JP4929399B2 - 回転機器のロータ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、蒸気タービンなどに用いられ、通過する蒸気など作動流体温度に応じて異なる強度の複数の部材を溶接によって接合した回転機器のロータ及びその製造方法に関する。
現在、主要な発電方法として原子力、火力、水力の３つの方法が用いられており、資源量及びエネルギー密度の観点から、今後も前記３つの発電方法が主要な発電方法として用いられていくと予想される。中でも火力発電は安全で負荷変動への対応能力の高い発電方法として利用価値が高く、発電分野において今後も引き続き重要な役割を果たしていくものと予想される。
蒸気タービンを含む石炭焚火力発電では、従来より高効率化が進められてきており、現在では一般的に６００℃級以下の蒸気条件で発電が行われ、タービンロータ、動翼等の主要部材には前記蒸気温度に対する耐熱性を有する１２Ｃｒ鋼などの高クロム鋼（フェライト系耐熱鋼）が用いられている。
また近年、ＣＯ２排出量削減と、更なる熱効率向上のために、７００℃級の蒸気条件を採用した発電技術が求められているが、７００℃級の蒸気条件を採用すると前記１２Ｃｒ鋼などの高クロム鋼（フェライト系耐熱鋼）では強度不足となる。
そこで、タービンロータの材料として、更に高い高温強度を有するＮｉ基合金を適用することが考えられるが、Ｎｉ基合金は大型鋼塊の製造が難しいためタービンロータの大型化が難しく、さらに非常に高価格であるため、Ｎｉ基合金のみを用いてタービンロータを製造することは現実的ではない。
そこで、特許文献１（特開２００８−８８５２５号公報）にはＮｉ基合金で構成することが必須な部位にのみＮｉ基合金を用い、それ以外の部位は鉄鋼材料で構成したタービンロータとして、６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンに備えられるタービンロータであって、前記タービンロータが、蒸気温度に応じてＮｉ基合金からなる部分とＣｒＭｏＶ鋼からなる部分に分割された部位をそれぞれ溶着により連結して構成され、前記Ｎｉ基合金からなる部分と前記ＣｒＭｏＶ鋼からなる部分との連結部及び前記ＣｒＭｏＶ鋼からなる部分の蒸気温度が５８０℃以下に維持されるタービンロータが開示されている。またＣｒＭｏＶ鋼としては、Ｃｒが重量％で０．８５〜２．５％含有される低ＣｒＭｏＶ鋼が挙げられている。
しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、ＣｒＭｏＶ鋼としてＣｒが重量％で０．８５〜２．５％含有される低ＣｒＭｏＶ鋼が挙げられており、該低ＣｒＭｏＶ鋼ではＮｉ基合金で構成される部位以外の部位において耐熱性が不足することが予想される。また、特許文献１に開示された技術における低ＣｒＭｏＶ鋼を単純に高Ｃｒ鋼に置き換えると、Ｎｉ基合金と高Ｃｒ鋼の線膨張係数の差が大きく溶接継手部にかかる熱応力が大きくなり、溶接継手部での強度を維持することが困難となる。
特開２００８−８８５２５号公報
従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、Ｎｉ基合金と１２Ｃｒ鋼などの他の耐熱性鉄鋼材料とを溶接によって接合しても、該接合部における強度を維持することができ、７００℃級の蒸気条件でも採用可能なタービンロータ及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明においては、
蒸気又は燃焼ガスが作動流体として導入される回転機器に備えられ、通過する作動流体温度に応じて異なる強度の複数の部材を溶接によって接合した回転機器のロータにおいて、
室温から７００℃までの平均線膨張係数が１２．４×１０−６／℃〜１４．５×１０−６／℃であるＮｉ基合金で形成された少なくとも２つの第１の部材と、高クロム鋼で形成された少なくとも２つの第２の部材とから構成され、
前記２つ以上の第１の部材同士を溶接によって接合し、
該第１の部材同士が接合された部材の両端部それぞれに、前記第２の部材を溶接によって接合するとともに、
前記作動流体の入口にあたる部位を前記Ｎｉ基合金で形成した第１の部材とし、
更に前記Ｎｉ基合金で形成された第１の部材同士の溶接継手に１段目の時効処理を施した後、前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接し、前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後熱処理とを同温度で同時に行って形成されることを特徴とする。
前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接によって接合して構成することで、ロータの大型化にも対応することができる。
また、前記第１の部材を室温から７００℃までの平均線膨張係数が１２．４×１０−６／℃〜１４．５×１０−６／℃、望ましくは１４．０×１０−６／℃以下であるＮｉ基合金で形成し、前記第２の部材を高クロム鋼で形成することにより、前記第１の部材と前記第２の部材との線膨張係数の差が小さくなるため、前記第１の部材と前記第２の部材との溶接継手部にかかる熱応力も小さくなり、従って前記溶接継手部においても充分な強度を維持することができる。
