(57)【要約】  実施の形態のタービン部品は、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含むＦｅ基合金から構成される基材からなる。そして、前記基材は、前記基材の内部から表面に向かって、基材部と、前記基材部の表面に形成され、前記基材部における前記Ｆｅ基合金の結晶粒径よりも小さい前記Ｆｅ基合金の結晶粒径からなる結晶組織を含む組織部と、前記組織部の表面に形成され、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含む耐浸炭性保護皮膜部とを有する。
2017183063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含むＦｅ基合金から構成される基材からなるタービン部品であって、
前記基材は、前記基材の内部から表面に向かって、
基材部と、
前記基材部の表面に形成され、前記基材部における前記Ｆｅ基合金の結晶粒径よりも小さい前記Ｆｅ基合金の結晶粒径からなる結晶組織を含む組織部と、
前記組織部の表面に形成され、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含む耐浸炭性保護皮膜部と
を有することを特徴とするタービン部品。
【請求項２】
請求項１に記載のタービン部品を備え、作動流体が二酸化炭素であることを特徴とする軸流タービン。
【請求項３】
Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含むＦｅ基合金から構成される基材からなるタービン部品の製造方法であって、
前記基材の内部における前記Ｆｅ基合金の結晶粒径よりも小さい前記Ｆｅ基合金の結晶粒径からなる結晶組織を含む組織部を前記基材の表面に形成する工程と、
前記基材を加熱して、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含む耐浸炭性保護皮膜部を前記組織部の表面に形成する工程と
を有することを特徴とするタービン部品の製造方法。
【請求項４】
前記組織部を形成する工程において、前記基材の表面に残留応力を与えて、前記組織部を前記基材の表面に形成することを特徴とする請求項３に記載のタービン部品の製造方法。
【請求項５】
前記基材の表面にハンマーピーニング処理、ショットピーニング処理、または機械加工処理を施して、前記基材の表面に前記残留応力を与えることを特徴とする請求項４に記載のタービン部品の製造方法。
【請求項６】
前記組織部を形成する工程において、前記基材の表面を溶融して、前記組織部を前記基材の表面に形成することを特徴とする請求項３に記載のタービン部品の製造方法。
【請求項７】
前記基材の表面にレーザ光を照射して、前記基材の表面を溶融することを特徴とする請求項６に記載のタービン部品の製造方法。
【請求項８】
前記耐浸炭性保護皮膜部を形成する工程の前に、前記耐浸炭性保護皮膜部を形成する工程における加熱温度よりも高い温度で前記基材を加熱して、前記Ｆｅ基合金の結晶を相変態する工程を有することを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項に記載のタービン部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、タービン部品、軸流タービン、およびタービン部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、二酸化炭素を作動流体として使用するタービンが開発されている。このタービンは、メタンを主成分とする天然ガスや、一酸化炭素と水素とを主成分とする石炭ガス化ガスなどの燃料を酸素で燃焼させて発生する二酸化炭素によって駆動する。そして、タービンの排ガスに含まれる二酸化炭素は、抽気によって容易に回収される。このタービンは、発電と二酸化炭素の回収とを同時に実現できるため、地球温暖化抑制などの耐環境性に優れている。【０００３】
二酸化炭素を作動流体として用いるタービンの稼動時において、タービン内の二酸化炭素は超臨界状態である。タービンを構成するタービン部品は、このような浸炭雰囲気に長時間曝されている。そのため、タービン部品は浸炭することがある。タービン部品が浸炭すると、タービン部品の表面に浸炭層が形成されて、タービン部品は脆化する。脆化が進むと、タービン部品の表面にき裂が入ることがある。【０００４】
