KR20090028400A

KR20090028400A - 증기터빈의 터빈로터용 Ｎｉ기 합금 및 증기터빈의터빈로터

Info

Publication number: KR20090028400A
Application number: KR1020080068137A
Authority: KR
Inventors: 구니요시 네모토; 기요시 이마이; 요메이 요시오카; 마사유키 야마다; 레키 다카쿠; 다케오 스가; 마사후미 후쿠다; 겐이치 오쿠노; 아키히로 다카쿠와
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2009-03-18
Also published as: EP2039789A1; JP2009084684A; CN101386939A; US20090074584A1

Abstract

증기터빈(steam turbine)의 터빈로터(turbine rotor)용 Ni기 합금은, 중량 ％로, C: 0.01∼0.15, Cr: 18∼28, Co: 10∼15, Mo: 8∼12, Al: 1.5∼2, Ti: 0.1∼0.6, B: 0.001∼0.006, Ta: 0.1∼0.7을 함유하고, 잔류부가 Ni 및 불가피적인 불순물로 구성된다. Ni기 합금은 상기한 화학 조성 범위로 구성되기 때문에, 종래의 강철과 같은 단조성(forgeability)을 유지하면서, 기계적 강도가 향상된다.

증기터빈, 터빈로터, Ni기 합금, 단조성, 단조 크랙

Description

증기터빈의 터빈로터용 Ｎｉ기 합금 및 증기터빈의 터빈로터{NICKEL-BASED ALLOY FOR TURBINE ROTOR OF STEAM TURBINE AND TURBINE ROTOR OF STEAM TURBINE}

본 발명은 고온의 증기가 작동 유체(working fluid)로서 유입하는 증기터빈의 터빈로터(turbine rotor)를 구성하는 재료에 관한 것이며, 특히 고온 강도 등이 우수한 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금(nickel-based alloy), 및 이 Ni기 합금으로 구성되는 증기터빈의 터빈로터에 관한 것이다.

증기터빈을 포함하는 화력 플랜트에서, 지구 환경 보호의 관점으로부터 이산화탄소의 배출량을 억제하는 기술이 주목받고 있으며, 전력 생성의 고효율화에 대한 요구가 증가하고 있다.

증기터빈의 전력 생성 효율을 높이기 위해서는 터빈 증기의 온도를 높게 하는 것이 효과적이며, 최근의 증기터빈을 포함하는 화력 생성 플랜트에서는 증기 온도를 600℃ 이상까지 증가시킨다. 앞으로는, 650℃ 나아가 700℃까지 증가시킬 경향이다.

고온의 증기를 받아서 회전하는 로터 블레이드를 지지하는 터빈로터에서는, 고온의 증기가 그 주위로 회류하여 고온이 되고, 회전에 의해 높은 응력이 발생한 다. 따라서, 터빈로터가 고온, 고응력에 견딜 필요가 있고, 실온에서 고온까지의 영역에서 높은 강도, 연성, 인성(toughness)을 갖는 재료가 터빈로터를 구성하는 재료로서 요구된다.

특히, 증기 온도가 700℃를 넘을 경우에, 종래의 철-베이스 재료는 고온 강도가 부족하기 때문에, 예를 들면 일본국 특허공개 평7-150277호 공보에서 니켈-베이스 합금의 적용이 연구되고 있다.

Ni기 합금은 고온 강도 및 내식성에 뛰어나기 때문에, 주로 젯트 엔진이나 가스 터빈의 재료로서 널리 적용되어 왔다. 그 대표적인 예로서, 인코넬 617 합금(Special Metal Corporation 제조)과, 인코넬 706 합금(Special Metal Corporation 제조)이 사용되고 있다.

Ni기 합금의 고온 강도를 강화하는 메커니즘으로서, Al 또는 Ti를 첨가함으로써 Ni기 합금의 모상(母相) 재료 내에 감마 프라임상(Ni₃(Al, Ti)), 또는 감마 더블 프라임상이라 불리는 석출상(precipitation phase)이 형성되어, 이들 양쪽 상을 석출함으로써 고온 강도를 확보하는 것이 있다. 예를 들면, 감마 프라임상 및 감마 더블 프라임상의 양쪽 상을 석출함으로써 고온 강도를 확보하는 재료로서 인코넬 607 합금을 들 수 있다.

