JP5843718B2 - Ni-base welding material and dissimilar material welding turbine rotor - Google Patents

Ni-base welding material and dissimilar material welding turbine rotor Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、Ni基溶接材および異材溶接タービンロータに関する。   Embodiments of the present invention relate to a Ni-base weld material and a dissimilar material welded turbine rotor.

近年、大気中への二酸化炭素の排出量削減の観点から、火力発電プラントの高効率化が進められている。そのため、火力発電プラントに備えられる蒸気タービンやガスタービンの高効率化が要求されている。また、火力発電プラントに設置可能なCOタービンにおいても高効率化が要求されている。ここで、COタービンは、天然ガスと酸素との燃焼により生成されたCOを作動流体としてタービンを駆動するものである。COタービンにおいては、生成されたCOの大部分を燃焼器に循環させる方式が採用され、COの排出が削減されるため、地球環境保護の観点から注目されている。 In recent years, high efficiency of thermal power plants has been promoted from the viewpoint of reducing carbon dioxide emissions into the atmosphere. Therefore, high efficiency of the steam turbine and gas turbine provided in the thermal power plant is required. High efficiency is also required for a CO 2 turbine that can be installed in a thermal power plant. Here, the CO 2 turbine drives the turbine using CO 2 generated by combustion of natural gas and oxygen as a working fluid. In the CO 2 turbine, a system in which most of the generated CO 2 is circulated to the combustor is adopted, and CO 2 emission is reduced. Therefore, the CO 2 turbine is attracting attention from the viewpoint of protecting the global environment.

上記した各タービンにおける効率を上げるためには、タービンに導入される作動流体の入口温度を高温化することが有効である。例えば、蒸気タービンにおいては、将来的には、作動流体である蒸気の温度が700℃以上での運用が期待されている。ガスタービンやCOタービンにおいても、導入される作動流体の入口温度は、上昇する傾向にある。 In order to increase the efficiency of each turbine described above, it is effective to increase the inlet temperature of the working fluid introduced into the turbine. For example, a steam turbine is expected to be operated at a steam temperature of 700 ° C. or higher in the future. Also in the gas turbine and the CO 2 turbine, the inlet temperature of the introduced working fluid tends to increase.

そのため、各タービンの高温部を構成する部品は、発電用ガスタービンや航空機用エンジンの部品に使用され、高温場においての使用に実績のあるNi基耐熱合金で構成されることが望ましい。   Therefore, it is desirable that the components constituting the high-temperature part of each turbine be made of a Ni-based heat-resistant alloy that is used for power generation gas turbines and aircraft engine components and has a proven track record for use in high-temperature fields.

Ni基合金は、Ni母相中に微細分散して析出したγ’(Ni(Al,Ti))相によって、高温下において優れたクリープ強度および引張強度を有する。しかしながら、現在の製造技術においては、例えば、タービンロータなどの大型の構成部品をNi基合金から作製することは困難である。さらに、Ni基合金は、例えば、従来のタービンロータを構成する材料よりも高価である。このようなことから、タービンロータ全体をNi基合金で作製することは、技術面および製造コスト面から困難である。 The Ni-based alloy has excellent creep strength and tensile strength at high temperatures due to the γ ′ (Ni 3 (Al, Ti)) phase that is finely dispersed and precipitated in the Ni matrix. However, with the current manufacturing technology, for example, it is difficult to produce a large component such as a turbine rotor from a Ni-based alloy. Furthermore, Ni-based alloys are more expensive than, for example, the materials that make up conventional turbine rotors. For this reason, it is difficult to manufacture the entire turbine rotor from a Ni-based alloy from the technical and manufacturing cost viewpoints.

そこで、タービンロータの中でも比較的高温となる部位をNi基合金で構成し、それ以外を従来のFe基耐熱鋼などで構成した異材溶接タービンロータが検討されている。   In view of this, a dissimilar welded turbine rotor in which a relatively high temperature portion of the turbine rotor is made of a Ni-based alloy and the other portions are made of a conventional Fe-base heat-resistant steel has been studied.

特開2010−234397号公報JP 2010-23497 A

発明者らは、Ni基合金からなるタービンロータ構成部とFe基耐熱鋼からなるタービンロータ構成部とをNi基溶接材を用いて溶接接合し、時効処理を施すと、Fe基耐熱鋼とNi基溶接材との境界部に存在する炭素が、Fe基耐熱鋼側からNi基溶接材側に著しく拡散する現象を確認している。   The inventors welded a turbine rotor constituent part made of a Ni-base alloy and a turbine rotor constituent part made of a Fe-base heat-resistant steel using a Ni-base welding material, and applied an aging treatment. It has been confirmed that carbon existing at the boundary with the base welding material diffuses significantly from the Fe-base heat-resistant steel side to the Ni-base welding material side.

この炭素の拡散によって、炭素が欠乏した境界近傍のFe基耐熱鋼に軟化域が形成され、炭素が濃化した境界近傍のNi基溶接材に硬化域が形成され、クリープ特性が悪化する。さらに、Fe基耐熱鋼とNi基溶接材との組み合わせによっては、Fe基耐熱鋼とNi基溶接材との境界に、脆化をもたらす第3相が形成され、クリープ特性を悪化させる。   Due to this carbon diffusion, a softened region is formed in the Fe-base heat-resisting steel near the boundary depleted of carbon, a hardened region is formed in the Ni-based welding material near the boundary enriched in carbon, and the creep characteristics deteriorate. Furthermore, depending on the combination of the Fe-base heat-resistant steel and the Ni-base weld material, a third phase that causes embrittlement is formed at the boundary between the Fe-base heat-resistant steel and the Ni-base weld material, which deteriorates the creep characteristics.

本発明が解決しようとする課題は、Fe基耐熱鋼と、Ni基合金またはNi−Fe系合金とからなる異種材料を優れたクリープ強度を有するように溶接接合することができるNi基溶接材、およびこのNi基溶接材によって溶接接合された異材溶接タービンロータを提供することを目的とする。   A problem to be solved by the present invention is a Ni-based welding material capable of welding and joining different materials composed of a Fe-based heat-resistant steel and a Ni-based alloy or a Ni-Fe-based alloy so as to have excellent creep strength, And it aims at providing the dissimilar material welding turbine rotor weld-joined by this Ni base welding material.

実施形態のNi基溶接材は、Fe基耐熱鋼からなる第1の構成部材と、Ni基合金またはNi−Fe系合金からなる第2の構成部材とを溶接接合する際に使用される。そして、前記Ni基溶接材と、前記第1の構成部材および前記第2の構成部材におけるCr成分の含有率の差がそれぞれ14質量%以下であり、かつ前記Ni基溶接材と、前記第1の構成部材および前記第2の構成部材におけるC成分の含有率の差がそれぞれ0.3質量%以下であり、前記Ni基溶接材が、質量%で、Cr:8〜25、Co:1〜12、Mo:1〜12、Al:0.01〜5、Ti:0.01〜3、C:0.01〜0.4、B:0.001〜0.01を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなるThe Ni-based welding material of the embodiment is used when welding and joining a first constituent member made of Fe-base heat-resistant steel and a second constituent member made of a Ni-base alloy or a Ni—Fe-based alloy. And the difference of the content rate of Cr component in the said Ni base welding material, and said 1st structural member and said 2nd structural member is 14 mass% or less, respectively, and said Ni base welding material and said 1st components and difference der 0.3 mass% or less each of the content of the C component in the second component of is, the Ni-based welding material, in mass%, Cr: 8~25, Co: 1 -12, Mo: 1 to 12, Al: 0.01 to 5, Ti: 0.01 to 3, C: 0.01 to 0.4, B: 0.001 to 0.01, the balance being It consists of Ni and inevitable impurities .

実施の形態のNi基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータの溶接部の断面を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the cross section of the welding part of the dissimilar material welding turbine rotor welded using the Ni-base welding material of embodiment. 実施の形態のNi基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータの他の構成の溶接部の断面を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the cross section of the welding part of the other structure of the dissimilar material welding turbine rotor welded using the Ni-base welding material of embodiment. 実施の形態のNi基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータの他の構成の溶接部の断面を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the cross section of the welding part of the other structure of the dissimilar material welding turbine rotor welded using the Ni-base welding material of embodiment. Fe基タービン構成部材とNi基溶接材とにおけるCの含有率差(ΔCr)と炭素の化学ポテンシャル差(Δμ)との関係を示した図である。It is a diagram showing the relationship between the content difference of C in the Fe-based turbine components as Ni-based welding material and ([Delta] CR) chemical potential difference carbon and ([Delta] [mu C). 試料5における炭素のマッピングと線分析の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the mapping of carbon in sample 5, and a line analysis. 試料18における炭素のマッピングと線分析の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the mapping of carbon in sample 18, and a line analysis. クリープ破断試験結果を示す図である。It is a figure which shows a creep rupture test result.

