JPH03271352A - Ti合金製タービンブレードとTi合金の接合方法 - Google Patents

Ti合金製タービンブレードとTi合金の接合方法

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JPH03271352A
JPH03271352A JP7120890A JP7120890A JPH03271352A JP H03271352 A JPH03271352 A JP H03271352A JP 7120890 A JP7120890 A JP 7120890A JP 7120890 A JP7120890 A JP 7120890A JP H03271352 A JPH03271352 A JP H03271352A
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JP
Japan
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alloy
turbine blade
heat treatment
alloys
welding
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JP7120890A
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Kimio Degawa
出川 公雄
Eisaku Kondo
栄作 近藤
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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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2種類のTi合金からなるタービンブレードの
構成と、これらTi合金の接合方法に関する。
〔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特徴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
が浸蝕されることが多いため、この前縁部のみに施す局
所的な熱処理や異材の接合などの対策がとられている。
第3図はタービンブレードの局所的な熱処理を行なうた
めに、従来用いられている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図であり、第
4図は第3図のA−A断面図を示すものである。以下、
第3図、第4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鯛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1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3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。′!I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1例えば6%M
および4%Mを含む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Ti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うな
どの対策が必要である。しかし、T1合金の場合にはこ
の合金の熱伝導度が小さいために、第3図、第4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5図はその方法を説明するための模式的な部分
斜視図であり、第3図、第4図と共通部分を同一符号で
表わす、第5図はタービンブレード上の耐蝕性および耐
浸練性を必要とする領域、即ち第3図の焼き入れ部5に
相当する個所の肉盛り部5aに、耐エロージヨン性に優
れしかも溶接の容易な15%Mo、  5%Zrおよび
3%Mを含むTi合金をTIG溶接で肉盛する状況を表
わしている。即ち第5図のように、タービンブレード上
の肉盛部5aの肉盛@8aからブレード上の先端までW
電極11を矢印方向に移動し、酸化防止のためにArな
との不活性ガスを送りながら、耐エロージッンシールド
材12のTi −15%Mo−5%Zr−3%M合金を
供給してタービンブレード上上の肉盛り部5aに、母材
と異なる金属組織を持ち耐蝕性の高いTi−15%Mo
−5%Zr−3%M合金を肉盛形成することにより、耐
エロージヨン性を高めるのである。
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%M
−4%M合金を用いることが有効であるとしても、耐蝕
性を高めるための手段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%Al−4%V合金を用
いるとき、肉盛り部5aにTi−15%Mo−5%Zr
−3%M合金を肉盛するという第5図に示した方法では
、溶接入熱による残留応力の発生や、W電極11からの
W成分の混入による低融点のW−Tiを生成するなど重
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
接時の入熱時間が長いために単位面積当たりに投入され
る熱エネルギガ多くなり、ブレード母材側への入熱によ
って熱影響部が広い領域に亘って形成されるので、ブレ
ード母材側の金属&1mの変化を生じ、靭性や強度が低
下するという問題がある。
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2種類のTi合金からなる耐エロージヨン性に優れ
た構造を持つタービンブレードと、これらTi合金を接
合す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〕
上記の課題を解決するために本発明のタービンブレード
は、脚部を含む主要部にTi−6%Aj−4%V合金を
用い、エロージタンを生じやすい領域を含む前縁部にT
i −15%Mo−5%Zr−3%M合金を用いて、こ
れら両Ti合金を電子ビーム溶接することにより2種類
のTi合金から構威し、これらTi合金を接合するに当
たっては、溶接前熱処理としてTi −15%Mo−5
%Zr−3%M合金の溶体化処理、および溶接後熱処理
としてTi  15%Mo−5%Zr −3%M合金の
時効硬化とTi−6%Al−4%V合金の応力除去を行
なう同時熱処理を施したものである。
〔作用〕
以上のように本発明のタービンブレードは、主要部には
