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耐热 合金部件及其制造方法、耐热合金部件的修补方法

阅读：362发布：2020-05-16

专利汇可以提供耐热合金部件及其制造方法、耐热合金部件的修补方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及耐热合金部件及其制造方法、耐热合金部件的修补方法,提供维持蠕变强度，同时改善疲劳特性的耐热合金部件。本发明的耐热合金部件的特征为，在部件表面具有晶粒比部件内部微细的再结晶组织层。再结晶组织层是在部件表面通过摩擦搅拌法赋予加工变形而形成搅拌层，且对该搅拌层实施再结晶热处理使之再结晶化而形成的。，下面是耐热合金部件及其制造方法、耐热合金部件的修补方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.耐热合金部件，其特征在于，在部件表面具有晶粒比部件内部微细的再结晶组织层。
2.如权利要求1所述的耐热合金部件，其特征在于，所述再结晶组织层是在所述部件表面通过摩擦搅拌法赋予加工变形来形成搅拌层、对该搅拌层实施再结晶热处理使之再结晶化而形成的。
3.如权利要求1或2所述的耐热合金部件，其特征在于，所述再结晶组织层设于所述部件表面中的预测疲劳损伤的部位。
4.如权利要求1～3中任一项所述的耐热合金部件，其特征在于，所述再结晶组织层设于所述部件表面中的相比周围作用极大的力的部位。
5.如权利要求1～4中任一项所述的耐热合金部件，其特征在于，所述再结晶组织层的厚度为1mm以上5mm以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的耐热合金部件，其特征在于，所述再结晶组织层具有平均粒径为1μm以上100μm以下的晶粒。
7.耐热合金部件的制造方法，其特征在于，包括：
在所述部件表面的至少一部分，通过摩擦搅拌法赋予加工变形而形成搅拌层的工序；
以及
对该搅拌层实施再结晶热处理使之再结晶化，在所述部件表面形成晶粒比部件内部微细的再结晶组织层的工序。
8.如权利要求7所述的耐热合金部件的制造方法，其特征在于，所述搅拌层形成于所述部件表面中的至少预测疲劳损伤的部位。
9.耐热合金部件的修补方法，其特征在于，包括：
在所述部件表面中的至少因疲劳损伤而产生了裂纹的部位，通过摩擦搅拌法赋予加工变形而形成搅拌层的工序；以及
对该搅拌层实施再结晶热处理使之再结晶化，在所述部件表面形成晶粒比部件内部微细的再结晶组织层的工序。

说明书全文

耐热合金部件及其制造方法、耐热合金部件的修补方法

技术领域

[0001] 本发明涉及使用耐热合金的耐热合金部件。

背景技术

[0002] 例如，在制造汽轮机的罩体等大型浇铸件时，因尺寸大而难以进行非常有效的冷却，在高温保持的时间长，即冷却速度小，由此，特别是厚壁部的晶粒变大。晶粒变得粗大，会有组织性的蠕变特性(蠕变变形速度)优异的倾向，但反过来担心疲劳特性的降低。

[0003] 例如，汽轮机的罩体使用浇铸材，认为在制造非常大型(10吨级)的浇铸件时，厚度也达数10mm～数100mm。在这样的壁厚的部位，冷却速度大幅降低，具有晶粒变粗大的倾向。另外，对于罩体而言，在连接上半部、下半部的螺栓紧固的部分，壁厚变得最厚，同时在螺栓孔的深处，容易因疲劳而发生裂纹。另外，汽轮机的阀门也使用浇铸材，相当大型的(数吨以上)部件有很多，可以预料同样的情况。

[0004] 另外，例如在燃气轮机的燃烧器耐火层中，由于起动停止，会产生大量微细裂纹。这是因为交替反复高温和低温的热循环而产生热应力，对材料负载有低周期疲劳。

[0005] 当然，这些部位为暴露在高温的蒸气或燃烧气体中的部位，由于需要高温强度，因此，作为材料，要求耐热性(高温强度)。从该观点考虑，如汽轮机的罩体的例子那样晶粒大的情况，有助于高温的蠕变强度的提高、蠕变变形速度的降低。但是，对于疲劳特性而言，晶粒粗大时，疲劳特性降低。另外，如燃气轮机那样，起动及/或停止多时，由于长时间的使用，表面有可能产生及/或发展疲劳裂纹。

