KR101193727B1 - 회전 기기의 로터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 Ni기 합금과 12Cr강 등의 다른 내열성 철강 재료를 용접에 의해 접합해도, 상기 접합부에 있어서의 강도를 유지할 수 있고, 700℃급의 증기 조건에서도 채용 가능한 터빈 로터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. 650℃ 이상인 작동 유체가 도입되는 회전 기기에 구비되고, 통과하는 작동 유체 온도에 따라서 상이한 강도의 복수의 부재를 용접에 의해 접합한 회전 기기의 로터에 있어서, 실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 12.4 × 10-6/℃ 내지 14.5 × 10-6/℃, 바람직하게는 14.0 × 10-6/℃ 이하인 Ni기 합금으로 형성된 제1 부재와, 고크롬강으로 형성된 제2 부재를 용접에 의해 접합함으로써 구성되고, 650℃ 이상의 작동 유체와 접하는 부위를 상기 Ni기 합금으로 형성한 제1 부재로 한다.

Description

회전 기기의 로터 및 그 제조 방법{ROTOR OF ROTARY MACHINE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 증기 터빈 등에 사용되어, 통과하는 증기 등 작동 유체 온도에 따라서 상이한 강도의 복수의 부재를 용접에 의해 접합한 회전 기기의 로터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 주요한 발전 방법으로서 원자력, 화력, 수력의 3개의 방법이 사용되고 있고, 자원량 및 에너지 밀도의 관점에서, 앞으로도 상기 3개의 발전 방법이 주요한 발전 방법으로서 사용되어 갈 것이라고 예상된다. 그 중에서도 화력 발전은 안전하고 부하 변동으로의 대응 능력이 높은 발전 방법으로서 이용 가치가 높아, 발전 분야에 있어서 앞으로도 계속해서 중요한 역할을 발휘해 갈 것이라고 예상된다.
증기 터빈을 포함하는 석탄 화력 발전에서는, 종래부터 고효율화가 진행되어 오고 있고, 현재에는 일반적으로 600℃급 이하의 증기 조건에서 발전이 행해지고, 터빈 로터, 동익(moving blade) 등의 주요 부재에는 상기 증기 온도에 대한 내열성을 갖는 12Cr강 등의 고크롬강(페라이트계 내열강)이 사용되고 있다.
또한 최근, CO2 배출량 삭감과, 가일층의 열효율 향상을 위해, 700℃급의 증기 조건을 채용한 발전 기술이 요구되고 있지만, 700℃급의 증기 조건을 채용하면 상기 12Cr강 등의 고크롬강(페라이트계 내열강)에서는 강도 부족으로 된다.
따라서, 터빈 로터의 재료로서, 더 높은 고온 강도를 갖는 Ni기 합금을 적용하는 것이 고려되지만, Ni기 합금은 대형 강괴의 제조가 어렵기 때문에 터빈 로터의 대형화가 어렵고, 또한 매우 고가이므로, Ni기 합금만을 사용하여 터빈 로터를 제조하는 것은 현실적이지 않다.
따라서, 특허 문헌 1(일본 특허 출원 공개 제2008-88525호 공보)에는 Ni기 합금으로 구성하는 것이 필수인 부위에만 Ni기 합금을 사용하고, 그 이외의 부위는 철강 재료로 구성한 터빈 로터로서, 650℃ 이상의 고온 증기가 도입되는 증기 터빈에 구비되는 터빈 로터이며, 상기 터빈 로터가, 증기 온도에 따라서 Ni기 합금으로 이루어지는 부분과 CrMoV강으로 이루어지는 부분으로 분할된 부위를 각각 용착에 의해 연결하여 구성되고, 상기 Ni기 합금으로 이루어지는 부분과 상기 CrMoV강으로 이루어지는 부분의 연결부 및 상기 CrMoV강으로 이루어지는 부분의 증기 온도가 580℃ 이하로 유지되는 터빈 로터가 개시되어 있다. 또한, CrMoV강으로서는, Cr이 중량％로 0.85 내지 2.5％ 함유되는 저CrMoV강을 들 수 있다.
그러나, 특허 문헌 1에 개시된 기술에 있어서는, CrMoV강으로서 Cr이 중량％로 0.85 내지 2.5％ 함유되는 저CrMoV강을 들고 있고, 상기 저CrMoV강에서는 Ni기 합금으로 구성되는 부위 이외의 부위에 있어서 내열성이 부족한 것이 예상된다. 또한, 특허 문헌 1에 개시된 기술에 있어서의 저CrMoV강을 단순히 고Cr강으로 치환하면, Ni기 합금과 고Cr강의 선팽창 계수의 차가 커서 용접 접합부에 가해지는 열응력이 커져, 용접 접합부에서의 강도를 유지하는 것이 곤란해진다.
