JP2653527B2

JP2653527B2 - 耐浸食合金の接合方法

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Publication number: JP2653527B2
Application number: JP1290573A
Authority: JP
Inventors: 山本　　優; 一昭池田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1989-11-08
Publication date: 1997-09-17
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: JPH03150331A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明は、例えば蒸気タービン羽根の前縁部に被着
されるエロージョンシールド用合金部材として好適な耐
浸食合金の接合方法に関する。

（従来の技術）例えば、蒸気タービンには高出力化が求められてお
り、このため蒸気タービンの最終段に使用される羽根は
必然的に長尺化する傾向にある。従来この種の材質とし
ては、通常12Cr鋼が適用されていたが、長尺化するにつ
れて、羽根先端の周速が増加し、これに対する対応が問
題となる。また、蒸気タービンの最終段付近では蒸気タ
ービンが湿っており、これが水滴となって羽根に衝突
し、羽根前縁部が浸食するエロージョンが生じる。この
浸食は周速が増すほど量が増え、羽根の信頼性を低下せ
しめる。このため、羽根前縁部には防浸食のために高硬
度のCo基合金をエロージョンシールドとして被着してい
たが、長尺化による周速の増大により、Co基合金といえ
ども多大な浸食を受けるという問題が生じている。

さらに、より一層羽根が長尺化すると、従来から使用
されていた12Cr鋼では遠心力が大となるため、軽量なチ
タン合金（例えばチタン−６％アルミニウム−４％バナ
ジウム）が適用されつつある。しかしながら、チタン合
金製の羽根の場合にも上記と同様に、高周速による浸食
が問題であり、しかもチタン合金へはCo基合金を被着し
ようにも合金の性質が異なるために、被着することは困
難である。

（発明が解決しようとする課題）そこで、本発明はCo基合金以外の良好な耐浸食性を有
し、かつ羽根材、とくにチタン合金に被着可能な耐浸食
合金の接合方法を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段および作用）本発明は、上記目的を達成するため、本発明の耐浸食
合金の接合方法は、体積比で20〜60％のセラミック粉末
と残部が実質的にはチタン又はチタン合金粉末とからな
る混合物を調製した後、この混合物を真空中又は不活性
ガス中で焼成し、ホットアイソスタティックプレス処理
により成形することによって得られた耐浸食合金を、蒸
気タービン用部材に接合するに際し、電子ビーム溶接、
TIG溶接などの溶接法、銀ローなどによるロー付法ある
いは拡散接合法により前記耐浸食合金を前記蒸気タービ
ン部材に接合させることを特徴としている。

本発明における上記の耐浸食合金においては、高硬度
のセラミック粉末として、チタン炭化物、チタン窒化
物、チタンホウ化物、チタン酸化物などのチタン化合物
が用いられ得る。さらに、チタン合金の粉末としては、
チタン−６％アルミニウム−４％バナジウム（重量比）
合金などのα＋β型チタン合金、あるいはチタン−15％
モリブデン−５％ジルコニウム合金やチタン−15％モリ
ブデン−５％ジルコニウム−３％アルミニウム合金（重
量比）などのβ型チタン合金を用いることが好ましい。

上記β型チタン合金粉末を用いる場合には、セラミッ
ク粉末との成形後に700〜850℃の範囲の加熱による溶体
化処理とその後に400〜600℃の範囲で加熱する時効処理
を施こすことが好ましい。

また、上記耐浸食合金を部材に被着するに際しては、
成形された耐浸食合金を、電子ビーム溶接やTIG溶接な
どの溶接法又は、銀ローなどを使ったロー付法や拡散接
合法などにより接合するか、または、耐浸食合金を部材
上でレーザーや電子ビームなどの高エネルギービームに
より溶融することにより被着する。

また、チタン合金粉末として上記β型チタン合金を用
いるに際しては、成形された耐浸食合金を上記方法によ
り部材に被着した後に、700〜850℃の範囲の加熱による
溶体化処理とその後に400〜600℃の範囲で加熱する時効
処理を施すことが好ましい。

本発明にかかる耐浸食合金の構成物のうち、セラミッ
ク粉末としては、例えばシリコンカーバイド（SiC）や
シリコンナイトライド（Si₃N₄）、ボロンナイトライド
（BN）、チタンカーバイド（TiC）、チタンナイトライ
ド（TiN）、チタンボランド（TiB₂など）、酸化チタン
（TiO₂）、酸化アルミニウム（Al₂O₃）など、その個体
が非常に高硬度であり、これをチタン又はチタン合金粉
末と混合一体化することによりチタン又はチタン合金単
独では得られない高硬度を得ることができ、また上記構
成物を一体化するに際し、ホットアイソスタティックプ
レス処理を施こすことにより混合物間に生成されている
気孔が圧着されるので硬度・耐浸食性が一段と富むもの
となる。

