(57)【要約】【課題】蒸気タービンロータ（１０、２０）の１以上の領域（１０、２２、２４）のようなロータ（１０、２０）で使用するのに適した合金、並びにその合金で形成した鍛造ロータ（１０、２０）を提供する。【解決手段】本合金は、０．２０〜０．３０重量％の炭素、０．８０〜１．５重量％のクロム、０．８０〜１．５重量％のモリブデン、０．５０〜０．９０重量％のバナジウム、０．３０〜０．８０重量％のニッケル、０．０５〜０．１５重量％のチタン、０．２０〜１．０重量％のマンガン及び０．００５〜０．０１２重量％のホウ素、並びに残部の鉄、任意に微量の他の合金成分及び不可避不純物からなる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鍛造タービンロータ（１０、２０）の少なくとも一部（１０、２２、２４）を形成する合金であって、
０．２０〜０．３０重量％の炭素、０．８０〜１．５重量％のクロム、０．８０〜１．５重量％のモリブデン、０．５０〜０．９０重量％のバナジウム、０．３０〜０．８０重量％のニッケル、０．０５〜０．１５重量％のチタン、０．２０〜１．０重量％のマンガン及び０．００５〜０．０１２重量％のホウ素、並びに残部の鉄、任意に微量の他の合金成分及び不可避不純物からなる、合金。
【請求項２】
０．０１５重量％以下のアルミニウムを含む、請求項１記載の合金。
【請求項３】
０．９０〜１．３重量％のクロム、１．０〜１．５重量％のモリブデン、０．６０〜０．８０重量％のバナジウム、０．２０〜０．２５重量％の炭素、０．０７〜０．１２重量％のチタン、０．００５〜０．０１０重量％のホウ素、０．６５〜０．８５重量％のマンガン、０．３０〜０．６０重量％のニッケル、０．２５重量％以下のケイ素、残部の鉄及び不可避不純物からなる、請求項１記載の合金。
【請求項４】
炭素、クロム、モリブデン、バナジウム、ニッケル、チタン、マンガン、ホウ素、鉄及び不可避不純物からなる、請求項１又は請求項３のいずれか１項記載の合金。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の合金で鍛造した少なくとも第１の部分（１０、２２、２４）を有する、タービンロータ（１０、２０）。
【請求項６】
前記合金によって全体を形成した一体構造ロータ鍛造品で形成される、請求項５記載のタービンロータ（１０、２０）。
【請求項７】
前記第１の部分（１０、２２、２４）が、該ロータ（１０、２０）の高圧領域（２２）を含む、請求項５記載のタービンロータ（１０、２０）。
【請求項８】
前記第１の部分（１０、２２、２４）が、該ロータ（１０、２０）の中圧領域（２４）を含む、請求項５記載のタービンロータ（１０、２０）。
【請求項９】
前記第１の部分（１０、２２、２４）が、該ロータ（１０、２０）の高圧及び中圧領域（２２、２４）を含む、請求項５記載のタービンロータ（１０、２０）。
【請求項１０】
該タービンロータ（１０、２０）が、蒸気タービンロータ（１０、２０）である、請求項４乃至請求項９のいずれか１項記載のタービンロータ（１０、２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には蒸気タービンで使用するものを含むタービンロータに関する。より具体的には、本発明は、蒸気タービンロータの高圧及び中圧段で使用するのに適しかつそのようなロータの高温特性を増大させることができる合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン、ガスタービン、ガスタービンエンジン及びジェットエンジンで使用するロータは、その軸方向長さに沿って一連の作動条件を受ける。異なる作動条件は、１つの作動条件を満たすように最適化した材料は別の作動条件を満たすのに最適でない可能性があるので、好適なロータ材料の選択及びロータの製造を困難にする。例えば、蒸気タービンロータの入口及び排出領域は、異なる材料特性要件を有する。蒸気タービンの入口側における高圧（ＨＰ）段内の高温かつ高圧条件は一般的に、相対的に中程度の靭性であるが高いクリープ破断強度を有する材料を必要とする。一方、蒸気タービンの排出側における低圧（ＬＰ）段は、同レベルの高温クリープ強度を必要とないが、好適な材料は一般的に、排出領域で使用される長尺タービンブレードによって受ける高い負荷のために、非常に高い靭性を示す必要がある。
