JPH08507104A - 金属材料の熱機械的処理 - Google Patents

金属材料の熱機械的処理

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JPH08507104A JP6514639A JP51463993A JPH08507104A JP H08507104 A JPH08507104 A JP H08507104A JP 6514639 A JP6514639 A JP 6514639A JP 51463993 A JP51463993 A JP 51463993A JP H08507104 A JPH08507104 A JP H08507104A
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Abstract

(57)【要約】 面心立方合金からの部品の製造において、この合金は冷間加工され、アニールされ、冷間加工は複数の別々の工程で行なわれ、それぞれの工程は、アニール工程により伴われる。得られた製品は、30ミクロンを越えない粒子サイズ、60%以上の“特別”粒界フラクションを有し、主要な結晶組織強度はすべてランダム値の2倍未満である。この生成物は、大きく強化された耐粒界劣化性及び応力腐食クラック性くぉ有し、かつ高い等方性バルク特性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 金属材料の熱機械的処理 発明の分野 本発明は、一般的に、合金が製造プロセス中に冷間加工及びアニールに供され る合金部品の製造に関する。本発明は、特に、オーステナイトステンレス鋼によ り形成された製品における粒界劣化及び粒界破壊の問題に向けられている。その ような製品としては、例えば、原子力発電プラントのスチーム発生管がある。 発明の背景 粒界劣化及び粒界破壊は、最近の、原子力スチーム発生器の信頼性を傷つける 、最も頻繁に生ずる事故の中にある。粒界破壊の起こし易さを緩和するこれまで の試みは、主として、合金化学及び操作環境の制御を含んでいた。しかし、この 問題の知られた源である合金の粒界は、大きく無視されてきた。 発明者らは、粒界の設計及び制御処理を考慮して、通常の鉄及びニッケル基ス テンレス合金、即ちオーステナイトステンレス合金の、粒界ストレス腐食クラッ ク(IGSCC)に対する耐性を改良し得る可能性を評価するための研究を行な った。(G.Palumbo,P.J.King,K.T.Aust,U.Erb and P.C.Lichtenberg er,“Grain Boundary Design and Contorol for Intergranular Stress Corros ion Resistance”,Scripta Metallurgica et Materialia,25,1775(1991). この研究は、活性な粒界路を通してのクラックの伝播の幾何 学的モデルを生成し、このモデルは、等軸多結晶材料におけるIGSCCの生じ 易さに対する、“特別の”粒界部分と平均粒子サイズの潜在的作用を評価するた めに使用された。この幾何学的モデルは、バルクのIGSCCの耐性が、粒界の 比較的小さな部分が応力腐食を生じ易くないときに、達成され得ることを示した 。粒子サイズの減少は、IGSCCに対する耐性の増加であることが示されが、 しかし、それは、生じにくい粒界が分散して存在するという条件の下でのみであ る。活性粒界路の存在に依存する、すべてのバルク多結晶特性に一般的に適用可 能であるモデルは、材料の処理による粒界の設計及び制御の重要性を示し、かつ IGSCCに対する耐性が、通常の多結晶合金の粒界分布における“特別の”粒 界の数を適度に増加させることにより促進し得ることを示した。 “特別の”粒界は、ΣのΔθ(なお、Σ≦29、Δθ≦15Σ-1/2)内に存在 する界面構造の、よく確立されたCSL(対応部位格子)モデルにより、結晶学 的に説明される。(Kronberg and Wilson,Trans.Met.Soc.A.I.M.E.1.85 501(1949)and Brandon,Acta,Metall.,14,1479(1966)] 発明の要旨 本発明は、“特別の”粒界部分を増加させ、面心立方合金を、同程度に粒界劣 化に高度の耐性があるようにする粉砕処理方法を提供する。上述のミルプロセス はまた、最終製品に等方性バルク特性(例えば機械的特性)を導く、結晶配列の 高度にランダムな分布を与える。