專利名稱：：用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金和蒸汽渦輪的渦輪轉子的制作方法
技術領域：
：本發明涉及組成蒸汽渦輪的渦輪轉子的材料，其中高溫蒸汽在所述蒸汽渦輪中作為工作流體流動，具體地涉及用于高溫強度等性能優異的蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金，并涉及由該鎳基合金構成的蒸汽渦輪的渦輪轉子。2.相關技術描述在包括蒸汽渦輪的熱電廠中，從全球環境保護的觀點出發，抑制二氧化碳排放的技術引起了公眾的注意，并且對提高發電效率的需求增大。提高渦輪蒸汽溫度以增大蒸汽渦輪的發電效率是有效的，并且在包括最新的蒸汽渦輪的熱力發電廠中蒸汽溫度增大至60(TC或以上。將來有增大到650。C，甚至700。C的趨勢。在具有轉子葉片并通過接收高溫蒸汽而旋轉的渦輪轉子中，高溫蒸汽將其周邊升至高溫，并由旋轉產生高壓。因此，渦輪轉子必須耐高溫和高壓，且組成渦輪轉子的材料要求在從室溫到高溫的范圍內具有良好的強度、延展性和韌性。特別地，當蒸汽溫度超過700。C，比如，JP-A7-150277(KOKAI)中研究了鎳基合金的應用，因為傳統的鐵基材料達不到高溫強度。鎳基合金己被廣泛用作噴氣發動機和燃氣輪機的材料，因為它高溫強度和耐腐蝕性優異。Inconel617合金(由SpecialMetalCorporation制造)和Inconel706合金(由SpecialMetalCorporation制造)作為代表性的實例使用。對于加強鎳基合金的高溫強度的機制，一種是通過加入Al或Ti，在鎳基合金的母相材料中形成稱作Y'相(Ni"Al,Ti))或y'相的沉淀相，并通過沉淀上述兩相確保高溫強度。比如，可用Incond706合金作為通過沉淀y相和Y"相兩相而確保高溫強度的材料。另一方面，還有一種機制，其中通過加入Co、Mo(比如Inconel617合金)來加強(固溶強化)鎳基的母相來確保高溫強度。如上所述，鎳基合金的應用作為溫度超過70(TC的蒸汽渦輪的渦輪轉子的材料研究，但可以設想對于高溫強度還有進一步改進的空間。另外，要求通過組成等的改進來提高鎳基合金的高溫強度，同時保持鎳基合金的可鍛性、焊接性能等。發明概述因此，本發明的目的是提供能夠提高機械強度同時保持工作性(比如可鍛性)的蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金，和由該鎳基合金構成的蒸汽渦輪的渦輪轉子。根據本發明的一方面，提供了用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金，以重量％計，其含有C:0.01至U0.15;Cr:18到28;Co:10到15;Mo:8至Ul2;Al:1.5至lj2;Ti:0,1到0.6;B:0.001至lj0.006;Ta:0.1至U0.7，且其剩余部分由Ni和不可避免的雜質組成。另外，根據本發明的另一方面，提供了用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金，以重量％計，其含有C:0.01至U0.15;Cr:18到28;Co:10到15;Mo:8到12;Al:1.5至U2;Ti:0.1至U0.6;B:0.001到0.006;Nb:0.1到0.4，且其剩余部分由Ni和不可避免的雜質組成。另外，根據本發明的另一方面，提供了用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金，以重量％計，其含有C:0.01至lj0.15;Cr:18到28;Co:10到15;Mo:8到12;Al:1.5到2;Ti:0.1到0.6;B:0.001到0.006;Ta+2Nb:0.1到0.7，且其剩余部分由Ni和不可避免的雜質組成。此外，根據本發明的另一方面，提供了蒸汽渦輪的渦輪轉子，其貫穿所述蒸汽渦輪，并且所述蒸汽渦輪中導入有高溫蒸汽，其中，至少預定部分由上述用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金構成。本發明將參考附圖描述，但這些附圖僅用于示例，而不以任何方式限制本發明。圖1的視圖顯示了各個樣品的Greeble試驗的結果。