JPH08127833A - 溶接性にすぐれたニッケル基耐熱合金 - Google Patents
溶接性にすぐれたニッケル基耐熱合金Info
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- JPH08127833A JPH08127833A JP26711194A JP26711194A JPH08127833A JP H08127833 A JPH08127833 A JP H08127833A JP 26711194 A JP26711194 A JP 26711194A JP 26711194 A JP26711194 A JP 26711194A JP H08127833 A JPH08127833 A JP H08127833A
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Abstract
高温部品の形成材料として使用されるNi基耐熱合金を
提供する。 【構成】 C:0.05〜0.25%,Cr:18〜2
5%,Co15〜25%,Mo≦3.5%,W:5〜1
0%,W+1/2Mo:5〜10%,Ti:1.0〜
5.0%,Al:1.0〜4.0%,Ta:0.5〜
4.5%,Nb:0.2〜3.0%,Zr:0.005
〜0.10%,B:0.001〜0.01%,残Niで
図1のABCDEの範囲内のもの、あるいは上記におい
て、Crが10〜20%の場合には図1のABCFGH
Eの範囲内のもの。 【効果】 従来のNi基耐熱合金よりも高温強度が高
く、溶接性の優れたNi基耐熱合金が得られる。
Description
ン静翼およびその他の高温部品の形成材料として使用さ
れるニッケル基耐熱合金に関するものである。
品の材料として従来使用されている耐熱合金には、金属
間化合物Ni3(Al,Ti)すなわちγ’相による析
出強化とMo、W等による固溶強化を兼備えるNi基合
金および炭化物によって析出強化しているCo基合金が
ある。Ni基合金では、一般にγ’相の析出量を多くす
ると高温強度が向上するものの、溶接性は低下する傾向
にあり、例えばγ’相の析出量を多くして高温強度を改
良した合金(特公昭54−6968号)は溶接性が非常
に悪く、γ’相を少なくして溶接性を改良した合金(特
開平1−104738号)は高温強度が著しく低いこと
からも明らかである。一方、Co基合金は一般に溶接性
は良いが、高温強度が低く著しい改善は見込めない。以
上のことから、Co基合金の高温強度には限界があるの
で、Ni基合金の高温強度を損なうことなく、その溶接
性を改良しなければならない。
温強度を損なわず同時に溶接性を改良するために、A
l、Tiなどγ’相の生成元素の含有量を低下すること
なく、更にW、C、Zrなど他の元素を調整して、所期
の目的例えば溶接構造物であり、かつ高温で使用される
ガスタービンの静翼・溶接構造機器等に使用できる合金
を得る。かかる合金の性能は、900℃×20kgf/
mm2のクリープ破断時間が110時間以上かつ5×6
0×100mmの試験片を用いて溶接電流100A、溶
接電圧12V、溶接速度1.67mm/Sの溶接条件で
TIG溶接し、付加ひずみ量(全歪量)0.25%ある
いは0.77%でバレストレイン試験をしたときの最大
割れ長さが0.8mm以下であることを特徴とする。
結果、後述の合金組成のように、σ相,μ相等の有害相
が生成しない範囲で、Cr,Coを添加し、γ’相の生
成元素であるAl,Ti,Nb,Taなどの添加と固溶
強化元素のW,Moなどの添加によって高温強度を高く
し、一方、粒界に偏析し易いC,Zr,Bを適量添加し
て溶接性を改良することによって、高温強度と溶接性に
優れた合金とした。さらに、重油等の低級燃料下で使用
される高温部品の材料としても使用できる、すなわち、
耐酸化性、耐食性にも優れたNi基合金を調整できるこ
とを見出し、本発明に至った。
5〜0.25%のC、18〜25%のCr、15〜25
%のCo、W+1/2Moの値が5〜10%である量の
3.5%までのMoおよび5〜10%までのWの一種又
は二種、1.0〜5.0%のTi、1.0〜4.0%の
Al、0.5〜4.5%のTa、0.2〜3.0%のN
b、0.005〜0.10%のZrと0.001〜0.
