JP2020026744A - 動翼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造効率の向上、費用の低下、機械的性質の均一化などを実現可能な、動翼の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態は、蒸気タービンに用いられる動翼の製造方法であって、リング形状に形成されたリング素材を準備する準備工程と、リング素材について加工を行うことによって動翼を成形する成形工程とを有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、動翼の製造方法に関する。

蒸気タービンの一例に関して図２を用いて説明する。図２では、蒸気タービン１について、鉛直面（ｙｚ面）に沿った断面を示している。

図２に示すように、蒸気タービン１は、回転機械であって、蒸気が作動流体として供給されることによって、タービンロータ２２（車軸）が回転するように構成されている。ここでは、蒸気タービン１は、軸流タービンであって、タービンロータ２２の回転軸ＡＸに沿った水平方向ｙを流れ方向として蒸気が流れる。蒸気タービン１は、多段式であって、動翼２１と静翼２５とで構成されたタービン段落が回転軸ＡＸに沿った軸方向に複数段並んでいる。蒸気タービン１では、蒸気が複数のタービン段落のそれぞれにおいて仕事を行うことによって、タービンロータ２２が回転する。

タービンロータ２２は、一端が発電機（図示省略）に連結されており、タービンロータ２２の回転によって、発電機（図示省略）が駆動して発電が行われる。タービンロータ２２には、ロータディスク２２１が外周面に複数設けられている。タービンロータ２２に設けられたロータディスク２２１の外周面には、動翼２１が設置されている。

動翼２１は、タービンロータ２２の外周面を囲うように、複数がタービンロータ２２の周方向Ｒ（回転方向）において間を隔てて配置されており、動翼翼列を構成している。動翼翼列は、複数段であって、複数段の動翼翼列のそれぞれは、タービンロータ２２の回転軸ＡＸに沿って並んでいる。

特許第４６０２１６３号 特許第５２４８５４９号

蒸気タービン１において、動翼２１は、角材などの棒状素材を圧延で準備した後に、その棒状素材について切削加工を行うことで形成させる。このため、動翼２１の形成においては、１本ずつ加工して形成するので、動翼２１の寸法精度にバラツキが生じる場合がある。

動翼の構造上、棒状素材からでは切削加工量が多くなるため、歩留まりが低く、費用が高くなっている。

さらに、圧延で形成された棒状素材は、特性に異方性が生じる場合がある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、製造効率の向上や品質向上が実現可能な、動翼の製造方法を提供することである。

実施形態は、蒸気タービンに用いられる動翼の製造方法であって、リング形状に形成されたリング素材を準備する準備工程と、リング素材について加工を行うことによって動翼を成形する成形工程とを有する。

図１は、実施形態において、動翼の製造で用いるリング素材を示す図である。 図２は、関連技術に係る蒸気タービンの要部を示す断面図である。

蒸気タービン１（図２参照）に用いられる動翼２１を製造する方法に関して、図１を用いて説明する。図１では、動翼２１の製造で用いるリング素材３０を示している。図１においては、リング素材３０の中心軸Ｃに沿った方向を視線方向とした面を図示しており、動翼２１の輪郭を破線で示すと共に、切断線Ｌ３０を二点鎖線で示している。

動翼２１は、図１に示すように、翼植込部２１１と翼有効部２１２とを備えている。動翼２１は、翼植込部２１１がロータディスク２２１（図２参照）に植え込まれ、翼有効部２１２がタービンロータ２２（図２参照）の径方向に延在するように設置される。そして、動翼２１は、翼有効部２１２において翼植込部２１１が設けられた側とは反対に位置する先端にカバー２１３が設けられる。

切断線Ｌ３０は、リング素材３０の径方向に沿った線（ラジアル線）である。ここでは、複数の切断線Ｌ３０は、リング素材３０の周方向において等しい間隔で並んでおり、リング素材３０を周方向において複数の領域に区画している。そして、切断線Ｌ３０で区画された領域のそれぞれにおいて、動翼２１が形成される。つまり、一つのリング素材３０から複数の動翼２１が形成される。複数の動翼２１のそれぞれは、同じ形状で形成される。

