JP2019105250A - タービンロータおよびタービンロータの製造方法 - Google Patents
タービンロータおよびタービンロータの製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
法を提供する。
【解決手段】実施形態のタービンロータは、少なくとも、高Cr合金鋼ロータと、前記高
Cr合金鋼ロータよりCrの含有量が少ない低Cr合金鋼ロータとを溶接金属で接続され
たタービンロータであって、前記高Cr合金鋼が、質量%で、C:0.05〜0.20%
、Si:0.01〜0.10%、Mn:0.01〜0.10%未満、Ni:0.05〜0
.50%、Cr:9.00〜9.99%、Mo:0.05〜1.00%、V:0.05〜
0.30%、N:0.010〜0.025%、W:1.00〜2.20%、Nb:0.0
1〜0.15%、Co:1〜5%、B:0.003〜0.030%以下を含み残部がFe
および不可避的不純物からなる。
【選択図】図1
Description
30℃となる蒸気タービンロータが計画されている。このため630℃温度環境下で長時
間運転を想定して、よりクリープ強度の優れた高Cr合金鋼の適用が必要となる。
高Cr合金鋼が使用され、低温領域は低Cr合金鋼が使用され、各々は溶接継手を介して
溶接接合される蒸気タービンロータが適用されている。ここで、溶接継手とは溶接金属、
高Cr合金鋼側の熱影響部(HAZ:Heat-Affected Zone)および低Cr合金鋼側の熱影
響部から構成される。
とに加えて、高温クリープ強度が要求される。
ープ強度が最弱になると予想される。
なる溶接金属を選定するだけでなく、よりクリープ強度が優れた低Cr合金鋼の使用が必
要となる。
よびタービンロータの製造方法を提供することである。
ロータよりCrの含有量が少ない低Cr合金鋼ロータとを溶接金属で接続されたタービン
ロータであって、前記高Cr合金鋼が、質量%で、C:0.05〜0.20%、Si:0
.01〜0.10%、Mn:0.01〜0.10%未満、Ni:0.05〜0.50%、
Cr:9.00〜9.99%、Mo:0.05〜1.00%、V:0.05〜0.30%
、N:0.010〜0.025%、W:1.00〜2.20%、Nb:0.01〜0.1
5%、Co:1〜5%、B:0.003〜0.030%以下を含み残部がFeおよび不可
避的不純物からなり、前記低Cr合金鋼が、質量%で、C:0.25〜0.35%、Si
:0.15%以下、Mn:0.2〜0.8%、Ni:0.3〜0.6%、Cr:1.6〜
1.9%、Mo:0.6〜1.1%、V:0.26〜0.35%、W:0.6〜1.4%
、Mo+W/2:1.3〜1.4%、N:0.002〜0.008%を含み、残部がFe
および不可避的不純物からなり、前記溶接金属が、質量%で、C:0.05〜0.15%
、Mn:0.1〜1.0%以下、Cr:2.0〜3.5%、Ni:0.01〜0.10%
、Mo:0.5〜1.5%、V:0.2〜0.4%、Nb:0.01〜0.05%、P:
0.03%以下、S:0.03%以下を含む。
乃至図4を参照して説明する。
ータ中央部から流入する複流型であり、高Cr合金鋼ロータシャフト1と、低Cr合金鋼
ロータシャフト2と、これらを溶接金属を用いて溶接接合した溶接継手3とからなる構成
である。
Cは、焼入れ性を確保し、マルテンサイト変態を促進させるとともに、合金中のFe、C
r、MoなどとM23C6型炭化物の形成や、Nb、V、N、などとMX型炭窒化物を形
成して、析出強化により高温クリープ強度を高めるために不可欠な元素である。Cは、耐
力の向上にも寄与するとともに、δフェライト生成の抑制にも不可欠な元素である。これ
らの効果を発揮させるために、Cを0.05%以上含有することが必要である。一方、C
の含有量が0.2%を超えると、炭化物や炭窒化物の凝集や粗大化が起こりやすくなり、
高温クリープ破断強度が低下する。そのため、Cの含有率を0.05〜0.2%とした。
Siは、溶鋼の脱酸剤として有効な元素である。この効果を発揮するために、Siを0.
