(57)【要約】【課題】超合金等の高温材料から成形され得る各種大型タービン部品等の大型製品を提供すること。【解決手段】鋳造超合金大容量圧力格納容器が開示される。容器は、約４立方フィート以上の体積及び実質的にポロシティのない鋳造ミクロ組織を有する中空体部分を含む。格納容器は、約１２００°Ｆ以上の作動温度及び約１５００ｐｓｉ以上の作動圧力で作動するように構成される。また、鋳造超合金大容量製品が開示される。製品は、約４立方フィート以上の体積及び実質的にポロシティのない鋳造ミクロ組織を有し、約１４００°Ｆ以上の作動温度で作動するように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
約４立方フィート以上の体積及び実質的にポロシティのない鋳造ミクロ組織を有する中空体部分を含む鋳造超合金大容量圧力格納容器であって、約１２００°Ｆ以上の作動温度及び１５００ｐｓｉ以上の作動圧力で作動するように構成されている、格納容器。
【請求項２】
合金が、約１３００〜１５００°Ｆの作動温度で作動するように構成されている、請求項１記載の格納容器。
【請求項３】
高作動温度合金が、約３０００ｐｓｉ以上の作動圧力で作動するように構成されている、請求項１記載の格納容器。
【請求項４】
高作動温度合金が、約４０００〜６０００ｐｓｉの作動圧力で作動するように構成されている、請求項３記載の格納容器。
【請求項５】
タービン部品を含む、請求項１記載の格納容器。
【請求項６】
タービン部品が、蒸気タービン部品を含む、請求項５記載の格納容器。
【請求項７】
蒸気タービン部品が、タービンシェルを含む、請求項６記載の格納容器。
【請求項８】
蒸気タービン部品が、ノズルボックスを含む、請求項６記載の格納容器。
【請求項９】
蒸気タービン部品が、弁箱を含む、請求項６記載の格納容器。
【請求項１０】
超合金組成物が、Ｎｉ基、Ｃｏ基もしくはＦｅ基超合金組成物、又はそれらの組合せを含む、請求項１記載の格納容器。
【請求項１１】
Ｎｉ基超合金組成物が、約１６．０〜２５．０重量％のＣｒ、約５．０〜１５．０重量％のＣｏ、約４．０〜１２．０重量％のＭｏ、約１０．０重量％以下のＦｅ、約１．０〜６．０重量％のＮｂ、約０．３〜４．０重量％のＴｉ、約０．０５〜３．０重量％のＡｌ、約０．００２〜０．０４重量％のＢ、約０．３０重量％以下のＭｎ、約０．１５重量％以下のＳｉ、０．０２重量％未満のＣ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、請求項１０記載の格納容器。
【請求項１２】
Ｎｉ基超合金組成物が、約１６．０〜２４．０重量％のＣｒ、約５．０〜１５．０重量％のＣｏ、約５．０〜１２．０重量％のＭｏ、約１．５重量％以下のＦｅ、約０．５〜４．０重量％のＴｉ、約０．３０〜３．０重量％のＡｌ、約０．００２〜０．０４重量％のＢ、約０．３０重量％以下のＭｎ、約０．１５重量％以下のＳｉ、０．０２重量％未満のＣ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、請求項１０記載の格納容器。
【請求項１３】
Ｎｉ基超合金組成物が、約１９．０〜２１．０重量％のＣｒ、約９．０〜１１．０重量％のＣｏ、約７．０〜９．０重量％のＭｏ、約１．５重量％以下のＦｅ、約１．７〜２．５重量％のＴｉ、約１．２〜１．８重量％のＡｌ、約０．００２〜０．０１重量％のＢ、約０．３０重量％以下のＭｎ、約０．１５重量％以下のＳｉ、０．０２重量％未満のＣ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、請求項１２記載の格納容器。
【請求項１４】
Ｎｉ基超合金組成物が、約１９．５〜２０．５重量％のＣｒ、約９．５〜１０．５重量％のＣｏ、約８．３〜８．７重量％のＭｏ、約１．５重量％以下のＦｅ、約１．９〜２．３重量％のＴｉ、約１．３〜１．７重量％のＡｌ、約０．００３％から約０．００８％のＢ、約０．３０重量％以下のＭｎ、約０．１５重量％以下のＳｉ、０．０２重量％未満のＣ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、請求項１２記載の格納容器。
【請求項１５】
Ｎｉ基超合金組成物が、約１６．０〜２５．０重量％のＣｒ、約４．０〜１２．０重量％のＭｏ、約１０．０重量％以下のＦｅ、約１．０〜６．０重量％のＮｂ、約０．３〜４．０重量％のＴｉ、約０．０５〜１．０重量％のＡｌ、約０．００２〜０．０４重量％のＢ、約０．０５重量％以下のＭｎ、０．０２重量％未満のＣ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、請求項１０記載の格納容器。
【請求項１６】
Ｎｉ基超合金組成物が、約１７．０〜２７．０重量％のＣｒ、約６．０〜１２．０重量％のＭｏ、約２．０〜７．０重量％のＮｂもしくはＴａ又はそれらの組合せ、約０．２〜２．０重量％のＴｉ、約０．２〜２．０重量％のＡｌ、最大約５％のＦｅ、約１．０重量％以下のＣｏ、約０．５重量％以下のＭｎ、約０．５重量％以下のＳｉ、約０．１重量％以下のＣ、約０．００５重量％以下のＢ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、請求項１０記載の格納容器。