【０００３】
単一の化学的性質のモノリシック（一体構造）ロータ（つまり、組立体でないロータ）は、上記した理由でＬＰ、ＩＰ及びＨＰ段の各々の特性要件を満たすことができないので、異なる化学的性質のセグメントを組立てることによって構成したロータが、広く使用されている。例えば、大型の蒸気タービンは一般的に、タービンの異なるセクションで使用する別個のシェル又はフード内に収容された別個のロータセグメントで構成されたボルト止め構成を有する。現在のところ、蒸気タービン産業では、ＨＰ段用にＣｒＭｏＶ低合金鋼（一般的に、約１重量％のクロム、１重量％のモリブデン、０．２５重量％のバナジウム、０．３重量％以下の炭素、残部の鉄及び場合によってはケイ素、マンガンなどの少量の添加物）が好んで使用され、またＬＰ段用にＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼が好んで使用されている。ＮｉＭｏＶ低合金鋼もまた、様々な段用の材料として広く使用されている。ＣｒＭｏＶ合金の具体的な実施例は、１．０〜１．５重量％のクロム、１．０〜１．５重量％のモリブデン、０．２〜０．３重量％のバナジウム、０．２５〜０．３５重量％の炭素、０．２５〜１．００重量％のマンガン、０．２〜０．７５重量％のニッケル、０．３０重量％以下のケイ素、残部の鉄及び不可避不純物を含み、例えば不可避不純物は、０．０１０重量％以下のリン、０．０１０重量％以下の硫黄、０．０１０重量％以下のスズ、０．０２０重量％以下のヒ素及び０．０１５重量％以下のアルミニウムを含む。
【０００４】
ＣｒＭｏＶ低合金鋼組成物で製作したロータが広く使用されているが、ＣｒＭｏＶ鋼の現在の最大設計温度は、約１０５０°Ｆ（約５６５℃）である。蒸気タービン効率を増大させるために、例えば最大約１０６５°Ｆ（約５７５℃）までのようなより高い入口温度が求められるので、様々なレベルのＭｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｂを含んだクロム鋼合金（一般的に、約９〜１４重量％のクロム）を一般的に使用して、蒸気タービンのＨＰ段におけるより高い温度条件を満たさなければならない。これらの合金で製造したロータ鍛造品は、蒸気タービンのＨＰ段内で５６５℃を超える温度で動作することができるが、より高額なコストが発生し、またロータのより低温段で使用する合金との熱膨張不整合に対処するための付加的対策を必要とすることが多い。
【０００５】
様々な他の用途における所望の特性を達成するために、ＣｒＭｏＶ低合金鋼に対する改良が行なわれてきた。例えば、蒸気タービン用途で使用するＣｒＭｏＶボルト鋼は、アルミニウム、ホウ素及び／又はチタンの添加物を含んで高温強度及び延性を改善することができる。実施例には、７ＣｒＭｏＶＴｉＢ１０−１０及び２０ＣｒＭｏＶＴｉＢ４−１０と表された合金が含まれる。１つのそのようなボルト合金組成は、０．９〜１．２重量％のクロム、０．９〜１．１重量％のモリブデン、０．６〜０．８重量％のバナジウム、０．３５〜０．７５重量％のマンガン、０．１７〜０．２３重量％の炭素、０．０７〜０．１５重量％のチタン、０．０１５〜０．０８０重量％のアルミニウム、０．００１〜０．０１０重量％のホウ素、０．２０重量％以下のニッケル、０．４０重量％以下のケイ素、０．０２０重量％以下のリン、０．０２０重量％以下の硫黄、０．０２０重量％以下のスズ、０．０２０重量％以下のヒ素及び残部の鉄を含むと報告されている。具体的な市販の実施例は、Ｄｕｒｅｈｅｔｅ１０５５の名称の下でＣｏｒｕｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｓｔｅｅｌｓから入手可能であり、１重量％のクロム、１重量％のモリブデン、０．７重量％のバナジウム、０．５重量％のマンガン、０．２５重量％のケイ素、０．２重量％の炭素、０．１重量％のチタン、０．０４重量％のアルミニウム、０．００３重量％ホウ素及び残部の鉄を含むと報告されている。ホウ素は、ＣｒＭｏＶ合金で形成したボルトの強化相として役立つＶ4Ｃ3炭化物を安定化させると報告され、またチタンは、溶液から窒素を除去して窒化ホウ素沈殿物の形成を防止すると報告されている。しかしながら、ホウ素は、使用が限定的であることがわかり、またチタンは、それでロータを鍛造するＣｒＭｏＶ合金への添加物として使用されないと思われる。