また、蒸気又は燃焼ガスである作動流体の入口にあたる部位をＮｉ基合金で形成した第１の部材とすることで作動流体のロータへの導入温度と略同温となる高温部におけるロータの強度を維持することができ、その他の部位（作動流体のロータへの導入温度未満の部位）においても高クロム鋼で形成した第２の部材とすることで充分な強度を維持することができる。
本発明は、作動流体が７００℃級の蒸気であっても適用可能である。
また、それぞれＮｉ基合金で形成された少なくとも２つの前記第１の部材と、それぞれ高クロム鋼で形成された少なくとも２つの前記第２の部材とから構成され、前記２つ以上の第１の部材同士を溶接によって接合し、該第１の部材同士が接合された部材の両端部それぞれに、前記第２の部材を溶接によって接合することで構成される。
これにより、ロータのさらなる大型化に対応することができるとともに、ロータ設計の自由度が高くなる。
また、前記高クロム鋼で形成された第２の部材の少なくとも一端側に、低合金鋼で形成された第３の部材を溶接によって接合することで構成されることが好ましい。
低合金鋼は通常ロータの軸受けに使われる金属との相性がよく、ロータの端部に低合金鋼で形成された第３の部材を溶接によって接合することにより、ロータ端部における軸受けとの接触部で溶接肉盛などの加工が不要となる。
また、室温から７００℃までの平均線膨張係数が１２．４×１０−６／℃〜１４．５×１０−６／℃、望ましくは１４．０×１０−６／℃以下を満たすＮｉ基合金の組成として、前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜１５％、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの１種又は２種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：１７〜２５％、Ａｌ：０．２〜２％、Ｔｉ：０．５〜４．５％、Ｆｅ：１０％以下、Ｂ：０．０２％以下及びＺｒ：０．２％以下の１種又は２種を含有し、Ａｌ＋Ｔｉの原子％が２．５〜７．０％であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなっていてもよい。
さらに、前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜２０％、Ｍｏ：１７〜２６％、Ａｌ：０．１〜２．０％、Ｔｉ：０．１〜２．０％、Ｆｅ：１０％以下、Ｂ：０．０２％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｗ及びＲｅとを含有し、残部の成分は実質的にＮｉからなり、Ａｌ＋Ｔｉの原子％が１〜５．５％であり、次式：１７≦Ｍｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２≦２７を満たしてもよい。
さらに、前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜２０％、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの１種又は２種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：１７〜２７％、Ａｌ：０．１〜２％、Ｔｉ：０．１〜２％、Ｎｂ及びＴａをＮｂ＋Ｔａ／２：１．５％以下、Ｆｅ：１０％以下、Ｃｏ：５％以下、Ｂ：０．００１〜０．０２％、Ｚｒ：０．００１〜０．２％を含有し、残部Ｎｉと不可避的不純物からなっていてもよい。
さらに、前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜２０％未満、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの１種又は２種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：５〜２０％未満、Ｗ：１０％以下、Ａｌ：０．１〜２．５％、Ｔｉ：０．１０〜０．９５％、Ｎｂ及びＴａをＮｂ＋Ｔａ／２：１．５％以下、Ｂ：０．００１〜０．０２％、Ｚｒ：０．００１〜０．２％、Ｆｅ：４％以下を含有し、Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｔａの原子％が２．０〜６．５％であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなっていてもよい。
また、前記高クロム鋼として、