한편, 인코넬 617 합금과 같이, Co, Mo를 첨가함으로써, Ni기의 모상을 강화(고용 강화)시킴으로써, 고온 강도를 확보하는 것도 있다.

상기한 바와 같이, 온도가 700℃를 넘는 증기터빈의 터빈로터의 재료로서, Ni기 합금의 적용이 연구되고 있지만, 고온 강도를 더 향상시킬 여지가 있다고 여겨진다. 게다가, 상기 Ni기 합금의 고온 강도는 Ni기 합금의 단조성, 용접성(welding property) 등을 유지하면서, 조성 개량 등에 의해 향상되는 것이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 단조성과 같은 가공성을 유지하면서, 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금, 및 이 Ni기 합금에 의해 구성되는 증기터빈의 터빈로터를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 중량 ％로, C: 0.01∼0.15, Cr: 18∼28, Co: 10∼15, Mo: 8∼12, Al: 1.5∼2, Ti: 0.1∼0.6, B: 0.001∼0.006, Ta: 0.1∼0.7을 함유하고, 잔류부가 Ni 및 불가피적 불순물로 구성되는 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금이 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 중량 ％로, C: 0.01∼0.15, Cr: 18∼28, Co: 10∼15, Mo: 8∼12, Al: 1.5∼2, Ti: 0.1∼0.6, B: 0.001∼0.006, Nb: 0.1∼0.4를 함유하고, 잔류부가 Ni 및 불가피적 불순물로 구성되는 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금이 제공된다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 중량 ％로, C: 0.01∼0.15, Cr: 18 ∼28, Co: 10∼15, Mo: 8∼12, Al: 1.5∼2, Ti: 0.1∼0.6, B: 0.001∼0.006, Ta+2Nb: 0.1∼0.7을 함유하고, 잔류부가 Ni 및 불가피적 불순물로 구성되는 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금이 제공된다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 증기터빈의 터빈로터는 고온 증기가 유입되는 증기터빈을 통하여 설치되며, 적어도 소정 부위가 상술한 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금으로 구성되는 증기터빈의 터빈로터가 제공된다.

본 발명에 의하면, 단조성 등의 가공성을 유지하면서, 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금 및 이 Ni기 합금으로 이루어지는 증기터빈의 터빈로터를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 관하여 설명한다.

본 발명에 따른 Ni기 합금은 이하에 나타내는 조성 성분 범위에서 구성된다. 또한, 이하의 설명에서 조성 성분을 나타내는 "％"는 특별히 명기하지 않는 한 "중량 ％"를 의미한다.

(M1) C: 0.01∼0.15％, Cr: 18∼28％, Co: 10∼15％, Mo: 8∼12％, Al: 1.5∼2％, Ti: 0.1∼0.6％, B: 0.001∼0.006％, Ta: 0.1∼0.7％를 함유하고, 잔류부가 Ni 및 불가피적 불순물로 구성되는 Ni기 합금.

(M2) C: 0.01∼0.15％, Cr: 18∼28％, Co: 10∼15％, Mo: 8∼12％, Al: 1.5∼2％, Ti: 0.1∼0.6％, B: 0.001∼0.006％, Nb: 0.1∼0.4％를 함유하고, 잔류부가 Ni 및 불가피적 불순물로 구성되는 Ni기 합금.

(M3) C: 0.01∼0.15％, Cr: 18∼28％, Co: 10∼15％, Mo: 8∼12％, Al: 1.5∼2％, Ti: 0.1∼0.6％, B: 0.001∼0.006％, Ta+2Nb: 0.1∼0.7％를 함유하고, 잔류부가 Ni 및 불가피적 불순물로 구성되는 Ni기 합금.

여기에서, 상술한 (M1)∼(M3)의 Ni기 합금에서의 불가피적 불순물에서, 그 불가피적 불순물 중 적어도 Si가 0.1 이하, Mn이 0.1 이하로 억제되어 있는 것이 바람직하다.

상술한 조성 성분 범위 내에서 Ni기 합금은, 운전시의 온도가 680∼750℃가 되는 증기터빈의 터빈로터를 구성하는 재료로서 적합하다. 여기에서, 증기터빈의 터빈로터의 모든 부위를 Ni기 합금으로 구성하거나, 특히 고온이 되는 증기터빈의 터빈로터의 일부 부위를 Ni기 합금으로 구성하여도 좋다, 여기서, 더 상세하게는 고온이 되는 증기터빈의 터빈로터의 일부로서, 고압 증기터빈부의 모든 영역, 고압 증기터빈부에서 중압 증기터빈부의 일부분까지의 영역 등을 들 수 있다.