【請求項１７】
Ｎｉ基超合金組成物が、約２０．０〜２３．０重量％のＣｒ、約８．０〜１０．０重量％のＭｏ、約３．１５〜４．１５重量％のＮｂもしくはＴａ又はそれらの組合せ、約０．２〜０．４重量％のＴｉ、約０．２〜０．４重量％のＡｌ、最大約５％のＦｅ、約１．０重量％以下のＣｏ、約０．５重量％以下のＭｎ、約０．５重量％以下のＳｉ、約０．１重量％以下のＣ、約０．００５重量％以下のＢ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、請求項１６記載の格納容器。
【請求項１８】
Ｎｉ基超合金組成物が、約２０．５〜２２．０重量％のＣｒ、約８．５〜９．５重量％のＭｏ、約３．３０〜４．０重量％のＮｂもしくはＴａ又はそれらの組合せ、約０．２〜０．４重量％のＴｉ、約０．１５〜０．３０重量％のＡｌ、約２．０〜４．０重量％のＦｅ、約１．０重量％以下のＣｏ、約０．２重量％以下のＭｎ、約０．１５重量％以下のＳｉ、約０．０１％から約０．０３５％のＣ、約０．００５重量％以下のＢ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、請求項１６記載の格納容器。
【請求項１９】
Ｎｉ基超合金組成物が、約１７．０〜２７．０重量％のＣｒ、約８．０〜１８．０重量％のＣｏ、約６．０〜１２．０重量％のＭｏ、約０．１〜０．６重量％のＴｉ、約０．５〜２．０重量％のＡｌ、最大約３％のＦｅ、約０．６重量％以下のＭｎ、約０．６重量％以下のＳｉ、約０．５重量％以下のＣｕ、約０．０２〜０．１５重量％のＣ、約０．００６重量％以下のＢ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、請求項１０記載の格納容器。
【請求項２０】
鋳造ミクロ組織が、実質的に偏析のないミクロ組織もしくは実質的に微細結晶粒ミクロ組織のうち少なくとも１つ、又はそれらの組合せをさらに備える、請求項１記載の格納容器。
【請求項２１】
約４立方フィート以上の体積及び実質的にポロシティのない鋳造ミクロ組織を有する鋳造超合金大容量製品であって、約１４００°Ｆ以上の作動温度で作動するように構成された製品。
【請求項２２】
中空体部分を備えていて、実質的にポロシティのない鋳造ミクロ組織を有する鋳造超合金大容量圧力格納容器。
【請求項２３】
蒸気タービンの部品を含む、請求項２２記載の圧力格納容器。
【請求項２４】
約４立方フィート以上の超合金の体積を有する、或いは約１２００°Ｆ以上の作動温度もしくは約１５００ｐｓｉ以上の作動圧力、又は上記の任意の組合せで作動するように構成されている、請求項２２記載の圧力格納容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造超合金からなる圧力格納容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
製品が高い作動温度及び圧力で使用されることが要求される、各種の機械を含む様々な用途における使用のための大型製品の成形は、特に困難である。例えば、大型部品は、産業用タービン、特に蒸気タービンに使用されるが、これらのタービンは、長さ、幅、高さ及び壁肉厚を含めた寸法、並びに作製するために使用される材料の体積の点で非常に大きい。これらの部品は、一般に、様々な鍛造合金鋼プリフォームから成形される。多くの場合、実質的に中空の物体のこともあるこれらの部品のサイズ及び形状のために、鍛造プリフォームのかなりの部分を機械加工又は他の成形方法により除去することが必要となる。成形加工に材料のかなりの除去が必要となるという事実のために、高い作動温度及び圧力のこうした製品に使用される材料、並びにこれらの大型製品を成形するために容易に機械加工又は他の成形加工ができる材料への適用が制限されてきた。これらの目的のために、多くのグレードのスチールが有用であるが、それらの材料特性は、それらが使用され得る作動温度及び圧力の範囲を制限し、それによって、それらが使用される各種タービン等の機械における利点が制約されていた。さらに、超合金等の高温材料は、大型製品が、サブコンポーネントのサイズ、特に肉厚も厚い場合に非常に困難である、例えば鍛造、続いて溶接等によるサブコンポーネントの接合によるサブコンポーネントの成形を必要とする、より小さなサブコンポーネントのアセンブリとして成形加工されることを必要としていたため、高温材料はそのような大型製品を作製するために使用されていなかった。
【０００３】
そこで、超合金等の高温材料から成形される各種大型タービン部品等の大型製品を提供することできれば非常に望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７７１３０２３号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的な実施形態では、鋳造超合金大容量圧力格納容器が開示される。容器は、約４立方フィート以上の体積及び実質的にポロシティのない鋳造ミクロ組織を有する中空体部分を含む。格納容器は、約１２００°Ｆ以上の作動温度及び約１５００ｐｓｉ以上の作動圧力で作動するように構成される。
