電力中央研究所報告火力発電 Ni 基合金 Alloy 617 の母材および溶接継手の高温引張および疲労特性評価キーワード：先進超々臨界圧，ニッケル基超合金，溶接継手，引張，疲労背報告書番号：Ｑ１３００１景 Ni 基合金 Alloy 617 は、先進超々臨界圧発電プラント（A-USC）の有力な候補材料の一つである。しかしながら、熱膨張係数は従来の高 Cr フェライト鋼より大きく、AUSC プラントの蒸気温度も USC プラントより上昇することから、厚肉部に適用した場合発生する熱応力が大きくなる可能性がある。さらに、大型部材としての製造性の問題から、現在の USC プラントより溶接継手部が多くなる。したがって、A-USC プラントの実機部材としての健全性を確保するためには、Alloy 617 母材および溶接継手の熱応力による損傷を精緻に評価しなければならない。しかし、その評価に必要な低ひずみ速度下での引張特性や疲労特性は明らかにされていない。目的 Ni 基合金 Alloy 617 の母材および溶接継手の高温引張特性、繰返し変形特性および疲労寿命を把握する。主な成果 Alloy 617 の母材および溶接継手を用い、目標とされる蒸気温度である 700℃での引張および疲労試験を実施し、以下の知見を得た。 (1) 母材の 0.2%耐力は動的ひずみ時効（図 1）によりひずみ速度の低下に伴って大きくなったが、破断伸びは顕著に低下する傾向を示した。溶接継手試験片の 0.2%耐力は母材のそれより大きく、破断伸びは逆に小さくなった（図 2）。また、ひずみ速度の低下に伴い、破壊形態は粒内破壊から粒界破壊へ遷移することがわかった。 (2) 母材の真破断ひずみは、動的ひずみ時効領域で最も小さい値を示した。切欠き試験片の真破断ひずみは、多軸応力の効果により平滑試験片より小さいが、いずれも最小 10%程度の値を維持した（図 3）。 (3) 母材および溶接継手両方とも繰返し硬化特性を示し、寿命中期においては初期引張特性の相違によらず、それぞれ一定の応力－ひずみ関係注 1）を示すことがわかった（図 4）。全ひずみ範囲が同じ場合、溶接継手試験片の疲労寿命は母材より小さく、主き裂はすべて溶接金属で発生した（図 5）。また、応力振幅で母材および溶接継手の疲労寿命を統一的に整理できることがわかった（図 6）。今後の展開今後、同材料のクリープと疲労の重畳する負荷条件下での挙動を把握するとともに、高精度なクリープ疲労寿命評価法を開発する。動的ひずみ時効母材溶接継手 -1 10 %/s 10-4%/s BM 0.2  ○ □ ● ■ 700℃ WM 700℃ 粒界破壊(10-4%/s) WM BM 粒内破壊(10-1%/s) 破断位置：BM（母材）、WM（溶接金属）図 1 700℃での母材の応力－ひずみ関係および破面観察図 2 0.2%耐力と破断伸びのひずみ速度依存性全ひずみ範囲 1.0% 0.7% 0.5% 0.4% 第 1 サイクル ○ △ ▽ ◇ 寿命中期 ● ▲ ▼ ◆ 動的ひずみ時効領域引張応力－ひずみ関係 700℃ 700℃ 図 3 母材の真破断ひずみとひずみ速度との関係図 4 母材の引張変形と繰返し変形特性の比較注 1）主き裂母材溶接金属母材 0.7%での溶接継手試験片の破損写真 700℃ WM WM WM 700℃ 主き裂発生位置：WM（溶接金属）図 5 全ひずみ範囲による疲労寿命の整理注 1）図 6 応力振幅による疲労寿命の整理注 1）材料の繰返し変形特性は応力振幅－ひずみ振幅で表示し、疲労寿命は全ひずみ範囲で整理することが多い。研究担当者張聖徳（材料科学研究所構造材料領域）問い合わせ先電力中央研究所材料科学研究所研究管理担当スタッフ Tel. 046-856-2121(代) E-mail : [email protected] 報告書の本冊（PDF 版）は電中研ホームページ http://criepi.denken.or.jp/ よりダウンロード可能です。［非売品・無断転載を禁じる］ © 2014 CRIEPI 平成２６年４月発行１３－００７