또한, 상술한 조성 성분 범위 내에서 Ni기 합금은, 종래의 Ni기 합금에서의 단조성 등의 가공성을 유지하면서, 고온 강도를 포함하는 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 즉, 증기터빈의 터빈로터를 Ni기 합금을 이용하여 구성함으로써, 터빈로터의 고온 강도를 향상시킬 수 있고, 고온 환경하에서도 높은 신뢰성을 갖는 터빈로터를 제작할 수 있다. 또한, 증기터빈의 터빈로터를 제작할 때, 종래의 Ni기 합금의 가공성을 유지할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 상술한 Ni기 합금에서의 각 조성 성분 범위의 한 정 이유를 설명한다.

(1) C(카본)

C는 강화 상(strengthened phase)인 M₂₃C₆형 탄화물의 구성 원소로서 유용하고, 특히 650℃ 이상의 고온 환경하에서는 증기터빈의 운전 중에 M₂₃C₆형 탄화물을 석출시키는 것이 합금의 크리프 강도(creep strength)를 유지시키는 요인의 하나이다. 또한, 주조시의 용융 금속의 유동성을 확보하는 효과도 있다. C의 함유율이 0.01％ 미만인 경우에는, 탄화물의 충분한 석출량을 확보할 수 없고, 주조시의 용융 금속의 유동성이 현저하게 감소한다. 한편, C의 함유율이 0.15％를 넘는 경우에는, 대형 주괴(ingot)의 제작 시에 성분 편석(component segregation) 경향이 증가하고, 취화 상(embrittlement phase)인 M₆C형 탄화물의 생성이 촉진된다. 따라서, C의 함유율이 0.01∼0.15％로 설정한다.

(2) Cr(크롬)

Cr은 Ni기 합금의 내산화성, 내식성 및 기계적 강도를 강화시키기 위한 필수 원소이다. 또한, M₂₃C₆형 탄화물의 구성 원소로서 불가결하고, 특히 650℃ 이상의 고온 환경하에서는 증기터빈의 운전 중에 M₂₃C₆형 탄화물을 석출시킴으로써, 합금의 크리프 강도가 유지된다. 또한, Cr은 고온 증기 환경하에서 내산화성을 증가시킨다. Cr의 함유율이 18％ 미만의 경우에는, 내산화성이 저하한다. 한편, Cr의 함유율이 28％를 넘는 경우에는, M₂₃C₆형 탄화물의 석출을 현저하게 촉진시킴으로써 조대화(coarse) 경향이 높아진다. 따라서, Cr의 함유율이 18∼28％로 설정한다.

(3) Co(코발트)

Co는 Ni기 합금에서, 모상 내에 고용(solid-solving)함으로써 모상을 강화한다. 그러나, Co의 함유율이 15％를 넘는 경우에는, 기계적 강도를 저하시키는 금속간 화합물상이 생성되고, 단조성이 저하한다. 한편, Co의 함유율이 10％ 미만의 경우에는, 가공성이 저하하고 또한 기계적 강도가 저하한다. 따라서, Co의 함유율은 10∼15％로 설정한다.

(4) Mo(몰리브덴)

Mo는 Ni 모상 내에 고용함으로써 모상의 강도를 강화하는 효과를 갖는다. 또한, Mo의 일부가 M₂₃C₆형 탄화물에 치환됨으로써, 탄화물의 안정성을 높인다. Mo의 함유율이 8％ 미만의 경우에는, 상기 효과가 나타나지 않고, Mo의 함유율이 12％를 넘는 경우에는, 대형 주괴 제작시에 성분 편석 경향이 증가하는 동시에, 취화 상인 M₆C형 탄화물의 생성을 촉진한다. 따라서, Mo의 함유율은 8∼12％로 설정한다.

(5) Al(알루미늄)

Al은 Ni와 함께 γ'(감마 프라임: Ni₃Al)상을 생성하고, 석출에 의해 Ni기 합금의 기계적 강도를 향상시킨다. Al의 함유율이 1.5％ 미만의 경우에는, 기계적 강도와 단조성이 모두 종래의 강철과 비교하여 향상되지 않으며, Al의 함유율이 2％를 넘는 경우에는, 기계적 강도는 향상하지만 단조성이 저하한다. 따라서, Al의 함유율은 1.5∼2％로 설정한다.