ところで、基材上にＣｒ２Ｏ３やＳｉＯ２などの皮膜を形成することによって、基材の浸炭を抑制することが検討されている。８００℃〜１２００℃で予酸化した後、９５０℃で浸炭処理を行った低合金鋼について、ＣｒやＳｉの添加量の高い低合金鋼ほど浸炭が抑制される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「肌焼鋼のガス浸炭性に及ぼす酸化層の影響」、電気製鋼、第８４巻１号、２０１３年、ｐ．２１−２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、低合金鋼からなる基材を１０００℃程度の高温で加熱処理することによって、基材の浸炭を抑制することができる。その一方で、上述したタービンを構成するタービン部品の使用時の温度は設置場所によって異なるが、例えば使用時のタービンロータの温度は５００℃以下である。また、タービン部品には、浸炭を抑制する皮膜を形成する成分であるＣｒやＳｉのような元素の含有量の少ない低合金鋼が用いられる。したがって、５００℃以下の温度域では、タービン部品中の原子の拡散速度が遅く、タービン部品の表面に拡散する原子の量が少ない。そのため、タービンの使用時の温度領域では、浸炭を抑制する皮膜をタービン部品の表面に均一に形成することが困難である。【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、タービンの使用温度域で形成する耐浸炭性保護皮膜部を有し、浸炭を抑制することができるタービン部品、軸流タービン、およびタービン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】
【０００８】
実施の形態のタービン部品は、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含むＦｅ基合金から構成される基材からなる。そして、前記基材は、前記基材の内部から表面に向かって、基材部と、前記基材部の表面に形成され、前記基材部における前記Ｆｅ基合金の結晶粒径よりも小さい前記Ｆｅ基合金の結晶粒径からなる結晶組織を含む組織部と、前記組織部の表面に形成され、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含む耐浸炭性保護皮膜部とを有する。
【発明の効果】
【０００９】
タービンの使用温度域で形成する耐浸炭性保護皮膜部を有し、浸炭を抑制することができるタービン部品、軸流タービン、およびタービン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】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態のタービン部品を備える軸流タービンを模式的に示す子午断面図である。
【図２】第１の実施の形態のタービン部品を模式的に示す断面図である。
【図３】第１の実施の形態のタービン部品を構成する基材に組織部を形成する方法の一例を示す概略図である。
【図４】第１の実施の形態のタービン部品を構成する基材に組織部を形成する方法の他の例を示す概略図である。
【図５】第１の実施の形態のタービン部品を構成する基材に組織部を形成する方法の他の例を示す概略図である。
【図６】第２の実施の形態のタービン部品を構成する基材に組織部を形成する方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態のタービン部品を備える軸流タービン１０を模式的に示す子午断面図である。なお、図１に示した軸流タービン１０として、例えば、ガスタービンやＣＯ２タービンなどが挙げられる。ＣＯ２タービンでは、燃焼器で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）の一部を超臨界流体に昇圧して作動流体の系統に循環させており、作動流体は二酸化炭素である。
【００１３】
図１に示すように、軸流タービン１０は、外部ケーシング１１と、この外部ケーシング１１の内部に設けられた内部ケーシング１２とから構成される二重構造のケーシングを備える。内部ケーシング１２は、例えば、静翼１３および動翼１４を備えるタービン段落を包囲する内部ケーシング１２ａ、１２ｂと、最終段のタービン段落を通過した作動流体が流入する排気室１５の一部を構成する内部ケーシング１２ｃとを備える。
【００１４】
下流側における外部ケーシング１１の下半側には、作動流体を排出するために、下方に延設された管形状部１１ａが設けられる。
【００１５】
