(57)【要約】【課題】被加工物の表面で亀裂が発生しやすい方向に圧縮の高い残留応力を確実に付与することができるピーニング処理方法およびタービンロータホイールを提供する。【解決手段】ピーニング処理法は、被加工物と同材料の試験体を準備する準備ステップＳ１０と、試験体に対して、第１の走査方向とこの方向に直交する第２の走査方向のレーザ照射密度の比率を変えてレーザピーニングを実施する第１ピーニングステップＳ１１と、レーザ照射密度の各比率に対応する圧縮残留応力を第１の走査方向及び第２の走査方向のそれぞれ評価する評価ステップＳ１２と、第１の走査と第２の走査方向の残留応力の比率が０．３から０．７となるレーザ照射密度の比率を抽出する抽出ステップＳ１３と、被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向を第２の走査方向に設定して、抽出したレーザ照射密度の比率でレーザピーニングを実施する第２ピーニングステップＳ１４と、を含むことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザピーニングにより被加工物の表面に圧縮の残留応力を付与するピーニング処理方法であって、
前記被加工物と同材料の試験体を準備する準備ステップと、
前記試験体に対して、第１の走査方向とこの方向に直交する第２の走査方向のレーザ照射密度の比率を変えて前記レーザピーニングを実施する第１ピーニングステップと、
前記レーザ照射密度の各比率に対応する圧縮残留応力を前記第１の走査方向及び前記第２の走査方向のそれぞれ評価する評価ステップと、
前記第１の走査と前記第２の走査方向の残留応力の比率が０．３から０．７となる前記レーザ照射密度の比率を抽出する抽出ステップと、
前記被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向を前記第２の走査方向に設定して、抽出した前記レーザ照射密度の比率で前記レーザピーニングを実施する第２ピーニングステップと、を含むことを特徴とするピーニング処理方法。
【請求項２】
ショットピーニングにより被加工物の表面に圧縮の残留応力を付与するピーニング処理方法であって、
前記被加工物と同材料の試験体を準備する準備ステップと、
前記試験体に対して、第１の噴射方向とこの方向に直交する第２の噴射方向のショット噴射密度の比率を変えて前記ショットピーニングを実施する第１ピーニングステップと、
前記ショット噴射密度の各比率に対応する圧縮残留応力を前記第１の噴射方向及び前記第２の噴射方向のそれぞれ評価する評価ステップと、
前記第１の噴射方向と前記第２の噴射方向の残留応力の比率が０．３から０．７となる前記ショット噴射密度の比率を抽出する評価ステップと、
前記被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向を前記第２の噴射方向に設定して、抽出した前記ショット噴射密度の比率で前記ショットピーニングを実施する第２ピーニングステップと、を含むことを特徴とするピーニング処理方法。
【請求項３】
前記ショットピーニングは、直径が０．１ｍｍ以下の鋼球を用いて実施することを特徴とする請求項２に記載のピーニング処理方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項記載のピーニング処理方法を、タービンロータホイールの周方向に配設されガスタービンの動翼が接続されるクリスマス状の植込み部の下部に形成された冷却口の角部分表面に施されていることを特徴とするタービンロータホイール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、被加工物の表面に対して圧縮の残留応力を付与するピーニング処理方法およびその処理方法を適用したタービンロータホイールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、火力プラント、原子力プラントなどの産業プラントで用いられる構造物や機器の疲労強度向上や応力腐食割れの発生を予防する方法として、被加工物の表面を塑性変形させて圧縮の残留応力を付与するピーニング処理が広く知られている。このピーニング処理の代表的なものとして、ショットピーニングやレーザピーニングがある。
【０００３】
ショットピーニングとは、金属またはセラミック等の硬球（ショット）を高速で被加工物の表面に衝突させ、この被加工物の表面に圧縮応力が残存する圧縮応力部を形成することで、被加工物の表面の硬化、及び耐摩耗性の向上を図る技術である（例えば、特許文献１）。
【０００４】
一方、硬球の代わりにレーザビームを用いるレーザピーニング処理は、レーザビームの照射によって被加工物の表面に高圧のプラズマを発生させ、このプラズマが膨張する際の反作用によって被加工物の表面に圧縮応力部を形成する。
【０００５】
