-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen von Vergütungsbedingungen eines betreffenden Materials und ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln mittels des Verfahrens zur Einstellung von Vergütungsbedingungen. Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2012-183103 , die am 22. August 2012 in Japan eingereicht wurde und deren Inhalt hiermit durch Querverweis in den vorliegenden Gegenstand mit einbezogen wird.
-
Stand der Technik
-
Eine erhebliche Verlängerung der Schaufeln in der Niederdruck-Endstufe von Dampfturbinen ist bei der Verbesserung der Wärmeeffizienz wirksam. Da eine belastete Zentrifugalbeanspruchung zunimmt, wenn eine Turbinenschaufel länger wird, wurden in Turbinenschaufeln Materialien mit einer hohen spezifischen Festigkeit verwendet. Als spezifische Materialien von Turbinenschaufeln wurde ausscheidungshärtender Edelstahl SUS630 (17-4PH-Stahl) und dergleichen verwendet. Die Festigkeit dieses ausscheidungshärtenden Edelstahls kann durch einen Vergütungsprozess erhöht werden.
-
Zum Beispiel offenbart das Patentdokument 1 einen ausscheidungshärtenden Edelstahl, in dem die Bestandteile C, Cr, Ni, Mo, Si, Mn, Nb, V, Ti und Al eingestellt wurden. Das Patentdokument 2 offenbart einen ausscheidungshärtenden Edelstahl, in dem die Bestandteile C, Cr, Ni, Mo, Si, Mn, P, S, N und Al eingestellt wurden.
-
Dokumente des Standes der Technik
-
Patentdokumente
-
- Patentdokument 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2011-225913A
- Patentdokument 2: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2005-194626A
-
Kurzdarstellung der Erfindung
-
Technisches Problem
-
Die Festigkeit von ausscheidungshärtendem Edelstahl variiert je nach einer Differenz hinsichtlich einer chemischen Zusammensetzung und einer Differenz hinsichtlich einer Vergütungsprozesstemperatur und -zeit erheblich. Da bei Turbinenschaufeln die chemische Zusammensetzung zwischen Fertigungschargen unterschiedlich ist, kann nicht die gleiche Festigkeit erlangt werden, selbst wenn der Vergütungsprozess unter den gleichen Wärmebehandlungsbedingungen ausgeführt wird. Aus diesem Grund können die erforderlichen Festigkeitseigenschaften möglicherweise nicht erfüllt werden. Daher ist es, wie in Patentdokument 1 und Patentdokument 2 beschrieben, schwierig, gewünschte Festigkeitseigenschaften für jede der Turbinenschaufeln nur durch die Ausführung eines Vergütungsprozesses in stabiler Weise zu erlangen.
-
Darüber hinaus kann die Metallstruktur wie eine Kristallkorngröße unter Turbinenschaufeln aus verschiedenen Fertigungschargen variieren. Ferner tritt je nach der Metallstruktur eine Unregelmäßigkeit hinsichtlich der Festigkeit nach dem Vergütungsprozess auf. Turbinenschaufeln, welche die gewünschten Festigkeitseigenschaften nicht durch einen Vergütungsprozess wie oben beschrieben erzielt haben, machen eine weitere Wärmebehandlung erforderlich oder werden entsorgt, was die Fertigungsausbeute nachteilig beeinflusst. Aus diesem Grund wird ein Verfahren zum Einstellen von Vergütungsbedingungen bereitgestellt, durch das gewünschte Eigenschaften erlangt werden, selbst wenn eine chemische Zusammensetzung und Metallstruktur unterschiedlich sind.
-
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben beschriebene Umstände entwickelt, wobei es eine Aufgabe derselben ist, ein Verfahren zum Einstellen von Vergütungsbedingungen, das das Erlangen von gewünschten Festigkeitseigenschaften ermöglicht, selbst wenn eine chemische Zusammensetzung und eine Metallstruktur variieren, und ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln unter Anwendung des Verfahrens zur Einstellung von Vergütungsbedingungen bereitzustellen.
-
Lösung des Problems
-
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren zum Einstellen von Vergütungsbedingungen Folgendes auf: einen Schritt zum Erlangen einer Masterkurve, welche die Beziehung zwischen einem Vergütungsbedingungsparameter und einem Materialfestigkeitsparameter durch Ausführen eines Vergütungsprozesses an einem Standardmaterial angibt; einen Schritt zum Erlangen eines Fitting-Punktes, der den Wert des Materialfestigkeitsparameters eines betreffenden Materials angibt, dessen chemische Bestandteilparameter und/oder Metallstrukturparameter von denjenigen des Standardmaterials abweichen; einen Schritt zum Erlangen einer korrigierten Vergütungskurve durch Korrigieren der Masterkurve derart, dass ein Abschnitt der Masterkurve dem Fitting-Punkt entspricht; und einen Schritt zum Einstellen von Vergütungsbedingungen für das betreffende Material auf Grundlage der korrigierten Vergütungskurve.
