专利名称：：用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金和蒸汽涡轮的涡轮转子的制作方法
技术领域：
：本发明涉及组成蒸汽涡轮的涡轮转子的材料，其中高温蒸汽在所述蒸汽涡轮中作为工作流体流动，具体地涉及用于高温强度等性能优异的蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金，并涉及由该镍基合金构成的蒸汽涡轮的涡轮转子。2.相关技术描述在包括蒸汽涡轮的热电厂中，从全球环境保护的观点出发，抑制二氧化碳排放的技术引起了公众的注意，并且对提高发电效率的需求增大。提高涡轮蒸汽温度以增大蒸汽涡轮的发电效率是有效的，并且在包括最新的蒸汽涡轮的热力发电厂中蒸汽温度增大至60(TC或以上。将来有增大到650。C，甚至700。C的趋势。在具有转子叶片并通过接收高温蒸汽而旋转的涡轮转子中，高温蒸汽将其周边升至高温，并由旋转产生高压。因此，涡轮转子必须耐高温和高压，且组成涡轮转子的材料要求在从室温到高温的范围内具有良好的强度、延展性和韧性。特别地，当蒸汽温度超过700。C，比如，JP-A7-150277(KOKAI)中研究了镍基合金的应用，因为传统的铁基材料达不到高温强度。镍基合金己被广泛用作喷气发动机和燃气轮机的材料，因为它高温强度和耐腐蚀性优异。Inconel617合金(由SpecialMetalCorporation制造)和Inconel706合金(由SpecialMetalCorporation制造)作为代表性的实例使用。对于加强镍基合金的高温强度的机制，一种是通过加入Al或Ti，在镍基合金的母相材料中形成称作Y'相(Ni"Al,Ti))或y'相的沉淀相，并通过沉淀上述两相确保高温强度。比如，可用Incond706合金作为通过沉淀y相和Y"相两相而确保高温强度的材料。另一方面，还有一种机制，其中通过加入Co、Mo(比如Inconel617合金)来加强(固溶强化)镍基的母相来确保高温强度。如上所述，镍基合金的应用作为温度超过70(TC的蒸汽涡轮的涡轮转子的材料研究，但可以设想对于高温强度还有进一步改进的空间。另外，要求通过组成等的改进来提高镍基合金的高温强度，同时保持镍基合金的可锻性、焊接性能等。发明概述因此，本发明的目的是提供能够提高机械强度同时保持工作性(比如可锻性)的蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金，和由该镍基合金构成的蒸汽涡轮的涡轮转子。根据本发明的一方面，提供了用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金，以重量％计，其含有C:0.01至U0.15;Cr:18到28;Co:10到15;Mo:8至Ul2;Al:1.5至lj2;Ti:0,1到0.6;B:0.001至lj0.006;Ta:0.1至U0.7，且其剩余部分由Ni和不可避免的杂质组成。另外，根据本发明的另一方面，提供了用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金，以重量％计，其含有C:0.01至U0.15;Cr:18到28;Co:10到15;Mo:8到12;Al:1.5至U2;Ti:0.1至U0.6;B:0.001到0.006;Nb:0.1到0.4，且其剩余部分由Ni和不可避免的杂质组成。另外，根据本发明的另一方面，提供了用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金，以重量％计，其含有C:0.01至lj0.15;Cr:18到28;Co:10到15;Mo:8到12;Al:1.5到2;Ti:0.1到0.6;B:0.001到0.006;Ta+2Nb:0.1到0.7，且其剩余部分由Ni和不可避免的杂质组成。此外，根据本发明的另一方面，提供了蒸汽涡轮的涡轮转子，其贯穿所述蒸汽涡轮，并且所述蒸汽涡轮中导入有高温蒸汽，其中，至少预定部分由上述用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金构成。本发明将参考附图描述，但这些附图仅用于示例，而不以任何方式限制本发明。图1的视图显示了各个样品的Greeble试验的结果。