JP2004332617A

JP2004332617A - ガスタービン部品の再生処理方法および再生処理を施されたガスタービン部品

Info

Publication number: JP2004332617A
Application number: JP2003129200A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yoshioka; 洋明吉岡; Daizo Saito; 大蔵斎藤; Junji Ishii; 潤治石井; Yoshihiro Yuya; 好浩油谷; Kazuhiro Kitayama; 和弘北山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】運用により材料劣化や損傷等が生じたガスタービン部品を結晶粒の粗大化等による材料特性の低下を生じさせることなく再生させる再生処理方法および再生処理を施されたガスタービン部品を提供する。
【解決手段】Ｎｉ，Ａｌ，Ｔｉおよび要すればＮｂを含む元素からなる金属間化合物の析出物で強化されたＮｉ基あるいはＮｉ−Ｆｅ基合金鍛造品で造られ、高温下における使用により材料の劣化あるいは損傷を生じたガスタービン部品の前記劣化あるいは損傷を回復する再生処理方法において、前記ガスタービン部品に高圧下で熱処理を施し前記損傷を圧着し消滅させるＨＩＰ工程と、非加圧下で前記析出物の固溶再析出および形態の調整を図る溶体化および時効の熱処理工程とを備える構成とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転中に高温高応力下で用いられることにより、熱劣化、クリープ損傷、疲労損傷等を受けたガスタービン部品、特にロータシャフトおよびディスクの再生処理方法および再生処理を施されたガスタービン部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの高温大容量化に伴ない、圧縮機の圧力比も高くなり、吐出空気温度は高くなっている。ガスタービンの動翼を植設されるディスクは、この圧縮機の圧縮空気を抽気し冷却空気として用いているため、そのメタル温度は高くなる傾向にあり、かつ大型化に伴ないディスクにかかる応力は高くなる傾向にある。このため、従来の耐熱鋼に比べて耐熱強度の優れたＮｉ−Ｆｅ基超合金が用いられるようになっている。しかし、長期間使用された場合これらの合金も熱劣化あるいは高応力下におけるクリープ損傷あるいは起動停止に伴なう熱疲労による損傷が蓄積する。
【０００３】
この損傷を回復させる方法として、ガスタービンの動翼等では、下記特許文献１、特許文献２等に示されているように、高温高圧下において主強化析出相を固溶再析出させて組織を回復させることにより、設計寿命を超えて用いている。しかし、ガスタービンのディスク材の場合、動翼材と異なり、鍛造品であり、主強化析出相の固溶温度は、局部溶解温度より低く、また使用条件的に熱劣化より応力に起因する損傷が主体であり、高温強度以上に、中低温の引張り強度、および延靭性の回復および再生処理による結晶粒径の粗大化によるこれらの特性の低下を防ぐ必要がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３３５８０２号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−２４０９５０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにガスタービンのロータシャフトおよびディスクは、高温高応力下で使用されることにより、材料劣化および損傷を受ける。特にこれらの部品の場合、熱劣化以上にクリープあるいは疲労による損傷を受けている。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みて発明されたものであり、運用により材料劣化や損傷等が生じたガスタービン部品を結晶粒の粗大化等による材料特性の低下を生じさせることなく再生させる再生処理方法および再生処理を施されたガスタービン部品を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、Ｎｉ，Ａｌ，Ｔｉおよび要すればＮｂを含む元素からなる金属間化合物の析出物で強化されたＮｉ基あるいはＮｉ−Ｆｅ基合金鍛造品で造られ、高温下における使用により材料の劣化あるいは損傷を生じたガスタービン部品の前記劣化あるいは損傷を回復する再生処理方法において、前記ガスタービン部品に高圧下で熱処理を施し前記損傷を圧着し消滅させるＨＩＰ工程と、非加圧下で前記析出物の固溶再析出および形態の調整を図る溶体化および時効の熱処理工程とを備える構成とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、加熱、加圧および冷却の全ての処理は真空あるいは不活性ガスの雰囲気内で行われ、前記不活性ガスに含有される酸素量は３０ｐｐｍ以下である構成とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、前記ＨＩＰ工程における加熱温度は、前記金属間化合物の析出物が固溶する温度以上であり、結晶粒界が粗大化を開始する温度以下である構成とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、前記ＨＩＰ工程において、高圧下で行う熱処理の圧力は、ガスタービン部品内部に生じたクリープボイドあるいは疲労き裂を圧着するのに十分な、かつ、材料のその温度における耐力以上の圧力である構成とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、前記ＨＩＰ工程における加熱温度は、Ｎｉ，Ａｌ，Ｔｉおよび要すればＮｂを含む元素からなる金属間化合物γ’相あるいはγ’’相の固溶温度以上であり、結晶粒の粗大化を抑制するη相あるいはδ相の固溶温度以下である構成とする。
請求項６記載の発明は、前記ＨＩＰ工程における熱処理が、その後の非加圧下における溶体化熱処理を兼ねる構成とする。
【００１３】
請求項７記載の発明は、前記溶体化熱処理後、ガスタービン部品に不活性ガスを吹き付けて冷却する構成とする。
