Нижний слой или верхний слой многослойного сварного шватурбинного ротора из высокохромистой стали, материал для наплавки сваркой многослойного сварного шва, и способ изготовления многослойного сварного шва

Нижний слой или верхний слой многослойного сварного шватурбинного ротора из высокохромистой стали, материал для наплавки сваркой многослойного сварного шва, и способ изготовления многослойного сварного шва

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к многослойной наплавке для формирования наплавки из хромсодержащей стали на поверхности, с которой контактируют подшипники турбинного ротора из высокохромистой стали.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Поскольку высокохромистая сталь имеет превосходные высокотемпературную прочность и низкотемпературную ударную вязкость, эта сталь все шире использовалась в качестве материала для роторов высоконапорных и средненапорных турбин в генераторах. Однако поверхность контакта с подшипниками турбинного ротора из высокохромистой стали проявляет тенденцию к развитию процесса заклинивания в подшипниках во время его эксплуатации, так что существует проблема провоцирования повреждения. Поэтому был предложен метод предотвращения возникновения заклинивания с помощью наплавки низколегированной стали на участок шейки ротора (например, смотри Патентный Документ 1).

[0003] До сих пор в отношении такого рода наплавки в основном разрабатывались сварочные материалы и способы сварки для дуговой сварки под флюсом.

Например, Патентный Документ 2 предлагает сварочный материал, наносимый на участок опорной шейки турбинного ротора, и, принимая во внимание остаточное напряжение в сварном шве, представляет способ с использованием сварочного материала, имеющего низкую прочность и высокий коэффициент линейного теплового расширения, в качестве сварочного материала для нижнего слоя, по сравнению с низколегированной сталью верхнего слоя и основного материала (субстрата или подложки) ротора.

Кроме того, в изобретении, описанном в Патентном Документе 3, предполагается сокращение разности уровней прочности с целью повышения усталостной прочности. Патентный Документ 4 раскрывает стремление повысить усталостную прочность применением сварочного материала, имеющего высокое содержание хрома (Cr), в качестве нижнего слоя.

ПРОТОТИПНЫЙ ДОКУМЕНТ

ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ

[0004] Патентный Документ 1: JP-A-57-137456

Патентный Документ 2: JP-A-6-272503

Патентный Документ 3: JP-A-9-76091

Патентный Документ 4: JP-A-9-066388

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМА, РАЗРЕШАЕМАЯ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

[0005] Однако, поскольку описанный в Патентном Документе 2 сварочный материал, используемый в сварочном материале для нижнего слоя, не содержит Cr, происходит накопление деформаций в нижнем слое на участках с резким изменением сечения, таких как участок опорной шейки, во время отжига для снятия внутренних напряжений, и в некоторых случаях существует возможность образования дефектов, таких как трещины, в зависимости от прочности верхнего слоя.

Кроме того, в варианте исполнения со сварочным материалом, имеющим количество Cr на уровне 1,0% для нижнего слоя, как определено в изобретении, описанном в Патентном Документе 3, существует проблема того, что содержание Cr в многослойном сварном шве сокращается, и, кроме того, возникает проблема того, что происходит диффузия углерода (С) и тому подобного, и прочность на стороне наплавленного металла снижается вследствие разности в содержании Cr между основным материалом и наплавленным металлом во время отжига для снятия внутренних напряжений после сварки.

Как отмечено выше, в традиционных технологиях, поскольку содержание Cr в сварочном материале, который приходит в контакт с основным материалом ротора, является низким, и не соблюдается баланс прочности между основным материалом ротора, нижним слоем и верхним слоем, остается на высоком уровне созданное сваркой остаточное напряжение. Кроме того, проблема образования дефектов возникает на участках с резким изменением сечения, таких как участок опорной шейки, на которых существует тенденция к обусловленному формой возникновению концентрации напряжений. В Патентном Документе 4, хотя для нижнего слоя используют имеющий высокое содержание Cr сварочный материал, допускается, что чувствительность к растрескиванию при отжиге для снятия внутренних напряжений повышается вследствие разбавления компонентов при сварке в зависимости от компонентов основного материала ротора, так что существует пространство для усовершенствования.

[0006] Соответственно этому, цель настоящего изобретения состоит в создании комбинации материалов наплавки для нижнего слоя или верхнего слоя, и нижнего слоя или верхнего слоя полученной из них секции наплавки, и способа получения многослойного сварного шва, который удовлетворяет требованиям в отношении прочности и ударной вязкости, предъявляемым к участку опорной шейки турбинного ротора из высокохромистой стали, и используется во избежание образования трещин во время отжига для снятия внутренних напряжений.

СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

[0007] Предложен многослойный сварной шов, сформированный на участке поверхности турбинного ротора из высокохромистой стали, контактирующем с подшипником, содержащий нижний и верхний наплавленные слои, при этом нижний наплавленный слой содержит, в вес. %: С от 0,05 до 0,2, Si от 0,1 до 1,0, Mn от 0,3 до 1,5, Cr от 4,0 до менее 6,5, Мо: от 0,5 до 1,5, Fe и неизбежные примеси - остальное, причем в качестве неизбежных примесей он содержит: Р 0,015 или менее, S 0,015 или менее, Cu 0,2 или менее, V 0,2 или менее, Ni 0,3 или менее, Со 1,5 или менее, В 0,005 или менее, W 1,5 или менее, и Nb: 0,07 или менее.

[0008] Предпочтительно, многослойный сварной шов характеризуется тем, что содержание хрома в нижнем слое удовлетворяет выражению: Pcr(1)=(количество Cr в нижнем слое многослойного шва)×0,65-(количество Cr в турбинном роторе из высокохромистой стали - количество Cr в нижнем слое многослойного шва)×0,35>0,7.

[0009] Третье изобретение относится к сварочному материалу для наплавки нижнего слоя многослойного сварного шва, сформированного на участке поверхности турбинного ротора из высокохромистой стали, контактирующем с подшипником, по п. 1 или 2, содержащий, в вес. %: С от 0,03 до 0,2, Si от 0,1 до 1,0, Mn от 0,3 до 1,2, Cr: от 2,0 до менее 3,5, Мо: от 0,1 до 1,5, Fe и неизбежные примеси - остальное, причем в качестве неизбежных примесей он содержит: Р 0,015 или менее, S 0,015 или менее, Cu 0,2 или менее, и V 0,1 или менее, и сумма одного или более элементов, выбранных из Ni, Nb и Ti, составляет 0,2 или менее.

[0010] Четвертое изобретение относится к многослойному сварному шву, сформированному на участке поверхности турбинного ротора из высокохромистой стали, контактирующем с подшипником, содержащий нижний и верхний наплавленные слои, при этом верхний наплавленный слой содержит, в вес. %: С от 0,05 до 0,2, Si от 0,1 до 1,0, Mn: от 0,3 до 2,5, Cr от 1,0 до 4,0, Мо: от 0,5 до 1,5, Fe и неизбежные примеси - остальное, причем в качестве неизбежных примесей он содержит: Р 0,015 или менее, S 0,015 или менее, Cu 0,2 или менее, V 0,15 или менее, Ni 0,3 или менее, и Nb 0,07 или менее.

[0011] Пятое изобретение относится к верхнему слою многослойного сварного шва на турбинном роторе из высокохромистой стали, и в пятом изобретении количество V, содержащегося в покровном слое секции наплавки, является меньшим, чем количество V, содержащегося в нижнем слое многослойного сварного шва согласно первому или второму изобретению.

[0012] Шестое изобретение относится к верхнему слою многослойного сварного шва на турбинном роторе из высокохромистой стали, и в четвертом или пятом изобретении удовлетворяется следующее выражение (2):

Pcr(n)=(количество Cr в покровном слое многослойного сварного шва в n-ном слое)×0,65-{количество Cr в верхнем слое многослойного сварного шва в (n-1)-ном слое - количество Cr в верхнем слое многослойного сварного шва в n-ном слое}×0,35>0,7…(2),

в котором, когда N представляет число слоев, составляющих многослойную секции наплавки, 2≤n≤N.

[0013] Также предложен сварочный материал для наплавки верхнего слоя многослойного сварного шва, сформированного на участке поверхности турбинного ротора из высокохромистой стали, контактирующем с подшипником, по любому из пп. 4-7, содержащий в вес. %: С от 0,03 до 0,2, Si от 0,1 до 1,0, Mn от 0,3 до 3,0, Cr от 1,0 до 2,5, Мо от 0,1 до 1,5, Fe и неизбежные примеси - остальное, причем в качестве неизбежных примесей он содержит: Р 0,015 или менее, S 0,015 или менее, Cu 0,2 или менее, V 0,1 или менее, и сумма одного или более элементов, выбранных из Ni, Nb и Ti, составляет 0,2 или менее.