01%以上含有する必要がある。一方、Siの含有率が0.1%を超えると、鋼塊内部の
偏析が増加するとともに、焼戻し脆化感受性が極めて高くなる。そして、切欠靭性が損な
われ、高温に長時間保持することにより、析出物形態の変化が助長され、靭性が経時劣化
する。そのため、Siの含有率を0.01〜0.1%とした。
Mnは、溶解時の脱酸剤や脱硫剤として有効であり、焼入性を高めて強度を向上させるこ
とにも有効な元素である。これらの効果を発揮させるために、Mnを0.01%以上含有
することが必要である。一方、Mnの含有率が0.10%以上の場合、MnはSと結びつ
いてMnSの非金属介在物を形成して、靭性が低下するとともに、靭性の経時劣化を助長
するとともに、高温クリープ破断強度を低下させる。そのため、Mnの含有率を0.01
〜0.10%未満とした。
Niは、オーステナイト安定化元素であり、靭性向上に有効である。焼入性を増大させ、
δフェライトの生成を抑制し、室温における強度や靭性を高めるためにも有効である。こ
れらの効果を発揮させるために、Niを0.05%以上含有することが必要である。一方
、Niの含有率が0.5%を超えると、炭化物やラーベス相の凝集や粗大化が助長され、
高温クリープ破断強度を低下させる。そのため、Niの含有率を0.05〜0.5%とし
た。
Crは、耐酸化性および高温耐食性を高め、M23C6型炭化物やM2X型炭窒化物によ
る析出強化により高温クリープ強度を高めるために必要不可欠の元素である。これらの効
果を発揮させるために、Crを9.0%以上含有することが必要である。一方、9.99
%を超える添加は、δフェライトを生成し、高温強度及び靭性を低下させる。そのため、
Crの含有量を9.0〜9.99%とした。
Moは、合金中に固溶してマトリックスを固溶強化させるとともに、微細炭(窒)化物や
微細なラーベス相を生成して高温クリープ破断強度を向上させる。また、Moは、焼戻脆
化の抑制にも有効な元素である。これらの効果を発揮させるために、Moを0.05%以
上含有することが必要である。一方、Moの含有率が1%を超えると、δフェライトを生
成して、靭性を著しく低下させるとともに、高温クリープ破断強度も低下させる。そのた
め、Moの含有率を0.05〜1%とした。
Vは、微細な炭化物や炭窒化物を形成して、高温クリープ破断強度を向上させるのに有効
な元素である。この効果を発揮させるために、Vを0.05%以上含有することが必要で
ある。一方、Vの含有率が0.3%を超えると、炭(窒)化物の過度の析出や粗大化が生
じ、高温クリープ破断強度の低下を招く。そのため、Vの含有率を0.05〜0.3%と
した。
Nは、C、Nb、Vなどと結びついて炭窒化物を形成し、高温クリープ破断強度を向上さ
せる。Nの含有率が0.01%未満では、充分な引張強度や高温クリープ破断強度を得る
ことができない。一方、0.025%以上では靭性が低下するため、Nの含有率を0.0
1%〜0.025%とした。
Wは、M23C6型炭化物の凝集や粗大化を抑制するとともに、合金中に固溶してマトリ
ックスを固溶強化させ、高温引張強度や高温クリープ破断強度の向上に有効な元素である
。これらの効果を発揮させるために、Wを1%以上含有することが必要である。一方、W
の含有率が2.2%を超えると、δフェライトや粗大なラーベス相が生成しやすくなり、
延性や靭性が低下するとともに、高温クリープ破断強度も低下する。そのため、Wの含有
率を1〜2.2%とした。
Nbは、室温での引張強度の向上に有効であるとともに、微細炭化物や炭窒化物を形成し
、高温クリープ破断強度を向上させる。また、Nbは、微細なNbCを生成して結晶粒の
微細化を促進し、靭性を向上させる。Nbの一部は、V炭窒化物と複合したMX型炭窒化
物を析出して、高温クリープ破断強度を向上させる効果もある。これらの効果を発揮させ
るために、Nbを0.01%以上含有することが必要である。一方、Nbの含有率が0.