なお、図１では、一つの動翼２１を代表例として図示しており、リング素材３０において内径側から外径側に向かって翼植込部２１１と翼有効部２１２とカバー２１３とが順次並ぶように、動翼２１の形成を行う場合を例示している。

動翼２１を製造する手順の詳細について順次説明する。

動翼２１の製造では、まず、リング形状に形成されたリング素材３０を準備する（準備工程）。

ここでは、準備されるリング素材３０は、耐熱鋼などの金属材料をリング鍛造によってリング状に成形した鍛造品である。

リング素材３０の寸法（外径Ｄ，内径ｄ，厚みＴ（図示省略））は、動翼２１の寸法（外径、内径、厚み）および加工代を考慮して設定されている。リング素材３０を周方向で複数に切断する角度α（切断線Ｌ３０のピッチ角）に関しても、動翼２１の寸法（周方向の幅）および加工代を考慮して設定されている。

つぎに、準備したリング素材３０について加工を行うことによって、動翼２１を成形する（成形工程）。

ここでは、リング素材３０について旋盤加工を行う。旋盤加工の実施によって、リング素材３０において外周部分（外周面など）および内周部分（内周面など）が切削される。その結果、複数の動翼２１のそれぞれのうち翼植込部２１１の一部とカバー２１３の一部とが、同じ加工処理によって成形される。

そして、リング素材３０を切断線Ｌ３０に沿って切断することによってリング素材３０を複数のセグメントに分割する。

その後、その分割された複数のセグメントのそれぞれを更に加工する。ここでは、動翼２１のうち旋盤加工で成形された部分以外の部分（翼有効部２１２など）を切削加工で成形する。また、仕上げ加工を実施する。これにより、リング素材３０を分割した複数のセグメントのそれぞれから、複数の動翼２１のそれぞれを完成させる。

以上のように、本実施形態では、リング形状に形成されたリング素材３０について加工を行うことによって、複数の動翼２１を成形する。ここでは、リング素材３０について旋盤加工を行って、リング素材３０において外周部分（外周面など）および内周部分（内周面など）を加工することで、動翼２１のうち翼植込部２１１の一部とカバー２１３の一部とを成形している。このため、複数の動翼２１において旋盤加工が施された部分は、一定の寸法が容易に確保されるので、寸法精度のバラツキが小さい。また、複数の動翼２１を一つのリング素材３０から形成しているので、製造工程の時間を短縮可能であって、切削量を低減可能である。

本実施形態では、リング素材３０は、リング鍛造によって作製されている。リング素材３０は、１次溶解もしくは２次溶解で作成された鋼塊を分塊し、自由鍛造にて成形した後円盤の中央部を打ち抜き、さらにその後リング鍛造によって作製される。つまり、リング素材３０は、金属材料に圧力を加えて金属材料を変形させることによって、リング状に成形されている。具体的には、リング鍛造の場合、リングの円周方向が主たる延伸方向になる。リング形状への成形過程では、指定形状になるように、鋼をリングの円周方向へ延伸させる同時に、径方向において圧縮させる。また、リングの高さを維持するために、鋼を上下方向（厚さ方向）に圧縮する。このように、様々な方向から鋼に圧力を加えて成形を行ってリング素材３０を形成するために、リング素材３０は、鋼塊を長手方向に延伸させて形成した角材と異なり、異方性が小さくなる。このため、リング素材３０は、組織が緻密になり、高い強度を備える。その結果、リング鍛造で作製されたリング素材３０から形成された動翼２１は、不純物が除去され、異方性が無く、かつ機械的性質が均一である。

したがって、本実施形態においては、製造効率の向上や品質向上が実現可能である。

上記実施形態では、リング素材３０において内径側から外径側に向かって翼植込部２１１と翼有効部２１２とカバー２１３とが順次並ぶように、複数の動翼２１のそれぞれを形成する場合について示しているが、これに限らない。リング素材３０において外径側から内径側に向かって翼植込部２１１と翼有効部２１２とカバー２１３とが順次並ぶように、動翼２１の形成を行ってもよい。その他、リング素材３０において翼植込部２１１と翼有効部２１２とカバー２１３とが内径側から外径側に向かって順次並ぶ場合と、リング素材３０において翼植込部２１１と翼有効部２１２とカバー２１３とが外径側から内径側に向かって順次並ぶ場合とが、周方向において交互になるように、動翼２１の形成を行ってもよい。これにより、更に切削量を低減可能である。