【０００６】
別の例示的な実施形態では、鋳造超合金大容量製品が開示される。製品は、４立方フィート以上の体積及び実質的にポロシティのない鋳造ミクロ組織を有する。製品は、約１４００°Ｆ以上の作動温度で作動するように構成される。
【０００７】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。
【０００８】
本発明とみなされる対象については、本明細書に続く特許請求の範囲に具体的かつ明瞭に記載されている。本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本明細書で開示する蒸気タービン用の鋳造蒸気タービンシェルを含む鋳造超合金圧力格納容器の例示的な実施形態の断面図である。
【図２】図１の蒸気タービンとの使用に好適な、本明細書で開示する蒸気タービンノズルボックスを含む鋳造超合金圧力格納容器の第２の例示的な実施形態の斜視図である。
【図３】図２に示すノズルボックスの部分断面図である。
【図４】図１の蒸気タービンとの使用に好適な、本明細書で開示する蒸気タービン弁箱を含む鋳造超合金圧力格納容器の第３の例示的な実施形態の断面図である。
【図５】本明細書で開示する鋳造超合金大容量圧力格納容器を成形するための使用に好適な、Ｎｉ基超合金組成物の様々な例示的な実施形態の表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明を実施するための形態は、図面を参照しながら、例示を目的として、利点及び特徴と共に本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
図面、特に図１〜図４を参照すると、鋳造大容量圧力格納容器１０が開示されている。様々な実施形態では、鋳造大容量圧力格納容器１０は、本明細書に記載のような様々なタービン圧力格納容器を含んでもよい。鋳造大容量圧力格納容器１０は、様々な蒸気タービン構成における非回転式部品、特に、入口１４を通して高圧流体の流れ１２を受容するように、及び中空体部分１６を通して別個の出口１８に高圧流体流１２を通過させるように適合されるものとしての用途及び使用に特に好適であり、典型的には圧力格納容器１０を通した圧力降下又は上昇を伴う。したがって、容器は、約１５００ｐｓｉ等の高い絶対圧力を受容し、流れ１２を出口１８に通過させる間圧力を格納するように構成されなければならない。鋳造圧力格納容器１０は、約４立方フィート以上の鋳造体積又は鋳造物を成形するために使用される材料の体積と、実質的にポロシティのないミクロ組織２０とを有する。鋳造圧力格納容器１０は、超合金から成形され、約１２００°Ｆ以上の作動温度及び約１５００ｐｓｉ以上の作動圧力での連続作動用に構成される。鋳造圧力格納容器１０はまた、典型的には、厚い壁肉厚を有することになり、これは、一実施形態では、約３インチ以上、具体的には約６インチ以上の壁肉厚、さらに具体的には約８インチ以上の非常に厚い壁肉厚を含む。一実施形態では、壁肉厚は、約３〜１２インチ、具体的には約３〜８インチ、さらに具体的には約３〜６インチの範囲である。別の実施形態では、壁肉厚は、約３〜１２インチ、具体的には約６〜１２インチ、さらに具体的には約８〜１２インチの範囲である。超合金鋳造圧力格納容器１０は、各種ガスタービン及び蒸気タービンを含む任意の種類の高温タービン用の部品６を含んでもよいが、非常に厚い壁肉厚を必要とし、その結果非常に大容量の鋳造物を必要とする各種蒸気タービン部品の規模及びサイズのために、蒸気タービンにおける使用に特に適用され得る。一実施形態では、鋳造超合金厚肉壁タービン部品１０は、ノズルボックス２００を含んでもよい。別の実施形態では、鋳造超合金厚肉壁タービン部品１０は、タービンシェル１０６を含んでもよい。さらに別の実施形態では、鋳造超合金厚肉壁タービン部品１０は、弁箱３００を含んでもよい。
【００１２】
これらの鋳造超合金大容量タービン部品１０は、様々な非超合金サブコンポーネントを鍛造又は鋳造し、それらを接合して部品を成形することにより成形される従来の厚肉壁タービン部品よりも大幅に高い温度及び／又は作動圧力で作動できることにより、改善される。より高い温度及び／又は作動圧力でこれらの部品を作動させる能力は、改善されたタービン作動効率を提供する。鋳造は、これらの超合金大容量タービン部品１０を作製するための、生産可能で手頃な方法を提供する。ノズルボックス２００、シェル１０６及び弁箱３００並びに潜在的に他の部品を含む、鋳造超合金厚肉壁タービン部品１０は、析出硬化及び固溶強化超合金を含むより能力の高い材料から作製されることから、より高い温度で作動することができる。これらの鋳造超合金大容量タービン部品１０は、遠心鋳造を使用して成形されてもよい。遠心鋳造は、超合金からのこれらの部品の鋳造を可能にする。鋳造以外で超合金からこれらの部品を成形することは、極めて困難であり、また、その大容量及び肉厚のために、法外に高価である。厚肉超合金の鍛造は、困難及び高価であり、鍛造された部品は、一般に、超合金の溶接を必要とし、これもまた、関連する肉厚を考慮すると非常に困難及び高価である。
