Ni基鑄造合金及以該合金為材料的蒸汽渦輪機用鑄造部件的製作方法

2023-05-03 15:07:51

專利名稱：Ni基鑄造合金及以該合金為材料的蒸汽渦輪機用鑄造部件的製作方法
技術領域：
本發明涉及以高溫、高壓的蒸汽作為工作流體流入的蒸汽渦輪機的渦輪機外殼或閥殼的構成材料，特別涉及高溫強度等優良的蒸汽渦輪機的Ni基鑄造合金及以該合金為材料的蒸汽渦輪機用鑄造部件。
背景技術：
在具備蒸汽渦輪機的火力發電廠，從保護地球環境的角度出發抑制二氧化碳排放量的技術引人注目，此外發電高效率化的需求也在提高。為了提高蒸汽渦輪機的發電效率，有效的方法是使渦輪機蒸汽溫度高溫化，在近年來的具備蒸汽渦輪機的火力發電廠，其蒸汽溫度上升到600°C以上。將來有上升到 650°C、進一步上升到700°C或700°C以上的傾向。一般認為以高溫、高壓的蒸汽作為工作流體流入的蒸汽渦輪機的渦輪機外殼或閥殼是一種高溫壓力容器，其在高溫環境下承受高的內壓。因此，渦輪機外殼或閥殼必須耐高溫、耐高應力，作為構成渦輪機外殼或閥殼的材料，要求在高溫區域具有優良的強度、延性及韌性。此外，由於在高溫下長時間使用，因此還要求具有優良的耐水蒸氣氧化特性。再有，渦輪機外殼或閥殼由於形狀複雜，因此一般多通過鑄造來成型，因而還要求具有儘量不發生鑄造缺陷的良好的鑄造性。在發生鑄造缺陷時，由於需要削去該部分，進行補修焊接，而且通過焊接在渦輪機外殼或閥殼上接合(結構焊接)短管或彎管等，因此焊接性良好的材料也是重要的要素。此外，渦輪機外殼或閥殼在其內部結構中可以在結構上與其它部件組合使用。例如，在渦輪機外殼的內部安裝有通過蒸汽而旋轉的渦輪機轉子、及轉動葉片、噴嘴(靜葉片)、固定螺栓、噴嘴箱等，但是，在渦輪機外殼的熱膨脹係數與這些內部結構部件的熱膨脹係數處於同等水平的情況下，則易於結構設計，即使在長期使用時可靠性也大大提高。此夕卜，在熱膨脹係數低的情況下，作為大型結構件還可使局部產生的熱應力降低，從該觀點考慮，熱膨脹係數與結構設計的容易度和長期可靠性的提高有關。因此，用於渦輪機外殼或閥殼的Ni基鑄造合金要求具有高溫下優良的強度(蠕變斷裂強度)及延性(蠕變斷裂延伸率)、優良的耐水蒸氣氧化特性、優良的焊接性、低熱膨脹係數。現在，作為在蒸汽溫度為700°C或700°C以上的條件下研究了適用性的Ni基鑄造合金，代表性的材料有鎳鉻鐵617合金(Special metals公司制)及鎳鉻鐵625合金 (Special metals公司制)。可是，這些材料雖然蠕變斷裂延伸率、耐水蒸氣氧化特性及焊接性良好，但蠕變斷裂強度不充分，熱膨脹係數也比較高，因此採用此種材料的渦輪機外殼或閥殼在結構設計上具有難度，在高溫下的長期穩定運轉方面還存在較多的課題。
另外，以前提出了使用奧氏體系低熱膨脹M基超合金作為蒸汽渦輪機的螺栓等 (例如參照專利文獻1)。此外，提出了通過比較容易製作大型鍛造件的NiFe基合金，製作可在超過700°C的高溫下使用的蒸汽渦輪機轉子(例如參照專利文獻2)。再有，還提出了使用鍛造性良好、低熱膨脹的奧氏體系M基合金，製作蒸汽渦輪機葉片(例如參照專利文獻3)。但是，在上述技術中沒有考慮到鑄造性及焊接性等。專利文獻1 日本特開2003-13161號公報專利文獻2 日本特開2005-2929號公報專利文獻3 日本專利第3559681號公報

發明內容
如上所述，作為超過700°C的蒸汽渦輪機的渦輪機外殼或閥殼的材料，雖然研究了 Ni基鑄造合金的適用性，但認為還需要進一步提高高溫強度(蠕變斷裂強度)。此外，認為需要將熱膨脹係數也降低到適當的水平。該M基鑄造合金的必要的高溫強度及熱膨脹係數要求在維持Ni基鑄造合金的高溫延性(蠕變斷裂延伸率)及耐水蒸氣氧化特性、焊接性等的同時，通過組成改進等來得到。因而，本發明的目的是，提供一種Ni基鑄造合金及以該合金為材料的蒸汽渦輪機用鑄造部件，該Ni基鑄造合金能夠在維持鑄造性及焊接性等製造性的同時，謀求提高蠕變斷裂強度和熱膨脹係數的最佳化。為達到上述目的，第1發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2,Si 0. 01 l、Mn 0. 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及Re中的1種或2種以上以Mo+(W+Re)/2計8 25，餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第2發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2、 Si 0. 01 l、Mn 0. 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1 種或2種以上以Mo+(W+Re)/2計8 25,Al 0. 1 0. 4,Ti 0. 1 2. 5，餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第3發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C:0.05 0. 2、Si 0. 01 l、Mn 0. 