(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンを構成する構造体の表面においてショットピーニングにより圧縮残留応力を付与された圧縮応力層と、
前記圧縮応力層の表面を覆うようにめっきにより形成された被覆層とを備え、
前記被覆層は、ニッケルめっき、ニッケル複合めっき、クロムめっきの何れか１つにより前記圧縮応力層の表面に形成された下層部と、金めっき、金複合めっきの何れか１つにより前記下層部の表面に形成された上層部との２層により形成されたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
蒸気タービンを複数の構造体により一体的に構成するために前記構造体に形成された嵌合部の互いに対向する面においてショットピーニングにより圧縮残留応力を付与された圧縮応力層と、
前記圧縮応力層の表面を覆うようにめっきにより形成された被覆層とを備え、
前記被覆層は、ニッケルめっき、ニッケル複合めっき、クロムめっきの何れか１つにより前記圧縮応力層の表面に形成された下層部と、金めっき、金複合めっきの何れか１つにより前記下層部の表面に形成された上層部との２層により形成されたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項３】
蒸気タービンを構成する構造体の表面においてショットピーニングにより圧縮残留応力を付与して圧縮応力層を形成する工程と、
前記圧縮応力層の表面を覆う被覆層の下層部を、ニッケルめっき、ニッケル複合めっき、クロムめっきの何れか１つにより前記圧縮応力層の表面に形成する工程と、
前記被覆層の上層部を、金めっき、金複合めっきの何れか１つにより前記下層部の表面に形成する工程と
を有することを特徴とする蒸気タービンの表面処理方法。
【請求項４】
蒸気タービンを複数の構造体により一体的に構成するために前記構造体に形成された嵌合部の互いに対向する面においてショットピーニングにより圧縮残留応力を付与して圧縮応力層を形成する工程と、
前記圧縮応力層の表面を覆う被覆層の下層部を、ニッケルめっき、ニッケル複合めっき、クロムめっきの何れか１つにより前記圧縮応力層の表面に形成する工程と、
前記被覆層の上層部を、金めっき、金複合めっきの何れか１つにより前記下層部の表面に形成する工程と
を有することを特徴とする蒸気タービンの表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラントなどにおける蒸気タービン及びその表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラント等に設置される蒸気タービンは、酸化性雰囲気や高熱雰囲気等の腐食性流体に曝されるため、これらの構造物に使用される金属類は、貴金属を除いて、腐食されたり、酸化されたりする。したがって、これらの構造物は、想定される環境下での腐食速度や酸化速度を勘案し、所定の強度や機能が寿命全体に亘って維持されるように設計される。しかしながら、設計段階においては全ての事象を想定することが出来ないため、想定外の運転・運用方法や環境の変化、あるいは新たな現象の発現などによって腐食や酸化の進行が顕著になる場合がある。
【０００３】
例えば、蒸気タービンを構成する構造体を繋ぐ嵌合部は、すき間が存在する上、運転時に発生する遠心荷重により応力集中部となることがあり、応力腐食割れや腐食疲労などに代表される環境助長割れの発生が懸念される。環境助長割れが生じると、検査や補修のために、運用停止が必要となり、安定した電力供給に支障をきたす可能性がある。
【０００４】
環境助長割れについては、応力、材料、環境の３つの因子が知られており、これらの影響を改善することにより環境助長割れの抑制が図られる。例えば、応力に関しては応力集中を避ける形状や構造を用い、材料に関しては耐力を低減して応力腐食割れ感受性の低い材料を適用し、環境に関しては蒸気タービン内の蒸気が嵌合部に侵入しないよう嵌合部を被覆・充填したり、シール部を設けたりすることが考えられる。
【０００５】
