JPS6199659A - 蒸気タ−ビン動翼 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、蒸気タービン動翼に係り、特に主蒸気温度が
６００〜６５０℃の範囲である蒸気発電プラントにおい
て、タービン動翼用材料として使用される高温特性、と
りわけ高温強度に優れた蒸気タービン動翼用Ｃｒ−Ｎｉ
合金に関するものである。

〔発明の背景〕

蒸気タービンは、主蒸気温度が５３８〜５６６℃の範囲
で運転する場合には、ロータ並びに動翼等の材料として
Ｃ：ｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼及び１２Ｃ，ｒ鋼が広く使用されて
いる。

しかし、近年の電力需要の拡大並びにその安定供給の要
請により、主蒸気温度が例えば６００℃以上の高温高圧
発電プラントが検討されている。

一方、現用材であるＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼並びに１２Ｃｒ鋼
は５５０℃以上の温度域で粒界すベリが顕著となり、ク
リープ強度が極端に低下するという欠点を有し、特に６
００℃以上の蒸気条件下では使用するのが困難とされて
いる。

現在、主蒸気温度が６００℃以上の域で使用されている
材料としては、Ｆｅ基にＣｒ、Ｎｉを添加したオーステ
ナイト系耐熱燗が一般的である。

特にロータ材料としては、６００℃以上の蒸気条件での
強度面の要請から１５Ｃｒ−２６Ｎｉ系耐熱鋼が有望視
されている。

一方、蒸気タービン動翼材では、特に発電容量の増加に
伴い負荷応力が増大するため、さらに高温強度を改善す
る必要がある。従来、高温強度を改善する方法としては
、Ｎｉ基合金もしくはＮｉ−Ｃｏ系合金にＷを添加する
こと、あるいは特公昭４７−２３０５７号および特公昭
４２−２０６１８号公報に示すように、加工性の優れた
Ｆｅ基合金に一部Ｗを添加する方法が開示されている。

しかしながら、γ′相析出型鉄基合金においては、その
鍛造性を重視する観点から、Ｗを添加することが避けら
れているのが現状である。

そこで、現状では、蒸気タービン動翼材として高温強度
の優れたγ′相析出型Ｃｒ−Ｎｉ合金の開発が強く望ま
れている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、主蒸気温度が６００〜６５０℃、圧力
３００〜３５０ｋｇｆ／ａＪの高温高圧蒸気の使用条件
下においても、高温強度性に優れたγ′相析出型のＣｒ
−Ｎｉ合金からなる蒸気タービン動翼を提供するにある
。

〔発明の概要〕

本発明は、Ｃｒ−Ｎｉ合金に高温強度を改善するための
γ′相形成元素であるＴｉ、Ａｌｌ量を相互的に制御す
ると共に、さらにＷを相乗添加した高温強度に優れたＣ
ｒ−Ｎｉ合金からなる蒸気タービン動翼であり、さらに
詳しくは１重量比にてＣ：　０．１５％以下、Ｍｎ：２
％以下、Ｓｉ：１．５％以下、Ｃｒ：１０〜２０％、Ｎ
ｉ：２０〜３５％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｗ：　　Ｏ，
Ｓ　　〜１０％、Ｖ：０．４　　％以下、そして、Ａｆ
ｆｉ　：　０．１〜０．５％およびＴｉ　：１．５〜３
．０％であって、さらに。

Ａ　１１／　Ｔ　ｉ比が０．１〜０．４の範囲を満すよ
うに含有し、さらに、Ｂ　：　０．００２〜０．０１％
またはＺｒ：０．５　％以下の１種以上を含有し、残部
Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴としてい
る。

特に本発明では、Ｔｉ、Ａｎは共にγ′相析出元素であ
り、添加に伴って高温強度が向上するが、ＴｉとＡｎの
添加割合によって高温強度に及ぼす効果が著しく異なっ
ていることを見出し、Ａｌ／Ｔｉの比を一定の範囲に規
制したものである。さらに、Ｗを相乗添加することによ
り高温強度を向上させたことである。

