高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、および蒸気タービン用配管
【課題】高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金、この蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて作製された、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、および蒸気タービン用配管を提供することを目的とする。
【解決手段】高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｔａ：０．１〜０．７を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる。
【解決手段】高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金は、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｔａ：０．１〜０．７を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温の蒸気が作動流体として流入する蒸気タービンの鍛造部品を構成する材料に係わり、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金、この蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて作製された、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、および蒸気タービン用配管に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンを含む火力プラントにおいて、地球環境保護の観点から二酸化炭素の排出量抑制技術が注目されており、また発電の高効率化のニーズが高まっている。
【０００３】
蒸気タービンの発電効率を上げるためには、タービン蒸気温度を高温化することが有効であり、近年の蒸気タービンを備える火力発電プラントにおいて、その蒸気温度は６００℃以上まで上昇している。将来的には６５０℃、さらに７００℃へと上昇する傾向がみられる。
【０００４】
高温の蒸気に晒される蒸気タービンの、動翼、静翼、ボルトなどの螺合部材および配管などは、周囲に高温の蒸気が回流し高温になるとともに、高い応力が発生する。そのため、これらは、高温、高応力に耐える必要があり、これらを構成する材料として、室温から高温度領域において優れた強度、延性、靭性を有するものが求められている。
【０００５】
特に、蒸気温度が７００℃を超える場合には、従来の鉄系材料では高温強度が不足するため、Ｎｉ基合金の適用が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
Ｎｉ基合金は、高温強度特性、耐食性に優れていることから、主にジェットエンジンやガスタービン材料として広く適用されてきた。その代表例としてインコネル６１７合金（スペシャルメタル社製）やインコネル７０６合金（スペシャルメタル社製）が用いられてきた。
【０００７】
Ｎｉ基合金の高温強度を強化するメカニズムとして、ＡｌやＴｉを添加することによりＮｉ基合金の母相材内にガンマプライム相（Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ））、あるいはガンマダブルプライム相と呼ばれる析出相、それらの両相を析出させて高温強度を確保するものがある。このガンマプライム相あるいはガンマダブルプライム相の両相を析出させて高温強度を確保するものとして、例えばインコネル７０６合金が挙げられる。
【０００８】
一方、インコネル６１７合金のように、Ｃｏ、Ｍｏを添加することにより、Ｎｉ基の母相を強化（固溶強化）して高温強度を確保するものがある。
【特許文献１】特開平７−１５０２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記したように、７００℃を超える蒸気タービンのタービンロータの材料として、Ｎｉ基合金の適用が検討されているが、さらに高温強度を向上させる余地があると考えられる。また、このＮｉ基合金の高温強度は、Ｎｉ基合金の鍛造性や溶接性などを維持しつつ、組成改良等により向上されることが求められている。
【００１０】
そこで、本発明は、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金、この蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて作製された、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、および蒸気タービン用配管を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｔａ：０．１〜０．７を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金が提供される。
【００１２】
また、本発明の一態様によれば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｎｂ：０．１〜０．４を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金が提供される。
【００１３】
さらに、本発明の一態様によれば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｔａ＋２Ｎｂ（ＴａとＮｂのモル比が１：２）：０．１〜０．７を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金が提供される。
【００１４】
また、本発明の一態様によれば、上記したいずれかの、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービンの動翼が提供される。
【００１５】
また、本発明の一態様によれば、上記したいずれかの、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービンの静翼が提供される。
【００１６】
さらに、本発明の一態様によれば、上記したいずれかの、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービン用螺合部材が提供される。
【００１７】
また、本発明の一態様によれば、上記したいずれかの、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービン用配管が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金、この蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて作製された、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、および蒸気タービン用配管によれば、従来のＮｉ基合金よりも高温強度特性に優れ、かつ鍛造性および溶接性に優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態を説明する。