環境助長割れの一因子である応力の蒸気タービンへの影響の低減に関する技術として、例えば、特許文献１（実開昭６１−９５９０４号公報）には、複数の動翼をロータディスクの外周部に密に連ねて一体的に構成したものであって、ロータディスクは周方向に連なるダブテイル、動翼はこのダブテイルに対向するダブテイル溝をそれぞれ備え、ダブテイル溝を前記ロータディスクのダブテイルに係合することにより、ロータディスクと動翼とを一体にするようにしたものにおいて、ロータディスクのダブテイルにショットピーニングにより圧縮残留応力を付与する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開昭６１−９５９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来技術には次のような問題がある。
【０００８】
すなわち、ショットピーニングによりロータの動翼取付用溝部に圧縮残留応力を付与する場合、寸法の変化や表面硬化層の形成、あるいは肌荒れ等が生じ、これらが耐食性低減の要因（すなわち、環境因子による環境助長割れの助長）となる場合があるため、ショットピーニング後に機械研削を実施してこれらを除去する必要がある。しかし、ショットピーニング後に機械研削を実施することは煩雑であるばかりでなく、せっかく形成した圧縮応力層が薄くなってしまい、圧縮残留応力の効果も薄くなってしまうという問題点があった。
【０００９】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、ショットピーニングにより付与される圧縮残留応力の効果の減少および処理の煩雑化を抑制しつつ環境助長割れに対する耐性の高い蒸気タービンおよびその表面処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、蒸気タービンを構成する構造体の表面においてショットピーニングにより圧縮残留応力を付与された圧縮応力層と、前記圧縮応力層の表面を覆うようにめっきにより形成された被覆層とを備えたものとする。
【発明の効果】
【００１１】
ショットピーニングにより付与される圧縮残留応力の効果の減少および処理の煩雑化を抑制しつつ環境助長割れに対する耐性の高い蒸気タービンおよびその表面処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施の形態に係る蒸気タービンの回転軸を含む面における縦断面図である。
【図２】図１におけるＡ部における構造の一部を抜き出し、拡大して示す斜視図である。
【図３】ロータホイール及び動翼の嵌合部にける互いに対向する面の表面部分の構造を模式的に示す断面図である。
【図４】ショットピーニングにおけるめくれ発生のメカニズムを説明する図であり、未処理の処理対象物に鋼球を打ちつけた状態を示す図である。
【図５】ショットピーニングにおけるめくれ発生のメカニズムを説明する図であり、くぼみに鋼球が打ち付けられる状態を示す図である。
【図６】ショットピーニングにおけるめくれ発生のメカニズムを説明する図であり、めくれやくぼみが形成された状態を示す図である。
【図７】各めっき処理を施した試験片における分極曲線を示す図である。
【図８】各めっき処理を施した試験片における割れの耐ひずみ特性試験の結果を示す図である。
【図９】応力腐食割れ感受性試験における試験結果を示す図である。
【図１０】応力腐食割れ感受性試験に用いた試験片の条件を表形式にまとめた図である。
【図１１】図９に示した応力腐食割れ感受性試験の試験結果を表形式にまとめた図である。
【図１２】第２の実施の形態に係るロータホイール及び動翼の嵌合部にける互いに対向する面の表面部分の構造を模式的に示す断面図である。
【図１３】図１におけるＢ部における構造の一部を抜き出し、拡大して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図１〜図１１を参照しつつ説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態に係る蒸気タービンの回転軸を含む面における縦断面図である。また、図２は図１におけるＡ部における構造の一部を抜き出し、拡大して示す斜視図である。
【００１６】
図１及び図２において、蒸気タービン１００は、回転体であるロータ１と、ロータ１の軸周りに取り付けられた複数の動翼２と、蒸気タービン１００に供給される蒸気１０１を整流して動翼に効率よく供給するための静翼４と、これらを囲むように配置されたケーシング３とから概略構成されている。
