Ni基锻造合金和使用其的燃气轮机制造技术

本发明专利技术提供Ni基锻造合金和使用其的燃气轮机，该Ni基锻造合金由于调节了偏析元素的添加量，高温强度优异，不易发生偏析，大型钢锭制造性优异，热锻造、轧制等加工性也优异。其特征在于，以质量百分比计，含有C：0.001～0.1%、B：0.001～0.01%、Cr：16～22%、Al：0.5～1.5%、W：0.1～6.0%、Nb：3.5～5.5%、Ti：0.8～3.0%、Fe：16～20%、2.0%以下的Mo，余量为Ni和不可避免的杂质，用(1)式表示的、显示偏析倾向的参数Ps为Ps≥－3.0的范围，而且以原子百分比计，W和Mo的总和为1.75%以下。Ps＝1.05×Al量＋0.6×Ti量－0.8×Nb量－0.3×Mo量???…(1)。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及偏析特性优异、可制造大型部件，而且热锻造、轧制等加工性也优异的Ni基锻造合金及使用其的燃气轮机部件。
技术介绍
燃烧温度的上升对燃气轮机的高效率化有效。因此，在构成燃气轮机的零件中，在各种各样的部位使用高温强度优异的Ni基耐热合金。Ni基耐热合金多含有W、Mo、Co等固溶强化元素、还有Al、T1、Nb、Ta等析出强化元素，具有优异的高温强度。作为主要的析出强化相的Y '相(Ni3Al),具有随着温度上升强度也上升的性质，对提高高温时的强度特性极其有效。通过添加T1、Nb、Ta等元素，将γ '相稳定化，可以在更高温度存在，因此，在Ni基合金的高性能化中，以如何将Y'相稳定化作为重点进行了开发。但是，这些T1、Nb、Ta等元素在凝固中易发生偏析，难以制造大型部件，因此，高强度Ni基合金的使用被限定于动静叶片等比较小型的零件。作为可适用于比较大型的零件的高强度Ni基合金，有Alloy718，已被广泛实用。在专利文献I中，报告了对于含有Alloy718的合金成分范围，通过控制凝固速度或温度梯度，可以减少偏析，改善材料的延展性。但是，在超过5ton的大型材料的制造中，为了使稳定的操作连续，凝固条件存在制约，该专利技术的条件不一定可以适用。另一方面，材料越大型化，其成型越难。通常，在加热至高温的状态下通过锻造、轧制等方法进行成型，但大型的高强度材料成型所需要的负荷变得极大。因此，应降低材料的变形阻力，需要提高加热温度。但是，当加热温度变高时，材料部分熔化而发生裂纹的可能性增高。另外，为了保持加工温 度，需要频繁地进行加热，加工时间、加热能量消耗也变多。在专利文献2中，报告了纳米粒子的分散析出带来的强度的提高，在非专利文献I中报告了强化元素的添加、增量带来的强度的提高，但这些尝试都具有难以进行热锻造的一面。现有技术文献专利文献专利文献1:特开平4 - 280938号公报专利文献2:特开2008 - 179845号公报非专利文献非专利文献1:S.Fu et al.,RESEARCH ON INCONEL 718TYPE ALLOYS WITHIMPROVEMENT OF TEMPERATURECAPABILITY”、7th International Symposium on SuperAlloy718andDerivatives, TMSj 2010
技术实现思路
专利技术要解决的课题这样，Ni基合金的强度特性和大型钢锭制造性、热锻造性一般为相反的要素，为了大型燃气轮机的高效率化，需要提高了大型钢锭制造性、热锻造性的材料，以保持高温强度，并且可制造大型零件。本专利技术的目的在于通过调节元素的添加量，提供高温强度优异，同时不易发生偏析且大型钢锭制造性优异、热加工性也优异的Ni基锻造合金和使用其的燃气轮机。用于解决课题的手段本专利技术人通过热力学计算及偏析实验等，调查了导致合金的偏析倾向的各合金元素的影响，结果发现，在某合金成分范围，在Al、T1、Nb、Mo的添加量满足一定条件的情况下，不易发生偏析，热锻造性良好，可获得大型零件的制造性优异的合金。S卩，本专利技术为Ni基锻造合金，其特征在于，以质量百分比计，含有C:0.001 0.1%、B:0.001 0.01%、Cr: 16 22%、Al:0.5 1.5%、W:0.I 6.0%、Nb:3.5 5.5%、T1:0.8 3.0%、Fe:16 20%、2.0%以下的Mo，余量为Ni和不可避免的杂质，用(I)式表示的、显示偏析倾向的参数Ps为Ps彡一 3.0的范围，而且以原子百分比计，W和Mo的总和为1.75%以下。Ps = 1.05XA1 量 + 0.6XTi 量一0.8XNb 量一0.3XMo 量......(I)另外，Ni基锻造合金的特征在于，作为微量添加元素，添加选自5%以下的Co、0.1%以下的Mg,0.1%以下的Ca,0.1%以下的Zr,0.5%以下的Mn,0.5%以下的Si,0.5%以下的V、0.5%以下的Ta、0.5%以下的Re中的至少一种。还有，Ni基锻造合金的特征在于，作为可期待更佳特性的范围，以质量百分比计，含有 C:0.03 0.08%、B:0.003 0.008%、Cr:17 20%、Al:0.6 1.3%、W:3.0 5.0%、Nb:4.5 5.5%、T1:0.8 1.5%、Fe: 16 20%，余量为Ni及不可避免的杂质，用(I)式表示的、显示偏析倾向的参数Ps为Ps彡一 3.0的范围，而且，以原子百分比计，W和Mo的总和为1.75%以下。这些合金在制造阶段，即使为大型钢锭，在凝固中也不发生偏析缺陷，还有易于进行高温下的锻造，因此 ，作为大型燃气轮机零件，可用于涡轮圆盘、涡轮间隔件等用途。专利技术效果根据上述构成，可以用高强度的Ni基耐热合金制造大型部件，可以实现燃气轮机的高效率化。附图说明图1是表示合金元素添加量和偏析特性的相关性的图；图2是表示开发合金的显微组织的图；图3是燃气轮机的模式图；图4是旋转部分的剖面模式图。符号说明3、涡轮叶片 4、涡轮圆盘6、压缩机轮盘7、压缩机叶片8、压缩机叠加螺栓9、压缩机短轴10、涡轮短轴11、孔13、涡轮叠加螺栓15、燃烧器16、压缩机喷嘴18、涡轮间隔件19、间隔件20、喷嘴具体实施例方式为了改善大型钢锭制造性，需要抑制在凝固时产生的偏析。可认为引起偏析的原因是因为溶质元素在固液界面进行分配，引起熔融液中的密度差变化。图1表示在使各合金元素量相对于作为耐热材料而广泛利用的Alloy718的基本成分而变化的情况下，偏析倾向如何变化。越靠图下部越容易产生偏析，越难以制造大型部件。Mo、Nb这样的比Ni原子量大的重元素，熔融液密度差随着添加量降低而减小，存在抑制偏析的倾向。相反，轻元素Al、Ti越增加添加量，熔融液密度差越变小，因此，存在抑制偏析的倾向。Cr、W、Fe等元素即使改变添加量也几乎看不到对偏析倾向的影响。因此，通过平衡Mo、Nb、Al、Ti这样的偏析倾向互不相同的元素，可以调节熔融液中的密度差，抑制偏析，可以兼备优异的高温强度和大型钢锭制造性。具体而言，需要用(I)式表示的参数Ps为一 3.0以上。Ps = 1.05XA1 量 + 0.6XTi 量一0.8XNb 量一0.3XMo 量...(I)通过选定Ps≥一 3.0的合金组成范围，可以不产生偏析缺陷地制造作为本专利技术的目的的燃气轮机盘等十分大的大型钢锭。Ps为组成的函数，根据后述的成分范围计算的上限为0.58，但考虑到与其它特性的平衡，优选的范围为一 1.0 一 2.9。以下示出本专利技术的合金元素的组成范围及其选定理由。C固溶于母相而提高高温时的抗拉强度，并且，由于形成MC、M23C6等碳化物而提高了晶界强度。这些效果从0.001%左右开始变得显著，但过剩的C的添加成为粗大的共晶碳化物的原因，由于引起韧性降低，设定上限为0.1%。优选0.03 0.08%的添加量。当添加超过0.1%时，粗大的碳化物集中并析出等，有损强度特性。B以微量的添加而具有强化晶界、改善蠕变强度的效果。但是，过剩的添加成为有害相的析出和融点降低引起的部分熔化的原因，因此，其适当的范围设定为B:0.001 0.01%。更优选的范围为0.003 0.008%OF本文档来自技高网...

