专利名称：用于汽轮机的汽轮机转子的镍基合金和使用该镍基合金的汽轮机的汽轮机转子的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及用于汽轮机的汽轮机转子的镍基合金，和使用该镍基合金的汽轮机的汽轮机转子。
背景技术：
在热电厂中，考虑到保护全球环境，减少二氧化碳排放的技术正获关注，且对提高 发电效率的需求正在增大。为了增大汽轮机的发电效率，提高汽轮机中的蒸汽温度是有效 的。在近年来的热电厂中，汽轮机中的蒸汽温度增至600°C或更高，预计未来将增至650°C， 并进一步增至700°C以上。在支持通过接受高温蒸汽而旋转的转子叶片的汽轮机转子附近，高温蒸汽循环并 增大其温度，高应力通过旋转而产生。因此，要求汽轮机的汽轮机转子承受高温和高应力， 而作为形成汽轮机转子的材料，需要在室温到高温的区域范围内具有高强度、延展性、和韧 性的合金。特别当蒸汽温度超过700°C时，常规的铁基材料的高温强度不足，因此考虑使用 镍(Ni)基合金(参见例如JP-A 7-150277 (KOKAI))。由于其优良的高温强度和抗腐蚀性， Ni基合金已主要广泛用作喷气发动机和燃气轮机的材料。典型实例包括Inconel 617合 金(由 Special Metals Corporation 制造)禾口 Inconel 706 合金(由 Special Metals Corporation 制造)。关于提高Ni基合金的高温强度的机理，已知一种机理为通过加入Al和Ti，称作 Y初相(Ni3(Al，Ti))的沉淀相或Y双初相(Ni3Nb)沉淀于Ni基合金的母相材料中，或所 述两相都沉淀于母相材料中，从而保证高温强度。Inconel 706合金是一个这样的实例。此外，也已知加入Co、Mo以强化(固溶强化)Ni基的母相以保证高温强度的Ni基 合金，比如Inconel 617合金。如上所述，关于用于温度超过700°C的汽轮机的汽轮机转子材料，已考虑使用高温 强度高于铁基材料的Ni基合金，但存在改进组成以满足Ni基合金的高温强度、可锻性和类 似性质，同时保持热加工性的需求。发明内容本发明的目的在于提供用于汽轮机的汽轮机转子的M基合金，其在 保持热加工性的同时具有优良的高温强度和可锻性，并提供使用该M基合金的汽轮机的 汽轮机转子。一方面，根据本发明的用于汽轮机的汽轮机转子的镍基合金含有，按质量计，C 0. 01% 至Ij 0. 15%, Cr 至Ij 28%, Co 至Ij 15%, Mo :8 % 至Ij 12%, Al :0. 5% 到少于 1.5%，Ti :0. 7%到3. 0%，和B:0. 001%到0. 006%，余量为镍(Ni)和不可避免的杂质。另一方面，根据本发明的汽轮机的汽轮机转子是设置用于穿透将高温蒸汽引入其 中的汽轮机的汽轮机转子，其中至少预定部分由上述用于汽轮机的汽轮机转子的镍基合金 构成。
图1是根据本发明实施方案的Ni基合金的结构图像。图2是显示Greeble试验结果的图表。图3是Ni基合金的结构图像。图4是Inconel 617合金的结构图像。
具体实施例方式下面将描述根据本发明用于汽轮机的汽轮机转子的镍(Ni)基合金的实施方案，和由该合金形成的汽轮机的汽轮机转子。诸如Inconel 706合金和Inconel 617合金的Ni基合金作为汽轮机转子材料十 分有用。然而，为了进一步增大汽轮机发电设备的效率，要求M基合金具有令人满意的高 温强度(高温下的机械强度)和可锻性，同时保持热加工性(拉制或类似性质)。例如，Inconel 617合金是通过加入钴(Co)和钼(Mo)作Ni基的母相的固溶强化 而改进的具有高温强度的合金。然而，为了进一步改进高温强度，仅固溶强化并不总是足够 的。因此，本实施方案的用于汽轮机转子的M基合金在固溶强化之外使用沉淀强化进一步 进行强化。下面将描述该进一步强化的详情。该实施方案的用于汽轮机的汽轮机转子基于 Inconel 617的组合物作为典型的Ni基合金，并通过进行加入和调节而改进了高温下的强 度特性以及可锻性。常规的Inconel 617合金中的Ti含量约为0. 6质量％，在该含量程度下不能期望 沉淀强化。