【００２０】
本発明に係る一実施の形態における、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金は、以下に示す組成成分範囲で構成される。なお、以下の説明において組成成分を表す％は、特に明記しない限り質量％とする。
【００２１】
（Ｍ１）Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１８〜２８％、Ｃｏ：１０〜１５％、Ｍｏ：８〜１２％、Ａｌ：１．５〜２％、Ｔｉ：０．１〜３％、Ｂ：０．００１〜０．００６％、Ｔａ：０．１〜０．７％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ基合金。
【００２２】
（Ｍ２）Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１８〜２８％、Ｃｏ：１０〜１５％、Ｍｏ：８〜１２％、Ａｌ：１．５〜２％、Ｔｉ：０．１〜３％、Ｂ：０．００１〜０．００６％、Ｎｂ：０．１〜０．４％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ基合金。
【００２３】
（Ｍ３）Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１８〜２８％、Ｃｏ：１０〜１５％、Ｍｏ：８〜１２％、Ａｌ：１．５〜２％、Ｔｉ：０．１〜３％、Ｂ：０．００１〜０．００６％、Ｔａ＋２Ｎｂ：０．１〜０．７％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ基合金。なお、「Ｔａ＋２Ｎｂ」は、ＴａとＮｂのモル比が１：２を意味する。
【００２４】
ここで、上記（Ｍ１）〜（Ｍ３）のＮｉ基合金における不可避的不純物において、その不可避的不純物のうち、少なくとも、Ｓｉが０．１％以下、Ｍｎが０．１％以下に抑制されていることが好ましい。なお、不可避的不純物としては、上記した、ＳｉおよびＭｎの他に、例えば、Ｃｕ、ＦｅおよびＳなどが挙げられる。
【００２５】
上記した組成成分範囲のＮｉ基合金は、運転時の温度が６８０〜７５０℃となる蒸気タービンの鍛造部品を構成する材料として好適である。蒸気タービンの鍛造部品として、例えば、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、蒸気タービン用配管などが挙げられる。
【００２６】
ここで、蒸気タービン用螺合部材として、例えば、タービンケーシングやタービン内部の各種構成部品を固定するボルトやナットなどを例示することができる。また、蒸気タービン用配管として、例えば、蒸気タービンプラントなどに設置され、蒸気タービンに高温高圧の蒸気を供給する配管や、蒸気タービン内部の配管などを例示することができる。蒸気タービン用配管として、具体的には、例えば、ボイラからの蒸気を高圧タービンに導く主蒸気管や、ボイラ再熱器からの蒸気を中圧タービンに導く高温再熱蒸気管などを例示することができる。さらに、蒸気タービン用配管として、蒸気タービンに導入された高温高圧の蒸気をノズルボックスに導く主蒸気導入管などを例示することができる。なお、蒸気タービン用配管は、これらに限定されるものではなく、例えば、温度が６８０〜７５０℃の蒸気が流動する配管なども含まれる。
【００２７】
上記した蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、蒸気タービン用配管は、いずれも高温高圧の環境に設置され、その中でも、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用配管などは、高温高圧の蒸気に晒される環境に設置される。
【００２８】
なお、上記した蒸気タービンの鍛造部品のすべての部位を上記したＮｉ基合金で構成しても、また、特に高温となる蒸気タービンの鍛造部品の一部の部位を上記したＮｉ基合金で構成してもよい。ここで、蒸気タービンの鍛造部品が高温となるのは、具体的には、例えば、高圧蒸気タービン部の全領域、または高圧蒸気タービン部から中圧蒸気タービン部の一部分までの領域などが挙げられる。さらに、蒸気タービンの鍛造部品が高温となるのは、上記した高温高圧の蒸気を各種蒸気タービンに導く、主蒸気管や高温再熱蒸気管などの配管部が挙げられる。なお、蒸気タービンの鍛造部品が高温となる部分は、これらに限られるものではなく、例えば、温度が６８０〜７５０℃程度となる部分であればこれに含まれる。
【００２９】
また、上記した組成成分範囲のＮｉ基合金は、従来のＮｉ基合金よりも高温強度特性に優れ、かつ鍛造性および溶接性に優れている。すなわち、このＮｉ基合金を用いて、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、蒸気タービン用配管などの蒸気タービンの鍛造部品を構成することで、高温環境下においても高い信頼性を有する、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、蒸気タービン用配管などの鍛造部品を作製することができる。
【００３０】
次に、上記した本発明に係るＮｉ基合金における各組成成分範囲の限定理由を説明する。
【００３１】
（１）Ｃ（炭素）
Ｃは、強化相であるＭ２３Ｃ６型炭化物の構成元素として有用であり、特に６５０℃以上の高温環境下では、蒸気タービンの運転中にＭ２３Ｃ６型炭化物を析出させることが合金のクリープ強度を維持させる要因の一つである。また、鋳造時の溶湯の流動性を確保する効果も併せ持つ。Ｃの含有率が０．０１％未満の場合には、炭化物の十分な析出量を確保することができないため、機械的強度（高温強度特性、以下同じ）が低下するとともに、鋳造時の溶湯の流動性が著しく低下する。ここで、本発明に係る鍛造部品用のＮｉ基合金を作製する場合においても、まず、本発明の化学組成範囲にあるＮｉ基合金を溶解し、鋳塊を形成し、圧延などにより鍛造するため、鋳造時の溶湯の流動性が必要となる。一方、Ｃの含有率が０．１５％を超えると、大型鋳塊作製時の成分偏析傾向が増加するとともに脆化相であるＭ６Ｃ型炭化物の生成を促進する。そのため、Ｃの含有率を０．０１〜０．１５％とした。
【００３２】
（２）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、Ｎｉ基合金の耐酸化性、耐食性および機械的強度を高めるのに不可欠な元素である。さらにＭ２３Ｃ６型炭化物の構成元素として不可欠であり、特に６５０℃以上の高温環境下では、蒸気タービンの運転中にＭ２３Ｃ６型炭化物を析出させることで、合金のクリープ強度が維持される。また、Ｃｒは、高温蒸気環境下における耐酸化性を高める。Ｃｒの含有率が１８％未満の場合には、耐酸化性が低下する。一方、Ｃｒの含有率が２８％を超えると、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の析出を著しく促進することによって粗大化傾向を高める。そのため、Ｃｒの含有率を１８〜２８％とした。
【００３３】
（３）Ｃｏ（コバルト）
Ｃｏは、Ｎｉ基合金において、母相内に固溶して母相の機械的強度を向上させる。しかしながら、Ｃｏの含有率が１５％を超えると、機械的強度を低下させる金属間化合物相を生成し、機械的強度が低下する。一方、Ｃｏの含有率が１０％未満の場合には、加工性（鍛造性）が低下し、さらに機械的強度が低下する。そのため、Ｃｏの含有率を１０〜１５％とした。