本明細書で用いられている“面心立方合金”な る語は、主要な金属相(体積の>50%)が、工業的用途の温度及び圧力におい て面心立方結晶構造を有する、鉄、ニッケル、及び銅をベースとする合金を意味 する。このクラスの材料は、クロムを含む鉄、又はニッケルをベースとするオー ステナイト合金すべてを含む。 本発明の1つの態様によると、オーステナイトステンレス合金の粒界劣化に対 する耐性を強化する方法は、必要な全成形絞りより少ない成形絞り、通常は加工 硬化により付与される限界よりかなり少ない成形絞りを達成するために、合金を 冷間加工する工程、過剰の粒子成長なしに再結晶を行うに十分な温度で部分的に 絞られた合金をアニールする工程、及び必要な全成形絞りが達成されるまで、冷 間加工工程とアニール工程を繰り返す工程を具備する。得られた生成物は、強化 された“特別の”粒界部分及びそれに対応する耐粒界劣化性に加えて、強化され た耐“鋭敏化性”をも有する。鋭敏化性とは、オーステナイトステンレス合金が 500℃−850℃の温度にさらされたときに(例えば溶接中に)、粒界におい て炭化クロムが析出し、合金クロムが欠乏し、様々な形の粒界劣化が生じ易いプ ロセスをいう。 “冷間加工”とは、合金が塑性流動を生ずる合金の再結晶温度より実質的に低 い温度での加工を意味する。これは、一般に、オーステナイトステンレス合金の 場合、室温であろうが、ある環境下では、冷間加工温度は、合金の塑性流動を助 けるために、実質的により高い温度(温間加工)であり得る。 “成形絞り”とは、パーセント又はフラクションで表される、元の断面積に対 する試料の断面積の減少の比を意味する。それぞれの加工工程における成形絞り は、5%−30%、即ち0.05−0.30であるのが好ましい。 本発明の他の態様によると、強化された耐粒界劣化性を有する、成形された面 心立方合金の製造された製品では、この合金は、30ミクロン以下の粒子サイズ を有し、60%以上の特別粒界フラクションを有する。 図面の簡単な説明 本発明の好ましい態様は、以下の図面を参照して、詳細に説明される。 図1は、通常の加工がされたものと本発明のプロセスにより加工がされたUN S N06600板の試料との間の、組織成分の相違及びX線回分析により決定 された強度の相違を示す図である。 図2は、理論的に予想された、及び実験的に決定された、応力が加えられたU NS N06600Cリングの応力腐食クラックを比較して示すグラフ図である 。 図3は、より多いパーセントの特別の粒界から生ずる改良された耐腐食性を示 す、通常の加工がされたものと本発明のプロセスにより加工がされたUNS N 06600板との間を比較して示すグラフ図である。 図4は、本発明のプロセスにより製造されたUNS N06600板の断面の 光学顕微鏡写真図である。 発明の好ましい態様 本発明の方法は、N06600,N06690,N08800及びS3040 0のような統一された番号システムにより同定された合金を含む、ステンレス鋼 及びニッケル基合金のような、オーステナイトステンレス鋼の熱機械的処理に、 特に適用可能である。そのような合金は、クロムを含む鉄及びニッケルをベース とする面立方合金を含む。例えば、アロイN06600の典型的な化学的組成を 表1に示す。 本発明の熱機械的処理による原子力スチーム発生器の配管の製造では、適当な 合金、例えばアロイN06600の管ブ ランクが冷間で引抜かれ、その後、アニールされる。従来の実施は、通常1工程 で必要な形状に管を引抜き、処理工程数を最小にするように、次いで、それをア ニールする。しかし、周知のように、生成物は粒界劣化を起こし易い。粒界劣化 は、本明細書では、粒界腐食、粒界クラック、粒界腐食クラック、粒界脆化、及 び応力粒界腐食を含む、管の性能及び構造上の完全性を危険にさらす、すべての 粒界に関連するプロセスとして定義される。 処理工程の数を最小にすることによりプロセスを最適化することが求められる 、最近のミルプラクティスに反し、本発明の方法は、最適な微細構造を与えるに 十分な工程数を適用することを求める。この方法の原理は、合金の微細構造にお ける最も高度に欠陥のある粒界の位置で生ずる選択的再結晶が、結晶格子自体の それに近づく、より大きい原子配列を有するものとの、高エネルギーの不規則化 された粒界の連続的置換の高い可能性を生ずるという、本発明者の発見に基づい ている。