JP6991755B2 - 蒸気タービンのノズル板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、蒸気タービンのノズル板の製造方法に関する。
蒸気タービンにおいて、静翼翼列は、たとえば、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に複数のノズル板（静翼）が配置されたノズルダイアフラムによって構成されている。ノズルダイアフラムにおいて、ノズル板は、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪とのそれぞれに固定されている。
蒸気タービンのノズル板の成形は、一般に、鍛造や圧延で形成された角材について、切削加工を施すことで行われる。このため、上記のようにノズル板を作製する場合には、多くの時間を要する。また、原材料である角材の重量と、最終製品であるノズル板の重量との差が大きいため、歩留まりが低い。このような事情によって、ノズル板の作製は、製造効率が低く、コストの低減が容易でない。つまり、経済性の観点から合理的ではない。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、製造効率が高く、コストの低減を容易に実現可能な、蒸気タービンのノズル板の製造方法を提供することである。
実施形態に係る蒸気タービンのノズル板の製造方法は、準備工程と鋳造工程とを有する。準備工程では、エレクトロスラグ再溶解法により、組成が、質量％で、Ｃ：０．１０～０．１５、Ｓｉ：０．６０以下、Ｍｎ：０．６０以下、Ｎｉ：０．６０以下、Ｃｒ：１２．０～１４．０を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるように形成された金属材料を準備する。鋳造工程では、準備された金属材料を再度溶解した状態で、組成が、質量％で、Ｃ：０．１０～０．１５、Ｓｉ：０．６０以下、Ｍｎ：０．６０以下、Ｎｉ：０．６０以下、Ｃｒ：１２．０～１４．０、Ｎ：０．０１～０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるように、金属成分を添加して、溶解を行うことで溶湯を形成し、前記溶湯を用いて蒸気タービンのノズル板を鋳造する。
最初に、実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）に関して説明する。実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）は、各成分が以下に示す範囲である。
ノズル板（Ｍ１）の組成は、質量％で、Ｃ：０．１０～０．１５、Ｓｉ：０．６０以下、Ｍｎ：０．６０以下、Ｎｉ：０．６０以下、Ｃｒ：１２．０～１４．０、Ｎ：０．０１～０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。
ノズル板（Ｍ２）の組成は、質量％で、Ｃ：０．１０～０．１５、Ｓｉ：０．６０以下、Ｍｎ：０．４０～０．６０、Ｎｉ：０．６０以下、Ｃｒ：１０．０～１１．５、Ｍｏ：０．８０～１．１０、Ｖ：０．１５～０．２５、Ｎｂ：０．０５～０．２０、Ｎ：０．０１～０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。
ノズル板（Ｍ３）の組成は、質量％で、Ｃ：０．１０～０．１５、Ｓｉ：０．６０以下、Ｍｎ：０．４０～０．６０、Ｎｉ：０．６０以下、Ｃｒ：９．２～１０．２、Ｍｏ：０．８０～１．１０、Ｖ：０．１５～０．２５、Ｗ：０．８０～１．１０、Ｎｂ：０．０５～０．１０、Ｎ：０．０１～０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。
ノズル板（Ｍ４）の組成は、質量％で、Ｃ：０．１０～０．１５、Ｓｉ：０．３０以下、Ｍｎ：０．４０～０．６０、Ｎｉ：０．３０以下、Ｃｒ：９．０～１０．５、Ｍｏ：０．５０～０．８０、Ｖ：０．１５～０．２５、Ｗ：１．６０～１．９０、Ｎｂ：０．０１５～０．０２５、Ｃｏ：１．０～３．０、Ｎ：０．０１～０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。
ノズル板（Ｍ５）は、Ｃ：０．１０～０．１５、Ｓｉ：０．３０以下、Ｍｎ：０．４０～０．６０、Ｎｉ：０．３０以下、Ｃｒ：９．０～１０．５、Ｍｏ：０．５０～０．８０、Ｖ：０．１５～０．２５、Ｗ：１．６０～１．９０、Ｎｂ：０．０１５～０．０２５、Ｃｏ：１．０～３．０、Ｂ：０．００５～０．００９、Ｎ：０．０１～０．０３を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。
実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）は、異方性がほとんど生じず、均質な機械的特性を備えると共に、経済性に優れる。なお、上記において、「Ｃ：０．１１～０．１５」等は、Ｃ元素の含有率が０．１１質量％以上、０．１５質量％以下であること等を示している。また、「Ｓｉ：０．６０以下」等は、Ｓｉ元素の含有率が０．６０質量％以下であることを示しており、Ｓｉ元素の含有率がゼロである場合を含む（以下同様）。
実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）において各成分が含有する割合（含有率）を上記範囲に設定した理由に関して説明する。
・Ｃ（炭素）［（Ｍ１）～（Ｍ５）…０．１０～０．１５］
Ｃは、焼入れ性、および、鋳造時の湯流れ性を確保するために必要な成分であるとともに、析出強化に寄与する炭化物を構成する構成元素として不可欠な成分である。実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）において、Ｃの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が小さくなる。Ｃの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、炭化物の凝集が促進されるとともに、鋳造時の偏析傾向が高まるために、補修を含めた溶接性が低下する。このため、実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）では、Ｃの含有率が上記範囲に設定されている。
