(57)【要約】    【課題】高い疲れ強さおよび優れた耐食性を有するタービンブレードを提供する。    【解決手段】タービンブレードの最終の表面処理加工として研磨加工を採用し、Ra0.02μmからRa0.2μmの範囲内の表面粗さを有し、且つ表面から10 μmの深さ範囲に250MPa以上の圧縮応力を追加された表面状態とする。【選択図】        図１
2011106332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面状態として、表面から10μmの深さ範囲内に250MPa以上の圧縮応力を有し、且つRa0.02μmからRa0.2μmの範囲内の表面粗さを有する、
ことを特徴とするタービンブレード。
【請求項２】
表面状態として、表面から10μmの深さ範囲内に450MPa以上の圧縮応力を、表面から200μm以上の深さ範囲内に200MPa以上の圧縮応力を有し、且つRa0.02μmからRa0.2μmの範囲内の表面粗さを有する、
ことを特徴とするタービンブレード。
【請求項３】
加工工程の最終段に研磨加工工程を有する、
ことを特徴とするタービンブレードの加工方法。
【請求項４】
加工工程の最終段の前段に表面層に圧縮応力を残留させる前段表面加工工程を有する、
ことを特徴とする請求項３に記載のタービンブレードの加工方法。
【請求項５】
前記前段表面加工工程がピーニングおよびローラ処理の一方または両方である、
ことを特徴とする請求項4に記載のタービンブレードの加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、腐食環境下で使用されるタービンブレードの疲れ強さおよび耐食性を向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
地熱発電所の地熱井から噴出する地熱流体を気液分離して得られる蒸気のような腐食成分を含む環境下で使用されるタービンブレードには、高い疲れ強さに加えて優れた耐食性が要求される。
【０００３】
金属材料を切削加工して、タービンブレードを製作すると、その材料の表面に引張応力が残留するので、必要な疲れ強さが得られず、更には、その表面はRa１〜10μm程度の表面粗さに加工されるので、表面積が大きくなり、腐食ピット発生量を小さな値に抑えられず、必要な耐食性が得られない。
【０００４】
この問題を解消するため、従来技術においては、図3に示すように、切削加工の後に、材料の表面に圧縮応力を残留させる加工方法（圧縮応力導入表面加工工程）を採用し、疲れ強さおよび耐食性の向上を図っている。
【０００５】
材料表面に圧縮応力を残留させる方法としては、ショットピーニングやローラ処理を施す方法が特許文献１や特許文献２などに開示されている。これらの加工方法では、材料表面を除去することはなく、その表面に圧縮応力を導入し残留させる。残留される圧縮応力の大きさや領域は加工条件によって異なる。ショットピーニングでは、例えば表面から300μmまでの範囲に300MPaの圧縮応力を残留させることができ、ローラ処理では、例えば表面から2mmまでの範囲に200MPaの圧縮応力を残留させることができる。しかし、ショットピーニングやローラ処理では、切削加工で生じた表面の凹凸を潰すことで表面粗さを小さくすることができても、その表面には、凹凸を潰すことに伴って空孔を発生させたり、微細な凹凸を残したりして、疲れ強さを低下させるし、十分な耐食性も得られない。
【０００６】
また、材料表面に圧縮応力を残留させる別の方法としては、表面焼入れ処理がある。この処理による表面硬化層は、急加熱のため結晶粒を粗大化させることがなく、強さが高い。しかも、その表面には大きな残留圧縮応力を生じ、疲れ強さが高くなる。しかし、局部的な過熱や加熱不足が起こりやすく、制御が難しく、使用されるコイルやバーナーの設計には、相当な技術と経験が必要であるため、実用することは現状では困難である。
【０００７】
なお、切削加工に代えてワイヤカット加工する場合にも同様の問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭62−180045号公報
