JPS61163238A - タ−ビン用耐熱耐食合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、耐熱性および耐食性に秀れたタービン用合金
に関する。

従来の技術 ガスタービンや蒸気タービンの動翼、静翼、ボルト、デ
ィスク、ロータなどの各種部材に用いられる比較的安価
な鍛造用耐熱耐食合金としては、表１に示した０ｒ−Ｎ
ｉ−Ｆθ　基析出硬化型合金がある。

骨間ＩＩＩａ６１−１ｔｉＪ”ｉ６　Ｕ３）この表１に
示す析出硬化型合金は、Ｃｒ量が最高約１６優に押えら
れており、耐酸化性、耐高温腐食性（硫化物腐食）、或
いは耐応力腐食割れ性が十分でない。

近年、ガスタービンの高性能高効率化を図るため、燃焼
器出口ガス温度が高くなシ、それに伴なって、各種高温
部材のメタル温度も上昇し、また、省資源の観点から、
従来に増して硫化物を多く含有する粗悪燃料が用いられ
る場合が、多くなって来た。このためには、耐酸化性及
び耐高温腐食性がすぐれ、かつ、安価な耐熱合金が必要
になって来た。

一方、近年蒸気タービンも高性能高効率化を図るため、
蒸気温度も上昇する傾向にあり、それに伴なって、メタ
ル温度も従来（一般には。

５６６℃）以上に上昇し、前記衣１に示した析出硬化型
合金が用いられる機会が多くなって来た。蒸気タービン
の高温部材は、最高メタル温度によ如材料選定が行なわ
れるが、同一部材内で温度分布があシ、同一部材内でも
、４０℃〜４００℃の比較的低温度で、かつ、湿分を含
む環境に長期曝される場合がある。このような環境下に
おいては、Ｆｅ基析出硬化型合金などのオーステナイト
系合金では、耐応力腐食割れ性のすぐれたものが必要に
なって来た。

このよりなＦθ基耐熱合金の耐酸化性、耐高温腐食性、
或いは、耐応力腐食割れ性を向上させるには、Ｃｒ量を
多く含有させることが有効である。しかし、この種合金
では、Ｃｒ量を多量に含有させると、σ相などの金属間
化合物が高温度で長期使用すると析出し、クリープ強さ
やクリープ破断強さなどの高温強度や衝撃性質などのし
ん性が低下する。

発明が解決しようとする問題点 とのσ相の析出を防止するためにｈ、Ｆｅ基析出硬化型
の合金では、Ｎｉ量を多くすることが有効である。そし
て、本発明者らは、鋭意研究の結果、この種合金の高温
強度をもたらすγ′相（Ｎｉｓ　（Ａ４　Ｔｉ　＞　）
の析出硬化作用、及びＭｏ。

ｗ、　　ｉｉｂ、　ｖ　ｚどの固溶体強化作用を妨げる
ことなく、耐酸化性、耐高温腐食性及び耐応力腐食割れ
性を十分向上させるのに有効なＣｒ含有量及びＣｒ量の
増加に伴ない、析出傾向が大きくなる有害な金属間化合
物σ相の析出防止に有効なＮ１含有量を見出し、本発明
に紋った。なお、本発明合金では、高価な元素であるＭ
ｏ。

Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｏなどに数饅以内と極力少なくし、Ｃ
ｒ、ＮｉＺど比較的安価な元素の添加により、性状改善
を図っている。

問題点を解決するための手段 本発明は、重量係で、Ｃ：１０８％以下、８１：１％以
下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：（１０３チ以下、Ｓ　：
　０．０１５チ以下、Ｎｉ：３５〜４８％、Ｃｒ　＝１
８〜２８ｅＩＩｊ％Ｍｏ　：０．５〜！Ｌ５ｑｂ１Ｔ１
　：１〜３％、ムｔ　：ＣＬ１〜１％、Ｂ　：　０．０
０１ンａ　Ｏ２％、Ｃｕ：０．２５％以下倉含有し、残
りがＦθと不可避不純物からなる組成を有することを特
徴とするタービン用耐熱耐食合金に関する。