[0014] Далее изобретение предусматривает способ многослойного сварного шва, сформированного на участке поверхности турбинного ротора из высокохромистой стали, контактирующем с подшипником, по любому из пп. 1, 2, 4-7, включающий стадии, на которых:

формируют нижний слой многослойного сварного шва на участке поверхности турбинного ротора из высокохромистой стали, контактирующем с подшипником, с использованием сварочного материала для наплавки, содержащего в вес. %: С от 0,03 до 0,2, Si от 0,1 до 1,0, Mn от 0,3 до 1,2, Cr от 2,0 до менее 3,5, Мо от 0,1 до 1,5, Fe и неизбежные примеси - остальное, причем в качестве неизбежных примесей он содержит: Р 0,015 или менее, S 0,015 или менее, Cu 0,2 или менее, и V 0,1 или менее, и сумма одного или более элементов, выбранных из Ni, Nb и Ti, составляет 0,2 или менее, и

формируют верхний слой многослойного сварного шва на нижнем слое сваркой с использованием сварочного материала для верхнего слоя многослойного сварного шва, содержащего в вес. %: С от 0,03 до 0,2, Si от 0,1 до 1,0, Mn от 0,3 до 3,0, Cr от 1,0 до 2,5, Мо от 0,1 до 1,5, Fe и неизбежные примеси - остальное, причем в качестве неизбежных примесей он содержит: Р 0,015 или менее, S 0,015 или менее, Cu 0,2 или менее, и V 0,1 или менее, и сумма одного или более элементов, выбранных из Ni, Nb и Ti, составляет 0,2 или менее.

ПРЕИМУЩЕСТВО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0015] В соответствии с верхним слоем многослойного сварного шва согласно настоящему изобретению, феррит не образуется на граничной части между нижним слоем и верхним слоем, кроме того, можно подавить растрескивание при отжиге для снятия внутренних напряжений, и подшипники предохраняться от заклинивания при удовлетворительной прочности и ударной вязкости, требуемыми для участка опорной шейки.

Кроме того, баланс прочности между основным материалом, нижним слоем и верхним слоем выбран более подходящим в результате сочетания нижнего слоя многослойного сварного шва согласно первому изобретению и второму изобретению, как было упомянуто выше, с верхним слоем секции наплавки, так что может быть предотвращена концентрация деформаций в нижнем слое во время отжига для снятия внутренних напряжений. Тем самым становится возможным вариант исполнения без возникновения растрескивания при отжиге для снятия внутренних напряжений даже для сварки на участке опорной шейки, где может развиваться значительное остаточное напряжение от сварки. Кроме того, с учетом разности в количестве Cr в каждом слое, может быть создан имеющий стабильное качество поверхностно-упрочненный турбинный ротор из высокохромистой стали, с предотвращением образования проэвтектоидного феррита.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0016] [Фиг. 1] Фиг. 1 представляет вид сбоку, показывающий контур турбинного ротора из высокохромистой стали в изобретении.

[Фиг. 2] Фиг. 2 представляет схематический вид, показывающий аналитический участок, измеряемый во время оценки свойств внутри нижнего слоя многослойного сварного шва или верхнего слоя многослойного сварного шва, и положение отбора испытательного образца для испытания на высокотемпературное растяжение с низкой скоростью деформации.

[Фиг. 3] Фиг. 3 представляет график, показывающий взаимосвязь между количеством Cr и сокращением площади сечения образца при испытании на высокотемпературное растяжение с низкой скоростью деформации с использованием материалов с переменным содержанием Cr.

[Фиг. 4] Фигуры 4(a)-4(d) представляют виды, показывающие образец для испытания на растрескивание кольца для оценки чувствительности к растрескиванию при отжиге для снятия внутренних напряжений нижнего слоя многослойного сварного шва. Фиг. 4(a) представляет изображение, показывающее положение отбора испытательного образца для применения в испытании. Фиг. 4(b) представляет вид сбоку испытательного образца. Фиг. 4(c) представляет вид спереди испытательного образца. Фиг. 4(d) представляет увеличенный вид участка «А» на Фиг. 4(c). Единицей значений размеров в Фигурах 4(a)-4(d) является «мм».

[Фиг. 5] Фиг. 5 представляет схематический вид, показывающий стадию создания остаточного растягивающего напряжения в донной части U-образного надреза во время проведения испытания на растрескивание кольца.

[Фиг. 6] Фиг. 6 представляет схематический вид, показывающий форму испытательного образца для испытания на высокотемпературное растяжение с низкой скоростью деформации. Единицей значений размеров на Фиг. 6 является «мм».

ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0017] Далее будут подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения, но изобретение этим не ограничивается, и может быть реализовано на практике в любых вариациях.

[0018] <Нижний слой многослойного сварного шва>

Компоненты нижнего слоя многослойного сварного шва согласно изобретению содержат С: от 0,05 до 0,2%, Si: от 0,1 до 1,0%, Mn: от 0,3 до 1,5%, Cr: от 4,0 до 7,7%, и Мо: от 0,5 до 1,5%, в единицах % по весу, и остальное количество включает Fe и неизбежные загрязняющие примеси. Далее будут описаны смысловые значения этих компонентов и, когда нижний слой многослойного сварного шва имеет вышеупомянутый состав, различие в уровнях прочности между основным материалом и нижним слоем наплавки или последующими слоями наплавки может быть подавлено до степени, при которой проблемы практически не возникают, и тем самым может быть подавлено растрескивание при отжиге для снятия внутренних напряжений в нижнем слое. Все уровни содержания в последующем показаны в единицах % по весу.