内部ケーシング１２内には、動翼１４を植設しているタービンロータ１６が貫設されている。このタービンロータ１６は、ロータ軸受（図示しない）によって回転可能に支持されている。
【００１６】
内部ケーシング１２ａ、１２ｂの内面には、タービンロータ軸方向に動翼１４と交互になるように静翼１３が配設されている。なお、静翼１３と、この静翼１３の直下流の動翼１４とでタービン段落を構成する。
【００１７】
内部ケーシング１２ｃに隣接する内部ケーシング１２ｂの外周面には、例えば、周方向に亘って半径方向外側に突出する環状壁１２ｄが設けられている。この環状壁１２ｄの外周面は、例えば、外部ケーシング１１の内周に接している。そして、この環状壁１２ｄによって、外部ケーシング１１と内部ケーシング１２との間に形成される空間は区画されている。
【００１８】
タービンロータ１６と外部ケーシング１１との間、およびタービンロータ１６と内部ケーシング１２ａとの間には、作動流体の外部への漏洩を防止するために、シール部１７が設けられている。
【００１９】
最終段のタービン段落の下流側には、排気室１５が設けられている。排気室１５は、最終段のタービン段落を通過した作動流体が流れる環状の内部ケーシング１２ｃと、この内部ケーシング１２ｃの下半側に設けられた管形状部１８とを備える。環状の内部ケーシング１２ｃ内には、環状通路１９が形成されている。
【００２０】
環状通路１９は、タービンロータ１６の周囲に形成される。また、環状通路１９は、最終段のタービン段落を通過した作動流体を管形状部１８に導く。
【００２１】
管形状部１８は、外部ケーシング１１の管形状部１１ａの内部に、管形状部１１ａに沿って下方に延設されている。管形状部１８を通過した作動流体は、管形状部１１ａを介して、外部ケーシング１１の外部に排出される。
【００２２】
また、軸流タービン１０には、燃焼器（図示しない）から流入する作動流体を初段のタービン段落に排出するトランジションピース２０を備える。トランジションピース２０からタービン段落に排出した作動流体は、膨張仕事をしながら内部ケーシング１２ａ、１２ｂ内を流動し、最終段のタービン段落を通過する。
【００２３】
軸流タービン１０において、第１の実施の形態のタービン部品は、外部ケーシング１１、タービンロータ１６に適用することができる。そして、これらのタービン部品の表面の少なくとも一部に、耐浸炭性保護皮膜部が形成されている。例えば、第１の実施の形態のタービン部品が外部ケーシング１１に適用される場合には、タービン部品を構成する基材の内面に、耐浸炭性保護皮膜部が形成されている。タービン部品がタービンロータ１６に適用される場合には、タービン部品を構成する基材の側面に、耐浸炭性保護皮膜部が形成されている。
【００２４】
次に、第１の実施の形態のタービン部品について詳しく説明する。
【００２５】
図２は、第１の実施の形態のタービン部品１を模式的に示す断面図である。図２に示すように、タービン部品１は、基材２からなる。
【００２６】
基材２は、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含むＦｅ基合金から構成される。基材２を構成するＦｅ基合金は、これらの元素に加えて、ＭｏやＶなどを含んでもよい。Ｆｅ基合金としては、例えば、炭素鋼、低合金鋼、特殊鋼、耐熱鋼などが挙げられる。これらの中でも、強度や耐熱性が良好であることから、低合金鋼、１２Ｃｒ鋼、ＣｒＭｏＶ鋼、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏや改良９Ｃｒ−１Ｍｏ（９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｂ−Ｖ）のようなＣｒＭｏ鋼が好ましい。
【００２７】
また、基材２は、基材２の内部から表面に向かって、基材部３と、基材部３の表面に形成される組織部４と、組織部４の表面に形成される耐浸炭性保護皮膜部５とを有する。
【００２８】
基材部３は、基材２の内部を構成する。すなわち、基材部３は、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含むＦｅ基合金からなる。
【００２９】
基材部３の表面に形成される層状の組織部４は、基材部３と同様に、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含むＦｅ基合金からなる。また、組織部４は、基材部３におけるＦｅ基合金の結晶粒径よりも小さいＦｅ基合金の結晶粒径からなる結晶組織を含む。組織部４内において、基材部３と組織部４との界面から組織部４の表面に向かって、Ｆｅ基合金の結晶粒径は小さくなり、Ｆｅ基合金の結晶組織は微細になる。
