JP2017190688A - タービン部材、軸流タービン、およびタービン部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】き裂の発生およびき裂の進展を抑制し、衝撃特性を向上したタービン部材、軸流タービン、およびタービン部材の製造方法を提供する。
【解決手段】実施の形態のタービン部材は、第１の合金から構成される基材と、前記基材の表面を覆い、第２の合金から構成され、前記基材よりも強度が低いとともに延性が高い表面層とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、タービン部材、軸流タービン、およびタービン部材の製造方法に関する。

発電プラントなどに使用されている軸流タービンでは、作動流体が動翼を回転させて、動力が回転力として取り出される。例えば、蒸気タービンの低圧タービンについて、タービン段落の初段から終段に向かって動翼を大幅に長くすると、動翼における作動流体との接触面積が増加する。このような動翼が受ける作動流体の量は増加するため、動翼は作動流体によって効率的に回転される。このように、動翼を長くすることによって、蒸気タービンのタービン効率を向上させることができる。

一方で、動翼が長くなるにつれて、動翼は重くなり、それに伴い動翼に掛かる遠心力は大きくなる。それに応じて、このような動翼の翼根部には、大きな遠心応力が生じる。そのため、このような動翼を構成する材料には、大きな遠心応力に耐えることのできる強度を有することが求められている。

従来から、動翼などのタービン部材に一般的に用いられるマルテンサイト系Ｆｅ基合金にＷ、Ｃｏ、Ｒｅなどの固溶強化元素を添加して、タービン部材を高強度化している。また、マルテンサイト系Ｆｅ基合金に添加するＣ、Ｎの量の増加や、マルテンサイト系Ｆｅ基合金の調質時の熱処理条件の調整によっても、タービン部材の強度を向上させることができる。

「蒸気タービン翼の高性能化技術」、東芝レビュー、Ｖｏｌ．６５、Ｎｏ．１２、２０１０年、ｐ．６６−６７

しかしながら、一般的に、材料の高強度化に伴い、材料の靱性は低下する傾向にある。そのため、強度を高めた材料から構成されるタービン部材では、強度は向上するものの、靱性は低下する。また、作動流体中の異物がタービン部材に衝突すると、タービン部材にはき裂が発生することがある。このとき、靱性の低下したタービン部材では、異物によるき裂がより発生しやすく、さらには、き裂の進展速度が大きくなる。そして、このようなき裂によって、タービン部材は破損することがある。

本発明が解決しようとする課題は、き裂の発生およびき裂の進展を抑制し、衝撃特性を向上したタービン部材、軸流タービン、およびタービン部材の製造方法を提供することである。

実施の形態のタービン部材は、第１の合金から構成される基材と、前記基材の表面を覆い、第２の合金から構成され、前記基材よりも強度が低いとともに延性が高い表面層とを備える。

き裂の発生およびき裂の進展を抑制し、衝撃特性を向上したタービン部材、軸流タービン、およびタービン部材の製造方法を提供することができる。

第１の実施の形態のタービン部材を備える軸流タービンを模式的に示す子午断面図である。 第１の実施の形態のタービン部材を模式的に示す断面図である。 ９Ｃｒ鋼および１２Ｃｒ鋼のシャルピー衝撃吸収エネルギを示すグラフである。 第１の実施の形態のタービン部材を製造する肉盛装置の構成を模式的に示す図である。 第２の実施の形態のタービン部材を模式的に示す断面図である。 第２の実施の形態のタービン部材の他の例を模式的に示す断面図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態のタービン部材を備える軸流タービン１０を模式的に示す子午断面図である。ここでは、軸流タービン１０として、蒸気タービンの低圧タービンを例示して説明する。

図１に示すように、軸流タービン１０は、ケーシング１１を備える。ケーシング１１内には、タービンロータ１２が貫設されている。タービンロータ１２には、半径方向外側に周方向に亘って突出され、タービンロータ軸方向（以下、単に軸方向ともいう）に設けられる複数のロータディスク１２ａが形成されている。ロータディスク１２ａには、複数の動翼１３が周方向に植設され、動翼翼列を構成している。動翼翼列は、軸方向に複数段構成されている。なお、タービンロータ１２は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。

ケーシング１１の内周には、ダイアフラム外輪１４が設置されている。ダイアフラム外輪１４の内側には、ダイアフラム内輪１５が設置されている。また、ダイアフラム外輪１４とダイアフラム内輪１５との間には、周方向に亘って複数の静翼１６が支持され、静翼翼列を構成している。静翼翼列は、軸方向に動翼翼列と交互に複数段備えられている。そして、静翼翼列と、静翼翼列の直下流側に位置する動翼翼列とで、一つのタービン段落を構成している。