前記高クロム鋼が、室温から７００℃までの平均線膨張係数が１１．２×１０−６／℃〜１２．４×１０−６／℃であり、重量％で、Ｃｒ：７％を超え１０．０％未満、Ｎｉ：１．５％以下、Ｖ：０．１０％〜０．３０％以下、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％、Ｎ：０．０１〜０．０７％、Ｃ：０．１０％以上、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．０５〜１．５％、Ａｌ：０．０２％以下、及びＭｏ並びにＷをＡ（１．７５％Ｍｏ、０．０％Ｗ）、Ｂ（１．７５％Ｍｏ、０．５％Ｗ）、Ｃ（１．５３％Ｍｏ、０．５％Ｗ）、Ｄ（１．３％Ｍｏ、１．０％Ｗ）、Ｅ（２．０％Ｍｏ、１．０％Ｗ）、Ｆ（２．５％Ｍｏ、０．５％Ｗ）、Ｇ（２．５％Ｍｏ、０．０％Ｗ）、Ａを結ぶ直線の内側（直線を含まず）の量を含有し、残部が鉄及び付随的不純物よりなっていてもよい。
さらに、前記高クロム鋼が、線膨張係数が１１．２×１０−６／℃〜１２．４×１０−６／℃であり、重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２５％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．１０％以下、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：１０．０〜１２．５％、Ｍｏ：０．６〜１．９％、Ｗ：１．０〜１．９５％、Ｖ：０．１０〜０．３５％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％、Ｎ：０．０１〜０．０８％、Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｃｏ：２．０〜８．０％を含有し、残部が鉄及び付随的不純物よりなっていてもよい。
また、前記低合金鋼として、
前記低合金鋼が、２．２５ＣｒＭｏＶ鋼又はＣｒＭｏＶ鋼であることが好ましい。
本発明に係る回転機器のロータは、前記Ｎｉ基合金で形成された第１の部材同士の溶接継手に１段目の時効処理を施した後、前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接し、前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後熱処理とを同温度で同時に行って形成してもよい。
前記第１の部材同士、及び第１の部材と第２の部材との溶接部は、溶接したままでは焼き入れ状態となっており、溶接継手の強度特性を確保するためには各継手に応じた溶接後熱処理が必要である。また、Ｎｉ基合金同士の溶接部即ち第１の部材同士の溶接部では、１段目及び２段目の時効処理を行う必要があり、Ｎｉ基合金と高クロム鋼即ち第１の部材と第２の部材との溶接部は溶接後熱処理を施す必要がある。前記第１の部材がＮｉ基合金であり、第２の部材が高クロム鋼であれば、前記２段目の時効処理条件と前記第１の部材と第２の部材との溶接部の溶接後熱処理条件とはほぼ同じである。
そこで、前記１段目の時効処理を施した後、前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接し、前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後熱処理とを同温度で同時に行うことで、前記２段目の時効と前記第１の部材と第２の部材との溶接部の溶接後熱処理を同時に行うことができ熱処理に係る時間を短縮することができる。
なお、このとき、前記第１の部材同士の溶接継手及び第１の部材と第２の部材との溶接部だけに局所的に熱処理を行うのではなく、ロータ全体を熱処理すると残留応力のばらつきや変形防止にも効果的である。
また、本発明に係る回転機器のロータは、前記Ｎｉ基合金で形成された第１の部材同士の溶接継手に１段目の時効処理を施した後、前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接し、さらに前記第２の部材と第３の部材を溶接し、前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後処理と、前記第２の部材と第３の部材の溶接部の溶接後処理とを同温度で同時に行って形成してもよい。
前記第１の部材同士の溶接部の２段目の時効条件と、前記第１の部材と第２の部材との溶接部の溶接後熱処理と、前記第２の部材と第３の部材との溶接部の溶接後熱処理条件とはほぼ同じである。
そこで、前記Ｎｉ基合金で形成された第１の部材同士の溶接継手に１段目の時効処理を施した後、前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接し、さらに前記第２の部材と第３の部材を溶接し、前記Ｎｉ基合金の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後処理と、前記第２の部材と第３の部材の溶接部の溶接後処理とを同温度で同時に行うことで、前記２段目の時効と、前記第１の部材と第２の部材との溶接部の溶接後熱処理と、前記前記第２の部材と第３の部材との溶接部の溶接後熱処理とを同時に行うことができ熱処理に係る時間を短縮することができる。
なお、このとき、前記第１の部材同士の溶接継手、第１の部材と第２の部材との溶接部及び第２の部材と第３の部材との溶接部だけに局所的に熱処理を行うのではなく、ロータ全体を熱処理すると残留応力のばらつきや変形防止にも効果的である。