【００１３】
超合金は、高温で高い強度が要求される多くの他のタービン用途に適用されている。しかしながら、ノズルボックス、シェル及び弁箱を含む、大容量タービン部品、特に大容量蒸気タービン部品は、いくつかの理由により超合金から生成されていない。第１に、これらの部品は、寸法（長さ、幅、高さ及び壁肉厚）及び重量の両方の点からサイズが非常に大きく、また一般に、複雑な中空形状を有する。蒸気タービンノズルボックス、シェル（内部又は外部）及び弁箱等の大型中空部品の、中実な超合金片からの機械加工、例えば鍛造は、一般に、除去されなければならない材料の量及びコスト（廃棄物として除去される材料の量は、９０％と高い）、並びに機械加工により、又は別様に材料を除去するためのコストに起因して、法外なコストを要する。一方、遠心鋳造は、中空の初期形状を成形するために使用することができると共に、強度、靭性、硬度等を含むその優れた物理的及び機械的特性に起因して機械加工が困難であることが知られている合金の、過度の複雑な機械加工の必要性を排除する。他の鋳造方法もこれを行うことができるが、以下に挙げるもの等の欠点を有する。第２に、大きな部品サイズ及び鋳造体積は、砂型鋳造等の従来の方法により鋳造された場合、化学的偏析をもたらす。超合金は、例えば、本明細書に記載のように、体積が４立方フィートを超える場合、もしくは肉厚が厚い場合等、全体積において、又は鋳造物孔隙率において、或いはその両方において、部品が非常に大きい場合、遅い固化速度によりもたらされる有害な化学的偏析の影響を受けやすい。遠心鋳造は、砂型鋳造を使用して達成可能な冷却速度を大幅に超えて冷却速度を上昇させるための手段を提供し、それにより、超合金の合金元素、特にＡｌ及びＴｉを含む低密度合金元素、並びにＣｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏを含む優れた超合金特性の多くを提供する重金属の望ましくない遅い固化速度及び偏析を防止する。第３に、超合金は、溶融中、及び砂型鋳造等の従来の方法を使用した鋳造中に構成金属の酸化を受けやすく、望ましくない硬く脆い含有物、例えば各種酸化物を形成し、これは、靭性及び疲労特性を大幅に劣化させ得る。遠心鋳造は、鋳造プロセス中の空気への暴露を最小限化し、それにより捕捉される酸化物の数及びサイズを許容されるレベルまで低減するために使用することができる。超合金を形成するために使用される溶融プロセス、例えばアルゴン酸素脱炭法による電気アーク炉（ＥＡＦ／ＡＯＤ）及び真空誘導溶融（ＶＩＭ）等は、特にインゴット等のこれらの合金の大容量鋳造において生じることが知られている偏析、孔隙及び酸化に対応するために、エレクトロスラグ再溶融（ＥＳＲ）又は真空アーク再溶融（ＶＡＲ）等の再溶融プロセスと共に使用されることが留意される。第４に、超合金、特に非常に大きい及び／又は厚い壁断面を有するものから大容量部品を成形加工することは、非常に困難である。他の方法による超合金大容量部品の成形加工は、超合金組成物に適用した場合の従来の成形加工方法に関連した制限に起因して、一般に実現可能ではなかった。例えば、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接は、一般に遅すぎて、肉厚壁を有する長いセクションの接合には好適ではない。電子ビーム溶接は、真空チャンバを必要とし、既存の真空チャンバは小さすぎて、弁箱等の本明細書に記載の大型蒸気タービン部品を包含できない。レーザ溶接は、一般に、弁箱等の本明細書に記載の大型蒸気タービン部品を作製するのに十分な深さの溶接部を作製することができない。遠心鋳造は、本明細書に記載の大型蒸気タービン部品を、単一部品又は少数の部品として生成し、それにより成形加工の必要性を排除又は大きく低減することにより、広範囲の成形加工の必要性を回避する。要約すると、遠心鋳造の使用は、１つのプロセスで、大型超合金タービン部品、特に大型蒸気タービン部品の製作と関連した上記の制限を克服し、鋳造合金組成物を使用した改善されたタービン部品の製作を可能とする。
【００１４】
