JP6862312B2

JP6862312B2 - アディティブマニュファクチャリング方法及び蒸気タービン部品の製造方法

Info

Publication number: JP6862312B2
Application number: JP2017158104A
Authority: JP
Inventors: 春樹大西; 中谷　祐二郎; 祐二郎中谷; 日野　武久; 武久日野; 智史只野; 威夫須賀
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2017-08-18
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2037-08-18
Also published as: JP2019035125A

Description

本発明の実施形態は、アディティブマニュファクチャリング方法及び蒸気タービン部品の製造方法に関する。

近年、３Ｄプリンタに関する技術の発展がめざましいが、３Ｄプリンタに関する技術の多くは、樹脂などを用いた試作品製造を行うものである。これに対して、最終製品の製造を行う、アディティブマニュファクチャリング（ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）（以下、略してＡＭと称する場合がある。）に関する技術の開発も進められている。このＡＭでは、最終製品の製造を行うため、構造部品としての十分な材料特性を与えることが求められる。

上記のＡＭには、従来の技術では製造不可能な、複雑な形状の造形ができる等のメリットがあるため、多分野において実用化研究が進められている。エネルギー分野においても、例えば、蒸気タービンの部品等に、適用することが想定され。蒸気タービン性能の向上に向け、実用化が期待されている。しかし、例えば、蒸気タービンの部品等においては、製品に要求される信頼性が非常に高いため、従来の製法（例えば、鍛造等の製法）によって製造された製品と同等の機械的特性を実現する必要があり、そのための検討が行われている。

ＡＭによって製造された製品の機械的特性を考えた場合、ＡＭは溶接と似たプロセスであるため、例えば鍛造等の製法によって製造された製品に比べて空洞を内包し易く、そのため機械的特性が低くなり易い。

米国特許第５６４７９３１号明細書

石井不二夫他「溶鉄の窒素溶解度におよぼすＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，ＭｏおよびＷの影響」，鉄と鋼，第68年（1982）第10号，1560頁

上記のように、ＡＭにおいては、鍛造等の従来製法によって製造された製品と同等の機械的特性を実現することのできる技術の開発が求められている。

本発明の目的は、鍛造等の従来製法によって製造された製品と同等の機械的特性を実現することのできるアディティブマニュファクチャリング方法及び蒸気タービン部品の製造方法を提供することにある。

実施形態のアディティブマニュファクチャリング方法は、Ｃ：０．２質量％以下、Ｎｉ：１質量％以下、Ｃｒ：９〜１２質量％、Ｗ：３質量％以下、Ｃｏ：３質量％以下、Ｎ：０．０１〜０．１質量％、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鉄基金属の原料粉末であって、Ｎ_２ガスでアトマイズした原料粉末を準備する工程を具備する。また、前記原料粉末を供給する原料粉末供給工程及び前記原料粉末供給工程で供給された前記原料粉末にエネルギービーム照射して加熱溶融し金属層を形成する金属層形成工程を複数回繰り返して前記金属層を積層する金属層積層工程を具備し、金属製の製品を製造する。

実施形態のアディティブマニュファクチャリング方法の構成を示すフロー図。実施例の原料粉末及び比較例の原料粉を示す顕微鏡写真。実施例の製造物及び比較例の製造物の断面を示す顕微鏡写真。

以下、実施形態のアディティブマニュファクチャリング方法について、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態のアディティブマニュファクチャリング方法の構成を示すフロー図である。図１に示すように、本実施形態では、まず、Ｃｒを１質量％以上含む鉄基金属からなり、窒素（Ｎ_２）ガスでアトマイズした原料粉末を準備する（１０１）。

次に、上記の準備した原料粉末を、製造する製品の形状に応じた三次元設計データ（三次元ＣＡＤデータ）に基づいて所定領域に供給する原料粉末供給工程を行う（１０２）。この原料粉末供給工程は、例えばノズルかステージ上に原料粉末を供給し、これをスキージなどを用いて平坦化し、原料粉末の厚さを均一化すること等によって行う。

次に、上記の供給した原料粉末に、エネルギービーム（電子ビーム等）を照射して加熱溶融し金属層を形成する金属層形成工程（１０３）を行う。これによって、１層の金属層が形成される。なお、エネルギービームとして電子ビームを用いる場合、その照射は真空雰囲気中で行われる。

