JP5881537B2 - 蒸気タービン設備用部材の製造方法、蒸気タービン設備用部材、蒸気加減弁、蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、表面に酸化膜を有する蒸気タービン設備用部材の製造方法、蒸気タービン設備用部材、蒸気加減弁、蒸気タービンに関する。

近年、蒸気タービンを用いた発電設備（蒸気タービン設備）では、高い発電効率が要求されており、蒸気温度が上昇する傾向にある。蒸気温度が５６６℃〜６３０℃の場合、蒸気タービン設備に用いる部材としては、一般的に９〜１２％Ｃｒ系のステンレス鋼やニッケル基耐熱合金鋼が使用されている。

蒸気タービン設備の一例として、例えば蒸気加減弁では、蒸気流量を制御するために、弁棒及びブッシュ、スリーブ及び弁体それぞれが摺動する構造になっている。従来、かかる摺動する構造をなす摺動部材は、耐摩耗性を向上させるため窒化処理が施されてきた。

しかし、窒化処理では耐酸化性が得られないため、蒸気加減弁が高温蒸気により酸化すると、運転時間の経過とともに生成された酸化スケールによって摺動部材間の間隙が減少してしまう。その結果、定期検査ごとに酸化スケールを除去しなければ、摺動部材が固着してしまうという問題があった。

また、蒸気タービン設備の他の例として、例えば主蒸気管や再熱蒸気管では、生成した酸化スケールが成長し剥離してしまうという問題があった。

特開平６−１０１７６９号公報

このように、従来の蒸気タービン設備用部材の製造方法、蒸気タービン設備用部材、蒸気加減弁、蒸気タービンでは、蒸気タービン設備用部材の耐酸化性が十分ではないという問題がある。本発明の実施形態は、かかる課題を解決するためになされたもので、高温環境においても耐酸化性を発揮することのできる蒸気タービン設備用部材の製造方法、蒸気タービン設備用部材、蒸気加減弁、蒸気タービンを提供することを目的としている。

実施形態の蒸気タービン設備用部材の製造方法では、まず、第１の金属材料からなり耐熱性を有する金属部材と、第１の金属材料とは異なる第２の金属材料からなる電極とを間隙をおいて保持する。そして、金属部材及び電極に電圧を印加して間隙に放電を発生させることで、金属部材の表面に第２の金属材料を有する堆積層を形成するとともに金属部材内に第２の金属材料が拡散した拡散層を形成する。次いで、堆積層を除去して拡散層を金属部材の表面上に露出させ、金属部材の表面に露出した拡散層を酸化させて金属部材の表面に第２の金属の酸化膜を形成することを特徴とする。

第１の実施形態の蒸気タービン設備用部材の構成を示す断面図である。 第１の実施形態の製造方法を実施するための製造装置の構成を示す図である。 第１の実施形態の製造方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態の製造方法における蒸気タービン設備用部材の様子を示す断面図である。 第１の実施形態の製造方法における蒸気タービン設備用部材の様子を示す断面図である。 第１の実施形態の製造方法における蒸気タービン設備用部材の様子を示す断面図である。 第１の実施形態の製造方法における蒸気タービン設備用部材の様子を示す断面図である。 第１の実施形態の製造方法における蒸気タービン設備用部材の様子を示す断面図である。 第３の実施形態の製造方法により製造した部材を用いた蒸気加減弁の構成例を示す断面図である。 第４の実施形態の製造方法により製造した部材を用いた蒸気タービンの構成例を示す図である。

（第１の実施形態の蒸気タービン設備用部材）
第１の実施形態の蒸気タービン設備用部材において、高温の酸化条件下で長時間使用することのできる耐酸化性は、初期段階において部材表面に形成した酸化膜が保護性を有し、その後の新たな酸化物の生成を防止することによって発揮される。酸化膜が発揮する保護性は、膜をなす酸化物の種類に応じて異なるが、当該膜が緻密であることが必要である。このような緻密な酸化膜は、大気中の余剰の酸素を透過させず、蒸気タービン設備用部材をなす金属による酸化物の生成を抑制する。また、金属成分が酸化膜を通じて溶出し酸化スケールを生成することも抑制する。

第１の実施形態に係る蒸気タービン設備用部材では、酸化膜を緻密で保護性の高いＣｒ_２Ｏ_３（酸化クロム）とする。これにより、蒸気タービン設備の運転中に新たな（酸化膜の次の）酸化物の生成が抑制され、より高温、又は長期間での使用が可能となる。

図１は、第１の実施形態の蒸気タービン設備用部材の構成の一例を示している。図１に示すように、第１の実施形態の蒸気タービン設備用部材１は、母材たる金属部材１０の一方の表面の表層部に拡散層１２が形成されている。