【００３４】
（４）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、Ｎｉ母相中に固溶して母相の機械的強度を向上させる効果を有し、また、Ｍ２３Ｃ６型炭化物中に一部が置換することによって炭化物の安定性を高める。Ｍｏの含有率が８％未満の場合には、上記した効果が発揮されず、Ｍｏの含有率が１２％を超えると、大型鋳塊作製時の成分偏析傾向が増加するとともに、脆化相であるＭ６Ｃ型炭化物の生成を促進する。そのため、Ｍｏの含有率を８〜１２％とした。
【００３５】
（５）Ａｌ（アルミニウム）
Ａｌは、Ｎｉとともにγ’相（ガンマプライム相：Ｎｉ３Ａｌ）を生成し、析出によるＮｉ基合金の機械的強度を向上させる。Ａｌの含有率が１．５％未満の場合には、機械的強度、加工性（鍛造性）ともに従来鋼と比べて向上されず、Ａｌの含有率が２％を超えると、機械的強度は向上するが、加工性（鍛造性）が低下する。そのため、Ａｌの含有率を１．５〜２％とした。
【００３６】
（６）Ｔｉ（チタン）
Ｔｉは、Ａｌと同様、Ｎｉとともにγ’相（ガンマプライム相：Ｎｉ３Ｔｉ）を生成し、Ｎｉ基合金の機械的強度を向上させる。Ｔｉの含有率が０．１％未満の場合には、上記した効果が発揮されず、Ｔｉの含有率が３％を超えると、加工性（鍛造性）が低下する。そのため、Ｔｉの含有率を０．１〜３％とした。
【００３７】
（７）Ｂ（ホウ素）
Ｂは、Ｎｉ母相中に析出して母相の機械的強度を向上させる効果を有する。Ｂの含有率が０．００１％未満の場合には、母相の機械的強度を向上させる効果が発揮されず、Ｂの含有率が０．００６％を超えると、粒界脆化を招く恐れがある。そのため、Ｂの含有率を０．００１〜０．００６％とした。
【００３８】
（８）Ｔａ（タンタル）
Ｔａは、γ’相（ガンマプライム相：Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ））の析出強度を安定させる。Ｔａの含有率が０．１％未満の場合には、上記した効果において従来鋼と比べて向上がみられず、Ｔａの含有率が０．７％を超えると、経済性が損なわれ、製造コストが増加する。そのため、Ｔａの含有率を０．１〜０．７％とした。
【００３９】
（９）Ｎｂ（ニオブ）
Ｎｂは、Ｔａと同様に、γ’相（ガンマプライム相：Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ））に固容し強度を高め、析出強度を安定させる。Ｎｂの含有率が０．１％未満の場合には、上記した効果において従来鋼と比べて向上がみられず、Ｎｂの含有率が０．４％を超えると、機械的強度は向上するが、加工性（鍛造性）が低下する。そのため、Ｎｂの含有率を０．１〜０．４％とした。
【００４０】
また、上記したＴａとＮｂを、（Ｔａ＋２Ｎｂ）の含有率が０．１〜０．７％の範囲で含有することで、γ’相（ガンマプライム相：Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ））の析出強度を向上させる。（Ｔａ＋２Ｎｂ）の含有率が０．１％未満の場合には、上記した効果において従来鋼と比べて向上がみられず、（Ｔａ＋２Ｎｂ）の含有率が０．７％を超えると、機械的強度は向上するが、加工性（鍛造性）が低下する。なお、この場合、ＴａおよびＮｂは、それぞれ少なくとも０．０１以上含有される。
【００４１】
Ｎｂの比重は、Ｔａの約１／２（Ｔａの比重：１６．６、Ｎｂの比重：８．５７）であることからＴａ単独で添加する場合に比べ、ＴａとＮｂを複合添加することで固溶量を増大することができる。また、Ｔａは、戦略物質ということもあり、材料調達が不安定であるが、Ｎｂの埋蔵量はＴａの約１００倍で安定供給が可能である。Ｔａは、Ｎｂよりも融点が高く（Ｔａの融点：約３０００℃、Ｎｂの融点：約２４７０℃）、より高温におけるγ’相が強化され、また、Ｎｂよりも耐酸化性に優れている。
【００４２】
（１０）Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｕ（銅）、Ｆｅ（鉄）およびＳ（硫黄）
Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、ＦｅおよびＳは、本発明に係るＮｉ基合金においては、不可避的不純物に分類されるものである。これらの不可避的不純物は、可能な限りその残存含有率を０％に近づけることが望ましい。また、これらの不可避的不純物のうち、少なくとも、ＳｉおよびＭｎは、０．１％以下に抑制されることが好ましい。
【００４３】
Ｓｉは、普通鋼の場合、耐食性を補うため添加される。しかしながら、Ｎｉ基合金はＣｒ含有量が多く、十分に耐食性を確保できることから、本発明に係るＮｉ基合金では、Ｓｉの残存含有率を０．１％以下とし、可能な限りその残存含有率を０％に近づけることが望ましい。
【００４４】
Ｍｎは、普通鋼の場合、脆性に起因するＳ（硫黄）をＭｎＳとして脆性を防止する。しかしながら、Ｎｉ基合金におけるＳの含有量は極めて少なく、Ｍｎを添加する必要はない。そのため、本発明に係るＮｉ基合金では、Ｍｎの残存含有率を０．１％以下とし、可能な限りその残存含有率を０％に近づけることが望ましい。
【００４５】
上記した本発明に係る蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金は、例えば、Ｎｉ基合金を構成する組成成分を真空誘導溶解（ＶＩＭ）し、その溶湯を所定の型枠に注入して鋳塊を形成し、その鋳塊をソーキング処理し、圧延などによって鍛造し、溶体化処理を施すことで作製される。
【００４６】
ソーキング処理では、１０５０〜１２５０℃の温度範囲で５〜７２時間維持し、溶体化処理では、１１００〜１２００℃の温度範囲で４〜１５時間維持することが好ましい。ここで、溶体化処理温度は、γ’相析出物を均質に固溶化するために行われ、温度が１１００℃を下回る温度では十分に固溶されず、１２００℃を上回る温度では結晶粒の粗大化により強度が低下する。また、鍛造は、９５０〜１１５０℃の温度範囲で行われる。
【００４７】
また、本発明に係る、鍛造部品である蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材は、例えば次のように作製される。まず、本発明に係る蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を構成する組成成分を真空誘導溶解（ＶＩＭ）し、エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）し、減圧雰囲気で所定の型に流し込み鋳塊を作製し、ソーキング処理を施す。そして、この鋳塊を上記鍛造部品の形状に対応する型に配置して圧延などの鍛造処理、溶体化処理を施すことで蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材が作製される。すなわち、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材は、型鍛造によって作製される。
【００４８】
また、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材は、例えば、本発明に係る蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を構成する組成成分を真空誘導溶解（ＶＩＭ）し、真空アーク再溶解（ＶＡＲ）し、減圧雰囲気で所定の型に流し込み鋳塊を作製し、ソーキング処理を施し、上記した同様の鍛造処理、溶体化処理を施す方法で作製されてもよい。
