JPS62180044A

JPS62180044A - 蒸気タ−ビン用ロ−タシヤフト

Info

Publication number: JPS62180044A
Application number: JP2193386A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Iijima; 飯島　活巳; Norio Yamada; 山田　範雄; Masao Shiga; 志賀　正男; Seishin Kirihara; 桐原　誠信; Hiroshi Fukui; 寛福井; Junshi Shimomura; 下村　純志
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-02-05
Filing date: 1986-02-05
Publication date: 1987-08-07

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、新規な蒸気タービン用ロータシャフトに係り
、特に高温での疲労寿命に優れた鉄基超合金によって構
成された温度６００〜６５０Ｃで使用される発電プラン
ト蒸気タービン用ロータシャフトに関する。

〔発明の背景〕

蒸気タービンは、従来５３８〜６６６℃の主蒸気を使用
し、Ｃｒ　−Ｍ　ｏ　−Ｖ及びＬ２Ｃｒｆｉによリロー
タ並びに動翼等の回転機器を形成している。

しかし、石油資源の減少とこれに起因した電力の安定供
給に対する要請から主蒸気温度を６００℃以上とする高
温高圧発電プラントあるいは大容量発電プラント、さに
らエネルギーの多様化を目的とした膨張タービン等が検
討されている。こうした発電プラントではいずれも運転
条件が過酷となる。使用温度の面では、　（、’、　ｒ
−Ｍ　ｏ−Ｖ、　１．２Ｃｒ　ＩＪＩ等のフエライ１−
系既存材料は５５０°Ｃ以上の温度戦で粒界辷りが顕著
となりクリープ破断強度が極端に低下する欠点が指摘さ
れ、新材料の適用が不可避となる。

現存、６００℃以上の温度域で使用されている材料は、
Ｆ　ｅにＣｒ、Ｎｉ−を添加したオーステナイト系合金
が一般的である。したがって６００℃以上の温度で使用
される発電プラント用回転機器材料としては高温強度の
点から、オーステナイト系合金が有望視されている。

一方、大型鋼塊溶製の面で有利なＦｅ基合金は。

Ｃｒ　−Ｍ　ｏ　−Ｖ　ｆｆ４あるいは１２　Ｃｒ鋼な
どに比べ熱膨張係数が約５０％大きいため、熱サイクル
を受けた場合に大きな熱ひずみ（応力）が発生すると考
えられる。このため、蒸気タービン用材料に適用するに
はこれら材料の熱疲労強度もしくは低サイクル疲労強度
を向上する必要がある。

オーステナイト系鋼として特開５７−１８８６５６が公
知である。しかし、この公報に記載された合金では耐熱
疲労性がヒ分でない。

〔発明のＩｆ的〕

本発明の目的は、引張強さ、クリープ破断強度等高温強
度に加え、特に熱サイクル等による熱疲労もしくは高温
低サイクル疲労寿命に優れた鉄基合金からなる蒸気ダー
ビン用ロータシャフ１−を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、重量比で、Ｃ０，０１〜０．１％。

Ｓｉ１％以下、Ｍｎ２％以下、Ｎｉ２：３〜２９％。

Ｃｒ　］、　２　、０〜１８　、０％、Ｍｏ０．５〜２
．０％。

Ｖ０．４％以下、Ｔ１１．５〜３．０％、Ａｌ０．１〜
０．５％、　３０．００３〜０．０１％を満足し残部が
Ｆｅからなるオーステナイト基地にγ′相（Ｎｉａ（Ａ
Ｒ，Ｔｊ、））が析出した組織を有することを特徴とし
た蒸気タービン用ロータシャフトにある。

本発明では、γ′相を析出することによって引張強さ等
の高温強度を向上するには、従来提案されているように
、Ｔｉの添加量を増す必要があるものの、過剰の含有量
は高温での疲労強度に悪影響を及ぼすことを見い出した
。特に蒸気タービン用ロータシャフトとして既存のＣｒ
　−Ｍ　ｏ　−Ｖ鋼並みの疲労強度をさらに高温下で有
するにはＡ２８６合金（Ｌ　５　Ｃｒ　−２６Ｎ　ｉ　
−１、２５Ｍ　ｏ　−Ｔｉ　−Ａ　Ｑ合金）よりもＴｉ
量を低減し延性を向」ニすべきことが明らかとなった。

以下に各成分の限定理由を示す。

Ｃは、炭化物を形成し高温強度、クリープ破断強度を向
上させるため重要である。しかし、多量の添加は粗大な
炭化物を析出させ靭性並びに延性の低下をまねくため８
ヒ限を０．１％とする。なお、望ましくは０．０１〜０
．０／１％が良い。

Ｓｉは、溶解製造の脱酸剤として重要な成分である。し
かし多量に添加すると靭性及びクリープ破断延性に悪影
響を及ぼす。また、非金属介在物として偏析した場合内
部欠陥となる危険があるため、そのＬ限を１．０％とす
る。また０、１５％以下では酸化剤としての効果が小さ
いため望ましくは０．１５〜０．４５％が適当である。