01%のBを含有し、残部がNiおよび不可避的不純物
元素からなり、(Al+Ti)量および(W+1/2M
o)量が図1において点A(Al+Ti:3%、W+1
/2Mo:10%)、点B(Al+Ti:5%、W+1
/2Mo:7.5%)、点C(Al+Ti:5%、W+
1/2Mo:5%)、点D(Al+Ti:7%、W+1
/2Mo:5%)、点E(Al+Ti:7%、W+1/
2Mo:10%)の各点を順次結ぶ線で囲まれた範囲内
の組成を有することを特徴とするニッケル基耐熱合金、
並びに、重量%で、0.05〜0.25%のC、10
〜20%のCr、15〜25%のCo、W+1/2Mo
の値が0.5〜10%である量の3.5%までのMoお
よび0.5〜10%までのWの一種又は二種、1.0〜
5.0%のTi、1.0〜4.0%のAl、0.5〜
4.5%のTa、0.2〜3.0%のNb、0.005
〜0.10%のZrと0.001〜0.01%のBを含
有し、残部がNiおよび不可避的不純物元素からなり、
(Al+Ti)量および(W+1/2Mo)量が、図1
において、点A(Al+Ti:3%、W+1/2Mo:
10%)、点B(Al+Ti:5%、W+1/2Mo:
7.5%)、点C(Al+Ti:5%、W+1/2M
o:5%)、点F(Al+Ti:4%、W+1/2M
o:5%)、点G(Al+Ti:4%、W+1/2M
o:0.5%)、点H(Al+Ti:7%、W+1/2
Mo:0.5%)点E(Al+Ti:7%、W+1/2
Mo:10%)の各点を順次結ぶ線で囲まれた範囲内の
組成を有することを特徴とするニッケル基耐熱合金であ
る。
おける各元素の作用と添加量(重量基準)についての限
定理由を述べる。Cは炭化物を形成し、特に結晶粒界、
樹枝状晶境界に析出して、粒界や樹脂状晶境界を強化す
る。0.05%未満ではその強化効果がなく、0.25
%を超えると延性およびクリープ強さが低下する。特に
好ましい範囲は0.09〜0.23%である。Crは請
求項1では18〜25%、請求項2では10〜20%と
したが、Crは高温における耐酸化性および耐食性を付
与する元素であり、それぞれ下限未満ではその効果が少
なく、一方、それぞれ上限を超えると、長時間の高温に
おける供用に際してσ相生成の危険がある。尚、請求項
1の合金は耐食性及び耐酸化性を、請求項2は高温強度
をそれぞれ特に配慮したものである。
温で基質に固溶させる限度(固溶限)を大きくする作用
があり、本発明による合金のAl,Ti量では、Co量
は15.0%以上を採用することが必要である。一方、
σ相生成の危険を避けるため25.0%以下とした。T
iは高温強度を上げるためのγ’相の析出に必要な元素
であり、1.0%未満では要求強度を満足することがで
きず、又、あまり多量に添加し過ぎると延性および溶接
性を阻害するので、5.0%以下とした。AlはTiと
同様に、γ’相を生成し、高温強度を上げると共に、高
温での耐酸化性、耐食性の付与に寄与する。その量は
1.0%以上であることが必要であり、あまり多量に添
加し過ぎると延性および溶接性を阻害するため4.0%
以下とした。特にAl+Tiは3.0〜7.0%の範囲
が好ましい。WとMoは固溶強化と弱析出強化の作用が
あり、高温強度の付与に寄与する。その効果を得るため
には、W+1/2Moが0.5%以上必要であり、添加
し過ぎると延性を阻害するのでWを10%以下、Moを
3.5%以下、W+1/2Moを10%以下とした。
化により高温強度の向上に寄与し、Taは0.5%以上
でNbは0.2%以上でその効果がある。一方、添加し
過ぎると延性を低下するので、Taは4.5%以下,N
bは3.0%以下とした。特にTaは1.0〜4.2%
の範囲が、Nbは0.5〜1.5%の範囲が好ましい。
Zrは結晶粒界における結合力を増して粒界を強化する
効果があるが、0.005%未満ではクリープ強さの向
上は見られなく、また、0.10%を超えると溶接性が
逆に低下するので、0.005〜0.10%の範囲内で
存在しなければならない。特に好ましい範囲は0.01
〜0.10%である。BはZrと同様に結晶粒界の結合
力を増して粒界を強化するが、0.001%未満ではク
リープ強さの向上が見られなく、また0.01%を超え
ると溶接性が逆に低下するので、B含有量は0.001
〜0.01%の範囲とした。