このレーザピーニング処理では、圧縮応力部を被加工物のより深い部分にまで形成することが可能であるため、ショットピーニング処理以上に被加工物の表面の硬化、及び耐摩耗性の向上が期待できる（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１７４４２２号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１５８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、火力プラント、原子力プラントなどでは高温環境下で使用される機器も多く、例えば図１１に示すタービンの出力に影響を与える機器であるタービンロータホイール１０がある。
【０００８】
このタービンロータホイール１０は、ホイールの周方向にクリスマス状の植込み部１１が配設されており、この植込み部１１にガスタービンの動翼（図示省略）が接続される。
ガスタービンはその出力により異なるものの運転中に約１３００℃まで温度が上昇する。このため、植込み部１１の下部に冷却孔１２が設けられており、この冷却口１２から冷却用ガスをガスタービンの動翼方向に導出することで、運転中のガスタービン動翼の内部が冷却される。
【０００９】
この冷却孔１２は、角部分が丸く加工されてはいるが、角部分の表面は形状不連続であるため、部分的に応力が高くなる応力集中現象が生じる。このため、結晶粒界の応力腐食酸化現象に起因するホールドタイムクラッキング（Ｈｏｌｄ  Ｔｉｍｅ  Ｃｒａｃｋｉｎｇ）といわれる亀裂が深さ方向に発生するおそれがある。図１１（Ｂ）は、冷却孔１２で亀裂が発生した場合の一例を示すものである。
【００１０】
冷却孔１２での亀裂を防止あるいは発生時期を遅らせるためには、圧縮の高い残留応力を冷却孔の応力集中部に付与することが必要となるが、残留応力は温度による機械的特性の変化により低下するため、高温環境で使用される冷却口１２などの機器には、亀裂が発生しやすい方向に圧縮の残留応力を確実に付与する必要がある。
【００１１】
従来のピーニング処理方法は、高温環境や残留応力が負荷される環境を考慮するのものでは無く、亀裂が発生しやすい方向に圧縮の残留応力を高い精度で付与するものでは無かった。
【００１２】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、被加工物の表面で亀裂が発生しやすい方向に圧縮の高い残留応力を確実に付与することができるピーニング処理方法およびタービンロータホイール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】
【００１３】
本発明の実施形態に係るピーニング処理方法において、レーザピーニングにより被加工物の表面に圧縮の残留応力を付与するピーニング処理方法であって、前記被加工物と同材料の試験体を準備する準備ステップと、前記試験体に対して、第１の走査方向とこの方向に直交する第２の走査方向のレーザ照射密度の比率を変えて前記レーザピーニングを実施する第１ピーニングステップと、前記レーザ照射密度の各比率に対応する圧縮残留応力を前記第１の走査方向及び前記第２の走査方向のそれぞれ評価する評価ステップと、前記第１の走査と前記第２の走査方向の残留応力の比率が０．３から０．７となる前記レーザ照射密度の比率を抽出する抽出ステップと、前記被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向を前記第２の走査方向に設定して、抽出した前記レーザ照射密度の比率で前記レーザピーニングを実施する第２ピーニングステップと、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明の実施形態に係るピーニング処理方法において、ショットピーニングにより被加工物の表面に圧縮の残留応力を付与するピーニング処理方法であって、前記被加工物と同材料の試験体を準備する準備ステップと、前記試験体に対して、第１の噴射方向とこの方向に直交する第２の噴射方向とのショット噴射密度の比率を変えて前記ショットピーニングを実施する第１ピーニングステップと、前記ショット噴射密度の各比率に対応する圧縮残留応力を前記第１の噴射方向及び前記第２の噴射方向のそれぞれ評価する評価ステップと、前記第１の噴射方向と前記第２の噴射方向の残留応力の比率が０．３から０．７となる前記ショット噴射密度の比率を抽出する評価ステップと、前記被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向を前記第２の噴射方向に設定して、抽出した前記ショット噴射密度の比率で前記ショットピーニングを実施する第２ピーニングステップと、を含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明の実施形態に係るタービンロータホイールは、上記ピーニング処理方法を、タービンロータホイールの周方向に配設されガスタービンの動翼が接続されるクリスマス状の植込み部の下部に形成された冷却口の角部分の表面に施されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の実施形態により、被加工物の表面で亀裂が発生しやすい方向に圧縮の高い残留応力を確実に付与することができるピーニング処理方法およびタービンロータホイールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係るピーニング処理方法のフローチャート。
