Ni基耐熱合金焊接接頭的制法及由該方法制造的焊接接頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及Ni基耐熱合金焊接接頭的制造方法及通過(guò)該方法制造的焊接接頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年，從降低環(huán)境負(fù)荷的觀點(diǎn)考慮，對(duì)于發(fā)電用鍋爐等而言，在全球范圍內(nèi)推進(jìn)運(yùn) 轉(zhuǎn)條件高溫·高壓化，對(duì)于作為過(guò)熱器管或再熱器管的材料使用的奧氏體系耐熱合金要求 具有更優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和耐蝕性。
[0003]另外，以往對(duì)于使用了鐵氧體系耐熱鋼的包括主蒸汽管、再熱蒸汽管等厚壁的構(gòu) 件等各種構(gòu)件，研究了奧氏體系耐熱合金或Ni基耐熱合金的適用。
[0004] 在這種技術(shù)背景下，例如專利文獻(xiàn)1中公開了通過(guò)有效利用Cr、Ti和Zr從而蠕變 強(qiáng)度得到提高的奧氏體系耐熱合金。另外，專利文獻(xiàn)2中公開了通過(guò)含有大量的W并且有 效利用A1和Ti實(shí)現(xiàn)的固溶強(qiáng)化以及γ'相的析出強(qiáng)化，從而強(qiáng)度得到提高的Ni基耐熱合 金，進(jìn)而專利文獻(xiàn)3中公開了對(duì)通過(guò)提取殘?jiān)亩糠治銮蟮玫腃r的析出量進(jìn)行限定，從 而蠕變強(qiáng)度提高并且韌性得到提高的Ni基耐熱合金。
[0005] 使用這些奧氏體系耐熱合金或Ni基耐熱合金作為結(jié)構(gòu)物時(shí)，通常通過(guò)焊接而被 組裝。對(duì)于使用了它們的焊接接頭而言，已知容易產(chǎn)生主要起因于冶金因素的各種裂紋，在 焊接中產(chǎn)生的液化裂紋、在高溫下的長(zhǎng)時(shí)間使用中通過(guò)焊接而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力松弛過(guò)程中 產(chǎn)生的應(yīng)力松弛裂紋成為問(wèn)題。
[0006] 專利文獻(xiàn)4中提出了通過(guò)有效利用Al、Ti和Nb而蠕變強(qiáng)度提高的同時(shí)，通過(guò)P和 B含量的管理以及Nd的含有而焊接時(shí)的耐液化裂紋性提高的奧氏體系耐熱合金。另外，專 利文獻(xiàn)5中公開了通過(guò)含有A1和Ti而有效利用γ'相且提高蠕變強(qiáng)度，并且通過(guò)相應(yīng)于 晶體粒徑調(diào)整Nd、0含量，從而兼具蠕變延展性和修補(bǔ)焊接時(shí)的耐應(yīng)力松弛裂紋性的Ni基 耐熱合金。進(jìn)而，專利文獻(xiàn)6中提出了有效利用Mo和W而蠕變強(qiáng)度提高，并且限定雜質(zhì)元 素和Ti、A1的含量，從而焊接時(shí)的耐液化裂紋和使用時(shí)的耐應(yīng)力松弛裂紋性得到改善的奧 氏體系耐熱合金。
[0007]另外，如非專利文獻(xiàn)1所示，通常奧氏體系不銹鋼或Ni基合金在焊接后不進(jìn)行焊 接后熱處理。然而，對(duì)于奧氏體系不銹鋼，為了改善耐蝕性和韌性，有時(shí)在1000~1150°C的 溫度范圍內(nèi)進(jìn)行焊接后熱處理，另外，為了去除殘余應(yīng)力，有時(shí)在800~900°C的溫度范圍 內(nèi)進(jìn)行焊接后熱處理。例如，非專利文獻(xiàn)2中，為了防止18Cr-12Ni-Nb系奧氏體系不銹鋼 的高溫下長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)產(chǎn)生的裂紋，公開了經(jīng)過(guò)下述三段步驟的熱處理方法：將焊接接頭 部加熱至600°C左右并在該溫度下保持，然后，在1050°C下再次保持，最后在900°C下保持。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0009] 專利文獻(xiàn)
