(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素を組成に含む高Ｃｒ鋼の金属粉末にエネルギービームを照射することで前記金属粉末を溶融させることによって、窒素を含有する金属層を形成する金属層形成工程を有し、前記金属層形成工程を三次元設計データに基づいて繰り返し実行して前記金属層を積層することで、窒素が傾斜した傾斜組成を含む高Ｃｒ鋼部品を製造する、高Ｃｒ鋼部品の製造方法であって、
前記金属層形成工程において前記エネルギービームにより前記金属粉末に熱が入る入熱量を調整することによって、前記傾斜組成を形成する、
高Ｃｒ鋼部品の製造方法。
【請求項２】
前記金属層形成工程では、
前記金属粉末に第１入熱量の熱を入れるように前記金属粉末にエネルギービームを照射することによって、前記傾斜組成において第１の窒素含有量の部分を形成し、
前記金属粉末に第１入熱量よりも小さい第２入熱量の熱を入れるように前記金属粉末にエネルギービームを照射することによって、前記傾斜組成において前記第１の窒素含有量よりも多い第２の窒素含有量の部分を形成する、
請求項１に記載の高Ｃｒ鋼部品の製造方法。
【請求項３】
前記高Ｃｒ鋼部品は、蒸気タービン部品である、
請求項１または２に記載の高Ｃｒ鋼部品の製造方法。
【請求項４】
前記蒸気タービン部品は、タービンロータである、
請求項３に記載の高Ｃｒ鋼部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高Ｃｒ鋼部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電システムは、発電効率を更に高めるために、蒸気タービンに作動流体として供給する蒸気の温度が上昇する傾向にある。その結果、蒸気タービンを構成する蒸気タービン部品においては、高温特性の向上が要求されている。特に、高温特性として、クリープ強度の要求が厳しくなっている。
【０００３】
蒸気タービン部品は、耐熱性を確保するため、たとえば、高Ｃｒ鋼（組成中のクロム（Ｃｒ）の含有割合が９質量％以上である合金鋼）を用いて形成されている。しかし、作動流体である蒸気の温度が上昇するに伴って、クリープ強度を十分に得ることが困難になってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２４６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
蒸気タービン部品などの高Ｃｒ鋼部品は、高いクリープ強度が必要な部分の他に、クリープ強度以外の特性が必要な部分がある。たとえば、蒸気タービン部品であるタービンロータにおいて、動翼が設置される軸中央部は、高温の作動流体に曝されるので、高いクリープ強度が必要である。これに対して、タービンロータにおいて、軸受で支持される軸端部は、高温の作動流体に曝されないので、高いクリープ強度を必要とせずに、比較的に温度が低い状態における強度が高いことを必要とする。クリープ強度と、温度が低い状態における強度との両者は、二律背反の関係である。従来の高Ｃｒ鋼部品の製造方法では、上記した二律背反の関係にある特性のそれぞれを、高Ｃｒ鋼部品において必要な部分に付加することが容易でない。つまり、高Ｃｒ鋼部品においては、相反する両者の特性を両立させることが困難である。
【０００６】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、二律背反の関係にある特性のそれぞれを高Ｃｒ鋼部品において必要な部分に容易に付加することが可能な、高Ｃｒ鋼部品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】
【０００７】
実施形態に係る高Ｃｒ鋼部品の製造方法は、窒素を組成に含む高Ｃｒ鋼の金属粉末にエネルギービームを照射することで金属粉末を溶融させることによって、窒素を含有する金属層を形成する金属層形成工程を有し、金属層形成工程を三次元設計データに基づいて繰り返し実行して金属層を積層することで、窒素が傾斜した傾斜組成を含む高Ｃｒ鋼部品を製造する。