[특허문헌1]일본특허출원공개제2008-88525호공보
따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제를 감안하여, Ni기 합금과 12Cr강 등의 다른 내열성 철강 재료를 용접에 의해 접합해도, 상기 접합부에 있어서의 강도를 유지할 수 있고, 700℃급의 증기 조건에서도 채용 가능한 터빈 로터 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에 있어서는,
증기 또는 연소 가스가 작동 유체로서 도입되는 회전 기기에 구비되고, 통과하는 작동 유체 온도에 따라서 상이한 강도의 복수의 부재를 용접에 의해 접합한 회전 기기의 로터에 있어서, 실온(「상온」이라고도 함. 이하 동일함.)으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 12.4 × 10-6/℃ 내지 14.5 × 10-6/℃, 바람직하게는 14.0 × 10-6/℃ 이하인 Ni기 합금으로 형성된 제1 부재와, 고크롬강으로 형성된 제2 부재를 용접에 의해 접합함으로써 구성되고, 상기 작동 유체의 입구에 해당하는 부위를 상기 Ni기 합금으로 형성한 제1 부재로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 용접에 의해 접합하여 구성함으로써, 로터의 대형화에도 대응할 수 있다.
또한, 상기 제1 부재를 실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 12.4 × 10-6/℃ 내지 14.5 × 10-6/℃, 바람직하게는 14.0 × 10-6/℃ 이하인 Ni기 합금으로 형성하고, 상기 제2 부재를 고크롬강으로 형성함으로써, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 선팽창 계수의 차가 작아지므로, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 용접 접합부에 가해지는 열응력도 작아지고, 따라서 상기 용접 접합부에 있어서도 충분한 강도를 유지할 수 있다.
또한, 증기 또는 연소 가스인 작동 유체의 입구에 해당하는 부위를 Ni기 합금으로 형성한 제1 부재로 함으로써 작동 유체의 로터로의 도입 온도와 대략 동일 온도로 되는 고온부에 있어서의 로터의 강도를 유지할 수 있고, 그 밖의 부위(작동 유체의 로터로의 도입 온도 미만의 부위)에 있어서도 고크롬강으로 형성한 제2 부재로 함으로써 충분한 강도를 유지할 수 있다.
본 발명은 작동 유체가 700℃급의 증기라도 적용 가능하다.
또한, 각각 Ni기 합금으로 형성된 적어도 2개의 상기 제1 부재와, 각각 고크롬강으로 형성된 적어도 2개의 상기 제2 부재로 구성되고, 상기 2개 이상의 제1 부재끼리를 용접에 의해 접합하고, 상기 제1 부재끼리가 접합된 부재의 양단부 각각에, 상기 제2 부재를 용접에 의해 접합함으로써 구성되는 것이 바람직하다.
이에 의해, 로터의 가일층의 대형화에 대응할 수 있는 동시에, 로터 설계의 자유도가 높아진다.
또한, 상기 고크롬강으로 형성된 제2 부재의 적어도 일단부측에, 저합금강으로 형성된 제3 부재를 용접에 의해 접합함으로써 구성되는 것이 바람직하다.
저합금강은 통상 로터의 베어링에 사용되는 금속과의 상성이 좋아, 로터의 단부에 저합금강으로 형성된 제3 부재를 용접에 의해 접합함으로써, 로터 단부에 있어서의 베어링과의 접촉부에서 용접 패딩 등의 가공이 불필요해진다.
또한, 실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 12.4 × 10-6/℃ 내지 14.5 × 10-6/℃, 바람직하게는 14.0 × 10-6/℃ 이하를 만족하는 Ni기 합금의 조성으로서, 상기 Ni기 합금이, 중량％로, C : 0.15％ 이하, Si : 1％ 이하, Mn : 1％ 이하, Cr : 5 내지 15％, Mo, W 및 Re의 1종 또는 2종 이상을 Mo＋(W＋Re)/2 : 17 내지 25％, Al : 0.2 내지 2％, Ti : 0.5 내지 4.5％, Fe : 10％ 이하, B : 0.02％ 이하 및 Zr : 0.2％ 이하의 1종 또는 2종을 함유하고, Al＋Ti의 원자％가 2.5 내지 7.0％이고, 잔량부 Ni와 불가피적 불순물로 이루어져 있어도 좋다.
또한, 상기 Ni기 합금이, 중량％로, C : 0.15％ 이하, Si : 1％ 이하, Mn : 1％ 이하, Cr : 5 내지 20％, Mo : 17 내지 26％, Al : 0.1 내지 2.0％, Ti : 0.1 내지 2.0％, Fe : 10％ 이하, B : 0.02％ 이하, Zr : 0.2％ 이하, W 및 Re를 함유하고, 잔량부의 성분은 실질적으로 Ni로 이루어지고, Al＋Ti의 원자％가 1 내지 5.5％이고, 다음식 : 17 ≤ Mo＋(W＋Re)/2 ≤ 27을 만족시켜도 좋다.
또한, 상기 Ni기 합금이, 중량％로, C : 0.15％ 이하, Si : 1％ 이하, Mn : 1％ 이하, Cr : 5 내지 20％, Mo, W 및 Re의 1종 또는 2종 이상을 Mo＋(W＋Re)/2 : 17 내지 27％, Al : 0.1 내지 2％, Ti : 0.1 내지 2％, Nb 및 Ta를 Nb ＋ Ta/2 : 1.5％ 이하, Fe : 10％ 이하, Co : 5％ 이하, B : 0.001 내지 0.02％, Zr : 0.001 내지 0.2％를 함유하고, 잔량부 Ni와 불가피적 불순물로 이루어져 있어도 좋다.