发明详述下面将描述本发明的实施方案。根据本发明实施方案的镍基合金由下面显示的范围内的组成组分组成。顺便提及，下面的描述中表示组成组分的"％"指"重量％"，除非特别指出。(Ml)镍基合金，其含有C:0.01%至」0.15%、Cr:18%到28%、Co:10%到15%、Mo:8%到12%、Al:1.5%到2%、Ti:0.1%到0.6%、B:0.001%到0.006%、Ta:0.1%到0.7%，且其剩余部分由Ni和不可避免的杂质组成。(M2)镍基合金，其含有C:0.01%到0.15%、Cr:18%到28%、Co:10%到150/o、Mo:8%到12%、Al:1.5%到2%、Ti:0.1%到0.6%、B:0.001%到0.006%、Nb:0.1%到0.4%,且其剩余部分由Ni和不可避免的杂质组成。(M3)镍基合金，其含有C:0.01%至1」0.15%、Cr:18%到28%、Co:10%到15%、Mo:8%到12%、Ah1.5%到2%、Ti:0.1%到0.6%、B:0.001%到0.006%、Ta+2Nb:0.1%到0.7%，且其剩余部分由Ni和不可避免的杂质组成。这里，在上述(M1)到(M3)的镍基合金中的不可避免的杂质中，优选地在不可避免的杂质中，至少Si被控制在0.1%或更少，且Mn被控制在0.1%或更少。在上述组成组分范围内的镍基合金适合作为组成操作时的温度达到68(TC到75(TC的蒸汽涡轮的涡轮转子的材料。这里，蒸汽涡轮的涡轮转子的每个部分均可由该镍基合金构成，或特定的蒸汽涡轮的涡轮转子达到高温的部分可由该镍基合金构成。这里，更具体地说，高压蒸汽涡轮部分的每个区域，从高压蒸汽涡轮部分到中压蒸汽涡轮部分的区域等可作为所述蒸汽涡轮的涡轮转子达到高温的部分。此外，在上述组成组分范围内的镍基合金可提高包括高温强度的机械强度，同时保持工作性(比如传统镍基合金的可锻性)。B口，蒸汽涡轮的涡轮转子使用该镍基合金构成，从而，可以提高涡轮转子的高温强度，并制造即使在高温环境下也具有高可靠性的涡轮转子。此外，当蒸汽涡轮的涡轮转子制成后，可以保持传统的镍基合金的工作性。下面，将描述限定根据本发明的上述镍基合金中的各个组成组分范围的原因。(1)C(碳)C作为加固相M23C6型碳化物的组成元素是有用的，且它是保持合金的蠕变强度，以在蒸汽涡轮的操作期间(特别是在65(TC或更高温度下的高温环境下)沉淀M23C6型碳化物的因素之一。此外，还有确保熔融金属在浇铸时的流动性的作用。当C的含量小于0.01%时，不能确保足够的碳化物的沉淀量，且浇铸时熔融金属的流动性显著降低。另一方面，当C的含量超过0.15%时，制造较大的锭铁时的组分分离趋势增大，且脆变相M6C型碳化物的产生加速。因此，(3的含量设置为0.01%到0.15%。(2)Cr(铬)铬是增强镍基合金的抗氧化性、耐腐蚀性和机械强度的重要元素。另外，作为M23C6型碳化物的基本组成元素它是必要的，特别地，在65(TC或更高的高温环境下，在蒸汽涡轮的操作期间，通过沉淀]VbC6型碳化物来保持合金的蠕变强度。此外，Cr增大了高温蒸汽环境下的抗氧化性。当Cr含量小于18%时，抗氧化性降低。另一方面，当0"含量超过28%时，由于显著加速M23C6型碳化物的沉淀，粗大化趋势增强。因此，Cr的含量设置在18%到28%。(3)Co(钴)Co通过镍基合金中的母相中的固溶(solid-solving)来增强母相。然而，当Co含量超过15%时，产生降低机械强度的金属间化合物相(intermetalliccompoundphase),可锻性降低。另一方面，当Co含量小于10。/。时，工作性降低，另夕卜，机械强度降低。因此，Co含量设置在10%到15%。(4)Mo(钼)Mo具有通过在Ni母相中固溶而增强母相的强度的作用。此外，M23C6型碳化物中的部分Mo被取代，从而，碳化物的安全系数增大。当Mo含量小于8%时，不显示上述作用，且当Mo含量超过12%时，制造较大的锭铁时组分分离趋势增大，且脆化相M6C型碳化物的产生加速。因此，Mo的含量设置在8%到12%。(5)Al(铝)Al和Ni—起产生/相(Y':M3A1)，并通过沉淀提高镍基合金的机械强度。当A1的含量小于1.5%时，机械强度和可锻性相比于普通钢均未改善，而当AI的含量超过2%时，机械强度提高，但可锻性降低。因此，Al的含量设置在1.5%到2%。