ダイアフラム外輪１４とダイアフラム内輪１５との間には、環状の蒸気流路１７が形成されている。軸流タービン１０の主蒸気は、蒸気流路１７を流れるとともに、動翼１３を回転させて動力を発生させる。

タービンロータ１２とケーシング１１との間には、蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドシール部１８が設けられている。また、タービンロータ１２とダイアフラム内輪１５との間には、この間を蒸気が軸方向下流側へ通過するのを防止するために、シール部１９が設けられている。

また、軸流タービン１０には、クロスオーバ管２０からの蒸気を軸流タービン１０の内部に導入するための蒸気入口管（図示しない）がケーシング１１を貫通して設けられている。最終段のタービン段落の下流側には、タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気流路（図示しない）が設けられている。この排気流路は、復水器（図示しない）に連通されている。

軸流タービン１０において、第１の実施の形態のタービン部材は動翼１３および静翼１６に適用することができる。

なお、ここでは、軸流タービン１０として、蒸気タービンの低圧タービンを例示して説明したが、軸流タービン１０は蒸気タービンの中圧タービンおよび高圧タービンであってもよい。これらタービンにおいて、第１の実施の形態のタービン部材は、動翼および静翼に適用することができる。

また、ここでは、軸流タービン１０として、蒸気タービンを例示して説明したが、軸流タービン１０はガスタービンであってもよい。ガスタービンにおいて、第１の実施の形態のタービン部材は、動翼および静翼に適用することができる。

次に、第１の実施の形態のタービン部材について詳しく説明する。

図２は、第１の実施の形態のタービン部材１を模式的に示す断面図である。ここでは、タービン部材１として、動翼を例示して説明する。図２に示す断面図は、周方向に配置された動翼の所定の翼高さにおける、翼高さ方向に垂直な断面を示した図である。

図２に示すように、タービン部材１は、基材２と、基材２の表面２ａを覆う表面層３とを備える。表面層３の表面３ａは、タービン部材１の表面をなす。ここでは、表面層３が基材２の表面２ａの全体を覆う一例について示しているが、表面層３は基材２の表面２ａの少なくとも一部を覆っていればよい。表面層３が基材２の表面２ａの一部を覆う場合、表面層３は例えば動翼の前縁２ｂを覆う。

基材２は、第１の合金から構成される。第１の合金としては、Ｆｅ基合金またはＮｉ基合金などが挙げられる。Ｆｅ基合金としては、例えば１２Ｃｒ鋼などの耐熱鋼が挙げられる。Ｎｉ基合金としては、例えばＩＮ７３８ＬＣ、ＧＴＤ−１１１などの析出強化型Ｎｉ基超合金が挙げられる。

また、ここでは、基材２が中実である一例について示しているが、基材２は中空であってもよい。基材２が中空である場合には、基材２の内部は空洞である。

基材２の表面２ａ上に形成される表面層３は、基材２よりも強度が低く、基材２よりも延性が高い。換言すると、表面層３は、基材２よりも靱性が高い。ここで、強度が高いとは、変形が生じにくいことを示し、強度が低いとは、変形が生じやすいことを示す。

また、表面層３は、第２の合金から構成される。第２の合金としては、Ｆｅ基合金またはＮｉ基合金などが挙げられる。第１の合金が１２Ｃｒ鋼などの耐熱鋼である場合、表面層３を構成するＦｅ基合金としては、例えば９Ｃｒ鋼などの耐熱鋼が挙げられる。第１の合金がＩＮ７３８ＬＣ、ＧＴＤ−１１１などの析出強化型Ｎｉ基超合金である場合、表面層３を構成するＮｉ基合金としては、例えばＩＮ６２５などの固溶強化型Ｎｉ基超合金が挙げられる。

図２に示すように、タービン部材１は、表面層３よりも高強度の基材２と、基材２よりも高延性および高靭性の表面層３とから構成される。基材２を構成する第１の合金の組成は、表面層３を構成する第２の合金の組成と異なる。基材２と表面層３とは、基材２の表面２ａと表面層３の内面３ｂとの界面で、基材２を構成する第１の合金と表面層３を構成する第２の合金との金属結合を介して、接合される。

このように、タービン部材１の内部を構成する基材２を高強度にするとともに、タービン部材１の表面を構成する表面層３を高靭性にすることによって、タービン部材１の強度を維持しながら、タービン部材１の表面におけるき裂の発生および進展を抑制することができる。例えば、このような高強度かつ高靭性であるタービン部材１を動翼に適用する場合、動翼を従来より長くしても、タービン部材１を適用した動翼は耐き裂性に優れており、作動流体中の異物に対するタービン部材１の衝撃特性は向上する。そのため、軸流タービン１０のタービン効率は向上する。