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1 種或 2種以上以Mo+(W+Re)/2計8 25、選自Nb及Ta中的1種或2種以Nb+Ta/2計0. 5 5，餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第4發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2、 Si 0. 01 l、Mn 0. 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1 種或2種以上以Mo+(ff+Re)/2計8 25,B 0. 001 0. 02，餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第5發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2、 Si 0. 01 l、Mn 0. 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1 種或2種以上以Mo+(W+Re)/2計8 25、Zr 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第6發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2、 Si 0. 01 l、Mn 0. 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1種或2種以上以Mo+ (ff+Re) /2計8 25、Al 0. 1 0. 4、Ti 0. 1 2. 5、選自Nb及Ta中的1種或2種以Nb+Ta/2計0. 5 5，餘量為Ni及不可避免的雜質。

此外，第7發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C:0.05 0. 2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1 種或 2 種以上以 Mo+(W+Re)/2 計8 25、Al 0. 1 0. 4、Ti 0. 1 2. 5、B 0. 001 0. 02， 餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第8發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2、 Si 0. 01 l、Mn 0. 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1 種或 2 種以上以 Mo+ (ff+Re)/2 計8 25、A1 0. 1 0. 4,Ti 0. 1 2. 5,Zr 0. 01 0. 2，
餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第9發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C:0.05 0. 2、Si 0. 01 l、Mn 0. 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1 種或 2種以上以Mo+(W+Re)/2計8 25、選自Nb及Ta中的1種或2種以Nb+Ta/2計0. 5 5、B :0. 001 0. 02，餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第10發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2、 Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1種或2種以上以Mo+ (ff+Re)/2計8 25、選自Nb及Ta中的1種或2種以Nb+Ta/2計 0. 5 5、Zr 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第11發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2、 Si 0. 01 l、Mn 0. 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1 種或2種以上以Mo+ (ff+Re) /2計8 25、B 0. 001 0. 02、Zr 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第12發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2、 Si 0. 01 l、Mn 0. 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1 種或2種以上以Mo+ (ff+Re) /2計8 25、Al 0. 1 0. 4、Ti 0. 1 2. 