、表1に示す化学組成を有する実施例の試料No.1〜試料No.29、および比較例の試料No.1〜試料No.11のNi基鋳造合金各20kgを大気溶解炉にて溶解し、金型に鋳込み、凝固した鋳塊から所定のサイズの試験片を作製した。各試料に対して、700℃、250MPaの条件でクリープ破断試験を実施した。クリープ破断試験は、JIS Z 2271(金属材料のクリープ及びクリープ破断試験方法)に基づいて実施した。クリープ破断試験で得られる特性として得られるクリープ破断時間(hr)およびクリープ破断伸び(%)を表2に示す。実施例の試料No.1〜試料No.29は、いずれも従来鋳造合金である比較例の試料No.1(インコネル617相当)および比較例の試料No.2(インコネル625相当)に比べてクリープ破断時間が大幅に増加し、クリープ破断強度の向上がなされていることが明らかである。また、Mo+(W+Re)/2において本発明の化学組成範囲の下限を下回った比較例No.5や、Tiにおいて本発明の化学組成範囲の下限を下回った比較例No.7に比較して、実施例の試料No.1〜試料No.29は、いずれもクリープ破断時間が大幅に増加し、クリープ破断強度の向上がなされている。一方、Mo+(W+Re)/2、Ti、Nb+Ta/2において本発明の化学組成範囲の上限を上回った、それぞれ比較例No.6、比較例No.8、比較例No.9は、いずれもクリープ破断時間の向上が見られたが、逆にクリープ破断伸びの低下が顕著であった。
水蒸気酸化試験では、クリープ破断試験と同様に、表1に示す化学組成を有する実施例の試料No.1〜試料No.29、および比較例の試料No.1〜試料No.11のNi基鋳造合金から、幅10mm、長さ15mm、厚さ3mmの試験片を採取し、700℃の水蒸気環境中で3000時間暴露して、暴露前後の酸化増量(mg/cm2)を測定した。その結果を表2に示す。実施例の試料No.1〜試料No.29は、いずれも従来鋳造合金である比較例の試料No.1(インコネル617相当)および比較例の試料No.2(インコネル625相当)と同等の水蒸気酸化増量であり、良好な耐水蒸気酸化特性を有することがわかった。しかし、Crにおいて本発明の化学組成範囲の下限を下回った比較例No.3に比較すると、実施例の試料No.1〜試料No.29は、いずれも大幅に水蒸気酸化増量が低下し、耐水蒸気酸化特性の向上が顕著であった。
平均熱膨張係数測定では、クリープ破断試験や水蒸気酸化試験と同様に、表1に示す化学組成を有する実施例の試料No.1〜試料No.29、および比較例の試料No.1〜試料No.11のNi基鋳造合金から、直径5mm、長さ19mmの丸棒の試験片を採取し、理学電気製熱機械分析装置を使用して測定した。標準試料として石英を使用し、昇温速度5℃/分の条件で、室温から700℃までの平均熱膨張係数を示差膨張方式によって測定した。その結果を表2に示す。実施例の試料No.1〜試料No.29は、いずれも従来鋳造合金である比較例の試料No.1(インコネル617相当)および比較例の試料No.2(インコネル625相当)に比べて室温から700℃までの平均熱膨張係数が低下していることが明らかである。また、Crにおいて本発明の化学組成範囲の上限を上回った比較例No.4や、Mo+(W+Re)/2において本発明の化学組成範囲の下限を下回った比較例No.5に比較して、実施例の試料No.1〜試料No.29は、いずれも室温から700℃までの平均熱膨張係数が低下していることが明らかであった。
溶接性試験では、クリープ破断試験、水蒸気酸化試験や平均熱膨張係数測定と同様に、表1に示す化学組成を有する実施例の試料No.1〜試料No.29、および比較例の試料No.1〜試料No.11のNi基鋳造合金から、長さ150mm×幅80mm×厚さ20mmの平板を製作し、その板面に所定の溶接棒により3パスの溶接を行い、その後、溶接ビードに垂直な5断面について割れ発生の有無を調査した。その結果を表2に示す。5断面のいずれにおいても割れの発生が認められなかった場合、割れ発生の有無は「無」、5断面のいずれか1断面以上に割れの発生が認められた場合、割れ発生の有無は「有」と記載した。実施例の試料No.1〜試料No.29は、いずれも「無」であった。また、従来鋳造合金である比較例の試料No.1(インコネル617相当)および比較例の試料No.2(インコネル625相当)も「無」であった。さらに、Crにおいて本発明の化学組成範囲の下限を下回った比較例No.3、上限を上回った比較例No.4、Mo+(W+Re)/2において本発明の化学組成範囲の下限を下回った比較例No.5、上限を上回った比較例No.6およびTiにおいて本発明の化学組成範囲の下限を下回った比較例No.7は、いずれも「無」であったが、Tiにおいて本発明の化学組成範囲の上限を上回った比較例No.8、Nb+Ta/2において本発明の化学組成範囲の上限を上回った比較例No.9、Bにおいて本発明の化学組成範囲の上限を上回った比較例No.10およびZrにおいて本発明の化学組成範囲の上限を上回った比較例No.11は、いずれも「有」であった。
Claims (28)
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、Al:0.1〜0.4、Ti:0.1〜2.5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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、NbおよびTaの1種または2種をNb+Ta/2:0.5〜5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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、B:0.001〜0.02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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、Zr:0.01〜0.2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