また、従来のタービン部材には使用することが困難であった強度の非常に高い材料をタービン部材１の基材２に使用することができる。そのため、タービン部材１の強度は、従来よりも向上する。

表面層３の厚さは、１００μｍ以上が好ましく、３００μｍ以上がより好ましい。表面層３の厚さがこのような範囲であると、表面層３は延性および靭性に優れている。また、表面層３の厚さは、２０００μｍ以下が好ましく、１０００μｍ以下がより好ましい。表面層３の厚さがこのような範囲であると、表面層３は容易に形成することができる。

基材２を構成する第１の合金は、表面層３を構成する第２の合金との１００℃以上９００℃以下における線膨張係数の差が０．１×１０^−６／℃以上１．３×１０^−６／℃以下であることが好ましい。第１の合金と第２の合金との線膨張係数の差がこのような範囲であると、線膨張係数の差によってタービン部材１の内部に生じる歪が改善され、タービン部材１におけるき裂の発生および進展、ならびに基材２からの表面層３の剥離が抑制される。

表１には、１２Ｃｒ鋼から構成される基材２の線膨張係数と９Ｃｒ鋼から構成される表面層３の線膨張係数との差を示す。表２には、ＩＮ７３８ＬＣから構成される基材２の線膨張係数とＩＮ６２５から構成される表面層３の線膨張係数との差を示す。表３には、ＧＴＤ−１１１から構成される基材２の線膨張係数とＩＮ６２５から構成される表面層３の線膨張係数との差を示す。

図３は、９Ｃｒ鋼および１２Ｃｒ鋼のシャルピー衝撃吸収エネルギを示すグラフである。９Ｃｒ鋼および１２Ｃｒ鋼について、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠したシャルピーの衝撃試験を室温（２５℃）で実施して、シャルピー衝撃吸収エネルギを測定した。基材２を構成する１２Ｃｒ鋼に比べて、表面層３を構成する９Ｃｒ鋼のシャルピー衝撃吸収エネルギは大きい。そのため、１２Ｃｒ鋼から構成される基材２に比べて、９Ｃｒ鋼から構成される表面層３は、高い靭性を有し、き裂の発生および進展を抑制することができる。

タービン部材１は、基材２と表面層３との間に設けられ、第１の合金および第２の合金から構成される混合層（図示しない）をさらに備えてもよい。混合層と基材２とは、混合層の内面と基材２の表面２ａとの界面で、混合層を構成する第１の合金および第２の合金と基材２を構成する第１の合金との金属結合を介して、接合される。混合層と表面層３とは、混合層の表面と表面層３の内面３ｂとの界面で、混合層を構成する第１の合金および第２の合金と表面層３を構成する第２の合金との金属結合を介して、接合される。タービン部材１が混合層を備えると、表面層３は混合層を介して基材２に強固に接合されるため、基材２からの表面層３の剥離がさらに抑制される。

また、混合層の内部において、第１の合金に対する第２の合金の存在比（第２の合金／第１の合金）は、混合層の内面から表面に向かって増加する。この存在比は、混合層の内面から表面に向かって、連続的に増加してもよく、非連続的に増加してもよい。基材２と表面層３との剥離を抑えるという観点から、この存在比は連続的に増加することが好ましい。

次に、第１の実施の形態のタービン部材１の製造方法について説明する。第１の実施の形態のタービン部材１の製造方法は、第１の合金から構成される基材２を用意する工程（以下、用意工程ともいう）と、基材２の表面２ａに、第２の合金から構成され、基材２よりも強度が低いとともに延性が高い表面層３を形成する工程（以下、形成工程ともいう）とを有する。

用意工程では、第１の合金から構成される基材２を用意する。基材２は、市販品でもよいし、所定の方法によって形成してもよい。

形成工程では、基材２の表面２ａ上に表面層３を形成する。

図４は、第１の実施の形態のタービン部材１を製造する肉盛装置３０の構成を模式的に示す図である。ここでは、エネルギビームとしてレーザビームを用いた肉盛装置３０について説明するが、肉盛装置３０のエネルギビームはレーザビームに限られるものではない。エネルギビームとしては、レーザビームの他に、電子ビームやイオンビームなどが挙げられる。

図４に示すように、肉盛装置３０は、レーザ発振器３１と、溶接レーザヘッド３２と、レーザ発振器３１で発生したレーザ光を溶接レーザヘッド３２に導く光ファイバ３３とを備える。

また、肉盛装置３０は、第２の合金からなる第２の溶加材の粉末３４を供給する第２の溶加材供給装置３５と、第２の溶加材供給装置３５から導出された第２の溶加材の粉末３４を溶接レーザヘッド３２に導く溶加材供給管３６とを備える。さらに、肉盛装置３０は、シールドガス３７を供給するガス供給装置３８と、シールドガス３７をガス供給装置３８から溶接レーザヘッド３２に導くガス供給管３９とを備える。

