(57)【要約】【課題】タービン回転翼などの対象部材の浸食が発生し易い部位に対して、製造時および使用環境下での信頼性を確保し、浸食防止機能を安価に付与する。【解決手段】タービン回転翼などの対象部材１の使用環境下で液滴および固体粒子による浸食が発生し易い部位において、オーステナイト組織材料の下層（低硬質層）２とそれより硬質なステライトなどの硬質材料の上層（硬質層）３を、レーザを用いて肉盛溶接し、上下２層構造の浸食防止部４を形成する。オーステナイト組織材料と硬質材料を、棒や粉末などの状態で溶接材料供給手段５により供給しながら、レーザ光源６からレーザ照射して、レーザによる肉盛溶接を実施する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象部材の使用環境下で液滴および固体粒子による浸食が発生し易い部位において、オーステナイト組織材料の下層とそれより硬質な材料の上層を、レーザを用いて肉盛溶接し、上下２層構造の浸食防止部を形成する
ことを特徴とする浸食防止方法。
【請求項２】
前記浸食防止部の下層として、オーステナイト系ステンレスあるいは固溶強化型のＮｉ基合金を用いることで、この下層に、肉盛溶接による残留応力を緩和して使用環境下での割れ発生を防止する機能、もしくは、万が一硬質な上層に割れが生じた際の割れの伝播を遅らせるかまたは阻止する機能を持たせる
ことを特徴とする請求項１に記載の浸食防止方法。
【請求項３】
前記浸食防止部の下層として、硬さの異なる２種類以上の材料を肉盛溶接することで、前記対象部材の母材から浸食防止部の上層までの硬さを段階的に変化させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の浸食防止方法。
【請求項４】
前記対象部材がタービン回転翼である場合に、翼形状の一部を肉盛溶接で形成する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の浸食防止方法。
【請求項５】
使用環境下で液滴および固体粒子による浸食が発生し易い部位において、オーステナイト組織材料の下層とそれより硬質な材料の上層を、レーザを用いて肉盛溶接し、上下２層構造の浸食防止部を形成した
ことを特徴とする浸食防止部を備えた部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用環境下で液滴および固体粒子による浸食が発生し易い部位を有する各種の部材に対して、当該部位の浸食を防止するための方法に関するものであり、特に、タービン機器内で使用されるタービン回転翼などの浸食防止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン機器内で使用されるタービン回転翼などの部品は、蒸気中に含まれる水滴や酸化スケールによる浸食を受ける場合があり、特に、タービン駆動用の蒸気に水滴が混じる後方段階では、その水滴によりタービン回転翼に浸食が発生する場合がある。このようなタービン回転翼の浸食は、浸食による減肉も問題であるが、浸食部位が起点となってタービン回転翼が疲労破壊を起こすリスクが最も危惧されており、過去の蒸気タービンの事故原因にもなっている。
【０００３】
タービン後方の翼列では、翼長の大きなタービン翼が用いられるため、周速が大きく厳しい浸食環境となりやすい。加えて、翼長の大きなタービン回転翼は、重量を軽くするために高強度の材料を用い翼の肉厚を薄くする傾向にある。高強度の材料は、一般的に硬さが硬く、溶接の難しい材料が多い。焼き入れ、焼き戻しで強度を調整する鋼以外にも、析出強化型の１７−４ＰＨのような鋼を用いる場合もある。
【０００４】
このようなタービン回転翼に対しては、従来、様々な浸食対策がなされてきた。特に、タービン回転翼については、浸食の発生が予想される部位に局部的に火炎もしくは高周波を用いた焼入れを施す手法、翼形状に整形したステライトなどの硬質材料をろう付けや溶接によって取り付ける手法、プラズマ溶接を用いて翼本体に直接肉盛溶接する手法などが用いられている。
【０００５】
また、電子ビームやレーザといった高密度エネルギーを用いた低入熱の肉盛溶接方法も公知である（例えば、特許文献１参照）。ここで、電子ビームを用いた溶接方法は、タービン回転翼の浸食防止に数多くの実績がある。特に、鍛造のステライトをタービン回転翼に溶接する方法は１９７０年代から盛んに適用されている。また、レーザを用いた溶接方法は、９０年代から試験研究が行われており、１−２ｍｍ程度のステライト層を翼面に肉盛する方式が適用されている。
