(57)【要約】【課題】タービン翼の内部に作用する熱応力に対して熱疲労特性を向上させることができる。【解決手段】実施形態のタービン翼の製造方法によれば、まず、（ａ）被積層表面６０としてのステージ２上に、溶化材の粉末２０が供給される。続いて、（ｂ）供給された粉末２０にエネルギービームが照射されて粉末２０が溶解され、粉末溶解層６１がステージ２上に形成される。その後、（ｃ）粉末溶解層６１の表面を新たな被積層表面６０として工程（ａ）および（ｂ）が複数回繰り返されて実行され、タービン翼５０が複数の粉末溶解層６１を積層させて形成される。工程（ｃ）のうちタービン翼５０の翼本体５１を形成する際に、工程（ｂ）におけるエネルギービームは、翼本体５１の対応する高さ位置における背側翼面５４の形状および腹側翼面５５の形状のうちの少なくとも一方に沿った方向に走査される。【選択図】図１
2015194137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
背側翼面と腹側翼面とを含む翼本体と、前記翼本体の内部に設けられ、冷却媒体が通流可能な冷却媒体通路と、を有するタービン翼の製造方法であって、
（ａ）被積層表面としてのステージ上に、溶化材の粉末を供給する工程と、
（ｂ）供給された前記粉末にエネルギービームを照射して当該粉末を溶解し、タービン翼の対応する高さ位置における断面形状に相当する形状を有する所定厚さの粉末溶解層を前記ステージ上に形成する工程と、
（ｃ）前記粉末溶解層の表面を新たな被積層表面として前記工程（ａ）および（ｂ）を複数回繰り返して実行することにより、前記タービン翼を複数の前記粉末溶解層を積層させて形成する工程と、を備え、
前記工程（ｃ）のうち前記タービン翼の前記翼本体を形成する際に、前記工程（ｂ）におけるエネルギービームは、前記翼本体の対応する高さ位置における背側翼面形状および腹側翼面形状のうちの少なくとも一方に沿った方向に走査されることを特徴とするタービン翼の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｃ）のうち前記タービン翼の前記翼本体を形成する際に、前記工程（ｂ）におけるエネルギービームは、前記翼本体の対応する高さ位置における断面形状に相当する領域のうち前記背側翼面の側の領域において当該背側翼面形状に沿った方向に走査され、前記腹側翼面の側の領域において当該腹側翼面形状に沿った方向に走査されることを特徴とする請求項１に記載のタービン翼の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｂ）において、前記エネルギービームはレーザビームであり、前記レーザビームを走査光学系で走査する、請求項１または２に記載のタービン翼の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｂ）において、前記エネルギービームは電子ビームであり、電磁コイルを偏向させて前記電子ビームを走査する、請求項１または２に記載のタービン翼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、タービン翼の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンや蒸気タービンなどのタービン翼（タービン動翼、タービン静翼）に、高さ方向（長さ方向、タービンロータの半径方向）が凝固方向となるように形成された一方向凝固翼や単結晶翼が適用されることがある。この場合、タービン翼は、その高さ方向に結晶を成長させて形成されるため、材料（例えば、オーステナイト系合金）の＜００１＞方位（[００１]、[０１０]、[１００]方位を含む）を、タービン翼の高さ方向に揃えることができる。＜００１＞方位はクリープ特性に優れているため、タービンロータの回転時にタービン翼に作用する遠心力に対してクリープ強度の向上を図ることができる。
【０００３】