【図２】（Ａ）はブロック状の試験体を示す図、（Ｂ）は試験体のレーザ照射面を示す説明図、（Ｃ）はレーザの走査の一例を示す説明図。
【図３】レーザピーニングにより付与されるｘ方向とｙ方向それぞれの表面残留応力を示すグラフ。
【図４】レーザピーニングにより付与されるｘ方向とｙ方向の表面残留応力の比率と、相当応力に対するｙ方向の残留応力の比率との関係を示すグラフ。
【図５】ｘ方向とｙ方向のレーザ照射密度の比率と、ｘ方向とｙ方向の表面残留応力の比率との関係を示すグラフ。
【図６】（Ａ）は本実施形態に係るピーニング処理方法をタービンロータホイールの冷却孔に適用した場合を示す説明図、（Ｂ）は図６（Ａ）のＡ方向からの矢視図。
【図７】（Ａ）は本実施形態に係るピーニング処理方法を原子炉炉内構造物の配管の溶接部に適用した場合を示す説明図、（Ｂ）は溶接部の部分拡大図。
【図８】試験体に本実施形態に係るレーザピーニング処理をした場合に、加熱処理前後の表面残留応力の時間推移を示す試験結果。
【図９】温度を上昇させた場合の表面残留応力（相当応力）と弾性限度との関係を示すグラフ。
【図１０】図８に示す試験結果に、計算式により導出される加熱処理後の残留応力の予測結果を外挿したグラフ。
【図１１】（Ａ）はタービンロータホイールを示す概略図、（Ｂ）はタービンロータホイールの冷却孔で亀裂が発生した場合を示す部分拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
本実施形態に係るピーニング処理方法は、レーザピーニングを用いて、例えばタービンロータホイールや炉内構造物の配管といった火力、原子力プラントなどの産業プラントで使用される各種機器の表面に対して圧縮の残留応力を付与する被加工物の表面改質方法である。
【００１９】
図１は、本実施形態に係るピーニング処理方法のフローチャートを示している。なお、以下では、レーザビームの第１の走査方向をｘ方向とし、この第１の方向に直交する第２の走査方向をｙ方向と規定して説明を行う。このｘ方向は、ピーニングの処理対象となる被加工物に対して任意に設定される。
【００２０】
準備ステップＳ１０では、被加工物と同材料で作製された試験体が複数準備される。被加工物となるタービンロータホイールや原子炉炉内構造物は、主にオールステナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金などで構成されているため、試験体はこれらの材料と同一の材料で作製される。図２（Ａ）は、作製されたブロック状の試験体の１つを例示したものである。
【００２１】
第１ピーニングステップＳ１１では、準備した試験体に対して、ｘ方向とｙ方向の２つの走査方向でレーザピーニングが実施される。なお、ｘ方向は、試験体に対して任意に設定される。
【００２２】
レーザピーニングは、試験体の表面に水がある状態で、直径が１ｍｍ以下のパルスレーザを照射する。このレーザの照射により、蒸発した金属の膨張が水に妨げられることにより金属の表面に衝撃力が働いて表面に圧縮方向の残留応力が付与される。
【００２３】
なお、使用するレーザとして、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ基本波や波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザを基本波長の１／２にした高調波が適用できる。また、レーザビームのピークパワーは、照射対象の表面において例えば１〜数１０ＧＷ／ｃｍ２となるように設定する。
【００２４】
図２（Ｂ）は、ｘ方向とｙ方向の２つの走査方向で試験体の表面にレーザピーニングを実施する場合のレーザ照射面を示す図であり、図２（Ｃ）は、走査されるレーザビームの一例を示している。図２（Ｃ）に示されるように、ｘ方向とｙ方向の２つの走査方向を交互に変更させて、レーザビームが試験体の表面に照射される。
【００２５】
第１ピーニングステップＳ１１では、レーザ照射面積を固定して、ｘ方向のレーザ照射密度とｙ方向のレーザ照射密度との比率を変えて、試験体のそれぞれにレーザピーニングが実施される。これにより、２方向のレーザ照射密度の比率が変更されてレーザピーニングされた複数の試験体が作製される。なお、レーザ照射密度は、例えば単位面積当たりのパルスレーザの照射数で求められる。
