(57)【要約】【課題】応力腐食割れおよび遅れ破壊割れを生じることなく、エロージョンを受けやすい部位を強化することができる低コストかつ長寿命のタービン翼のエロージョンシールド方法およびエロージョンシールドされたタービン翼を提供する。【解決手段】析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼からなるタービン翼の全体を溶体化処理した後に時効処理する標準熱処理工程と、この標準熱処理工程後にタービン翼の翼先端部位のみをＡｒ１点以上に局部的に急熱し、完全オーステナイト域に所定時間保持した後に室温まで急冷し、その後Ａｒ３点以上で時効することにより翼先端部位の表層に圧縮の残留応力を生じさせる局部硬化熱処理工程とを有する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エロージョンに対するタービン翼の耐性を増進させるためのタービン翼のエロージョンシールド方法であって、
析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼からなるタービン翼の全体を溶体化処理した後の標準熱処理工程と、
前記標準熱処理工程後にタービン翼の翼先端部位のみをＡｒ１点以上に局部加熱し、所定時間保持した後に室温まで急冷し、引き続きＡｒ１点以下で時効することにより前記翼先端部位の表層に圧縮の残留応力を生じさせる局部硬化熱処理工程と、
を具備することを特徴とするタービン翼のエロージョンシールド方法。
【請求項２】
前記局部硬化熱処理工程では、高周波加熱法、レーザ加熱法またはバーナー加熱法を用いて前記翼先端部位を局部加熱することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記局部硬化熱処理工程では、加熱保持後の翼先端部位の冷却速度を周囲の部位のそれよりも大きくすることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼からなり、溶体化処理後、全体が時効処理された後に、翼先端部位のみをＡｒ１点以上に局部加熱し、所定時間保持した後に室温まで急冷し、その後Ａｒ１点以下で時効することにより前記翼先端部位の表層に圧縮の残留応力が存在する硬化部を有することを特徴とするエロージョンシールドされたタービン翼。
【請求項５】
前記析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼は１７−４ＰＨ鋼（ＳＵＳ６３０）からなることを特徴とする請求項４記載のタービン翼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンの低圧タービンのタービン動翼に係り、特に蒸気タービンにおけるエロージョンシールド方法及びエロージョンシールドされたタービン翼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンのタービン動翼はスチームと直接接触する過酷な環境下におかれ、結露した水滴によりエロージョン等の著しい熱損傷を受ける。エロージョンによりタービン翼に減肉を生じると、強度が不足するばかりでなく、エロージョン損傷部を起点として亀裂が発生するおそれがある。そこで、エロージョンを受けやすい部位にエロージョンシールド材を貼り付け、エロージョンに対する抵抗力を増大させ、タービン翼全体の寿命延長を図っている。
【０００３】
従来の低圧タービン翼（母材；１７−４ＰＨ鋼）のエロージョンシールドには、銀ろう付けにより板状のステライトを貼り付けている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のステライト板の貼り付けによるエロージョンシールドは品質にばらつきが大きい。
【０００５】
また、ステライト（Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ合金）は高価な材料であるため、製造コストが増大する。
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、応力腐食割れおよび遅れ破壊割れを生じることなく、エロージョンを受けやすい部位を強化することができる低コストかつ長寿命のタービン翼のエロージョンシールド方法及びエロージョンシールドされたタービン翼を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、タービン翼材の耐エロージョン性を向上させることを目的として、エロージョンシールド対象部位そのものを硬くすることにつき鋭意研究を積み重ねた結果、１７−４ＰＨ鋼のような析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼では無制限に硬さを上昇させた場合に、次の２つの問題点を生じるので、これらの問題点を解決する必要があることに着目した。
【０００８】
