(57)【要約】【課題】Ｆｅ基耐熱鋼と、Ｎｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ系合金とからなる異種材料を優れたクリープ強度を有するように溶接接合することができるＮｉ基溶接材、およびこのＮｉ基溶接材によって溶接接合された異材溶接タービンロータを提供する。【解決手段】実施形態のＮｉ基溶接材４０は、Ｆｅ基耐熱鋼からなるＦｅ基タービン構成部材２０と、Ｎｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ系合金からなるＮｉ基タービン構成部材３０を溶接接合する際に使用される。Ｎｉ基溶接材４０と、Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０におけるＣｒ成分の含有率の差がそれぞれ１４質量％以下であり、かつＮｉ基溶接材４０と、Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０におけるＣ成分の含有率の差がそれぞれ０．３質量％以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ基耐熱鋼からなる第１の構成部材と、Ｎｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ系合金からなる第２の構成部材とを溶接接合する際に使用されるＮｉ基溶接材であって、
前記Ｎｉ基溶接材と、前記第１の構成部材および前記第２の構成部材におけるＣｒ成分の含有率の差がそれぞれ１４質量％以下であり、かつ前記Ｎｉ基溶接材と、前記第１の構成部材および前記第２の構成部材におけるＣ成分の含有率の差がそれぞれ０．３質量％以下であることを特徴とするＮｉ基溶接材。
【請求項２】
前記Ｎｉ基溶接材が、質量％で、Ｃｒ：８〜２５、Ｃｏ：１〜１２、Ｍｏ：１〜１２、Ａｌ：０．０１〜５、Ｔｉ：０．０１〜３、Ｃ：０．０１〜０．４、Ｂ：０．００１〜０．０１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請求項１記載のＮｉ基溶接材。
【請求項３】
Ｔａ、ＮｂまたはＴａとＮｂを合計して、１質量％以下さらに含有することを特徴とする請求項２記載のＮｉ基溶接材。
【請求項４】
Ｗを０．０１〜６質量％さらに含有することを特徴とする請求項２または３記載のＮｉ基溶接材。
【請求項５】
Ｆｅ基耐熱鋼からなる第１の構成部材と、Ｎｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ系合金からなる第２の構成部材とを、請求項１乃至４のいずれか１項記載のＮｉ基溶接材で溶接接合して構成されたことを特徴とする異材溶接タービンロータ。
【請求項６】
前記第１の構成部材と前記Ｎｉ基溶接材との接合部、および前記第２の構成部材と前記Ｎｉ基溶接材との接合部において、少なくともＣｒ成分およびＣ成分の濃度が、前記Ｎｉ基溶接材側から、前記第１の構成部材側および前記第２の構成部材側に向かって変化する傾斜組成層を有していることを特徴とする請求項５記載の異材溶接タービンロータ。
【請求項７】
第１の構成部材と第２の構成部材との間に、前記Ｎｉ基溶接材からなる接合層が、前記異材溶接タービンロータの軸方向に複数段形成されていることを特徴とする請求項５記載の異材溶接タービンロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、Ｎｉ基溶接材および異材溶接タービンロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気中への二酸化炭素の排出量削減の観点から、火力発電プラントの高効率化が進められている。そのため、火力発電プラントに備えられる蒸気タービンやガスタービンの高効率化が要求されている。また、火力発電プラントに設置可能なＣＯ２タービンにおいても高効率化が要求されている。ここで、ＣＯ２タービンは、天然ガスと酸素との燃焼により生成されたＣＯ２を作動流体としてタービンを駆動するものである。ＣＯ２タービンにおいては、生成されたＣＯ２の大部分を燃焼器に循環させる方式が採用され、ＣＯ２の排出が削減されるため、地球環境保護の観点から注目されている。
【０００３】
上記した各タービンにおける効率を上げるためには、タービンに導入される作動流体の入口温度を高温化することが有効である。例えば、蒸気タービンにおいては、将来的には、作動流体である蒸気の温度が７００℃以上での運用が期待されている。ガスタービンやＣＯ２タービンにおいても、導入される作動流体の入口温度は、上昇する傾向にある。
【０００４】
そのため、各タービンの高温部を構成する部品は、発電用ガスタービンや航空機用エンジンの部品に使用され、高温場においての使用に実績のあるＮｉ基耐熱合金で構成されることが望ましい。
【０００５】
Ｎｉ基合金は、Ｎｉ母相中に微細分散して析出したγ’（Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ））相によって、高温下において優れたクリープ強度および引張強度を有する。しかしながら、現在の製造技術においては、例えば、タービンロータなどの大型の構成部品をＮｉ基合金から作製することは困難である。さらに、Ｎｉ基合金は、例えば、従来のタービンロータを構成する材料よりも高価である。このようなことから、タービンロータ全体をＮｉ基合金で作製することは、技術面および製造コスト面から困難である。