拡散層１２は、蒸気タービン設備用部材１をなす金属部材１０の被処理面表面から表層内部に向けて、電極材料２２が拡散し浸透した改質層である。拡散層１２では、電極材料２２が金属部材１０を構成する成分と溶け合い、電極材料２２が金属部材１０中に拡散浸透し、電極材料２２の含有量が金属部材１０の表面に向けて厚さ方向に徐々に増加する組成傾斜層の性質を示している。

金属部材１０の拡散層１２では、被処理面において電極材料２２が極めて緻密に存在している。そこで、電極材料２２が緻密に存在する拡散層１２の表面から内部に渡って酸化させて酸化膜２６を形成する。

第１の実施形態に係る蒸気タービン設備用部材１の製造方法としては、まず、電気絶縁性のある液中又は気中において、金属部材１０の被処理面と、金属部材１０とは異なる材料からなる電極とを微小間隙で保持した状態で、当該微小間隙にパルス状の放電を発生させる。この放電のエネルギーにより、電極をなす電極材料２２を金属部材１０の表面に溶着させ、堆積させる。その後、堆積した電極材料２２の堆積層を研削、研磨などにより除去して被処理面を露出させる。すなわち、金属部材１０の被処理面表層部に拡散層１２を残留させる。拡散層１２が組成傾斜層の性質を示すのは、パルス状の放電により電極材料２２が金属部材１０の被処理面に溶着した際、当該溶着部が部分的に高温となるため、電極材料２２が金属部材１０中に拡散するためである。

（第１の実施形態の製造装置）
次に、図２〜３、４Ａ〜４Ｅを参照して、第１の実施形態の蒸気タービン設備用部材１の製造方法に用いる製造装置について説明する。

［製造装置の構成］
図２は、第１の実施形態の製造方法に用いる製造装置２の概略を示している。図２に示すように、第１の実施形態の製造装置２では、流体４０を貯留した加工槽３０を具備している。加工槽３０の流体４０には、接続線が接続された金属部材１０が浸漬されている。金属部材１０の被処理面近傍には、該被処理面と対向させた棒状の電極２０が配置されている。

金属部材１０及び電極２０は、閉回路を形成している。すなわち、金属部材１０は、直流電源Ｅの陽極と接続されており、電極２０は、電流制限抵抗器Ｒ及びスイッチング素子Ｔｒを介して直流電源Ｅの陰極と接続されている。流体４０は、例えば電気絶縁性をもつ油である。流体４０は、金属部材１０や電極材料２２が制御されずに酸化してしまうことを防止する作用をする。制御されず自然酸化することで酸化膜２６が不均質となり、保護性に劣るおそれがあるためである。スイッチング素子Ｔｒは、直流電源Ｅの電圧を電極２０及び金属部材１０との間に印加又は印加を停止する。

金属部材１０及び電極２０の間には、金属部材１０及び電極２０の間に発生した放電を検出する放電検出部５０が接続されている。放電検出部５０は、例えば金属部材１０及び電極２０の間の電位差を監視し、放電により生ずる該電位差の変動を検出することで放電の発生を検出する。放電検出部５０の検出結果は、制御部６０に与えられる。制御部６０は、放電検出部５０が検出した放電発生の有無に基づいてスイッチング素子Ｔｒの開閉状態を制御する。

図２に示す例では、スイッチング素子Ｔｒは、バイポーラトランジスタ素子により実現している。すなわち、制御部６０の制御信号をスイッチング素子Ｔｒのベースで受け、スイッチング素子Ｔｒのコレクタに接続された直流電源Ｅの陰極及びエミッタに接続された電流制限抵抗器Ｒの接続をオンオフ制御する。

電流制限抵抗器Ｒは、閉回路を流れる電流値を設定する。この電流値は、金属部材１０及び電極２０の間で発生する放電の態様を決定するパラメータである。また、制御部６０は、スイッチング素子Ｔｒの開閉タイミングを制御して、金属部材１０及び電極２０に印加される電圧波形を所定の形状に制御する。この電圧波形も、金属部材１０及び電極２０で発生する放電の態様を決定するパラメータである。すなわち、電流制限抵抗器Ｒの抵抗値と制御部６０の制御信号を調節することで、金属部材１０及び電極２０の放電状態を制御することができる。放電の発生を検出してパルス放電を発生させるので、パルスごとのエネルギーを一定とするこの実施形態の製造方法では、均質な拡散層１２及び堆積層２４を形成することができる。

Ｓｉ（ケイ素）など比較的抵抗値の高い材料を電極材料２２として用いる場合は、放電発生時に電極２０に電流が流れて生ずる電圧降下がパルス放電時の金属部材１０と電極２０の間の電圧に加わるため、放電検出部５０が放電の発生を認識できない可能性がある。この場合、電圧印加時間及び停止時間をあらかじめ決定し、周期的に電圧を印加、停止することで、パルス放電を検出せずにパルスごとのエネルギーを制御することができる。

