JP5411120B2 - チタン合金製タービン翼 - Google Patents

Description

本発明は、タービン翼に関し、特にガスタービンや蒸気タービン等に用いられ優れた耐エロージョン性と長期信頼性とが要求されるタービン翼に関する。

蒸気タービン等の最終段翼は、翼長が長く遠心力が大きくなることから、軽量なチタン合金がしばしば用いられている。一方、翼長の長いタービン翼は翼先端の周速が速いため、水滴などが高速で衝突することによってエロージョンによる磨耗減肉が発生しやすい。このため、翼長の長いタービン翼に用いられる材料には、高い機械的強度だけでなく、良好な耐エロージョン性も求められる。

耐エロージョン性を向上させるためには、材料の硬度が高いほど有利である。しかしながら、タービン翼にとってもう一つの重要な機械的特性である靭性は硬さと相反する要素であるため、必要な靭性を確保しつつ耐エロージョン性を飛躍的に向上させられる材料は見出されていない。そこで、現在のところ、耐エロージョン性が強く求められる部分にエロージョンシールド部材を溶接などで付与する方法や、該部分に表面処理を施して硬さを高める方法などが適用されている。

チタン合金の表面硬さを高める方法としては、例えば、表面窒化処理やショットピーニングが挙げられる。表面窒化処理は、表面領域のチタンを窒化チタン（TiN）に改質することで、表層数十ミクロンを著しく硬化させることができる利点があるが、硬化層の厚さが薄いことから飛来物などに起因する欠損に弱く、長期信頼性が十分とは言えない。また、ショットピーニングでは、表面から数百ミクロンの深さまで硬化させることができる利点があるが、硬さの上昇が十分でない弱点がある。さらに、タービン翼における十分な長期信頼性を確保するためには、より厚い硬化層が必要と言われている。

一方、被加工材よりも硬質のツールのプローブを被加工材に強く押し込みこれを高速回転させ、その時に発生する摩擦熱によりプローブの近傍の被加工材を可塑化させ攪拌流動させることにより、その部分の被加工材を接合する技術（摩擦攪拌接合）や、その部分の結晶粒径が小さくなるように制御して被加工材の強度および硬度等を向上させる技術（摩擦攪拌加工）が近年開発されている。

例えば、特許文献１（特開2008-196020）には、ニッケル合金の表面をふっ素イオン注入により表面処理した摩擦撹拌加工用ツールを用いて、チタンまたはチタン合金を摩擦撹拌加工することを特徴とする摩擦撹拌加工品の製造方法が開示されている。特許文献１によると、ニッケル合金からなる摩擦撹拌加工用ツールの表面をふっ素イオン注入により表面処理することにより、表面硬化が行われ高硬度が発現して耐減耗性が向上し、従来のタングステン−レニウム合金からなる摩擦攪拌加工用ツールを用いる場合に比べて、チタンまたはチタン合金からなる摩擦攪拌加工品を安価に製造することができるとされている。

特許文献２（特開2002-248583）には、被加工物を大気中又は液体中にて接合又は加工する摩擦攪拌加工方法において、前記接合又は加工の最中常に接合部又は加工部の大気又は液体を非酸化性ガスによって排除することを特徴とする摩擦攪拌加工方法が開示されている。特許文献２によると、蒸気タービン翼の亀裂の補修に関し、タービン翼の表面近傍に発生している亀裂欠陥は、回転ツールの回転押付と移動による被加工材の攪拌と被加工材に掛かる圧縮応力によって無くなるとされている。また、ジルコニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金などの酸化性が大きい金属にも適用できるとされている。

特開２００８−１９６０２０号公報 特開２００２−２４８５８３号公報

上述したように、摩擦攪拌加工（Friction Stir Processing: FSP）は、チタン合金の表面改質に関して大変有望な方法である。しかしながら、FSP自体が発展途上の技術であり現段階で未解明の要素がいまだ多く、被加工材の材質や形状によって加工条件等が大きく変化することがあった。すなわち、開示されている従来技術が必ずしも参考にならないという問題があった。

特に、被加工物が翼長の長いチタン合金製タービン翼である場合、被加工物が長いことに加えてチタン合金のヤング率が低いため、従来のFSPを単純に適用すると、加工による残留応力でタービン翼に曲がりが発生したり、かえって亀裂が発生し易くなったりするという問題があった。

