JPH03150331A

JPH03150331A - 耐浸食合金の接合方法

Info

Publication number: JPH03150331A
Application number: JP29057389A
Authority: JP
Inventors: Masaru Yamamoto; 優山本; Kazuaki Ikeda; 池田　一昭
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1989-11-08
Publication date: 1991-06-26
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: JP2653527B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明は、例えば蒸気タービン羽根の前縁部に被着さ
れるエロージョンシールド用合金部材として好適な耐浸
食合金およびその製造方法ならびに被着方法に関する。

（従来の技術）例えば、蒸気タービンには高出力化が求められており、
このため蒸気タービンの最終段に使用される羽根は必然
的に長尺化する傾向にある。従来この種の材質としては
、通常１２Ｃｒ鋼が適用されていたが、長尺化するにつ
れて、羽根先端の周速が増加し、これに対する対応が問
題となる。また、蒸気タービンの最終段付近では蒸気タ
ービンが湿っており、これが水滴となって羽根に衝突し
、羽根前縁部が浸食するエロージョンが生じる。この浸
食は周速が増すほど量が増え、羽根の信頼性を低下せし
める。このため、羽根前縁部には防浸食のために高硬度
のＣｏ基合金をエロージョンシールドとして被着してい
たが、長尺化による周速の増大により、ＣｏＭ合金とい
えども多大な浸食を受けるという間層が生じている。

さらに、より一層羽根が長尺化すると、従来から使用さ
れていた１２Ｃ「鋼では遠心力が大となるため、軽量な
チタン合金（例えばチタン−６％アルミニウム−４％バ
ナジウム）が適用されつつある。しかしながら、チタン
合金製の羽根の場合にも上記と同様に、高周速による浸
食が問題であり、しかもチタン合金へはＣｏ基合金を被
着しようにも合金の性質が異なるために、被着すること
は困難である。

（発明が解決しようとする課″ａ）そこで、本発明はＣＯ基合金以上の良好な耐浸食性を有
し、かつ羽根材、とくにチタン合金に被着可能な耐浸食
合金ならびにその製造方法および被着方法を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（課遅を解決するための手段および作用）本発明は、上
記目的を達成するため、高硬度のセラミック粉末を体積
比で２０〜６０％と、残部がチタン又はチタン合金の粉
末からなる混合物を真空中又は不活性ガス中で焼成した
後に、ホットアイソスタティックプレス（高温等方加圧
）処理により成形することを特徴としている。

本発明においては、高硬度のセラミック粉末として、チ
タン炭化物、チタン窒化物、チタンホウ化物、チタン酸
化物などのチタン化合物が用いられ得る。さらに、チタ
ン合金の粉末としては、チタン−６％アルミニウム−４
％バナジウム（重量比）合金などのα＋β型チタン合金
あるいはチターン−１５％モリブデン−５％ジルコニウ
ム合金やチタン−１５％モリブデン−５％ジルコニウム
−３％アルミニウム合金（重量比）などのβ型チタン合
金を用いることが好ましい。

上記β型チタン合金粉末を用いる場合には、セラミック
粉末との成形後に７００〜８５０℃の範囲の加熱による
溶体化処理とその後に４００〜６００℃の範囲で加熱す
る時効処理を施こすことが好ましい。

また、上記耐浸食合金を部材に被着するに際しては、成
形された耐浸食合金を、電子ビーム溶接やＴＩＧ溶接な
どの溶接法又は、銀ローなどを使ったロー打法や拡散接
合法などにより接合するか、または、耐浸食合金を部材
上でレーザーや電子ビームなどの高エネルギービームに
より溶融することにより被着する。

また、チタン合金粉末として上記β型チタン合金を用い
るに際しては、成形された耐浸食合金を上記方法により
部材に被着した後に、７００〜８５０℃の範囲の加熱に
よる溶体化処理とその後に４００〜６００℃の範囲で加
熱する時効処理を施すことが好ましい。

本発明にかかる耐浸食合金の構成物のうち、セラミック
粉末として、例えばシリコンカーバイド（Ｓ　ｉ　Ｃ）
やシリコンナイトライド（ＳＩ３Ｎ４）、ボロンナイト
ライド（ＢＮ）　、チタンカーバイド（Ｔ　ｉ　Ｃ）　
、チタンナイトライド（Ｔ　ｉ　Ｎ）　、チタンボラン
ド（Ｔ　１８２など）、酸化チタン（ＴｉＯ）、酸化ア
ルミニウム（Ａ　１２０３　）など、その個体が非常に
高硬度であり、これをチタン又はチタン合金粉末と混合
一体化することによりチタン又はチタン合金単独では得
られない高硬度を得ることができ、また上記構成物を一
体化するに際し、ホットアイソスタティックプレス処理
を施こすことにより混合物間に生成されている気孔が圧
着されるので硬度・耐浸食性が一段と富むものとなる。