5、選自Nb及Ta中的1種或2種以Nb+Ta/2計0. 5 5、B 0. 001 0. 02，餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第13發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2、 Si 0. 01 l、Mn 0. 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1 種或2種以上以Mo+ (ff+Re) /2計8 25、Al 0. 1 0. 4、Ti 0. 1 2. 5、選自Nb及Ta中的1種或2種以Nb+Ta/2計0. 5 5、& 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第14發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2、 Si 0. 01 l、Mn 0. 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1 種或 2 種以上以 Mo+(W+Re)/2 計8 25,Al 0. 1 0. 4,Ti 0. 1 2. 5、B 0. 001 0. 02、 Zr 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第15發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2、 Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1種或2種以上以Mo+ (ff+Re)/2計8 25、選自Nb及Ta中的1種或2種以Nb+Ta/2計 0. 5 5、B :0. 001 0. 02、Zr 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。此外，第16發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C 0. 05 0. 2、Si :0. Ol l、Mn :0· 01 l、Co 5 20、Fe 10 以下、Cr 15 25、選自 Mo、W 及 Re 中的 1 種或2種以上以Mo+ (ff+Re) /2計8 25、Al 0. 1 0. 4、Ti 0. 1 2. 5、選自Nb及Ta中的1種或2種以Nb+Ta/2計0. 5 5、B 0. 001 0. 02,Zr 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可
避免的雜質。
此外，第17發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於在第2、6、7、8、12、13、14、16發明中的任何一發明中，所述Al的含量以質量％計為0. 2 0. 3。此外，第18發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於在第2、6、7、8、12、13、14、16中的任何一項中，所述Ti的含量以質量％計為0. 5 2. 0。此外，第19發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於在第3、6、9、10、12、13、15、16發明中的任何一發明中，所述選自Nb及Ta中的1種或2種的含量以質量％計且以Nb+Ta/2計為 1. 0 2. 5。此外，第20發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於在第4、7、9、11、12、14、15、16發明中的任何一發明中，所述B的含量以質量％計為0. 002 0. 015。此外，第21發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於在第5、8、10、11、13、14、15、16發明中的任何一發明中，所述ττ的含量以質量％計為0. 02 0. 10。此外，第22發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於在第1 21發明中的任何一發明中，所述Co的含量以質量％計為7 17。此外，第23發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於在第1 22發明中的任何一發明中，所述選自Mo、W及Re中的1種或2種以上的含量以質量％計且以Mo+(W+Re)/2計為 13 20。此外，第24發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於在第1 23發明中的任何一發明中，所述Cr的含量以質量％計為18 23。 此外，第25發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於在第1 24發明中的任何一發明中，所述Fe的含量以質量％計為5以下。此外，第26發明的Ni基鑄造合金，其特徵在於在第1 25發明中的任何一發明中，所述C的含量以質量％計為0. 07 0. 15。利用這些蒸汽渦輪機的渦輪機外殼或閥殼等鑄造部件用的Ni基鑄造合金，通過按上述的組成成分範圍構成，能夠在維持以往的蒸汽渦輪機的渦輪機外殼或閥殼等鑄造部件用的Ni基鑄造合金的鑄造性及焊接性的同時，提高高溫強度。此外，在導入高溫蒸汽的蒸汽渦輪機成套設備中，至少規定部位可以由上述的任何一種M基鑄造合金構成。採用此種蒸汽渦輪機用的渦輪機外殼或閥殼等鑄造部件，可提高高溫強度，即使在高溫環境下也具有高的可靠性。根據本發明，能夠提供一種Ni基鑄造合金及以該合金為材料的蒸汽渦輪機用鑄造部件，其能夠在維持鑄造性及焊接性等製造性的同時，謀求蠕變斷裂強度的提高和熱膨脹係數的最佳化。