上記のリング素材３０を形成する際に好適に用いる鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）に関して説明する。鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）は、各成分が以下に示す範囲である。

鋼（Ｍ１）は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．２０、Ｓｉ：０．１０〜０．５０、Ｍｎ：０．２０〜０．６０、Ｎｉ：０．２０〜０．８０、Ｃｒ：１０．０〜１１．５、Ｍｏ：０．８０〜１．１０、Ｎｂ：０．２５〜０．４５、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｎ：０．０４〜０．０８を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。

鋼（Ｍ２）は、重量％で、Ｃ：０．０６〜０．１５、Ｓｉ：０．１０〜０．５０、Ｍｎ：０．２０〜０．６０、Ｎｉ：０．２０〜０．８０、Ｃｒ：１１．２５〜１３．０を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。

鋼（Ｍ３）は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．２０、Ｓｉ：０．１０〜０．５０、Ｍｎ：０．２０〜０．６０、Ｎｉ：０．２０〜０．８０、Ｃｒ：１０．０〜１１．５、Ｍｏ：０．８０〜１．１０、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｎｂ：０．１０〜０．２５、Ｗ：０．８０〜１．２０、Ｎ：０．０４〜０．０８を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。

鋼（Ｍ４）は、重量％で、Ｃ：０．２０〜０．２５、Ｓｉ：０．１０〜０．５０、Ｍｎ：０．２０〜０．６０、Ｎｉ：０．２０〜０．８０、Ｃｒ：１１．０〜１２．５、Ｍｏ：０．８０〜１．１０、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｗ：０．８０〜１．２０を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。

上記において、「Ｃ：０．１５〜０．２０」等は、Ｃ元素の含有率が０．１５質量％以上、０．２０質量％以下であること等を示している（以下同様）。

実施形態の鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）において各成分が含有する割合（含有率）を上記範囲に設定した理由に関して説明する。

（１）Ｃ（炭素）［（Ｍ１）…０．１５〜０．２０、（Ｍ２）…０．０６〜０．１５、（Ｍ３）…０．１５〜０．２０、（Ｍ４）…０．２０〜０．２５］
Ｃは、焼入れ性を確保するために必要な成分であるとともに、析出強化に寄与する炭窒化物を構成する構成元素として不可欠な成分である。Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂを含有する鋼（Ｍ１），（Ｍ３）の場合には、Ｃの含有率が、上記範囲の下限値未満である場合には、上述した効果が認められず、上記範囲の上限値を超える場合には、炭化物の凝集が促進されると共に、鋳造時に偏析しやすくなる。このため、鋼（Ｍ１），（Ｍ３）では、Ｃの含有率が上記範囲に設定されている。Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂを含有しない鋼（Ｍ２）、および、Ｎｂを含有しない鋼（Ｍ４）では、鋼（Ｍ１），（Ｍ３）の場合とは異なる範囲で上記の効果および影響が生ずるので、Ｃの含有率が鋼（Ｍ１），（Ｍ３）の場合と異なる範囲に設定されている。

（２）Ｓｉ（ケイ素）［（Ｍ１）…０．１０〜０．５０、（Ｍ２）…０．１０〜０．５０、（Ｍ３）…０．１０〜０．５０、（Ｍ４）…０．１０〜０．５０］
Ｓｉは、脱酸剤として有用な成分である。鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）において、Ｓｉの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、脱酸剤として十分に機能しない。これに対して、鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）において、Ｓｉの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、靭性の低下および脆化が著しく促進される。このため、鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）では、Ｓｉの含有率が上記範囲に設定されている。

（３）Ｍｎ（マンガン）［（Ｍ１）…０．２０〜０．６０、（Ｍ２）…０．２０〜０．６０、（Ｍ３）…０．２０〜０．６０、（Ｍ４）…０．２０〜０．６０］
Ｍｎは、脱硫剤として有用な成分である。鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）において、Ｍｎの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、脱硫剤として十分に機能しない。Ｍｎの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、非金属介在物の生成量が増加して、靱性の低下、および、クリープ破断強度の低下が生ずる場合がある。このため、鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）では、Ｍｎの含有率が上記範囲に設定されている。

