(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ni基合金の溶接構造物を構成するNi基合金大型部材であって、前記Ni基合金大型部材は、基材に炭化物の帯状偏析を有し、溶接開先面に摩擦撹拌処理法による処理と溶体化処理により改質層が形成されていることを特徴とするNi基合金大型部材。
【請求項２】
前記改質層の厚さは2mm以上であることを特徴とする請求項1に記載のNi基合金大型部材。
【請求項３】
請求項1記載のNi基合金大型部材を溶接して溶接構造物を製造するNi基合金溶接構造物の製造方法であって、溶接の溶け込み深さが前記改質層の厚さよりも浅くなるように溶接することを特徴とするNi基合金溶接構造物の製造方法。
【請求項４】
前記改質層の厚さは2mm以上であることを特徴とする請求項3に記載のNi基合金溶接構造物の製造方法。
【請求項５】
請求項3に記載のNi基合金溶接構造物の製造方法により製造された溶接型蒸気タービンロータ。
【請求項６】
蒸気タービンプラントのボイラ配管を構成するNi基合金製大型配管であって、前記Ni基合金製大型配管は基材に炭化物の帯状偏析を有し、溶接開先面に、摩擦撹拌処理法による処理と溶体化処理により深さ2mm以上の改質層が形成されていることを特徴とするNi基合金製大型配管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ni基合金大型部材及びNi基合金大型部材を使用したNi基合金溶接構造物とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高効率蒸気タービンを得るため、例えば特許文献1に記載のように、タービンロータ、ボイラ配管などにNi基合金の適用が検討されている。
【０００３】
Ni基合金を用いたタービンロータやボイラ配管は、Ni基合金大型鍛造材(Ni基合金大型部材)に、TIG(Tungsten Inert Gas)溶接またはMIG(Metal Inert Gas)溶接を施工し、製造される。Ni基合金大型鍛造材は、一般的に以下の手順で製造される。すなわち、(1)真空溶解、(2)エレクトロスラグ再溶解または真空アーク再溶解、(3)分塊鍛造、(4)仕上げ加工、および(5)熱処理の手順である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2011-052308号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者の検討によれば、Ni基合金大型鍛造材(大型溶解鍛造材)を用いたモックアップ試験において、小型溶解鍛造材を使用した予備検討では発生しなかった高温割れが発生することが判明した。
【０００６】
したがって本発明の目的は、高温割れを抑制することが可能なNi基合金大型部材及びNi基合金大型部材を使用したNi基合金溶接構造物とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するため、Ni基合金の溶接構造物を構成するNi基合金大型部材の溶接面に摩擦撹拌処理法(Friction Stir Processing;FSP、以下FSP処理と記述する）による処理と溶体化処理を施した改質層を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高温割れを抑制することが可能なNi基合金大型部材及びNi基合金大型部材を使用したNi基合金溶接構造物とその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１−Ａ】従来のNi基合金大型部材の表面の光学顕微鏡観察結果のスケッチ図である。
【図１−Ｂ】従来のNi基合金大型部材の表面の光学顕微鏡観察結果のスケッチ図(図1-Aの拡大図)である。
【図２−Ａ】本発明に係るNi基合金大型鍛造材の平面および側面の模式図である。
【図２−Ｂ】図2-A中、X部分の拡大図である。
【図３−Ａ】本発明に係るNi基合金大型部材を溶接して作製したNi基合金大型溶接構造物の平面および側面の模式図である。
【図３−Ｂ】図3-A中、Y部分の拡大図である。
【図４】本発明に係るNi基合金大型部材を用いて作製したタービンロータの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施の形態に限定されるものではない。
【００１１】
先ず、本発明に至った経緯について説明する。
【００１２】
本発明者は、Ni基合金大型部材の高温割れの原因について調査・検討を行った。その結果、高温割れは、Ni基合金大型鍛造材製造時における帯状の炭化物偏析層の出現と、高温延性の低下に起因することを発見した。そしてさらに、Ni基合金大型鍛造材の溶接される断面をFSP処理し、続いて溶体化処理することで、この帯状の炭化物偏析層を消失させることができることを発見した。本発明は、この発見に基づくものである。これらの発見について、以下に詳述する。
【００１３】
Ni基合金大型部材の高温割れの主な原因は、帯状の炭化物偏析層であると考えられる。
【００１４】
Ni基合金インゴットの溶解前の重量は、製造効率を高めるため6トンを超える。このような大型のインゴットの溶解・凝固時にはミクロ偏析が出現し、鍛造後も残留する。すなわち、ミクロ偏析により、最終凝固部であるデンドライト境界部にC(炭素)およびMo(モリブデン)が偏析し、この部分に炭化物が密集する。この炭化物の密集領域が鍛造で引き延ばされ、鍛造方向に炭化物が並んだバンド状組織(複数の帯状の炭化物偏析層の集合)が形成される。