具體實施例方式下面，對本發明的一實施方式進行說明。本發明的一實施方式的Ni基鑄造合金由以下所示的組成成分範圍構成。再有，在以下的說明中，只要不特別明示，表示組成成分的％為質量％。
(Ml) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C :0. 05 0.2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+(ff+Re)/2計8 25，餘量為Ni及不可避免的雜質。(M2) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C :0. 05 0.2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+(ff+Re)/2計8 25、Al 0. 1 0. 4、Ti 0. 1 2. 5，餘量為Ni及不可避免的雜質。(M3) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C :0. 05 0.2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+ (ff+Re)/2計8 25、選自Nb及Ta中的1種或2種以Nb+Ta/2計0. 5 5，餘量為Ni 及不可避免的雜質。(M4) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C :0. 05 0.2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+(ff+Re)/2計8 25、Β :0· 001 0. 02，餘量為Ni及不可避免的雜質。(M5) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C :0. 05 0.2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+(ff+Re)/2計8 25、& 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。(M6) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C :0· 05 0.2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+ (ff+Re)/2 計8 25、Al 0. 1 0. 4、Ti 0. 1 2. 5、選自 Nb 及 Ta 中的 1 種或 2 種以 Nb+Ta/2計0. 5 5，餘量為Ni及不可避免的雜質。(M7) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C :0. 05 0.2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+ (ff+Re) /2 計8 25、Al 0. 1 0. 4、Ti 0. 1 2. 5、B 0. 001 0. 02，餘量為 Ni 及不
可避免的雜質。(M8) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C :0· 05 0.2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+ (ff+Re) /2 計8 25,Al 0. 1 0. 4,Ti 0. 1 2. 5,Zr 0. 01 0. 2，餘量為 Ni 及不可
避免的雜質。(M9) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C :0· 05 0.2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+ (ff+Re)/2計8 25、選自Nb及Ta中的1種或2種以Nb+Ta/2計0. 5 5、B 0. 001 0. 02，餘量為Ni及不可避免的雜質。(MlO) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C 0. 05 0. 2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+ (ff+Re)/2 if 8 25、選自 Nb 及 Ta 中的 1 種或 2 種以 Nb+Ta/2 計0. 