-
In dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden eine Masterkurve eines Standardmaterials und ein Fitting-Punkt eines betreffenden Material erlangt, und da ein Abschnitt der Masterkurve mit dem Fitting-Punkt in Übereinstimmung gebracht wurde, wird außerdem eine hochpräzise Vergütungskurve (Vergütungshärtungskurve) des betreffenden Materials erlangt. Da die Konfiguration derart ist, dass die Vergütungsbedingungen des betreffenden Materials basierend auf dieser korrigierten Vergütungskurve eingestellt werden, können die gewünschten Festigkeitseigenschaften durch einen Vergütungsprozess erlangt werden, selbst wenn die chemische Zusammensetzung oder die Metallstruktur zwischen dem Standardmaterial und dem betreffenden Material variiert. Ein Standardmaterial ist ein Material mit einer spezifizierten chemischen Zusammensetzung und Metallstruktur, das zum Erlangen einer Masterkurve verwendet wird. Ein Standardmaterial weist eine chemische Zusammensetzung und Metallstruktur auf, die als Standards für ein betreffendes Material dienen.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Fitting-Punkt auch durch Ausführen eines Vergütungsprozesses an dem betreffenden Material unter vorgeschriebenen Bedingungen und Erfassen des Materialfestigkeitsparameters erlangt werden. Durch eine solche Konfiguration kann ein hochpräziser Fitting-Punkt zuverlässig erlangt werden. Infolgedessen können Vergütungsbedingungen eingestellt werden, die für das betreffende Material optimal sind.
-
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Fitting-Punkt durch Bestimmen der Beziehung zwischen dem chemischen Bestandteilparameter und dem Metallstrukturparameter und dem Materialfestigkeitsparameter und Vorhersagen des Materialfestigkeitsparameters aus Differenzen hinsichtlich des chemischen Bestandteilparameters und des Metallstrukturparameters zwischen dem Standardmaterial und dem betreffenden Material erlangt werden. Durch eine solche Konfiguration kann die Masterkurve basierend auf den Differenzen hinsichtlich des chemischen Bestandteilparameters und des Metallstrukturparameters zwischen dem Standardmaterial und dem betreffenden Material korrigiert werden. Aus diesem Grund kann eine hochpräzise korrigierte Vergütungskurve (Vergütungshärtungskurve) des betreffenden Materials erlangt werden. Ferner können die Vergütungsbedingungen des betreffenden Materials basierend auf dieser korrigierten Vergütungskurve eingestellt werden und die gewünschten Festigkeitseigenschaften können erlangt werden.
-
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Materialfestigkeitsparameter ausgewählt sein aus Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze. Durch eine solche Konfiguration können gewünschte Festigkeitseigenschaften durch einen Vergütungsprozess erlangt werden, da eine präzisere Vergütungskurve problemlos erlangt werden kann.
-
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Vergütungsprozess auch nach dem Schmieden des Standardmaterials und des betreffenden Materials ausgeführt werden. Durch eine solche Konfiguration können die Metallstruktur und die Form eines Schmiedeprodukts geformt werden und die Festigkeitseigenschaften des Schmiedeprodukts bestimmt werden; somit kann die Präzision des Verfahrens zum Einstellen von Vergütungsbedingungen verbessert werden.
-
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wendet das Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln das obige Verfahren zum Einstellen von Vergütungsbedingungen auf Turbinenschaufeln an. Da Turbinenschaufeln in rauen Umfeldern verwendet werden, in denen eine große Zentrifugalbeanspruchung ausgeübt wird, sind eine hohe Festigkeit und stabile Qualität erforderlich. In diesen Turbinenschaufeln können die chemische Zusammensetzung und die Metallstruktur zwischen Fertigungschargen variieren. Aus diesem Grund tritt eine Unregelmäßigkeit hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften zwischen Chargen selbst dann auf, wenn der Vergütungsprozess unter den gleichen Bedingungen ausgeführt wird. In solchen Fällen können gewünschte Festigkeitseigenschaften durch die Herstellung von Turbinenschaufeln unter Anwendung des obigen Verfahrens zum Einstellen von Vergütungsbedingungen in stabiler Weise erlangt werden. Auf diese Weise kann die Herstellungsausbeute verbessert werden und die Herstellungskosten können gesenkt werden.