因此，将Ti含量增至0.7质量％到3.0质量％，以增大被沉淀的γ'相(Y初 相(Ni3(Al，Ti)))的量。Ni基合金的结构图像显示于图3中，其中将Al浓度增至1.6质 量％或更高，将Ti浓度增至0.7质量％或更高，以进一步改进高温强度。在图3中，称作ο 相的损坏相的沉淀通过箭头所示识别。另外，图3中显示的Ni基合金的组成是Ni-1. 8A1-1 .3Ti-23Cr-12Co-9Mo-0. ITa-O. 3Nb (各组分开头所附的数字表示该组分的含量(质量％ )， 余量为Ni)。因此，在本发明中，为了防止损坏相的沉淀，将Al浓度调节在0. 5质量％到少 于1.5质量％的范围内，并按需加入钽(Ti)和铌(Nb)，以使γ'相稳定沉淀并改进Y'相 本身的稳定性。从而实现了该M基合金的进一步强化。该实施方案的用于汽轮机的汽轮机转子的M基合金可按下列方式实施。(合金1)用于汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金，所述合金按质量％计含有C:
0.01% 至Ij 0. 15%, Cr 至Ij 28%, Co 至Ij 15%, Mo :8 % 至Ij 12%, Al :0. 5% 到少于
1.5%, Ti 0. 7%到3. 0%，和B 0. 001%到0. 006%，余量是Ni和不可避免的杂质。(合金2)用于汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金，所述合金按质量％计含有C:
0.01% 至Ij 0. 15%, Cr 至Ij 28%, Co 至Ij 15%, Mo :8 % 至Ij 12%, Al :0. 5% 到少于
1.5%, Ti 0. 7%至Ij 3. 0%，和 B 0. 001%到 0. 006%，和 Ta 0. 到 0. 7%，余量是 Ni 和不 可避免的杂质。(合金3)用于汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金，所述合金按质量％计含有C: 0. 01% 至Ij 0. 15%, Cr 至Ij 28%, Co 至Ij 15%, Mo :8 % 至Ij 12%, Al :0. 5% 到少于1. 5%, Ti :0. 7%至Ij 3. 0%，和 B 0. 001%到 0. 006%，和 Nb 0. 到 0. 4%，余量是 Ni 和不
可避免的杂质。(合金4)用于汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金，所述合金按质量％计含有C:
0.01% 至Ij 0. 15%, Cr 至Ij 28%, Co 至Ij 15%, Mo :8 % 至Ij 12%, Al :0. 5% 到少于
1.5%,Ti 0. 7%到 3· 0%,B 0. 001%到0. 006%,Ta 0. 到0. 7%，和Nb 0. 到0. 4%,
余量是Ni和不可避免的杂质。(合金5)用于汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金，所述合金按质量％计含有C: 0. 01% 至Ij 0. 15%, Cr 至Ij 28%, Co 至Ij 15%, Mo :8 % 至Ij 12%, Al :0. 5% 到少于 1.5%，Ti :0. 7%到 3. 0%，B:0. 001%到 0. 006%，和 Ta+2Nb(Ta 和 Nb 的摩尔比是 1 2)， 余量是Ni和不可避免的杂质。注意在下列描述中，表示合金组分的“ ％，，指“质量％ ”，除非另作说明。这里，在用于汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金中，即上述(合金1)到(合金5) 中，优选地，在不可避免的杂质中，至少将Si含量降至0. 1 %或以下，将Mn含量降至0. 1 % 或以下。下面将描述本实施方案的上述各个用于汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金组合物 中的组分范围限定的原因。