この目的は、他のバルク材料特性における異方性に導き得る材料に、強 い、より好ましい結晶配列を付与することなく、30ミクロン又はそれ以下の粒 子サイズに限定すること、及び少なくとも60%の“特別の”粒界フラクション を達成することであろう。 本発明の管の製造方法では、管の引抜きは、別々の工程で行われ、それぞれが アニール工程により伴われる。本実施例では、最初にブランクが、5%〜30% の成形絞りを達成するように引抜かれ、次いで、部分的に成形された生成物が9 00−1050℃の範囲の温度で炉内でアニールされる。炉の滞留時間は、2〜 10分であるべきである。温度範囲は、過剰の粒子の成長なしに、即ち、平均粒 子サイズが30μmを越えないように、再結晶が行われることを保証するように 選択される。この平均粒子サイズは、7の最小ASTM粒子サイズ数(G)に相 当するものであろう。生成物は、好ましくは、不活性雰囲気で、この実施例では アルゴン中で、又は、そうでなければ還元雰囲気でアニールされる。 アニール工程の後、部分的に形成された生成物は、更に5%〜30%の成形絞 りを達成するように再び冷間で引抜かれ、上述のように再びアニールされる。こ れらの工程は、必要な成形絞りが達成されるまで、繰り返される。 所望の特性を有する管を製造するためには、少なくとも3回の冷間引抜き/ア ニールのサイクルがなければならない。理想的には、サイクル数は3〜7であり 、それ以上のサイクルは、生ずる“特別の”粒界のフラクションに何も付与しな いので、7を越えるサイクル数の増加に殆ど目的はない。引抜き工程当りの成形 絞りの量は、以下の式で与えられることが注目される。 (1−rt)=(1−rin 式中、riは工程当りの成形絞りの量、 rtは必要なトータルの成形絞り nは工程数、即ち、再結晶工程の数 管の冷間引抜きは、塑性流れを引き起こすに十分な温度で実施されるべきであ る。アロイ600及びこの型の他の合金 では、通常は室温で十分である。しかし、温度が室温を越えるべきではないとす る理由はない。 UNS N06600に適用される本発明による室温引抜きのスケジュールの 特定の例は、以下の表1に与えられている。この実施例における製品に必要とさ れる全(累積的)成形絞りは、68.5%であった。本発明による処理は、それ ぞれの成形工程間に、1000℃で3分間の管のアニールを含む。これは、10 00℃で3分間のアニール前に、68.5%の全成形絞りを適用する従来のプロ セスとの比較に立っている。 上述の表2では、%RA/工程とは、プロセスの5つの成形工程のそれぞれに ついての、断面積の減少%のことである。rt=65.85の累積成形絞りが、 工程当りの成形絞りの 量ri及び再結晶工程の数nにrtを関係づける上述の式により与えられる。 生じた生成物では、合金が、30ミクロンを越えない、最小の粒子サイズ、及 び少なくとも60%の“特別の”粒界フラクションを有することが見出だされて いる。 上記実施例は、最終生成物の材料が、所望の耐粒界劣化性を付与する、30ミ クロンを越えない粒子サイズと、少なくとも60%の“特別の”粒界フラクショ ンを有する、原子力スチーム発生器を製造する重要な用途について、特に言及し ている。しかし、説明した方法は、製造プロセスにおいて成形及びアニール工程 に供される、Fe−Ni−Cu基面心立方合金の耐粒界劣化性の強化に一般に適 用され得る。 このように、必要な成形絞りにまでブランクが圧延され、引抜かれ、又は成形 され、次いでアニールされる、圧延、引抜き、又は他の成形法による他のFe− Ni−Cu基面心立方合金の製造では、合金の微細構造は、上述のように、冷間 成形及びアニールサイクルのシーケンスを採用することにより生成物の構造上の 一体性を保証するように、大きく改善され得る。 以下の表3では、“通常のプロセス”(即ち、1つ又はそれ以上の中間アニー ル工程)及び本発明の、マルチ処理工程(3≧)から生ずる合金UNSN066 00における粒界分布を比較するために、2つの例、管及び板が与えられる。 比較の基礎を与えるため、管処理(表3の欄2及び3)及び板処理(表3の欄 4及び5)のための全成形絞りは、どの 場合にも68.5%である。従来のプロセスでは、そのような全成形絞りの程度 は、1000℃で3分間の最終的アニールをもって単一の工程で達成され、新プ ロセスでは、5つの一連の工程において、工程当り20%の成形絞りを含み、そ れぞれの工程は、1000℃で3分間のアニールにより伴われる。