また、課題を解決するためのロータの製造方法の発明として、
室温から７００℃までの平均線膨張係数が１２．４×１０−６／℃〜１４．５×１０−６／℃、望ましくは１４．０×１０−６／℃以下であるＮｉ基合金で形成された少なくとも２つの第１の部材同士を溶接によって接合し、該第１の部材同士の溶接継手に１段目の時効処理を施し、前記第１の部材同士が接続された部材の両端部それぞれに、高クロム鋼で形成された第２の部材を溶接によって接合し、前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後処理を同温度で同時に行うことを特徴とする。
さらに、前記第１の部材同士の溶接継手の１段目の時効処理を７００〜１０００℃で行い、前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材および第２の部材の溶接部の溶接後処理とを６００〜８００℃で実施することが好ましい。
このような温度範囲で熱処理を実施することで、前記各溶接部に充分な強度を持たせることができる。
また、少なくとも２つの前記第１の部材同士を溶接によって接合し、該第１の部材同士の溶接継手に１段目の時効処理を施し、前記第１の部材同士が接続された部材の両端部それぞれに、高クロム鋼で形成された第２の部材を溶接によって接合し、前記第２の部材の少なくとも一端側に、低合金鋼で形成された第３の部材を溶接によって接合し、前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後処理と、前記第２の部材と第３の部材の溶接部の溶接後処理とを同温度で同時に行うことを特徴とする。
さらに、前記第１の部材同士の溶接継手の１段目の時効処理を７００〜１０００℃で行い、前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後処理と、前記第２の部材と第３の部材の溶接部の溶接後処理とを６００〜８００℃で実施することが好ましい。
このような温度範囲で熱処理を実施することで、前記各溶接部に充分な強度を持たせることができる。
以上記載のごとく本発明によれば、Ｎｉ基合金と１２Ｃｒ鋼などの他の耐熱性鉄鋼材料とを溶接によって接合しても、該接合部における強度を維持することができ、７００℃級の蒸気条件でも採用可能なタービンロータ及びその製造方法を提供することができる。
実施例１に係るタービンロータの構成を模式的に示した平面図である。 実施例１に係るタービンロータの製造工程を表した概略図である。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は、実施例１に係るタービンロータ１の構成を模式的に示した平面図である。
（構成）
まず図１を用いて実施例１に係る例えば６５０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンに用いられるタービンロータの構成について説明する。
図１に示すように、タービンロータ１は、２つのＮｉ基合金部１１ａ、１１ｂ、２つの高クロム鋼部１２ａ、１２ｂ、２つの低クロム鋼部１３ａ、１３ｂから構成されている。
２つのＮｉ基合金部１１ａと１１ｂは溶接によって接合されて溶接継手２１を形成し、２つのＮｉ基合金部１１ａ、１１ｂはそれぞれ高クロム鋼部１２ａ、１２ｂと溶接によって接合されてそれぞれ溶接継手２２ａ、２２ｂを形成し、さらに高クロム鋼部１２ａ、１２ｂはそれぞれ低クロム鋼部１３ａ、１３ｂと溶接によって接合されてそれぞれ溶接継手２３ａを形成することで、一端部から低クロム鋼部１３ａ、溶接継手２３ａ、高クロム鋼部１２ａ、溶接継手２２ａ、Ｎｉ基合金部１１ａ、溶接継手２１、Ｎｉ基合金部１１ｂ、溶接継手２２ｂ、高クロム鋼部１２ｂ、溶接継手２３ｂ、低クロム鋼部１３ｂの順に一体化されたタービンロータ１を形成している。
また、前記Ｎｉ基合金部１１ａ、１１ｂ及び溶接継手２１は６５０℃以上の温度の蒸気に晒される位置に配置され、溶接継手２２ａ並びに２２ｂ、及び高クロム鋼部１２ａ並びに１２ｂは６５０℃以下の温度の蒸気に晒される位置に配置され、前部溶接継手２３ａ並びに２３ｂ、及び低クロム鋼１３ａ並びに１３ｂは更に低い温度の位置に配置される。これらの配置温度は前記各部位を構成する材料を安定して使用可能な高温限界温度以下であれば他の温度に設定することもできる。
（材料）
次に、タービンロータ１を構成する、Ｎｉ基合金部１１ａ、１１ｂ、高クロム鋼部１２ａ、１２ｂ、低クロム鋼部１３ａ、１３ｂの材料について説明する。
（Ａ）Ｎｉ基合金部
Ｎｉ基合金部は、６５０℃以上であって好ましくは７００℃程度の高温であっても安定して使用可能な耐熱性を有し、室温から７００℃までの平均線膨張係数が１２．４×１０−６／℃〜１４．５×１０−６／℃、望ましくは１４．０×１０−６／℃以下であるＮｉ基合金で形成されている。前記範囲の線膨張係数を有するＮｉ基合金を用いることで、Ｎｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂとの線膨張係数の差が小さくなるため、Ｎｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂとの間の溶接継手２２ａ、２２ｂにかかる熱応力も小さくなり、従って前記溶接継手においても充分な強度を維持して、Ｎｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂを接合することができる。