【００４９】
さらに、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材は、例えば、本発明に係る蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を構成する組成成分を真空誘導溶解（ＶＩＭ）し、エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）し、真空アーク再溶解（ＶＡＲ）し、減圧雰囲気で所定の型に流し込み鋳塊を作製し、ソーキング処理を施し、上記した同様の鍛造処理、溶体化処理を施す方法で作製されてもよい。
【００５０】
一方、本発明に係る、鍛造部品である蒸気タービン用配管は、例えば次のように作製される。まず、本発明に係る蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を構成する組成成分を電気炉溶解（ＥＦ）し、アルゴン−酸素脱炭（ＡＯＤ）を行い、鋳塊を作製し、ソーキング処理を施す。この鋳塊を縦型プレスで穿孔しコップ状の素管を作製し、横型プレスでマンドレルとダイスによる加工と再加熱を繰り返し、蒸気タービン用配管の形状に成型することで蒸気タービン用配管が作製される。この加工方法は、エルハルト−プッシュベンチ製管法である。
【００５１】
なお、上記した、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、蒸気タービン用配管を作製する方法は、上記した方法に限定されるものではない。
【００５２】
以下に、本発明に係る蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金が、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れていることを説明する。
【００５３】
（高温強度特性、鍛造性および溶接性の評価）
ここでは、本発明の化学組成範囲にあるＮｉ基合金が、優れた、高温強度特性、鍛造性および溶接性を有することを説明する。表１は、高温強度特性、鍛造性および溶接性の評価に用いられた試料１〜試料２８の化学組成を示す。なお、試料１〜試料６は、本発明の化学組成範囲にあるＮｉ基合金であり、試料７〜試料２８は、その組成が本発明の化学組成範囲にないＮｉ基合金であり、比較例である。また、試料７は、従来鋼であるインコネル６１７相当の化学組成を有する。なお、ここで使用した本発明の化学組成範囲にあるＮｉ基合金には、不可避的不純物として、Ｓｉ、Ｍｎ以外に、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓが含まれている。
【００５４】
【表１】
【００５５】
高温強度特性を引張強度試験によって評価した。引張強度試験では、表１に示す化学組成を有する試料１〜試料２８のＮｉ基合金２０ｋｇをそれぞれ真空誘導溶解炉にて溶解し、鋳塊を作製した。続いて、この鋳塊に対して、１０５０℃で５時間ソーキング処理を行った。その後、９５０〜１１００℃（再加熱温度が１１００℃）の温度範囲で５００ｋｇｆハンマー鍛造機にて鍛造し、その後、１１８０℃で４時間溶体化処理を施して鍛造鋼とした。そして、この鍛造鋼から所定のサイズの試験片を作製した。
【００５６】
そして、各試料による試験片に対して、温度が２３℃、７００℃、８００℃の条件でＪＩＳ Ｇ ０５６７（鉄鋼材料及び耐熱合金の高温引張試験方法）に基づいて引張強度試験を行い、０．２％耐力を測定した。ここで、引張強度試験における温度条件である７００℃、８００℃は、蒸気タービンの通常の運転時の温度条件およびそれに安全率を見込んだ温度を考慮して設定した。０．２％耐力の測定結果を表２に示す。
【００５７】
また、各試料に対して、鍛造性の評価を行った。鍛造性の評価は、鍛造比（ＪＩＳ Ｇ ０７０１（鋼材鍛錬作業の鍛錬成形比の表わし方）に基づく鍛造比）が９となるまで鍛造処理を行い、このときの鍛造割れの有無を目視観察した。なお、鍛造処理は、９５０〜１１００℃の範囲で行い、鍛造被対象物である試験片の温度が低下したとき、すなわち鍛造被対象物が硬化してきたときには、再加熱温度１１００℃まで再度加熱して鍛造処理を繰り返し行った。鍛造性の評価結果を表２に示す。ここで、表２において、鍛造割れがない場合には「無」と示し、さらに、鍛造性が優れていることを示すため、鍛造性の評価を「○」で示す。一方、鍛造割れがある場合には「有」と示し、さらに、鍛造性が劣ることを示すため、鍛造性の評価を「×」で示す。
【００５８】
さらに、各試料に対して、溶接性の評価を行った。溶接性の評価において使用する試験片として、上記した鋳塊から幅が６０ｍｍ、長さが１５０ｍｍ、厚さが４０ｍｍの試験片を製作した。この試験片に、幅が１０ｍｍ、深さが５ｍｍの溝を、試験片の幅方向のほぼ中心で長さ方向に沿って形成した。そして、その溝部分にＴＩＧ溶接のアーク加熱を行った後、試験片を、試験片の幅方向に平行にかつ厚さ方向に切断した。そして、切断面についてＪＩＳ Ｚ ２３４３−１（非破壊試験―浸透探傷試験―第１部：一般通則：浸透探傷試験方法及び浸透指示模様の分類）に基づいて、溶接熱影響部の浸透探傷試験（ＰＴ）を行い、溶接割れの有無を目視観察した。溶接性の評価結果を表２に示す。ここで、表２において、溶接割れがない場合には「無」と示し、さらに、溶接性が優れていることを示すため、溶接性の評価を「○」で示す。一方、溶接割れがある場合には「有」と示し、さらに、溶接性が劣ることを示すため、溶接性の評価を「×」で示す。
【００５９】
【表２】
【００６０】
表２に示すように、試料１〜試料６は、各温度において高い０．２％耐力が得られるとともに、鍛造性および溶接性にも優れていることがわかった。試料１〜試料６において、０．２％耐力が高い値となったのは、析出強化と固溶強化が図られたためと考えられる。
【００６１】
一方、例えば、試料１８や試料２０の従来鋼では、０．２％耐力は高い値を示したが、鍛造性、溶接性が劣っていることがわかった。このように、高温強度特性、鍛造性および溶接性のすべてに優れた従来鋼はなかった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温の蒸気が作動流体として流入する蒸気タービンの鍛造部品を構成する材料に係わり、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金、この蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて作製された、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、および蒸気タービン用配管に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンを含む火力プラントにおいて、地球環境保護の観点から二酸化炭素の排出量抑制技術が注目されており、また発電の高効率化のニーズが高まっている。
【０００３】
蒸気タービンの発電効率を上げるためには、タービン蒸気温度を高温化することが有効であり、近年の蒸気タービンを備える火力発電プラントにおいて、その蒸気温度は６００℃以上まで上昇している。将来的には６５０℃、さらに７００℃へと上昇する傾向がみられる。
【０００４】