【特許文献１】特開平９−３１４３６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような従来の浸食防止手法は、タービン回転翼における先端部近傍の周速の大きな部位や、周縁部などの体積あたりの表面積が大きな部位、あるいは厚さが薄い部位などに発生する浸食の対策として十分なものではなかった。特に、溶接の難しい高強度の鋼種を用いた厚さが１０ｍｍ以下の薄いタービン回転翼の場合、翼に大きな入熱を与える手法では、材料特性を低下させる懸念がある。また、翼の厚さが薄い場合、溶接、焼入れに伴う変形がタービンの性能に影響を与える懸念もある。
【０００７】
また、翼形状に整形したステライトなどの硬質材料をろう付けや溶接によって浸食対策の必要な部位に取り付ける手法は、広く認知された有効な浸食防止手法であるが、コバルト基のステライト鍛造品が高価な上、ステライトの開先加工が難しいため、タービン翼のコストアップの要因となっている。
【０００８】
一方、電子ビームやレーザを用いた低入熱のステライト材の肉盛溶接は、翼材質の劣化や変形を最小とし、翼形状の母材上に肉盛部のみを形成することで安価に浸食防止機能を付与できると考えられる。
【０００９】
すなわち、前述したような析出強化型の鋼を用いたタービン回転翼では、焼き入れによる硬さの改善はできない。ろう付けのように８００度以上の温度で処理すると広範囲で強度が低下し、本来の材料特性を発揮できない。浸食防止の方法としては、変形を最小限にするために、電子ビーム溶接やレーザ溶接といった高密度エネルギーを用いた溶接方法により硬質材料を肉盛溶接することが有効であると考えられる。
【００１０】
しかし、ステライトを翼母材に直接肉盛溶接した場合、製造時において残留応力に起因する割れが発生することが確認されている。肉盛溶接時に発生する残留応力は、溶接後の熱処理でも大きな改善をすることが難しいため、タービンの運転環境下で割れが発生する懸念もある。
【００１１】
例えば、コバルト基の硬質材料であるステライトを翼形状の母材上に直接肉盛溶接することは、特許文献１に記載のとおり可能であり、実用化されている。しかし、ステライトは１．０ｗｔ％程度の多くの炭素を含むことから、溶接によって母材とステライト層が混ざり合うことで複雑な炭素の希釈層が形成され、その結果、高温割れを招きやすくなり、溶接施工上好ましくない。
【００１２】
また、炭素の希釈の問題以外にも、ステライトの肉盛量が大きい場合、肉盛溶接による収縮の残留応力（引張残留応力）が大きくなり、この残留応力に起因して肉盛部分の端部が剥れるような割れや溶接金属部での割れが発生することがある。特に、レーザを用いたステライトの肉盛溶接では、ステライト溶接金属部の硬さが通常の鍛造品に比べ非常に大きな値になることが知られている。
【００１３】
例えば、ステライトＮｏ．６を用いた場合、鍛造品がロックウェルＣスケールで３５から４０前後であるのに対し、レーザを用いた肉盛溶接部では５０以上の高い値を示す。レーザを用いた肉盛溶接部の硬さが非常に大きいことから、溶接部の割れ感受性も高い状態となっていることが分かる。また、このような硬さの上昇は、強度の上昇、延性、靭性の低下を伴っていると考えられ、その結果、肉盛部分の端部が剥れるような割れや溶接金属部での割れの発生を助長させていると考えられる。
【００１４】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、タービン回転翼などの対象部材の浸食が発生し易い部位に対して、製造時および使用環境下での信頼性を確保し、浸食防止機能を安価に付与することの可能な浸食防止方法を提供すると共に、そのような方法により優れた浸食防止機能を有する浸食防止部を備えた部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために、本発明の浸食防止方法は、対象部材の使用環境下で液滴および固体粒子による浸食が発生し易い部位において、オーステナイト組織材料の下層とそれより硬質な材料の上層を、レーザを用いて肉盛溶接し、上下２層構造の浸食防止部を形成することを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の浸食防止部を備えた部材は、以上のような浸食防止方法により浸食防止部が形成されたことを特徴とする部材である