【０００６】
そこで、タービンロータの中でも比較的高温となる部位をＮｉ基合金で構成し、それ以外を従来のＦｅ基耐熱鋼などで構成した異材溶接タービンロータが検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２３４３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発明者らは、Ｎｉ基合金からなるタービンロータ構成部とＦｅ基耐熱鋼からなるタービンロータ構成部とをＮｉ基溶接材を用いて溶接接合し、時効処理を施すと、Ｆｅ基耐熱鋼とＮｉ基溶接材との境界部に存在する炭素が、Ｆｅ基耐熱鋼側からＮｉ基溶接材側に著しく拡散する現象を確認している。
【０００９】
この炭素の拡散によって、炭素が欠乏した境界近傍のＦｅ基耐熱鋼に軟化域が形成され、炭素が濃化した境界近傍のＮｉ基溶接材に硬化域が形成され、クリープ特性が悪化する。さらに、Ｆｅ基耐熱鋼とＮｉ基溶接材との組み合わせによっては、Ｆｅ基耐熱鋼とＮｉ基溶接材との境界に、脆化をもたらす第３相が形成され、クリープ特性を悪化させる。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、Ｆｅ基耐熱鋼と、Ｎｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ系合金とからなる異種材料を優れたクリープ強度を有するように溶接接合することができるＮｉ基溶接材、およびこのＮｉ基溶接材によって溶接接合された異材溶接タービンロータ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】
実施形態のＮｉ基溶接材は、Ｆｅ基耐熱鋼からなる第１の構成部材と、Ｎｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ系合金からなる第２の構成部材とを溶接接合する際に使用される。そして、前記Ｎｉ基溶接材と、前記第１の構成部材および前記第２の構成部材におけるＣｒ成分の含有率の差がそれぞれ１４質量％以下であり、かつ前記Ｎｉ基溶接材と、前記第１の構成部材および前記第２の構成部材におけるＣ成分の含有率の差がそれぞれ０．３質量％以下である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態のＮｉ基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータの溶接部の断面を模式的に示した図である。
【図２】実施の形態のＮｉ基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータの他の構成の溶接部の断面を模式的に示した図である。
【図３】実施の形態のＮｉ基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータの他の構成の溶接部の断面を模式的に示した図である。
【図４】Ｆｅ基タービン構成部材とＮｉ基溶接材とにおけるＣの含有率差（ΔＣｒ）と炭素の化学ポテンシャル差（ΔμＣ）との関係を示した図である。
【図５】試料５における炭素のマッピングと線分析の結果を示す図である。
【図６】試料１８における炭素のマッピングと線分析の結果を示す図である。
【図７】クリープ破断試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
一般に、接合された２種類の合金における炭素などの溶質元素は、フィックの第１法則に基づき濃度勾配に沿って拡散する（Ｊ＝−Ｄ・ΔＣ／ΔＸ、Ｊ：流束、Ｄ：拡散係数、Ｃ：濃度、Ｘ：距離）。例えば、炭素の拡散を考えた場合、両合金の炭素濃度の差が大きいほど炭素が容易に拡散する。例えば、Ｎｉ基合金とＦｅ基耐熱鋼とをＮｉ基溶接材を用いて溶接接合する場合、炭素の拡散によって、前述したように、炭素が欠乏した境界近傍のＦｅ基耐熱鋼に軟化域が形成され、炭素が濃化した境界近傍のＮｉ基溶接材に硬化域が形成され、クリープ特性が悪化する。このような炭素の拡散は、両合金間の炭素の含有率（濃度）の差を小さくすることで、抑制することができる。
【００１５】
多成分系の合金どうしの接合では、炭素濃度が同じであっても、合金における元素の化学ポテンシャル勾配に沿って炭素が拡散する場合がある（Ｊ＝−Ｍ・Δμ／ΔＸ、Ｊ：流束、Ｍ：易動度、μ：化学ポテンシャル、Ｘ：距離）。
【００１６】
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏなどの、炭素と結合しやすく、炭素と結合して炭化物を形成することがある元素は、炭素との相互作用パラメータが負となるため、合金中の炭素の化学ポテンシャルを減少させる働きを持つ。特に、Ｃｒは、炭素の化学ポテンシャルに大きく影響する。例えば、接合するＦｅ基耐熱鋼とＮｉ基合金のＣｒ成分の含有率（濃度）の差（ΔＣｒ）が非常に大きい場合、Ｆｅ基耐熱鋼とＮｉ基合金との間の、炭素の化学ポテンシャル勾配（ΔμＣ）が増大し、炭素が容易に拡散する。このようなＣｒ成分の含有率（濃度）の差に基づく炭素の拡散は、Ｃｒ成分の含有率（濃度）の差を小さくすることで、抑制することができる。
