(57)【要約】【課題】主蒸気温度６７５℃以上特に７００℃を超える蒸気タービンに好適なロータ材を開発し、その材料により形成されたロータとそのロータを具備した蒸気タービンプラントを提供する。【解決手段】蒸気入口温度が６７５〜７２５℃、蒸気出口温度が６５０℃以下である超高圧タービンと、高圧タービン及び中低圧タービンにより構成される蒸気タービンプラントにおいて、超高圧タービンのロータを、１４〜１８重量％のＣｒ，１５〜４５重量％のＦｅ，１．０〜２．０重量％のＡｌ，１．０〜１．８重量％のＴｉ，ＣおよびＮの総和が０．０５  重量％以下、及びＮｂが下式により規定される範囲であるＮｉＦｅ基合金の鍛造材により形成する。【数１】３．５−［重量％Ｆｅ］／２０＜［重量％Ｎｂ］＜４．５−［重量％Ｆｅ］／２０…〔数１〕【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主蒸気温度が６７５℃以上である蒸気タービンのロータであって、１４〜１８重量％のＣｒ，１５〜４５重量％のＦｅ，１．０〜２．０重量％のＡｌ，１．０〜１．８重量％のＴｉ，ＣおよびＮの総和が０．０５重量％以下、及びＮｂが下式により規定される範囲であるＮｉＦｅ基合金の鍛造材よりなることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【数１】
３．５−［重量％Ｆｅ］／２０＜［重量％Ｎｂ］＜４．５−［重量％Ｆｅ］／２０…〔数１〕
【請求項２】
請求項１において、Ｎｂの上限量が３重量％であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項３】
請求項１において、前記Ｃｒ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃ，Ｎ及びＮｂ以外の元素はＮｉよりなることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項４】
蒸気入口温度が６７５〜７２５℃であり蒸気出口温度が６５０℃以下である超高圧タービンと、高圧タービン及び中低圧タービンにより構成される蒸気タービンプラントにおいて、前記超高圧タービンのロータが１４〜１８重量％のＣｒ，１５〜４５重量％のＦｅ，１．０〜２．０重量％のＡｌ，１．０〜１．８重量％の
Ｔｉ，ＣおよびＮの総和が０．０５重量％以下、及びＮｂが下式により規定される範囲であるＮｉＦｅ基合金の鍛造材よりなることを特徴とする蒸気タービンプラント。
【数１】
３．５−［重量％Ｆｅ］／２０＜［重量％Ｎｂ］＜４．５−［重量％Ｆｅ］／２０…〔数１〕
【請求項５】
請求項４において、Ｎｂの上限量が３重量％であることを特徴とする蒸気タービンロータプラント。
【請求項６】
請求項４において、前記Ｃｒ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃ，Ｎ及びＮｂ以外はＮｉよりなることを特徴とする蒸気タービンプラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主蒸気温度が６７５℃以上である蒸気タービンのロータ及び蒸気タービンプラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービン発電プラントの発電効率を向上させるためには、主蒸気温度の向上が有効である。現在は主蒸気温度が６００℃を超えた蒸気タービンプラントが商用運転しており、主蒸気温度６５０℃クラスの蒸気タービンの開発が進められている。また、さらなる効率向上をめざし、主蒸気温度を６７５℃以上特に７００℃以上とした蒸気タービンの開発も進められている。主蒸気温度７００℃以上を目指した蒸気タービンにおいては、従来の鉄鋼材料よりなるロータ材では、耐用温度が６５０℃程度であるため不適当であり、Ｎｉ基合金にする必要がある。
Ｎｉ基合金は、鉄鋼材料と比較して、強度は高いが、高価であり、また、大型鍛造品の製作が困難である。大型鍛造品の作製が比較的容易な合金としては、