[0006] 作为改善疲劳特性的方法之一，从目前看，已知有使材料的晶粒微细的方法(专利文献1)。在专利文献1中，对于Al浇铸件，为了改善疲劳特性，通过摩擦搅拌程序进行表面改性。但是，在Al合金中，高温强度缺乏，如火力发电厂的高温部采用的高温材料那样的高的蠕变特性不理想。

[0007] 另外，由于疲劳而在部件上产生裂纹的情况下，目前为止是进行焊接修补，但在焊接修补时有可能产生焊接裂纹等，担心还要增加修补工序。另外，在耐热合金部件为锻造材料的情况下，在焊接部，与基材相比，在热影响部及焊接金属部强度有可能降低等，担心疲劳强度比基材更降低。

[0008] 晶粒的微细化在例如铁素体钢中，也可以通过热处理来进行，但是，在奥氏体钢或Ni基合金中，不能进行热处理的微细化。另外，对于大型件及复杂形状件而言，有锻造设备的能力的制约，晶粒的微细化困难。

[0009] 近些年，要求火力发电厂的高温化，但是，伴随着高温化，正在提倡高温部件使用奥氏体钢或Ni基合金。但是，在这些高温部件中，在制造如火力发电厂的高温零件那样的要求耐热性的大型构造部件，或者进行裂纹等的修补的情况下，担心疲劳特性降低，大型构造部件的可靠性降低成为问题。

[0010] 现有技术文献

[0011] 专利文献

[0012] 专利文献1：日本专利3229556号公报

发明内容

[0013] 发明要解决的课题

[0014] 本发明的目的在于，提供耐热合金部件及其制造方法，对于晶粒容易粗大的大型的耐热合金部件，维持蠕变强度，同时改善疲劳特性(裂纹产生的抑制、发展的抑制)。

[0015] 另外，本发明的另一目的是提供耐热合金部件的修补方法，防止在耐热合金部件的部件表面产生的裂纹的修补导致的疲劳特性的降低。

[0016] 用于解决课题的手段

[0017] 本发明提供耐热合金部件，其特征为，在部件表面具有晶粒比部件内部微细的再结晶组织层。

[0018] 发明效果

[0019] 根据本发明，在部件表面具有晶粒比部件内部微细的再结晶组织层，因此，能够抑制疲劳裂纹的产生及/或发展。而且，部件内部具有晶粒比部件表面大的结晶组织，因此，组织的蠕变强度优异。因此，能够提供维持高的蠕变强度，同时疲劳特性提高、可靠性提高的耐热合金部件。另外，所述之外的课题、构成及效果，通过以下的实施方式的说明能够明确。附图说明

[0020] 图1是表示本发明涉及的大型铸造耐热合金的一例的断面示意图；

[0021] 图2是摩擦搅拌程序的示意图；

[0022] 图3是表示实施例2的结果的图。

具体实施方式

[0023] 本发明人对极其先进的临界压煤炭火力发电厂的汽轮机的罩体，使用Ni基材即IN625材料，试制了大型的浇铸件。观察断面后可知，晶粒直径很大，最大为70mm程度的大小。从其附近采取试验片，实施低周疲劳试验，结果可知，偏差较大，作为汽轮机用材料，可靠性低。

[0024] 材料的疲劳裂纹，特别是只要在内部没有夹杂物，就会从材料表面导入。即，在从材料表面导入的裂纹遍及壁厚整体且晶粒粗大时，在早期已向材料内部传播，其结果是，担心疲劳特性的降低及偏差的发生。实际上，在相同条件下实施数次低周疲劳试验后，结果以断裂次数计，可看到最大1位数程度的偏差。但是，晶粒大时，组织的蠕变强度变高，蠕变变形速度变慢，作为耐热材料，需要维持蠕变特性，同时使疲劳特性提高。