(I)C(碳)C作为用作强化相的M23C6型碳化物的组成成分是有用的，保持合金的蠕变强度的 因素之一是在汽轮机工作时，特别在650°C或以上的高温环境下工作时，引起M23C6型碳化 物沉淀。此外，它也具有保证浇铸期间熔融金属的流动性的效果。当C含量少于0.01% 时，不能保证足够的碳化物沉淀量。由此，高温强度降低，浇铸期间熔融金属的流动性显著 降低。另一方面，当C含量超过0. 15%时，生产大锭料时的组分分离趋势增大，促进作为脆 化相的M6C型碳化物的产生，进一步提高高温强度，但可锻性降低。因此，将C含量限制在 0.01%到0. 15%的范围内。(2) Cr (铬)Cr是提高镍基合金的抗氧化性，抗腐蚀性和高温强度的主要因素。此外，它是M23C6 型碳化物的主要组成成分，通过在汽轮机工作时，特别是在650°C以上的高温环境下工作 时，使M23C6型碳化物沉淀可以保持合金的蠕变强度。此外，Cr可以增大高温蒸汽环境下的 抗氧化性。当Cr含量少于18%时，抗氧化性降低。另一方面，当Cr含量超过28%时，由于 显著促进M23C6型碳化物的沉淀，变粗糙的趋势提高。因此，将Cr含量限制在18%到28% 的范围内。(3) Co (钴)通过固溶进入母相，Co具有强化Ni基合金中的母相的效果。当Co含量少于10% 时，高温强度降低。另一方面，当Co含量超过15%时，产生损坏的金属间化合物相，此外可 锻性降低。因此，将Co含量限制在10%到15%范围内。(4) Mo(钼)通过固溶于Ni母相，Mo具有提高母相强度的效果。此外，Mo部分代替M23C6型碳化物，从而可以改进碳化物的稳定性。当Mo含量少于8%时，不显示上述效果，而当Mo含 量超过12%时，生产大锭料时的组分分离趋势增大，并促进作为脆化相的M6C型碳化物的产 生。因此，将Mo含量限制在8%到12%范围内。
(5) Al(铝)Al和Ni —起产生Y ‘相，从而可以通过沉淀改进Ni基合金的强度。当Al含量 少于0. 5%时，高温强度降低。另一方面，当Al含量是1. 5%或以上时，连同可锻性的降低 一起，它可促进称为σ相的脆化相的沉淀。因此，将Al含量限制在0.5%到少于1.5%的 范围内。(6) Ti(钛)和Al类似，Ti和Ni —起产生Y ‘相，由此可强化Ni基合金。当Ti含量少于 0. 7%时，高温强度等于常规材料的高温强度。另一方面，当Ti含量超过3%时，热加工性 降低，可能造成可锻性降低和切口敏感性增大。因此，将Ti含量限制在0. 7%到3. 0%范围 内。(7)Β(硼)B在晶界中被分离以改进高温特性。当B含量为0.001%或以上时该效果可以显 示。然而，当B含量超过0.006%时，可造成晶界脆化。因此，将B含量限制在0.001%到 0. 006%范围内。(8) Ta (钽)通过固溶于γ ‘相内，Ta具有稳定沉淀强化相的效果。当Ta含量少于0. 时， 稳定效果不显示。另一方面，当Ta含量超过0.7%时，高温强度提高但可锻性降低。因此， 将Ta含量限制在0. 到0.7%范围内。(9) Nb (铌)和Ta类似，通过固溶于γ ’相内，Nb具有提高高温强度和稳定沉淀强化相的效 果。当Nb含量少于0. 1 %时，上述效果不显示，而当Nb含量超过0. 4%时，高温强度提高但 可锻性降低。因此，将Nb含量限制在0. 到0.4%范围内。此外，通过含有(Ta+2Nb)的 含量在0.1%到0.7%范围内的上述Ta和Nb，它们固溶于γ'相内以提高高温强度并稳定 沉淀强度。当(Ta+2Nb)的含量少于0.1%时，和常规材料相比看不到上述效果的改进。另 一方面，当(Ta+2Nb)的含量超过0.7%时，高温强度改进但可锻性降低。顺便提及，在此情 况下，Ta和Nb各含有至少0. 01%或以上。(10) Si (硅)，Mn (锰)，Fe (铁)，Cu (铜)，和 S (硫)Si，Mn，Fe，Cu，和S归类为本实施方案的用于汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金中 的杂质。希望这些不可避免的杂质的残留量尽可能接近于0(零)％。此外，在这些不可避 免的杂质中，优选地，至少各自将Si和Mn抑制于0. 或以下。就普通钢的情形而言，Mn 通过将促进脆性的S(硫)转化成MnS而防止脆性。然而，Ni基合金中的S含量很小，不必 加入Mn。