(6) Ti(티타늄)

Ti는 Al과 같이, Ni와 함께 γ'(감마 프라임: Ni₃Al)상을 생성하고, Ni기 합금의 기계적 강도를 향상시킨다. Ti의 함유량이 0.1％ 미만인 경우에는, 상술한 효과가 나타나지 않고, Ti의 함유량이 0.6％를 넘는 경우에는, 열가공성과 단조성이 저하하고 노치 감수성(notch sensitivity)이 증가한다. 따라서, Ti의 함유량은 0.1∼0.6％로 설정한다.

(7) B(붕소)

B는 Ni 모상 중에서 석출함으로써 모상의 강도를 강화시키는 효과를 갖는다. B의 함유량이 0.001％ 미만의 경우에는, 상술한 효과가 나타나지 않고, B의 함유량이 0.006％를 넘는 경우에는, 입계 취화를 초래할 수 있다. 따라서, B의 함유량은 0.001∼0.006％로 설정한다.

(8) Ta(탄탈)

Ta는 γ'(감마 프라임: Ni₃Al) 상에 고용되어 강도를 강화하고 석출 강도를 안정시킨다. Ta의 함유율이 0.1％ 미만의 경우에는, 상술한 효과 면에서 종래의 강철과 비교하여 향상되지 않고, Ta의 함유율이 0.7％를 넘는 경우에는, 일반적으로 기계적 강도가 향상되지만 단조성이 저하한다. 따라서, Ta의 함유율은 0.1∼0.7％로 설정한다.

(9) Nb(니오브)

Nb는 Ta와 같이, γ'(감마 프라임: Ni₃Al) 상에 고용하여 강도를 강화하고 석출 강도를 안정시킨다. Nb의 함유율이 0.1％ 미만의 경우에는, 상술한 효과 면에서 종래의 강철과 비교하여 향상되지 않고, Nb의 함유율이 0.4％를 넘는 경우에는, 일반적으로 기계적 강도는 향상되지만 단조성이 저하한다. 따라서, Nb의 함유율은 0.1∼0.4％로 설정한다.

또한, 상술한 Ta와 Nb 모두를 함유하고, (Ta+2Nb)를 그 함유율이 0.1∼0.7％의 범위 내에서 함유함으로써, γ'(감마 프라임: Ni₃Al) 상에 고용하여 강도를 높이고 석출 강도를 안정시킨다. (Ta+2Nb)의 함유율이 0.1％ 미만의 경우에는, 상술한 효과 면에서 종래의 강철과 비교하여 향상되지 않고, (Ta+2Nb)의 함유율이 0.7％를 넘는 경우에는, 기계적 강도는 향상되지만 단조성이 저하한다. 또한, 이 경우 Ta 및 Nb는 각각 적어도 0.01％ 이상이 함유된다. Nb의 비중은 Ta의 약 1/2(Ta의 비중: 16.6, Nb의 비중: 8.57)이므로, Ta를 단독으로 첨가할 경우와 비교하여, Ta와 Nb를 복합적으로 첨가함으로써 고용량을 증가시킬 수 있다. 또한, Ta는 전략 물질(strategic material)이므로, 재료 조달이 불안정하다. 그러나, Nb의 매장량은 대략 Ta의 100배이며, 안정적인 공급이 가능하다. Ta의 융점은 Nb보다 높기 때문에(Ta의 융점: 약 3000℃, Nb의 융점: 약 2470℃), 더 고온에서 γ'상이 강화되며, Ta는 내산화성에서 Nb보다 우수하다.

(10) Si(규소) 및 Mn(망간)

Si 및 Mn은 본 발명에 따른 Ni기 합금에서는 불가피적 불순물로 분류된다. 따라서, 가능한 한 그 잔존 함유율을 0％(제로)에 가깝게 하는 것이 바람직하다.

Si는 통상의 강철의 경우에 내식성을 보충하기 위해서 첨가된다. 그러나, Ni기 합금에서는 Cr의 함유율이 많아 충분히 내식성을 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 Ni기 합금에서는 Si의 잔존 함유율을 0.1％ 미만으로 설정하고, 가능한 한 잔존 함유율을 0％(제로)에 가깝게 하는 것이 바람직하다.