さらに、鍛造蒸気タービンロータは、例えば蒸気タービン用途で使用して２つのロータセクションを互いに保持するか又は蒸気閉込めのために２つのシェル半部分を互いに保持するボルトに比べて大いに異なる特性要件を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６７５５９２０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、例えば蒸気タービンロータの１以上の領域のようなロータで使用するのに適した合金、並びにその合金で形成した鍛造ロータを提供する。具体的には、本発明は、それで形成したロータが蒸気タービンの高圧段で使用するための例えば耐クリープ性のような特性の改善を示すことが可能である高温特性を促進するようなＣｒＭｏＶ低合金鋼に対する改良を含む。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様によると、本合金は、（重量で）、０．２０〜０．３０重量％の炭素、０．８０〜１．５重量％のクロム、０．８０〜１．５重量％のモリブデン、０．５０〜０．９０重量％のバナジウム、０．３０〜０．８０重量％のニッケル、０．０５〜０．１５重量％のチタン、０．２０〜１．０重量％のマンガン及び０．００５〜０．０１２重量％のホウ素、並びに残部の鉄、任意に微量の他の合金成分及び不可避不純物からなる。本合金は、一体構造鍛造品であることを必要とする高圧（ＨＰ）ロータ、一体構造鍛造品であることを必要とする中圧（ＩＰ）ロータ及び一体構造鍛造品であることを必要とする結合ＨＰ−ＩＰロータのような蒸気タービン用途に適用することができる。本合金はまた、異なる合金組成物で形成した低圧（ＬＰ）ロータセクションに取付けられた（例えば、ボルト止め又は溶接した）ＨＰ又はＩＰロータセクションとして使用するのに適している。
【０００９】
本発明の別の態様は、上記した合金で鍛造した少なくとも一部を有するタービンロータである。本合金の化学的性質は、チタン及びホウ素を含むＣｒＭｏＶボルト合金と同様であるが、ＣｒＭｏＶボルト合金は、より小径の棒ストックであることを必要とするボルト用途のために開発され、一方、本合金の化学的性質及び熱処理は、ＨＰ及びＩＰロータ用途要件に対処することができる大径の鍛造品の製造用に修正される。
【００１０】
本発明の大きな利点は、本合金が、例えば最大約１０６５°Ｆ（約５７５℃）までのような約１０５０°Ｆ（約５６５℃）以上の温度において、従来型のＣｒＭｏＶ合金に比べて大きいクリープ強度の向上した微細構造安定性を示すことができることである。その結果、９〜１２％クロム耐熱合金のような合金に関連する大幅に高額なコストの手段に頼る必要なく蒸気タービンの性能及び効率の強化を達成することができるより高いＨＰ入口温度が可能になる。さらに、従来型のＣｒＭｏＶ合金鋼と異なる熱膨張係数を有する９〜１２％クロム合金及びその他の合金の使用を回避することによって、本発明の合金で製造した鍛造品は、既存の蒸気タービンユニットの性能強化用の改造パッケージの一部として補修整備市場において、並びに新たな蒸気タービン設計において利用することができる。
【００１１】
本発明の他の態様及び利点は、以下の詳細な説明から一層良く分るであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の合金で製造することができる一体構造蒸気タービンロータ鍛造品を概略的に表す図。
【図２】異なる材料で形成したＬＰロータ鍛造品にボルト止め又は溶接などで取付けられたＨＰロータ鍛造品を含む蒸気タービンロータを概略的に表す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、図１に表すタイプの一体構造（ワンピース）ロータ鍛造品１０のような、蒸気タービン用途で使用するのに適した合金に関連する。図１に表すタイプの蒸気タービン一体構造ロータ鍛造品は、例えば塩基性電気、電気アーク、取鍋精錬、真空ストリーム脱ガス、真空炭素脱酸（ＶＣＤ）、真空ケイ素脱酸（ＶＳＤ）などの標準インゴット溶融／鋳造法、或いはエレクトロスラグ再溶融（ＥＳＲ）、又は真空アーク再溶融（ＶＡＲ）のような消耗電極溶融法を用いて製造することができる。加えて合金は、例えば米国特許第６９６２４８３号（Ｓｃｈｗａｎｔ他）、同第６９７１８５０号（Ｇａｎｅｓｈ他）及び同第７０６５８７２号（Ｇａｎｅｓｈ他）による複数合金一体構造（ワンピース）ロータ鍛造品の製造で用いることができ、複数合金一体構造ロータの鋳造及び鍛造に関するこれら特許の内容は、参考文献として本明細書に組入れている。