因此，在本实施方案的用于汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金中，希望Mn含量是 0. 或以下，且其残留量尽可能接近0(零)％。就普通钢的情形而言，加入Si以补偿抗腐 蚀性。然而，在Ni基合金中，Cr含量大，抗腐蚀性可充分保证。因此，在本实施方案的用于 汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金中，希望Si含量是0. 或以下，且其残留量尽可能接近 0(零)％。图4是常规的Inconel 617合金的结构图像。图1 [组成=Ni-O. 05C-1· 15A1-1. 8 Ti-23Cr-12Co-9Mo-0. ITa-O. 3Nb_0. 003B]是本实施方案的用于汽轮机的汽轮机转子的Ni 基合金之一的结构图像。如图1所示，在本实施方案的用于汽轮机的汽轮机转子的M基合金中，通过上述合金组成范围，可以使微小的Y'在Y母相中稳定沉淀，如箭头所示，同时抑制σ相的沉淀。下面将描述本实施方案的用于汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金的优选制造方 法。按照通常的方式将组分作如上所述的调节的合金熔化并浇铸。然后，对该锭料进行稳 定化处理，普通的热锻造，和溶液处理。在热锻造后的溶液处理中，希望温度不低于Y ‘相 的熔点且不高于其局部熔化起始温度。尽管稳定化处理和溶液处理的条件根据合金组成和 被处理物体的尺寸而变化，但稳定化处理可通过在例如1000°C到1250°C的温度范围内加 热3到72小时而进行。另一方面，溶液处理可通过例如在1000°C到1200°C的温度范围内 加热3到24小时并通过此后的淬火而进行。这些处理可以在多个阶段中进行。此外，如果 需要，相的早期沉淀可通过在700°C到800°C的温度范围内进行老化处理3到24小时 而实现。(高温强度特性和可制造性的评价)关于Ni基合金的合金组成，高温强度特性，和可制造性，下面参考表格描述实施 方案。通过在真空感应炉中熔化具有表1所示的化学组成的重20kg的M基合金，从26种 锭料获得经锻造的材料。为了评价本实施方案中显示的各个成分的加入量的范围，在所述 范围外调节比较例的21种加入量。剩下五种是实施例。顺便提及，比较例1具有和作为常 规材料的Inc0ne1617合金相同的化学组成。表1中的Si，Mn, Fe, Cu，S的混入不可避免。
120mm的直径和200mm的长度。在1180°C对这些锻造材料进行稳定化处理六小时，然后立 即进行热锻造。热锻造持续进行直到其锻造比变成3。在该锻造中，测量锻造材料的温度， 以便当锻造材料的温度降至1000°C时暂停锻造一次以在1180°C再次加热。当锻造比变成3 时，也就是说，每一经锻造的物体的整个长度变成600mm时，结束锻造并冷却材料。此时每 一经锻造的物体的直径约为70mm。冷却后，观察每一经锻造的物体的表面以检查任何锻裂 的存在。然后，对每一经锻造的物体进行溶液处理，其中在1170°C将它加热4小时，然后用 水冷却。对于溶液处理后的每一经锻造的物体，在750°C进行老化处理10小时。老化处理 后从每一经锻造的物品适当地取样一试件，并对其进行多种试验。表2显示了比较例1到 21和实施例1到5在溶液处理和老化处理后从室温(23°C )到高温(700°C和800°C )的拉 伸强度试验结果(0.2%试验应力)和锻造状态。另外，拉伸试验根据JIS Z 2241(对金属 材料的拉伸试验方法)进行。作为温度条件的700°C和800°C从汽轮机在正常操作的温度 条件和计算安全系数的温度的角度而设置。在表2中，“锻造比”表示“L1/L0”的值，其中 LO和Ll是锻造前后的长度。“再加热次数”是在锻造处理中再加热被锻造的物体直到“锻 造比”变成3的次数。“锻裂”表示锻造后目测“锻裂”的存在的结果，其中“不存在”表示没 有“锻裂”，“存在”表示具有锻裂。“可锻性”表示评价可锻性的结果，其中“0”表示经确定 可锻性良好，“X”表示经确定可锻性差。[表 2] CE =比较例；E =实施例如表2所示，实施例1到5在各个温度下具有高的0. 