蒸気タービンロータ及びその製造方法
【課題】従来と比べて信頼性の高い蒸気タービンロータを提供する。
【解決手段】軸受８と接するジャーナル部７ａが、第１のクロム鋼又はニッケル基若しくは鉄−ニッケル基からなる基材２上に中間層５を介して前記基材２よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層６を積層して形成された蒸気タービンロータ７であって、前記中間層５は、前記基材２上に摩擦攪拌接合によりオーバーレイ層６を設ける際に形成され、前記中間層５は、前記基材２の合金相２ａと前記第２のクロム鋼の合金相６ａの２相が共に混在していることを特徴とする。
【解決手段】軸受８と接するジャーナル部７ａが、第１のクロム鋼又はニッケル基若しくは鉄−ニッケル基からなる基材２上に中間層５を介して前記基材２よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層６を積層して形成された蒸気タービンロータ７であって、前記中間層５は、前記基材２上に摩擦攪拌接合によりオーバーレイ層６を設ける際に形成され、前記中間層５は、前記基材２の合金相２ａと前記第２のクロム鋼の合金相６ａの２相が共に混在していることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンロータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、蒸気タービンロータには高Ｃｒ鋼が用いられている。また、蒸気温度が７００℃を超える蒸気タービンが開発されており、そのロータには鉄基に代わり、ニッケル基合金、又は鉄−ニッケル基合金が適用されつつある。蒸気タービンロータはそのジャーナル部が軸受によって支承されており、回転軸回りに高速で回転する際には、ジャーナル部は大きな摩擦を受ける。そのため、ジャーナル部と軸受との間では、摩耗や不純物によっていわゆるかじりが生じる場合がある。具体的には、例えば、蒸気タービンロータを形成する高Ｃｒ鋼では、マトリックス金属中にＣｒ系炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）を析出させることで高強度を実現しているが、ジャーナル部でマトリックス金属が摩耗すると、このＣｒ系炭化物がジャーナル部から脱落して軸受との間でかじりを生じさせることとなる。また，ニッケル基についても、Ｃｒを多く含み、Ｃｒ系炭化物が析出するため、同様の事象が考えられる。本明細書では、特に断りがない場合、ニッケル基（Ｎｉ基）、及び鉄−ニッケル基（ＦｅＮｉ基）をまとめてニッケル基（Ｎｉ基）と呼ぶこととする。
従来、このようなかじりを防止する技術として、ジャーナル部を形成する高Ｃｒ鋼からなる基材上に、低Ｃｒ鋼（例えばＣｒＭｏ鋼）からなるオーバーレイ層を肉盛り溶接にて設けるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような技術によれば、Ｃｒ系炭化物を含む基材上に低Ｃｒ鋼からなるオーバーレイ層が形成されるので、Ｃｒ系炭化物によるかじりの発生を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１０４８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献１の技術では、高Ｃｒ鋼（基材）に対して低Ｃｒ鋼（オーバーレイ層）を肉盛り溶接で形成するので、高Ｃｒ鋼（基材）に含まれるＣｒが低Ｃｒ鋼（オーバーレイ層）に移行する。つまり、基材上でクロム濃度の濃度勾配を有する傾斜層（希釈層）が形成される。そのため、オーバーレイ層の表面にクロムの移行を防止するためにはオーバーレイ層を厚くする必要がある。また、肉盛り溶接によってオーバーレイ層を厚く形成しようとすると、溶接不良によってオーバーレイ層に亀裂が生じる虞があり、蒸気タービンロータの信頼性が不充分となる。
そこで、高Ｃｒ鋼からなる基材上に低Ｃｒ鋼（オーバーレイ層）を、例えば溶射によって形成することも考えられる。このような溶射によれば、オーバーレイ層を薄く制御することができる。また、溶射によれば、低Ｃｒ鋼からなる溶射粒子が運ぶ熱量が小さいので、高Ｃｒ鋼からなる基材に対する熱的影響が小さく、オーバーレイ層に基材のＣｒが移行するのを防止することができる。
しかしながら、溶射によって基材上にオーバーレイ層を形成しようとすると、肉盛り溶接と比較して基材と溶射粒子の密着強度が弱くなることから、蒸気タービンロータが高速回転する際に、オーバーレイ層が基材から剥離する虞がある。つまり、溶射でオーバーレイ層が形成された蒸気タービンロータにおいても信頼性が不充分となる。
