JP6772650B2 - 蒸気タービン翼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン翼の製造方法及び蒸気タービン翼に関する。本発明は、特には、耐エロージョン性と耐応力腐食割れ性を両立する蒸気タービン翼の製造方法及び蒸気タービン翼に関する。

一般に蒸気タービンでは、液滴化した蒸気が、高速で回転する蒸気タービン翼に衝突することで、蒸気タービン翼の前縁部（入口側）にエロージョン摩耗が発生し、蒸気タービン翼の寿命が大きく低下する。

このような寿命の低下を抑制する方策として、蒸気タービン翼の前縁部に火炎焼入れあるいはレーザ焼入れによる表面処理（硬化処理）を施してエロージョン摩耗の発生を抑制する方法が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。しかしながら、この方法では焼入れの境界部に大きな引張の残留応力が発生するため、使用環境や材料により、孔食や応力腐食割れ（ＳＣＣ：Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ、以下ＳＣＣと記載）などによる損傷を発生させる危険性がある。

その他の方法として、高硬度のＮｉ合金の蒸着硬化層をスパッタによりタービン翼前縁部に形成し、応力の発生による翼の変形を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献３を参照）。しかしながら、近年、発電効率の向上にともない３次元的に湾曲した複雑形状の翼が多く用いられ、この手法ではそのような複雑形状の翼に均一にＮｉ合金を形成するのは困難であるという問題があった。

特開平２−８０５１８号公報 特開２０１３−２０９９１２号公報 特開平２−７５７０１号公報

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもので、蒸気タービン翼前縁部を焼入れする際に発生する残留応力を低減し、耐エロージョン性と耐ＳＣＣ性を有する蒸気タービン翼の製造方法及び蒸気タービン翼を提供することを目的とする。

本発明は、一実施形態によれば、蒸気タービン翼の製造方法であって、蒸気タービン翼形状に加工した母材の翼前縁部に、所定の照射面積でレーザ光を照射する第１熱処理工程を含み、翼先端部におけるレーザ照射面積が、翼脚側の端部におけるレーザ照射面積よりも大きい、製造方法に関する。

前記蒸気タービン翼の製造方法における前記第１熱処理工程において、前記レーザ光が翼先端部から翼脚側の端部に向けて走査され、前記レーザ照射面積を時間経過に伴い減少させることが好ましい。

前記蒸気タービン翼の製造方法において、前記第１熱処理工程におけるレーザ光照射部よりも翼脚側に、照射幅を減少させてレーザ光を照射する第２熱処理工程を含むことが好ましい。

前記蒸気タービン翼の製造方法において、前記第２熱処理工程におけるレーザ光照射部の翼脚側先端部の平面投射角度が、０°より大きく３５°以下であることが好ましい。

前記蒸気タービン翼の製造方法において、前記第１及び／または第２熱処理工程後の母材を、温度２５０℃〜３００℃で加熱する後熱処理工程をさらに含むことが好ましい。

前記蒸気タービン翼の製造方法において、前記第１及び／または第２熱処理工程が、レーザ照射部からの熱放射光に基づき、レーザ照射部の前記前縁部表面温度を検知する工程と、前記レーザ照射部の前記前縁部表面温度が、所定温度となるようにレーザ出力をフィードバック制御する工程とを含むことが好ましい。

前記いずれかの蒸気タービン翼の製造方法において、前記母材が、フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼であることが好ましい。

本発明は、別の実施形態によれば、前述のいずれかに記載の製造方法により製造された蒸気タービン翼に関する。

本発明は、また別の実施形態によれば、蒸気タービン翼であって、翼前縁部に形成された、硬度４５０Ｈｖ以上、焼入れ深さ２ｍｍ以上の高硬度層と、前記高硬度層と連続して前記高硬度層よりも翼脚側に形成された、焼入れ幅が翼脚側の端部に向かって減少する焼入れ層とを備え、前記高硬度層の焼入れ深さが、翼先端部において翼脚側の端部よりも大きい、蒸気タービン翼に関する。

