JPS62180040A - ガスタ−ビン用コンプレツサブレ−ド - Google Patents

ガスタ−ビン用コンプレツサブレ−ド

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JPS62180040A
JPS62180040A JP2195586A JP2195586A JPS62180040A JP S62180040 A JPS62180040 A JP S62180040A JP 2195586 A JP2195586 A JP 2195586A JP 2195586 A JP2195586 A JP 2195586A JP S62180040 A JPS62180040 A JP S62180040A
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JP
Japan
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rupture strength
creep rupture
compressor blade
gas turbine
less
Prior art date
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Pending
Application number
JP2195586A
Other languages
English (en)
Inventor
Masao Shiga
志賀 正男
Hiroshi Fukui
寛 福井
Mitsuo Kuriyama
栗山 光男
Yoshimi Maeno
前野 良美
Soichi Kurosawa
黒沢 宗一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

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、温度400〜450℃において高いクリープ
破断強度及び室温において高い靭性を有する新規なマル
テンサイト系合金鋼を用いたガスタービン用コンプレッ
サブレードに関する。
〔従来の技術〕
現在、ガスタービン用コンプレッサブレードにはCr 
−M o −V g’Tf4が使用されている。
近年、省エネルギーの観点からガスタービンの熱効率の
向上が望ま九でいる。熱効率を向上させるにはガス温度
及び圧力を上げるのが最も有効な手段である。ガス温度
を1100℃から1300℃に高め、圧力比を10から
15まで高めることにより相対比で約3%の効率向上か
期待できる。
しかし、これらの高温、高圧化に伴ない従来のCr−M
o−V鋼では強度不足で、より強度の高い材料が必要で
ある。強度として高温特性を最も大きく左右するクリー
プ破断強度が要求される。
クリープ破断強度がCr−Mo−V鋼より高い構造材料
としてオーステナイト51.Ni基合金。
Co基合金、マルテンサイト鋼等が一般に知られている
が、熱間加工性、切削性及び振動減衰特性等の点でNi
基合金及びCo基合金は望ましくない。また、オーステ
ナイト鋼は400〜450℃付近の高温強度がそれ程高
くないこと更にガスタービン全体システムから望ましく
ない。一方、マルテンサイト鋼は他の構成部品とのマツ
チングが良く、高温強度も1−分である。マルテンサイ
ト鋼として特開昭58−11Of361号公報、同5g
 −45359号公報、特公昭46−279号公報等知
られている。
しかし、これらの材料では400〜450℃で高いクリ
ープ破断強度で、室温における高い靭性が得られない。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ガスタービンの高温、高圧化に対して単に強度を高める
だけでなく、室温における靭性の高い材料が要求される
ことである。一般に、強度を向上させると靭性が低下す
る。本発明は高温強度と室温における靭性を兼ね備えた
材料を見い出すことにある。
本発明の目的は、400〜450℃において高いクリー
プ破断強度を有し、且つ室温において高い靭性を有する
マルテンサイト鋼によって構成したガスタービン用コン
プレッサブレードを提供するにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、450℃で10万時間クリープ破断強度が4
5kg#nm2以上、20’CVノツチシヤルピー衝撃
値が5 kg−m/am2以上であるマルテンサイト鋼
によって構成されることを特徴とするガスタービン用コ
ンプレッサブレードにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の目的である400〜450℃で高クリープ破断
強度を得るためには、次に示す組成範囲に成分を調整す
ることにより達成されることが実験的に未明された。
G   0.05〜0.15%、V0.1〜0.3%S
i  1%以下、 Nb0.02〜0.2%Mn  1
.5%以下、N0.02〜0.1%Ni  1〜2.5
%、残部がFeおよび不純物Cr  8〜13%。
Mo  1.5〜3.5%。
また次に示す式で計算されるCr当量が、10以下にな
るように成分調整し、金属組織をδフェライトを含まな
い全焼もどしマルテンサイト組織にすることにより、使