この実施形態の製造方法では、上記したようにパルス放電を用いるため、放電パルス数や放電処理時間を変更することにより拡散層１２及び堆積層２４の厚みを容易に調節できる。放電が発生する部分にのみ拡散層１２及び堆積層２４が形成されるため、所望の部分に局所的に形成することもできる。

［母材と電極］
第１の実施形態の製造方法では、被処理部材たる金属部材１０（第１の金属材料）は、蒸気タービンプラントの高温用材料として一般的に使用される材料からなる。例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｖ（バナジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｎ（マンガン）、Ｔｉ（チタン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）のいずれかを含むクロム−モリブデン鋼、クロム−モリブデン−バナジウム鋼、クロム−モリブデン−タングステン−バナジウム鋼、高クロム（９〜１２％）耐熱鋼、Ｆｅ基、Ｎｉ基、Ｃｏ基の耐熱合金鋼、ステンレス鋼等の耐熱鋼などを金属部材１０として用いることができる。
すなわち、本発明の実施形態は、酸化膜２６を生成する酸化材を用いて放電処理にて金属部材１０に拡散層１２を形成しているから、蒸気タービン設備用部材１の材料である金属部材１０は特に限定されない。

また、電極２０としては、前述したＣｒ（クロム）やＣｒを含有する金属、Ｓｉ（ケイ素）やＳｉを含有する金属、その化合物やセラミックなど酸化膜の形成に適した電極材料２２（第２の金属材料）を用いることができる。電極２０は、電極材料２２（第２の金属材料）又は電極材料２２（第２の金属材料）の粉末から圧縮成形した成形体又は加熱処理した成形体により構成することができる。

第１の実施形態では、電極材料２２（第２の金属材料）としてＣｒ又はＣｒを含む金属を用いる。電極材料２２としてＣｒやＣｒを含有する金属を用いることにより、Ｃｒ_２Ｏ_３による酸化膜２６を形成することができる。特に、Ｃｒ_２Ｏ_３は潤滑性を有するため、摺動性を向上させることができる。また、Ｃｒ_２Ｏ_３は不動態であり、熱に安定であるため、酸化膜２６が高熱下で破壊、腐食されることがない。

電極２０の形状は、製造される蒸気タービン設備用部材１の形状や用途、パルス放電処理に用いる装置の態様に応じて決定することができる。例えば、電極２０の横断面形状を金属部材１０の幅や軸方向の長さに合わせて長方形としたり、金属部材１０が円筒形などである場合には、電極２０の表面を金属部材１０の外周面に沿った円弧状とすることができる。電極２０を金属部材１０の被処理部と同様の大きさとしてもよく、被処理部より小さい電極を用い、走査させてもよい。また、電極２０の形状を適宜変更することにより、安定したパルス状の放電を発生させ、拡散層１２及び堆積層２４を均質に形成することができる。また、金属部材１０の所望の部分に拡散層１２及び堆積層２４を形成することができる。

（第１の実施形態の製造方法）
続いて、図２〜３、４Ａ〜４Ｅを参照して、第１の実施形態の製造方法を詳細に説明する。図２に示す製造装置２において、図４Ａに示すように、電極２０を金属部材１０の被処理面近傍に保持する（ステップ１００。以下「Ｓ１００」のように称する。）。電極２０の保持は、図示しないアームや電極送り機構を用いて実現してもよく、作業員が直接保持しても構わない。

金属部材１０と電極２０との間隔は、電圧を印加することによりパルス状の放電を発生し、電極材料２２を金属部材１０の表面から内部へ向けて拡散浸透させるとともに堆積させることのできる距離である。第１の実施形態では、金属部材１０と電極２０はその間に印加される電圧の大きさに応じた間隔で保持されている。拡散層１２及び堆積層２４は必要に応じて金属部材１０表面の全部又は一部に形成される。なお、堆積層２４と金属部材１０、拡散層１２と堆積層２４、拡散層１２と金属部材１０はそれぞれ必ずしも明確な境界を有するものでなく、連続した組成であってよい。

［パルス状放電］
制御部６０は、スイッチング素子Ｔｒを制御してオン状態として、金属部材１０及び電極２０に電圧を印加する。金属部材１０及び電極２０の距離が接近すると、図４Ｂに示すように、金属部材１０及び電極２０の間に放電が発生する（Ｓ１０２）。