-
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Turbinenschaufel aus ausscheidungshärtendem Edelstahl konstruiert sein. Ausscheidungshärtender Edelstahl ist Edelstahl mit hoher Festigkeit und hoher Korrosionsbeständigkeit. Durch Konstruieren der Turbinenschaufel aus einem solchen ausscheidungshärtenden Edelstahl kann eine Turbinenschaufel erlangt werden, die selbst rauen Umfeldern standhalten kann. Da ausscheidungshärtender Edelstahl aufgrund von Differenzen hinsichtlich der chemischen Bestandteile und der Metallstruktur ferner auch eine stark variierende Festigkeit aufweist, selbst wenn der Vergütungsprozess unter den gleichen Wärmebehandlungsbedingungen ausgeführt wird, können die gewünschten Festigkeitseigenschaften durch Anwenden des Verfahrens zum Einstellen von Vergütungsbedingungen des obigen Aspekts erlangt werden. Zu spezifischen Beispielen von ausscheidungshärtendem Edelstahl gehören SUS630, der Cu, Nb und Ta und dergleichen enthält.
-
Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der obige chemische Bestandteilparameter der Gesamtgehalt von Kupfer (Cu), Niob (Nb) und Tantal (Ta) sein. SUS630 ist eine Legierung, die durch Ausscheidung von Cu-reichen Präzipitaten und Carbiden durch einen Vergütungsprozess gefestigt wird. Durch Variieren des Gesamtgehalts von Cu, Nb und Ta in SUS630 variiert die Ausscheidungsmenge von Präzipitaten und Carbiden, und die Vergütungshärtungskurve variiert erheblich. Aus diesem Grund kann eine genauere korrigierte Vergütungskurve durch Bestimmen des Gesamtgehalts von Cu, Nb und Ta als chemischem Bestandteilparameter erlangt werden. Die Vergütungsbedingungen können basierend auf einer Vergütungskurve eingestellt werden und die gewünschten Festigkeitseigenschaften können erlangt werden.
-
Gemäß einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Metallstrukturparameter eine Kristallkorngröße und/oder Austenitrestmenge sein. In Turbinenschaufeln, die aus ausscheidungshärtendem Edelstahl wie einer SUS630-Legierung konstruiert sind, können die Kristallkorngröße und Austenitrestmenge zwischen Fertigungschargen variieren. Durch Einstellen des Metallstrukturparameters auf diese Weise kann eine hochpräzise korrigierte Vergütungskurve erlangt werden.
-
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
-
Gemäß den Aspekten der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung können ein Verfahren zum Einstellen von Vergütungsbedingungen, das das Erlangen gewünschter Festigkeitseigenschaften ermöglicht, selbst wenn die chemische Zusammensetzung und Metallstruktur variieren, und ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln unter Anwendung des Verfahrens zum Einstellen von Vergütungsbedingungen bereitgestellt werden.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist ein schematisches erläuterndes Diagramm einer Turbinenschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
2 ist eine Vergütungshärtungskurve, die erlangt wird, wenn SUS630 für unterschiedliche Zeiträume bei 550°C vergütet wird.
-
3 ist eine Vergütungshärtungskurve, die erlangt wird, wenn SUS630 4 Stunden lang bei unterschiedlichen Temperaturen vergütet wird.
-
4 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens zum Einstellen von Vergütungsbedingungen und des Verfahrens zur Herstellung von Turbinenschaufeln gemäß der ersten Ausführungsform.
-
5 ist ein schematisches erläuterndes Diagramm des Verfahrens zum Einstellen von Vergütungsbedingungen gemäß der ersten Ausführungsform.
-
6 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens zum Einstellen von Vergütungsbedingungen und des Verfahrens zur Herstellung von Turbinenschaufeln gemäß einer zweiten Ausführungsform.
-
7 ist ein schematisches erläuterndes Diagramm des Verfahrens zum Einstellen von Vergütungsbedingungen gemäß der zweiten Ausführungsform.
-
Beschreibung von Ausführungsformen
-
(Erste Ausführungsform)
-
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Turbinenschaufel 1 gemäß dieser Ausführungsform, wie in 1 dargestellt, ist mit einer langen Schaufel 11, einer Ummantelung 12, die an dem distalen Ende der langen Schaufel 11 bereitgestellt ist, einer Nase 13, die in dem Mittelabschnitt der langen Schaufel 11 bereitgestellt ist, und einem Schaufelfuß 14 versehen, der an dem proximalen Ende der langen Schaufel 11 bereitgestellt ist. Diese Turbinenschaufel 1 ist eine Rotorschaufel einer Dampfturbine. Die Turbinenschaufel 1 ist derart konfiguriert, dass mehrere Turbinenschaufeln 1 an einem Turbinenrotor (nicht dargestellt) bereitgestellt sind, wobei die Schaufelfüße 14 um die Drehachse des Turbinenrotors eingesetzt sind. Die Ummantelungen 12 und Nasen 13, die an den Turbinenschaufeln 1 bereitgestellt sind, sind in einer Ringform ausgebildet, in der zueinander benachbarte sich zur Bildung konzentrischer Kreise kombinieren. Zum Beispiel sind 50 oder mehr Turbinenschaufeln 1 an einem Turbinenrotor angeordnet.