また、上述のγ′相析出型Ｃｒ−Ｎｉ合金は。

Ｎｂ、ＴａあるいはＣａ、Ｍｇを含有させ、さらにＣｅ
、Ｙ、Ｌａを含有させることによって、高温特性の向上
と共に、耐食性の改善が図られている。

以下に本発明鋼の組成割合の限定理由を述べると次の通
りである。

Ｃ：　０．１５％以下 Ｃは炭化物を形成して高温強度およびクリープ破断強度
を向上させる重要元素である。しかし。

Ｃ量が０．１５％を越えると、靭性、溶接性を著しく低
下させるので、その上限値は０．１５％とする。

Ｓｉ：１．５　　％以下 Ｓｉは溶解の脱酸剤として重要な元素であるが。

Ｃと同様に多欲に添加すると、靭性および溶接性を害す
るので、その上限値を１．５　％とする。

Ｍｎ：２％以下、 Ｍ　ｎはＳｉと同様に溶解の脱酸剤として必要な元素で
あると共に、Ｓ等と結合して熱間加工性を高めるのに重
要な元素である。しかし、Ｍｎ量が２％を越えると、耐
食性および耐酸化性を低下させるので、その上限値を２
％＋とする。

Ｃｒ：１０〜２０％ Ｃｒは高温強度、耐食性、耐酸化性を向上させる重要な
添加元素であるａｃｒ量が１０％未満であれば、その効
果が少なく、２０％を越えると、溶接性を害すると共シ
ニ、フェライト相を形成して高温長時間側での脆化を促
進するため、Ｃｒ含有量は１０〜２０％の範囲に限定し
た６ Ｎｉ　：　２０〜３５％ Ｎｉはオーステナイト組織を形成する重要な成分である
。しかし、２０％以下ではその効果が十。

分でなく、不安定なオーステナイト組織となる。

一方、３５％を越えると、熱間加工性を低める。

そこで、２０〜３５％の範囲で添加する必要がある。

、Ｍｏ：０．５〜３％ Ｍｏはオーステナイト基地を強化すると共に。

炭化物を形成してクリープ破断強度を向上させる元素で
ある。０．５　％未満では、その効果が少なく、３．０
　　％を越えると高温での延性の低下と加工性の低下の
ため１Ｍｏ量を０．５〜３．０％の範囲に限定した。

Ａβ：０゜ｌ−０，５％およびＴｉ：１．５〜３．０％
であってＡ　Ｑ　／　Ｔ　ｉ比：０．１〜０．４゜１゛
ｉおよびＡｌはＮｉと化合して面に立方晶の金属！■化
合物であるγ′相（Ｎｉ、（Ａｌｌ、Ｎ１））を形成し
て析出硬化元素である。このγ′相はオーステナイト基
地との整合性がよく、格子ひずみを生ずるので、高温強
度の改善に有効である。またχ′相は転位の移動を抑制
するので、クリープ破断強度の向上に特に顕著な効果を
有することが知られている。

また、Ｔｉは脱酸剤として作用すると共に、上記のよう
に高温強度延性を向上させるに有効なγ′相を析出させ
る重要な元素であって、１．５％未満ではその効果が少
−なく、３％を越えると。

時効硬化性のないη相を析出し易くなるため、Ｔ　ｉ　
Ｊｌを１．５〜３．０％の範囲に限定した。

一方、ＡｆｌはＴｉと結合して金属化合物γ′相を析出
して高温強度を向上させる元素であるが、０．１　％未
満ではその効果が少なく、０．５　　％を越えると、か
えって高温強度を低下させるため、単独添加のＡｆｌ量
を０．１〜０．５％の範囲に限定した。

ＡｌとＴｉは相互作用が働き、その相対比によって時効
硬化性のないη相（Ｎ　ｘ　３　Ｔ　ｉ）を形成し、か
えって高温強度が劣化するので、Ａ　１１　／　Ｔ　ｉ
比を０．１〜０．４の範囲に規制した。

Ｖ：０．４％以下 ＶはＶＳ、ＶＮ、ＶＣ等の析出物を生成する元素である
。このうちＶＣは時効硬化性があるため、引張り強さ並
びにクリープ破断強度を向上するのに有効である。しか
し、Ｖ量が増加すると、ＶはＣｒ、Ｏ，等の金属保護被
膜に拡散して、その融点を低めるため、耐酸化性に悪影
響を及ぼす、そこでＶ量は０．４　　％以下に制限する
。

Ｗ：Ｏ，Ｓ〜１０％ ｗｔ＊　オーステナイト基地を強化すると共に、炭化物
を形成してクリープ破断強度を増すと同時に、熱疲労寿
命の改善に対して有効な元素である。

０．５　％未満ではその効果が少ない一方、多量に添加
するとオーステナイト構造を不安定にすると共に、材料
原価が上昇するため、その上限を１０％とする。さらに
詳しくは、上限の１０％は次式に示すＣｒ当量から求め
られる。

Ｃｒ当量＝％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋１．５％Ｓｉ＋０．５％Ｃ
ｂ　・（１）ＭｏとＷの分子量の比はＭ　ｏ　／　Ｗ二
ｏ　、　５　であり１％Ｃｒを次のようら仮定すると。