高温の蒸気に晒される蒸気タービンの、動翼、静翼、ボルトなどの螺合部材および配管などは、周囲に高温の蒸気が回流し高温になるとともに、高い応力が発生する。そのため、これらは、高温、高応力に耐える必要があり、これらを構成する材料として、室温から高温度領域において優れた強度、延性、靭性を有するものが求められている。
【０００５】
特に、蒸気温度が７００℃を超える場合には、従来の鉄系材料では高温強度が不足するため、Ｎｉ基合金の適用が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
Ｎｉ基合金は、高温強度特性、耐食性に優れていることから、主にジェットエンジンやガスタービン材料として広く適用されてきた。その代表例としてインコネル６１７合金（スペシャルメタル社製）やインコネル７０６合金（スペシャルメタル社製）が用いられてきた。
【０００７】
Ｎｉ基合金の高温強度を強化するメカニズムとして、ＡｌやＴｉを添加することによりＮｉ基合金の母相材内にガンマプライム相（Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ））、あるいはガンマダブルプライム相と呼ばれる析出相、それらの両相を析出させて高温強度を確保するものがある。このガンマプライム相あるいはガンマダブルプライム相の両相を析出させて高温強度を確保するものとして、例えばインコネル７０６合金が挙げられる。
【０００８】
一方、インコネル６１７合金のように、Ｃｏ、Ｍｏを添加することにより、Ｎｉ基の母相を強化（固溶強化）して高温強度を確保するものがある。
【特許文献１】特開平７−１５０２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記したように、７００℃を超える蒸気タービンのタービンロータの材料として、Ｎｉ基合金の適用が検討されているが、さらに高温強度を向上させる余地があると考えられる。また、このＮｉ基合金の高温強度は、Ｎｉ基合金の鍛造性や溶接性などを維持しつつ、組成改良等により向上されることが求められている。
【００１０】
そこで、本発明は、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金、この蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて作製された、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、および蒸気タービン用配管を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｔａ：０．１〜０．７を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金が提供される。
【００１２】
また、本発明の一態様によれば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｎｂ：０．１〜０．４を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金が提供される。
【００１３】
さらに、本発明の一態様によれば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｔａ＋２Ｎｂ（ＴａとＮｂのモル比が１：２）：０．１〜０．７を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金が提供される。
【００１４】
また、本発明の一態様によれば、上記したいずれかの、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービンの動翼が提供される。
【００１５】
また、本発明の一態様によれば、上記したいずれかの、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービンの静翼が提供される。
【００１６】
さらに、本発明の一態様によれば、上記したいずれかの、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービン用螺合部材が提供される。
【００１７】
また、本発明の一態様によれば、上記したいずれかの、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービン用配管が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金、この蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて作製された、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、および蒸気タービン用配管によれば、従来のＮｉ基合金よりも高温強度特性に優れ、かつ鍛造性および溶接性に優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態を説明する。
【００２０】
本発明に係る一実施の形態における、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金は、以下に示す組成成分範囲で構成される。なお、以下の説明において組成成分を表す％は、特に明記しない限り質量％とする。
【００２１】
（Ｍ１）Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１８〜２８％、Ｃｏ：１０〜１５％、Ｍｏ：８〜１２％、Ａｌ：１．５〜２％、Ｔｉ：０．１〜３％、Ｂ：０．００１〜０．００６％、Ｔａ：０．１〜０．７％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ基合金。
【００２２】
（Ｍ２）Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１８〜２８％、Ｃｏ：１０〜１５％、Ｍｏ：８〜１２％、Ａｌ：１．５〜２％、Ｔｉ：０．１〜３％、Ｂ：０．００１〜０．００６％、Ｎｂ：０．１〜０．４％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ基合金。
【００２３】
（Ｍ３）Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１８〜２８％、Ｃｏ：１０〜１５％、Ｍｏ：８〜１２％、Ａｌ：１．５〜２％、Ｔｉ：０．１〜３％、Ｂ：０．００１〜０．００６％、Ｔａ＋２Ｎｂ：０．１〜０．７％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ基合金。なお、「Ｔａ＋２Ｎｂ」は、ＴａとＮｂのモル比が１：２を意味する。
【００２４】
ここで、上記（Ｍ１）〜（Ｍ３）のＮｉ基合金における不可避的不純物において、その不可避的不純物のうち、少なくとも、Ｓｉが０．１％以下、Ｍｎが０．１％以下に抑制されていることが好ましい。なお、不可避的不純物としては、上記した、ＳｉおよびＭｎの他に、例えば、Ｃｕ、ＦｅおよびＳなどが挙げられる。
【００２５】
上記した組成成分範囲のＮｉ基合金は、運転時の温度が６８０〜７５０℃となる蒸気タービンの鍛造部品を構成する材料として好適である。蒸気タービンの鍛造部品として、例えば、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、蒸気タービン用配管などが挙げられる。