一実施形態では、鋳造超合金大容量圧力格納容器１０は、約４立方フィート以上の体積を有する中空体部分１６と、実質的にポロシティのない鋳造ミクロ組織、偏析のないミクロ組織もしくは微粒ミクロ組織、又はこれらの組合せとを含む。圧力格納容器１０は、約１２００°Ｆ以上の作動温度及び約１５００ｐｓｉ以上の作動圧力で作動するように構成される。鋳造超合金大容量圧力格納容器１０は、約４立方フィート以上の体積を有し、具体的には約８立方フィート以上、さらに具体的には約２０立方フィート以上、さらに具体的には約３０立方フィート以上の体積を有してもよい。例えば、蒸気タービンノズルボックス２００の場合、鋳造体積は、約４立方フィート以上、具体的には約８立方フィート以上であってもよい。例えば、内部又は外部シェル等の蒸気タービンシェル１０６の場合、鋳造体積は、約４立方フィート以上、具体的には約２０立方フィート以上、さらに具体的には約３０立方フィート以上であってもよい。蒸気タービン弁本体３００の場合、鋳造体積は、約４立方フィート以上、具体的には約１５立方フィート以上、さらに具体的には約２５立方フィート以上であってもよい。したがって、一実施形態では、鋳造大容量圧力格納容器は、約４立方フィートから約３０立方フィート、具体的には約８立方フィートから約３０立方フィート、さらに具体的には約１５立方フィートから約３０立方フィートの体積を有するように説明され得る。実施形態では、鋳造超合金大容量製品は、約４立方フィート以上の体積及び実質的にポロシティのない鋳造ミクロ組織を有し、大気圧を含む製品が使用される作動圧力の如何にかかわらず、約１４００°Ｆ以上の作動温度で作動するように構成される。すなわち、大容量鋳造超合金製品は、約１４００°Ｆ以上の作動温度、及び大気圧での使用を含むより低い圧力で作動するように構成される。一実施形態では、超合金鋳造ミクロ組織はまた、実質的にポロシティのないミクロ組織であることに加えて、実質的に偏析のないミクロ組織もしくは実質的に微細結晶粒ミクロ組織、又はそれらの組合せのうちの少なくとも１つである。
【００１５】
鋳造超合金大容量圧力格納容器１０は、約１２００°Ｆ以上、具体的には約１３００°Ｆ以上、さらに具体的には最高約１５００°Ｆの温度での作動、例えば蒸気タービンの実質的に連続的な作動用に構成される超合金を含む。一実施形態では、鋳造超合金大容量圧力格納容器１０は、約１３００〜１５００°Ｆの作動温度で作動するように構成された超合金を含む。
【００１６】
鋳造超合金大容量圧力格納容器１０は、約１５００ｐｓｉ以上、具体的には約１８００ｐｓｉ以上、さらに具体的には約３０００ｐｓｉ、さらに具体的には約４０００ｐｓｉ以上、さらに具体的には最高約６０００ｐｓｉの作動圧力での作動、例えば蒸気タービンの実質的に連続的な作動用に構成される超合金を含む。一実施形態では、鋳造超合金大容量圧力格納容器１０は、約４０００〜６０００ｐｓｉの作動温度で作動するように構成された超合金を含む。
【００１７】
図１〜図４を参照すると、鋳造超合金大容量圧力格納容器１０は、任意の好適な圧力格納容器１０を含んでもよく、一実施形態では、蒸気タービン１００の圧力格納蒸気タービン部品を含む、タービンの圧力格納タービン部品６を含む。図１は、高圧（ＨＰ）セクション１０２及び中圧（ＩＰ）セクション１０４を含む、例示的な対向流蒸気タービン１００エンジンの断面概略図である。鋳造超合金大容量ＨＰシェル又は筐体１０６は、鋳造超合金大容量上側ハーフセクション１０８及び鋳造超合金大容量下側ハーフセクション１１０のそれぞれに、軸方向に分割される。例示的な実施形態では、シェル１０６並びにハーフセクション１０８及び１１０は、内部筐体である。代替として、鋳造超合金大容量シェル１０６並びにハーフセクション１０８及び１１０は、外部筐体である。ＨＰセクション１０２とＩＰセクション１０４との間に位置する中央セクション１１８は、高圧蒸気入口１２０及び中圧蒸気入口１２２を含む。ノズルボックス（図１には示さず）は、高圧蒸気入口１２０と高圧セクション１０２との間、及び中圧蒸気入口１２２と中圧セクション１０４との間のそれぞれに流体結合する。
【００１８】
作動中、高圧蒸気入口１２０は、蒸気源、例えば発電ボイラー（図１には示さず）から高圧／高温蒸気を受容する。蒸気は、高圧蒸気入口１２０から、第１のノズルボックス（図１には示さず）を通り、入口ノズル１３６を通り、またＨＰセクション１０２を通って流れ、蒸気から仕事が取り出されて、ロータシャフト１４０に結合した複数のタービンブレード、又はバケット（図１には示さず）を介してシャフト１４０を回転させる。
【００１９】
例示的な実施形態では、蒸気タービン１００は、対向流高圧及び中圧蒸気タービンの組合せである。代替として、本発明は、これに限定されないが、低圧タービンを含む任意の個々のタービンと共に使用されてもよい。さらに、本発明は、対向流蒸気タービンとの使用に限定されず、これらに限定されないが、単流及び複流タービン蒸気タービンを含む蒸気タービン構成と共に使用されてもよい。
【００２０】
図２を参照すると、一実施形態では、鋳造超合金大容量圧力格納容器１０は、ノズルボックス２００（図２）の形態の、タービン１００（図１）の圧力格納タービン部品６を含む。図２は、蒸気タービンエンジン１００と共に使用され得る、本明細書に記載の鋳造体積を有する鋳造超合金大容量蒸気タービンノズルボックス２００の斜視図である。例示的な実施形態では、ノズルボックス２００は、環状チャンバ２０２、及び環状チャンバ２０２と流動連通して結合した２つの入口２０４を含み、各入口２０４は、軸方向中心線Ｃ１を有する。蒸気タービンノズルボックス２００は、本明細書に記載のような超合金からネットシェイプに鋳造されてもよく、具体的にはニアネットシェイプに鋳造されてもよく、また機械加工等の様々な最終操作を受けて、図２及び図３に示す形状を成形し得る。図３は、ノズルボックス２００及び環状チャンバ２０２の部分断面図である。例示的な実施形態では、環状チャンバ２０２の半円状の半分のみが図示されるが、鋳造超合金大容量蒸気タービンノズルボックス２００は、環状チャンバ２０２全体として鋳造されてもよい。例示的な実施形態では、ノズルボックス２００は、各入口２０４から等距離にある垂直中心線Ｃ１を含む。代替の実施形態では、ノズルボックス２００は、２つより多い又は少ない入口２０４を含んでもよい。