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、対象部材の使用環境下で液滴および固体粒子による浸食が発生し易い部位において、レーザを用いた肉盛溶接により、対象部材の母材の上に硬質層を直接形成せずに、母材と硬質層の間にオーステナイト組織層を介在させることによって、製造時および使用環境下での信頼性を確保し、浸食防止機能を安価に付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下には、本発明を適用した浸食防止方法の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１９】
［第１の実施形態］
図１の（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る浸食防止方法を示すイメージ図であり、（ｂ）は（ａ）の模式的なＡ矢視断面図である。
【００２０】
この図１に示すように、タービン回転翼などの対象部材１の使用環境下で液滴および固体粒子による浸食が発生し易い部位において、オーステナイト組織材料の下層（低硬質層）２とそれより硬質なステライトなどの硬質材料の上層（硬質層）３を、レーザを用いて肉盛溶接し、上下２層構造の浸食防止部４を形成する。すなわち、オーステナイト組織材料と硬質材料を、棒や粉末などの状態で溶接材料供給手段５により供給しながら、レーザ光源６からレーザ照射して、レーザによる肉盛溶接を実施する。
【００２１】
ここで、「使用環境下で液滴および固体粒子による浸食が発生し易い部位」とは、例えば、タービン回転翼における先端部近傍の周速の大きな部位などの、対象部材１における動作速度が局部的に大きな部位である。また、対象部材１における周縁部などの体積あたりの表面積が局部的に大きな部位、あるいは局部的に厚さが薄い部位なども、浸食が発生し易い部位である。
【００２２】
また、上層（硬質層）３の硬質材料および下層（低硬質層）２のオーステナイト組織材料としては、例えば、次の表１に示すような材料が使用可能である。
【表１】
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【００２３】
以上のような第１の実施形態によれば、上下２層構造の浸食防止部４を形成することにより、対象部材１の母材の上に硬質層を直接形成せずに、母材と硬質層の間に硬さの比較的低いオーステナイト組織層（低硬質層）を介在させることによって、対象部材１の母材の上にステライトなどの硬質層を直接肉盛溶接した場合に生じていた問題を解消できる。
【００２４】
まず、対象部材１の母材と上層３の硬質材料が混ざり合うことがないため、下層２のオーステナイト組織材料として、炭素含有量の少ない材料を使用することにより、炭素含有量の多い材料を母材上に直接肉盛溶接した場合に生じていた炭素の希釈の問題を防止でき、溶接施工上の信頼性を改善することができる。例えば、対象部材１の母材が鉄基である場合には、オーステナイト組織材料で特に炭素を固溶しないＮｉ基合金を下層２の材料として用いることにより、硬質層における炭素の希釈の問題を効果的に防止でき、溶接施工上の信頼性を大幅に改善することができる。
【００２５】
図２は、対象部材１の鉄基母材上に炭素を固溶しないＮｉ基合金の下層（低硬質層）２およびステライトの上層（硬質層）３をレーザにより肉盛溶接した場合の試験片について、母材から硬質層に至る断面組織の炭素分析結果を示す図であり、（ａ）は試験片１１を示す模式的な断面図、（ｂ）は（ａ）のＡＢ線における炭素量を示すグラフである。この図２に示すように、炭素を固溶しない低硬質層を設けたことにより、硬質層における炭素の希釈の問題を効果的に防止できることが分かる。
【００２６】
また、対象部材１の母材と上層（硬質層）３との間に、硬質層３の材料よりも硬さの比較的低いオーステナイト組織材料の下層（低硬質層）２を形成することにより、硬質層３を母材上に直接肉盛溶接した場合に大きくなっていた肉盛溶接による収縮の残留応力（引張残留応力）を緩和することができ、この残留応力に起因する製造時や使用環境下での割れの防止に大きな効果が期待できる。
【００２７】
以上のように、第１の実施形態によれば、対象部材の使用環境下で液滴および固体粒子による浸食が発生し易い部位において、レーザを用いた肉盛溶接により、対象部材の母材の上に硬質層を直接形成せずに、母材と硬質層の間にオーステナイト組織層を介在させることによって、製造時および使用環境下での信頼性を確保し、浸食防止機能を安価に付与することができる。