-
Die Turbinenschaufel 1 ist mit einer großen Zentrifugalbeanspruchung belastet, da sie bei einer Drehzahl von 3000 U/min oder darüber verwendet wird, wenn die Dampfturbine in Betrieb ist. Aus diesem Grund können zum Beispiel SUS410, der ein hochfester 12-Cr-Edelstahl ist, SUS630 (17-4PH-Stahl), der ein ausscheidungshärtender Edelstahl ist, der in Patentdokument 2 beschriebene Stahl oder eine Ti-6Al-4V-Legierung oder dergleichen verwendet werden. In dieser Ausführungsform ist die Turbinenschaufel 1 aus dem ausscheidungshärtenden Edelstahl SUS630 (17-4PH-Stahl) konstruiert.
-
SUS630 ist Edelstahl, der C, Si, Mn, P, S, Cu, Ni, Cr, Nb und Ta enthält, wobei der Rest Fe ist. Dieser SUS630 ist eine ausscheidungshärtende Legierung. SUS630 wird durch Ausscheidung von Cu-reichen Präzipitaten und Carbiden durch einen Vergütungsprozess gefestigt, der nach einer Lösungswärmebehandlung ausgeführt wird.
-
2 ist eine Vergütungshärtungskurve, die nach Ausführen einer Härteprüfung erlangt wurde, nachdem SUS630 1 bis 10 Stunden lang bei 550°C einem Vergütungsprozess unterzogen wurde. In 2 gibt die durchgezogene Linie die Vergütungshärtungskurve eines SUS630-Standardmaterials an (Gesamtgehalt von Cu, Nb und Ta 3,77 Masse-%). Die gestrichelte Linie gibt die Vergütungshärtungskurve von SUS630 mit einer anderen chemischen Zusammensetzung als derjenigen des Standardmaterials (Gesamtgehalt von Cu, Nb und Ta 3,52 Masse-%) an.
-
Ein Standardmaterial ist ein Material, das die chemische Zusammensetzung und Metallstruktur aufweist, die für Legierungen davon typisch ist. In dieser Ausführungsform wird SUS630, in dem der Gesamtgehalt von Cu, Nb und Ta 3,77 Masse-% ist, die Kristallkorngröße #6 ist und die Austenitrestmenge 5% ist, als das Standardmaterial verwendet. Die Kristallkorngröße gibt die Größe von Kristallkörnern an, die zum Beispiel gemäß JIS G 0551 bestimmt wird. Die Austenitrestmenge gibt den Wert an, der durch quantitative Bestimmung von SUS630 durch Röntgenstrahlbeugung gemessen wird.
-
3 ist eine Vergütungshärtungskurve, die nach Ausführen einer Härteprüfung erlangt wurde, nachdem SUS630 4 Stunden lang bei 520°C bis 600°C einem Vergütungsprozess unterzogen wurde. In 3 gibt die durchgezogene Linie die Vergütungshärtungskurve von SUS630-Standardmaterial an (Gesamtgehalt von Cu, Nb und Ta 3,77 Masse-%). Die gestrichelte Linie gibt die Vergütungshärtungskurve von SUS630 mit einer anderen chemischen Zusammensetzung als derjenigen des Standardmaterials (Gesamtgehalt von Cu, Nb und Ta 3,52 Masse-%) an. Die Vergütungshärtungskurve des Standardmaterials wird (wie auch im Folgenden) als eine Masterkurve bezeichnet.
-
In 2 und 3 wurde eine Vickershärteprüfung als eine Härteprüfung ausgeführt. In 2 und 3 ist das Verhältnis des Messwertes der Vickershärte zu dem Zielwert der Vickershärte (erforderliche Härte) auf der vertikalen Achse dargestellt. Daher liegt der Bereich, in dem das Verhältnis von Härte (Messwert) zu Härte (Zielwert) nahe 1 liegt, der Bereich der erforderlichen Härte nach dem Vergütungsprozess. Ein Beispiel dieses Bereichs ist durch die Punkte in 2 und 3 angegeben.
-
Wie in 2 dargestellt, erreicht die SUS630-Legierung nach Unterziehen einem Vergütungsprozess bei 550°C ihre maximale Festigkeit, wenn die Vergütungszeit rund 1 Stunde beträgt, wobei die Festigkeit danach abnimmt. Im Normalfall wird die Vergütung von SUS630 auf der Überalterungsseite ausgeführt. Für das SUS630-Standardmaterial ist der durch Z angegebene Bereich der Bereich der Vergütungsbedingungen, welche die gewünschten erforderlichen Eigenschaften erfüllen. Ferner ist die Gesamtfestigkeit von SUS630 mit einem niedrigeren Gesamtgehalt von Cu, Nb und Ta als dem des Standardmaterials geringer als diejenige des SUS630 der Standardzusammensetzung, wie durch die gestrichelte Linie angegeben. Aus dieser Tatsache geht hervor, dass, wenn die chemische Zusammensetzung verschieden ist, nicht die gleiche Festigkeit erlangt wird, selbst wenn der Vergütungsprozess unter den gleichen Wärmebehandlungsbedingungen ausgeführt wird. Darüber hinaus verändern sich die Vergütungsbedingungen bei einer Spitzenfestigkeit, bei welcher die Vergütungsfestigkeit einen Höchstwert erreicht, selbst dann nicht, wenn die Zusammensetzung ungefähr innerhalb des Zusammensetzungsspezifikationsbereichs variiert.