【００１７】
そこで、Ｆｅ基耐熱鋼からなる第１の構成部材と、Ｎｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ系合金からなる第２の構成部材とを溶接接合する際に使用される実施の形態のＮｉ基溶接材を次の構成とした。
【００１８】
実施の形態のＮｉ基溶接材と、第１の構成部材および第２の構成部材におけるＣｒ成分の含有率の差は、それぞれ１４質量％以下であり、かつ実施の形態のＮｉ基溶接材と、第１の構成部材および第２の構成部材におけるＣ成分の含有率の差は、それぞれ０．３質量％以下である。
【００１９】
実施の形態のＮｉ基溶接材と、第１の構成部材および第２の構成部材におけるＣｒ成分の含有率の差をそれぞれ１４質量％以下とすることで、Ｎｉ基溶接材と、第１の構成部材および第２の構成部材との間のＣｒ成分の含有率（濃度）の差が小さくなる。そのため、炭素の化学ポテンシャル勾配（ΔμＣ）の増大を抑制し、炭素の拡散を防止することができる。ここで、Ｎｉ基溶接材と、第１の構成部材および第２の構成部材におけるＣｒ成分の含有率の差は、可能な限り小さくすることが好ましく、「０」とすることがより好ましい。
【００２０】
実施の形態のＮｉ基溶接材と、第１の構成部材および第２の構成部材におけるＣ成分の含有率の差をそれぞれ０．３質量％以下とすることで、Ｎｉ基溶接材と、第１の構成部材および第２の構成部材との間のＣ成分の含有率（濃度）の差が小さくなる。そのため、炭素の濃度勾配の増大を抑制し、炭素の拡散を防止することができる。ここで、Ｎｉ基溶接材と、第１の構成部材および第２の構成部材におけるＣ成分の含有率の差は、可能な限り小さくすることが好ましく、「０」とすることがより好ましい。
【００２１】
実施の形態におけるＮｉ基溶接材は、質量％で、Ｃｒ：８〜２５、Ｃｏ：１〜１２、Ｍｏ：１〜１２、Ａｌ：０．０１〜５、Ｔｉ：０．０１〜３、Ｃ：０．０１〜０．４、Ｂ：０．００１〜０．０１を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる。
【００２２】
実施の形態におけるＮｉ基溶接材は、Ｔａ、ＮｂまたはＴａとＮｂを合計して、１質量％以下さらに含有してもよい。また、実施の形態におけるＮｉ基溶接材は、Ｗを０．０１〜６質量％を含有してもよい。
【００２３】
実施の形態におけるＮｉ基溶接材の不可避的不純物としては、例えば、Ｆｅ、ＳｉおよびＭｎなどが挙げられる。
【００２４】
次に、上記した実施の形態におけるＮｉ基溶接材における各組成成分範囲の限定理由を説明する。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％を意味する。
【００２５】
（１）Ｃｒ（クロム）
Ｃｒは、炭素と結合しやすく、合金中ではＮｉ母材に固溶、またはＣｒ２３Ｃ６炭化物を形成し、材料の強度を向上させる。Ｃｒの含有率が８％未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Ｃｒの含有率が２５％を超える場合には、接合部材であるＦｅ基耐熱鋼におけるＣｒの含有率との差が大きくなり、炭素の拡散を助長する。そのため、Ｃｒの含有率を８〜２５％とした。また、より好ましいＣｒの含有率は、１０〜２２％であり、さらに好ましいＣｒの含有率は、１２〜１８％である。
【００２６】
（２）Ｃｏ（コバルト）
Ｃｏは、炭素と結合しやすく、合金中ではＮｉ母材に固溶し、結晶粒内に析出するγ’（Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ））相を安定化させる。Ｃｏの含有率が１％未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Ｃｏの含有率が１２％を超える場合には、接合部材であるＦｅ基耐熱鋼におけるＣｏの含有率との差が大きくなり、炭素の拡散を助長する。また、σ相（金属間化合物）が析出しやすくなる。さらに、Ｃｏは、高価であるため、製造コストが高くなる。そのため、Ｃｏの含有率を１〜１２％とした。また、好ましいＣｏの含有率は、２〜１２％であり、より好ましいＣｏの含有率は、４〜１２％であり、さらに好ましいＣｏの含有率は、４〜１０％である。
【００２７】
（３）Ｍｏ（モリブデン）
Ｍｏは、炭素と結合しやすく、合金中ではＮｉ母材に固溶、またはＭ２３Ｃ６炭化物に置換し、炭化物を安定化させる。また、Ｍｏは、材料の熱膨張係数を下げるため、高温部材への添加に適している。Ｍｏの含有率が１％未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Ｍｏの含有率が１２％を超える場合には、接合部材であるＦｅ基耐熱鋼におけるＭｏの含有率との差が大きくなり、炭素の拡散を助長する。そのため、Ｍｏの含有率を１〜１２％とした。また、より好ましいＭｏの含有率は、４〜１２％であり、さらに好ましいＭｏの含有率は、６〜１２％である。
【００２８】
（４）Ａｌ（アルミニウム）