前記蒸気タービン翼において、前記記焼入れ層の翼脚側先端部の平面投射角度が、０°より大きく３５°以下であることが好ましい。

本発明に係る製造方法によれば、蒸気タービン翼の前縁部に高硬度層を形成しつつ、残留応力を低減することで、耐エロージョン性と耐ＳＣＣ性を両立する蒸気タービン翼を製造することができる。このようにして得られた蒸気タービン翼は、特に火力発電用の蒸気タービン翼として最適である。

図１は、本発明に係る蒸気タービン翼のレーザ照射による熱処理工程を模式的に示す図である。 図２は、本発明に係る蒸気タービン翼を模式的に示す図である。 図３は、本発明の実施例による、レーザ照射面積と残留応力の関係を示すグラフである。 図４は、本発明の実施例による、送り角度と残留応力の関係を示すグラフである。 図５は、本発明の実施例による、後熱処理温度と残留応力の関係を示すグラフである。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。また、図面は、本発明を説明するための例示的な概略図であって、図面中の各部材の寸法や相対的な位置関係は、本発明を限定するものではない。

図１は、上記レーザ照射による熱処理工程を実施するために用いるタービン翼硬化処理装置２の一例を示す概念図である。本発明に係る製造方法はレーザ照射による第１熱処理工程と、任意選択的にレーザ照射による第２熱処理工程を含んでもよく、いずれの工程も、図１に示すタービン翼硬化処理装置２を用いて実施することができる。以下、図１を例示して、レーザ照射による熱処理工程を説明する。硬化処理装置２は、レーザ発生器２１、レーザ照射ヘッド２２、照射ヘッド位置検出器２３、レーザ光走査機構２４、制御装置２５、および放射光検出器２６を備えている。なお、レーザ照射による熱処理工程は当該装置を用いるものには限定されず、同様の工程を実施しうる任意の装置を用いて実施することができる。

レーザ照射による第１及び第２熱処理工程は、蒸気タービン翼形状に加工した母材に対して実施することができる。母材としては、耐食性、耐エロージョン摩耗性に優れたステンレス鋼を用いることができ、特には、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼から選択されるステンレス鋼を用いることが好ましい。当該所定の鋼材を、所定の翼形状に成形し、本実施形態における母材とすることができる。母材のレーザ照射部は、レーザ照射前に、必要に応じて、研磨紙で磨くなどの物理的表面処理や、母材強度等の特性に影響を与えないその他の表面処理を行ってもよい。レーザ吸収率のばらつきを抑制するためである。

第１熱処理工程におけるレーザ照射部は、蒸気タービン翼として用いる場合に腐食が発生しやすい部位であり、例えば、周速が大きくなる翼先端近傍の部位や、厚さが薄い周縁部位などであってよく、典型的には翼前縁部表面である。図２は、典型的な蒸気タービン翼を模式的に示す図である。図２において、蒸気タービン翼１の翼前縁部であって、翼先端１２部から、翼長手方向の１／３〜１／２程度までが、特に腐食が発生しやすい部位である。典型的には、この部位にレーザスポットＳを照射し、レーザ照射による第１熱処理（硬化）を行って、後に詳述する高硬度層１０を形成することが好ましい。

レーザ照射には、レーザ発生器２１及びレーザ照射ヘッド２２を用いることができる。レーザ発生器２１（レーザ光源）としては、半導体レーザを用いることが好ましい。レーザ照射ヘッド２２はレーザ発生器２１で発生したレーザ光Ｌを集束する集束レンズ（図示せず）を有し、この集束レンズを通過したレーザ光Ｌが、蒸気タービン翼１の翼前縁部１０表面に、照射される。レーザ照射ヘッド２２は、レーザ照射部の母材表面で反射したレーザ光Ｌが、レーザ装置に入射するのを防ぐことが可能な態様で配置される。具体的には、レーザ光Ｌが母材表面に対し、例えば４５°の角度で照射されるように配置することが好ましいが、特定の照射角度には限定されない。