以下、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

一般に、接合された2種類の合金における炭素などの溶質元素は、フィックの第1法則に基づき濃度勾配に沿って拡散する(J=−D・ΔC/ΔX、J:流束、D:拡散係数、C:濃度、X:距離)。例えば、炭素の拡散を考えた場合、両合金の炭素濃度の差が大きいほど炭素が容易に拡散する。例えば、Ni基合金とFe基耐熱鋼とをNi基溶接材を用いて溶接接合する場合、炭素の拡散によって、前述したように、炭素が欠乏した境界近傍のFe基耐熱鋼に軟化域が形成され、炭素が濃化した境界近傍のNi基溶接材に硬化域が形成され、クリープ特性が悪化する。このような炭素の拡散は、両合金間の炭素の含有率(濃度)の差を小さくすることで、抑制することができる。   In general, solute elements such as carbon in two bonded alloys diffuse along a concentration gradient based on Fick's first law (J = −D · ΔC / ΔX, J: flux, D: diffusion coefficient). , C: concentration, X: distance). For example, when carbon diffusion is considered, the larger the difference in carbon concentration between the two alloys, the easier the carbon diffuses. For example, when a Ni-base alloy and a Fe-base heat-resistant steel are welded together using a Ni-base welding material, a softened region is formed in the Fe-base heat-resisting steel near the boundary that is deficient in carbon due to carbon diffusion, as described above. As a result, a hardened zone is formed in the Ni-based welding material in the vicinity of the boundary where carbon is concentrated, and the creep characteristics are deteriorated. Such carbon diffusion can be suppressed by reducing the difference in carbon content (concentration) between the two alloys.

多成分系の合金どうしの接合では、炭素濃度が同じであっても、合金における元素の化学ポテンシャル勾配に沿って炭素が拡散する場合がある(J=−M・Δμ/ΔX、J:流束、M:易動度、μ:化学ポテンシャル、X:距離)。   In joining of multi-component alloys, even if the carbon concentration is the same, carbon may diffuse along the chemical potential gradient of elements in the alloy (J = −M · Δμ / ΔX, J: flux) , M: mobility, μ: chemical potential, X: distance).

Cr、Mo、Coなどの、炭素と結合しやすく、炭素と結合して炭化物を形成することがある元素は、炭素との相互作用パラメータが負となるため、合金中の炭素の化学ポテンシャルを減少させる働きを持つ。特に、Crは、炭素の化学ポテンシャルに大きく影響する。例えば、接合するFe基耐熱鋼とNi基合金のCr成分の含有率(濃度)の差(ΔCr)が非常に大きい場合、Fe基耐熱鋼とNi基合金との間の、炭素の化学ポテンシャル勾配(Δμ)が増大し、炭素が容易に拡散する。このようなCr成分の含有率(濃度)の差に基づく炭素の拡散は、Cr成分の含有率(濃度)の差を小さくすることで、抑制することができる。 Elements such as Cr, Mo, Co, etc. that can easily bond to carbon and can form carbides by combining with carbon have a negative interaction parameter with carbon, reducing the chemical potential of carbon in the alloy. It has a function to make it. In particular, Cr greatly affects the chemical potential of carbon. For example, if the difference (ΔCr) in the Cr component content (concentration) between the Fe-base heat-resistant steel and the Ni-base alloy is very large, the carbon chemical potential gradient between the Fe-base heat-resistant steel and the Ni-base alloy (Δμ C ) increases and carbon diffuses easily. The diffusion of carbon based on the difference in the content (concentration) of the Cr component can be suppressed by reducing the difference in the content (concentration) of the Cr component.

そこで、Fe基耐熱鋼からなる第1の構成部材と、Ni基合金またはNi−Fe系合金からなる第2の構成部材とを溶接接合する際に使用される実施の形態のNi基溶接材を次の構成とした。   Therefore, the Ni-based welding material of the embodiment used when welding the first constituent member made of Fe-base heat-resistant steel and the second constituent member made of Ni-base alloy or Ni-Fe alloy is used. The following configuration was adopted.

実施の形態のNi基溶接材と、第1の構成部材および第2の構成部材におけるCr成分の含有率の差は、それぞれ14質量%以下であり、かつ実施の形態のNi基溶接材と、第1の構成部材および第2の構成部材におけるC成分の含有率の差は、それぞれ0.3質量%以下である。   The difference in the Cr component content in the Ni-based welding material of the embodiment and the first and second constituent members is 14% by mass or less, respectively, and the Ni-based welding material of the embodiment, The difference of the content rate of C component in a 1st structural member and a 2nd structural member is 0.3 mass% or less, respectively.

実施の形態のNi基溶接材と、第1の構成部材および第2の構成部材におけるCr成分の含有率の差をそれぞれ14質量%以下とすることで、Ni基溶接材と、第1の構成部材および第2の構成部材との間のCr成分の含有率(濃度)の差が小さくなる。そのため、炭素の化学ポテンシャル勾配(Δμ)の増大を抑制し、炭素の拡散を防止することができる。ここで、Ni基溶接材と、第1の構成部材および第2の構成部材におけるCr成分の含有率の差は、可能な限り小さくすることが好ましく、「0」とすることがより好ましい。 The Ni-based welding material according to the embodiment, the difference in the Cr component content in the first component member and the second component member is 14% by mass or less, respectively. The difference in Cr component content (concentration) between the member and the second component member is reduced. Therefore, an increase in the chemical potential gradient (Δμ C ) of carbon can be suppressed and carbon diffusion can be prevented. Here, the difference in Cr component content between the Ni-based welding material and the first and second constituent members is preferably as small as possible, and more preferably “0”.

実施の形態のNi基溶接材と、第1の構成部材および第2の構成部材におけるC成分の含有率の差をそれぞれ0.3質量%以下とすることで、Ni基溶接材と、第1の構成部材および第2の構成部材との間のC成分の含有率(濃度)の差が小さくなる。そのため、炭素の濃度勾配の増大を抑制し、炭素の拡散を防止することができる。ここで、Ni基溶接材と、第1の構成部材および第2の構成部材におけるC成分の含有率の差は、可能な限り小さくすることが好ましく、「0」とすることがより好ましい。   By making the difference in the C component content in the Ni-based welding material of the embodiment and the first and second structural members 0.3% by mass or less, the Ni-based welding material and the first The difference in the content (concentration) of the C component between the constituent member and the second constituent member becomes small. Therefore, an increase in the carbon concentration gradient can be suppressed and carbon diffusion can be prevented. Here, the difference in the content ratio of the C component in the Ni-based welding material, the first component member, and the second component member is preferably as small as possible, and more preferably “0”.

実施の形態におけるNi基溶接材は、質量%で、Cr:8〜25、Co:1〜12、Mo:1〜12、Al:0.01〜5、Ti:0.01〜3、C:0.01〜0.4、B:0.001〜0.01を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなる。   The Ni-based welding material in the embodiment is in mass%, Cr: 8 to 25, Co: 1 to 12, Mo: 1 to 12, Al: 0.01 to 5, Ti: 0.01 to 3, C: 0.01-0.4, B: 0.001-0.01 is contained, and the balance consists of Ni and inevitable impurities.

実施の形態におけるNi基溶接材は、Ta、NbまたはTaとNbを合計して、1質量%以下さらに含有してもよい。また、実施の形態におけるNi基溶接材は、Wを0.01〜6質量%を含有してもよい。   The Ni-based welding material in the embodiment may further contain Ta, Nb, or Ta and Nb in total and not more than 1% by mass. Moreover, the Ni-based welding material in the embodiment may contain 0.01 to 6% by mass of W.

実施の形態におけるNi基溶接材の不可避的不純物としては、例えば、Fe、SiおよびMnなどが挙げられる。   Examples of inevitable impurities in the Ni-based welding material in the embodiment include Fe, Si, and Mn.

