專利名稱：耐熱合金部件及其制造方法、耐熱合金部件的修補(bǔ)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用耐熱合金的耐熱合金部件。
背景技術(shù)：
例如，在制造汽輪機(jī)的罩體等大型澆鑄件吋，因尺寸大而難以進(jìn)行非常有效的冷卻，在高溫保持的時(shí)間長(zhǎng)，即冷卻速度小，由此，特別是厚壁部的晶粒變大。晶粒變得粗大，會(huì)有組織性的蠕變特性(蠕變變形速度)優(yōu)異的傾向，但反過(guò)來(lái)?yè)?dān)心疲勞特性的降低。例如，汽輪機(jī)的罩體使用澆鑄材，認(rèn)為在制造非常大型(10噸級(jí))的澆鑄件時(shí)，厚度也達(dá)數(shù)IOmm 數(shù)100mm。在這樣的壁厚的部位,冷卻速度大幅降低,具有晶粒變粗大的 傾向。另外，對(duì)于罩體而言，在連接上半部、下半部的螺栓緊固的部分，壁厚變得最厚，同時(shí)在螺栓孔的深處，容易因疲勞而發(fā)生裂紋。另外，汽輪機(jī)的閥門也使用澆鑄材，相當(dāng)大型的(數(shù)噸以上)部件有很多，可以預(yù)料同樣的情況。另外，例如在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器耐火層中，由于起動(dòng)停止，會(huì)產(chǎn)生大量微細(xì)裂紋。這是因?yàn)榻惶娣磸?fù)高溫和低溫的熱循環(huán)而產(chǎn)生熱應(yīng)力，對(duì)材料負(fù)載有低周期疲勞。當(dāng)然，這些部位為暴露在高溫的蒸氣或燃燒氣體中的部位，由于需要高溫強(qiáng)度，因此，作為材料，要求耐熱性(高溫強(qiáng)度)。從該觀點(diǎn)考慮，如汽輪機(jī)的罩體的例子那樣晶粒大的情況，有助于高溫的蠕變強(qiáng)度的提高、蠕變變形速度的降低。但是，對(duì)于疲勞特性而言，晶粒粗大時(shí)，疲勞特性降低。另外，如燃?xì)廨啓C(jī)那樣，起動(dòng)及/或停止多吋，由于長(zhǎng)時(shí)間的使用，表面有可能產(chǎn)生及/或發(fā)展疲勞裂紋。作為改善疲勞特性的方法之一，從目前看，已知有使材料的晶粒微細(xì)的方法(專利文獻(xiàn)I)。在專利文獻(xiàn)I中，對(duì)于Al澆鑄件，為了改善疲勞特性，通過(guò)摩擦攪拌程序進(jìn)行表面改性。但是，在Al合金中，高溫強(qiáng)度缺乏，如火力發(fā)電廠的高溫部采用的高溫材料那樣的高的蠕變特性不理想。另外，由于疲勞而在部件上產(chǎn)生裂紋的情況下，目前為止是進(jìn)行焊接修補(bǔ)，但在焊接修補(bǔ)時(shí)有可能產(chǎn)生焊接裂紋等，擔(dān)心還要增加修補(bǔ)エ序。另外，在耐熱合金部件為鍛造材料的情況下，在焊接部，與基材相比，在熱影響部及焊接金屬部強(qiáng)度有可能降低等，擔(dān)心疲勞強(qiáng)度比基材更降低。晶粒的微細(xì)化在例如鐵素體鋼中，也可以通過(guò)熱處理來(lái)進(jìn)行，但是，在奧氏體鋼或Ni基合金中，不能進(jìn)行熱處理的微細(xì)化。另外，對(duì)于大型件及復(fù)雜形狀件而言，有鍛造設(shè)備的能力的制約，晶粒的微細(xì)化困難。近些年，要求火力發(fā)電廠的高溫化，但是，伴隨著高溫化，正在提倡高溫部件使用奧氏體鋼或Ni基合金。但是，在這些高溫部件中，在制造如火力發(fā)電廠的高溫零件那樣的要求耐熱性的大型構(gòu)造部件，或者進(jìn)行裂紋等的修補(bǔ)的情況下，擔(dān)心疲勞特性降低，大型構(gòu)造部件的可靠性降低成為問(wèn)題。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)I :日本專利3229556號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題本發(fā)明的目的在于，提供耐熱合金部件及其制造方法，對(duì)于晶粒容易粗大的大型的耐熱合金部件，維持蠕變強(qiáng)度，同時(shí)改善疲勞特性(裂紋產(chǎn)生的抑制、發(fā)展的抑制)。