レーザ照射による第１熱処理工程においては、レーザ光を翼前縁部に沿って、好ましくは、図２中、翼先端１２部から、翼脚１３側の端部へ向かう方向にレーザ光を走査して焼入れを行う。本明細書中で翼先端１２部、翼脚１３側の端部とは、予め決められたレーザ照射領域中における相対的な位置関係を示すものであり、レーザ照射領域中、長手方向の翼先端１２に近い一端を翼先端１２部、翼脚１３に近い一端を翼脚１３側の端部ということができる。走査は、レーザ光が形成するレーザスポットが、母材に対して相対的に移動する態様であればよい。レーザ光の走査速度は、例えば、１〜５ｍｍ／ｓｅｃとすることができるが、特定の値には限定されない。レーザ光の走査は、レーザ光走査機構２４により実施することができる。レーザ光走査機構２４はレーザ照射ヘッド２２を駆動してレーザ光Ｌを二次元方向に走査可能な装置である。レーザ光走査機構２４は、例えばレーザ照射ヘッド２２をＸ方向（図１中左右方向）に駆動するＸ方向駆動機構部と、レーザ照射ヘッド２２をＹ方向（図１中紙面に対して垂直な方向）に駆動するＹ方向駆動機構部（いずれも図示せず）とから構成することができる。照射ヘッド位置検出器２３はレーザ照射ヘッド２２の位置を検出するものであって、レーザ光走査機構２４に付設されていてもよい。母材は通常、三次元形状に加工されているため、予めタッチセンサ等で母材の三次元形状を記憶させる。その後レーザ照射ヘッド２２を照射ヘッド位置検出器２３で位置決めして、レーザ光走査機構２４により、走査することができる。

レーザスポットは、所望の焼入れ幅を実現する照射幅をもった矩形形状であることが好ましく、長方形であることが好ましい。照射幅とは、レーザ光の走査方向に直行するスポットの長さをいうものとする。そして、走査に伴って照射面積を変化させ、翼先端１２部近傍の照射部における照射面積（スポット面積）が、翼脚１３側の照射部における照射面積より大きくなるようにレーザ光を照射することが好ましい。これは、第１熱処理工程により形成される高硬度層１０の境界部における残留応力を緩和するためである。高硬度層１０の翼脚１３側に近い、未処理母材との境界部、特に位置Ｘにおいて残留応力が大きくなり、孔食やＳＣＣの原因になっていた。これに対し、翼脚１３側のレーザ照射部における照射面積を相対的に小さくすることで、位置Ｘ近傍における残留応力を緩和しつつ、必要な硬化処理を実施することができる。照射面積を変化させる際には、照射幅を変更することなく、走査方向に平行な照射長さを減少させることが好ましい。一例として、レーザスポット形状を、照射幅が３０〜５０ｍｍで、走査方向に平行な照射長さが、５０ｍｍから１０ｍｍの範囲で変化する長方形とすることができるがこれには限定されない。

特に好ましい態様によれば、照射面積は翼先端１２部から、翼脚１３側に向けて、レーザスポットを移動させる際に、時間の経過に伴って、レーザ照射面積を減少させることができ、例えば、一次関数的に、指数関数的に、あるいは段階的に照射面積を減少させることができるが、特定の態様に限定されるものではない。残留応力を極力不均一にしないという観点からは、一次関数的に照射面積を減少させることが好ましい。

第１熱処理工程においては、また、１０５０℃〜１２５０℃の範囲の温度でレーザ光を照射することが好ましい。ここで、１０５０℃〜１２５０℃の範囲の温度とは、レーザ照射部の表面温度をいうものとする。この温度が、１０５０℃未満では、焼入れ深さが大きく低下し、必要焼入れ深さである２ｍｍを下回ってしまう場合がある。また、温度が１２５０℃より高いと、残留応力が大きくなりすぎる場合がある。図１に示す硬化処理装置２では、制御装置２５および放射光検出器２６から構成される温度制御系により、照射部の表面温度を一定の値に制御することができる。このため、レーザ照射による熱処理工程では、レーザ照射部は母材表面が溶融しない温度で精密に熱処理を行っている。