前記線膨張係数が１２．４×１０−６／℃〜１４．５×１０−６／℃、望ましくは１４．０×１０−６／℃以下であるＮｉ基合金として表１にまとめた（１）〜（４）の化学組成範囲の材料が挙げられる。
なお、Ｎｉ基合金は、（１）〜（４）の範囲に限定されるものではなく、６５０℃以上の高温であっても安定して使用可能な耐熱性を有し、室温から７００℃までの平均線膨張係数が前記の１２．４×１０−６／℃〜１４．５×１０−６／℃、望ましくは１４．０×１０−６／℃以下の範囲のＮｉ基合金であれば他の組成であってもよい。
Figure 0004929399
 表１中における％は重量％を意味する。
また、表１中における（１）〜（４）の組成のＮｉ基合金には不可避的不純物も含まれるが、その含有率は０％に近いほど好ましい。
（Ｂ）高クロム鋼部
高クロム鋼部は、６５０℃程度の温度まで安定して使用可能な耐熱性を有し、室温から７００℃までの平均線膨張係数が１１．２×１０−６／℃〜１２．４×１０−６／℃である高クロム鋼で形成されている。前記範囲の線膨張係数を有するＮｉ基合金を用いることで、Ｎｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂとの線膨張係数の差が小さくなるため、Ｎｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂとの間の溶接継手２２ａ、２２ｂにかかる熱応力も小さくなり、従って前記溶接継手においても充分な強度を維持して、Ｎｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂを接合することができる。
前記線膨張係数が１１．２×１０−６／℃〜１２．４×１０−６／℃である高クロム鋼として表２にまとめた（５）（６）の化学組成範囲の材料が挙げられる。
なお、高クロム鋼は、（５）（６）の範囲に限定されるものではなく、６５０℃程度の温度まで安定して使用可能な耐熱性を有し、室温から７００℃までの平均線膨張係数が前記の１１．２×１０−６／℃〜１２．４×１０−６／℃の範囲の高クロム鋼であれば他の組成であってもよい。
このような範囲の高クロム鋼には、一般にタービンロータに使用される１２Ｃｒ鋼も含まれており、従来よりタービンロータに使用されている１２Ｃｒ鋼を高クロム鋼として使用できる。
Figure 0004929399
 表２中における％は重量％を意味する。
また、表２中における（５）（６）の組成の高クロム鋼には不可避的不純物も含まれるが、その含有率は０％に近いほど好ましい。
（Ｃ）低クロム鋼部
低クロム鋼部は、前記高クロム鋼部よりも低温である低クロム鋼部が上昇する温度まで安定して使用可能な耐熱性を有するものであればよく、例えば２．２５ＣｒＭｏＶ鋼又はＣｒＭｏＶ鋼などが挙げられる。
なお、低クロム鋼部は、２．２５ＣｒＭｏＶ鋼又はＣｒＭｏＶ鋼に限定されるものではなく、前記高クロム鋼部よりも低温である低クロム鋼部が上昇する温度であっても安定して使用可能な耐熱性を有する低クロム鋼であれば他の組成であってもよい。
（製造方法）
次に図１及び図２を参照しながら実施例１に係るタービン１の製造方法について説明する。
図２は実施例１に係るタービン１の製造工程（製造手順）を表した概略図である。
図２においては４種類の製造工程を概略図で示しており、第１の製造工程は１０１→１０２→１０３→１０４→１１１→１１２→１１５→１１６→１１７の工程であり、第２の製造工程は１０１→１０２→１０３→１０４→１１１→１１２→１１３→１１４の工程であり、第３の製造工程は１０１→１０２→１０３→１０４→１０５→１０８→１０９→１１０の工程であり、第４の製造工程は１０１→１０２→１０３→１０４→１０５→１０６→１０７である。
以下においては第１の製造工程から順に説明していく。
（Ａ）第１の製造工程
第１の製造工程においては、１０１でまずＮｉ基合金部１１ａ、１１ｂの溶体化処理を行う。
次に１０２でＮｉ基合金部同士を溶接し、必要に応じて１０３でＮｉ基合金同士継手２１の溶体化処理を実施する。次いで１０４でＮｉ基合金同士継手２１の１段目時効を行う（ａ）。１段目時効は７００〜１０００℃の範囲で行う。
１０４で前記１段目時効が終了すると、１１１で引き続いて、１段目時効を終えたＮｉ基合金同士継手２１（ａ）の２段目時効を行う。２段目時効は６００〜８００℃で実施する。
１１１で２段目時効が終了すると１１２でＮｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂとを溶接し（ｂ´´）、１１５で該溶接部（ｂ´´）の熱処理を実施する。該熱処理は６００〜８００℃で実施する。