【００２８】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る浸食防止方法においては、２層構造の浸食防止部４の下層（低硬質層）２として、オーステナイト系ステンレスあるいは固溶強化型のＮｉ基合金を用いることで、肉盛溶接による残留応力を緩和して使用環境下での割れ発生を防止する機能、もしくは、上層（硬質層）３に割れが生じた場合の割れの伝播を遅らせるかまたは阻止する機能を持たせる。
【００２９】
このような第２の実施形態によれば、対象部材１の母材と上層（硬質層）３の間に、この硬質層３を構成するステライトなどの硬質材料に比べて強度と硬さの低いオーステナイト系ステンレスあるいは固溶強化型のＮｉ基合金を用いた下層（低硬質層）２を介在させることで、硬質層３の残留応力が軽減され、応力腐食割れの発生するリスクを軽減することができる。
【００３０】
図３は、このような本実施形態の低硬質層２による残留応力の軽減効果を示す図であり、（ａ）は、低硬質層を設けない場合（従来例）と低硬質層を設けた場合（本実施形態）の最大残留応力σmaxを比較して示すグラフであり、（ｂ）は、残留応力の計測に使用した試験片２１とその計測位置２２を示す模式的な斜視図である。
【００３１】
本実施形態においてはまた、対象部材１の母材と上層（硬質層）３の間に、この硬質層３に比べて硬さの低い下層（低硬質層）２を介在させているため、万が一、硬質層３で割れが生じた場合であっても、硬質層３から伸展してきた割れの伝播を遅らせるかまたは阻止することができる。
【００３２】
図４は、このような本実施形態の低硬質層２による割れの伝播遅延効果または伝播阻止効果を示す図であり、特に、疲労亀裂進展試験の結果を示すグラフである。
【００３３】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る浸食防止方法においては、２層構造の浸食防止部４の下層（低硬質層）２として、硬さの異なる２種類以上の材料を肉盛溶接することで、対象部材１の母材から浸食防止部４の上層（硬質層）３までの硬さを段階的に変化させる。
【００３４】
このような第３の実施形態によれば、下層（低硬質層）２として、硬さの異なる２種類以上の材料を肉盛溶接することで、製造時および使用環境下での信頼性を向上することができる。すなわち、前述したように、上層の硬質層が浸食防止に大きな効果を持つ反面、硬質層が非常に硬いことに起因して、割れを助長させる可能性があることから、母材と硬質層の間に、２種類以上の材料を介在させ、母材と硬質層の間の硬さを段階的に変化させることで、硬質層の硬さに起因する割れの助長を抑制し、信頼性の向上を図ることができる。
【００３５】
例えば、図５の（ａ）に示すように、対象部材１の鉄基の母材上に、インコネル６００を用いた第１の下層（低硬質層）２ａ、より硬いインコネル６２５を用いた第２の下層（低硬質層）２ｂ、および優れた浸食防止性を有するステライトＮｏ．６を用いた上層（硬質層）３を順次積層して、実質的に３層構造の浸食防止部４を有する試験片３１を作製する。
【００３６】
図５の（ｂ）は、（ａ）に示す３層構造の浸食防止部４を有する試験片３１の断面硬さ評価結果を示すグラフである。この図５の（ｂ）に示すように、３層構造の浸食防止部４を有する試験片３１の硬さは、母材から硬質層に向かって段階的に滑らかに変化しており、これにより、硬質層の固さに起因する割れの助長を抑制して信頼性を向上できることが分かる。
【００３７】
なお、本実施形態の変形例として、２層構造の浸食防止部４の下層（低硬質層）２として、硬さの異なる３種類以上の材料を肉盛溶接することで、対象部材１の母材から浸食防止部４の上層（硬質層）３までの硬さを段階的に変化させてもよい。この場合には、実質的に３層以上の積層構造を有する浸食防止部４が形成されることになり、母材から硬質層に至る断面の硬さをより滑らかに変化させることができる。
【００３８】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る浸食防止方法においては、タービン回転翼の浸食対策として、翼形状をなす母材の上にバタリング溶接するのではなく、翼形状の一部を肉盛溶接で形成する。前述した特許文献１の従来手法は、翼形状の上に肉盛溶接するバタリング方式であるのに対し、本実施形態のタービン回転翼の浸食対策は、レーザによる肉盛溶接を用いた翼形状の成形方式であることが大きな違いである。
【００３９】