v,Randle, “Microtexture Determination and its applications”,Inst.of Materials ,1992(英国)において議論されているように、数字の見出しは、走査型電子顕 微鏡におけるキクチ回折パターン分析により決定された粒界特性分布Σ1,Σ3 である。 図1に示すように、本発明による処理による組織の任意抽出は、高度に均一な バルク特性を有する成形生成物を導く。図1は、棒グラフの形で、通常の処理が された(単一の68.5%成形絞り及びその後の1000℃での単−3分アニー ル工程)UNS N06600板と、本発明のプロセスにより処理がされた(1 000℃で3分間の20%中間アニールの5つの絞り工程)同様の材料との間の 、組織成分の相違及びX線回分析により決定された強度の相違を示す。 面心立方材料において典型的に観察される主要な組織成分は、事実上すべて新 プロセスにより除去されている。例外は、ランダム分布(即ち、1の組織強度) において期待される、すぐ上で残存するGoss組織[119]<001>であ る。新プロセスは、高度に望ましい等方性特性を有する材料を与える。 図2に示すように、本発明のプロセスに供された成形され た生成物は、従来の方法で処理されたものに対し、非常に高い耐粒界腐食クラッ ク性を有する。図2のグラフは、材料中の“特別の”粒界の母集団により影響さ れるような、理論的及び実験的応力腐食クラック性能をまとめている。実験結果 は、UNS N06600の場合、0.4%の最大歪みまで応力が加えられ、3 50℃で3000時間、10%の水酸化ナトリウム溶液にさらされたCリングで ある。破線は、本発明による製造された製品について、60%の最小特別粒界フ ラクションを示す。 処理されたままの、ミルアニールされた条件において、実質的に強化された耐 粒界腐食性を示すことに加えて、本発明による成形されたステンレス合金は、非 常に高い耐鋭敏化性をも有している。特別の粒界の大きな母集団の固有の特性か ら生ずる、この炭化物の析出及びその結果のクロムの欠乏は、溶接及び溶接後の 手順を簡単にし、この合金を500℃〜850℃の範囲の温度に供されるサービ ス用途によく適合させる。図3は、ASTM G28(“成形されたニッケルに 富む、クロムを含む合金における、粒界攻撃への感受性の検出”)に従った72 時間のテストにより評価されたUNS N06600板の耐粒界腐食性に対する 特別の粒界フラクションの効果をまとめている。 図3に示すように、新プロセスを用いて製造された物質(特別な粒界フラクシ ョンが60%を越える)は、従来の処理方法を用いて製造されたものよりも、実 質的に減少した腐食速度を示している。更に、粒界炭化クロムの析出を引き起 こすことにより、その物質をより粒界腐食させ易くするための、鋭敏化熱処理( 即ち、600℃で2時間)の適用は、高い特別粒界フラクションを有する物質、 即ち本発明のプロセスにより製造されたものに対する、はるかに少ない有害効果 を有する。 本発明のプロセスを用いて製造されたUNS N06600板において示され た高い特別粒界フラクションは、そのような板(210X倍率)の断面の顕微鏡 写真である図4から、直接目で見てわかる。成分の結晶粒界の良好な“フィット ”は、アニーリング対の高い頻度により明白である。アニーリング対は、他の粒 界と直角に交差する真っ直ぐな粒界長さとして現われる。 本発明の方法は、成型工程及びアニール工程の数を最小にすることを求める、 従来のミルプラクティスとは異なるが、使用される装置の変更を必要としない点 において、現存するミルプラクティスと完全に適合し得るものである。
【手続補正書】特許法第184条の8 【提出日】1994年11月25日 【補正内容】 明細書 金属材料の熱機械的処理 発明の分野 本発明は、一般的に、合金が製造プロセス中に冷間加工及びアニールに供され る合金部品の製造に関する。本発明は、特に、オーステナイトステンレス鋼によ り形成された製品における粒界劣化及び粒界破壊の問題に向けられている。その ような製品としては、例えば、原子力発電プラントのスチーム発生管がある。 発明の背景 原子力用途(例えば、燃料要素被覆として)に使用されるオーステナイトステ ンレス鋼の疲れ破損特性を改善する初期の努力は、そのような鋼の高温延性の改 善に焦点があてられている。