JPH03166349A - Ｔｉ合金製タービンブレードの表面改質方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＴＩ合金からなるタービンブレードの所定部分
の表面を熱処理する方法に関する．〔従来の技術〕 通常、蒸気タービンのブレードは、常温で十分な強度を
持つと同時に高温における強度およびクリープ強度の低
下が少なく、蒸気中の水分や不純物による浸蝕など腐食
に対して強い抵抗力を必要とする．特に水分の多い低圧
側のブレードでは、稼働中に周速度の大きなものは前縁
部が浸蝕されないように局部的に表面を改質して耐蝕性
を増すための熱処理方法が知られている． 第４図はタービンブレードの局部的な表面改質のために
、従来用いられている合金鋼製のブレ−を示すものであ
る．以下、第４図，第５図を併用参照して説明する．タ
ービンブレード上の母材は例えば１３％Ｃｒ鋼のマルテ
ンサイト系のステンレスからなり、その一部を水槽２の
中に没するように支持台３の上に載せる．前縁部４にお
ける焼き入れ部５の長手方向，幅方向は、ブレード使用
時の回転中に水滴を受ける範囲であり、ブレードの蒸気
入口側、即ち前縁部４の先端側にあり、第４図中に一点
鎖線で囲った領域である． このタービンブレード上を焼き入れる際には、主バーナ
ー管６を用いてその先端の火炎７を、焼き入れ部５の焼
き入れ端８の位置から図示してない先端に向かって移動
させながら、順次所定の温度まで加熱する．そのとき、
火炎７による入熱が水槽２中に一部没しているブレード
上の非焼き入れ部９を伝わり、最終的には冷却水１０に
よって奪われることによりブレード上は冷却されて部分
的な焼き入れ部５を得ることができる． ところで、近年蒸気タービンは大容量化する方向にあり
、これに伴なって蒸気タービンに用いるブレードも長大
化の傾向にある．蒸気タービンの稼働時にはタービンブ
レードに自重による遠心力が働くので、タービンブレー
ドの寸法が大きくなれば、その遠心力によりタービンブ
レードの受ける負荷も大きくなる．そのため従来ブレー
ド材料として用いられている合金鋼に比べて強度と比重
の割合即ち比強度の高いＴｉ合金，例えば６％Ｍおよび
４％Ｖを含むα相とβ相の混合＆ｌＩｍ　　＜α＋β）
相を有するＴ１合金が使用されるようになってきた．当
然のことながら、この丁ｉ合金を用いる場合も前述の理
由から耐蝕性を増すための局部的な熱処理を行なわねば
ならない．即ちこの合金では（α＋β）相をより耐エロ
ージョン性の高いβリンチな相にする必要がある．しか
し、Ｔｉ合金の場合にはこの合金の熱伝導度が小さいた
めに、第４図，第５図に示したようなステンレス鋼と同
じ熱処理方法では、冷却効果が十分でなく表面改質に対
して余り期待することができない． そこでこのＴｉ合金をタービンブレード材として用いる
ときは、前縁部４に別の合金を肉盛溶接する方法がとら
れる．第６図はその方法を説明するための模式断面図で
あり、第４図，第５図と共通部分を同一符号で表わす．
第６図はタービンブレード上の改質を要する領域、即ち
第４図の焼き入れ部５に相当する改質部５ａに耐エロー
ジ雪ンシールドとして、耐エロージョン性に優れしかも
溶接の容易な１５％門０．５％Ｚｒおよび３％Ｍを含む
β単層＆ｌ１織のＴｉ合金をＴＩＧ溶接で肉盛する状況
を表わしている。即ち第６図のように、タービンブレー
ド上の改質部５Ｂの肉盛端８ａからブレード上の先端ま
でＷ１！極１１を矢印方向に移動し、酸化防止のために
Ａｒなどの不活性ガスを送りながら、シーノレド材１２
のＴ！−１５％Ｍｏ−５％Ｚｒ−３％Ｍ合金を供給して
、タービンブレード上上の改質部５ａにこれと異なる金
属＆ｇ織を持ち耐蝕性の高いβ単層のＴｔ一１５％Ｍｏ
−５％Ｚｒ−３％Ｍ合金を肉盛形戒することにより、表
面改質を行なうのである。

しかしながら、前述のようにタービンブレードの材料は
、従来の合金鋼に代って軽量で強度も高いＴｉ−６％Ａ
７−４％Ｖ合金を用いることが有効であるとしても、耐
蝕性を高めるための表面．改質の熱処理に関してはなお
次のような問題がある．〔発明が解決しようとする課題
〕 タービンブレード上にＴｉ−６％Ａ７−４％Ｖ合金を用
いるとき、改質部５ａにβ単層のＴｉ　−　１５％Ｍｏ
　−５％Ｚｒ−３％Ｍ合金を肉盛するという第６図に示
した方法では、溶接人熱による残留応力の発生や、Ｗｔ