【００１５】
帯状の炭化物偏析層は融点が低いため、溶接時に局所溶融が発生し、これを基点として高温割れが発生する。また鍛造材の組織は、帯状の炭化物偏析層は結晶粒が細かく、帯状の炭化物偏析層以外の部分は結晶粒が粗くなる混粒組織となり、機械的性質に悪い影響を与える。
【００１６】
また、Ni基合金大型部材の高温割れの他の原因として、高温延性の低下が考えられる。
【００１７】
高温で鍛造、熱処理を行なうと、結晶粒度が粗くなり、高温延性が低下する。高温延性が低下すると、鍛造材の温度が下がるときの収縮によって、高温割れが発生する。
【００１８】
上記の2つの高温割れの原因を低減するために、本発明では、Ni基合金大型部材の溶接面に、FSP処理法による処理と溶体化処理を施し、均質な改質層を形成する。
【００１９】
タービンロータのシャフト、ボイラの配管などを製造する場合、Ni基合金は鍛造によって引き延ばされる。バンド状組織は、鍛造で引き延ばされる方向(長手方向)に形成される。
【００２０】
本発明者は、この長手方向に形成されたバンド状組織を崩すためには、長手方向と垂直な方向から衝撃を加えることが有効であると考えた。まず、ショットピーニングやハンマーで衝撃を加え、溶体化処理を行った。しかし、これらの方法では、ひずみが導入され、溶体化処理後に再結晶させることができたが、バンド組織を崩すことはできなかった。これは、これらの方法では、長手方向と垂直な方向に組織が撹拌されなかったためであると考えられる。
【００２１】
そこで、Ni基合金鍛造材の溶接面全体に対してFSP処理を行い、溶体化処理を行ったところ、バンド状組織を崩すことができた。
【００２２】
さらに、FSP処理を行った場合、再結晶後の組織が微細（結晶粒度(JIS G 0551に準拠して測定)が2以上）かつ均一になり、高温延性が高くなることが分かった。
【００２３】
FSP処理を行う装置は特に限定はなく、市販のものを使用することができる。回転工具は、高温耐摩耗性を有するものを使用することが好ましい。具体的にはWRe(タングステンレニウム)合金製のものを好適に用いることができる。
【００２４】
FSP処理は、Ni基合金鍛造材の溶接面全体に行う。
【００２５】
FSP処理の押し込み深さは2mm以上が好ましく、2〜3mmであることがより好ましい。鍛造材を溶接する際の溶け込み深さは、一般的に1mm程度であるが、FSP処理をする深さが1mmであると、細粒化した組織の部位が全て溶接の際に溶融し、高い高温延性を得ることができない。またFSP処理をする深さが3mm超であると、回転工具の摩耗および処理時間が増大する。
【００２６】
FSP処理を行った後に、溶体化処理を行う。これは、FSP処理により撹拌した組織を再結晶化するために行うものである。溶体化処理の条件は、再結晶後の結晶粒度が2〜5となる条件で行うことが望ましい。結晶粒度が2未満であると、充分な高温延性が得られず、5より大きいと、クリープ強度が低下するためである。溶体化処理の条件は、具体的には950〜1200℃で、1〜24時間行うことが好ましい。
【００２７】
FSP処理および溶体化処理した大型部材を、処理した面同士を溶接して大型溶接構造物を製造する。溶接方法は特に限定されないが、例えばTIG溶接などの開先溶接を行うことができる。
【００２８】
本発明は、混粒組織（例えば、デンドライト部の結晶粒度が1より小さく、デンドライト境界部の結晶粒度が3より大きい）と、炭化物偏析層が帯状に連なったバンド状組織を有する大型Ni基合金鍛造材に適用する場合に、特に大きな効果を得ることができる。また本発明は、凝固偏析により基材に炭化物の帯状偏析が発生する大型鋳造材にも同様に適用可能であり、大きな効果を得ることができる。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、下記において、供試材A〜CおよびD1は比較例であり、供試材D2〜D4は、本発明に係る実施例である。
【００３０】
表1に示す化学成分のNi基合金について、真空溶解およびエレクトロスラグ再溶解法により、約6トンの鋼塊を作製し、熱間鍛造により約4トンのビレットを作製した。このビレットをさらに熱間加工することで、直径750mm、肉厚40mmの配管を作製した。配管は300mmずつ切断し、14本の配管とした。配管は、1160℃で溶体化を施した後、空冷し供試材(基材)とした。
【００３１】
【表１】
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図1-Aおよび1-Bに、供試材のNi基合金大型鍛造材の表面の光学顕微鏡観察結果のスケッチ図を示す。図1-Bは、図1-Aの拡大図である。
【００３２】
供試材において、炭化物が密集した領域が帯状に連なったバンド状織が観察された。炭化物が密集している領域では結晶粒度が3.0、密集していない領域では、結晶粒度が0であり、混粒組織となっていた。
【００３３】
次に、この配管2本をTIG溶接により接合して供試材Aとした。溶接金属は、表1に示した成分であり、基材と同じ成分である。供試材Aの表面組織を光学顕微鏡で観察した結果、供試材と同様に、炭化物の密集領域で、高温割れが発生していた。これは、この部分に炭素が偏析し、融点が局所的に低くなっているためである。
【００３４】