また、後述するように用意工程において肉盛装置３０が基材２を形成する場合やタービン部材１が混合層を備える場合、肉盛装置３０は、第１の合金からなる第１の溶加材の粉末４０を供給する第１の溶加材供給装置４１と、第１の溶加材供給装置４１から導出された第１の溶加材の粉末４０を溶接レーザヘッド３２に導く溶加材供給管４２とを備える。

レーザ発振器３１としては、例えば、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザなどを使用することができる。

溶接レーザヘッド３２は、例えば、基材２に対して肉盛方向に走査することができる。また、基材２を溶接レーザヘッド３２に対して走査するように構成してもよい。溶接レーザヘッド３２内には、例えば、レーザ発振器３１から導かれたレーザ光をレーザビーム４３として基材２に照射する光路３２ｂと、第１の溶加材供給装置４１から導かれた第１の溶加材の粉末４０を基材２に供給する第１の粉末通路３２ｃと、第２の溶加材供給装置３５から導かれた第２の溶加材の粉末３４を基材２に供給する第２の粉末通路３２ｄと、ガス供給装置３８から導かれたシールドガス３７を基材２に供給するガス通路３２ｅとが備えられる。

レーザビーム４３、第１の溶加材の粉末４０、第２の溶加材の粉末３４、シールドガス３７は、例えば、基材２に対向する溶接レーザヘッド３２の端面３２ａから基材２に、それぞれ照射または供給される。また、溶接レーザヘッド３２の端面３２ａにおいて、第１の溶加材の粉末４０を噴出する噴出孔、第２の溶加材の粉末３４を噴出する噴出孔、およびシールドガス３７を噴出する噴出孔は、例えば、レーザビーム４３を出射する出射孔の周囲に周方向に均等に形成される。また、第１の溶加材の粉末４０を噴出する噴出孔および第２の溶加材の粉末３４を噴出する噴出孔は、例えば、シールドガス３７を噴出する噴出孔よりも内側に形成される。

第１の溶加材の粉末４０および第２の溶加材の粉末３４の平均粒径は、第１の溶加材の粉末４０および第２の溶加材の粉末３４を溶融池４４に的確に供給して確実に溶融させるために、例えば、４５μｍ以上１１０μｍ以下であることが好ましい。なお、平均粒径は、メディアン径である。また、粉末４０および粉末３４の粒径は、例えば、レーザ回折散乱法などによって測定される。

シールドガス３７は、例えば、不活性ガスで構成される。不活性ガスとしては、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素などを使用することができる。

なお、ここでは、肉盛部である表面層３などの酸化を抑制するために、シールドガス３７を供給するガス供給装置３８とガス供給管３９とガス通路３２ｅとからなる系統を備えた一例を示しているが、肉盛装置３０はシールドガス３７を供給する系統を備えなくてもよい。

次に、形成工程において、肉盛装置３０を用いて表面層３を形成する方法について詳しく説明する。

まず、形成しようとする表面層３の３次元ＣＡＤ図面を表面層３の厚さ方向に対して垂直にスライスして、表面層３をｎ個（ｎは１以上の整数）の層に分割し、分割したｎ個の層に応じたｎ個のデータを作成する。ここでは、表面層３の厚さ方向における最も低い位置の層を第１の層といい、第１の層上の層を第２の層といい、表面層３の厚さ方向における最も高い位置の層を第ｎの層という。また、第１の層を示すデータを第１のデータといい、第２の層を示すデータを第２のデータといい、第ｎの層を示すデータを第ｎのデータという。

続いて、第１のデータに基づいて、表面層３を構成する第１の層を形成する。具体的には、次のように行う。まず、レーザ発振器３１から出射されたレーザ光が、光ファイバ３３を通り、溶接レーザヘッド３２の光路３２ｂに導かれる。光路３２ｂに導かれたレーザ光は、溶接レーザヘッド３２の端面３２ａの中央からレーザビーム４３として、基材２における被肉盛面である基材２の表面２ａに向けて出射される。そして、出射されたレーザビーム４３は、基材２の表面２ａや後述する第２の溶加材の粉末３４に照射される。

また、第２の溶加材供給装置３５から溶加材供給管３６を介して溶接レーザヘッド３２の第２の粉末通路３２ｄに導かれた第２の溶加材の粉末３４は、溶接レーザヘッド３２の端面３２ａから、基材２における被肉盛面である基材２の表面２ａに供給される。第２の溶加材の粉末３４は、例えば、図４に示すように、レーザビーム４３の周囲からレーザビーム４３に沿って供給される。