１１５でＮｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂとの溶接部（ｂ´´）の熱処理が終了すると、１１６で高クロム鋼部１２ａ、１２ｂと低クロム鋼部１３ａ、１３ｂとを溶接し（ｃ´´´）、１１７で該溶接部（ｃ´´´）に熱処理を施す。該熱処理は６００〜８００℃で実施する。
以上の１０１から１１７の工程により、Ｎｉ基合金同士の溶接部は１段目時効（１０４）及び２段目時効（１１１）が施され、Ｎｉ基合金と高クロム鋼の溶接部は溶接後に熱処理（１１５）が施され、高クロム鋼と低クロム鋼の溶接部は溶接後に熱処理（１１７）が施され、溶接継手部にも充分な強度を持たせたロータを製造することができる。
（Ｂ）第２の製造工程
第２の製造工程は、前記第１の製造工程と図２における１１２までは同じであるのでその説明を省略する。
１１２でＮｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂとを溶接（ｂ´´）すると、次いで１１３で高クロム鋼部１２ａ、１２ｂと低クロム鋼部１３ａ、１３ｂとを溶接（ｃ´´）する。
１１３で前記溶接（ｃ´´）が終了すると、１１４でＮｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂの溶接部（ｂ´´）と高クロム鋼部１２ａ、１２ｂと低クロム鋼部１３ａ、１３ｂとを溶接部（ｃ´´）とに熱処理を施す。該熱処理は６００〜８００℃で実施する。
以上の工程によりロータ１が製造される。
第２の製造工程においては、Ｎｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂの溶接部の熱処理と、高クロム鋼部１２ａ、１２ｂと低クロム鋼部１３ａ、１３ｂとの溶接部の熱処理とを同じ温度で実施できることを利用して、１１２、１１３で溶接を実施した後、１１４で同時に熱処理を実施した。これにより、第１の製造工程よりも短時間でタービンロータ１の製造が可能となる。
（Ｃ）第３の製造工程
第３の製造工程は、前記第１及び第２の製造工程と図２における１０４までは同じであるのでその説明を省略する。
１０４でＮｉ基合金同士継手２１の１段目の時効処理が終了すると、１０５でＮｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂとを溶接（ｂ）する。該溶接が終了するとロータ全体に６００〜８００℃で熱処理を施す。これによりＮｉ基同士継手２１の２段時効が成立するとともに、Ｎｉ基合金部と高クロム鋼部との溶接部の溶接後の熱処理も成立する。
１０８で熱処理が終了すると、１０９で高クロム鋼部１２ａ、１２ｂと低クロム鋼部１３ａ、１３ｂとを溶接（ｃ´）し、１１０で該溶接部（ｃ´）に６００〜８００℃で熱処理を施す。
以上の工程によりロータ１が製造される。
第３の製造工程においては、Ｎｉ基合金部同士継手の２段目時効と、Ｎｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂの溶接部の熱処理とを同じ温度で実施できることを利用して、該２段目時効と熱処理を１０８で同時に実施した。これにより、第１の製造工程よりも短時間でタービンロータ１の製造が可能となるとともに、１０８でロータ全体を熱処理することで残留応力のばらつきや変形防止にも効果的である。
（Ｄ）第４の製造工程
第４の製造工程は、前記第３の製造工程と図２における１０５までは同じであるのでその説明を省略する。
１０５でＮｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂとを溶接（ｂ）すると、次いで１０６で高クロム鋼部１２ａ、１２ｂと低クロム鋼部１３ａ、１３ｂとを溶接（ｃ）する。該溶接が終了するとロータ全体に６００〜８００℃で熱処理を施す。これによりＮｉ基同士継手２１の２段時効が成立するとともに、Ｎｉ基合金部と高クロム鋼部との溶接部の溶接後の熱処理も成立し、さらに高クロム鋼部と低クロム鋼部との溶接部の溶接後の熱処理も成立する。
以上の工程によりロータ１が製造される。
第４の製造工程においては、Ｎｉ基合金部同士継手の２段目時効と、Ｎｉ基合金部１１ａ、１１ｂと高クロム鋼部１２ａ、１２ｂの溶接部の熱処理と、高クロム鋼部１２ａ、１２ｂと低クロム鋼部１３ａ、１３ｂの溶接部の熱処理とを同じ温度で実施できることを利用して、該２段目時効と熱処理を１０７で同時に実施した。これにより、第１〜第３の何れの製造工程よりも短時間でタービンロータ１の製造が可能となるとともに、１０７でロータ全体を熱処理することで残留応力のばらつきや変形防止にも効果的である。
Ｎｉ基合金と１２Ｃｒ鋼などの他の耐熱性鉄鋼材料とを溶接によって接合しても、該接合部における強度を維持することができ、７００℃級の蒸気条件でも採用可能なタービンロータ及びその製造方法として利用することができる。

Claims (14)

  1. 蒸気又は燃焼ガスが作動流体として導入される回転機器に備えられ、通過する作動流体温度に応じて異なる強度の複数の部材を溶接によって接合した回転機器のロータにおいて、