ところで、ガスタービンの発電効率向上のためには作動流体として使用する燃焼ガスの高温化が有効であり、近年では静翼入口ガス温度が１５００℃にも至るような機種が開発されている。そして、入口ガス温度が高くなった場合においてもタービン翼の健全性を確保するために、タービン翼の内部に冷却媒体を流すための冷却媒体通路を設けて、タービン翼の温度上昇の抑制を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０９２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、タービン翼の翼面（背側翼面および腹側翼面）は、高温のガスによって温度が高くなるとともに、タービン翼の内部は冷却媒体によって冷却される。このことにより、タービン翼の翼面から内部に向って温度勾配が大きくなり、タービン翼の内部の熱応力が増大し得る。この熱応力は、タービン翼の翼面の側の領域では圧縮応力として、冷却媒体通路の側の領域では引張応力として、タービン翼の高さ方向に垂直な面において翼面に沿った方向に作用し得る。このため、タービンの起動、停止の繰り返しにより、タービン翼は低サイクルのクリープ疲労を受けるおそれがある。
【０００６】
上述したようにタービン翼の高さ方向に材料の＜００１＞方位を合わせた場合であっても、タービン翼の高さ方向に垂直な方向の結晶方位、すなわち２次方位は、従来の精密鋳造法ではコントロールすることが困難であり、様々な方向を向く。このため、上述のような熱応力に対するクリープ疲労強度を向上させることが困難になっている。
【０００７】
また、種結晶を使用することで２次方位をコントロールする方法も考えられる。しかしながら、この場合、突出形状を有する部位などでは種結晶の結晶方向に沿って結晶させることが困難となり、複雑な形状を有するタービン翼の２次方位をコントロールすることは困難である。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、タービン翼の内部に作用する熱応力に対して熱疲労特性を向上させることができるタービン翼の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態によるタービン翼の製造方法は、背側翼面と腹側翼面とを含む翼本体と、翼本体の内部に設けられ、冷却媒体が通流可能な冷却媒体通路と、を有するタービン翼の製造方法である。このタービン翼の製造方法によれば、まず、（ａ）被積層表面としてのステージ上に、溶化材の粉末が供給される。続いて、（ｂ）供給された粉末にエネルギービームが照射されて粉末が溶解され、タービン翼の対応する高さ位置における断面形状に相当する形状を有する所定厚さの粉末溶解層がステージ上に形成される。その後、（ｃ）粉末溶解層の表面を新たな被積層表面として工程（ａ）および（ｂ）が複数回繰り返されて実行され、タービン翼が複数の粉末溶解層を積層させて形成される。工程（ｃ）のうちタービン翼の翼本体を形成する際に、工程（ｂ）におけるエネルギービームは、翼本体の対応する高さ位置における背側翼面形状および腹側翼面形状のうちの少なくとも一方に沿った方向に走査される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】タービン翼を製造するための装置の構成を概略的に示す斜視図。
【図２】実施形態に係るタービン翼の製造手順を説明する工程図。
【図３】ビーム走査を説明するための模式図。
【図４】結晶方位ごとの温度とヤング率との関係を示すグラフ。
【図５】タービン翼を製造するための装置の他の構成を概略的に示す斜視図。
【図６】タービン翼を製造するための装置のさらに他の構成を概略的に示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
まず、タービン翼の製造に用いることができるタービン翼製造装置Ｄを図１に示す。本実施形態では、タービン翼の一例としてガスタービン用のタービン動翼５０を製造する場合について説明する。なお、タービン動翼５０は、作動流体（ガスタービンの場合には燃焼ガス）の圧力を受ける動翼本体５１（翼本体）と、動翼本体５１の内部に設けられ、冷却媒体が通流可能な冷却媒体通路５２と、動翼本体５１の下方に設けられ、タービンロータ（図示せず）に植え込まれる植込部５３と、を有している（図２、図３参照）。このうち動翼本体５１は、背側翼面５４と腹側翼面５５とを含んでいる。また、冷却媒体通路５２は、タービン動翼５０の高さ方向に延びており、植込部５３を通ってタービンロータの内部に設けられた通路（図示せず）に連通されて、冷却媒体が通流可能に構成されている。
【００１３】