【００２６】
評価ステップＳ１２では、作製された試験体を用いて、レーザ照射密度の各比率に対応する圧縮残留応力がｘ方向及びｙ方向のそれぞれについて評価される。試験体の表面における２方向の残留応力は、Ｘ線回折法により測定される。
【００２７】
図３は、試験体にレーザピーニング処理後、表面の残留応力をＸ線回折法で測定した場合の一例を示している。図３に示されるように、２つの走査方向によりレーザピーニングを行った場合、ｘ方向とｙ方向における残留応力は異なる応力値となる。
【００２８】
なお、図３では、比較例としてショットピーニングにおける残留応力が示されている。ショットピーニングは、多数の鋼球を材料表面に打ち付けて被加工物の表面に圧縮残留応力を付与する処理であり、通常、処理面上におけるｘ方向とｙ方向の残留応力はほぼ同じ値となる。
【００２９】
ここで、ｘ方向とｙ方向との残留応力が方向により異なる場合、次式（１）に示す相当応力σｅｑとして応力値を評価することができる。σｘはｘ方向の残留応力を示しており、σｙはｙ方向の残留応力を示している。なお、ショットピーニングのように、ｘ方向の残留応力とｙ方向の残留応力が同じ場合には、相当応力はｘ方向及びｙ方向の残留応力に等しくなる。
【００３０】
【数１】
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【００３１】
図４は、上述の式（１）に基づいて計算された、レーザピーニングにより付与されるｘ方向の残留応力σｘとｙ方向の残留応力σｙとの残留応力の比率と、相当応力σｅｑに対するｙ方向の残留応力σｙの比率を示すグラフである。
【００３２】
図４に示されるように、ｘ方向の残留応力σｘとｙ方向の残留応力σｙの比率σｘ／σｙが０．５のときに、相当応力σｅｑに対するｙ方向の残留応力σｙは最小となる。つまり、相当応力σｅｑで応力の変化が決定されるため、σｘ／σｙが０．５のときに、ｙ方向における圧縮方向の残留応力σｙが最大となる。したがって、σｘ／σｙが０．５となるレーザ照射密度の比率で被加工物にレーザピーニングを行った場合、ｙ方向における圧縮の残留応力σｙは最大となる。
【００３３】
抽出ステップＳ１３では、評価ステップＳ１２におけるレーザ照射密度の各比率に対応する圧縮残留応力の評価結果から、ｘ方向とｙ向の残留応力における比率が０．５となるレーザ照射密度の比率が抽出される。なお、最大の効果はσｘ／σｙが０．５となるレーザ照射密度の比率ではあるが図４から判るように０．３から０．７であれば一定の効果が得られることが認められる。
【００３４】
図５は、ｘ方向とｙ方向のレーザ照射密度の比率と、ｘ方向とｙ方向の表面残留応力の比率との関係を評価したグラフである。この評価結果から、ｘ方向とｙ向の残留応力における比率が０．５となるレーザ照射密度の比率Ａを抽出することができる。
【００３５】
そして、第２ピーニングステップＳ１４では、実際の被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向をｙ方向に設定して、抽出したレーザ照射密度の比率でレーザピーニングを実施する。
【００３６】
図６（Ａ）は、タービンロータホイール１０（図１１参照）の冷却孔１２に本実施形態に係るピーニング処理を行う場合を示す図である。図６（Ｂ）は、Ａ方向からの矢視図を示している。
【００３７】
応力集中する冷却孔１２の角部で、亀裂が想定される方向をｙ方向に設定して、抽出ステップＳ１３で抽出したレーザ照射密度の比率でレーザピーニングを実施する。これにより、亀裂が想定される方向に圧縮の高い残留応力が確実に付与される。
【００３８】
図７（Ａ）は、炉内構造物の配管１３の溶接部１４に本実施形態に係るピーニング処理を行う場合を示す図である。図７（Ｂ）は、溶接部１４の部分拡大図を示している
【００３９】
配管１３では、溶接部１４に沿って溶接の熱の影響を受ける部位が生じて、配管１３の軸方向に沿って応力腐食割れの発生するおそれがある。
【００４０】
応力腐食割れが想定される部位において、割れが想定される方向をｙ方向に設定して、抽出ステップＳ１３で抽出したレーザ照射密度の比率でレーザピーニングを実施する。これにより、応力腐食割れが想定される方向に圧縮の高い残留応力が確実に付与される。
【００４１】
図８は、ブロック状の試験体に本実施形態に係るレーザピーニングをした場合に、加熱処理前後における表面残留応力の時間推移を示す試験結果である。なお、図８では、ショットピーニングをした場合に、加熱処理前後における表面残留応力の時間推移を比較例として示している。
【００４２】