15%を超えると、粗大な炭化物や炭窒化物が析出し、延性や靭性を低下させる。そのた
め、Nbの含有率を0.01〜0.15%とした。
Coは、δフェライトの生成を抑制することにより靭性低下を抑制し、固溶強化により高
温引張強度や高温クリープ破断強度を向上させる。これらの効果を発揮させるために、C
oを1%以上含有する必要がある。一方、Coの含有率が5%を超えると、延性や高温ク
リープ破断強度の低下が生じるとともに、製造コストが増加する。そのため、Coの含有
率を1〜5%とした。
Bは、結晶粒界での炭化物、炭窒化物およびラーベス相の凝集や粗大化を高温下で長時間
に亘って抑制する効果を有している。さらに、Bは、WやNbなどと複合添加することに
よって、高温クリープ破断強度を向上させるのに有効な元素である。これらの効果を発揮
させるために、Bを0.003%以上含有することが必要である。一方、Bの含有率が0
.03%を超えると、BとNが結合してBN相が析出し、高温クリープ破断延性や靭性が
大きく低下する。また、BN相の析出により、高温クリープ破断強度に有効な固溶Bの含
有量が減少するため、高温クリープ破断強度が低下する。そのため、Bの含有率を0.0
03〜0.03%とした。
低減することが望ましい。
Cは焼入れ性の確保に有用な元素であり、また、析出強化に寄与する炭化物の構成元素と
しても有用な元素である。C量が0.25%未満では上述の効果が小さい。一方、C量が
0.35%を超えると炭化物の凝集が促進され、また、鋼塊凝固時の偏析傾向が高まる。
このため、C含有量は0.25〜0.35%とする。
Siは脱酸剤として有用であり、また、耐水蒸気酸化性を向上させる。しかし、Si含有
量が高い場合は、鋼の靭性の低下及び脆化が促進される。このため、この観点からはSi
含有量は可能な限り抑制することが望ましい。Si含有量が0.15%を超えると靭性が
著しく低下する。このため、Si含有量は0.15%以下とする。
Mnは脱硫剤として有用な元素である。Mn量が0.2%未満では脱硫効果が認められな
い。一方、0.8%を超えてMnを添加するとクリープ抵抗を低下させる。このため、M
n含有量は0.2〜0.8%とする。
Niは焼入れ性及び靭性を向上させ、また、フェライトの生成を抑制する効果を有する。
Ni量が0.3%以上でその効果が認められる。しかしNi量が0.6%を超えるとクリ
ープ抵抗を低下させる。このため、Ni含有量を0. 3 〜 0 .6 % とする。
Crは鋼に耐酸化性、耐食性を付与する効果を有する。また、Crは析出強化に寄与する
析出物の構成元素としても有用な元素である。本実施形態においては、主にCrに靭性の
向上効果を期待するものである。Cr量が1.6%未満では靭性の向上は期待できない。
一方、Cr量が1.9%を超えると焼戻し軟化抵抗が低下し、クリープ強度が悪化する。
このため、Cr含有量は1.6〜1.9%とする。
Moは固溶強化に寄与し、また、炭化物中へ置換して析出強化にも寄与する。長時間にわ
たり高温に晒された場合に必要な固溶Mo量を確保するためには、0.6%以上のMo添
加が必要である。しかし、Mo量が1.1%を超えると靭性の低下とフェライトの生成を
促進し、また、鋼塊が偏析しやすくなる。このため、Mo含有量は0.6〜1.1%とす
る。
Vは固溶強化及び微細な炭窒化物の形成に寄与する。VはNbと類似の効果を有するため
、Nbの添加量との兼ね合いでその添加量を変化させる必要がある。Nb無添加の場合、
0.26%以上のV添加で微細析出物が十分に析出し、また、母相の回復を抑制する。一
方、V量が0.35% を超えると靭性の低下を招き、また、炭窒化物の粗大化を促進す