【００１７】
ロータ１には、軸方向に複数多段の円板状のロータホイール１１が形成されている。動翼２は、各ロータホイール１１の外周に周方向に密接して複数配置されている。
【００１８】
図２に示すように、ロータホイール１１と動翼２は、嵌合部１２において結合されている。嵌合部１２の構造としては、複数の嵌合方式が考えられるが、本実施の形態においては、ロータホイール１１の周方向にツリー型溝を設けるとともに、動翼２側においても対応するツリー型溝を設け、両者のツリー型溝を嵌合するタンジェンシャルエントリ構造を用いる場合について説明する。
【００１９】
嵌合部１２においては、ロータホイール１１のツリー型溝により形成されるフック１３と、動翼２のツリー型溝により形成されるフック２３とが嵌合することにより、ロータホイール１１（すなわちロータ１）と動翼２とが一体的に構成されている。
【００２０】
図３は、ロータホイール及び動翼の嵌合部にける互いに対向する面の表面部分の構造を模式的に示す断面図である。
【００２１】
図３において、嵌合部１２の表面部は、ショットピーニングにより圧縮残留応力を付与された圧縮応力層１４と、圧縮応力層１４の表面を覆うようにめっきにより形成された耐食性を有する被覆層１５とを備えている。
【００２２】
ここで、嵌合部１２の表面部の具体的な形成方法の一例を説明する。なお、ここではロータ１について説明するが、動翼２の嵌合部１２についても同様の形成方法を用いる。
【００２３】
ロータ１は、所定の化学組成および機械特性を有するインゴットを機械研削することにより、軸受部やロータホイール１１を形成する。このとき、ロータホイール１１に嵌合部１２のツリー型溝を精度よく加工形成する。続いて、表面を脱脂洗浄したのち、ショットピーニング処理により嵌合部１２の表面部に圧縮応力槽１４を形成する。嵌合部１２はツリー型溝を有している（ツリー形状となっている）ため、出来るだけショットが嵌合面に対し直角に噴霧されるよう、噴霧ノズルの先端が鈎状となっているものを用いる。なお、ショットピーニング処理の条件の詳細はここでは割愛するが、アルメンアークハイトが所定の寸法となるように、ショットの材質、寸法、噴射圧力、投射角度等を決定する。続いて、ショットピーニング処理後、圧縮空気の噴射でごみや金属くずを除去し、再度、脱脂洗浄する。そして、脱脂洗浄により清浄になった嵌合部１２の表面部に耐食性を有する被覆層１５をめっき処理により形成する。
【００２４】
まず、嵌合部１２の表面部に形成される圧縮応力層１４について詳細に説明する。
【００２５】
圧縮応力層１４には、ショットピーニング処理によって圧縮残留応力が付与される過程で、めくれ１６やくぼみ１７などが形成される場合がある。
【００２６】
図４〜図６は、ショットピーニングにおけるめくれ発生のメカニズムを説明する図であり、図４は未処理の処理対象物に鋼球を打ちつけた状態を、図５はくぼみに鋼球が打ち付けられる状態を、図６はめくれやくぼみが形成された状態をそれぞれ示す図である。
【００２７】
ショットピーニング処理においては、処理対象物１８（嵌合部１２の表面部に相当）に鋼球１９のショットを打ちつけるため、処理対象物１８の表面にくぼみ２２（くぼみ１７に相当）が形成される（図４参照）。さらに、鋼球１９のショットがくぼみ２２の内周部（くぼみ口）に衝突すると（図５参照）、くぼみ口周辺においてめくれ２１（めくれ１６に相当）が発生する（図６参照）。このめくれ２１は、処理対象物に対する鋼球１９のショットの入射角が浅くなるほど（０度に近いほど）発生頻度が高くなる傾向にある。また、鋼球１９のショットを打ち込む処理対象物の曲率が嵌合部１２のように小さい場合ほど、めくれ２１の発生頻度が高くなる傾向にある。
【００２８】
次に、嵌合部１２の表面部に形成される被覆層１５について詳細に説明する。被覆層１５の形成には、ニッケルめっき、ニッケル複合めっき、金めっき、金複合めっき、クロムめっきの何れかを用いる。
【００２９】