用中脆化が著しく少なくなることも究明された。
Cr当量= −40C−2M n −4N i −30
N+ 68  i + Cr + 4 M o + 1
 1 V +5 N b + 2 、5 T a さらに上記組成にWを添加するとクリープ破断強度が向
上すること、Coを添加すると衝撃値が低くくなるもの
のクリープ破断強度が向上すること、Nbの代わりに一
部又は全部についてTaを添加しても本発明の目的が達
成されることも実験的に未明された。
本発明材の熱処理はまず完全なオーステナイトに変態す
るに十分な温度、最低900℃、最高1150℃に均一
加熱し、マルテンサイト組織が得られる100℃/h以
上の速度で急冷し、次いで450〜600℃の温度に加
熱保持しく第1次焼もどし)、次いで550〜650℃
の温度に加熱保持し第2次続もどじを行なう。
次に本発明材の安全評価について述べる。高温回転体で
最も重量なのはクリープ破断強度であり、設計許容応力
は10万時間クリープ破断強度で決定される。そこで本
発明材の高温強度は450t。
10’hクリ一プ破断強度で評価した。105hクリー
プ破断強度は、一般に用いられているラルソンーミラー
法で求めた。
〔作用〕
本発明材の成分範囲限定理由について説明する。
Cは高い引張強さと耐力を得るために最低0.05%必
要である。しかし、あまりCを多くすると、高温に長時
間さらされた場合に金属組織が不安定になり、105h
 クリープ破断強度を低下させるので0.15%以下に
しなければならない。最も0.07〜0.12%が好ま
しい。
Siは脱酸剤、Mnは脱酸・脱硫剤として鋼の溶解の際
に添加するものであり、少量でも効果がある。Siはδ
フエライト生成元素であり、多量の添加は疲労及び靭性
を低下させるδフエライト生成の原因になるので1%以
下にしなければならない。なお、カーボン真空脱酸法及
びエレクトロスラブ溶解法などによればSi添加の必要
がない。
Si低減は使用中脆化の防止効果があり、0.3%以下
、特に0.01%以下が好ましい。多量のMn添加は高
温強度を低下させるので1.5 %以下にしなければな
らない。特に0.5〜0.9%が好ましい。
Crは耐食性と高温強度を高めるが、13%以上添加す
るとδフエライト組織生成の原因になる。
8%より少ないと耐食性及び高温強度が不十分なので、
Crは8〜13%に決定された。特に11〜12.5%
 が好ましい。
MOは固溶及び析出強化作用によってクリープ破断強度
を高めると同時に脆化防止効果がある。
1.5%以下ではクリープ破断強度向上効果が不十分で
あり、3.5%以上になるとδフエライト生成原因にな
るので1.5〜3.5%に限定された。
特に2〜3%が好ましい。MOの代りにWを1部又は全
部をMoと同等に添加することができる。
■及びNbは炭化物を析出し高温強度を高めると同時に
靭性向上効果がある。V0.1%、Nb0002%以下
ではその効果が不十分であり、V0.3%、Nb0.2
%以上ではδフエライト生成の原因となると共にクリー
プ破断強度が低下する傾向を示すようになる。特にV0
.15〜0.20% 、Nb0.04〜0.08%が好
ましい。
Ta−1lJNbと同じ効果がある。
N1は靭性を高め、かつδフエライト生成の防止効果が
あるが、1.0%以下ではその効果が十分でなく、2.
5%以上では長時間クリープ破断強度を低下させる。1
.5〜2.0%特に、1.7〜1.9% が好ましい。
Nはクリープ破断強度の改善及びδフェライトの生成防
止に効果があるが0.02%未満ではその効果が十分で
なく、0.1% を越えると靭性を低下させる。特に0
.04〜0.07%の範囲で優れた特性が得られる。
高温回転体では、クリープ破断強度が高いことと、高温
で長時間使用中に脆化し難いことも重要である。この使
用中脆化にはδフエライト組織が有害であり1組織は全
焼もどしマルテンサイト組織でなければならないことが
実験的に究明された。
450℃、105h’)’)−プ破断強度+145kg
/mu2以上で、20℃Vノツチシャルピー?l1fW
i値が5 kg−m/ca+’以上が必要である。特に
、前者が5゜kg/mm2以上、後者が9 kg−m/
cm”以上が好ましい6FATTは20℃以下、特に1
5℃以下が好ましい。特に、高温脆化も大事な要因であ
り、500℃で3000 h加熱後の室温のVノツチシ
ャルピー衝撃値が3 kg−m/am”以上、特に7 
kg−m/cm”以上とすることが好ましい。
〔実施例〕
第1表に示す組成(重量%)の試料をそれぞれ20kg
?*解し、1150℃に加熱し鍛造して実験素材とした
。この素材に表に示すような焼入れ後、焼戻しの熱処理
を施した。熱処理後の素材からクリープ破断試験片、引
張試験片及びVノツチシャルピー衝撃試験片を採取し実
験した。
表において、賦香1,2及び5は本発明材であり、賦香
3及び4は比較材である。Nα2はCr当履が高くδフ
エライト組織を5%含み95%焼もどしマルテンサイト
組織である。他試料は全焼もどしマルテンサイト組織で
あった。比較鋼3はガスタービンホイール及び蒸気ター
ビンブレードに使用されている材料(MISZ鋼)であ
り、比較鋼4は、12Cr系耐熱鋼の中で、高温部材と
して最も広く用いられているCrucible 422
19である。
第2表はこれら試料の機械的性質の試験結果を示す。試
ti3及び4の結果を見ると、賦香3は衝撃値が’! 