％Ｃｒ＝％ＭＯ〜−％　　　　　　　　　・・・（２）
６５０℃におけるＣｒ−Ｆｅ−Ｎ１３元素状態図よりｃ
ｒｖｔ％を求めると次の値となる。

Ｃｒｗｔ％≦２　、５　　　　　　　　　　　　−（３
）（１）、（２）、（３）式よりＷ添加によりσ相を発
生する上限値Ｗ１．．を求めると、 Ｃｒ、ａｍ＋　　Ｗｌｌｌｌｌｌ≦２５Ｃｒ、、、＝２
Ｑであるから、Ｗ、、、≦１０（ｖｔ％）従って、論理
的にもＷの上限を１０％とすることが好ましい。

Ｂ　：　０．００２〜０．０１％、Ｚｒ：０．５％以下
Ｂまたはｚｒはいずれも高温での靭性を向上させると共
に、結晶粒界を著しく強化、がっ延性を改善する元素で
あるが、多量に添加すると鍛造法および耐酸化性に悪影
響を及ぼすため、上限をＢは０．０１％、Ｚｒは０．５
　％以下とする。

Ｎｂ、Ｔａは炭化物生成元素であるばかりか、Ａｌおよ
びＴｉ同様、Ｎｉと化合しγ′相を析出し、クリープ破
断強度の向上に有効である。しかし、０．０１％以下で
はその効果が小さく、１．０　％を越えて添加すると、
鍛造性を害し、製造困難となるため、　０．０１〜１．
０　％に制限した。

Ｃａ、Ｍｇはいずれも有効な脱酸材で、特に高温の強度
並びに延性の改善に役立つ、しかし、多量に添加すると
鍛造性を著しく低下させるため。

上限を０．０５％とする。ただし、ｏ、ｏｏｔｏ％以下
では十分な効果を期待できないため、　０．００１０％
を下限とする。

Ｇｏ、Ｙ、Ｌａはいずれも生成したＣｒ、０３やＡΩ２
ｏ、皮膜の密着性の改善、成長速度の抑制、空孔の消滅
源として働き、ボイドの形成抑制等の効果を有し、耐酸
化性の向上に有効である。しかし、多量に添加すると、
粒界に偏析し高温強度を低下させるため、その上限を１
．０　　％とする。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明のオーステナイト耐熱錆を動翼として用
いるのに好適な蒸気タービンの例を示す断面図である。

第１図において、複数の動翼１０を植設したロータ１２
は、動翼１０問に位置するように複数の静翼１４を設け
ている内部ケーシング１６を貫通している。そして、内
部ケーシング１６は、？ｌＩ［数の凸部１８が形成され
、これら複数の凸部１８が内部ケーシングを内設してい
る外部ケーシング２０の凹部に嵌入され、ボルト等によ
って固定されている。また外部ケーシング２ｏは１貫通
孔部２２においてロータ１２の両端を回転自在に支持し
ており１図において左下部に流出口２４が形成され、上
部には開口２６が形成されている。

第２図にはロータ１２に植設される動翼１０の斜視図が
示されており、動翼１９はロータ１２に固定する固定部
３１と翼３２とから構成されている。

主蒸気は、第１図の矢印に示す如く主蒸気管３０内を流
下し、ノズルボックス２８を経て内部ケーシング１６内
に流入する。その後、動翼１０をロータ１２と一体的に
回転作動させると主蒸気は内部ケーシング１６と外部ケ
ーシング２０との間の空間部に入り、流出口２４から流
出する。

ここで、主蒸気の温度を６５０℃、圧力を３５０ｋｇｆ
／ｃｄとすると、前記蒸気タービンは、動翼１０におい
て温度６５０℃〜５５４．３℃、圧力３５０ｋｇｆ／ｃ
ｄ〜１９９ｋｇｆ／ｊの運転条件となる。

第１表は供試材の化学成分を示すもので、＆１〜６は本
発明鋼、Ｎａ７〜１１は比較鋼を示している。

上記の供試材は、いずれも熱間鍛造した後。

９５０〜１０５０℃で１〜３時間加熱後水冷の溶体化処
理し５次いで７００〜７６０℃で１６時間加熱し、空冷
する時効処理を施したものである。その組織は全オース
テナイト基地にγ′相が析出したものである。

第３図は発明鋼および比較鋼におけるＡＭ／Ｔｉ比と引
張り強さ、０．２　％耐力との関係を示す線図である。

この結果によれば、引張り強さはＡ　Ｑ　／　Ｔ　ｉ比
が０．１以上から高い値を示し、その比が０．２から０
．４の範囲ではほぼ一定の１００ｋｇｆ／閣３程度とな
ることがわかる。