（１）第１に、この種の鋼の硬度を上昇させていくと、図７（出典；Ｍ．Ｔｓｕｂｏｔａ　ｅｔ．ａｌ．；４ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ−Ｗａｔｅｒ　Ｒｅａｃｔｏｒ，（１９８９），９−６６）に示すように、材料の硬さがビッカース硬さＨｖで３４０を超える領域において応力腐食割れ（ＳＣＣ）の発生率が急激に増大するという問題がある。なお、図の縦軸はＳＣＣ割れ深さ（μｍ）を示す。図中にて黒三角（６３０と表示）は１７−４ＰＨ鋼を、黒丸（４３１と表示）は１７Ｃｒ鋼を、十字（ＣＷ３０４と表示）はＳＵＳ３０４ステンレス鋼を、その他（４０３，４２０Ｊ１，ＣＡ４０，Ｆ６ＮＭと表示）は１２Ｃｒ鋼をそれぞれ示す。ちなみにＳＣＣ試験は、ＣＢＢ法（Ｃｒｅｖｉｃｅｄ　Ｂｅｎｔ　Ｂｅａｍ　ｔｅｓｔ）で引張応力条件下で温度２８８℃の４０ｐｐｍＤＯ２水中に５００時間浸漬する加速試験である。この図から、材料の硬さがＨｖ３４０を超えると応力腐食割れの発生率が大幅に増大することが明らかである。
【０００９】
（２）第２に、この種の鋼の硬度を上昇させていくと、図８（出典；松本晋作著「遅れ割れ破壊」、日刊工業新聞社（１９８９））に示すように、材料の硬さがビッカース硬さ３５０Ｈｖを超える領域において遅れ破壊強度が急激に低下するという問題がある。なお、図の縦軸は、割れのない無欠陥材料の強度を基準値１．０にとり、これに対する供試材の強度を指数化した遅れ破壊強度比を示す。図中にて白丸は０．２Ｃ−Ｃｒ鋼を、黒丸は０．２Ｃ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｃｒ鋼を、白三角は０．４Ｃ−Ｃｒ鋼を、黒三角は０．３７Ｃ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼を、白四角は０．３６Ｃ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼をそれぞれ示す。ちなみに遅れ破壊割れ試験は、１ｍｍの切欠をもつφ６ｍｍ径の丸棒を０．１％ＮａＣｌ水溶液を滴下しながら加速試験を行った。この図から、材料の硬さが３５０Ｈｖを超えると遅れ破壊強度比が急激に低下し、遅れ破壊の発生率が大幅に増大することが明らかである。
【００１０】
これらの応力腐食割れおよび遅れ割れ破壊はいずれも引張り応力下で発生するものである。上記の理由から一般的には析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼、例えば１７−４ＰＨは一般的にビッカース硬さＨｖで３４０以下にして使用される。このような１７−４ＰＨ鋼は、Ｃｕ析出相により高強度化する析出硬化型ステンレス鋼であるため時効熱処理が必須の鋼種である。典型的な１７−４ＰＨ鋼の組成は、質量％で、Ｃ；０．０５％，Ｓｉ；０．３％，Ｍｎ；０．５％，Ｃｕ；４％，Ｎｉ；４％，Ｃｒ；１７％，Ｎｂ＋Ｔａ；０．３％，を含み、残部Ｆｅからなる。
【００１１】
そこで、本発明者らは、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼において応力腐食割れや遅れ割れ破壊を誘起させることなく、その表層部の硬さを上昇させて耐エロージョン性を向上させるための方策を種々検討した。その結果、以下に述べる本発明を完成させるに至った。
【００１２】
本発明に係るタービン翼のエロージョンシールド方法は、エロージョンに対するタービン翼の耐性を増進させるためのタービン翼のエロージョンシールド方法であって、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼からなるタービン翼の全体を溶体化処理した後に時効処理する標準熱処理工程と、前記標準熱処理工程後にタービン翼の翼先端部位のみをＡｒ１点以上に局部加熱し、所定時間保持した後に室温まで急冷し、引き続きＡｒ１点以下で時効することにより前記翼先端部位の表層に圧縮の残留応力を生じさせる局部硬化熱処理工程とを具備することを特徴とする。
【００１３】
上記の局部硬化熱処理工程では、高周波加熱法、レーザ加熱法又はバーナー加熱法を用いて翼先端部位を局部加熱することが好ましい。これらの加熱手段はエネルギ密度が高く、単位面積当たりの入熱量が大きいので、急速加熱に適しており、目標温度に短時間で到達させることができるからである。なお、入熱量の調節は給電量を制御することにより行うが、接触方式または非接触方式の温度センサを用いて加熱対象部位の温度を実測して温度管理することが望ましい。このような温度センサには、接触方式の場合は熱電対およびＰｔ抵抗温度計を用いることが好ましく、非接触方式の場合は放射温度計を用いることが好ましい。
【００１４】
また、上記の局部硬化熱処理工程では、加熱保持後の翼先端部位の冷却速度を周囲の部位のそれよりも大きくすることが好ましい。冷却速度を大きくすればするほどマルテンサイト相変態量が増大し、体積膨張量が増え、その分だけ圧縮の残留応力が大きくなるからである。ここで、翼先端部位の表層に生じさせる圧縮の残留応力は母材の強度に応じて適当な大きさとすることが望ましい。適当な大きさの圧縮残留応力の存在下では析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼に実質的に応力腐食割れおよび遅れ破壊割れが発生しなくなるからである。
【００１５】
また、局部加熱の保持時間は当該部位が完全にオーステナイト変態するに十分な時間とする。このような適正な保持時間として５秒間以上が推奨される。
【００１６】
本発明に係るエロージョンシールドされたタービン翼は、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼からなり、溶体化処理後、全体が時効処理された後に、翼先端部位のみをＡｒ１点以上に局部加熱し、所定時間保持した後に室温まで急冷し、その後Ａｒ１点以下で時効することにより前記翼先端部位の表層に圧縮の残留応力が存在する硬化部を有することを特徴とする。