(6)Ti(钛)和A1—样，Ti和Ni—起产生y相(力Ni3Ti)，并提高镍基合金的机械强度。当Ti的含量小于0.1%时，不能显示上述作用，而当Ti含量超过0.6%时，热加工性能和可锻性降低，另外，切口敏感性(notchsensitivity)增大。因此，Ti含量设置在0.1。/。到0.60/0。(7)B(硼)B具有通过在Ni母相中沉淀而增强母相强度的作用。当B的含量小于0.001%时，不显示上述作用，而当B的含量超过0.006%时，存在产生晶界脆化的可能性。因此，B含量设置在0.001%到0.006%。(8)Ta傲Ta固溶在Y'相(力NisAl)中，增强强度，并稳定沉淀强度。当Ta含量小于0.1%时，相比于普通钢看不到上述作用中的改进，而当Ta含量超过0.7%时，机械强度通常得到提高，但可锻性降低。因此，Ta含量设置在0.1%至U0.7%。(9)Nb(铌)和Ta—样，Nb固溶在Y'相(力NisAl)中，增强强度，并稳定沉淀强度。当Nb的含量小于0.1%时，和普通钢相比在上述作用中看不到改进，而当Nb的含量超过0.4%时，机械强度通常得以提高，但可锻性降低。因此，Nb的含量设置在0.1%至1』0.4%。此外，同时含有上述Ta和Nb，且含有含量在0.1%到0.7°/。的范围内的(Ta+2Nb)，从而，它们固溶在y相(y:Ni3Al)中，增强强度，并稳定沉淀强度。当(Ta+2Nb)的含量小于0.1%时，和普通钢相比在上述作用中看不到改进，而当(Ta+2Nb)的含量超过0.7%，机械强度提高，但可锻性降低。顺便提及，在这种情况下，Ta和Nb的含量分别为至少0.0"/。或更大。Nb的比重大致是Ta的一半(Ta的比重16.6，Nb的比重8.57)，因此，相比于单独加入Ta的情况，可以通过共同加入Ta和Nb来增加固溶体量。此外，Ta是战略材料，因此，材料采购不稳定。然而，Nb的储备大致是Ta的100倍，可以稳定供应。Ta的熔点高于Nb(Ta的熔点约3000'C，Nb的熔点约2470。C)，因此，在较高温度下Y'相得到增强，且Ta的抗氧化性优于Nb。(10)Si(硅)和Mn(锰)Si和Mn被划分为根据本发明的镍基合金中不可避免的杂质。因此，最好尽可能使剩余含量近似为0%(零)。在普通钢中，加入Si以补偿耐腐蚀性。然而，所述镍基合金中的Cr含量大，可以充分保证耐腐蚀性。因此，si剩余含量设置为o.iy。或更少，并且最好尽可能使根据本发明的镍基合金中的剩余含量近似为0%(零)。在普通钢中，Mn将引起脆性的S(硫)转化成MnS，防止脆性。然而，所述镍基合金中的S的含量极小，因此，不必加入Mn。因此，Mn含量设置为0.1%或更少，且最好尽可能使根据本发明的镍基合金的剩余含量近似为0%(零)。对通过在真空感应熔炉中熔化组成镍基合金的组成成分而获得的锭铁进行渗透过程、锻造和熔体化处理(solutiontreatment),从而制造根据本发明的上述镍基合金。优选地，在渗透处理中将锭铁保持在1050'C到1075'C的温度范围内五到六个小时，并在熔体化处理中保持在IIO(TC到118(TC的温度范围内四到五个小时。这里，进行熔体化处理以均匀地固溶Y'相沉淀。y相沉淀在低于IIOO'C不完全固溶，且在高于118(TC的温度下强度降低，因为晶粒粗大化。此外，在950。C到1100。C(再加热温度为IIO(TC)的温度下进行锻造。此外，当蒸汽涡轮的涡轮转子由根据本发明的上述镍基合金构成时，比如一种方法(双重熔化)是，对原材料进行真空感应熔化(VIM)、电渣重熔(ESR)，并将它们注入预定的模子中。然后进行锻造处理、热处理，以制造涡轮转子。对于另一种方法(双重熔化)，对原材料进行真空感应熔化(VIM)、真空电弧重熔(VAR)，并将它注入预定的模子中。然后进行锻造处理、热处理，以制造涡轮转子。另外，对于另一种方法(三重熔化)，对原材料进行真空感应熔化(VIM)、电渣重熔(ESR)、真空电弧重熔(VAR)，并将它们注入预定的模子中。然后，进行锻造处理、热处理，以制造涡轮转子。顺便提及，对通过上述方法制造的涡轮转子进行超声测试等。下文中说明了本发明镍基合金的机械强度和可锻性是优异的。(拉伸强度试验和可锻性评价)这里，说明了在本发明化学组成范围内的镍基合金的机械强度和可锻性是优异的。表1显示了进行拉伸强度试验和可锻性评价的样品1到样品28的化学组成。