用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳基合金和使用該鎳基合金的汽輪機的汽輪機轉子的製作方法
2023-05-27 02:55:41
專利名稱：用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳基合金和使用該鎳基合金的汽輪機的汽輪機轉子的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳基合金，和使用該鎳基合金的汽輪機的汽輪機轉子。
背景技術：
在熱電廠中，考慮到保護全球環境，減少二氧化碳排放的技術正獲關注，且對提高 發電效率的需求正在增大。為了增大汽輪機的發電效率，提高汽輪機中的蒸汽溫度是有效 的。在近年來的熱電廠中，汽輪機中的蒸汽溫度增至600°C或更高，預計未來將增至650°C， 並進一步增至700°C以上。在支持通過接受高溫蒸汽而旋轉的轉子葉片的汽輪機轉子附近，高溫蒸汽循環並 增大其溫度，高應力通過旋轉而產生。因此，要求汽輪機的汽輪機轉子承受高溫和高應力， 而作為形成汽輪機轉子的材料，需要在室溫到高溫的區域範圍內具有高強度、延展性、和韌 性的合金。特別當蒸汽溫度超過700°C時，常規的鐵基材料的高溫強度不足，因此考慮使用 鎳(Ni)基合金(參見例如JP-A 7-150277 (KOKAI))。由於其優良的高溫強度和抗腐蝕性， Ni基合金已主要廣泛用作噴氣發動機和燃氣輪機的材料。典型實例包括Inconel 617合 金(由 Special Metals Corporation 製造)禾口 Inconel 706 合金(由 Special Metals Corporation 製造)。關於提高Ni基合金的高溫強度的機理，已知一種機理為通過加入Al和Ti，稱作 Y初相(Ni3(Al，Ti))的沉澱相或Y雙初相(Ni3Nb)沉澱於Ni基合金的母相材料中，或所 述兩相都沉澱於母相材料中，從而保證高溫強度。Inconel 706合金是一個這樣的實例。此外，也已知加入Co、Mo以強化(固溶強化)Ni基的母相以保證高溫強度的Ni基 合金，比如Inconel 617合金。如上所述，關於用於溫度超過700°C的汽輪機的汽輪機轉子材料，已考慮使用高溫 強度高於鐵基材料的Ni基合金，但存在改進組成以滿足Ni基合金的高溫強度、可鍛性和類 似性質，同時保持熱加工性的需求。發明內容本發明的目的在於提供用於汽輪機的汽輪機轉子的M基合金，其在 保持熱加工性的同時具有優良的高溫強度和可鍛性，並提供使用該M基合金的汽輪機的 汽輪機轉子。一方面，根據本發明的用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳基合金含有，按質量計，C 0. 01% 至Ij 0. 15%, Cr 至Ij 28%, Co 至Ij 15%, Mo :8 % 至Ij 12%, Al :0. 5% 到少於 1.5%，Ti :0. 7%到3. 0%，和B:0. 001%到0. 006%，餘量為鎳(Ni)和不可避免的雜質。另一方面，根據本發明的汽輪機的汽輪機轉子是設置用於穿透將高溫蒸汽引入其 中的汽輪機的汽輪機轉子，其中至少預定部分由上述用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳基合金 構成。
圖1是根據本發明實施方案的Ni基合金的結構圖像。圖2是顯示Greeble試驗結果的圖表。圖3是Ni基合金的結構圖像。圖4是Inconel 617合金的結構圖像。
具體實施例方式下面將描述根據本發明用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳(Ni)基合金的實施方案，和由該合金形成的汽輪機的汽輪機轉子。諸如Inconel 706合金和Inconel 617合金的Ni基合金作為汽輪機轉子材料十 分有用。然而，為了進一步增大汽輪機發電設備的效率，要求M基合金具有令人滿意的高 溫強度(高溫下的機械強度)和可鍛性，同時保持熱加工性(拉制或類似性質)。例如，Inconel 617合金是通過加入鈷(Co)和鉬(Mo)作Ni基的母相的固溶強化 而改進的具有高溫強度的合金。然而，為了進一步改進高溫強度，僅固溶強化並不總是足夠 的。因此，本實施方案的用於汽輪機轉子的M基合金在固溶強化之外使用沉澱強化進一步 進行強化。下面將描述該進一步強化的詳情。