【００１７】
次に、図１、図５、図６を参照して本発明のエロージョンシールド方法およびその作用について説明する。
【００１８】
図１に示すように、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼（１７−４ＰＨ鋼）の鍛造品からなる翼材は、標準熱処理を行った後に、さらに翼先端部位のみをＡｒ１点以上の温度（約１０００℃）に局部加熱し所定時間保持した後に急冷し、引き続きＡｒ１点直下の温度（約４５０℃）に加熱し所定時間保持した後に急冷することにより局部硬化熱処理される。
【００１９】
この局部硬化熱処理された部位はマルテンサイト相変態するために、図５および図６に示すように、加熱前よりも加熱後のほうが体積膨張し、その結果、圧縮の残留応力が発生する。このため、エロージョンシールド部の硬さをビッカース硬さＨｖで３４０以上（例えば、Ｈｖ＝４００）としたとしても応力腐食割れや遅れ破壊割れを生じなくなる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。本実施形態では低圧の蒸気タービン機関に用いられるタービン動翼をエロージョンシールドする場合を例にとって説明する。
先ず図２を用いて蒸気タービン機関について説明する。蒸気タービン機関は、主にロータ６、ケーシング（車室）７、タービン翼１０を備えている。
【００２１】
タービン翼１０を構成する静翼８と動翼９とは交互に複数段配置されており、動翼９はロータ６の周囲にとりつけられ、静翼８はケーシング（車室）７側周囲に固定されている。静翼８と動翼９との隙間を通って蒸気が外部へ漏れ出さないように、静翼８と動翼９との隙間を外側から取り囲むようにケーシング７が設けられている。流入した蒸気は静翼８および動翼９で形成される通路を流れ、膨張して動翼９を介しロータ６を回転させ、この回転動力を発電機等の運転に利用している。
【００２２】
図３に示すように、タービン動翼９は、円周方向に延び出す翼本体９１と、翼本体９１の内周側の基部に設けられたプラットフォーム９２と、プラットフォーム９２の内周側に設けられた固定部９３とが一体化した鍛造品である。翼本体９１の先端の一部は周囲より硬いエロージョンシールド部が形成されている。
【００２３】
図３および図４に示すように、翼本体９１の翼先端部にはエロージョンシールド部９６が形成されている。このエロージョンシールド部９６は、周囲の部位（ビッカース硬さＨｖ３４０未満）よりも硬く（ビッカース硬さＨｖ４００以上）、かつ適当な大きさの圧縮の残留応力を有している。
【００２４】
次に、上記のエロージョンシールド部を形成する場合について図１の熱履歴線図を参照して説明する。
【００２５】
析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼（１７−４ＰＨ鋼）の鍛造品からなるタービン動翼９は、先ず標準熱処理を行う。
【００２６】
さらに、高周波誘導加熱器を用いて翼本体９１の翼先端部位９６のみをＡｒ１点以上の温度（約１０００℃）に局部的に急速加熱し、所定時間Ｔ４（例えば１０分間）保持した後に急冷し、引き続きＡｒ１点直下の温度（約４５０℃）に加熱し所定時間Ｔ５（例えば４時間）保持した後に急冷した。これにより当該部位９６は周囲の部位よりもビッカース硬さで約１００Ｈｖ以上硬化する。
【００２７】
この局部硬化熱処理された部位はマルテンサイト相変態するために、図５および図６に示すように、加熱前よりも加熱後のほうが体積膨張し、その結果、圧縮の残留応力が発生する。このため、エロージョンシールド部９６の硬さをビッカース硬さＨｖで３４０以上（例えば、Ｈｖ＝４００）としたとしても応力腐食割れや遅れ破壊割れを生じなくなる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、比較的簡易な方法を用いてエロージョン損傷を受けやすい部位に圧縮の残留応力を生じさせることができるので、応力腐食割れおよび遅れ破壊割れを生じることなく、対象部位を硬化させて強化することができる。このため、低コストで蒸気タービンのタービン動翼をエロージョンシールドすることができ、応力腐食割れや遅れ破壊割れを生じない長寿命のタービン翼が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のタービン翼のエロージョンシールド方法を示す熱履歴特性線図。
【図２】蒸気タービン機関の要部を拡大して示す断面図。
【図３】エロージョンシールド部を有するタービン動翼を示す外観模式図。
【図４】エロージョンシールド部を有するタービン動翼を示す横断面図。
【図５】相変態による体積変化を模式的に示す特性線図。
【図６】加熱・冷却の熱サイクルを受けたときの材料の長さの変化を示す特性線図。
【図７】各種材料における硬さと応力腐食割れ深さとの相関を示す特性図。
【図８】各種材料における硬さと遅れ破壊強度比との相関を示す特性線図。
【符号の説明】
８…静翼、
９…動翼、
１０…タービン翼、
９１…翼本体、
９２…プラットフォーム、
９３…固定部、
９６…エロージョンシールド部（硬化部）、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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