蒸気タービン１００のロータホイール１１の嵌合部１２においては、動翼２の遠心応力により、嵌合部１２に大きなひずみが加わる。そのため、ある程度のひずみに耐えられる被覆層１５（めっき層）が必要である。また、嵌合部１２は温度が８０℃〜１３０℃程度の高温蒸気、あるいは高温水に曝される。さらには、蒸気タービン１００の運転時間が増えるにしたがって、ロータホイール１１と動翼２との間（嵌合部１２）に形成される約０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のすきまに塩化物イオン等の腐食性アニオンが蓄積することもあり、被覆層１５（めっき層）自身が耐食性を有している必要がある。
【００３０】
蒸気タービン１００のロータ１は、小型のもので直径が数１０ｃｍ程度であるが、大型になると数メートルにおよぶ場合がある。小型のロータ１の場合は、めっき不要な部分をマスキングしてそのままめっき槽に浸せきすることで、必要箇所に所望のめっきを得ることができる。また、大型のロータ１では、ロータホイール１１の嵌合部１２が漬かる程度のめっき浴槽を用意し、ロータ１を回転させることによって全周にめっき層を形成することができる。あるいは、嵌合部１２だけを覆うことができるドーナツ状のめっき浴槽を用意して、複数あるロータホイール１１を一つ一つめっきしてもよい。なお、めっき層を形成する手段については特に限定するものではない。
【００３１】
このようにして形成される被覆層１５（めっき層）に用いるめっきの性能について、種々のめっき処理を施した試験片を用い、耐食性試験、割れの耐ひずみ特性試験、および応力腐食割れ感受性試験の３種の試験を実施した。
【００３２】
各試験には試験片として、ＪＩＳ＿Ｚ＿２２０１＿１４Ａ号準拠の丸棒試験片を用いた。また、各試験に用いた試験片の材料（下地材）は、現用低圧蒸気タービンのロータとして多く使用されている３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼（３．５Ｎｉ−１．７５Ｃｒ−０．４Ｍｏ−０．１Ｖ−０．２８Ｃ鋼）を用いた。
【００３３】
試験片の材料を焼入れ、焼戻し熱処理し、０．２％耐力が所定の値となるように調質して試験片を形成した。各試験に用いる試験片の耐力は、通常より高い９５０ＭＰａおよび８５０ＭＰａの２種類とした。
【００３４】
熱処理で調質した耐力８５０ＭＰａの材料を平行部長さ２０ｍｍ（標点距離１２．５ｍｍ）、直径３．０ｍｍを有する１４Ａ号丸棒引張試験片に加工した。加工後、アセトンおよびエタノールで脱脂したのち、ショットピーニングに供した。
【００３５】
丸棒試験片の準備ができたのち、丸棒試験片の平行部からつかみ部にかけて、ショットピーニングを施した。ショットピーニングの条件は主にＪＩＳ＿Ｂ＿２７１１「ばねのショットピーニング」に準拠して定めた。ショットは直径２３０μｍの鋼球を用い、アルメンストリップＡ片を用いて、アークハイトが０．２３から０．２５ｍｍ、カバレージ１００％になる条件を予め求めた。丸棒引張試験片を一定の速さで回転させ、ショットを回転中心線に向け噴射した。
【００３６】
ショットピーニング処理後、表面を圧縮空気でゴミや金属くずを除去し、さらにアセトンとエタノールで脱脂した。この結果得られた圧縮残留応力はＸ線応力測定の結果、−６００ＭＰａ〜−５００ＭＰａの範囲にあった。また、電解研磨で徐々に表面を溶解させて、圧縮応力層１４の厚さ（圧縮から引張に変化する深さ）を測定したところ平均して０．４ｍｍであった。
【００３７】
次いで、ショットピーニング処理を終えた丸棒引張試験片の表面にめっき処理を行う。めっきの材質は、現在、工業的に主流になっている電解ニッケルめっき、ニッケル−りん（りん濃度約５ｍａｓｓ％の低りん、りん濃度約８ｍａｓｓ％の中りん、りん濃度約１２ｍａｓｓ％の高りんの３種）無電解めっき、硬質クロムめっき、金めっきを対象とした。これら各種めっきをショットピーニング施工済みの丸棒試験片に施す。
【００３８】
なお、めっきはその種類によって施工条件やプロセスが大きく異なるため、全てのめっきについてその詳細条件や方法については示さないが、大きく分けて、前処理とめっき処理の２段階のプロセスを経て、めっき処理を施した。前処理としては、例えば、アルカリ脱脂、電解脱脂、活性化処理などの工程で構成される。また、めっき処理としては、ストライクめっき、本めっき、湯洗乾燥などの工程で構成される。前処理およびめっき処理に用いられる各種溶液は市販の溶液を使用し、めっき膜厚は０．５μｍ〜５０μｍとした。
【００３９】
（１）耐食性試験