被肉盛面である表面２ａに供給された第２の溶加材の粉末３４は、レーザビーム４３のエネルギによって溶融し、基材２の表面２ａ上に溶融池４４を形成する。そして、第２の溶加材の粉末３４は、レーザビーム４３のエネルギによって溶融池４４で溶融し、その後、温度の低下とともに凝固して溶融物となる。こうして、被肉盛面である基材２の表面２ａ上に、第２の溶加材の溶融物から構成される第１の層を肉盛溶接によって形成する。ｎが１の場合には、第１の層が表面層３に相当する。

ｎが２の場合には、次のようにして、第２の層を形成する。光路３２ｂに導かれたレーザ光は、溶接レーザヘッド３２の端面３２ａからレーザビーム４３として、基材２における被肉盛面である第１の層の表面に向けて出射される。そして、出射されたレーザビーム４３は、第１の層の表面や第２の溶加材の粉末３４に照射される。

また、第２の溶加材の粉末３４は、溶接レーザヘッド３２の端面３２ａから、基材２における被肉盛面である第１の層の表面に供給される。

被肉盛面である第１の層の表面に供給された第２の溶加材の粉末３４は、レーザビーム４３によって溶融し、第１の層の表面上に溶融池を形成する。そして、第２の溶加材の粉末３４は、レーザビーム４３によって溶融池で溶融し、その後、溶融物となる。こうして、被肉盛面である第１の層の表面上に、第２の溶加材の溶融物から構成される第２の層を肉盛溶接によって形成する。ｎが２の場合には、第１の層および第２の層によって表面層３が構成される。

ｎが３以上の場合には、次のようにして、第ｎの層を形成する。光路３２ｂに導かれたレーザ光は、レーザビーム４３として、基材２における被肉盛面である第ｎ−１の層の表面に向けて出射される。そして、出射されたレーザビーム４３は、第ｎ−１の層の表面や第２の溶加材の粉末３４に照射される。

また、第２の溶加材の粉末３４は、溶接レーザヘッド３２の端面３２ａから、基材２における被肉盛面である第ｎ−１の層の表面に供給される。

被肉盛面である第ｎ−１の層の表面に供給された第２の溶加材の粉末３４は、レーザビーム４３によって溶融し、第ｎ−１の層の表面上に溶融池を形成する。そして、第２の溶加材の粉末３４は、レーザビーム４３によって溶融池で溶融し、その後、溶融物となる。こうして、被肉盛面である第ｎ−１の層の表面上に、第２の溶加材の溶融物から構成される第ｎの層を肉盛溶接によって形成する。ｎが３以上の場合には、第１の層、第２の層、・・・第ｎの層によって表面層３が構成される。

このように、形成工程では、被肉盛面である基材２の表面２ａや表面層３を構成するｎ−１個の層に対して第２の溶加材の粉末３４を供給するとともに、第２の溶加材の粉末３４にレーザビーム４３を照射して、レーザビーム４３によって溶融した第２の溶加材の溶融物から構成される表面層３が被肉盛面に造形される。

なお、上記では、溶接レーザヘッド３２を介して第２の溶加材の粉末３４を被肉盛面に供給する一例を示したが、肉盛装置３０はこの構成に限られるものではない。第２の溶加材の粉末３４は、溶接レーザヘッド３２を介さずに、例えば別個に設けられた供給配管から、被肉盛面に供給してもよい。

また、用意工程において、肉盛装置３０を用いて基材２を形成することによって、基材２を用意してもよい。基材２は、次のような方法によって形成される。

光路３２ｂに導かれたレーザ光は、溶接レーザヘッド３２の端面３２ａからレーザビーム４３として、基材２を形成したい部分に向けて出射される。そして、出射されたレーザビーム４３は、当該部分や後述する第１の溶加材の粉末４０に照射される。

また、第１の溶加材供給装置４１から溶加材供給管４２を介して溶接レーザヘッド３２の第１の粉末通路３２ｃに導かれた第１の溶加材の粉末４０は、溶接レーザヘッド３２の端面３２ａから、基材２を形成したい部分に供給される。第１の溶加材の粉末４０は、例えば、図４に示すように、レーザビーム４３の周囲からレーザビーム４３に沿って供給される。

第１の溶加材の粉末４０は、レーザビーム４３によって溶融し、溶融池を形成する。そして、第１の溶加材の粉末４０は、レーザビーム４３によって溶融池で溶融し、その後、温度の低下とともに凝固して溶融物となる。こうして、第１の溶加材の溶融物から構成される基材２が肉盛溶接によって造形される。

また、タービン部材１が基材２と表面層３との間に設けられる混合層を備える場合、肉盛装置３０を用いて混合層を形成してもよい。混合層は、例えば次のような方法によって形成される。