ここでは、金属層形成工程においてエネルギービームにより金属粉末に熱が入る入熱量を調整することによって、傾斜組成を形成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、二律背反の関係にある特性のそれぞれを高Ｃｒ鋼部品において必要な部分に容易に付加することが可能な、高Ｃｒ鋼部品の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態の高Ｃｒ鋼部品について模式的に示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、実施形態の高Ｃｒ鋼部品を製造する製造方法について模式的に示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施形態の高Ｃｒ鋼部品を製造する製造方法について模式的に示す断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、実施形態の高Ｃｒ鋼部品を製造する製造方法について模式的に示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、実施形態の高Ｃｒ鋼部品を製造する製造方法について模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、実施形態の高Ｃｒ鋼部品を製造する製造方法について模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施形態に係る高Ｃｒ鋼部品の構成に関して説明する。
【００１１】
図１は、実施形態の高Ｃｒ鋼部品について模式的に示す断面図である。ここでは、高Ｃｒ鋼部品として、蒸気タービン部品であるタービンロータ１０を例示する。タービンロータ１０は、棒状体であって、タービンケーシング（図示省略）の内部において水平方向に回転軸ＡＸが沿うように設置される。
【００１２】
タービンロータ１０において、回転軸ＡＸに沿った軸方向の中央に位置する軸中央部１１には、動翼（図示省略）が設置される。軸中央部１１において、動翼は、軸方向に沿って複数段が設置される。軸中央部１１では、蒸気タービンの運転が行われるときには、タービンケーシングの内部に作動流体として供給された高温の蒸気が、複数段の動翼を順次介して軸方向に沿って流れる。たとえば、蒸気タービンが複流排気型である場合には、高温の蒸気は、軸中央部１１において中心から側方へ流れ、外部へ排気される。軸中央部１１は、蒸気タービンの運転時に高温の蒸気に曝されるので、温度が高くなる。
【００１３】
タービンロータ１０において、軸方向の両側部に位置する軸端部１２は、軸受（図示省略）で支持される部分を含む。軸端部１２は、軸中央部１１と異なり、蒸気タービンの運転が行われるときに高温の蒸気に曝されないので、軸中央部１１よりも温度が高くならない。
【００１４】
本実施形態では、タービンロータ１０は、窒素が傾斜した傾斜組成を含むように形成された傾斜機能材である。具体的には、タービンロータ１０は、高Ｃｒ鋼の組成中に窒素が含有する窒素含有量が、軸中央部１１よりも軸端部１２の方が少なくなっている。つまり、タービンロータ１０において、軸中央部１１は、第１の窒素含有量の部分であって、軸端部１２は、第１の窒素含有量よりも多い第２の窒素含有量の部分であり、軸方向において窒素含有量が段階的に変化している。
【００１５】
これにより、本実施形態では、クリープ強度は、軸中央部１１の方が軸端部１２よりも高い。これに対して、クリープ強度の測定温度よりも温度が低い状態における強度は、軸中央部１１よりも軸端部１２の方が高い。
【００１６】
高Ｃｒ鋼部品として上記のタービンロータ１０を製造する製造方法に関して説明する。
【００１７】
図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、および、図４は、実施形態の高Ｃｒ鋼部品を製造する製造方法について模式的に示す断面図である。
【００１８】
本実施形態では、三次元積層造形技術を用いて、窒素が傾斜した傾斜組成を含むタービンロータ１０を製造する。ここでは、ノズル３１とステージ３２とを備えた「パウダベッド方式」の三次元積層造形装置３０（３Ｄプリンタ）を使用して、タービンロータ１０の製造を行う場合を例示する。
【００１９】
タービンロータ１０を製造する際には、まず、図２Ａに示すように、金属粉末層４１をステージ３２の上面に設ける。ここでは、三次元積層造形装置３０においてステージ３２を収容した粉末貯留空間（図示省略）の内部に、ノズル３１から金属粉末３１０を供給して充填する。その後、スキージなどの板（図示省略）を用いて、その金属粉末３１０の上面を均して平坦化する。これにより、金属粉末層４１が均一な厚みで形成される。