Ａｌは、Ｎｉと結合してγ’（Ｎｉ３Ａｌ）相を形成するため、クリープ強度を向上させる。また、Ａｌは、表面に酸化皮膜を形成し、耐酸化特性を向上させる。Ａｌの含有率が０．０１％未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Ａｌの含有率が５％を超える場合には、加工性が低下する。そのため、Ａｌの含有率を０．０１〜５％とした。また、より好ましいＡｌの含有率は、０．０１〜３％である。
【００２９】
（５）Ｔｉ（チタン）
Ｔｉは、Ｎｉと結合してγ’（Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ））相を生成し、クリープ強度を向上させる。Ｔｉの含有率が０．０１％未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Ｔｉの含有率が３％を超える場合には、加工性が低下する。そのため、Ｔｉの含有率を０．０１〜３％とした。また、より好ましいＴｉの含有率は、０．０１〜１％である。
【００３０】
（６）Ｃ（炭素）
Ｃは、Ｎｉ母材に固溶し、材料の強度を向上させる。また、Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａなどと結合し、Ｍ２３Ｃ６またはＭＣ炭化物を形成する。Ｍ２３Ｃ６およびＭＣ炭化物は、主に結晶粒界に析出し、結晶粒の粗大化を抑制する。Ｃの含有率が０．０１％未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Ｃの含有率が０．４％を超える場合には、接合部材であるＦｅ基耐熱鋼におけるＣの含有率との差が大きくなり、炭素がＦｅ基耐熱鋼側へ拡散する。そのため、Ｃの含有率を０．０１〜０．４％とした。また、より好ましいＣの含有率は、０．０１〜０．２％である。
【００３１】
（７）Ｂ（ホウ素）
Ｂは、Ｎｉ母材に固溶して特に粒界偏析するため、結晶粒界の強化をもたらす。Ｂの含有率が０．００１％未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Ｂの含有率が０．０１％を超える場合には、母材の融点を低下させ、熱間加工性を悪化させる。そのため、Ｂの含有率を０．００１〜０．０１％とした。また、より好ましいＢの含有率は、０．００１〜０．００６％である。
【００３２】
（８）Ｔａ（タンタル）およびＮｂ（ニオブ）
ＴａおよびＮｂは、炭素と結合しやすく、合金中ではＮｉ母材に固溶し、γ’（Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ））相の形成を促して安定化させる。そのため、材料の強度を向上させる。Ｔａ、ＮｂまたはＴａとＮｂを合計した含有率が１％を超える場合には、接合部材であるＦｅ基耐熱鋼におけるＴａやＮｂの含有率との差が大きくなり、炭素の拡散を助長する。そのため、Ｔａ、ＮｂまたはＴａとＮｂを合計した含有率を１％以下とした。また、より好ましいＴａ、ＮｂまたはＴａとＮｂを合計した含有率は、０．２〜０．６％である。なお、Ｔａ、ＮｂまたはＴａとＮｂを合計した含有率は、材料の強度を向上させる効果を得るために、少なくとも０．２％以上含有されている。
【００３３】
（９）Ｗ（タングステン）
Ｗは、炭素と結合しやすく、合金中ではＮｉ母材に固溶、またはＷＣ炭化物を形成する。また、Ｗは、材料の熱膨張係数を下げるため、高温部材への添加に適している。Ｗの含有率が０．０１％未満の場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、Ｗの含有率が６％を超える場合には、接合部材であるＦｅ基耐熱鋼におけるＷの含有率との差が大きくなり、炭素の拡散を助長する。そのため、Ｗの含有率を０．０１〜６％とした。また、より好ましいＷの含有率は、０．０１〜４％である。
【００３４】
（１０）Ｆｅ（鉄）、Ｓｉ（ケイ素）およびＭｎ（マンガン）
Ｆｅ、ＳｉおよびＭｎは、実施の形態のＮｉ基溶接材においては、不可避的不純物に分類されるものである。ここで、Ｆｅは、Ｎｉを置換するため、製造コストを削減することが可能であるが、クリープ強度を低下させ、熱膨張係数を高める。ＳｉおよびＭｎは、合金溶解時の脱酸材として機能し、特にＳｉは、耐食性を向上させる効果があるが、熱間加工性および靭性を低下させる。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。
【００３５】
ここで、実施の形態のＮｉ基溶接材の製造方法について説明する。
【００３６】
実施の形態のＮｉ基溶接材は、Ｎｉ基溶接材を構成する組成成分を、例えば真空誘導溶解（ＶＩＭ）し、鍛造プレス機あるいは圧延機などによってブロック形状とし、伸線加工機などによってワイヤ状や細長い棒状に形成することで作製される。
【００３７】
なお、上記した実施の形態のＮｉ基溶接材を作製する方法は、上記した方法に限定されるものではない。
【００３８】
次に、実施の形態のＮｉ基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータについて説明する。
【００３９】
図１は、実施の形態のＮｉ基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータ１０の溶接部５０の断面を模式的に示した図である。
【００４０】