次に、上記した実施の形態におけるNi基溶接材における各組成成分範囲の限定理由を説明する。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%を意味する。   Next, the reason for limiting each composition component range in the Ni-based welding material in the above-described embodiment will be described. In the following description, “%” representing a composition component means “% by mass” unless otherwise specified.

(1)Cr(クロム)
Crは、炭素と結合しやすく、合金中ではNi母材に固溶、またはCr23炭化物を形成し、材料の強度を向上させる。Crの含有率が8%未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Crの含有率が25%を超える場合には、接合部材であるFe基耐熱鋼におけるCrの含有率との差が大きくなり、炭素の拡散を助長する。そのため、Crの含有率を8〜25%とした。また、より好ましいCrの含有率は、10〜22%であり、さらに好ましいCrの含有率は、12〜18%である。
(1) Cr (chromium)
Cr is easy to bond with carbon, and in the alloy forms a solid solution in the Ni base material or forms Cr 23 C 6 carbide to improve the strength of the material. When the Cr content is less than 8%, the above effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the Cr content exceeds 25%, the difference from the Cr content in the Fe-base heat-resisting steel, which is a joining member, increases and promotes carbon diffusion. Therefore, the Cr content is determined to be 8 to 25%. Moreover, the more preferable content rate of Cr is 10 to 22%, and the more preferable content rate of Cr is 12 to 18%.

(2)Co(コバルト)
Coは、炭素と結合しやすく、合金中ではNi母材に固溶し、結晶粒内に析出するγ’(Ni(Al,Ti))相を安定化させる。Coの含有率が1%未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Coの含有率が12%を超える場合には、接合部材であるFe基耐熱鋼におけるCoの含有率との差が大きくなり、炭素の拡散を助長する。また、σ相(金属間化合物)が析出しやすくなる。さらに、Coは、高価であるため、製造コストが高くなる。そのため、Coの含有率を1〜12%とした。また、好ましいCoの含有率は、2〜12%であり、より好ましいCoの含有率は、4〜12%であり、さらに好ましいCoの含有率は、4〜10%である。
(2) Co (cobalt)
Co is easily bonded to carbon, and solidifies in the Ni base material in the alloy and stabilizes the γ ′ (Ni 3 (Al, Ti)) phase precipitated in the crystal grains. When the Co content is less than 1%, the above effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the Co content exceeds 12%, the difference from the Co content in the Fe-base heat-resisting steel that is the joining member increases, which promotes carbon diffusion. In addition, the σ phase (intermetallic compound) is likely to precipitate. Further, since Co is expensive, the manufacturing cost is increased. Therefore, the Co content is determined to be 1 to 12%. Further, the preferable Co content is 2 to 12%, the more preferable Co content is 4 to 12%, and the still more preferable Co content is 4 to 10%.

(3)Mo(モリブデン)
Moは、炭素と結合しやすく、合金中ではNi母材に固溶、またはM23炭化物に置換し、炭化物を安定化させる。また、Moは、材料の熱膨張係数を下げるため、高温部材への添加に適している。Moの含有率が1%未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Moの含有率が12%を超える場合には、接合部材であるFe基耐熱鋼におけるMoの含有率との差が大きくなり、炭素の拡散を助長する。そのため、Moの含有率を1〜12%とした。また、より好ましいMoの含有率は、4〜12%であり、さらに好ましいMoの含有率は、6〜12%である。
(3) Mo (molybdenum)
Mo is easily bonded to carbon, and in the alloy, it is solid-solved in the Ni base material or substituted with M 23 C 6 carbide to stabilize the carbide. Mo is suitable for addition to a high temperature member because it lowers the coefficient of thermal expansion of the material. When the Mo content is less than 1%, the above effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the Mo content exceeds 12%, the difference from the Mo content in the Fe-base heat-resisting steel, which is a joining member, increases and promotes carbon diffusion. Therefore, the Mo content is determined to be 1 to 12%. A more preferable Mo content is 4 to 12%, and a more preferable Mo content is 6 to 12%.

(4)Al(アルミニウム)
Alは、Niと結合してγ’(NiAl)相を形成するため、クリープ強度を向上させる。また、Alは、表面に酸化皮膜を形成し、耐酸化特性を向上させる。Alの含有率が0.01%未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Alの含有率が5%を超える場合には、加工性が低下する。そのため、Alの含有率を0.01〜5%とした。また、より好ましいAlの含有率は、0.01〜3%である。
(4) Al (aluminum)
Since Al combines with Ni to form a γ ′ (Ni 3 Al) phase, the creep strength is improved. Moreover, Al forms an oxide film on the surface and improves oxidation resistance. When the Al content is less than 0.01%, the above-described effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if the Al content exceeds 5%, the workability decreases. Therefore, the Al content is determined to be 0.01 to 5%. A more preferable Al content is 0.01 to 3%.

(5)Ti(チタン)
Tiは、Niと結合してγ’(Ni(Al,Ti))相を生成し、クリープ強度を向上させる。Tiの含有率が0.01%未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Tiの含有率が3%を超える場合には、加工性が低下する。そのため、Tiの含有率を0.01〜3%とした。また、より好ましいTiの含有率は、0.01〜1%である。
(5) Ti (titanium)
Ti combines with Ni to generate a γ ′ (Ni 3 (Al, Ti)) phase and improves the creep strength. When the Ti content is less than 0.01%, the above effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the Ti content exceeds 3%, the workability decreases. Therefore, the Ti content is determined to be 0.01 to 3%. A more preferable Ti content is 0.01 to 1%.

(6)C(炭素)
Cは、Ni母材に固溶し、材料の強度を向上させる。また、Cは、Cr、Mo、Co、W、Ti、Nb、Taなどと結合し、M23またはMC炭化物を形成する。M23およびMC炭化物は、主に結晶粒界に析出し、結晶粒の粗大化を抑制する。Cの含有率が0.01%未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Cの含有率が0.4%を超える場合には、接合部材であるFe基耐熱鋼におけるCの含有率との差が大きくなり、炭素がFe基耐熱鋼側へ拡散する。そのため、Cの含有率を0.01〜0.4%とした。また、より好ましいCの含有率は、0.01〜0.2%である。
(6) C (carbon)
C dissolves in the Ni base material and improves the strength of the material. Further, C combines with Cr, Mo, Co, W, Ti, Nb, Ta, etc. to form M 23 C 6 or MC carbide. M 23 C 6 and MC carbide are mainly precipitated at the grain boundaries to suppress the coarsening of the crystal grains. When the C content is less than 0.01%, the above-described effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the C content exceeds 0.4%, the difference from the C content in the Fe-based heat-resistant steel as a joining member increases, and carbon diffuses toward the Fe-based heat-resistant steel. Therefore, the C content is determined to be 0.01 to 0.4%. A more preferable C content is 0.01 to 0.2%.

(7)B(ホウ素)
Bは、Ni母材に固溶して特に粒界偏析するため、結晶粒界の強化をもたらす。Bの含有率が0.001%未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Bの含有率が0.01%を超える場合には、母材の融点を低下させ、熱間加工性を悪化させる。そのため、Bの含有率を0.001〜0.01%とした。また、より好ましいBの含有率は、0.001〜0.006%である。
(7) B (boron)
Since B dissolves in the Ni base material and segregates particularly at the grain boundaries, the grain boundaries are strengthened. When the B content is less than 0.001%, the above-described effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the B content exceeds 0.01%, the melting point of the base material is lowered, and the hot workability is deteriorated. Therefore, the B content is determined to be 0.001 to 0.01%. A more preferable B content is 0.001 to 0.006%.

(8)Ta(タンタル)およびNb(ニオブ)
TaおよびNbは、炭素と結合しやすく、合金中ではNi母材に固溶し、γ’(Ni(Al,Ti))相の形成を促して安定化させる。そのため、材料の強度を向上させる。Ta、NbまたはTaとNbを合計した含有率が1%を超える場合には、接合部材であるFe基耐熱鋼におけるTaやNbの含有率との差が大きくなり、炭素の拡散を助長する。そのため、Ta、NbまたはTaとNbを合計した含有率を1%以下とした。また、より好ましいTa、NbまたはTaとNbを合計した含有率は、0.2〜0.6%である。なお、Ta、NbまたはTaとNbを合計した含有率は、材料の強度を向上させる効果を得るために、少なくとも0.2%以上含有されている。
(8) Ta (tantalum) and Nb (niobium)
Ta and Nb are easily bonded to carbon, and are dissolved in the Ni base material in the alloy to promote the formation of the γ ′ (Ni 3 (Al, Ti)) phase and stabilize it. Therefore, the strength of the material is improved. When the total content of Ta, Nb or Ta and Nb exceeds 1%, the difference between the content of Ta and Nb in the Fe-base heat-resisting steel as the joining member becomes large, and carbon diffusion is promoted. Therefore, the total content of Ta, Nb or Ta and Nb is set to 1% or less. A more preferable content ratio of Ta, Nb or Ta and Nb is 0.2 to 0.6%. In addition, the total content of Ta, Nb or Ta and Nb is at least 0.2% in order to obtain an effect of improving the strength of the material.

