JP2004027261A - 局部硬化方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】析出硬化型合金製蒸気タービン翼などの析出硬化型合金製部材に対して部材（翼）本体の靱性は確保し、硬化を要する部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみを硬くすることができる局部硬化方法を提供する。
【解決手段】析出硬化型合金製蒸気タービン翼１の耐エロージョン性が要求される部分のみを、加熱手段（レーザ光、電子ビーム、高周波誘導又はガス炎）により局部的に溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記加熱手段による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記耐エロージョン性が要求される部分のみを硬化する。
【選択図】 図１
【解決手段】析出硬化型合金製蒸気タービン翼１の耐エロージョン性が要求される部分のみを、加熱手段（レーザ光、電子ビーム、高周波誘導又はガス炎）により局部的に溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記加熱手段による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記耐エロージョン性が要求される部分のみを硬化する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は析出硬化型合金製部材の局部硬化方法に関し、特に析出硬化型合金製蒸気タービン翼の耐エロージョン性を向上させる場合に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービン翼は高温且つ湿分を多く含む雰囲気中で高速回転して使用されるため、翼先端部が激しいエロージョンを受ける。耐エロージョン性は材料の硬さと相関関係があることが知られており、硬い材料を用いれば耐エロージョン性は向上する。そこで、従来、エロージョン対策として次のような方法がとられている。
【０００３】
（１）翼材料よりも硬さが硬い材料、例えばＣｏ基合金（例えばＣｏ−３０％Ｃｒ−５％Ｗ−３％Ｎｉ−３％Ｆｅ；数値はｍａｓｓ％）などの板をエロージョンを受ける部分にろう付けなどの方法で貼り付ける。
（２）マルテンサイト系ステンレス鋼を用いた蒸気タービン翼ではエロージョンを受ける部分のみを焼入れする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの方法の中で（１）の方法は一般的によく用いられている方法であるが、ろう付けに工数がかかること、ろう付け部には少なからずともいくつかの欠陥（気孔、溶け込み不足など）を含むことなどの問題があり、本質的な改善が必要であった。また、（２）の方法はマルテンサイト系ステンレス鋼を用いた蒸気タービン翼では既に使用されており（実開昭６３−４５００４号公報、実開昭６２−１８８５０２号公報）、有効な方法ではあるが、焼入れにより硬化されない析出硬化型合金を用いた蒸気タービン翼では適用できない。
【０００５】
この他にも次のような方法が考えられる。まず、超硬合金やセラミックスのような耐摩耗材として一般的に用いられる硬い材料をろう付けなどで蒸気タービン翼に貼り付ける方法が考えられる。しかし、この方法ではろう付けなどの貼り付け手法の本質的な問題解決にならないだけでなく、これらの材料は硬い粒子が柔らかいマトリックス中に埋め込まれているような構造になっているのでエロージョンを受けたときに硬い粒子が脱落して行き、本質的な解決とはならない。要するにマトリックス全体が硬い材料でなければならない。
【０００６】
また、窒化硼素や窒化チタンなどの硬い材料を蒸着や溶射の手法で蒸気タービン翼にコーティングする方法も考えられるが、この方法では皮膜の密着力が十分でないためにエロージョンを受けたときに皮膜全体が脱落するため、やはり問題点の本質的な解決とはならない。更には蒸気タービン翼全体を焼入れなどの方法で硬くすることも考えられるが、この場合には蒸気タービン翼の疲労強度が低下するため、蒸気タービン翼は高速回転中に振動しながら回転するので疲労破壊をすることが懸念される。要するに翼本体は靱性を備え、エロージョンを受ける部分のみが硬いという２つの性質を併せ持った蒸気タービン翼の開発が望まれていた。
【０００７】
従って本発明は上記の事情に鑑み、析出硬化型合金製蒸気タービン翼などの析出硬化型合金製部材に対して部材（翼）本体の靱性は確保し、硬化を要する部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみを硬くすることができる局部硬化方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１発明の局部硬化方法は、析出硬化型合金製部材の局部硬化方法であって、前記析出硬化型合金製部材の硬化が要求される部分のみを、加熱手段により局部的に溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記加熱手段による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記硬化が要求される部分のみを硬化することを特徴とする。
【０００９】
また、第２発明の局部硬化方法は、析出硬化型合金製蒸気タービン翼の局部硬化方法であって、前記析出硬化型合金製蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを、加熱手段により局部的に溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記加熱手段による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記耐エロージョン性が要求される部分のみを硬化することを特徴とする。
【００１０】
また、第３発明の局部硬化方法は、第１又は第２発明の局部硬化方法において、前記加熱手段としてレーザ光、電子ビーム、高周波誘導又はガス炎によって加熱する手段を用いることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１２】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１の局部硬化方法は、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼のエロージョンを激しく受ける部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみにレーザ光を局部的に照射することにより、前記エロージョンを激しく受ける部分を溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記レーザ光による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記エロージョンを激しく受ける部分のみを硬化して局部的に硬化部分を設ける方法である。この方法の技術的な要点について以下に述べる。
【００１３】
析出硬化型合金は所定の溶体化熱処理、時効硬化熱処理の工程を経て、マトリックス中に細かな析出物を析出させて強化している材料であるが、蒸気タービン翼の材料として用いられる場合には、最高硬さが得られる熱処理を施すと前述のように靱性が低下して疲労強度が劣るのため、通常は析出物を粗大化させて靱性を確保する過時効熱処理を施して用いられる。このような状態の析出硬化型合金材料を溶体化温度以上に加熱すると、再度析出物がマトリックス中に溶解し、その後、所定の時効硬化熱処理を施すことにより析出物がマトリックス中に析出して所望の硬さを得ることができる。
【００１４】
本発明はこの性質を利用するものである。即ち、全体が過時効熱処理されて靱性は確保されているが、硬さは最高硬さではない蒸気タービン翼に対し、この蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを局部的に溶体化温度以上に加熱して析出物をマトリックス中に溶解させる。その後、蒸気タービン翼全体を最高硬さが得られる時効硬化熱処理を施すことにより、溶体化温度以上に局部的に加熱された部分（耐エロージョン性が要求される部分）は当該材料の最高硬さが得られ、耐エロージョン性に優れた性質を持つようになる。一方、局部的に溶体化温度以上に加熱されなかった部分（翼本体）は、既に過時効状態にあり、更に時効硬化熱処理を施しても硬さが上がることはないため、靱性が確保されたままである。