[0010] 專利文獻(xiàn)1 :國(guó)際公開第2009/154161號(hào)
[0011] 專利文獻(xiàn)2 :國(guó)際公開第2010/038826號(hào)
[0012] 專利文獻(xiàn)3:日本特開2013-49902號(hào)公報(bào)
[0013] 專利文獻(xiàn)4:國(guó)際公開第2011/071054號(hào)
[0014] 專利文獻(xiàn)5:日本特開2013-36086號(hào)公報(bào)
[0015] 專利文獻(xiàn)6:日本特開2010-150593號(hào)公報(bào)
[0016] 非專利文獻(xiàn)
[0017] 非專利文獻(xiàn)1 :接合?溶接技術(shù)（接合?焊接技術(shù)）Q&A1000編委會(huì)、"接合?溶接 技術(shù)（接合?焊接技術(shù)）Q&A1000"、1999 年 8 月、p502-503、653-654
[0018] 非專利文獻(xiàn)2:內(nèi)木虎藏、岡林久喜、栗林宗孝、森重德男、"18Cr-12Ni-Nb鋼①?gòu)?力除去焼L割札（18Cr-12Ni-Nb鋼的應(yīng)力去除退火裂紋）"、石川島播磨技報(bào)（石川 島播磨技報(bào)）、昭和50年3月、第15卷、第2號(hào)、p209-215

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 發(fā)明要解決的問(wèn)題
[0020] 對(duì)于主蒸汽管、高溫再熱蒸汽管等的構(gòu)件使用了專利文獻(xiàn)4~6記載的合金的對(duì) 焊接頭，可以切實(shí)地防止焊接中的液化裂紋以及使用中的應(yīng)力松弛裂紋。然而，實(shí)際的結(jié)構(gòu) 物中存在各種形狀、尺寸的焊接部。因此可知，焊接部的殘余應(yīng)力的存在狀態(tài)不同，需要說(shuō) 明的是，根據(jù)焊接部的形狀或尺寸，即使使用上述奧氏體系耐熱合金或Ni基耐熱合金，也 有可能不能充分地得到防止上述裂紋、特別是應(yīng)力松弛裂紋的效果。
[0021] 另外，本發(fā)明人等進(jìn)行了各種研究的結(jié)果重新判明，對(duì)于Ni基耐熱合金而言，如 果實(shí)施焊接后熱處理，則雖然存在殘余應(yīng)力確實(shí)得到松弛、對(duì)于應(yīng)力松弛裂紋的防止是有 效的情況，但是不如說(shuō)根據(jù)焊接后熱處理的條件而存在應(yīng)力松弛裂紋變得容易產(chǎn)生的情 況。
[0022] 本發(fā)明的目的在于，提供蠕變強(qiáng)度和耐應(yīng)力松弛裂紋性優(yōu)異的Ni基耐熱合金焊 接接頭的制造方法以及通過(guò)該方法制造的焊接接頭。
[0023] 用于解決問(wèn)題的方案
[0024] 為了解決上述課題，本發(fā)明人等對(duì)實(shí)施了焊接后熱處理的Ni基耐熱合金焊接接 頭進(jìn)行了詳細(xì)的研究。并且，對(duì)應(yīng)力松弛裂紋敏感性進(jìn)行調(diào)查的結(jié)果可知，根據(jù)焊接后熱處 理?xiàng)l件而焊接接頭的裂紋敏感性存在較大差異。具體而言，明確了A)焊接后熱處理溫度低 的情況或者焊接后熱處理時(shí)間短的情況下，應(yīng)力松弛裂紋敏感性升高，B)焊接后熱處理溫 度高且焊接后熱處理時(shí)間長(zhǎng)的情況下，應(yīng)力松弛裂紋敏感性有時(shí)也極端升高。
[0025] 判斷A)的原因是由于，通過(guò)焊接后熱處理而焊接殘余應(yīng)力未被充分松弛。另一方 面，為了調(diào)查B)的原因，使用焊接后熱處理后的焊接接頭來(lái)進(jìn)行組織觀察。其結(jié)果，應(yīng)力松 弛裂紋敏感性高的焊接接頭與敏感性低的焊接接頭相比，焊接后熱處理后大量且致密地析 出微細(xì)的γ'相。
