JP3559709B2

JP3559709B2 - ガスタービン部品の材料劣化回復処理方法及び本処理を施したガスタービン部品

Info

Publication number: JP3559709B2
Application number: JP14488198A
Authority: JP
Inventors: 大蔵斎藤; 洋明吉岡; 一成藤山; 卓久近藤; 彰鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-05-26
Filing date: 1998-05-26
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2018-05-26
Also published as: JPH11335802A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン部品の回復技術に係るものであり、特に運転中に高温下に曝されることにより熱劣化、クリープ損傷、疲労損傷、酸化、腐食、エロージョン、または飛来異物との衝突による損傷等を受けたガスタービンの高温部品を回復させるための、ガスタービン部品の材料劣化回復処理方法および本処理を施したガスタービン部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン発電プラントでは、ガスタービンと同軸に設けられた圧縮機の駆動によって圧縮された圧縮空気を燃焼器に案内して燃焼を行わせ、これにより発生する高温燃焼ガスをトランジションピースおよび静翼を経てガスタービンの動翼に案内し、この動翼を回転駆動させてガスタービンで仕事をさせ、発電機にて発電を行わせるようになっている。
【０００３】
このようなガスタービンの高温部品である燃焼器ライナ、トランジションピース、静翼および動翼には耐熱超合金が用いられ、特に高温強度が要求される動翼にはＮｉ基超合金が使用されるようになっている。このＮｉ基超合金は析出強化型合金であり、一般にγ′相と呼ばれるＮｉ_３（Ａｌ，Τｉ）の金属間化合物をΝｉマトリックスに析出させることで高温強度を得ている。しかし、このようなＮｉ基超合金性のガスタービン部品については、ガスタービンの運転とともに種々の損傷または欠陥（以下、単に損傷という）が見られる。すなわち、動翼等のガスタービン部品は高温の燃焼雰囲気に晒されるため、腐食や酸化その他の材質劣化が生じるとともに、運転時の遠心応力によってクリープ損傷が蓄積する。また、ガスタービンの起動あるいは停止時には、その熱履歴に遠心応力が重畳した熱疲労が生じ、さらに損傷が蓄積する。
【０００４】
そして一般に、動翼は設計寿命に達した場合には廃却されている。廃却となる時間は、表面に耐酸化・耐腐食コーティングを有している初段動翼の場合には、１１００℃級ガスタービンのベースロード仕様の例で４８０００時問であり、リコーティングを施して使用する場合は、コーティング層の耐久性にもよるが、運転後２４０００時間でリコーティングし、その後４８０００時間使用して廃却となっている。この場合、リコーティング時に施す熱処理には、母材の寿命回復は見込まれていない。
【０００５】
動翼以外の高温部品である静翼あるいは燃焼器ライナ、トランジションピース等に、き裂や摩耗部等が生じた場合には、溶接補修を施し、継続して使用している。これらの補修の際、必要に応じて溶接時の熱影響及び残留応力除去のための熱処理を実施している。
【０００６】
近年、発電効率向上のため、高温化とともに静翼あるいはライナ、トランジションピースも、動翼と類似した高強度のＮｉ基合金を用いるようになり、補修および回復処理が困難になっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービンの高温部品に用いられている材料の問題点は、鋳造時に凝固する過程でデンドライト境界部に融点を下げる元素が偏析しやすく、特に、これらの元素が極度に偏析したデンドライト境界部では融点が極度に低下する傾向がある。