タービン翼製造装置Ｄは、高エネルギービーム（ここではレーザビーム）を発生させるビーム発生装置１と、形成されるタービン動翼５０が載置されるステージ２と、ビーム照射ヘッド３と、ビーム照射ヘッド３を水平方向に移動させるＸ−Ｙポジショナー４と、Ｘ−Ｙポジショナー４の動作を数値制御する制御装置５と、ビーム発生装置１からビーム照射ヘッド３にビームを伝送する光ファイバー６と、ステージ２を昇降させるＺポジショナー７と、ステージ２上に溶加材としての粉末２０を供給する粉末供給機構８とを備えている。
【００１４】
また、図１および図２に示すように、タービン翼製造装置Ｄは、粉末供給機構８から供給された粉末２０を貯留する粉末貯留部９と、粉末貯留部９の上端縁に沿って水平方向に移動して粉末貯留部９に貯留された粉末２０の上面２２を平らに均す均し部材１０とを備えている。均し部材１０は、例えばブレードまたはローラーからなる。このように構成されたタービン翼製造装置Ｄは、パウダーベッド型の製造装置と呼ばれる。
【００１５】
図１に示すように、ビーム照射ヘッド３、Ｘ−Ｙポジショナー４及び粉末貯留部９等の部材は、所定の雰囲気、例えば不活性ガス若しくは真空雰囲気に調整可能なチャンバ１１内に収容される。
【００１６】
次に、タービン翼製造装置Ｄを用いて実行される製造方法の一例について、図２を参照して説明する。以下に説明する例において、溶加材すなわち粉末２０として、粒径４５〜９０μｍのＩＮ６２５（ＵＮＳ  Ｎｏ．０６６２５）（商品名）のガスアトマイズ粉を用いる。
【００１７】
まず、図２（ａ）に示すように、ステージ２を粉末貯留部９内に配置する。このとき、ステージ２が、水平面と平行であって、かつ、Ｘ−Ｙポジショナー４の移動平面（Ｘ−Ｙ平面）と平行となるようにする。また、ステージ２は粉末貯留部９の上端縁より僅かに低い高さ位置に位置するようにする。
【００１８】
続いて、図２（ｂ）に示すように、タービン翼製造装置Ｄの粉末貯留部９内に、溶加材の粉末２０を充填する。このことにより、被積層表面６０としてのステージ２上に、粉末２０が供給される。
【００１９】
次に、図２（ｃ）に示すように、均し部材１０が水平方向に移動し、粉末２０の表面を平らに均す。これにより、粉末２０の上面２２をステージ２と平行にし、かつ、粉末２０の上面２２がステージ２よりも所定量（例えば０．２ｍｍ）だけ高い位置に位置するようにする。従って、このとき、ステージ２上に、均一な所定厚さ（例えば厚さ０．２ｍｍ）の粉末２０の層が設けられることになる。
【００２０】
次に、図２（ｄ）に示すように、Ｘ−Ｙポジショナー４によりビーム照射ヘッド３を水平方向に移動させながらレーザビームをステージ２上にある粉末２０に照射する。このことにより、レーザビームによるスキャン（走査）が行われ、粉末２０が溶解されて、図２（ｅ）に示すようにステージ２上に粉末溶解層６１が形成される。この際、ビーム照射装置として能力５ｋＷの半導体励起のファイバーレーザを使用して、５００Ｗの出力で粉末２０を溶解させることができる。ビームスポット径は６０μｍ程度が好適である。
【００２１】
ビーム照射ヘッド３の移動はタービン動翼５０の３Ｄ（３次元）−ＣＡＤデータに基づいて行う。すなわち、被積層表面６０（ここではステージ２）に対応する高さ位置におけるタービン動翼５０の断面形状は３Ｄ−ＣＡＤデータから得られ、この断面形状をビームスポットで塗りつぶしてゆくようにビームスポットを移動させる。このようにして、タービン動翼５０の対応する高さ位置における断面形状に相当する領域にある粉末２０を溶解して、当該高さ位置における断面形状に相当する形状を有する粉末溶解層６１を形成することができる。
【００２２】
次に、図２（ｆ）に示すように、Ｚポジショナー７によりステージ２を移動させ、粉末溶解層６１の厚さ分だけステージ２を下降させる。次いで、粉末溶解層６１の表面（上面）を新たな被積層表面６０と見なして、図２（ｂ）から図２（ｆ）の手順を実行する。図２（ｂ）の手順を行う前に、粉末貯留部９に粉末２０が補充される。図２（ｂ）から図２（ｆ）の手順は、繰り返し実行され、複数の粉末溶解層６１が積層されてタービン動翼５０が形成される（図２（ｇ）参照）。このように複数の粉末溶解層６１を積層することで、タービン動翼５０の材料の＜００１＞方位を、タービン動翼５０の高さ方向に揃えることができる。なお、粉末溶解層６１の厚さを薄くして、きめ細かく積層することにより、ＣＡＤデータに即した所望の形状で凝固部分を形成することができる。
【００２３】
