(57)【要約】【課題】その部位毎に結晶組織の異なるボルトの製造方法、およびボルトを提供すること。【解決手段】  本発明の実施形態によれば、合金の粉末材をあらかじめ決められた厚みの層に形成する工程と、前記層に電子ビームを照射し、その照射箇所を溶融および凝固させる工程と、を繰り返してボルトを製造するボルトの製造方法であって、前記電子ビームの密度および走査速度の少なくとも一方を通して、前記凝固の速度および前記層内の温度勾配を制御する。【選択図】図１
2020132930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金の粉末材をあらかじめ決められた厚みの層に形成する工程と、
前記層に電子ビームを照射し、その照射箇所を溶融および凝固させる工程と、
を繰り返してボルトを製造するボルトの製造方法であって、
前記電子ビームの密度および走査速度の少なくとも一方を通して、前記凝固の速度および前記層内の温度勾配を制御するボルトの製造方法。
【請求項２】
前記ボルトは、
頭部と、
前記頭部から突出した首部と、
前記首部の前記頭部と対向する側から突出したねじ部と、
を備え、
前記首部の製造工程における電子ビームの走査速度は、前記ねじ部の製造工程における電子ビームの走査速度よりも遅い請求項１に記載されたボルトの製造方法。
【請求項３】
前記ボルトは、
頭部と、
前記頭部から突出した首部と、
前記首部の前記頭部と対向する側から突出したねじ部と、
を備え、
前記首部の製造工程における電子ビームのエネルギー密度は、前記ねじ部の製造工程における電子ビームのエネルギー密度よりも大きい請求項１または２に記載されたボルトの製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載された製造方法で製造されたボルト。
【請求項５】
頭部と、
前記頭部から突出し、一方向凝固組織で構成された首部と、
前記首部の前記頭部と対向する側から突出し、多結晶組織で構成されたねじ部と、
を備えるボルト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ボルトの製造方法およびボルトに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン発電設備の構成機器である蒸気タービンやガスタービンは、数百度から数千度程度の作動流体の膨張仕事によって回転駆動する。このようなタービン発電設備を構成するボルトには、作動流体の圧力、温度にも耐えうる程度の引張強度、クリープ強度、および疲労強度が求められる。
【０００３】
例えば、蒸気タービンやガスタービンに用いられるケーシングは、一般的に上半と下半とに二分割された構造を有しており、上半と下半とが複数のボルトを介して一体化されている。これらのボルトは、蒸気タービンやガスタービンの内部を流れる作動流体の圧力および温度に耐えうることが必要である。すなわち、ボルトの頭部およびねじ部には高温のクリープ強度が求められる。一方で、頭部とねじ部との間に位置するボルトの首部には、これらのボルトが締結されたケーシングの熱膨張による位置ずれ等にも耐えうる程度の引張強度および疲労強度が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−２１４９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的な金属材料で構成された部材の引張強度およびクリープ強度は、この部材の結晶組織によって変化することが知られている。すなわち、異方性がある結晶組織の場合には特定の結晶方位に対するクリープ強度が強くなり、異方性がなく多結晶の結晶組織の場合には引張強度が強くなることが知られている。例えば、上述したボルトのように部位毎に異なる強度が求められる構造においては、部位毎に強度を変えることができれば蒸気タービンやガスタービンの性能向上に有効であると考えられる。
