JP2010188421A

JP2010188421A - 溶接充填材

Info

Publication number: JP2010188421A
Application number: JP2010033787A
Authority: JP
Inventors: Mohamed Nazmy; ナズミーモハメッド; Paul Claus Gerdes; クラウスゲルデスパウル; Andreas Kuenzler; キュンツラーアンドレアス
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: US20100206937A1; EP2221393A1; CN101837521B; CN101837521A; ATE528416T1; US8007715B2; JP5553636B2; EP2221393B1; CH700482A1

Abstract

【課題】鋼を基礎とする高温安定性の溶接充填材であって、公知の溶接充填材に対する、溶接に際しての改善された溶融能と、凝固後のより高い長時間破断強さとの点に優れた溶接充填材を開発する。
【解決手段】以下の化学組成：０．０５〜０．１４質量％のＣ、８〜１３質量％のＣｒ、１〜２．６質量％のＮｉ、０．５〜１．９質量％のＭｏ、０．５〜１．５質量％のＭｎ、０．１５〜０．５質量％のＳｉ、０．２〜０．４質量％のＶ、０〜０．０４質量％のＢ、２．１〜４．０質量％のＲｅ、０〜０．０７質量％のＴａ、０〜最大６０ｐｐｍのＰｄ、残分のＦｅと、製造による不可避な不純物を有する鋼によって解決される。
【選択図】図１

Description

本発明は、材料工学の技術分野に関する。本発明は、鋼を基礎とする溶接充填材であって、公知の溶接充填材に対する、溶接に際しての改善された溶融能と、凝固後のより高い長時間破断強さとの点に優れた溶接充填材に関する。

熱的ターボ機械、例えばガスタービンのロータを個々のディスクから製造し、それを次いで互いに溶接することは知られている。そのためには、例えば出願人によれば、既に数十年にわたりアーク融接法／サブマージドアーク（ＵＰ）溶接法が使用されている。

ガスタービンの効率を高めるために、これらは、とりわけ非常に高い駆動温度で運転される。従って、該ロータは、一方で、非常に高い温度で高い長時間破断強さを有さねばならず、他方でまた、良好な別の機械的特性並びにまた良好な耐酸化性を有さねばならない。このことは、もちろん、ロータディスクを互いに接合している溶接ビードにも言えることである。

技術水準から、斯かるガスタービンのロータのＵＰ溶接のために、以下の化学組成：０．０９〜０．１４質量％のＣ、最大０．４０質量％のＳｉ、最大１．４０質量％のＭｎ、最大０．０２５質量％のＰ、最大０．０２０質量％のＳ、最大１１．００〜１２．５０質量％のＣｒ、２．００〜２．６０質量％のＮｉ、０．９５〜１．８０質量％のＭｏ、０．２０〜０．３５質量％のＶ、０．０２０〜０．０５５質量％のＮ、残分の鉄を有する溶接充填材を使用することが知られている。

この溶接充填材は、ＳＺＷ３００１−ＵＰの名称で知られている。その溶接充填材は、ワイヤとして提供され、その際、該ワイヤの引張強さは７００〜１２００Ｎ／ｍｍ²の範囲であり、かつチャージ内の該強さの許容誤差は、±５０Ｎ／ｍｍ²以下であってよい。この溶接充填材は、提供条件に応じて、ＵＰ接合溶接と表面硬化のために使用される。

最新のガスタービンの高い要求、特に高温特性、例えばクリープ強度／長時間破断強さなどの高温特性に関する高い要求を、この材料はしかしながらもはや満たしていない。

ＵＳ５９０６７９１号から、ホウ素及びランタン金属鋼であって、タービンコンポーネントの製造のために使用される鋼が知られている。その鋼は、非常に良好な物理特性及び熱的特性、例えば脆化、酸化及びクリープに対する高い耐久性を有する。前記の高合金８〜１３％クロム鋼は、高いクロム割合の他に、とりわけまた、さらに０．００１〜０．０４質量％のＢ、０．０１〜２．００質量％の少なくとも１種の元素Ｒｅ並びにＯｓ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐａ（白金族の貴金属）；及び更に０．０１〜０．５０質量％の少なくとも１種のランタン金属、例えばＹ、Ｌａ、Ｃなどを含有する。該鋼の良好な靭性を達成するために、この鋼は、例えばできるだけ、０．０１質量％のＳｉと０．０５質量％のＭｎより多くを含有すべきではない。それというのも、こうして偏折と第二相の形成が低減されるからである。ランタン金属は、所定の範囲において、劣化脆化の低下をもたらし、その幾つかは、例えばＬａは、析出物の形成も低減する。そのための条件は、低い不純物レベルである。Ｒｅと挙げられた白金族の金属は、混晶凝固剤（Ｍｉｓｃｈｋｒｉｓｔａｌｌｖｅｒｆｅｓｔｉｇｅｒ）としてはたらく。それらは、付加的に耐酸化性を改善するが、不利にも材料コストを高める。

