JPS62180041A - ガスタ−ビン用デイスタントピ−ス - 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、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デイスタン
トピースに関する。

〔従来の技術〕

現在、ガスタービン用デイスタントピースにはＣｒ　−
Ｍ　ｏ　−Ｖ鋼が使用されている。

近年、省エネルギーの観点からガスタービンの熱効率の
向上が望まれている。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％の効率向上が
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　−Ｍ　Ｏ−Ｖ鋼より高い構造
材料としてオーステナイト鋼、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、高温強度も十分である。マルテンサイト
鋼として特開昭５８−１１０６６１号公報、同５８−４
５３５９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°Ｃ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１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デイ
スタントピースを提供するにある。

〔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
５　ｋｇ／ｍｍ”以上、２０’ＣＶノツチシヤルピー衝
撃値が５　ｋｇ−ｍ／ｃｍ”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
デイスタントピースにある。

〔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１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。

Ｃ０．０５〜０．１ｓ％、Ｖ０．１〜０．３％Ｓｉ　　
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−２Ｍｎ−４Ｎｉ−３ＯＮ＋　６８
　ｉ　＋　Ｃｒ　＋　４　Ｍ　ｏ　＋　１１　Ｖ　十５
　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
−ヒの速度で急冷し、次いで４５０〜６００℃の温度に
加熱保持しく第１炊煙もどし）１次いで５５０〜６５０
℃の温度に加熱保持し第２火煙もどじを行なう。

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。

１０５ｈクリープ破断強度で評価した。１０’ｈクリ一
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、１０”ｈ
　　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
びエレクトロスラグ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１．５〜３１．５％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％　　、Ｎｂ
０．０４〜０．０８％が好マシイ。

Ｔ　ａ　＋ＪＮ　ｂと同じ効果がある。

Ｎｉは靭性を高め、かっ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％特ニ、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、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℃、１０”ｈクリープ破断強度は４５ｋｇ／＋ｗ
ｍ”以上で、２０℃Ｖノツチシャルピー衝撃値が５　ｋ
ｇ−＋ｏ／ｃｍ”以上が必要である。特に、前者が５０
ｋｇ／ｍｕｅ”以上、後者が９　ｋｇ−ｍｉｃａ”以上
が好ましい。

ＦＡＴＴは２０℃以下、特に１５℃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　ｋ
ｇ−ｍｉｃａ”以上、特に７　ｋｇ−ｍｉｃａ”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
溶解し、　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ｆ＃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当量が高く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（Ｍ工Ｓ２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
　ｇｌ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。賦
香３及び４の結果を見ると、賦香３は衝撃値が９　、８
　ｋｇ−ｍ／ｃｍ２と高いがクリープ破断強度が４１　
、９　ｋｇ／ｍｍ”と低い。賦香４は？＃撃値及びクリ
ープ破断強度がともに低い。

これに対し、本発明材賦香１，２及び３は４５０’Ｃ，
１０’　ｈ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ピース材とし
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　’Ｃ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／Ｃ
ｌ１１２．賦香５が８’、　９　ｋｇ−ｍ／ｃｍ”　、
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ｍ＞は脆化処理後でも３　
ｋｇ−ｍ／ｃｍ２以上、特に、Ｎα１及び５は８　ｋｇ
−ｍ／ａｍ”以上の７ｍＭ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はタービンバケ
ツ１−１３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デイスタントピースを第１
表に示すＮａ　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。本発明に係るデイスタント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〕

本発明のガスタービン用デイスタントピースは。

４００〜４５０°Ｃ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。 ５・・デイスタントピース。　　　　　　　　　　　　
、パパ麿゛・、。

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ノツチシヤルピー衝撃値が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デ
   イスタントピース。 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デイスタントピース。 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デ
   イスタントピース。 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
   デイスタントピース。