【００１５】
このように本発明の局部硬化方法は蒸気タービン翼全体（翼本体）の靱性は確保したままで所望の部分のみを硬くして同部分の耐エロージョン性を向上させることができる画期的な方法である。
【００１６】
（実験例）
図１及び図２に基づき、具体的な実験例について説明する。図１は本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分にレーザ光を照射している状態の図、図２は図１に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【００１７】
図１に示す蒸気タービン翼１の材料としてＳＵＳ６３０（Ｆｅ−１７％Ｃｒ−４％Ｎｉ−４％Ｃｕ；数値はｍａｓｓ％）のＪＩＳ Ｇ−４３０４に規定されるＨ１０７５処理（１０４０℃で溶体化後、５８０℃で析出硬化熱処理）したものを用いた。蒸気タービン翼１の全長は８７５ｍｍである。そして、この蒸気タービン翼１に対し、蒸気タービン翼としての使用時にこれまでの経験から最もエロージョンを受ける部分（幅１２ｍｍ、長さ３４０ｍｍ）にＣＯ２ レーザ発振器２で発振したＣＯ２ レーザ光３を集光レンズ４で１２ｍｍφに集光して照射することにより、溶体化処理を施した。なお、図中の矢印６は図示しない移動手段によるレーザ光３の移動方向である。また、このときのレーザ光照射は、蒸気タービン翼１の肉厚が長さ方向に連続的に変化しているため、照射条件を以下のような条件に変化させて行った。
【００１８】
肉厚：３ｍｍ 以上，３．５ｍｍ 未満 出力：１ｋＷ ， 速度：１１０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：３．５ｍｍ 以上，４ｍｍ 未満 出力：１ｋＷ ， 速度：９０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４ｍｍ 以上，４．５ｍｍ 未満 出力：１ｋＷ ， 速度：７０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４．５ｍｍ 以上，５ｍｍ 未満 出力：１ｋＷ ， 速度：５０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５ｍｍ 以上，５．５ｍｍ 未満 出力：１ｋＷ ， 速度：３０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５．５ｍｍ 以上，６ｍｍ 未満 出力：１ｋＷ ， 速度：１０ｍｍ／ｍｉｎ
【００１９】
このとき、レーザ光３を照射した部分５の表面から１ｍｍ下に熱電対を装着し、１０２０℃以上の温度に加熱されたことを確認している。レーザ光３を照射後、蒸気タービン翼１全体を真空炉において４７０℃×１ｈｒの温度時間条件で析出硬化熱処理（時効硬化熱処理）を行うことにより、レーザ光３を照射した部分５（最もエロージョンを受ける部分）を硬化させた。
【００２０】
その後、蒸気タービン翼１の断面の硬さ分布をビッカース硬度計により荷重５００ｇで測定した。その測定結果を図２に示す。同図に示すようにビッカース硬度Ｈｖが４００以上ある領域７は、翼表面から０．５ｍｍの深さの部分では翼端面から幅８ｍｍ、深さ方向には翼端面では深さが２ｍｍあり、特にエロージョンが激しい翼端面近くはＨｖ＞４４０以上になっている。また、これはレーザ光３を照射しなかった部分がＨｖ＝３０５〜３１９であるのに比べて相当硬さが増しており、初期の計画通りに硬度が上昇していることが判明した。なお、図２中の領域８は翼本体硬度＜Ｈｖ＜４００の領域である。本実験はＣＯ２ レーザで実施したが、ＹＡＧレーザを用いても同じ効果が期待できる。
【００２１】
以上のことから、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分をレーザ光で局所的に加熱して溶体化処理し、その後、時効硬化熱処理を施すことにより、上記加熱部分のみを局部的に硬化させることが可能であることが明らかになった。そして、本実施の形態１の局部硬化方法によって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを局部的に硬化させることにより、蒸気タービンの使用時に蒸気タービン翼の一部がエロージョンによって損耗することを防止し、蒸気タービン翼の寿命を延長させることができた。また、本実施の形態１の局部硬化方法は従来手法のようなろう付けなどの欠陥を含み易い手法を用いていないため、手直しなどの工数が削減でき、信頼性に優れている。更に本実施の形態１の局部硬化方法はこれまで焼入れの手法が採用できなかった析出硬化型合金に適用可能であるため、蒸気タービン翼の材料選定の幅が広がった。
【００２２】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２の局部硬化方法は、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼のエロージョンを激しく受ける部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみに電子ビームを局部的に照射することにより、前記エロージョンを激しく受ける部分を溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記電子ビームによる局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記エロージョンを激しく受ける部分のみを硬化して局部的に硬化部分を設ける方法である。
【００２３】
この局部硬化方法は上記実施の形態１の場合に比べて加熱源をレーザ光から電子ビームに変えたのみであり、技術的な要点は上記実施の形態１と全く同じである。
【００２４】
（実験例）
図３及び図４に基づき、具体的な実験例について説明する。図３は本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分に電子ビームを照射している状態の図、図４は図３に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【００２５】
図３に示す蒸気タービン翼１の材料としてＳＵＳ６３０（Ｆｅ−１７％Ｃｒ−４％Ｎｉ−４％Ｃｕ；数値はｍａｓｓ％）のＪＩＳ Ｇ−４３０４に規定されるＨ１０７５処理（１０４０℃で溶体化後、５８０℃で析出硬化熱処理）したものを用いた。蒸気タービン翼１の全長は８７５ｍｍである。蒸気タービン翼１は真空バルブ１６を介して真空ポンプ１５に接続された真空チャンバ１４の内部に置かれている。そして、この蒸気タービン翼１に対し、蒸気タービン翼としての使用時にこれまでの経験から最もエロージョンを受ける部分（幅１２ｍｍ、長さ３４０ｍｍ）に電子銃９から出射された電子ビーム１０を１２ｍｍφの面積に集束コイル１１で集束して照射することにより、溶体化処理を施した。図中の矢印１３は図示しない移動手段による電子ビーム１０の移動方向である。また、このときの電子ビーム照射は、蒸気タービン翼１の肉厚が長さ方向に連続的に変化しているため、照射条件を以下のような条件に変化させて行った。
【００２６】
肉厚：３ｍｍ 以上，３．５ｍｍ 未満 加速電圧：３０ｋＶ， 速度：１４０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：３．５ｍｍ 以上，４ｍｍ 未満 加速電圧：３０ｋＶ， 速度：１２０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４ｍｍ 以上，４．５ｍｍ 未満 加速電圧：３０ｋＶ， 速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４．５ｍｍ 以上，５ｍｍ 未満 加速電圧：３０ｋＶ， 速度：８０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５ｍｍ 以上，５．５ｍｍ 未満 加速電圧：３０ｋＶ， 速度：６０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５．５ｍｍ 以上，６ｍｍ 未満 加速電圧：３０ｋＶ， 速度：４０ｍｍ／ｍｉｎ
【００２７】