ＵＳ５９０６７９１号

本発明の目的は、先行技術の上述の欠点を回避することである。本発明の課題は、鋼を基礎とする高温安定性の溶接充填材であって、公知の溶接充填材に対する、溶接に際しての改善された溶融能と、凝固後のより高い長時間破断強さとの点に優れた溶接充填材を開発することであった。

本発明によれば、前記課題は、該鋼が、以下の化学組成：
０．０５〜０．１４質量％のＣ、
８〜１３質量％のＣｒ、
１〜２．６質量％のＮｉ、
０．５〜１．９質量％のＭｏ、
０．５〜１．５質量％のＭｎ、
０．１５〜０．５質量％のＳｉ、
０．２〜０．４質量％のＶ、
０〜０．０４質量％のＢ、
２．１〜４．０質量％のＲｅ、
０〜０．０７質量％のＴａ、
０〜最大６０ｐｐｍのＰｄ、
残分のＦｅと、製造による不可避な不純物
を有することによって解決される。

今までに知られた溶接充填材として使用された材料ＳＺＷ３００１と比較して、本発明による材料は、高められた長時間破断強さと、別の良好な関連の機械的特性並びに良好な耐酸化性の点で優れている。このことは、所定の範囲での合金成分の組み合わせ、特に所定の範囲でのＲｅの添加に起因し、かつＢ及びＴａとの付加的なマイクロアロイ化に起因するものである。

Ｒｅは、２．１〜４．０質量％の、好ましくは３．０質量％の所定の量において、非常に良好に混晶凝固に寄与し、かつそれによって良好な強度値、特に長時間破断強さ値をもたらす元素である。

Ｂは、最大０．０４質量％までの、好ましくは０．０１質量％までの所定の量で粒界を凝固する元素である。それは、更に炭化物をも安定化する。より高いホウ素含有率は批判的である。それというのもこれは不所望のホウ素析出をもたらすことがあり、それは脆化作用を有するからである。ホウ素と別の成分、特にＴａ（０．０１〜０．０７質量％の範囲）との相互作用は、良好な強度値を、特にクリープにおいてもたらす。

本発明による材料は、０．０７質量％までの、好ましくは０．０１質量％までのＴａを有してよい。Ｔａは、析出凝固剤（Ａｕｓｓｃｈｅｉｄｕｎｇｓｖｅｒｆｅｓｔｉｇｅｒ）として作用し、高温強度を高める。それに対して、０．０７質量％より多くのＴａに調整されると、耐酸化性が不利に低下する。

Ｃｒは、８〜１３質量％の、好ましくは１２質量％の所定の範囲において耐酸化性を高める炭化物形成性元素であり、その際、より高い値は、不所望な析出をもたらし、それは不利にも該材料の脆化を引き起こす。

Ｓｉは、０．１５〜０．５質量％の、好ましくは０．３〜０．５質量％の、特に０．４質量％の所定の範囲において、該鋼が改善された溶融能を有するようにする元素である。本発明による鋼を溶接充填材として使用した場合に、従って、溶接金属はより流動的になり、溶接をより容易に実施できる。更に、耐酸化性が高められるが、不利にもＳｉの添加によって、鋼内での不所望な脆化相の形成が増大する。

Ｍｎ及びＮｉは、所定の範囲（１〜２．６質量％のＮｉ及び０．５〜１．５質量％のＭｎ、好ましくは１質量％のＭｎ）において該鋼の靭性を高めるオーステナイト安定性元素である。

Ｍｏ及びＶは、同様に炭化物形成物質であり、それを特許請求された範囲（０．５〜１．９質量％のＭｏ、好ましくは１．７質量％のＭｏ、０．２〜０．４質量％のＶ、好ましくは０．３５質量％のＶ）で添加した場合に良好な耐酸化性をもたらす。

最後に、非常に少量のＰｄ（最大６０ｐｐｍ、好ましくは５０ｐｐｍ）でさえも、強度の増大（Ｐｄは混晶凝固剤である）及び耐酸化性の改善に寄与しうる。

図には、本発明の実施例が示されている。

図１は、降伏点及び引張強さを、調査された合金に関して帯グラフとして示している。図２は、破断点伸びを、調査された合金に関して帯グラフとして示している。図３は、６００℃／１６０ＭＰａでの破断時間を、調査された合金に関して帯グラフとして示している。