一方、０．２％耐力もＡ　Ｍ　／　Ｔ　ｉ比が０．１以
−で著しい増加を示し、その後０．４以上で低下傾向と
なる。したがって、Ａｊｌ添加量の少ない範囲ではγ′
相（Ｎｉ、（Ａｎ、Ｔｉ））による析出強化が十分期待
できないとともにＡｌを必要以上に添加すると、逆に強
度が低下することがわかる。

すなわちＡ　１１　／　Ｔ　ｉ比が０．１〜０．４の範
囲に高い引張り強さ並びに０．２　　％耐力が得られる
ことがｂかる。

第４図は供試材のＡ　ｎ　／　Ｔ　ｉ比と引張り延性と
の関係を示す線図である。この結果によれば、破断伸び
、絞りともＡ　１１　／　Ｔ　ｉ比にかかわらずほぼ一
定の値を示す、また、その値は伸びが約２０％。

絞りが約６０％といずれも良好な値である。

第５図は本発明鋼！＆Ｌ５．Ｎ１１６および比較鋼血１
、°１の６５０℃クリープ破断強度を比較する線図であ
る１図から明らかなように、本発明１１＆５゜１１Ｑ６
は比較鋼？に１１１に比べて高いクリープ破断強度を示
す０例えば、１０４時間強度で比較鋼嵐Ｌ１は２６ｋｇ
ｆ／ｍ”であるのに対し、本発明鋼では約３２ｋ（ｆ／
＋ａｍ”　の高強度を示すことが判明；！れる。すなわ
ち、本発明鋼はＡＪ／Ｔｉ比を一定の範囲に規制し、か
つＷを添加すると共に、脱酸および耐酸化性の向上のた
めＭｇ、ＣａおよびＣｅ、Ｙ、Ｌａ等を添加したので、
高温強度が著しく向上していることが判明した。

このように本実施例によれば、Ａ　ｎ　／　Ｔ　ｉ比を
０．１〜０．４の範囲に限定し、さらにＷを０．５〜１
０％の範囲内で添加すれば、Ｃｒ−Ｎｉ合金の高温強度
を著しく改善する効果があることが明らかになった。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、主蒸気温度が６００〜
６５０℃、圧力３００〜３５０ｋｇｆ　／ｓｓ”の高温
高圧蒸気下でも高いクリープ破断強度を示す高温強度の
優れた蒸気タービン動翼縁０−；沫ホ会濾を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は蒸気タービンの構造断面図、第２図はロータに
植設される動翼の斜視図、第３図は供試材のＡ　ＩＩ　
／　Ｔ　ｉ比と機械的性質との関係を示す線図、第４図
は供試材のＡｌｌ／Ｔｉ比と引張り延性との関係を示す
線図、第５図は本発明鋼および比較鋼のクリープ破断強
度を比較する線図である。 １０・・・動翼、１２・・・ロータ、１６・・・内部ケ
ーシング、２０・・・外部ケーシング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量比にてＣ：０．１５％以下、Ｍｎ：２％以下、
   Ｓｉ：１．５％以下、Ｃｒ：１０〜２０％、Ｎｉ：２０
   〜３５％、Ｍｏ：０．５〜３％、Ｗ：０．５〜１０％、
   Ｖ：０．４％以上、そして、Ａｌ：０．１〜０．５％お
   よびＴｉ：１．５〜３．０％であつて、さらにＡｌ／Ｔ
   ｉ比が０．１〜０．４であり、Ｂ：０．００２〜０．０
   １％及びＺｒ：０．５％以下の１種以上を含有し、残部
   Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする高
   温強度に優れた蒸気タービン動翼。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記Ｃｒ−Ｎｉ合
   金がさらにＮｂまたはＴａを重量比で０．０１〜１．０
   ％を添加したことを特徴とする高温強度に優れた蒸気タ
   ービン動翼。 ３、特許請求の範囲第１項および第２項において、前記
   Ｃｒ−Ｎｉ合金がＣａ：０．００１０〜０．０５％、Ｍ
   ｇ：０．００１０〜０．０５％のうち１種あるいは２種
   を添加してなることを特徴とする高温強度に優れた蒸気
   タービン動翼。 ４、特許請求の範囲第１項〜第３項において、前記Ｃｒ
   −Ｎｉ合金がさらにＣｅ、Ｙ、Ｌａのうち１種以上を１
   ．０％以下添加したことを特徴とする高温強度の優れた
   蒸気タービン動翼。