次に、上記の原料粉末供給工程１０２と、金属層形成工程１０３とが、三次元設計データに基づいて所定回数実施され、所定の金属層積層が完了したか否かを判定し（１０４）、所定の金属層積層が完了するまで上記の原料粉末供給工程１０２と、金属層形成工程１０３とを複数回繰り返して実施する金属層積層工程（１０５）を行う。これによって、三次元設計データに基づいた所定形状の金属製の製品、例えば、蒸気タービン部品等を製造する。

上記のように、本実施形態では、Ｃｒを１質量％以上含む鉄基金属からなり、Ｎ_２ガスでアトマイズした原料粉末を使用する。これによって、原料粉末に含まれる空洞を低減することができる。

アディティブマニュファクチャリング方法に用いる原料粉末の製造工程では、アトマイズ工程という工程を実施する。このアトマイズ工程では、狙った組成となるようにその組成を調整した合金を加熱溶融させて滝状に落下させ、アトマイズガスにより霧状にしつつ凝固させ微粉を製造する。この際のアトマイズガスには、不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスが多く用いられるが、本実施形態では、アトマイズガスとして窒素（Ｎ_２）ガスを使用する。

原料粉末の製造工程において、アトマイズガスとしてアルゴンガスを用いた場合、アルゴンは合金中で固溶せず、巻き込まれたアルゴンガスは、原料粉末中に気泡として残留し、その結果原料粉末中に空洞が形成される。一方、アトマイズガスとして窒素ガスを用いた場合、窒素は合金中に固溶するため、原料粉末中に気泡として残留せず、これによって原料粉末中の空洞の発生を抑制することができる。

本実施形態では、原料粉末として、その合金組成にＣｒを１質量％以上含む鉄基金属を用いている。これは、上記の空洞低減作用をより効果的にするためであり、その理由の詳細は以下の通りである。

＜Ｃｒ量：１％以上＞
Ｃｒは耐食性や焼入れ性の改善効果があり、多くの材料に添加される。しかし、本実施形態における主たる効果としては、溶湯のＮ固溶限を増加させ、より効果的に原料粉末へＮを固溶させることである。Ｃｒ量の増加に伴いＮ固溶量も増加し、Ｃｒ量が１％以上の場合、Ｎを０．０５％固溶させられる。したがって、Ｃｒ量は１％以上とすることが好ましく、９％以上とすることがより好ましい。

＜Ｎ量：０．０１％以上＞
Ｎは材料にもよるが、Ｃ、Ｎｂ、Ｖなどと結びついて炭窒化物を形成し、高温クリープ破断強度を向上させることに非常に有用な元素である。Ｎの含有率が０．０１％未満ではこの作用は十分に得られず、０．０１〜０．０５％程度添加することが好ましい。

上記のＮ量については、前述したとおり、原料粉末の製造工程において、アトマイズガスとして窒素ガスを用いることによって、アトマイズ工程において原料粉末中にＮが固溶し、Ｎ量が増加する。したがって、原料中のＮ量は、アトマイズ工程におけるＮ量の増加を考慮して、目標のＮ量より少なく設定しておくことが必要になる。

なお、例えば蒸気タービン用部品等の製造を行う場合、原料粉末を構成する合金の組成は、例えば、Ｃ：０．２質量％以下、Ｎｉ：１質量％以下、Ｃｒ：９〜１２質量％、Ｗ：３質量％以下、Ｃｏ：３質量％以下、Ｎ：０．０１〜０．１質量％、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなるものとすることが好ましい。

（実施例）
質量％で、Ｃ：０．１％、Ｎｉ：０．６％、Ｃｒ：１０．５％、Ｗ：２．５％、Ｃｏ：１％、Ｎ：０．０５％の合金組成を狙い、ＶＩＭ（真空誘導溶解炉）により溶融した原料物質の合金を滝状に落下させ、アトマイズガスには窒素ガスを使用して製粉した。得られた粉末に対し、粒径４５〜１２５μｍの範囲外の粉末を除去するように分級し、実施例のＡＭ用原料粉末を準備した。

次に、電子ビームを熱源にした「パウダベッド方式」の三次元積層造形装置を使用し、上記実施例のＡＭ用原料粉末を用いて実施例のＡＭ材を作製した。ビーム電流値が１５ｍＡ、ビーム走査速度が１ｍ／ｓの造形条件で、Φ１５×１００ｍｍの丸棒を鉛直に造形した。