    室温から７００℃までの平均線膨張係数が１２．４×１０−６／℃〜１４．５×１０−６／℃であるＮｉ基合金で形成された少なくとも２つの第１の部材と、高クロム鋼で形成された少なくとも２つの第２の部材とから構成され、
    前記２つ以上の第１の部材同士を溶接によって接合し、
    該第１の部材同士が接合された部材の両端部それぞれに、前記第２の部材を溶接によって接合するとともに、
    前記作動流体の入口にあたる部位を前記Ｎｉ基合金で形成した第１の部材とし、
    更に前記Ｎｉ基合金で形成された第１の部材同士の溶接継手に１段目の時効処理を施した後、前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接し、前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後熱処理とを同温度で同時に行って形成されることを特徴とする回転機器のロータ。
  2. 前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜１５％、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの１種又は２種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：１７超〜２５％、Ａｌ：０．２〜２％、Ｔｉ：０．５〜４．５％、Ｆｅ：１０％以下、Ｂ：０．０２％以下及びＺｒ：０．２％以下の１種又は２種を含有し、Ａｌ＋Ｔｉの原子％が２．５〜７．０％であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１に記載の回転機器のロータ。
  3. 前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜２０％、Ｍｏ：１７〜２６％、Ａｌ：０．１〜２．０％、Ｔｉ：０．１〜２．０％、Ｆｅ：１０％以下、Ｂ：０．０２％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｗ及びＲｅとを含有し、残部の成分は実質的にＮｉからなり、Ａｌ＋Ｔｉの原子％が１〜５．５％であり、次式：
    １７≦Ｍｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２≦２７
    を満たすことを特徴とする請求項１に記載の回転機器のロータ。
  4. 前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜２０％、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの１種又は２種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：１７〜２７％、Ａｌ：０．１〜２％、Ｔｉ：０．１〜２％、Ｎｂ及びＴａをＮｂ＋Ｔａ／２：１．５％以下、Ｆｅ：１０％以下、Ｃｏ：５％以下、Ｂ：０．００１〜０．０２％、Ｚｒ：０．００１〜０．２％を含有し、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１に記載の回転機器のロータ。
  5. 前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜２０％未満、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの１種又は２種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：５〜２０％未満、Ｗ：１０％以下、Ａｌ：０．１〜２．５％、Ｔｉ：０．１０〜０．９５％、Ｎｂ及びＴａをＮｂ＋Ｔａ／２：１．５％以下、Ｂ：０．００１〜０．０２％、Ｚｒ：０．００１〜０．２％、Ｆｅ：４％以下を含有し、Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｔａの原子％が２．０〜６．５％であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１に記載の回転機器のロータ。
  6. 前記高クロム鋼が、室温から７００℃までの平均線膨張係数が１１．２×１０−６／℃〜１２．４×１０−６／℃であり、重量％で、Ｃｒ：７％を超え１０．０％未満、Ｎｉ：１．５％以下、Ｖ：０．１０％〜０．３０％以下、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％、Ｎ：０．０１〜０．０７％、Ｃ：０．１０％以上、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．０５〜１．５％、Ａｌ：０．０２％以下、及びＭｏ並びにＷをＡ（１．７５％Ｍｏ、０．０％Ｗ）、Ｂ（１．７５％Ｍｏ、０．５％Ｗ）、Ｃ（１．５３％Ｍｏ、０．５％Ｗ）、Ｄ（１．３％Ｍｏ、１．０％Ｗ）、Ｅ（２．０％Ｍｏ、１．０％Ｗ）、Ｆ（２．５％Ｍｏ、０．５％Ｗ）、Ｇ（２．５％Ｍｏ、０．０％Ｗ）、Ａを結ぶ直線の内側（直線を含まず）の量を含有し、残部が鉄及び付随的不純物よりなることを特徴とする請求項１〜５の何れか１に記載の回転機器のロータ。