まず、形成しようとする混合層の３次元ＣＡＤ図面を混合層の厚さ方向に対して垂直にスライスして、混合層をｎ個（ｎは２以上の整数）の層に分割し、分割したｎ個の層に応じたｎ個のデータを作成する。ここでは、混合層の厚さ方向における最も低い位置の層を第１の混合層といい、第１の混合層上の層を第２の混合層といい、混合層の厚さ方向における最も高い位置の層を第ｎの混合層という。また、第１の混合層を示すデータを第１の混合層データといい、第２の混合層を示すデータを第２の混合層データといい、第ｎの混合層を示すデータを第ｎの混合層データという。

また、混合層の厚さ方向における低い位置の層から高い位置の層に向かって、第１の合金に対する第２の合金の存在比（第２の合金／第１の合金）は増加する。具体的には、第１の混合層における当該存在比に比べて、第ｎの混合層における当該存在比は大きい。

続いて、第１の混合層データに基づいて、混合層を構成する第１の混合層を形成する。具体的には、次のように行う。光路３２ｂに導かれたレーザ光は、溶接レーザヘッド３２の端面３２ａからレーザビーム４３として、基材２における被肉盛面である基材２の表面２ａに向けて出射される。そして、出射されたレーザビーム４３は、基材２の表面２ａ、ならびに後述する第１の溶加材の粉末４０および第２の溶加材の粉末３４に照射される。

また、第１の溶加材の粉末４０および第２の溶加材の粉末３４は、溶接レーザヘッド３２の端面３２ａから、基材２における被肉盛面である基材２の表面２ａに供給される。

被肉盛面である表面２ａに供給された第１の溶加材の粉末４０および第２の溶加材の粉末３４は、レーザビーム４３によって溶融し、基材２の表面２ａ上に溶融池を形成する。そして、第１の溶加材の粉末４０および第２の溶加材の粉末３４は、レーザビーム４３によって溶融池で溶融し、その後、溶融物となる。こうして、被肉盛面である基材２の表面２ａ上に、第１の溶加材および第２の溶加材の溶融物から構成される第１の混合層を肉盛溶接によって形成する。

続いて、第ｎの混合層を次のようにして形成する。光路３２ｂに導かれたレーザ光は、レーザビーム４３として、基材２における被肉盛面である第ｎ−１の混合層の表面に向けて出射される。そして、出射されたレーザビーム４３は、第ｎ−１の混合層の表面、ならびに第１の溶加材の粉末４０および第２の溶加材の粉末３４に照射される。

また、第１の溶加材の粉末４０および第２の溶加材の粉末３４は、溶接レーザヘッド３２の端面３２ａから、基材２における被肉盛面である第ｎ−１の混合層の表面に供給される。なお、第１の混合層を形成するときに被肉盛面に供給された第１の溶加材の粉末４０の量に比べて、第ｎの混合層を形成するときに被肉盛面に供給される第１の溶加材の粉末４０の量は少ない。また、第１の混合層を形成するときに被肉盛面に供給された第２の溶加材の粉末３４の量に比べて、第ｎの混合層を形成するときに被肉盛面に供給される第２の溶加材の粉末３４の量は多い。

被肉盛面である第ｎ−１の層の表面に供給された第１の溶加材の粉末４０および第２の溶加材の粉末３４は、レーザビーム４３によって溶融し、第ｎ−１の層の表面上に溶融池を形成する。そして、第１の溶加材の粉末４０および第２の溶加材の粉末３４は、レーザビーム４３によって溶融池４４で溶融し、その後、溶融物となる。こうして、被肉盛面である第ｎ−１の層の表面上に、第１の溶加材および第２の溶加材の溶融物から構成される第ｎの混合層を肉盛溶接によって形成する。こうして、第１の混合層、・・・第ｎの混合層から構成される混合層が被肉盛面に造形される。

このように、肉盛装置３０を用いて、表面層３、基材２、混合層を肉盛溶接によって形成することができる。また、肉盛装置３０を用いて、タービン部材１自体を製造してもよい。なお、上述したように表面層３、基材２、混合層を肉盛溶接によって形成することができれば、肉盛装置３０は上記した構成に限られるものではない。

また、肉盛装置３０は、鋳造などの製造方法では製造困難であった中空の基材を形成することができる。鋳造などで製造される中実の基材２を備えるタービン部材１に比べて、中空の基材を備えるタービン部材１の重さは軽くなる。このような軽量化したタービン部材１を動翼に適用する場合、動翼に掛かる遠心力は低下する。そのため、基材２に使用される材料の選択性が向上する。

上記したように、第１の実施の形態のタービン部材１およびタービン部材１の製造方法によれば、高強度である基材２の表面２ａ上に、高延性かつ高靭性であるとともに、基材２と異なる組成を有する表面層３を肉盛溶接することによって、強度および靭性に優れたタービン部材１を得ることができる。高強度かつ高靭性であるタービン部材１は、耐き裂性に優れている。そのため、タービン部材１の破損を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態のタービン部材１００ａを模式的に示す断面図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態のタービン部材１の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