(9)W(タングステン)
Wは、炭素と結合しやすく、合金中ではNi母材に固溶、またはWC炭化物を形成する。また、Wは、材料の熱膨張係数を下げるため、高温部材への添加に適している。Wの含有率が0.01%未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Wの含有率が6%を超える場合には、接合部材であるFe基耐熱鋼におけるWの含有率との差が大きくなり、炭素の拡散を助長する。そのため、Wの含有率を0.01〜6%とした。また、より好ましいWの含有率は、0.01〜4%である。
(9) W (tungsten)
W easily binds to carbon and forms a solid solution or WC carbide in the Ni base material in the alloy. Further, W is suitable for addition to a high temperature member because it lowers the thermal expansion coefficient of the material. When the W content is less than 0.01%, the above effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the W content exceeds 6%, the difference from the W content in the Fe-base heat-resisting steel, which is a joining member, increases and promotes carbon diffusion. Therefore, the W content is determined to be 0.01 to 6%. A more preferable W content is 0.01 to 4%.

(10)Fe(鉄)、Si(ケイ素)およびMn(マンガン)
Fe、SiおよびMnは、実施の形態のNi基溶接材においては、不可避的不純物に分類されるものである。ここで、Feは、Niを置換するため、製造コストを削減することが可能であるが、クリープ強度を低下させ、熱膨張係数を高める。SiおよびMnは、合金溶解時の脱酸材として機能し、特にSiは、耐食性を向上させる効果があるが、熱間加工性および靭性を低下させる。これらの不可避的不純物は、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。
(10) Fe (iron), Si (silicon) and Mn (manganese)
Fe, Si, and Mn are classified as inevitable impurities in the Ni-based welding material of the embodiment. Here, since Fe substitutes for Ni, the manufacturing cost can be reduced, but the creep strength is reduced and the thermal expansion coefficient is increased. Si and Mn function as a deoxidizing material when the alloy is melted. In particular, Si has an effect of improving the corrosion resistance, but decreases hot workability and toughness. It is desirable that the residual content of these inevitable impurities is as close to 0% as possible.

ここで、実施の形態のNi基溶接材の製造方法について説明する。   Here, the manufacturing method of the Ni-base welding material of embodiment is demonstrated.

実施の形態のNi基溶接材は、Ni基溶接材を構成する組成成分を、例えば真空誘導溶解(VIM)し、鍛造プレス機あるいは圧延機などによってブロック形状とし、伸線加工機などによってワイヤ状や細長い棒状に形成することで作製される。   In the Ni-based welding material of the embodiment, for example, a vacuum induction melting (VIM) is performed on the composition components constituting the Ni-based welding material, and the block shape is formed by a forging press or rolling machine, and the wire shape is drawn by a wire drawing machine or the like. It is made by forming it into a slender rod shape.

なお、上記した実施の形態のNi基溶接材を作製する方法は、上記した方法に限定されるものではない。   In addition, the method for producing the Ni-based welding material of the above-described embodiment is not limited to the above-described method.

次に、実施の形態のNi基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータについて説明する。   Next, a dissimilar material welded turbine rotor welded using the Ni-based welding material of the embodiment will be described.

図1は、実施の形態のNi基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータ10の溶接部50の断面を模式的に示した図である。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a welded portion 50 of a dissimilar welded turbine rotor 10 welded using the Ni-based weld material of the embodiment.

図1に示すように、Fe基耐熱鋼からなる第1の構成部材として機能するFe基タービン構成部材20と、Ni基合金またはNi−Fe系合金からなる第2の構成部材として機能するNi基タービン構成部材30とが、対向配置された状態で、Ni基溶接材40によって溶接接合されている。   As shown in FIG. 1, an Fe-based turbine constituent member 20 that functions as a first constituent member made of Fe-base heat-resistant steel, and a Ni-base that functions as a second constituent member made of a Ni-base alloy or a Ni—Fe-based alloy. The turbine component 30 is welded and joined by the Ni-based welding material 40 in a state of being opposed to each other.

Fe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30は、円柱状のロータ胴部21、31を備えている。このロータ胴部21、31には、例えば、半径方向外側に突出するロータディスク部22、32が形成されている。このロータディスク部22、32は、例えば、タービンロータ軸方向に複数段設けられ、これらのロータディスク部22、32には、動翼が植設される。   The Fe-based turbine constituent member 20 and the Ni-based turbine constituent member 30 include cylindrical rotor body portions 21 and 31. For example, rotor disk portions 22 and 32 projecting outward in the radial direction are formed on the rotor body portions 21 and 31. The rotor disk portions 22 and 32 are provided in a plurality of stages in the turbine rotor axial direction, for example, and rotor blades are implanted in the rotor disk portions 22 and 32.

Fe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30の接合面23、33よりも中心側には、接合面23、33よりもタービンロータ軸方向に窪んだ凹部24、34が形成されている。なお、この凹部24、34は、タービンロータ中心部の溶接接合面を無くして施工性を向上させ、かつ接合部の応力集中を緩和するために形成されている。   On the center side of the joint surfaces 23 and 33 of the Fe-based turbine constituent member 20 and the Ni-based turbine constituent member 30, concave portions 24 and 34 that are recessed in the turbine rotor axial direction from the joint surfaces 23 and 33 are formed. In addition, these recessed parts 24 and 34 are formed in order to eliminate the weld joint surface of a turbine rotor center part, to improve workability, and to ease the stress concentration of a joint part.

Fe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30の接合面23、33どうしを、それぞれの中心軸が同軸となるように、実施の形態のNi基溶接材を用いて溶接接合して、タービンロータ軸方向に一体化することで異材溶接タービンロータ10が構成される。   The joining surfaces 23 and 33 of the Fe-based turbine constituent member 20 and the Ni-based turbine constituent member 30 are welded together using the Ni-based welding material of the embodiment so that the respective central axes are coaxial, and the turbine The dissimilar material welded turbine rotor 10 is configured by integrating in the rotor axial direction.

溶接方法として、例えばTIG溶接を採用することができる。溶接は、例えば、Fe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30を回転させながら、接合面23、33の内周側から外周側に向かって行われる。   As a welding method, for example, TIG welding can be employed. For example, the welding is performed from the inner peripheral side to the outer peripheral side of the joint surfaces 23 and 33 while rotating the Fe-based turbine constituent member 20 and the Ni-based turbine constituent member 30.

ここで、Fe基タービン構成部材20は、例えば、質量%で、C:0.1〜0.2、Si:0.01〜0.4、Cr:8〜13、Mo:0.5〜1.5、Mn:0.01〜0.8、V:0.1〜0.3、W:0.5〜2.0、Nb:0.01〜0.15、N:0.01〜0.1、Ni:0.01〜1.0、B:0.001〜0.005、Co:2〜4を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなるFe基耐熱鋼で構成される。また、Fe基タービン構成部材20は、例えば、質量%で、C:0.1〜0.2、Si:0.01〜0.4、Cr:8〜13、Mo:0.5〜1.5、Mn:0.01〜0.8、V:0.1〜0.3、W:0.5〜2.0、Nb:0.01〜0.15、N:0.01〜0.1、Ni:0.01〜1.0を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなるFe基耐熱鋼で構成される。さらに、Fe基タービン構成部材20は、例えば、質量%で、C:0.01〜0.4、Si:0.01〜0.5、Cr:0.5〜2.5、Mo:0.1〜2.0、Mn:0.01〜1.0、V:0.05〜0.4、Ni:0.1〜4.0を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなるFe基耐熱鋼で構成される。なお、Fe基タービン構成部材20は、これらに限られるものではなく、タービンロータ材として使用されているFe基耐熱鋼であればよい。   Here, the Fe-based turbine constituent member 20 is, for example, mass%, C: 0.1 to 0.2, Si: 0.01 to 0.4, Cr: 8 to 13, Mo: 0.5 to 1. .5, Mn: 0.01 to 0.8, V: 0.1 to 0.3, W: 0.5 to 2.0, Nb: 0.01 to 0.15, N: 0.01 to 0 0.1, Ni: 0.01 to 1.0, B: 0.001 to 0.005, Co: 2 to 4, with the balance being Fe-based heat-resistant steel made of Fe and inevitable impurities. Moreover, the Fe-based turbine constituent member 20 is, for example, mass%, C: 0.1 to 0.2, Si: 0.01 to 0.4, Cr: 8 to 13, Mo: 0.5 to 1. 5, Mn: 0.01-0.8, V: 0.1-0.3, W: 0.5-2.0, Nb: 0.01-0.15, N: 0.01-0. 1, Ni: 0.01 to 1.0 is contained, and the balance is made of Fe-based heat-resistant steel made of Fe and inevitable impurities. Furthermore, the Fe-based turbine constituent member 20 is, for example, mass%, C: 0.01 to 0.4, Si: 0.01 to 0.5, Cr: 0.5 to 2.5, Mo: 0.00. Fe-based heat resistance containing 1 to 2.0, Mn: 0.01 to 1.0, V: 0.05 to 0.4, Ni: 0.1 to 4.0, the balance being Fe and inevitable impurities Composed of steel. The Fe-based turbine constituent member 20 is not limited to these, and may be any Fe-based heat-resistant steel that is used as a turbine rotor material.