図１に示すように、Ｆｅ基耐熱鋼からなる第１の構成部材として機能するＦｅ基タービン構成部材２０と、Ｎｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ系合金からなる第２の構成部材として機能するＮｉ基タービン構成部材３０とが、対向配置された状態で、Ｎｉ基溶接材４０によって溶接接合されている。
【００４１】
Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０は、円柱状のロータ胴部２１、３１を備えている。このロータ胴部２１、３１には、例えば、半径方向外側に突出するロータディスク部２２、３２が形成されている。このロータディスク部２２、３２は、例えば、タービンロータ軸方向に複数段設けられ、これらのロータディスク部２２、３２には、動翼が植設される。
【００４２】
Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０の接合面２３、３３よりも中心側には、接合面２３、３３よりもタービンロータ軸方向に窪んだ凹部２４、３４が形成されている。なお、この凹部２４、３４は、タービンロータ中心部の溶接接合面を無くして施工性を向上させ、かつ接合部の応力集中を緩和するために形成されている。
【００４３】
Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０の接合面２３、３３どうしを、それぞれの中心軸が同軸となるように、実施の形態のＮｉ基溶接材を用いて溶接接合して、タービンロータ軸方向に一体化することで異材溶接タービンロータ１０が構成される。
【００４４】
溶接方法として、例えばＴＩＧ溶接を採用することができる。溶接は、例えば、Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０を回転させながら、接合面２３、３３の内周側から外周側に向かって行われる。
【００４５】
ここで、Ｆｅ基タービン構成部材２０は、例えば、質量％で、Ｃ：０．１〜０．２、Ｓｉ：０．０１〜０．４、Ｃｒ：８〜１３、Ｍｏ：０．５〜１．５、Ｍｎ：０．０１〜０．８、Ｖ：０．１〜０．３、Ｗ：０．５〜２．０、Ｎｂ：０．０１〜０．１５、Ｎ：０．０１〜０．１、Ｎｉ：０．０１〜１．０、Ｂ：０．００１〜０．００５、Ｃｏ：２〜４を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ基耐熱鋼で構成される。また、Ｆｅ基タービン構成部材２０は、例えば、質量％で、Ｃ：０．１〜０．２、Ｓｉ：０．０１〜０．４、Ｃｒ：８〜１３、Ｍｏ：０．５〜１．５、Ｍｎ：０．０１〜０．８、Ｖ：０．１〜０．３、Ｗ：０．５〜２．０、Ｎｂ：０．０１〜０．１５、Ｎ：０．０１〜０．１、Ｎｉ：０．０１〜１．０を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ基耐熱鋼で構成される。さらに、Ｆｅ基タービン構成部材２０は、例えば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．４、Ｓｉ：０．０１〜０．５、Ｃｒ：０．５〜２．５、Ｍｏ：０．１〜２．０、Ｍｎ：０．０１〜１．０、Ｖ：０．０５〜０．４、Ｎｉ：０．１〜４．０を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ基耐熱鋼で構成される。なお、Ｆｅ基タービン構成部材２０は、これらに限られるものではなく、タービンロータ材として使用されているＦｅ基耐熱鋼であればよい。
【００４６】
Ｎｉ基タービン構成部材３０は、例えば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５、Ｃｒ：１４〜２０、Ｃｏ：１０〜１５、Ｍｏ：８〜１２、Ａｌ：０．５〜４、Ｔｉ：０．５〜４、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｚｒ：０．０１〜０．１、Ｔａ：０．１〜０．７、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基合金で構成される。
【００４７】
また、Ｎｉ基タービン構成部材３０は、Ｎｉ−Ｆｅ系合金で構成されてもよい。ここで、Ｎｉ−Ｆｅ系合金とは、Ｎｉを３０質量％以上含み、その他の組成成分として、主として、ＦｅおよびＣｒを含んでいるものをいう。Ｎｉ−Ｆｅ系合金は、Ｆｅを、例えば、少なくとも１０質量％以上含む。Ｎｉ−Ｆｅ系合金として、例えば、質量％で、Ｃｒ：１４．５〜１７．５、Ｔｉ：１．５〜２．０、Ｎｂ：２．５〜３．３、Ｎｉ：３９．０〜４４．０、Ｃ：０．００１〜０．１を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものが挙げられる。Ｎｉ−Ｆｅ系合金として、具体的には、例えば、Inconel７０６（Special Metals社製）などが挙げられる。
【００４８】
なお、Ｎｉ基タービン構成部材３０を構成する材料は、これらに限られるものではなく、タービンロータ材またはロータディスク材として使用されているＮｉ基合金あるいはＮｉ−Ｆｅ系合金であればよい。
【００４９】