【００２６】
ここで、蒸気タービン用螺合部材として、例えば、タービンケーシングやタービン内部の各種構成部品を固定するボルトやナットなどを例示することができる。また、蒸気タービン用配管として、例えば、蒸気タービンプラントなどに設置され、蒸気タービンに高温高圧の蒸気を供給する配管や、蒸気タービン内部の配管などを例示することができる。蒸気タービン用配管として、具体的には、例えば、ボイラからの蒸気を高圧タービンに導く主蒸気管や、ボイラ再熱器からの蒸気を中圧タービンに導く高温再熱蒸気管などを例示することができる。さらに、蒸気タービン用配管として、蒸気タービンに導入された高温高圧の蒸気をノズルボックスに導く主蒸気導入管などを例示することができる。なお、蒸気タービン用配管は、これらに限定されるものではなく、例えば、温度が６８０〜７５０℃の蒸気が流動する配管なども含まれる。
【００２７】
上記した蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、蒸気タービン用配管は、いずれも高温高圧の環境に設置され、その中でも、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用配管などは、高温高圧の蒸気に晒される環境に設置される。
【００２８】
なお、上記した蒸気タービンの鍛造部品のすべての部位を上記したＮｉ基合金で構成しても、また、特に高温となる蒸気タービンの鍛造部品の一部の部位を上記したＮｉ基合金で構成してもよい。ここで、蒸気タービンの鍛造部品が高温となるのは、具体的には、例えば、高圧蒸気タービン部の全領域、または高圧蒸気タービン部から中圧蒸気タービン部の一部分までの領域などが挙げられる。さらに、蒸気タービンの鍛造部品が高温となるのは、上記した高温高圧の蒸気を各種蒸気タービンに導く、主蒸気管や高温再熱蒸気管などの配管部が挙げられる。なお、蒸気タービンの鍛造部品が高温となる部分は、これらに限られるものではなく、例えば、温度が６８０〜７５０℃程度となる部分であればこれに含まれる。
【００２９】
また、上記した組成成分範囲のＮｉ基合金は、従来のＮｉ基合金よりも高温強度特性に優れ、かつ鍛造性および溶接性に優れている。すなわち、このＮｉ基合金を用いて、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、蒸気タービン用配管などの蒸気タービンの鍛造部品を構成することで、高温環境下においても高い信頼性を有する、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、蒸気タービン用配管などの鍛造部品を作製することができる。
【００３０】
次に、上記した本発明に係るＮｉ基合金における各組成成分範囲の限定理由を説明する。
【００３１】
（１）Ｃ（炭素）
Ｃは、強化相であるＭ２３Ｃ６型炭化物の構成元素として有用であり、特に６５０℃以上の高温環境下では、蒸気タービンの運転中にＭ２３Ｃ６型炭化物を析出させることが合金のクリープ強度を維持させる要因の一つである。また、鋳造時の溶湯の流動性を確保する効果も併せ持つ。Ｃの含有率が０．０１％未満の場合には、炭化物の十分な析出量を確保することができないため、機械的強度（高温強度特性、以下同じ）が低下するとともに、鋳造時の溶湯の流動性が著しく低下する。ここで、本発明に係る鍛造部品用のＮｉ基合金を作製する場合においても、まず、本発明の化学組成範囲にあるＮｉ基合金を溶解し、鋳塊を形成し、圧延などにより鍛造するため、鋳造時の溶湯の流動性が必要となる。一方、Ｃの含有率が０．１５％を超えると、大型鋳塊作製時の成分偏析傾向が増加するとともに脆化相であるＭ６Ｃ型炭化物の生成を促進する。そのため、Ｃの含有率を０．０１〜０．１５％とした。
【００３２】
（２）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、Ｎｉ基合金の耐酸化性、耐食性および機械的強度を高めるのに不可欠な元素である。さらにＭ２３Ｃ６型炭化物の構成元素として不可欠であり、特に６５０℃以上の高温環境下では、蒸気タービンの運転中にＭ２３Ｃ６型炭化物を析出させることで、合金のクリープ強度が維持される。また、Ｃｒは、高温蒸気環境下における耐酸化性を高める。Ｃｒの含有率が１８％未満の場合には、耐酸化性が低下する。一方、Ｃｒの含有率が２８％を超えると、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の析出を著しく促進することによって粗大化傾向を高める。そのため、Ｃｒの含有率を１８〜２８％とした。
【００３３】
（３）Ｃｏ（コバルト）
Ｃｏは、Ｎｉ基合金において、母相内に固溶して母相の機械的強度を向上させる。しかしながら、Ｃｏの含有率が１５％を超えると、機械的強度を低下させる金属間化合物相を生成し、機械的強度が低下する。一方、Ｃｏの含有率が１０％未満の場合には、加工性（鍛造性）が低下し、さらに機械的強度が低下する。そのため、Ｃｏの含有率を１０〜１５％とした。
【００３４】
（４）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、Ｎｉ母相中に固溶して母相の機械的強度を向上させる効果を有し、また、Ｍ２３Ｃ６型炭化物中に一部が置換することによって炭化物の安定性を高める。Ｍｏの含有率が８％未満の場合には、上記した効果が発揮されず、Ｍｏの含有率が１２％を超えると、大型鋳塊作製時の成分偏析傾向が増加するとともに、脆化相であるＭ６Ｃ型炭化物の生成を促進する。そのため、Ｍｏの含有率を８〜１２％とした。
【００３５】
（５）Ａｌ（アルミニウム）
Ａｌは、Ｎｉとともにγ’相（ガンマプライム相：Ｎｉ３Ａｌ）を生成し、析出によるＮｉ基合金の機械的強度を向上させる。Ａｌの含有率が１．５％未満の場合には、機械的強度、加工性（鍛造性）ともに従来鋼と比べて向上されず、Ａｌの含有率が２％を超えると、機械的強度は向上するが、加工性（鍛造性）が低下する。そのため、Ａｌの含有率を１．５〜２％とした。
【００３６】
（６）Ｔｉ（チタン）
Ｔｉは、Ａｌと同様、Ｎｉとともにγ’相（ガンマプライム相：Ｎｉ３Ｔｉ）を生成し、Ｎｉ基合金の機械的強度を向上させる。Ｔｉの含有率が０．１％未満の場合には、上記した効果が発揮されず、Ｔｉの含有率が３％を超えると、加工性（鍛造性）が低下する。そのため、Ｔｉの含有率を０．１〜３％とした。
【００３７】
（７）Ｂ（ホウ素）
Ｂは、Ｎｉ母相中に析出して母相の機械的強度を向上させる効果を有する。Ｂの含有率が０．００１％未満の場合には、母相の機械的強度を向上させる効果が発揮されず、Ｂの含有率が０．００６％を超えると、粒界脆化を招く恐れがある。そのため、Ｂの含有率を０．００１〜０．００６％とした。
【００３８】
（８）Ｔａ（タンタル）
Ｔａは、γ’相（ガンマプライム相：Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ））の析出強度を安定させる。Ｔａの含有率が０．１％未満の場合には、上記した効果において従来鋼と比べて向上がみられず、Ｔａの含有率が０．７％を超えると、経済性が損なわれ、製造コストが増加する。そのため、Ｔａの含有率を０．１〜０．７％とした。
【００３９】
（９）Ｎｂ（ニオブ）