Ｃは、焼入れ性、および、鋳造時の湯流れ性を確保するために必要な成分であるとともに、析出強化に寄与する炭化物を構成する構成元素として不可欠な成分である。実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）において、Ｃの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が小さくなる。Ｃの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、炭化物の凝集が促進されるとともに、鋳造時の偏析傾向が高まるために、補修を含めた溶接性が低下する。このため、実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）では、Ｃの含有率が上記範囲に設定されている。
・Ｓｉ（ケイ素）［（Ｍ１），（Ｍ２），（Ｍ３）…０．６０以下、（Ｍ４），（Ｍ５）…０．３０以下］
Ｓｉは、脱酸剤として有用であるとともに、溶湯の湯流れ性を改善する成分である。実施形態のノズル板（Ｍ１），（Ｍ２），（Ｍ３）において、Ｓｉの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、靭性の低下および脆化が著しく促進される。また、実施形態のノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）においては、フェライト形成元素を多く含有するため、Ｓｉの含有率を上記範囲の上限値以下にすることで、組織の安定化を実現することができる。このため、実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）では、Ｓｉの含有率が上記範囲に設定されている。
Ｓｉは、脱酸剤として有用であるとともに、溶湯の湯流れ性を改善する成分である。実施形態のノズル板（Ｍ１），（Ｍ２），（Ｍ３）において、Ｓｉの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、靭性の低下および脆化が著しく促進される。また、実施形態のノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）においては、フェライト形成元素を多く含有するため、Ｓｉの含有率を上記範囲の上限値以下にすることで、組織の安定化を実現することができる。このため、実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）では、Ｓｉの含有率が上記範囲に設定されている。
・Ｍｎ（マンガン）［（Ｍ１）…０．６０以下、（Ｍ２）～（Ｍ５）…０．４０～０．６０］
Ｍｎは、脱硫剤として有用な成分である。実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）において、Ｍｎの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、クリープ強度の低下が生ずる。実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）においては、フェライト形成元素を含有するため、Ｍｎの含有率を上記範囲の下限値以上にすることで、組織の安定化を実現することができる。Ｍｎの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、脱硫効果が十分に発現されない。このため、実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）では、Ｍｎの含有率が上記範囲に設定されている。
Ｍｎは、脱硫剤として有用な成分である。実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）において、Ｍｎの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、クリープ強度の低下が生ずる。実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）においては、フェライト形成元素を含有するため、Ｍｎの含有率を上記範囲の下限値以上にすることで、組織の安定化を実現することができる。Ｍｎの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、脱硫効果が十分に発現されない。このため、実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）では、Ｍｎの含有率が上記範囲に設定されている。
・Ｎｉ（ニッケル）［（Ｍ１），（Ｍ２），（Ｍ３）…０．６０以下、（Ｍ４），（Ｍ５）…０．３０以下］
Ｎｉは、焼入れ性および靭性を向上させる成分であるとともに、フェライトの生成を抑制する効果を有する成分である。実施形態のノズル板（Ｍ１），（Ｍ２），（Ｍ３）において、Ｎｉの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、クリープ強度の低下が生ずる。実施形態のノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）においては、Ｃｏ（コバルト）成分を含んでおり、Ｎｉの含有率を上記範囲の下限値以上にすることで、クリープ強度の低下を抑制し、組織の安定化および優れた高温特性を実現することができる。このため、実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）では、Ｎｉの含有率が上記範囲に設定されている。
Ｎｉは、焼入れ性および靭性を向上させる成分であるとともに、フェライトの生成を抑制する効果を有する成分である。実施形態のノズル板（Ｍ１），（Ｍ２），（Ｍ３）において、Ｎｉの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、クリープ強度の低下が生ずる。実施形態のノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）においては、Ｃｏ（コバルト）成分を含んでおり、Ｎｉの含有率を上記範囲の下限値以上にすることで、クリープ強度の低下を抑制し、組織の安定化および優れた高温特性を実現することができる。このため、実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）では、Ｎｉの含有率が上記範囲に設定されている。