[0025] 于是，研究了用任意的方法，将成为裂纹的起点的材料的表面组织设定为微细组织，抑制疲劳裂纹的产生，按摩擦搅拌程序(以下、设定为FSP)试行。这种方法是将旋转的工具推压在材料上，用旋转的工具对材料的表面搅拌，使之塑性流动，向材料导入变形(加工变形)的方法。通过该方法，向材料表面导入了大量的变形(错位)。之后，为了进行再结晶，在1050℃实施2小时的热处理。其结果，确认在由FSP搅拌的层中，成为数十μm的细的晶粒。

[0026] 图1是本发明的大型铸造耐热部件的断面组织的示意图。大型铸造耐热部件3的部件内部，呈现具有粗大的晶粒的组织(粗大组织层2)，组织的蠕变强度、蠕变变形速度优异。对部件表面，通过如前述的FSP和之后的再结晶热处理，相对于部件内部，呈现具有十分微细的晶粒的再结晶组织(再结晶组织层1)。

[0027] 下面，对本发明涉及的实施方式详细地进行说明。但是，本发明不限于在此所举例的实施方式，在未变更宗旨的范围内，可进行适当的组合及改良。

[0028] 本发明的耐热合金部件是用于火力发电厂的高温部件的Ni基部件，该部件内部为具有大的晶粒的组织，且部件表面具有微细的晶粒。即，在部件表面具有晶粒比部件内部微细的再结晶组织层。

[0029] 部件表面的晶粒的大小，优选平均粒径为100μm以下，优选1μm以上。只要部件内部的晶粒的大小比部件表面的晶粒的大小更大，就没有特别的规定，但是，越是粗大的晶粒，例如具有平均粒径为1mm以上的晶粒，通过本发明所得到的效果越大，越可有效地改善疲劳特性，提高可靠性。

[0030] 另外，部件表面的再结晶组织层的厚度，优选从部件表面起1mm以上5mm以下。

[0031] 作为形成这种组织形态的制法，通过摩擦搅拌法对部件表面赋予加工变形，之后，实施再结晶热处理。

[0032] 下面，对本发明的大型铸造耐热部件详细地进行说明。

[0033] (材料)

[0034] 本发明涉及的材料，使用作为火力发电厂的高温部件所用的材料。具体而言，使用以铁(Fe)为基础的材料(铁素体钢，奥氏体钢等)。另外，在近年的以燃煤火力发电厂的高效化为目标的开发中，对于以镍(Ni)为基础的材料，也可以适当使用。但是，在铁素体钢中，通过热处理也可进行组织微细化，在本发明中，这种处理困难，在使用了奥氏体钢及Ni基材料的情况下更有效。

[0035] 作为适用部件，例如，对于晶粒常变粗大的大型的铸造部件(例如，汽轮机的罩体及阀门)、热疲劳环境严酷的燃气轮机的燃烧器耐火层中长时间运转后，会产生微细疲劳裂纹的部件等中，可有效地使用，但没有特别的限定。

[0036] 奥氏体钢或Ni基材的铸造零件越大型，铸造时的冷却速度越变慢，晶粒越变大，例如，一个晶粒的大小为数十mm程度。

[0037] 另外，对于燃气轮机的燃烧器耐火层等，为锻造材料，且比铸造零件晶粒小。但是，通过长时间的实机使用，由于热疲劳等而产生微细疲劳裂纹。裂纹的深度只要不足摩擦搅拌程序的工具的深度，就可实施本发明的修补。

[0038] 对于材料而言，为如前述那样在火力发电厂中主要使用的以耐热材料Fe或Ni为基础(另一方面，或两种都含有50质量％以上)的材料，但作为其成分，不必要是限定的材料，可使用前述的具有大晶粒的材料、或由于疲劳等在表面产生了微细疲劳裂纹的材料。

[0039] (晶粒的大小)

[0040] 部件表面的再结晶组织层的晶粒的大小为平均粒径100μm以下。只要是比其小的晶粒直径，可预见充分的疲劳特性或可靠性的提高。疲劳特性是晶粒越细性能越优异，因此下限不做特别设定。

