JP5703177B2

JP5703177B2 - 溶接用Ｎｉ基合金および溶加材

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Publication number: JP5703177B2
Application number: JP2011198122A
Authority: JP
Inventors: 善宏藤田; 上村　健司; 健司上村; 浅井　知; 知浅井; 重和宮下; 忠士近藤; 威夫須賀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2031-09-12
Also published as: JP2013059768A

Description

本発明の実施形態は、溶接用Ｎｉ基合金およびこれを用いて作製された溶加材に関する。

近年、蒸気タービンにおいては、蒸気温度の高温化が図られており、それに伴い、蒸気タービンを構成する材料に対して、耐熱強度の向上が求められている。特に、現在開発が進められているＡ−ＵＳＣ（先進超々臨界圧）蒸気タービンでは、７００℃を超える、もしくはそれに近い蒸気温度が想定されている。そのため、従来のＣｒＭｏＶ鋼などの耐熱低合金鋼の使用可能な温度を超えるため、Ｎｉ基合金の適用が検討されている。

このＮｉ基合金として、例えば、６００系合金などの適用が検討されている。蒸気タービンのタービンロータ材としては、例えば、６１７合金やＴＯＳ１Ｘ（東芝社製）などがある。また、タービンロータを構成する構成部品を溶接する際に使用される溶加材の代表的なものとして、例えば、６１７合金からなる溶加材などが使用されている。

平成２０年度火力原子力発電大会論文集ｐ９８−１０４特開２００９−２２９８９号公報

しかしながら、高温における強度特性が向上されたＴＯＳ１ＸなどのＮｉ基合金に対し、従来の６１７合金の溶加材では、高温強度が十分に維持できないなどの問題が生じている。そのため、高温における強度特性が向上されたＮｉ基合金の溶加材として、割れ感受性を高めることなく、高温強度に優れたものが要求されている。

本発明が解決しようとする課題は、高温強度特性、溶接性および製造性に優れた溶接用Ｎｉ基合金および溶加材を提供するものである。

実施形態の溶接用Ｎｉ基合金は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１５〜２５、Ｃｏ：９〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：０．３〜１．８、Ｔｉ：０．５〜３、Ｔａ：０．０５〜１．５、Ｎｂ：０．４以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５、Ｍｎ：０．５以下を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる。

本発明では、高温強度特性、溶接性および製造性に優れた溶接用Ｎｉ基合金および溶加材を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態における溶接用Ｎｉ基合金は、以下に示す組成成分範囲で構成される。なお、以下の説明において組成成分を表す％は、特に明記しない限り質量％とする。

（Ｍ１）Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｃｏ：９〜１５％、Ｍｏ：８〜１２％、Ａｌ：０．３〜１．８％、Ｔｉ：０．５〜３％、Ｔａ：０．０５〜１．５％、Ｎｂ：０．４％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．５％以下を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ基合金。

（Ｍ２）Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｃｏ：９〜１５％、Ｍｏ：８〜１２％、Ａｌ：０．３〜１．８％、Ｔｉ：０．５〜３％、Ｔａ：０．０５〜１．５％、Ｎｂ：０．４％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｂ：０．００１〜０．００６％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ基合金。

（Ｍ３）Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｃｏ：９〜１５％、Ｍｏ：８〜１２％、Ａｌ：０．３〜１．８％、Ｔｉ：０．５〜３％、Ｔａ：０．０５〜１．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｗ：５％以下を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ基合金。

また、上記した（Ｍ１）〜（Ｍ３）のＮｉ基合金における不可避的不純物としては、例えば、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｆｅなどが挙げられる。

上記した組成成分範囲のＮｉ基合金は、例えば、溶接用の溶加材として使用することができる。例えば、Ｎｉ基合金からなるタービンロータ構成部材どうしを溶接する際の溶加材として使用することができる。また、Ｎｉ基合金からなるタービンロータ構成部材と、低合金鋼（例えば、ＣｒＭｏＶ鋼や１２Ｃｒ鋼）からなるタービンロータ構成部材とを溶接する際の溶加材として使用することができる。この溶加材は、ＴＩＧ溶接などに使用される。

上記した溶加材を用いて溶接されるタービンロータとしては、例えば、７００℃を超える、もしくはそれに近い高温蒸気環境下で使用可能なタービンロータなどが挙げられる。なお、この溶加材を用いて溶接される構成部品は、タービンロータの構成部品に限られるものではなく、例えば、７００℃を超える、もしくはそれに近い高温蒸気環境下で使用される他の構成部品であってもよい。