第２の実施の形態のタービン部材１００ａにおいて、基材２００の表面２００ａの構成が異なる以外は、第１の実施の形態のタービン部材１の構成と基本的に同じである。そのため、ここでは、その異なる構成について主に説明する。

ここでは、第１の実施の形態と同様に、タービン部材１００ａとして、動翼を例示して説明する。図５に示す断面図は、周方向に配置された動翼の所定の翼高さにおける、翼高さ方向に垂直な断面を示した図である。

図５に示すように、第２の実施の形態のタービン部材１００ａは、基材２００と、基材２００の表面２００ａを覆う表面層３００とを備える。表面層３００の表面３００ａは、タービン部材１００ａの表面をなす。

基材２００は、表面２００ａに凹凸構造を備える。この凹凸構造は、規則的であっても、不規則的であってもよい。また、表面層３００は、基材２００の表面２００ａの凹凸構造と対向する内面３００ｂに凹凸構造を備える。さらに、表面２００ａの凹凸構造は、表面層３００によって覆われている基材２００の表面２００ａの部分に設けられる。ここでは、凹凸構造が基材２００の表面２００ａの全体に形成される一例について示しているが、凹凸構造は基材２００の表面２００ａの一部に形成されてもよい。例えば表面層３００が基材２００の表面２００ａの一部を覆う場合、凹凸構造は表面層３００によって覆われている基材２００の表面２００ａの一部に設けられる。

基材２００の表面２００ａに設けられる凹凸構造は、既知の方法によって形成されてもよいし、上記した肉盛装置３０によって形成されてもよい。既知の方法とは、例えば、ショットピーニング加工などが挙げられる。

このように、タービン部材１における基材２の表面２ａに比べて、タービン部材１００ａにおける基材２００の表面２００ａの表面粗さは大きい。そのため、タービン部材１に比べて、タービン部材１００ａにおける基材２００と表面層３００との密着性は向上する。

図６は、第２の実施の形態のタービン部材の他の例を模式的に示す断面図である。図６に示すタービン部材１００ｂを構成する基材２００の表面２００ａに設けられる凹凸構造は、凹部２０１と凸部２０２とから構成される。ここでは、表面２００ａの凹凸構造は、複数の凹部２０１と複数の凸部２０２とから構成される一例について示しているが、表面２００ａの凹凸構造は、単数の凹部２０１と単数の凸部２０２とから構成されてもよい。

基材２００の凹部２０１において、タービン部材１００ｂの内部から表面に向かって、タービン部材１００ｂの表面に沿った凹部２０１の幅は狭まっており、凹部２０１の幅の方向に沿った凹部２０１の断面は逆扇状である。また、基材２００の凸部２０２において、タービン部材１００ｂの内部から表面に向かって、タービン部材１００ｂの表面に沿った凸部２０２の幅は広がっており、凸部２０２の幅の方向に沿った凸部２０２の断面は扇状である。

また、表面層３００は、内面３００ｂに凹凸構造を備える。表面層３００の内面３００ｂに形成される凹凸構造は、凹部３０１と凸部３０２とから構成される。ここでは、内面３００ｂの凹凸構造は、複数の凹部３０１と複数の凸部３０２とから構成される一例について示しているが、内面３００ｂの凹凸構造は、単数の凹部３０１と単数の凸部３０２とから構成されてもよい。

表面層３００の凹部３０１において、タービン部材１００ｂの内部から表面に向かって、タービン部材１００ｂの表面に沿った凹部３０１の幅は広がっており、凹部３０１の幅の方向に沿った凹部３０１の断面は扇状である。また、表面層３００の凸部３０２において、タービン部材１００ｂの内部から表面に向かって、タービン部材１００ｂの表面に沿った凸部３０２の幅は狭まっており、凸部３０２の幅の方向に沿った凸部３０２の断面は逆扇状である。

基材２００の表面２００ａに形成される凸部２０２は、表面層３００の内面３００ｂに形成される凹部３０１内に設けられる。そして、基材２００の凸部２０２と表面層３００の凹部３０１とは互いに嵌合する。また、表面層３００の内面３００ｂに形成される凸部３０２は、基材２００の表面２００ａに形成される凹部２０１内に設けられる。そして、表面層３００の凸部３０２と基材２００の凹部２０１とは互いに嵌合する。