・Ｃｒ（クロム）［（Ｍ１）…Ｃｒ：１２．０～１４．０、（Ｍ２）…Ｃｒ：１０．０～１１．５、（Ｍ３）…Ｃｒ：９．２～１０．２、（Ｍ４），（Ｍ５）…Ｃｒ：９．０～１０．５］
Ｃｒは、耐酸化性および耐食性の向上に有効な成分であるとともに、析出強化に寄与する炭窒化物の構成元素として不可欠な成分である。実施形態のノズル板（Ｍ１）から（Ｍ５）において、Ｃｒの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、調質熱処理の実施においてＣｒを構成元素として析出する析出物（炭窒化物）が少なくなるため、高温安定性が十分に確保できない場合がある。Ｃｒの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、デルタフェライトの生成量が増加する。実施形態のノズル板（Ｍ１）から（Ｍ５）においては、フェライト形成元素（Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖなど）の含有割合に応じて、Ｃｒの含有割合を制御することで、特性のバランスを調整している。
Ｃｒは、耐酸化性および耐食性の向上に有効な成分であるとともに、析出強化に寄与する炭窒化物の構成元素として不可欠な成分である。実施形態のノズル板（Ｍ１）から（Ｍ５）において、Ｃｒの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、調質熱処理の実施においてＣｒを構成元素として析出する析出物（炭窒化物）が少なくなるため、高温安定性が十分に確保できない場合がある。Ｃｒの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、デルタフェライトの生成量が増加する。実施形態のノズル板（Ｍ１）から（Ｍ５）においては、フェライト形成元素（Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖなど）の含有割合に応じて、Ｃｒの含有割合を制御することで、特性のバランスを調整している。
・Ｍｏ（モリブデン）［（Ｍ１）…０、（Ｍ２），（Ｍ３）…０．８０～１．１０、（Ｍ４），（Ｍ５）…０．５０～０．８０］
Ｍｏは、固溶強化に寄与する成分であると共に、炭窒化物の構成元素であって析出強化に寄与する成分である。Ｍｏは、高温環境において長時間の加熱処理が行われるときに析出される析出物の構成元素である。実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）において、Ｍｏの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、固溶強化に寄与するＭｏの量を長時間にわたって高く維持することが困難になる。Ｍｏの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、靭性が低下すると共に、フェライトの生成が促進される。このため、実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）では、Ｍｏの含有率を上記範囲にした。なお、実施形態のノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）は、Ｗ（タングステン）成分の含有割合が大きいので、高温特性を維持すると共にフェライトの生成を抑制するために、ノズル板（Ｍ２），（Ｍ３）の場合よりも、Ｍｏの含有割合が小さい。
Ｍｏは、固溶強化に寄与する成分であると共に、炭窒化物の構成元素であって析出強化に寄与する成分である。Ｍｏは、高温環境において長時間の加熱処理が行われるときに析出される析出物の構成元素である。実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）において、Ｍｏの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、固溶強化に寄与するＭｏの量を長時間にわたって高く維持することが困難になる。Ｍｏの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、靭性が低下すると共に、フェライトの生成が促進される。このため、実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）では、Ｍｏの含有率を上記範囲にした。なお、実施形態のノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）は、Ｗ（タングステン）成分の含有割合が大きいので、高温特性を維持すると共にフェライトの生成を抑制するために、ノズル板（Ｍ２），（Ｍ３）の場合よりも、Ｍｏの含有割合が小さい。
・Ｖ（バナジウム）［（Ｍ１）…０、（Ｍ２）～（Ｍ５）…０．１５～０．２５］
Ｖは、固溶強化に寄与する成分であると共に、微細な炭窒化物の形成に寄与する成分である。実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）において、Ｖの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が十分でない。Ｖの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、靭性の低下が生ずる。このため、実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）では、Ｖの含有率を上記範囲にした。
Ｖは、固溶強化に寄与する成分であると共に、微細な炭窒化物の形成に寄与する成分である。実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）において、Ｖの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が十分でない。Ｖの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、靭性の低下が生ずる。このため、実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）では、Ｖの含有率を上記範囲にした。