照射部の表面温度の制御は、フィードバック制御により実施することができ、例えば、レーザ照射部からの熱放射光に基づき、レーザ照射部温度を検知する工程と、レーザ照射部温度を指標として、前縁部表面の温度が、上記所定の温度範囲にある値となるように、レーザ出力をフィードバック制御する工程とを含む。

図１では、放射光検出器２６として、例えば赤外線カメラを用いることができる。この場合、まず、次式に示す熱放射光エネルギーと温度の関係式を利用し、放射光検出器２６がとらえたレーザ加熱部から放射される熱放射光強度を基に温度換算を行う。プランクの放射則(熱放射光エネルギーと温度の関係式)を示す。

上記数式中、
Ｍｅ：測定された熱放射光エネルギー
ε：放射率（温度、材質、表面状態等により常時変化）
α：測定光学系の受光特性係数
λ：波長
Ｃ_１：定数
Ｃ_２：定数
Ｔ：温度
をそれぞれ表している。本実施形態においては、Ｍｅは、放射光検出器２６で検出される熱放射光エネルギーの測定値である。εは被測定系、α、λ、Ｃ_１、Ｃ_２は測定系に固有の数値である。この機能により計測したレーザ照射部の温度を制御指標として、制御装置２５が、レーザ発生器２１のレーザ出力にフィードバック制御を行うことで、精確な温度制御を行うことができる。

図１に示す装置を用いたレーザ照射による熱処理工程におけるフィードバック制御の一例について、より具体的に説明する。母材の前縁部１０にレーザ光Ｌがレーザ照射ヘッド２２から照射される。次にレーザ光Ｌがレーザ光走査機構２４により二次元方向に走査されると、制御装置２５は照射ヘッド位置検出器２３の出力を取り込み、レーザ照射ヘッド２２がレーザ光Ｌの照射完了位置に到達したか否かを判定する。ここで、レーザ照射ヘッド２２がレーザ照射完了位置に到達している場合は、レーザ発生器２１の出力を零まで下げた後、レーザ照射による熱処理工程を終了する。なお、本発明において、レーザ照射完了位置は、第１熱処理工程のみを実施する場合と、第１熱処理工程と、後に詳述する第２処理工程とを連続して実施する場合とで異なるが、いずれの場合も、レーザ照射による熱処理工程を実施するため、同様にフィードバック制御を実施することができる。

レーザ照射ヘッド２２がレーザ照射完了位置に到達していない場合には、制御装置２５は熱放射光検出器２６の出力を取り込み、出力である熱放射光Ｍの強度に基づいて温度を換算し、所定の上限温度以下であるか否かを判定する。換算した温度が、上限温度を上回っている場合には、制御装置２５は上限温度以下の温度に対応する熱放射光Ｍの強度となるようにレーザ発生器２１のレーザ出力を制御する。具体的には、熱放射光Ｍの検出強度と上限温度に対応する強度との偏差を変数とする函数ｆに従ってレーザ発生器２１のレーザ出力を制御する。その後、照射ヘッド位置検出器２３の出力を取り込むステップに戻る。

一方、熱放射光検出器２６により検出された熱放射光Ｍの強度が上限温度に対応する強度以下の場合には、制御装置２５は熱放射光検出器２６により検出された熱放射光Ｍの強度が、所定の下限温度に対応する下限強度以上であるか否かを判定する。ここで、強度が下限強度以上の場合は、照射ヘッド位置検出器２３の出力を取り込むステップに戻る。また、熱放射光検出器２６により検出された熱放射光Ｍの強度が下限強度を下回っている場合には、制御装置２５は、下限温度に対応する下限強度以上となるようにレーザ発生器２１の出力を制御する。具体的には、制御装置２５はレーザ発生器２１の出力が現在の出力に例えば４０Ｗを加算した出力となるようにレーザ発生器２１の出力を制御する。その後、照射ヘッド位置検出器２３の出力を取り込むステップに戻る。