このとき、金属部材１０及び電極２０に供給する電流パルスの電流値やパルス幅（放電持続時間）、放電休止時間（電圧を印加しない時間）をもとに算出した抵抗値及び電圧波形を予め電流制限抵抗器Ｒ及び制御部６０に設定しておく。放電が発生すると、放電検出部５０は、金属部材１０及び電極２０の間の電圧の低下と低下のタイミングに基づいて放電の発生を検出し、制御部６０は、放電発生の検出から所定の時間（パルス幅）後にスイッチング素子Ｔｒを制御してオフ状態とする。制御部６０は、スイッチング素子Ｔｒをオフ状態とした時から所定の時間（休止時間）後に再びスイッチング素子Ｔｒをオン状態とする。これらの動作を繰り返し行うことにより、設定した電流波形の放電を連続的に発生させることができる。

［堆積層形成］
金属部材１０及び電極２０の間に連続的に放電が発生すると、図４Ｂに示すように、電極２０をなす電極材料２２が金属部材１０の被処理面に向けて飛び出す。また、図４Ｃに示すように、放電により金属部材１０の被処理面に放出された電極材料２２は、金属部材１０の被処理面から内部に拡散して拡散層１２を形成するとともに、当該被処理面に堆積する。その結果、金属部材１０の被処理面には、堆積層２４が形成される（Ｓ１０４）。

堆積層２４は、概ね電極材料２２により構成され、金属部材１０の被処理面は、電極材料２２が極めて緻密に存在する状態となる。金属部材１０の被処理面の表層部分（拡散層１２）は、金属部材１０における電極材料２２の組成比が被処理面から金属部材１０の内部に向かって被処理面の厚さ方向に徐々に小さくなる組成傾斜層の性質を呈する。

ここで、拡散層１２の厚さは１［μｍ］以上、望ましくは５［μｍ］以上とすることが好ましい。また堆積層２４の厚さは１０［μｍ］以下とすることが望ましい。拡散層１２及び堆積層２４の厚さがこれらの範囲を超えると、入熱量が多くなり金属部材が変形、変質したり、その強度が低下するおそれがあるためである。

［堆積層の除去］
続いて、金属部材１０の被処理面に形成された堆積層２４を除去する（Ｓ１０６）。具体的には、旋盤や研磨盤などの工作機械により堆積層２４を研削、研磨する（図４Ｄ）。

金属部材１０は、蒸気タービンなどの蒸気タービン設備用部材であるから、蒸気が流れる際の流路抵抗が低いことが望ましい。そのため、金属部材１０の表面粗さが細かいことが望ましく、具体的には、堆積層２４の除去後の表面粗さ（最大高さ粗さ）Ｒｚは、６．３より細かいことが好ましい。

［被処理面の酸化処理］
堆積層２４を除去した後、金属部材１０の被処理面に露出した拡散層１２の表層部に酸化処理を施す（Ｓ１０８）。具体的には、図４Ｅに示される加熱手段３５により、金属部材１０のＡ３変態点以下、好ましくは６００〜６５０℃程度の温度で、金属部材１０の被処理面を加熱して酸化させる。加熱手段３５としては、金属部材１０のＡ３変態点以下、好ましくは６００〜６５０℃程度の温度で加熱できる方法であれば限定されない。具体的には、バーナー、電子ビーム、レーザー、アーク加熱、プラズマ加熱などが挙げられる。その結果、図４Ｅに示すように、金属部材１０の被処理面に露出した電極材料２２が酸化されて酸化膜２６が形成される。

［第１の実施形態の製造方法の作用］
この実施形態の製造方法においては、パルス状放電及び堆積層２４の除去により、拡散層１２の表面に電極材料２２（例えばＣｒ）が豊富に存在する状態を作りだしている。拡散層１２の表面の電極材料２２の量が少ない場合には、金属部材１０を構成する材料（第１の金属材料）と電極材料２２（第２の金属材料）などが反応して保護性の極めて低い酸化物スケールが生成してしまう。これらは、例えば電極材料２２や金属部材１０に含まれるＣｒと、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどにより生成したＦｅＣｒ_２Ｏ_４、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＮｉＣｒ_２Ｏ_４、ＣｏＣｒ_２Ｏ_４などである。本実施形態の製造方法では、パルス放電を用いるので、拡散層１２中の電極材料２２である例えばＣｒの量を、Ｃｒ_２Ｏ_３を含む酸化膜２６を生成するために十分な量とすることができる。

そして、拡散層１２の表面の電極材料２２を６００〜６５０℃程度の温度で加熱して酸化させ、酸化膜２６を生成する。Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｏなど酸化膜の形成に適した電極材料２２を用いるため、この酸化膜２６は、緻密で堅く簡単に破壊や侵食されることがなく保護性が高い特徴がある。本実施形態の製造方法では、金属部材１０の被処理面に、酸化膜２６として電極材料２２のＣｒを由来とするＣｒ_２Ｏ_３を生成する。この、Ｃｒ_２Ｏ_３は、コランダム型構造をもつため、熱に安定である。さらに不動態であるため優れた耐酸化性を持つ。したがって、拡散層１２の表面をＣｒ_２Ｏ_３の酸化膜２６とすることで、保護性に優れるものとなる。

