Ni基耐热合金焊接接头的制造方法及Ni基耐热合金焊接接头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及Ni基耐热合金焊接接头的制造方法及Ni基耐热合金焊接接头。详细 而言，涉及蠕变强度和使用时的焊接部的耐裂纹性优异、作为发电用锅炉的主蒸汽管、高温 再热蒸汽管等的高温构件使用的Ni基耐热合金焊接接头的制造方法，以及通过该制造方 法得到的Ni基耐热合金焊接接头。
【背景技术】
[0002] 近年，从降低环境负荷的观点考虑，对于发电用锅炉等而言，在全球范围内推进运 转条件高温·高压化，对于作为过热器管、再热器管的材料使用的奥氏体系耐热合金要求具 有更优异的高温强度和耐蚀性。
[0003] 进而，以往对于使用了铁氧体系耐热钢的主蒸汽管、高温再热蒸汽管等厚壁的构 件等各种构件，要求高强度化，研宄了高强度奥氏体系耐热合金或Ni基耐热合金的适用。
[0004] 在这种技术背景下，例如专利文献1中提出了通过有效利用W提高高温强度并且 限定有效B量，从而热加工性、耐焊接裂纹敏感性得到改善的Ni基合金。
[0005] 另外，专利文献2中提出了通过有效利用Cr、Ti和Zr从而以a -Cr相作为强化 相、蠕变强度得到提高的奥氏体系耐热合金。
[0006] 专利文献3中提出了通过含有大量的W并且有效利用Al和Ti实现的固溶强化以 及γ '相的析出强化，从而强度得到提高的Ni基耐热合金。
[0007] 专利文献4中提出了通过有效利用Al、Ti、Nb而蠕变强度提高的同时，通过P和B 含量的管理以及Nd的含有而耐液化裂纹性提高的奥氏体系耐热合金。
[0008] 专利文献5中提出了有效利用Mo和W而蠕变强度提高，并且限定杂质元素和Ti、 Al的含量，从而焊接时的耐液化裂纹和使用时的耐应力松弛裂纹性得到改善的奥氏体系耐 热合金。
[0009] 现有技术文献
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1 :日本特开2011-63838号公报
[0012] 专利文献2 :国际公开第2009/154161号
[0013] 专利文献3 :国际公报第2010/038826号
[0014] 专利文献4 :国际公报第2011/071054号
[0015] 专利文献5 :日本特开2010-150593号公报
[0016] 非专利文献
[0017] 非专利文献1 :接合?溶接技術（接合?焊接技术）Q&A1000编委会、接合?溶接 技術（接合?焊接技术）QMlOOO (1999)、502-503、653-654
[0018] 非专利文献2 :内木等、石川島播磨技報（石川岛播磨技报）、第15卷（1975)、第2 号、209-215
【发明内容】
[0019] 发明要解决的问题
[0020] 奥氏体系耐热合金或Ni基耐热合金而成的结构物通常通过焊接组装。以往，对于 使用了奥氏体系耐热合金、Ni基耐热合金的焊接接头而言，已知容易产生主要起因于冶金 因素的各种裂纹，在焊接中产生的液化裂纹、在高温下的长时间使用中通过焊接而产生的 残余应力松弛过程中产生的应力松弛裂纹成为问题。
[0021] 另一方面，专利文献1~5中公开的奥氏体系耐热合金、Ni基耐热合金对于上述 裂纹具有阻抗性，对于主蒸汽管、高温再热蒸汽管等的构件使用了这些合金的对焊接头，确 认到可以切实地防止焊接中的液化裂纹、使用中的应力松弛裂纹。然而，实际的结构物中存 在各种形状、尺寸的焊接部。因此可知，焊接部的残余应力的存在状态不同，需要说明的是， 根据焊接部的形状或尺寸，即使使用上述奥氏体系耐热合金、Ni基耐热合金，也有可能不能 充分地得到上述防止裂纹的效果。
[0022] 另外，如非专利文献1所示，通常奥氏体系不锈钢、Ni基合金在焊接后不进行焊接 后热处理。然而，对于奥氏体系不锈钢，为了改善韧性、耐蚀性，有时在1000~1150°c下进 行焊接后热处理，另外，为了去除残余应力，有时在800~900°C下进行焊接后热处理。
[0023] 例如，非专利文献2中，为了防止18Cr-12Ni-Nb系奥氏体系不锈钢的长时间使用 时产生的裂纹，示出了包括下述特殊的三段步骤的适当的焊接后热处理的适用对于裂纹的 防止是有效的：在升温时暂时加热至600°C并在该温度下保持，然后，升温至1050°C并在该 温度下保持后，进行冷却，在900°C下进一步保持，析出NbC后进行冷却。
[0024] 然而，本发明人等进行了各种研宄的结果重新判明，对于Ni基耐热合金而言，如 果单纯实施焊接后热处理，则虽然残余应力确实得到松弛、对于应力松弛裂纹的防止是有 效的，但是根据焊接后热处理的条件而焊接接头的蠕变强度有可能大幅降低。
[0025] 鉴于上述现状，本发明的目的在于，提供作为火力发电用锅炉的主蒸汽管、再热蒸 汽管等的高温构件使用的、蠕变强度和使用时的焊接部的耐应力松弛裂纹性优异的Ni基 耐热合金焊接接头的制造方法，以及使用该制造方法得到的Ni基耐热合金焊接接头。
[0026] 用于解决问题的方案
[0027] 为了解决前述课题，本发明人等首先对实施了焊接后热处理的Ni基耐热合金焊 接接头进行了详细的调查。其结果确认了下述事项。