下記のとおりである。Al,TiはNi基合金の強化因
子であるγ’相すなわちNi3(Al,Ti)を析出さ
せて高温強度を高めるが、過剰に添加すると溶接性と延
性を低下させるのでAl+Tiは7%以下とした。添加
量が少ないと高温強度を高める効果が小さくなるので、
同図に示すように3%以上とした。なお、高温強度には
Cr量も影響するので、Cr量を考慮に入れてAl+T
iの下限は同図に示すように4%とした。W,Moは固
溶強化と炭化物による析出強化の作用があり、高温強度
を高める効果がある。その効果を得るためにはW+1/
2Moは0.5%以上が必要であり、添加し過ぎると、
σ相等の有害相の析出を助長し、延性と強度を低下させ
るのでW+1/2Moの上限は10%とした。
詳述する。 実施例1 表1と表2に代表的なガスタービン静翼に発明した合金
の化学組成(重量%)を示す。又、表3と表4には従来
合金である比較合金の化学組成を示す。各組成のものは
真空高周波溶解炉で各20kgの鋼塊を溶製した。試料
はそれらをマスターインゴットとしてロストワックス精
密鋳造し、1160℃×4hr+1000℃×6hr+
800℃×4hrの熱処理を施した。その後機械加工に
より、平行部6.25φ×25mmのクリープ破断試験
片、5×60×100mmのバレストレイン試験片など
を作製した。表1のNo.1〜18は本発明合金で、No.
X,Y,Z,19〜36は比較合金である。なお、X,
Yは前述の特公昭54−6968号の一例であり、Zは
特開平1−104738号の一例である。
量と(W+1/2Mo)量との関係を示し、併せて、各
試料番号の( )内には、900℃、20kgf/mm
2のクリープ破断時間を示す。なお、図1において本発
明合金は白丸(○)で、比較合金は黒丸(●)で示し
た。点ABCDEを結ぶ線内にあるAl+TiおよびW
+1/2Moの高い本発明合金(1,4,11,12,
13,14,15,16)はいずれも高い強度を示し、
特にNo.11が高い強度を示す。又、Al+Ti,W+
1/2Moが点FGHDを結ぶ線内にあり、Cr量が低
い本発明合金(2,3,5,6,7,8,9,10,1
7,18)は特に高い強度を示す。図2は各代表的な試
料である表2の比較合金Y,Z,20および表1の本発
明合金9,11の900℃、20kgf/mm2と98
0℃、10kgf/mm2のクリープ破断強度の比較を
示す。横軸にはラーソンミラーパラメーターP=T
k(20+logt)×10-3、Tk:試験温度(°
K)、t:破断時間(Hr)を使っている。900℃と
980℃の試験結果は縦軸の応力がそれぞれ20kgf
/mm2,10kgf/mm2の点である。横軸のパラメ
ーターPが大きいほど強度が大きいことを示す。本発明
合金のNo.9,11は比較合金No.Y,ZやNo.20に
比べて同じ試験応力でラーソンミラーパラメータが大き
い値になる。これはAl+Ti量とW+1/2Mo量を
多くし、Cr量を低くした効果(No.11)である。一
方、Al+Ti量はNo.9よりやや多いがCr量も多い
比較合金No.Y、Al+Ti量は低いがW+1/2Mo
量が多い比較合金No.20、Al+Ti量、W+1/2
Mo量とも低い比較合金No.Zなどのラーソンミラーパ
ラメータは、同じ試験応力で本発明合金のそれより低い
側にある。
(図6)により評価した。すなわち、溶接電流100
A、溶接電圧12V、溶接速度1.67mm/sの溶接
条件でTIG溶接し、0.25%あるいは0.77%の
全ひずみを負荷し、そのときに発生する溶接時の脆化領
域の指標となる最大割れの長さを測定した。この最大割
れ長さとクリープ破断時間(900℃×20kgf/m
m2)の関係を図3に示す。同図の縦軸はこれが小さい
ほど溶接性が良いことを示す。したがって、同図の右下
にあるほど溶接性が良く、高温強度が高いことになる。
Zrを0.1%以下、Bを0.01%以下にした本発明
合金No.3,7,9,10,11,12,15のバレス
トレイン最大割れ長さはいずれも小さい。特にNo.9,
11,12のそれは目標の0.3mm以下で、クリープ
破断時間は185時間以上であり優れた特性を有してい
る。一方比較合金ではNo.X,Y,25,27,28,
33及び35が110時間以上のクリープ破断時間を示
したが、いずれもバレストレイン最大割れの長さが0.