・Ｗ（タングステン）［（Ｍ１），（Ｍ２）…０、（Ｍ３）…０．８０～１．１０、（Ｍ４），（Ｍ５）…１．６０～１．９０］
Ｗは、固溶強化に寄与する成分であると共に、炭窒化物の構成元素であって析出強化に寄与する成分である。Ｗは、特にＭｏと共に複合的に添加された場合には、析出物の高温安定性を著しく高めることができる。Ｗは、高温環境において長時間の加熱処理が行われるときに、析出物の構成元素になる。実施形態のノズル板（Ｍ３），（Ｍ４），（Ｍ５）において、Ｗの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、固溶強化に寄与するＷの量を長時間にわたって高く維持することが困難になる。Ｗの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、靭性が低下すると共に、フェライトの生成が促進される。このため、実施形態のノズル板（Ｍ３），（Ｍ４），（Ｍ５）では、Ｗの含有率を上記範囲にした。なお、ノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）においては、ノズル板（Ｍ３）の場合よりもＷの含有割合が大きいので、さらに良好な高温特性を実現することが可能であって、上述したように、フェライトの生成を抑制するために、Ｍｏの含有割合がノズル板（Ｍ３）の場合よりも小さくなっている。
Ｗは、固溶強化に寄与する成分であると共に、炭窒化物の構成元素であって析出強化に寄与する成分である。Ｗは、特にＭｏと共に複合的に添加された場合には、析出物の高温安定性を著しく高めることができる。Ｗは、高温環境において長時間の加熱処理が行われるときに、析出物の構成元素になる。実施形態のノズル板（Ｍ３），（Ｍ４），（Ｍ５）において、Ｗの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、固溶強化に寄与するＷの量を長時間にわたって高く維持することが困難になる。Ｗの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、靭性が低下すると共に、フェライトの生成が促進される。このため、実施形態のノズル板（Ｍ３），（Ｍ４），（Ｍ５）では、Ｗの含有率を上記範囲にした。なお、ノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）においては、ノズル板（Ｍ３）の場合よりもＷの含有割合が大きいので、さらに良好な高温特性を実現することが可能であって、上述したように、フェライトの生成を抑制するために、Ｍｏの含有割合がノズル板（Ｍ３）の場合よりも小さくなっている。
・Ｎｂ（ニオブ）［（Ｍ１）…０、（Ｍ２）…０．０５～０．２０、（Ｍ３）…０．０５～０．１０、（Ｍ４），（Ｍ５）…０．０１５～０．０２５］
Ｎｂは、固溶強化に寄与する成分であると共に、微細な炭窒化物の形成に寄与する。実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）において、Ｎｂの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が十分でない。Ｎｂの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、粗大なＮｂ炭窒化物の生成量が増加する。このため、実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）では、Ｎｂの含有率を上記範囲にしている。なお、ノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）では、Ｗの含有割合が大きく、粗大なＮｂ炭窒化物の生成量が増加しやすいため、ノズル板（Ｍ２），（Ｍ３）の場合よりもＮｂ成分の含有割合が小さい。
Ｎｂは、固溶強化に寄与する成分であると共に、微細な炭窒化物の形成に寄与する。実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）において、Ｎｂの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が十分でない。Ｎｂの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、粗大なＮｂ炭窒化物の生成量が増加する。このため、実施形態のノズル板（Ｍ２）～（Ｍ５）では、Ｎｂの含有率を上記範囲にしている。なお、ノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）では、Ｗの含有割合が大きく、粗大なＮｂ炭窒化物の生成量が増加しやすいため、ノズル板（Ｍ２），（Ｍ３）の場合よりもＮｂ成分の含有割合が小さい。
・Ｃｏ（コバルト）［（Ｍ１），（Ｍ２），（Ｍ３）…０、（Ｍ４），（Ｍ５）…１．０～３．０］
Ｃｏは、フェライトの生成を抑制する効果に寄与する成分である。実施形態のノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）において、Ｃｏの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が十分でない。Ｃｏの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、金属間化合物の析出が促進され、クリープ強度が低下する。このため、実施形態のノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）では、Ｃｏの含有率を上記範囲にした。
Ｃｏは、フェライトの生成を抑制する効果に寄与する成分である。実施形態のノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）において、Ｃｏの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、上述した作用および効果が十分でない。Ｃｏの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、金属間化合物の析出が促進され、クリープ強度が低下する。このため、実施形態のノズル板（Ｍ４），（Ｍ５）では、Ｃｏの含有率を上記範囲にした。