[0019] С: от 0,05 до 0,2%

Поскольку углерод (С) представляет собой необходимый элемент, добавляемый из соображений обеспечения прочности на растяжение многослойного сварного шва, нижний предел его содержания устанавливают на 0,05%. С другой стороны, ввиду снижения ударной вязкости и увеличения чувствительности к растрескиванию сварного шва, верхний предел его содержания регулируют на 0,2%.

[0020] Si: от 0,1 до 1,0%

Поскольку кремний (Si) представляет собой элемент, необходимый в качестве раскислителя или для обеспечения прочности, нижний предел его содержания устанавливают на 0,1%. Однако, поскольку избыточное содержание Si способствует образованию трещин, такому как растрескивание при отжиге для снятия внутренних напряжений, и содействует снижению ударной вязкости, верхний предел его регулируют на 1,0%. По той же причине нижний предел его содержания предпочтительно устанавливают на 0,25%, и верхний предел желательно регулировать на 0,7%.

[0021] Mn: от 0,3 до 1,5%

Поскольку марганец (Mn) представляет собой элемент, необходимый в качестве раскислителя или для обеспечения прочности, подобно Si, нижний предел его содержания устанавливают на 0,3%. Однако, поскольку чрезмерное содержание Mn содействует снижению ударной вязкости, верхний предел его регулируют на 1,5%. По той же причине верхний предел его содержания желательно устанавливать на 1,2%, более желательно на 1,0%.

[0022] Cr: от 4,0 до 7,7%

Хром (Cr) представляет собой важный элемент для обеспечения прочности и ударной вязкости. Чтобы подавить концентрацию деформаций в нижнем слое, подавить разность в содержании Cr с основным материалом, и предотвратить образование феррита, нижний предел его содержания устанавливают на 4,0%. Однако, поскольку избыточное содержание Cr повышает прокаливаемость и усиливает чувствительность к растрескиванию сварного шва, верхний предел его регулируют на 7,7%. По том же соображениям верхний предел желательно регулировать на 6,7%.

[0023] Мо: от 0,5 до 1,5%

Поскольку молибден (Мо) выделяется в виде карбидов во время отжига для снятия внутренних напряжений и повышает устойчивость к размягчению при отпуске, он является важным элементом для получения прочности после отжига для снятия внутренних напряжений. Для подавления концентрации деформаций во время отжига для снятия внутренних напряжений, нижний предел его содержания устанавливают на 0,5%. Однако, поскольку чрезмерное содержание Мо увеличивает склонность к растрескиванию и обусловливает снижение ударной вязкости, верхний предел его регулируют на 1,5%. Из тех же соображений верхний предел желательно регулировать на 1,0%.

[0024] Важные составляющие элементы нижнего слоя многослойного сварного шва являются такими, как упомянутые выше. Кроме того, остальное количество по существу содержит Fe и неизбежные загрязняющие примеси, обусловленные разбавлением из основного материала. В качестве неизбежных загрязняющих примесей нижний слой многослойного сварного шва может содержать Р: 0,015% или менее, S: 0,015% или менее, Cu: 0,2% или менее, V: 0,2% или менее, Ni: 0,3% или менее, Со: 1,5% или менее, В: 0,005% или менее, W: 1,5% или менее, и Nb: 0,07% или менее, в единицах % по весу, в расчете на весь нижний слой многослойного сварного шва. Далее будут описаны обоснования этого.

[0025] Р: 0,015% или менее

Фосфор (Р) представляет собой загрязняющий элемент, который примешивается из сырьевого материала во время выплавки металлического материала. Поскольку Р может обусловливать снижение ударной вязкости, то желательно сокращать его содержание настолько, насколько возможно. Поэтому содержание Р устанавливают на 0,015% или менее.

[0026] S: 0,015% или менее

Подобно фосфору (Р), сера (S) представляет собой загрязняющий элемент, который примешивается из сырьевого материала во время выплавки металлического материала. Поскольку S может вызывать снижение ударной вязкости, желательно сокращать ее содержание, насколько это возможно. Поэтому содержание S регулируют на 0,015% или менее.

[0027] Cu: 0,2% или менее

Поскольку медь (Cu) может содействовать снижению ударной вязкости многослойного сварного шва, верхний предел ее содержания устанавливают на 0,2% или менее.

