JP2017214835A - MANUFACTURING METHOD FOR HIGH Cr STEEL COMPONENT - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、高Cr鋼部品の製造方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a method for manufacturing a high Cr steel part.
火力発電システムは、発電効率を更に高めるために、蒸気タービンに作動流体として供給する蒸気の温度が上昇する傾向にある。その結果、蒸気タービンを構成する蒸気タービン部品においては、高温特性の向上が要求されている。特に、高温特性として、クリープ強度の要求が厳しくなっている。 In the thermal power generation system, the temperature of steam supplied as a working fluid to the steam turbine tends to increase in order to further increase the power generation efficiency. As a result, steam turbine components that constitute the steam turbine are required to have improved high-temperature characteristics. In particular, as a high-temperature characteristic, the requirement for creep strength has become strict.
蒸気タービン部品は、耐熱性を確保するため、たとえば、高Cr鋼(組成中のクロム(Cr)の含有割合が9質量%以上である合金鋼)を用いて形成されている。しかし、作動流体である蒸気の温度が上昇するに伴って、クリープ強度を十分に得ることが困難になってきている。 The steam turbine component is formed using, for example, high Cr steel (alloy steel having a chromium (Cr) content of 9% by mass or more) in order to ensure heat resistance. However, as the temperature of the working fluid vapor rises, it has become difficult to obtain sufficient creep strength.
蒸気タービン部品などの高Cr鋼部品は、高いクリープ強度が必要な部分の他に、クリープ強度以外の特性が必要な部分がある。たとえば、蒸気タービン部品であるタービンロータにおいて、動翼が設置される軸中央部は、高温の作動流体に曝されるので、高いクリープ強度が必要である。これに対して、タービンロータにおいて、軸受で支持される軸端部は、高温の作動流体に曝されないので、高いクリープ強度を必要とせずに、比較的に温度が低い状態における強度が高いことを必要とする。クリープ強度と、温度が低い状態における強度との両者は、二律背反の関係である。従来の高Cr鋼部品の製造方法では、上記した二律背反の関係にある特性のそれぞれを、高Cr鋼部品において必要な部分に付加することが容易でない。つまり、高Cr鋼部品においては、相反する両者の特性を両立させることが困難である。 High Cr steel parts such as steam turbine parts have parts that require characteristics other than creep strength in addition to parts that require high creep strength. For example, in a turbine rotor, which is a steam turbine component, the central portion of the shaft on which the moving blades are installed is exposed to a high-temperature working fluid, and thus high creep strength is required. On the other hand, in the turbine rotor, the shaft end portion supported by the bearing is not exposed to a high-temperature working fluid, so that the strength in a relatively low temperature state is high without requiring high creep strength. I need. Both the creep strength and the strength at a low temperature are in a trade-off relationship. In the conventional manufacturing method of high Cr steel parts, it is not easy to add each of the above-mentioned characteristics in a trade-off relationship to necessary portions in the high Cr steel parts. That is, in high Cr steel parts, it is difficult to achieve both conflicting characteristics.
したがって、本発明が解決しようとする課題は、二律背反の関係にある特性のそれぞれを高Cr鋼部品において必要な部分に容易に付加することが可能な、高Cr鋼部品の製造方法を提供することである。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a high Cr steel part, which can easily add each of the characteristics in a trade-off relationship to a necessary part in the high Cr steel part. It is.
実施形態に係る高Cr鋼部品の製造方法は、窒素を組成に含む高Cr鋼の金属粉末にエネルギービームを照射することで金属粉末を溶融させることによって、窒素を含有する金属層を形成する金属層形成工程を有し、金属層形成工程を三次元設計データに基づいて繰り返し実行して金属層を積層することで、窒素が傾斜した傾斜組成を含む高Cr鋼部品を製造する。ここでは、金属層形成工程においてエネルギービームにより金属粉末に熱が入る入熱量を調整することによって、傾斜組成を形成する。 The manufacturing method of the high Cr steel part which concerns on embodiment is the metal which forms the metal layer containing nitrogen by melting metal powder by irradiating an energy beam to the metal powder of the high Cr steel which contains nitrogen in a composition A high Cr steel part including a gradient composition in which nitrogen is inclined is manufactured by repeatedly performing the metal layer formation process based on the three-dimensional design data and laminating the metal layers. Here, the gradient composition is formed by adjusting the amount of heat input to the metal powder by the energy beam in the metal layer forming step.