Ｍｎは、Ｓｉと同様に溶解製造の脱酸剤として、更に熱
間加工性を高めるものとして重要な成分である。しかし
多量に添加すると耐食性、耐熱化性を低めるため上限を
２％とする。また望ましくは１．０〜１．４％が良い。

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２３％以下ではその効果が多大でなく組織的
に不安定である。一方、２９％以上の添加は熱間加工性
を低めるとともにコスト高をまねくためその上限を２９
％とする。さらに望ましくは２４〜２７％が良好である
。

Ｃｒ　、は高温強度、耐食性、耐酸化性を向上させるた
めに重要な添加元素でありこの効果を十分発揮させるに
は１２．０％以上添加する必要がある。しかし、多重に
含有すると溶接性に影響を及ぼすとともにフェライト相
を形成し高温長時間側での脆化を加速するためその上限
を１８％とする。

さらに望ましくは１３．５〜１６．０が良い。

ＭＯはオーステナイト地を強化すると共に炭化物を形成
するため、クリープ破断強度の向上に有効である。しか
し、０．５％以下の添加ではその効果が十分でないため
下限を０．５％　とする。さらに、多量に含有した場合
、融点の低い酸化物（Ｍ　ｏ　Ｏｓ　）を形成し耐酸化
性を著しく損うためその上限は２．０％とする。

ＶはＶＳ、ＶＮ、ＶＣ等の析出物を形成する。

このうち、ＶＣは時効硬化性があり引張強さ並びにクリ
ープ破断強度を向上させるため効果がある。

しかし、ｖ量が増加すると耐酸化性に悪影響を及ぼす。

そこでその添加量を０．５％以下に限定する。さらに、
０．２〜０．４％が望ましい。

Ｔｉは脱酸剤として作用する以外に高温強度及び延性の
向上に有効なγ′相（Ｎｕｓ（Ａ　Ｑ　、Ｔｉ））を析
出するためきわめて重要な添加元素である。これは１面
心立方構造を有するγ′相がオーステナイト基地との整
合性がよく良好な整合ひずみを発生させるためである。

しかし、多量に添加しても、強度の向上は著しくなく、
むしろ延性低下により疲労強度を減少させる。

疲労寿命はＴｉの増加とともに低下し、１．８５％以上
ではＣｒＭｏＶ鋼の５５０℃における強度以下となる。

したがって運−１云温度をある６５０℃でＣｒＭｏＶ　
ｍ　（５５０’Ｃ）以上の疲労強度を有するため、Ｔ　
ｉ添加の上限は１．８５％とする。

さらに、”「ｉ　敗が１．５５％以下となると特に耐力
が著しく減少するため１．５５％　を下限とする。

Ａｌは１゛ｉと結合し金属間化合物γ′相を析出するた
め重要である。しかし多量に添加すると耐力を減少させ
るため、その上限は０．５％とする。

さらにＡｌ量が少ないとγ′相ではなく時効析出性のな
いη相（Ｎｊ　ａＴｉ）が析出してしまうため、その下
限を０．１％に限定する。さらに、０．１８〜０．３５
％が望ましい。

Ｂは高温での延性及び靭性向上に有効な元素である。特
に結晶粒界を著しく強化し、かつ延性を改善する。した
がってγ′相による粒内強度とバランスした粒界強度を
得るためＢの添加は不可欠となる。０．００３％以下の
添加では上記の効果が十分でないため０．００３％を下
限値とする。さらに、多量の添加は粒界への偏析による
粒界の脆弱化をまねくためその上限を０．００１％に限
定する。

さらに、望ましくは０．００３〜０．００８％が良好で
ある。また、γ′相に依存する粒内強度と粒界強度のバ
ランスを取るため、Ａｌ量とＢ量とを最適化する必要が
ある。現行のＣｒＭｏＶ　ＱＩＡとの比較の点から、Ｂ
とＡｌの比がＡｌ−０，１≦５０Ｂ≦Ａ３＋０．１　を
満足する領域で特に両者のバランスが良く高い疲労強度
を有することがわかる。

〔発明の実施例〕

第１表は本発明に係る蒸気タービン用ロータシャフトに
係る合金の化学組成（重量％）である。

これらの合金はいずれも溶解・鍛造後、９００〜１００
０℃で１時間保持し、水冷する溶体化処理を行い、次い
で７００〜７３０”Ｃで１６時間加熱の時効処理を施し
たものである。

第１図は６５０℃での低サイクル疲労寿命に及ぼす（Ｔ
ｉ／Ａ（＋）の影響を示す線図である。図に示す如く、
図に示す如＜（Ｔｉ／ＡｃＬ）比が１０以下のときにす
ぐれた耐疲労性が得られることがわかる。