請求項８記載の発明はロータシャフトまたはディスクであり、請求項１ないし７に記載のガスタービン部品の再生処理方法を施された構成とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明では、ＮｉとＡｌ，ＴｉあるいはＮｂを含む元素からなる金属間化合物で強化されたＮｉ基あるいはＮｉ−Ｆｅ基合金鍛造品で造られ、高温下における使用により材料の劣化や損傷を生じたガスタービン部品、特にディスクあるいはロータの材料劣化回復法において、再生熱処理により結晶粒の粗大化等による材料特性の低下を生じさせることなく損傷を回復させる方法として、前記ガスタービン部品に高圧下で熱処理を施しクリープあるいは疲労により生じた損傷を圧着し消滅させるＨＩＰ（ＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇ熱間静水圧成形（法））工程と、非加圧下で析出物の固溶再析出および形態の調整を図る溶体化および時効の熱処理工程とを施す。
【００１５】
ここでは、処理部品が最終形状であることから、全ての処理は真空あるいは不活性ガスの雰囲気下で行い、加圧ガスあるいは冷却に用いるガスも不活性ガス、特に、Ａｒガスを用い、そのガスに含有する酸素量は３０ｐｐｍ以下、窒素量は６０ｐｐｍ以下である。
【００１６】
この高圧下における熱処理温度は、主強化析出相である金属間化合物γ’相あるいはγ’’相が固溶する温度以上であり、結晶粒界が急速に粗大化を開始する温度以下でなければならない。特に、この粗大化を抑制する効果のある析出相であるη相あるいはδ相の固溶温度以下である。
【００１７】
なお、γ’相は、ＮｉとＡｌ，Ｔｉの化合物であり、Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔｉ）で示される球状あるいは立方状の金属間化合物である。γ’’相はＮｉとＮｂ，Ａｌ，Ｔｉの化合物で、Ｎｉ_３（Ｎｂ，Ａｌ，Ｔｉ）で示されるディスク状の安定な金属間化合物である。η相はＮｉ_３Ｔｉで示される板状の金属間化合物である。δ相はＮｉ_３Ｎｂで示される準安定なブロック状の金属間化合物で、γ’’相の結晶構造がＢＣＴ（体心立方格子）であるのに対し、δ相は斜方晶である。
【００１８】
また、高圧下で行う熱処理の圧力は、ガスタービン部品内部に生じたクリープボイドあるいは疲労き裂を圧着するのに十分な、また、材料のその温度における耐力以上の圧力であり、１０００気圧以上であることが好ましい。
【００１９】
なお、高圧下における熱処理が、その後の非加圧下における溶体化熱処理を兼ねることも可能であり、この場合は、処理後の冷却を不活性ガスを吹き付けることによって行い、最適な冷却速度を得ることが可能である。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
まず、図１の表に本発明の対象となるガスタービン部品用の合金のひとつであるＮｉ基合金１（ＩＮ７０６：ＩＮＣＯ社商品名）を例に示す。なお、ＨＩＰは高圧下での熱処理、ＡＣは空冷、ＦＣは炉冷を表わし、ＧＦＣはＡｒガス等を吹き付けて強制冷却することを表わす。
【００２１】
合金１は主析出相がγ’相とγ’’相であり、その固溶温度は８８５℃である。そのため、本合金は８８５℃以上で高圧下における熱処理を行う必要がある。また、η相あるいはδ相の固溶温度は９５４℃であり、この温度以上で熱処理を行うと、これらの相による結晶粒界の粗大化を抑える効果がなくなるので、急速に結晶粒が大きくなる。本合金は実機使用段階で熱処理によりこれらの相は固溶させていることになっているが、それでもＡＳＴＭＥ１１２によって測定した粒度は図２に見られるとおりであり、ＨＩＰ処理温度は、８８５℃以上、９５０℃以下、好ましくは、９３０℃以下である。
【００２２】
図１に示した熱処理条件を中心に、新材，劣化材，ＨＩＰ処理材の機械試験結果を図４および図５に示す。クリープ試験は７００℃、５００ＭＰａで行った。ＨＩＰ処理は、溶体化処理をＨＩＰ炉中で行い、その後の時効処理を同じ炉で不活性ガス雰囲気下で行った。これらの図から、本発明範囲内のＨＩＰ条件（９００℃）において材料特性が改善されることがわかる。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施例であるＮｉ基合金２（ＩＮ７１８：ＩＮＣＯ社商品名）の例を示す。合金２の組成および処理条件を図１に示す。合金２は主析出相がγ’’相であり、この固溶温度は９２５℃である。このため、本合金はこの温度以上で高圧下における熱処理（ＨＩＰ）を行う必要がある。また、δ相の固溶温度は１０１０℃であり、この温度以上で熱処理を行うと、これらの相による結晶粒界の粗大化を抑える効果がなくなることから、急速に結晶粒が大きくなる。図３に高圧下で行った本熱処理の結果を示したが、本処理温度は、９２５℃以上、１０１０℃以下、好ましくは、１０００℃以下である。
【００２４】
図１に示した熱処理条件を中心に、本合金においても新材，劣化材，ＨＩＰ処理材の機械試験結果を図６および図７に示す。ＨＩＰ処理は、溶体化処理をＨＩＰ炉中で行い、その後の時効処理を同じ炉で不活性ガス雰囲気下で行った。この結果、本発明範囲内のＨＩＰ条件下において特性の改善が図られることが確認された。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、運用により材料劣化や損傷等が生じたガスタービン部品を結晶粒の粗大化等による材料特性の低下を生じさせることなく再生させる再生処理方法および再生処理を施されたガスタービン部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における合金１，２の組成（ａ）および再生処理条件（ｂ）を示す表。
【図２】本発明の実施の形態における合金１のＨＩＰ処理温度と結晶粒の大きさの関係を示すグラフ。
【図３】本発明の実施の形態における合金２のＨＩＰ処理温度と結晶粒の大きさの関係を示すグラフ。
【図４】本発明の実施の形態における合金１の新材、劣化材およびＨＩＰ処理材の引張り強さ、耐力および伸びを示すグラフ。
【図５】本発明の実施の形態における合金１の新材、劣化材およびＨＩＰ処理材のクリープ寿命を示すグラフ。
【図６】本発明の実施の形態における合金２の新材、劣化材およびＨＩＰ処理材の引張り強さ、耐力および伸びを示すグラフ。
【図７】本発明の実施の形態における合金２の新材、劣化材およびＨＩＰ処理材のクリープ寿命を示すグラフ。