このとき、電子ビーム１０を照射した部分１２の表面から１ｍｍ下に熱電対を装着し、１０２０℃以上の温度に加熱されたことを確認している。電子ビーム１０を照射後、蒸気タービン翼１全体を真空炉において４７０℃×１ｈｒの温度時間条件で析出硬化熱処理（時効硬化熱処理）を行うことにより、電子ビーム１０を照射した部分１２（最もエロージョンを受ける部分）を硬化させた。
【００２８】
その後、蒸気タービン翼１の断面の硬さ分布をビッカース硬度計により荷重５００ｇで測定した。その測定結果を図４に示す。同図に示すようにビッカース硬度Ｈｖが４００以上ある領域７は、翼表面から０．５ｍｍの深さの部分では翼端面から幅８ｍｍ、深さ方向には翼端面では深さが２ｍｍあり、特にエロージョンが激しい翼端面近くはＨｖ＞４４０以上となっている。また、これは電子ビーム１０を照射しなかった部分がＨｖ＝３０５〜３１９であるのに比べて相当硬さが増しており、初期の計画通りに硬度が上昇していることが判明した。なお、図４中の領域８は翼本体硬度＜Ｈｖ＜４００の領域である。
【００２９】
以上のことから、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分を電子ビームで局所的に加熱して溶体化処理し、その後、時効硬化熱処理を施すことにより、上記加熱部分のみを局部的に硬化させることが可能であることが明らかになった。そして、本実施の形態２の局部硬化方法によって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを局部的に硬化させることにより、蒸気タービンの使用時に蒸気タービン翼の一部がエロージョンによって損耗することを防止し、蒸気タービン翼の寿命を延長させることができた。また、本実施の形態２の局部硬化方法は従来手法のようなろう付けなどの欠陥を含み易い手法を用いていないため、手直しなどの工数が削減でき、信頼性に優れている。更に本実施の形態２の局部硬化方法はこれまで焼入れの手法が採用できなかった析出硬化型合金に適用可能であるため、蒸気タービン翼の材料選定の幅が広がった。
【００３０】
＜実施の形態３＞
本発明の実施の形態３の局部硬化方法は、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼のエロージョンを激しく受ける部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみを、高周波誘導により溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記高周波誘導による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記エロージョンを激しく受ける部分のみを硬化して局部的に硬化部分を設ける方法である。
【００３１】
この局部硬化方法は上記実施の形態１の場合に比べて加熱源をレーザ光から高周波誘導に変えたのみであり、技術的な要点は上記実施の形態１と全く同じである。
【００３２】
（実験例）
図５及び図６に基づき、具体的な実験例について説明する。図５は本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分を高周波誘導により加熱している状態の図、図６は図５に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【００３３】
図５に示す蒸気タービン翼１の材料としてＳＵＳ６３０（Ｆｅ−１７％Ｃｒ−４％Ｎｉ−４％Ｃｕ；数値はｍａｓｓ％）のＪＩＳ Ｇ−４３０４に規定されるＨ１０７５処理（１０４０℃で溶体化後、５８０℃で析出硬化熱処理）したものを用いた。蒸気タービン翼１の全長は８７５ｍｍである。そして、この蒸気タービン翼１に対し、蒸気タービン翼としての使用時にこれまでの経験から最もエロージョンを受ける部分（幅１２ｍｍ、長さ３４０ｍｍ）の上方に高周波発生電源１７に接続された高周波コイル１８を配置して高周波誘導加熱により、溶体化処理を施した。図中の矢印２０は図示しない移動手段による高周波コイル１８の移動方向である。また、このときの高周波誘導加熱は、蒸気タービン翼１の肉厚が長さ方向に連続的に変化しているため、加熱条件を以下のような条件に変化させて行った。
【００３４】
肉厚：３ｍｍ 以上，３．５ｍｍ 未満 周波数：３０ｋＨｚ，出力：１０ｋＷ，速度：６０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：３．５ｍｍ 以上，４ｍｍ 未満 周波数：３０ｋＨｚ，出力：１０ｋＷ，速度：５０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４ｍｍ 以上，４．５ｍｍ 未満 周波数：３０ｋＨｚ，出力：１０ｋＷ，速度：４０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４．５ｍｍ 以上，５ｍｍ 未満 周波数：３０ｋＨｚ，出力：１０ｋＷ，速度：３０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５ｍｍ 以上，５．５ｍｍ 未満 周波数：３０ｋＨｚ，出力：１０ｋＷ，速度：２０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５．５ｍｍ 以上，６ｍｍ 未満 周波数：３０ｋＨｚ，出力：１０ｋＷ，速度：１０ｍｍ／ｍｉｎ
【００３５】
このとき、高周波誘導加熱した部分１９の表面から１ｍｍ下に熱電対を装着し、１０２０℃以上の温度に加熱されたことを確認している。高周波誘導加熱後、蒸気タービン翼１全体を真空炉において４７０℃×１ｈｒの温度時間条件で析出硬化熱処理（時効硬化熱処理）を行うことにより、高周波誘導加熱した部分１９（最もエロージョンを受ける部分）を硬化させた。
【００３６】
その後、蒸気タービン翼１の断面の硬さ分布をビッカース硬度計により荷重５００ｇで測定した。その測定結果を図６に示す。同図に示すようにビッカース硬度Ｈｖが４００以上ある領域７は、翼表面から０．５ｍｍの深さの部分では翼端面から幅１０ｍｍ、深さ方向には翼端面では深さが２ｍｍあり、特にエロージョンが激しい翼端面近くはＨｖ＞４４０以上となっている。また、これは高周波誘導加熱をしなかった部分がＨｖ＝３０５〜３１９であるのに比べて相当硬さが増しており、初期の計画通りに硬度が上昇していることが判明した。なお、図６中の領域８は翼本体硬度＜Ｈｖ＜４００の領域である。
【００３７】
以上のことから、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分を高周波誘導で局所的に加熱して溶体化処理し、その後、時効硬化熱処理を施すことにより、上記加熱部分のみを局部的に硬化させることが可能であることが明らかになった。そして、本実施の形態３の局部硬化方法によって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを局部的に硬化させることにより、蒸気タービンの使用時に蒸気タービン翼の一部がエロージョンによって損耗することを防止し、蒸気タービン翼の寿命を延長させることができた。また、本実施の形態３の局部硬化方法は従来手法のようなろう付けなどの欠陥を含み易い手法を用いていないため、手直しなどの工数が削減でき、信頼性に優れている。更に本実施の形態３の局部硬化方法はこれまで焼入れの手法が採用できなかった析出硬化型合金に適用可能であるため、蒸気タービン翼の材料選定の幅が広がった。
【００３８】
＜実施の形態４＞
本発明の実施の形態４の局部硬化方法は、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼のエロージョンを激しく受ける部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみを、ガス炎で溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記ガス炎による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記エロージョンを激しく受ける部分のみを硬化して局部的に硬化部分を設ける方法である。
【００３９】
この局部硬化方法は上記実施の形態１の場合に比べて加熱源をレーザ光からガス炎に変えたのみであり、技術的な要点は上記実施の形態１と全く同じである。
【００４０】
（実験例）