る。このため、V含有量は0.26〜0.35%とする。
23%以上のV添加で上述の効果が期待できる。一方、V量が0.30%を超えると靭性
の低下及び炭窒化物の粗大化を促進する。このため、V含有量は0.23〜0.30%と
する。
Nbは微細炭窒化物を形成し析出強化に寄与する。Nb量が0.001%未満ではこれら
の効果が得られない。一方、Nb量が0.008%を超えると偏析が生じ、未固溶の粗大
なNb炭窒化物の体積率が増加する。これに伴い靭性の低下や切欠弱化が生じる。このた
め、Nb含有量は0.001〜0.008%とする。本実施形態においては、Vの添加量
を増加させることでNb 添加と同様の効果を得ることが可能となる。
Wは固溶強化に寄与し、また、炭化物中へ置換して析出強化にも寄与する。長時間にわた
り高温に晒された場合に必要な固溶W量を確保するためには、0.6%以上のW添加が必
要である。しかし、W量が1.4%を超えると靭性の低下やフェライトの生成を促進し、
また、鋼塊が偏析しやすくなる。このため、W含有量は0.6〜1.4%とする。
Mo+W/2で表される量を1.3〜1.4に制限する理由を説明する。
ある。しかし、これらを複合添加した場合はMoやWを単独添加した場合に比べ、クリー
プ強度が向上する一方で偏析傾向が著しく増大する。所望のクリープ強度を発揮させ、か
つ偏析を回避するためにはMoとWの複合添加量に対して制限を設ける必要がある。この
ためには、ここで表したMo当量と称される指標を用いることが好適である。本実施形態
の場合、Mo当量が1.3未満ではクリープ強度が低下する。一方、Mo当量が1.4を
超えると偏析が不可避となる。このため、Mo当量は1.3〜1.4とする。
Nは窒化物あるいは炭窒化物を形成することにより析出強化に寄与する。さらに母相中に
残存するNは固溶強化にも寄与する。本実施形態ではN量が0.002%未満ではこれら
の効果が認められない。一方、N量が0.008%以上では窒化物あるいは炭窒化物の粗
大化を促進し、クリープ抵抗が低下する。このため、N含有量は0.002〜0.008
%とする。
Bは微量の添加で焼入れ性を高め、また、炭窒化物の高温における長時間安定化を可能に
する。その効果は0.001%以上のB添加で認められる。すなわち、0.001%以上
のB添加は、結晶粒界及びその近傍に析出する炭化物の粗大化を抑制する効果を発揮する
。しかし、B量が0.004%を超えると粗大生成物の形成を促進する。このため、添加
する場合、B含有量は0.001〜0.004%とする。
低減することが望ましい。
Cは、M23C6型炭化物の形成や、MX型炭窒化物を形成して、析出強化により高温ク
リープ強度を高めるために不可欠な元素である。Cは、耐力の向上にも寄与するとともに
、δフェライト生成の抑制にも不可欠な元素である。これらの効果を発揮させるために、
Cを0.05%以上含有することが必要である。一方、Cの含有量が0.15%を超える
場合は、靭性が悪化し、溶接割れ感受性を高める為、添加量は0.05〜0.15%に限
定される。
Mnは、溶解時の脱酸剤や脱硫剤として有効であり、焼入性を高めて強度を向上させるこ
とにも有効な元素である。これらの効果を発揮させるために、Mnを0.01%以上含有
することが必要である。他方、1%を超える添加は靭性の経時劣化を助長し、高温クリー
プ破断強度を低下させる。Mnの含有率を0.01〜1.0%以下とした。
Crは、耐酸化性および高温耐食性を高め、炭化物の析出により高温クリープ強度を高め
るために必要不可欠の元素である。一方、3.5%を超える添加はδフェライト生成を促