（４）Ｎｉ（ニッケル）［（Ｍ１）…０．２０〜０．８０、（Ｍ２）…０．２０〜０．８０、（Ｍ３）…０．２０〜０．８０、（Ｍ４）…０．２０〜０．８０］
Ｎｉは、焼入れ性および靭性を向上させる成分であるとともに、フェライトの生成を抑制する効果を有する成分である。
鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）では、Ｎｉの含有率を上記範囲の下限値以上にすることで、上記した機能および効果を十分に発揮可能である。また、鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）では、Ｎｉの含有率を上記範囲の上限値を超えた場合、クリープ強度が低下する。このため、鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）では、Ｎｉの含有率が上記範囲に設定されている。

（５）Ｃｒ（クロム）［（Ｍ１）…１０．０〜１１．５、（Ｍ２）…１１．２５〜１３．０、（Ｍ３）…１０．０〜１１．５、（Ｍ４）…１１．０〜１２．５］
Ｃｒは、耐酸化性および耐食性の向上に有効な成分であるとともに、析出強化に寄与する炭窒化物の構成元素として不可欠な成分である。鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）では、Ｃｒの含有率を上記範囲の下限値以上にすることで、上記した機能および効果を十分に発揮可能である。また、鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）では、Ｃｒの含有率を上記範囲の上限値を超えた場合、デルタフェライト生成量が増加すると共に、長時間クリープ強度の低下が生ずる。このため、鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）では、Ｃｒの含有率が上記範囲に設定されている。なお、鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）のそれぞれにおいては、成分バランスのために、Ｃｒの含有率が調整されている。

（６）Ｍｏ（モリブデン）［（Ｍ１）…０．８０〜１．１０、（Ｍ２）…０、（Ｍ３）…０．８０〜１．１０、（Ｍ４）…０．８０〜１．１０］
Ｍｏは、固溶強化に寄与する成分であると共に、炭窒化物の構成元素であって析出強化に寄与する成分である。Ｍｏは、高温環境において長時間の加熱処理が行われるときに母相から析出物に移動する元素である。鋼（Ｍ１），（Ｍ３），（Ｍ４）において、Ｍｏの含有率が上記範囲の下限値以上である場合、固溶強化に寄与するＭｏの量を長時間にわたって高く維持することが可能になる。鋼（Ｍ１），（Ｍ３），（Ｍ４）において、Ｍｏの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、靭性が低下すると共に、フェライトの生成が促進される。このため、実施形態の鋼（Ｍ１），（Ｍ３），（Ｍ４）では、Ｍｏの含有率を上記範囲にした。なお、実施形態の鋼（Ｍ２）は、Ｍｏを含有していないため、Ｍｏに起因する効果がないので、鋼（Ｍ１），（Ｍ３），（Ｍ４）よりも、高温用途では好適に用いることができない。

（７）Ｖ（バナジウム）［（Ｍ１）…０．１５〜０．３０、（Ｍ２）…０、（Ｍ３）…０．１５〜０．３０、（Ｍ４）…０．１５〜０．３０］
Ｖは、固溶強化に寄与する成分であると共に、微細な炭窒化物の形成に寄与する成分である。鋼（Ｍ１），（Ｍ３），（Ｍ４）において、Ｖの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が十分に発揮されない。Ｖの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、靭性の低下が生ずる。このため、実施形態の鋼（Ｍ１），（Ｍ３），（Ｍ４）では、Ｖの含有率を上記範囲にした。

（８）Ｗ（タングステン）［（Ｍ１）…０、（Ｍ２）…０、（Ｍ３）…０．８０〜１．２０、（Ｍ４）…０．８０〜１．２０］
Ｗは、固溶強化に寄与する成分であると共に、炭窒化物の構成元素であって析出強化に寄与する成分である。Ｗは、特にＭｏと共に複合的に添加された場合には、析出物の高温安定性を著しく高めることができる。Ｗは、高温環境において長時間の加熱処理が行われるときに、母相から析出物へ移動する。鋼（Ｍ３），（Ｍ４）において、Ｗの含有率が上記範囲の下限値以上である場合、固溶強化に寄与するＷの量を長時間にわたって高く維持することができる。Ｗの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、靭性が低下すると共に、フェライトの生成が促進される。このため、実施形態の鋼（Ｍ３），（Ｍ４）では、Ｗの含有率を上記範囲にした。