この場合、主強化析出相であるγ′相が固溶する温度に近づくことから、これらの材料は工業的には通常、このような溶解の生じない範囲の温度で、最適な組織が得られる温度で熱処理を行っている。このため、主強化析出相であるγ′相を完全に固溶し、再析出することにより組織の完全回復を図ることができず、逆に析出相の凝集粗大化を来し、強度あるいは寿命の低下を来たす場合も生じていた。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、運用により材料劣化等が生じたガスタービン部品を対象として、局部溶解による欠陥がなく、かつγ′相が完全に固溶し、製造時の組織状態に回復させることを可能にし、新材と同等またはそれ以上の材料特性を有する部品とすることができるガスタービン部品の材料劣化回復処理方法及び本処理を施したガスタービン部品を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
高温下で使用される析出強化型合金からなるガスタービン部品は、析出物の析出・成長および凝集粗大化が進み、その形状が変化するとともに、新たな析出相の析出あるいはその析出に伴い、強化析出相の消失等が生じ、本来の材料特性、特にクリープ寿命あるいは延・靭性の低下が生じるとともに、遠心応力あるいは熱応力等によるクリープ、起動・停止の熱・歪み履歴による熱疲労、あるいは高・低サイクル疲労による損傷を受けている。
【００１０】
このような劣化損傷を受けた部品を回復させるためには、特開平８−２７１５０１号公報（特に実施例１）に示されているように、γ′相の固溶温度以上で熱処理する必要がある。しかし、この公知例に示された合金のように、γ′相のγ相中への固溶温度が、局部溶解開始温度と工業的意味においてほぼ同等か、それよりも高い合金は、γ′相固溶温度以上で、かつ局部溶解開始温度以下で熱処理することにより回復が可能である。
【００１１】
しかし、γ′相の固溶温度よりも低い温度で熱処理（部分溶体化処理）を施す合金においては、γ′相の固溶温度以上で回復のための熱処理を施すことは、逆に局部的な溶解を生じ強度低下を来す。また、局部溶解開始温度以下の温度では、逆に熱劣化が進行し回復することはできない。
【００１２】
そこで本発明では、析出強化型の合金により構成され、高温下の使用により材料の劣化または損傷が生じたガスタービン部品に、高圧下で熱処理を施す回復熱処理工程と、非加圧下で熱処理を施す溶体化熱処理工程および時効熱処理工程とを備える方法を提供する。特にＢ，Ζｒ，Ｈｆ，Ｃ等の粒界強化元素を添加したことにより凝固時、デンドライト境界にこれらの元素が偏析し局部溶解開始温度がγ′相の固溶温度とほとんど同等かあるいはより低くなった合金に対し、加圧しながらγ′相の固溶温度以上の温度で熱処理することにより、γ′相の完全な母材（γ相）への固溶を図るとともに、高圧下で加熱することにより、溶解温度の低下を来たす要因となった元素の拡散を加速させ、局部溶解開始温度の上昇を図るとともに、例え局部的に溶解しても高圧により圧着させることにより、局部溶解による強度低下を生じることなく部品の回復を図り、新材と同等以上に特性および寿命を得ることを可能としている。
【００１３】
なお、ここで用いる回復熱処理、すなわち高圧下における熱処理は、容器中に加熱装置を配備した圧力容器と不活性ガスタンクおよび不活性ガスを圧縮し容器中に送り込む圧縮装置、使用した不活性ガスを回収する排気・ガス回収装置および加熱装置内に配備した本回復処理を行う部品を保持する容器からなる装置を用い、この容器中に部品をセットした後、一旦容器内を排気した後、不活性ガスを封入し、加圧しながら昇温し、所定の温度および圧力でγ′相の母材への完全固溶を図るとともに、不可避的に生じた局部溶解による欠陥あるいは使用時に生じたクリープあるいは疲労による損傷を回復させるものである。
【００１４】
なお、高圧下での熱処理後の状態は、新材を鋳造・凝固した状態に等しいことから、その後、その合金の通常の熱処理（一例：部分溶体化処理と時効処理）を施すことが望ましい。しかし、本高圧下における熱処理を施す装置がガス冷却装置を装備し、毎分４０℃以上で冷却可能な装置を装備している場合、γ′相を固溶させる熱処理を施した後、本来の本合金の溶体化処理温度（特に部分溶体化処理温度）で一旦保持した後、急冷することで溶体化処理を兼ねることもできる。