2%试验应力，由此经证明具 有优良的可锻性。可见，和比较例相比，实施例因沉淀/固溶强化而同时具有改进的高温强 度和可锻性。(Greeble 试验)表3显示用于评价表1显示的比较例1(相当于常规材料Inconel 617)和实 施例1到5的热加工性的Greeble试验。Greeble试验在10 %形变/秒的应变率下于 900°C，1000°C，1100°C，1200°C，和1300°C进行。此外，图2是显示表3中显示的每个样品 的Greeble试验结果的图表。这里，图2的横轴显示试验温度CC )。纵轴显示的面积缩小 (拉伸率)表示试件在试验后(破碎后)的截面面积从试件在试验前的截面面积减少的量 和试件在试验前的截面面积的比率。简而言之，当该值大时，表示试件具有优良的热加工 性。[表 3] CE =比较例；E =实施例如表3所示，实施例1到5和常规材料相当，其中在属于锻造温度范围的900°C到 1300°C保证50%以上的拉伸率值。因此发现在制造中不存在问题。通过在上述组合物的组分范围内组成组合物，本实施方案的用于汽轮机的汽轮机 转子的Ni基合金可在保持常规Ni基合金的热加工性的同时实现高温强度和可锻性的双重 改进。因此，作为用于将高温蒸汽引入其中的汽轮机的汽轮机转子材料，本实施方案的用于 汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金可在高温环境下获得高可靠性。此外，从本实施方案的用于汽轮机的汽轮机转子的Ni基合金之一可以形成用于 穿透将高温蒸汽引入其中的汽轮机的汽轮机转子。具体地，汽轮机的整个汽轮机转子可由 该Ni基合金形成，或汽轮机的汽轮机转子承受高温的特别部分可由该Ni基合金形成。这 里，汽轮机的汽轮机转子承受高温的部分可以具体是高压汽轮机单元的整个面积，或从高 压汽轮机单元到中压汽轮机单元的一部分的面积，和类似面积。通过该汽轮机转子，即使在 高温环境下，也可改进高温强度，并实现高可靠性。应当说明，本发明不局限于上述实施方案，且当然可对其作多种修改。此外，本发明的具体实施方案可在本发明的技术思想范围内作延伸或修改，这样的延伸和修改的实施方案也包括在本发明的技术范围内。
权利要求
用于汽轮机的汽轮机转子的镍基合金，所述镍基合金按质量％计含有碳(C)0.01％到0.15％；铬(Cr)18％到28％；钴(Co)10％到15％；钼(Mo)8％到12％；铝(Al)0.5％到少于1.5％；钛(Ti)0.7％到3.0％；和硼(B)0.001％到0.006％，余量为镍(Ni)和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1的用于汽轮机的汽轮机转子的镍基合金，按质量计还含有钽(Ta) 0. 到 0. 7%。
3.根据权利要求1的用于汽轮机的汽轮机转子的镍基合金，按质量计还含有铌(Nb) 0. 到 0. 4%。
4.根据权利要求2的用于汽轮机的汽轮机转子的镍基合金，按质量计还含有铌(Nb) 0. 到 0. 4%。
5.根据权利要求1的用于汽轮机的汽轮机转子的镍基合金，按质量计还含有钽+2铌 (Ta+2Nb)(钽和铌的摩尔比是1 2) 0.1%到0.7%。
6.根据权利要求1的用于汽轮机的汽轮机转子的镍基合金，其中所述不可避免的杂质按质量计包括硅(Si) :0. 或以下和锰(Mn) 0. 或以下。
7.汽轮机转子，其设置用于穿透将高温蒸汽引入其中的汽轮机，其中至少预定部分由根据权利要求1的用于汽轮机的汽轮机转子的镍基合金构成。
全文摘要
用于汽轮机的汽轮机转子的镍(Ni)基合金，按质量％计含有碳(C)0.01％到0.15％，铬(Cr)18％到28％，钴(Co)10％到15％，钼(Mo)8％到12％，铝(Al)0.5％到少于1.5％，钛(Ti)0.7％到3.0％，和硼(B)0.001％到0.006％，余量为镍(Ni)和不可避免的杂质。
文档编号C22C19/05GK101838757SQ20101014475
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者今井洁, 宫下重和, 山田政之, 根本邦义, 池田一隆, 须贺威夫, 高桥武雄 申请人:株式会社东芝