【００１４】
それに代えて、合金は、別の材料のＬＰロータ鍛造セクション又は別のＨＰロータ鍛造セクションにボルト止めするか又は溶接するかのいずれかとして、図２に表すタイプの結合蒸気タービンロータ組立体２０を製造することができるＨＰ又はＩＰロータ鍛造セクションを製造するのに使用することができると予測できる。例えば最新式発電蒸気タービンなど蒸気タービンの異なる段に適した特性を達成するためには、異なる合金化学的性質を用いて図２におけるロータ組立体２０の異なる部分を形成するのが好ましい。例えば、高圧（ＨＰ）セクション２２、中圧（ＩＰ）セクション２４及び低圧（ＬＰ）セクション２６では、異なる合金を用いることができる。図２のロータ組立体２０用の合金は、蒸気タービン内でのそのそれぞれの位置に最適である機械的及び物理的特性を有するように選択されるのが好ましい。それによって、ＨＰ、ＩＰ及びＬＰ合金用の組成は異なるが、そのそれぞれの領域内ではほぼ同一であり、引張強度、破壊靱性、破断強度、クリープ強度及び熱安定性のようなロータ組立体２０の異なるセクション２２、２４及び２６に要求される異なる特性、並びにコスト目標を取得することになることが多い。ロータ組立体２０のＬＰセクション２６で用いるのに適した注目に値する市販の合金には、従来型のＮｉＣｒＭｏＶ型タイプの低合金鋼が含まれ、また最大１０５０°Ｆまでの用途でのロータ組立体２０のＨＰ及びＩＰセクション２２及び２４用の注目に値する市販の合金には、従来型のＣｒＭｏＶ合金鋼を含む。
【００１５】
図１の一体構造ロータ鍛造品１０並びに図２のＨＰ及び／又はＩＰロータセクション２２及び２４が、例えば約１０６５°Ｆ（約５７５℃）など１０５０°Ｆ（約５６５℃）より高い入口温度で作動することができるのに必要な機械的特性を達成するためには、合金の化学的性質は、その組成がこれらのより高温での特性を改善するように調整したＣｒＭｏＶ低合金鋼に基づいている。具体的には、本合金鋼は、０．２０〜０．３０重量％の炭素、０．８０〜１．５重量％のクロム、０．８０〜１．５重量％のモリブデン、０．５０〜０．９０重量％のバナジウム、０．３０〜０．８０重量％のニッケル、０．０５〜０．１５重量％のチタン、０．２０〜１．０重量％のマンガン及び０．００５〜０．０１２重量％のホウ素、並びに残部の鉄、任意に微量の他の合金成分及び不可避不純物の組成を有し、例えば不可避不純物は、０．００８重量％以下のリン、０．０１０重量％以下の硫黄、０．００８重量％以下のスズ、０．０１５重量％以下のヒ素及び０．０１５重量％以下のアルミニウムを含む。本合金のより具体的な組成は、０．２０〜０．２５重量％の炭素、０．９０〜１．３重量％のクロム、１．０〜１．５重量％のモリブデン、０．６０〜０．８０重量％のバナジウム、０．３０〜０．６０重量％のニッケル、０．０７〜０．１２重量％のチタン、０．６５〜０．８５重量％のマンガン、０．００５〜０．０１０重量％のホウ素、残部の鉄及び不可避不純物である。本合金の好適な目標組成は、約１．１重量％のクロム、１．２５重量％のモリブデン、０．７重量％のバナジウム、０．２５重量％の炭素、０．１１重量％のチタン、０．００９重量％のホウ素、０．７５重量％のマンガン、０．５０重量％のニッケル、残部の鉄及び不可避不純物であると考えられる。
【００１６】
本合金は、鍛造ロータ、具体的に蒸気タービンロータのＨＰ領域及び任意にＩＰ領域で用いる時に利点を提供すると考えられる。例えば、ホウ素及びチタンの両方を含有することは、例えば最大約１０６５°Ｆ（約５７５℃）及び場合によってはそれ以上までのような約１０５０°Ｆ（約５６５℃）以上の温度での微細構造安定性を促進して、従来型のＣｒＭｏＶ合金に対してクリープ強度の増強をもたらすと考えられる。そのようなＨＰ入口設計温度の上昇は、最大約１５°Ｆ（約１０℃）までのかなり小さな上昇のように思えるが、９〜１２％クロム耐熱合金のような他の合金に関連する大幅に高額なコストの手段に頼る必要なく蒸気タービンの性能及び効率の強化を達成することができることになる。さらに、その熱膨張係数が従来型のＣｒＭｏＶ合金鋼と異なる９〜１２％クロム合金及びその他の合金の使用を回避することによって、本発明の合金で製造した鍛造品は、既存の蒸気タービンユニットの性能強化用の改造パッケージの一部として補修整備市場において、並びに新たな蒸気タービン設計において利用することができる。