（９）Ｎｂ（ニオブ）［（Ｍ１）…０．２５〜０．４５、（Ｍ２）…０、（Ｍ３）…０．１０〜０．２５、（Ｍ４）…０］
Ｎｂは、固溶強化に寄与する成分であると共に、微細な炭窒化物の形成に寄与する成分である。鋼（Ｍ１），（Ｍ３）において、Ｎｂの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が十分でない。鋼（Ｍ１），（Ｍ３）において、Ｎｂの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、粗大なＮｂ炭窒化物の生成量が増加する。このため、実施形態の鋼（Ｍ１），（Ｍ３）では、Ｎｂの含有率を上記範囲にしている。

（１０）Ｎ（窒素）［（Ｍ１）…０．０４〜０．０８、（Ｍ２）…０、（Ｍ３）…０．０４〜０．０８、（Ｍ４）…０］
Ｎは、窒化物あるいは炭窒化物を形成することによって析出強化に寄与する成分である。さらに、母相に残存するＮは、固溶強化にも寄与する。鋼（Ｍ１），（Ｍ３）において、Ｎの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、調質熱処理の実施によって生成される炭窒化物の生成量が少なくなり、十分でなくなる。鋼（Ｍ１），（Ｍ３）において、Ｎの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、粗大な炭窒化物が多量に形成される。このため、実施形態の鋼（Ｍ１），（Ｍ３）では、Ｎの含有率を上記範囲にした。

なお、鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）において上記成分および主成分であるＦｅを溶解する際に付随的に混入する不純物は、極力少ない方が望ましい。

鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）は、上述したように、リング素材３０の形成で用いられる。具体的には、鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）は、１次溶解もしくは２次溶解によって、鋼塊として製造される。そして、分塊後に、自由鍛造にて円盤状に成形され、更に円盤の中央部が打ち抜かれる。その円盤をリング鍛造することにより、中央に穴が形成されたリング素材３０が準備される。

鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）は、フェライト形成元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂなど）を多く含むため、鋳造過程および凝固過程において成分が濃化する傾向が大きい。特に、ＦｅとＣｒとの化合物であるデルタフェライトが最終凝固部の近傍に生成し易い。また、ＣやＮのようにＮｂとの親和性が高い浮上型元素が添加されているので、特に、Ｎｂ炭窒化物の生成が活発であり、最終凝固部にＮｂ炭窒化物が生成されて残存する。上記生成物は、不可避的に鋼中に生成する非金属介在物（ＭｎＳ等）と共に、鋼塊の最終凝固部に集中的に残存する。このため、後工程で圧延を採用して鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）を角材として成形する場合は、残存した上記生成物が角材の中央部近傍で長手方向に延伸される。デルタフェライトやＮｂ炭窒化物は、磁性体であるため、磁粉探傷試験によって、加工後に欠陥指示として表出される場合がある。しかしながら、本実施形態では、リング素材３０は、鋼塊においてデルタフェライトやＮｂ炭窒化物を多く含む中央部が打ち抜かれて形成されるため、デルタフェライトやＮｂ炭窒化物が除去された状態である。このため、本実施形態では、成分濃化やそれに起因した生成物や介在物を除去することができる。

［鋼について］
以下より、上記した鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）の実施例および比較例に関して説明する。

表１は、各例の鋼（供試鋼）を構成する各成分の割合（重量％）を示している。

表１において、Ｐ１〜Ｐ９は、実施例であり、Ｃ１〜Ｃ６は、比較例である。ここでは、鋼（Ｍ１）に関しては、実施例がＰ１，Ｐ２であって、比較例がＣ１，Ｃ２である。鋼（Ｍ２）に関しては、実施例がＰ３，Ｐ４であって、比較例がＣ３である。鋼（Ｍ３）に関しては、実施例がＰ５，Ｐ６，Ｐ７であって、比較例がＣ４，Ｃ５である。鋼（Ｍ４）に関しては、実施例がＰ８，Ｐ９であって、比較例がＣ６である。