【００３０】
組織部４の表面に形成される層状の耐浸炭性保護皮膜部５は、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含む。また、耐浸炭性保護皮膜部５の組織を構成する結晶相は、基材部３および組織部４と異なる。後述するように、組織部４を有する基材２を加熱することによって、耐浸炭性保護皮膜部５が形成される。耐浸炭性保護皮膜部５に含まれるＣｒ、Ｓｉ、およびＡｌは、基材２の外部から供給されるものではなく、基材２を構成する基材部３および組織部４に含まれるＣｒ、Ｓｉ、およびＡｌの外方拡散によって供給されたものである。したがって、耐浸炭性保護皮膜部５は、基材２の表面上に別途設けられるものではなく、基材２の表面が改質してできたものである。
【００３１】
耐浸炭性保護皮膜部５は、基材部３および組織部４の内部から組織部４の表面に拡散したＣｒ、Ｓｉ、およびＡｌと、空気中の酸素および組織部４の表面から内部に拡散した酸素との反応によって生じるクロミア、シリカ、アルミナなどの酸化物から構成される。
【００３２】
また、耐浸炭性保護皮膜部５は、優れた耐浸炭性を有する。基材部３や組織部４に比べて、耐浸炭性保護皮膜部５内を拡散する炭素の拡散速度は遅い。二酸化炭素や一酸化炭素などの浸炭雰囲気において、耐浸炭性保護皮膜部５は組織部４および基材部３への炭素の侵入を抑制するため、タービン部品１の表面における浸炭層の形成が抑制される。こうして、耐浸炭性保護皮膜部５は、軸流タービン１０の使用時において、タービン部品１の浸炭を抑制することができる。そして、浸炭雰囲気におけるタービン部品１の脆化は抑制される。
【００３３】
また、組織部４におけるＦｅ基合金の平均結晶粒径は、２０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。組織部４内のＦｅ基合金の平均結晶粒径がこのような範囲であると、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌは組織部４内をより低温で拡散できる。そのため、組織部４内を外方拡散するこれらの原子の量が多くなり、耐浸炭性保護皮膜部５の形成速度は速くなる。
【００３４】
Ｆｅ基合金の平均結晶粒径は、メディアン径である。また、Ｆｅ基合金の平均結晶粒径は、例えば、レーザ回折散乱法などによって測定される。
【００３５】
次に、第１の実施の形態のタービン部品１の製造方法について説明する。第１の実施の形態のタービン部品１の製造方法は、基材２の内部におけるＦｅ基合金の結晶粒径よりも小さいＦｅ基合金の結晶粒径からなる結晶組織を含む組織部４を基材２の表面に形成する工程（以下、第１の形成工程ともいう）と、基材２を加熱して、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含む耐浸炭性保護皮膜部５を組織部４の表面に形成する工程（以下、第２の形成工程ともいう）とを有する。
【００３６】
第１の形成工程では、Ｃｒ、Ｓｉ、およびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含むＦｅ基合金から構成される基材２の表面に層状の組織部４を形成する。組織部４におけるＦｅ基合金の結晶粒径は、基材２の内部、すなわち基材部３におけるＦｅ基合金の結晶粒径よりも小さい。第１の形成工程において、基材２の表面に残留応力を与えて、組織部４を基材２の表面に形成する。こうして、基材２は、基材２の内部から表面に向かって、基材部３と、基材部３の表面に均一に形成される組織部４とを有する。
【００３７】
図３は、第１の実施の形態のタービン部品１を構成する基材２に組織部４ａを形成する方法の一例を示す概略図である。図３に示すように、矢印Ａに沿ってピーニングハンマー３０を移動させながら、ピーニングハンマー３０で基材２の表面を叩く。こうして、基材２の表面にハンマーピーニング処理を施して、基材２の表面に機械的に残留応力を与える。残留応力が与えられた基材２の表面および表面近傍内部では、組織部４ａが形成される。こうして、基材２は、基材部３と、基材部３の表面に均一に形成される組織部４ａとを有する。組織部４ａの厚さや、組織部４ａ内のＦｅ基合金の結晶粒径の大きさは、基材２の表面を叩く強さおよび叩く時間に応じて適宜調整することができる。
【００３８】
