[发明专利]Ni基铸造合金及以该合金为材料的蒸汽涡轮机用铸造部件

说明书

本申请是申请日为2009年5月21日、申请号为200910138966.0、发明名称为“Ni基铸造合金及以该合金为材料的蒸汽涡轮机用铸造部件”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及以高温、高压的蒸汽作为工作流体流入的蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳的构成材料，特别涉及高温强度等优良的蒸汽涡轮机的Ni基铸造合金及以该合金为材料的蒸汽涡轮机用铸造部件。

背景技术

在具备蒸汽涡轮机的火力发电厂，从保护地球环境的角度出发抑制二氧化碳排放量的技术引人注目，此外发电高效率化的需求也在提高。

为了提高蒸汽涡轮机的发电效率，有效的方法是使涡轮机蒸汽温度高温化，在近年来的具备蒸汽涡轮机的火力发电厂，其蒸汽温度上升到600℃以上。将来有上升到650℃、进一步上升到700℃或700℃以上的倾向。

一般认为以高温、高压的蒸汽作为工作流体流入的蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳是一种高温压力容器，其在高温环境下承受高的内压。因此，涡轮机外壳或阀壳必须耐高温、耐高应力，作为构成涡轮机外壳或阀壳的材料，要求在高温区域具有优良的强度、延性及韧性。

此外，由于在高温下长时间使用，因此还要求具有优良的耐水蒸气氧化特性。再有，涡轮机外壳或阀壳由于形状复杂，因此一般多通过铸造来成型，因而还要求具有尽量不发生铸造缺陷的良好的铸造性。

在发生铸造缺陷时，由于需要削去该部分，进行补修焊接，而且通过焊接在涡轮机外壳或阀壳上接合(结构焊接)短管或弯管等，因此焊接性良好的材料也是重要的要素。

此外，涡轮机外壳或阀壳在其内部结构中可以在结构上与其它部件组合使用。例如，在涡轮机外壳的内部安装有通过蒸汽而旋转的涡轮机转子、及转动叶片、喷嘴(静叶片)、固定螺栓、喷嘴箱等，但是，在涡轮机外壳的热膨胀系数与这些内部结构部件的热膨胀系数处于同等水平的情况下，则易于结构设计，即使在长期使用时可靠性也大大提高。此外，在热膨胀系数低的情况下，作为大型结构件还可使局部产生的热应力降低，从该观点考虑，热膨胀系数与结构设计的容易度和长期可靠性的提高有关。

因此，用于涡轮机外壳或阀壳的Ni基铸造合金要求具有高温下优良的强度(蠕变断裂强度)及延性(蠕变断裂延伸率)、优良的耐水蒸气氧化特性、优良的焊接性、低热膨胀系数。

现在，作为在蒸汽温度为700℃或700℃以上的条件下研究了适用性的Ni基铸造合金，代表性的材料有镍铬铁617合金(Special metals公司制)及镍铬铁625合金(Special metals公司制)。可是，这些材料虽然蠕变断裂延伸率、耐水蒸气氧化特性及焊接性良好，但蠕变断裂强度不充分，热膨胀系数也比较高，因此采用此种材料的涡轮机外壳或阀壳在结构设计上具有难度，在高温下的长期稳定运转方面还存在较多的课题。

另外，以前提出了使用奥氏体系低热膨胀Ni基超合金作为蒸汽涡轮机的螺栓等(例如参照专利文献1)。此外，提出了通过比较容易制作大型锻造件的NiFe基合金，制作可在超过700℃的高温下使用的蒸汽涡轮机转子(例如参照专利文献2)。再有，还提出了使用锻造性良好、低热膨胀的奥氏体系Ni基合金，制作蒸汽涡轮机叶片(例如参照专利文献3)。但是，在上述技术中没有考虑到铸造性及焊接性等。

专利文献1：日本特开2003-13161号公报

专利文献2：日本特开2005-2929号公报

专利文献3：日本专利第3559681号公报

发明内容

如上所述，作为超过700℃的蒸汽涡轮机的涡轮机外壳或阀壳的材料，虽然研究了Ni基铸造合金的适用性，但认为还需要进一步提高高温强度(蠕变断裂强度)。此外，认为需要将热膨胀系数也降低到适当的水平。该Ni基铸造合金的必要的高温强度及热膨胀系数要求在维持Ni基铸造合金的高温延性(蠕变断裂延伸率)及耐水蒸气氧化特性、焊接性等的同时，通过组成改进等来得到。

因而，本发明的目的是，提供一种Ni基铸造合金及以该合金为材料的蒸汽涡轮机用铸造部件，该Ni基铸造合金能够在维持铸造性及焊接性等制造性的同时，谋求提高蠕变断裂强度和热膨胀系数的最佳化。

为达到上述目的，第1发明的Ni基铸造合金，其特征在于：以质量％计含有C：0.05～0.2、Si：0.01～1、Mn：0.01～1、Co：5～20、Fe：10以下、Cr：15～25、选自Mo、W及Re中的1种或2种以上以Mo+(W+Re)/2计：8～25，余量为Ni及不可避免的杂质。