[0028] (1)蠕变试验前后的组织观察的结果，蠕变强度大幅降低的焊接接头与蠕变强度 的降低小的焊接接头相比，蠕变试验前稀疏地析出有粗大的M23C6碳化物。进而，蠕变试验 中的M23C6的粗化显著。
[0029] (2)蠕变试验前的组织观察的结果，蠕变强度大幅降低的焊接接头确认到的M23C 6碳化物与蠕变强度的降低小的焊接接头确认到的M23C6碳化物相比，主要构成碳化物的Cr 量少。
[0030] 本发明人等由这些结果推定，由于焊接后热处理的适用所导致的蠕变强度的降低 是由于下述（a)~（d)的机理而产生的。
[0031] (a) 1123(：6碳化物在长时间使用中于晶粒内微细地析出，大大有助于蠕变强度的确 保。在长时间使用中M23C6碳化物生长，其经过下述过程：界面能之差成为驱动力，从而小的 M23Cf^粒消失，附近的大的M 23C6颗粒进一步生长。
[0032] (b)对于蠕变强度大幅降低的焊接接头而言，由于焊接后热处理而在晶粒内存在 粗大的M23C6碳化物。并且，此后长时间中在晶粒内新析出微细的M23C 6碳化物。因此，与未 实施焊接后热处理的焊接接头、即使实施焊接后热处理、蠕变强度的降低也小的焊接接头 相比，M23C6颗粒的尺寸差异变得显著。其结果，颗粒间的界面能之差增大,M23C 6碳化物的生 长得到促进。
[0033] (c)此外认为，对于析出物的生长而言，析出物所含的主要构成元素量与平衡状态 下基体所含的其元素量之差小者容易生长。如上所述，对于蠕变强度大幅降低的焊接接头 而言，构成仏3(：6碳化物的Cr量少。由此可知，M23C6碳化物的构成比不同也成为M 23C6碳化 物的生长促进的主要原因。
[0034] (d)由于这些理由，通过微细的仏3(：6碳化物实现的分散强化效果提前消失，结果 蠕变强度大幅降低。
[0035] 并且，本发明人等反复进行了深入地研宄，结果可知，为了防止上述蠕变强度的降 低，下述（e)和（f)的方法是有效的。
[0036] (e)从焊接后热处理过程中的粗大的仏仏碳化物的生成降低的观点考虑，优选焊 接后热处理温度低者，缩短焊接后热处理时间是有效的。
[0037] (f)从构成焊接后热处理过程中生成的M23Cf^化物的Cr量增多的观点考虑，优选 焊接后热处理温度低者。
[0038] 然而可知，过于降低焊接后热处理温度、另外过于缩短焊接后热处理时间时，残余 应力不能充分松弛，不能充分防止应力松弛裂纹，由此明确了下述的事项（g)。
[0039] (g)对于蠕变强度的降低防止以及应力松弛裂纹的充分的防止，焊接后热处理的 温度和时间存在适当的范围。
[0040] 然而，本发明人进一步反复研宄的结果可知，仅通过焊接后热处理的温度和时间 的管理，有可能不能完全抑制蠕变强度的降低，明确了下述重要的事项（h)和（i)。
[0041] (h)在焊接后热处理的降温时也生成M23C6碳化物。因此，仅通过管理焊接后热处 理时的温度和时间，不能完全抑制蠕变强度的降低。
[0042] (i)为了防止焊接后热处理时的蠕变强度的降低，在进行焊接后热处理时，适当管 理直至容易生成仏3(：6碳化物的500°C的降温速度是重要的。
[0043] 因此，接着本发明人等对于使用Ni和Cr的含量分别按质量％计为46~54%和 27~33%、其中含有W、Ti、Zr和Al等的Ni基耐热合金作为母材，使用Ni和Cr的含量分 别按质量％计为40~60%和20~33%、其中含有Mo、W和Ti等的Ni基耐热合金的焊接 材料将该母材焊接而制作焊接接头的情况下，焊接后热处理条件对蠕变强度和应力松弛裂 纹的影响进行了详细的研宄。其结果，得到下述（j)和（k)的发现。
[0044] (j)使得焊接后热处理时的保持温度Tl (°C )、保持时间tl (分钟）以及上述温度 T1°C至500°C的平均降温速度RC(°C /小时）满足特定条件而制造得到的Ni基耐热合金焊 接接头在此后的使用中，具有充分的耐应力松弛裂纹性并且可以减轻蠕变强度的降低。 [0045] (k)对实施了上述焊接后热处理的Ni基耐热合金焊接接头进而在保持温度 T2 (°C )的低温下实施保持时间t2 (分钟）的焊接后热处理，从而能够进一步减轻蠕变强度 的降低。这是由于，通过在低温下实施焊接后热处理，含有大量Cr的仏3(：6碳化物微细地析 出，与平衡状态下基体所含的Cr量之差减小，可以抑制使用中的仏3(：6碳化物的生长。
[0046] 本发明的主旨在于，下述所示的Ni基耐热合金焊接接头的制造方法及Ni基耐热 合金焊接接头。需要说明的是，本发明是基于上述发现而完成的，因此与前述非专利文献1 和非专利文献2、以及专利文献1~5的对象材料及目的不同，是通过这些文献不容易想到 的。
[0047] (1) -种Ni基耐热合金焊接接头的制造方法，其用焊接材料将合金母材焊接后， 实施保持温度T1°C、保持时间tl分钟以及保持温度T1°C至500°C的平均降温速度RCTC / 小时满足下述〈1>~〈3>式的焊接后热处理，
[0048] 900 彡 Tl 彡 1275 · · ·〈1>
[0049] -0. 2XT1+260 ^ tl ^-0. 6XT1+870 · · · <2>
[0050] 0. 05XT1-10 彡 RC · · ·〈3>