【特許文献２】特開2007−245330号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この発明の課題は、従来のタービンブレードが有する上記の問題点を解消し、高い疲れ強さと優れた耐食性を有するタービンブレードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
背景技術の項での説明から明らかなように、タービンブレードの疲れ強さおよび耐食性を向上させるためには、タービンブレードの表面に大きな圧縮応力を残留させ、表面欠陥を少なくし、且つ腐食の要因となる腐食ピット発生量を少なくすることが重要である。
【００１１】
表面の凹凸やきずなどの表面欠陥があれば、その部分に応力が集中するので、弾性限界以下の小さな応力下でも、その部分に亀裂が発生しやすく、疲れ強さを低下させる。
この発明の発明者は、タービンブレードの加工において、従来技術で採用されているショットピーニングやローラ処理の後に、適切な研磨工程を導入することにより、表面の除去厚さを10μm以下に制限しても、表面から10μmの範囲に圧縮応力を上乗せすることが可能であり、表面欠陥を低減させることができ、且つRa0.02μmからRa0.2μmの範囲内の表面粗さとして表面積を小さくし、腐食ピット発生量を減少させることが可能であること、を見出し、この発明に至ったのである。なお、切削加工の後にショットピーニングなどの加工を施さず、切削加工面を直接に研磨加工することによっても、表面から10μmの範囲に残留圧縮応力を生じさせ、表面粗さをRa0.02μmからRa0.2μmの範囲内にすることができる。
【００１２】
請求項１および請求項２の発明はタービンブレードの発明であり、請求項３から請求項５の発明はその加工方法の発明である。
請求項１に記載のタービンブレードは、表面状態として、表面から10μmの深さ範囲内に250MPa以上の圧縮応力を有し、且つRa0.02μmからRa0.2μmの範囲内の表面粗さを有する。
【００１３】
このような表面層の状態は、後述の実施例３で示すように、10μm以内の研磨除去厚の研磨加工工程によって確保される。
請求項２に記載のタービンブレードは、表面状態として、表面から10μmの深さ範囲内に450MPa以上の圧縮応力を、表面から200μm以上の深さ範囲内に200MPa以上の圧縮応力を有し、且つRa0.02μmからRa0.2μmの範囲内の表面粗さを有する。
【００１４】
このような表面状態は、後述の実施例１および実施例2で示すように、ショットピーニングやローラ処理に続けて、10μm以内の研磨除去厚の研磨加工を施すことによって確保される。
【００１５】
請求項３に記載のタービンブレードの加工方法は、加工工程の最終段に研磨加工工程を有する。
この加工方法は請求項１に記載のタービンブレードを製作するための加工方法である。後述の実施例３で示すように、タービンブレードの加工工程の最終工程に適切な研磨条件による研磨工程を導入すると、10μm以内の表面層の除去で、表面をRa0.02μmからRa0.2μmの範囲内の表面粗さに加工し、且つ表面から10μmの深さ範囲内に250MPa以上の圧縮応力を残留させることができる。
【００１６】
請求項４の発明のタービンブレードの加工方法は、請求項３の発明において、加工工程の最終段の前段に表面層に圧縮応力を残留させる前段表面加工工程を有する。
この加工方法は請求項２に記載のタービンブレードを製作するための加工方法である。後述の実施例１および実施例２で示すように、タービンブレードの加工工程の最終工程に適切な研磨条件による研磨加工工程を導入し、その前段に表面層に圧縮応力を残留させる前段表面加工工程を導入すると、10μm以内の表面層除去の研磨加工で、表面をRa0.02μmからRa0.2μmの範囲内の表面粗さに加工し、且つ表面から10μmの深さ範囲内に450MPa以上の圧縮応力を、表面から200μm以上の深さ範囲内に200MPa以上の圧縮応力を残留させることができる。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項4の発明において、前記前段表面加工工程がショットピーニングおよびローラ処理の一方または両方である。