發明詳述下面將描述本發明的實施方案。根據本發明實施方案的鎳基合金由下面顯示的范圍內的組成組分組成。順便提及，下面的描述中表示組成組分的"％"指"重量％"，除非特別指出。(Ml)鎳基合金，其含有C:0.01%至」0.15%、Cr:18%到28%、Co:10%到15%、Mo:8%到12%、Al:1.5%到2%、Ti:0.1%到0.6%、B:0.001%到0.006%、Ta:0.1%到0.7%，且其剩余部分由Ni和不可避免的雜質組成。(M2)鎳基合金，其含有C:0.01%到0.15%、Cr:18%到28%、Co:10%到150/o、Mo:8%到12%、Al:1.5%到2%、Ti:0.1%到0.6%、B:0.001%到0.006%、Nb:0.1%到0.4%,且其剩余部分由Ni和不可避免的雜質組成。(M3)鎳基合金，其含有C:0.01%至1」0.15%、Cr:18%到28%、Co:10%到15%、Mo:8%到12%、Ah1.5%到2%、Ti:0.1%到0.6%、B:0.001%到0.006%、Ta+2Nb:0.1%到0.7%，且其剩余部分由Ni和不可避免的雜質組成。這里，在上述(M1)到(M3)的鎳基合金中的不可避免的雜質中，優選地在不可避免的雜質中，至少Si被控制在0.1%或更少，且Mn被控制在0.1%或更少。在上述組成組分范圍內的鎳基合金適合作為組成操作時的溫度達到68(TC到75(TC的蒸汽渦輪的渦輪轉子的材料。這里，蒸汽渦輪的渦輪轉子的每個部分均可由該鎳基合金構成，或特定的蒸汽渦輪的渦輪轉子達到高溫的部分可由該鎳基合金構成。這里，更具體地說，高壓蒸汽渦輪部分的每個區域，從高壓蒸汽渦輪部分到中壓蒸汽渦輪部分的區域等可作為所述蒸汽渦輪的渦輪轉子達到高溫的部分。此外，在上述組成組分范圍內的鎳基合金可提高包括高溫強度的機械強度，同時保持工作性(比如傳統鎳基合金的可鍛性)。B口，蒸汽渦輪的渦輪轉子使用該鎳基合金構成，從而，可以提高渦輪轉子的高溫強度，并制造即使在高溫環境下也具有高可靠性的渦輪轉子。此外，當蒸汽渦輪的渦輪轉子制成后，可以保持傳統的鎳基合金的工作性。下面，將描述限定根據本發明的上述鎳基合金中的各個組成組分范圍的原因。(1)C(碳)C作為加固相M23C6型碳化物的組成元素是有用的，且它是保持合金的蠕變強度，以在蒸汽渦輪的操作期間(特別是在65(TC或更高溫度下的高溫環境下)沉淀M23C6型碳化物的因素之一。此外，還有確保熔融金屬在澆鑄時的流動性的作用。當C的含量小于0.01%時，不能確保足夠的碳化物的沉淀量，且澆鑄時熔融金屬的流動性顯著降低。另一方面，當C的含量超過0.15%時，制造較大的錠鐵時的組分分離趨勢增大，且脆變相M6C型碳化物的產生加速。因此，(3的含量設置為0.01%到0.15%。(2)Cr(鉻)鉻是增強鎳基合金的抗氧化性、耐腐蝕性和機械強度的重要元素。另外，作為M23C6型碳化物的基本組成元素它是必要的，特別地，在65(TC或更高的高溫環境下，在蒸汽渦輪的操作期間，通過沉淀]VbC6型碳化物來保持合金的蠕變強度。此外，Cr增大了高溫蒸汽環境下的抗氧化性。當Cr含量小于18%時，抗氧化性降低。另一方面，當0"含量超過28%時，由于顯著加速M23C6型碳化物的沉淀，粗大化趨勢增強。因此，Cr的含量設置在18%到28%。(3)Co(鈷)Co通過鎳基合金中的母相中的固溶(solid-solving)來增強母相。然而，當Co含量超過15%時，產生降低機械強度的金屬間化合物相(intermetalliccompoundphase),可鍛性降低。另一方面，當Co含量小于10。/。時，工作性降低，另夕卜，機械強度降低。因此，Co含量設置在10%到15%。(4)Mo(鉬)Mo具有通過在Ni母相中固溶而增強母相的強度的作用。此外，M23C6型碳化物中的部分Mo被取代，從而，碳化物的安全系數增大。當Mo含量小于8%時，不顯示上述作用，且當Mo含量超過12%時，制造較大的錠鐵時組分分離趨勢增大，且脆化相M6C型碳化物的產生加速。因此，Mo的含量設置在8%到12%。(5)Al(鋁)Al和Ni—起產生/相(Y':M3A1)，并通過沉淀提高鎳基合金的機械強度。當A1的含量小于1.5%時，機械強度和可鍛性相比于普通鋼均未改善，而當AI的含量超過2%時，機械強度提高，但可鍛性降低。因此，Al的含量設置在1.5%到2%。