・Ｎ（窒素）［（Ｍ１）～（Ｍ５）…０．０１～０．０３］
Ｎは、窒化物あるいは炭窒化物を形成することによって析出強化に寄与する成分である。さらに、母相に残存するＮは、固溶強化にも寄与する。Ｎは、たとえば、大気中で鋳造が行われたときにノズル板に溶解して吸収される。実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）において、Ｎの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、調質熱処理の実施によって生成される炭窒化物の生成量が少なくなり、十分でなくなる。Ｎの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、窒化物の粗大化を促進し、析出強化作用が低下する。このため、実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）では、Ｎの含有率を上記範囲にした。
Ｎは、窒化物あるいは炭窒化物を形成することによって析出強化に寄与する成分である。さらに、母相に残存するＮは、固溶強化にも寄与する。Ｎは、たとえば、大気中で鋳造が行われたときにノズル板に溶解して吸収される。実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）において、Ｎの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、調質熱処理の実施によって生成される炭窒化物の生成量が少なくなり、十分でなくなる。Ｎの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、窒化物の粗大化を促進し、析出強化作用が低下する。このため、実施形態のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）では、Ｎの含有率を上記範囲にした。
・Ｂ（ホウ素）［（Ｍ１）～（Ｍ４）…０、（Ｍ５）…０．００５～０．００９］
Ｂは、粒界近傍の変形抵抗を高め、高温クリープ強度の向上に寄与する成分である。
実施形態のノズル板（Ｍ５）において、Ｂの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、高温クリープ強度の向上が十分でない。Ｂの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、溶接の際に割れが生ずる場合がある。このため、実施形態のノズル板（Ｍ５）では、Ｂの含有率を上記範囲にした。
Ｂは、粒界近傍の変形抵抗を高め、高温クリープ強度の向上に寄与する成分である。
実施形態のノズル板（Ｍ５）において、Ｂの含有率が上記範囲の下限値未満である場合、高温クリープ強度の向上が十分でない。Ｂの含有率が上記範囲の上限値を超える場合、溶接の際に割れが生ずる場合がある。このため、実施形態のノズル板（Ｍ５）では、Ｂの含有率を上記範囲にした。
以下より、実施形態において、上記のノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）を製造する方法について説明する。
本実施形態では、まず、エレクトロスラグ再溶解法で形成された金属材料を準備する準備工程を行う。ここでは、エレクトロスラグ再溶解法で形成された金属材料の組成は、質量％で、Ｃ：０．１０～０．１５、Ｓｉ：０．６０以下、Ｍｎ：０．６０以下、Ｎｉ：０．６０以下、Ｃｒ：１２．０～１４．０を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。なお、エレクトロスラグ再溶解法では、消耗電極を溶融スラグに浸漬させて通電し、スラグのジュール熱によって消耗電極を再溶解し、溶融スラグ中を通過した溶鋼の液滴を水冷鋳型内で積層させて凝固させることによって、金属材料であるインゴットを得る。
つぎに、準備工程で準備した金属材料を用いて、鋳造によりノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）を形成する鋳造工程を行う。ここでは、エレクトロスラグ再溶解法で形成された金属材料を、再度、溶解する。このとき、必要に応じて、ノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）の各成分になるように金属成分を添加して、溶解を行うことで、溶湯を形成する。そして、その溶湯を用いて鋳造を行うことで、ノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）の形成を行う。
本実施形態では、たとえば、大気中において精密鋳造法で鋳造を行うことによって、ノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）の形成を行う。具体的には、ロウ（ワックス）でノズル板の形状に原型を形成する。つぎに、その原型の周囲を鋳砂で覆って固めた後に、ロウを溶解させて除去することで砂型を作製する。つぎに、上記のノズル板を構成する各成分を溶解した溶湯を砂型に流し込んだ後に、冷却することで、鋳物（鋳鋼）であるノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）を形成する。
その後、ノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）について調質熱処理を行う。ここでは、調質熱処理として、焼鈍、焼ならし、焼入れ（冷却）、および、焼戻しを順次行う。最後に、仕上げ加工を行うことによって、ノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）を完成させる。