Mn은 통상의 강철의 경우에 취성(brittleness)에 기인하는 S(유황)를 MnS로 변환하여 취성을 방지한다. 그러나, Ni기 합금에서의 S의 함유량은 매우 작기 때문에, Mn을 첨가할 필요는 없다. 따라서, 본 발명에 따른 Ni기 합금에서는, Mn의 잔존 함유율을 0.1％ 이하로 설정하고, 가능한 한 그 잔존 함유율을 0％(제로)에 가깝게 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 상술한 Ni기 합금은 진공 유도 용해로에서 Ni기 합금을 구성하는 조성 성분을 용해함으로써 얻어지는 주괴를 침지 처리(soaking process), 단조(forging) 및 용체화 처리(solution treatment)하여 제조된다.

침지 처리에서는 주괴를 1050∼1075℃의 온도 범위에서 5∼6시간 유지하고, 용체화 처리에서는 1100∼1180℃의 온도 범위에서 4∼5시간 유지하는 것이 바람직하다. 여기에서, 용체화 처리 온도는 γ'상 석출물을 균질하게 고용화하기 위해서 행하여진다. γ'상 석출물은 1100℃ 이하의 온도에서 충분하게 고용되지 않고, 1180℃ 이상의 온도에서는 결정립이 조대화되므로 강도가 저하한다. 또한, 단조는 950∼1100℃(재가열 온도 1100℃임)의 온도 범위에서 행하여진다.

또한, 증기터빈의 터빈로터가 본 발명에 따른 Ni기 합금에 의해 구성될 경 우, 예를 들면 하나의 방법(더블 멜트)으로서, 원료를 vacuum induction melting (VIM), electroslag remelting(ESR)을 행하여, 소정의 틀(mold)에 붓는다. 이어서, 단조 처리, 열처리를 행하여 터빈로터를 제작한다. 다른 방법(더블 멜트)으로서, 원료를 vacuum induction melting(VIM), vacuum arc remelting(VAR)을 행하고, 소정의 틀에 붓는다. 이어서, 단조 처리, 열처리를 행하여 터빈로터를 제작한다. 또한, 다른 방법(트리플 멜트)으로서, 원료를 vacuum induction melting (VIM), electroslag remelting(ESR), vacuum arc remelting(VAR)을 행하고, 소정의 틀에 붓는다. 이어서, 단조 처리, 열처리를 행하여 터빈로터를 제작한다. 또한, 상술한 방법에 의해 제조된 터빈로터는 초음파 검사 등이 행하여진다.

이하에, 본 발명의 Ni기 합금이 기계적 강도 및 단조성에 우수하다는 것을 설명한다.

(인장 강도 시험 및 단조성의 평가)

여기에서는, 본 발명의 화학 조성 범위 내의 Ni기 합금이 기계적 강도 및 단조성에 우수하다는 것을 설명한다. 표 1은 인장 강도 시험 및 단조성의 평가에 이용된 시료 1∼시료 28의 화학 조성을 나타낸다. 또한, 시료 1∼시료 6은 본 발명의 화학 조성 범위 내에 있는 Ni기 합금이며, 시료 7∼시료 28은 그 조성이 본 발명의 화학 조성 범위 밖에 있는 Ni기 합금이며, 이들은 비교예이다. 또한, 시료 7은 종래의 강철인 인코넬 617과 동등한 화학 조성을 갖는다.

[표 1]

인장 강도 시험에서, 표 1에 나타낸 화학 조성을 갖는 시료 1∼시료 28의 Ni 기 합금 20kg을 각각 진공 유도 용해로에서 용해하여, 주괴에서 단조강(steel forging)으로 만들고, 단조강으로부터 소정 크기의 시험편을 제작한다. 각 시료에 대하여, 온도가 23℃, 700℃, 800℃에서의 조건 하에서, "JIS(Japanese Industrial Standards) G0567"(철강 및 내열 합금의 고온 인장 시험 방법)에 의거하여 인장 강도 시험을 행하고, 0.2％ 내력을 측정하였다. 여기에서, 인장 강도 시험에서의 온도 조건인 700℃ 및 800℃는 증기터빈의 터빈로터의 일반적인 운전시의 온도 조건 및 거기에 안전율을 포함한 온도를 고려하여 설정하였다.