このようにして、フィードバック制御は、レーザ光の照射開始から完了までの間、繰り返し行われる。これにより、精確に温度制御されたレーザ照射による熱処理工程を実施することができる。

任意選択的な工程として、第１熱処理工程に次いで、第２熱処理工程を実施することができる。第２熱処理工程は、好ましくは第１熱処理工程と連続的に実施するレーザ照射による熱処理工程であって、高硬度層１０からさらに翼脚１３に向かって、照射幅を減少させて、母材にレーザ照射する工程である。この工程においては、レーザの送り角度を、母材の翼前縁部に対して、図２で示される所定の角度θだけ傾斜させることにより実施することができる。角度θは、０°より大きく、３５°以下とすることが好ましい。この範囲で、残留応力低減効果が高いためである。レーザの送り角度を変更する操作は、図１に示す硬化処理装置２のレーザ光走査機構２４により実施することができる。これにより、レーザスポットの一部が母材から外れて、母材上のレーザ照射幅が減少し、母材に対するレーザ照射面積も減少する。この際のレーザ照射ヘッド２２から出射されるレーザ光自体のスポット形状は第１熱処理工程の完了時から変化させなくてもよく、時間とともに減少させてもよい。また、本工程においても、レーザ照射部の表面温度を所定の温度範囲とすることが好ましく、例えば、第１熱処理工程と同じ温度範囲とすることができるが、より低い温度範囲に設定することもできる。そして、第１熱処理工程において説明したのと同様に、温度制御を実施することができる。

レーザ照射による第１熱処理工程後または、第２熱処理工程を行う場合には第２熱処理工程後であって、好ましくは、母材の温度が常温程度まで下がった後に、任意選択的に後熱処理工程を実施することができる。このとき、母材の除熱のために、気体の吹付等の除熱工程を実施してもよい。母材の温度が常温程度まで下がった後、例えば、１時間から１日後に後熱処理工程を実施することが好ましい。後熱処理工程での焼き割れを防止するためである。

後熱処理工程は、前記前縁部表面温度が２５０℃〜３００℃となる温度で後熱処理を行うことが好ましい。この後熱処理を行う工程によって、先のレーザ照射による熱処理工程で生じうる、硬化層周辺の応力を低減させることができる。後熱処理工程は、好ましくは、母材全体を加熱することにより実施することができるが、生産性の面で時間が問題ない場合は、上記全体を加熱する他、局所的に加熱してもよい。例えば、母材を加熱炉に投入し、２５０℃〜３００℃の範囲内の温度で、所定時間保持する。保持時間は、残留応力の低減効果を達成可能な範囲で当業者が適宜決定することができる。加熱温度が２５０℃より低いと残留応力の低減効果が低くなる場合があり、３００℃より高いと焼戻し脆化と呼ばれる耐食性の低下を招いてしまう場合がある。なお、ここでいう後熱処理温度は、炉内温度ではなく母材表面温度をいい、例えば、母材表面に貼り付けた熱電対等により測定した値をいうものとする。

より好ましくは、母材を常温の炉中に投入し、例えば、５０〜１５０℃／ｈの昇温速度で昇温し、温度２５０℃〜３００℃の範囲内の一定温度で、好ましくは上記所定時間保持した後、炉内で徐冷し、常温に戻ってから取り出すことができる。

