JPS62192563A

JPS62192563A - ガスタ−ビン用コンプレツサデイスク

Info

Publication number: JPS62192563A
Application number: JP3305386A
Authority: JP
Inventors: Masao Shiga; 志賀　正男; Hiroshi Fukui; 寛福井; Mitsuo Kuriyama; 栗山　光男; Yoshimi Maeno; 前野　良美; Nobuyuki Iizuka; 飯塚　信之
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-02-19
Filing date: 1986-02-19
Publication date: 1987-08-24

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４００〜４５０Ｃにおいて高いクリープ
破断強度及び寥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
サディスク。

〔従来の技術〕

現在、ガスタービン用コンプレッサディスクにはＣｒ−
ＭＯ−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１，１００ｔ：’から、１，３００Ｃ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−ＭＯ−Ｖ鋼より高い構造材料
としてオーステナイト鋼、Ｎ１ＸＱ＆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Ｃ
ｏ基合金は望ましくない。また、オーステナイト鋼は４
００〜４５０Ｃ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５８−４５３５９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４００〜４５０Ｃ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、４００〜４５０Ｃにおいて高いクリー
プ破断強度を有し、且つ室温において旨い靭性を有する
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
プレッサディスクを提供するにある。

〔問題点を解決する之めの手段〕

本発明ｎ、４５０ＣでＮ０万時間クリープ破断強度が４
５４／ｍｍ！以上、２０ＣＶノツチシヤルピー衝撃値が
５に＃−ｆｎ／３”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
ッサディスクにある。

本発明の目的である４００〜４５０Ｃ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求明された。

Ｃ０．０５〜（１１５％、Ｖ０．１−（Ｌ３％３ｉ１％
以下　　　　、Ｎｂα０２〜α２％Ｍ　ｎ　１．５％以
下　　　、ＮＯα０２〜０．１％Ｎｉ１〜？、５％　　
　、残部がｐｅおよび不純物Ｃｒ８〜１３％Ｍ　ｏ　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＝−４００−２Ｍｎ−４Ｎｉ−３ＯＮ＋　Ｃｒ
　４４　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を添加すると衝撃逼
が低くなるもの、り、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求明された。

□　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９００ｔｌ：’、最高１１１
５００に均一加熱し、マルテンサイト組織が得られる１
　０ＱＣ／ｈ以上の速度で急冷し、次いで４５０〜６０
０Ｃの温度に加熱保持しく第１次焼もどし）、次いで５
５０〜６５０Ｃの温度に刃口熱保持し第２次焼もどじを
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
最も重要なのはクリープ破断強度であり、設計許容応力
はＮ０万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４５０ｃ。

１０’ｈクリ一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ノン−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底０．ＯＳ％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１、めでα１５％以
下にしなければならカル最も０．０７〜０，１２％が好
ましい。

３ｉは脱酸剤、Ｍｎは脱酸ｅ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
７エライト生成元索であり、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Ｓｌ添加の必要
がない。

ＳＬ低減は使珀中脱化の防止効果がおり、α３％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δ７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〜ＩＬ５％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分であり
、１５％以上になるとδフエライト生成原因に々るので
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。Ｖ　０．１％、Ｎｂ０．０２％以
下ではその効果が不十分であり、’７０．３％、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
ｖ　０．　ｉ　ｓ〜０．２０％、Ｎｂ０．　０４〜０．
０８％が好ましい。ＴａもＮｂと同じ効果がある。

Ｎｉ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、２５
％以上では長時間クリープ破断強度を低下させる。特Ｖ
Ｃ１，５〜２．０％特Ｋ　１．７〜１．９％が好ましい
。

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＼、高温
で長時間便用中に靭化し難いこともＪｔ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。

４５　Ｏｒ、　　１０’　ｔｌ　ＩＪ−フ破Ｌｉｊ［ｉ
ａ　ｓＫ＃／ｍｍ２以上で、２０ｔｌｌ’Ｖノツチシヤ
ルピー衝堪値が５　Ｋｌｌ　−ｍ　／　ｃｍ　”以上が
必要である。特に、前者が５０〜／ｍｍ２以上、後者が
９り−ｍ／１２以上が好ましい。ＦＡＴＴｄ２０Ｃ以下
、特に１５Ｃ以下が好ましい゛。特に、高温脆化も大事
な要因であり、５００Ｃでλｏｏｏｈ加熱後の室温のＶ
ノツチシャルピー衝撃値が３に＃　　ｍ／ｃｍ”以上、
特に７　Ｋ９−　Ｉｎ　１０ｎ”以上とすることが好ま
しい。

〔実施列〕

。第１表に示す組成（重量％）の試料をそれぞれ２０に
＃溶解し、１１５０ｃ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ノッチンヤ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。ＮＯ２はｃｒ適当量高くδフ
エライト組織を５％含み９５％焼もどマルテンサイト組
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　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、ｘＺｃｒ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Ｃ　ｒｕｃｉｂｌｔ４２２　
Ｊｆ４テある。

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り
−ｍ　／　ｃｍ　”　と高いがクリープ破断強度が４１
．９々／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、本発明材賦香１．２及び２は４５０ＣＳ　
１０’ｈクリ一プ破断強度、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。

５００Ｃで３０００ｈ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＆６〜−ｍ　／　ａｍ　”、賦
香５が＆９に？−ｍ／ｃｍ”、賦香３が＆８Ｋｐ−ｍ／
備２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にｐ−ｍ７ｃｍ”以上、特に、Ｎ
０．７及び５は８Ｋｐ　　ｍ／を一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はデスタントビース、６はコンプレッサデ
ィスク、７はコ／プ１／　ツｆ　７’レード、８はコン
プレツサスタツキングボルト、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ツサティスクを第
１表に示すＮ０．５の材料を用いて構成することＫ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。本発明に係るコンプレッサディスクは前述の本
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ディスクは、４００
〜４５０Ｃクリ一プ破断強虻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を示すガスタービンの断面図
である。

Claims

【特許請求の範囲】１、４５０℃で１０万時間クリープ破断強度が４５Ｋｇ
／ｍｍ＾２以上２０℃Ｖノツチシヤルピー衝撃値が５Ｋ
ｇ−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
プレッサディスク。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ディスク
。３、前記鋼は、重量でＣ０．０５〜０．２０％、Ｓｉ０
．３％以下、Ｍｎ１．５％以下、Ｎｉ１〜２５％、Ｃｒ
１１〜１２．５％、Ｍｏ１．５〜３．５％、Ｖ０．０５
〜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℃、１
０万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
プレッサディスク。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
コンプレッサディスク。