次に、別の配管2本の溶接面にショットピーニングを施し、1160℃で溶体化処理を行った。そして、供試材Aと同様に2本の配管をTIGにより溶接し、供試材Bとした。供試材Bの表面組織を光学顕微鏡で観察したところ、ショットピーニングの処理後、溶接前の状態では、溶接面から、配管の長手方向を中心に向かって0.5mmの領域は、結晶粒が微細化されていたが、溶接時にこの領域は溶融し、溶接後の組織は、供試材Aと同様になり、高温割れが発生した。また、溶接前に細粒化はされていたものの、バンド組織は消失していなかった。
【００３５】
次に、別の配管2本の溶接面をハンマーで強打した後、1160℃で溶体化処理を行い、供試材Aと同様にTIG溶接で2本の配管を接合し供試材Cとした。供試材Cの表面組織を光学顕微鏡で観察した結果、溶接金属と基材境界の基材側に、結晶粒が微細化された領域が観察されたが、バンド組織は残留しており、炭化物の密集部分に高温割れが観察された。
【００３６】
次に、別の配管2本の溶接面に、FSP処理を行った後に、1160℃で溶体化処理を行い、供試材Aと同様にTIG溶接で2本の配管を接合した供試材とした。FSPにはWRe合金の回転工具を用いた。ツールの挿入深さを変えることで、攪拌する深さを1mm、2mm、3mm、4mmと変化させ、それぞれ、供試材D1、D2、D3、D4とした。FSP処理条件は、撹拌深さが2mmである場合、工具回転500 rpm、工具移動速度100mm/min、回転方向をツール側から見て時計回りとした。これらの条件を調整し、その他の撹拌深さの供試材を得た。
【００３７】
供試材D1では、溶接前は、FSPで処理した領域で結晶粒が細粒化し、さらにバンド組織も消失して均質な組織となっていたが、溶接時に処理した領域が溶融した。溶接後の断面組織は、供試材Aと同様になり、高温割れも確認された。
【００３８】
供試材D2では、溶接前の断面組織は、供試材D1と同様であったが、組織が改質された深さが約2mmで、溶接後も改質された組織の層が約1mm残っていた。また、供試材D2では、供試材A、B、C、D1で見られたような高温割れは確認されなかった。
【００３９】
供試材D3、D4についても、D2と同様にバンド組織が消失し、高温割れは確認されなかった。D1〜D4では、バンド組織が消失しただけでなく、溶体化後の結晶粒度が2〜4であり、高い高温延性を得た。
【００４０】
供試材A〜CおよびD1〜D4の溶接面処理、結晶粒度、バンド状組織および溶接割れの有無の結果を表2にまとめる。
【００４１】
【表２】
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また、本発明に係るNi基合金大型鍛造材の平面および断面の模式図を図2-Aに、本発明に係るNi基合金大型部材を溶接して作製したNi基合金大型溶接構造物の平面および断面の模式図を図3-Aに示す。また、図中、X部分、Y部分の拡大図をそれぞれ図2-Bおよび図3-Bに示す。
【００４２】
図中、領域AはFSP処理が行われた領域で、細粒化した組織構造となっている。なお、撹拌深さは2〜3mmとしている。領域BはFSP処理が行われていない領域で、炭化物が、鍛造材長手方向に均質に分布している。溶体化処理後、溶接を行う。溶接における溶け込み深さは1mm程度としている。領域Aおよび領域Bの組織構造は、溶接後も変わらないことがわかる。
【００４３】
以上の結果から、本発明では、Ni基合金大型鍛造材の溶接面をFSP処理し、溶体化処理することにより、バンド状組織を無くし、結晶粒を細粒化し、高温割れが無いNi基合金大型溶接構造物を提供できることが示された。
【００４４】
本発明のNi基合金大型部材は、例えばボイラ配管等の配管に適用することができる。また、本発明のNi基合金大型部材を用いて、蒸気タービンやガスタービンなどのタービンロータを製造することができる。図4に、本発明のNi基合金大型部材を用た、蒸気タービンロータの1例の断面模式図を示す。本実施例におけるタービンロータは、例えば700℃の蒸気が供給される蒸気タービンに適用される。本図において、高温度(600〜700℃)域部位に本発明のNi基合金大型部材2、中温及び低温度(500℃)域部位にフェライト鋼5を使用し、両者を溶接部6にて接合している。Ni基合金大型部材2の溶接部6にFSP処理及び溶体化処理を施すことで、高温割れを抑制することが可能なタービンロータを提供することができる。なお、コスト的に不利であるが、中温および低温度域部位に、Ni基合金大型部材を用いて、同様にFSP処理と溶体化処理を施し、溶接してタービンロータを製造するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
1…Ni基合金大型鍛造材、2…Ni基合金大型部材、3…Ni基合金大型溶接構造物、4…FSP処理装置の回転工具、5…フェライト鋼、6…溶接部。
【図１−Ａ】
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【図１−Ｂ】
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【図２−Ａ】
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【図２−Ｂ】
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【図３−Ａ】
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【図３−Ｂ】
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【図４】
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