該實施方案的用於汽輪機的汽輪機轉子基於 Inconel 617的組合物作為典型的Ni基合金，並通過進行加入和調節而改進了高溫下的強 度特性以及可鍛性。常規的Inconel 617合金中的Ti含量約為0. 6質量％，在該含量程度下不能期望 沉澱強化。因此，將Ti含量增至0.7質量％到3.0質量％，以增大被沉澱的γ'相(Y初 相(Ni3(Al，Ti)))的量。Ni基合金的結構圖像顯示於圖3中，其中將Al濃度增至1.6質 量％或更高，將Ti濃度增至0.7質量％或更高，以進一步改進高溫強度。在圖3中，稱作ο 相的損壞相的沉澱通過箭頭所示識別。另外，圖3中顯示的Ni基合金的組成是Ni-1. 8A1-1 .3Ti-23Cr-12Co-9Mo-0. ITa-O. 3Nb (各組分開頭所附的數字表示該組分的含量(質量％ )， 餘量為Ni)。因此，在本發明中，為了防止損壞相的沉澱，將Al濃度調節在0. 5質量％到少 於1.5質量％的範圍內，並按需加入鉭(Ti)和鈮(Nb)，以使γ'相穩定沉澱並改進Y'相 本身的穩定性。從而實現了該M基合金的進一步強化。該實施方案的用於汽輪機的汽輪機轉子的M基合金可按下列方式實施。(合金1)用於汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金，所述合金按質量％計含有C:
0.01% 至Ij 0. 15%, Cr 至Ij 28%, Co 至Ij 15%, Mo :8 % 至Ij 12%, Al :0. 5% 到少於
1.5%, Ti 0. 7%到3. 0%，和B 0. 001%到0. 006%，餘量是Ni和不可避免的雜質。(合金2)用於汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金，所述合金按質量％計含有C:
0.01% 至Ij 0. 15%, Cr 至Ij 28%, Co 至Ij 15%, Mo :8 % 至Ij 12%, Al :0. 5% 到少於
1.5%, Ti 0. 7%至Ij 3. 0%，和 B 0. 001%到 0. 006%，和 Ta 0. 到 0. 7%，餘量是 Ni 和不 可避免的雜質。(合金3)用於汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金，所述合金按質量％計含有C: 0. 01% 至Ij 0. 15%, Cr 至Ij 28%, Co 至Ij 15%, Mo :8 % 至Ij 12%, Al :0. 5% 到少於1. 5%, Ti :0. 7%至Ij 3. 0%，和 B 0. 001%到 0. 006%，和 Nb 0. 到 0. 4%，餘量是 Ni 和不
可避免的雜質。(合金4)用於汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金，所述合金按質量％計含有C:
0.01% 至Ij 0. 15%, Cr 至Ij 28%, Co 至Ij 15%, Mo :8 % 至Ij 12%, Al :0. 5% 到少於
1.5%,Ti 0. 7%到 3· 0%,B 0. 001%到0. 006%,Ta 0. 到0. 7%，和Nb 0. 到0. 4%,
餘量是Ni和不可避免的雜質。(合金5)用於汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金，所述合金按質量％計含有C: 0. 01% 至Ij 0. 15%, Cr 至Ij 28%, Co 至Ij 15%, Mo :8 % 至Ij 12%, Al :0. 5% 到少於 1.5%，Ti :0. 7%到 3. 0%，B:0. 001%到 0. 006%，和 Ta+2Nb(Ta 和 Nb 的摩爾比是 1 2)， 餘量是Ni和不可避免的雜質。注意在下列描述中，表示合金組分的「 ％，，指「質量％ 」，除非另作說明。這裡，在用於汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金中，即上述(合金1)到(合金5) 中，優選地，在不可避免的雜質中，至少將Si含量降至0. 1 %或以下，將Mn含量降至0. 1 % 或以下。下面將描述本實施方案的上述各個用於汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金組合物 中的組分範圍限定的原因。