5 5,Zr 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。(Mil) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C 0. 05 0. 2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以Mo+ (ff+Re)/2計8 25,B 0. 001 0. 02,Zr 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。(M12) 一種 Ni基鑄造合金，以質量％計含有C 0. 05 0. 2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+ (ff+Re)/2 計8 25、Al 0. 1 0. 4、Ti 0. 1 2. 5、選自 Nb 及 Ta 中的 1 種或 2 種以 Nb+Ta/2計0. 5 5、B :0. 001 0. 02，餘量為Ni及不可避免的雜質。(M13) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C 0. 05 0. 2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+ (ff+Re)/2 計8 25、Al 0. 1 0. 4、Ti 0. 1 2. 5、選自 Nb 及 Ta 中的 1 種或 2 種以 Nb+Ta/2計0. 5 5、& 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。(M14) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C 0. 05 0. 2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+ (ff+Re) /2 計8 25,Al 0. 1 0. 4,Ti 0. 1 2. 5、B 0. 001 0. 02,Zr 0. 01 0. 2， 餘量為Ni及不可避免的雜質。(M15) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C 0. 05 0. 2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+ (ff+Re)/2 if 8 25、選自 Nb 及 Ta 中的 1 種或 2 種以 Nb+Ta/2 計0. 5 5、B 0. 001 0. 02、Zr 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。(M16) 一種Ni基鑄造合金，以質量％計含有C 0. 05 0. 2、Si 0. 01 1、Mn 0. 01 1、Co 5 20、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以 Mo+ (ff+Re)/2 計8 25、Al 0. 1 0. 4、Ti 0. 1 2. 5、選自 Nb 及 Ta 中的 1 種或 2 種以 Nb+Ta/2計0. 5 5、B :0. 001 0. 02, Zr 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。(M17)根據上述M2、M6 M8、M12 M14、M16的任何一項所述的Ni基鑄造合金， 其中，所述Al的含量以質量％計為0. 2 0. 3。(M18)根據上述M2、M6 M8、M12 M14、M16的任何一項中，所述Ti的含量以質量％計為0. 5 2. 0。(M19)根據上述M3、M6、M9、M10、M12、M13、M15、M16的任何一項所述的Ni基鑄造合金，其中，所述選自Nb及Ta中的1種或2種的含量以質量％計且以Nb+Ta/2計為1. 0
2 · 5 ο(M20)根據上述M4、M7、M9、Mil、M12、M14 M16的任何一項所述的Ni基鑄造合金，其中，所述B的含量以質量％計為0. 002 0. 015。(M21)根據上述] 5、]\18、]\110、]\111、]\113 M16的任何一項所述的Ni基鑄造合金，其中，所述ττ的含量以質量％計為0. 02 0. 10。(Μ22)根據上述Ml Μ21的任何一項所述的Ni基鑄造合金，其中，所述Co的含量以質量％計為7 17。(Μ23)根據上述Ml Μ22的任何一項所述的Ni基鑄造合金，其中，所述選自Mo、 W及Re中的1種或2種以上的含量以質量％計且以Mo+(W+Re)/2計為13 20。(M24)根據上述Ml M23的任何一項所述的Ni基鑄造合金，其中，所述Cr的含量以質量％計為18 23。(M25)根據上述Ml M24的任何一項所述的Ni基鑄造合金，其中，所述Fe的含量以質量％計為5以下。(M26)根據上述Ml M25的任何一項所述的Ni基鑄造合金，其中，所述C的含量以質量％計為0. 07 0. 15。