ショットピーニングおよびローラ処理は、表面から200μm以上の深さ範囲内に200MPa以上の圧縮応力を残留させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の発明においては、表面から10μmの深さ範囲内に250MPa以上の圧縮応力を有するので、表面層が圧縮応力状態となり、且つRa0.02μmからRa0.2μmの範囲内の表面粗さを有しているので、表面積が小さく、表面層の圧縮応力状態とあいまって、腐食ピット発生量が少なくなる。
【００１９】
したがって、この発明によれば、高い疲れ強さと優れた耐食性を有するタービンブレードを提供することができる。
請求項２の発明においては、表面から10μmの深さ範囲内に450MPa以上の圧縮応力を有し、表面から200μm以上の深さ範囲内に200MPa以上の圧縮応力を有するので、表面層がより大きい圧縮応力状態となり、且つRa0.02μmからRa0.2μmの範囲内の表面粗さを有しているので、表面積が小さく、表面層のより大きな圧縮応力状態とあいまって、腐食ピット発生量がより少なくなる。
【００２０】
したがって、この発明によれば、より高い疲れ強さと更に優れた耐食性を有するタービンブレードを提供することができる。
請求項３の発明においては、加工工程の最終段に研磨加工工程を有するので、実施例３に示されているように、前工程までに表面に生成された凹凸や荒れ、きずなどの表面欠陥の多くが除去されて、Ra0.2μm以下の表面粗さに加工されて表面積が小さくなり、その結果として腐食ピット発生量を少なくすることができ、更に、表面から10μmの深さ範囲内に250MPa以上の圧縮応力が残留される。
【００２１】
したがって、この発明によれば、高い疲れ強さと優れた耐食性を有するタービンブレードを提供することができる。
請求項４の発明は、請求項３の発明において、加工工程の最終段の前段に表面層に圧縮応力を残留させる前段表面加工工程を有するので、研磨加工の前に得られた表面層の圧縮応力状態に、最終段の研磨加工による圧縮応力が上乗せされ、表面から10μmの深さ範囲内に450MPa以上の圧縮応力を残留させ、表面から200μm以上の深さ範囲内に200MPa以上の圧縮応力を残留させ、表面をRa0.2μm以下の表面粗さに加工することができる。
【００２２】
したがって、この発明によれば、より高い疲れ強さと更に優れた耐食性を有するタービンブレードを提供することができる。
請求項５の発明においては、前記前段表面加工工程がショットピーニングおよびローラ処理の一方または両方であるが、ショットピーニングおよびローラ処理は、表面から200μm以上の深さ範囲内に200MPa以上の圧縮応力を残留させることができるので、前段表面加工工程として最適である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明によるタービンブレードの加工方法の実施例1および実施例２を示す工程図
【図２】この発明によるタービンブレードの加工方法の実施例３を示す工程図
【図３】従来技術によるタービンブレードの加工方法の一例を示す工程図
【図４】加工方法による平均表面粗さRaと腐食ピット発生量の関係を示す散布図
【図５】加工方法による表面残留応力と腐食ピット発生量の関係を示す散布図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
この発明のポイントは、「課題を解決するための手段」の項の前段で説明したように、従来技術においては、表面に圧縮応力を残留させるための加工として、表面層を除去しない方法を用いていたのを、表面を僅かに除去する研磨加工に置き換えたり、そのような研磨加工を追加したりすることである。研磨加工は、表面粗さをより小さくして表面積を小さくすることができるし、表面欠陥を低減させることもでき、更に、表面層に圧縮応力を残留させたり、上乗せしたりすることができる。
【００２５】
以下に、実施例を用いてこの発明をより詳しく説明する。
図１は、この発明によるタービンブレードの加工方法の実施例１および実施例2を示す工程図である。両実施例においては、材料をまずタービンブレードの形状に切削加工で加工し、次に、前段表面加工で表面近傍に圧縮応力を残留させ、最後に研磨加工で、表面粗さを低減させ且つ表面層に圧縮応力を上乗せさせる。
【実施例１】
【００２６】