顺便提及，样品1到样品6是在本发明化学组成范围内的镍基合金，样品7到样品28是组成在本发明化学组成范围外的镍基合金，它们是比较实施例。此外，样品7的化学组成相当于普通钢Incone1617。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>在拉伸强度试验中，将20kg的各种具有表1显示的化学组成的样品1到样品28的镍基合金在真空感应熔炉中熔化，由锭铁制成钢锻件，并由该钢锻件制成预定尺寸的样品。拉伸强度试验根据"JIS(日本工业标准)G0567"(钢和耐热合金的高温拉伸试验方法)对各样品在23"C、700°C、800°C的温度下进行，并测量0.2。/。屈服强度(proofstress)。这里，拉伸强度试验中的温度条件为700"C和800'C的温度是通过考虑蒸汽涡轮的涡轮转子正常操作时的温度条件和考虑安全因素的温度而设定的。此外，对各样品进行可锻性评价。这里，根据再加热直到锻造比变成三的再加热次数，和进行锻造处理直到锻造比变成三之后，锻造比变成三时有/无锻造裂纹来评价。这里，锻造比是这样的比率其中，锻造处理进行之前，待锻造物体垂直于待锻造物体要拉伸方向的横截面积除以锻造处理之后，锻造物体垂直于锻造物体拉伸方向的横截面积。此外，在一般的锻造处理中，锻造处理通过当待锻造物体的温度降低(即当待锻造物体开始硬化时)再加热待锻造物体来重复。再加热次数是再加热锻造物体直到锻造处理中的锻造比变成三为止的次数。此外，当锻造处理后视觉观察锻造的物体且不存在裂纹时，锻造裂纹的有/无表示为"无"，另外，用"O"表示表示可锻性评价，表明可锻性优异。另一方面，当有裂纹时，用"有"表示，另夕卜，用"X"表示表示可锻性评价，表明可锻性差。表2显示了0.2%屈服强度的测量结果和可锻性评价结果。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>如表2所示，样品1到样品6在各个温度下具有较高的0.2%屈服强度、良好的可锻性，结果显示可以获得和具有良好可锻性的普通钢相似的可锻性。0.2%屈服强度变成较高值的原因是可以想到的，因为实现了沉淀强化和固溶强化(solid-solutionstrengthening)。另一方面，比如，结果显示0.2%屈服强度显示了较高值，但可锻性在普通钢(比如样品18和样品20)中不好。如上所述，没有机械强度和可锻性都很优异的普通钢。(Greeble试验)这里描述了在本发明化学组成范围内的镍基合金具有良好的热加工性能。顺便提及，这里通过使用表1中显示的样品1到样品7对各个样品进行Greeble试验。这里，样品1到样品6是本发明化学组成范围内的镍基合金，样品7是本发明范围化学组成范围外的镍基合金(相当于Inconel617)，它是比较实施例。表3显示了上述各个样品的Greeble试验的结果。此外，图1的视图显示了表3中各个样品的Greeble试验的结果。这里，图1纵轴显示的"截面减小率"指的是从试验前的样品横截面积到试验后(断裂后)的样品横截面积减少的横截面积与试验前的样品横截面积的比率。即，当该值大时，表示样品具有良好的热加工性能。表3试验温度'c截面减小率％样品1样品2样品3样品4样品5样品6样品7卯o73737373737270100074757576767672110076777878787876120084838384838381130095949595969593如表3和图1所示，对于本发明化学组成范围内的镍基合金的样品1到样品6和普通钢的镍基合金的样品7可以获得近似相等的Greeble试验结果。此外，截面减小率在包括锻造温度范围(约95(TC到1100'C)的90(TC到130(TC的温度范围内为70%或更大，结果显示获得了和普通钢的镍基合金相同的良好的热加工性能。14(老化特性)这里，说明了即使将本发明化学组成范围内的镍基合金置于高温下预定的时间内，其机械强度也可以得到保持。将20kg的具有表1显示的化学组成的样品1到样品6的各个镍基合金熔化在真空感应熔炉中熔化并由锭铁制成钢锻件，和上述拉伸强度试验中的样品制造方法一样，由钢锻件制造预定尺寸的样品。拉伸强度试验根据"JIS(日本工业标准)G0567"(钢和耐热合金高温拉伸试验方法)在将各个样品置于750。C下2000小时后置于700。