또한, 상기 Ni기 합금이, 중량％로, C : 0.15％ 이하, Si : 1％ 이하, Mn : 1％ 이하, Cr : 5 내지 20％ 미만, Mo, W 및 Re의 1종 또는 2종 이상을 Mo＋(W＋Re)/2 : 5 내지 20％ 미만, W : 10％ 이하, Al : 0.1 내지 2.5％, Ti : 0.10 내지 0.95％, Nb 및 Ta를 Nb＋Ta/2 : 1.5％ 이하, B : 0.001 내지 0.02％, Zr : 0.001 내지 0.2％, Fe : 4％ 이하를 함유하고, Al＋Ti＋Nb＋Ta의 원자％가 2.0 내지 6.5％이고, 잔량부 Ni와 불가피적 불순물로 이루어져 있어도 좋다.
또한, 상기 고크롬강으로서,
상기 고크롬강이, 실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 11.2 × 10-6/℃ 내지 12.4 × 10-6/℃이고, 중량％로, Cr : 7％를 초과 10.0％ 미만, Ni : 1.5％ 이하, V : 0.10％ 내지 0.30％ 이하, Nb : 0.02 내지 0.10％, N : 0.01 내지 0.07％, C : 0.10％ 이상, Si : 0.10％ 이하, Mn : 0.05 내지 1.5％, Al : 0.02％ 이하 및 Mo 및 W를 A(1.75％Mo, 0.0％W), B(1.75％Mo, 0.5％W), C(1.53％Mo, 0.5％W), D(1.3％Mo, 1.0％W), E(2.0％Mo, 1.0％W), F(2.5％Mo, 0.5％W), G(2.5％Mo, 0.0％W), A를 연결하는 직선의 내측(직선을 포함하지 않음)의 양을 함유하고, 잔량부가 철 및 부수적 불순물로 이루어져 있어도 좋다.
또한, 상기 고크롬강이, 선팽창 계수가 11.2 × 10-6/℃ 내지 12.4 × 10-6/℃이고, 중량％로, C : 0.08 내지 0.25％, Si : 0.10％ 이하, Mn : 0.10％ 이하, Ni : 0.05 내지 1.0％, Cr : 10.0 내지 12.5％, Mo : 0.6 내지 1.9％, W : 1.0 내지 1.95％, V : 0.10 내지 0.35％, Nb : 0.02 내지 0.10％, N : 0.01 내지 0.08％, B : 0.001 내지 0.01％, Co : 2.0 내지 8.0％를 함유하고, 잔량부가 철 및 부수적 불순물로 이루어져 있어도 좋다.
또한, 상기 저합금강으로서,
상기 저합금강이, 2.25CrMoV강 또는 CrMoV강인 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 회전 기기의 로터는 상기 Ni기 합금으로 형성된 제1 부재끼리의 용접 접합부에 1차 시효 처리를 실시한 후, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 용접하고, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 열처리를 동일 온도로 동시에 행하여 형성해도 좋다.
상기 제1 부재끼리 및 제1 부재와 제2 부재의 용접부는, 용접한 상태에서는 켄칭 상태로 되어 있어, 용접 접합부의 강도 특성을 확보하기 위해서는 각 접합부에 따른 용접 후 열처리가 필요하다. 또한, Ni기 합금끼리의 용접부, 즉 제1 부재끼리의 용접부에서는 1차 및 2차 시효 처리를 행할 필요가 있고, Ni기 합금과 고크롬강, 즉 제1 부재와 제2 부재의 용접부는 용접 후 열처리를 실시할 필요가 있다. 상기 제1 부재가 Ni기 합금이고, 제2 부재가 고크롬강이면, 상기 2차 시효 처리 조건과 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 열처리 조건은 대략 동일하다.
따라서, 상기 1차 시효 처리를 실시한 후, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 용접하고, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 열처리를 동일 온도에서 동시에 행함으로써, 상기 2차 시효와 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 열처리를 동시에 행할 수 있어 열처리에 걸리는 시간을 단축할 수 있다.
또한, 이때, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부 및 제1 부재와 제2 부재의 용접부에만 국소적으로 열처리를 행하는 것이 아니라, 로터 전체를 열처리하면 잔류 응력의 편차나 변형 방지에도 효과적이다.
또한, 본 발명에 관한 회전 기기의 로터는, 상기 Ni기 합금으로 형성된 제1 부재끼리의 용접 접합부에 1차 시효 처리를 실시한 후, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 용접하고, 또한 상기 제2 부재와 제3 부재를 용접하고, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 처리와, 상기 제2 부재와 제3 부재의 용접부의 용접 후 처리를 동일 온도에서 동시에 행하여 형성해도 좋다.
상기 제1 부재끼리의 용접부의 2차 시효 조건과, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 열처리와, 상기 제2 부재와 제3 부재의 용접부의 용접 후 열처리 조건은 대략 동일하다.