在上述組成成分範圍內的Ni基鑄造合金適合作為構成運轉時的溫度為680 750°C的蒸汽渦輪機的渦輪機外殼或閥殼等鑄造部件的材料。這裡，可以用此種Ni基鑄造合金構成蒸汽渦輪機的渦輪機外殼或閥殼等鑄造部件的所有部位，此外也可以用此種M 基鑄造合金構成特別是達到高溫的蒸汽渦輪機的渦輪機外殼或閥殼等鑄造部件的部分部位。此外，上述組 成成分範圍內的Ni基鑄造合金能夠在維持以往的Ni基鑄造合金的鑄造性及焊接性等加工性的同時，能提高高溫強度。也就是說，通過採用此種M基鑄造合金，構成蒸汽渦輪機的渦輪機外殼或閥殼等鑄造部件，能夠提高渦輪機外殼或閥殼等鑄造部件的高溫強度，製作即使在高溫環境下也具有較高的可靠性的渦輪機外殼或閥殼等鑄造部件。此外，在製作蒸汽渦輪機的渦輪機外殼或閥殼等鑄造部件時，能夠維持以往的M基鑄造合金的鑄造性及焊接性等加工性。下面，對上述的有關本發明的Ni基鑄造合金的各組成成分範圍的限定理由進行說明。(I)C(碳)C作為強化相的M23C6型碳化物的構成元素是有用的，特別是在650°C以上的高溫環境下，成為在蒸汽渦輪機的運轉中使M23C6型碳化物析出，維持合金的蠕變強度的重要因素之一。此外，還可防止晶粒的粗大化。另外，還一併具有確保鑄造時的熔液的流動性的效果。在C的含有率低於0. 05%時，不能確保碳化物的足夠的析出量，而且鑄造時的熔液的流動性顯著降低。另一方面，如果C的含有率超過0.2%，則製作大型鑄造件時的成分偏析傾向會增強，同時促進作為脆化相的M6C型碳化物的生成，引起耐蝕性及延性的下降。因此， 將C的含有率規定為0.05 0.2%。更優選為0.07 0. 15%。(2) Cr (鉻)Cr在奧氏體母相中固溶，不僅是進行固溶強化的元素，而且是對於提高耐氧化性及耐蝕性不可缺的元素。而且，作為M23C6型碳化物的構成元素也是不可缺的，尤其在650°C 以上的高溫環境下，通過在蒸汽渦輪機的運轉中使M23C6型碳化物析出，可維持合金的蠕變強度。此外，Cr還可提高高溫蒸汽環境下的耐氧化性。在Cr的含有率低於15%時，耐氧化性下降。另一方面，如果Cr的含有率超過25%，則因顯著促進M23C6S碳化物的析出而使粗大化傾向增強，在高溫下保持長時間時會引起強度及延性的下降。此外，由於Cr使合金的熱膨脹係數增大，因此在高溫用機器的設計中優選添加量低的。因此，將Cr的含有率規定為15 25%。更優選為18 23%。(3) Co (鈷)Co在奧氏體母相內固溶，可提高高溫強度。此外，也在Y，相[Ni3(Al、Ti、Nb、Ta)] 中固溶，具有強化Y』相的同時使Y』相的析出量增加的效果。但是，如果Co的含有率超過20%，則生成金屬間化合物相，使機械強度下降，而且成為合金成本上升的主要因素。另一方面，在Co的含有率低於5%時，機械強度下降。因此，將Co的含有率規定為5 20%。 更優選為7 17%。
(4)Mo(鉬)、W(鎢)、Re(錸)Mo、W、Re都在奧氏體母相內固溶，可提高高溫強度。此外，通過在M23C6型碳化物中置換一部分可提高碳化物的穩定性。另外，還具有降低合金的熱膨脹係數的效果，因此在高溫用機器的設計中是有用的。在Mo+(W+Re)/2的含有率低於8%時，上述效果小，如果 Mo+W+Re)/^的含有率超過25%，則製作大型鑄件時的成分偏析傾向增強，而且促進脆化相的M6C型碳化物的生成，引起延性下降。因此，將Mo+(W+Re)/2的含有率規定為8 25%。 更優選為13 20%。(5) Al(鋁)
Al與Ni —同生成Y，相[Ni3(Al、Ti、Nb、Ta)]，通過析出可提高Ni基鑄造合金的高溫強度。此外，還具有提高耐高溫腐蝕性的效果。在Al的含有率低於0.1%時，因Y』相的析出不充分，對強化沒有效果，如果Ti、Nb、Ta大量存在，則Y』相不穩定，η相(Ni3Ti) 及δ相[Ni3(Nb、Ta)]析出，變得脆化。另一方面，如果大量添加，則在鑄造時析出大量的共晶Y，相，成為高溫強度下降或發生鑄造裂紋的原因。因此，將Al的含有率規定為0. 1 0.4%。更優選為0. 2 0. 3%。(6) Ti(鈦)Ti同Al —樣，與Ni —同生成Y，相[Ni3(Al、Ti、Nb、Ta)]，通過析出可提高Ni基鑄造合金的高溫強度。此外，還具有降低合金的熱膨脹係數的效果，因此在高溫用機器的設計中是有用的。在Ti的含有率低於0. 時，無法發揮上述效果，但如果Ti的含有率超過 2.5%，則助長脆化相的η相(Ni3Ti)的析出，使高溫強度的下降和缺陷敏感性增大。因此， 將Ti的含有率規定為0. 1 2. 5 %。更優選為0. 5 2. 0 %。(7)B(硼)B進入晶界，可提高高溫強度。此外，在Ti量大時，可抑制脆化相的η相(Ni3Ti) 的析出，防止高溫強度及延性的下降。另外，雖然B與Cr等形成硼化物，但由於該硼化物的熔點低，因此固液共存溫度範圍寬，鑄造性提高。在B的含有率低於0.001%時，無法發揮上述的效果，如果B的含有率超過0. 02%，則有可能性導致晶界脆化，使高溫強度及韌性下降。因此，將B的含有率規定為0.001 0.02%。更優選為0. 002 0. 015%。(8)Nb(鈮)、Ta(鉭)Nb及Ta在Y，相[Ni3 (Al,Ti,Nb,Ta)]中固溶，可提高高溫強度，抑制Y，相的粗大化，使析出強度穩定。