-
Wie in 3 für die SUS630-Legierung dargestellt, nimmt die Festigkeit mit zunehmender Vergütungstemperatur ab, wenn die Vergütungstemperatur im Bereich von 540°C bis 600°C liegt. Für die SUS630-Legierung versteht es sich, dass, wenn der Gesamtgehalt von Cu, Nb und Ta geringer ist, auch die Festigkeit geringer ist. Wie in 2 und 3 dargestellt, wenn die Wärmebehandlung 4 Stunden lang bei 550°C ausgeführt wird, liegt die Festigkeit des Standardmaterials in dem erforderlichen Bereich. Allerdings liegt die Festigkeit von SUS630 mit einem Gesamtgehalt von Cu, Nb und Ta von 3,52% unter dem erforderlichen Bereich. Diese Differenz hinsichtlich der Festigkeit beruht nicht nur auf der chemischen Zusammensetzung, sondern auch auf der Kristallkorngröße und der Austenitrestmenge.
-
Wenn also die chemische Zusammensetzung oder Metallstruktur von derjenigen von SUS630 der Standardzusammensetzung abweicht, kann nicht die gleiche Festigkeit erlangt werden, und die gewünschten Festigkeitseigenschaften können nicht erlangt werden, selbst wenn eine Wärmebehandlung in der gleichen Weise wie für SUS630 der Standardzusammensetzung ausgeführt wird. Aus diesem Grund müssen die optimalen Vergütungsbedingungen in Übereinstimmung mit der chemischen Zusammensetzung und Metallstruktur eingestellt werden. Bei der Herstellung von Turbinenschaufeln 1 sind Variationen in der chemischen Zusammensetzung und Metallstruktur zwischen Chargen von Turbinenschaufeln 1 vorhanden. Die Herstellung von Turbinenschaufeln in Übereinstimmung mit Vergütungsbedingungen, die nach dem Erfassen einer Vergütungshärtungskurve durch Ausführen des Vergütungsprozesses unter unterschiedlichen Zeit- und Temperaturbedingungen und durch Messen der Härte für jede Charge bestimmt werden, ist zeitaufwendig und erhöht die Herstellungskosten.
-
Nachstehend werden das Verfahren zum Einstellen von Vergütungsbedingungen, bei welchem eine Vergütungshärtungskurve eines betreffenden Materials mit einer von dem Standardmaterial verschiedenen chemischen Zusammensetzung aus einer Masterkurve von SUS630-Standardmaterial erfasst wird und dann gewünschte Festigkeitseigenschaften erlangt werden, und das Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln anhand von 4 und 5 beschrieben. Ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln gemäß einer ersten Ausführungsform wird durch die Schritte S11 bis S15 wie in 4 dargestellt ausgeführt. Die Details davon sind unten beschrieben.
-
(S11)
-
Ein Vergütungsprozess wird an einem SUS630-Standardmaterial 1 bis 10 Stunden lang bei 550°C (Vergütungsbedingungsparameter) ausgeführt und die Härteprüfung wird ausgeführt. Eine Masterkurve 20 (Vergütungshärtungskurve) des Standardmaterials wird wie durch die durchgezogene Linie in 5 angegeben erlangt.
-
(S12)
-
Ein Vergütungsprozess wird beispielsweise 4 Stunden lang bei 550°C ausgeführt und eine Vickershärteprüfung wird an SUS630 (betreffendes Material) ausgeführt, dessen chemische Zusammensetzung (chemischer Bestandteilparameter) und/oder Metallstruktur (Metallstrukturparameter) von denen des Standardmaterials verschieden sind. Ein Fitting-Punkt (Punkt A in 5), der die Beziehung zwischen Härte (Materialfestigkeitsparameter) und Vergütungsbedingungen angibt, wird erlangt.
-
Der chemische Bestandteilparameter ist ein Faktor, der die Materialfestigkeit beeinflusst. Beispiele davon sind der Cu-Gehalt, Nb-Gehalt, Ta-Gehalt, Gesamtgehalt von Cu, Nb und Ta und dergleichen. Der Metallstrukturparameter ist auch ein Faktor, der die Materialfestigkeit beeinflusst. Beispiele davon sind die Kristallkorngröße und die Austenitrestmenge.