また、Ｃｒ_２Ｏ_３は、硬度が高く摩擦係数が小さく、潤滑性を有している。したがって、本実施形態のＣｒ_２Ｏ_３を含む酸化膜２６は摺動性に優れる。

また、この実施形態の製造方法では、パルス放電により金属部材１０の被処理面の表面改質を行っている。すなわち、従来の溶接や溶射、焼結などによるコーティングと比較して、部材に対する入熱を少なくすることができる。したがって、対象部材を殆ど変形させることがない。さらに、拡散層１２において、電極材料２２の成分が金属部材１０表面から内部に浸透して溶け合って接合している。したがって、拡散層１２が金属部材１０から剥がれることがない。また、溶接を用いておらず、拡散層１２に残留応力が発生することがない。拡散層１２は傾斜機能材料となり線膨張係数の差が殆ど生じないため熱応力が緩和されている。したがって拡散層１２に割れが起きることもない。このように、この実施形態の製造方法によれば、緻密で堅く簡単に破壊や侵食されることがない蒸気タービン設備用部材１を製造することができる。

なお、上記説明した実施形態の製造方法・製造装置では、スイッチング素子Ｔｒとしてトランジスタを用いているが、電圧の印加を制御できる素子であればどのようなものでも構わない。また、上記実施形態では、電流制限抵抗器Ｒにより電流値の制御を実現しているが、電流値が制御できれば他の方法でもよいことは言うまでない。

（第１の実施形態の製造装置の変形例）
上記した実施形態では、加工槽３０に貯留した流体４０中にて放電を発生させているが、これにも限定されない。例えば、流体中ではなく、アルゴンなどの不活性ガス中にて放電させても同様の効果を奏することができる。すなわち、金属部材を無秩序に酸化させてしまうことのない雰囲気中であれば、どのような環境下で処理しても構わない。

具体的には、例えばＴＩＧ溶接などと同様に、電極２０が取り付けられるトーチと、トーチにガス管路を介してガスを供給するガスボンベとを用意する。ガスボンベから供給される不活性ガスは、ガス管路及びトーチ内に形成されたガス流路を介して電極２０の周囲から、金属部材１０の被処理面に向けて噴出するように構成する。不活性ガスの拡散を防止するため、トーチの周囲にカバーを設けてもよい。電極２０が取り付けられるトーチは、手動又はトーチを支持するとともにトーチを移動させて走査動作を行うための走査アーム、走査アームを駆動するための走査アーム駆動機構などを備える。電極材料２２は例えばＣｒなどからなり、電極２０の形状はトーチに適した棒状又は連続供給を行なうためのワイヤー状とする。

かかる構成の製造装置により、放電処理作業の自由度が増し（作業性が向上し）、たとえば３次元曲面を有する金属部材１０に対しても放電処理を行うことができるから、複雑な形状を有する蒸気タービン設備用部材１や加工槽に浸漬することができない大きさの蒸気タービン設備用部材１を製造することが可能になる。

［堆積層除去の変形例］
上記した実施形態の製造方法では、堆積層２４の除去を工作機械により行っているが、これには限定されない。例えば、金属部材１０の被処理面に形成された堆積層２４に対して、研磨粒を衝突させてもよい。具体的には、研磨材である砥粒からなる研磨粒を分速数百［ｍ］の速度で金属部材１０の被処理面に形成された堆積層２４に投射、衝突させて被研磨面を研磨する。この場合、堆積層２４を除去した後の被処理面の表面粗さＲｚは、６．３より細かいことが好ましい。この場合、研磨粒が堆積層２４上を滑動するので、例えば３次元曲面を有する蒸気タービン設備用部材１を製造することが可能になる。

研磨粒（投射材）としては、研磨による被研磨面側の減肉量が極めて小さく、弾性を有するものが好ましい。精密かつ高精度な表面研磨を可能とするためである。例えば、弾性率がおおよそ１００［Ｋｇ／ｃｍ^２］、比重がおおよそ１［ｇ／ｃｍ^３］程度で工業的に広く用いられている石油化学系高分子材料を用いることができる。具体的には、発泡ポリウレタンやポリ塩化ビニリデン、軟質塩化ビニルなどの合成樹脂、合成繊維、合成ゴムなどが挙げられる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る蒸気タービン設備用部材の製造方法について説明する。この実施形態の製造方法は、第１の実施形態の電極２０をＣｒやＣｒを含む金属材料から他の金属材料に変更したものである。以下の説明において、第１の実施形態と共通する要素については共通する符号を付して示し、重複する説明を省略する。