また、チタン合金粉末としてチタン−６％バナジウム
−４％アルミニウム（重量比）などのチタン合金製羽根
と同種のα＋β型チタン合金を用いることにより、羽根
への被着を容易にすることができる。さらに、チタン合
金粉末としてチタン−15％モリブデン−５％ジリコニウ
ム−３％アルミニウム合金などのβ型チタン合金を用い
ると、本合金系は、熱処理、すなわち、700〜850℃加熱
による溶体化処理と400〜600℃加熱による時効処理、に
よりチタン合金自体も硬化し、より硬度を増す。上記に
より製造した耐浸食合金は、チタン合金製羽根と同種の
チタン合金であるので同羽根への溶接あるいはロー付拡
散接合などにより高い被着強度で被着させることができ
る。また、合金系の異なる12Cr鋼製の羽根に対しても、
ロー付あるいは拡散接合法などにより被着させることが
できる。さらに、本発明になる耐浸食合金を部材、例え
ば蒸気タービン羽根に載置し、耐浸食合金自体をレーザ
ー等の高エネルギービームで溶融することによって被着
させることにより、どのような部材の材料に対しても高
い接着強度で被着させることができる。

（実施例）以下、本発明にかかる耐食合金の接合方法ならびにそ
の方法で使用する耐食合金における各限定理由について
説明するとともに、その具体的実施手段について説明す
る。

まず、セラミック粉末は、チタン炭化物（TiC）、チ
タン窒化物（TiN）、チタンホウ化物（TiB₂など）、酸
化チタン（TiO₂）、シリコンカーバイド（SiC）、シリ
コンナイトライド（Si₃N₄）、アルミナ（Al₂O₃）などが
あるから硬度は例えばTiCでは、Hv2400,TiNがHv1700な
ど従来エロージョンシールドとして使用されているCo基
合金ステライトトの硬度Hv500に比べて非常に高い硬度
を有している。これを混合焼結体に均一に分散させるに
は全体体積比で20％〜60％が最も好ましい適用範囲であ
る。これは全体体積比が20％未満ではCo基合金以上の硬
度を得ることが難しく、それが60％を超えると、脆くな
り、焼結体として成形できなくなるからである。このセ
ラミックス粉末を焼結体とするに、金属粉末としてチタ
ン又はチタン合金をバインダーとして用いるが、その
際、セラミックス粉末としては、上記の各種セラミック
粉末が使用可能であるが、とくに、チタン系の炭・窒化
物、ホウ化物、酸化物は、バインダーのチタン又はチタ
ン合金との親和性が良好であり、緻密な焼結体が形成で
きる。

つぎに、セラミック粉末と混合するチタン又はチタン
合金の粉末は、バインダーの役目をするとともに、混合
焼結体の基本的な強度特性を代表するもので、商用純チ
タンならびにチタン基の合金全てで混合焼結体を形成す
ることが可能であるが、強度（硬度）をより高く必要と
する際には、高強度のチタン−６％アルミニウム−４％
バナジウム合金をはじめとするα＋β型合金が望まし
い。さらに、高強度を必要とする際には熱処理により硬
化する性質を有するチタン−15％モリブデン−５％ジル
コニウムやチタン−15％モリブデン−５％ジルコニウム
−３％アルミニウム合金などのβ型チタン合金が望まし
い。

これらβ型チタン合金粉末を用いるに際しては、セラ
ミック粉末と混合・焼成後、部材に被着前あるいは被着
後のいずれかにおいて、700〜850℃の範囲で加熱後急冷
する溶体化処理とその後に400〜600℃の範囲で加熱する
ことにより時効硬化して、より高硬度の耐浸食合金が達
成される。溶体化処理、としては、700℃以下の加熱保
持では焼結後の合金が均一に固溶体とはならず、また85
0℃以上になると焼結後の合金が粗大化して、脆くなる
ので、この範囲とする。また、時効処理としては、400
℃以下の加熱では、硬化に数百時間を要し、工業的では
なく、また600℃以上になると硬化の程度が小さく、実
際上有効な効果が得られないので、この範囲とする。こ
の溶体化−時効処理は、部材への被着前でも後でも有効
で、接合方法との関連で選択出来る。また、銀ロー付な
どの接合方法をとる場合においては、接合時の加熱温度
が、あるいは接合方法が電子ビーム溶接などの溶接や、
レーザーなどの溶融接合の場合にはその後に応力除去焼
鈍などの後熱処理の加熱温度が、上記溶体化処理と時効
処理の温度範囲に一致しているときは、それを兼ね合わ
せることができる。