(I)C(碳)C作為用作強化相的M23C6型碳化物的組成成分是有用的，保持合金的蠕變強度的 因素之一是在汽輪機工作時，特別在650°C或以上的高溫環境下工作時，引起M23C6型碳化 物沉澱。此外，它也具有保證澆鑄期間熔融金屬的流動性的效果。當C含量少於0.01% 時，不能保證足夠的碳化物沉澱量。由此，高溫強度降低，澆鑄期間熔融金屬的流動性顯著 降低。另一方面，當C含量超過0. 15%時，生產大錠料時的組分分離趨勢增大，促進作為脆 化相的M6C型碳化物的產生，進一步提高高溫強度，但可鍛性降低。因此，將C含量限制在 0.01%到0. 15%的範圍內。(2) Cr (鉻)Cr是提高鎳基合金的抗氧化性，抗腐蝕性和高溫強度的主要因素。此外，它是M23C6 型碳化物的主要組成成分，通過在汽輪機工作時，特別是在650°C以上的高溫環境下工作 時，使M23C6型碳化物沉澱可以保持合金的蠕變強度。此外，Cr可以增大高溫蒸汽環境下的 抗氧化性。當Cr含量少於18%時，抗氧化性降低。另一方面，當Cr含量超過28%時，由於 顯著促進M23C6型碳化物的沉澱，變粗糙的趨勢提高。因此，將Cr含量限制在18%到28% 的範圍內。(3) Co (鈷)通過固溶進入母相，Co具有強化Ni基合金中的母相的效果。當Co含量少於10% 時，高溫強度降低。另一方面，當Co含量超過15%時，產生損壞的金屬間化合物相，此外可 鍛性降低。因此，將Co含量限制在10%到15%範圍內。(4) Mo(鉬)通過固溶於Ni母相，Mo具有提高母相強度的效果。此外，Mo部分代替M23C6型碳化物，從而可以改進碳化物的穩定性。當Mo含量少於8%時，不顯示上述效果，而當Mo含 量超過12%時，生產大錠料時的組分分離趨勢增大，並促進作為脆化相的M6C型碳化物的產 生。因此，將Mo含量限制在8%到12%範圍內。
(5) Al(鋁)Al和Ni —起產生Y 『相，從而可以通過沉澱改進Ni基合金的強度。當Al含量 少於0. 5%時，高溫強度降低。另一方面，當Al含量是1. 5%或以上時，連同可鍛性的降低 一起，它可促進稱為σ相的脆化相的沉澱。因此，將Al含量限制在0.5%到少於1.5%的 範圍內。(6) Ti(鈦)和Al類似，Ti和Ni —起產生Y 『相，由此可強化Ni基合金。當Ti含量少於 0. 7%時，高溫強度等於常規材料的高溫強度。另一方面，當Ti含量超過3%時，熱加工性 降低，可能造成可鍛性降低和切口敏感性增大。因此，將Ti含量限制在0. 7%到3. 0%範圍 內。(7)Β(硼)B在晶界中被分離以改進高溫特性。當B含量為0.001%或以上時該效果可以顯 示。然而，當B含量超過0.006%時，可造成晶界脆化。因此，將B含量限制在0.001%到 0. 006%範圍內。(8) Ta (鉭)通過固溶於γ 『相內，Ta具有穩定沉澱強化相的效果。當Ta含量少於0. 時， 穩定效果不顯示。另一方面，當Ta含量超過0.7%時，高溫強度提高但可鍛性降低。因此， 將Ta含量限制在0. 到0.7%範圍內。(9) Nb (鈮)和Ta類似，通過固溶於γ 』相內，Nb具有提高高溫強度和穩定沉澱強化相的效 果。當Nb含量少於0. 1 %時，上述效果不顯示，而當Nb含量超過0. 4%時，高溫強度提高但 可鍛性降低。因此，將Nb含量限制在0. 到0.4%範圍內。此外，通過含有(Ta+2Nb)的 含量在0.1%到0.7%範圍內的上述Ta和Nb，它們固溶於γ'相內以提高高溫強度並穩定 沉澱強度。當(Ta+2Nb)的含量少於0.1%時，和常規材料相比看不到上述效果的改進。另 一方面，當(Ta+2Nb)的含量超過0.7%時，高溫強度改進但可鍛性降低。順便提及，在此情 況下，Ta和Nb各含有至少0. 01%或以上。(10) Si (矽)，Mn (錳)，Fe (鐵)，Cu (銅)，和 S (硫)Si，Mn，Fe，Cu，和S歸類為本實施方案的用於汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金中 的雜質。希望這些不可避免的雜質的殘留量儘可能接近於0(零)％。此外，在這些不可避 免的雜質中，優選地，至少各自將Si和Mn抑制於0. 或以下。就普通鋼的情形而言，Mn 通過將促進脆性的S(硫)轉化成MnS而防止脆性。然而，Ni基合金中的S含量很小，不必 加入Mn。因此，在本實施方案的用於汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金中，希望Mn含量是 0. 