JPS62180030A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＡｌ、Ｍｇ並びにＺｒ等の軽量合金を高強度・
高靭性化する技術に係り、特に蒸気タービンブレードの
長翼化に好適な軽量合金に関する。

〔従来の技術〕

近年、蒸気タービンの大容景化にともない、低圧最終段
の′ｆｊｊ′Ｒも長翼化の傾向にある。動翼材質には、
従来低圧最終段の動翼に１２％Ｃｒ鋼が用いられている
が翼長の増大に伴ない翼の回転による遠心力も増大する
ため、強度的に１２％Ｃｒ鋼では使用出来ない可能性が
ある。このため、４０インチ（１０１６ｍ＋ｎ）翼では
Ｔｉ合金鋼が用いられる。

しかし、４８インチさらに５４インチ長翼にはＴｉ合金
では比強度が低くさらに優れた材料が望まれている。こ
のような合金としては、ＡＭ。

Ｍｇ及びＺｒ等の軽量材に添加元素もしくは強化因子と
しての繊維並びに分散した例がある。特に特開５８−１
６７７４５号に記載のようにＡｌにＬｉを添加し比強度
を向上した合金は、優れた特性を有するため特に宇宙及
び航空機材料への適用が期待できる。しかし、靭性向上
への配慮がなく起動停止の激しい産業タービン動翼への
利用は期待できない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は比強度のみに視点が向けられ、靭性の向
上に対する配慮がなくタービンＭＸへの　。

適用には問題があった。

本発明の目的を軽量合金の比強度を改善するとともに、
靭性を向上させタービン動翼に好適な合金鋼を用いるこ
とによって翼を長大化し、発電効率を改善することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、室温の比強度が２０×１０６１１Ｉ１１以上
及び室温の衝撃吸収エネルギが１０Ｊ以上である金属部
材で構成されることを特徴とするタービン動翼にある。

上記目的は、■添加元素の粒界偏析を抑制し、粒界の相
対強度の低下をおさえる。■第３元素を添加することに
より強化のための析出相の組成を変えることによって、
析出相と母相界面のエネルギーを変化させる。■他相を
分散させ結晶粒の微細化をはかる。■他の析出相を共在
析出させることによってすべりが近隣のすベリ面へ進行
するのを抑制することによって達成できる。以下その具
体的方法について述べる。

〔作用〕

Ａｌ−０，５〜４．０％、Ｖｏ、０２〜０．２％。

８０．００１〜０．１％の単独又は複合で含有し、特に
■、」系合金では規則格子のδ　（Ａ　Ｑ　３ｒ−ｉ　
）　　相が析出し強度を高めている。このように■、】
はＡｎ基合金の強度改善にきわめて有効であるがＬｉ原
料中に含まれるＮａ、Ｃｉｉ及びに等の不純物はＡｌの
粒界に偏析して粒界脆化のＤＸ囚となり靭性の低下を助
長する。

このため、ＢもしくはＶ等の粒界強化元素を添加し、粒
界脆化を抑制する方法は本合金の靭性改善に有効である
。また、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒ等の添加は局部的な優先変
形を阻止するため靭性改善に効果がある。更に、Ｃ，○
を２％以下、Ｃｕ　５％以下を含有することができる。

０．００１〜０．５％ＢはＭｇ合金の粒界強度改善しこ
有効である。また２％以下のＣを母相に分散させること
により一つのすベリ面上に応力が集中するのを防止でき
靭性を改善することができる。

Ｚｒに５％以下Ｎｂ、Ｔｉ３％以下及びＡ９５％以下を
添加すると固溶強化及び金属間化合物の析出強化により
比強度を改善できる。しかし、Ｎｂ及びＡｌは５％以上
、さらにＴｉは３％以上添加すると靭性を損なうためそ
れぞれを上限とする。

ＡＭ、Ｍｇ及びＺｒ基地にＢ　＋　Ｓ　ｉＣの繊維を含
有させると複合剤に従って比強度を向上できる。

さらに、その体積率を５０％以下に限定すれば靭性を損
わずに剛性並びに強度が改善できる。

また、Ｔ　ｈ　０２　、　Ｙ２Ｏ２等の酸化物も同様の
効果があり比強度の改善に有効である。

タービン翼の様に応力が一方向に作用する場合には、そ
の応力の方向に結晶粒の方向をそろえるか単結晶化すれ
ば作用応力と垂直な面の粒界を少なくできるため、また
一種の欠陥と見なせる粒界を減少できるために強度並び
に延性の改善に効果がある。また１粒界への不純物元素
の偏析による粒界脆化並びに粒界への応力集中を軽減で
きるため靭性改善に有効である。

軽量合金にＺｒを添加するし微細化すれば、粒界への応
力集中を阻止できるため靭性の改善に大きな効果がある
。またこのようにして得られた合金の中には超塑性現象
を示す材料がある。この特性を利用すれば、タービン翼
のように複雑な形状を成形してできるため、製造の面か
らも効果がある。