本発明によれば、二律背反の関係にある特性のそれぞれを高Cr鋼部品において必要な部分に容易に付加することが可能な、高Cr鋼部品の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the high Cr steel component which can add each of the characteristic in a trade-off relationship to a required part in a high Cr steel component easily can be provided.
実施形態に係る高Cr鋼部品の構成に関して説明する。 The configuration of the high Cr steel part according to the embodiment will be described.
図1は、実施形態の高Cr鋼部品について模式的に示す断面図である。ここでは、高Cr鋼部品として、蒸気タービン部品であるタービンロータ10を例示する。タービンロータ10は、棒状体であって、タービンケーシング(図示省略)の内部において水平方向に回転軸AXが沿うように設置される。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the high Cr steel part of the embodiment. Here, the
タービンロータ10において、回転軸AXに沿った軸方向の中央に位置する軸中央部11には、動翼(図示省略)が設置される。軸中央部11において、動翼は、軸方向に沿って複数段が設置される。軸中央部11では、蒸気タービンの運転が行われるときには、タービンケーシングの内部に作動流体として供給された高温の蒸気が、複数段の動翼を順次介して軸方向に沿って流れる。たとえば、蒸気タービンが複流排気型である場合には、高温の蒸気は、軸中央部11において中心から側方へ流れ、外部へ排気される。軸中央部11は、蒸気タービンの運転時に高温の蒸気に曝されるので、温度が高くなる。
In the
タービンロータ10において、軸方向の両側部に位置する軸端部12は、軸受(図示省略)で支持される部分を含む。軸端部12は、軸中央部11と異なり、蒸気タービンの運転が行われるときに高温の蒸気に曝されないので、軸中央部11よりも温度が高くならない。
In the
本実施形態では、タービンロータ10は、窒素が傾斜した傾斜組成を含むように形成された傾斜機能材である。具体的には、タービンロータ10は、高Cr鋼の組成中に窒素が含有する窒素含有量が、軸中央部11よりも軸端部12の方が少なくなっている。つまり、タービンロータ10において、軸中央部11は、第1の窒素含有量の部分であって、軸端部12は、第1の窒素含有量よりも多い第2の窒素含有量の部分であり、軸方向において窒素含有量が段階的に変化している。
In the present embodiment, the
これにより、本実施形態では、クリープ強度は、軸中央部11の方が軸端部12よりも高い。これに対して、クリープ強度の測定温度よりも温度が低い状態における強度は、軸中央部11よりも軸端部12の方が高い。
Thereby, in this embodiment, the creep strength is higher in the
高Cr鋼部品として上記のタービンロータ10を製造する製造方法に関して説明する。
A manufacturing method for manufacturing the
図2A、図2B、図3A、図3B、および、図4は、実施形態の高Cr鋼部品を製造する製造方法について模式的に示す断面図である。 FIG. 2A, FIG. 2B, FIG. 3A, FIG. 3B, and FIG. 4 are sectional views schematically showing a manufacturing method for manufacturing the high Cr steel part of the embodiment.
本実施形態では、三次元積層造形技術を用いて、窒素が傾斜した傾斜組成を含むタービンロータ10を製造する。ここでは、ノズル31とステージ32とを備えた「パウダベッド方式」の三次元積層造形装置30(3Dプリンタ)を使用して、タービンロータ10の製造を行う場合を例示する。
In this embodiment, the
タービンロータ10を製造する際には、まず、図2Aに示すように、金属粉末層41をステージ32の上面に設ける。ここでは、三次元積層造形装置30においてステージ32を収容した粉末貯留空間(図示省略)の内部に、ノズル31から金属粉末310を供給して充填する。その後、スキージなどの板(図示省略)を用いて、その金属粉末310の上面を均して平坦化する。これにより、金属粉末層41が均一な厚みで形成される。
When manufacturing the
金属粉末310としては、窒素成分を組成に含む高Cr鋼を用いる。たとえば、高Cr鋼として、9〜11.5質量%のクロム(Cr)、0.15〜0.30%質量%のバナジウム(V)、0.01〜0.03質量%の窒素(N)、0.005〜0.015%質量%のホウ素(B)を組成に含む耐熱鋼を用いる。この耐熱鋼を原材料として用いることによって、タービンロータ10において、クリープ強度を十分に確保することが可能である。
As the
金属粉末310は、粒子径(JIS Z8815−1994「ふるい分け試験方法通則」)が、たとえば、15〜150μmであるものを好適に用いることができる。
As the
つぎに、図2Bに示すように、金属粉末層41にエネルギービームEB1,EB2を照射することによって、金属層411,412を形成する。ここでは、エネルギービームEB1,EB2として、電子ビームまたはレーザビームなどを照射する。これにより、金属粉末層41を構成する金属粉末310が溶融した後に凝固した焼結体が、金属層411,412として形成される。
Next, as shown in FIG. 2B, the
エネルギービームEB1,EB2の照射については、タービンロータ10の三次元設計データ(三次元CADデータ)に基づいて、三次元積層造形装置30の制御装置(図示省略)が照射位置の調整を行って実行する。