【０００５】
そこで、本発明は、従来と比べて信頼性の高い蒸気タービンロータ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決する本発明の蒸気タービンロータは、軸受と接するジャーナル部が、第１のクロム鋼又はニッケル基からなる基材上に中間層を介して前記第１のクロム鋼又はニッケル基よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層を積層して形成された蒸気タービンロータであって、前記中間層は、前記基材の合金相と前記第２のクロム鋼の合金相の２相が共に混在していることを特徴とする。
つまり、蒸気タービンロータは、軸受と接するジャーナル部が、第１のクロム鋼、又はクロム含有のニッケル基合金（以下、単にニッケル基ということがある）、若しくはクロム含有の鉄−ニッケル基合金（以下、単に、鉄−ニッケル基ということがある）からなる基材上に、中間層を介して前記基材よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層を積層して形成された蒸気タービンロータであって、前記中間層は、前記基材の合金相との合金相の２相が共に混在していることを特徴とする。 また、前記課題を解決する本発明の蒸気タービンロータの製造方法は、軸受と接するジャーナル部の表面にオーバーレイ層を有する蒸気タービンロータの製造方法であって、第１のクロム鋼からなる前記ジャーナル部の基材上に前記第１のクロム鋼又はニッケル基よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ材を重ね合わせる工程と、前記基材に対して前記オーバーレイ材を摩擦攪拌接合することによって、前記基材上に、前記第１のクロム鋼又はニッケル基の合金相と前記第２のクロム鋼の合金相の２相が共に混在する中間層と、この中間層上に、前記第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層とを積層する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明において、前記オーバーレイ層及び前記オーバーレイ材は、前記第２のクロム鋼に代えて、前記基材よりもクロム濃度が低いクロム含有のニッケル基合金、若しくはクロム含有の鉄−ニッケル基合金で形成される構成とすることもできる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、従来と較べて信頼性の高い蒸気タービンロータ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータの側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータのジャーナル部における部分拡大断面図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータのジャーナル部に形成される中間層及びオーバーレイ層の線分析の結果を示すグラフであり、（ｂ）は、線分析を行った位置を示す中間層及びオーバーレイ層の部分拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータのジャーナル部における基材上にオーバーレイ材を摩擦攪拌接合する様子を示す模式図である。
【図５】（ａ）から（ｃ）は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータの製造方法を説明するための製造工程図である。
【図６】本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータの製造方法において、摩擦攪拌接合ツールの進行方向を説明するためのジャーナル部付近の部分拡大側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態に係る蒸気タービンロータは、軸受と接するジャーナル部が、第１のクロム鋼、又はクロム含有のニッケル基合金（以下では、単にニッケル基ということがある）、若しくは鉄−ニッケル基合金（以下では、単に鉄−ニッケル基ということがある）からなる基材上に、中間層を介して前記基材よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層を積層して形成された蒸気タービンロータであって、前記中間層は、前記基材の合金相と前記第２のクロム鋼の合金相の２相が共に混在していることを特徴とする。