図２（ｂ）から図２（ｆ）の手順を繰り返して実行する工程において、タービン動翼５０の動翼本体５１を形成する際には、レーザビームを所定の方向に走査させる。すなわち、この際、図３（ａ）に示すように、ビームスポットを、対応する高さ位置における動翼本体５１の背側翼面形状および腹側翼面形状のうちの少なくとも一方に沿った方向に走査する。本実施形態では、ビームスポットは、動翼本体５１の対応する高さ位置における断面形状に相当する領域のうち背側翼面５４の側の領域において背側翼面形状に沿った方向Ｐに走査されるとともに、腹側翼面５５の側の領域において腹側翼面形状に沿った方向Ｑに走査される。なお、ここでいう背側翼面形状とは、動翼本体５１の任意の高さ位置における断面（高さ方向に垂直な断面）において、図３のような背側翼面５４を示す曲線状の形状、腹側翼面５５を示す曲線状の形状を意味する。また、背側翼面５４の側の領域は、例えば、背側翼面５４と冷却媒体通路５２との間の領域とすることが好適であり、腹側翼面５５の側の領域は、例えば、腹側翼面５５と冷却媒体通路５２との間の領域とすることが好適である。この場合、冷却媒体５２同士の間の領域や、動翼本体５１の上流側端部、下流側端部は、方向Ｐあるいは方向Ｑに沿った方向にビームスポットを走査させてもよく、これ以外の任意の方向に走査させてもよい。
【００２４】
レーザビームが照射された粉末２０は高温となって溶解し、レーザビームがそこから移動すると、溶解した部分が冷却されてその温度が低下する。すなわち、レーザビームが照射されることにより高温となる部分が、レーザビームの走査に伴って移動する。このことにより、ステージ２上の粉末２０を溶解させる際に、レーザビームの走査方向に沿った温度勾配を持たせることができ、粉末２０の凝固方向を、図３（ｂ）に示すように、レーザビームの走査方向に揃えることができる。このため、粉末溶解層６１における結晶の２次方位を、背側翼面５４の側の領域においては背側翼面形状に沿った方向Ｐに揃えることができ、腹側翼面５５の側の領域においては腹側翼面形状に沿った方向Ｑに揃えることができる。すなわち、結晶の二次方位がコントロールされていなかった場合には、図３（ｃ）に示すように、結晶の二次方位は、様々な方向を向くことになるが、本実施形態によれば、図３（ｂ）に示すように、結晶の２次方位を、翼面形状に沿った方向Ｐ、Ｑに揃えることができる。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ部を拡大して示す実施形態による模式図であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）に相当する図であって、結晶の二次方位がコントロールされていない場合の模式図を示している。
【００２５】
上述のようなＰ方向およびＱ方向にレーザビームをスキャンさせることは、上述したように、タービン動翼５０のうち少なくとも動翼本体５１を形成する際に行われればよい。動翼本体５１以外の部分を形成する際には、これらのＰ方向およびＱ方向にレーザビームをスキャンさせてもよく、あるいは、これとは異なる任意の方向にスキャンさせてもよい。
【００２６】
その後、グラインダー加工などの研削、研磨加工により形状を整えた後、溶体化熱処理、必要に応じた表面コーティング処理、及び時効熱処理を行うことにより、タービン動翼５０の製造が完了する。
【００２７】
上記の実施形態によれば、ステージ２上に微小厚さの実質的に２次元形状の粉末溶解層６１を多数積層させて３次元形状を形成する３Ｄ積層造形技術を用いることにより、高い形状精度で粉末を溶融させることができる。このため、高い形状精度でタービン動翼５０を形成することができる。
【００２８】
しかも、上記の実施形態によれば、動翼本体５１を形成する際、ビームスポットが、動翼本体５１の対応する高さ位置における断面形状に相当する領域のうち背側翼面５４の側の領域において背側翼面形状に沿った方向Ｐに走査される。このことにより、背側翼面５４の側の領域における結晶の２次方位を、背側翼面５４に沿った方向Ｐに揃えることができる。すなわち、＜００１＞方位のうちタービン動翼１００の高さ方向に揃っている方位（例えば、[００１]方位）とは異なる他の一の方位（[０１０]方位または[１００]方位）を、背側翼面５４に沿った方向Ｐに揃えることができる。また、ビームスポットは、腹側翼面５５の側の領域において腹側翼面形状に沿った方向Ｑに走査されることにより、腹側翼面５５の側の領域における結晶の２次方位を、腹側翼面５５に沿った方向Ｑに揃えることができる。すなわち、＜００１＞方位のうちタービン動翼５０の高さ方向に揃っている方位（例えば、[００１]方位）とは異なる他の一の方位（[０１０]方位または[１００]方位）を、腹側翼面５５に沿った方向Ｑに揃えることができる。