[0028] V: 0,2% или менее

Ванадий (V) известен как элемент для повышения устойчивости к размягчению при отпуске, чтобы получить прочность после отжига для снятия внутренних напряжений. Однако в исследованиях авторов настоящего изобретения было обнаружено, что V чрезвычайно повышает чувствительность к растрескиванию при отжиге для снятия внутренних напряжений. Поэтому содержание V ограничивают до 0,2%, предпочтительно не более 0,1%.

[0029] Ni: 0,3% или менее

Поскольку чрезмерное содержание Ni может создавать возможность возникновения отпускной хрупкости, содержание Ni ограничивают значением не более 0,3%.

[0030] Со: 1,5% или менее

В случае, если основной материал содержит кобальт (Со), содержание Со следует сокращать для усиления разбавления/сплавления из основного материала во время сварки и ограничивать до величины не более 1,5%.

[0031] В: 0,005% или менее

W: 1,5% или менее

Nb: 0,07% или менее

Эти элементы общеизвестны как элементы, которые улучшают устойчивость к размягчению при отпуске во время отжига для снятия внутренних напряжений и обеспечивают прочность при комнатной температуре. Однако в исследованиях авторов настоящего изобретения было выявлено, что чрезмерное содержание каждого элемента снижает ударную вязкость и также ухудшает пригодность к сварке. Поэтому в изобретении, что касается уровней содержания этих компонентов, верхние пределы определяются вышеуказанными значениями, соответственно.

[0032] Количество Cr, содержащегося в нижнем слое многослойного сварного шва согласно изобретению, предпочтительно удовлетворяет следующему выражению (1):

Pcr(1)=(количество Cr в нижнем слое многослойного сварного шва)×0,65-(количество Cr в турбинном роторе из высокохромистой стали - количество Cr в нижнем слое многослойного сварного шва)×0,35>0,7…(1)

Путем повышения содержания Cr в нижнем слое многослойного сварного шва и сокращения разности с количеством Cr в турбинном роторе из высокохромистой стали подавляется образование феррита во время отжига для снятия внутренних напряжений. Когда значение Pcr(1), представленное в вышеуказанном выражении (1), представляет собой значение, превышающее 0,7, подавляется образование феррита на границе между основным материалом и нижнем слое м многослойного сварного шва, и может быть получен поверхностно-упрочненный турбинный ротор из высокохромистой стали, имеющий стабильное качество. Кстати, все количества Cr в вышеуказанном выражении (1) представлены в единицах % по весу.

[0033] <Сварочный материал для нижнего слоя многослойного сварного шва>

В сварочном материале для получения вышеуказанного нижнего слоя многослойного сварного шва происходит разбавление компонентами основного материала во время наплавки на основной материал, и также происходит разбавление компонентов с верхним слоем, наплавляемым на него. Разбавление компонентов происходит вследствие сплавления части смежных слоев во время наварки и диффузии компонентов из слоя, имеющего высокую концентрацию компонентов, в слой, имеющий их низкую концентрацию. Как правило, достаточно, что основной материал представляет собой высокохромистую сталь, обычно применяемую в турбинном роторе для генерирования тепловой энергии и, в частности, его материал предпочтительно представляет собой сталь 12Cr, более предпочтительно так называемую новую сталь 12Cr, в состав которой введены W, Со и В.

Сварочный материал для нижнего слоя многослойного сварного шва определяется с учетом вышеупомянутого разбавления, чтобы получить вышеуказанный состав нижнего слоя многослойного сварного шва. Тем самым могут проявиться действие и эффект нижнего слоя многослойного сварного шва.

С использованием сварочного материала для нижнего слоя многослойного сварного шва в качестве нижнего слоя наплавки на основу ротора из высокохромистой стали различие в уровне прочности между основным материалом и нижним слоем наплавки или последующими верхними слоями может быть подавлено до степени, при которой практически не возникают проблемы и может быть предотвращено растрескивание при отжиге для снятия внутренних напряжений в нижнем слое. Более того, в отношении сварочного материала, уменьшением различия в содержании Cr между основным материалом и нижним слоем наплавленного металла таким образом, чтобы нижний слой многослойного сварного шва удовлетворял вышеуказанному выражению (1), может быть подавлено образование феррита.

[0034] Более конкретно, сварочный материал для нижнего слоя многослойного сварного шва согласно изобретению включает С: от 0,03 до 0,2%, Si: от 0,1 до 1,0%, Mn: от 0,3 до 1,2%, Cr: от 2,0 до 5,5%, и Мо: от 0,1 до 1,5%, в единицах % по весу, и остальное количество включает Fe и неизбежные загрязняющие примеси. Неизбежные загрязняющие примеси желательно представляют собой Р: 0,015% или менее, S: 0,015% или менее, Cu: 0,2% или менее, и V: 0,1% или менее, и сумма одного или более видов элементов, выбранных из группы, состоящей из Ni, Nb и Ti, составляет 0,2% или менее, в единицах % по весу, в расчете на сварочный материал для нижнего слоя многослойного сварного шва.