【００２０】
金属粉末３１０としては、窒素成分を組成に含む高Ｃｒ鋼を用いる。たとえば、高Ｃｒ鋼として、９〜１１．５質量％のクロム（Ｃｒ）、０．１５〜０．３０％質量％のバナジウム（Ｖ）、０．０１〜０．０３質量％の窒素（Ｎ）、０．００５〜０．０１５％質量％のホウ素（Ｂ）を組成に含む耐熱鋼を用いる。この耐熱鋼を原材料として用いることによって、タービンロータ１０において、クリープ強度を十分に確保することが可能である。
【００２１】
金属粉末３１０は、粒子径（ＪＩＳ  Ｚ８８１５−１９９４「ふるい分け試験方法通則」）が、たとえば、１５〜１５０μｍであるものを好適に用いることができる。
【００２２】
つぎに、図２Ｂに示すように、金属粉末層４１にエネルギービームＥＢ１，ＥＢ２を照射することによって、金属層４１１，４１２を形成する。ここでは、エネルギービームＥＢ１，ＥＢ２として、電子ビームまたはレーザビームなどを照射する。これにより、金属粉末層４１を構成する金属粉末３１０が溶融した後に凝固した焼結体が、金属層４１１，４１２として形成される。
【００２３】
エネルギービームＥＢ１，ＥＢ２の照射については、タービンロータ１０の三次元設計データ（三次元ＣＡＤデータ）に基づいて、三次元積層造形装置３０の制御装置（図示省略）が照射位置の調整を行って実行する。
【００２４】
このとき、本実施形態では、三次元積層造形装置３０の制御装置がエネルギービームＥＢ１，ＥＢ２により金属粉末３１０に熱が入る入熱量を調整することによって、金属層４１１，４１２に含有する窒素の割合を制御する。
【００２５】
具体的には、金属粉末層４１のうち軸中央部１１を形成する部分の金属粉末３１０に対しては、第１入熱量の熱を入れるように、エネルギービームＥＢ１を照射する。これにより、第１の窒素含有量である軸中央部１１の一部を構成する金属層４１１が形成される。
【００２６】
これに対して、金属粉末層４１のうち軸端部１２を形成する部分の金属粉末３１０に対しては、第１入熱量よりも小さい第２入熱量の熱を入れるように、エネルギービームＥＢ２を照射する。これにより、第１の窒素含有量よりも多い第２の窒素含有量である軸端部１２の一部を構成する金属層４１２が形成される。
【００２７】
金属粉末層４１は、エネルギービームＥＢ１，ＥＢ２によって熱が加えられることで金属粉末３１０が溶融し、金属粉末３１０の組成に含まれる窒素成分が窒素ガスとして離脱する。窒素ガスとして離脱する量は、エネルギービームＥＢ１，ＥＢ２による入熱量が大きくなるに伴って増加する。このため、本実施形態では、窒素含有量は、上記したように、軸中央部１１の一部を構成する金属層４１１よりも、軸端部１２の一部を構成する金属層４１２の方が少なくなる。これにより、クリープ強度については、軸中央部１１の金属層４１１の方が軸端部１２の金属層４１２よりも高くなる。そして、クリープ強度の測定温度よりも比較的に温度が低い状態における強度については、軸中央部１１の金属層４１１よりも軸端部１２の金属層４１２の方が高くなる。
【００２８】
図３Ａに示すように、金属粉末層４１の形成を上記と同様に実行する（図２Ａ参照）。その後、図３Ｂに示すように、エネルギービームＥＢ１，ＥＢ２の照射を上記と同様に実行する（図２Ｂ参照）。つまり、金属層４１１，４１２を形成する金属層形成工程を三次元設計データに基づいて繰り返し実行し、金属層４１１，４１２を順次積層する。
【００２９】
これにより、図４に示すように、金属層４１１，４１２の積層体が、タービンロータ１０として形成される。そして、タービンロータ１０の周囲に残った未溶融部分の金属粉末３１０を除去することで、タービンロータ１０を完成させる（図１参照）。
【００３０】
以上のように、本実施形態では、三次元積層造形技術を用いて製造する際に、エネルギービームＥＢ１，ＥＢ２により金属粉末３１０に熱が入る入熱量を調整することで、窒素含有量を制御する。したがって、本実施形態においては、クリープ強度と、クリープ強度の測定温度よりも比較的に温度が低い状態における強度とのように、二律背反の関係にある特性のそれぞれを、タービンロータ１０において必要な部分に容易に付加することができる。
【００３１】