従って、本発明の目的は、翼長の長いチタン合金製タービン翼への摩擦攪拌加工に関する１つの指針を与え、上記の課題を解決して、耐エロージョン性を向上させるとともに長期信頼性の高いチタン合金製タービン翼を提供することにある。

本発明の１つの態様は、上記目的を達成するため、基材としてα−β型チタン合金からなるタービン翼であって、前記基材の平均ビッカース硬さが320 Hv以下であり、前記タービン翼の前縁を含む表面の一部に深さ0.5 mm以上3.0 mm以下の摩擦攪拌加工領域が形成され、前記摩擦攪拌加工領域の平均ビッカース硬さが340 Hv以上であることを特徴とするタービン翼を提供する。なお、本発明において、タービン翼の前縁とは、該タービン翼を具備したタービンが回転した時に、タービン回転方向の前方となる翼の縁を意味する。

本発明によれば、翼長の長いチタン合金製タービン翼への摩擦攪拌加工に関する１つの指針を与えることができ、その結果、優れた耐エロージョン性を有しかつ長期信頼性の高いチタン合金製タービン翼を提供することができる。

タービン翼への摩擦攪拌加工の施工例を示す模式図である。 表面からの距離とビッカース硬さとの関係の１例を示すグラフである。 タービン翼への摩擦攪拌加工の他の施工例を示す模式図である。 表面からの距離とビッカース硬さとの関係の他の１例を示すグラフである。

前述したように、本発明に係るタービン翼は、基材としてα−β型チタン合金からなるタービン翼であって、前記基材の平均ビッカース硬さが320 Hv以下であり、前記タービン翼の前縁を含む表面の一部に深さ0.5〜3.0 mmの摩擦攪拌加工領域が形成され、前記摩擦攪拌加工領域の平均ビッカース硬さが340 Hv以上であることを特徴とする。

また、本発明は、上記の発明に係るタービン翼において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（１）前記タービン翼の基材の一部が切除され、該切除された部位に前記基材よりも平均ビッカース硬さの高いチタン合金部材が摩擦攪拌接合により接合されている。
（２）前記摩擦攪拌加工領域は、接合された前記チタン合金部材上に形成されている。
（３）前記摩擦攪拌加工領域の平均ビッカース硬さが440 Hv以上である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。

本発明者等は、α−β型チタン合金（例えば、Ti-6Al-4V合金：64Ti合金）を基材して用いたタービン翼の耐エロージョン性を向上させることを目的として、FSPによる表面処理技術を鋭意研究した。その結果、FSPの加工深さを0.5 mm以上3.0 mm以下に制御することにより、翼長の長いタービン翼であっても翼に曲がりを発生させずに表面領域を硬化させることができ、かつ長期信頼性も確保できることを見出した。

タービン翼に用いられる64Ti合金のビッカース硬さは、通常280〜320 Hv程度であるが、本発明に係るFSPの表面処理を施すことにより、ビッカース硬さを350 Hv程度以上に高めることができる。加工領域の硬さを高めることで、耐エロージョン性を向上させることができる。なお、本発明に係るFSPの表面処理を施した後、表面形状を整えるための仕上げ加工を施すことは好ましい。

FSPの加工深さ（FSP領域の厚さ）が0.5 mmよりも浅い場合、飛来物などに起因する欠損に弱くなるため、長期信頼性が十分とは言えない。一方、FSPの加工深さが3 mmを超えると、靭性の低下により亀裂が容易に進展することから好ましくない。言い換えると、亀裂が一旦発生すると、翼を破損する亀裂長さまで進展し易くなるため、長期信頼性が低下する。すなわち、FSPの加工深さ（FSP領域の厚さ）を0.5 mm以上3.0 mm以下に制御することにより、耐エロージョン性および長期信頼性に優れたチタン合金製タービン翼を提供できる。

また、タービン翼において、エロージョンの厳しい部分の基材を一部切除し、該切除された部位に基材よりも平均ビッカース硬さの高いチタン合金部材（例えば、64Ti合金よりも硬いβ型Ti合金）を摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding: FSW）で接合することは、耐エロージョン性の向上に有効である。加えて、接合した硬いチタン合金部材上に本発明に係るFSPの表面処理を施すことで、加工領域の硬さを更に高めることができる。これにより、耐エロージョン性が更に要求されるような厳しい環境でも使用可能なチタン合金製タービン翼を提供できる。