、 8 kg−m/cm”と高いがクリープ破断強度が
41 、9 kg/mm2と低い。賦香4は衝撃値及び
クリープ破断強度がともに低い。
これに対し1本発明林状番1,2及び3は450’C,
105hクリープ破断強度、引張特性及び衝撃値が優れ
ており、高温ガスタービン用デスタントビース材として
必要な強度・靭性を十分満足することが確認された。
高温部材としては、長時間使用中に脆化し難いことも重
要なので、脆化材の衝撃値も調べた。
500℃で3000 h加熱脆化処理を施した後の衝撃
吸収エネルギーは賦香1が8 、6 kg−m/cm”
 、賦香5が8 、9 kg−a+/am2.賦香3が
3 、8 kg−m/c−であった。発明材(全焼もど
しマルテンサイト組織)は脆化処理後でも3 kg−m
/cm2以上、特に、Nα1及び5は81g−m/cm
2以上の衝撃吸収エネルギを有し優れている。これに対
し、5%のδフエライト組織を含む賦香3は若干脆化す
る。
図面は本発明に係るガスタービンの回転部分の断面図で
ある。1はタービンスタブシャフト、2はタービンパケ
ット、3はタービンスクッキングボルト、4はタービン
スペーサ、5はデスタントピース、6はコンプレッサデ
ィスク、7はコンプレッサブレード、8はコンプレッサ
スタッキングボルト、9はコンプレッサスタブシャフト
、10はタービンディスクである。
本発明に係るガスタービン用コンプレッサブレードを第
1表に示すHa 5の材料を用いて構成することにより
ガスタービンの高温・高圧化が可能であり、効率向上が
図れる。本発明に係るディスタンドピースは前述の本発
明に係る合金鋼と同様に鍛造し、熱処理を施し、全焼戻
しマルテンサイト組織を有するように調整される。
〔発明の効果〕
本発明ガスタービン用コンプレッサブレードは、400
〜450℃クリープ破断強度が著しく優れており、高温
破壊に対する信頼性が高い顕著な効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例であるガスタービンの断面図
である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、450℃で、10万時間クリープ破断強度が45k
    g/mm^2以上20℃Vノッチシャルピー衝撃値が5
    kg−m/cm^2以上であるマルテンサイト系合金鋼
    によつて構成されることを特徴とするガスタービン用コ
    ンプレッサブレード。 2、前記マルテンサイト系合金鋼は、重量比でC0.0
    5〜0.2%、Si1%以下、Mn1.5%以下、Ni
    1〜2.5、Cr8〜15%、Mo1.0〜3.5%、
    V0.05〜0.30%、Nb及びTaの少なくとも一
    方で単独又は複合で0.05〜0.20%、N0.1%
    以下を含有し、75%以上のFeからなる特許請求の範
    囲第1項記載のガスタービン用コンプレッサブレード。 3、前記鋼は、重量でC0.05〜0.20%、Si0
    .3%以下、Mn1.5%以下、Ni1〜2.5%、C
    r11〜12.5%、Mo1.5〜3.5%、V0.0
    5〜0.3%、Nb及びTaの少なくとも一方で単独又
    は複合で0.05〜0.20%、N0.04〜0.07
    %を含有し、残部が実質的にFeからなり、450℃、
    10万時間クリープ破断強度が50kg/mm^2以上
    である特許請求の範囲第1項に記載のガスタービン用コ
    ンプレッサブレード。 4、前記鋼は次式で計算されるCr当量が10以下であ
    り、全焼まどしマルテンサイト組織を有する特許請求の
    範囲第1項〜第3項のいずれかに記載のガスタービン用
    コンプレッサブレード。
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