【０００６】
ところで、従来のボルトの多くは鍛造によって製造されている。鍛造は部材に圧力を加えて成形するため、部材内部はその場所によらず同じ金属組織となり、ボルト部位毎に異なる結晶組織とすることが難しかった。
【０００７】
そこで、本願が解決しようとする課題は、その部位毎に結晶組織の異なるボルトの製造方法、およびボルトを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、実施形態のボルトの製造方法によれば、合金の粉末材をあらかじめ決められた厚みの層に形成する工程と、前記層に電子ビームを照射し、その照射箇所を溶融および凝固させる工程と、を繰り返してボルトの製造方法であって、前記電子ビームの密度および走査速度の少なくとも一方を通して、前記凝固の速度および前記層内の温度勾配を制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の実施形態によれば、その部位毎に結晶組織の異なるボルトの製造方法、およびボルトを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態におけるボルトの構成を示す図
【図２】実施形態における製造装置の模式図
【図３】ボルトに用いられる金属材料の結晶組織と温度勾配および凝固速度との対応を示す図
【図４】実施形態のボルトの製造方法を示す図であって、（ａ）はボルトを製造するまでの工程、（ｂ）はねじ部、首部、および頭部の各製造工程の詳細
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、実施形態におけるボルトの構成を示す図である。ここでいうボルトとは、例えば蒸気タービンやガスタービン等、高温高圧の作動流体で駆動するタービン機器に用いられるボルトである。ボルト１は、ねじ部１ａと、首部１ｂと、頭部１ｃとを備える。なお、以降の説明においては、ボルト１のねじ部１ａから頭部１ｃに向かう走査方向を長手方向とし、ねじ部１ａ側を長手方向下側、頭部１ｃ側を長手方向上側という。
【００１２】
ねじ部１ａは、タービン機器の雌ねじ部（図示省略）に螺合される雄ねじ部を構成する。このねじ部１ａは、タービン機器の雌ねじ部（図示省略）と接するため、この雌ねじ部（図示省略）から受ける力に耐えうる必要がある。また、ねじ部１ａは、タービン機器に流入する作動流体の温度にも耐えうる必要がある。したがって、雌ねじ部（図示省略）から受ける力と、作動流体の温度にも耐えうる程度の引張強度と疲労強度とを備えるために、ねじ部１ａは多結晶組織で構成されている。
【００１３】
首部１ｂは、ねじ部１ａの長手方向上側に設けられる。この首部１ｂは、ボルト１により締結された部材間の熱伸びに耐えうる程度のクリープ強度を備えるために、結晶の異方性を持つ結晶組織（一方向凝固した結晶組織）で構成されている。
【００１４】
頭部１ｃは、首部１ｂの長手方向上側に設けられる。頭部１ｃは、長手方向からみた場合の直径がねじ部１ａよりも大きく形成されている。頭部１ｃは、ボルト１の設置位置により作動流体に直接さらされる可能性があるため、作動流体の圧力、温度にも耐えうる程度の引張強度と疲労強度とを備えるべく多結晶組織で構成されている。
【００１５】
すなわち、ボルト１は、頭部１ｃの長手方向下側から首部１ｂが突出し、首部１ｂの長手方向下側からねじ部１ｃが突出している。
【００１６】
次に、ボルト１の製造装置１０について図２を用いて説明する。図２は、実施形態における製造装置の模式図である。この製造装置１０は、三次元積層造形プロセスを利用した装置である。
【００１７】
製造装置１０は、基台１１と、昇降台１２と、粉末材供給装置１３と、電子ビーム照射装置１４と、制御装置１５とを備える。
【００１８】
基台１１は、ボルト１を製造する際の基準面となる部分である。
【００１９】
昇降台１２は、基台１１と共にボルト１を製造するための作業台を構成する。この昇降台１２は、鉛直方向（ｚ方向）に移動可能である。