따라서, 상기 Ni기 합금으로 형성된 제1 부재끼리의 용접 접합부에 1차 시효 처리를 실시한 후, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 용접하고, 또한 상기 제2 부재와 제3 부재를 용접하고, 상기 Ni기 합금의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 처리와, 상기 제2 부재와 제3 부재의 용접부의 용접 후 처리를 동일 온도에서 동시에 행함으로써, 상기 2차 시효와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 열처리와, 상기 제2 부재와 제3 부재의 용접부의 용접 후 열처리를 동시에 행할 수 있어 열처리에 걸리는 시간을 단축할 수 있다.
또한, 이때, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부, 제1 부재와 제2 부재의 용접부 및 제2 부재와 제3 부재의 용접부에만 국소적으로 열처리를 행하는 것이 아니라, 로터 전체를 열처리하면 잔류 응력의 편차나 변형 방지에도 효과적이다.
또한, 과제를 해결하기 위한 로터의 제조 방법의 발명으로서,
실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 12.4 × 10-6/℃ 내지 14.5 × 10-6/℃, 바람직하게는 14.0 × 10-6/℃ 이하인 Ni기 합금으로 형성된 적어도 2개의 제1 부재끼리를 용접에 의해 접합하고, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부에 1차 시효 처리를 실시하고, 상기 제1 부재끼리가 접속된 부재의 양단부 각각에 고크롬강으로 형성된 제2 부재를 용접에 의해 접합하고, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 처리를 동일 온도에서 동시에 행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 1차 시효 처리를 700 내지 1000℃에서 행하고, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재 및 제2 부재의 용접부의 용접 후 처리를 600 내지 800℃에서 실시하는 것이 바람직하다.
이와 같은 온도 범위에서 열처리를 실시함으로써, 상기 각 용접부에 충분한 강도를 갖게 할 수 있다.
또한, 적어도 2개의 상기 제1 부재끼리를 용접에 의해 접합하고, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부에 1차 시효 처리를 실시하고, 상기 제1 부재끼리가 접속된 부재의 양단부 각각에, 고크롬강으로 형성된 제2 부재를 용접에 의해 접합하고, 상기 제2 부재의 적어도 일단부측에, 저합금강으로 형성된 제3 부재를 용접에 의해 접합하고, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 처리와, 상기 제2 부재와 제3 부재의 용접부의 용접 후 처리를 동일 온도에서 동시에 행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 1차 시효 처리를 700 내지 1000℃에서 행하고, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 처리와, 상기 제2 부재와 제3 부재의 용접부의 용접 후 처리를 600 내지 800℃에서 실시하는 것이 바람직하다.
이와 같은 온도 범위에서 열처리를 실시함으로써, 상기 각 용접부에 충분한 강도를 갖게 할 수 있다.
이상의 기재와 같이 본 발명에 따르면, Ni기 합금과 12Cr강 등의 다른 내열성 철강 재료를 용접에 의해 접합해도, 상기 접합부에 있어서의 강도를 유지할 수 있어, 700℃급의 증기 조건에서도 채용 가능한 터빈 로터 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 관한 터빈 로터의 구성을 모식적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 제1 실시예에 관한 터빈 로터의 제조 공정을 도시한 개략도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 적합한 실시예를 예시적으로 상세하게 설명한다. 단, 본 실시예에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 특별히 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그것으로 한정하는 취지가 아니라, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
(제1 실시예)
도 1은 제1 실시예에 관한 터빈 로터(1)의 구성을 모식적으로 도시한 평면도이다.
(구성)
우선, 도 1을 사용하여 제1 실시예에 관한, 예를 들어 650℃ 이상의 고온 증기가 도입되는 증기 터빈에 사용되는 터빈 로터의 구성에 대해 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 터빈 로터(1)는 2개의 Ni기 합금부(11a, 11b), 2개의 고크롬강부(12a, 12b), 2개의 저크롬강부(13a, 13b)로 구성되어 있다.
2개의 Ni기 합금부(11a와 11b)는 용접에 의해 접합되어 용접 접합부(21)를 형성하고, 2개의 Ni기 합금부(11a, 11b)는 각각 고크롬강부(12a, 12b)와 용접에 의해 접합되어 각각 용접 접합부(22a, 22b)를 형성하고, 또한 고크롬강부(12a, 12b)는 각각 저크롬강부(13a, 13b)와 용접에 의해 접합되어 각각 용접 접합부(23a, 23b)를 형성함으로써, 일단부로부터 저크롬강부(13a), 용접 접합부(23a), 고크롬강부(12a), 용접 접합부(22a), Ni기 합금부(11a), 용접 접합부(21), Ni기 합금부(11b), 용접 접합부(22b), 고크롬강부(12b), 용접 접합부(23b), 저크롬강부(13b)의 순으로 일체화된 터빈 로터(1)를 형성하고 있다.