Далее будут конкретно описаны индивидуальные компоненты.

[0035] С: от 0,03 до 0,2%

Содержание углерода (С) в нижнем слое многослойного сварного шва согласно изобретению варьирует от 0,05 до 0,2%, и имеет место ситуация, где компонент основного материала превышает верхний предел диапазона содержания С в нижнем слое многослойного сварного шва. Принимая во внимание разбавление/сплавление с компонентом основного материала во время наплавки, желательно, чтобы нижний предел содержания С в сварочном материале был установлен на 0,03%, и его верхний предел был отрегулирован на 0,2%, по соображениям технологичности сварки и тому подобного, чтобы сделать содержание С в нижнем слое многослойного сварного шва попадающим в пределы вышеуказанного диапазона.

[0036] Si: от 0,1 до 1,0%

Содержание Si в нижнем слое многослойного сварного шва согласно изобретению варьирует от 0,1 до 1,0%. С учетом разбавления/сплавления с компонентом основного материала во время наплавки, содержание Si в сварочном материале желательно варьируется от 0,1 до 1,0%, чтобы сделать содержание Si в нижнем слое многослойного сварного шва попадающим в пределы вышеуказанного диапазона.

[0037] Mn: от 0,3 до 1,2%

Содержание Mn в нижнем слое многослойного сварного шва согласно изобретению варьируется от 0,3 до 1,5%, и существует ситуация, где компонент основного материала превышает верхний предел диапазона содержания Mn в нижнем слое многослойного сварного шва. Принимая во внимание разбавление/сплавление с компонентом основного материала во время наплавки, желательно, чтобы нижний предел содержания Mn в материале сварного шва составлял 0,3% для обеспечения действия в качестве раскислителя, и его верхний предел составлял 1,2%, чтобы не превысить верхний предел диапазона содержания компонента в нижнем слое многослойного сварного шва.

[0038] Cr: от 2,0 до 5,5%

Содержание Cr в нижнем слое многослойного сварного шва согласно изобретению варьируется от 4,0 до 7,7%. С учетом разбавления/сплавления с компонентом основного материала во время наплавки, содержание Cr в сварочном материале желательно варьируется от 2,0 до 5,5% для получения диапазона содержания компонента в нижнем слое многослойного сварного шва.

[0039] Мо: от 0,1 до 1,5%

Содержание Мо в нижнем слое многослойного сварного шва согласно изобретению варьируется от 0,5 до 1,5%. Принимая во внимание разбавление/сплавление с компонентом основного материала во время наплавки, желательно, чтобы содержание Мо в материале сварного шва варьировалось от 0,5 до 1,5% для получения диапазона содержания компонента в нижнем слое многослойного сварного шва.

[0040] В качестве загрязняющих примесей, содержащихся в сварочном материале, могут быть упомянуты Р, S, Cu, V, Ni, Nb, Ti, W, Co, В, и тому подобные.

[0041] В качестве загрязняющих примесей в нижнем слое многослойного сварного шва, согласно изобретению, допустимыми являются следующие: Р: 0,015% или менее, S: 0,015% или менее, и Cu: 0,2% или менее. Они представляют собой компоненты, которые ухудшают механические свойства и пригодность к сварке как многослойного сварного шва, так и основного материала, и в сварочном материале для нижнего слоя является желательным такой же диапазон содержания компонентов, как диапазон для нижнего слоя многослойного сварного шва.

[0042] V: 0,1% или менее

Ванадий (V) представляет собой компонент, содержащийся в основном материале. Для получения диапазона, то есть, 0,2% или менее, в нижнем слое многослойного сварного шва согласно изобретению, содержание V в сварочном материале желательно составляет 0,1% или менее, с учетом разбавления/сплавления во время сварки.

[0043] Сумма одного или более видов элементов, выбранных из группы, состоящей из Ni, Nb и Ti, составляет 0,2% или менее.

Никель (Ni) и ниобий (Nb) представляют собой элементы, содержащиеся в основном материале. Для получения содержания Ni: 0,3% или менее, и Nb: 0,07% или менее, которые представляют собой диапазоны для нижнего слоя многослойного сварного шва согласно изобретению, уровни содержания их в сварочном материале желательно являются настолько низкими, насколько возможно, с учетом разбавления/сплавления во время сварки.