【００２０】
粉末材供給装置１３は、ボルト１の材料である粉末材１３ａを供給する装置である。粉末材１３ａは、一般的なボルトに用いられる金属材料の粉末、例えばニッケル基合金やニッケル−フェライト基合金などの粉末である。
【００２１】
電子ビーム照射装置１４は、粉末材１３ａに対してエネルギービームである電子ビーム１４ａを照射し、この粉末材１３ａを溶融させる。この詳細な説明については後述する。
【００２２】
制御装置１５は、電子ビーム照射装置１４に対して、電子ビーム１４ａの持つ電子エネルギー、電子ビーム１４ａを照射する走査方向（ｘ方向またはｙ方向）、およびその走査速度に関する制御信号を送信する。電子ビーム照射装置１４は、制御装置１５から受信する制御信号に基づいて、電子ビーム１４ａを照射する走査方向と、走査速度とを制御する。なお、本実施形態の他の構成として、例えば制御装置１５からの制御信号に基づいて、粉末材１３ａが供給された基台１１をｘ方向またはｙ方向に可動させるような構成としてもよい。
【００２３】
次に、ボルト１の金属材料について、図３を用いて説明する。図３は、ボルトに用いられる金属材料の結晶組織と温度勾配および凝固速度との関係を示す図である。
【００２４】
図３に示すように、ボルト１に用いられる金属材料は、製造工程における金属材料の温度勾配（Ｇ）と金属材料の凝固速度（Ｒ）とにより、その結晶組織を（ａ）多結晶組織、（ｂ）一方向凝固組織、（ｃ）単結晶組織に変化させることができる。本実施形態では、粉末材１３ａを（ａ）多結晶組織または（ｂ）一方向凝固組織に変化させてボルト１を製造する。
【００２５】
具体的には、温度勾配（Ｇ）を小さくかつ凝固速度（Ｒ）を速くした場合（図３に示す（ａ）の領域）、結晶組織は多結晶組織になる。この多結晶組織は、結晶粒が小さく、引張強度と疲労強度とに優れた結晶構造を形成する。一方、多結晶組織の場合と比べて温度勾配（Ｇ）を大きくかつ凝固速度（Ｒ）を遅くした場合（図３に示す（ｂ）の領域）、結晶組織は異方性を持つ結晶組織（一方向凝固組織）になる。一方向凝固した結晶組織は、特定の結晶軸方向への結晶成長した結晶組織であり、結晶粒が大きく、所定の方向に対するクリープ強度に優れた結晶構造を形成する。なお、図３に示す関係は、あらかじめ実験等により、粉末材１３ａの種類ごとに求めておくことが好ましい。
【００２６】
本実施形態において、温度勾配（Ｇ）である粉末材１３ａの温度差は、粉末材１３ａに照射される電子ビーム１４ａの電子エネルギー密度により、粉末材１３ａの凝固速度（Ｒ）は、粉末材１３ａに照射される電子ビーム１４ａの走査速度により、それぞれ制御している。
【００２７】
次に、製造装置１０によるボルト１の製造方法について、図３および図４を用いて説明する。図４は、実施形態のボルトの製造方法を示す図であって、（ａ）はボルトを製造するまでの工程を、（ｂ）は、ねじ部、首部、および頭部の各製造工程の詳細をそれぞれ示す。
【００２８】
図４（ａ）に示すように、ボルト１はねじ部１ａ、首部１ｂ、頭部１ｃの順に製造される。以降の説明では、ねじ部１ａ、首部１ｂ、および頭部１ｃのそれぞれの製造方法について説明する。
【００２９】
あらかじめ、ねじ部１ａ、首部１ｂ、および頭部１ｃそれぞれの三次元ＣＡＤ図面について、ボルト１の長手方向（ねじ部１ａの長手方向）に対して垂直に、決められた厚みで複数の層に分割し、分割した各層に対応したデータを作成する。具体的には、電子ビーム照射装置１４が各層に電子ビームを照射する位置、照射エネルギー量、走査速度、走査方向等のデータを作成する。ここでは、ねじ部１ａ、首部１ｂ、頭部１ｃのそれぞれについて、長手方向下側の層から第一の層、第二の層等と順次呼称することとし、長手方向における最も上側の層を第ｎの層という。また、第一の層を示すデータを第一のデータ、第二の層を示すデータを第二のデータ、第ｎの層を示すデータを第ｎのデータなどという。
【００３０】
（ねじ部１ａを製造する工程）