第２図は、℃高温サイクル疲労寿命に及ぼすＢ及びＡｌ
の影響を示す線図である。○卵内の数値はＣｒ　−Ｍ　
ｏ　−Ｖ　Ｗ４の疲労寿命を１とした本発明に係る合金
の疲労寿命の倍率を示す。図に示す如くＢとＡｌの関係
が５０Ｂ＝（Ａｆｌ−０，１）〜（Ａｌ量０．１）の大
向のときにすぐれている。

第３図は、本発明に係る蒸気タービンの断面図である。

図において１２が本発明に関するロータである。このロ
ータは！ｌ！１Ｊｋｌｏが複数植設されている。この動
翼１０に位置するように複数の静翼１４を設け、さらに
ロータ１２は静翼１４を固定する内部ケーシング１６を
貫通している。そして内部ケーシング１６には、複数の
凸部１Ｂが形成されており、これら複雑の凸部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り固定される。また、外部ケー
シング２０は、貫通孔部２２においてロータ１２の両端
部を回転自在に支持しており、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
。

主蒸気は、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！ＦＩＪｆｆｌＯをロータ】２と一体的に回
転伴動させ内部ケーシング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。

いま、主蒸気の温度を６５０’Ｃ，圧力を：３５０ｋｇ
ｆ／ｄ　とすると、前記蒸気タービンは動！並びにロー
タ表面において、温度６５０℃〜５５４．３℃・圧力３
５０〜１９９ｋｇｆ／ｄの運転条件となる。本発明の蒸
気タービン用ロータシャフｌ−は前述の合金によって構
成される。

第４図は本発明の６５０℃高温低サイクル疲労寿命特性
を示す。図に示す如く、本発明材の疲労強度は、６５０
℃の高温下であるにもかかわらず、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の
５５０℃強度と同等である。

したがって疲労強度の要求されるロータ材として特に好
適である。

第５図は本発明のクリープ破断強度を示す。図示のよう
に、６５０℃における１０６時間強度は従来材であるＡ
２８６合金と同等以上でありＴｉ量の低減による高温強
度の低下は見られない。

以上の結果より本発明合金は、ロータ材料として重要な
特性である高温低サイクル疲労並びにクリープ破断強度
の相方に優れており高温高圧蒸気タービン用材料として
好適である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、特にＴｉ量を１．５５〜１．８５％に
適性化することによってクリープ破断強度を損わずに６
５０℃高温低サイクル疲労強度に優れた鉄基合金を実現
できる。したがって本発明鋼は６００〜６５０　’Ｃで
使用される高効率発電プランＩ−用回転機器材料として
きわめて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は低サイクル疲労寿命とＴｉ量との関係を示す線
図、第２図は高温低サイクル疲労寿命とＢ／Ａｌの関係
を示す線図、第３図は蒸気タービンの断面図、第４図は
高温低サイクル疲労寿命を示す線図、第５図は開発材の
クリープ破断強度を示す線図である。１０・・・動翼、１２・・・ロータ、１４・・・静翼、
１６・・・内部ケーシング、１８・・・内部ケーシング
（凸部）、２０・・・外部ケーシング、２２・・・貫通
孔部、２４・・・流出口、２６・・・開口、２８・・・
ノズルボックス、３０・・・主蒸気管。代理人　弁理士　小川勝馬　　Ｌｌ木’、’７第　１　
図１θ　　　　　　　　　２．θ　　　　　　　　　３．
ρｎ　　　４ｔ　　　　＜ｗｔそノ χ２　山Ａｌ　　　　　ｔｗｔ！％ノ第　３ｃ２１第　５　口

Claims

【特許請求の範囲】１、重量比で、Ｃ０．０１〜０．１％、Ｓｉ１％以下、
Ｍｎ２％以下、Ｃｒ１２〜１８％、Ｎｉ２３〜２９％、
Ｍｏ０．５〜２％、Ｖ０．５％以下、Ｔｉ１．５５〜１
．８５％、Ａｌ０．１〜０．５％、Ｂ０．００３〜０．
０１％、残部がＦｅからなり、（Ｔｉ／Ａｌ）比が１０
以下であり、オーステナイト基地にγ′相（Ｎｉ＿３（
Ａｌ、Ｔｉ））が析出した組織を有することを特徴とし
た蒸気タービン用ロータシャフト。２、前記Ａｌ及びＢの含有量が、以下の式で表わされる
値を満足する特許請求の範囲第１項に記載の蒸気タービ
ン用ロータシャフト。３、重量比でＣ０．０１〜０．０４％、Ｓｉ０．１５〜
０．４５％、Ｍｎ１．０〜１．４％、Ｎｉ２４〜２７％
、Ｃｒ１３．５〜１６．０％、Ｍｏ１．０〜１．５％、
Ｖ０．２〜０．４％、Ｔｉ１．５５〜１．８５％、Ａｌ
０．１８〜０．３５％、Ｂ０．００３〜０．００８％を
含有し残部がＦｅからなる特許請求の範囲第１項又は第
２項に記載の蒸気タービン用ロータシャフト。