Кроме того, титан (Ti) представляет собой элемент, который обычно едва ли содержится в основном материале. Однако, поскольку Ti усиливает образование неметаллических включений, когда присутствует, его содержание в сварочном материале желательно снижать, насколько это возможно. Поэтому сумма одного или более видов элементов, выбранных из группы, состоящей из Ni, Nb и Ti, желательно составляет 0,2% или менее.

[0044] Вольфрам (W), кобальт (Со) и бор (В) представляют собой компоненты, которые могут содержаться в основном материале. Для получения содержания W: 1,5% или менее, Со: 1,5% или менее, и В: 0,005% или менее, которые представляют собой диапазоны для нижнего слоя многослойного сварного шва согласно изобретению, уровни их содержания желательно являются настолько низкими, насколько возможно, в пределах диапазонов, неизбежно содержащихся в условиях обычного процесса изготовления сварочного материала.

[0045] <Верхний слой многослойного сварного шва>

Компоненты, составляющие верхний слой согласно изобретению, содержат С: от 0,05 до 0,2%, Si: от 0,1 до 1,0%, Mn: от 0,3 до 2,5%, Cr: от 1,0 до 4,0%, и Мо: от 0,5 до 1,5%, в единицах % по весу, и остальное количество включает Fe и неизбежные загрязняющие примеси.

Далее будут описаны обоснования того, как определяются компоненты верхнего слоя многослойного сварного шва согласно изобретению. В этой связи, все значения содержания далее представлены в единицах % по весу.

[0046] С: от 0,05 до 0,2%

Поскольку углерод (С) представляет собой необходимый элемент, добавляемый для придания опорной поверхности требуемой прочности, нижний предел его содержания устанавливают на 0,05%. Однако, поскольку ударная вязкость снижается, и становится высокой чувствительность к растрескиванию сварного шва, когда содержание его превышает 0,2%, верхний предел его регулируют на 0,2%.

[0047] Si: от 0,1 до 1,0%

Поскольку Si представляет собой элемент, необходимый в качестве раскислителя, или для обеспечения прочности, как показано для нижнего слоя наплавленного металла, его содержание ограничивают до величины по меньшей мере 0,1%. Однако, поскольку чрезмерное содержание Si содействует растрескиванию, такому как образование трещин при отжиге для снятия внутренних напряжений, и вызывает снижение ударной вязкости, верхний предел его регулируют на 1,0%. По таким же соображениям, нижний предел желательно устанавливать на 0,3%, и верхний предел желательно регулировать на 0,7%.

[0048] Mn: от 0,3 до 2,5%

Поскольку Mn представляет собой элемент, необходимый в качестве раскислителя, или для обеспечения прочности, подобно Si, нижний предел его содержания устанавливают на 0,3%. Однако, поскольку избыточное содержание Mn вызывает снижение ударной вязкости, верхний предел его регулируют на 2,5%. Из тех же соображений, нижний предел желательно устанавливать на 0,7%, и верхний предел желательно регулировать на 2,0%, и, кроме того, нижний предел более желательно регулировать на 1,0%.

[0049] Cr: от 1,0 до 4,0%

Хром (Cr) представляет собой важный элемент для обеспечения прочности и ударной вязкости. Для подавления отличия в содержании Cr от нижнего слоя и предотвращения образования феррита, нижний предел его устанавливают на 1,0%. Однако, поскольку в нижнем слое концентрируется деформация вследствие слишком высокой прочности, когда содержание превышает 4,0%, и в некоторых случаях может образовываться трещина во время отжига для снятия внутренних напряжений, верхний предел его регулируют на 4,0%.

[0050] Мо: от 0,5 до 1,5%

Поскольку молибден (Мо) образует выделившуюся фазу в виде карбида во время отжига для снятия внутренних напряжений, и повышает устойчивость к размягчению при отпуске, он является важным элементом для получения прочности после отжига для снятия внутренних напряжений. Для подавления концентрации деформаций во время отжига для снятия внутренних напряжений, нижний предел его содержания устанавливают на 0,5%. Однако, поскольку чрезмерное содержание его увеличивает чувствительность к растрескиванию при отжиге для снятия внутренних напряжений и обусловливает снижение ударной вязкости, верхний предел его регулируют на 1,5%.

[0051] Важные составляющие элементы верхнего слоя многослойного сварного шва являются такими, как упомянутые выше, и остальное количество по существу содержит Fe. Однако, кроме этого, незначительные количества неизбежных загрязняющих примесей, таких как S, Р и Ni, могут содержаться в диапазоне, где вышеуказанные свойства не ухудшаются. Устойчивость к заклиниванию может быть установлена превосходной при использовании вышеуказанного верхнего слоя многослойного сварного шва в качестве наплавляемого верхнего слоя на основе турбинного ротора из высокохромистой стали, и образование феррита может быть подавлено уменьшением разности в содержании Cr между нижним слоем и верхним слоем многослойного сварного шва.

