JPH02101143A - タービン用構造材料 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は例えばガスタービンのコンプレッサーディスク
に使用され、特に４００〜５００°Ｃにおける高いクリ
ープラブチャー強度と室温における高い引張強度及び靭
性を有するタービン用構造材料に関する。

（従来の技術） 現在、タービン用構造材料、例えばガスタービン用コン
プレッサーディスクとしては、ＡＳＴＭＡ４７０　　（
ｃｌａｓｓ　８　）規定されているような高温下で優れ
たクリープラブチャー強度を有するＣＩ−ンサイトｌｉ
ｌ　（Ａ　ＩＳ　Ｉ　　４２２）　、オーステナイト鋼
などの合金材料も使用されている。

近年、省エネルギーの観点からガスタービンの熱効率の
向上が望まれており、燃焼カスの温度及び圧力を高める
必要性か生じている。

ガスタービンの高温・高圧化に伴い、コンプレッサーも
圧力比を高めるために大型化することになる。

第１図はコンプレッサーの構成例を示す一部断面図であ
るが、具体的には低圧部（ａ部）の動翼３の長尺化、高
圧部（ｂ部）の高温高圧化が必要となる。

この場合、低圧部（ａ部）の］ンプレツリーディスク１
には、より高い応ノＪか作用するため、延性破壊及び脆
性破壊防止の観点から、室温付近における高い引張強度
及び靭性が要求される。一方、高圧部（ｂ部）において
は、高温化のため、コンプレッサーディスク１には、そ
の使用温度域である４００〜５００’Ｃにおける高いク
リープラブチャ強度が必要となる。なお、第１図におい
て符号３は静翼を、４はディスク締イ」ボルトを、５を
ケーシングをポしている。

従来のＣｒ−・ＭＯ・ｖｍは、これらの要求に対し、引
張強度、靭性、クリープラブチャ強度とも十分溝Ｗでき
るものではないため、新しい他の材料の適用が必要であ
る。

（発明が解決しようとする課題） クリープラブチャー強度がＯｒ−ＭＯ−Ｖ鋼より−ｂ高
い構造月利としては、Ｎ１基合金、Ｃｏ基合金、Δ−ス
テナイト鋼、１２Ｃｉ系マルテンサイト鋼等が一般に知
られている。しかしながらＮ基合金及びＣｏ１合金は熱
間加工性、切削性及び製造コスト等の面で望ましくない
。

また、オーステナイト鋼は、４００〜５００℃における
２リープラプヂｐ−強度自体がさほど高＜４【いこと、
さらに翼との熱膨張差の点等から望ましくない。一方、
１２Ｃｒ系鋼のマルテザイ１〜鋼は、他の構成部品との
マツチングもよく、室温付近の引張強度にも優れており
、好適な構造材料と考えられる。

４００〜５００℃におけるクリープラブチャー強度及び
室温付近の引張強度の優れた１２Ｃｒ系マルチサイト鋼
としては、Ａｌ５Ｉ４２２１等か知られているが、Ａｌ
５Ｉ４２２鋼には、室温付近にお（）る衝撃値が低く切
欠きに対して敏感になるという欠点がある。

本発明は上記欠点を除去するためになされたものであり
、／１００〜５００℃における高いクリープラプチ（・
−強度と室温における高い引張強度及び靭性を有するタ
ービン用構造材料を提供することにある。

「発明の構成」 （課題を解決するための手段） 本発明は、重量比で、Ｃ０．０５〜０，３０％、Ｓｌ、
０％以下（ただし、Ｏを含ます）、Ｍｎ’１．０以下（
ただし、Ｏを含まず＞、　Ｎｉ’　　１．５〜３．５％
。

Ｃｒ　１０〜１５％、　Ｍｏ　　０．５〜２．０％、　
Ｖ　０．０５〜０．５０％、Ｗｏ、５〜２．０％、　Ｎ
　０．０１〜０．３％。

ＮｂまたはＴａの少くとも１種０．０１〜０．５％。

残部がＦｅ及び付随的不純物から成る合金で構成された
ことを特徴とするタービン用構造材料である。

このタービン用構造材料は、４００〜５００℃における
高いクリープラブチャー強度と室温における高い引張強
度及び靭性を有しており、高温・高圧化された例えばガ
スタービン用］ンプレッザーに極めて好適である。