ここで、Ｎｉ基溶接材４０と、Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０におけるＣｒ成分の含有率の差がそれぞれ１４質量％以下、かつＮｉ基溶接材４０と、Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０におけるＣ成分の含有率の差がそれぞれ０．３質量％以下となるように設定されている。
【００５０】
そのため、図１において、溶接後においても、Ｎｉ基溶接材４０と、Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０におけるＣｒ成分の含有率の差がそれぞれ１４質量％以下、かつＮｉ基溶接材４０と、Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０におけるＣ成分の含有率の差がそれぞれ０．３質量％以下となっている。
【００５１】
ここで、溶接方法は上記した方法に限られるものではない。図２は、実施の形態のＮｉ基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータ１０の他の構成の溶接部５０の断面を模式的に示した図である。
【００５２】
ＴＩＧ溶接の際、入熱量を増加して、Ｎｉ基溶接材４０とともに、Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０の接合面２３、３３を溶融させながら、溶接してもよい。このような溶接によって、溶融した部分では、例えば、Ｃｒ成分およびＣ成分の濃度が、Ｎｉ基溶接材４０側から、Ｆｅ基タービン構成部材２０側またはＮｉ基タービン構成部材３０側に向かって変化する傾斜組成層６０、６１が形成される。
【００５３】
すなわち、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基溶接材４０との接合部、およびＮｉ基タービン構成部材３０とＮｉ基溶接材４０との接合部において、Ｃｒ成分およびＣ成分の濃度が、Ｎｉ基溶接材４０側から、Ｆｅ基タービン構成部材２０側またはＮｉ基タービン構成部材３０側に向かって、例えば、連続的に増加または減少する傾斜組成層６０、６１が形成される。これによって、異材溶接タービンロータ１０の軸方向に垂直な溶接部５０の断面において、異材溶接タービンロータ１０の軸方向にＣｒ成分およびＣ成分の濃度が急激に変化して、濃度差が大きくなることを防止できる。
【００５４】
図３は、実施の形態のＮｉ基溶接材を用いて溶接された異材溶接タービンロータ１０の他の構成の溶接部５０の断面を模式的に示した図である。
【００５５】
図３に示すように、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基タービン構成部材３０との間に、Ｎｉ基溶接材４０からなる接合層７０、７１、７２が、異材溶接タービンロータ１０の軸方向に複数段形成されてもよい。この溶接部５０を形成する際、まず、Ｆｅ基タービン構成部材２０の接合面２３に、Ｎｉ基溶接材を用いてバタリング溶接して接合層７０を形成し、同様に、Ｎｉ基タービン構成部材３０の接合面３３に、Ｎｉ基溶接材を用いてバタリング溶接して接合層７１を形成する。続いて、接合層７０と接合層７１とをＮｉ基溶接材を用いてＴＩＧ溶接して、接合層７２を形成する。
【００５６】
ここで、Ｎｉ基溶接材４０と、Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０におけるＣｒ成分の含有率の差がそれぞれ１４質量％以下、かつＮｉ基溶接材４０と、Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０におけるＣ成分の含有率の差がそれぞれ０．３質量％以下となるように設定されている。
【００５７】
そのため、図３において、溶接後においても、接合層７０とＦｅ基タービン構成部材２０におけるＣｒ成分の含有率の差、および接合層７１とＮｉ基タービン構成部材３０におけるＣｒ成分の含有率の差は、それぞれ１４質量％以下となっている。また、接合層７０とＦｅ基タービン構成部材２０におけるＣ成分の含有率の差、および接合層７１とＮｉ基タービン構成部材３０におけるＣ成分の含有率の差は、それぞれ０．３質量％以下となっている。さらに、接合層７２と、接合層７０および接合層７１におけるＣｒ成分の含有率の差がそれぞれ１４質量％以下、かつ接合層７２と、接合層７０および接合層７１におけるＣ成分の含有率の差がそれぞれ０．３質量％以下となっている。
【００５８】
なお、上記したように、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基タービン構成部材３０とを溶接した後、接合部の残留応力を除去する熱処理として、例えば５６０〜６８０℃の温度で２〜１０時間の熱処理が施される。
【００５９】
なお、上記した異材溶接タービンロータ１０は、例えば、蒸気タービン、ガスタービン、ＣＯ２タービンなどの発電用タービンに適用することができる。
【００６０】
上記した実施の形態のＮｉ基溶接材および異材溶接タービンロータによれば、Ｎｉ基溶接材４０と、Ｆｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０との間における炭素の拡散を抑制することができる。そのため、炭素が欠乏した領域や、炭素が濃化した領域が形成されることなく、優れたクリープ強度を得ることができる。