또한, 상기 Ni기 합금부(11a, 11b) 및 용접 접합부(21)는 650℃ 이상의 온도의 증기에 노출되는 위치에 배치되고, 용접 접합부(22a 및 22b) 및 고크롬강부(12a 및 12b)는 650℃ 이하의 온도의 증기에 노출되는 위치에 배치되고, 전방부 용접 접합부(23a 및 23b) 및 저크롬강(13a 및 13b)은 더욱 낮은 온도의 위치에 배치된다. 이들 배치 온도는 상기 각 부위를 구성하는 재료를 안정적으로 사용 가능한 고온 한계 온도 이하이면 다른 온도로 설정할 수도 있다.
(재료)
다음에, 터빈 로터(1)를 구성하는, Ni기 합금부(11a, 11b), 고크롬강부(12a, 12b), 저크롬강부(13a, 13b)의 재료에 대해 설명한다.
(A) Ni기 합금부
Ni기 합금부는 650℃ 이상이며 바람직하게는 700℃ 정도의 고온이라도 안정적으로 사용 가능한 내열성을 갖고, 실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 12.4 × 10-6/℃ 내지 14.5 × 10-6/℃, 바람직하게는 14.0 × 10-6/℃ 이하인 Ni기 합금으로 형성되어 있다. 상기 범위의 선팽창 계수를 갖는 Ni기 합금을 사용함으로써, Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)의 선팽창 계수의 차가 작아지므로, Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b) 사이의 용접 접합부(22a, 22b)에 가해지는 열응력도 작아지고, 따라서 상기 용접 접합부에 있어서도 충분한 강도를 유지하여, Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)를 접합할 수 있다.
상기 선팽창 계수가 12.4 × 10-6/℃ 내지 14.5 × 10-6/℃, 바람직하게는 14.0 × 10-6/℃ 이하인 Ni기 합금으로서 표 1에 정리한 (1) 내지 (4)의 화학 조성 범위의 재료를 들 수 있다.
또한, Ni기 합금은, (1) 내지 (4)의 범위로 한정되는 것이 아니라, 650℃ 이상의 고온이라도 안정적으로 사용 가능한 내열성을 갖고, 실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 상기한 12.4 × 10-6/℃ 내지 14.5 × 10-6/℃, 바람직하게는 14.0 × 10-6/℃ 이하의 범위의 Ni기 합금이면 다른 조성이라도 좋다.
Figure 112010004173819-pct00001
표 1 중에 있어서의 ％는 중량％를 의미한다.
또한, 표 1 중에 있어서의 (1) 내지 (4)의 조성의 Ni기 합금에는 불가피적 불순물도 포함되지만, 그 함유율은 0％에 가까울수록 바람직하다.
(B) 고크롬강부
고크롬강부는 650℃ 정도의 온도까지 안정적으로 사용 가능한 내열성을 갖고 실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 11.2 × 10-6/℃ 내지 12.4 × 10-6/℃인 고크롬강으로 형성되어 있다. 상기 범위의 선팽창 계수를 갖는 Ni기 합금을 사용함으로써, Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)의 선팽창 계수의 차가 작아지므로, Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b) 사이의 용접 접합부(22a, 22b)에 가해지는 열응력도 작아지고, 따라서 상기 용접 접합부에 있어서도 충분한 강도를 유지하여, Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)를 접합할 수 있다.
상기 선팽창 계수가 11.2 × 10-6/℃ 내지 12.4 × 10-6/℃인 고크롬강으로서 표 2에 정리한 (5), (6)의 화학 조성 범위의 재료를 들 수 있다.
또한, 고크롬강은 (5), (6)의 범위로 한정되는 것이 아니라, 650℃ 정도의 온도까지 안정적으로 사용 가능한 내열성을 갖고, 실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 상기한 11.2 × 10-6/℃ 내지 12.4 × 10-6/℃의 범위의 고크롬강이면 다른 조성이라도 좋다.
이와 같은 범위의 고크롬강에는, 일반적으로 터빈 로터에 사용되는 12Cr강도 포함되어 있어, 종래부터 터빈 로터에 사용되고 있는 12Cr강을 고크롬강으로서 사용할 수 있다.
Figure 112010004173819-pct00002
표 2 중에 있어서의 ％는 중량％를 의미한다.
또한, 표 2 중에 있어서의 (5), (6)의 조성의 고크롬강에는 불가피적 불순물도 포함되지만, 그 함유율은 0％에 가까울수록 바람직하다.
(C) 저크롬강부
저크롬강부는 상기 고크롬강부보다도 저온인 저크롬강부가 상승하는 온도까지 안정적으로 사용 가능한 내열성을 갖는 것이면 좋고, 예를 들어 2.25CrMoV강 또는 CrMoV강 등을 들 수 있다.
또한, 저크롬강부는 2.25CrMoV강 또는 CrMoV강으로 한정되는 것이 아니라, 상기 고크롬강부보다도 저온인 저크롬강부가 상승하는 온도라도 안정적으로 사용 가능한 내열성을 갖는 저크롬강이면 다른 조성이라도 좋다.
(제조 방법)
다음에, 도 1 및 도 2를 참조하면서 제1 실시예에 관한 터빈(1)의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 2는 제1 실시예에 관한 터빈(1)의 제조 공정(제조 수순)을 도시한 개략도이다.