【００１７】
この上記した合金は、これ迄は蒸気ボルト用途のみに適用されていた公称１％ＣｒＭｏＶＴｉＢ合金に基づいている。蒸気ボルト用途に対して、ロータ鍛造用途は、大幅に大きい直径を備えた鍛造品の製造を必要とする。例えば、ＨＰ及びＩＰロータ鍛造品は一般的に、約２０〜約４８インチ（約５０〜約１２０ｃｍ）の範囲の最終鍛造品の最大直径で製造される。その結果、ボルト用途のための公称１％ＣｒＭｏＶＴｉＢの化学的性質は、より大きな直径のロータ鍛造品の製造のために必然的に調整された。例えば、目標マンガンレベルは、合金の硬化性を改善するように増加され、目標ニッケルレベルは、合金の硬化性及び破壊靱性を改善するように増加され、かつ目標アルミニウムレベルは、最終製品に保持されることになる酸化物の形成を回避するように低減された。
【００１８】
前述のように、本発明の合金は、鋳造及び鍛造して、図１に示すタイプの一体構造（ワンピース）ＨＰ又はＩＰロータ鍛造品１０、並びに必要に応じて図２の複数合金ロータ組立体２０のＨＰ及びＩＰセクション２２及び２４の１つ又は両方を形成する。鍛造後に、図１の一体構造鍛造品１０又は図２の鍛造セクション２２及び２４には、１以上の熱処理を行なうことができる。例えば、鍛造品には、２つの熱処理ステップ、つまり予備熱処理ステップと最終熱処理ステップとを行なうことができる。予備熱処理は、微細構造を精密化するように設計され、かつ約１７００°Ｆ〜約１９００°Ｆ（約９３０℃〜約１０４０℃）の温度範囲で焼きならし処理を伴い、その後空気冷却される。最終熱処理ステップは、最終材料特性を生成するように設計され、かつオーステナイト化ステップを伴い、そのオーステナイト化ステップの間には、鍛造品は、約１６５０°Ｆ〜約１８５０°Ｆ（約９００℃〜約１１００℃）の範囲の温度に加熱され、厚さ全体にわたるオーステナイトへの変態を確実に完了させるのに十分な時間保持され、次に微細構造のオーステナイト相からベイナイト相への変態を確実に完了させるのに十分な温度かつ十分な速度で急冷される。熱処理の後に、ロータ鍛造品は、約ＡＳＴＭ３又はそれよりも微細な最大粒径を有し、機械加工してロータに必要な形状及び寸法を生成することができるのが好ましい。
【００１９】
例えば、前述のＳｃｈｗａｎｔ他及びＧａｎｅｓｈ他の米国特許により、本発明の合金を用いてロータ鍛造品１０の複数領域を形成する場合には、所望又は必要に応じて異なる熱処理温度及び時間を用いることができる。例えば、複数温度ゾーンを備えた炉を使用して、ロータ鍛造品１０の異なる領域に対応する該ロータ鍛造品の領域のために適正な熱処理温度を提供することができる。当技術分野で理解されているように、そのような異なる熱処理温度は、ロータ鍛造品に対して実行することができる溶解、オーステナイト化、エージング及び／又は焼き戻し処理のための異なる温度を含むことができる。例えば、より高温のオーステナイト化処理は、より高いクリープ破断強度がＨＰ領域に望ましい場合に使用することができ、一方、相対的なより低温は、より高い靭性がＩＰ又はＬＰ領域に必要な場合に使用することができる。オーステナイト化後の選択冷却もまた、使用することができる。例えば、相対的に緩慢な冷却は、ＨＰ領域における有益な沈降反応を達成し、熱応力を低減し、かつ／又はクリープ破断強度を強化するように使用することができ、一方、より急速な冷却は、ＩＰ又はＬＰ領域での全セクション硬化を達成し、有害な沈降反応を回避し、かつ／又は靭性を強化するように使用することができる。最適な温度、時間、並びに加熱及び冷却速度は一般的に、当業者の能力範囲内である。
【００２０】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者がその他の形態を採用することができることは明らかである。従って、本発明の技術的範囲は、提出した特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２１】
１０  鍛造品
２０  組立体
２２  セクション
２４  セクション
２６  セクション
【図１】
2011068989.tif 000003
【図２】
2011068989.tif 000004