さらに本発明は、上記組成に、希土類元素：０．１％以
下、Ｏａ：０．１ｑｂ以下、Ｍｇ：０．１％以下を含有
させるか、あるいＦｉ、ｃｏ：２％以下、ｖ　：　ｏ、
　ｓチ以下、Ｎ’ｂ：１．５係以下、Ｗ：１％以下、Ｚ
ｒ：０．００１〜α１％の１種又は２棟以上を含有させ
るタービン用耐熱耐食合金、またこの後者の組成に更に
希土類元素７０１％以下、Ｏａ：１１％以下、Ｍｇ：０
．１％以下の１種又は２種以上を含有するタービン用耐
熱耐食合金をも提案するものである。

すなわち、本発明合金の特徴は、表ＩＫ示す従来のＦθ
基析出硬化型゛合金の化学組成を基本に、Ｍｏ、　Ｗ、
　Ｖ、　　Ｍｂ、　　Ｃｏ　　’ｌｘどの高価な合金元
素の添加量をあまり増加させずに、Ｃｒ　　及びＮ１　
　の比較的安価な合金元素を添加し、前述の性状（耐酸
化性、耐高温腐食性、耐応力腐食割れ性）を改善し、か
つ、高温強度とじん性を損なわず、鍛造性や轡械切削性
も、従来の！θ基析出硬化型合金と同程朋の析出硬化型
合金である。

本発明の合金は、０．Ｓｉ、Ｍ０．Ｐ、Ｓ。

Ｎｉ、　　Ｃｒ、　Ｍｏ、　　Ｔｉ、　　Ａｔ、　Ｂ、
　　０ｕｔ−基本成分とし、残りに、Ｆθであるが、そ
の他、Ｓｎ。

Ａｓ、　　Ｓｂ、　　Ａｇ　　などの不可避不純物を含
んでもよい。また、上記基本成分の他に、希土類元素：
α１％以下、Ｏａ：０．１％以下、Ｍｇ：［ｌＩ係係上
下含むもの、あるいは上記基本成分の他にＯｏ：２％以
下、■：α５チ以下、Ｎｂ：１．５係以下、Ｗ：　１％
、Ｚｒ：ｌ１１００１〜［Ｎ１チのうちの１種又１ｉ２
棟以上含むもの、さらにこの後者の成分の他に、Ｙ：０
．１％以下、Ｏａ：０．１％以下、Ｍｇ：α１チ以下の
うちの１種又は２種以上含むものである。

以下に、本発明合金に係る各種元素につき説明する。

ｏ　　：ｃＦｉ高温強度の改善に必要でめるが、０．Ｏ
８％を越えると、結晶粒界にクロム炭化物（ＭｈｓＣｇ
型、ＭはＣｒ、Ｍｏ、Ｗなど）が過剰に析出し、耐高温
腐食や耐応力腐食割れ性を阻害し、また、延性やじん性
も低下させるので、ａＯａ以下とする。ただし、１０１
％未満では、その効果は少ないので、好ましくはα０１
〜 ０．０８チである。

Ｎｉ：Ｎｉ　は本合金の析出硬化相Ｎｉ３　（Ａ４　Ｔ
ｉ　）（γ′相といわれる）全析出させるために必要で
あり、また、Ｃｒ量を１８％以上含有させた場合、高温
強度やじん性を阻害する金属間化合物でめるσ相を生じ
やすくなるが、このσ相の析出を抑制させるためにｔま
３５チ以上必要である。また、Ｎ１は、Ｃｒ　と共存の
下に、耐高温腐食性や耐応力腐食割れ性を改善させる。

しかし、Ｎ１は４８％を越えて含有させても、その効果
の顕著な向上は認められず、経済性も考慮して、３５〜
４８チとする。

Ｃｒ：Ｃｒは、Ｎ１と共存の下に、多くなるほど。

耐高温腐食性や耐応力腐食割れ性を改善させ、その効果
は、１８％以上から顕著になる。しかし、２８％ケ越え
ると、熱間加工性（鍛造性）が悪くなり、また、＾温で
長時間使用中に、金属間化合物でめるσ相が析出しゃす
くな９、高温強度、じん性及び延性が低下する。そこで
、Ｃｒ童は、１８〜２８チとする。

Ｐ　：Ｐは不可避不純物として含まれてくるが、その含
有量が０．０３％を越えると、応力腐食割れの感受性が
高くなるので、最高α０３チとする。なお％Ｐ量は、低
いほど望ましい。

Ｓ　：８は不可避不純物として含まれてくるが、一般に
、ｓＩ／′ｉ熱間加工性を阻害し、０．０１５チを越え
ると、大型鍛造品や翼などの複雑な形状の鍛造品では、
鍛造が困難となるので、最高０．０１５％とする。なお
、Ｂ量は低いほど望ましい。