Ｎｉ、Ａｆｉ及びＴｉ等から構成される金属間化合物は
金属結合の他にイオンあるいは共有結合を含むため軽量
でかっ、（″６強度であるものの、共有結合の部分で結
晶粒界の脆性が劣る。したがって粒界の性質を改善する
ため、Ｌｉｅ　Ｒｅ及びＢの添加がまた、固溶体のある
Ａｇの添加が有効である。

しかし、５％以上の添加は逆に粒界への偏析を助長し粒
界脆化を生じるため、その上限を５％とする。

Ｎｉを１２〜２０％含有するＦｅをマルテンサイトとオ
ーステナイト組織にすることによって、強度並びに剛性
を改善できる。しかし粒界脆化を防止するため、Ｂ、Ｖ
及びＮｂにより粒界強度を向上させるのが有効である。

（実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図に示す。本翼材は下部
のダブテール部を回転自在な蒸気タービンロータに挿入
しプロフィル部に高圧段から流出し低圧部に流れた蒸気
を噴射し発電を行なう。

第２図は発明合金の一つであるＡ　Ｑ−Ｌ　ｉ合金にＢ
を添加した材料及び比較材の降伏点と伸びとの関係を示
す０発明材はＢを約０．０５ｗｔ％添加することにより
伸びが１０％以上の値を有するとともに降伏応力も従来
のＡ　Ｑ　−Ｃｕ　−Ｌ　ｉ　−Ｍｇ−Ｚｒ合金と同程
度となる。したがってＢ添加により延性が著しく改善す
ることを示す。

第１表は、Ａｌ−Ｌｉ系、繊維強化系、Ａｆｌ−Ｔｉ系
（金属間化合物基軽量合金）及びＴｉ翼材料の比強度並
びにｆｆ［吸収エネルギー（靭性）を示す。各発明材は
同系の比較材に比べ靭性が著しく改善されＴｉ翼材と同
等の特性を有している。

また、これら開発材の比強度はＴｉｇ材以上の比強度を
有し、４０インチ以上の長翼に好適な特性を有する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、４０インチ長翼に使用されるＴ　ｉ材
と同程度の・靭性を有し、さらに優れた比強度を有する
高比強度ｌｌ！１：１ｌ全１：案でき、蒸気タービン動
翼の長大化による発電効率の改善に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である翼形状を示す平面図、
第２図はＡ　Ｑ　−Ｌ　ｉ系合金の降伏点と伸びとの関
係を示す線図である。 １・・・ダブテール部、２・・・プロフィル部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、室温の比強度が２０×１０＾６ｍｍ以上で、室温の
   衝撃吸収エネルギが１０Ｊ以上である金属部材によつて
   構成されることを特徴とするタービン動翼。 ２、特許請求の範囲第１項において、重量で、Ｌｉ０．
   ５〜４．０％、Ｖ０．０２〜０．２％もしくはＢ０．０
   ０１〜０．１％を単独あるいは複合で含有するＡｌ基合
   金によつて構成されたタービン動翼。 ３、特許請求の範囲第１項において、重量で、Ｂ０．０
   ０１〜１．５％、Ｃ２％以下を単独あるいは複合で含有
   するＭｇ基合金より構成されたタービン動翼。 ４、特許請求の範囲第１項において、重量で、Ｎｂ５％
   以下、Ｔｉ３％以下及びＡｌ５％以下を単独あるいは複
   合で含有するＺｒ合金より構成されたタービン動翼。 ５、特許請求の範囲第１項において、Ａｌ、Ｍｇ又はＺ
   ｒ金属、又は有機化合物をベースに、Ｂ、ＳｉＣの繊維
   を複合添加した複合材料より構成されるタービン動翼。 ６、特許請求の範囲第１項において、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｒ
   又はＴｉ基合金にセラミックス粒子を体積率で７０％以
   下添加した分散強化合金より構成されるタービン動翼。 ７、特許請求の範囲第１〜３項のいずれかに記載の合金
   の結晶方位を一方向にそろえるか、または単結晶化した
   タービン動翼。 ８、特許請求の範囲第１〜３項のいずれかに記載した０
   ．１μｍ以下の粒子を成形温度に加熱した後、動的再結
   晶を誘起する１×１０＾−＾３〜１０＾−＾２／秒の範
   囲で超塑性変形させ得られた合金より構成されるタービ
   ン動翼。 ９、特許請求の範囲第１項において、ＴｉとＡｌ、Ｎｉ
   とＡｌ又はＮｉとＴｉとの金属間化合物をベースとし、
   ５％以下のＬｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ａｇを単独又は複合で含有
   するタービン動翼。 １０、特許請求の範囲第１項において、重量で、Ｎｉ１
   ２〜２０％、Ｃ０．５％以下を含有するＦｅ基合金より
   なり、焼入れマルテンサイトとわずかのオーステナイト
   組織を有するタービン動翼。