【００６１】
（化学ポテンシャルおよびクリープ強度などの評価）
ここでは、実施の形態のＮｉ基溶接材を用いて溶接接合された異材溶接タービンロータについて、化学ポテンシャルおよびクリープ強度の評価を行った。評価に用いられたＮｉ基溶接材に係る試料１〜試料１９の化学組成を表１に示す。
【００６２】
なお、試料１〜試料１２は、実施の形態のＮｉ基溶接材の化学組成範囲にあるＮｉ基溶接材であり、試料１３〜試料１９は、その組成が実施の形態のＮｉ基溶接材の化学組成範囲にないＮｉ基溶接材であり、比較例である。
【００６３】
【表１】
2014018836.tif 000003
【００６４】
試料１〜試料８および試料１３〜試料１７においては、Ｆｅ基タービン構成部材２０としては、前述したＦｅ基タービン構成部材２０を構成する材料の範囲のうちの、質量％で、Ｃ：０．１４、Ｓｉ：０．０５、Ｃｒ：１０．５、Ｍｏ：１、Ｍｎ：０．５、Ｖ：０．２、Ｗ：１、Ｎｂ：０．０７、Ｎ：０．０５、Ｎｉ：０．７５を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ基耐熱鋼を使用した。
【００６５】
試料９〜試料１２および試料１８〜試料１９においては、Ｆｅ基タービン構成部材２０としては、前述したＦｅ基タービン構成部材２０を構成する材料の範囲のうちの、質量％で、Ｃ：０．３、Ｓｉ：０．２５、Ｃｒ：１．１、Ｍｏ：１．２、Ｍｎ：０．７、Ｖ：０．２５、Ｎｉ：０．５を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ基耐熱鋼を使用した。
【００６６】
試料１〜試料１９において、Ｎｉ基タービン構成部材３０としては、前述したＮｉ基タービン構成部材３０を構成する材料の範囲のうちの、質量％で、Ｃ：０．０５、Ｃｒ：１８、Ｃｏ：１３、Ｍｏ：９、Ａｌ：１．３、Ｔｉ：１．４、Ｂ：０．００４、Ｚｒ：０．０５、Ｔａ：０．１、Ｎｂ：０．３を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなるＮｉ基合金を使用した。
【００６７】
そして、図１に示した構成を解析モデルとして、熱力学平衡計算ソフト（Ｔｈｅｒｍｏｃａｌｃ）を用いて、６４０℃におけるＦｅ基耐熱鋼のフェライト相、およびＮｉ基合金のオーステナイト相中の炭素の化学ポテンシャル差（ΔμＣ）を計算によって求めた。その結果を表１に示している。
【００６８】
なお、表１には、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基溶接材４０との間の接合部についての結果を示している。また、表１には、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基溶接材４０とにおける、Ｃｒの含有率差（ΔＣｒ）およびＣの含有率差（ΔＣ）も示している。図４は、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基溶接材４０とにおけるＣの含有率差（ΔＣｒ）と炭素の化学ポテンシャル差（ΔμＣ）との関係を示した図である。
【００６９】
ここで、Ｎｉ基タービン構成部材３０とＮｉ基溶接材４０との間の接合部についての結果については、図示していないが、すべての試料において、Ｃｒの含有率差（ΔＣｒ）は、１４質量％以下であり、Ｃの含有率差（ΔＣ）は、０．３質量％以下であるため、炭素の化学ポテンシャル差（ΔμＣ）に顕著な差異は見られなかった。
【００７０】
炭素の拡散の有無は、実施の形態のＮｉ基溶接材を用いて溶接接合された異材溶接タービンロータを、６４０℃の温度で、３００時間時効処理し、その後、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基溶接材との境界に対して電子線マイクロプローブアナライザ（ＥＰＭＡ）による炭素のマッピングと、所定の線上における線分析結果に基づいて判断した。図５は、試料５における炭素のマッピングと線分析の結果を示す図である。図６は、試料１８における炭素のマッピングと線分析の結果を示す図である。なお、図５および図６において、分析ライン上の位置が１．０となる位置が、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基溶接材４０との境界である。
【００７１】
なお、ここでは、試料５および試料１８における結果を示しているが、試料１〜試料４および試料６〜試料１２における結果は、図５に示した試料５における結果と同様の傾向を示した。また、試料１３〜試料１７および試料１９における結果は、図６に示した試料１８における結果と同様の傾向を示した。
【００７２】
表１および図４に示すように、炭素の化学ポテンシャル差（ΔμＣ）は、Ｃｒの含有率差（ΔＣｒ）が大きくなるに伴って、大きくなっている。Ｃｒの含有率差（ΔＣｒ）が１４質量％以下である試料１〜試料１２における炭素の化学ポテンシャル差（ΔμＣ）は、Ｃｒの含有率差（ΔＣｒ）が１４質量％を超える試料１３〜試料１９における炭素の化学ポテンシャル差（ΔμＣ）に比べて、小さいことがわかる。すなわち、試料１〜試料１２においては、炭素の拡散が生じ難く、試料１３〜試料１９においては、炭素の拡散が生じやすいことがわかる。
【００７３】