도 2에 있어서는 4종류의 제조 공정을 개략도로 도시하고 있고, 제1 제조 공정은 101 → 102 → 103 → 104 → 111 → 112 → 115 → 116 → 117의 공정이고, 제2 제조 공정은 101 → 102 → 103 → 104 → 111 → 112 → 113 → 114의 공정이고, 제3 제조 공정은 101 → 102 → 103 → 104 → 105 → 108 → 109 → 110의 공정이고, 제4 제조 공정은 101 → 102 → 103 → 104 → 105 → 106 → 107이다.
이하에 있어서는 제1 제조 공정으로부터 순서대로 설명해 간다.
(A) 제1 제조 공정
제1 제조 공정에 있어서는, 101에서 우선 Ni기 합금부(11a, 11b)의 용체화 처리를 행한다.
다음에, 102에서 Ni기 합금부끼리를 용접하고, 필요에 따라서 103에서 Ni기 합금끼리의 접합부(21)의 용체화 처리를 실시한다. 계속해서, 104에서 Ni기 합금끼리의 접합부(21)의 1차 시효를 행한다(a). 1차 시효는 700 내지 1000℃의 범위에서 행한다.
104에서 상기 1차 시효가 종료되면, 111에서 계속해서, 1차 시효를 종료한 Ni기 합금끼리의 접합부[21(a)]의 2차 시효를 행한다. 2차 시효는 600 내지 800℃에서 실시한다.
111에서 2차 시효가 종료되면 112에서 Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)를 용접하고(b''), 115에서 상기 용접부(b'')의 열처리를 실시한다. 상기 열처리는 600 내지 800℃에서 실시한다.
115에서 Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)의 용접부(b'')의 열처리가 종료되면, 116에서 고크롬강부(12a, 12b)와 저크롬강부(13a, 13b)를 용접하고(c'''), 117에서 상기 용접부(c''')에 열처리를 실시한다. 상기 열처리는 600 내지 800℃에서 실시한다.
이상의 101로부터 117의 공정에 의해, Ni기 합금끼리의 용접부는 1차 시효(104) 및 2차 시효(111)가 실시되고, Ni기 합금과 고크롬강의 용접부는 용접 후에 열처리(115)가 실시되고, 고크롬강과 저크롬강의 용접부는 용접 후에 열처리(117)가 실시되어, 용접 접합부에도 충분한 강도를 갖게 한 로터를 제조할 수 있다.
(B) 제2 제조 공정
제2 제조 공정은 상기 제1 제조 공정과 도 2에 있어서의 112까지는 동일하므로 그 설명을 생략한다.
112에서 Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)를 용접(b'')하면, 계속해서 113에서 고크롬강부(12a, 12b)와 저크롬강부(13a, 13b)를 용접(c'')한다.
113에서 상기 용접(c'')이 종료되면, 114에서 Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)의 용접부(b'')와 고크롬강부(12a, 12b)와 저크롬강부(13a, 13b)를 용접부(c'')에 열처리를 실시한다. 상기 열처리는 600 내지 800℃에서 실시한다.
이상의 공정에 의해 로터(1)가 제조된다.
제2 제조 공정에 있어서는, Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)의 용접부의 열처리와, 고크롬강부(12a, 12b)와 저크롬강부(13a, 13b)의 용접부의 열처리를 동일한 온도에서 실시할 수 있는 것을 이용하여, 112, 113에서 용접을 실시한 후, 114에서 동시에 열처리를 실시하였다. 이에 의해, 제1 제조 공정보다도 단시간에 터빈 로터(1)의 제조가 가능해진다.
(C) 제3 제조 공정
제3 제조 공정은 상기 제1 및 제2 제조 공정과 도 2에 있어서의 104까지는 동일하므로 그 설명을 생략한다.
104에서 Ni기 합금끼리의 접합부(21)의 1차 시효 처리가 종료되면, 105에서 Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)를 용접(b)한다. 상기 용접이 종료되면 로터 전체에 600 내지 800℃에서 열처리를 실시한다. 이에 의해, Ni기끼리의 접합부(21)의 2단 시효가 성립되는 동시에, Ni기 합금부와 고크롬강부의 용접부의 용접 후의 열처리도 성립된다.
108에서 열처리가 종료되면, 109에서 고크롬강부(12a, 12b)와 저크롬강부(13a, 13b)를 용접(c')하고, 110에서 상기 용접부(c')에 600 내지 800℃에서 열처리를 실시한다.
이상의 공정에 의해 로터(1)가 제조된다.
제3 제조 공정에 있어서는, Ni기 합금부끼리의 접합부의 2차 시효와, Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)의 용접부의 열처리를 동일한 온도에서 실시할 수 있는 것을 이용하여, 상기 2차 시효와 열처리를 108에서 동시에 실시하였다. 이에 의해, 제1 제조 공정보다도 단시간에 터빈 로터(1)의 제조가 가능해지는 동시에, 108에서 로터 전체를 열처리함으로써 잔류 응력의 편차나 변형 방지에도 효과적이다.