なお、上述の方法（基材の一部を切除し、該切除された部位にチタン合金部材をFSWで接合する方法）は、タービン翼の補修方法としても有効である。例えば、使用により損傷した部位を切除し、該切除された部位にβ型Ti合金をFSWで接合し、必要に応じてFSPの表面処理を施せばよい。エロージョン環境が厳しくない場合は、基材と同じ64Ti合金をFSWで接合し、必要に応じてFSPの表面処理を施せばよい。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

実験に用いる供試材となるチタン合金の公称組成を表１に示す。供試材１がα−β型の64Ti合金であり、供試材２がβ型のTi合金である。

真空アーク再溶解法（Vacuum Arc Remelting: VAR）により供試材１の鋳塊を用意し、該鋳塊に対して熱間鍛造および熱間型鍛造を行って翼長が約1016 mmのタービン翼を成形した。その後、図１に示すように、タービン翼の前縁を含む表面の一部に深さ約3.0 mmのFSPを施して実施例１のタービン翼を製造した。図１は、タービン翼への摩擦攪拌加工の施工例を示す模式図である。また、比較例１として、FSP処理の代わりにショットピーニング処理を施したタービン翼も製造した。実施例１および比較例１のタービン翼とも曲がりは生じなかった。

次に、図１に示したＡ−Ａ断面に沿って表面から内部方向（深さ方向）にビッカース硬さ測定を実施した。なお、表面で測定した値を距離ゼロの硬さとした。結果を図２に示す。図２は、表面からの距離とビッカース硬さとの関係の１例を示すグラフである。図２に示したように、比較例１のショットピーニングでは、硬化の度合いが小さく（基材の硬さに対して＋30 Hv程度）、表層から数百ミクロン程度の深さまでしか硬化しないことが確認された。一方、実施例１では、硬化の度合いが大きく（基材の硬さに対して＋50 Hv程度）、約3.0 mmの深さまで硬化していることが確認された。実施例１は、硬化層の厚さが3 mm以下のため、タービン翼が不安定破壊を起こすことはない。すなわち、実施例１は、実機使用環境において優れた耐エロージョン性と高い長期信頼性とを示すと言える。

実施例１と同様にして翼長が約1016 mmのタービン翼を成形した。その後、図３に示すように、タービン翼の基材を一部切除し、該切除された部位に別途用意した供試材２の鍛造板をFSWにより接合した。次に、供試材２の鍛造板の表面に深さ約3.0 mmのFSPを施して実施例２のタービン翼を製造した。図３は、タービン翼への摩擦攪拌加工の他の施工例を示す模式図である。また、比較例２として、FSPを行なわないタービン翼も製造した。実施例２および比較例２のタービン翼とも曲がりは生じなかった。

次に、図３に示したＢ−Ｂ断面に沿って表面から内部方向（深さ方向）にビッカース硬さ測定を実施した。なお、表面で測定した値を距離ゼロの硬さとした。結果を図４に示す。図４は、表面からの距離とビッカース硬さとの関係の他の１例を示すグラフである。図４に示したように、比較例２は、FSP処理を行っていないことから、供試材２の鍛造板の硬さ（約400 Hv）を有していることが確認された。一方、実施例２では、更に硬化されてビッカース硬さが450 Hv程度まで上昇しており、約3.0 mmの深さまで硬化していることが確認された。実施例２は、より高い硬さを有することから実施例１よりも更に高い耐エロージョン性が得られるとともに、硬化層の厚さが3 mm以下のためタービン翼が不安定破壊を起こすことはない。すなわち、実施例２は、実機使用環境において優れた耐エロージョン性と高い長期信頼性とを示すと言える。

Claims (4)

1. 基材としてα−β型チタン合金からなるタービン翼であって、
   前記基材の平均ビッカース硬さが320 Hv以下であり、
   前記タービン翼の前縁を含む表面の一部に深さ0.5〜3.0 mmの摩擦攪拌加工領域が形成され、
   前記摩擦攪拌加工領域の平均ビッカース硬さが340 Hv以上であることを特徴とするタービン翼。
2. 請求項１に記載のタービン翼において、
   前記タービン翼の基材の一部が切除され、該切除された部位に前記基材よりも平均ビッカース硬さの高いチタン合金部材が摩擦攪拌接合により接合されていることを特徴とするタービン翼。
3. 請求項２に記載のタービン翼において、
   前記摩擦攪拌加工領域は、接合された前記チタン合金部材上に形成されていることを特徴とするタービン翼。
4. 請求項３に記載のタービン翼において、
   前記摩擦攪拌加工領域の平均ビッカース硬さが440 Hv以上であることを特徴とするタービン翼。

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