JPS63255357A - タ−ビン動翼とその製造方法 - 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〕 本発明は蒸気タービン動翼とその製造方法に係わり、特
に水滴による浸食を防止するタービン動翼とその製造方
法に関する。

〔従来の技術〕

近年、蒸気タービンの大容量化に伴い、低圧最終段の動
翼も長翼化の傾向にある。−動翼材としてはこれまで１
２クロム鋼が使用されてきたが、強度的に限界にきてい
るので、長翼化のためにはこれに代わる軽量、高強度の
チタン合金が使用されつつある。

従来の１２クロム鋼製動翼の浸食防止は、水滴により浸
食を受は易い動翼先端部にステライト板を溶接するか、
動翼先端部表面をガス焔で加熱し水冷して強度を上げる
フレームハード方法を適用することによって行なわれて
いた。

蒸気タービンの大容量化に伴って動翼が長くなると動翼
の周速が速くなり、水滴による浸食の点では益々厳しい
条件で使用されることになる。したがって、従来のステ
ライト板の溶接あるいは肉盛溶接よりも、優れた浸食防
止技術の開発が望まれている。また、前述し゛たように
長翼になると動翼が１２クロム鋼では強度の面で信頼性
に欠けるため、クチン合金が使用されつつある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、動翼をチタン合金としても１強度の面で
は解決されるが、動翼先端部の浸食の問題は残る。

チタン合金製動翼の浸食防止法として、時効硬化性をも
つβ型チタン合金板を溶接するか、又はβ型チタン合金
を溶接肉盛する方法が考えられる。

しかし、翼長が長くなると浸食の点でこれまでより厳し
い条件で使用されるので、上記のβ型合金の溶接よりも
、さらに優れた浸食防止法の開発が望まれている。

種々検討した結果、チタン合金製動翼の浸食防止法とし
ては、動翼に硬質被膜を形成するのが最適であることが
わかった。しかし、この硬質被膜の形成方法が問題であ
り、拡散法、ＣＶＤ法等では被膜を形成するために高温
にする必要がある。

したがって、動翼材の材質変化や変形が生じて好ましく
ない。一方、比較的低温でも被膜を形成できる方法とし
て、ＰＶＤ法がある。しかし、このＰＶＤ法は低温で処
理した場合には被膜と動翼基材との密着性が弱く、割れ
や剥離の生ずる恐れがある。また、密着性が弱い場合に
は被膜と動翼基材との熱膨張差によっても上記現象が現
われる。

したがって、低温で硬質被膜形成が可能であり、かつ、
密着性の良好な硬質被膜形成法が必要である。

本発明の目的は、水滴による浸食性のないタービン動翼
とその製造方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

蒸気タービンのロータホイールの半径方向外方に放射状
に配置されたタービン動翼において、動翼の先端部の前
縁表面に形成された硬質被膜を有し、該硬質被膜が１種
以上の元素による蒸着及びイオン注入により形成される
ことを特徴とするタービン動翼を提供するとともに、蒸
気タービンのロータホイールの半径方向外方に放射状に
配置されたタービン動翼の製造方法において、動翼の先
端部の前縁表面に１種以上の元素による蒸着とイオン注
入によって硬質被膜を形成することを特徴とするタービ
ン動翼の製造方法を提供することにより達成される。

〔作用〕

本発明のタービン動翼はその先端部の基材表面上に１種
以上の元素からなる蒸着膜を形成すると共に、その蒸着
膜にイオン注入を行って製造される。これにより前記蒸
着膜の成分と注入されたイオンとが反応して硬質の化合
物を生成して前記基材の表面に化合物層となって、水滴
に対する耐浸食性を有するとともに、前記化合物層と前
記基材との境界部で前記化合物の成分と前記基材の成分
とが強制的に混合された混合層が形成され、混合層では
それぞれの成分濃度が膜厚方間に緩やかに変化している
。

この混合層の形成により、前記化合物層と前記基材とは
強力に接合された状態となり、かつ前記化合物を含有す
るので高い硬度を有するとともに前記基材の成分も含ま
れるので靭性をも併せ有する。