(D) 제4 제조 공정
제4 제조 공정은 상기 제3 제조 공정과 도 2에 있어서의 105까지는 동일하므로 그 설명을 생략한다.
105에서 Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)를 용접(b)하면, 계속해서 106에서 고크롬강부(12a, 12b)와 저크롬강부(13a, 13b)를 용접(c)한다. 상기 용접이 종료되면 로터 전체에 600 내지 800℃에서 열처리를 실시한다. 이에 의해 Ni기끼리의 접합부(21)의 2단 시효가 성립되는 동시에, Ni기 합금부와 고크롬강부의 용접부의 용접 후의 열처리도 성립되고, 또한 고크롬강부와 저크롬강부의 용접부의 용접 후의 열처리도 성립된다.
이상의 공정에 의해 로터(1)가 제조된다.
제4 제조 공정에 있어서는, Ni기 합금부끼리의 접합부의 2차 시효와, Ni기 합금부(11a, 11b)와 고크롬강부(12a, 12b)의 용접부의 열처리와, 고크롬강부(12a, 12b)와 저크롬강부(13a, 13b)의 용접부의 열처리를 동일한 온도에서 실시할 수 있는 것을 이용하여, 상기 2차 시효와 열처리를 107에서 동시에 실시하였다. 이에 의해, 제1 내지 제3 제조 공정 중의 어느 제조 공정보다도 단시간에 터빈 로터(1)의 제조가 가능해지는 동시에, 107에서 로터 전체를 열처리함으로써 잔류 응력의 편차나 변형 방지에도 효과적이다.
Ni기 합금과 12Cr강 등의 다른 내열성 철강 재료를 용접에 의해 접합해도, 상기 접합부에 있어서의 강도를 유지할 수 있고, 700℃급의 증기 조건에서도 채용 가능한 터빈 로터 및 그 제조 방법으로서 이용할 수 있다.

Claims (16)

  1. 증기 또는 연소 가스가 작동 유체로서 도입되는 회전 기기에 구비되어, 통과하는 작동 유체 온도에 따라서 상이한 강도의 복수의 부재를 용접에 의해 접합한 회전 기기의 로터에 있어서,
    실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 12.4 × 10-6/℃ 내지 14.5 × 10-6/℃인 Ni기 합금으로 형성된 적어도 2개의 제1 부재와, 고크롬강으로 형성된 적어도 2개의 제2 부재로 구성되고,
    상기 2개 이상의 제1 부재끼리를 용접에 의해 접합하고,
    상기 제1 부재끼리가 접합된 부재의 양단부 각각에, 상기 제2 부재를 용접에 의해 접합하는 동시에,
    상기 작동 유체의 입구에 해당하는 부위를 상기 Ni기 합금으로 형성한 제1 부재로 하고,
    또한, 상기 Ni기 합금으로 형성된 제1 부재끼리의 용접 접합부에 1차 시효 처리를 실시한 후, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 용접하고, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 열처리를 동일 온도에서 동시에 행하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 Ni기 합금이, 중량％로, C : 0.15％ 이하, Si : 1％ 이하, Mn : 1％ 이하, Cr : 5 내지 15％, Mo, W 및 Re의 1종 또는 2종 이상을 Mo＋(W＋Re)/2 : 17 초과 내지 25％, Al : 0.2 내지 2％, Ti : 0.5 내지 4.5％, Fe : 10％ 이하, B : 0.02％ 이하 및 Zr : 0.2％ 이하의 1종 또는 2종을 함유하고, Al＋Ti의 원자％가 2.5 내지 7.0％이고, 잔량부 Ni와 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 Ni기 합금이, 중량％로, C : 0.15％ 이하, Si : 1％ 이하, Mn : 1％ 이하, Cr : 5 내지 20％, Mo : 17 내지 26％, Al : 0.1 내지 2.0％, Ti : 0.1 내지 2.0％, Fe : 10％ 이하, B : 0.02％ 이하, Zr : 0.2％ 이하, W 및 Re를 함유하고, 잔량부의 성분은 실질적으로 Ni로 이루어지고, Al＋Ti의 원자％가 1 내지 5.5％이고, 다음식 :
    17 ≤ Mo＋(W＋Re)/2 ≤ 27
    을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 Ni기 합금이, 중량％로, C : 0.15％ 이하, Si : 1％ 이하, Mn : 1％ 이하, Cr : 5 내지 20％, Mo, W 및 Re의 1종 또는 2종 이상을 Mo＋(W＋Re)/2 : 17 내지 27％, Al : 0.1 내지 2％, Ti : 0.1 내지 2％, Nb 및 Ta를 Nb＋Ta/2 : 1.5％ 이하, Fe : 10％ 이하, Co : 5％ 이하, B : 0.001 내지 0.02％, Zr : 0.001 내지 0.2％를 함유하고, 잔량부 Ni와 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 Ni기 합금이, 중량％로, C : 0.15％ 이하, Si : 1％ 이하, Mn : 1％ 이하, Cr : 5 내지 20％ 미만, Mo, W 및 Re의 1종 또는 2종 이상을 Mo＋(W＋Re)/2 : 5 내지 20％ 미만, W : 10％ 이하, Al : 0.1 내지 2.5％, Ti : 0.10 내지 0.95％, Nb 및 Ta를 Nb＋Ta/2 : 1.5％ 이하, B : 0.001 내지 0.02％, Zr : 0.001 내지 0.2％, Fe : 4％ 이하를 함유하고, Al＋Ti＋Nb＋Ta의 원자％가 2.0 내지 6.5％이고, 잔량부 Ni와 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고크롬강이, 