The irradiation of the energy beams EB1 and EB2 is executed by the control device (not shown) of the three-dimensional additive manufacturing apparatus 30 adjusting the irradiation position based on the three-dimensional design data (three-dimensional CAD data) of the
このとき、本実施形態では、三次元積層造形装置30の制御装置がエネルギービームEB1,EB2により金属粉末310に熱が入る入熱量を調整することによって、金属層411,412に含有する窒素の割合を制御する。
At this time, in this embodiment, the ratio of nitrogen contained in the metal layers 411 and 412 is adjusted by the control device of the three-dimensional additive manufacturing apparatus 30 by adjusting the amount of heat input to the
具体的には、金属粉末層41のうち軸中央部11を形成する部分の金属粉末310に対しては、第1入熱量の熱を入れるように、エネルギービームEB1を照射する。これにより、第1の窒素含有量である軸中央部11の一部を構成する金属層411が形成される。
Specifically, the energy beam EB1 is applied to the portion of the
これに対して、金属粉末層41のうち軸端部12を形成する部分の金属粉末310に対しては、第1入熱量よりも小さい第2入熱量の熱を入れるように、エネルギービームEB2を照射する。これにより、第1の窒素含有量よりも多い第2の窒素含有量である軸端部12の一部を構成する金属層412が形成される。
On the other hand, the energy beam EB2 is applied to the portion of the
金属粉末層41は、エネルギービームEB1,EB2によって熱が加えられることで金属粉末310が溶融し、金属粉末310の組成に含まれる窒素成分が窒素ガスとして離脱する。窒素ガスとして離脱する量は、エネルギービームEB1,EB2による入熱量が大きくなるに伴って増加する。このため、本実施形態では、窒素含有量は、上記したように、軸中央部11の一部を構成する金属層411よりも、軸端部12の一部を構成する金属層412の方が少なくなる。これにより、クリープ強度については、軸中央部11の金属層411の方が軸端部12の金属層412よりも高くなる。そして、クリープ強度の測定温度よりも比較的に温度が低い状態における強度については、軸中央部11の金属層411よりも軸端部12の金属層412の方が高くなる。
In the
図3Aに示すように、金属粉末層41の形成を上記と同様に実行する(図2A参照)。その後、図3Bに示すように、エネルギービームEB1,EB2の照射を上記と同様に実行する(図2B参照)。つまり、金属層411,412を形成する金属層形成工程を三次元設計データに基づいて繰り返し実行し、金属層411,412を順次積層する。
As shown in FIG. 3A, the
これにより、図4に示すように、金属層411,412の積層体が、タービンロータ10として形成される。そして、タービンロータ10の周囲に残った未溶融部分の金属粉末310を除去することで、タービンロータ10を完成させる(図1参照)。
Thereby, as shown in FIG. 4, a laminated body of the metal layers 411 and 412 is formed as the
以上のように、本実施形態では、三次元積層造形技術を用いて製造する際に、エネルギービームEB1,EB2により金属粉末310に熱が入る入熱量を調整することで、窒素含有量を制御する。したがって、本実施形態においては、クリープ強度と、クリープ強度の測定温度よりも比較的に温度が低い状態における強度とのように、二律背反の関係にある特性のそれぞれを、タービンロータ10において必要な部分に容易に付加することができる。
As described above, in the present embodiment, when manufacturing using the three-dimensional additive manufacturing technique, the nitrogen content is controlled by adjusting the amount of heat input to the
具体的には、組成が異なる複数の金属粉末の配合比を変えることで傾斜組成を形成することが可能であるが、本実施形態では、特別な機構を用いずに、エネルギービームEB1,EB2による入熱量の調整で容易に傾斜組成を形成することができる。また、熱処理条件を変えることで傾斜組成を形成する場合よりも、本実施形態では、微細かつ複雑な傾斜組成を容易に形成することができる。 Specifically, it is possible to form a gradient composition by changing the blending ratio of a plurality of metal powders having different compositions, but in this embodiment, the energy beams EB1 and EB2 are used without using a special mechanism. A gradient composition can be easily formed by adjusting the amount of heat input. Further, in the present embodiment, a fine and complicated gradient composition can be easily formed, compared to the case where the gradient composition is formed by changing the heat treatment conditions.