另外，本發(fā)明的另一目的是提供耐熱合金部件的修補(bǔ)方法，防止在耐熱合金部件的部件表面產(chǎn)生的裂紋的修補(bǔ)導(dǎo)致的疲勞特性的降低。用于解決課題的手段本發(fā)明提供耐熱合金部件，其特征為，在部件表面具有晶粒比部件內(nèi)部微細(xì)的再 結(jié)晶組織層。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，在部件表面具有晶粒比部件內(nèi)部微細(xì)的再結(jié)晶組織層，因此，能夠抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生及/或發(fā)展。而且，部件內(nèi)部具有晶粒比部件表面大的結(jié)晶組織，因此，組織的蠕變強(qiáng)度優(yōu)異。因此，能夠提供維持高的蠕變強(qiáng)度，同時(shí)疲勞特性提高、可靠性提高的耐熱合金部件。另外，所述之外的課題、構(gòu)成及效果，通過(guò)以下的實(shí)施方式的說(shuō)明能夠明確。


圖I是表示本發(fā)明涉及的大型鋳造耐熱合金的一例的斷面示意圖；圖2是摩擦攪拌程序的示意圖；圖3是表示實(shí)施例2的結(jié)果的圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明人對(duì)極其先進(jìn)的臨界壓煤炭火力發(fā)電廠的汽輪機(jī)的罩體，使用Ni基材即IN625材料，試制了大型的澆鑄件。觀察斷面后可知，晶粒直徑很大，最大為70mm程度的大小。從其附近采取試驗(yàn)片，實(shí)施低周疲勞試驗(yàn)，結(jié)果可知，偏差較大，作為汽輪機(jī)用材料，可靠性低。材料的疲勞裂紋，特別是只要在內(nèi)部沒(méi)有夾雜物，就會(huì)從材料表面導(dǎo)入。S卩，在從材料表面導(dǎo)入的裂紋遍及壁厚整體且晶粒粗大時(shí)，在早期已向材料內(nèi)部傳播，其結(jié)果是，擔(dān)心疲勞特性的降低及偏差的發(fā)生。實(shí)際上，在相同條件下實(shí)施數(shù)次低周疲勞試驗(yàn)后，結(jié)果以斷裂次數(shù)計(jì)，可看到最大I位數(shù)程度的偏差。但是，晶粒大時(shí)，組織的蠕變強(qiáng)度變高，蠕變變形速度變慢，作為耐熱材料，需要維持蠕變特性，同時(shí)使疲勞特性提高。于是，研究了用任意的方法，將成為裂紋的起點(diǎn)的材料的表面組織設(shè)定為微細(xì)組織，抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生，按摩擦攪拌程序(以下、設(shè)定為FSP)試行。這種方法是將旋轉(zhuǎn)的工具推壓在材料上，用旋轉(zhuǎn)的工具對(duì)材料的表面攪拌，使之塑性流動(dòng)，向材料導(dǎo)入變形(加エ變形)的方法。通過(guò)該方法，向材料表面導(dǎo)入了大量的變形(錯(cuò)位)。之后，為了進(jìn)行再結(jié)晶，在1050°C實(shí)施2小時(shí)的熱處理。其結(jié)果，確認(rèn)在由FSP攪拌的層中，成為數(shù)十ym的細(xì)的晶粒。
圖I是本發(fā)明的大型鋳造耐熱部件的斷面組織的示意圖。大型鋳造耐熱部件3的部件內(nèi)部，呈現(xiàn)具有粗大的晶粒的組織(粗大組織層2)，組織的蠕變強(qiáng)度、蠕變變形速度優(yōu)異。對(duì)部件表面，通過(guò)如前述的FSP和之后的再結(jié)晶熱處理，相對(duì)于部件內(nèi)部，呈現(xiàn)具有十分微細(xì)的晶粒的再結(jié)晶組織(再結(jié)晶組織層I)。下面，對(duì)本發(fā)明涉及的實(shí)施方式詳細(xì)地進(jìn)行說(shuō)明。但是，本發(fā)明不限于在此所舉例的實(shí)施方式，在未變更宗_的范圍內(nèi)，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合及改良。本發(fā)明的耐熱合金部件是用于火力發(fā)電廠的高溫部件的Ni基部件，該部件內(nèi)部為具有大的晶粒的組織，且部件表面具有微細(xì)的晶粒。即，在部件表面具有晶粒比部件內(nèi)部微細(xì)的再結(jié)晶組織層。