Ｓｉ：Ｓｌは脱酸作用があり、本発明合金を清浄にする
のに有効である。しかし、本発明合金では、真空溶解法
やエレクトロ・スラグ溶解法が採用される場合があり。

必ずしも必要な元素ではない。また、Ｓｌにあまり多く
なると、高温強度や延性を低下させ、熱間加工性（鍛造
性〕も阻害するので、１％以下とする。　・ Ｍｎ：Ｍｎも、Ｓｌと同様に脱酸作用があシ、本発明合
金を清浄にするのに有効でろる。

しかし、本発明合金では、真空溶解法やエレクトロ・ス
ラグ溶解法倉採用する場合があシ、必ずしも必要な元素
ではない。

また、Ｍｎはろまシ多くなると、高温強度やじん性を低
下させ、熱間加工性（鍛造性）を阻害するが、耐応力腐
食割れ性にはほとんど影響しないので、１．５　％以下
とする。

Ｍｏ：Ｍｏは、固溶体強化元素として高温強度を改善す
るが、１５％未満では、その効果は顕著ではない。一方
、多量に添加しても、その高温強度改善の効果の顕著な
向上は認められず、返って有害な金属間化合物であるσ
相の析出を助長させるので、その上限１ｊｉ５％とする
。

Ｔｉ：Ｔｉ　　は、本発明合金においては、高温強度を
向上させるために是非とも必要な析出相であるγ′相（
Ｎｉ、（Ａ４　Ｔｌ）　）を生成させるために必要であ
る。Ｔｉ量は、１チ未満では、高温強度の向上は十分で
なく、また、あまり多く添加すると、熱間加工性（鍛造
性）が著しく低下するので、その上限ｆｔ３％とする。

ｈｔ：ｈｔはγ′相（）１１ｎ（Ａ４　Ｔｉ）　　］を
形成し、高温で長時間使用中におけるγ′相の粗大化傾
向を阻止する。すなわち、γ′相の安定性を向上させて
、高温長時間強度の向上に有効である。その効果は、ｃ
Ｌ１優以上で顕著になるが、あま〕多く添加しても、そ
の効果の顕著な向上はなく、返って熱間加工性を阻害す
るので、その上限を１％とする。

Ｂ　　：Ｂｔｊ：結晶粒界を強化し、高温強度（特に長
時間クリープ破断強さ）や延性（クリープ破断伸び）２
向上させる。その効果は、０．ＯＯ１％未満では十分で
なく、一方、あまり多く添加すると、熱間加工性を阻害
し、また、硼化物全形成して延性を低下させる。そこで
、Ｂの含有量は、０．００１〜０．０２％とする。

（！ｕ：Ｃｕは、本発明合金では不可避不純物として含
まれてくるが、０．２５％を越えると、熱間加工性全阻
害するので、０．２５係以下とする。

ｃｏ：ＣＯは、本発明合金ではオーステナイト相の基地
を強化し、固溶体強化元素として有効であり、また、本
発明合金の溶体化処理において、γ′相の固溶を促進し
、溶体化処理後の時効処理において、γ′相の析出を助
長させるのに有効である。これらの効果は、本発明合金
では約２優で飽和する傾向があり、また、Ｃｏは高価な
元素であるため、経済性も考慮して、２％以下とする。

ｖ　　：ｖＨ固溶体強化元素として有効でめるが、めま
ヤ多く添加すると、延性、じん性及び熱間加工性を阻害
するので、α５俤以下とする。

Ｎｂ：Ｎｔ）に、結晶粒を微細化させ、じん性向上に有
効でろり、また、γ′相の中にＴ１やムｔと置換して入
り、γ′相の析出量を増加させ、更に、固溶体強化作用
があり、高温強度の向上に有効である。しかし、あまり
多量に添加すると、ニオブ炭化物（ＮｂＯ）’ｉ’形成
し、これは高温でも安定であるため、溶体化処理におい
ても、未固溶のまま残存し、却って、高温強度を阻害す
る場合があるので、１．５優以下とする。

Ｗ　：Ｗは、固溶体強化元素として高温強度を改善する
。しかし、Ｗはめまり多くすると、耐酸化性を阻害し、
また、ＷＩ／′ｉ比重の大きな元素であるため、大型の
インゴット（鋳塊）では偏析し、材質の均一性を阻害し
、さらに、Ｗは高価な合金元素であるため、経済性も考
慮して、１％以下とする。

