(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低合金鋼製のタービンロータの高応力が腐食環境下で繰り返し作用する部位の表面に、７．５〜９．５重量％の燐を含有する無電解ニッケルメッキ層を、１０〜３０μｍの厚さで形成させてなることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐低サイクル腐食疲労性に優れた低合金鋼製の蒸気タービンロータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンロータは通常、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼などの低合金鋼で製造され、コーティング等の表面処理を施すことなく、機械加工仕上げのままで使用されている。
また、スクリュー式ポンプにおいては耐食、耐摩耗性付与を目的としてロータ表面に厚さ５０μｍ以下の無電解ニッケルメッキの施工が行われている（特開平２−１０８８８５号公報、特開平３−２９００８６号公報など）。
蒸気タービンの作動流体である湿り蒸気は一般的に腐食性を有している。このような腐食性環境下で低合金製タービンロータを長期間使用すると、タービンの起動、停止による遠心力変化やタービン翼の振動に起因する繰り返し荷重により翼取付け溝部や圧力バランス穴部等の高応力の繰り返しを受ける部位では、腐食疲労（低サイクル腐食疲労）が発生し、タービンロータの健全性が損なわれるという不具合が生じる。
【０００３】
蒸気タービンロータに耐食、耐摩耗性付与の目的でコーティングを施す場合、蒸気タービンロータのコーティングには数十年間の長期間使用に耐えること、蒸気タービンの加工公差は１／１００ｍｍのオーダの精度なのでコーティング厚さの精度としては１／１０００ｍｍのオーダで誤差のないこと、腐食環境下での高応力の繰り返しに耐えることなどの厳しい要求を満たすことが必要で、また、コストへの影響も大きいことなどから、適当なコーティング方法は見出されていなかった。すなわち、従来の耐食、耐摩耗コーティングが施工される部品は、大きな応力が作用しない容器、軸などであり、この場合はコーティング層が密着していれば十分機能を発揮する。しかしながら、本発明が対象とする蒸気タービンロータでは大きな歪みが繰り返されるために、従来のコーティングでは破損したり、少数回の繰り返しにしか耐えられず、使用できなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような従来技術の実状に鑑み、腐食性環境下で使用される蒸気タービンロータの高応力が繰り返し作用する部位に容易に施工が可能で、腐食性環境下で高応力が繰り返し作用した場合に生じる腐食疲労（低サイクル腐食疲労）に対して優れた耐性を有するコーティング被膜が形成された蒸気タービンロータを提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは前記目的を達成するため、蒸気タービンロータへのコーティング被膜の形成について鋭意検討を進め、燐含有量を適切に制御した無電解ニッケルメッキが、低サイクル腐食疲労に対して優れた耐性を示すことを見出し、本発明を完成した。
【０００６】
すなわち、本発明は低合金鋼製のタービンロータの高応力が腐食環境下で繰り返し作用する部位の表面に、７．５〜９．５重量％の燐を含有する無電解ニッケルメッキ層を、１０〜３０μｍの厚さで形成させてなることを特徴とする蒸気タービンロータである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の蒸気タービンロータは３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼などの低合金鋼製のタービンロータの高応力が腐食環境下で繰り返し作用する部位の表面に、燐の含有量を７．５〜９．５重量％の範囲に制御した無電解ニッケルメッキ層を、１０〜３０μｍの厚さで形成させたものである。前記無電解ニッケルメッキはタービンロータの翼取付溝など高応力が腐食環境下で繰り返し作用する部位に施工すればよいが、条件によってはタービンロータ表面全体に施工してもよいことはもちろんである。
【０００８】
ニッケルメッキは燐含有量によって耐低サイクル腐食疲労特性が変化するので、高応力部位に適用するには適切な燐含有量範囲に制御する必要がある。無電解ニッケルメッキ層中の燐の含有量が前記範囲を外れると耐疲労特性が悪くなり、少数回の繰り返しでメッキ層に割れが発生し耐食効果を失うので好ましくない。
【０００９】
無電解ニッケルメッキ層の厚さが１０μｍ未満では耐低サイクル腐食疲労性の付与効果が十分でなく、また、３０μｍを超えるとメッキ層と基材間の密着力が弱くなり、剥離しやすくなるので好ましくない。
【００１０】