上記のように、本実施形態の準備工程では、エレクトロスラグ再溶解法で形成された金属材料を準備する。このため、ノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）は、不純物の含有率が小さく、均質性が高い。つまり、本実施形態では、スクラップを使用しないため、スクラップに含有する各成分元素の含有割合および不純物の含有割合を溶解時に分析して、精錬等で調整する必要がない。数１０トンを超える規模で溶解を行って製作した金属材料を用いているので、鋳造品であるノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）は、安定した品質で最終的に作製される。また、本実施形態では、エレクトロスラグ再溶解法で形成された金属材料の組成が上記の含有割合であるので、ノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）の作製を効率的に行うことができる。このように、本実施形態に係るノズル板の製造方法は、製造効率が高く、コストの低減を容易に実現することができる。なお、エレクトロスラグ再溶解法で形成された金属材料の組成について上記した含有割合にする理由は、エレクトロスラグ再溶解法で形成された金属材料が、ノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）の基本組成となる含有割合であるため、Ｍｏ，Ｖ，Ｗ，Ｎｂ等の強化元素を添加していくこと、および、Ｃｒ量を希釈することによって、容易にノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）の形成を行うことが可能になるためである。
さらに、上記のように、本実施形態の鋳造工程では、精密鋳造法でノズル板の作製を行うため、製作期間を短縮化することができる。たとえば、鍛造や圧延で形成された角材について切削加工を施すことでノズル板を作製する場合には、７～９ヶ月の製作期間が必要になる。これに対して、ノズル板を精密鋳造法で作製する場合には、製作期間は、２～３ヶ月であり、製作期間を効果的に短縮することができる。
以下より、本実施形態において、上記のノズル板（静翼）で構成された静翼翼列を含む蒸気タービンに関して図１を用いて説明する。図１では、鉛直面（ｙｚ面）に沿った断面を示している。
図１に示すように、蒸気タービン１は、回転機械であって、蒸気が作動流体として供給されることによって、タービンロータ２２が回転するように構成されている。ここでは、蒸気タービン１は、軸流タービンであって、タービンロータ２２の回転軸ＡＸに沿った水平方向ｙを流れ方向として蒸気が流れる。蒸気タービン１は、多段式であって、動翼２１と静翼２５とで構成されたタービン段落が回転軸ＡＸに沿った軸方向に複数段並んでおり、蒸気が複数のタービン段落のそれぞれにおいて仕事を行う。これにより、蒸気タービン１においてタービンロータ２２が回転する。以下より、蒸気タービン１を構成する各部の詳細について説明する。
ケーシング２０は、内部にタービンロータ２２を収容している。タービンロータ２２は、一端が発電機（図示省略）に連結されており、タービンロータ２２の回転によって、発電機（図示省略）が駆動して発電が行われる。タービンロータ２２には、ロータディスク２２１が外周面に複数設けられている。タービンロータ２２に設けられたロータディスク２２１の外周面には、動翼２１が設置されている。動翼２１は、タービンロータ２２の外周面を囲うように、複数がタービンロータ２２の周方向Ｒ（回転方向）において間を隔てて配置されており、動翼翼列を構成している。動翼翼列は、複数段であって、複数段の動翼翼列のそれぞれは、タービンロータ２２の回転軸ＡＸに沿って並んでいる。
ケーシング２０の内部には、ノズルダイアフラム１０が設置されている。ノズルダイアフラム１０は、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４と静翼２５とによって構成されている。ノズルダイアフラム１０において、ダイアフラム外輪２３は、ケーシング２０の内周面に設置されている。ダイアフラム内輪２４は、ダイアフラム外輪２３の内側にダイアフラム外輪２３から間を隔てて設置されている。静翼２５は、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４との間に複数が設置されている。
ここでは、複数の静翼２５は、タービンロータ２２の外周面を囲うように周方向Ｒに間を隔てて配置されており、静翼翼列を構成している。静翼翼列は、動翼翼列と同様に、複数段であって、複数段の静翼翼列がタービンロータ２２の回転軸ＡＸに沿って並ぶように設けられている。
蒸気タービン１においては、蒸気入口管２８がケーシング２０の入口を貫通しており、その蒸気入口管２８を介して、蒸気がケーシング２０の内部に作動流体として導入される。
本実施形態において、静翼２５は、上記したノズル板であって、運転温度に応じたノズル板を用いて形成されている。
なお、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４との間に静翼２５としてノズル板を配置する他に、ケーシング２０（タービン車室）に静翼２５として複数のノズル板を周方向Ｒに配置してもよい。
以下より、上記したノズル板の実施例および比較例に関して、表１から表４を用いて説明する。
表１から表４において、Ｐ１～Ｐ１４は、実施例であり、Ｃ１～Ｃ８は、比較例である。ここでは、強化元素成分（Ｃｒ元素以外のフェライト形成元素を組成に含まないノズル板（Ｍ１）に関しては、実施例がＰ７～Ｐ９であって、比較例がＣ１，Ｃ２である（ノズル板（Ｍ１）は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎ、Ｆｅ、および、不可避的不純物からなる）。Ｗ（タングステン）成分を組成に含まないノズル板（Ｍ２）に関しては、実施例がＰ４～Ｐ６であって、比較例がＣ３，Ｃ４である（ノズル板（Ｍ２）は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｎ、Ｆｅ、および、不可避的不純物からなる）。Ｗ（タングステン）成分を組成に含むノズル板（Ｍ３）に関しては、実施例がＰ１～Ｐ３であって、比較例がＣ１，Ｃ２である（ノズル板（Ｍ３）は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎ、Ｆｅ、および、不可避的不純物からなる）。Ｃｏ（コバルト）成分を組成に含むノズル板（Ｍ４）に関しては、実施例がＰ１０～Ｐ１２であって、比較例がＣ７である（ノズル板（Ｍ４）は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｎ、Ｆｅ、および、不可避的不純物からなる）。Ｃｏ（コバルト）成分とホウ素（Ｂ）成分とを組成に含むノズル板（Ｍ５）に関しては、実施例がＰ１３，Ｐ１４であって、比較例がＣ６，Ｃ８である（ノズル板（Ｍ５）は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｏ、Ｂ、Ｎ、Ｆｅ、および、不可避的不純物からなる。）。
