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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】鋳造性及び溶接性などの製造性を維持しつつ、クリープ破断強度の向上と、熱膨張係数の適正化を図ることのできる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を提供する。
【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

本発明は、高温・高圧の蒸気が作動流体として流入する蒸気タービンのタービンケーシングやバルブケーシングを構成する材料に係わり、特に高温強度等に優れた蒸気タービンの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に関する。
蒸気タービンを含む火力プラントにおいて、地球環境保護の観点から二酸化炭素の排出量抑制技術が注目されており、また発電の高効率化のニーズが高まっている。
蒸気タービンの発電効率を上げるためには、タービン蒸気温度を高温化することが有効であり、近年の蒸気タービンを備える火力発電プラントにおいて、その蒸気温度は600℃以上まで上昇している。将来的には650℃、さらに700℃や700℃超級へと上昇する傾向が見られる。
高温・高圧の蒸気が作動流体として流入する蒸気タービンのタービンケーシングやバルブケーシングは、高温環境下で高圧の内圧を受ける高温圧力容器の一種と考えられる。そのため、タービンケーシングやバルブケーシングは高温、高応力に耐える必要があり、タービンケーシングやバルブケーシングを構成する材料として、高温度領域において優れた強度、延性、靭性を有するものが求められている。
また、高温で長時間使用されるため、優れた耐水蒸気酸化特性も求められる。さらに、タービンケーシングやバルブケーシングは形状が複雑であるため、一般には鋳造で形作られる場合が多く、鋳造時の欠陥を出来るだけ発生させないような良好な鋳造性も求められる。
鋳造欠陥が発生した時には、その部分をはつり取って補修溶接を行う必要があるとともに、タービンケーシングやバルブケーシングには短管やエルボ配管などを溶接で接合(構造溶接)するので、溶接性の良好な材料であることも重要な要素である。
また、タービンケーシングやバルブケーシングは、その内部構造において、他の部品と構造的に組み合せて使用される。例えば、タービンケーシングの内部には、蒸気によって回転するタービンロータや、動翼、ノズル(静翼)、締付ボルト、ノズルボックスなどが組み込まれているが、タービンケーシングの熱膨張係数はこれらの内部構造部品の熱膨張係数と同等レベルにある方が、構造設計が容易になり、長期運用に際しても信頼性が大きく向上する。また、熱膨張係数の低い方が大型構造物として局所的な発生熱応力を低下させることにもなり、その観点からの構造設計の容易さと長期信頼性の向上につながる。
そのため、タービンケーシングやバルブケーシングに適用されるNi基鋳造合金は、高温における優れた強度(クリープ破断強度)や延性(クリープ破断伸び)、優れた耐水蒸気酸化特性、優れた溶接性、低熱膨張係数を有していることが求められる。
現在、蒸気温度が700℃あるいは700℃超級で適用を検討されているNi基鋳造合金としては、インコネル617合金(スペシャルメタル社製)やインコネル625合金(スペシャルメタル社製)が代表的な材料である。しかし、これらの材料は、クリープ破断伸び、耐水蒸気酸化特性、溶接性は良好であるが、クリープ破断強度は十分でなく、熱膨張係数も比較的大きいので、この材料を適用したタービンケーシングやバルブケーシングは構造設計面での困難さを伴い、高温での長期安定運用に課題が多い。
なお、従来からオーステナイト系低熱膨張Ni基超合金を蒸気タービンのボルト等に使用することが提案されている(例えば、文献特許1参照。)。また、大型鍛造品の作製が比較的容易なNiFe基合金により、700℃を超える高温で使用される蒸気タービンロータを作製することが提案されている(例えば、特許文献2参照。)。さらに、鍛造性が良く、低熱膨張のオーステナイト系Ni基合金を用い、蒸気タービン翼を作製することが提案されている(例えば、特許文献3参照。)。しかしながら、このような技術では、鋳造性及び溶接性などについては、考慮されていない。
特開2003−13161号公報 特開2005−2929号公報 特許第3559681号公報
上記したように、700℃を超える蒸気タービンのタービンケーシングやバルブケーシングの材料として、Ni基鋳造合金の適用が検討されているが、さらに高温強度(クリープ破断強度)を向上させる必要があると考えられる。また、熱膨張係数も適正なレベルまで低くする必要があると考えられる。このNi基鋳造合金の必要な高温強度や熱膨張係数は、Ni基鋳造合金の高温延性(クリープ破断伸び)や耐水蒸気酸化特性、溶接性などを維持しつつ、組成改良等により得ることが求められている。
そこで、本発明は、鋳造性及び溶接性などの製造性を維持しつつ、クリープ破断強度の向上と、熱膨張係数の適正化を図ることのできる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を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項2のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項3のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項4のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項5のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項6のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項7のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項8のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項9のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項10のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項11のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項12のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項13のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項14のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項15のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項16のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項17のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項18のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項19のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項20のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項21のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項22のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項23のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項24のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項25のNi基鋳造合金は、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。
また、請求項26のNi基鋳造合金は、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。
これらの蒸気タービンのタービンケーシングやバルブケーシングなどの鋳造部品用のNi基鋳造合金によれば、上記した組成成分範囲で構成されることで、従来の蒸気タービンのタービンケーシングやバルブケーシングなどの鋳造部品用のNi基鋳造合金における鋳造性や溶接性を維持しつつ、高温強度が向上する。
また、高温蒸気が導入される蒸気タービンプラントにおいて、少なくとも所定部位を上記したいずれか1つのNi基鋳造合金で構成しても良い。この蒸気タービン用のタービンケーシングやバルブケーシングなどの鋳造部品によれば、高温強度が向上し、高温環境下においても高い信頼性を有する。
本発明によれば、造性及び溶接性などの製造性を維持しつつ、クリープ破断強度の向上と、熱膨張係数の適正化を図ることのできる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を提供できる。
以下、本発明の一実施の形態を説明する。本発明に係る一実施の形態のNi基鋳造合金は、以下に示す組成成分範囲で構成される。なお、以下の説明において組成成分を表す%は、特に明記しない限り質量%とする。
(M1)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。
(M2)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Ni基鋳造合金。
(M3)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Ni基鋳造合金。