第１熱処理工程を経て得られた蒸気タービン翼は、レーザ照射部に、硬度が４５０Ｈｖ以上、焼入れ深さが２ｍｍ以上の高硬度層が形成される。本明細書において、焼入れ深さとは、レーザ照射部の断面のビッカース硬さを測定し、４５０Ｈｖ以上の硬度をもつ部位の深さをいうものとする。焼入れ深さは、硬化深さという場合もある。本明細書においては、ビッカース硬度を例示して説明しているが、例えば、ロックウェル、ブリネル、ヌープ硬度などの他の硬度試験を用いて、測定し、ビッカース硬度の値に換算して、硬度を特定することができる。本発明において、このような硬度を持つ領域を、高硬度層と指称する。図２を参照すると、第１熱処理工程により、タービン翼前縁部であって、翼先端１２から長手方向に約１／３〜１／２程度の領域に、所定の略均一な焼入れ幅を有する高硬度層１０が形成される。そして、高硬度層１０中、レーザ照射面積を大きくした翼先端１２部は焼入れ深さが相対的に大きく、レーザ照射面積を小さくした翼脚１３に近い部分は焼入れ深さが相対的に小さくなっている。焼入れ深さは、２ｍｍ以上であって、例えば、１０ｍｍ以下程度の範囲で分布させることができるが、この範囲には限定されない。

また、第１熱処理工程に次いで第２熱処理工程を実施して得られた蒸気タービン翼は、図２に示すように、高硬度層１０と、焼入れ層１１とが形成される。焼入れ層１１とは、高硬度層１０と連続して、高硬度層１０よりも翼脚側に形成される硬化層であって、高硬度層１０と比較して、焼入れ幅が減少していく部分の層をいうものとする。焼入れ層１１の硬度は、高硬度層１０の硬度よりも小さくてもよく、また、焼入れ深さが２ｍｍ未満であってもよい。焼入れ層１１は、高硬度層１０から翼脚１３側に向かって、焼入れ幅が減少し、焼入れ層１１の翼脚１３側先端部が、翼前縁部と角度θをなしている。焼入れ層先端の角度θが、０°より大きく、３５°以下であることが好ましい。焼入れ層１１先端の角度θは、図２中、翼前縁部の先端部Ｚ、焼入れ層１１先端Ｙ、及び、焼入れ幅を変化させる点Ｘで形成される角度ということもできる。なお、タービン翼は、表面に凹凸が存在する複雑な三次元形状をなす場合があり、ここでいう角度は、タービン翼を、その照射面を上面になるように置いた場合に、平面投射した角度をいうものとする。焼入れ層１１先端部の角度θを、０°より大きく、３５°以下とすることで、焼入れ幅を変化させる点Ｘにおける残留応力を低減することができるためである。角度θは、例えば５〜３０°とすることがより好ましいが、これらには限定されない。

第１熱処理工程、または第１熱処理工程及び第２熱処理工程を実施して得られた蒸気タービン翼は、上記高硬度層及び焼入れ層の特徴は変わらず、これらの境界部における残留応力がさらに低下している。

本実施形態に係る蒸気タービン翼の製造方法によれば、任意の蒸気タービン翼の製造に適用することができ、特には、火力発電用の蒸気タービン翼の製造に好適である。そして、得られた蒸気タービン翼は、耐エロージョン性と耐ＳＣＣ性を両立するものとなっている。

以下、本発明を、実施例を参照してより詳細に説明する。しかしながら、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［１：照射面積と残留応力の関係］
１３Ｃｒ鋼を母材として、本発明に係る蒸気タービン翼を製造したレーザ吸収率のばらつきを抑制するために、蒸気タービン翼の形状に加工した母材の前縁部表面をあらかじめ♯６０〜♯１２０程度の粗さの研磨紙で磨いた。レーザ照射による熱処理工程には、半導体レーザ（ｌａｓｅｒｌｉｎｅ社製）を用いた。レーザスポットは、照射幅を暫定として４０ｍｍに固定し、走査方向の照射長さを変化させた（照射長さとは、レーザ光の走査方向に平行するスポットの長さをいうものとする。）。また、照射長さは、熱処理工程に要する時間全体で熱処理に支障がない範囲で変化させている。走査速度は、１ｍｍ／ｓとした。温度制御には赤外線カメラを用い、母材の照射部の表面温度（焼入れ温度）が、１２００℃で一定になるように、レーザ出力をフィードバック制御により変動させて加熱した、高硬度層を形成した。この母材を、大気中に静置して徐冷し、室温に戻し、本発明に係る蒸気タービン翼を得た。得られた蒸気タービン翼の高硬度層と未処理母材との境界部における残留応力を測定した。残留応力は、当該測定部位の表面酸化層を電解研磨により除去し、表面からＸ線回折法に基づいて測定した。結果を図３に示す。なお、残留応力は、所定の照射面積における実測値を１とした規格値で表す。図３の結果から、レーザ照射面積を小さくすることにより、高硬度層の境界部における残留応力を低減することが可能になることが示された。