図４（ｂ）に示すように、粉末材供給装置１３が、基台１１および昇降台１２の間の空間に粉末材１３ａを供給して、昇降台１２上に粉末材１３ａの層（あらかじめ決められた厚みの層）を形成する（Ｓ１）。続いて、制御装置１５からの制御信号により、電子ビーム照射装置１４が粉末材１３ａの層に対して、粉末材１３ａの層が溶融しない程度の低い電子エネルギーを持つ電子ビーム１４ａを照射する（Ｓ２）。この工程は、ねじ部１ａの各層を造形する前に粉末材１３ａの層を予熱するための工程である。
【００３１】
続いて、制御装置１５からの制御信号に基づいて、電子ビーム照射装置１４は、走査方向、走査速度、および電子エネルギーが制御された電子ビーム１４ａを粉末材１３ａの層に照射する（Ｓ３）。このとき、電子ビーム１４ａの走査方向は、ねじ部１ａの第一のデータに基づいて粉末材１３ａの所定の箇所にのみ照射される。一方、電子ビーム１４ａの走査速度および電子エネルギーは、電子ビーム１４ａが照射された箇所が多結晶組織を形成する（図３に示す（ａ）の領域）ように制御されている。
【００３２】
粉末材１３ａの層のうち、電子ビーム１４ａが照射された箇所は電子ビーム１４ａの電子エネルギーによって溶融し（Ｓ４）、その後、温度の低下と共に凝固してねじ部１ａの第一の層が製造される（Ｓ５）。すなわち、粉末材１３ａに照射される電子ビーム１４ａの電子エネルギー密度を少なくして、電子ビームが照射された箇所と照射されていない箇所との温度勾配（Ｇ）を小さくすると共に、電子ビーム１４ａの走査速度を速めて凝固速度（Ｒ）を速くする。
【００３３】
ねじ部１ａの第一の層製造後、第二から第ｎまでの各層については、ステップＳ１からＳ５の工程を繰り返し経て製造される。すなわち、１からｎまでの整数をｉとすると、第ｉの層は、第（ｉ−１）の層製造後（第０の層製造後とは、第一の層製造前の初期状態を表す）に、ステップＳ１からＳ５の各工程を経て、第（ｉ−１）の層上に製造される。ただし、第ｉの層を製造する場合のステップＳ３においては、第ｉのデータに基づいて粉末材１３ａの所定の箇所にのみ電子ビーム１４ａが照射されるように制御されている。このとき、層を重ねるごとに電子エネルギー密度および走査速度の少なくとも一方を変化させて、第（ｉ−１）の層が冷却される前に第ｉの層を積層および加工し、必要な温度勾配（Ｇ）と凝固速度（Ｒ）とを得る。例えば、第一から第ｎの各層に照射される電子エネルギー密度を一定として、層を重ねるごとに電子ビーム１４ａの走査速度を遅くすることで、第（ｉ−１）の層と第ｉの層との間の温度勾配（Ｇ）を緩やかにして、多結晶組織を得る。
【００３４】
第ｎの層まで製造されていない場合（Ｓ６のＮｏ）は、第ｎの層が製造されるまでステップＳ１からＳ５を順次繰り返し、第ｎの層まで製造された場合（Ｓ６のＹｅｓ）は、制御装置１５からの制御信号に基づき、ねじ部１ａの製造を終了する。
【００３５】
（首部１ｂを製造する工程）
首部１ｂは、ねじ部１ａの製造後に製造される。その製造方法は、ねじ部１ａの第一の層から第ｎの層までをそれぞれ製造する方法と同様である。すなわち、昇降台１２をｚ方向下向きに移動して、粉末材供給装置１３から、ねじ部１ａの第ｎの層上に粉末材１３ａを供給して、新たに粉末材１３ａの層を形成する（Ｓ１）。以降、ねじ部１ａと同様に、ステップＳ２からＳ５の各工程を繰り返し経て、首部１ｂの第一の層から第ｎの層までの各層が順次製造される。このとき、電子ビーム照射装置１４から照射される電子ビーム１４ａの走査速度および電子エネルギーは、電子ビーム１４ａが照射された箇所が一方向凝固組織を形成する（図３に示す（ｂ）の領域）ように制御されている。すなわち、粉末材１３ａに照射される電子ビーム１４ａの電子エネルギー密度を多くして、電子ビームが照射された箇所と照射されていない箇所との温度勾配（Ｇ）を大きくすると共に、電子ビーム１４ａの走査速度を、ねじ部１ａと比べて遅くして凝固速度（Ｒ）を遅くする。
【００３６】