(6)Ti(鈦)和A1—樣，Ti和Ni—起產生y相(力Ni3Ti)，并提高鎳基合金的機械強度。當Ti的含量小于0.1%時，不能顯示上述作用，而當Ti含量超過0.6%時，熱加工性能和可鍛性降低，另外，切口敏感性(notchsensitivity)增大。因此，Ti含量設置在0.1。/。到0.60/0。(7)B(硼)B具有通過在Ni母相中沉淀而增強母相強度的作用。當B的含量小于0.001%時，不顯示上述作用，而當B的含量超過0.006%時，存在產生晶界脆化的可能性。因此，B含量設置在0.001%到0.006%。(8)Ta傲Ta固溶在Y'相(力NisAl)中，增強強度，并穩定沉淀強度。當Ta含量小于0.1%時，相比于普通鋼看不到上述作用中的改進，而當Ta含量超過0.7%時，機械強度通常得到提高，但可鍛性降低。因此，Ta含量設置在0.1%至U0.7%。(9)Nb(鈮)和Ta—樣，Nb固溶在Y'相(力NisAl)中，增強強度，并穩定沉淀強度。當Nb的含量小于0.1%時，和普通鋼相比在上述作用中看不到改進，而當Nb的含量超過0.4%時，機械強度通常得以提高，但可鍛性降低。因此，Nb的含量設置在0.1%至1』0.4%。此外，同時含有上述Ta和Nb，且含有含量在0.1%到0.7°/。的范圍內的(Ta+2Nb)，從而，它們固溶在y相(y:Ni3Al)中，增強強度，并穩定沉淀強度。當(Ta+2Nb)的含量小于0.1%時，和普通鋼相比在上述作用中看不到改進，而當(Ta+2Nb)的含量超過0.7%，機械強度提高，但可鍛性降低。順便提及，在這種情況下，Ta和Nb的含量分別為至少0.0"/。或更大。Nb的比重大致是Ta的一半(Ta的比重16.6，Nb的比重8.57)，因此，相比于單獨加入Ta的情況，可以通過共同加入Ta和Nb來增加固溶體量。此外，Ta是戰略材料，因此，材料采購不穩定。然而，Nb的儲備大致是Ta的100倍，可以穩定供應。Ta的熔點高于Nb(Ta的熔點約3000'C，Nb的熔點約2470。C)，因此，在較高溫度下Y'相得到增強，且Ta的抗氧化性優于Nb。(10)Si(硅)和Mn(錳)Si和Mn被劃分為根據本發明的鎳基合金中不可避免的雜質。因此，最好盡可能使剩余含量近似為0%(零)。在普通鋼中，加入Si以補償耐腐蝕性。然而，所述鎳基合金中的Cr含量大，可以充分保證耐腐蝕性。因此，si剩余含量設置為o.iy。或更少，并且最好盡可能使根據本發明的鎳基合金中的剩余含量近似為0%(零)。在普通鋼中，Mn將引起脆性的S(硫)轉化成MnS，防止脆性。然而，所述鎳基合金中的S的含量極小，因此，不必加入Mn。因此，Mn含量設置為0.1%或更少，且最好盡可能使根據本發明的鎳基合金的剩余含量近似為0%(零)。對通過在真空感應熔爐中熔化組成鎳基合金的組成成分而獲得的錠鐵進行滲透過程、鍛造和熔體化處理(solutiontreatment),從而制造根據本發明的上述鎳基合金。優選地，在滲透處理中將錠鐵保持在1050'C到1075'C的溫度范圍內五到六個小時，并在熔體化處理中保持在IIO(TC到118(TC的溫度范圍內四到五個小時。這里，進行熔體化處理以均勻地固溶Y'相沉淀。y相沉淀在低于IIOO'C不完全固溶，且在高于118(TC的溫度下強度降低，因為晶粒粗大化。此外，在950。C到1100。C(再加熱溫度為IIO(TC)的溫度下進行鍛造。此外，當蒸汽渦輪的渦輪轉子由根據本發明的上述鎳基合金構成時，比如一種方法(雙重熔化)是，對原材料進行真空感應熔化(VIM)、電渣重熔(ESR)，并將它們注入預定的模子中。然后進行鍛造處理、熱處理，以制造渦輪轉子。對于另一種方法(雙重熔化)，對原材料進行真空感應熔化(VIM)、真空電弧重熔(VAR)，并將它注入預定的模子中。然后進行鍛造處理、熱處理，以制造渦輪轉子。另外，對于另一種方法(三重熔化)，對原材料進行真空感應熔化(VIM)、電渣重熔(ESR)、真空電弧重熔(VAR)，并將它們注入預定的模子中。然后，進行鍛造處理、熱處理，以制造渦輪轉子。順便提及，對通過上述方法制造的渦輪轉子進行超聲測試等。下文中說明了本發明鎳基合金的機械強度和可鍛性是優異的。(拉伸強度試驗和可鍛性評價)這里，說明了在本發明化學組成范圍內的鎳基合金的機械強度和可鍛性是優異的。表1顯示了進行拉伸強度試驗和可鍛性評價的樣品1到樣品28的化學組成。