図４は、第１の実施の形態のタービン部品１を構成する基材２に組織部４ｂを形成する方法の他の例を示す概略図である。図４に示すように、矢印Ａに沿ってショットピーニング装置４０を移動させながら、ショットピーニング装置４０で粒子４１を基材２の表面に吹き付ける。こうして、基材２の表面にショットピーニング処理を施して、基材２の表面に機械的に残留応力を与える。残留応力が与えられた基材２の表面および表面近傍内部では、組織部４ｂが形成される。こうして、基材２は、基材部３と、基材部３の表面に均一に形成される組織部４ｂとを有する。組織部４ｂの厚さや、組織部４ｂ内のＦｅ基合金の結晶粒径の大きさは、粒子４１の種類、粒子４１の吹き付け速度や吹き付け時間などに応じて適宜調整することができる。
【００３９】
図５は、第１の実施の形態のタービン部品１を構成する基材２に組織部４ｃを形成する方法の他の例を示す概略図である。図５に示すように、矢印Ａに沿って切削工具５０を移動させながら、切削工具５０で基材２の表面を切削加工する。こうして、基材２の表面に機械加工処理を施して、基材２の表面に機械的に残留応力を与える。例えば、旋盤を用いて基材２の加工を行うときに、基材２の通常の加工に比べて、基材２の表面の最終加工における追い込み量を５０％〜７０％増加させることで、基材２の表面に機械的に残留応力を与えることができる。残留応力が与えられた基材２の表面および表面近傍内部では、組織部４ｃが形成される。こうして、基材２は、基材部３と、基材部３の表面に均一に形成される組織部４ｃとを有する。組織部４ｃの厚さや、組織部４ｃ内のＦｅ基合金の結晶粒径の大きさは、切削加工の深さなどに応じて適宜調整することができる。
【００４０】
第２の形成工程では、基材部３の表面に形成された組織部４を有する基材２を加熱することによって、組織部４の表面および表面近傍内部に層状の耐浸炭性保護皮膜部５を形成する。こうして、基材２は、基材２の内部から表面に向かって、基材部３と、基材部３の表面に形成される組織部４と、組織部４の表面に均一に形成される耐浸炭性保護皮膜部５とを有する。
【００４１】
第２の形成工程における基材２の加熱温度は、４００℃以上５００℃以下であることが好ましい。この温度範囲は、軸流タービン１０の使用温度域に相当する。
【００４２】
組織部４を有する基材２を加熱すると、以下のような反応によって耐浸炭性保護皮膜部５が形成されると考えられる。組織部４を有する基材２を加熱すると、基材部３および組織部４、主に組織部４を構成するＦｅ基合金中のＣｒ、Ｓｉ、およびＡｌの少なくとも１種の原子は、組織部４内の結晶粒界に沿って組織部４の表面に拡散する。組織部４の表面に外方拡散したこれらの原子は、空気中の酸素および組織部４の表面から内部に内方拡散した酸素と反応して、酸化物が生じ、薄く不均一な耐浸炭性保護皮膜部５が形成される。その後、組織部４の内部から組織部４および耐浸炭性保護皮膜部５の界面に外方拡散したこれらの原子と、耐浸炭性保護皮膜部５の表面から、耐浸炭性保護皮膜部５内を拡散し、組織部４および耐浸炭性保護皮膜部５の界面に内方拡散した酸素とが反応して、所定の厚さを有し均一で耐浸炭性に優れた耐浸炭性保護皮膜部５が形成される。
【００４３】
一般的に、加熱温度が高いほど、物質中の原子の拡散速度は速くなる。ここで、基材部３に比べて、組織部４内のＦｅ基合金の結晶粒径は小さい。換言すると、基材部３に比べて、組織部４内のＦｅ基合金の組織は微細である。そのため、基材部３に比べて、組織部４には多くの結晶粒界が存在する。そして、結晶粒界が多いほど、結晶粒界を拡散する原子の量は多くなる。
【００４４】
すなわち、Ｆｅ基合金の結晶粒径が小さい組織部４では、基材部３よりも、結晶粒界に沿って表面へ外方拡散する原子の量は多い。そして、組織部４の表面に拡散した多量の原子が酸素と反応するため、耐浸炭性保護皮膜部５がより低温で短時間に形成される。このように、基材部３の表面に組織部４が形成されることによって、従来よりも低い加熱温度、例えば４００℃以上５００℃以下のような軸流タービン１０の使用温度域であっても、基材２の表面に耐浸炭性保護皮膜部５を均一に形成することができる。
【００４５】
このように、組織部４内において、外方拡散したＣｒ、Ｓｉ、およびＡｌが内方拡散した酸素と反応することによって、耐浸炭性保護皮膜部５が組織部４の表面に形成される。すなわち、基材部３および組織部４以外から、言い換えると基材２の外部からＣｒ、Ｓｉ、およびＡｌが組織部４の表面に供給されることなく、基材部３および組織部４、主に組織部４に含まれるＣｒ、Ｓｉ、およびＡｌが組織部４の表面に拡散することによって、耐浸炭性保護皮膜部５は形成される。このように、耐浸炭性保護皮膜部５は、基材２の表面の改質によって形成されるため、組織部４と耐浸炭性保護皮膜部５との密着性は非常に強く、組織部４からの耐浸炭性保護皮膜部５の剥離は抑制される。