Ni基タービン構成部材30は、例えば、質量%で、C:0.01〜0.15、Cr:14〜20、Co:10〜15、Mo:8〜12、Al:0.5〜4、Ti:0.5〜4、B:0.001〜0.006、Zr:0.01〜0.1、Ta:0.1〜0.7、Nb:0.1〜0.4を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなるNi基合金で構成される。   The Ni-based turbine component 30 is, for example, in mass%, C: 0.01 to 0.15, Cr: 14 to 20, Co: 10 to 15, Mo: 8 to 12, Al: 0.5 to 4, Ti: 0.5 to 4, B: 0.001 to 0.006, Zr: 0.01 to 0.1, Ta: 0.1 to 0.7, Nb: 0.1 to 0.4 The balance is made of a Ni-based alloy composed of Ni and inevitable impurities.

また、Ni基タービン構成部材30は、Ni−Fe系合金で構成されてもよい。ここで、Ni−Fe系合金とは、Niを30質量%以上含み、その他の組成成分として、主として、FeおよびCrを含んでいるものをいう。Ni−Fe系合金は、Feを、例えば、少なくとも10質量%以上含む。Ni−Fe系合金として、例えば、質量%で、Cr:14.5〜17.5、Ti:1.5〜2.0、Nb:2.5〜3.3、Ni:39.0〜44.0、C:0.001〜0.1を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるものが挙げられる。Ni−Fe系合金として、具体的には、例えば、Inconel706(Special Metals社製)などが挙げられる。   Further, the Ni-based turbine component 30 may be made of a Ni—Fe based alloy. Here, the Ni—Fe-based alloy refers to an alloy containing 30 mass% or more of Ni and mainly containing Fe and Cr as other composition components. The Ni—Fe based alloy contains Fe, for example, at least 10% by mass or more. As a Ni-Fe type alloy, for example, Cr: 14.5 to 17.5, Ti: 1.5 to 2.0, Nb: 2.5 to 3.3, Ni: 39.0 to 44 by mass% 0.0, C: 0.001 to 0.1, with the balance being Fe and inevitable impurities. Specific examples of the Ni-Fe alloy include Inconel 706 (manufactured by Special Metals).

なお、Ni基タービン構成部材30を構成する材料は、これらに限られるものではなく、タービンロータ材またはロータディスク材として使用されているNi基合金あるいはNi−Fe系合金であればよい。   In addition, the material which comprises the Ni-based turbine structural member 30 is not restricted to these, What is necessary is just the Ni-based alloy or Ni-Fe type-alloy currently used as a turbine rotor material or a rotor disk material.

ここで、Ni基溶接材40と、Fe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30におけるCr成分の含有率の差がそれぞれ14質量%以下、かつNi基溶接材40と、Fe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30におけるC成分の含有率の差がそれぞれ0.3質量%以下となるように設定されている。   Here, the difference in the Cr component content in the Ni-based welding material 40, the Fe-based turbine component 20 and the Ni-based turbine component 30 is 14% by mass or less, respectively, and the Ni-based welding material 40 and the Fe-based turbine configuration The difference in the C component content in the member 20 and the Ni-based turbine component 30 is set to be 0.3 mass% or less.

そのため、図1において、溶接後においても、Ni基溶接材40と、Fe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30におけるCr成分の含有率の差がそれぞれ14質量%以下、かつNi基溶接材40と、Fe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30におけるC成分の含有率の差がそれぞれ0.3質量%以下となっている。   Therefore, in FIG. 1, even after welding, the difference in the Cr component content in the Ni-based welding material 40, the Fe-based turbine component 20 and the Ni-based turbine component 30 is 14% by mass or less, respectively, and the Ni-based welding is performed. The difference of the content rate of the C component in the material 40, the Fe-based turbine constituent member 20, and the Ni-based turbine constituent member 30 is 0.3% by mass or less.

ここで、溶接方法は上記した方法に限られるものではない。図2は、実施の形態のNi基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータ10の他の構成の溶接部50の断面を模式的に示した図である。   Here, the welding method is not limited to the above-described method. FIG. 2 is a view schematically showing a cross section of a welded portion 50 of another configuration of the dissimilar material welded turbine rotor 10 welded using the Ni-based welding material of the embodiment.

TIG溶接の際、入熱量を増加して、Ni基溶接材40とともに、Fe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30の接合面23、33を溶融させながら、溶接してもよい。このような溶接によって、溶融した部分では、例えば、Cr成分およびC成分の濃度が、Ni基溶接材40側から、Fe基タービン構成部材20側またはNi基タービン構成部材30側に向かって変化する傾斜組成層60、61が形成される。   During TIG welding, the heat input may be increased and welding may be performed while melting the joint surfaces 23 and 33 of the Fe-based turbine component 20 and the Ni-based turbine component 30 together with the Ni-based weld material 40. In such a melted portion, for example, the concentrations of the Cr component and the C component change from the Ni-based welding material 40 side toward the Fe-based turbine component 20 side or the Ni-based turbine component 30 side. The graded composition layers 60 and 61 are formed.

すなわち、Fe基タービン構成部材20とNi基溶接材40との接合部、およびNi基タービン構成部材30とNi基溶接材40との接合部において、Cr成分およびC成分の濃度が、Ni基溶接材40側から、Fe基タービン構成部材20側またはNi基タービン構成部材30側に向かって、例えば、連続的に増加または減少する傾斜組成層60、61が形成される。これによって、異材溶接タービンロータ10の軸方向に垂直な溶接部50の断面において、異材溶接タービンロータ10の軸方向にCr成分およびC成分の濃度が急激に変化して、濃度差が大きくなることを防止できる。   That is, in the joint part between the Fe-based turbine constituent member 20 and the Ni-base welding material 40 and the joint part between the Ni-base turbine constituent member 30 and the Ni-base welding material 40, the concentrations of Cr component and C component are Ni-base welding. For example, gradient composition layers 60 and 61 that continuously increase or decrease are formed from the material 40 side toward the Fe-based turbine component 20 side or the Ni-based turbine component 30 side. As a result, in the cross section of the welded portion 50 perpendicular to the axial direction of the dissimilar material welded turbine rotor 10, the concentrations of the Cr component and C component abruptly change in the axial direction of the dissimilar material welded turbine rotor 10, and the concentration difference increases. Can be prevented.

図3は、実施の形態のNi基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータ10の他の構成の溶接部50の断面を模式的に示した図である。   FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross section of a welded portion 50 of another configuration of the dissimilar material welded turbine rotor 10 welded using the Ni-based welding material of the embodiment.