レーザピーニングでは、ｘ方向の残留応力σｘとｙ方向の残留応力σｙは異なる値となり、加熱前（時間０の位置）でｙ方向の残留応力σｙが良好な圧縮値を示しており、加熱後においても高い残留応力が残存していることがわかる。一方、ショットピーニングでは、ｘ方向の残留応力σｘとｙ方向の残留応力σｙはほぼ同じとなり、加熱後に両方向ともに圧縮の残留応力は減少する。
【００４３】
このように、ｘ方向とｙ方向の２つの方向によりピーニング評価を行い、ｙ方向で圧縮の残留応力が高くなるレーザの照射密度の比率を予め評価する。そして、被加工物の亀裂の発生するおそれのある方向（亀裂の過去データによって求められた方向または解析によって求められた亀裂の発生するおそれのある方向）をｙ方向に設定して、評価したレーザの照射密度でピーニング処理を行うことで、圧縮の高い残留応力を確実に付与することができる。
【００４４】
なお、ショットピーニングにおいても、被加工物に噴射するショットの噴射密度をｘ方向とｙ方向のそれぞれで調整して、レーザピーニングと同様にｙ方向における圧縮残留応力が高くなるショットの噴射密度の比率を予め評価することで、上述のレーザピーニングと同様の効果を奏することが可能となる。
【００４５】
具体的には、試験体に対して、ｘ方向とｙ方向のショット噴射密度の比率を変化させてショットピーニングを実施する。そして、ｘ方向とｙ方向の残留応力における比率が０．５となるショット噴射密度の比率を抽出する。そして。実際の被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向をｙ方向に設定して、抽出した噴射密度の比率でショットピーニングを実施する。なお、ショットとしては、直径が０．１ｍｍ以下の鋼球を用いることが望ましい。
【００４６】
続けて、高温環境下において、加熱処理前後での残留応力の変化を予測する方法について検討する。
【００４７】
図９は、熱処理の温度を上昇させた場合における、表面残留応力とその温度に対する弾性限度（図中実線）を比較したグラフである。レーザピーニングにおける表面残留応力は、相当応力σｅｑで示している。
【００４８】
図９に示されるように、レーザピーニングにおける相当応力σｅｑは弾性限度に近い値となっている。つまり、加熱処理前後での残留応力の変化はその温度に対する弾性限度に基づいて予測が可能なことを示している。
【００４９】
さらに、加熱処理後の残留応力の時間変化を予め計算する方法について説明する。
時間に依存するひずみであるクリープひずみεｃの変化を表す式は、単位時間のクリープひずみの変化量ｄεｃ／ｄｔが残留応力σ（相当応力）と時間ｔに依存する下記の式（２）で表される。なお、式（２）の定数ｎ、ｍ、及びＡは、被加工物と同一材料の試験体を用いて、この試験体における実際のクリープひずみの時間変化に基づいて導出しておく。
【００５０】
ｄεｃ／ｄｔ＝Ａσｎｔｍ    ・・・式（２）
【００５１】
この式から、残留応力の大きさを決定する弾性ひずみεｅの減少とクリープひずみεｃの増加が等しいとして、下記の式（３）を導出する。さらに、時間で積分して残留応力の変化を計算する。なお、レーザピーニングでは、ｘ方向の残留応力σｘとｙ方向の残留応力σｙの比が熱処理前後で変わらないと仮定する。Ｅはヤング率である。
【００５２】
ｄσ／ｄｔ＝Ｅｄεｅ／ｄｔ＝−Ｅｄεｃ／ｄｔ＝−ＥＡσｎｔｍ    ・・・式（３）
【００５３】
図１０は、図８に示す試験結果に、計算式により導出される加熱後の残留応力の時間変化を示す予測結果（図中点線）を外挿したグラフである。図１０に示されるように、加熱処理後の残留応力の時間変化をおおよそ予測できることが分かる。このように、高温環境下における圧縮応力の時間変化を予測することで、機器の取替などの保全作業に役立てることができる。
【００５４】
以上述べた本実施形態のピーニング処理によれば、ｘ方向とｙ方向の２つの方向によりピーニング評価を行い、ｙ方向で圧縮の残留応力が高くなるレーザの照射密度の比率を予め評価する。そして、被加工物の亀裂の発生するおそれのある方向をｙ方向に設定して、評価したレーザの照射密度でピーニング処理を行うことで、圧縮の高い残留応力を確実に付与することができる。
【００５５】
さらに上述したピーニング処理方法を、一例として背景技術で説明したタービンロータホイールの周方向に配設されガスタービンの動翼が接続されるクリスマス状の植込み部の下部に形成された冷却口の角部分深さ方向表面のピーニング処理に採用すれば上述したピーニング処理方法で説明した作用効果を確実に得ることが出来る。
【００５６】
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】
【００５７】
１０…タービンロータホイール、１１…植込み部、１２…冷却孔、１３…配管、１４…溶接部。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図７】
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