[0041] 另外，对于部件的内部而言，特别是晶粒的大小的规定未设定。但是，在内部的晶粒直径为平均1mm以下时，由于仅对表面部改善晶粒使其微细的效果小，因此，希望具有平均1mm以上的大小的晶粒的组织。特别是，内部的晶粒直径越大的组织，对疲劳特性的改善越有效。

[0042] (再结晶组织层的厚度)

[0043] 部件表面的再结晶组织层(微细组织层)的厚度设定为1mm以上5mm以下。在壁厚比10mm厚的部件中，在再结晶组织层比1mm薄时，其效果不充分，另外，在裂纹产生时马上到达内部晶粒粗大的区域，裂纹可能会一直进展。

[0044] (微细化方法)

[0045] 为实现以上的组织，适用摩擦搅拌程序(FSP)。图2表示施工方法的示意图。首先，如图2(a)所示，向具有粗大组织的部件的部件表面推压旋转工具4，使旋转工具4沿着部件表面移动，由此，将加工变形导入部件表面，形成搅拌层5。之后，如图2(b)所示，对于导入了加工变形的部件表面，通过在再结晶温度以上的温度进行热处理8，由此，在搅拌层5引起再结晶，形成使晶粒微细化的再结晶组织层6。再结晶温度为所使用的材料的固有温度，除此之外，温度未做特别规定。另外，对于再结晶热处理，为了得到必要的特性的粒度，在调整再结晶的热处理温度及其在该温度的保持时间的基础上来实施。

[0046] 另外，关于微细化的部位，不必要遍及该部件全表面来实施，在实施时，有效的是仅对特别是疲劳裂纹容易产生的部位(预测疲劳损伤的部位、比周围作用极大的力的部位)以及产生了微细裂纹的部位等实施。

[0047] 〔实施例〕

[0048] 下面，说明实施例。

[0049] (实施例1)

[0050] 在表1所示的条件下，实施摩擦搅拌程序及再结晶热处理，仅使规定的组织即表面形成微细的组织，关于内部，对于板材(50mmｔ)是否成为粗大的晶粒进行研究。

[0051] 表1：

[0052]

[0053] 作为材料，在Ni基中，以铸造材料IN625、锻造材料N263为试验材料，在Fe基中以铸造材SCS16为供试材料。供试材料的IN625的晶粒直径具有最大为70mm程度、平均为40mm程度的晶粒。另外，在SCS16中，具有平均10mm程度的晶粒直径。表中表示有结晶粒度。

[0054] 另外，对于N263，向表面导入模拟裂纹(深度1.0mm，开口宽度0.3mm)之后，使之长时间时效劣化(900℃×8000h)，之后进行熔体化热处理，对仅表面部通过研磨除去了氧化物的材料，模拟微细裂纹修补，对于裂纹部实施摩擦搅拌程序。如结果的看到那样，由于材料或热处理条件不同，数值各种各样，但是，可以确认晶粒变得微细了。另外，对于模拟裂纹修补，进行摩擦搅拌程序，实施再结晶热处理之后，进行了表面外观观察及断面观察的结果，消除了裂纹。

[0055] (实施例2)

[0056] 在表1中，为了对Ni基(IN625)进行机械特性评价，实施了蠕变试验及疲劳试验。另外，对于除此之外的耐热材料，绝对值也各种各样，但由于本发明应用的组织不同，可预想能够看到与Ni基同样的倾向。

[0057] 图3表示结果。疲劳试验为低周疲劳试验(以温度700℃，变形一定，N＝3来实施)，蠕变试验以750℃，150MPa进行评价。材料使用铸造材料，且平均晶粒的大小为30mm程度。分别实施FSP、再结晶热处理。微细化了的再结晶组织层的深度设为1.0mm、2.0mm、3.0mm，作为比较也实施了未施工的(没有再结晶组织层)试验。为了对偏差也进行评价，在各条件下各3根都实施了试验。可知，在未应用本发明的试验片(“无”)中，虽然是同一条件，但是，断裂次数有偏差，晶粒大，从而，可靠性降低。与此相反，能够确认施工后的在偏差的范围内。

[0058] 关于蠕变特性，在偏差范围内，未见到表面的晶粒的微细化导致的蠕变强度的降低。

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