なお、上記の実施形態では、窒素が傾斜した傾斜組成を有する高Cr鋼部品として、タービンロータ10を例示したが、これに限らない。タービンロータ10以外に、動翼、静翼などの蒸気タービン部品について、上記の実施形態と同様に、傾斜組成を有するように構成してもよい。たとえば、動翼等については、ラジアル方向において、傾斜組成を有するように形成してもよい。
In the above embodiment, the
上記の実施形態では、窒素含有量が段階的に変化する傾斜組成を有する高Cr鋼部品について例示したが、これに限らない。窒素含有量が連続的に変化する傾斜組成を有するように、高Cr鋼部品を構成してもよい。 In the above embodiment, the high Cr steel part having a gradient composition in which the nitrogen content changes stepwise is exemplified, but the present invention is not limited to this. High Cr steel parts may be configured to have a graded composition with a continuously changing nitrogen content.
上記の実施形態において高Cr鋼部品の製造で用いた三次元積層造形装置30は、「パウダベッド方式」であるが、これに限らない。三次元積層造形装置は、「デポジション方式」であってもよい。つまり、ノズルからステージの上面に噴射した金属粉末にエネルギービームを照射し、金属粉末を焼結させることによって金属層を形成することを、高Cr鋼部品の三次元設計データに基づいて繰り返し実行することで金属層を積層して、高Cr鋼部品を製造してもよい。 The three-dimensional additive manufacturing apparatus 30 used in the production of the high Cr steel part in the above embodiment is a “powder bed method”, but is not limited thereto. The three-dimensional additive manufacturing apparatus may be a “deposition method”. In other words, the metal powder injected from the nozzle onto the upper surface of the stage is irradiated with an energy beam and the metal powder is sintered to repeatedly form a metal layer based on the three-dimensional design data of the high Cr steel part. Thus, a high Cr steel part may be manufactured by laminating metal layers.
以下より、上記した実施形態の実施例について説明する。 Examples of the above embodiment will be described below.
本実施例では、10質量%のクロム(Cr)、0.2質量%のバナジウム(V)、0.08質量%のニオブ(Nb)、2質量%のタングステン(W)、0.03質量%の窒素(N)、および、0.01%質量%のホウ素(B)を組成中に含む高Cr鋼の金属粉末を準備した。ここでは、粒子径の範囲が45〜95μmである金属粉末を準備した。 In this example, 10 mass% chromium (Cr), 0.2 mass% vanadium (V), 0.08 mass% niobium (Nb), 2 mass% tungsten (W), 0.03 mass%. A high Cr steel metal powder containing nitrogen (N) and 0.01% by mass of boron (B) in the composition was prepared. Here, a metal powder having a particle size range of 45 to 95 μm was prepared.
そして、上記の金属粉末を用いて、直方体形状の造形物を高Cr鋼部品として作製した。造形物の作製においては、電子ビームをエネルギービームとして照射する「パウダベッド方式」の三次元積層造形装置を用いた。 And the rectangular parallelepiped shaped modeling thing was produced as a high Cr steel component using said metal powder. In the production of the modeled object, a “powder bed type” three-dimensional layered modeling apparatus that irradiates an electron beam as an energy beam was used.
具体的には、電子ビームの電流値が10mAである条件で、第1層を作製した。その後、電子ビームの電流値が25mAである条件で、第2層を第1層に積層させた。第1層および第2層のそれぞれについては、縦の寸法が70mmであり、横の寸法が15mmであり、厚みが15mmになるように形成した。 Specifically, the first layer was fabricated under the condition that the current value of the electron beam is 10 mA. Thereafter, the second layer was laminated on the first layer under the condition that the current value of the electron beam was 25 mA. Each of the first layer and the second layer was formed so that the vertical dimension was 70 mm, the horizontal dimension was 15 mm, and the thickness was 15 mm.