図3に示すように、Fe基タービン構成部材20とNi基タービン構成部材30との間に、Ni基溶接材40からなる接合層70、71、72が、異材溶接タービンロータ10の軸方向に複数段形成されてもよい。この溶接部50を形成する際、まず、Fe基タービン構成部材20の接合面23に、Ni基溶接材を用いてバタリング溶接して接合層70を形成し、同様に、Ni基タービン構成部材30の接合面33に、Ni基溶接材を用いてバタリング溶接して接合層71を形成する。続いて、接合層70と接合層71とをNi基溶接材を用いてTIG溶接して、接合層72を形成する。   As shown in FIG. 3, bonding layers 70, 71, and 72 made of a Ni-based welding material 40 are provided between the Fe-based turbine component 20 and the Ni-based turbine component 30 in the axial direction of the dissimilar material welded turbine rotor 10. A plurality of stages may be formed. When the weld 50 is formed, first, the joining layer 70 is formed on the joint surface 23 of the Fe-based turbine constituent member 20 by buttering welding using a Ni-base welding material. Similarly, the Ni-base turbine constituent member 30 is formed. The joining layer 71 is formed on the joining surface 33 by buttering welding using a Ni-based welding material. Subsequently, the joining layer 70 and the joining layer 71 are TIG welded using a Ni-based welding material to form the joining layer 72.

ここで、Ni基溶接材40と、Fe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30におけるCr成分の含有率の差がそれぞれ14質量%以下、かつNi基溶接材40と、Fe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30におけるC成分の含有率の差がそれぞれ0.3質量%以下となるように設定されている。   Here, the difference in the Cr component content in the Ni-based welding material 40, the Fe-based turbine component 20 and the Ni-based turbine component 30 is 14% by mass or less, respectively, and the Ni-based welding material 40 and the Fe-based turbine configuration The difference in the C component content in the member 20 and the Ni-based turbine component 30 is set to be 0.3 mass% or less.

そのため、図3において、溶接後においても、接合層70とFe基タービン構成部材20におけるCr成分の含有率の差、および接合層71とNi基タービン構成部材30におけるCr成分の含有率の差は、それぞれ14質量%以下となっている。また、接合層70とFe基タービン構成部材20におけるC成分の含有率の差、および接合層71とNi基タービン構成部材30におけるC成分の含有率の差は、それぞれ0.3質量%以下となっている。さらに、接合層72と、接合層70および接合層71におけるCr成分の含有率の差がそれぞれ14質量%以下、かつ接合層72と、接合層70および接合層71におけるC成分の含有率の差がそれぞれ0.3質量%以下となっている。   Therefore, in FIG. 3, even after welding, the difference in the Cr component content in the bonding layer 70 and the Fe-based turbine component 20 and the difference in the Cr component content in the bonding layer 71 and the Ni-based turbine component 30 are as follows. , Each is 14 mass% or less. Further, the difference in the C component content in the bonding layer 70 and the Fe-based turbine component 20 and the difference in the C component content in the bonding layer 71 and the Ni-based turbine component 30 are 0.3% by mass or less, respectively. It has become. Furthermore, the difference in the Cr component content in the bonding layer 72, the bonding layer 70, and the bonding layer 71 is 14% by mass or less, respectively, and the difference in the C component content in the bonding layer 72, the bonding layer 70, and the bonding layer 71. Is 0.3% by mass or less.

なお、上記したように、Fe基タービン構成部材20とNi基タービン構成部材30とを溶接した後、接合部の残留応力を除去する熱処理として、例えば560〜680℃の温度で2〜10時間の熱処理が施される。   As described above, after welding the Fe-based turbine component 20 and the Ni-based turbine component 30, the heat treatment for removing the residual stress at the joint is, for example, at a temperature of 560 to 680 ° C. for 2 to 10 hours. Heat treatment is applied.

なお、上記した異材溶接タービンロータ10は、例えば、蒸気タービン、ガスタービン、COタービンなどの発電用タービンに適用することができる。 The above-mentioned dissimilar material welded turbine rotor 10 can be applied to a power generation turbine such as a steam turbine, a gas turbine, or a CO 2 turbine.

上記した実施の形態のNi基溶接材および異材溶接タービンロータによれば、Ni基溶接材40と、Fe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30との間における炭素の拡散を抑制することができる。そのため、炭素が欠乏した領域や、炭素が濃化した領域が形成されることなく、優れたクリープ強度を得ることができる。   According to the Ni-based welding material and the dissimilar material-welded turbine rotor of the above-described embodiment, the diffusion of carbon between the Ni-based welding material 40, the Fe-based turbine component member 20, and the Ni-based turbine component member 30 is suppressed. Can do. Therefore, excellent creep strength can be obtained without forming a carbon-deficient region or a carbon-concentrated region.

(化学ポテンシャルおよびクリープ強度などの評価)
ここでは、実施の形態のNi基溶接材を用いて溶接接合された異材溶接タービンロータについて、化学ポテンシャルおよびクリープ強度の評価を行った。評価に用いられたNi基溶接材に係る試料1〜試料19の化学組成を表1に示す。
(Evaluation of chemical potential and creep strength)
Here, the chemical potential and creep strength of the dissimilar material welded turbine rotor welded and joined using the Ni-based welding material of the embodiment were evaluated. Table 1 shows the chemical compositions of Sample 1 to Sample 19 relating to the Ni-based welding material used for the evaluation.

なお、試料1〜試料12は、実施の形態のNi基溶接材の化学組成範囲にあるNi基溶接材であり、試料13〜試料19は、その組成が実施の形態のNi基溶接材の化学組成範囲にないNi基溶接材であり、比較例である。   Samples 1 to 12 are Ni-based welding materials in the chemical composition range of the Ni-based welding material of the embodiment, and Samples 13 to 19 are chemistry of the Ni-based welding material of the embodiment. It is a Ni-based welding material that is not within the composition range and is a comparative example.

Figure 0005843718
Figure 0005843718

試料1〜試料8および試料13〜試料17においては、Fe基タービン構成部材20としては、前述したFe基タービン構成部材20を構成する材料の範囲のうちの、質量%で、C:0.14、Si:0.05、Cr:10.5、Mo:1、Mn:0.5、V:0.2、W:1、Nb:0.07、N:0.05、Ni:0.75を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなるFe基耐熱鋼を使用した。   In Sample 1 to Sample 8 and Sample 13 to Sample 17, the Fe-based turbine constituent member 20 is expressed by mass% in the range of materials constituting the Fe-based turbine constituent member 20 described above, and C: 0.14 , Si: 0.05, Cr: 10.5, Mo: 1, Mn: 0.5, V: 0.2, W: 1, Nb: 0.07, N: 0.05, Ni: 0.75 Fe-based heat-resisting steel with the balance being Fe and inevitable impurities was used.

試料9〜試料12および試料18〜試料19においては、Fe基タービン構成部材20としては、前述したFe基タービン構成部材20を構成する材料の範囲のうちの、質量%で、C:0.3、Si:0.25、Cr:1.1、Mo:1.2、Mn:0.7、V:0.25、Ni:0.5を含有し、残部がFe及び不可避不純物からなるFe基耐熱鋼を使用した。   In Sample 9 to Sample 12 and Sample 18 to Sample 19, the Fe-based turbine component 20 is represented by mass% in the range of materials constituting the Fe-based turbine component 20 described above, and C: 0.3 Fe: Si: 0.25, Cr: 1.1, Mo: 1.2, Mn: 0.7, V: 0.25, Ni: 0.5, the balance being Fe and inevitable impurities Heat resistant steel was used.

試料1〜試料19において、Ni基タービン構成部材30としては、前述したNi基タービン構成部材30を構成する材料の範囲のうちの、質量%で、C:0.05、Cr:18、Co:13、Mo:9、Al:1.3、Ti:1.4、B:0.004、Zr:0.05、Ta:0.1、Nb:0.3を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなるNi基合金を使用した。   In Sample 1 to Sample 19, as the Ni-based turbine component 30, C: 0.05, Cr: 18, Co: in terms of mass% in the range of materials constituting the Ni-based turbine component 30 described above. 13, Mo: 9, Al: 1.3, Ti: 1.4, B: 0.004, Zr: 0.05, Ta: 0.1, Nb: 0.3, the balance being Ni and inevitable A Ni-based alloy composed of mechanical impurities was used.

そして、図1に示した構成を解析モデルとして、熱力学平衡計算ソフト(Thermocalc)を用いて、640℃におけるFe基耐熱鋼のフェライト相、およびNi基合金のオーステナイト相中の炭素の化学ポテンシャル差(Δμ)を計算によって求めた。その結果を表1に示している。 Then, using the structure shown in FIG. 1 as an analysis model, using a thermodynamic equilibrium calculation software (Thermocalc), the difference in the chemical potential of carbon in the ferrite phase of Fe-base heat-resistant steel and the austenite phase of Ni-base alloy at 640 ° C. (Δμ C ) was obtained by calculation. The results are shown in Table 1.