このように、基材２００および表面層３００は、基材２００の表面２００ａと表面層３００の内面３００ｂとの界面で、基材２００を構成する第１の合金と表面層３００を構成する第２の合金との金属結合を介して接合されるとともに、基材２００の凸部２０２および表面層３００の凹部３０１、ならびに表面層３００の凸部３０２および基材２００の凹部２０１の物理的な嵌合によっても接合される。そのため、タービン部材１，１００ａに比べて、タービン部材１００ｂにおける基材２００と表面層３００との密着性はさらに向上する。

また、タービン部材１００ａ，１００ｂは、上記した混合層（図示しない）を備えてもよい。混合層は、基材２００と表面層３００との間に設けられ、第１の合金および第２の合金から構成される。

上記したように、第２の実施の形態のタービン部材１００ａ，１００ｂによれば、表面２００ａに凹凸構造を備える基材２００上に表面層３００を設けることによって、優れた強度および靭性を有することができる。また、基材２の表面２ａの表面粗さに比べて、基材２００の表面２００ａの表面粗さは大きい。そのため、タービン部材１００ａ，１００ｂにおいて、基材２００と表面層３００との密着性が向上し、基材２００からの表面層３００の剥離がさらに抑制される。

以上説明した実施の形態によれば、き裂の発生およびき裂の進展を抑制し、衝撃特性を向上したタービン部材、軸流タービン、およびタービン部材の製造方法を提供することができる。

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。

１，１００ａ，１００ｂ…タービン部材、２，２００…基材、２ａ，２００ａ…表面、２ｂ…前縁、３，３００…表面層、３ａ，３００ａ…表面、３ｂ，３００ｂ…内面、１０…軸流タービン、１１…ケーシング、１２…タービンロータ、１２ａ…ロータディスク、１３…動翼、１４…ダイアフラム外輪、１５…ダイアフラム内輪、１６…静翼、１７…蒸気流路、１８…グランドシール部、１９…シール部、２０…クロスオーバ管、３０…肉盛装置、３１…レーザ発振器、３２…溶接レーザヘッド、３２ａ…端面、３２ｂ…光路、３２ｃ…第１の粉末通路、３２ｄ…第２の粉末通路、３２ｅ…ガス通路、３３…光ファイバ、３４…第２の溶加材の粉末、３５…第２の溶加材供給装置、３６…溶加材供給管、３７…シールドガス、３８…ガス供給装置、３９…ガス供給管、４０…第１の溶加材の粉末、４１…第１の溶加材供給装置、４２…溶加材供給管、４３…レーザビーム、４４…溶融池、２０１，３０１…凹部、２０２，３０２…凸部。

Claims (11)

1. 第１の合金から構成される基材と、
   前記基材の表面を覆い、第２の合金から構成され、前記基材よりも強度が低いとともに延性が高い表面層と
   を備えることを特徴とするタービン部材。
2. 前記基材は、その表面に凹凸構造を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービン部材。
3. 前記第１の合金は、前記第２の合金との１００℃以上９００℃以下における線膨張係数の差が０．１×１０^−６／℃以上１．３×１０^−６／℃以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン部材。
4. 前記基材と前記表面層との間に設けられ、前記第１の合金および前記第２の合金から構成され、前記第１の合金に対する前記第２の合金の存在比がその内面からその表面に向かって増加する混合層をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタービン部材。
5. 前記第１の合金および前記第２の合金はＦｅ基合金であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のタービン部材。
6. 前記第１の合金および前記第２の合金はＮｉ基合金であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のタービン部材。
7. ケーシングと、
   前記ケーシング内に設けられ、ロータディスクをタービンロータ軸方向に複数有するタービンロータと、
   前記ロータディスクに周方向に植設される複数の動翼と、
   前記ケーシング内に設けられ、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に周方向に亘って支持される複数の静翼と、
   を備える軸流タービンであって、
   前記動翼および前記静翼の少なくとも一方が請求項１乃至６のいずれか１項に記載のタービン部材であることを特徴とする軸流タービン。
8. 第１の合金から構成される基材を用意する工程と、
   前記基材の表面に、第２の合金から構成され、前記基材よりも強度が低いとともに延性が高い表面層を形成する工程と
   を有することを特徴とするタービン部材の製造方法。
9. 前記表面層を形成する工程において、前記基材における被肉盛面に前記第２の合金からなる第２の溶加材を供給するとともに、前記第２の溶加材にエネルギビームを照射し、前記第２の溶加材の溶融物から構成される前記表面層を形成することを特徴とする請求項８に記載のタービン部材の製造方法。
10. 前記基材を用意する工程において、前記第１の合金からなる第１の溶加材にエネルギビームを照射し、前記第１の溶加材の溶融物から構成される前記基材を形成することを特徴とする請求項８または９に記載のタービン部材の製造方法。
11. 前記エネルギビームはレーザビームであることを特徴とする請求項９または１０に記載のタービン部材の製造方法。

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