そして、上記の造形物を構成する第1層と第2層とのそれぞれから、クリープ試験片を採取した後に、そのクリープ試験片についてクリープ試験を行った。クリープ試験は、温度が650℃であって、圧力が16kgf/mm2である試験条件で行った。その他、「温度が低い状態における強度」を測定するために、各試験片について引張試験を行った。 And after taking a creep test piece from each of the 1st layer and the 2nd layer which constitute the above-mentioned modeling thing, the creep test was done about the creep test piece. The creep test was performed under test conditions where the temperature was 650 ° C. and the pressure was 16 kgf / mm 2 . In addition, a tensile test was performed on each test piece in order to measure “strength at a low temperature”.
電子ビームの電流値が10mAである条件で作製した第1層のクリープ試験片は、クリープ破断寿命が1616時間であった。また、この第1層のクリープ試験片は、窒素含有量が210ppmであった。そして、この第1層の試験片について引張試験を行った結果、引張強度が950MPaであった。 The creep test piece of the first layer produced under the condition that the current value of the electron beam is 10 mA has a creep rupture life of 1616 hours. Further, the creep test piece of the first layer had a nitrogen content of 210 ppm. And as a result of performing the tensile test about the test piece of this 1st layer, tensile strength was 950 MPa.
これに対して、電子ビームの電流値が25mAである条件で作製した第2層のクリープ試験片は、クリープ破断寿命が2525時間であった。また、この第2層のクリープ試験片は、窒素含有量が140ppmであった。そして、この窒素含有量が少ない試験片について引張試験を行った結果、引張強度が900MPaであった。 In contrast, the creep test piece of the second layer produced under the condition that the current value of the electron beam is 25 mA has a creep rupture life of 2525 hours. Further, this second layer creep test piece had a nitrogen content of 140 ppm. And as a result of performing a tensile test about the test piece with a small nitrogen content, the tensile strength was 900 MPa.
このように、電子ビームによる入熱量を変えることで、組成中の窒素含有量およびクリープ特性等を変化可能であることが確認できた。 Thus, it was confirmed that the nitrogen content in the composition and the creep characteristics can be changed by changing the amount of heat input by the electron beam.
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。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…タービンロータ、11…軸中央部、12…軸端部、30…三次元積層造形装置、31…ノズル、32…ステージ、41…金属粉末層、310…金属粉末、411…金属層、412…金属層、AX…回転軸、EB1,EB2…エネルギービーム
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記金属層形成工程において前記エネルギービームにより前記金属粉末に熱が入る入熱量を調整することによって、前記傾斜組成を形成する、
高Cr鋼部品の製造方法。 A metal layer forming step of forming a metal layer containing nitrogen by melting the metal powder by irradiating an energy beam to a metal powder of high Cr steel containing nitrogen in the composition, the metal layer forming step Is a method of manufacturing a high Cr steel part, which repeatedly executes the process based on the three-dimensional design data and stacks the metal layer to manufacture a high Cr steel part including a gradient composition in which nitrogen is inclined,
Forming the gradient composition by adjusting the amount of heat input to the metal powder by the energy beam in the metal layer forming step;
Manufacturing method for high Cr steel parts.
前記金属粉末に第1入熱量の熱を入れるように前記金属粉末にエネルギービームを照射することによって、前記傾斜組成において第1の窒素含有量の部分を形成し、
前記金属粉末に第1入熱量よりも小さい第2入熱量の熱を入れるように前記金属粉末にエネルギービームを照射することによって、前記傾斜組成において前記第1の窒素含有量よりも多い第2の窒素含有量の部分を形成する、
請求項1に記載の高Cr鋼部品の製造方法。 In the metal layer forming step,
By irradiating the metal powder with an energy beam so as to put heat of the first heat input into the metal powder, a portion of the first nitrogen content in the gradient composition is formed,
By irradiating the metal powder with an energy beam so as to put a heat having a second heat input amount smaller than the first heat input amount into the metal powder, a second second content higher than the first nitrogen content in the gradient composition. Forming part of the nitrogen content,
The manufacturing method of the high Cr steel component of Claim 1.
請求項1または2に記載の高Cr鋼部品の製造方法。 The high Cr steel part is a steam turbine part,
The manufacturing method of the high Cr steel component of Claim 1 or 2.
請求項3に記載の高Cr鋼部品の製造方法。 The steam turbine component is a turbine rotor;
The manufacturing method of the high Cr steel component of Claim 3.
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