し、溶接金属部の靭性が悪化する。また、Cr含有量が9.0〜9.9%の高Cr合金鋼
と、1.6〜1.9%の改良低Cr合金鋼を溶接にて接合する場合、高Cr合金鋼側へC
が移行し、低Cr合金鋼側の溶接界面において強度が低下する。したがって、Cr濃度差
によるCの移行を抑制するため、溶接材料のCr含有率は2.0〜3.5%であることが
望ましい。
Niは、靭性向上及びδフェライト生成の抑制に有効である。これらの効果を発揮させる
ために、Niを0.01%以上含有することが必要である。一方、Niの含有率が0.1
%を超えると、高温クリープ破断強度を低下させる。そのため、Niの含有率を0.01
〜0.1%とした。
Moは、溶接金属の高温クリープ強度を高めるために添加される。0.5%未満ではこれ
らの効果が充分でなく、1.5%を超える添加は靭性を低下させる。したがって、Moの
含有率は0.5〜1.5%とした。
Nbは、炭化物形成元素であり、溶接後熱処理によって溶接金属中に極めて微細な炭化物
を析出し、高温クリープ強度の向上に有効である。一方、微細な炭化物は溶接金属の靭性
を劣化させる為、高温クリープ強度と靭性を考慮して、Nb含有率を0.01〜0.05
%とした。
Vは、炭化物及び炭窒化物形成元素であり、高温クリープ強度の向上に有効である。また
、Nb系炭化物と比較してやや粗大であることから、靭性への影響はNb程ではない。こ
のため、溶接材料のV含有率を0.2〜0.4%とした。
PとSは、鋼中に不純物として含有される成分であり、溶接割れ感受性を高めることから
何れも低減することが望ましく、それぞれ0.03%以下とすることが好ましい。
ロータシャフト2と、これらを溶接金属を用いて溶接接合した溶接継手3とからなる構成
であるが、蒸気入口温度が630℃である場合、溶接継手3に対してもクリープ強度が要
求される。
低Cr合金鋼側の溶接継手と従来の低Cr合金鋼側の溶接継手に対して525〜600℃
範囲の各温度でクリープ試験を実施した。
に記載された低Cr合金鋼の各成分であり、すなわち、質量%で、C:0.15〜0.4
0%、Si:0.15%以下、Mn:0.05〜1.50%、Ni:0.2〜1.5%、
Cr:0.8〜1.5%、Mo:0.8〜1.8%、V:0.1〜0.3%、P:0.0
12%以下、S:0.015%以下を含み、残部が実質的にFeよりなる。
ーパラメータ(以下、LMP)で評価した結果を示している。
側の溶接継手と比較して同一のLMPで高いクリープ破断強度を示していることが確認で
きる。
金鋼ロータシャフト2の開先は、狭開先4を形成している。狭開先4を、上述の溶接金属
を用いて狭開先自動ティグ溶接法にて溶接接合する。なお、溶接継手3は中空である。こ
こで、狭開先とは1層1パスで初層から最終層まで振り分けせずに溶接できる開先のことで
ある。
を超えるブローホールなど有意な欠陥指示模様は検出されなかった。
接金属を用いて狭開先形状にして狭開先自動ティグ溶接法で溶接することにより、良好な
溶接品質を得られることが示された。
HAZ)、高Cr合金鋼ロータシャフトおよび低Cr合金鋼ロータシャフトの、狭開先深
さが中央付近のビッカーズ硬さを計測した結果を示す。横軸は軸方向における溶接金属中
央からの距離を示しており、縦軸はビッカーズ硬さを示している。低Cr合金鋼側の熱影
響部(HAZ)の幅は約5mmであった。
接金属を用いて狭開先形状にして狭開先自動ティグ溶接法で溶接することにより、熱影響
部の領域を板厚方向に均一かつ最小限に抑制することができるため、高温クリープ破断強
度を向上させることができる。