【００４６】
耐浸炭性保護皮膜部５の厚さは、組織部４の厚さや組織部４内のＦｅ基合金の結晶粒径の大きさ、第２の形成工程における基材２の加熱温度や加熱時間などに応じて適宜調整することができる。
【００４７】
また、第１の実施の形態のタービン部品１の製造方法は、第２の形成工程の前に、第２の形成工程における基材２の加熱温度よりも高い温度で基材２を加熱して、Ｆｅ基合金の結晶を相変態する工程（以下、相変態工程ともいう）を有してもよい。相変態工程では、組織部４を有する基材２を第２の形成工程よりも高い温度で加熱することによって、基材部３および組織部４を構成するＦｅ基合金の相がオーステナイトに相変態する。
【００４８】
Ｆｅ基合金の相がオーステナイトに相変態すると、基材部３および組織部４では再結晶が起こるので、基材部３および組織部４内のＦｅ合金の組織はさらに微細になる。そして、組織部４にはさらに多くの結晶粒界が生じる。そのため、第２の形成工程における加熱温度をより低温にして、耐浸炭性保護皮膜部５を形成することができる。
【００４９】
相変態工程における基材２の加熱温度は、８００℃以上１１００℃以下であることが好ましく、９００℃以上１０００℃以下であることがより好ましい。このような温度範囲で基材２を加熱すると、組織部４内のＦｅ合金の組織がより微細化される。
【００５０】
上記したように、第１の実施の形態のタービン部品およびタービン部品の製造方法によれば、基材部３よりも結晶粒界の多い組織部４内では、基材部３よりも多くの原子が外方拡散する。このとき、基材２の加熱温度が従来より低くても、多くの量の原子が組織部４内を拡散する。そのため、従来よりも低温で、耐浸炭性に良好な耐浸炭性保護皮膜部５を形成することができる。そして、軸流タービン１０の使用時において、タービン部品１の浸炭を抑制することができるので、タービン部品１の寿命を向上させることができる。
【００５１】
（第２の実施の形態）
図６は、第２の実施の形態のタービン部品を構成する基材２に組織部４ｄを形成する方法を示す概略図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００５２】
第２の実施の形態のタービン部品の製造方法において、組織部４ｄを形成する方法が異なる以外は、第１の実施の形態のタービン部品の製造方法と基本的に同じである。そのため、ここでは、その異なる構成について主に説明する。
【００５３】
第２の実施の形態のタービン部品の製造方法では、第１の形成工程において、基材２の表面を溶融して、組織部４ｄを基材２の表面に形成する。
【００５４】
図６に示すように、半導体レーザなどのレーザ装置６０を矢印Ａに沿って移動させながらレーザ装置６０でレーザ光６１を基材２の表面に照射して、基材２の表面を溶融する。溶融して冷えた基材２の表面および表面近傍内部では、微細な柱状のセル組織が形成される。この柱状のセル組織は、基材２の内部から表面に向かって延びる。そして、基材２を溶融して、基材２の表面に複数の微細なセル組織を層状に形成することによって、複数のセル組織を有する組織部４ｄが基材２の表面および表面近傍内部に形成される。こうして、基材２は、基材部３と、基材部３の表面に均一に形成される組織部４ｄとを有する。組織部４ｄの厚さや、組織部４ｄ内のＦｅ基合金の結晶粒径の大きさは、レーザ光６１の照射強度やレーザ光６１の照射時間に応じて適宜調整することができる。
【００５５】
組織部４ｄを有する基材２を加熱すると、基材部３および組織部４ｄ、主に組織部４ｄを構成するＦｅ基合金中のＣｒ、Ｓｉ、およびＡｌの少なくとも１種の原子は、組織部４ｄ内の微細なセル組織の間に形成された結晶粒界に沿って組織部４ｄの表面に拡散する。組織部４ｄの表面に外方拡散したこれらの原子は、空気中の酸素および組織部４ｄの表面から内部に内方拡散した酸素と反応して、不均一な耐浸炭性保護皮膜部５が形成される。その後、組織部４ｄの内部から組織部４ｄおよび耐浸炭性保護皮膜部５の界面に外方拡散したこれらの原子と、耐浸炭性保護皮膜部５の表面から、耐浸炭性保護皮膜部５内を拡散し、組織部４ｄおよび耐浸炭性保護皮膜部５の界面に内方拡散した酸素とが反応して、所定の厚さを有し均一で耐浸炭性に優れた耐浸炭性保護皮膜部５が形成される。
【００５６】