各例の鋼（供試鋼）について、各成分が表１に示した値になるように作製した。そして、その各例の鋼について熱処理（調質熱処理）を行った。

具体的には、鋼（Ｍ１）に関する例Ｐ１、Ｐ２、Ｃ１、および、Ｃ２については、１０９０℃で２時間の加熱を行った後、油冷を行い、その後、６５０℃で４時間の焼戻しを行うことで、常温引張強さが１０００ＭＰａ程度になるように調整した。鋼（Ｍ２）に関する例Ｐ３，Ｐ４、Ｃ３については、９７０℃で２時間の加熱を行った後、油冷を行い、その後、７３０℃で４時間の焼戻しを行うことで、常温引張強さが８００ＭＰａ程度になるよいうに調整した。鋼（Ｍ３）に関する例Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７、Ｃ４、および、Ｃ５については、１１２０℃で２時間の加熱を行った後、油冷を行い、その後、６５０℃で４時間の焼戻しを行うことで、常温引張強さが１０００ＭＰａ程度になるように調整した。鋼（Ｍ４）に関するＰ８、Ｐ９、および、Ｃ６については、１０３０℃で２時間の加熱を行った後、油冷を行い、その後、６３０℃で４時間の焼戻しを行うことで、常温引張強さが１０００ＭＰａ程度になるように調整した。

そして、各例の鋼に関して各種試験を行った。

表２に示すように、各例の鋼に関して、５００℃における引張強さ（ＪＩＳ Ｚ ２２４１）、および、５５０℃における１０万時間クリープ破断強度（ＪＩＳ Ｚ ２２７１）を求めた。ここでは、ＪＩＳ４号試験片を用いて、５００℃で引張試験を行った。これにより、５００℃における引張強さを測定すると共に、クリープ破断強度の測定結果から、「５５０℃における１０万時間クリープ破断強度」を算出した。

鋼（Ｍ１）に関する実施例Ｐ１，Ｐ２と比較例Ｃ１，Ｃ２との間で試験結果を比較すると、「引張強さ」は、実施例Ｐ１，Ｐ２と比較例Ｃ１，Ｃ２との間で同等である。しかし、「１０万時間クリープ破断強度」は、実施例Ｐ１，Ｐ２の方が比較例Ｃ１，Ｃ２よりも高い。実施例Ｐ１，Ｐ２を構成する各成分の含有割合は、比較例Ｃ１，Ｃ２の場合と異なり、上記した鋼（Ｍ１）を構成する各成分の含有割合の範囲内である。このため、鋼（Ｍ１）に相当する実施例Ｐ１，Ｐ２は、上記のように、優れた機械的特性を備える。

鋼（Ｍ２）に関する実施例Ｐ３，Ｐ４と比較例Ｃ３との間で試験結果を比較すると、「引張強さ」は、実施例Ｐ３，Ｐ４の方が比較例Ｃ３よりも大きい。また、「１０万時間クリープ破断強度」は、実施例Ｐ３，Ｐ４の方が比較例Ｃ３よりも高い。実施例Ｐ３，Ｐ４を構成する各成分の含有割合は、比較例Ｃ３の場合と異なり、上記した鋼（Ｍ２）を構成する各成分の含有割合の範囲内である。このため、鋼（Ｍ２）に相当する実施例Ｐ３，Ｐ４は、上記のように、優れた機械的特性を備える。

鋼（Ｍ３）に関する実施例Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７と比較例Ｃ４，Ｃ５との間で試験結果を比較すると、「引張強さ」は、実施例Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７と比較例Ｃ４，Ｃ５との間で同等である。しかし、「１０万時間クリープ破断強度」は、実施例Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７の方が比較例Ｃ４，Ｃ５よりも高い。実施例Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７を構成する各成分の含有割合は、比較例Ｃ４，Ｃ５の場合と異なり、上記した鋼（Ｍ３）を構成する各成分の含有割合の範囲内である。このため、鋼（Ｍ３）に相当する実施例Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７は、上記のように、優れた機械的特性を備える。