つぎに、本発明において用いる耐食合金の製造例につ
いて説明する。

第１表は、本発明の実施例の硬度と耐浸食性を示した
ものである。実施例の各耐浸食合金は、Tie,TiN,TiB₂,S
iCなどの炭・ホウ化物の粉末と、チタン合金の粉末を所
定の割合で機械的に混合した後、20mm角×300mm長さの
矩形容器に混合粉末を充てんし、プレスにより成形し、
固体とした。その後、矩形の固体を、周囲をBN粉末で充
てんし、別の円筒容器に入れ、円筒容器を溶接で封印し
た後、1000〜1100℃に加熱して、圧力1500気圧でホット
アイソスタティックプレス、成形して、焼結一体化し
た。その後、硬度測定とエロージョン試験を実施した。
エロージョン試験としては、水温24℃、6.5KHz、振巾10
0μｍのキャビテーションエロージョン試験を行い、エ
ロージョン減量を求めた。

実施例１から実施例９は本発明による耐浸食合金であ
り、比較例１はCo基合金のステライトで、これと実施例
を比較すると、いずれも硬さは高く、エロージョン減量
も比較例１より小さく、優れた耐エロージョン性を有し
ていることがわかる。実施例７と９は、チタン合金粉末
としてβ合金を使用した例で、液体化−時効処理を施こ
すことにより、熱処理なしに比べ、飛躍的に耐エロージ
ョン性が向上している。また比較例２と３は、セラミッ
ク粉末の体積％が、本発明の範囲外にある例で、いずれ
も高い硬度は得られず、耐エロージョン性も比較例１よ
り劣っている。

〔発明の効果〕以上述べたように、本発明による接合方法において
は、接合する耐浸食合金が耐エロージョン性に優れてお
り、特に蒸気タービン羽根の信頼性向上を図る上におい
て優れた効果を有している。本発明の上記記載において
は、特に蒸気タービン羽根を例にとって説明したが、そ
の他のエロージョンによる損傷を受けるガスタービンや
ポンプなどの羽根やノズルなどにも適用することができ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２２Ｃ 29/16 Ｃ２２Ｃ 29/16 Ｈ 32/00 32/00 ＨＦ０１Ｄ 5/28 Ｆ０１Ｄ 5/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】体積比で20〜60％のセラミック粉末と残部
が実質的にチタン又はチタン合金粉末とからなる混合物
を調製した後、この混合物を真空中又は不活性ガス中で
焼成し、ホットアイソスタティックプレス処理により成
形することによって得られた耐浸食合金を、蒸気タービ
ン用部材に接合するに際し、電子ビーム溶接、TIG溶接
などの溶接法、銀ローなどによるロー付法あるいは拡散
接合法により前記耐浸食合金を前記蒸気タービン部材に
被着させることを特徴とする、耐浸食合金の接合方法。
【請求項２】前記耐浸食合金を部材に被着するに際し、
部材上に載置した耐浸食合金をレーザー、電子ビームな
どの高エネルギービームにより溶融することにより被着
させることを特徴とする、請求項１に記載の耐浸食合金
の接合方法。
【請求項３】前記被着工程終了後、更にこれを700〜850
℃の範囲で加熱して溶体化処理を行い、その後、400〜6
00℃の範囲に加熱して時効処理を行うことを特徴とす
る、請求項１に記載の耐浸食合金の接合方法。
【請求項４】セラミック粉末として、チタン炭化物、チ
タン窒化物、チタンホウ化物またはチタン酸化物のチタ
ン化合物を用いたことを特徴とする、請求項１に記載の
耐浸食合金の接合方法。
【請求項５】チタン合金粉末として、チタン−６％アル
ミニウム−４％バナジウム合金からなるα＋β型チタン
合金の粉末を用いたことを特徴とする、請求項１に記載
の耐浸食合金の接合方法。
【請求項６】チタン合金粉末として、チタン−15％モリ
ブデン−５％ジルコニウム合金またはチタン−15％モリ
ブデン−５％ジルコニウム−３％アルミニウム合金から
なるβ型チタン合金を用い、これに体積比で20〜60％の
セラミック粉末を混合した後、この混合物を真空中又は
不活性ガス中で焼成し、ホットアイソスタティックプレ
ス処理をして成形した後に、更に700〜850℃の範囲で溶
体化処理し、次いで400〜600℃の範囲で時効処理を施す
ことによって耐浸食合金を得ることを特徴とする、請求
項１に記載の耐浸食合金の接合方法。