蒸気温度が６３０℃を超える高温環境下で緻密な酸化物を生成する金属として、Ｃｒ以外にもＭｏ（モリブデン）、Ｓｉ（ケイ素）などが知られている。

第２の実施形態の製造方法では、これらＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉなどを含んだ金属材料を電極材料２２として用いる。摺動性を向上させる場合は、電極材料２２は潤滑性を有する酸化物を生成するＣｒ、Ｍｏを含むことが好ましく、Ｃｒ含むことが特に好ましい。

ここで、Ｓｉの酸化物であるＳｉＯ_２（酸化ケイ素）は非晶質である。拡散層２４表面の電極材料２２が溶融すると、この非晶質のＳｉＯ_２が粒界に生成する。そのため、電極材料２２がＳｉを含む場合には、酸化膜２６はより緻密となり、高温下で大気中の余剰の酸素が拡散層１２から金属部材１０へ透過することを抑制する。その結果、スケールの生成を抑制できる。また、電極材料２２がＣｒやＭｏとともにＳｉを含むと、相乗効果により摺動性をより向上させることができる。

電極材料２２としてＣｒ、Ｍｏ、Ｓｉのうち１種以上を含むＣｏ（コバルト）基硬質合金を用いることもできる。例えば、Ｃｒをおおよそ１０重量％〜３０重量％含むＣｏ基硬質合金を用いることができる。電極材料２２としてＣｏ基硬質合金を用い放電処理を施すことで第１の実施形態と同様、拡散層１２及び堆積層２４にＣｒを含有させ、保護性に優れたＣｒ_２Ｏ_３を含んだ酸化膜２６を生成させる。

なお、Ｃｏは酸化物を殆ど生成しない。また、硬度が高く、高温での硬度の低下も少ない。したがって、電極材料２２としてＣｏ基硬質合金を用いることにより、酸化膜２６は保護性に加えてＣｏ基硬質合金の物性に由来する耐食性、耐エロージョン性、耐摩耗性を備えることができる。すなわち、蒸気タービン設備用部材１をより強固にできる。さらに、このような酸化膜２６は緻密であり強度が高いため摺動性に優れる。

なお、電極材料２２は、上記したＣｒ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｓｉ以外にも、第１の実施形態の製造方法と同様に、パルス放電により拡散層１２及び堆積層２４を形成し、酸化膜２６を形成することのできる材料であればよい。このような金属材料として、Ｆｅ（鉄）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）などが挙げられる。

第１及び第２の実施形態によれば、拡散層１２内で線膨張係数の差が殆ど生じない。すなわち、線膨張係数の相違を考慮する必要がない。そのため、金属部材１０と電極材料２２の選定や組合せの自由度を高めて蒸気温度や高温強度に応じて決定することができる。

また、第２の実施形態に係る酸化膜２６を形成した蒸気タービン設備用部材１は、蒸気タービンに適用した後運転時間が経過しても酸化スケールの生成が防止される。したがって、蒸気タービン設備用部材の一部として、嵌合部のような狭い溝状の組立構造を有する部材の対向する嵌合面のそれぞれに第１の実施形態に係る酸化膜２６を形成することにより、蒸気タービン設備用部材１の嵌合部の間隔を長期間適正に保つことができる。また、酸化スケールよる嵌合部の焼き付き（かじり）現象を解消することができるため、定期検査ごとの分解作業を容易にし、メンテナンス性を向上させることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る蒸気加減弁について説明する。この実施形態の蒸気加減弁は、第１の実施形態の製造方法により製造した蒸気タービン設備用部材１を用いて構成したものである。以下の説明において、第１の実施形態と共通する要素については共通する符号を付して示し、重複する説明を省略する。

高圧タービンの前段に使用される蒸気加減弁３は、図５に示すように、蒸気弁本体２００、ブッシュ２０１、上蓋２０２、蒸気の出口としての弁座２０３、弁体２０４、弁棒２０５、蒸気の入口である開口２０７、蒸気の出口である開口２０８、弁棒２０５及び弁体２０４の挿入口である開口２０９、を有する。

蒸気弁本体２００には、蒸気の流入口である開口２０７と、この開口２０７から流入した蒸気が流出する出口である弁座２０３と、この弁座２０３と対向して設けられた開口２０９と、中央部に設けられた空間である蒸気室２１０とが備えられている。

蒸気弁本体２００の蒸気室２１０には弁座２０３が設けられている。弁座２０３には、蒸気の出口である開口２０８が設けられている。この開口２０８は蒸気弁本体２００から蒸気を流出させるものである。

蒸気弁本体２００では、開口２０９を通じて蒸気室２１０内に挿入された弁棒２０５の軸方向の動きにより弁体２０４にて弁座２０３の開口２０８（出口）を開閉する。

上蓋２０２は蒸気弁本体２００の開口２０９の上部に固定されており、蒸気弁本体２００の上面を閉塞するものである。上蓋２０２には上下方向に貫通する貫通口が設けられており、開口２０９に続いている。また上蓋２０２の上方には油圧駆動機構２０６が支持されている。油圧駆動機構２０６には弁棒２０５が下方（鉛直方向）に向けて支持（連結）されている。