［ノズル板の作製］
まず、各例のノズル板を作製するために、エレクトロスラグ再溶解法で形成された金属材料を準備した。ここでは、表１に示す成分を有し、直径が１００ｍｍである円柱形状の丸棒を金属材料として準備した。
まず、各例のノズル板を作製するために、エレクトロスラグ再溶解法で形成された金属材料を準備した。ここでは、表１に示す成分を有し、直径が１００ｍｍである円柱形状の丸棒を金属材料として準備した。
つぎに、準備した金属材料を用いて、鋳造により各例のノズル板を形成した。ここでは、エレクトロスラグ再溶解法で形成された金属材料を、再度、溶解した。このとき、表２に示すように、各例のノズル板の成分になるように必要に応じて金属成分を添加して溶解を行った。そして、大気中で鋳造を行うことで、ノズル板形状の鋳物を作製した。なお、表２において「＜０．０１」の表示は、成分分析の検出限界未満であることを示しており、０．００質量％を超え、０．０１質量％未満であることを示している。
つぎに、ノズル板形状の鋳物について調質熱処理を行った。ここでは、調質熱処理として、焼鈍、焼ならし、焼入れ、および、焼戻しを順次行うことで、各例のノズル板を作製した。焼鈍、焼ならし、焼入れ、および、焼戻しは、表３に示す条件で行った。各例のノズル板は、常温での引張強さが７００ＭＰａ程度になるように作製された。
［試験］
各例のノズル板に関して試験を行った結果を表４に示す。
各例のノズル板に関して試験を行った結果を表４に示す。
表４に示すように、各例のノズル板に関して、５００℃における引張強さ（ＪＩＳ Ｚ ２２４１）、および、５５０℃における１０万時間クリープ破断強度（ＪＩＳ Ｚ ２２７１）を求めた。ここでは、ＪＩＳ４号試験片を用いて、５００℃で引張試験を行った。これにより、５００℃における引張強さを測定すると共に、クリープ破断強度の測定結果から、「５５０℃における１０万時間クリープ破断強度」を算出した。
表４に示すように、各例のノズル板に関して、「溶接施工」の試験を行った。「溶接施工」の試験は、以下の手順で行った。焼戻しが施されたノズル板を板厚が１０ミリである平板に加工した。そして、その平板を２５０℃に予熱した後、ＡｒガスとＣＯ２ガスとが混合されたガスシールド環境で、９％Ｃｒ溶接棒を用いて平板に溶接ビードを施工した。そして、その平板のうち溶接部の近傍について割れの発生有無を確認した。表４では、溶接時に溶接部に割れが発生しない場合を「○」で示し、溶接時に溶接部に割れが発生した場合を「×」で示している。
Ｐ１～Ｐ３と、Ｃ１，Ｃ２との間で試験結果を比較すると、「５００℃における引張強さ」は、両者の間で同等である。しかし、「１０万時間クリープ破断強度」は、Ｐ１～Ｐ３の方がＣ１よりも高い。「溶接施工」において、Ｐ１～Ｐ３は、溶接部に割れが生じていないが、Ｃ２は、溶接部に割れが発生した。Ｐ１～Ｐ３を構成する各成分の含有割合は、Ｃ１，Ｃ２の場合と異なり、上記したノズル板（Ｍ３）を構成する各成分の含有割合の範囲内である。このため、Ｐ１～Ｐ３は、上記のように、優れた機械的特性を備える。
Ｐ４～Ｐ６と、Ｃ３，Ｃ４との間で試験結果を比較すると、「５００℃における引張強さ」は、Ｐ４～Ｐ６の方がＣ３，Ｃ４よりも高い。「１０万時間クリープ破断強度」も同様に、Ｐ４～Ｐ６の方がＣ３，Ｃ４よりも高い。「溶接施工」において、Ｐ４～Ｐ６は、溶接部に割れが生じていないが、Ｃ３は、溶接部に割れが発生した。Ｐ４～Ｐ６を構成する各成分の含有割合は、Ｃ３，Ｃ４の場合と異なり、上記したノズル板（Ｍ２）を構成する各成分の含有割合の範囲内である。このため、Ｐ４～Ｐ６は、上記のように、優れた機械的特性を備える。
Ｐ７～Ｐ９と、Ｃ５との間で試験結果を比較すると、「５００℃における引張強さ」は、Ｐ７～Ｐ９の方がＣ５よりも高い。「１０万時間クリープ破断強度」も同様に、Ｐ４～Ｐ６の方がＣ５よりも高い。「溶接施工」において、Ｐ７～Ｐ９は、溶接部に割れが生じていない。Ｐ７～Ｐ９を構成する各成分の含有割合は、Ｃ５の場合と異なり、上記したノズル板（Ｍ１）を構成する各成分の含有割合の範囲内である。このため、Ｐ７～Ｐ９は、上記のように、優れた機械的特性を備える。
Ｐ１０～Ｐ１２と、Ｃ７との間で試験結果を比較すると、「５００℃における引張強さ」は、互いに同様であるが、「１０万時間クリープ破断強度」は、Ｐ１０～Ｐ１２の方がＣ７よりも高い。「溶接施工」において、Ｐ１０～Ｐ１２は、溶接部に割れが生じていない。Ｐ１０～Ｐ１２を構成する各成分の含有割合は、Ｃ７の場合と異なり、上記したノズル板（Ｍ４）を構成する各成分の含有割合の範囲内である。このため、Ｐ１０～Ｐ１２は、上記のように、優れた機械的特性を備える。
Ｐ１３，Ｐ１４と、Ｃ６，Ｃ８との間で試験結果を比較すると、「５００℃における引張強さ」、および、「１０万時間クリープ破断強度」は、互いに同様である。しかし、「溶接施工」において、Ｐ１３，Ｐ１４は、溶接部に割れが生じていないが、Ｃ６，Ｃ８は、溶接部に割れが生じている。Ｐ１３，Ｐ１４を構成する各成分の含有割合は、Ｃ６，Ｃ８の場合と異なり、上記したノズル板（Ｍ５）を構成する各成分の含有割合の範囲内である。このため、Ｐ１３，Ｐ１４は、上記のように、優れた機械的特性を備える。
上記の結果から、ノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）は、優れた機械的特性を備えることが判る。つまり、ノズル板（Ｍ１）～（Ｍ５）においては、「５００℃における引張強さ」および「１０万時間クリープ破断強度」が十分に高く、かつ、「溶接施工」において溶接部に割れが生じないことが判る。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…蒸気タービン、１０…ノズルダイアフラム、２０…ケーシング、２１…動翼、２２…タービンロータ、２２１…ロータディスク、２３…ダイアフラム外輪、２４…ダイアフラム内輪、２５…静翼（ノズル板）、２８…蒸気入口管、ＡＸ…回転軸