まず、作製した試験片に対して、めっき層自身の耐食性試験を行った。耐食性の評価には電気化学による分極曲線法を用いた。測定では、めっき処理した丸棒引張試験片にリード線をとりつけ、ｐＨ４に調製した大気開放クエン酸溶液に浸し、走査速度１００ｍＶ／ｍｉｎで分極し、分極している間の電気量を測定する。なお、めっき層が溶解して下地が露出しないような電位範囲としている。
【００４０】
図７は、各めっき処理を施した試験片における分極曲線を示す図である。
【００４１】
図７に示す分極曲線図においては、縦軸に示す電流が小さければ小さいほど耐食性に優れることを示している。図７に示しためっき種の中で最も耐食性に優れていると考えられるのは、金めっき（Ａｕ）である。次いで、ニッケル−りんめっき（高りんタイプ：Ｎｉ−高Ｐ）、硬質クロムめっき（硬質Ｃｒ）、ニッケル−りんめっき（中りんタイプ：Ｎｉ−中Ｐ）、ニッケル−りんめっき（低りんタイプ：Ｎｉ−低Ｐ）、電解ニッケルめっき（電解Ｎｉ）の順番になっている。この結果から、金めっきが最も耐食性に優れ、また、費用対効果の面からはニッケル−りんめっき（高りんタイプ：Ｎｉ−高Ｐ）が優位であることがわかる。
【００４２】
（２）割れの耐ひずみ特性試験
続いて、耐食性試験に用いた試験片と同様の試験片を用いて、割れの耐ひずみ特性試験を行った。ここでいう割れとは、ひずみを与えたときに、めっき層の伸びによって生じる機械的な割れのことである。
【００４３】
耐ひずみ特性試験では、分極曲線を測定した同じ溶液の中に、平行部にひずみゲージを貼り付けためっき処理済みの丸棒引張試験片を浸し、その中で丸棒試験片を徐々に引っ張って、どれだけのひずみを与えたときに、下地材が腐食するかを調べた。なお、下地材の腐食の判定は、浸漬した試験溶液中に含まれる鉄の濃度が上昇したひずみとした。
【００４４】
図８は、各めっき処理を施した試験片における割れの耐ひずみ特性試験の結果を示す図であり、横軸はめっき種を、縦軸は下地材が腐食を開始したと判定されるひずみをそれぞれ示している。
【００４５】
図８においては、最も大きなひずみで腐食が開始するめっき（すなわち、耐ひずみ特性の高いめっき）は金めっき（電解Ａｕ）であり、続いて、ニッケル−りんめっき（高りんタイプ：Ｎｉ−高Ｐ）、ニッケル−りんめっき（低りんタイプ：Ｎｉ−低Ｐ）、ニッケル−りんめっき（中りんタイプ：Ｎｉ−中Ｐ）、電解ニッケルめっき（電解Ｎｉ）、硬質クロムめっき（硬質Ｃｒ）の順で耐ひずみ特性が高いことがわかった。
【００４６】
なお、めっきの膜厚の影響も調査したが、膜厚が１μｍ以上あれば、耐食性と耐ひずみ特性に差異は無かった。膜厚１μｍ以下では、いずれの評価でもめっきの保護作用が劣った。また、下地材に各種めっきした板状試験片を溶存酸素濃度１６ｐｐｍの１３０℃高温水に５０００ｈ浸漬し、めっき層の減肉速度を調べる試験も実施した。その結果、実際の蒸気タービンの嵌合部１２における環境を想定すると、めっきの膜厚は２０μｍあれば、約１０万時間、めっき層が存在すると推定された。そのため、以下で実施するめっき膜厚は２０μｍとした。
【００４７】
（３）応力腐食割れ感受性試験
続いて、耐食性試験および耐ひずみ特性試験に用いた試験片と同様の試験片を用いて、環境助長割れを代表する応力腐食割れに対する感受性試験（応力腐食割れ感受性試験）を行った。応力腐食割れ感受性試験では、試験片を単軸定荷重型の応力腐食割れ試験機に装荷し、試験片が破断するまでの時間を調べた。
【００４８】
耐食性と耐ひずみ特性および経済性とを総合的に考えると、ニッケル−りんめっき（高りんタイプ：Ｎｉ−高Ｐ）が最適であると考えられるため、このニッケル−りんめっき（高りんタイプ：Ｎｉ−高Ｐ）を代表として選定した。なお、効果の比較のために、他の条件で作製した試験片を複数用意して応力腐食割れ感受性試験に用いた。
【００４９】
図１０は、応力腐食割れ感受性試験に用いた試験片の条件を表形式にまとめた図である。
【００５０】
図１０において、試験番号ＴＰ４は、本実施の形態に係る条件の試験片、すなわち、前処理としてエメリー紙による研磨を施した下地材にショットピーニングを施し、ショットピーニング後処理を行わずにニッケル−りんめっき（高りんタイプ：Ｎｉ−高Ｐ）を施した試験片を用いた試験である。
【００５１】