Ｎｂは、Ｔａと同様に、γ’相（ガンマプライム相：Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ））に固容し強度を高め、析出強度を安定させる。Ｎｂの含有率が０．１％未満の場合には、上記した効果において従来鋼と比べて向上がみられず、Ｎｂの含有率が０．４％を超えると、機械的強度は向上するが、加工性（鍛造性）が低下する。そのため、Ｎｂの含有率を０．１〜０．４％とした。
【００４０】
また、上記したＴａとＮｂを、（Ｔａ＋２Ｎｂ）の含有率が０．１〜０．７％の範囲で含有することで、γ’相（ガンマプライム相：Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ））の析出強度を向上させる。（Ｔａ＋２Ｎｂ）の含有率が０．１％未満の場合には、上記した効果において従来鋼と比べて向上がみられず、（Ｔａ＋２Ｎｂ）の含有率が０．７％を超えると、機械的強度は向上するが、加工性（鍛造性）が低下する。なお、この場合、ＴａおよびＮｂは、それぞれ少なくとも０．０１以上含有される。
【００４１】
Ｎｂの比重は、Ｔａの約１／２（Ｔａの比重：１６．６、Ｎｂの比重：８．５７）であることからＴａ単独で添加する場合に比べ、ＴａとＮｂを複合添加することで固溶量を増大することができる。また、Ｔａは、戦略物質ということもあり、材料調達が不安定であるが、Ｎｂの埋蔵量はＴａの約１００倍で安定供給が可能である。Ｔａは、Ｎｂよりも融点が高く（Ｔａの融点：約３０００℃、Ｎｂの融点：約２４７０℃）、より高温におけるγ’相が強化され、また、Ｎｂよりも耐酸化性に優れている。
【００４２】
（１０）Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｕ（銅）、Ｆｅ（鉄）およびＳ（硫黄）
Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、ＦｅおよびＳは、本発明に係るＮｉ基合金においては、不可避的不純物に分類されるものである。これらの不可避的不純物は、可能な限りその残存含有率を０％に近づけることが望ましい。また、これらの不可避的不純物のうち、少なくとも、ＳｉおよびＭｎは、０．１％以下に抑制されることが好ましい。
【００４３】
Ｓｉは、普通鋼の場合、耐食性を補うため添加される。しかしながら、Ｎｉ基合金はＣｒ含有量が多く、十分に耐食性を確保できることから、本発明に係るＮｉ基合金では、Ｓｉの残存含有率を０．１％以下とし、可能な限りその残存含有率を０％に近づけることが望ましい。
【００４４】
Ｍｎは、普通鋼の場合、脆性に起因するＳ（硫黄）をＭｎＳとして脆性を防止する。しかしながら、Ｎｉ基合金におけるＳの含有量は極めて少なく、Ｍｎを添加する必要はない。そのため、本発明に係るＮｉ基合金では、Ｍｎの残存含有率を０．１％以下とし、可能な限りその残存含有率を０％に近づけることが望ましい。
【００４５】
上記した本発明に係る蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金は、例えば、Ｎｉ基合金を構成する組成成分を真空誘導溶解（ＶＩＭ）し、その溶湯を所定の型枠に注入して鋳塊を形成し、その鋳塊をソーキング処理し、圧延などによって鍛造し、溶体化処理を施すことで作製される。
【００４６】
ソーキング処理では、１０５０〜１２５０℃の温度範囲で５〜７２時間維持し、溶体化処理では、１１００〜１２００℃の温度範囲で４〜１５時間維持することが好ましい。ここで、溶体化処理温度は、γ’相析出物を均質に固溶化するために行われ、温度が１１００℃を下回る温度では十分に固溶されず、１２００℃を上回る温度では結晶粒の粗大化により強度が低下する。また、鍛造は、９５０〜１１５０℃の温度範囲で行われる。
【００４７】
また、本発明に係る、鍛造部品である蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材は、例えば次のように作製される。まず、本発明に係る蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を構成する組成成分を真空誘導溶解（ＶＩＭ）し、エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）し、減圧雰囲気で所定の型に流し込み鋳塊を作製し、ソーキング処理を施す。そして、この鋳塊を上記鍛造部品の形状に対応する型に配置して圧延などの鍛造処理、溶体化処理を施すことで蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材が作製される。すなわち、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材は、型鍛造によって作製される。
【００４８】
また、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材は、例えば、本発明に係る蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を構成する組成成分を真空誘導溶解（ＶＩＭ）し、真空アーク再溶解（ＶＡＲ）し、減圧雰囲気で所定の型に流し込み鋳塊を作製し、ソーキング処理を施し、上記した同様の鍛造処理、溶体化処理を施す方法で作製されてもよい。
【００４９】
さらに、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材は、例えば、本発明に係る蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を構成する組成成分を真空誘導溶解（ＶＩＭ）し、エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）し、真空アーク再溶解（ＶＡＲ）し、減圧雰囲気で所定の型に流し込み鋳塊を作製し、ソーキング処理を施し、上記した同様の鍛造処理、溶体化処理を施す方法で作製されてもよい。
【００５０】
一方、本発明に係る、鍛造部品である蒸気タービン用配管は、例えば次のように作製される。まず、本発明に係る蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を構成する組成成分を電気炉溶解（ＥＦ）し、アルゴン−酸素脱炭（ＡＯＤ）を行い、鋳塊を作製し、ソーキング処理を施す。この鋳塊を縦型プレスで穿孔しコップ状の素管を作製し、横型プレスでマンドレルとダイスによる加工と再加熱を繰り返し、蒸気タービン用配管の形状に成型することで蒸気タービン用配管が作製される。この加工方法は、エルハルト−プッシュベンチ製管法である。
【００５１】
なお、上記した、蒸気タービンの動翼、蒸気タービンの静翼、蒸気タービン用螺合部材、蒸気タービン用配管を作製する方法は、上記した方法に限定されるものではない。
【００５２】
以下に、本発明に係る蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金が、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れていることを説明する。
【００５３】
（高温強度特性、鍛造性および溶接性の評価）
ここでは、本発明の化学組成範囲にあるＮｉ基合金が、優れた、高温強度特性、鍛造性および溶接性を有することを説明する。表１は、高温強度特性、鍛造性および溶接性の評価に用いられた試料１〜試料２８の化学組成を示す。なお、試料１〜試料６は、本発明の化学組成範囲にあるＮｉ基合金であり、試料７〜試料２８は、その組成が本発明の化学組成範囲にないＮｉ基合金であり、比較例である。また、試料７は、従来鋼であるインコネル６１７相当の化学組成を有する。なお、ここで使用した本発明の化学組成範囲にあるＮｉ基合金には、不可避的不純物として、Ｓｉ、Ｍｎ以外に、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓが含まれている。