この弁棒２０５は油圧駆動機構２０６により上下に往復動作するようになっている。この例の場合、上蓋２０２の貫通口が弁棒２０５との摺動面となることから、この部分に、摩擦に強い金属を素材とする円筒状のブッシュ２０１が挿着されている。

このブッシュ２０１と上蓋２０２を総称して弁棒支持部という。この弁棒支持部は蒸気弁本体２００の開口２０９の上部に、弁棒２０５を囲むように設けられている。弁棒支持部は軸方向に動く弁棒２０５が横ぶれしないように支持（ガイド）するものである。

すなわち、蒸気加減弁３は、ボイラからの蒸気を開口２０７から蒸気室２１０内に流入Ｉｎさせ、油圧駆動機構２０６が弁棒２０５の先端の弁体２０４を引き上げ又は押し付ける動作（往復動作）を行うことにより、弁座２０３の開口２０８が開閉し蒸気室２１０からの蒸気の流出Ｏｕｔを制御するものである。

弁体２０４は弁座２０３に当接して弁座２０３の開口を開閉するように設けられている。この弁体２０４は蒸気弁本体２００内部の上蓋２０２の貫通口に挿入された弁棒２０５の先端部に設けられている。

このような構造の蒸気加減弁３では、油圧駆動機構２０６により弁棒２０５が上下方向に駆動されると、弁体２０４が弁座２０３と当接又は開離して蒸気の流路が開閉し、高圧タービンへ流れる蒸気量が制御されることで高圧タービンの回転数が制御される。

ボイラから送られる高温蒸気と接する弁本体２００、ブッシュ２０１、上蓋２０２、弁座２０３、弁体２０４、弁棒２０５などは、第１の実施形態に係る製造方法により製造され、高温蒸気と接する部分・面に酸化膜２６（初期酸化膜）が形成されている。

この実施形態の蒸気加減弁３によれば、第１の実施形態に係る蒸気タービン設備用部材１を用いて構成したので、緻密で堅い構造とすることができ、破壊や侵食されることを防ぐことができる。また、酸化スケールの生成が防止されるため、蒸気加減弁３の各部材の間隔を小さくできるとともに、間隔を管理することができ、この間隔を長期間適正に保つことができる。特に、ブッシュ２０１、弁棒２０５を第１の実施形態の蒸気タービン設備用部材１で構成した場合には、間隙からの蒸気漏洩量を減少させて高効率で信頼性の高い弁装置とすることができる。これらの摺動部を有する蒸気加減弁３の部材に本実施形態の蒸気タービン設備用部材１を適用すると、酸化スケールの生成により摺動性が低下することがない。また、摺動部を有する部材に、電極材料２２としてＣｒやＣｒを含む金属を用いた本実施形態の蒸気タービン設備用部材１を適用することで、摺動性を向上させることができる。

なお、この実施形態の蒸気加減弁３は、第１の実施形態の製造方法により製造された蒸気タービン設備用部材１を用いて構成したが、これには限定されない。第２の実施形態の製造方法により製造された蒸気タービン設備用部材１を用いて蒸気加減弁３を構成してもよい。すなわち、電極材料２２としてＣｏ（コバルト）基硬質合金を用いれば、エロージョンが発生しやすい弁棒２０５とブッシュ２０１などの摺動面においても、破壊、侵食されることを防ぐことができる。

また、第３の実施形態では蒸気加減弁３について説明しているが、蒸気加減弁３と同様な動作や機能を有する他の蒸気タービン用蒸気弁についても適用できることは説明するまでもない。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る蒸気タービンについて説明する。この実施形態の蒸気タービンは、第１の実施形態の製造方法により製造した蒸気タービン設備用部材１を用いて蒸気タービンを構成したものである。以下の説明において、第１の実施形態と共通する要素については共通する符号を付して示し、重複する説明を省略する。

図６に示すように、蒸気タービン４は、内部ケーシング３２０とその外側に設けられた外部ケーシング３２１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング３２０内に動翼３２２が植設されたタービンロータ３２３が貫設されている。このタービンロータ３２３は、ロータ軸受３２４によって回転可能に支持されている。

内部ケーシング３２０の内側面には、タービンロータ３２３の軸方向に動翼３２２と交互になるように静翼３２５が配設されている。タービンロータ３２３と各ケーシングとの間には、作動流体である蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドラビリンス部３２６ａ、３２６ｂ、３２６ｃ、３２６ｄが設けられている。