【００２９】
ここで、図４に、面心立方格子構造を有する材料の温度とヤング率との関係を示す。この図４によれば、結晶の＜００１＞方位のヤング率が、＜０１１＞方位および＜１１１＞方位よりも小さくなっていることがわかる。応力（σ）は、ひずみ（ε）とヤング率（Ｅ）との積で表されるため、ヤング率が小さいと、応力を小さくすることができる。このことから、結晶の＜００１＞方位は、他の方位よりも応力を小さくすることができる。
【００３０】
従って、上記の実施形態により、背側翼面５４の側の領域において背側翼面形状に沿った方向Ｐのヤング率を低減して応力を低減することができると共に、腹側翼面５５の側の領域において腹側翼面形状に沿った方向Ｑのヤング率を低減して応力を低減することができる。この結果、背側翼面５４および腹側翼面５５に接する燃焼ガスと、冷却媒体通路５２を流れる冷却媒体とによってタービン動翼５０の内部に熱応力が作用する場合であっても、作用する熱応力を低減させて、熱疲労特性を向上させることができる。
【００３１】
上記の実施形態では、レーザビームのスキャンを、Ｘ−Ｙポジショナー４を動作させることで行っていたが、これに限定されるものではなく、図５に示すようにミラー１２等を含む走査光学系を動作させることにより行ってもよい。図５の例では、制御装置５’が、ミラー１２等を含む走査光学系の動作の制御を行っている。
【００３２】
また、上記の実施形態では、高エネルギービームとしてレーザビームを用いたが、これに限定されるものではなく、電子ビームを用いてもよい。
【００３３】
図６に、電子ビームを用いてタービン動翼５０を製造するための構成を示す。ビーム照射ヘッド３に代えて電子銃（電子ビーム発生装置）１３が発生した電子ビームを、電磁コイル１４により偏向させることにより、ビームのスキャンを行う例を示す。電子ビームの偏向は、制御装置５”が図示しない電子銃／コイル制御部を介して行う。
【００３４】
以上述べた実施形態によれば、タービン翼の内部に作用する熱応力に対して熱疲労特性を向上させることができる。
【００３５】
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、発明の要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。
【００３６】
例えば、上述した実施形態では、ビームスポットが、背側翼面５４の側の領域において背側翼面形状に沿った方向Ｐに走査されるとともに、腹側翼面５５の側の領域において腹側翼面形状に沿った方向Ｑに走査される例について説明した。しかしながら、これに限られることはなく、ビームスポットは、Ｐ方向およびＱ方向のうちのいずれか一方の方向に沿って走査されるようにしてもよい。この場合においても、結晶の２次方位を、背側翼面形状または腹側翼面形状に沿わせることができ、熱疲労特性を向上させることができる。
【００３７】
また、上述した実施形態では、タービン翼として、ガスタービン用のタービン動翼５０を製造する例について説明したが、内部に冷却媒体通路５２を有するタービン翼であればこれに限られることはなく、ガスタービン用のタービン静翼であってもよい。また、ガスタービンに限らず蒸気タービン用のタービン動翼、タービン静翼であってもかまわない。
【符号の説明】
【００３８】
Ｄ  タービン翼製造装置
１  ビーム発生装置
２  ステージ
３  ビーム照射ヘッド
１２  ミラー
１３  電子銃（電子ビーム発生装置）
１４  電磁コイル
２０  粉末
５０  タービン動翼（タービン翼）
５１  動翼本体
５２  冷却媒体通路
５４  背側翼面
５５  腹側翼面
６０  被積層表面
６１  粉末溶解層
【図１】
2015194137.tif 000003
【図２】
2015194137.tif 000004
【図３】
2015194137.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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