具体的には、図６の（ｂ）に示すように、タービン回転翼４１における浸食対策が必要な対象部位４２として、使用環境下で液滴および固体粒子による浸食が発生し易い部位であるところの、先端部近傍の周速の大きな周縁部位を切り取り、この対象部位４２を、前記第１〜第３の実施形態のいずれかの浸食防止方法を用いて図６の（ｃ）に示すように復元させる。すなわち、前記第１〜第３の実施形態のいずれかと同様の２層構造または３層構造の浸食防止部４により、翼形状の一部を形成する。
【００４０】
なお、図６は、第４の実施形態に係る浸食防止方法の一例を示す図であり、（ａ）はタービン回転翼４１を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すタービン回転翼４１の先端部を示す拡大図、（ｃ）は、タービン回転翼４１の先端部の対象部位４２を切り取ってレーザによる肉盛溶接を用いて復元・形成した浸食防止部４３を示す斜視図である。
【００４１】
このような第４の実施形態によれば、タービン回転翼の翼形状の一部を、レーザによる肉盛溶接を用いた浸食防止部で置き換えることにより、タービン回転翼における浸食が発生し易い部位に優れた浸食防止機能を持たせることができると共に、溶接による残留応力を低硬質層により緩和できるため、信頼性の向上を図ることができる。特に、翼長が大きく、翼の肉厚の薄い高強度材を用いたタービン回転翼の浸食防止に大きな効果を発揮する。
【００４２】
また、浸食対策が必要な部位を切り取って、切り取った形状と同じ形状の鍛造品を溶接で接合する方式は従来存在するが、切り取った形状をレーザによる肉盛溶接で復元させる本実施形態の方式は、そのような従来方式に比べて、製作コストの削減に大きな効果をもたらすことが期待できる。
【００４３】
［他の実施形態］
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。例えば、実施形態中で記載した材料は一例にすぎず、本発明において、硬質材料や低硬質材料としては、他にも各種の材料を適宜選択可能である。
【００４４】
また、本発明は、タービン回転翼を対象部材とした浸食防止手法として好適であるが、タービン静翼などの他のタービン部品に対しても同様に適用可能であり、同様に優れた効果が得られるものである。さらに、タービン以外の各種の機器についても、使用環境下で液滴および固体粒子による浸食が発生し易い部位を有する各種の部材に対して同様に適用可能であり、同様に優れた効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る浸食防止方法を示すイメージ図、（ｂ）は（ａ）の模式的なＡ矢視断面図。
【図２】（ａ）は、第１の実施形態により作製した試験片を示す模式的な断面図、（ｂ）は（ａ）のＡＢ線における母材から硬質層に至る断面組織の炭素分析結果を示すグラフ。
【図３】（ａ）は、本発明における第２の実施形態の低硬質層による残留応力の軽減効果を示すために、低硬質層を設けない場合と設けた場合の最大残留応力を比較して示すグラフ、（ｂ）は、残留応力の計測に使用した試験片とその計測位置を示す模式的な斜視図。
【図４】第２の実施形態の低硬質層による割れの伝播遅延効果または伝播阻止効果を示すための、疲労亀裂進展試験の結果を示すグラフ。
【図５】（ａ）は、本発明における第３の実施形態により作製した試験片を示す模式的な断面図、（ｂ）は、（ａ）に示す浸食防止部を有する試験片の断面硬さ評価結果を示すグラフ。
【図６】本発明における第４の実施形態に係る浸食防止方法の一例を示す図であり、（ａ）はタービン回転翼を示す斜視図、（ｂ）はタービン回転翼の先端部を示す拡大図、（ｃ）は、タービン回転翼の先端部の対象部位を切り取って復元・形成した浸食防止部を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４６】
１…対象部材
２…下層（低硬質層）
３…上層（硬質層）
４…浸食防止部
５…溶接材料供給手段
６…レーザ光源
１１，２１，３１…試験片
２２…計測位置
４１…タービン回転翼
４２…対象部位
４３…浸食防止部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008036652.tif 000007
【図５】
2008036652.tif 000008
【図６】
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