【００１５】
高圧下で施す熱処理温度は、前記の理由により析出物が固溶する温度以上である。しかし、過度の温度を上げることは、温度が高くなるにつれて部品の強度が低下し、自重により変形を生じることから、回復処理時に設計上問題を生じるような変形を生じない強度を有する温度以下にする必要がある。
【００１６】
また、回復処理時に施す圧力は回復処理時に局所に偏析した元素の拡散を加速し、かつ不可避的に生じた局部の溶解あるいは運転時に生じたクリープあるいは疲労による損傷（欠陥）をその処理温度で回復させるのに十分な圧力であり、かつ回復処理時に設計上問題を生じるような変形を生じさせない圧力以下である必要がある。
【００１７】
なお、本回復処理は、回復処理前に部品表面およびその直下におけるき裂、腐食・酸化あるいはエロージョン、異物衝突等による表面損傷あるいは欠陥等、表面に露出した欠陥がある場合、逆にその欠陥サイズを大きくする可能性があることから、少なくとも部品表面に達した欠陥は表面上欠陥のない状態にＴＩＧ溶接等による溶接補修あるいはプラズマ溶射（真空プラズマ溶射）、ガス溶射、ロウ付け（真空ロウ付け）等のコーティングを施し、表面の損傷あるいは欠陥を無くする前処理が必要である。また、高温高圧下の処理であるため、処理前に表面は、アルミナ粒子等によりブラストし、部品との反応の可能性のある汚れは除去した後で行う必要がある。特に、コーティングを施している部品の場合、基材に拡散することにより合金本来の特性を損ない、あるいは寿命の低下を来す場合は、コーティング層を除去した後に処理することが望ましい。
【００１８】
本発明は、ガスタービン部品が析出強化型のＮｉ基の合金であり、γ′相［Ｎｉ_３（Ａｌ，Ｔｉ）］を主強化析出相とする部品を対象としている。この中でも特に本発明は、鋳造合金であり、等軸晶あるいは一方向凝固材の場合、また単結晶合金においても粒界強化元素等、局所的に偏析し融点を下げる元素を添加している場合、鋳造後行う熱処理の最高温度が主強化析出相のγ′相あるいはγ″［Ｎｌ_３Ｎｂ］相の固溶温度と工業的レベルでほとんど同等となり、γ′相の固溶温度以上で局部溶解開始温度以下の温度を狙って熱処理することができないか、あるいは局部溶融開始温度の方が低い材料に対し有効な処理方法である。
【００１９】
また、本発明の回復処理によりメンテナンスされる機器としては、ガスタービンの高温部品であり、特に前述した材料によって製造されているガスタービン動翼、静翼あるいは燃焼器ライナ、トランジションピース等が挙げられる。
【００２０】
高温下で使用される高温部品は、高温下での使用により析出物の析出・成長および凝集粗大化が進み、その形状が変化するとともに、新たな析出相の析出あるいはその析出に伴い、強化析出相の消失等が生じ、本来の材料特性、特にクリープ寿命あるいは延・靭性の低下が生じる。また、遠心応力あるいは熱応力等によるクリープ、起動・停止の熱・歪み履歴による熱疲労、あるいは高・低サイクル疲労による損傷を受けている。このような部品にはＮｉ基の鋳造合金が多く用いられているが、高温強度を出すために多くの元素を添加しており、特に結晶粒界あるいは小傾角粒界の粒界結合力を増すために添加するＣ，Ｂ，Ζｒ，Ｈｆ等の粒界強化元素を添加する合金においては、これらの元素が凝固時、偏析の生じやすいデンドライト境界部に偏析し、局部的に融点の低い領域を形成する。このような材料では、局部溶解開始温度がγ′相の固溶温度と同等近くまで下がるか、あるいは以下となることから、従来の方法では逆に強度低下さえも引き起こしていた。このような高温部品における回復処理方法を手順を追って説明する。
【００２１】
まず、回復処理する部品に用いられている合金のγ′相固の溶温度および局部溶解開始温度を示差熱分析により概略の温度を求めるとともに、その温度前後の温度に保持した後、急冷した試料の組織観察により、正確にその製品の鋳造による部品の局部溶解開始温度を求める。この分析によるγ′相の固溶温度および局部溶解開始温度から、回復処理の温度条件を設定する。また、高温にて引張試験を行い、圧力を耐力から設定する。