C的温度条件下进行，并测量0.2%屈服强度。此外，在热处理进行前对各样品进行70(TC条件下的拉伸强度试验，并测量0.2%屈服强度。这里，将样品置于75(TC的原因在于为获得安全方面的数据，考虑了上述涡轮转子的最大使用温度。另一方面，考虑蒸汽涡轮的涡轮转子的正常操作时的温度条件，拉伸强度试验中的温度条件设定为70(TC的温度。表4显示了各个样品中0.2%屈服强度的测量结果。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>如表4所示，结果显示热处理后的样品的0.2%屈服强度略有降低，但大致上保持了热处理前的机械强度。因此根据上述结果可以理解结构基本不随时间变化。上面具体地描述了本发明的实施方案。然而，本发明并不局限于这些具体实施方案，应当理解所有不脱离所附权利要求范围的变化和修改均包括在其内。权利要求1.用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金，以重量百分比计，其含有碳0.01到0.15；铬18到28；钴10到15；钼8到12；铝1.5到2；钛0.1到0.6；硼0.001到0.006；钽0.1到0.7，且其剩余部分由镍和不可避免的杂质组成。2.用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金，以重量百分比计，其含有碳0.01到0.15;铬18到28;钴10至U15;钼8到12;铝1.5至lj2;钛0.1到0.6;硼0.001至U0.006;铌0.1至U0.4，且其剩余部分由镍和不可避免的杂质组成。3.用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金，以重量百分比计，其含有碳0.01到0.15;铬18到28;钴10到15;钼8到12;铝1.5到2;钛0.1至lJ0.6;硼0.001到0.006;钽+2铌0.1到0.7，且其剩余部分由镍和不可避免的杂质组成。4.权利要求1的用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金，其中在所述不可避免的杂质中，以重量百分比计，硅控制在0.1或更少且锰控制在0.1或更少。5.权利要求2的用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金，其中在所述不可避免的杂质中，以重量百分比计，硅控制在0.1或更少且锰控制在0.1或更少。6.权利要求3的用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金，其中在所述不可避免的杂质中，以重量百分比计，硅控制在0.1或更少且锰控制在0.1或更少。7.蒸汽涡轮的涡轮转子，其贯穿所述蒸汽涡轮，并且所述蒸汽涡轮中导入有高温蒸汽，其中至少预定的部分由权利要求1的用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金构成。8.蒸汽涡轮的涡轮转子，其贯穿所述蒸汽涡轮，并且所述蒸汽涡轮中导入有高温蒸汽，其中至少预定的部分由权利要求2的用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金构成。9.蒸汽涡轮的涡轮转子，其贯穿所述蒸汽涡轮，并且所述蒸汽涡轮中导入有高温蒸汽，其中至少预定的部分由权利要求3的用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金构成。全文摘要本发明公开了用于蒸汽涡轮的涡轮转子的镍基合金，以重量％计，其含有C0.01到0.15、Cr18到28、Co10到15、Mo8到12、Al1.5到2、Ti0.1到0.6、B0.001到0.006、Ta0.1到0.7，且剩余部分由Ni和不可避免的杂质构成。由于具有上述化学组成，所述镍基合金在提高机械强度的同时能保持和普通钢相同的可锻性。文档编号C22C19/07GK101386939SQ20081021256公开日2009年3月18日申请日期2008年9月5日优先权日2007年9月14日发明者今井洁,吉冈洋明,奥野研一,山田政之,根本邦义,福田雅文,须贺威夫,高久历,高桑章浩申请人:株式会社东芝