また、チタン合金粉末としてチタン−６％バナジウム−
４％アルミニウム（重量比）などのチタン合金製羽根と
同種のα＋β型チタン合金を用いることにより、羽根へ
の接着を容易にすることができる。さらに、チタン合金
粉末としてチタン−１５％モリブデン−５％ジルコニウ
ム−３％アルミニウム合金などのβ型チタン合金を用い
ると、本合金系は、熱処理、すなわち、７００〜８５０
℃加熱による溶体化処理と４００〜６００℃加熱による
時効処理、によりチタン合金自体も硬化し、より硬度を
増す。上記により製造した耐浸食合金は、チタン合金製
羽根と同種のチタン合金であるので同羽根への溶接ある
いはロー付拡散接合などにより高い被着強度で被着させ
ることができる。

また、合金系の異なる１２Ｃ「鋼製の羽根に対しても、
ロー付あるいは拡散接合法などにより被着させることが
できる。さらに、本発明になる耐浸食合金を部材、例え
ば蒸気タービン羽根に載置し、耐浸食合金０体をレーザ
一等の高エネルギビームで溶融することによって接着さ
せることにより、どのような部材の材料に対しても高い
接着強度で接着させることができる。

（実施例）以下、本発明にかかる耐食合金ならびにその製造方法に
おける各限定理由について説明するとともに、その具体
的実施手段について説明する。

まず、セラミック粉末は、チタン炭化物（ＴｉＣ）、チ
タン窒化物（Ｔ　ｉ　Ｎ）　、チタンホウ化物（Ｔ　ｉ
Ｂ　２など）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、シリコンカー
バイド（Ｓ　ｉ　Ｃ）　、シリコンナイトライド（ＳＩ
３Ｎ４）、アルミナ（Ａ１２０３）などがあるから硬度
は例えばＴｉＣでは、Ｈｖ２４００、ＴｉＮがＨｖ　１
７００など従来エロージッンシールドとして使用されて
いるＣｏｉ合金ステライトトの硬度Ｈｖ５００に比べて
非常に高い硬度を有している。これを混合焼結体に均一
に分散させるには全体体積比で２０％〜６０％が最も好
ましい適用範囲である。これは全体体積比が２０％未満
ではＣｏ基合金以上の硬度を得ることが難しく、それが
６０％を超えると、脆くなり、焼結体として成形できな
くなるからである。このセラミックス粉末を焼結体とす
るに、金属粉末としてチタン又はチタン合金をバインダ
ーとして用いるが、その際、セラミックス粉末としては
、上記の各種セラミック粉末が使用可能であるが、とく
に、チタン系の炭・窒化物、ホウ化物、酸化物は、バイ
ンダーのチタン又はチタン合金との親和性が良く、緻密
な焼結体が形成できる。

つぎに、セラミック粉末と混合するチタン又はチタン合
金の粉末は、バインダーの役目をするとともに、混合焼
結体の基本的な強度特性を代表するもので、商用純チタ
ンならびにチタン基の合金全てで混合焼結体を形成する
ことが可能であるが、強度（硬度）をより高く必要とす
る際には、高強度のチタン−６％アルミニウム−４％バ
ナジウム合金をはじめとするα＋β型合金が望ましい。

さらに、高強度を必要とする際には熱処理により硬化す
る性質を有するチタン−１５％モリブデン−５％ジルコ
ニウムやチタン−１５％モリブデン−５％ジルコニウム
−３％アルミニウム合金などのβ型チタン合金が望まし
い。

これらβ型チタン合金粉末を用いるに際しては、セラミ
ック粉末と混合・焼成後、部材に被着前あるいは被着後
のいずれかにおいて、７０Ｏ〜８５０℃の範囲で加熱後
急冷する溶体化処理とその後に４００〜６００℃の範囲
で加熱することにより時効硬化して、より高硬度の耐浸
食合金が達成される。溶体化処理、としては、７００℃
以下の加熱保持では焼結後の合金が均一に固溶体とはな
らず、また８５０℃以上になると焼結後の合金が粗大化
して、脆くなるので、この範囲とする。

また、時効処理としては、４００℃以下の加熱では、硬
化に数百時間を要し、工業的ではなく、また６００℃以
上になると硬化の程度が小さく、実際上有効な効果が得
られないので、この範囲とする。この溶体化−時効処理
は、部材への被着前でも後でも有効で、接合方法との関
連で選択出来る。