順便提及，樣品1到樣品6是在本發明化學組成范圍內的鎳基合金，樣品7到樣品28是組成在本發明化學組成范圍外的鎳基合金，它們是比較實施例。此外，樣品7的化學組成相當于普通鋼Incone1617。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>在拉伸強度試驗中，將20kg的各種具有表1顯示的化學組成的樣品1到樣品28的鎳基合金在真空感應熔爐中熔化，由錠鐵制成鋼鍛件，并由該鋼鍛件制成預定尺寸的樣品。拉伸強度試驗根據"JIS(日本工業標準)G0567"(鋼和耐熱合金的高溫拉伸試驗方法)對各樣品在23"C、700°C、800°C的溫度下進行，并測量0.2。/。屈服強度(proofstress)。這里，拉伸強度試驗中的溫度條件為700"C和800'C的溫度是通過考慮蒸汽渦輪的渦輪轉子正常操作時的溫度條件和考慮安全因素的溫度而設定的。此外，對各樣品進行可鍛性評價。這里，根據再加熱直到鍛造比變成三的再加熱次數，和進行鍛造處理直到鍛造比變成三之后，鍛造比變成三時有/無鍛造裂紋來評價。這里，鍛造比是這樣的比率其中，鍛造處理進行之前，待鍛造物體垂直于待鍛造物體要拉伸方向的橫截面積除以鍛造處理之后，鍛造物體垂直于鍛造物體拉伸方向的橫截面積。此外，在一般的鍛造處理中，鍛造處理通過當待鍛造物體的溫度降低(即當待鍛造物體開始硬化時)再加熱待鍛造物體來重復。再加熱次數是再加熱鍛造物體直到鍛造處理中的鍛造比變成三為止的次數。此外，當鍛造處理后視覺觀察鍛造的物體且不存在裂紋時，鍛造裂紋的有/無表示為"無"，另外，用"O"表示表示可鍛性評價，表明可鍛性優異。另一方面，當有裂紋時，用"有"表示，另夕卜，用"X"表示表示可鍛性評價，表明可鍛性差。表2顯示了0.2%屈服強度的測量結果和可鍛性評價結果。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>如表2所示，樣品1到樣品6在各個溫度下具有較高的0.2%屈服強度、良好的可鍛性，結果顯示可以獲得和具有良好可鍛性的普通鋼相似的可鍛性。0.2%屈服強度變成較高值的原因是可以想到的，因為實現了沉淀強化和固溶強化(solid-solutionstrengthening)。另一方面，比如，結果顯示0.2%屈服強度顯示了較高值，但可鍛性在普通鋼(比如樣品18和樣品20)中不好。如上所述，沒有機械強度和可鍛性都很優異的普通鋼。(Greeble試驗)這里描述了在本發明化學組成范圍內的鎳基合金具有良好的熱加工性能。順便提及，這里通過使用表1中顯示的樣品1到樣品7對各個樣品進行Greeble試驗。這里，樣品1到樣品6是本發明化學組成范圍內的鎳基合金，樣品7是本發明范圍化學組成范圍外的鎳基合金(相當于Inconel617)，它是比較實施例。表3顯示了上述各個樣品的Greeble試驗的結果。此外，圖1的視圖顯示了表3中各個樣品的Greeble試驗的結果。這里，圖1縱軸顯示的"截面減小率"指的是從試驗前的樣品橫截面積到試驗后(斷裂后)的樣品橫截面積減少的橫截面積與試驗前的樣品橫截面積的比率。即，當該值大時，表示樣品具有良好的熱加工性能。表3試驗溫度'c截面減小率％樣品1樣品2樣品3樣品4樣品5樣品6樣品7卯o73737373737270100074757576767672110076777878787876120084838384838381130095949595969593如表3和圖1所示，對于本發明化學組成范圍內的鎳基合金的樣品1到樣品6和普通鋼的鎳基合金的樣品7可以獲得近似相等的Greeble試驗結果。此外，截面減小率在包括鍛造溫度范圍(約95(TC到1100'C)的90(TC到130(TC的溫度范圍內為70%或更大，結果顯示獲得了和普通鋼的鎳基合金相同的良好的熱加工性能。14(老化特性)這里，說明了即使將本發明化學組成范圍內的鎳基合金置于高溫下預定的時間內，其機械強度也可以得到保持。將20kg的具有表1顯示的化學組成的樣品1到樣品6的各個鎳基合金熔化在真空感應熔爐中熔化并由錠鐵制成鋼鍛件，和上述拉伸強度試驗中的樣品制造方法一樣，由鋼鍛件制造預定尺寸的樣品。拉伸強度試驗根據"JIS(日本工業標準)G0567"(鋼和耐熱合金高溫拉伸試驗方法)在將各個樣品置于750。C下2000小時后置于700。