これら化合物層と混合層とで構成される硬質被膜を設け
ることにより、更に高い耐浸食性をタービン動翼に付与
することが出来る。

〔実施例〕

本発明のタービン動翼は、水滴による浸食を受は易い動
翼先端部近傍に窒化物、酸化物又は炭化物等の化合物か
らなる硬質被膜が形成され、この硬質被膜と動翼とは動
翼基材め成分と化合物層の成分との混合層によって結合
されている。この混合層は蒸着法あるいはスパッタリン
グ法による薄膜形成とイオン注入との組合せによって形
成される。すなわち、加速された窒素イオン、酸素イオ
よ ンあるい炭素イオンは基材内部へ注入されると同時に、
基材はスパッタリングされて基材粒子がはじき出される
。このスパッタリングされた基材の粒子は蒸着法あるい
はスパッタリング法で形成される粒子と混合された状態
でガスイオンと反応し。

基材表面部に硬質で靭性のある混合被膜が形成される。

基材及び蒸着膜に注入されたガスイオンは、その運動エ
ネルギーが熱エネルギーに変換されるため高熱を発する
。この熱により、基材及び蒸着膜の成分は注入されたガ
スイオンと反応してそれぞれ窒化物、酸化物、炭化物等
が形成される。しかし、高温となる部分は極く表層のみ
なので、基材の温度は低く保てる。もし、熱が基材であ
る動翼材に蓄積するようであれば基材を冷却するか、イ
オン注入を断続的に行なえば解決される。したがって、
基材は温度が上がらないため、材質変化や変形がない。

また、被膜の形成の手法として、蒸着あるいはスパッタ
リングにより蒸着膜を形成しながらイオン注入をするの
が望ましいが、蒸着膜を薄く形成してイオン注入をする
ことを交互に行うことによっても同様な効果があり、ど
ちらの手法を用いてもさしつかえない。しかし、上述し
た混合層の形成は硬質被膜形成の初期段階のみであり、
蒸着膜の表面層に均一な化合物層が形成される。

このようにして形成された窒化物、酸化物又は炭化物の
各層は非常に緻密であり、かつ、これらはいずれも硬質
層であるため、水滴に対する耐浸食性が大巾に改善でき
る。すなわち、加速された水滴によって浸食が生ずるの
であって、軟質なものほど浸食され易い。また、本発明
の方法は動翼材の材質変化がないため、基材の性質を維
持でき軟化が生じない。表面の被膜が硬質でも動翼材が
軟化している場合には耐浸食性は低下する。また、変形
が極めて少ないため、最終仕上げ状態で処理でき、後加
工の必要がない。一方、動翼材に形成する窒化物として
は窒化チタン、窒化硅素、窒化ホウ素、窒化アルミニウ
ム、酸化物としては酸化チタン、酸化アルミニウム、炭
化物としては炭化チタン、炭化タングステン、炭化バナ
ジウム、炭化クロム、炭化タンタル等が硬質であり耐浸
食性に優れ、特に望ましい。但し、これら上記した窒化
物、′ａ化物、炭化物に限定するものではなく、硬質で
耐浸食性に優れたものであればよい。

一方、動翼材については、前述したように長翼になると
強度の面でチタン合金が望ましいが、長翼になると浸食
性も激しくなることから、チタン合金の中でも時効硬化
性をもつβ型チタン合金板を溶接又は溶接肉盛を施し、
さらに、前記した硬化被膜を形成すれば更に効果が顕著
になる。したがって、動翼材そのものに硬質被膜を形成
してもよいが、β型チタン合金板を溶接あるいは肉盛し
た上に硬質被膜を形成することが望ましい。

以上のように１本発明のタービン動翼は耐浸食性に優れ
た硬質被膜が形成され、その硬質被膜は混合層の存在に
よって密着性が良好で剥煎等の心配もなく、変形が極め
て少ないため最終仕上げ加工後に硬質被膜の形成ができ
、工数低減にも寄与できる。

一本発明の実施例の詳細について第１図〜第４図により
説明する。

第１実施例 第１図は蒸気タービン動翼の形状及びロータホイールの
嵌合構造を示す、動翼には動翼取付部２が形成され、ロ
ータホイール３に止めピン４で結合される。また、必要
に応じて浸食防止のためのチタン合金板又は肉盛によっ
て浸食防止板５が形成され、その上に硬質被膜６が形成
されている。