図１に示すように、本実施形態に係る蒸気タービンロータ７は、高低圧一体型のものであり、ブレード２０が、高圧部Ｈで６段、中圧部Ｍで４段、並びに低圧部Ｌ及び低圧最終段部ＬＬで４段の合計１４段となるように植設されている。
図１中、符号７ｃはフランジ部であり、符号７ａは、軸受８（図１中、破線で記す）に支承されると共にこの軸受８と接するジャーナル部である。
ちなみに、本実施形態での蒸気タービンロータ７は、５５０℃前後から７２０℃前後の雰囲気に曝されるので、高圧部Ｈと低圧最終段部ＬＬとでは異なった組成と特性を有する合金が使用されているが、ジャーナル部７ａは、後に詳しく説明する高Ｃｒ（クロム）鋼又はニッケル基からなる基材２（図２参照）上に、後に詳しく説明する低Ｃｒ鋼からなるオーバーレイ層６（図２参照）を有して構成されている。
なお、蒸気タービンロータ７では、２つのジャーナル部７ａを有しているが、これらのジャーナル部７ａは同じ層構成となっているので、以下では低圧側（図１の紙面右側）のジャーナル部７ａについて説明し、高圧側（図１の紙面左側）のジャーナル部７ａについてはその説明を省略する。
【００１０】
図２に示すように、ジャーナル部７ａは、後記する第１のクロム鋼（高Ｃｒ鋼）からなる基材２上に、中間層５を介して前記第１のクロム鋼又はニッケル基よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼（低Ｃｒ鋼）からなるオーバーレイ層６を備えて構成されている。
【００１１】
基材２を構成する第１のクロム鋼としては、鋼であれば、クロム濃度が９質量％から１３質量％のものが望ましい。クロム濃度が９質量％以上の第１のクロム鋼からなる基材２は、クロム系炭化物（例えば、Ｃｒ２３Ｃ６）をこの第１のクロム鋼中に十分に析出させることができるので、高温強度に優れたものとなる。ちなみに、クロム濃度が９質量％以上の第１のクロム鋼からなる基材２は、耐酸化性にも優れたものとなる。また、クロム濃度が１３質量％以下の第１のクロム鋼からなる基材２は、高温での靭性に優れたものとなる。
このような第１のクロム鋼としては、クロム耐熱鋼、ステンレス鋼等が挙げられ、より具体的には、例えばマルテンサイト系のＳＵＳ４０４、ＳＵＳ４２０、フェライト系のＳＵＳ４０５等が挙げられる。
ニッケル基、又は鉄−ニッケル基であれば，クロム濃度が１５質量％から３０質量％のものが望ましい。クロムが１５質量％以上のニッケル基、又は鉄−ニッケル基をロータ基材に適用する場合、曝される温度が高くなるため、より高温強度を高くするため、また、耐酸化性を向上させるのに効果的である。また３０質量％以下のニッケル基、又は鉄−ニッケル基では、長時間の相安定性に優れたものとなる。
【００１２】
オーバーレイ層６を構成する第２のクロム鋼としては、クロム濃度が０．５質量％から３質量％のものが望ましい。クロム濃度が３質量％以下の第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層６は、前記した軸受８に支承されて回転するジャーナル部７ａの摺動性が良好となると共に、熱伝導率が良好なものとなる。
このような第２のクロム鋼としては、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼、ＣｒＭｏ鋼等が挙げられる。
ちなみに、本実施形態でのオーバーレイ層６は、後記するように、前記基材２上に重ね合わせられたオーバーレイ材１（図４参照）を、この基材２に対して摩擦攪拌接合することで形成されたものである。つまり、オーバーレイ材１（図４参照）は、オーバーレイ層６と同じ第２のクロム鋼からなる。
【００１３】
中間層５は、基材２とオーバーレイ層６との間に介在する層であり、基材２を構成する第１のクロム鋼又はニッケル基の合金相２ａと、オーバーレイ層６を構成する第２のクロム鋼の合金相６ａとが混在する混在層である。この中間層５は、従来の肉盛り溶接(例えば、特許文献１参照)で基材とオーバーレイ層とが溶接時の高温で溶け合うことで形成される、クロムの濃度勾配を有する傾斜層（希釈層）とはならない。言い換えれば、中間層５は、従来の肉盛り溶接で形成される傾斜層、つまり基材合金とオーバーレイ合金とが溶融しあって形成されるものと異なって、基材２（第１のクロム鋼のニッケル基の合金相２ａ）とオーバーレイ層６（第２のクロム鋼の合金相６ａ）とが塑性流動して形成されたものである。
【００１４】