鋼（Ｍ４）に関する実施例Ｐ８，Ｐ９と比較例Ｃ６との間で試験結果を比較すると、「引張強さ」は、実施例Ｐ８，Ｐ９と比較例Ｃ６との間で同等である。しかし、「１０万時間クリープ破断強度」は、実施例Ｐ８，Ｐ９の方が比較例Ｃ６よりも高い。実施例Ｐ８，Ｐ９を構成する各成分の含有割合は、比較例Ｃ６の場合と異なり、上記した鋼（Ｍ４）を構成する各成分の含有割合の範囲内である。このため、鋼（Ｍ４）に相当する実施例Ｐ８，Ｐ９は、上記のように、優れた機械的特性を備える。

上記の結果から、鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）は、高温環境において優れた機械的特性を備えることが判る。つまり、鋼（Ｍ１）〜（Ｍ４）は、高温環境において、「引張強さ」および「１０万時間クリープ破断強度」が十分に高い。

［素材形状について］
（磁粉探傷試験）
表３は、素材形状を角材にした場合とリング素材にした場合とに関して、磁粉探傷試験を行った結果を示す。表３においては、表１に示した各例のうち偏析傾向が大きいと想定される例Ｐ１の鋼および例Ｐ６の鋼について、上記試験を行った結果を示している。

ここでは、まず、例Ｐ１の鋼および例Ｐ６の鋼について、鋼塊（高さと直径の比が３）を鋳造によって作製した。そして、その鋼塊から角材を作製すると共に、その鋼塊からリング素材を作製した。角材は、鋼塊を長手方向に延伸させて形成された。リング素材は、各例の鋼塊をリング鍛造にて円盤状に成形した後に、円盤の中央部を打ち抜くことで作製された。そして、一辺の長さが１００ｍｍである正方形の断面であって、厚みが５０ｍｍのサンプルを角材およびリング素材のそれぞれから作製した。

その後、そのサンプルの断面について表面研磨を実施した後に、磁粉探傷試験（ＪＩＳ Ｚ ２３２０）を行い、欠陥指示の有無を確認した。また、欠陥指示が有る場合には、その原因になる物質を同定した。

表３から判るように、素材形状が角材である場合には、リング素材である場合と異なり、磁粉探傷試験において欠陥指示が有った。具体的には、直線状の欠陥指示が確認された。この欠陥指示の原因物質は、δ−フェライト、Ｎｂ炭窒化物、ＭｎＳを主体とする生成物や介在物の粒子であった。この粒子は、点状に並んでおり、圧延方向に延伸されていた。これに対して、素材形状がリングである場合には、欠陥指示が無く、清浄度が高いマルテンサイト組織を呈した。例Ｐ１および例Ｐ６以外の実施例に関しても、同様な結果が得られると考えられる。

以上の結果から、実施例の鋼は、素材形状がリング素材であることによって、素材形状が角材である場合よりも、鋳造時の偏析に起因した生成物や介在物の量を効果的に低減することができる。また、実施例の鋼は、清浄度が高いので、動翼に加工された後に行われる検査において欠陥指示が発生することを防止可能である。

（引張延性、衝撃値）
表４は、素材形状を角材にした場合とリング素材にした場合とに関して、引張延性および衝撃値を測定した結果を示す。表４においては、表１に示した各例のうち、例Ｐ１の鋼、例Ｐ３の鋼、および、例Ｐ６の鋼の結果を示している。

ここでは、まず、例Ｐ１の鋼、例Ｐ３の鋼、および、例Ｐ６の鋼について、鋼塊（高さと直径の比が３）を鋳造によって作製した。そして、その鋼塊から角材を成形すると共に、その鋼塊からリング素材を成形した。角材は、鋼塊を長手方向に延伸させて形成された。リング素材は、各例の鋼塊をリング鍛造にて円盤状に成形した後に、円盤の中央部を打ち抜くことで作製された。そして、角材およびリング素材について、上記と同様な条件で熱処理を実行した。

その後、角材については、長手方向と直角方向（短手方向）とに関して、引張試験と衝撃試験とを行った。また、リング素材については、円周方向と直角方向（径方向）とに関して、引張試験と衝撃試験とを行った。引張試験では、の４号試験片（ＪＩＳ Ｚ ２２０１に既定）を用いた。そして、衝撃試験では、２ｍｍＶノッチ試験片（ＪＩＳ Ｚ ２２０２に既定）を用いた。なお、各試料は、常温の引張強さが１０００ＭＰａ程度であって、異方性がない状態に調整した。