まず、本発明の効果を確認するために、蒸気タービン動
翼材であるα−β型チタン合金、Ｔｉ−６ＡＱ−４Ｖ合
金（φ１６＋ｍＸ８ｔ）を真空容器内の水冷ターゲツト
板上に取付け、溶器内を１０″″６Ｔｏｒｒ以下に排気
した後、チタンを蒸着しながら窒化イオンを注入し、窒
化チタンの被膜を５０μｍ厚さに形成した。また、同様
にして、硅素、ホウ素、アルミニウムを蒸着しながら窒
素イオンを注入してそれぞれ窒化硅素、窒化ホウ素、窒
化アルミニウムの各被膜を形成した。成膜条件は蒸着速
度１５人／Ｓ、加速電圧：２０ｋＶ、窒素イオン注入量
：１．５　Ｘ　１０１８個イオン／　ｃｏｔ　／　ｍｉ
ｎである。

このようにして形成した試験片を第２図に示すキャビテ
ーション試験片に加工し、キャビテーション試験により
効果を確認した。試験は６０℃の純水中で１周波数２０
ｋＨ２，振幅３５μｍ、試験時間は１０時間の条件で行
った。なお、比較材としては硬質被膜を形成しないα−
β型チタン合金。

Ｔｉ−６ＡＱ−４Ｖ合金及びβ型Ｔｉ合金、Ｔｉ−１５
Ｍｏ−５２ｒ−３ＡＱ合金を使用した。

キャビテーション試験結果を第１表に示す。

第　　１　　表 比較材のキャビテーション減量はＴｉ−６ＡＱ−４Ｖ合
金が５０　ｍ　ｇ　、　Ｔ　ｉ　−１５Ｍ　ｏ　−５Ｚ
　ｒ−３ＡＱ合金が３８ｍｇであった。これに対し、本
発明の窒化物の硬質被膜を形成したものはいずれも９ｍ
ｇ以下であり、耐キャビ−チージョン性に優れているこ
とがわかる。

第２実施例 第１実施例と同様の方法でＴｉ−６ＡＱ−４Ｖ合金材（
φ２０ＩＩＩｍ×５Ｗｕ）の方法、条件によりチタン、
アルミニウム、タングステン、バナジウム。

クロム又はタンタルを蒸着しながら酸素イオン又は炭素
イオンを注入して、酸化チタン、酸化アルミニウム、炭
化チタン、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化ク
ロム、炭化タンタルの各被膜を４０μｍ厚さに形成した
。これらの試験片を、蒸気タービンの動翼を模擬した超
高速回転噴流二〇−ジョン試験機に取付け、耐二ローシ
ョンの効果を確認した。試験時間は２５ｈである。なお
、比較材は第１実施例と同様のＴｉ−６Ａ（１−４Ｖ合
金及びＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｆｆ合金である。

これらの二〇−ジョン試験結果を第２表に示す。

第　　２　　表 これらの結果を見ても明らかなように、比較材であるＴ
ｉ−６ＡＱ−４Ｖ合金の二ローションによる摩耗量は２
　、０　ｍ　ｇ　／　ｍｍ　ｚであり、Ｔｉ−１５Ｍ　
ｏ　−５２ｒ　−３Ａ　Ｑ合金は０．８ｍｇ／ｎｗｎ２
でエロージョンによる摩耗量が大きいのに比し、本発明
の酸化物層及び炭化物層を形成したものはいずれも１０
．６ｍｇ７ｍｍ２以下と極めて耐エロージヨン性が優れ
ていることがわかる。

第３実施例 Ｔ　ｉ　−６Ａ　ｆｌ　−４Ｖ合金（５０ｎｗＸ　３０
ｍｍＸ　ｌｌ１Ｉ１１）を用い、第１実施例と同様の方
法によりチタンを蒸着しながら窒素イオン、酸素イオン
又は炭素イオンを注入してそれぞれの試験片に窒化チタ
ン、炭化チタン波腹を１μｍ厚さに形成した。これらの
試験片を切断、加工して曲げ試験片及びオージェ電子分
光分析の試料とした。なお、比較材としてはＰＶＤ法に
より窒化チタン及び炭化チタンの各層を１μｍの厚さに
形成したものを用いた。

第３ａ図及び第３ｂ図に曲げ試験片を１８０°曲げた後
の走査型電子顕微鏡による観察結果の代表例を示す。

第３ａ図に示すように１本発明材は曲げ試験によって割
れは生じているが剥離はしていない。これに比し、比較
材は第３ｂ図に示すように剥離８が生じていることがわ
かる。したがって、本発明材は密着性に優れていること
がわかる。第３ａ図は代表例であるが、窒化チタン、酸
化チタン、炭化チタンのいずれの硬質被膜でも同様の結
果が得られた。