極１１からのＷ威分の混入による低融点のＷ−Ｔｉを生
戒するなど重金属介在物を巻き込むおそれがあり、それ
が原因となってタービンブレード上の強度低下をもたら
し、さらに溶接後の二次加工が必要となるので製造上の
効率が悪くなるなどの問題が生ずる． 本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目
的はタービンブレードにＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金を
用いてその表面改質のための熱処理を施すに当たり、十
分に速い冷却速度を与えて前縁部のエロージａンを受け
やすい領域を、〈α＋β）相から耐エロージョン性の高
いβリッチな相に変える方法を提供することにある． 〔課題を解決するための手段〕 上記のｔ！題を解決するために本発明の方法は、タービ
ンブレードの表面改質部にスポット状のレーザ光もしく
は電子ビームを走査し、次々に瞬時にして照射部の急加
熱，急冷却を行ない、この操作を表面改質部の全域に亘
って行なうものである．〔作用〕 上述のように本発明はレーザ光もしくは電子ビームを用
いて、これらをスポット状にタービンブレードの表面改
質部に照射してその全域を走査するものであり、レーザ
光もしくは電子ビームの照射される個所が殆ど瞬間的に
溶融凝固を繰り返すことになり、そのｌＩＮ！溶融状態
から凝固に至る冷却速度が極めて速いために、高温組織
であるβ相の大部分は室温まで持ちこされ、タービンブ
レードの表面改質部は（α＋β）相から耐エロージョン
性の高いβリンチな相に変化する． 〔実施例〕 以下、本発明を実施例に基づき説明する．はじめに本発
明の適用されるＴＩ−６％ｕ−４％′■合金の等温変態
曲線を第１図に示し、本発明の基本的な考え方について
述べる．第１図は縦軸が加熱温度，横軸が時間（冷却速
度）を表わしており、溶融状態またはβ相頷域にまで加
熱されたＴｉ合金は冷却速度に応じてαリッチもしくは
βリッチの（α＋β）相、さらにβ単相組織とすること
ができる．本発明ではこの性質を利用して、耐エロージ
ョン性に優れるβリンチの相をタービンブレードの前縁
部のドレンエロージョンの厳しい領域に形或するもので
ある．したがって、βリッチの相を得るためにはこの合
金の溶融状態からの急速冷却、例えば第１図中のｎ−ｎ
線に沿った冷却速度を必要とする．比較のために、例え
ば前述の火炎焼き入れ法を採用した場合を考えてみると
、まず火炎による加熱では溶融状態またはβ相頷域への
加熱時間が長＜　、Ｃｕの約１／２程度の小さな熱伝導
度を持つＴｉ合金は、表面温度がβ相領域までになった
ときには、ブレードの＆ＩＩ織変化を必要としない領域
にも熱が蓄積されてしまう．そのためブレードの前縁部
の冷却に時間を要し、急冷されることなく、その冷却速
度は第１図中のＣ−Ｃ＆１１に沿ったものとなり、合金
組織もこれに対応して目的とするβリッチの相を得るこ
とができない．したがって、室温で安定な　（α＋β）
相を持つＴｉ合金を局部的にβリッチな相とするために
は、この部分を瞬時に加熱溶融した後、瞬時に冷却する
という熱処理方法をとらなければならない．以上のこと
から本発明ではＴｉ−６％Ａ７−４％Ｖ合金ブレード前
縁部のエロージョンを生じやすい領域を急加熱，急冷却
するために、第１の手段として炭酸ガスレーザ装置によ
りレーザ光を熱源に用い、瞬時局所加熱および急冷却効
果を得ることができたのである． 第２図はレーザ光熱源を用いてタービンブレード上の先
端近傍を局部熱処理する状態を示した模式的な部分斜視
図であり、第４図〜第６図と共通部分を同一符号で表わ
してある．第２図において光源１３から出射するレーザ
光１４を前縁部４の改質部５ｂにほぼ垂直に照射し、レ
ーザ光１４は光源１３を矢印方向に移動するとともに、
ブレード上の改質端８ｂから先端部までブレード上の幅
方向に改質部５ｂの領域内を走査する．このようにして
レーザ光の照射されるスポット領域は瞬時にして約１６
５０℃の溶融状態が得られ、レーザ光の照射スポットが
移動した後は瞬時に冷却凝固されるという動作を繰り返
す．したがって、レーザ光の照射されない領域即ちブレ
ード上のｍｍ変化を必要としない領域および前縁部４の
深さ方向に熱が伝達される以前にレーザ光の照射スポッ
トは移動してしまうので、必要とする部分即ち改質部５