（比較例）
ＡＭ用原料粉末を製造する際に、アトマイズガスに、窒素ガスに換えてアルゴンガスを使用した点のみが、上記実施例と相違する比較例のＡＭ用原料粉末を準備した。そして、上記実施例と同様に、電子ビームを熱源にした「パウダベッド方式」の三次元積層造形装置を使用して比較例のＡＭ材を作製した。ビーム電流値が１５ｍＡ、ビーム走査速度が１ｍ／ｓの造形条件で、Φ１５×１００ｍｍの丸棒を鉛直に造形した。

上記の実施例のＡＭ用原料粉末の断面を観察した顕微鏡写真を図２（ｂ）に示す。また、上記の比較例のＡＭ用原料粉末の断面を観察した顕微鏡写真を図２（ａ）に示す。同図に示されるように、比較例のＡＭ用原料粉末には、気泡によると見られる多くの空洞が認められた。一方、実施例のＡＭ用原料粉末には、比較例のような空洞は、ほとんど見られなかった。

次に、作成した実施例のＡＭ材（Φ１５×１００ｍｍの丸棒）の断面を観察した顕微鏡写真を図３（ｂ）に示す。また、作成した比較例のＡＭ材（Φ１５×１００ｍｍの丸棒）の断面を観察した顕微鏡写真を図３（ａ）に示す。同図に示されるように、比較例のＡＭ材には、気泡によると見られる多くの空洞が認められた。一方、実施例のＡＭ材には、比較例のような空洞は、ほとんど見られなかった。

上記の実施例及び比較例のＡＭ材における空洞の有無は、実施例及び比較例のＡＭ用原料粉末における空洞の有無と対応している。したがって、電子ビームを熱源にした積層造形において、ＡＭ用原料粉末中の空洞は、積層造形したＡＭ材にも残留し、ＡＭ用原料粉末中の空洞を低減することにより、積層造形したＡＭ材中の空洞を抑制できることを示している。

なお、図３（ｂ）に示されるように、実施例のＡＭ材中に観察される微細な空洞全てについて空洞面積率を算出すると０．１５％であった。この０．１５％という面積率の数値は、空洞が極めて少ないものと言える。

上記の実施例及び比較例のＡＭ材について、クリープ破断試験（６５０℃・２５ｋｇｆ／ｍｍ^２）を行った。このクリープ破断試験におけるクリープ破断時間の結果を以下に示す。
実施例のＡＭ材７０６時間
比較例のＡＭ材２７７時間

実施例のＡＭ材のクリープ特性は、比較例のＡＭ材のクリープ特性に比べて高く、鍛造材と同等以上の特性であった。すなわち、実施例においては、ＡＭ方法によって製造した金属製の製品（ＡＭ材）のクリープ強度の、同組成の鍛造製品のクリープ強度に対する比を、１以上とすることができる。

以上の結果から、本実施形態では、製造した製品の内部に発生する空洞を抑制し、優れた品質の製品を得られることが分かった。また、得られた製品のクリープ特性は高く、同様に他の機械的特性についても良好であることが予想される。したがって、例えば発電用の蒸気タービン部品の製造等に好適に使用することができる。

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。

１０１……原料粉末を準備する工程、１０２……原料粉末供給工程、１０３……金属層形成工程、１０５……金属層積層工程。

Claims

Ｃ：０．２質量％以下、Ｎｉ：１質量％以下、Ｃｒ：９〜１２質量％、Ｗ：３質量％以下、Ｃｏ：３質量％以下、Ｎ：０．０１〜０．１質量％、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鉄基金属の原料粉末であって、Ｎ_２ガスでアトマイズした原料粉末を準備する工程と、
前記原料粉末を供給する原料粉末供給工程と、前記原料粉末供給工程で供給された前記原料粉末にエネルギービーム照射して加熱溶融し金属層を形成する金属層形成工程と、を複数回繰り返して前記金属層を積層する金属層積層工程と、
を具備し、
金属製の製品を製造することを特徴とするアディティブマニュファクチャリング方法。
前記金属製の製品のクリープ強度の、同組成の鍛造製品のクリープ強度に対する比が１以上であることを特徴とする請求項１記載のアディティブマニュファクチャリング方法。
前記金属製の製品の空洞面積率が０．１５％以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のアディティブマニュファクチャリング方法。
前記原料粉末の原料物質を溶融する際に、真空誘導溶解炉を用いることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載のアディティブマニュファクチャリング方法。
請求項１乃至４いずれか１項記載のアディティブマニュファクチャリング方法を用いて蒸気タービン部品を製造することを特徴とする蒸気タービン部品の製造方法。