Ａ２８６タイプの合金，ＩＮ７０６タイプの合金，ＩＮ７１８タイプの合金などが上げられる。何れも、ガスタービンディスク，発電機ロータなどで実績がある（特許文献１，非特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２２６８３７号公報（特許請求の範囲）
【非特許文献１】
ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ  ＶＯＬ．１５（２００２）−５３５（緒言）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
Ａ２８６タイプの合金は、ＮｉＦｅ基合金としては、Ｆｅの含有量が多く、コスト的に有利であるが、強度が弱く主蒸気温度が７００℃を超える蒸気タービンロータ材には適さない。ＩＮ７０６タイプの合金は、大型鋼塊製造性と強度のバランスに優れており、４０重量％前後のＦｅを含むため、コスト的に有利である。ＩＮ７１８タイプの合金は、ＮｂやＭｏなどの偏析元素の含有量が多く、１０ｔｏｎ  を超える蒸気タービンロータの製作は困難であるが、高温強度はＩＮ７０６タイプの合金よりも優れている。本発明では、ＩＮ７０６タイプの合金やＩＮ７１８タイプの合金などのＮｉＦｅ基合金を超高圧タービンロータに用いた主蒸気温度６７５℃以上特に７００℃以上の蒸気タービンプラントの開発を目指した。
【０００５】
ＩＮ７０６タイプの合金やＩＮ７１８タイプの合金などのＮｉＦｅ基合金は、代表的なガスタービンディスク材である。しかし、Ｎｂの偏析により、凝固欠陥（フレッケル欠陥）を生じるため、１０ｔｏｎ  以上の鍛造品の製作は困難である。大型鋼塊の製造性向上には、偏析元素のＮｂの低減が効果的であるが、これらのＮｉＦｅ基合金は、Ｎｉ３Ｎｂ（γ″相）により析出強化されているため、Ｎｂを低減すると強度が大幅に落ちるという問題がある。
【０００６】
また、５００℃〜６５０℃で優れた機械的性質を示すが、７００℃前後での使用実績は少ない。本発明者らが、調査した結果、これらのＮｉＦｅ基合金を長時間７００℃に曝した場合、有害相が析出し、脆化することが明らかになった。
【０００７】
このように、主蒸気温度６７５℃以上特に７００℃を超える蒸気タービンの製作においては、ロータ材の製造性および高温安定性に大きな課題がある。
【０００８】
本発明の目的は、主蒸気温度６７５℃以上特に７００℃を超える蒸気タービンに好適なロータ材を開発し、その材料により形成されたロータそのロータを具備した蒸気タービンプラントを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の蒸気タービンロータは、１４〜１８重量％のＣｒ，１５〜４５重量％のＦｅ，１．０〜２．０重量％のＡｌ，１．０〜１．８重量％のＴｉ，ＣおよびＮの総和が０．０５重量％以下、及びＮｂが下式により規定される範囲であるＮｉＦｅ基合金の鍛造材よりなる。
【００１０】
【数１】
３．５−［重量％Ｆｅ］／２０＜［重量％Ｎｂ］＜４．５−［重量％Ｆｅ］／２０…〔数１〕
本発明は、前記のＮｉＦｅ基合金鍛造材よりなるロータを、蒸気入口温度が６７５〜７２５℃であり蒸気出口温度が６５０℃以下である超高圧タービンと、高圧タービン及び中低圧タービンを具備する蒸気タービンプラントのロータに用いることを特徴とする。本発明のロータは、超高圧タービンロータ，高圧タービンロータ及び中低圧タービンロータのいずれにも用いることができるが、特に超高圧タービンロータに用いることが好ましい。
【００１１】