第４図はオージェ電子分光分析により炭化チタン層の表
面から深さ方向にスパッタエツチングしながらＴｉ及び
ＴｉＣを分析した結果の代表例を示す。この結果を見る
と１本発明材は基材と化合物層の間に炭化物濃度が徐々
に減少している混合層が形成されていることがわかる。

これに比し、比較材では炭化物が急激な濃度減少を示し
ており、本発明材のような混合層がなく、境界が明確に
なっていることがわかる。したがって、上記の曲げ試験
の結果でも明らかなように、この混合層の有無が密着性
に大きく影響していることがわかる。

〔発明の効果〕

本発明の構成によれば、タービン動翼の先端部の前縁表
面に、１種以上の元素からなる蒸着とイオン注入によっ
て硬質被膜が形成され、その硬質被膜は表層部の化合物
層と下層部の混合物層とから構成されており、表層部に
形成された化合物層は高い硬度を有するので、タービン
動翼の高速水滴に対する耐浸食性が向上する。

化合物層の下部にあって、蒸着膜と基材との境界部に形
成された混合層は、硬質被膜を基材に強く結合させるの
で、タービン動翼の硬質被膜が剥離することがなく、従
って、剥離した細片が飛散してタービンケーシングや他
の翼等を破損することもない。

また、この硬質被膜の形成過程では、動翼基材の温度上
昇がないので、基材が変質することもなく、変形も極め
て少ない。従って、この硬質被膜の形成は動翼の最終仕
上げ加工後に行うことが出来るので、硬質被膜を爆つけ
ることなく、そのまま使用でき、工数低減にも寄与でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の蒸気タービン動翼の構造概略を示す断
面図であり、第２図はキャビテーション試験片の形状及
び寸法を示す図であり、第３ａ図は本発明による試験片
を１８０°曲げた後の走査型電子顕微鏡による観察結果
を示す金属組織の写真であり、第３ｂ図は比較材による
試験片を１８０゜曲げた後の走査型電子顕微鏡による観
察結果を示す金属組織の写真であり、第４図はオージェ
分光分析結果を示す図である。 １・・・タービン動翼、６・・・硬質被膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、蒸気タービンのロータホィールの半径方向外方に放
   射状に配置されたタービン動翼において、動翼の先端部
   の前縁表面に形成された硬質被膜を有し、該硬質被膜が
   １種以上の元素による蒸着及びイオン注入により形成さ
   れることを特徴とするタービン動翼。 ２、硬質被膜が窒化チタン、窒化硅素、窒化ホウ素及び
   窒化アルミニウムのうちいずれか１種以上からなる窒化
   物であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   のタービン動翼。 ３、硬質被膜が酸化チタン、酸化アルミニウムのうちい
   ずれか１種以上からなる酸化物であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載のタービン動翼。 ４、硬質被膜が炭化チタン、炭化タングステン、炭化バ
   ナジウム、炭化クロム、炭化タンタルのうちいずれか１
   種以上からなる炭化物であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載のタービン動翼。 ５、蒸気タービンのロータホィールの半径方向外方に放
   射状に配置されたタービン動翼の製造方法において、動
   翼の先端部の前縁表面に１種以上の元素による蒸着とイ
   オン注入によつて硬質被膜を形成することを特徴とする
   タービン動翼の製造方法。 ６、硬質被膜が窒化物からなり、該窒化物がチタン、硅
   素、ホウ素のいずれか１種以上の元素からなる蒸着と窒
   素イオン注入によつて形成されることを特徴とする特許
   請求の範囲第５項に記載のタービン動翼の製造方法。 ７、硬質被膜が酸化物からなり、該酸化物がチタン、ア
   ルミニウムのいずれか１種以上の元素による蒸着と酸素
   イオン注入によつて形成されることを特徴とする特許請
   求の範囲第５項に記載のタービン動翼の製造方法。 ８、硬質被膜が炭化物からなり、該炭化物がチタン、タ
   ングステン、バナジウム、クロム、タンタルのいずれか
   １種以上の元素による蒸着と炭素イオン注入によつて形
   成されることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載
   のタービン動翼の製造方法。 ９、硬化被膜の形成をタービン動翼の最終仕上げ加工後
   に行うことを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の
   タービン動翼の製造方法。