【００５４】
【表１】
【００５５】
高温強度特性を引張強度試験によって評価した。引張強度試験では、表１に示す化学組成を有する試料１〜試料２８のＮｉ基合金２０ｋｇをそれぞれ真空誘導溶解炉にて溶解し、鋳塊を作製した。続いて、この鋳塊に対して、１０５０℃で５時間ソーキング処理を行った。その後、９５０〜１１００℃（再加熱温度が１１００℃）の温度範囲で５００ｋｇｆハンマー鍛造機にて鍛造し、その後、１１８０℃で４時間溶体化処理を施して鍛造鋼とした。そして、この鍛造鋼から所定のサイズの試験片を作製した。
【００５６】
そして、各試料による試験片に対して、温度が２３℃、７００℃、８００℃の条件でＪＩＳ Ｇ ０５６７（鉄鋼材料及び耐熱合金の高温引張試験方法）に基づいて引張強度試験を行い、０．２％耐力を測定した。ここで、引張強度試験における温度条件である７００℃、８００℃は、蒸気タービンの通常の運転時の温度条件およびそれに安全率を見込んだ温度を考慮して設定した。０．２％耐力の測定結果を表２に示す。
【００５７】
また、各試料に対して、鍛造性の評価を行った。鍛造性の評価は、鍛造比（ＪＩＳ Ｇ ０７０１（鋼材鍛錬作業の鍛錬成形比の表わし方）に基づく鍛造比）が９となるまで鍛造処理を行い、このときの鍛造割れの有無を目視観察した。なお、鍛造処理は、９５０〜１１００℃の範囲で行い、鍛造被対象物である試験片の温度が低下したとき、すなわち鍛造被対象物が硬化してきたときには、再加熱温度１１００℃まで再度加熱して鍛造処理を繰り返し行った。鍛造性の評価結果を表２に示す。ここで、表２において、鍛造割れがない場合には「無」と示し、さらに、鍛造性が優れていることを示すため、鍛造性の評価を「○」で示す。一方、鍛造割れがある場合には「有」と示し、さらに、鍛造性が劣ることを示すため、鍛造性の評価を「×」で示す。
【００５８】
さらに、各試料に対して、溶接性の評価を行った。溶接性の評価において使用する試験片として、上記した鋳塊から幅が６０ｍｍ、長さが１５０ｍｍ、厚さが４０ｍｍの試験片を製作した。この試験片に、幅が１０ｍｍ、深さが５ｍｍの溝を、試験片の幅方向のほぼ中心で長さ方向に沿って形成した。そして、その溝部分にＴＩＧ溶接のアーク加熱を行った後、試験片を、試験片の幅方向に平行にかつ厚さ方向に切断した。そして、切断面についてＪＩＳ Ｚ ２３４３−１（非破壊試験―浸透探傷試験―第１部：一般通則：浸透探傷試験方法及び浸透指示模様の分類）に基づいて、溶接熱影響部の浸透探傷試験（ＰＴ）を行い、溶接割れの有無を目視観察した。溶接性の評価結果を表２に示す。ここで、表２において、溶接割れがない場合には「無」と示し、さらに、溶接性が優れていることを示すため、溶接性の評価を「○」で示す。一方、溶接割れがある場合には「有」と示し、さらに、溶接性が劣ることを示すため、溶接性の評価を「×」で示す。
【００５９】
【表２】
【００６０】
表２に示すように、試料１〜試料６は、各温度において高い０．２％耐力が得られるとともに、鍛造性および溶接性にも優れていることがわかった。試料１〜試料６において、０．２％耐力が高い値となったのは、析出強化と固溶強化が図られたためと考えられる。
【００６１】
一方、例えば、試料１８や試料２０の従来鋼では、０．２％耐力は高い値を示したが、鍛造性、溶接性が劣っていることがわかった。このように、高温強度特性、鍛造性および溶接性のすべてに優れた従来鋼はなかった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｔａ：０．１〜０．７を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｎｂ：０．１〜０．４を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｔａ＋２Ｎｂ（ＴａとＮｂのモル比が１：２）：０．１〜０．７を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金。
【請求項４】
前記不可避的不純物のうち、少なくとも、Ｓｉを０．１質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以下に抑制したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービンの動翼。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービンの静翼。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービン用螺合部材。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービン用配管。
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｔａ：０．１〜０．７を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｎｂ：０．１〜０．４を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１８〜２８、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：１．５〜２、Ｔｉ：０．１〜３、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｔａ＋２Ｎｂ（ＴａとＮｂのモル比が１：２）：０．１〜０．７を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金。
【請求項４】
前記不可避的不純物のうち、少なくとも、Ｓｉを０．１質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以下に抑制したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービンの動翼。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービンの静翼。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービン用螺合部材。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の、高温強度特性、鍛造性および溶接性に優れた、蒸気タービンの鍛造部品用のＮｉ基合金を用いて、少なくとも所定部位が鍛造により作製されたことを特徴とする蒸気タービン用配管。
【公開番号】特開２０１０−１５０５８６（Ｐ２０１０−１５０５８６Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２８４６０（Ｐ２００８−３２８４６０）
【出願日】平成２０年１２月２４日（２００８．１２．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２４日（２００８．１２．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]