次に本発明の蒸気タービンロータについて図面を用いて説明する。図１は本発明の蒸気タービンロータの１実施態様であるタンジェンシャルエントリ式と呼ばれる翼取付構造のタービンロータの翼取付溝に燐含有無電解ニッケルメッキを施した例を示す説明図であり、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部拡大図、図１（ｃ）は無電解ニッケルメッキを施した翼溝の状態を示す断面図である。この例ではタービンロータ１の外周に円周方向にＴルートと呼ばれる翼溝２が連続して設けられており、翼３は翼溝２に挿入され、タービンロータの円周方向に順次植え込まれている。
【００１１】
翼溝２の内面に無電解ニッケルメッキ層１０を形成させる施工方法としては図３の説明図にその概要を示すように、ロータ外周にシール４を介して円環状のメッキ溶液槽５を取付ける。所定濃度に調製されたメッキ溶液６はポンプ７によってメッキ溶液槽５に循環させる。メッキを安定に進行させるために、ロータ表面及びメッキ溶液槽５の外表面は温度調節器８を備えたヒータ９により一定温度に保つ構造とする。この方法により、図１（ｃ）に示すように無電解ニッケルメッキ層１０を形成させた蒸気タービンロータが得られる。
【００１２】
前記無電解ニッケルメッキ層を形成させた本発明の蒸気タービンロータは、耐低サイクル腐食疲労性が改善され、高ひずみが繰り返されてもひずみ誘起による腐食溶解の程度が減少し、腐食疲労き裂発生寿命が延長されたものとなっている。
前記のとおり燐含有量５〜１０重量％の無電解ニッケルメッキ自体は防食、耐摩耗用コーティング被膜として従来から使用されているが、その中でも燐含有量を７．５〜９．５重量％の範囲に調製したものは高応力が１０4回のオーダで繰り返される部位における低サイクル腐食疲労に耐える被膜として使用できることは知られていなかった。
【００１３】
【実施例】
以下実施例により本発明の効果を実証する。
（実施例）
低合金素材で作製した試験片表面に燐含有量を変えた無電解ニッケルメッキ層を形成させ、蒸気タービン作動環境を模擬した模擬環境水中で低サイクル腐食疲労寿命測定試験を行った。
使用した試験片は図４に示す形状、寸法（図中の数値の単位はｍｍ）の３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼（組成は重量％でＮｉ：３．５％、Ｃｒ：１．８％、Ｍｏ：０．３％、Ｖ：０．１％）からなる試験片であり、これに燐含有量をメッキ層中における燐含有量がそれぞれ２、６及び８重量％となるように調製したメッキ液（主成分は硫酸ニッケル、次亜燐酸ソーダ、アルキルヒドロキシカルボン酸等）を使用して厚さ２０μｍの無電解ニッケルメッキ層を形成させた。これらの試験片及び比較のため無電解ニッケルメッキ層を形成させていない低合金鋼素材ままの試験片を使用して試験を行った。
【００１４】
試験方法は次のとおりである。先ず、これらの試験片を疲労試験装置に取付け、試験片に環境チャンバを取付けてチャンバ内に環境水（温度１３０℃の純水）をポンプにより１００ミリリットル／ｍｉｎの流量で送り試験片に接液させた。その状態で試験片に片振り繰り返し曲げ荷重を、切欠き底ひずみ速度０．０１４％／ｍｉｎの三角波状波形で連続して与え、試験片に深さ０．５ｍｍのき裂が発生するまで継続した。
【００１５】
試験片に負荷したひずみ範囲と、き裂発生繰り返し数との関係を図２に示す。図２においてき裂発生繰り返し数が大きいことは長寿命であること、すなわち、耐低サイクル腐食性に優れていることを示す。図２の結果は、燐含有量２重量％及び６重量％のものは、低合金鋼素材そのままのものに比較して僅かに長寿命となっているがその効果は小さいのに対し、燐含有量が８重量％と高燐含有無電解ニッケルメッキ層を形成させたものが著しく長寿命になることを示している。
【００１６】
以上の試験結果から、低合金鋼製のタービンロータの高応力が繰り返し作用する部位の表面に高燐含有電解ニッケルメッキ層を形成させることにより、耐低サイクル腐食疲労性を著しく向上させ得ることがわかる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の低合金鋼製のタービンロータの高応力が腐食環境下で繰り返し作用する部位の表面に、７．５〜９．５重量％の燐を含有する無電解ニッケルメッキ層を、１０〜３０μｍの厚さで形成させた蒸気タービンロータは、腐食環境下で高応力が繰り返し作用した場合に生じる腐食疲労（低サイクル腐食疲労）に対して優れた耐性を有しており、蒸気タービンロータの長寿命化が可能となった。また、前記無電解ニッケルメッキ層は、蒸気タービンロータの高応力が腐食環境下で繰り返し作用する部位に容易に施工が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蒸気タービンロータの１実施態様を示す説明図。
【図２】実施例における試験片に負荷したひずみ範囲と、き裂発生繰り返し数との関係を示す図。
【図３】本発明の蒸気タービンロータに無電解ニッケルメッキ層を形成させる施工方法の１例を示す説明図。
【図４】実施例で使用した試験片の形状、大きさを示す説明図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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