8mm以上で目標を満足しなかった。以上の結果からZ
r量とB量を低くしても、Al+TiとW+1/2Mo
の関係をABCDEの範囲あるいはCr量を低くしてA
l+TiとW+1/2Moの関係をABCFGHEの範
囲にすれば、溶接性を良好にし、クリープ強度を高くす
ることが可能である。
すガスタービン用静翼をロストワックス精密鋳造法によ
り製造し、1160℃×4hrの溶体化を行ったのち溶
接試験を行った。この静翼は翼部の幅が約200mm、
高さ約200mmであり、内部は冷却のための空気通路
を備えた中空構造の鋳物である。図4に示す翼部腹側の
1,2,3,4の各位置およびリーディングエッジの各
位置5,6とトレーリングエッジの位置7には肉盛溶
接、インナーシュラウド8には図5に示すようにシュラ
ウド部8(本発明合金No.11)と蓋板10(ハステロ
イX合金)をハステロイW合金11で角肉溶接をTIG
で行った。溶接後、各位置の外観検査、蛍光浸透深傷試
験、図5に示すような位置の断面のミクロ組織観察など
を行ったが、いずれの位置にも割れは認められなかっ
た。なお、比較合金Y(特公昭54−6968)を用い
上記と同一のガスタービン用静翼を製造し、溶接試験を
行った結果、蛍光浸透探傷試験では割れが多数認めら
れ、断面ミクロ組織観察では長さ約1mmの割れが認め
られた。
来のNi基耐熱合金よりも高温強度が高く、溶接性の優
れたNi基耐熱合金が得られる。このNi基耐熱合金
は、ガスタービンの高温化に伴い信頼性が要求されるガ
スタービン静翼材に特に好適である。
結果を示す図である。
ある。
リープ破断時間の関係を示す図である。
タービン静翼の斜視図である。
実施したバレストレイン試験の要領の説明図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 重量%で、0.05〜0.25%のC、
18〜25%のCr、15〜25%のCo、W+1/2
Moの値が5〜10%である量の3.5%までのMoお
よび5〜10%までのWの一種又は二種、1.0〜5.
0%のTi、1.0〜4.0%のAl、0.5〜4.5
%のTa、0.2〜3.0%のNb、0.005〜0.
10%のZrと0.001〜0.01%のBを含有し、
残部がNiおよび不可避的不純物元素からなり、(Al
+Ti)量および(W+1/2Mo)量が図1において
点A(Al+Ti:3%、W+1/2Mo:10%)、
点B(Al+Ti:5%、W+1/2Mo:7.5
%)、点C(Al+Ti:5%、W+1/2Mo:5
%)、点D(Al+Ti:7%、W+1/2Mo:5
%)、点E(Al+Ti:7%、W+1/2Mo:10
%)の各点を順次結ぶ線で囲まれた範囲内の組成を有す
ることを特徴とする溶接性にすぐれたニッケル基耐熱合
金。 - 【請求項2】 重量%で、0.05〜0.25%のC、
10〜20%のCr、15〜25%のCo、W+1/2
Moの値が0.5〜10%である量の3.5%までのM
oおよび0.5〜10%までのWの一種又は二種、1.
0〜5.0%のTi、1.0〜4.0%のAl、0.5
〜4.5%のTa、0.2〜3.0%のNb、0.00
5〜0.10%のZrと0.001〜0.01%のBを
含有し、残部がNiおよび不可避的不純物元素からな
り、(Al+Ti)量および(W+1/2Mo)量が、
図1において、点A(Al+Ti:3%、W+1/2M
o:10%)、点B(Al+Ti:5%、W+1/2M
o:7.5%)、点C(Al+Ti:5%、W+1/2
Mo:5%)、点F(Al+Ti:4%、W+1/2M
o:5%)、点G(Al+Ti:4%、W+1/2M
o:0.5%)、点H(Al+Ti:7%、W+1/2
Mo:0.5%)点E(Al+Ti:7%、W+1/2
Mo:10%)の各点を順次結ぶ線で囲まれた範囲内の
組成を有することを特徴とする溶接性にすぐれたニッケ
ル基耐熱合金。
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JP6267111A JP2862487B2 (ja) | 1994-10-31 | 1994-10-31 | 溶接性にすぐれたニッケル基耐熱合金 |
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