-
(S13)
-
Durch Verschieben der Masterkurve 20 derart, dass ein Abschnitt davon dem Fitting-Punkt A entspricht, wird eine korrigierte Vergütungskurve 30 (Vergütungshärtungskurve) des betreffenden Materials erlangt, wie durch die gestrichelte Linie in 5 angegeben.
-
(S14)
-
Danach werden die optimalen Vergütungsbedingungen zum Erlangen der gewünschten Festigkeitseigenschaften basierend auf der korrigierten Vergütungskurve 30 bestimmt. In 5 ist die durch X angegebene Zeit die optimale Vergütungsbedingung. Der in zwei Richtungen weisende Pfeil in 5 gibt ein Beispiel des Härtebereichs an, der in der Turbinenschaufel 1 erforderlich ist. Der Bereich der erforderlichen Härte kann in Übereinstimmung mit der Größe und dem Typ der Turbinenschaufel auf den optimalen Bereich eingestellt werden.
-
(S15)
-
Schließlich wird ein Vergütungsprozess an der Turbinenschaufel 1 unter den in S14 eingestellten Wärmebehandlungsbedingungen ausgeführt.
-
Auf diese Weise kann eine Turbinenschaufel 1 mit den gewünschten Festigkeitseigenschaften (Härte) erlangt werden. In Si wurde der Fall beschrieben, in dem eine Masterkurve bei einer Vergütungstemperatur von 550°C erlangt wurde, jedoch sind die Vergütungsbedingungen nicht darauf beschränkt und die Temperatur kann je nach Bedarf eingestellt werden. Außerdem kann eine Masterkurve unter mehreren Temperaturbedingungen erlangt werden oder eine Masterkurve kann durch Festlegen der Zeit und Variieren der Temperatur erlangt werden. Darüber hinaus können die Vergütungsbedingungen, die in S2 ausgeführt werden, gemäß den Bedingungen der in Si erlangten Masterkurve ausgewählt werden.
-
Gemäß dem Verfahren zur Einstellung von Vergütungsbedingungen und dem Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Masterkurve 20 eines Standardmaterials erlangt, ein Fitting-Punkt A wird durch Ausführen eines Vergütungsprozesses an einem betreffenden Material und Messen der Härte (Materialfestigkeitsparameter) erlangt und die Masterkurve 20 wird mit dem Fitting-Punkt A in Übereinstimmung gebracht. Infolgedessen kann eine hochpräzise korrigierte Vergütungskurve 30 (Vergütungshärtungskurve) des betreffenden Materials erlangt werden. Da die Konfiguration derart ist, dass die Vergütungsbedingungen des betreffenden Materials basierend auf dieser korrigierten Vergütungskurve 30 eingestellt werden, können die gewünschten Festigkeitseigenschaften durch einen Vergütungsprozess erlangt werden, selbst wenn die chemische Zusammensetzung oder die Metallstruktur zwischen dem Standardmaterial und dem betreffenden Material variiert. Daher können Turbinenschaufeln 1, welche die erforderlichen Festigkeitseigenschaften erfüllen, in zuverlässiger Weise erlangt und die Herstellungskosten können gesenkt werden.
-
(Zweite Ausführungsform)
-
Das Verfahren zur Einstellung von Vergütungsbedingungen und das Verfahren zur Einstellung von Turbinenschaufeln gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nun beschrieben. Die Konfiguration der Turbinenschaufel und das Material, das die Turbinenschaufel gemäß der zweiten Ausführungsform bildet, sind die gleichen wie diejenigen der ersten Ausführungsform. Gleiche Bestandteile haben die gleichen Bezugszeichen, so dass von einer ausführlichen Beschreibung davon abgesehen wird.
-
In dem Verfahren zur Einstellung von Vergütungsbedingungen und dem Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln gemäß der zweiten Ausführungsform wird eine Masterkurve 120 erlangt und die Beziehung zwischen der Masterkurve 120 und dem chemischen Bestandteilparameter und dem Metallstrukturparameter wird im Voraus ermittelt. Zum Beispiel wird eine korrigierte Vergütungskurve 130 (Vergütungshärtungskurve) des betreffenden Materials durch Korrigieren der Masterkurve 120 aus der chemischen Zusammensetzung und der Metallstruktur des betreffenden Materials erlangt. Die Details davon sind unten unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschrieben.
-
(S21)
-
Ein Vergütungsprozess wird an einem SUS630-Standardmaterial 1 bis 10 Stunden lang bei 550°C (Vergütungsbedingungsparameter) ausgeführt und die Härteprüfung wird ausgeführt. Die Masterkurve 120 (Vergütungshärtungskurve) des Standardmaterials wird wie durch die durchgezogene Linie in 7 angegeben erlangt.