실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 11.2 × 10-6/℃ 내지 12.4 × 10-6/℃이고, 중량％로, Cr : 7％를 초과 10.0％ 미만, Ni : 1.5％ 이하, V : 0.10％ 내지 0.30％ 이하, Nb : 0.02 내지 0.10％, N : 0.01 내지 0.07％, C : 0.10％ 이상, Si : 0.10％ 이하, Mn : 0.05 내지 1.5％, Al : 0.02％ 이하 및 Mo 및 W를 A(1.75％ Mo, 0.0％ W), B(1.75％ Mo, 0.5％ W), C(1.53％ Mo, 0.5％ W), D(1.3％ Mo, 1.0％ W), E(2.0％ Mo, 1.0％ W), F(2.5％ Mo, 0.5％ W), G(2.5％ Mo, 0.0％ W), A를 연결하는 직선의 내측(직선을 포함하지 않음)의 양을 함유하고, 잔량부가 철 및 부수적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고크롬강이, 실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 11.2 ×10-6/℃ 내지 12.4 × 10-6/℃이고, 중량％로, C : 0.08 내지 0.25％, Si : 0.10％ 이하, Mn : 0.10％ 이하, Ni : 0.05 내지 1.0％, Cr : 10.0 내지 12.5％, Mo : 0.6 내지 1.9％, W : 1.0 내지 1.95％, V : 0.10 내지 0.35％, Nb : 0.02 내지 0.10％, N : 0.01 내지 0.08％, B : 0.001 내지 0.01％, Co : 2.0 내지 8.0％를 함유하고, 잔량부가 철 및 부수적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터.
  8. 증기 또는 연소 가스가 작동 유체로서 도입되는 회전 기기에 구비되어, 통과하는 작동 유체 온도에 따라서 상이한 강도의 복수의 부재를 용접에 의해 접합한 회전 기기의 로터에 있어서,
    실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 12.4 × 10-6/℃ 내지 14.5 × 10-6/℃인 Ni기 합금으로 형성된 제1 부재와, 고크롬강으로 형성된 제2 부재를 용접에 의해 접합함으로써 구성되고,
    상기 작동 유체의 입구에 해당하는 부위를 상기 Ni기 합금으로 형성한 제1 부재로 구성하는 동시에,
    상기 고크롬강으로 형성된 제2 부재의 적어도 일단부측에, 저합금강으로 형성된 제3 부재를 용접에 의해 접합하고,
    상기 Ni기 합금으로 형성된 제1 부재끼리의 용접 접합부에 1차 시효 처리를 실시한 후, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 용접하고, 또한 상기 제2 부재와 제3 부재를 용접하고, 상기 Ni기 합금의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 처리와, 상기 제2 부재와 제3 부재의 용접부의 용접 후 처리를 동일 온도에서 동시에 행하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 저합금강이 2.25CrMoV강 또는 CrMoV강인 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터.
  10. 실온으로부터 700℃까지의 평균 선팽창 계수가 12.4 × 10-6/℃ 내지 14.5 × 10-6/℃인 Ni기 합금으로 형성된 적어도 2개의 제1 부재끼리를 용접에 의해 접합하고,
    상기 제1 부재끼리의 용접 접합부에 1차 시효 처리를 실시하고,
    상기 제1 부재끼리가 접속된 부재의 양단부 각각에 고크롬강으로 형성된 제2 부재를 용접에 의해 접합하고,
    상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 처리를 동일 온도에서 동시에 행하는 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 1차 시효 처리를 700 내지 1000℃에서 행하고, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 처리를 600 내지 800℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 적어도 2개의 상기 제1 부재끼리를 용접에 의해 접합하고,
    상기 제1 부재끼리의 용접 접합부에 1차 시효 처리를 실시하고,
    상기 제1 부재끼리가 접속된 부재의 양단부 각각에, 고크롬강으로 형성된 제2 부재를 용접에 의해 접합하고,
    상기 제2 부재의 적어도 일단부측에, 저합금강으로 형성된 제3 부재를 용접에 의해 접합하고,
    상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 처리와, 상기 제2 부재와 제3 부재의 용접부의 용접 후 처리를 동일 온도에서 동시에 행하는 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 1차 시효 처리를 700 내지 1000℃에서 행하고, 상기 제1 부재끼리의 용접 접합부의 2차 시효 처리와, 상기 제1 부재와 제2 부재의 용접부의 용접 후 처리와, 상기 제2 부재와 제3 부재의 용접부의 용접 후 처리를 600 내지 800℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는, 회전 기기의 로터의 제조 방법.
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