Ｚｒ：Ｚｒｔ！結晶粒界を強化して、高温強度（特に、
長時間クリープ破断強さ）や延性（クリープ破断伸び）
を向上させる。

その効果は、０．００１９６未満では十分でなく、ま之
、めます多く添加しても、そ□の効果は顕著ではなく、
却ってジルコン化合物（例えば、窒化ジルコン）などの
非金属介在物を生成して、延性を低下させるので、０．
ＯＯ１〜０．１チとする。

Ｙ等の希土類元素、Ｍｇ、Ｏａ：これらの合金元素は、
さらに熱間加工性を改善させるので、厳しい条件の下で
、熱間加工が行なわれる場合には、必要に応じて添加さ
れるが、いずれも、０．１％ｌｉ越えて添加させても、
熱間加工性に顕著な改善効果は認められず、却って熱間
加工性を阻害する場合さえ現われるので、その含有量を
、それぞｆｔ０．Ｉ係以下とする。

以下に、実施例を示す。

実施例 表２に示す化学組成をもつ溶湯を、真空高周波溶解炉を
用いて溶製し、直径約１００ｍの鋳塊（インゴット）に
鋳造し、１１５０〜１０７０℃の温度範囲で熱間鍛造を
行ない、厚さ約３５−１幅約６０１の棒材に鍛伸した。

この熱間鍛造の際、熱間加工性を検討する目的で、鍛伸
中の棒材に割れの発生があるか否かを観察した。

しかし、いずれの棒材にも問題になるような割れの発生
Ｆｉ認められず、熱間加工性は良好でめった。

これらの棒材に、次の熱処理を施した。

溶体化処理：温度１０４０℃、保持時間４ｈ。

冷却方法・・・油冷 時効処理　：温度７４５℃、保持時間２０ｈ。

冷却方法・・・空冷 本発明合金は、時効硬化能を有し、高温強度をもたらす
ために、時効処理を施して使用するのが望ましい。

次に、前記熱処理を施した棒材より、径６−０■、標点
距離５０ｍの試験片を採取し、常温引張試験及びクリー
プ破断試験（温度５９３℃、応力４　ｑ、　ｏ　ｋｇ／
■３、及び温度６４９℃、応力４　Ｌ　Ｏｋｇ／ｗ２の
２条件）を行ない、また、直径１０■、長さ６０ｗａの
円筒状高温腐食試験片、及び第１図に示すような応力腐
食割れ試験片を採取し、それぞれ下記に示す試験条件で
高温腐食試験及びクリープ破断試験を行なった。

なお、上記の高温腐食試験片の表面仕上げ粗度はＪＩ［
３Ｂ　００３１の仕上げ記号ｒ　Ｖ’；７ＶＪに相当す
る。また、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）を曲げた状態、
第１図（０）は第１図（Ｅ）を工ｎｃｏｎｅｌム１ｌｏ
ｙ　６００　（米国Ｉｎｃｏ　　社の商品名７６％Ｎｉ
　−Ｉ　Ｓ　５　％　Ｃｒ　−ａ　　ロ　　％ｐｅ−ｎ
ｓ　　　％　Ｍｎ　　　−α　　２　　　％　　　８１
　　−　　　Ｅｌ　　　０　　８　　　％Ｃ）製のボル
ト１とナツト２で固定させた状態を示し、第１図（Ａ）
〜（０）の寸法は下表の通）とした（すなわち、曲げ半
径６■のＵ型に曲げた試験片、略記号６Ｆ＋、−Ｕ−Ｂ
ｅｎｔ）。

（単位ニー） また、標点距離とは、引張試験片やクリープ破断試験片
の破断伸びを測定するため、予めその標点距離を決めて
おく伸び測定の基準長さをいう。伸びは次式で示される
。

１゜ δ：破断伸び係 ｔ：試験片の両破断片の中心点が直線上にあるように注
意してつなぎ合わせ、測 定した標点間の長さ■ ｔｏ二標点距離叫 これらの試験結果は、表Ｓ〜表４に示す通シである。