次に、本発明を実施例および図につき詳説する。

技術水準から知られる市販の合金ＳＺＷ３００１と、調査合金ＳＺＷＸ１、ＳＺＷＸ２及びＳＺＷＸ３とを調査した。それらの化学組成は、第１表中に質量％で示されている。

第１表：調査された合金の化学組成

本発明による合金は、以下のように製造した：
それらを、約５０ｍｍ直径を有するブロックとしてアーク炉中で複数回溶融させた。引き続き、それらを応力除去（６１０℃／６時間／炉冷却）に供した。次いで、通常の引張サンプルと長時間破断サンプル（Ｚｅｉｔｓｔａｎｄｐｒｏｂｅ）をそこから製造した。

図１及び図２において、４種の異なる調査される材料について、室温での引張試験の結果が示されている。

図１は、それぞれ帯グラフとして、降伏点（水平の陰影線）と引張強さ（斜めの陰影線）を示している。本発明による合金ＳＺＷＸ２が、今まで使用されてきた溶接充填材ＳＺＷ３００１に対して、極めて改善された強度値を有することが明らかに確認できる。降伏点は、例えば９１４ＭＰａから９７０ＭＰａへと増大（約６％だけ向上）し、引張強さは、１１４７ＭＰａから１２０５ＭＰａへと増大（約５％の向上）する。それは、全合金元素の所定の範囲での相互作用に起因するものであり、とりわけＲｅ、Ｂ及びＴａの添加に起因するものである。調査された合金ＳＺＷＸ３は、図１によれば、組成が、Ｒｅ含量、Ｔａ含量及びＰｄ含量に関して大きく異なるにもかかわらず、比較合金に対して変化のない強度値を有する。

図２は、測定された破断点伸びの値を示している。ここでは、確かに、特に合金ＳＺＷＸ２に関して、公知の技術水準に対して、予想通り僅かな破断点伸び値の低下があるが、これらは、本発明による材料の予定される使用目的（ロータの溶接に際しての溶接充填材）の場合には重大な影響をもたらさない。

図３は、長時間破断挙動を示している。ここでは、６００℃で１６０ＭＰａの負荷における破断時間を、調査された材料に関して帯グラフとして表している。全ての調査された合金は、好ましくは、技術水準から公知のＳＺＷ３００１よりも実質的により良好な長時間破断強さを有する。最も明らかに、この利点は、合金ＳＺＷＸ２で際だっている。１２００時間を超えた後でさえも、この材料からなるサンプルは、図３の矢印によって明示されるように依然として破断されていない。

この非常に良好な特性は、種々の合金元素の所定の組み合わせによって達成される。特に、合金ＳＺＷＸ２は、突出した特性組み合わせを有する。その大部分は、この合金が技術水準から公知の溶接充填材ＳＺＷ３００１の成分の他に、付加的に、一方でなおも３質量％のＲｅを含有し、かつ他方で０．０１質量％のＢを含有することに起因するものである。そのレニウムは、ここでは、非常に良好な混晶凝固剤として作用するが、一方で、ホウ素は、炭化物を安定化し、その粗大化を低下させる。両方のメカニズムにより、該溶接金属の長時間破断強さが改善される。

全ての調査された材料は、非常に良好な溶融能の点で優れている。従って、本発明による鋼を溶接充填材として使用した場合に、溶接金属はより流動的になり、溶接をより容易に実施できる。付加的に、好ましくは高められた耐酸化性を有する。従って、本発明による材料は、好ましくはガスタービンのロータの溶接のために使用される。

当然のように、本発明は、記載された実施例に制限されるものではない。

Claims

以下の化学組成：
０．０５〜０．１４質量％のＣ、
８〜１３質量％のＣｒ、
１〜２．６質量％のＮｉ、
０．５〜１．９質量％のＭｏ、
０．５〜１．５質量％のＭｎ、
０．１５〜０．５質量％のＳｉ、
０．２〜０．４質量％のＶ、
０〜０．０４質量％のＢ、
２．１〜４．０質量％のＲｅ、
０〜０．０７質量％のＴａ、
０〜最大６０ｐｐｍのＰｄ、
残分のＦｅと、製造による不可避な不純物
を特徴とする鋼。
０．１０〜０．１４質量％、好ましくは０．１２質量％のＣを特徴とする、請求項１に記載の鋼。
１２質量％のＣｒを特徴とする、請求項１又は２に記載の鋼。
１〜２．３質量％のＮｉを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の鋼。
１質量％のＭｎを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の鋼。
０．３〜０．５質量％、好ましくは０．４質量％のＳｉを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の鋼。
１．７質量％のＭｏを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の鋼。
３．０質量％のＲｅを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の鋼。
０．００５〜０．２質量％、好ましくは０．０１質量％のＢを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の鋼。
５０ｐｐｍのＰｄを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載の鋼。
０．３５質量％のＶを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の鋼。
０．０１質量％のＴａを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の鋼。
溶接充填材として、特にガスタービンのロータの溶接のために使用されることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の鋼。