（作　用） 以下に本発明に係る構造材料を構成する合金の組成及び
それらの構成比を限定した理由につき説明する。なｄ３
、数字は重量比である。

Ｃ：０．０５〜０．３０％ 炭素は焼入性を向上させ、また引張強度を高めるのに必
要な元素であり、また合金中のニオブまたはタンタルと
化合して微細な炭化物を形成してクリープ破断強度を高
めるのに有効な元素である。

０．０５％未満では上述の硬化が乏しく、一方、０．３
０％を越えると炭化物が粗大化して靭性、延性が低下す
るため、０．０５〜０．３０％とする。

Ｓｉ　　：　　１．０％以下（ただし、Ｏを含まず）ケ
イ素は溶解時に脱酸剤として添加されるが、多量に添加
するとその一部が酸化物として合金中に残留し、靭性に
悪影響を及ぼすため、１．０％以下とする。

Ｍｎ　：　　１．０％以下（ただし、Ｏを含まず）マン
ガンは溶解時に脱酸・脱硫剤として添加され、焼入性も
改善する元素である。多量に添加すると靭性が低下する
ため１．０％以下とする。

Ｎｉ　　：　　１．５〜３．５％ ニッケルは焼入性を向上させ、低温における強度及び靭
性を向上させるのに有効な元素である。

１．５％未満ではその効果が十分でなく、また３、５％
を越えて添加すると高温強度が低下するので１．５〜３
．５％とりる。

Ｃ＋−：　Ｈ）〜１５％ クロム（Ｊ、耐食性及び高温強度を向上させるのに有効
な元素である。１０％未満ではその効果が十分でなく、
また１５％を越えて添加するとδ−フェライト相が牛成
しやすくなり、引張強度や靭性が低下するため１０・〜
１５％とり−る。

Ｍｏ　　：　　０．５へ・２．（）％ モリブデンは固溶及び析出強化作用によってクリープラ
ブチャー強度を向上させるのに有効な元素である。０５
％未満てはぞの効果が十分でなく、２０％を越えて添加
すると、その効果は飽和し、また炭化物が多量に析出し
て靭性か低下するので、０．５〜２，０％とηる。

Ｖ：０．０５〜０．５０％ バナジウムは炭素や窒素と化合して微細炭窒化物どじで
析出し、クリープラブチャー強度を向上さ（Ｌるのに有
効な元素である。、０．０５％未満ではその効果か一１
分でなく、また０、　５０％を越えて添加すると炭化物
か粗大化して靭性を低下させるので０１０５〜０，５０
％とする。

Ｗ：０．５〜２．０％ タングステンは固溶強化によってクリープラブチャー強
度をさらに向上させる元素で必る。（）、５％未満では
その効果か十分でなく、また２、０％を越えて添加する
とフェライト相が生成して、クリープラブチャー強度ａ
３よび靭性を低下させるので０．５〜２，０％とする。

Ｎ：０．０１〜０．３％ 窒素は炭素とともに合金中のニオブまたはタンタルと化
合して、微細な炭窒化物を形成してクリプ破断強度を向
上させるのに有効な元素である。

ｏ、ｏｉ％未満ではその効果が十分でなく、また０、３
％を越えて添加すると、延ｆ斗、靭性を低下させるので
０．０１〜０．３％とする。

ＮｂまたはＴａの少くとも１種： ０．０１〜０．，５％ ニオブまたはタンタルは、結晶粒を微細にし靭性を向上
させ、また微細な炭窒化物を形成してクリープラブチャ
ー強度を向上させるのに有効な元素である。、０．０１
％未満ではその効果か十分でなく、また０、５％を越え
て添加すると逆に粗大な炭化物を形成して靭性を低下さ
せるので、００１〜０．５％とづる。また、ニオブとタ
ンタルの両元素を同時に添加しても同様の効果が得られ
る。

なお、−１−記に含まれない［ｅ以外のその他の付随的
不純物とは、例えばＰ、Ｓなどであり、通常の冶金的手
段により除くことができない程度の量であるが、できる
だけ少ない方か望ましい。

（実施例） 次に本発明に係るタービン用構造材利をコンプレツリー
−ディスクについて実施例を挙げて説明する。

第１表に示す化学組成より成る合金鋼を電弧炉にして溶
製し、脱酸処理、真空造塊を行った後、円板状に鍛造し
てコンブレツザーディスク形状素体を作製した。。

（以下　余白） このようにして作製したコンプレッサーディスク素体は
直径６００．　、厚ざ２００ａｎのものであり、実際の
コンプレッサーディスクの一部をあられすモデルとして
十分な大きざである。かかる］ンプレッザーディスク形
状素体に第２表に示す熱処理を施し、実施例１〜３およ
び比較例１〜２を得た。