図７及び図８に基づき、具体的な実験例について説明する。図７は本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分をガスバーナで加熱している状態の図、図８は図７に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【００４１】
図７に示す蒸気タービン翼１の材料としてＳＵＳ６３０（Ｆｅ−１７％Ｃｒ−４％Ｎｉ−４％Ｃｕ；数値はｍａｓｓ％）のＪＩＳ Ｇ−４３０４に規定されるＨ１０７５処理（１０４０℃で溶体化後、５８０℃で析出硬化熱処理）したものを用いた。蒸気タービン翼１の全長は８７５ｍｍである。そして、この蒸気タービン翼１に対し、蒸気タービン翼としての使用時にこれまでの経験から最もエロージョンを受ける部分（幅１２ｍｍ、長さ３４０ｍｍ）の上方にガスバーナー２１を配置し、プロパン−酸素の混合ガス炎２２による加熱により、溶体化処理を施した。図中の矢印２４は図示しない移動手段によるガスバーナー２１（ガス炎２２）の移動方向である。また、このときのガス炎２２による加熱は、蒸気タービン翼１の肉厚が長さ方向に連続的に変化しているため、加熱条件を以下のような条件に変化させて行った。
【００４２】
肉厚：３ｍｍ 以上，３．５ｍｍ 未満 速度：６０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：３．５ｍｍ 以上，４ｍｍ 未満 速度：５０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４ｍｍ 以上，４．５ｍｍ 未満 速度：４０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４．５ｍｍ 以上，５ｍｍ 未満 速度：３０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５ｍｍ 以上，５．５ｍｍ 未満 速度：２０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５．５ｍｍ 以上，６ｍｍ 未満 速度：１０ｍｍ／ｍｉｎ
【００４３】
このとき、ガス炎２２で加熱した部分２３の表面から１ｍｍ下に熱電対を装着し、１０２０℃以上の温度に加熱されたことを確認している。ガス炎２２による加熱後、蒸気タービン翼１全体を真空炉において４７０℃×１ｈｒの温度時間条件で析出硬化熱処理（時効硬化熱処理）を行うことにより、ガス炎２２で加熱した部分２３（最もエロージョンを受ける部分）を硬化させた。
【００４４】
その後、蒸気タービン翼１の断面の硬さ分布をビッカース硬度計により荷重５００ｇで測定した。その測定結果を図８に示す。同図に示すようにビッカース硬度Ｈｖが４００以上ある領域７は、翼表面から０．５ｍｍの深さの部分では翼端面から幅１２ｍｍ、深さ方向には翼端面では深さが２ｍｍあり、特にエロージョンが激しい翼端面近くはＨｖ＞４４０以上となっている。また、これはガス炎２２で加熱しなかった部分がＨｖ＝３０５〜３１９であるのに比べて相当硬さが増しており、初期の計画通りに硬度が上昇していることが判明した。なお、図８中の領域８は翼本体硬度＜Ｈｖ＜４００の領域である。
【００４５】
以上のことから、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分をガス炎で局所的に加熱して溶体化処理し、その後、時効硬化熱処理を施すことにより、上記加熱部分のみを局部的に硬化させることが可能であることが明らかになった。そして、本実施の形態４の局部硬化方法によって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを局部的に硬化させることにより、蒸気タービンの使用時に蒸気タービン翼の一部がエロージョンによって損耗することを防止し、蒸気タービン翼の寿命を延長させることができた。また、本実施の形態４の局部硬化方法は従来手法のようなろう付けなどの欠陥を含み易い手法を用いていないため、手直しなどの工数が削減でき、信頼性に優れている。更に本実施の形態４の局部硬化方法はこれまで焼入れの手法が採用できなかった析出硬化型合金に適用可能であるため、蒸気タービン翼の材料選定の幅が広がった。
【００４６】
なお、本発明の局部硬化方法は特に上記実施の形態１〜４のように蒸気タービン翼に適用して有用なものであるが、必ずしもこれに限定するものではなく、蒸気タービン翼と同様に過時効熱処理された析出硬化型合金で製作された他の部材において局部的に硬化する必要がある場合にも適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、第１発明の局部硬化方法によれば、析出硬化型合金製部材の局部硬化方法であって、前記析出硬化型合金製部材の硬化が要求される部分のみを、加熱手段により局部的に溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記加熱手段による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記硬化が要求される部分のみを硬化するため、析出硬化型合金製部材に対して部材本体の靱性は確保し、硬化を要する部分のみを硬くすることができる。
【００４８】
また、第２発明の局部硬化方法によれば、析出硬化型合金製蒸気タービン翼の局部硬化方法であって、前記析出硬化型合金製蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを、加熱手段により局部的に溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記加熱手段による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記耐エロージョン性が要求される部分のみを硬化するため、析出硬化型合金製蒸気タービン翼に対して翼本体の靱性は確保し、耐エロージョン性が要求される部分のみを硬くすることができる。
【００４９】
このため、蒸気タービンの使用時に蒸気タービン翼の一部がエロージョンによって損耗することを防止し、蒸気タービン翼の寿命を延長させることができる。また、従来手法のようなろう付けなどの欠陥を含み易い手法を用いていないため、手直しなどの工数が削減でき、信頼性に優れている。更にこれまで焼入れの手法が採用できなかった析出硬化型合金に適用可能であるため、蒸気タービン翼の材料選定の幅が広がる。
【００５０】
また、第３発明の局部硬化方法によれば、第１又は第２発明の局部硬化方法において、前記加熱手段としてレーザ光、電子ビーム、高周波誘導又はガス炎によって加熱する手段を用いるため、硬化が要求される部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみを局部的に加熱することが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分にレーザ光を照射している状態の図である。
【図２】図１に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【図３】本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分に電子ビームを照射している状態の図である。
【図４】図３に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【図５】本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分を高周波誘導により加熱している状態の図である。
【図６】図５に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【図７】本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分をガスバーナで加熱している状態の図である。
【図８】図７に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【符号の説明】
１ 蒸気タービン翼
２ レーザ発振器
３ レーザ光
４ 集光レンズ
５ レーザ光照射部分
６ レーザ光の移動方向
７ Ｈｖ＞４００の領域
８ 翼本体の硬度＜Ｈｖ＜４００の領域
１０ 電子ビーム
１１ 集束コイル
１２ 電子ビーム照射部分
１３ 電子ビームの移動方向
１４ 真空チャンバ
１５ 真空ポンプ
１６ 真空バルブ
１７ 高周波発生電源