此外，通過與C結合形成碳化物有助於提高高溫強度。在Nb+Ta/2 的含量低於0.5%時，無法發揮上述的效果，如果Nb+Ta/2的含量超過5%，則δ相[Ni3(Nb、 Ta)]析出，變得脆化。因此，將Nb+Ta/2的含量規定為0. 5 5%。更優選為1 2. 5%。(9) Zr (鋯)&與B —樣進入晶界，可提高高溫強度。此外，與C結合形成碳化物，有助於提高高溫強度。如果ττ的含量低於0. 01 %，則無法發揮上述的效果，如果ττ的含量超過0. 2%， 則反而使得高溫強度下降，而且還引起延性下降。因此，將&的含量規定為0. 01 0. 2%。 更優選為0.02 0. 1%。(10) Fe(鐵)Fe在Ni基超合金鑄造件中有助於降低合金的成本。但是，如果大量添加，則不僅引起高溫強度下降，而且還涉及到合金的熱膨脹係數的增大，這在高溫用機器的設計中是不利的。因此，將Fe的含量規定為10%以下。更優選為5%以下。(11) Si(矽)Si作為熔 化精煉時的脫氧劑是有用的。還能改善耐氧化性。但是，如果含量過高， 則引起延性下降。適當的Si含量為0.01 1%。更優選為0.02 0.5%。(12) Mn(錳)Mn與Si —樣作為熔化精煉時的脫氧劑是有用的。但是，如果含量過高，則引起高溫氧化特性的下降及由Π相(Ni3Ti)的析出造成的延性下降。適當的Mn含量為0.01 1%。更優選為0. 1 0.3%。下面，對本發明的Ni基鑄造合金的機械特性(高溫強度的代表性特性即蠕變斷裂強度及蠕變斷裂延伸率)、耐水蒸氣氧化、低熱膨脹係數及焊接性優良的情況進行說明。(樣品的化學組成)表1示出了評價用的各樣品的化學組成，該評價用於對本發明的Ni基鑄造合金的機械特性(高溫強度的代表性特性即蠕變斷裂強度及蠕變斷裂延伸率)、耐水蒸氣氧化、低熱膨脹係數及焊接性優良的情況進行說明。對這些樣品實施了規定的熱處理。表1中記載了作為本發明的Ni基鑄造合金的實施例的樣品No. 1 樣品No. 29、及作為比較例的樣品 No. 1 樣品No. 11。比較例是化學組成不在本發明的化學組成範圍內的Ni基鑄造合金，其中，樣品No. 1具有相當於以往的鑄造合金即鎳鉻鐵617的化學組成，樣品No. 2具有相當於以往的合金即鎳鉻鐵625的化學組成。
權利要求
1.一種Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C :0. 05 0.2、Si 0.01 1、 Mn 0. 01 1、Co 7 17、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以Mo+(W+Re)/2計13 20、選自Nb及Ta中的1種或2種以Nb+Ta/2計0. 5 5、B 0. 001 0. 02，餘量為Ni及不可避免的雜質。
2.—種Ni基鑄造合金，其特徵在於以質量％計含有C :0. 05 0.2、Si 0.01 1、 Mn 0. 01 1、Co 7 17、Fe 10以下、Cr 15 25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以Mo+(W+Re)/2計13 20、選自Nb及Ta中的1種或2種以Nb+Ta/2計0. 5 5、B 0. 001 0. 02, Zr 0. 01 0. 2，餘量為Ni及不可避免的雜質。
3.根據權利要求1或2所述的Ni基鑄造合金，其特徵在於所述選自Nb及Ta中的1 種或2種的含量以質量％計且以Nb+Ta/2計為1. 0 2. 5。
4.根據權利要求1或2所述的Ni基鑄造合金，其特徵在於所述B的含量以質量％計為 0. 002 0. 015。
5.根據權利要求2所述的Ni基鑄造合金，其特徵在於所述Ir的含量以質量％計為 0. 02 0. 10。
6.根據權利要求1或2所述的Ni基鑄造合金，其特徵在於所述Cr的含量以質量％ 計為18 23。
7.根據權利要求1或2所述的Ni基鑄造合金，其特徵在於所述Fe的含量以質量％ 計為5以下。
8.根據權利要求1或2所述的Ni基鑄造合金，其特徵在於所述C的含量以質量％計為 0. 07 0. 15。
9.根據權利要求1或2所述的Ni基鑄造合金，其特徵在於該Ni基鑄造合金適用於蒸汽渦輪機的鑄造部件。
10.一種蒸汽渦輪機用鑄造部件，其特徵在於是導入高溫蒸汽的蒸汽渦輪機設備的蒸汽渦輪機用鑄造部件，該蒸汽渦輪機用鑄造部件的至少一部分由權利要求1 9中任何一項所述的Ni基鑄造合金形成。
全文摘要
本發明提供一種Ni基鑄造合金及以該合金為材料的蒸汽渦輪機用鑄造部件，其能夠在維持鑄造性及焊接性等製造性的同時，謀求提高蠕變斷裂強度和熱膨脹係數的最佳化。該Ni基鑄造合金以質量％計含有C0.05～0.2、Si0.01～1、Mn0.01～1、Co5～20、Fe10以下、Cr15～25、選自Mo、W及Re中的1種或2種以上以Mo+(W+Re)/2計8～25，餘量為Ni及不可避免的雜質。
文檔編號C22C30/00GK102168209SQ20111006211
公開日2011年8月31日 申請日期2009年5月21日 優先權日2008年5月21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 申請人:株式會社東芝