C的溫度條件下進行，并測量0.2%屈服強度。此外，在熱處理進行前對各樣品進行70(TC條件下的拉伸強度試驗，并測量0.2%屈服強度。這里，將樣品置于75(TC的原因在于為獲得安全方面的數據，考慮了上述渦輪轉子的最大使用溫度。另一方面，考慮蒸汽渦輪的渦輪轉子的正常操作時的溫度條件，拉伸強度試驗中的溫度條件設定為70(TC的溫度。表4顯示了各個樣品中0.2%屈服強度的測量結果。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>如表4所示，結果顯示熱處理后的樣品的0.2%屈服強度略有降低，但大致上保持了熱處理前的機械強度。因此根據上述結果可以理解結構基本不隨時間變化。上面具體地描述了本發明的實施方案。然而，本發明并不局限于這些具體實施方案，應當理解所有不脫離所附權利要求范圍的變化和修改均包括在其內。權利要求1.用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金，以重量百分比計，其含有碳0.01到0.15；鉻18到28；鈷10到15；鉬8到12；鋁1.5到2；鈦0.1到0.6；硼0.001到0.006；鉭0.1到0.7，且其剩余部分由鎳和不可避免的雜質組成。2.用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金，以重量百分比計，其含有碳0.01到0.15;鉻18到28;鈷10至U15;鉬8到12;鋁1.5至lj2;鈦0.1到0.6;硼0.001至U0.006;鈮0.1至U0.4，且其剩余部分由鎳和不可避免的雜質組成。3.用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金，以重量百分比計，其含有碳0.01到0.15;鉻18到28;鈷10到15;鉬8到12;鋁1.5到2;鈦0.1至lJ0.6;硼0.001到0.006;鉭+2鈮0.1到0.7，且其剩余部分由鎳和不可避免的雜質組成。4.權利要求1的用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金，其中在所述不可避免的雜質中，以重量百分比計，硅控制在0.1或更少且錳控制在0.1或更少。5.權利要求2的用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金，其中在所述不可避免的雜質中，以重量百分比計，硅控制在0.1或更少且錳控制在0.1或更少。6.權利要求3的用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金，其中在所述不可避免的雜質中，以重量百分比計，硅控制在0.1或更少且錳控制在0.1或更少。7.蒸汽渦輪的渦輪轉子，其貫穿所述蒸汽渦輪，并且所述蒸汽渦輪中導入有高溫蒸汽，其中至少預定的部分由權利要求1的用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金構成。8.蒸汽渦輪的渦輪轉子，其貫穿所述蒸汽渦輪，并且所述蒸汽渦輪中導入有高溫蒸汽，其中至少預定的部分由權利要求2的用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金構成。9.蒸汽渦輪的渦輪轉子，其貫穿所述蒸汽渦輪，并且所述蒸汽渦輪中導入有高溫蒸汽，其中至少預定的部分由權利要求3的用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金構成。全文摘要本發明公開了用于蒸汽渦輪的渦輪轉子的鎳基合金，以重量％計，其含有C0.01到0.15、Cr18到28、Co10到15、Mo8到12、Al1.5到2、Ti0.1到0.6、B0.001到0.006、Ta0.1到0.7，且剩余部分由Ni和不可避免的雜質構成。由于具有上述化學組成，所述鎳基合金在提高機械強度的同時能保持和普通鋼相同的可鍛性。文檔編號C22C19/07GK101386939SQ20081021256公開日2009年3月18日申請日期2008年9月5日優先權日2007年9月14日發明者今井潔,吉岡洋明,奧野研一,山田政之,根本邦義,福田雅文,須賀威夫,高久歷,高桑章浩申請人:株式會社東芝