また、銀ロー付などの接合方法をとる場合においては、
接合時の加熱温度が、あるいは接合方法が電子ビーム溶
接などの溶接や、レーザーなどの溶融接合の場合にはそ
の後に応力除去焼鈍などの後熱処理の加熱温度が、上記
溶体化処理と時効処理の温度範囲に一致しているときは
、それを兼ね合わせることができる。

つぎに、本発明にかかる耐食合金の製造例について説明
する。

第１表は、本発明の実施例の硬度と耐浸食性を示したも
のである。実施例の各耐浸食合金は、Ｔｉｅ、ＴｉＮ、
ＴｉＢ２．ＳｉＣなどの炭・ホウ化物の粉末と、チタン
合金の粉末を所定の割合で機械的に混合した後、２０ｍ
ｍ角×３００■長さの矩形容器に混合粉末を充てんし、
プレスにより成形し、固体とした。その後、矩形の固体
を、周囲をＢＮ粉末で充てんし、別の円筒容器に入れ、
円筒容器を溶接で封印した後、１０００〜１１００℃に
加熱して、圧力１５００５ｄ圧でホットアイソスタティ
ックプレス、成形して、焼結一体化した−その後、硬度
測定とエロージョン試験を実施した。エロージョン試験
としては、水温２４℃、６．５ＫＨｚ、振巾１００．ｕ
ｍのキャビテーションエロージョン試験を行い、エロー
ジョン減量を求めた。

実施例１から実施例９は本発明による耐浸食合金であり
、比較例１はＣｏ居合金のステライトで、これと実施例
を比較すると、いずれも硬さは高く、エロージョン減量
も比較例１より小さく、優れた耐エロージョン性を有し
ていることがわかる。実施例７と９は、チタン合金粉末
としてβ合金を使用した例で、液体化−時効処理を施こ
すことにより、熱処理なしに比べ、飛躍的に耐エロージ
ョン性が向上している。また比較例２と３は、セラミッ
ク粉末の体積％が、本発明の範囲外にある例で、いずれ
も高い硬度は得られず、耐エロージョン性〔発明の効果
〕以上述べたように、本発明による耐浸食合金は、耐エロ
ージョン性に優れており、特に蒸気タービン羽根の信頼
性向上を図る上において優れた効果を有している。本発
明になる耐浸食合金は、蒸気タービン羽根を例にとって
説明したが、その他のエロージョンによる損傷を受ける
ガスタービンやポンプなどの羽根やノズルなどにも適用
することができる。

Claims

【特許請求の範囲】１、体積比で２０〜６０％のセラミック粉末と残部が実
質的にチタン又はチタン合金粉末とからなる混合物を調
製した後、この混合物を真空中又は不活性ガス中で焼成
し、ホットアイソスタティックプレス処理により成形す
ることを特徴とする、耐浸食合金の製造方法。２、セラミック粉末として、チタン炭化物、チタン窒化
物、チタンホウ化物またはチタン酸化物のチタン化合物
を用いたことを特徴とする、請求項１に記載の方法。３、チタン合金粉末として、チタン−６％アルミニウム
−４％バナジウム合金からなるα＋β型チタン合金の粉
末を用いたことを特徴とする、請求項１に記載の方法。４、チタン合金粉末として、チタン−１５％モリブデン
−５％ジルコニウム合金またはチタン−１５％モリブデ
ン−５％ジルコニウム−３％アルミニウム合金からなる
β型チタン合金を用い、これに体積比で２０〜６０％の
セラミック粉末を混合した後、この混合物を真空中又は
不活性ガス中で焼成し、ホットアイソスタティックプレ
ス処理をして成形した後に、更に７００〜８５０℃の範
囲で溶体化処理し、次いで４００〜６００℃の範囲で時
効処理を施すことを特徴とする、請求項１に記載の方法
。５、請求項１に記載の方法によって得られた耐浸食合金
を、蒸気タービン用部材に接合するに際し、電子ビーム
溶接、ＴＩＧ溶接などの溶接法、銀ローなどによるロー
付法あるいは拡散接合法により前記耐浸食合金を前記蒸
気タービン部材に被着させることを特徴とする耐浸食合
金の接合方法。６、前記耐浸食合金を部材に被着するに際し、部材上に
載置した耐浸食合金をレーザー、電子ビームなどの高エ
ネルギービームにより溶融することにより被着させるこ
とを特徴とする、請求項５に記載の方法。７、前記被着工程終了後、更にこれを７００〜８５０℃
の範囲で加熱して溶体化処理を行い、その後、４００〜
６００℃の範囲に加熱して時効処理を行うことを特徴と
する、請求項５に記載の方法。