このことは、図５および図６にそれぞれ示された、試料５および試料１８における炭素のマッピングと線分析の結果からも明らかである。すなわち、図５に示すように、試料５においては、線分析において明瞭な強度ピークは生じず、時効処理後も、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基溶接材との境界における炭素は、均質な分布を維持していることがわかる。そのため、試料５においては、時効処理後も、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基溶接材との境界は、正常な組織が維持されていることがわかる。
【００７４】
一方、図６に示すように、試料１８においては、線分析において明瞭な強度ピークが生じ、時効処理後において、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基溶接材との境界における炭素は、均質な分布を維持できていないことがわかる。また、試料１８においては、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基溶接材との境界に平行な脆化相が析出した。なお、脆化相は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察した。
【００７５】
上記したことから、試料５、および試料５と同様の傾向を示した試料１〜試料４および試料６〜試料１２においては、Ｆｅ基タービン構成部材２０とＮｉ基溶接材との境界において、高温での長時間使用時に炭素の拡散が抑えられ、組織安定性に優れることが明らかとなった。
【００７６】
次に、試料５および試料１８からなるＮｉ基溶接材を用いて、所定の形状のＦｅ基耐熱鋼とＮｉ基合金を溶接接合した試験片に対して、クリープ破断強度試験を行った。試料５によって溶接されるＦｅ基耐熱鋼およびＮｉ基合金は、前述した試料５によって溶接接合されるＦｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０と同じ材料とした。試料１８によって溶接されるＦｅ基耐熱鋼およびＮｉ基合金は、前述した試料１８によって溶接接合されるＦｅ基タービン構成部材２０およびＮｉ基タービン構成部材３０と同じ材料とした。
【００７７】
そして、溶接した後、接合部の残留応力を除去する熱処理として、６４０℃の温度で４時間の熱処理を施した。
【００７８】
クリープ破断試験は、応力が４０〜３００ＭＰａ、温度が５５０〜６５０℃の下において、ＪＩＳ Ｚ ２２７１に準拠して実施した。図７は、クリープ破断試験結果を示す図である。なお、図７には、Larson-Miller-Parameter（材料定数Ｃを２０とする）によって整理した結果を示している。
【００７９】
ここでは、試料５および試料１８における結果を示しているが、試料１〜試料４および試料６〜試料１２における結果は、図７に示した試料５における結果と同様の傾向を示した。また、試料１３〜試料１７および試料１９における結果は、図７に示した試料１８における結果と同様の傾向を示した。
【００８０】
図７に示すように、試料５における破断応力は、試料１８における破断応力に比べて高くなることがわかった。また、クリープ破断部は、試料５においては、Ｎｉ基合金、試料１８においては、Ｆｅ基耐熱鋼とＮｉ基溶接材との境界であった。このことから、試料５においては、Ｆｅ基耐熱鋼とＮｉ基溶接材との境界の強度が向上していると考えられる。
【００８１】
なお、図示していないが、試料５における破断応力は、試料１３〜試料１７および試料１９における破断応力よりも高かった。また、試料１〜試料４および試料６〜試料１２における破断応力も、試料１３〜試料１９における破断応力よりも高かった。
【００８２】
上記したことから、試料５、および試料５と同様の傾向を示した試料１〜試料４および試料６〜試料１２においては、優れたクリープ強度を有していることが明らかとなった。
【００８３】
なお、Ｎｉ基タービン構成部材３０として、前述したＮｉ基タービン構成部材３０を構成する材料の範囲のうちのＮｉ基合金を使用して、上記各評価を行ったが、前述したＮｉ基タービン構成部材３０を構成する材料の範囲のうちのＮｉ−Ｆｅ系合金を使用した場合においても、Ｎｉ基合金を使用した場合と同様の結果が得られた。
【００８４】
以上説明した実施形態によれば、Ｆｅ基耐熱鋼と、Ｎｉ基合金またはＮｉ−Ｆｅ系合金とからなる異種材料を優れたクリープ強度を有するように溶接接合することが可能となる。
【００８５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８６】
１０…異材溶接タービンロータ、２０…Ｆｅ基タービン構成部材、２１，３１…ロータ胴部、２２，３２…ロータディスク部、２３，３３…接合面、２４，３４…凹部、３０…Ｎｉ基タービン構成部材、４０…Ｎｉ基溶接材、５０…溶接部、６０…傾斜組成層、７０，７１，７２…接合層。
【図１】
2014018836.tif 000004
【図２】
2014018836.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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