또한, 각 시료에 대하여, 단조성 평가를 행하였다. 여기에서, 단조성은 단조비(forging ratio)가 3이 될 때까지 단조 처리를 행한 후에, 그 단조비가 3이 될 때, 단조비가 3이 될 때까지의 재가열 횟수 및 단조 크랙의 유무에 의해 평가하였다.

여기서, 단조비는 단조 처리를 행하기 전에 단조 피대상물이 신장(伸張)되는 방향에 수직인 단조 피대상물의 단멱적을, 단조 처리 후에 단조 피대상물이 신장된 방향에 수직인 단조 피대상물의 단멱적으로 나눈 비이다. 또한, 일반적인 단조 처리에서, 단조 피대상물의 온도가 저하했을 때, 즉 단조 피대상물이 경화되기 시작할 때, 단조 피대상물을 재가열함으로써 단조 처리를 반복한다. 재가열 횟수는 단조 처리에서 단조비가 3이 될 때까지 단조 피대상물을 재가열한 횟수이다. 또한, 단조 크랙의 유무는 단조 처리 후의 단조 피대상물이 시각적으로 관찰되고 크랙이 존재하지 않을 때 「없음」으로 표시하고, 또한 단조성이 우수하다는 것을 나타내기 위해 단조성 평가를 "O"으로 표시한다. 반면, 크랙이 있을 때 「있음」으로 표 시하고, 단조성이 떨어지는 것을 나타내기 위해 "X"로 표시한다.

표 2는 0.2％ 내력의 측정 결과 및 단조성의 평가 결과를 나타낸다.

[표 2]

표 2에 나타낸 바와 같이, 시료 1∼시료 6은 각 온도에서 높은 0.2％ 내력 및 우수한 단조성을 갖고, 우수한 단조성을 갖는 종래의 강철과 같은 단조성을 얻을 수 있다는 것이 증명되었다. 0.2％ 내력 치가 높은 이유는, 석출 강화 및 고용 강화가 실현되었기 때문이라고 생각된다. 한편, 예를 들면 시료 18과 시료 20과 같은 종래의 강철에서는 0.2％ 내력 치는 높았지만, 단조성은 떨어진다는 것을 알 수 있다. 상술한 바와 같이, 기계적 강도 및 단조성이 모두 우수한 종래의 강철은 없었다.

(그리블 테스트)

여기에서는, 본 발명의 화학 조성 범위 내의 Ni기 합금이 우수한 열가공성을 갖는다는 것을 설명한다. 또한, 여기에 표 1에 나타낸 시료 1∼시료 7을 사용하여 각 시료에 대해 그리블 테스트(greeble test)를 실행하였다. 여기에서, 시료 1∼시료 6은 본 발명의 화학 조성 범위 내에 있는 Ni기 합금이며, 시료 7은 본 발명의 화학 조성 범위 밖에 있는 Ni기 합금(인코넬 617에 해당)이며, 비교예이다.

표 3은 상술한 각 시료의 그리블 테스트 결과를 나타낸다. 또한, 도 1은 표 3에 나타낸 각 시료의 그리블 테스트 결과를 나타내는 도면이다. 여기에서, 도 1의 세로축에 나타낸 "단면적 감소율"은, 시험 전의 시험편의 단면적에 대하여, 단면적의 비율이 시험 전 시험편의 단면적에서 시험 후(파단(破斷) 후) 시험편의 단면적으로 감소하는 것을 의미한다. 즉, 이 값이 클 경우에는 시료가 우수한 열가공성을 갖는다는 것을 의미한다.

[표 3]

표 3 및 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 화학 조성 범위 내의 Ni기 합금인 시료 1∼시료 6과, 종래 강철의 Ni기 합금인 시료 7 사이에서는 거의 같은 그리블 테스트 결과를 얻을 수 있다. 또한, 단조 온도 범위(약 950∼1100℃)를 포함하는 900∼1300℃의 온도범위에서, 단면적 감소율이 70％ 이상이며, 종래 강철의 Ni기 합금과 같이 양호한 열가공성이 얻어지는 것을 알 수 있다.

(시효 특성)

여기에서는, 본 발명의 화학 조성 범위 내의 Ni기 합금을 소정 시간 동안 고온에서 유지하더라도, 기계적 강도를 유지할 수 있다는 것을 설명한다.