〔高温腐食試験における腐食環境条件〕人工法：　１５
　％　Ｎａ１Ｅｉ０４−８５　％　Ｖ２０Ｂ人工灰人工
法０岬／−１表面に塗布 温度　：８５０℃ 時間　：２４ｈ 〔応力腐食割れ試験における環境条件］温　　度：　３
６０　℃ 雰囲気：脱気純水（固溶酸素：　５　ｐｐｂ以下）圧　
　カニ１７５に９／国１　・　０ 時　間：４，００．Ｏｈ 表　　４　　本発明合金及び比較合金の高温腐食試験及
び応力腐食割れ試験の結果 上記結果から明らかなように、本発明合金の常温強度（
引張強さ、耐力）及び高温強度（クリープ破断試験にお
ける破断時間で評価）は、比較合金のそれらと比較して
同等以上でラシ５また、延性（伸び、絞））も比較合金
のそれらと比較して、そん色＃ｉ認められない。一方、
高温腐食試験及び応力腐食割れ試験では、比較的・Ｃｒ
量の低いム合金では、比較合金（Ｒ）に比較してかな〕
すぐれている程度でるるか、Ｂ〜Ｑ合金は比較合金（Ｒ
）に比較して、腐食減量が約猶でロシ、また、応力腐食
割れ試験では、き裂の発生は認められず、本発明合金は
、耐高温腐食性及び耐応力腐食性に一段とすぐれている
ことが認められた。

発明の効果 以上のように、本発明合金は、常温強度及び高温強度は
従来の析出硬化型Ｆθ基耐熱合金のそれらに比較して、
同等或いは若干すぐれている程度であるが、高温腐食性
や応力腐食割れ性に一段とすぐれてお９、ガスタービン
や蒸気タービンの各種高温部材に適切な性能を有するも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例での応力腐食割れ試験に用いた試験片
形状及び試験片曲げ状況を示す。 復代理人　　内　１）　　明 復代理人　　葦　原　亮　− 第１図 （Ａ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：１％以下
   、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．
   ０１５％以下、Ｎｉ：３５〜４８％、Ｃｒ：１８〜２８
   ％、Ｍｏ：０．５〜３．５％、Ｔｉ：１〜３％、Ａｌ：
   ０．１〜１％、Ｂ：０．００１〜０．０２％、Ｃｕ：０
   ．２５％以下を含有し、残りがＦｅと不可避不純物から
   なる組成を有することを特徴とするタービン用耐熱耐食
   合金。
2. （２）重量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：１％以下
   、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．
   ０１５％以下、Ｎｉ：３５〜４８％、Ｃｒ：１８〜２８
   ％、Ｍｏ：０．５〜３．５％、Ｔｉ：１〜３％、Ａｌ：
   ０．１〜１％、Ｂ：０．００１〜０．０２％、Ｃｕ：０
   ．２５％以下を含有し、さらに、Ｃｏ：２％以下、Ｖ：
   ０．５％以下、Ｎｂ：１．５％以下、Ｗ：１％以下、Ｚ
   ｒ：０．００１〜０．１％の１種又は２種以上を含有し
   、残りがＦｅと不可避不純物からなる組成を有すること
   を特徴とするタービン用耐熱耐食合金。
3. （３）重量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：１％以下
   、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．
   ０１５％以下、Ｎｉ：３５〜４８％、Ｃｒ：１８〜２８
   ％、Ｍｏ：０．５〜３．５％、Ｔｉ：１〜３％、Ａｌ：
   ０．１〜１％、Ｂ：０．００１〜０．０２％、Ｃｕ：０
   ．２５％以下を含有し、さらに、希土類元素：０．１％
   以下、Ｃａ：０．１％以下、Ｍｇ：０．１％以下の１種
   又は２種以上を含有し、残りがＦｅと不可避不純物から
   なる組成を有することを特徴とするタービン用耐熱耐食
   合金。
4. （４）重量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：１％以下
   、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．
   ０１５％以下、Ｎｉ：３５〜４８％、Ｃｒ：１８〜２８
   ％、Ｍｏ：０．５〜３．５％、Ｔｉ：１〜３％、Ａｌ：
   ０．１〜１％、Ｂ：０．００１〜０．０２％、Ｃｕ：０
   ．２５％以下を含有し、Ｃｏ：２．０％以下、Ｖ：０．
   ５％以下Ｎｂ：１．５％以下、Ｗ：１％以下、Ｚｒ：０
   ．００１〜０．１％の１種又は２種以上を含有し、さら
   に、希土類元素：０．１％以下、Ｃａ：０．１％以下、
   Ｍｇ：０．１％以下の１種又は２種以上を含有し、残り
   がＦｅと不可避不純物からなる組成を有することを特徴
   とするタービン用耐熱耐食合金。