また、試験番号ＴＰ１〜ＴＰ３は、試験番号ＴＰ４における効果の比較のために用いたものである。試験番号ＴＰ１は、前処理として電解研磨を施した下地材を試験片として用いた試験である。試験番号ＴＰ２は、前処理としてエメリー紙による研磨を施した下地材にショットピーニングを施し、ショットピーニング後処理として電解研磨を行った試験片を用いた試験である。試験番号ＴＰ３は、前処理としてエメリー紙による研磨を施した下地材にニッケル−りんめっき（高りんタイプ：Ｎｉ−高Ｐ）を施した試験片を用いた試験である。
【００５２】
応力腐食割れ感受性試験では、各試験番号について、試験片を８から９個用意し、これらを、単軸定荷重試験を有する循環式オートクレーブに浸せきした。試験片への荷重は循環水の圧力によって作用する仕組みになっている。作用応力は０．２％耐力比１．０とした（約８５０ＭＰａ）。
【００５３】
試験の環境条件は実機に対し環境加速となるように次の条件とした。すなわち、温度１３０℃、圧力８０ＭＰａ、オートクレーブ入口電気伝導率０．０６μＳ／ｃｍ、オートクレーブ入口溶存酸素濃度１６ｐｐｍとした。なお、ｐＨは制御していない。
【００５４】
図９は、応力腐食割れ感受性試験における試験結果を示す図であり、横軸に破断時間、横軸に累積確率密度および指数分布パラメータを示す図である。図９においては、指数分布パラメータを０に外挿した値を最小破断時間とし、効果を知るための指標として扱った。
【００５５】
図１１は、図９に示した応力腐食割れ感受性試験の試験結果を表形式にまとめた図である。
【００５６】
図９及び図１１に示すように、ショットピーニングによる圧縮残留応力の付与（圧縮応力層の形成）およびめっき処理（被覆層の形成）を実施していないＴＰ１の最小破断時間は１７１時間であるのに対し、圧縮応力層の形成のみのＴＰ２で、破断寿命がＴＰ１の約４倍の効果を示している。また、被覆層の形成のみのＴＰ３はさらに効果が大きく、ＴＰ１の１３倍となる。さらに、本実施の形態に係る圧縮応力層１４と被覆層１５を形成した場合を想定したＴＰ４はより効果が拡大し、ＴＰ１の約１８倍以上となった。なお、腐食疲労は応力が動的に変化するときの割れであるが、現象的には応力腐食割れと類似するため、腐食疲労についても同等の効果が期待できる。
【００５７】
以上のように構成した本実施の形態における作用効果を説明する。
【００５８】
蒸気タービンにおいて、ショットピーニングによりロータの動翼取付用溝部に圧縮残留応力を付与する場合、寸法の変化や表面硬化層の形成、あるいは肌荒れ等が生じ、これらが耐食性低減の要因（すなわち、環境因子による環境助長割れの助長）となる場合があるため、ショットピーニング後に機械研削を実施してこれらを除去する必要がある。特に、ショットピーニングにより蒸気タービンの表面にめくれが発生すると、そのめくれが隙間として作用して、応力腐食割れが発生しやすくなるため、これらの除去が必要であった。しかし、ショットピーニング後に機械研削を実施することは煩雑であるばかりでなく、せっかく形成した圧縮応力層が薄くなってしまい、圧縮残留応力の効果も薄くなってしまうという問題点があった。
【００５９】
これに対して本実施の形態においては、蒸気タービン１００を構成する構造体の表面においてショットピーニングにより圧縮残留応力を付与された圧縮応力層１４と、圧縮応力層１４の表面を覆うようにめっきにより形成された被覆層１５とを備えるように構成したので、ショットピーニングによる圧縮残留応力の付与により環境助長割れの一要因である応力因子を取り除くことができるとともに、被覆層１２によりショットピーニングにより生じる肌荒れやめくれ等を被覆して水や蒸気に接することを抑制することによって、圧縮応力層１４を薄くすること無く環境助長割れの一要因である環境因子を取り除くことができ、したがって、ショットピーニングにより付与される圧縮残留応力の効果の減少および処理の煩雑化を抑制しつつ環境助長割れに対する耐性を高めることができる。
【００６０】
なお、本実施の形態においては、ショットピーニングにおいて十分低い圧縮残留応力を付与することができたが、蒸気タービンの運転時における嵌合部１２の局所的作用応力が、環境助長割れの発生に必要な応力（例えば、応力腐食割れの場合には応力腐食割れ下限界応力）程度であれば、必ずしも、−６００ＭＰａ〜−５００ＭＰａのような低い残留応力でなくてもよい。例えば、ロータホイール１１のバルクの残留応力よりも、嵌合部１２表面の残留応力が低ければ、蒸気タービン１００の運転時の局所応力は環境助長割れ発生に必要な応力以下になるため、圧縮応力層１４による効果が十分に発揮される。また、被覆層１５についても同様に論じることができ、局所的作用応力が低い場合は、被覆層１５に多少の欠陥が存在しても、寿命延長効果が期待できる。