上記したように、第２の実施の形態のタービン部品およびタービン部品の製造方法によれば、基材２の表面を溶融することによって、微細なセル組織を有する組織部４ｄが形成される。組織部４ｄ内では、多くの量の原子がセル組織間の結晶粒界に沿って拡散する。そのため、従来よりも低温で、耐浸炭性に良好な耐浸炭性保護皮膜部５を形成することができ、タービン部品１の浸炭を抑制することができる。
【実施例】
【００５７】
以下、実施例を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されない。【００５８】
（実施例１）
基材として、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼（１％Ｃｒ−１．５％Ｍｏ−０．３％Ｖ）を用意した。この基材の表面にハンマーピーニング処理を施して、基材の表面に組織部を形成した。続いて、組織部が形成された基材の表面をバーナーで９００℃に加熱した後、急冷することによって、組織部の結晶組織を相変態して微細化した。続いて、基材を５００℃に加熱することによって、組織部の表面に耐浸炭性保護皮膜部を形成した。こうして、基材の内部から表面に向かって基材部、組織部、耐浸炭性保護皮膜部を有する基材からなるタービン部品を製造した。【００５９】
（実施例２）
実施例１において、基材の表面にショットピーニング処理を施して、基材の表面に組織部を形成した以外は、実施例１と同じ方法でタービン部品を製造した。【００６０】
（実施例３）
実施例１において、基材の表面に機械加工処理を施して、基材の表面に組織部を形成し、組織部が形成された基材の表面を高周波誘導加熱装置で９００℃に加熱した以外は、実施例１と同じ方法でタービン部品を製造した。機械加工処理では、切削工具を用い、基材の通常の加工に比べて、基材の表面の最終加工における追い込み量を５０％〜７０％増加させることによって、基材の表面に残留応力を与えた。【００６１】
（実施例４）
基材として、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼を用意した。この基材の表面に半導体レーザを用いてレーザ光を照射し、基材の表面を溶融して、基材の表面に組織部を形成した。続いて、基材を５００℃に加熱することによって、組織部の表面に耐浸炭性保護皮膜部を形成した。こうして、タービン部品を製造した。【００６２】
（比較例１）
基材として、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼を用意した。続いて、基材を５００℃に加熱した。こうして、タービン部品を製造した。なお、比較例１で製造したタービン部品には、組織部および耐浸炭性保護皮膜部が形成されていない。【００６３】
実施例１〜４および比較例１で製造したタービン部品について、耐浸炭性の評価を行った。実施例１〜４および比較例１で製造したタービン部品を、二酸化炭素の雰囲気下において、５００℃で１００時間加熱した。そして、タービン部品の断面を観察した。【００６４】
比較例１のタービン部品の表面には、浸炭層が形成されていた。一方、実施例１〜４のタービン部品には、浸炭層が形成されておらず、耐浸炭性に優れたタービン部品を製造することができた。【００６５】
実施例１〜４によれば、タービンの使用温度域で形成する耐浸炭性保護皮膜部を有し、浸炭を抑制することができるタービン部品、軸流タービン、およびタービン部品の製造方法を提供することができる。【００６６】
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】
【００６７】
１…タービン部品、２…基材、３…基材部、４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…組織部、５…耐浸炭性保護皮膜部、１０…軸流タービン、１１…外部ケーシング、１１ａ…管形状部、１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…内部ケーシング、１２ｄ…環状壁、１３…静翼、１４…動翼、１５…排気室、１６…タービンロータ、１７…シール部、１８…管形状部、１９…環状通路、２０…トランジションピース、３０…ピーニングハンマー、４０…ショットピーニング装置、４１…粒子、５０…切削工具、６０…レーザ装置、６１…レーザ光。
【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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【国際調査報告】
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