  7. 前記高クロム鋼が、室温から７００℃までの平均線膨張係数が１１．２×１０−６／℃〜１２．４×１０−６／℃であり、重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２５％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．１０％以下、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：１０．０〜１２．５％、Ｍｏ：０．６〜１．９％、Ｗ：１．０〜１．９５％、Ｖ：０．１０〜０．３５％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％、Ｎ：０．０１〜０．０８％、Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｃｏ：２．０〜８．０％を含有し、残部が鉄及び付随的不純物よりなることを特徴とする請求項１〜６の何れか１に記載の回転機器のロータ。
  8. 蒸気又は燃焼ガスが作動流体として導入される回転機器に備えられ、通過する作動流体温度に応じて異なる強度の複数の部材を溶接によって接合した回転機器のロータにおいて、
    室温から７００℃までの平均線膨張係数が１２．４×１０−６／℃〜１４．５×１０−６／℃であるＮｉ基合金で形成された第１の部材と、高クロム鋼で形成された第２の部材とを溶接によって接合することで構成され、
    前記作動流体の入口にあたる部位を前記Ｎｉ基合金で形成した第１の部材で構成するとともに、
    前記高クロム鋼で形成された第２の部材の少なくとも一端側に、
    低合金鋼で形成された第３の部材を溶接によって接合し、
    前記Ｎｉ基合金で形成された第１の部材同士の溶接継手に１段目の時効処理を施した後、前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接し、さらに前記第２の部材と第３の部材を溶接し、前記Ｎｉ基合金の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後処理と、前記第２の部材と第３の部材の溶接部の溶接後処理とを同温度で同時に行って形成されることを特徴とする回転機器のロータ。
  9. 前記低合金鋼が、２．２５ＣｒＭｏＶ鋼又はＣｒＭｏＶ鋼であることを特徴とする請求項８に記載の回転機器のロータ。
  10. 前記Ｎｉ基合金で形成された第１の部材同士の溶接継手に１段目の時効処理を施した後、前記第１の部材と前記第２の部材とを溶接し、さらに前記第２の部材と第３の部材を溶接し、前記Ｎｉ基合金の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後処理と、前記第２の部材と第３の部材の溶接部の溶接後処理とを同温度で同時に行って形成されることを特徴とする請求項８又は９に記載の回転機器のロータ。
  11. 室温から７００℃までの平均線膨張係数が１２．４×１０−６／℃〜１４．５×１０−６／℃であるＮｉ基合金で形成された少なくとも２つの第１の部材同士を溶接によって接合し、
    該第１の部材同士の溶接継手に１段目の時効処理を施し、
    前記第１の部材同士が接続された部材の両端部それぞれに、高クロム鋼で形成された第２の部材を溶接によって接合し、
    前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後処理を同温度で同時に行うことを特徴とする回転機器のロータの製造方法。
  12. 前記第１の部材同士の溶接継手の１段目の時効処理を７００〜１０００℃で行い、前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後処理とを６００〜８００℃で実施することを特徴とする請求項１１記載の回転機器のロータの製造方法。
  13. 少なくとも２つの前記第１の部材同士を溶接によって接合し、
    該第１の部材同士の溶接継手に１段目の時効処理を施し、
    前記第１の部材同士が接続された部材の両端部それぞれに、高クロム鋼で形成された第２の部材を溶接によって接合し、
    前記第２の部材の少なくとも一端側に、低合金鋼で形成された第３の部材を溶接によって接合し、
    前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後処理と、前記第２の部材と第３の部材の溶接部の溶接後処理とを同温度で同時に行うことを特徴とする請求項１１記載の回転機器のロータの製造方法。
  14. 前記第１の部材同士の溶接継手の１段目の時効処理を７００〜１０００℃で行い、前記第１の部材同士の溶接継手の２段目の時効処理と、前記第１の部材と第２の部材の溶接部の溶接後処理と、前記第２の部材と第３の部材の溶接部の溶接後処理とを６００〜８００℃で実施することを特徴とする請求項１３記載の回転機器のロータの製造方法。
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