[0026] 本發(fā)明人等由這些結(jié)果推定，Β)的理由如下。即，在焊接后處理時(shí)，焊接殘余應(yīng)力 在保持過(guò)程中暫時(shí)松弛。然而，在冷卻過(guò)程中，其降溫速度慢的情況下，在晶粒內(nèi)析出γ' 相。γ'相由于析出伴隨的晶體結(jié)構(gòu)的差異而使周圍的基體收縮。其結(jié)果，在冷卻過(guò)程中大 量析出γ'相時(shí)，新產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力。然后，若焊接接頭長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫下，則推定出， 為了松弛該殘余應(yīng)力，雖然產(chǎn)生蠕變變形，但是由于自最初起大量析出有γ'相的晶粒內(nèi)的 變形阻力大、蠕變變形更容易集中于晶界附近，因此即使實(shí)施焊接后熱處理，應(yīng)力松弛裂紋 敏感性反而提尚。
[0027] 本發(fā)明人等反復(fù)進(jìn)行了深入地研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，為了穩(wěn)定地防止應(yīng)力松弛裂紋，除 了適當(dāng)?shù)剡x擇焊接后熱處理溫度、焊接后熱處理時(shí)間之外，根據(jù)合金母材或焊接金屬所含 有的A1量適當(dāng)管理從焊接后熱處理溫度起直至容易生成γ'相的500°C的降溫速度條件是 重要的。
[0028] 本發(fā)明是基于上述發(fā)現(xiàn)而完成的，其主旨在于，下述的奧氏體系耐熱合金焊接接 頭的制造方法以及通過(guò)該方法制造的焊接接頭。
[0029] (1) -種Ni基耐熱合金焊接接頭的制造方法，其使用焊接材料將合金母材焊接 后，實(shí)施滿足下述（i)~（iv)式的焊接后熱處理，
[0030] 850 彡T彡 1200 · · ·⑴
[0031] -0· 1XT+140 彡t彡-0· 6XT+780 · · · (ii)
[0032] 12. 5X{2X[%Al]bn+[%Ti]bn}+10 ^RC· · · (iii)
[0033] 12. 5X{2X[%Al]wn+[%Ti]J+10 ^RC· · · (iv)
[0034] 其中，上式中的各符號(hào)的意思如下所述，
[0035] T:焊接后熱處理溫度（°C)
[0036] t:焊接后熱處理時(shí)間（分鐘）
[0037] RC:T至500°C的平均降溫速度（°C/小時(shí)）
[0038] [%Al]bni:合金母材的A1含量（質(zhì)量％ )
[0039] [%Ti]bni:合金母材的Ti含量（質(zhì)量％ )
[0040] [%Al]wni:焊接材料的A1含量（質(zhì)量％ )
[0041] [%Ti]M:焊接材料的Ti含量（質(zhì)量％ )
[0042] 所述合金母材的化學(xué)組成為：按質(zhì)量％計(jì)(：：0. 03~0. 12%、Si:1%以下、Mn:1% 以下、P:0· 015% 以下、S:0· 005% 以下、Co:8 ~25%、Cr:18 ~24%、Mo:5 ~12%、Ti: 0· 1 ~2· 5%、A1 :0· 2 ~2· 0%、B:0· 0001 ~0· 01%、REM:0· 001 ~0· 5%、Ca:0 ~0· 05%、 Mg:0 ~0· 05%、Cu:0 ~4%、W:0 ~10%、Nb:0 ~2. 5%、V:0 ~0· 5%、Fe:0 ~15%、N: 0.02%以下、0:0. 01%以下、剩余部分：Ni和雜質(zhì)，
[0043] 所述焊接材料的化學(xué)組成為：按質(zhì)量％計(jì)(：：0. 06~0. 15%、Si:1%以下、Mn:1% 以下、P:0.01% 以下、S:0.005% 以下、Co:8 ~25%、Cr:18 ~24%、Mo:5 ~12%、Ti:0· 1 ~ 2. 5%、A1 :0· 2 ~2. 0%、W:0 ~10%、Nb:0 ~2. 5%、B:0 ~0· 005%、Fe:0 ~15%、N: 0. 02%以下、0 :0. 01%以下、剩余部分：Ni和雜質(zhì)。