【００２１】
環状チャンバ２０２は、第１のセクション２０６、第２のセクション２０８、及びそれらの間で一体的に延在する中央セクション２１０を含む。２つより多い又は少ない入口２０４を有する実施形態では、環状チャンバ２０２は、３つより多い又は少ないセクションを含んでもよい。また、環状チャンバ２０２は、内部環状壁２１４、及び内部環状壁２１４から半径方向外側の外部環状壁２１６により画成される流路２１２を含む。流路２１２は、流路第１セクション２１８、流路第２セクション２２０、及び流路中央セクション２２２を含む。具体的には、例示的な実施形態では、流路第１セクション２１８は、チャンバ第１セクション２０６内に画成され、流路第２セクション２２０は、チャンバ第２セクション２０８内に画成され、流路中央セクション２２２は、チャンバ中央セクション２１０内に画成される。さらに、各入口２０４は、それを通して形成された、流路２１２と流動連通して結合した流路２２４を含む。具体的には、第１の入口流路２２６は、流路第１セクション２１８と流動連通して結合し、第２の入口流路２２８は、流路第２セクション２２０と流動連通して結合する。
【００２２】
作動中、本明細書に記載の作動温度及び圧力において、蒸気は、入口２０４を通して環状チャンバ２０２に流入する。具体的には、蒸気は、入口流路２２６及び２２８に通されて環状チャンバ２０２内に放出され、入口流路２２６から放出された蒸気は流路第１セクション２１８に進入し、入口流路２２８から放出された蒸気は流路第２セクション２２０に進入する。環状チャンバ２０２内では、流路第１セクション２１８及び流路第２セクション２２０は、環状チャンバ２０２が、それを通して均一に分布した圧力を有する統一流路２１２の提供を促進するように、流路中央セクション２２２と流動連通して結合する。具体的には、入口流路２２６及び２２８を通る蒸気は、ノズルボックス２００から放出された蒸気が均一な温度及び圧力を有するように、環状チャンバ２０２内で混合される。蒸気は、ノズルボックス２００から複数のノズル（図２には示さず）を通して、蒸気タービン１００等の蒸気タービンの第１段階に放出される。環状チャンバ２０２内の蒸気の混合は、等しい温度及び圧力での複数のノズルのそれぞれを通した蒸気の放出を促進する。したがって、ボックスは、タービンの第１段階内の圧力格納及び流動方向を提供する。
【００２３】
図４を参照すると、一実施形態では、鋳造超合金大容量圧力格納容器１０は、蒸気弁３１０用の弁箱３００の形態の、タービン８の圧力格納タービン部品６を含む。筐体３００は、蒸気タービンの一部である蒸気弁３１０の部品を収納する。例えば、蒸気タービン弁３１０は、組み合わされた主停止及び制御弁、再加熱弁、又は他の種類の蒸気タービン弁（「流量弁」）であってもよく、この弁は、矢印付きの線３１４で示すように入口３１２（例えばパイプ）において流量弁３１０に進入し、次いで、流量弁３１０内の濾過器３１５における開口部及び流量弁３１０を通過し、矢印付きの線３１８で示すように流量弁３１０の出口３１６（例えばパイプ）から出て、蒸気タービンのさらなる部品へと続く蒸気の流れを方向付ける。
【００２４】
流量弁３１０の弁箱３００内には、制御弁３２２及び／又は停止弁３２４もまた収納される。制御弁３２２は、例えば、矢印付きの線３２８で示すような直線運動のために、既知の様式（例えば、油圧式、空気圧式、モータ駆動式等）で駆動されるように構成される、シリンダ又はロッド３２６を備えてもよい。制御弁３２２はまた、制御弁本体３３０がロッド３２６の運動と同時に動くように、ロッド３２６の一方の端部に位置し、ロッド３２６に接続又はそれと一体的に形成された弁本体３３０を含む。制御弁本体３３０は、制御弁本体３３０の下部に形成された空洞３３２を含む。
【００２５】
鋳造超合金大容量圧力格納容器１０は、超合金から成形される。任意の好適な超合金が使用され得る。好適な超合金は、Ｎｉ基、Ｃｏ基もしくはＦｅ基超合金組成物、又はそれらの組合せを含む。そのうち、図５に記載したように、Ａｌｌｏｙ  ６２５、Ａｌｌｏｙ  ２８２、Ａｌｌｏｙ  ６１７及びＡｌｌｏｙ  ７２５の合金組成物を含むＮｉ基超合金が特に有用である。
【００２６】