-
(S22)
-
Die Beziehungen zwischen dem chemischen Bestandteilparameter und dem Metallstrukturparameter und dem Materialfestigkeitsparameter werden für SUS630 bestimmt, dessen chemischer Bestandteilparameter und/oder Metallstrukturparameter von denjenigen des Standardmaterials verschieden sind.
-
Zur genaueren Erläuterung wird beispielsweise 4 Stunden lang bei 550°C ein Vergütungsprozess ausgeführt und eine Vickershärteprüfung an SUS630 ausgeführt, dessen Gesamtgehalt von Cu, Nb und Ta (chemischer Bestandteilparameter) von demjenigen des Standardmaterials verschieden war, dessen Metallstrukturparameter jedoch gleich war. Danach wird unter Verwendung des Härtewertes, der auf diese Weise gemessen wird, und des Härtewertes der Masterkurve, der erlangt wird, wenn der Vergütungsprozess 4 Stunden lang bei 550°C ausgeführt wird, und des in S22 erlangten Härtemesswertes die Beziehung zu der chemischen Zusammensetzung beispielsweise durch lineare Approximation bestimmt. Zum Beispiel wird der folgende relationale Ausdruck erlangt: ΔHärte = –28 × (3,77 – (Cu + Nb + Ta)), wobei sich ΔHärte auf die Differenz zwischen der Härte nach dem Vergüten des betreffenden Materials unter den vorgeschriebenen Vergütungsbedingungen und der Härte der Masterkurve bezieht. Ferner bezieht sich (Cu + Nb + Ta) auf den Gesamtgehalt von Cu, Nb und Ta in Masseprozent.
-
(S23)
-
Unter Verwendung der Beziehung zwischen dem Gehalt von Cu + Nb + Ta (chemischer Bestandteilparameter) und der Härte (Materialfestigkeitsparameter) werden der chemische Bestandteilparameter und der Metallstrukturparameter des betreffenden Materials miteinander in Übereinstimmung gebracht und ein Fitting-Punkt B, der den Materialfestigkeitsparameter des betreffenden Materials angibt, wird erlangt. Wenn beispielsweise (Cu + Nb + Ta) = 3,52%, ΔHärte = –7 ist; dann ist der Fitting-Punkt ein Punkt B, der um 7 geringer als die Härte der Masterkurve bei einer Vergütungstemperatur von 550°C ist.
-
(S24)
-
Durch Verschieben der Masterkurve 120 derart, dass ein Abschnitt davon dem Fitting-Punkt B entspricht, wird die korrigierte Vergütungskurve 130 (Vergütungshärtungskurve) des betreffenden Materials erlangt, wie durch die gestrichelte Linie in 7 angegeben.
-
(S25)
-
Danach werden die optimalen Vergütungsbedingungen zum Erlangen der gewünschten Festigkeitseigenschaften basierend auf der korrigierten Vergütungskurve 130 bestimmt. In 7 ist die durch Y angegebene Zeit die optimale Vergütungsbedingung. Der in zwei Richtungen weisende Pfeil in 7 gibt ein Beispiel des Härtebereichs an, der in der Turbinenschaufel 1 erforderlich ist.
-
(S26)
-
Schließlich wird ein Vergütungsprozess an der Turbinenschaufel 1 unter den in S25 eingestellten Vergütungsbedingungen ausgeführt.
-
Auf diese Weise kann eine Turbinenschaufel 1 mit den gewünschten Eigenschaften erlangt werden. In S21 wurde der Fall beschrieben, in dem eine Masterkurve 120 bei einer Vergütungstemperatur von 550°C erlangt wurde, jedoch sind die Vergütungsbedingungen nicht darauf beschränkt und die Temperatur kann je nach Bedarf eingestellt werden. Außerdem kann eine Masterkurve unter mehreren Temperaturbedingungen erlangt werden oder eine Masterkurve kann durch Festlegen der Zeit und Variieren der Temperatur erlangt werden. Darüber hinaus können die Vergütungsbedingungen, die in S22 ausgeführt werden, gemäß den Bedingungen der in S21 erlangten Masterkurve ausgewählt werden.
-
Gemäß dem Verfahren zur Einstellung von Vergütungsbedingungen und dem Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Masterkurve 120 eines Standardmaterials erlangt, wobei aus den Unterschieden im Hinblick auf den chemischen Bestandteilparameter und den Metallstrukturparameter zwischen dem Standardmaterial und dem betreffenden Material der Materialfestigkeitsparameter vorhergesagt und die Masterkurve 120 korrigiert wird. Infolgedessen kann eine hochpräzise Vergütungskurve 130 (Vergütungshärtungskurve) des betreffenden Materials erlangt werden. Da die Konfiguration derart ist, dass die Vergütungsbedingungen des betreffenden Materials basierend auf dieser korrigierten Vergütungskurve 130 eingestellt werden, können die gewünschten Festigkeitseigenschaften durch einen Vergütungsprozess erlangt werden, selbst wenn die chemische Zusammensetzung oder die Metallstruktur zwischen dem Standardmaterial und dem betreffenden Material variiert. Daher können Turbinenschaufeln 1, welche die erforderlichen Festigkeitseigenschaften erfüllen, in zuverlässiger Weise erlangt und die Herstellungskosten können gesenkt werden.