В качестве неизбежных загрязняющих примесей могут содержаться Р: 0,015% или менее, S: 0,015% или менее, Cu: 0,2% или менее, V: 0,15% или менее, Ni: 0,3% или менее, и Nb: 0,07% или менее, в единицах % по весу, в расчете на верхний слой многослойного сварного шва. Далее будут описаны подробности.

[0052] Р: 0,015% или менее

Фосфор (Р) представляет собой загрязняющий элемент, который примешивается из сырьевого материала во время выплавки металлического материала. Поскольку Р может обусловливать снижение ударной вязкости, то желательно сокращать его содержание настолько, насколько возможно. Поэтому содержание Р устанавливают на 0,015% или менее.

[0053] S: 0,015% или менее

Сера (S) также представляет собой загрязняющий элемент, который примешивается из сырьевого материала во время выплавки металлического материала. Поскольку S может вызывать снижение ударной вязкости, то желательно сокращать ее содержание, насколько это возможно. Поэтому содержание S регулируют на 0,015% или менее.

[0054] Cu: 0,2% или менее

Поскольку Cu может содействовать снижению ударной вязкости многослойного сварного шва, верхний предел ее содержания устанавливают на 0,2% или менее.

[0055] V: 0,15% или менее

Ванадий (V) представляет собой элемент для повышения устойчивости к размягчению при отпуске, чтобы получить прочность после отжига для снятия внутренних напряжений. С другой стороны, в случае, если особую важность придают предотвращению растрескивания при отжиге для снятия напряжений, содержание V ограничивают. Поскольку V улучшает устойчивость к размягчению при отпуске, происходит концентрация деформаций в нижнем слое, и тем самым в некоторых случаях может возникать трещина во время отжига для снятия напряжений. Во избежание этого содержание V ограничивают до 0,15% или менее.

Между тем сварочный материал, содержащий более 0,15% V, может быть использован в сочетании, например, с тем, что растрескивания при отжиге для снятия напряжений избегают регулированием содержания V в многослойном сварном шве до 0,15% или менее, с использованием сварочного материала, имеющего низкое содержание V, в качестве нижнего слоя верхнего слоя, и регулированием содержания V в многослойном сварном шве для каждого из второго и последующих слоев, или по меньшей мере в части готового поверхностного слоя, который образует наиболее отдаленную поверхность верхнего слоя, на величину от 0,15 до 0,3%. В этом случае содержание Cr в многослойном сварном шве части готового поверхностного слоя желательно составляет 2,5% или менее, для предотвращения заклинивания. Хотя связь количества Cr с механизмом возникновения заклинивания не выяснена, специалисту с обычной квалификацией в этой области технологии хорошо известно из практического опыта, что опасность возникновения заклинивания возрастает, когда количество Cr превышает 2,5%.

[0056] Кроме того, количество V, содержащегося в верхнем слое многослойного сварного шва, предпочтительно является меньшим, чем количество V, содержащегося в нижнем слое многослойного сварного шва, по соображениям того, чтобы не возникала чрезмерная концентрация напряжений в нижнем слое.

[0057] Ni: 0,3% или менее

Поскольку чрезмерное содержание Ni может создавать возможность возникновения отпускной хрупкости, его содержание ограничивают значением не более 0,3%.

[0058] Nb: 0,07% или менее

Ниобий (Nb) улучшает устойчивость к размягчению при отпуске во время отжига для снятия внутренних напряжений и обеспечивает прочность при комнатной температуре. Однако, поскольку чрезмерное содержание его снижает ударную вязкость и также ухудшает пригодность к сварке, верхний предел его определяется в изобретении составляющим 0,07%.

[0059] Количество Cr, содержащегося в верхнем слое многослойного сварного шва, предпочтительно удовлетворяет следующему выражению (2):

Pcr(n)=(количество Cr в верхнем слое многослойного сварного шва в n-ном слое)×0,65-{количество Cr в верхнем слое многослойного сварного шва в (n-1)-ном слое - количество Cr в верхнем слое многослойного сварного шва в n-ном слое}×0,35>0,7…(2),

в котором, когда N представляет число слоев, составляющих многослойную секцию наплавки, 2≤n≤N.

Регулированием величины Pcr(n), представленной в вышеуказанном выражении (2), до значения, превышающего 0,7, с учетом разности между количеством Cr в верхнем слое многослойного сварного шва при n-ном слое, и количеством Cr в верхнем слое многослойного сварного шва при (n-1)-м слое, подавляется образование феррита на границах индивидуальных слоев. В этом отношении Pcr(2) означает расчетную величину, удовлетворяющую выражению (2) для верхнего слоя, который