一実施形態では、超合金組成物は、約１６．０〜２５．０重量％のＣｒ、約５．０〜１５．０重量％のＣｏ、約４．０〜１２．０重量％のＭｏ、約１０．０重量％以下のＦｅ、約１．０〜６．０重量％のＮｂ、約０．３〜４．０重量％のＴｉ、約０．０５〜３．０重量％のＡｌ、約０．００２〜０．０４重量％のＢ、約０．３０重量％以下のＭｎ、約０．１５重量％以下のＳｉ、０．０２重量％未満のＣ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む合金組成物を含む、概してＡｌｌｏｙ  ６２５、Ａｌｌｏｙ  ２８２及びＡｌｌｏｙ  ７２５の合金組成物を包含する、Ｎｉ基超合金組成物である。
【００２７】
一実施形態では、超合金組成物は、約１６．０〜２４．０重量％のＣｒ、約５．０〜１５．０重量％のＣｏ、約５．０〜１２．０重量％のＭｏ、約１．５重量％以下のＦｅ、約０．５〜４．０重量％のＴｉ、約０．３０〜３．０重量％のＡｌ、約０．００２〜０．０４重量％のＢ、約０．３０重量％以下のＭｎ、約０．１５重量％以下のＳｉ、０．０２重量％未満のＣ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む合金組成物を含む、概してＡｌｌｏｙ  ２８２を包含する、Ｎｉ基超合金組成物である。
【００２８】
別の実施形態では、超合金組成物は、約１９．０〜２１．０重量％のＣｒ、約９．０〜１１．０重量％のＣｏ、約７．０〜９．０重量％のＭｏ、約１．５重量％以下のＦｅ、約１．７〜２．５重量％のＴｉ、約１．２〜１．８重量％のＡｌ、約０．００２〜０．０１重量％のＢ、約０．３０重量％以下のＭｎ、約０．１５重量％以下のＳｉ、０．０２重量％未満のＣ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、Ｎｉ基超合金組成物である。
【００２９】
さらに別の実施形態では、超合金組成物は、約１９．５〜２０．５重量％のＣｒ、約９．５〜１０．５重量％のＣｏ、約８．３〜８．７重量％のＭｏ、約１．５重量％以下のＦｅ、約１．９〜２．３重量％のＴｉ、約１．３〜１．７重量％のＡｌ、約０．００３％から約０．００８％のＢ、約０．３０重量％以下のＭｎ、約０．１５重量％以下のＳｉ、０．０２重量％未満のＣ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、Ｎｉ基超合金組成物である。
【００３０】
一実施形態では、超合金組成物は、約１６．０〜２５．０重量％のＣｒ、約４．０〜１２．０重量％のＭｏ、約１０．０重量％以下のＦｅ、約１．０〜６．０重量％のＮｂ、約０．３〜４．０重量％のＴｉ、約０．０５〜１．０重量％のＡｌ、約０．００２％から約０．００４％のＢ、約０．０５重量％以下のＭｎ、０．０２重量％未満のＣ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む合金組成物を含む、概してＡｌｌｏｙ  ７２５を包含する、Ｎｉ基超合金組成物である。
【００３１】
一実施形態では、超合金組成物は、約１７．０〜２７．０重量％のＣｒ、約６．０〜１２．０重量％のＭｏ、約２．０〜７．０重量％のＮｂもしくはＴａ又はそれらの組合せ、約０．２〜２．０重量％のＴｉ、約０．２〜２．０重量％のＡｌ、最大約５％のＦｅ、約１．０重量％以下のＣｏ、約０．５重量％以下のＭｎ、約０．５重量％以下のＳｉ、約０．１重量％以下のＣ、約０．００５重量％以下のＢ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む合金組成物を含む、概してＡｌｌｏｙ  ６２５を包含する、Ｎｉ基超合金組成物である。
【００３２】
別の実施形態では、超合金組成物は、約２０．０〜２３．０重量％のＣｒ、約８．０〜１０．０重量％のＭｏ、約３．１５〜４．１５重量％のＮｂもしくはＴａ又はそれらの組合せ、約０．２〜０．４重量％のＴｉ、約０．２〜０．４重量％のＡｌ、最大約５％のＦｅ、約１．０重量％以下のＣｏ、約０．５重量％以下のＭｎ、約０．５重量％以下のＳｉ、約０．１重量％以下のＣ、約０．００５重量％以下のＢ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、Ｎｉ基超合金組成物である。
【００３３】
さらに別の実施形態では、超合金組成物は、約２０．５〜２２．０重量％のＣｒ、約８．５〜９．５重量％のＭｏ、約３．３０〜４．０重量％のＮｂもしくはＴａ又はそれらの組合せ、約０．２〜０．４重量％のＴｉ、約０．１５〜０．３０重量％のＡｌ、約２．０〜４．０重量％のＦｅ、約１．０重量％以下のＣｏ、約０．２重量％以下のＭｎ、約０．１５重量％以下のＳｉ、約０．０１％から約０．０３５％のＣ、約０．００５重量％以下のＢ、残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、Ｎｉ基超合金組成物である。
【００３４】
一実施形態では、超合金組成物は、約１７．０〜２７．０重量％のＣｒ、約８．０〜１８．０重量％のＣｏ、約６．０〜１２．０重量％のＭｏ、約０．１〜０．６重量％のＴｉ、約０．５〜２．０重量％のＡｌ、最大約３％のＦｅ、約０．６重量％以下のＭｎ、約０．６重量％以下のＳｉ、約０．０２〜０．１５重量％のＣ、約０．５重量％以下のＣｕ、約０．００６重量％以下のＢ残部のＮｉ及び不可避不純物を含む合金組成物を含む、概してＡｌｌｏｙ  ６１７を包含する、Ｎｉ基超合金組成物である。