【００２２】
一方、管理寿命に達した部品あるいはそれ以前の部品については、目視検査、寸法検査等の非破壊検査を行い、検査結果に基づき使用可能な部品を選定する。この検査にて部品表面およびその直下におけるき裂、腐食・酸化あるいはエロージョン、異物衝突等による損傷があり、そのままでは回復処理を施しても再使用できない部品については損傷部の補修を行う。また、外表面にコーティングが施されている部品では、コーティング層を除去することが望ましい。損傷部の補修あるいはコーティング層を除去した部品については、回復処理前に再度、目視検査、寸法検査等の非破壊検査を行い、修復できていることを確認する。
【００２３】
次に高圧下で高温処理を施す。この加圧により、溶解温度の低下を来す要因となったＢ，Ζｒ，Ｈｆ，Ｃ等の元素の拡散を低い温度でも生じ易くなる。本発明では、処理炉に部品を装填するにあたり、高圧下で高温処理するため、部品が自重により変形しないように配列する。なお、部品の装填は炉の均熱帯に配列することが望ましい。炉に部品を装填した時点では雰囲気が大気であり、Ａｒガス雰囲気で処理するために、まず圧力容器の真空引きを行い、続いてＡｒガスを注入する。この真空引きとＡｒガスを注入する置換操作は、２〜３回行うことが望ましい。続いて、圧縮機にて高圧のＡｒガスを注入すると同時に、所定の温度まで昇温する。圧力は温度が所定に達した後、最終的に圧縮機により所定の値に調整する。所定の圧力に達した後、温度および圧力を保持し、冷却する。冷却後は部品に用いられている材料の通常の熱処理を施す。
【００２４】
この回復処理を施した後、目視検査、寸法検査等の非破壊検査を行う。コーティングを施す場合は通常の熱処理の間に行い、その後に非破壊検査を行う。以上のように、本発明の材料劣化回復処理方法により、ガスタービン部品を再生することが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービン部品の材料劣化回復処理方法及び本処理を施したガスタービン部品の実施形態について説明する。
【００２６】
実施例１（表１，２，３、図１，２，３）
図１は、本発明による再生処理のフローチャー卜を示している。この図１に示すように、本実施例では、まず処理対象となるガスタービン部品について目視等による回復前検査工程１を行い、次に高圧下で熱処理を施す回復熱処理工程２を行う。次いで、非加圧下で熱処理を施す溶体化熱処理工程３および時効熱処理工程４を行い、その後、回復後検査工程５を行った。
【００２７】
なお、本実施形態では、ガスタービンの動翼に用いられるＮｉ基超合金であるＩＮ７３８ＬＣ材を試験材として用い、本発明の正当性を示すため、再生処理の実験を行った。ＩＮ７３８ＬＣ材は、下記の表１に示すように、Ｃ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｂ、Ｚｒ、Ｎｉを含む化学組成を有するものであり、かつ鋳造後に、主強化析出相であるγ′相をその母材であるγ相に部分的に固溶させる熱処理を施したものである。
【００２８】
【表１】

【００２９】
この再生処理の実験では、まず試験材のγ′固溶温度、局部溶解開始温度および融点を示差熱分析により求めた。その結果、下記の表２に示すように、γ′相固溶温度は１１６０〜１１７５℃であり、局部溶解開始温度は１２４０〜１２５０℃であった。また、溶融温度（融点）は１２７０〜１３７５℃であった。なお、下記の試験材を加熱し、加熱後に断面の組織観察を行ったところ、局部溶解は１２２０℃以上でみられ、示差熱分析の結果より低目であった。
【００３０】
【表２】

【００３１】