１８ 高周波コイル
１９ 高周波誘導により加熱された部分
２０ 高周波コイルの移動方向
２１ ガスバーナー
２２ ガス炎
２３ ガス炎により加熱された部分
２４ ガスバーナーの移動方向
【発明の属する技術分野】
本発明は析出硬化型合金製部材の局部硬化方法に関し、特に析出硬化型合金製蒸気タービン翼の耐エロージョン性を向上させる場合に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービン翼は高温且つ湿分を多く含む雰囲気中で高速回転して使用されるため、翼先端部が激しいエロージョンを受ける。耐エロージョン性は材料の硬さと相関関係があることが知られており、硬い材料を用いれば耐エロージョン性は向上する。そこで、従来、エロージョン対策として次のような方法がとられている。
【０００３】
（１）翼材料よりも硬さが硬い材料、例えばＣｏ基合金（例えばＣｏ−３０％Ｃｒ−５％Ｗ−３％Ｎｉ−３％Ｆｅ；数値はｍａｓｓ％）などの板をエロージョンを受ける部分にろう付けなどの方法で貼り付ける。
（２）マルテンサイト系ステンレス鋼を用いた蒸気タービン翼ではエロージョンを受ける部分のみを焼入れする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの方法の中で（１）の方法は一般的によく用いられている方法であるが、ろう付けに工数がかかること、ろう付け部には少なからずともいくつかの欠陥（気孔、溶け込み不足など）を含むことなどの問題があり、本質的な改善が必要であった。また、（２）の方法はマルテンサイト系ステンレス鋼を用いた蒸気タービン翼では既に使用されており（実開昭６３−４５００４号公報、実開昭６２−１８８５０２号公報）、有効な方法ではあるが、焼入れにより硬化されない析出硬化型合金を用いた蒸気タービン翼では適用できない。
【０００５】
この他にも次のような方法が考えられる。まず、超硬合金やセラミックスのような耐摩耗材として一般的に用いられる硬い材料をろう付けなどで蒸気タービン翼に貼り付ける方法が考えられる。しかし、この方法ではろう付けなどの貼り付け手法の本質的な問題解決にならないだけでなく、これらの材料は硬い粒子が柔らかいマトリックス中に埋め込まれているような構造になっているのでエロージョンを受けたときに硬い粒子が脱落して行き、本質的な解決とはならない。要するにマトリックス全体が硬い材料でなければならない。
【０００６】
また、窒化硼素や窒化チタンなどの硬い材料を蒸着や溶射の手法で蒸気タービン翼にコーティングする方法も考えられるが、この方法では皮膜の密着力が十分でないためにエロージョンを受けたときに皮膜全体が脱落するため、やはり問題点の本質的な解決とはならない。更には蒸気タービン翼全体を焼入れなどの方法で硬くすることも考えられるが、この場合には蒸気タービン翼の疲労強度が低下するため、蒸気タービン翼は高速回転中に振動しながら回転するので疲労破壊をすることが懸念される。要するに翼本体は靱性を備え、エロージョンを受ける部分のみが硬いという２つの性質を併せ持った蒸気タービン翼の開発が望まれていた。
【０００７】
従って本発明は上記の事情に鑑み、析出硬化型合金製蒸気タービン翼などの析出硬化型合金製部材に対して部材（翼）本体の靱性は確保し、硬化を要する部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみを硬くすることができる局部硬化方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１発明の局部硬化方法は、析出硬化型合金製部材の局部硬化方法であって、前記析出硬化型合金製部材の硬化が要求される部分のみを、加熱手段により局部的に溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記加熱手段による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記硬化が要求される部分のみを硬化することを特徴とする。
【０００９】
また、第２発明の局部硬化方法は、析出硬化型合金製蒸気タービン翼の局部硬化方法であって、前記析出硬化型合金製蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを、加熱手段により局部的に溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記加熱手段による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記耐エロージョン性が要求される部分のみを硬化することを特徴とする。
【００１０】
また、第３発明の局部硬化方法は、第１又は第２発明の局部硬化方法において、前記加熱手段としてレーザ光、電子ビーム、高周波誘導又はガス炎によって加熱する手段を用いることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１２】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１の局部硬化方法は、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼のエロージョンを激しく受ける部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみにレーザ光を局部的に照射することにより、前記エロージョンを激しく受ける部分を溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記レーザ光による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記エロージョンを激しく受ける部分のみを硬化して局部的に硬化部分を設ける方法である。この方法の技術的な要点について以下に述べる。
【００１３】
析出硬化型合金は所定の溶体化熱処理、時効硬化熱処理の工程を経て、マトリックス中に細かな析出物を析出させて強化している材料であるが、蒸気タービン翼の材料として用いられる場合には、最高硬さが得られる熱処理を施すと前述のように靱性が低下して疲労強度が劣るのため、通常は析出物を粗大化させて靱性を確保する過時効熱処理を施して用いられる。このような状態の析出硬化型合金材料を溶体化温度以上に加熱すると、再度析出物がマトリックス中に溶解し、その後、所定の時効硬化熱処理を施すことにより析出物がマトリックス中に析出して所望の硬さを得ることができる。
【００１４】
本発明はこの性質を利用するものである。即ち、全体が過時効熱処理されて靱性は確保されているが、硬さは最高硬さではない蒸気タービン翼に対し、この蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを局部的に溶体化温度以上に加熱して析出物をマトリックス中に溶解させる。その後、蒸気タービン翼全体を最高硬さが得られる時効硬化熱処理を施すことにより、溶体化温度以上に局部的に加熱された部分（耐エロージョン性が要求される部分）は当該材料の最高硬さが得られ、耐エロージョン性に優れた性質を持つようになる。一方、局部的に溶体化温度以上に加熱されなかった部分（翼本体）は、既に過時効状態にあり、更に時効硬化熱処理を施しても硬さが上がることはないため、靱性が確保されたままである。
【００１５】
このように本発明の局部硬化方法は蒸気タービン翼全体（翼本体）の靱性は確保したままで所望の部分のみを硬くして同部分の耐エロージョン性を向上させることができる画期的な方法である。
【００１６】
（実験例）
図１及び図２に基づき、具体的な実験例について説明する。図１は本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分にレーザ光を照射している状態の図、図２は図１に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【００１７】
図１に示す蒸気タービン翼１の材料としてＳＵＳ６３０（Ｆｅ−１７％Ｃｒ−４％Ｎｉ−４％Ｃｕ；数値はｍａｓｓ％）のＪＩＳ Ｇ−４３０４に規定されるＨ１０７５処理（１０４０℃で溶体化後、５８０℃で析出硬化熱処理）したものを用いた。蒸気タービン翼１の全長は８７５ｍｍである。そして、この蒸気タービン翼１に対し、蒸気タービン翼としての使用時にこれまでの経験から最もエロージョンを受ける部分（幅１２ｍｍ、長さ３４０ｍｍ）にＣＯ２ レーザ発振器２で発振したＣＯ２ レーザ光３を集光レンズ４で１２ｍｍφに集光して照射することにより、溶体化処理を施した。なお、図中の矢印６は図示しない移動手段によるレーザ光３の移動方向である。また、このときのレーザ光照射は、蒸気タービン翼１の肉厚が長さ方向に連続的に変化しているため、照射条件を以下のような条件に変化させて行った。
