[发明专利]镍基锻造合金和使用其的汽轮机设备用部件

说明书

本申请为申请号201110024681.1、申请日2011年1月24日、发明名称“镍基锻造合金和使用其的汽轮机设备用部件”的分案申请。

技术领域

本发明涉及汽轮机等的高温部件、用于高温部件的镍基锻造合金。

背景技术

为了提高汽轮机发电设备、燃气轮机等的发电效率，主蒸汽温度或燃烧温度的提高是有效的。伴随主蒸汽温度或燃烧温度的提高，高温部件的温度变高，因此，需要耐用温度更高的耐热材料。

根据暴露的温度及部件的尺寸，高温部件被分类为精密铸造材料和锻造材料。小型且使用温度高的燃气轮机转动叶片及定子叶片通常是通过精密铸造而制作的，但由于难以通过精密铸造制作大型部件，因而，其它的大型的部件通常是通过锻造而制作的。锻造品在1000℃～1200℃的范围进行热锻造而成型，但为了确保在该温度区域的加工性，需要1000℃以上的变形阻力小。

利用γ'相(Ni₃Al)而被析出强化的镍基超合金由于高温强度优异，因此，被广泛应用于通过锻造制作的高温部件。γ'相在低温比在高温稳定，具有若温度上升则消失的特性。由于在γ'相析出的状态下热加工性差，因此，需要在γ'相消失的温度(固溶温度)以上进行热加工。对于使用温度下的强度，由于γ'相的析出量越多则强度越强，因此，需要增加γ'相的析出量，但由于γ'相的析出量增加时，固溶温度也上升，因此热加工变难。因此，γ'相强化型锻造材料的高温强度存在界限。

在将必要的10万小时的断裂强度设定为100MPa的情况下，将γ'相的固溶温度设定为1000℃程度以下而确保充分的热加工性的情况下的锻造材料的耐用温度的界限为750℃左右。另外，在750℃以上时，氧化开始变得显著，因此，为了将耐用温度提高到750℃以上，提高抗氧化性是不可避免的。为了提高抗氧化性，形成稳定的氧化物的Al的添加是有效的，Al提高γ'相的固溶温度，使热加工性变差，因此，在现有的锻造合金中为3wt.%以下，对稳定地形成铝氧化物是不充分的。

在公知例1(日本特开2009-97052号公报)中，尝试了在保持与现有材料同等的热加工性的同时使耐用温度从现有材料的界限即750℃提高到780～800℃，并在表面形成Al膜，同时，对使γ'相在高温不稳定、使γ'相在低温稳定化的合金元素的添加平衡进行了研究，发现了可以不损害热加工性而大幅提高耐用温度的添加元素的平衡。通过增加γ'相可以得到高强度，但γ'相会使热锻造性变差。

公知例1中，是以没有实质添加Nb、Ti、Ta为特征，由此，将析出强化相即γ'相的固溶温度抑制在较低的水平并使锻造下限温度较低，成功地增加了在使用温度即700～800℃时的γ'相的析出量。公知例1中所示的成分中，除了γ'相以外，析出以Cr、W、Mo为主体的碳化物。

这些合金中析出的主要的碳化物为M₂₃C₆型碳化物。碳化物在至1000℃以上是稳定的，在锻造中或固溶处理中成为结晶粒界移动的障碍，具有抑制晶粒粗大化的作用。作为在镍基超合金中析出的碳化物，除M₂₃C₆型碳化物以外，已知有以Ta、Ti、Nb为主成分的MC型碳化物。为了制造大型锻造品，如公知例1所示的材料，除γ'相的固溶温度低、即锻造下限温度低以外，还优选锻造上限温度高。

对于锻造上限温度，在将锻造品成型时，可以也包含由加工发热引起的升温量在内设定为略低于部分熔融温度，即使在部分熔融温度以下，若在碳化物不析出的温度进行锻造，则晶粒也显著粗大化，疲劳特性及切口敏感性变差。因此，锻造上限温度由碳化物的固溶温度决定。

M₂₃C₆型碳化物与MC型碳化物相比，在高温不稳定，因此，C的添加量少时，固溶温度变低，锻造上限温度变低。MC型碳化物直到高温都是稳定的，因此，即使是少量的C，直到略低于熔点的温度也可以稳定地存在。

这样，碳化物起到控制锻造上限温度的重要的作用，但如果过量析出，则成为龟裂的产生基点，使疲劳强度降低。在公知例1中，由于不含有Ta、Ti、Nb，因此，碳化物为M₂₃C₆型碳化物，为了提高锻造上限温度，需要添加大量的C，由此，产生龟裂的基点增加。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-97052号公报

发明内容

发明要解决的课题