Claims (5)
- エレクトロスラグ再溶解法により、組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１５、
Ｓｉ：０．６０以下、
Ｍｎ：０．６０以下、
Ｎｉ：０．６０以下、
Ｃｒ：１２．０～１４．０
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるように形成された金属材料を準備する準備工程と、
準備された前記金属材料を再度溶解した状態で、組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１５、
Ｓｉ：０．６０以下、
Ｍｎ：０．６０以下、
Ｎｉ：０．６０以下、
Ｃｒ：１２．０～１４．０、
Ｎ：０．０１～０．０３
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるように、金属成分を添加して、溶解を行うことで溶湯を形成し、前記溶湯を用いて蒸気タービンのノズル板を鋳造する鋳造工程と
を有する、
蒸気タービンのノズル板の製造方法。 - エレクトロスラグ再溶解法により、組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１５、
Ｓｉ：０．６０以下、
Ｍｎ：０．６０以下、
Ｎｉ：０．６０以下、
Ｃｒ：１２．０～１４．０
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるように形成された金属材料を準備する準備工程と、
準備された前記金属材料を再度溶解した状態で、組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１５、
Ｓｉ：０．６０以下、
Ｍｎ：０．４０～０．６０、
Ｎｉ：０．６０以下、
Ｃｒ：１０．０～１１．５、
Ｍｏ：０．８０～１．１０、
Ｖ：０．１５～０．２５、
Ｎｂ：０．０５～０．２０
Ｎ：０．０１～０．０３
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるように、金属成分を添加して、溶解を行うことで溶湯を形成し、前記溶湯を用いて蒸気タービンのノズル板を鋳造する鋳造工程と
を有する、
蒸気タービンのノズル板の製造方法。 - エレクトロスラグ再溶解法により、組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１５、
Ｓｉ：０．６０以下、
Ｍｎ：０．６０以下、
Ｎｉ：０．６０以下、
Ｃｒ：１２．０～１４．０
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるように形成された金属材料を準備する準備工程と、
準備された前記金属材料を再度溶解した状態で、組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１５、
Ｓｉ：０．６０以下、
Ｍｎ：０．４０～０．６０、
Ｎｉ：０．６０以下、
Ｃｒ：９．２～１０．２、
Ｍｏ：０．８０～１．１０、
Ｖ：０．１５～０．２５、
Ｗ：０．８０～１．１０、
Ｎｂ：０．０５～０．１０、
Ｎ：０．０１～０．０３
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるように、金属成分を添加して、溶解を行うことで溶湯を形成し、前記溶湯を用いて蒸気タービンのノズル板を鋳造する鋳造工程と
を有する、
蒸気タービンのノズル板の製造方法。 - エレクトロスラグ再溶解法により、組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１５、
Ｓｉ：０．６０以下、
Ｍｎ：０．６０以下、
Ｎｉ：０．６０以下、
Ｃｒ：１２．０～１４．０
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるように形成された金属材料を準備する準備工程と、
準備された前記金属材料を再度溶解した状態で、組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１５、
Ｓｉ：０．３０以下、
Ｍｎ：０．４０～０．６０、
Ｎｉ：０．３０以下、
Ｃｒ：９．０～１０．５、
Ｍｏ：０．５０～０．８０、
Ｖ：０．１５～０．２５、
Ｗ：１．６０～１．９０、
Ｎｂ：０．０１５～０．０２５、
Ｃｏ：１．０～３．０、
Ｎ：０．０１～０．０３
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるように、金属成分を添加して、溶解を行うことで溶湯を形成し、前記溶湯を用いて蒸気タービンのノズル板を鋳造する鋳造工程と
を有する、
蒸気タービンのノズル板の製造方法。 - エレクトロスラグ再溶解法により、組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１５、
Ｓｉ：０．６０以下、
Ｍｎ：０．６０以下、
Ｎｉ：０．６０以下、
Ｃｒ：１２．０～１４．０
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるように形成された金属材料を準備する準備工程と、
準備された前記金属材料を再度溶解した状態で、組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．１５、
Ｓｉ：０．３０以下、
Ｍｎ：０．４０～０．６０、
Ｎｉ：０．３０以下、
Ｃｒ：９．０～１０．５、
Ｍｏ：０．５０～０．８０、
Ｖ：０．１５～０．２５、
Ｗ：１．６０～１．９０、
Ｎｂ：０．０１５～０．０２５、
Ｃｏ：１．０～３．０、
Ｂ：０．００５～０．００９
Ｎ：０．０１～０．０３
を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるように、金属成分を添加して、溶解を行うことで溶湯を形成し、前記溶湯を用いて蒸気タービンのノズル板を鋳造する鋳造工程と
を有する、
蒸気タービンのノズル板の製造方法。
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