英国特許第1,124,287号(ハバーリンら) では、管破裂テストにおいて、破壊時における直径歪みにより測定された、その ような改良された延性は、遊星型熱成形プロセスにより、オーステナイトステン レス鋼管を加工し、次いで管を800−900℃でのアニールに供し、そして、 その加工及びアニールを少なくとも1回繰り返すことにより達成された。パス間 アニール温度を1050℃から800−900℃に減少させることにより、微細 な粒子サイズと粗い炭化物析出物を生成することが意図された。微細な粒子サイ ズと粗い炭化物析出物は、改善された昇温破裂延性に寄与するものと考えられる 。 現在、最近の、原子力スチーム発生器の信頼性を傷つける、 最も一般的な事故モード即ち、粒界劣化及び破壊の源は、合金における粒界であ ることが知られている。粒界破壊の起こし易さを緩和するこれまでの試みは、こ の問題の知られた原因に直接向けられることなく、主として、合金化学及び操作 環境の制御を含んでいた。 発明者らは、粒界の設計及び制御処理を考慮して、通常の鉄及びニッケル基ス テンレス合金、即ちオーステナイトステンレス合金の、粒界ストレス腐食クラッ ク(IGSCC)に対する耐性を改良し得る可能性を評価するための研究を行な った。(G.Palumbo,P.J.King.K.T.Aust,U.Erb and P.C,Lichtenberg er,“Grain Boundary Design and Contorol for Intergranular Stress Corros ion Resistance”,Scripta Metallurgica et Materialia,25,1775(1991). この研究は、活性な粒界路を通してのクラックの伝播の幾何 “成形絞り”とは、パーセント又はフラクションで表される、元の断面積に対 する試料の断面積の減少の比を意味する。それぞれの加工工程における成形絞り は、5%−30%、即ち0.05−0.30であるのが好ましい。 本発明の他の態様によると、強化された耐粒界劣化性を有する、成形された面 心立方合金の製造された製品では、この合金は、30ミクロン以下の粒子サイズ を有し、60%以上の特別粒界フラクションを有する。 本明細書では、スチーム発生器の管にような成形された製品の標準銘柄は、そ れらのUNS標準呼称、例えば“UNS N06600”又は、単に“N066 00”によって呼ばれるであろう。 図面の簡単な説明 本発明の好ましい態様は、以下の図面を参照して、詳細に説明される。 図1は、通常の加工がされたものと本発明のプロセスにより加工がされたUN S N06600板の試料との間の、組織成分の相違及びX線回分析により決定 された強度の相違を示す図である。 図2は、理論的に予想された、及び実験的に決定された、応力が加えられたU NS N06600Cリングの応力腐食クラックを比較して示すグラフ図である 。 図3は、より多いバーセントの特別の粒界から生ずる改良された耐腐食性を示 す、通常の加工がされたものと本発明のプロセスにより加工がされたUNS N 06600板との間 を比較して示すグラフ図である。及び 図4は、本発明のプロセスにより製造されたUNS N06600板の断面の 光学顕微鏡写真図である。 発明の好ましい態様 請求の範囲 1.合金が、一連の冷間加工及びアニーリングサイクルに供される、オーステ ナイトステンレス鉄基又はニッケル基面心立方合金からの製品の改良された製造 方法において、合金を連続して冷間加工及びアニーリングサイクルに供し、それ によって前記合金の粒界劣化に対する耐性を強化する方法であって、それぞれの 前記サイクルは、 i)合金が5%ないし30%の成形絞りに供される冷間加工工程、及び ii)絞られた合金が900−1050℃の温度で2−10分間アニールされ るアニール工程 を具備し、前記サイクルは、必要な全成形絞りが達成されるまで繰り返される 方法。 2.それぞれの冷間加工工程は冷間引抜き工程である請求項1に記載の方法。 3.それぞれの冷間加工工程は冷間圧延工程である請求項1に記載の方法。 4.前記合金は、N06600、N06690、N08800、及びS304 00からなる群から選ばれたものである請求項1、2、又は3に記載の方法。 5.前記アニール工程は、不活性又は還元雰囲気で行なわれる請求項1ないし 4のいずれか1項に記載の方法。 6.前記面心立方合金は、60%以上の“特別”粒界フラクションを有する請 求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法により製造された製品。 7.前記合金は、ランダム分布で予想された値の2倍未満の結晶組織強度を示 す請求項6に記載の製品。 8.前記合金の粒子サイズは30ミクロンを越えない請求項7に記載の製品。 9.オーステナイトステンレス合金により形成されたスチーム発生器の部分で ある請求項8に記載の製品。 10.前記オーステナイトステンレス合金は、UNS標準呼称N06600( Ni−16Cr−9Fe)を有する合金である請求項8に記載の製品。