【００６１】
特に、被覆層１５をロータホイール１１及び動翼２の材料に対する犠牲陽極的作用を有する材料で構成すると、被覆層１５が腐食減肉して部分的に圧縮応力層１４が露出しても、圧縮応力層１４の腐食が抑制され、圧縮応力層１４の環境助長割れの発生が抑制される。例えば、本実施の形態の図９〜図１１及びその説明において試験番号ＴＰ２で示した試験片の応力腐食割れ感受性試験時、徐々に被覆層１５（ニッケル−りんめっき）が減肉して１５００ｈ経過時には、試験片の平行部の一部において圧縮応力層１４が露出するようになったが、しばらく経過しても応力腐食割れは発生せず、圧縮応力層１４の露出が確認されてから約７００ｈ後にようやく最初の応力腐食割れが発生した。下地材に何も処理を施していない試験番号ＴＰ１の試験片は約１７０ｈから応力腐食割れが発生しているため、めっき層の犠牲陽極による作用がＴＰ１（約１７０ｈ）とＴＰ２（約７００ｈ）の応力腐食割れ感受性における差として効いていると考えられる。すなわち、被覆層１５が完全に環境因子を遮断することができない場合においても、犠牲陽極作用を有するめっきにより被覆層１５を形成すれば、環境助長割れを抑制して寿命を延伸することができる。
【００６２】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態について図１２を参照しつつ説明する。
【００６３】
第１の実施の形態では、嵌合部１２の被覆層１５として１層のめっき層を形成したのに対し、本実施の形態では２層のめっき層を形成する。
【００６４】
図１２は、本実施の形態に係るロータホイール及び動翼の嵌合部にける互いに対向する面の表面部分の構造を模式的に示す断面図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。
【００６５】
図１２において、嵌合部２１２の表面部は、ショットピーニングにより圧縮残留応力を付与された圧縮応力層１４と、圧縮応力層１４の表面を覆うようにめっきにより形成された耐食性を有する被覆層２１５とを備えている。
【００６６】
被覆層２１５は、ニッケルめっき、ニッケル複合めっき、クロムめっきの何れか１つにより圧縮応力層１４の表面に形成された下層部２１５ａと、金めっき、金複合めっきの何れか１つにより下層部２１５ａの表面に形成された上層部２１５ｂとの２層により形成されている。
【００６７】
その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００６８】
以上のように構成した本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることが出来る。
【００６９】
また、めっき層の膜厚を変えることなく、より長時間に亘ってめっき層の効果を維持することができるほか、加工精度の点から、環境助長割れ耐性を低下させることなくめっき層を薄くすることができる。
【００７０】
すなわち、例えば、ニッケル−りんめっきの場合、蒸気タービンの動作環境では、その膜厚が２０μｍの場合に１０万時間ほどの寿命があると推定されるが、より長時間に亘ってめっき層の効果を維持したい場合、あるいは、加工精度の点からめっき層をより薄くしたい場合がある。
【００７１】
一方、耐ひずみ割れ特性を調べた結果によると、硬質クロムめっきでは、ひずみを２０００ｕ（ｕ＝１０−６）程度与えると、めっき層に貫通き裂が発生する。ニッケル−りんめっきでは、３０００から５５００ｕで貫通き裂が発生する。蒸気タービン１００の嵌合部１２における局所的な最大のひずみ（ピーク値）を考慮すると、ひずみ２０００や３０００では不十分な場合も想定される。
【００７２】
そこで、本実施の形態では、被覆層を２層とし、下層部２１５ａにニッケルめっき、ニッケル複合めっき、硬質クロムめっきなどの汎用的なめっき層を、上層部２１５ｂに展延性に優れる金めっき、金複合めっきなどを配した構成とした。
【００７３】