具体的には、組成が異なる複数の金属粉末の配合比を変えることで傾斜組成を形成することが可能であるが、本実施形態では、特別な機構を用いずに、エネルギービームＥＢ１，ＥＢ２による入熱量の調整で容易に傾斜組成を形成することができる。また、熱処理条件を変えることで傾斜組成を形成する場合よりも、本実施形態では、微細かつ複雑な傾斜組成を容易に形成することができる。
【００３２】
なお、上記の実施形態では、窒素が傾斜した傾斜組成を有する高Ｃｒ鋼部品として、タービンロータ１０を例示したが、これに限らない。タービンロータ１０以外に、動翼、静翼などの蒸気タービン部品について、上記の実施形態と同様に、傾斜組成を有するように構成してもよい。たとえば、動翼等については、ラジアル方向において、傾斜組成を有するように形成してもよい。
【００３３】
上記の実施形態では、窒素含有量が段階的に変化する傾斜組成を有する高Ｃｒ鋼部品について例示したが、これに限らない。窒素含有量が連続的に変化する傾斜組成を有するように、高Ｃｒ鋼部品を構成してもよい。
【００３４】
上記の実施形態において高Ｃｒ鋼部品の製造で用いた三次元積層造形装置３０は、「パウダベッド方式」であるが、これに限らない。三次元積層造形装置は、「デポジション方式」であってもよい。つまり、ノズルからステージの上面に噴射した金属粉末にエネルギービームを照射し、金属粉末を焼結させることによって金属層を形成することを、高Ｃｒ鋼部品の三次元設計データに基づいて繰り返し実行することで金属層を積層して、高Ｃｒ鋼部品を製造してもよい。
【実施例】
【００３５】
以下より、上記した実施形態の実施例について説明する。
【００３６】
本実施例では、１０質量％のクロム（Ｃｒ）、０．２質量％のバナジウム（Ｖ）、０．０８質量％のニオブ（Ｎｂ）、２質量％のタングステン（Ｗ）、０．０３質量％の窒素（Ｎ）、および、０．０１％質量％のホウ素（Ｂ）を組成中に含む高Ｃｒ鋼の金属粉末を準備した。ここでは、粒子径の範囲が４５〜９５μｍである金属粉末を準備した。
【００３７】
そして、上記の金属粉末を用いて、直方体形状の造形物を高Ｃｒ鋼部品として作製した。造形物の作製においては、電子ビームをエネルギービームとして照射する「パウダベッド方式」の三次元積層造形装置を用いた。
【００３８】
具体的には、電子ビームの電流値が１０ｍＡである条件で、第１層を作製した。その後、電子ビームの電流値が２５ｍＡである条件で、第２層を第１層に積層させた。第１層および第２層のそれぞれについては、縦の寸法が７０ｍｍであり、横の寸法が１５ｍｍであり、厚みが１５ｍｍになるように形成した。
【００３９】
そして、上記の造形物を構成する第１層と第２層とのそれぞれから、クリープ試験片を採取した後に、そのクリープ試験片についてクリープ試験を行った。クリープ試験は、温度が６５０℃であって、圧力が１６ｋｇｆ／ｍｍ２である試験条件で行った。その他、「温度が低い状態における強度」を測定するために、各試験片について引張試験を行った。
【００４０】
電子ビームの電流値が１０ｍＡである条件で作製した第１層のクリープ試験片は、クリープ破断寿命が１６１６時間であった。また、この第１層のクリープ試験片は、窒素含有量が２１０ｐｐｍであった。そして、この第１層の試験片について引張試験を行った結果、引張強度が９５０ＭＰａであった。
【００４１】
これに対して、電子ビームの電流値が２５ｍＡである条件で作製した第２層のクリープ試験片は、クリープ破断寿命が２５２５時間であった。また、この第２層のクリープ試験片は、窒素含有量が１４０ｐｐｍであった。そして、この窒素含有量が少ない試験片について引張試験を行った結果、引張強度が９００ＭＰａであった。
【００４２】
このように、電子ビームによる入熱量を変えることで、組成中の窒素含有量およびクリープ特性等を変化可能であることが確認できた。
【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。
【符号の説明】
【００４４】
１０…タービンロータ、１１…軸中央部、１２…軸端部、３０…三次元積層造形装置、３１…ノズル、３２…ステージ、４１…金属粉末層、３１０…金属粉末、４１１…金属層、４１２…金属層、ＡＸ…回転軸、ＥＢ１，ＥＢ２…エネルギービーム
【図１】
0006640654.tif 000002
【図２Ａ】
0006640654.tif 000003
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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