図６に示すように、内部ケーシング３２０の入口部３２０ａには、ノズルボックス３２７が設けられている。ノズルボックス３２７は、内部ケーシング３２０とタービンロータ３２３との間（すなわち内部ケーシング３２０の入口部３２０ａの内側部分）に配置され、ノズルボックス３２７の出口部に第１段の静翼３２５（第１段のノズル）を備える。ノズルボックス３２７へ供給された蒸気は、第１段の静翼３２５を通過して第１段の動翼３２２へ導かれる。

外部ケーシング３２１の入口部３２１ａと、内部ケーシング３２０の入口部３２０ａとの間には、それらに連結する、蒸気入口管として機能する入口スリーブ管３４０が設けられている。この入口スリーブ管３４０は、主蒸気管３２８からの蒸気をノズルボックス３２７内へ導く。

蒸気タービン４は、膨張仕事をしながら内部ケーシング３２０内の蒸気通路を流動し、最終段の動翼３２２を通過した作動流体である蒸気を内部ケーシング３２０内から蒸気タービン４の外部に導く排気流路３２９を備えている。

この実施形態の蒸気タービン４では、内部ケーシング３２０、外部ケーシング３２１、動翼３２２、タービンロータ３２３、静翼３２５、グランドラビリンス部３２６ａ，３２６ｂ，３２６ｃ，３２６ｄ、主蒸気管３２８、排気流路３２９、入口スリーブ管３４０など高温蒸気が接する構成部分に第１の実施形態に係る酸化膜２６（初期酸化膜）が形成された蒸気タービン設備用部材１を用いている。従って、耐酸化性に優れ長寿命かつメンテナンス性に優れた蒸気タービンを提供することができる。特に、動翼３２２、タービンロータ３２３、静翼３２５、グランドラビリンス部３２６ａ，３２６ｂ，３２６ｃ，３２６ｄなどの構成部分において高い摺動性を得ることができるから、長寿命の蒸気タービンを提供することができる。

このように、第１の実施形態のタービン設備用部材１を用いれば、長期間適正に運転でき、メンテナンス性に優れた蒸気タービンを提供することができる。

なお、この実施形態の蒸気タービンは、第１の実施形態の製造方法により製造された蒸気タービン設備用部材１を用いて構成したが、これには限定されない。第２の実施形態の製造方法により製造された蒸気タービン設備用部材１を用いて蒸気タービンを構成してもよい。エロージョンの発生しやすい動翼３２２や静翼３２５を、電極材料としてＣｏ（コバルト）基硬質合金を用いた本実施形態の蒸気タービン設備用部材１とすることで、耐エロージョン性に優れ長寿命かつメンテナンス性に優れた蒸気タービンを提供することができる。

また、第１及び第２の実施形態の製造方法によれば、放電が発生する部分にのみ拡散層１２及び堆積層２４が形成されるため、所望の部分に局所的に形成することができる。したがって、動翼３２２や静翼３２５の、エロージョンの特に発生しやすい部位に限定して酸化膜２６を形成することができる。

以上、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…蒸気タービン設備用部材、２…蒸気タービン設備用部材の製造装置、３…蒸気加減弁、４…蒸気タービン、１０…金属部材、２０…電極、３０…加工槽、４０…流体、５０…放電検出部、６０…制御部、Ｒ…電流制限抵抗器、Ｔｒ…スイッチング素子、Ｅ…直流電源。

Claims (7)

1. 第１の金属材料からなり耐熱性を有する金属部材と、前記第１の金属材料とは異なる第２の金属材料からなる電極とを間隙をおいて保持し、
   前記金属部材及び前記電極に電圧を印加して前記間隙に放電を発生させることで、前記金属部材の表面に前記第２の金属材料を有する堆積層を形成するとともに前記金属部材内に前記第２の金属材料が拡散した拡散層を形成し、
   前記堆積層を除去して前記拡散層を前記金属部材の表面上に露出させ、
   前記金属部材の表面に露出した前記拡散層を酸化させて前記金属部材の表面に前記第２の金属材料の酸化膜を形成することを特徴とする蒸気タービン設備用部材の製造方法。
2. 前記拡散層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン設備用部材の製造方法。
3. 前記第２の金属材料がＣｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｓｉ（ケイ素）及びＦｅ（鉄）から選ばれる１種以上の金属を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の蒸気タービン設備用部材の製造方法。
4. 前記電極は、前記第２の金属材料又は前記第２の金属材料の粉末を加熱又は圧縮により成形してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービン設備用部材の製造方法。
5. 前記堆積層は、研磨粒を前記堆積層に衝突させるとともに擦動させることにより除去されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の蒸気タービン設備用部材の製造方法。
6. 前記酸化膜は、前記第１の金属材料のＡ３変態点以下で前記拡散層を加熱することにより形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン設備用部材の製造方法。
7. 前記酸化膜が、少なくともＣｒ_２Ｏ_３（酸化クロム）を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の蒸気タービン設備用部材の製造方法。

Images