部件表面的晶粒的大小，優(yōu)選平均粒徑為100 μ m以下，優(yōu)選I μ m以上。只要部件內(nèi)部的晶粒的大小比部件表面的晶粒的大小更大，就沒(méi)有特別的規(guī)定，但是，越是粗大的晶 粒，例如具有平均粒徑為1_以上的晶粒，通過(guò)本發(fā)明所得到的效果越大，越可有效地改善疲勞特性，提高可靠性。另外,部件表面的再結(jié)晶組織層的厚度,優(yōu)選從部件表面起Imm以上5_以下。作為形成這種組織形態(tài)的制法，通過(guò)摩擦攪拌法對(duì)部件表面賦予加工變形，之后，實(shí)施再結(jié)晶熱處理。下面，對(duì)本發(fā)明的大型鋳造耐熱部件詳細(xì)地進(jìn)行說(shuō)明。(材料)本發(fā)明涉及的材料，使用作為火力發(fā)電廠的高溫部件所用的材料。具體而言，使用以鐵(Fe)為基礎(chǔ)的材料(鐵素體鋼，奧氏體鋼等)。另外，在近年的以燃煤火力發(fā)電廠的高效化為目標(biāo)的開發(fā)中，對(duì)于以鎳(Ni)為基礎(chǔ)的材料，也可以適當(dāng)使用。但是，在鐵素體鋼中，通過(guò)熱處理也可進(jìn)行組織微細(xì)化，在本發(fā)明中，這種處理困難，在使用了奧氏體鋼及Ni基材料的情況下更有效。作為適用部件，例如，對(duì)于晶粒常變粗大的大型的鋳造部件(例如，汽輪機(jī)的罩體及閥門)、熱疲勞環(huán)境嚴(yán)酷的燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器耐火層中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后，會(huì)產(chǎn)生微細(xì)疲勞裂紋的部件等中，可有效地使用，但沒(méi)有特別的限定。奧氏體鋼或Ni基材的鑄造零件越大型，鑄造時(shí)的冷卻速度越變慢，晶粒越變大，例如，一個(gè)晶粒的大小為數(shù)十mm程度。另外，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器耐火層等，為鍛造材料，且比鑄造零件晶粒小。但是，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)機(jī)使用，由于熱疲勞等而產(chǎn)生微細(xì)疲勞裂紋。裂紋的深度只要不足摩擦攪拌程序的工具的深度，就可實(shí)施本發(fā)明的修補(bǔ)。對(duì)于材料而言，為如前述那樣在火力發(fā)電廠中主要使用的以耐熱材料Fe或Ni為基礎(chǔ)(另一方面，或兩種都含有50質(zhì)量％以上)的材料，但作為其成分，不必要是限定的材料，可使用前述的具有大晶粒的材料、或由于疲勞等在表面產(chǎn)生了微細(xì)疲勞裂紋的材料。(晶粒的大小)部件表面的再結(jié)晶組織層的晶粒的大小為平均粒徑100 μ m以下。只要是比其小的晶粒直徑，可預(yù)見充分的疲勞特性或可靠性的提高。疲勞特性是晶粒越細(xì)性能越優(yōu)異，因此下限不做特別設(shè)定。 另外，對(duì)于部件的內(nèi)部而言，特別是晶粒的大小的規(guī)定未設(shè)定。但是，在內(nèi)部的晶粒直徑為平均Imm以下吋，由于僅對(duì)表面部改善晶粒使其微細(xì)的效果小，因此，希望具有平均1_以上的大小的晶粒的組織。特別是，內(nèi)部的晶粒直徑越大的組織，對(duì)疲勞特性的改善越有效。(再結(jié)晶組織層的厚度)部件表面的再結(jié)晶組織層(微細(xì)組織層)的厚度設(shè)定為1_以上5_以下。在壁厚比IOmm厚的部件中，在再結(jié)晶組織層比Imm薄時(shí)，其效果不充分，另外，在裂紋產(chǎn)生時(shí)馬上到達(dá)內(nèi)部晶粒粗大的區(qū)域，裂紋可能會(huì)一直進(jìn)展。(微細(xì)化方法)為實(shí)現(xiàn)以上的組織，適用摩擦攪拌程序(FSP)。圖2表示施工方法的示意圖。首先，如圖2(a)所示，向具有粗大組織的部件的部件表面推壓旋轉(zhuǎn)工具4，使旋轉(zhuǎn)工具4沿著 部件表面移動(dòng)，由此，將加工變形導(dǎo)入部件表面，形成攪拌層5。