【技术保护点】
Ni基锻造合金，其特征在于，以质量百分比计，含有C：0.001～0.1%、B：0.001～0.01%、Cr：16～22%、Al：0.5～1.5%、W：0.1～6.0%、Nb：3.5～5.5%、Ti：0.8～3.0%、Fe：16～20%、2.0%以下的Mo，余量为Ni和不可避免的杂质，用(1)式表示的、显示偏析倾向的参数Ps为Ps≥－3.0的范围，而且以原子百分比计，W和Mo的总和为1.75%以下，Ps＝1.05×Al量＋0.6×Ti量－0.8×Nb量－0.3×Mo量???…(1)。

【技术特征摘要】
2011.12.22 JP 2011-2806901.Ni基锻造合金，其特征在于，以质量百分比计，含有C:0.001 0.1%、B:0.001 0.01%,Cr:16 22%、A1:0.5 L 5%、W:0.1 6.0%、Nb:3.5 5.5%、Ti:0.8 3.0%、Fe:16 20%、2.0%以下的Mo，余量为Ni和不可避免的杂质，用(I)式表示的、显示偏析倾向的参数Ps为Ps彡一 3.0的范围，而且以原子百分比计，W和Mo的总和为1.75%以下， Ps = 1.05XA1 量+ 0.6ΧΤ 量一0.8XNb 量一0.3XMo 量 …(I)。2.如权利要求1所述的Ni基锻造合金，其特征在于，进一步添加选自5%以下的Co、0.1%以下的Mg,0.1%以下的Ca,0.1%以下的Zr,0.5%以下的Mn,0.5%以下的Si,0.5%以下的V、0.5%以下的Ta、0.5%以下的Re中的至少一种。3.如权利要求1或2所述的Ni基锻造合金，其特征在于，以质量百分比计，含有C:0.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：佐藤順，今野晋也，土井裕之，芝山隆史，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：发明
国别省市：