或以下，且其殘留量儘可能接近0(零)％。就普通鋼的情形而言，加入Si以補償抗腐 蝕性。然而，在Ni基合金中，Cr含量大，抗腐蝕性可充分保證。因此，在本實施方案的用於 汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金中，希望Si含量是0. 或以下，且其殘留量儘可能接近 0(零)％。圖4是常規的Inconel 617合金的結構圖像。圖1 [組成=Ni-O. 05C-1· 15A1-1. 8 Ti-23Cr-12Co-9Mo-0. ITa-O. 3Nb_0. 003B]是本實施方案的用於汽輪機的汽輪機轉子的Ni 基合金之一的結構圖像。如圖1所示，在本實施方案的用於汽輪機的汽輪機轉子的M基合金中，通過上述合金組成範圍，可以使微小的Y'在Y母相中穩定沉澱，如箭頭所示，同時抑制σ相的沉澱。下面將描述本實施方案的用於汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金的優選製造方 法。按照通常的方式將組分作如上所述的調節的合金熔化並澆鑄。然後，對該錠料進行穩 定化處理，普通的熱鍛造，和溶液處理。在熱鍛造後的溶液處理中，希望溫度不低於Y 『相 的熔點且不高於其局部熔化起始溫度。儘管穩定化處理和溶液處理的條件根據合金組成和 被處理物體的尺寸而變化，但穩定化處理可通過在例如1000°C到1250°C的溫度範圍內加 熱3到72小時而進行。另一方面，溶液處理可通過例如在1000°C到1200°C的溫度範圍內 加熱3到24小時並通過此後的淬火而進行。這些處理可以在多個階段中進行。此外，如果 需要，相的早期沉澱可通過在700°C到800°C的溫度範圍內進行老化處理3到24小時 而實現。(高溫強度特性和可製造性的評價)關於Ni基合金的合金組成，高溫強度特性，和可製造性，下面參考表格描述實施 方案。通過在真空感應爐中熔化具有表1所示的化學組成的重20kg的M基合金，從26種 錠料獲得經鍛造的材料。為了評價本實施方案中顯示的各個成分的加入量的範圍，在所述 範圍外調節比較例的21種加入量。剩下五種是實施例。順便提及，比較例1具有和作為常 規材料的Inc0ne1617合金相同的化學組成。表1中的Si，Mn, Fe, Cu，S的混入不可避免。
120mm的直徑和200mm的長度。在1180°C對這些鍛造材料進行穩定化處理六小時，然後立 即進行熱鍛造。熱鍛造持續進行直到其鍛造比變成3。在該鍛造中，測量鍛造材料的溫度， 以便當鍛造材料的溫度降至1000°C時暫停鍛造一次以在1180°C再次加熱。當鍛造比變成3 時，也就是說，每一經鍛造的物體的整個長度變成600mm時，結束鍛造並冷卻材料。此時每 一經鍛造的物體的直徑約為70mm。冷卻後，觀察每一經鍛造的物體的表面以檢查任何鍛裂 的存在。然後，對每一經鍛造的物體進行溶液處理，其中在1170°C將它加熱4小時，然後用 水冷卻。對於溶液處理後的每一經鍛造的物體，在750°C進行老化處理10小時。老化處理 後從每一經鍛造的物品適當地取樣一試件，並對其進行多種試驗。表2顯示了比較例1到 21和實施例1到5在溶液處理和老化處理後從室溫(23°C )到高溫(700°C和800°C )的拉 伸強度試驗結果(0.2%試驗應力)和鍛造狀態。另外，拉伸試驗根據JIS Z 2241(對金屬 材料的拉伸試驗方法)進行。作為溫度條件的700°C和800°C從汽輪機在正常操作的溫度 條件和計算安全係數的溫度的角度而設置。在表2中，「鍛造比」表示「L1/L0」的值，其中 LO和Ll是鍛造前後的長度。「再加熱次數」是在鍛造處理中再加熱被鍛造的物體直到「鍛 造比」變成3的次數。「鍛裂」表示鍛造後目測「鍛裂」的存在的結果，其中「不存在」表示沒 有「鍛裂」，「存在」表示具有鍛裂。「可鍛性」表示評價可鍛性的結果，其中「0」表示經確定 可鍛性良好，「X」表示經確定可鍛性差。[表 2] CE =比較例；E =實施例如表2所示，實施例1到5在各個溫度下具有高的0. 2%試驗應力，由此經證明具 有優良的可鍛性。可見，和比較例相比，實施例因沉澱/固溶強化而同時具有改進的高溫強 度和可鍛性。(Greeble 試驗)表3顯示用於評價表1顯示的比較例1(相當於常規材料Inconel 617)和實 施例1到5的熱加工性的Greeble試驗。Greeble試驗在10 %形變/秒的應變率下於 900°C，1000°C，1100°C，1200°C，和1300°C進行。