(M4)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Ni基鋳造合金。
(M5)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Ni基鋳造合金。
(M6)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Ni基鋳造合金。
(M7)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Ni基鋳造合金。
(M8)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Ni基鋳造合金。
(M9)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Ni基鋳造合金。
(M10)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Ni基鋳造合金。
(M11)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Ni基鋳造合金。
(M12)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Ni基鋳造合金。
(M13)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Ni基鋳造合金。
(M14)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Ni基鋳造合金。
(M15)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Ni基鋳造合金。
(M16)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Ni基鋳造合金。
(M17)上記のM2、M6〜M8、M12〜M14、M16のいずれかにおいて、前記Alの含有量は、質量%で0.2〜0.3であるNi基鋳造合金。
(M18)上記のM2、M6〜M8、M12〜M14、M16のいずれかにおいて、前記Tiの含有量は、質量%で0.5〜2.0であるNi基鋳造合金。
(M19)上記のM3、M6、M9、M10、M12、M13、M15、M16のいずれかにおいて、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Ni基鋳造合金。
(M20)上記のM4、M7、M9、M11、M12、M14〜M16のいずれかにおいて、前記Bの含有量は、質量%で0.002〜0.015であるNi基鋳造合金。
(M21)上記のM5、M8、M10、M11、M13〜M16のいずれかにおいて、前記Zrの含有量は、質量%で0.02〜0.10であるNi基鋳造合金。
(M22)上記のM1〜M21のいずれかにおいて、前記Coの含有量は、質量%で7〜17であるNi基鋳造合金。
(M23)上記のM1〜M22のいずれかにおいて、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Ni基鋳造合金。
(M24)上記のM1〜M23のいずれかにおいて、前記Crの含有量は、質量%で18〜23であるNi基鋳造合金。
(M25)上記のM1〜M24のいずれかにおいて、前記Feの含有量は、質量%で5以下であるNi基鋳造合金。
(M26)上記のM1〜M25のいずれかにおいて、前記Cの含有量は、質量%で0.007〜0.15であるNi基鋳造合金。
上記した組成成分範囲のNi基鋳造合金は、運転時の温度が680〜750℃となる蒸気タービンのタービンケーシングやバルブケーシングなどの鋳造部品を構成する材料として好適である。ここで、蒸気タービンのタービンケーシングやバルブケーシングなどの鋳造部品のすべての部位をこのNi基鋳造合金で構成しても、また、特に高温となる蒸気タービンのタービンケーシングやバルブケーシングなどの鋳造部品の一部の部位をこのNi基鋳造合金で構成しても良い。
また、上記した組成成分範囲のNi基鋳造合金は、従来のNi基鋳造合金における鋳造性や溶接性等の加工性を維持しつつ、高温強度を向上させることができる。すなわち、このNi基鋳造合金を用いて蒸気タービンのタービンケーシングやバルブケーシングなどの鋳造部品を構成することで、タービンケーシングやバルブケーシングなどの鋳造部品の高温強度を向上させることができ、高温環境下においても高い信頼性を有するタービンケーシングやバルブケーシングなどの鋳造部品を製作することができる。また、蒸気タービンのタービンケーシングやバルブケーシングなどの鋳造部品を製作する際、従来のNi基鋳造合金の鋳造性や溶接性などの加工性を維持することができる。
次に、上記した本発明に係るNi基鋳造合金における各組成成分範囲の限定理由を説明する。
(1)C(炭素)
Cは、強化相であるM236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M236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MC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。
(2)Cr(クロム)
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M236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M236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、M236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。
(3)Co(コバルト)
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。
(4)Mo(モリブデン)、W(タングステン)、Re(レニウム)
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、M236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MC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。
(5)Al(アルミニウム)
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。
(6)Ti(チタン)
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。
(7)B(ホウ素)
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。
(8)Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)
NbやTaは、γ’相[Ni(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[Ni(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。
(9)Zr(ジルコニウム)
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。
(10)Fe(鉄)
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。
(11)Si(ケイ素)
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。
(12)Mn(マンガン)
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。
以下に、本発明に係るNi基鋳造合金が、機械的特性(高温強度の代表的な特性である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。
(試料の化学組成)
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。
Figure 2009280858
(クリープ破断試験)
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。
Figure 2009280858
(水蒸気酸化試験)
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)
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)
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
  20. 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。
  21. 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。
  22. 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。
  23. 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。
  24. 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。
  25. 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。
  26. 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。
  27. 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。
  28. 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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