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、Al:0.1〜0.4、Ti:0.1〜2.5、NbおよびTaの1種または2種をNb+Ta/2:0.5〜5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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、Al:0.1〜0.4、Ti:0.1〜2.5、B:0.001〜0.02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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、Al:0.1〜0.4、Ti:0.1〜2.5、Zr:0.01〜0.2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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、NbおよびTaの1種または2種をNb+Ta/2:0.5〜5、B:0.001〜0.02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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、NbおよびTaの1種または2種をNb+Ta/2:0.5〜5、Zr:0.01〜0.2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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、B:0.001〜0.02、Zr:0.01〜0.2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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、Al:0.1〜0.4、Ti:0.1〜2.5、NbおよびTaの1種または2種をNb+Ta/2:0.5〜5、B:0.001〜0.02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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、Al:0.1〜0.4、Ti:0.1〜2.5、NbおよびTaの1種または2種をNb+Ta/2:0.5〜5、Zr:0.01〜0.2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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、Al:0.1〜0.4、Ti:0.1〜2.5、B:0.001〜0.02、Zr:0.01〜0.2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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、NbおよびTaの1種または2種をNb+Ta/2:0.5〜5、B:0.001〜0.02、Zr:0.01〜0.2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Ni基鋳造合金。
- 質量%で、C:0.05〜0.2、Si:0.01〜1、Mn:0.01〜1、Co:5〜20、Fe:10以下、Cr:15〜25、Mo、WおよびReの1種または2種以上をMo+(W+Re)/2:8〜25、Al:0.1〜0.4、Ti:0.1〜2.5、NbおよびTaの1種または2種をNb+Ta/2:0.5〜5、B:0.001〜0.02、Zr:0.01〜0.2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Ni基鋳造合金。
- 請求項2、6、7、8、12、13、14、16のいずれか1項において、前記Alの含有量は、質量%で0.2〜0.3であることを特徴とするNi基鋳造合金。
- 請求項2、6、7、8、12、13、14、16のいずれか1項において、前記Tiの含有量は、質量%で0.5〜2.0であることを特徴とするNi基鋳造合金。
- 請求項3、6、9、10、12、13、15、16のいずれか1項において、前記NbおよびTaの1種または2種の含有量は、質量%でNb+Ta/2が1.0〜2.5であることを特徴とするNi基鋳造合金。
- 請求項4、7、9、11、12、14、15、16のいずれか1項において、前記Bの含有量は、質量%で0.002〜0.015であることを特徴とするNi基鋳造合金。
- 請求項5、8、10、11、13、14、15、16のいずれか1項において、前記Zrの含有量は、質量%で0.02〜0.10であることを特徴とするNi基鋳造合金。
- 請求項1〜21のいずれか1項において、前記Coの含有量は、質量%で7〜17であることを特徴とするNi基鋳造合金。
- 請求項1〜22のいずれか1項において、前記Mo、WおよびReの1種または2種以上の含有量は、質量%でMo+(W+Re)/2が13〜20であることを特徴とするNi基鋳造合金。
- 請求項1〜23のいずれか1項において、前記Crの含有量は、質量%で18〜23であることを特徴とするNi基鋳造合金。
- 請求項1〜24のいずれか1項において、前記Feの含有量は、質量%で5以下であることを特徴とするNi基鋳造合金。
- 請求項1〜25のいずれか1項において、前記Cの含有量は、質量%で0.07〜0.15であることを特徴とするNi基鋳造合金。
- 蒸気タービンの鋳造部品に適用されることを特徴とする請求項1〜26のいずれか1項に記載のNi基鋳造合金。
- 高温蒸気が導入される蒸気タービンプラントの蒸気タービン用鋳造部品であって、少なくとも一部が、請求項1〜26のいずれか1項に記載されたNi基鋳造合金からなることを特徴とする蒸気タービン用鋳造部品。
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