［２：角度と残留応力の関係］
上記１と同じ母材に対して、同じ半導体レーザを用いて熱処理を行った。レーザスポットは、照射幅を４０ｍｍ、走査方向の長さを４０ｍｍとし、処理の過程で照射面積は変更せず、図２中、Ｘで示す所定の点から母材に対するレーザの送り角度、すなわち、図２の角度θを２５〜４５°の範囲で変化させた。母材の照射部の表面温度は、１２００℃となるようにフィードバック制御を行った。その他の条件は上記１と同様にして、図２の位置Ｘにおける残留応力を測定した。結果を図４のグラフに示す。なお、残留応力は、角度θが４５°の場合における実測値を１とした規格値で表す。図４の結果から、角度θが３５°以下の範囲において、残留応力が大幅に低下することが示された。グラフには示さないが、角度θが２５°未満においても減少傾向を示すことが合理的に推測される。

［３：後処理温度と残留応力の関係］
上記１と同じ母材に対して、同じ半導体レーザを用いて熱処理を行った。レーザスポットは、照射幅を４０ｍｍ、走査方向の長さを４０ｍｍとし、処理の過程で照射面積は変更しなかった。また、上記２と同様に、図２中、Ｘで示す所定の点から母材に対するレーザの送り角度θを４５°とした。母材の照射部の表面温度は、１２００℃となるようにフィードバック制御を行った。レーザ照射による熱処理後、温度を変えて後熱処理を実施した。後熱処理は、母材全体を、炉中で加熱することにより実施した。その他の条件は上記１と同様にして、図２の位置Ｘにおける残留応力を測定した。結果を図５のグラフに示す。なお、残留応力は、後熱処理温度が２２５℃の場合における実測値を１とした規格値で表す。図５の結果から、後熱処理温度が２５０〜３００℃の範囲において、残留応力が有意に低下することが示された。

本発明の方法により製造された蒸気タービン翼は、発電用に好ましく用いられる。例えば、火力発電用蒸気タービン翼として好適に用いられる。

１ 蒸気タービン翼
１０ 高硬度層
１１ 焼入れ層
１２ 翼先端
１３ 翼脚
２ 硬化処理装置
２１ レーザ発生器
２２ レーザ照射ヘッド
２３ 照射ヘッド位置検出器
２４ レーザ光走査機構
２５ 制御装置
２６ 放射光検出器

Claims (7)

1. 蒸気タービン翼形状に加工した母材の翼前縁部に、所定の照射面積でレーザ光を照射する第１熱処理工程を含む蒸気タービン翼の製造方法であって、
   翼先端部におけるレーザ照射面積が、翼脚側の端部におけるレーザ照射面積よりも大きく、前記第１熱処理工程において、前記レーザ光が翼先端部から翼脚側の端部に向けて走査され、照射長さを減少させることにより、前記レーザ照射面積を時間経過に伴い減少させる、方法。
2. 前記第１熱処理工程におけるレーザ光照射部よりも翼脚側に、照射幅を減少させてレーザ光を照射する第２熱処理工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２熱処理工程におけるレーザ光照射部の翼脚側先端部の平面投射角度が、０°より大きく３５°以下である、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１及び／または第２熱処理工程後の母材を、温度２５０℃〜３００℃で加熱する後熱処理工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１及び／または第２熱処理工程が、
   レーザ照射部からの熱放射光に基づき、レーザ照射部の前記前縁部表面温度を検知する工程と、
   前記レーザ照射部の前記前縁部表面温度が、所定温度となるようにレーザ出力をフィードバック制御する工程と
   を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記母材が、フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法により製造された蒸気タービン翼。

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