之后，如圖2(b)所示，對(duì)于導(dǎo)入了加工變形的部件表面，通過(guò)在再結(jié)晶溫度以上的溫度進(jìn)行熱處理8，由此，在攪拌層5引起再結(jié)晶，形成使晶粒微細(xì)化的再結(jié)晶組織層6。再結(jié)晶溫度為所使用的材料的固有溫度，除此之外，溫度未做特別規(guī)定。另外，對(duì)于再結(jié)晶熱處理，為了得到必要的特性的粒度，在調(diào)整再結(jié)晶的熱處理溫度及其在該溫度的保持時(shí)間的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)施。另外，關(guān)于微細(xì)化的部位，不必要遍及該部件全表面來(lái)實(shí)施，在實(shí)施時(shí)，有效的是僅對(duì)特別是疲勞裂紋容易產(chǎn)生的部位(預(yù)測(cè)疲勞損傷的部位、比周圍作用極大的力的部位)以及產(chǎn)生了微細(xì)裂紋的部位等實(shí)施。〔實(shí)施例〕下面，說(shuō)明實(shí)施例。(實(shí)施例I)在表I所示的條件下，實(shí)施摩擦攪拌程序及再結(jié)晶熱處理，僅使規(guī)定的組織即表面形成微細(xì)的組織，關(guān)于內(nèi)部，對(duì)于板材(50mm t )是否成為粗大的晶粒進(jìn)行研究。表I:
權(quán)利要求
1.耐熱合金部件，其特征在于，在部件表面具有晶粒比部件內(nèi)部微細(xì)的再結(jié)晶組織層。
2.如權(quán)利要求I所述的耐熱合金部件，其特征在于，所述再結(jié)晶組織層是在所述部件表面通過(guò)摩擦攪拌法賦予加工變形來(lái)形成攪拌層、對(duì)該攪拌層實(shí)施再結(jié)晶熱處理使之再結(jié)晶化而形成的。
3.如權(quán)利要求I或2所述的耐熱合金部件，其特征在于，所述再結(jié)晶組織層設(shè)于所述部件表面中的預(yù)測(cè)疲勞損傷的部位。
4.如權(quán)利要求I 3中任一項(xiàng)所述的耐熱合金部件，其特征在于，所述再結(jié)晶組織層設(shè)于所述部件表面中的相比周圍作用極大的力的部位。
5.如權(quán)利要求I 4中任一項(xiàng)所述的耐熱合金部件，其特征在于，所述再結(jié)晶組織層的厚度為Imm以上5mm以下。
6.如權(quán)利要求I 5中任一項(xiàng)所述的耐熱合金部件，其特征在于，所述再結(jié)晶組織層具有平均粒徑為I μ m以上100 μ m以下的晶粒。
7.耐熱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，通過(guò)摩擦攪拌法賦予加工變形而形成攪拌層的エ序；以及 對(duì)該攪拌層實(shí)施再結(jié)晶熱處理使之再結(jié)晶化，在所述部件表面形成晶粒比部件內(nèi)部微細(xì)的再結(jié)晶組織層的エ序。
8.如權(quán)利要求7所述的耐熱合金部件的制造方法，其特征在干，所述攪拌層形成于所述部件表面中的至少預(yù)測(cè)疲勞損傷的部位。
9.耐熱合金部件的修補(bǔ)方法，其特征在于，包括 在所述部件表面中的至少因疲勞損傷而產(chǎn)生了裂紋的部位，通過(guò)摩擦攪拌法賦予加工變形而形成攪拌層的エ序；以及 對(duì)該攪拌層實(shí)施再結(jié)晶熱處理使之再結(jié)晶化，在所述部件表面形成晶粒比部件內(nèi)部微細(xì)的再結(jié)晶組織層的エ序。
全文摘要
本發(fā)明涉及耐熱合金部件及其制造方法、耐熱合金部件的修補(bǔ)方法,提供維持蠕變強(qiáng)度，同時(shí)改善疲勞特性的耐熱合金部件。本發(fā)明的耐熱合金部件的特征為，在部件表面具有晶粒比部件內(nèi)部微細(xì)的再結(jié)晶組織層。再結(jié)晶組織層是在部件表面通過(guò)摩擦攪拌法賦予加工變形而形成攪拌層，且對(duì)該攪拌層實(shí)施再結(jié)晶熱處理使之再結(jié)晶化而形成的。
文檔編號(hào)C22F1/00GK102839336SQ201210211119
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者鴨志田宏紀(jì), 今野晉也, 吉田武彥, 樸勝煥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所