（以下　余白） 実施例１〜３は本発明のコンプレッサーディスクを構成
するものである。これに対し、比較例１は従来からコン
プレッサーディスクに使用されているＣｒＭｏＶ鋼であ
り、比較例２は１２Ｃｉ系マルテンサイト鋼として代表
的なＡｌ５Ｉ４２２ｆＩ４である。

こうして得られた実施例１〜３および比較例１〜２から
試験片を切出し、引張試験、衝撃試験およびクリープラ
ブチャー試験を行った。

第３表は竿部における引張試験およびシャルピー衝撃試
験の結果を示すものである。

（以下　余白） ／２ ／Ｌｌ 第３表から明らかなように代表的な１２Ｃｒ系マル−ｊ
ン］ノイ］〜鋼である比較例２は、従来の］ンプレッザ
ーディスク材である比較例１に比較して優れた引張強さ
、耐力を示すものの、衝撃値。

Ｆ　Ａ　−１’−Ｔはほぼ同等であり、靭性が優れてい
るとはいえない。一方、本発明のコンプレッサーディス
クを構成する実施例１〜３は、代表的な１２Ｃｒ系マル
テンザイト鋼である比較例２に比較して、更に引張強さ
、耐力が向上しており、また衝撃値。

Ｆ　Ａ　Ｔ−’ｒも著しく優れている。これらの結果か
ら本発明のコンプレッサーディスクを構成する実施例１
〜３は、窄温付近における強度および靭性を４−分に備
えていることが理解される。

第４表は試験温度５００°Ｃ２負荷応力５０ＫＯｆ／ｍ
１ｌ１２および試験温度４７０°Ｃ２負荷応力６０Ｋｇ
ｆ／ｍｍ２の２種類のクリープラプヂャー試験を行った
結果を示すものである。

（以下　余白） 第 表 本発明のコンプレッサーディスクを構成する実施例１〜
３は従来のコンプレッサーディスク材である比較例１お
よび代表的’、’Ｊ：　１２　Ｃｒ系マルテン゛リ−イ
ト鋼である比較例２に比較して極めて優れた破断時間を
示している。この結果から本発明のコンプレッサーディ
スクを構成する実施例１〜３は、４００〜５００℃にお
けるクリープラブチャー強度を十分に備えていることが
理解される。

上記実施例では］ンプレッザーディスク索体として試験
を行った例で説明したが、本発明に係る構造ｖＪ利の用
途はコンプレッサーディスクのみに限定されるものでは
なく、例えば小型のガスタービンディスク、ざらには円
柱状に鍛造を行い、第２図に示すような高温蒸気にざら
される高温部（０部）と低温蒸気にざらされる低温部（
ｄ部）を両方有する高低圧一体型蒸気タービンロータ６
などのタービン用構造材料にも適用できる。

［発明の効果］ 本発明によれば４００−５００　’Ｃにおける高いクリ
ープラブチャー強度と掌温にお【プる高い引張強度及び
靭性を有するタービン用構造材料を提供できる。この構
造材料で］ンプレッザーディスクを形成した場合には低
圧段落に長翼を使用でき、かつ高圧段落を高温・高圧化
できるために］ンブレッザーの圧力比を高めることか可
能となり、ガスタヒンの高効率化を推進する効果がもた
らされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る構造材料で適用するコンブレラ４
ノー−の構成要部を示す断面図、第２図は同じく高低圧
一体型蒸気タービンロータを示す概略横断面図である。 １・・・コンプレッサーディスク ２・・・動翼 ３・・・静翼 ４・・・締付ポルト ５・・・ケーシング ６・・・タービンロータ ａ部・・・低圧部 す部・・・高圧部 ０部・・・高温部 ｄ部・・・低温部 （８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか　
１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 重量比で、Ｃ０．０５〜０．３０％、Ｓｉ１．０％以下
   （ただし、０を含まず）、Ｍｎ１．０％以下（ただし、
   ０を含まず）、Ｎｉ１．５〜３．５％、Ｃｒ１０〜１５
   ％、Ｍｏ０．５〜２．０％、Ｖ０．０５〜０．５０％、
   Ｗ０．５〜２．０％、Ｎ０．０１〜０．３％、Ｎｂまた
   はＴａの少くとも１種０．０１〜０．５％、残部がＦｅ
   及び付随的不純物から成ることを特徴とするタービン用
   構造材料。