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、発明の趣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
。
4:狭開先
Claims (4)
- 少なくとも、高Cr合金鋼ロータと、前記高Cr合金鋼ロータよりCrの含有量が少な
い低Cr合金鋼ロータとを溶接金属で接続されたタービンロータであって、
前記高Cr合金鋼が、質量%で、C:0.05〜0.20%、Si:0.01〜0.1
0%、Mn:0.01〜0.10%未満、Ni:0.05〜0.50%、Cr:9.00
〜9.99%、Mo:0.05〜1.00%、V:0.05〜0.30%、N:0.01
0〜0.025%、W:1.00〜2.20%、Nb:0.01〜0.15%、Co:1
〜5%、B:0.003〜0.030%以下を含み残部がFeおよび不可避的不純物から
なり、
前記低Cr合金鋼が、質量%で、C:0.25〜0.35%、Si:0.15%以下、
Mn:0.2〜0.8%、Ni:0.3〜0.6%、Cr:1.6〜1.9%、Mo:0
.6〜1.1%、V:0.26〜0.35%、W:0.6〜1.4%、Mo+W/2:1
.3〜1.4%を含み、N:0.002〜0.008%またはB:0.001〜0.00
4%のいずれか一方を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
前記溶接金属が、質量%で、C:0.05〜0.15%、Mn:0.1〜1.0%以下
、Cr:2.0〜3.5%、Ni:0.01〜0.10%、Mo:0.5〜1.5%、V
:0.2〜0.4%、Nb:0.01〜0.05%、P:0.03%以下、S:0.03
%以下を含むタービンロータ。 - 少なくとも、高Cr合金鋼ロータと、前記高Cr合金鋼ロータよりCrの含有量が少な
い低Cr合金鋼ロータとを溶接金属で接続されたタービンロータであって、
前記高Cr合金鋼が、質量%で、C:0.05〜0.20%、Si:0.01〜0.1
0%、Mn:0.01〜0.10%未満、Ni:0.05〜0.50%、Cr:9.00
〜9.99%、Mo:0.05〜1.00%、V:0.05〜0.30%、N:0.01
0〜0.025%、W:1.00〜2.20%、Nb:0.01〜0.15%、Co:1
〜5%、B:0.003〜0.030%以下を含み残部がFeおよび不可避的不純物から
なり、
前記低Cr合金鋼が、質量%で、C:0.25〜0.35%、Si:0.15%以下、
Mn:0.2〜0.8%、Ni:0.3〜0.6%、Cr:1.6〜1.9%、Mo:0
.6〜1.1%、V:0.23〜0.30%、Nb:0.001〜0.008%、W:0
.6〜1.4%、Mo+W/2:1.3〜1.4%を含み、残部がFeおよび不可避的不
純物からなり、
前記溶接金属が、質量%で、C:0.05〜0.15%、Mn:0.1〜1.0%以下
、Cr:2.0〜3.5%、Ni:0.01〜0.10%、Mo:0.5〜1.5%、V
:0.2〜0.4%、Nb:0.01〜0.05%、P:0.03%以下、S:0.03
%以下を含むタービンロータ。 - 前記低Cr合金鋼が、さらに、質量%で、N:0.002〜0.008%を含む請求項
2記載のタービンロータ。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のタービンロータを製造するタービンロータの製造
方法において、
前記高Cr合金鋼と前記低Cr合金鋼の開先形状を狭開先とし、
前記狭開先を狭開先自動ティグ溶接により溶接するタービンロータの製造方法。
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