Claims

Ｎｉ，Ａｌ，Ｔｉおよび要すればＮｂを含む元素からなる金属間化合物の析出物で強化されたＮｉ基あるいはＮｉ−Ｆｅ基合金鍛造品で造られ、高温下における使用により材料の劣化あるいは損傷を生じたガスタービン部品の前記劣化あるいは損傷を回復する再生処理方法において、前記ガスタービン部品に高圧下で熱処理を施し前記損傷を圧着し消滅させるＨＩＰ工程と、非加圧下で前記析出物の固溶再析出および形態の調整を図る溶体化および時効の熱処理工程とを備えることを特徴とするガスタービン部品の再生処理方法。
加熱、加圧および冷却の全ての処理は真空あるいは不活性ガスの雰囲気内で行われ、前記不活性ガスに含有される酸素量は３０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン部品の再生処理方法。
前記ＨＩＰ工程における加熱温度は、前記金属間化合物の析出物が固溶する温度以上であり、結晶粒界が粗大化を開始する温度以下であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン部品の再生処理方法。
前記ＨＩＰ工程において、高圧下で行う熱処理の圧力は、ガスタービン部品内部に生じたクリープボイドあるいは疲労き裂を圧着するのに十分な、かつ、材料のその温度における耐力以上の圧力であることを特徴とする請求項３記載のガスタービン部品の再生処理方法。
前記ＨＩＰ工程における加熱温度は、Ｎｉ，Ａｌ，Ｔｉおよび要すればＮｂを含む元素からなる金属間化合物γ’相あるいはγ’’相の固溶温度以上であり、結晶粒の粗大化を抑制するη相あるいはδ相の固溶温度以下であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン部品の再生処理方法。
前記ＨＩＰ工程における熱処理が、その後の非加圧下における溶体化熱処理を兼ねることを特徴とする請求項１記載のガスタービン部品の再生処理方法。
前記溶体化熱処理後、ガスタービン部品に不活性ガスを吹き付けて冷却することを特徴とする請求項１記載のガスタービン部品の再生処理方法。
請求項１ないし７に記載のガスタービン部品の再生処理方法を施されたことを特徴とするガスタービンのロータシャフトまたはディスク。