-
Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform kann, nachdem der chemische Bestandteilparameter und der Metallstrukturparameter des betreffenden Materials miteinander in Übereinstimmung gebracht wurden, der Fitting-Punkt danach ohne Ausführen eines Vergütungsprozesses an jeder Turbinenschaufel (betreffendes Material) erlangt werden. Aus diesem Grund können die Herstellungskosten reduziert werden, und auch die für die Bestimmung von Vergütungsbedingungen erforderliche Zeit kann reduziert werden.
-
In der zweiten Ausführungsform wurde der Fall beschrieben, in dem nur ein Fitting-Punkt erlangt wurde, doch ist es auch möglich, die Beziehung zwischen dem chemischen Bestandteilparameter und dem Metallstrukturparameter und der Härte für mehrere Punkte zu bestimmen und die Masterkurve mit mehreren Fitting-Punkten in Übereinstimmung zu bringen, um eine korrigierte Vergütungskurve (Vergütungshärtungskurve) des betreffenden Materials zu erlangen.
-
In den obigen Ausführungsformen wurde der Fall beschrieben, in dem die Beziehung zwischen der Härte und dem Gesamtgehalt von Cu, Nb und Ta bestimmt wurde, doch besteht diesbezüglich keinerlei Einschränkung und die Beziehungen zwischen anderen chemischen Bestandteilparametern oder Metallstrukturparametern und der Härte können bestimmt werden. Außerdem können die chemischen Bestandteile, die in dem chemischen Bestandteilparameter verwendet werden, je nach Material ausgewählt werden. Zum Beispiel können in dem Stahl, der in Patentdokument 2 beschrieben ist, Al und Ni ausgewählt werden, die die Bestandteilelemente von Präzipitaten sind. Es können auch anstatt eines Parameters mehrere chemische Bestandteilparameter und Metallstrukturparameter ausgewählt werden. In diesem Fall können die Beziehungen zwischen dem chemischen Bestandteilparameter und dem Metallstrukturparameter und der Härte unter Anwendung einer multiplen Regressionsanalyse bestimmt werden.
-
Verfahren zur Einstellung von Vergütungsbedingungen und Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, wurden oben beschrieben, doch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und kann je nach Bedarf innerhalb eines Bereichs modifiziert werden, der nicht von dem technischen Gedanken der Erfindung abweicht.
-
In den obigen Ausführungsformen wurde der Fall beschrieben, in dem ein Vergütungsprozess an einem Standardmaterial und einem betreffenden Material ausgeführt wurde und der Materialfestigkeitsparameter gemessen wird, doch ist auch eine Konfiguration möglich, wobei ein Schmiedeprozess, der die Turbinenschaufel simuliert, vor einem Vergütungsprozess ausgeführt wird. Zum Beispiel kann der Materialfestigkeitsparameter durch Ausführen eines Vergütungsprozesse an einem Ausschussstück erlangt werden, das von einem Schmiederohmaterial für die Turbinenschaufel abgeschnitten wird und in eine Form geschmiedet (warmgeschmiedet) wird, welche den Schaufelfuß der Turbinenschaufel simuliert. Dabei kann ein genauerer Materialfestigkeitsparameter erlangt werden und eine genauere korrigierte Vergütungskurve (Vergütungshärtungskurve) kann erlangt werden.
-
In den obigen Ausführungsformen wurde zwar der Fall beschrieben, in dem die Vickershärte als der Materialfestigkeitsparameter verwendet wird, doch besteht diesbezüglich keinerlei Einschränkung. Zum Beispiel kann eine Härtemessung durch eine andere Härteprüfung verwendet werden oder der Messwert der Zugfestigkeit oder Streckgrenze (0,2 Streckgrenze) kann verwendet werden.
-
Gewerbliche Anwendbarkeit
-
Gemäß diesem Verfahren zur Einstellung von Vergütungsbedingungen können gewünschte Festigkeitseigenschaften erlangt werden, selbst wenn die chemische Zusammensetzung und Metallstruktur unterschiedlich sind. Darüber hinaus kann ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln bereitgestellt werden, welches das obige Verfahren zur Einstellung von Vergütungsbedingungen anwendet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Turbinenschaufel
- 20, 120
- Masterkurven
- 30, 130
- Korrigierte Vergütungskurven
- A, B
- Fitting-Punkte