【００１８】
肉厚：３ｍｍ 以上，３．５ｍｍ 未満 出力：１ｋＷ ， 速度：１１０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：３．５ｍｍ 以上，４ｍｍ 未満 出力：１ｋＷ ， 速度：９０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４ｍｍ 以上，４．５ｍｍ 未満 出力：１ｋＷ ， 速度：７０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４．５ｍｍ 以上，５ｍｍ 未満 出力：１ｋＷ ， 速度：５０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５ｍｍ 以上，５．５ｍｍ 未満 出力：１ｋＷ ， 速度：３０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５．５ｍｍ 以上，６ｍｍ 未満 出力：１ｋＷ ， 速度：１０ｍｍ／ｍｉｎ
【００１９】
このとき、レーザ光３を照射した部分５の表面から１ｍｍ下に熱電対を装着し、１０２０℃以上の温度に加熱されたことを確認している。レーザ光３を照射後、蒸気タービン翼１全体を真空炉において４７０℃×１ｈｒの温度時間条件で析出硬化熱処理（時効硬化熱処理）を行うことにより、レーザ光３を照射した部分５（最もエロージョンを受ける部分）を硬化させた。
【００２０】
その後、蒸気タービン翼１の断面の硬さ分布をビッカース硬度計により荷重５００ｇで測定した。その測定結果を図２に示す。同図に示すようにビッカース硬度Ｈｖが４００以上ある領域７は、翼表面から０．５ｍｍの深さの部分では翼端面から幅８ｍｍ、深さ方向には翼端面では深さが２ｍｍあり、特にエロージョンが激しい翼端面近くはＨｖ＞４４０以上になっている。また、これはレーザ光３を照射しなかった部分がＨｖ＝３０５〜３１９であるのに比べて相当硬さが増しており、初期の計画通りに硬度が上昇していることが判明した。なお、図２中の領域８は翼本体硬度＜Ｈｖ＜４００の領域である。本実験はＣＯ２ レーザで実施したが、ＹＡＧレーザを用いても同じ効果が期待できる。
【００２１】
以上のことから、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分をレーザ光で局所的に加熱して溶体化処理し、その後、時効硬化熱処理を施すことにより、上記加熱部分のみを局部的に硬化させることが可能であることが明らかになった。そして、本実施の形態１の局部硬化方法によって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを局部的に硬化させることにより、蒸気タービンの使用時に蒸気タービン翼の一部がエロージョンによって損耗することを防止し、蒸気タービン翼の寿命を延長させることができた。また、本実施の形態１の局部硬化方法は従来手法のようなろう付けなどの欠陥を含み易い手法を用いていないため、手直しなどの工数が削減でき、信頼性に優れている。更に本実施の形態１の局部硬化方法はこれまで焼入れの手法が採用できなかった析出硬化型合金に適用可能であるため、蒸気タービン翼の材料選定の幅が広がった。
【００２２】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２の局部硬化方法は、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼のエロージョンを激しく受ける部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみに電子ビームを局部的に照射することにより、前記エロージョンを激しく受ける部分を溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記電子ビームによる局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記エロージョンを激しく受ける部分のみを硬化して局部的に硬化部分を設ける方法である。
【００２３】
この局部硬化方法は上記実施の形態１の場合に比べて加熱源をレーザ光から電子ビームに変えたのみであり、技術的な要点は上記実施の形態１と全く同じである。
【００２４】
（実験例）
図３及び図４に基づき、具体的な実験例について説明する。図３は本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分に電子ビームを照射している状態の図、図４は図３に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【００２５】
図３に示す蒸気タービン翼１の材料としてＳＵＳ６３０（Ｆｅ−１７％Ｃｒ−４％Ｎｉ−４％Ｃｕ；数値はｍａｓｓ％）のＪＩＳ Ｇ−４３０４に規定されるＨ１０７５処理（１０４０℃で溶体化後、５８０℃で析出硬化熱処理）したものを用いた。蒸気タービン翼１の全長は８７５ｍｍである。蒸気タービン翼１は真空バルブ１６を介して真空ポンプ１５に接続された真空チャンバ１４の内部に置かれている。そして、この蒸気タービン翼１に対し、蒸気タービン翼としての使用時にこれまでの経験から最もエロージョンを受ける部分（幅１２ｍｍ、長さ３４０ｍｍ）に電子銃９から出射された電子ビーム１０を１２ｍｍφの面積に集束コイル１１で集束して照射することにより、溶体化処理を施した。図中の矢印１３は図示しない移動手段による電子ビーム１０の移動方向である。また、このときの電子ビーム照射は、蒸気タービン翼１の肉厚が長さ方向に連続的に変化しているため、照射条件を以下のような条件に変化させて行った。
【００２６】
肉厚：３ｍｍ 以上，３．５ｍｍ 未満 加速電圧：３０ｋＶ， 速度：１４０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：３．５ｍｍ 以上，４ｍｍ 未満 加速電圧：３０ｋＶ， 速度：１２０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４ｍｍ 以上，４．５ｍｍ 未満 加速電圧：３０ｋＶ， 速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４．５ｍｍ 以上，５ｍｍ 未満 加速電圧：３０ｋＶ， 速度：８０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５ｍｍ 以上，５．５ｍｍ 未満 加速電圧：３０ｋＶ， 速度：６０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５．５ｍｍ 以上，６ｍｍ 未満 加速電圧：３０ｋＶ， 速度：４０ｍｍ／ｍｉｎ
【００２７】
このとき、電子ビーム１０を照射した部分１２の表面から１ｍｍ下に熱電対を装着し、１０２０℃以上の温度に加熱されたことを確認している。電子ビーム１０を照射後、蒸気タービン翼１全体を真空炉において４７０℃×１ｈｒの温度時間条件で析出硬化熱処理（時効硬化熱処理）を行うことにより、電子ビーム１０を照射した部分１２（最もエロージョンを受ける部分）を硬化させた。
【００２８】
その後、蒸気タービン翼１の断面の硬さ分布をビッカース硬度計により荷重５００ｇで測定した。その測定結果を図４に示す。同図に示すようにビッカース硬度Ｈｖが４００以上ある領域７は、翼表面から０．５ｍｍの深さの部分では翼端面から幅８ｍｍ、深さ方向には翼端面では深さが２ｍｍあり、特にエロージョンが激しい翼端面近くはＨｖ＞４４０以上となっている。また、これは電子ビーム１０を照射しなかった部分がＨｖ＝３０５〜３１９であるのに比べて相当硬さが増しており、初期の計画通りに硬度が上昇していることが判明した。なお、図４中の領域８は翼本体硬度＜Ｈｖ＜４００の領域である。
【００２９】