一方、本実施形態による再生処理を施す試験材として、９００℃で３０ｋｇｆ／ｍｍ^２の条件で、あらかじめクリープ損傷を与えたクリープ中断材１２本（試験材１〜１２（同一種類のもの１対ずつ、計６種類））を作成した。そして、下記の表３に示すように、試験材１，２については熱処理を行わず、試験材３，４については溶体化熱処理（γ′相固溶温度以上）および時効熱処理（通常の温度、以下同様）を行い、試験材５，６については溶体化熱処理（γ′相固溶温度以下）および時効熱処理を行った。また、試験材７，８については溶体化熱処理（γ′相固溶温度以上）のみを行い、試験材９，１０については溶体化熱処理（γ′相固溶温度以下）のみを行った。さらに、試験材１１，１２については溶体化熱処理（γ′相固溶温度以上）の後、溶体化熱処理（γ′相固溶温度以下）を行い、さらに時効熱処理を行った。その後、組織観察およびクリープ試験を行った。
【００３２】
【表３】

【００３３】
試験材１，３，５，７，９，１１および新材の組織観察結果を図２（ａ）〜（ｇ）に模式的に示す。図２中、６はγ相を示し、７〜１３はγ′相を示し、６ａはγ−γ′共晶を示している。また、これらにそれぞれ対応する試験材２，４，６，８，１０，１２および新材のクリープ試験結果を図３に示している。
【００３４】
試験材１の組織については、図２（ａ）に示すように、本合金のクリープ損傷を受けた組織特有のγ′相７のラフト化が認められた。試験材３では図２（ｂ）に示すように、新材（図２（ｇ））の組織とは異なり、微細なγ′相８のみがみられた。試験材５でも、γ′相１３が整列して析出している新材の組織と異なり、図２（ｃ）に示すように、γ′相９はランダムに析出し、その形状は金平糖状であった。試験材７では図２（ｄ）に示すように、微細なγ′相１０のみがみられ、試験材９では図２（ｅ）に示すように、γ′相１１が試験材７より若干粗大化しており、いずれも新材とは異なる組織であった。試験材１１では図２（ｆ）に示すように、γ′相１２が整列して析出し、新材と同等の組織を呈していた。
【００３５】
クリープ試験結果では、図３に示すように、試験材１１の組織に対応する試験材１２について、ほぼ新材のクリープ破断時間と同等であり、組織の完全回復によりクリープ強度が回復したことが認められた。
【００３６】
実施例２（図４，５）
本実施例では、実プラントで設計寿命に達し、廃却となったＩＮ７３８ＬＣ合金のガスタービンの第２段動翼に再生処理した事例について述べる。なお、新材で形成した翼（新品翼）から小片を切り出し、これを加熱し、加熱後に断面の組織観察を行ったところ、実翼の局部溶解温度はγ′相の固溶温度の上限に近い１１８０℃から生じていた。再生処理は図１に示す工程に従って実施し、回復熱処理温度は実施例１にて示した試験材１１、試験材１２にて実施した温度と同じである。その後は本合金の通常の熱処理条件にて実施した。
【００３７】
図４（ａ）〜（ｃ）に再生処理後の組織を、新翼および廃却翼と対比して模式的に示す。図４中、１４はγ相を示し、１５，１６，１７はγ′相を示し、１８はγ−γ′共晶を示している。この図４（ｂ）に示すように、廃却翼のγ′相１６が凝集粗大化しているのに対し、図４（ｃ）に示す再生処理翼は、図４（ａ）に示す新品翼の組織とほぼ同等の状態まで回復していた。なお、回復熱処理温度が局部溶解温度に近いことから、処理中に局部溶解が生じたと考えられるが、高圧で処理したため、この部分は圧着していた。
【００３８】
また、図５に再生処理後のクリープ試験によるクリープ破断時間を示す。廃却翼は極度のクリープ強度の低下が生じていたのに対し、再生処理翼は新品翼と同様に、クリープ強度の完全回復が図られていた。
【００３９】
実施例３（図６，７，８）
本実施例では、実施例２で述べた動翼と同じ合金のＩＮ７３８ＬＣ材を用いた初段動翼（コーティング付き）について説明する。本実施例の動翼は２４０００時間の時点でリコーティングしたものである。リコーティング時は回復熱処理は実施せず、通常の熱処理のみを施し、その後２４０００時間使用した。ここでは、表面のコーティングを除去せず、図１の再生処理工程に従い、再生処理を施した。
【００４０】
図６は、再生処理後の組織を新翼および廃却翼と比較して示している。図４中、１４はγ相を示し、１５，１６，１７はγ′相を示し、１８はγ−γ′共晶を示している。この図６（ｂ）に示すように、廃却翼のγ′相１６は凝集粗大化していた。しかし、図６（ｃ）に示すように、再生処理翼は、図６（ａ）に示す新翼とほぼ同一組織まで回復していた。