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Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.合金が、所望の全成形絞りを行なうために冷間加工及びアニーリングに供 される、面心立方Fe、Ni、及びCu基合金からの製品の製造において、前記 合金の粒界劣化に対する耐性を強化する方法は、 必要な全成形絞りより少ない成形絞りを達成するために、合金を冷間加工する 工程、 30ミクロン又はそれ未満に粒子サイズを限定しつつ、再結晶を行うに十分な 温度で、部分的に絞られた合金をアニールする工程、及び 必要な全成形絞りが達成されるまで、前記冷間加工工程とアニール工程を繰り 返す工程を具備する方法。 2.前記合金は、クロムを含む鉄基及びニッケル基面心立方合金からなる群か ら選択されたオーステナイトステンレス合金である請求項1に記載の方法。 3.前記合金は、アロイN06600(Ni−16Cr−9Fe)である請求 項2に記載の方法。 4.適用された工程あたりの成形絞りは、5%〜30%である請求項1ないし 3のいずれか1項に記載の方法。 5.それぞれのアニール工程は、900−1050℃の温度で2−10分間、 炉内で行なわれる請求項1ないし4のいずれか1項に記載の方法。 6.前記アニーリングは、不活性又は還元雰囲気で行なわれる請求項1ないし 5のいずれか1項に記載の方法。 7.合金が、所望の全成形絞りを行なうために冷間加工及 びアニーリングに供される、オーステナイトステンレス、鉄基又はニッケル基面 心立方合金からの製品の製造において、合金を連続して冷間加工及びアニーリン グサイクルに供し、それによって前記合金の粒界劣化に対する耐性を強化する方 法の改良であって、前記サイクルは、 i)合金が5%ないし30%の成形絞りに供される冷間加工工程、及び ii)絞られた合金が900−1050℃の温度で2−10分間アニールされ るアニール工程 を具備し、前記サイクルは、必要な全成形絞りが達成されるまで繰り返される 方法。 8.それぞれの冷間加工工程は冷間引抜き工程である請求項7に記載の方法。 9.それぞれの冷間加工工程は冷間圧延工程である請求項7に記載の方法。 10.前記アニール工程は、不活性又は還元雰囲気で行なわれる請求項7、8 、又は9に記載の方法。 11.オーステナイトステンレス合金のブランクからのスチーム発生器の管の 製造において、合金を連続して冷間加工及びアニーリングサイクルに供し、それ によって前記合金の粒界劣化に対する耐性を強化する方法であって、前記サイク ルは、 i)ブランクが5%ないし30%の成形絞りに供される冷間引抜き工程、及び ii)ブランクが900−1050℃の温度で2−10分 間、不活性又は還元雰囲気でアニールされるアニール工程 を具備し、前記サイクルは、必要な全成形絞りが達成されるまで繰り返される 方法。 12.前記合金は、N06600、N06690、N08800、及びS30 400からなる群から選ばれたものである請求項11に記載の方法。 13.前記面心立方合金は、60%以上の“特別”粒界フラクションを有する 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の方法。 14.前記合金は、ランダムの分布において予想される値の2倍未満の結晶組 織を示す請求項13に記載の方法。 15.前記合金の粒子サイズは、30ミクロンを越えない請求項14に記載の 方法。 16.前記製品は、成形されたオーステナイトステンレス合金のスチーム発生 器の管の一部分である請求項15に記載の方法。 17.前記オーステナイトステンレス合金は、アロイN06600(Ni−1 6Cr−9Fe)である請求項15に記載の方法。
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