このとき、層を重ねるごとに電子エネルギー密度および走査速度の少なくとも一方を変化させて、第（ｉ−１）の層が冷却される前に第ｉの層を積層および加工し、必要な温度勾配（Ｇ）と凝固速度（Ｒ）とを得る。例えば、第一から第ｎの各層に照射される電子エネルギー密度を一定として、層を重ねるごとに電子ビーム１４ａの走査速度を速くすることで、第（ｉ−１）の層と第ｉの層との間の温度勾配（Ｇ）を急にして、一方向凝固組織を得る。
【００３７】
（頭部１ｃを製造する工程）
頭部１ｃは、首部１ｂの製造後に製造される。頭部１ｃの第一の層から第ｎの層までの各層は、ねじ部１ａと同様にそれぞれ製造される。すなわち、昇降台１２をｚ方向下向きに移動して、粉末材供給装置１３から、首部１ｂの第ｎの層上に粉末材１３ａを供給して、新たに粉末材１３ａの層を形成する（Ｓ１）。以降、ねじ部１ａおよび首部１ｂと同様に、ステップＳ２からＳ５を繰り返し経て、頭部１ｃの第一の層から第ｎの層までの各層が順次製造される。このとき、電子ビーム照射装置１４から照射される電子ビーム１４ａの走査速度および電子エネルギーは、電子ビーム１４ａが照射された箇所が多結晶組織を形成する（図３に示す（ａ）の領域）ように制御されている。
【００３８】
なお、頭部１ｃが製造された後には、電子ビーム１４ａが照射されていない粉末材１３ａ（パウダーベッド）を含む積層物を熱処理し、さらにこの積層物に切削加工を施して、ボルト１を削り出す。こうして、ボルト１が製造される。
【００３９】
すなわち、本実施形態においては、製造装置１０による三次元積層造形プロセスにおいて、電子ビーム照射装置１４から照射される電子ビーム１４ａの照射箇所だけでなく、電子エネルギーや走査速度という条件をボルト１の構成部位に応じて変化させながら、ボルト１を製造している。これにより、ねじ部１ａおよび頭部１ｃの結晶組織は多結晶組織を形成し、タービンの作動流体の圧力、温度にも耐えうる程度の引張強度と疲労強度とを備えることができる。一方、首部１ｂの結晶組織は結晶の異方性を持つ結晶組織（一方向凝固組織）を形成し、作動流体を導いても塑性変形しない程度のクリープ強度を備えることができる。
【００４０】
上述した実施形態によれば、電子ビーム照射装置１４からの電子ビーム１４ａの条件を制御することで、構成部位それぞれの結晶組織を制御し、作動流体の温度域での使用に適したボルト１を製造することができる。
【００４１】
なお、本実施形態においては、電子ビーム１４ａの照射箇所の他に、電子ビーム１４ａの電子エネルギーおよび走査速度を制御して、ねじ部１ａ、首部１ｂ、および頭部１ｃのそれぞれの結晶組織を制御する場合を例示して説明したが、例えば電子エネルギーと走査速度の一方を制御して、これら結晶組織を制御してもよい。
【００４２】
また、本実施形態においては、頭部１ｃと首部１ｂとの境界面、および首部１ｂとねじ部１ａとの境界面において結晶組織が変化する場合を例示して説明したが、この結晶組織が変化する境界は必ずしもボルト１を構成する各部材の境界面でなくともよい。すなわち、頭部１ｃと、首部１ｂの頭部１ｃとの境界面を含む一部の領域が多結晶組織で構成されていてもよいし、首部１ｂと、ねじ部１ａの首部１ｂとの境界面を含む一部の領域が一方向凝固組織で構成されていてもよい。あるいは、ねじ部１ａと、首部１ｂのねじ部１ａとの境界面を含む一部の領域が多結晶組織で構成されていてもよいし、首部１ｂと、頭部１ｃの首部１ｂとの境界面を含む一部の領域が一方向凝固組織で構成されていてもよい。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１．ボルト、１ａ．ねじ部、１ｂ．首部、１ｃ．頭部、１０．製造装置、１１．台、１２．昇降台、１３．粉末材供給装置、１３ａ粉末材、１４．電子ビーム照射装置、１４ａ．電子ビーム、１５．制御装置
【図１】
2020132930.tif 000003
【図２】
2020132930.tif 000004
【図３】
2020132930.tif 000005
【図４】
2020132930.tif 000006