【００４１】
図７は、再生処理後のクリープ試験によるクリープ破断時問を示している。廃却翼では極度のクリープ強度の低下が生じていたのに対し、再生処理翼では組織と同様にクリープ強度の完全回復が図られていた。
【００４２】
一方、再生処理後のコーティング層と母材との境界近傍の組織を観察すると、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、回復熱処理およびその後実施した通常の熱処理により、コーティング層１９の構成元素と母材２０の構成元素が相互拡散し、翼の強度に寄与しない拡散層２１の幅が大きくなり、かつ拡散層２１の劣化相２２の粗大化もみられた。したがって、コーティング翼の回復処理は回復熱処理前にコーティングを除去することが望ましい。
【００４３】
他の実施形態（表４）
その他の実施例として、下記の表４に組成を示したガスタービンの動翼材であるＮｉ基合金のＵ５００材、Ｒｅｎｅ８０材、Ｒｅｎｅ８０の一方向凝固材およびこれらの材料からなる第３段動翼に対しても、本発明の回復処理方法を施したところ、クリープ寿命および組織の完全回復が図れることが確認できた。
【００４４】
さらに、図示しないが、Ｎｉ基合金を用いた燃焼器ライナ、トランジションピースおよび静翼に対しても本回復処理法によって材料劣化・損傷を回復できることが認められた。
【００４５】
【表４】

【００４６】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明によれば、運用により材料劣化等が生じたガスタービン部品を対象として、局部溶解による欠陥がなく、かつγ′相が完全に固溶し、製造時の組織状態に回復させることを可能にし、新材と同等またはそれ以上の材料特性を有する部品とすることができ、それにより再使用による寿命延伸が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す再生処理フローチャー卜。
【図２】本発明の実施例１による各試験材の組織観察結果を示す図。
【図３】本発明の実施例１による各試験材のクリープ試験結果を示す図。
【図４】本発明の実施例２による再生処理後の組織を示す図。
【図５】本発明の実施例２による再生処理後のクリープ試験結果を示す図。
【図６】本発明の実施例３による再生処理後の組織を示す図。
【図７】本発明の実施例３による再生処理後のクリープ試験結果を示す図。
【図８】本発明の実施例３による再生処理後のコーティングと母材界面近傍の組織を示す図。
【符号の説明】
１回復前検査工程
２回復熱処理工程
３溶体化熱処理工程
４時効熱処理工程
５回復後検査工程
６，１４ γ相
７，８，９，１０，１１，１２，１３１５，１６，１７ γ′相
６ａ，１８ γ−γ″共晶
１５コーティング
２０母材
２１拡散層
２２拡散層内の劣化相

Claims

析出強化型のＮｉ基鋳造合金により構成され、かつ鋳造後に主強化析出相であるγ’相がその母材であるγ相に固溶する固溶温度よりも低い温度を最高温度として熱処理が施され、さらに高温下の使用により材料の劣化が生じたガスタービン部品を処理対象とする材料劣化回復処理方法であって、前記部品に高圧下で熱処理を施す回復熱処理工程と、非加圧下で熱処理を施す溶体化熱処理工程および時効熱処理工程とを備え、前記回復熱処理工程の温度条件は、処理対象となる前記部品の前記析出相が固溶する温度以上、かつ前記部品の形状を一定に保持し得る温度以下に設定し、前記回復熱処理工程で施す圧力条件は耐力から設定し、局部的な溶解部を回復し得る圧力以上で、前記部品の形状を一定に保持し得る圧力以下とし、処理対象となる前記部品である析出強化型合金は、少なくともＢ，Ζｒ，Ηｆ，Ｃのいずれかの粒界強化元素を含み、かつ製造時における凝固の際にデンドライト境界に前記元素のいずれかが偏析し、局部溶解開始温度がγ′相の固溶温度と同等まで下がるか、あるいはこれ以下となるＮｉ基の普通鋳造合金、一方向凝固あるいは単結晶合金であることを特徴とするガスタービン部品の材料劣化回復処理方法。
請求項１記載の方法により処理されたことを特徴とするガスタービン部品。