此外，圖2是顯示錶3中顯示的每個樣品 的Greeble試驗結果的圖表。這裡，圖2的橫軸顯示試驗溫度CC )。縱軸顯示的面積縮小 (拉伸率)表示試件在試驗後(破碎後)的截面面積從試件在試驗前的截面面積減少的量 和試件在試驗前的截面面積的比率。簡而言之，當該值大時，表示試件具有優良的熱加工 性。[表 3] CE =比較例；E =實施例如表3所示，實施例1到5和常規材料相當，其中在屬於鍛造溫度範圍的900°C到 1300°C保證50%以上的拉伸率值。因此發現在製造中不存在問題。通過在上述組合物的組分範圍內組成組合物，本實施方案的用於汽輪機的汽輪機 轉子的Ni基合金可在保持常規Ni基合金的熱加工性的同時實現高溫強度和可鍛性的雙重 改進。因此，作為用於將高溫蒸汽引入其中的汽輪機的汽輪機轉子材料，本實施方案的用於 汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金可在高溫環境下獲得高可靠性。此外，從本實施方案的用於汽輪機的汽輪機轉子的Ni基合金之一可以形成用於 穿透將高溫蒸汽引入其中的汽輪機的汽輪機轉子。具體地，汽輪機的整個汽輪機轉子可由 該Ni基合金形成，或汽輪機的汽輪機轉子承受高溫的特別部分可由該Ni基合金形成。這 裡，汽輪機的汽輪機轉子承受高溫的部分可以具體是高壓汽輪機單元的整個面積，或從高 壓汽輪機單元到中壓汽輪機單元的一部分的面積，和類似面積。通過該汽輪機轉子，即使在 高溫環境下，也可改進高溫強度，並實現高可靠性。應當說明，本發明不局限於上述實施方案，且當然可對其作多種修改。此外，本發明的具體實施方案可在本發明的技術思想範圍內作延伸或修改，這樣的延伸和修改的實施方案也包括在本發明的技術範圍內。
權利要求
用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳基合金，所述鎳基合金按質量％計含有碳(C)0.01％到0.15％；鉻(Cr)18％到28％；鈷(Co)10％到15％；鉬(Mo)8％到12％；鋁(Al)0.5％到少於1.5％；鈦(Ti)0.7％到3.0％；和硼(B)0.001％到0.006％，餘量為鎳(Ni)和不可避免的雜質。
2.根據權利要求1的用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳基合金，按質量計還含有鉭(Ta) 0. 到 0. 7%。
3.根據權利要求1的用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳基合金，按質量計還含有鈮(Nb) 0. 到 0. 4%。
4.根據權利要求2的用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳基合金，按質量計還含有鈮(Nb) 0. 到 0. 4%。
5.根據權利要求1的用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳基合金，按質量計還含有鉭+2鈮 (Ta+2Nb)(鉭和鈮的摩爾比是1 2) 0.1%到0.7%。
6.根據權利要求1的用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳基合金，其中所述不可避免的雜質按質量計包括矽(Si) :0. 或以下和錳(Mn) 0. 或以下。
7.汽輪機轉子，其設置用於穿透將高溫蒸汽引入其中的汽輪機，其中至少預定部分由根據權利要求1的用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳基合金構成。
全文摘要
用於汽輪機的汽輪機轉子的鎳(Ni)基合金，按質量％計含有碳(C)0.01％到0.15％，鉻(Cr)18％到28％，鈷(Co)10％到15％，鉬(Mo)8％到12％，鋁(Al)0.5％到少於1.5％，鈦(Ti)0.7％到3.0％，和硼(B)0.001％到0.006％，餘量為鎳(Ni)和不可避免的雜質。
文檔編號C22C19/05GK101838757SQ20101014475
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月18日 優先權日2009年3月18日
發明者今井潔, 宮下重和, 山田政之, 根本邦義, 池田一隆, 須賀威夫, 高橋武雄 申請人:株式會社東芝