なお、表1には、Fe基タービン構成部材20とNi基溶接材40との間の接合部についての結果を示している。また、表1には、Fe基タービン構成部材20とNi基溶接材40とにおける、Crの含有率差(ΔCr)およびCの含有率差(ΔC)も示している。図4は、Fe基タービン構成部材20とNi基溶接材40とにおけるCの含有率差(ΔCr)と炭素の化学ポテンシャル差(Δμ)との関係を示した図である。 Table 1 shows the results for the joint between the Fe-based turbine component 20 and the Ni-based welding material 40. Table 1 also shows the difference in Cr content (ΔCr) and the difference in C content (ΔC) between the Fe-based turbine component 20 and the Ni-based welding material 40. FIG. 4 is a view showing the relationship between the C content difference (ΔCr) and the carbon chemical potential difference (Δμ C ) between the Fe-based turbine constituent member 20 and the Ni-based welding material 40.

ここで、Ni基タービン構成部材30とNi基溶接材40との間の接合部についての結果については、図示していないが、すべての試料において、Crの含有率差(ΔCr)は、14質量%以下であり、Cの含有率差(ΔC)は、0.3質量%以下であるため、炭素の化学ポテンシャル差(Δμ)に顕著な差異は見られなかった。 Here, although the results regarding the joint between the Ni-based turbine component 30 and the Ni-based welding material 40 are not illustrated, the Cr content difference (ΔCr) is 14 mass in all the samples. %, And the difference in C content (ΔC) was 0.3% by mass or less, so that no significant difference was found in the chemical potential difference (Δμ C ) of carbon.

炭素の拡散の有無は、実施の形態のNi基溶接材を用いて溶接接合された異材溶接タービンロータを、640℃の温度で、300時間時効処理し、その後、Fe基タービン構成部材20とNi基溶接材との境界に対して電子線マイクロプローブアナライザ(EPMA)による炭素のマッピングと、所定の線上における線分析結果に基づいて判断した。図5は、試料5における炭素のマッピングと線分析の結果を示す図である。図6は、試料18における炭素のマッピングと線分析の結果を示す図である。なお、図5および図6において、分析ライン上の位置が1.0となる位置が、Fe基タービン構成部材20とNi基溶接材40との境界である。   The presence or absence of carbon diffusion was determined by aging the dissimilar welded turbine rotor welded and bonded using the Ni-based welding material of the embodiment at a temperature of 640 ° C. for 300 hours, and then the Fe-based turbine component 20 and the Ni. Judgment was made based on the mapping of carbon with an electron beam microprobe analyzer (EPMA) with respect to the boundary with the base welding material and the result of line analysis on a predetermined line. FIG. 5 is a diagram showing the results of carbon mapping and line analysis in Sample 5. As shown in FIG. FIG. 6 is a diagram showing the results of carbon mapping and line analysis in the sample 18. 5 and 6, the position where the position on the analysis line is 1.0 is the boundary between the Fe-based turbine constituent member 20 and the Ni-based welding material 40.

なお、ここでは、試料5および試料18における結果を示しているが、試料1〜試料4および試料6〜試料12における結果は、図5に示した試料5における結果と同様の傾向を示した。また、試料13〜試料17および試料19における結果は、図6に示した試料18における結果と同様の傾向を示した。   In addition, although the result in the sample 5 and the sample 18 is shown here, the result in the sample 1 to the sample 4 and the sample 6 to the sample 12 showed the same tendency as the result in the sample 5 shown in FIG. Further, the results of Samples 13 to 17 and Sample 19 showed the same tendency as the results of Sample 18 shown in FIG.

表1および図4に示すように、炭素の化学ポテンシャル差(Δμ)は、Crの含有率差(ΔCr)が大きくなるに伴って、大きくなっている。Crの含有率差(ΔCr)が14質量%以下である試料1〜試料12における炭素の化学ポテンシャル差(Δμ)は、Crの含有率差(ΔCr)が14質量%を超える試料13〜試料19における炭素の化学ポテンシャル差(Δμ)に比べて、小さいことがわかる。すなわち、試料1〜試料12においては、炭素の拡散が生じ難く、試料13〜試料19においては、炭素の拡散が生じやすいことがわかる。 As shown in Table 1 and FIG. 4, the chemical potential difference (Δμ C ) of carbon increases as the Cr content difference (ΔCr) increases. The chemical potential difference (Δμ C ) of carbon in Sample 1 to Sample 12 in which the Cr content difference (ΔCr) is 14% by mass or less is the Sample 13 to Sample in which the Cr content difference (ΔCr) exceeds 14% by mass. It can be seen that it is smaller than the chemical potential difference (Δμ C ) of carbon at 19. That is, it can be seen that Sample 1 to Sample 12 hardly cause carbon diffusion, and Sample 13 to Sample 19 easily cause carbon diffusion.

このことは、図5および図6にそれぞれ示された、試料5および試料18における炭素のマッピングと線分析の結果からも明らかである。すなわち、図5に示すように、試料5においては、線分析において明瞭な強度ピークは生じず、時効処理後も、Fe基タービン構成部材20とNi基溶接材との境界における炭素は、均質な分布を維持していることがわかる。そのため、試料5においては、時効処理後も、Fe基タービン構成部材20とNi基溶接材との境界は、正常な組織が維持されていることがわかる。   This is also apparent from the results of carbon mapping and line analysis in Sample 5 and Sample 18 shown in FIGS. 5 and 6, respectively. That is, as shown in FIG. 5, in sample 5, no clear intensity peak occurs in the line analysis, and the carbon at the boundary between the Fe-based turbine constituent member 20 and the Ni-based welding material is homogeneous even after aging treatment. It can be seen that the distribution is maintained. Therefore, it can be seen that in Sample 5, a normal structure is maintained at the boundary between the Fe-based turbine constituent member 20 and the Ni-based welding material even after the aging treatment.

一方、図6に示すように、試料18においては、線分析において明瞭な強度ピークが生じ、時効処理後において、Fe基タービン構成部材20とNi基溶接材との境界における炭素は、均質な分布を維持できていないことがわかる。また、試料18においては、Fe基タービン構成部材20とNi基溶接材との境界に平行な脆化相が析出した。なお、脆化相は、走査型電子顕微鏡(SEM)によって観察した。   On the other hand, as shown in FIG. 6, the sample 18 has a clear intensity peak in the line analysis, and after the aging treatment, the carbon at the boundary between the Fe-based turbine component 20 and the Ni-based welding material has a homogeneous distribution. It can be seen that is not maintained. Further, in the sample 18, an embrittlement phase parallel to the boundary between the Fe-based turbine constituent member 20 and the Ni-based welding material was precipitated. The embrittlement phase was observed with a scanning electron microscope (SEM).

上記したことから、試料5、および試料5と同様の傾向を示した試料1〜試料4および試料6〜試料12においては、Fe基タービン構成部材20とNi基溶接材との境界において、高温での長時間使用時に炭素の拡散が抑えられ、組織安定性に優れることが明らかとなった。   From the above, in Sample 5 and Sample 1 to Sample 4 and Sample 6 to Sample 12, which showed the same tendency as Sample 5, at the boundary between the Fe-based turbine component 20 and the Ni-based welding material at a high temperature. It became clear that the diffusion of carbon was suppressed during long-term use and the tissue stability was excellent.

次に、試料5および試料18からなるNi基溶接材を用いて、所定の形状のFe基耐熱鋼とNi基合金を溶接接合した試験片に対して、クリープ破断強度試験を行った。試料5によって溶接されるFe基耐熱鋼およびNi基合金は、前述した試料5によって溶接接合されるFe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30と同じ材料とした。試料18によって溶接されるFe基耐熱鋼およびNi基合金は、前述した試料18によって溶接接合されるFe基タービン構成部材20およびNi基タービン構成部材30と同じ材料とした。   Next, a creep rupture strength test was performed on a test piece in which a predetermined shape Fe-base heat-resistant steel and a Ni-base alloy were welded using the Ni-base welding material consisting of Sample 5 and Sample 18. The Fe-base heat-resistant steel and Ni-base alloy welded by the sample 5 were made of the same material as the Fe-base turbine constituent member 20 and the Ni-base turbine constituent member 30 welded and joined by the sample 5 described above. The Fe-base heat-resistant steel and Ni-base alloy welded by the sample 18 were made of the same material as the Fe-base turbine constituent member 20 and the Ni-base turbine constituent member 30 welded and joined by the sample 18 described above.