以上のことから、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分を電子ビームで局所的に加熱して溶体化処理し、その後、時効硬化熱処理を施すことにより、上記加熱部分のみを局部的に硬化させることが可能であることが明らかになった。そして、本実施の形態２の局部硬化方法によって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを局部的に硬化させることにより、蒸気タービンの使用時に蒸気タービン翼の一部がエロージョンによって損耗することを防止し、蒸気タービン翼の寿命を延長させることができた。また、本実施の形態２の局部硬化方法は従来手法のようなろう付けなどの欠陥を含み易い手法を用いていないため、手直しなどの工数が削減でき、信頼性に優れている。更に本実施の形態２の局部硬化方法はこれまで焼入れの手法が採用できなかった析出硬化型合金に適用可能であるため、蒸気タービン翼の材料選定の幅が広がった。
【００３０】
＜実施の形態３＞
本発明の実施の形態３の局部硬化方法は、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼のエロージョンを激しく受ける部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみを、高周波誘導により溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記高周波誘導による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記エロージョンを激しく受ける部分のみを硬化して局部的に硬化部分を設ける方法である。
【００３１】
この局部硬化方法は上記実施の形態１の場合に比べて加熱源をレーザ光から高周波誘導に変えたのみであり、技術的な要点は上記実施の形態１と全く同じである。
【００３２】
（実験例）
図５及び図６に基づき、具体的な実験例について説明する。図５は本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分を高周波誘導により加熱している状態の図、図６は図５に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【００３３】
図５に示す蒸気タービン翼１の材料としてＳＵＳ６３０（Ｆｅ−１７％Ｃｒ−４％Ｎｉ−４％Ｃｕ；数値はｍａｓｓ％）のＪＩＳ Ｇ−４３０４に規定されるＨ１０７５処理（１０４０℃で溶体化後、５８０℃で析出硬化熱処理）したものを用いた。蒸気タービン翼１の全長は８７５ｍｍである。そして、この蒸気タービン翼１に対し、蒸気タービン翼としての使用時にこれまでの経験から最もエロージョンを受ける部分（幅１２ｍｍ、長さ３４０ｍｍ）の上方に高周波発生電源１７に接続された高周波コイル１８を配置して高周波誘導加熱により、溶体化処理を施した。図中の矢印２０は図示しない移動手段による高周波コイル１８の移動方向である。また、このときの高周波誘導加熱は、蒸気タービン翼１の肉厚が長さ方向に連続的に変化しているため、加熱条件を以下のような条件に変化させて行った。
【００３４】
肉厚：３ｍｍ 以上，３．５ｍｍ 未満 周波数：３０ｋＨｚ，出力：１０ｋＷ，速度：６０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：３．５ｍｍ 以上，４ｍｍ 未満 周波数：３０ｋＨｚ，出力：１０ｋＷ，速度：５０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４ｍｍ 以上，４．５ｍｍ 未満 周波数：３０ｋＨｚ，出力：１０ｋＷ，速度：４０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４．５ｍｍ 以上，５ｍｍ 未満 周波数：３０ｋＨｚ，出力：１０ｋＷ，速度：３０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５ｍｍ 以上，５．５ｍｍ 未満 周波数：３０ｋＨｚ，出力：１０ｋＷ，速度：２０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５．５ｍｍ 以上，６ｍｍ 未満 周波数：３０ｋＨｚ，出力：１０ｋＷ，速度：１０ｍｍ／ｍｉｎ
【００３５】
このとき、高周波誘導加熱した部分１９の表面から１ｍｍ下に熱電対を装着し、１０２０℃以上の温度に加熱されたことを確認している。高周波誘導加熱後、蒸気タービン翼１全体を真空炉において４７０℃×１ｈｒの温度時間条件で析出硬化熱処理（時効硬化熱処理）を行うことにより、高周波誘導加熱した部分１９（最もエロージョンを受ける部分）を硬化させた。
【００３６】
その後、蒸気タービン翼１の断面の硬さ分布をビッカース硬度計により荷重５００ｇで測定した。その測定結果を図６に示す。同図に示すようにビッカース硬度Ｈｖが４００以上ある領域７は、翼表面から０．５ｍｍの深さの部分では翼端面から幅１０ｍｍ、深さ方向には翼端面では深さが２ｍｍあり、特にエロージョンが激しい翼端面近くはＨｖ＞４４０以上となっている。また、これは高周波誘導加熱をしなかった部分がＨｖ＝３０５〜３１９であるのに比べて相当硬さが増しており、初期の計画通りに硬度が上昇していることが判明した。なお、図６中の領域８は翼本体硬度＜Ｈｖ＜４００の領域である。
【００３７】
以上のことから、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分を高周波誘導で局所的に加熱して溶体化処理し、その後、時効硬化熱処理を施すことにより、上記加熱部分のみを局部的に硬化させることが可能であることが明らかになった。そして、本実施の形態３の局部硬化方法によって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを局部的に硬化させることにより、蒸気タービンの使用時に蒸気タービン翼の一部がエロージョンによって損耗することを防止し、蒸気タービン翼の寿命を延長させることができた。また、本実施の形態３の局部硬化方法は従来手法のようなろう付けなどの欠陥を含み易い手法を用いていないため、手直しなどの工数が削減でき、信頼性に優れている。更に本実施の形態３の局部硬化方法はこれまで焼入れの手法が採用できなかった析出硬化型合金に適用可能であるため、蒸気タービン翼の材料選定の幅が広がった。
【００３８】
＜実施の形態４＞
本発明の実施の形態４の局部硬化方法は、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼のエロージョンを激しく受ける部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみを、ガス炎で溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記ガス炎による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記エロージョンを激しく受ける部分のみを硬化して局部的に硬化部分を設ける方法である。
【００３９】
この局部硬化方法は上記実施の形態１の場合に比べて加熱源をレーザ光からガス炎に変えたのみであり、技術的な要点は上記実施の形態１と全く同じである。
【００４０】
（実験例）
図７及び図８に基づき、具体的な実験例について説明する。図７は本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分をガスバーナで加熱している状態の図、図８は図７に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【００４１】
図７に示す蒸気タービン翼１の材料としてＳＵＳ６３０（Ｆｅ−１７％Ｃｒ−４％Ｎｉ−４％Ｃｕ；数値はｍａｓｓ％）のＪＩＳ Ｇ−４３０４に規定されるＨ１０７５処理（１０４０℃で溶体化後、５８０℃で析出硬化熱処理）したものを用いた。蒸気タービン翼１の全長は８７５ｍｍである。そして、この蒸気タービン翼１に対し、蒸気タービン翼としての使用時にこれまでの経験から最もエロージョンを受ける部分（幅１２ｍｍ、長さ３４０ｍｍ）の上方にガスバーナー２１を配置し、プロパン−酸素の混合ガス炎２２による加熱により、溶体化処理を施した。図中の矢印２４は図示しない移動手段によるガスバーナー２１（ガス炎２２）の移動方向である。また、このときのガス炎２２による加熱は、蒸気タービン翼１の肉厚が長さ方向に連続的に変化しているため、加熱条件を以下のような条件に変化させて行った。
【００４２】