【００３５】
別の実施形態では、超合金組成物は、約２０．０〜２４．０重量％のＣｒ、約１０．０〜１５．０重量％のＣｏ、約８．０〜１０．０重量％のＭｏ、約０．１〜０．６重量％のＴｉ、約０．８〜１．５重量％のＡｌ、最大約２％のＦｅ、約０．５重量％以下のＭｎ、約０．５重量％以下のＳｉ、約０．０２〜０．１５重量％のＣ、約０．５重量％以下のＣｕ、約０．００６重量％以下のＢ残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、Ｎｉ基超合金組成物である。
【００３６】
さらに別の実施形態では、超合金組成物は、約２１．０〜２３．０重量％のＣｒ、約１２．０〜１３．０重量％のＣｏ、約８．５〜９．５重量％のＭｏ、約０．２〜０．４重量％のＴｉ、約１．１〜１．３重量％のＡｌ、最大約１％のＦｅ、約０．２０重量％以下のＭｎ、約０．１５重量％以下のＳｉ、約０．０２〜０．０８重量％のＣ、約０．２重量％以下のＣｕ、約０．００６重量％以下のＢ残部のＮｉ及び不可避不純物を含む、Ｎｉ基超合金組成物である。
【００３７】
遠心鋳造の使用は、従来の鋳造方法を使用して達成可能と思われる結晶粒度よりも小さい結晶粒度を有する鋳造超合金大容量製品の達成を可能にすると見込まれ、こうした製品の有用性に著しく貢献する。例えば、これらの製品において、遠心鋳造は、例えば高度な超臨界蒸気タービン用途における使用に好適でない可能性がある物理的及び機械的特性を提供する、従来の鋳造方法を使用して達成可能な約００のＡＳＴＭ結晶粒度とは対照的に、高度な超臨界蒸気タービン用途における使用に好適な物理的及び機械的特性を提供する約４のＡＳＴＭ結晶粒度を達成するために使用され得る。換言すれば、遠心鋳造は、本明細書で開示する超合金の結晶粒度の、ＡＳＴＭ結晶粒度で約４〜６の低減を提供する。この低減は、疲労挙動に有益である。
【００３８】
本明細書で開示する鋳造超合金大容量製品により、高度な超々臨界蒸気タービンを開発することができる。超々臨界蒸気タービンは、現在、約１１５０°Ｆ及び３７７０ｐｓｉの入口蒸気条件を使用している。本明細書で開示する鋳造超合金大容量製品の使用により、本明細書に記載のように、約１２００°Ｆ以上及び約１５００ｐｓｉ以上の作動圧力という、より高い入口蒸気条件が可能となる。
【００３９】
本明細書において、単数形で記載したものであっても、数を限定するものではなく、そのものが少なくとも１つ存在することを意味する。数量に用いられる「約」という修飾語は、記載の数値を含み、文脈毎に決まる意味をもつ（例えば、特定の数量の測定に付随する誤差範囲を含む）。別途記載しない限り、本明細書に開示した組成範囲はすべてその上下限を含み、独立に結合可能である（例えば、「約２５重量％以下、具体的には約５〜約２０重量％、さらに具体的には約１０〜約１５重量％」という範囲は、これらの範囲の上下限とこれらの範囲内のすべての中間値、例えば「約５〜約２５重量％、約５〜約１５重量％」を含む）。合金組成物の成分に関して用いられる「約」は、記載されたすべての成分及び範囲に関して、上下限に適用される。本明細書で用いる技術用語及び科学用語は、別途定義しない限り、本発明の属する技術分野の技術者によって通常理解されている意味をもつ。本明細書を通して、「一実施形態」又は「実施形態」という場合、その実施形態に関して記載された特定の構成要素（特徴、構造及び／又は特性など）が、本明細書に記載された少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味し、他の実施形態には存在していても、存在していなくてもよい。
【００４０】
本明細書に記載された合金組成物に関して用いる「含む」は、その合金組成物が、明示された成分「から基本的になる」（つまり、明示された成分を含んでいて、開示した基本的及び新規な特徴に悪影響を与える他の成分を含んでいない）実施形態、並びに明示された成分「からなる」（つまり、不可避不純物以外は、明示された成分しか含んでいない）実施形態を意味し、包含する。
【００４１】
限られた数の実施形態に関して本発明を詳しく説明してきたが、本発明がこれらの開示された実施形態に限定されないことは明らかであろう。本発明には、本明細書に記載されていない数多くの変更、修正、置換又は均等な構成を組み込むことができ、これらは本発明の技術的思想及び技術的範囲に属する。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様によっては、その一部しか含んでいないこともある。したがって、本発明は、以上の記載によって限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲にしか限定されない。
【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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