タービンブレードの材料には13％Cr合金鋼を用い、エンドミルによる切削加工によってタービンブレードを形成する。この切削加工によって、材料はRa1μm程度からRa10μmの表面粗さに加工された。次に、前段表面加工として切削加工で形成されたタービンブレードの表面にローラ処理を施した。このローラ処理によって、表面から深さ２mmの範囲内に200MPaの圧縮応力が残留した。続いて、＃600のエメリー紙を用いた手研磨加工によって、表面をRa0.02μmからRa 0.2μmの範囲の表面粗さに加工した。この加工によって、表面から10μm程度の範囲に250MPaの圧縮応力が上乗せされ、タービンブレードの表層10μm程度には、450MPa以上の圧縮応力が残留した。しかも、研磨加工により除去される表面層は10μm以内であるため、表面から2mmの範囲にあるローラ処理による圧縮応力残留層は大部分が残留した。
【実施例２】
【００２７】
実施例１の切削加工をクリスマスカッタに換えて同様の表面粗さに加工してタービンブレードを形成し、前段表面加工としてショットピーニングを施した。なお、ショットピーニングを必要としない部分にはマスキングを施した。このショットピーニングにより、表面から深さ300μmの範囲内に300MPaの圧縮応力が残留した。ショットピーニングの後に、実施例１と同様に、＃600のエメリー紙を用いた手研磨加工によって、表面をRa0.02μmからRa 0.2μmの範囲の表面粗さに加工した。この場合も実施例1と同様に、表面から10μm程度の範囲に250MPaの圧縮応力が上乗せされ、タービンブレードの表層10μm程度には、550MPa以上の圧縮応力が残留した。しかも、研磨加工により除去される表面層は10μm以内であるため、表面から300μm の範囲にあるショットピーニングによる圧縮応力残留層は大部分が残留した。
【実施例３】
【００２８】
図２は、この発明によるタービンブレードの加工方法の実施例３を示す工程図である。
この実施例は、実施例1および実施例2の前段表面加工を省略したものであり、切削加工の後の表面を直接に研磨加工したものである。切削加工によってRa1μm程度からRa10μmの表面粗さに加工された表面を、＃600のエメリー紙を用いた手研磨加工によって、Ra0.02μmからRa 0.2μmの範囲の表面粗さに加工した。この加工によって、表面から10μm程度の範囲に250MPaの圧縮応力が残留した。
【００２９】
図４および図5は、それぞれ、加工方法による平均表面粗さRaと腐食ピット発生量の関係を示す散布図および加工方法による表面残留応力と腐食ピット発生量の関係を示す散布図であり、黒三角印で示した切削加工の場合は、表面粗さがRa1μm弱に相当するデータを表示しており、黒丸印で示した研磨加工の場合は、実施例3に相当する場合であって、表面粗さがRa0.04μm弱に相当するデータを示している。研磨加工によれば、切削加工に比べて、表面粗さが大幅に小さくなり、腐食ピット発生量も少なくなり、且つ望ましい圧縮応力状態となっていることが分る。白丸印で示したのは、実施例2に相当する場合であって、図4では黒丸印と重なっており、図5においては、より大きな圧縮応力状態を示している。
【００３０】
なお、両図の中には、表面粗さがRa0.008μm弱となるバフ研磨の場合も表示されている（黒菱形で示す）が、バフ加工では、表面粗さは非常に小さくなり且つある程度の圧縮応力も残留するにもかかわらず、腐食ピット発生量が研磨加工ほどには少なくなっていない。したがって、表面粗さが非常に小さくなる加工条件は必ずしも望ましくないと考えられる。
【００３１】
また、図４における各データの平均表面粗さRaは、触針式表面粗さ測定器（Talor Hobson社製  FORM TALYSURF）を用いて、JIS B 0601に基づいて、データ長さ（測定距離）20mm、測定速度0.5mm／sの測定条件で測定したものであり、試料面における位置の異なる３箇所について平均表面粗さRaをそれぞれ一回ずつ測定し、３箇所の測定データの算術平均値を当該試料の平均表面粗さRaとしての最終値とした。
【図１】
2011106332.tif 000003
【図２】
2011106332.tif 000004
【図３】
2011106332.tif 000005
【図４】
2011106332.tif 000006
【図５】
2011106332.tif 000007