表４に示すように、角材の場合、伸び（％）は、長手方向の値に対して短手方向の値が５〜１０％程度低くなっており、絞り（％）は、長手方向の値に対して短手方向の値が１０〜２０％程度低くなっている。また、角材の場合、衝撃値は、長手方向の値と短手方向の値との間で大きな差が生じた。例Ｐ１の鋼、例Ｐ３の鋼、および、例Ｐ６の鋼のいずれにおいても、上記の傾向があった。

これに対して、リング素材の場合、伸び（％）および絞り（％）は、円周方向の値と径方向の値とが同等であった。衝撃値についても、円周方向の値と径方向の値との間においてほとんど差がなかった。

以上の結果から判るように、リング鍛造で作製されたリング素材は、破断伸び、絞り、衝撃値が角材の場合と同様に良好な値であると共に、角材の場合と異なり、特性の異方性がほとんど生じない。このため、上記のリング素材から形成された動翼は、不純物が除去されており、異方性がなく、機械的性質が均一である。

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…蒸気タービン、２１…動翼、２２…タービンロータ、２５…静翼、３０…リング素材、２１１…翼植込部、２１２…翼有効部、２１３…カバー、２２１…ロータディスク、ＡＸ…回転軸、Ｃ…中心軸

Claims (8)

1. 蒸気タービンに用いられる動翼の製造方法であって、
   リング形状に形成されたリング素材を準備する準備工程と、
   前記リング素材について加工を行うことによって前記動翼を成形する成形工程と
   を有する、
   動翼の製造方法。
2. 前記準備工程において、前記リング素材は、リング鍛造によって作製されている、
   請求項１に記載の動翼の製造方法。
3. 前記成形工程では、前記加工として、旋盤加工を行う、
   請求項１または２に記載の動翼の製造方法。
4. 前記成形工程では、前記リング素材から前記動翼を複数形成する、
   請求項１から３のいずれかに記載の動翼の製造方法。
5. 前記リング素材は、
   重量％で、
   Ｃ：０．１５〜０．２０、
   Ｓｉ：０．１０〜０．５０、
   Ｍｎ：０．２０〜０．６０、
   Ｎｉ：０．２０〜０．８０、
   Ｃｒ：１０．０〜１１．５、
   Ｍｏ：０．８０〜１．１０、
   Ｎｂ：０．２５〜０．４５、
   Ｖ：０．１５〜０．３０、
   Ｎ：０．０４〜０．０８
   を含有し、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼で形成されている、
   請求項１から４のいずれかに記載の動翼の製造方法。
6. 前記リング素材は、
   重量％で、
   Ｃ：０．０６〜０．１５、
   Ｓｉ：０．１０〜０．５０、
   Ｍｎ：０．２０〜０．６０、
   Ｎｉ：０．２０〜０．８０、
   Ｃｒ：１１．２５〜１３．０
   を含有し、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼で形成されている、
   請求項１から４のいずれかに記載の動翼の製造方法。
7. 前記リング素材は、
   重量％で、
   Ｃ：０．１５〜０．２０、
   Ｓｉ：０．１０〜０．５０、
   Ｍｎ：０．２０〜０．６０、
   Ｎｉ：０．２０〜０．８０、
   Ｃｒ：１０．０〜１１．５、
   Ｍｏ：０．８０〜１．１０、
   Ｖ：０．１５〜０．３０、
   Ｎｂ：０．１０〜０．２５、
   Ｗ：０．８０〜１．２０、
   Ｎ：０．０４〜０．０８
   を含有し、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼で形成されている、
   請求項１から４のいずれかに記載の動翼の製造方法。
8. 前記リング素材は、
   重量％で、
   Ｃ：０．２０〜０．２５、
   Ｓｉ：０．１０〜０．５０、
   Ｍｎ：０．２０〜０．６０、
   Ｎｉ：０．２０〜０．８０、
   Ｃｒ：１１．０〜１２．５、
   Ｍｏ：０．８０〜１．１０、
   Ｖ：０．１５〜０．３０、
   Ｗ：０．８０〜１．２０
   を含有し、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼で形成されている、
   請求項１から４のいずれかに記載の動翼の製造方法。

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