また、上記した組成成分範囲のＮｉ基合金は、高温強度特性、溶接性および製造性に優れている。このＮｉ基合金を用いて作製された溶加材においても、高温強度特性、溶接性および製造性に優れている。

次に、上記した実施の形態における溶接用Ｎｉ基合金における各組成成分範囲の限定理由を説明する。

（１）Ｃ（炭素）
Ｃは、強化相であるＭ_２３Ｃ_６型炭化物の構成元素として有用であり、ピーニング効果によって結晶粒粗大化の抑制効果がある。Ｃの含有率が０．０１％未満の場合には、炭化物の十分な析出量を確保することができないため、上記した効果を発揮できない。一方、Ｃの含有率が０．１５％を超えると、製造性が低下する。そのため、Ｃの含有率を０．０１〜０．１５％とした。また、Ｃの含有率を０．０１〜０．０６％とすることがより好ましい。

（２）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、Ｎｉ基合金の耐酸化性、耐食性および機械的強度を高めるのに不可欠な元素である。Ｃｒの含有率が１５％未満の場合には、耐酸化性が低下する。一方、Ｃｒの含有率が２５％を超えると、有害相であるσ相の析出により機械的強度が低下する。そのため、Ｃｒの含有率を１５〜２５％とした。また、Ｃｒの含有率を１５〜２１％とすることがより好ましい。

（３）Ｃｏ（コバルト）
Ｃｏは、Ｎｉ母相内に固溶して母相の機械的強度を向上させる固溶強化元素である。Ｃｏの含有率が９％未満の場合には、機械的強度が低下する。一方、Ｃｏの含有率が１５％を超えると、熱間加工性が低下する。そのため、Ｃｏの含有率を９〜１５％とした。また、Ｃｏの含有率を９〜１３％とすることがより好ましい。

（４）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、Ｎｉ母相中に固溶して母相の機械的強度を向上させる固溶強化元素である。Ｍｏの含有率が８％未満の場合には、上記した効果が発揮されない。一方、Ｍｏの含有率が１２％を超えると、σ相析出により機械的強度を低下させる。そのため、Ｍｏの含有率を８〜１２％とした。また、Ｍｏの含有率を８〜１０％とすることがより好ましい。

（５）Ａｌ（アルミニウム）
Ａｌは、Ｎｉとともにγ’（Ｎｉ_３Ａｌ）相を生成し、析出によるＮｉ基合金の機械的強度を向上させる。Ａｌの含有率が０．３％未満の場合には、Ｎｉ母相中に完全に固溶するため、γ’（Ｎｉ_３Ａｌ）相による効果が得られない。一方、Ａｌの含有率が１．８％を超えると、σ相析出が助長され、機械的強度を低下させる。さらに、γ’（Ｎｉ_３Ａｌ）相の生成によって固溶温度が上昇し、熱間加工性が低下する。そのため、Ａｌの含有率を０．３〜１．８％とした。また、Ａｌの含有率を０．９〜１．７％とすることがより好ましい。

（６）Ｔｉ（チタン）
Ｔｉは、Ｎｉとともにγ’（Ｎｉ_３Ｔｉ）相を生成し、析出によるＮｉ基合金の機械的強度を向上させる。Ｔｉの含有率が０．５％未満の場合には、上記した効果が発揮されない。一方、Ｔｉの含有率が３％を超えると、σ相析出が引き起こされ、熱間加工性が低下する。そのため、Ｔｉの含有率を０．５〜３％とした。Ｔｉの含有率を０．５〜２％とすることがより好ましい。

（７）Ｔａ（タンタル）
Ｔａは、γ’（Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔｉ））相に固溶して、γ’相を強化し、γ’相の安定化を図ることができる。Ｔａの含有率が０．０５％未満の場合には、上記した効果が発揮されない。一方、Ｔａの含有率が１．５％を超えると、溶接性および熱間加工性が低下する。そのため、Ｔａの含有率を０．０５〜１．５％とした。また、Ｔａの含有率を０．０５〜０．１％とすることがより好ましい。