肉厚：３ｍｍ 以上，３．５ｍｍ 未満 速度：６０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：３．５ｍｍ 以上，４ｍｍ 未満 速度：５０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４ｍｍ 以上，４．５ｍｍ 未満 速度：４０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：４．５ｍｍ 以上，５ｍｍ 未満 速度：３０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５ｍｍ 以上，５．５ｍｍ 未満 速度：２０ｍｍ／ｍｉｎ
肉厚：５．５ｍｍ 以上，６ｍｍ 未満 速度：１０ｍｍ／ｍｉｎ
【００４３】
このとき、ガス炎２２で加熱した部分２３の表面から１ｍｍ下に熱電対を装着し、１０２０℃以上の温度に加熱されたことを確認している。ガス炎２２による加熱後、蒸気タービン翼１全体を真空炉において４７０℃×１ｈｒの温度時間条件で析出硬化熱処理（時効硬化熱処理）を行うことにより、ガス炎２２で加熱した部分２３（最もエロージョンを受ける部分）を硬化させた。
【００４４】
その後、蒸気タービン翼１の断面の硬さ分布をビッカース硬度計により荷重５００ｇで測定した。その測定結果を図８に示す。同図に示すようにビッカース硬度Ｈｖが４００以上ある領域７は、翼表面から０．５ｍｍの深さの部分では翼端面から幅１２ｍｍ、深さ方向には翼端面では深さが２ｍｍあり、特にエロージョンが激しい翼端面近くはＨｖ＞４４０以上となっている。また、これはガス炎２２で加熱しなかった部分がＨｖ＝３０５〜３１９であるのに比べて相当硬さが増しており、初期の計画通りに硬度が上昇していることが判明した。なお、図８中の領域８は翼本体硬度＜Ｈｖ＜４００の領域である。
【００４５】
以上のことから、析出硬化型合金で製作された蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分をガス炎で局所的に加熱して溶体化処理し、その後、時効硬化熱処理を施すことにより、上記加熱部分のみを局部的に硬化させることが可能であることが明らかになった。そして、本実施の形態４の局部硬化方法によって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを局部的に硬化させることにより、蒸気タービンの使用時に蒸気タービン翼の一部がエロージョンによって損耗することを防止し、蒸気タービン翼の寿命を延長させることができた。また、本実施の形態４の局部硬化方法は従来手法のようなろう付けなどの欠陥を含み易い手法を用いていないため、手直しなどの工数が削減でき、信頼性に優れている。更に本実施の形態４の局部硬化方法はこれまで焼入れの手法が採用できなかった析出硬化型合金に適用可能であるため、蒸気タービン翼の材料選定の幅が広がった。
【００４６】
なお、本発明の局部硬化方法は特に上記実施の形態１〜４のように蒸気タービン翼に適用して有用なものであるが、必ずしもこれに限定するものではなく、蒸気タービン翼と同様に過時効熱処理された析出硬化型合金で製作された他の部材において局部的に硬化する必要がある場合にも適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、第１発明の局部硬化方法によれば、析出硬化型合金製部材の局部硬化方法であって、前記析出硬化型合金製部材の硬化が要求される部分のみを、加熱手段により局部的に溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記加熱手段による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記硬化が要求される部分のみを硬化するため、析出硬化型合金製部材に対して部材本体の靱性は確保し、硬化を要する部分のみを硬くすることができる。
【００４８】
また、第２発明の局部硬化方法によれば、析出硬化型合金製蒸気タービン翼の局部硬化方法であって、前記析出硬化型合金製蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを、加熱手段により局部的に溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記加熱手段による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記耐エロージョン性が要求される部分のみを硬化するため、析出硬化型合金製蒸気タービン翼に対して翼本体の靱性は確保し、耐エロージョン性が要求される部分のみを硬くすることができる。
【００４９】
このため、蒸気タービンの使用時に蒸気タービン翼の一部がエロージョンによって損耗することを防止し、蒸気タービン翼の寿命を延長させることができる。また、従来手法のようなろう付けなどの欠陥を含み易い手法を用いていないため、手直しなどの工数が削減でき、信頼性に優れている。更にこれまで焼入れの手法が採用できなかった析出硬化型合金に適用可能であるため、蒸気タービン翼の材料選定の幅が広がる。
【００５０】
また、第３発明の局部硬化方法によれば、第１又は第２発明の局部硬化方法において、前記加熱手段としてレーザ光、電子ビーム、高周波誘導又はガス炎によって加熱する手段を用いるため、硬化が要求される部分（耐エロージョン性が要求される部分）のみを局部的に加熱することが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分にレーザ光を照射している状態の図である。
【図２】図１に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【図３】本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分に電子ビームを照射している状態の図である。
【図４】図３に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【図５】本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分を高周波誘導により加熱している状態の図である。
【図６】図５に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【図７】本発明の局部硬化方法を示すものであって蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分をガスバーナで加熱している状態の図である。
【図８】図７に示す本発明の局部硬化方法によって得られた蒸気タービン翼の断面の硬さ分布を示す図である。
【符号の説明】
１ 蒸気タービン翼
２ レーザ発振器
３ レーザ光
４ 集光レンズ
５ レーザ光照射部分
６ レーザ光の移動方向
７ Ｈｖ＞４００の領域
８ 翼本体の硬度＜Ｈｖ＜４００の領域
１０ 電子ビーム
１１ 集束コイル
１２ 電子ビーム照射部分
１３ 電子ビームの移動方向
１４ 真空チャンバ
１５ 真空ポンプ
１６ 真空バルブ
１７ 高周波発生電源
１８ 高周波コイル
１９ 高周波誘導により加熱された部分
２０ 高周波コイルの移動方向
２１ ガスバーナー
２２ ガス炎
２３ ガス炎により加熱された部分
２４ ガスバーナーの移動方向
Claims (3)
- 析出硬化型合金製部材の局部硬化方法であって、前記析出硬化型合金製部材の硬化が要求される部分のみを、加熱手段により局部的に溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記加熱手段による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記硬化が要求される部分のみを硬化することを特徴とする局部硬化方法。
- 析出硬化型合金製蒸気タービン翼の局部硬化方法であって、前記析出硬化型合金製蒸気タービン翼の耐エロージョン性が要求される部分のみを、加熱手段により局部的に溶体化温度以上に加熱して析出硬化型合金内の析出物を局部的に溶体化した後、前記加熱手段による局部加熱前よりも硬さが上昇する温度時間条件で時効硬化熱処理をすることにより、前記耐エロージョン性が要求される部分のみを硬化することを特徴とする局部硬化方法。
- 請求項１又は２に記載の局部硬化方法において、
前記加熱手段としてレーザ光、電子ビーム、高周波誘導又はガス炎によって加熱する手段を用いることを特徴とする局部硬化方法。
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