상술한 인장 강도 시험에서 시험편의 제조 방법과 같이, 표 1에 나타낸 화학 소성을 갖는 시료 1∼시료 6의 Ni기 합금 20kg을 각각 진공 유도 용해로에서 용해하고, 주괴에서 단조강으로 만들어서, 이 단조강으로부터 소정 크기의 시험편을 제작한다. 제작한 각 시험편을 750℃에서 2000시간 유지한 후에, 700℃의 온도 조건 하에서,"JIS(Japanese Industrial Standards) G0567"(철강 및 내열 합금의 고온 인장 시험 방법)에 의거하여 인장 강도 시험을 행하고, 0.2％ 내력을 측정한다. 또한, 열처리를 행하기 전에 각 시험편에 대하여 700℃의 조건 하에서 인장 강도 시 험을 행하고, 0.2％ 내력을 측정한다. 여기서, 시험편을 750℃에서 유지하는 이유는 안전 측의 데이터를 얻기 위해서 상술한 터빈로터의 최고 사용 온도를 고려했기 때문이다. 한편, 인장 강도 시험에서의 온도 조건인 700℃는 증기터빈의 터빈로터의 일반적인 운전 시의 온도 조건을 고려하여 설정된다.

표 4는 각 시료에서의 0.2％ 내력의 측정 결과를 나타낸다.

[표 4]

표 4에 나타낸 바와 같이, 열처리 후의 시험편에서 0.2％ 내력은 약간 저하하지만, 열처리 전의 기계적 강도가 거의 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서, 상술한 결과로부터 시간에 따른 구조 변화는 거의 없다고 생각된다.

이상, 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 이하의 청구범위를 벗어나지 않는 범위에서 모든 변형 변경이 가능하다.

도 1은 각 시료에서 그리블 시험(greeble test) 결과를 나타내는 도면.

Claims

중량 ％로, C: 0.01∼0.15, Cr: 18∼28, Co: 10∼15, Mo: 8∼12, Al: 1.5∼2, Ti: 0.1∼0.6, B: 0.001∼0.006, Ta: 0.1∼0.7을 함유하고, 그 잔류부가 Ni 및 불가피적 불순물로 구성되는 증기터빈의 터빈로터(turbine rotor)용 Ni기 합금.
중량 ％로, C: 0.01∼0.15, Cr: 18∼28, Co: 10∼15, Mo: 8∼12, Al: 1.5∼2, Ti: 0.1∼0.6, B: 0.001∼0.006, Nb: 0.1∼0.4를 함유하고, 그 잔류부가 Ni 및 불가피적 불순물로 구성되는 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금.
중량 ％로, C: 0.01∼0.15, Cr: 18∼28, Co: 10∼15, Mo: 8∼12, Al: 1.5∼2, Ti: 0.1∼0.6, B: 0.001∼0.006, Ta+2Nb: 0.1∼0.7을 함유하고, 그 잔류부가 Ni 및 불가피적 불순물로 구성되는 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 불가피적 불순물 중에서, 중량 ％로, Si가 0.1 이하로 억제되고, Mn이 0.1 이하로 억제되는 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금.
제 2 항에 있어서,

상기 불가피적 불순물 중에서, 중량 ％로, Si가 0.1 이하로 억제되고, Mn이 0.1 이하로 억제되는 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금.
제 3 항에 있어서,

상기 불가피적 불순물 중에서, 중량 ％로, Si가 0.1 이하로 억제되고, Mn이 0.1 이하로 억제되는 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금.
고온 증기가 유입되는 증기터빈을 통하여 설치되는 증기터빈의 터빈로터로서,

적어도 소정 부분이 제 1 항에 기재된 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금으로 구성되는 증기터빈의 터빈로터.
고온 증기가 유입되는 증기터빈을 통하여 설치되는 증기터빈의 터빈로터로서,

적어도 소정 부분이 제 2 항에 기재된 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금으로 구성되는 증기터빈의 터빈로터.
고온 증기가 유입되는 증기터빈을 통하여 설치되는 증기터빈의 터빈로터로서,

적어도 소정 부분이 제 3 항에 기재된 증기터빈의 터빈로터용 Ni기 합금으로 구성되는 증기터빈의 터빈로터.