（８）Ｎｂ（ニオブ）
Ｎｂは、Ｔａと同様に、γ’（Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔｉ））相に固容して、γ’相を強化し、安定化させる。Ｎｂの含有率が０．４％を超えると、液化割れ感受性が高まる。そのため、Ｎｂの含有率を０．４％以下とした。また、Ｎｂの含有率を０．２〜０．３％とすることがより好ましい。ここで、Ｎｂの上記効果を得るために、Ｎｂは、少なくとも０．２％以上含有される。

（９）Ｓｉ（ケイ素）
Ｓｉは、湯流れを向上させる効果がある。Ｓｉの含有率が０．０１％未満の場合には、この効果が得られない。一方、Ｓｉの含有率が０．５％を超えると、溶接性を低下させる。そのため、Ｓｉの含有率を０．０１〜０．５％とした。また、Ｓｉの含有率を０．０１〜０．２５％とすることがより好ましい。

（１０）Ｍｎ（マンガン）
Ｍｎは、脆性に起因するＳ（硫黄）とＭｎＳとなり、脆性を防止し、湯流れを向上させる効果がある。一方，Ｍｎの含有率が０．５％を超えると、溶接性を低下させる。そのため、Ｍｎの含有率を０．５％以下とした。また、Ｍｎの含有率を０．１５〜０．４％とすることがより好ましい。ここで、Ｍｎの上記効果を得るために、Ｍｎは、少なくとも０．１％以上含有される。

（１１）Ｂ（ホウ素）
Ｂは、粒界偏析し、高温強度を向上させる効果がある。Ｂの含有率が０．００１％未満の場合には、上記した効果が発揮されない。一方、Ｂの含有率が０．００６％を超えると、粒界脆化を招くとともに、溶接性が低下する。そのため、Ｂの含有率を０．００１〜０．００６％とした。また、Ｂの含有率を０．００２〜０．００５％とすることがより好ましい。

（１２）Ｗ（タングステン）
Ｗは、Ｍｏと同様に、Ｎｉ母相中に固溶して母相の機械的強度を向上させる固溶強化元素である。Ｗの含有率が５％を超えると、σ相析出が顕著になるとともに、製造性が低下する。そのため、Ｗの含有率を５％以下とした。また、Ｗの含有率を４〜４．８％とすることがより好ましい。ここで、Ｗの上記効果を得るために、Ｗは、少なくとも４％以上含有される。

（１３）Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｃｕ（銅）およびＦｅ（鉄）
Ｐ、Ｓ、ＣｕおよびＦｅは、実施の形態における溶接用Ｎｉ基合金においては、不可避的不純物に分類されるものである。これらの不可避的不純物は、可能な限りその残存含有率を０％に近づけることが望ましい。また、これらの不可避的不純物のうち、少なくとも、Ｐは０．０３％以下、およびＳは０．０１５％以下に抑制されることが好ましい。

ＰおよびＳは、融点を降下させるとともに、Ｎｉと低融点の共晶を形成するため、割れ感受性が高まる。そのため、Ｐの含有率を０．０３％以下およびＳの含有率を０．０１５％以下とし、可能な限りそれぞれの残存含有率を０％に近づけることが望ましい。

なお、ＰやＳの含有率が上記範囲を超える場合には、脱リン処理や脱硫処理を施し、上記範囲内の含有率とする。

ここで、実施の形態における溶接用Ｎｉ基合金、およびこの溶接用Ｎｉ基合金を用いて製造される溶加材の製造方法について説明する。

実施の形態における溶接用Ｎｉ基合金は、この溶接用Ｎｉ基合金を構成する組成成分を真空誘導溶解（ＶＩＭ）し、その溶湯を所定の型枠に注入して鋳塊を形成することで作製される。

また、実施の形態の溶加材は、実施の形態における溶接用Ｎｉ基合金を構成する組成成分を真空誘導溶解（ＶＩＭ）し、その溶湯を所定の型枠に注入して鋳塊を形成し、その鋳塊を機械加工した部材を線引き加工して、ワイヤ状に作製される。

（高温強度特性、溶接性および製造性の評価）
ここでは、実施の形態の化学組成範囲にあるＮｉ基合金が、優れた、高温強度特性、溶接性および製造性を有することを説明する。表１は、高温強度特性、溶接性および製造性の評価に用いられた試料１〜試料１０の化学組成を示す。

なお、試料１〜試料３は実施の形態の化学組成範囲にあるＮｉ基合金であり、試料４〜試料１０は、その組成が実施の形態の化学組成範囲にないＮｉ基合金であり、比較例である。また、ここで使用した実施の形態の化学組成範囲にあるＮｉ基合金には、不可避的不純物として、Ｐ、Ｓ、Ｆｅが含まれている。