本発明者らは、ＩＮ７０６タイプの合金の高温強度と組織の関係について、検討を進めて来た。特許文献１では、ＩＮ７０６タイプの合金の疲労強度および靭性を改善するために、ＣおよびＮの添加量を増大し、ＮｂＣの析出量を増加させ、結晶粒微細化による特性向上を試みている。この際、析出強化相であるＮｉ３ＮｂのＮｂがＮｂＣに取られるため、Ｎｉ３Ｎｂが減少し、０．２％耐力等が低下する。しかし、Ａｌを添加し、単結晶Ｎｉ基合金などの析出強化相であるＮｉ３Ａｌ  を析出させることにより、強度低下を補えることを述べている。また、非特許文献１では、特許文献１に記載された合金の一部組成について検討を行い、Ａｌ添加により析出するＮｉ３Ａｌ  が７００℃において安定であることを報告している。特許文献１では、使用温度が低く、停止起動の多いガスタービンのディスク材を対象としているため、疲労強度を重視し、結晶粒微細化の目的で、ＣおよびＮの添加量を増やしているが、蒸気タービンロータでは、使用温度が高く、停止起動も少ないため、疲労強度よりもクリープ強度が重要である。疲労強度は、結晶粒が細かいほど有利であるが、クリープ強度は、結晶粒微細化により低下する。また、ＮｂＣの析出により、Ｎｉ３Ｎｂの析出量が減少するため、好ましくない。したがって、蒸気タービンロータ材では、ＣおよびＮの添加量は少ない方が有利である。
【００１２】
非特許文献１における学術的検討においては、特許文献１に記載されたＡｌおよびＮｂの含有量範囲内で高Ａｌ，低Ｎｂ側が高温組織安定性と高温強度向上に有効であることを述べているが、その他の元素の適正添加量、特にＣおよびＮの添加量には言及していない。また、Ｆｅの添加量が一定である。
【００１３】
本発明者らは、特許文献１および非特許文献１の知見をもとに、蒸気タービンロータ材に必要なクリープ強度とＮｂ低減によるフレッケル欠陥抑制を重視し、特にＣ，Ｎの添加量に改良を加えるとともに、Ｆｅの添加量に着目し、１４〜１８重量％のＣｒ，１５〜４５重量％のＦｅ，１．０〜２．０重量％のＡｌ，１．０〜１．８重量％のＴｉ，ＣおよびＮの総和が０．０５重量％以下、及びＮｂを所定量含むＮｉＦｅ基合金が、主蒸気温度６７５℃以上特に７００℃の蒸気タービンロータ材に適していることを見出した。
【００１４】
本発明によるＮｉＦｅ基合金の組成範囲限定理由について述べる。
【００１５】
Ａｌは、Ｎｂ低減による強度低下を補い組織安定性を向上させるため、１．０重量％以上含有させることが必要である。しかし、過度の含有は、Ｎｉ３Ａｌ  の過度な増加による鍛造性の悪化を生じるため、２．０重量％以下が好ましい。
【００１６】
Ｔｉも、Ｎｉ３Ａｌ  を析出させる元素であり、また、Ｎｉ３Ｔｉ  を安定にする元素であるため、過大な含有は好ましくなく、１．０〜１．８重量％が望ましい。
【００１７】
ＣおよびＮについては、前述のように、ＮｂＣの増加に伴う結晶粒微細化を抑えるため、ＣとＮの総和で０．０５重量％以下が好ましい。
【００１８】
Ｎｂの添加量は偏析抑制の観点から、３重量％以下が望ましく、また、有害析出相であるη相，σ相およびδ相の析出を抑制するためには、Ｆｅの含有量に対して、下式の関係を満たす必要がある。
【００１９】
【数２】
［重量％Ｎｂ］＜４．５−［重量％Ｆｅ］／２０                    …〔数２〕
また、Ｎｂは、γ′相を析出させる元素でもあり、含有量が少なすぎると、有効な強度が得られないため、同じく、Ｆｅ含有量に対して下式の関係を満たす必要がある。
【００２０】
【数３】
３．５−［重量％Ｆｅ］／２０＜［重量％Ｎｂ］                    …〔数３〕
前記した元素を除く残りの元素は、実質的にＮｉである。
【００２１】
以上述べた成分範囲のＮｉＦｅ基合金を用いることにより、溶解プロセス及び熱間鍛造を経てロータを作製しても、フレッケル欠陥が発生しにくく、長時間使用時に有害相の析出がなく、高温強度、高温安定性に優れた超高圧タービンロータの作製が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例を示す蒸気タービンプラントの概略図である。本蒸気タービンプラントは、超高圧タービン１，高圧タービン２，中低圧タービン３から構成され、超高圧タービン１の入口蒸気温度は７００℃、出口温度は６００℃である。高圧タービン２と中低圧タービン３の入口蒸気温度はいずれも６００℃である。超高圧タービン１に用いた材料の化学成分を表１に示した。表２は作製したロータの構成を示している。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