金めっき及び金複合めっきは、耐食性も耐ひずみ割れ特性にも優れていることから、金めっきに比べこれらの特性に劣るニッケル−りんや硬質クロムめっきなどのめっき層の上に金めっきを施すことによって、金の高い防食作用と優れた展延性のために、大きなひずみが加わっても、上層部２１５ｂが割れずに下層部２１５ａを保護するとともに、下層２１５ａや上層２１５ｂに欠陥が存在しても、その欠陥は、下層２１５ａと上層２１５ｂとの間を連続して存在することは少なくなるため、より保護性の高い被覆層２１５を形成することができる。
【００７４】
したがって、めっき層の膜厚を変えることなく、より長時間に亘ってめっき層の効果を維持することができるほか、加工精度の点から、環境助長割れ耐性を低下させることなくめっき層を薄くすることができる。
【００７５】
なお、下層部２１５ａと上層部２１５ｂのめっき種を逆にした場合には、金より耐食性の劣るめっき（ニッケル−りんや硬質クロムめっき）が上層部２１５ｂとなり環境と直接接触する構成となる。その結果、早い段階で下層部２１５ａの金めっき層が露出すことになる。下層部２１５ａの金めっきに貫通欠陥が存在していた場合、その欠陥を通じて蒸気や水がロータホイール１１や動翼２に到達できるようになるため、好ましい構造ではない。また、金に対するニッケルやクロムめっきの接着能力は高くは無いため、下層部２１５ａと上層部２１５ｂとが剥離しやすくなる可能性がある。
【００７６】
＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態について図１３を参照しつつ説明する。
【００７７】
第１の実施の形態では、ロータホイール１１と動翼２の嵌合部１２の表面構造に本発明を適用した場合について説明したが、本実施の形態においては、動翼２とシュラウドカバー３０との嵌合部３１２の表面構造に本発明を適用した場合について説明する。
【００７８】
図１３は、図１におけるＢ部における構造の一部を抜き出し、拡大して示す斜視図である。図中、第１の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。
【００７９】
図１３に示すように、動翼２の先端部には、動作中の振動防止を目的としたシュラウドカバー３０が嵌合部２１５において嵌合されている。嵌合部２１５では、動翼２の先端に設けられたテノン３１がシュラウドカバー３０に嵌め込まれており、テノン３１が押しつぶされることによって固定されている。
【００８０】
動翼２及びシュラウドカバー３０の嵌合部３１２における表面部は、ショットピーニングにより圧縮残留応力を付与された圧縮応力層１４と、圧縮応力層１４の表面を覆うようにめっきにより形成された耐食性を有する被覆層（被覆層１５又は被覆層２１５）とを備えている。すなわち、嵌合部２１５においては、第１の実施の形態における被覆層１５（図３参照）、又は、第２の実施の形態における被覆層２１５（図１２参照）が適用されている。
【００８１】
その他の構成は第１及び第２の実施の形態と同様である。
【００８２】
以上のように構成した本実施の形態においても第１及び第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００８３】
１  ロータ
２  動翼
３  ケーシング
４  静翼
１１  ロータホイール
１２，２１２，３１２  嵌合部
１３，２３  フック
１４  圧縮応力層
１５，２１５  被覆層
１６，２１  めくれ
１７，２２  くぼみ
１８  処理対象物
１９  鋼球
３０  シュラウドカバー
３１  テノン
１００  蒸気タービン
１０１  蒸気
【図１】
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【図２】
0006375238.tif 000003
【図３】
0006375238.tif 000004
【図４】
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【図５】
0006375238.tif 000006
【図６】
0006375238.tif 000007
【図７】
0006375238.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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