ｂにのみ（α＋β）相から耐エロージョン性に富むβリ
ッチな相への組織変化を与えることができる．そしてこ
の状態はレーザ光スポットを長手方向，幅方向に走査す
ることにより、ブレード改質部５ｂの全域に及ぶので改
質部５ｂの表面は均一なβリフチ相として改質されるの
である．このときの冷却速度は第１図のｎ−ｎ線に対応
する． さらに本発明では上述と同様な手法を第２の手段として
電子ビーム装置により行なうことが可能である．熱源に
電子ビームを用いて電子ビームのスポットを走査し、タ
ービンブレードの特定の個所を急加熱，急冷却すること
により、その部分のみに＆Ｉ織変化を与えるのはレーザ
光を用いる場合と基本的に同じなので詳しい説明を省略
するが、ただ電子ビーム装置を用いるときは真空チャン
バーの中で行われるのが普通であるから、得られるβリ
ッチな相の領域への酸化防止および介在物など不純物の
混入防止に対して、より確実性を期することができる． 〔発明の効果〕 タービンブレードの材料としてステンレス鋼より比強度
の高いＴｉ　−　６％ｕ−４％Ｖ合金を用いるとき、前
縁部の耐エロージョン性を向上させるために、従来のよ
うな火炎による加熱冷却やβ単相の別合金を肉盛りする
という方法では種々の問題を起こしていたが、本発明の
方法によれば実施例で述べたように、レーザ光または電
子ビームを利用して、ブレード前縁部の必要な部分のみ
をスポット状に走査し、レーザ光または電子ビームの照
射個所を瞬時にして溶融し冷却する作用を繰り返し行な
うようにしたために、ブレード改質部はその表面が容易
に（α＋β）相から耐エロージョン性に富むβリンチな
相に変り、これらの操作中に表面酸化や不純物の巻き込
みなど生ずることなく、しかも短時間に極めて効率よく
タービンブレードの耐エロージョン性を向上させること
が可能となった．

【図面の簡単な説明】

第１図はＴｉ　−　６％Ａ７−４％Ｖ合金の等温変態曲
線図、第２図はレーザ光熱源を用いてタービンブレード
の先端近傍を局部熱処理する状態を示した模式的な部分
斜視図、第３図はレーザ光による熱処理後のタービンブ
レード改質部の合金組織の分布状態を示した模式断面図
、第４図は従来の合金鋼製のブレード材料を局部表面焼
き入れする状態を示した部分模式断面図、第５図は第４
図のＡＡ断面図、第６図はＴｉ合金タービンブレードの
改質部にβ単相＆ｌｌｒａのＴｉ合金をＴＩＧｔ８接で
肉盛する状況を示した模式的な部分斜視図である．工：
タービンブレード、２：水槽、３：支持台、４：前縁部
、５：焼き入れ部、５ａ．５ｂ：改質部、６：主バーナ
ー管、７：火炎、８：焼き入れ端、８ａ：肉盛端、８ｂ
＝改質端、９：非焼き入れ部、１０：冷却水、１１：Ｗ
電極、１２：シールド材、１１弔問 第１ 図 字２噂 第３胆 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）（α＋β）相からなるＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金
   製のタービンブレード前縁部のエロージョンを生じやす
   い領域に局所的な熱処理を施し、この領域の表面を耐エ
   ロージョン性に富むβリッチな相に改質するに当たり、
   前記領域表面をレーザ光を用いてスポット状に照射し、
   この照射部分を急速加熱溶融した後急速冷却凝固させて
   前記（α＋β）相が前記βリッチ相に変化する操作を、
   前記照射部分を走査することにより前記領域表面の全域
   に亘って行なうことを特徴とするＴｉ合金製タービンブ
   レードの表面改質方法。 ２）（α＋β）相からなるＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金
   製のタービンブレード前縁部のエロージョンを生じやす
   い領域に局所的な熱処理を施し、この領域の表面を耐エ
   ロージョン性に富むβリッチな相に改質するに当たり、
   真空雰囲気中で前記領域表面を電子ビームを用いてスポ
   ット状に照射し、この照射部分を急速加熱溶融した後急
   速冷却凝固させて前記（α＋β）相が前記βリッチ相に
   変化する操作を、前記照射部分を走査することにより前
   記領域表面の全域に亘って行なうことを特徴とするＴｉ
   合金製タービンプレートの表面改質方法。