そして、溶接した後、接合部の残留応力を除去する熱処理として、640℃の温度で4時間の熱処理を施した。   And after welding, as heat processing which removes the residual stress of a junction part, the heat processing for 4 hours was performed at the temperature of 640 degreeC.

クリープ破断試験は、応力が40〜300MPa、温度が550〜650℃の下において、JIS Z 2271に準拠して実施した。図7は、クリープ破断試験結果を示す図である。なお、図7には、Larson-Miller-Parameter(材料定数Cを20とする)によって整理した結果を示している。   The creep rupture test was performed according to JIS Z 2271 under a stress of 40 to 300 MPa and a temperature of 550 to 650 ° C. FIG. 7 is a diagram showing the creep rupture test results. FIG. 7 shows the results organized by Larson-Miller-Parameter (material constant C is 20).

ここでは、試料5および試料18における結果を示しているが、試料1〜試料4および試料6〜試料12における結果は、図7に示した試料5における結果と同様の傾向を示した。また、試料13〜試料17および試料19における結果は、図7に示した試料18における結果と同様の傾向を示した。   Here, the results for Sample 5 and Sample 18 are shown, but the results for Sample 1 to Sample 4 and Sample 6 to Sample 12 showed the same tendency as the results for Sample 5 shown in FIG. Further, the results of Samples 13 to 17 and Sample 19 showed the same tendency as the results of Sample 18 shown in FIG.

図7に示すように、試料5における破断応力は、試料18における破断応力に比べて高くなることがわかった。また、クリープ破断部は、試料5においては、Ni基合金、試料18においては、Fe基耐熱鋼とNi基溶接材との境界であった。このことから、試料5においては、Fe基耐熱鋼とNi基溶接材との境界の強度が向上していると考えられる。   As shown in FIG. 7, it was found that the breaking stress in sample 5 was higher than the breaking stress in sample 18. Further, the creep rupture portion was a boundary between the Ni-based alloy in the sample 5 and the boundary between the Fe-based heat-resistant steel and the Ni-based welding material in the sample 18. From this, it is considered that in Sample 5, the strength of the boundary between the Fe-base heat-resistant steel and the Ni-base weld material is improved.

なお、図示していないが、試料5における破断応力は、試料13〜試料17および試料19における破断応力よりも高かった。また、試料1〜試料4および試料6〜試料12における破断応力も、試料13〜試料19における破断応力よりも高かった。   Although not shown, the breaking stress in sample 5 was higher than that in samples 13 to 17 and sample 19. Moreover, the breaking stress in Sample 1 to Sample 4 and Sample 6 to Sample 12 was also higher than the breaking stress in Sample 13 to Sample 19.

上記したことから、試料5、および試料5と同様の傾向を示した試料1〜試料4および試料6〜試料12においては、優れたクリープ強度を有していることが明らかとなった。   From the above, it was revealed that Sample 1 and Sample 1 to Sample 4 and Sample 6 to Sample 12 showing the same tendency as Sample 5 have excellent creep strength.

なお、Ni基タービン構成部材30として、前述したNi基タービン構成部材30を構成する材料の範囲のうちのNi基合金を使用して、上記各評価を行ったが、前述したNi基タービン構成部材30を構成する材料の範囲のうちのNi−Fe系合金を使用した場合においても、Ni基合金を使用した場合と同様の結果が得られた。   In addition, although said each evaluation was performed using the Ni base alloy of the range of the material which comprises the Ni base turbine structural member 30 mentioned above as the Ni base turbine structural member 30, the Ni base turbine structural member mentioned above Even when a Ni—Fe based alloy in the range of materials constituting 30 was used, the same result as that obtained when a Ni-based alloy was used was obtained.

以上説明した実施形態によれば、Fe基耐熱鋼と、Ni基合金またはNi−Fe系合金とからなる異種材料を優れたクリープ強度を有するように溶接接合することが可能となる。   According to the embodiment described above, it is possible to weld-join dissimilar materials made of Fe-base heat-resistant steel and Ni-base alloy or Ni-Fe alloy so as to have excellent creep strength.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…異材溶接タービンロータ、20…Fe基タービン構成部材、21,31…ロータ胴部、22,32…ロータディスク部、23,33…接合面、24,34…凹部、30…Ni基タービン構成部材、40…Ni基溶接材、50…溶接部、60…傾斜組成層、70,71,72…接合層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Dissimilar material welded turbine rotor, 20 ... Fe base turbine structural member, 21, 31 ... Rotor body part, 22, 32 ... Rotor disk part, 23, 33 ... Joining surface, 24, 34 ... Recessed part, 30 ... Ni base turbine structure 40, Ni-based welding material, 50, welded portion, 60, gradient composition layer, 70, 71, 72, bonding layer.

Claims (6)

Fe基耐熱鋼からなる第1の構成部材と、Ni基合金またはNi−Fe系合金からなる第2の構成部材とを溶接接合する際に使用されるNi基溶接材であって、
前記Ni基溶接材と、前記第1の構成部材および前記第2の構成部材におけるCr成分の含有率の差がそれぞれ14質量%以下であり、かつ前記Ni基溶接材と、前記第1の構成部材および前記第2の構成部材におけるC成分の含有率の差がそれぞれ0.3質量%以下であり、
前記Ni基溶接材が、質量%で、Cr:8〜25、Co:1〜12、Mo:1〜12、Al:0.01〜5、Ti:0.01〜3、C:0.01〜0.4、B:0.001〜0.01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基溶接材。
A Ni-based welding material used when welding and joining a first constituent member made of Fe-base heat-resistant steel and a second constituent member made of a Ni-base alloy or a Ni-Fe-based alloy,
The difference in the content of Cr components in the Ni-based welding material, the first component member, and the second component member is 14% by mass or less, respectively, and the Ni-based welding material and the first configuration The difference in the content of C component in the member and the second component member is 0.3% by mass or less,
The Ni-based welding material is in mass%, Cr: 8 to 25, Co: 1 to 12, Mo: 1 to 12, Al: 0.01 to 5, Ti: 0.01 to 3, C: 0.01 A Ni-based welding material containing -0.4, B: 0.001-0.01, with the balance being Ni and inevitable impurities.
Ta、NbまたはTaとNbを合計して、1質量%以下さらに含有することを特徴とする請求項1記載のNi基溶接材。   The Ni-based welding material according to claim 1, further comprising Ta, Nb, or Ta and Nb in total and further containing 1% by mass or less. Wを0.01〜6質量%さらに含有することを特徴とする請求項1または2記載のNi基溶接材。   The Ni-based welding material according to claim 1 or 2, further comprising 0.01 to 6% by mass of W. Fe基耐熱鋼からなる第1の構成部材と、Ni基合金またはNi−Fe系合金からなる第2の構成部材と、請求項1乃至3のいずれか1項記載のNi基溶接材で接されてなることを特徴とする異材溶接タービンロータ。 The first constituent member made of Fe-base heat-resistant steel and the second constituent member made of Ni-base alloy or Ni-Fe alloy are contacted with the Ni-base welding material according to any one of claims 1 to 3. welding different materials turbine rotor, characterized by comprising a multiplexer. 前記第1の構成部材と前記Ni基溶接材との接合部、および前記第2の構成部材と前記Ni基溶接材との接合部において、少なくともCr成分およびC成分の濃度が、前記Ni基溶接材側から、前記第1の構成部材側および前記第2の構成部材側に向かって変化する傾斜組成層を有していることを特徴とする請求項4記載の異材溶接タービンロータ。   Concentrations of at least the Cr component and the C component in the joint portion between the first constituent member and the Ni-base welding material and the joint portion between the second constituent member and the Ni-base welding material are such that the Ni-base welding is performed. 5. The dissimilar welded turbine rotor according to claim 4, further comprising a gradient composition layer that changes from a material side toward the first component member side and the second component member side. 第1の構成部材と第2の構成部材との間に、前記Ni基溶接材からなる接合層が、前記異材溶接タービンロータの軸方向に複数段形成されていることを特徴とする請求項4記載の異材溶接タービンロータ。   5. The joining layer made of the Ni-based welding material is formed in a plurality of stages in the axial direction of the dissimilar material welded turbine rotor between the first constituent member and the second constituent member. The dissimilar welded turbine rotor described.
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