試料１〜試料１０において、高温強度特性を引張強度試験およびクリープ破断試験により評価した。

引張強度試験に使用する試験片は、表１に示す化学組成を有する試料１〜試料１０のＮｉ基合金をそれぞれ真空誘導溶解炉にて溶解し、鋳塊を作製し、この鋳塊から所定のサイズの試験片を作製した。

引張強度試験は、各試料による試験片に対して、温度が室温（２３℃）の条件で、ＪＩＳＺ２２４１（金属材料引張試験方法）に準じて引張強度試験を行い、０．２％耐力を測定した。

クリープ破断試験に使用する試験片は、ＴＯＳ１Ｘからなる厚さが１５ｍｍ、幅が６０ｍｍ、長さが２００ｍｍの平板を２本用意し、それぞれの接合部に開先を形成して、溶加材を用いてＴＩＧ溶接して突合せ継手を作製した。

ここで、溶加材は、表１に示す化学組成を有する試料１〜試料１０のＮｉ基合金をそれぞれ真空誘導溶解炉にて溶解し、鋼塊を作製し、この鋼塊を熱間鍛造して所定のサイズの部材とし、これを線材圧延して、直径が１ｍｍのワイヤ状に作製された。

クリープ破断試験は、各試料による試験片に対して、温度が８００℃、応力が１４０ＭＰａにおけるクリープ破断強度をＪＩＳＺ２２７１に準じて測定した。

また、各試料に対して溶接性の評価を行った。母材としてＴＯＳ１Ｘからなる厚さが１５ｍｍ、幅６０がｍｍ、長さが２００ｍｍの平板を２本用意し、それぞれの接合部に開先を形成して、溶加材を用いてＴＩＧ溶接した。

溶接性の評価は、溶接後の外観観察、染色浸透探傷試験、Ｘ線透過試験、断面のミクロ観察やマクロ観察、および側曲げ試験により、溶接部の割れについて検証した。

また、各試料に対して製造性の評価を行った。この製造性とは、溶加材としてワイヤ状に製造する際の製造性をいう。製造性の評価は、線材圧延し完成した溶加材の表面および断面を光学顕微鏡にて観察し、割れの有無を確認することで行った。

上記した試験結果を表２に示す。表２に示された溶接性の評価の結果において、溶接部に割れが確認されず健全である場合には「○」で示し、割れが確認された場合には「×」で示している。また、製造性の評価の結果において、割れが確認されず健全である場合には「○」で示し、割れが確認された場合には「×」で示している。

試料１〜試料３は、６１７合金に相当する材料である試料４に比べて、クリープ破断強度（破断時間）が１．５〜２．５倍程度となることがわかった。このクリープ破断強度は、６１７合金をベースに強化したＴＯＳ１Ｘにおけるクリープ破断強度と同等である。また、試料１〜試料３は、高温強度特性（引張強度およびクリープ破断強度）、溶接性および製造性のいずれにおいても優れていることがわかった。

一方、比較例に係る試料４〜試料１０では、高温強度特性、溶接性および製造性のすべてに優れた結果は得られなかった。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１５〜２５、Ｃｏ：９〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：０．３〜１．８、Ｔｉ：０．５〜３、Ｔａ：０．０５〜１．５、Ｎｂ：０．４以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５、Ｍｎ：０．５以下を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする溶接用Ｎｉ基合金。
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１５〜２５、Ｃｏ：９〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：０．３〜１．８、Ｔｉ：０．５〜３、Ｔａ：０．０５〜１．５、Ｎｂ：０．４以下、Ｓｉ：０．０１〜０．５、Ｂ：０．００１〜０．００６を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする溶接用Ｎｉ基合金。
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１５〜２５、Ｃｏ：９〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：０．３〜１．８、Ｔｉ：０．５〜３、Ｔａ：０．０５〜１．５、Ｓｉ：０．０１〜０．５、Ｗ：５以下を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする溶接用Ｎｉ基合金。
前記不可避的不純物のうち、少なくとも、Ｐを０．０３質量％以下、Ｓを０．０１５質量％以下に抑制したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の溶接用Ｎｉ基合金。
請求項１乃至４のいずれか１項記載の溶接用Ｎｉ基合金を用いて作製されたことを特徴とする溶加材。