強度を主体とするTi−6%u−4%V合金を用い、前
縁部には耐エロージヨン性の高いTi−15%Mo−5
%Zr−3%M合金を用いることにより、適材適所に2
種類のTi合金を使い分け、これらを一体として高性能
のタービンブレードを権威したものであり、これらTi
合金を接合するときは、電子ビームを用いて接合前の溶
体化処理、接合後の時効硬化や応力除去の熱処理を施す
ことによって、熱歪みを抑制するとともにそれぞれのT
i合金の特性を一層高めている。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例に基づき説明する。
第1図は2種類のT1合金からなる本発明のタービンブ
レードの構造を理解するために、これらTi合金を接合
する状態を示した模式図である。第1図において、この
タービンブレード上が従来と異なる所は、脚部13を含
む主要部14と、従来焼き入れや肉盛り溶接を行なって
いた斜線を施した領域を含む前縁部15とがそれぞれ組
成の異なる2種類のTi合金からなり、これらTi合金
を接合した構造を有することにある。!jち、主要部1
4はTi合金の中で靭性と強度の点で優れるTi−6%
Aj−4%■合金を用い、前縁部15にはTi合金の中
で耐エロージヨン性と耐蝕性の面で勝るTi −15%
Mo−5%Zr−3%M合金を用いて、これらを電子ビ
ーム溶接したものであり、前縁部15と主要部14との
接合面17は、通常エロージョンを生ずる領域、即ち蒸
気流入側端面から20〜30箇にある領域からの距離が
、ブレード上の幅方向の173〜1/2の位置となるよ
うに定めである。第1図に点線で記入した突起部16に
ついては後述する。
次に主要部14と前縁部15とを接合する方法について
説明する。第2図はその接合方法の手順をフローチャー
トで示したものであり、第2図に従って述べると、まず
一方の前縁部15の材料であるTi−15%Mo−5%
Zr−3%M合金を、溶接前処理として500℃で1時
間保持した後、水焼き入れによる溶体化処理を施し、こ
の合金の金属組織を高温で安定なβ単相組織とし、この
とき他方の主要部14の材料であるTi−6%u−4%
V合金は、焼鈍組織状態もしくは完全時効から過時効に
至るまでの時効状態にしておき、この二つの部材14と
15を第1図に示したように突き合わせ、電子ビーム溶
接装置を用いて溶接する。この際、電子ビーム溶接条件
は、加速電圧: 150KV、ビーム移動速度:l〜1
.5 m/sin、、ビーム電流: 25〜28mAX
 (根深(■”) /13 )の値の範囲で実施する。
また、ビーム移動方向に対して板厚が変化する場合には
、連続もしくは断続的にビーム電流を調整して行なう。
次いで溶接後の熱処理として、応力除去焼鈍と前縁部1
5のτ1−15%Mo−5%Zr−3%M合金の耐エロ
ーシロン性を増すための500℃で10〜20時間保持
後空冷する時効硬化処理を施す、この最終工程によって
、前縁部15のTi−15%Mo−5%Zr−3%M合
金の金属組織は(α+β)相の混合組織に変化し、耐エ
ローシロンに効果的なビッカース硬度(Hv)400以
上まで上昇する。しかも溶接時の入熱によって生ずる熱
歪みもこの熱処理で解放されるから、残留応力に起因す
る問題が起きることはなく、溶接後の熱処理によって主
要部14側の強度が低下することもない。
なお、以上の電子ビーム溶接を行なうに当たり、第1図
に示したように、主要部14辷前縁部15の接合端部に
あらかじめ突起部16を設けておく必要がある。その理
由は電子ビーム溶接の際、電子ビームの走査によりその
移動とともに溶融した金属が流動して、ビームの照射始
点ではビードの欠乏が生じ、照射終点ではビームの移動
を停止するために一時的な熱の蓄積が生ずるなどの非定
常域が形成されるという現象を避けられないからである
電子ビーム溶接が完了した後、これらの突起部16は除
去する。
〔発明の効果〕
タービンブレードの材料としてステンレス調より比強度
の高いTi−6%に1−4%V合金を用いるとき、前縁
部の耐エロージヨ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、本発明によれば実施
例で述べたように、エロージ!ンを受けやすい部分を前
縁部に耐エロージアン性の良好なTi −15%Flo
−5%Zr−3%M合金を用いて、これを電子ビーム溶
接により主要部に接合し、2種類のTi合金をその特性
に応じて使い分けるようにタービンブレードを構成した
上に、電子ビーム溶接に当たっては、適切な前熱処理と
後熱処理を施したために、耐エロージヨン性に優れ熱歪
みが少なく比強度の高い73合金製のタービンブレード
を得ることができた。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明のタービンブレードの二つのTi合金を
接合する状態を示した模式的な斜視図、第2図は本発明
のTi合金接合方法の手順を示すフローチャート図、第
3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図、第4図は第3図のA−
A断面図、第5@はTi合金タービンブレードの前縁部
に別の合金を肉盛溶接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、4.1
5:前縁部、5:焼き入れ部、5a:肉盛り部、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、1
1:w電極、12;シールド材、13:脚部、14:主
要部、16:突起部、17:接合面。 代双人ガ辻士 山 ロ  巌 − 茅  1 図 第  2 回 拳 3 図 第 図 第 川

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)脚部を含む主要部にTi−6%Al−4%V合金を
    用い、エロージョンを生じやすい領域を含む前縁部にT
    i−15%Mo−5%Zr−3%Al合金を用いて、こ
    れら両Ti合金を接合してなることを特徴とするTi合
    金製タービンブレード。 2)請求項1)記載のタービンブレードの主要部に用い
    るTi−6%Al−4%V合金と前縁部に用いるTi−
    15%Mo−5%Zr−3%Al合金とを電子ビーム溶
    接するに当たり、溶接前熱処理としてTi−15%Mo
    −5%Zr−3%Al合金の溶体化処理、および溶接後
    熱処理としてTi−15%Mo−5%Zr−3%Al合
    金の時効硬化とTi−6%Al−4%V合金の応力除去
    を行なう同時熱処理を施すことを特徴とするTi合金の
    接合方法。
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