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【００２５】
従来材を用いたケースＡの場合、ロータ中心部に偏析に伴うフレッケル欠陥が発生した。ケースＢでは、ロータの重量を８ｔｏｎ  とし小型化しているが、ケースＡと同様にフレッケル欠陥が発生した。ケースＣは、ロータを２個に分割し、ボルトで結合している。この場合は、鍛造品サイズが小さいため、フレッケル欠陥は発生しなかった。本発明であるケースＤおよびケースＥでは、一体構造ではあるが、フレッケル欠陥は検出されなかった。
【００２６】
以下、フレッケル欠陥が生じていない、ケースＣ〜Ｅのロータより、試験材を採取し、機械試験および金属組織観察を行った結果を示す。
【００２７】
図２は、ロータ採取材の引張試験結果である。室温での耐力値は従来材が優れているものの７００℃近傍の耐力値および引張強さともに本発明材を用いたロータからの採取材が優れている。図３は、ロータ採取材のクリープ試験結果である。本発明材を用いたロータ採取材のクリープ強度は、従来材と同等以上である。
【００２８】
図４は、上記ロータ材およびこれらの時効材について、７００℃で５０００時間時効処理を行った材料の金属組織のスケッチである。金属組織の観察には透過型電子顕微鏡を用いた。従来材のロータ採取材では、γ′相（Ｎｉ３Ａｌ）およびγ″相（Ｎｉ３Ｎｂ）が微細に分散していたが、本発明材の採取材では、結晶粒内の析出物はγ′相（Ｎｉ３Ａｌ）のみであった。従来材のロータ採取材を７００℃で時効処理した試料では、層状のη相およびδ相が観察され、γ′相およびγ′相が粗大化するとともに、析出量が減少していた。本発明材を用いたロータ材では、７００℃の時効処理でも、η相やδ相の析出は起こらず、γ′相のみが粒内に析出していた。
【００２９】
図５は、ロータ採取材およびロータ採取材を７００℃で時効処理した材料のシャルピ衝撃試験結果である。従来材を用いたロータ材では、使用温度である７００℃での時効処理によって、シャルピ吸収エネルギーが大きく低下するのに対して、本発明材では、シャルピ吸収エネルギーの低下が見られない。
【００３０】
このように、本発明材の特徴は、初期の析出強化相はγ′相のみであり、７００℃で長時間時効処理した際もη相やδ相などの有害相が出ないことであり、このために、７００℃において時効処理を行っても脆化しない。また、図２に示したように従来材では、室温から高温にかけて、引張強度低下が大きいのに対して、本発明材の強度低下が小さいのは、高温ほど強度が増すという特異な性質をもつ、γ′相のみを析出強化相としているからである。
【００３１】
図６は、高温でも安定であり高温強度に優れたγ′相を適量析出させ、なおかつ、有害相が析出せず、また、大型鋼塊作製の際にフレッケル欠陥が発生しない組成範囲を検討した結果である。この組成範囲のロータ材を作製することにより、７００℃近傍での高温強度およびに脆化特性にすぐれた１０ｔｏｎ  クラスの蒸気タービンロータの作製が可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明により、６７５℃以上特に７００℃近傍での高温強度およびに脆化特性にすぐれた１０ｔｏｎ  クラスの蒸気タービンロータの作製が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】蒸気タービンの構成図。
【図２】蒸気タービンロータ採取材の引張試験結果を示す図。
【図３】蒸気タービンロータ採取材のクリープ試験結果を示す図。
【図４】蒸気タービンロータ採取材および時効材の金属組織スケッチを示す図。
【図５】蒸気タービンロータ採取材および時効材のシャルピ衝撃試験結果を示す図。
【図６】本発明のロータに使用されるＮｉ基合金の適正な組成範囲を示す図である。
【符号の説明】
１…超高圧タービン、２…高圧タービン、３…中低圧タービン。
【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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