なお、図２では、第１のクロム鋼又はニッケル基の合金相２ａと、オーバーレイ層６を構成する第２のクロム鋼の合金相６ａとが、のこぎり状に噛み合うように図示されているが、これは中間層５で合金相２ａと合金相６ａとが混在する様子を模式的に誇張して示したものであり、実際の混在状態を示すものではない。つまり、本実施形態での中間層５は、少なくとも合金相２ａと合金相６ａとが混在する層であればその混在状態は特に制限はない。したがって、合金相２ａと合金相６ａとは、図示しないが、中間層５で例えばマーブル模様状に不定形に混在するものであってもよい。
【００１５】
ここで、本実施形態での「合金相２ａと合金相６ａとの混在」についてさらに具体的に説明する。次に参照する図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータのジャーナル部に形成される中間層及びオーバーレイ層の線分析の結果を示すグラフであり、図３（ｂ）は、線分析を行った位置を示す中間層及びオーバーレイ層の部分拡大断面図である。図３（ｂ）中、符号２は第１のクロム鋼又はニッケル基からなる基材、符号６は第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層、符号５は中間層、符号２ａは中間層５における第１のクロム鋼の合金相、符号６ａは中間層５における第２のクロム鋼の合金相である。また、図３（ｂ）中の二点鎖線の矢印は、基材２側からオーバーレイ層６側に亘って実施された線分析の分析方向を示し、符号Ａ，Ｂ，Ｃは線分析の分析位置である。ちなみに、分析位置Ａ，Ｂ，Ｃは、合金相２ａと合金相６ａとの界面である。
図３（ａ）のグラフの縦軸は、前記した二点鎖線の矢印方向における分析位置であり、符号Ａ，Ｂ，Ｃは、図３（ｂ）の分析位置Ａ，Ｂ，Ｃに対応している。また、図３（ａ）のグラフの横軸は、線分析を行った際のクロム濃度（質量％）である。
【００１６】
図３（ｂ）に示すように、二点鎖線の矢印方向に合金相２ａと合金相６ａとを横切るように線分析を行って中間層５のクロム濃度を測定すると、図３（ａ）に示すように、基材２では、クロム濃度がＱ質量％となっている。このＱ質量％は、第１のクロム鋼又はニッケル基のクロム濃度を表している。また、中間層５を構成する合金相２ａにおいてもクロム濃度がＱ質量％となっている。そして、中間層５の合金相２ａと合金相６ａとの界面である分析位置Ａを境にして、クロム濃度がＰ質量％（Ｐ＜Ｑ）となっている。ちなみに、このＰ質量％は、第２のクロム鋼のクロム濃度を表している。そして、中間層５で合金相６ａにおいてもクロム濃度がＰ質量％となっている。また、中間層５で合金相６ａから合金相２ａに再び切り替わる分析位置Ｂを境にクロム濃度はＰ質量％からＱ質量％に変化し、中間層５で合金相２ａから合金相６ａに切り替わる分析位置Ｃを境にクロム濃度はＱ質量％からＰ質量％に再び変化している。つまり、中間層５は、前記したように、基材２の合金相２ａとオーバーレイ層６の合金相６ａとの２相が共に混在する混在層となっている。このような混在層からなる中間層５は、次に説明する基材２に対するオーバーレイ材１（図４参照）の摩擦攪拌接合によって、基材２の合金相２ａとオーバーレイ材１の合金相６ａとが塑性流動することによって形成される。
【００１７】
次に、参照する図４は、本実施形態に係る蒸気タービンロータのジャーナル部における基材上にオーバーレイ材を摩擦攪拌接合する様子を示す模式図である。
図４中、符号２は基材であり、符号１は基材２上に配置したオーバーレイ材であり、符号４は摩擦攪拌接合ツールであり、符号６は摩擦攪拌接合ツール４でオーバーレイ材１が基材２に接合されることで形成されたオーバーレイ層であり、符号５は基材２とオーバーレイ層６との間に介在するように形成される中間層である。
【００１８】
図４に示すように、基材２上に重ね合わせられたオーバーレイ材１を基材２に接合する際に、所定の回転速度で回転する摩擦攪拌接合ツール４は、オーバーレイ材１に対して垂直に、又は図示しないが数度（ｄｅｇ）傾けられると共に、重ね合わせられたオーバーレイ材１及び基材２に対してその先端部が必要量挿入される。その結果、摩擦攪拌接合ツール４の周りに存在するオーバーレイ材１及び基材２は、回転する摩擦攪拌接合ツール４の摩擦熱で可塑化すると共に摩擦攪拌接合ツール４周りで塑性流動する。
【００１９】
この際、摩擦攪拌接合ツール４は、その回転軸方向Ｘに略直交する面内で可塑化したオーバーレイ材１及び基材２を攪拌するので、摩擦攪拌接合ツール４の回転軸方向Ｘへの可塑化したオーバーレイ材１及び基材２の塑性流動の程度は前記面内での塑性流動の程度よりも僅かとなる。その結果、基材２とオーバーレイ材１との合せ目近傍では、この塑性流動によって、基材２の合金相２ａとオーバーレイ材１の合金相６ａとの混在する中間層５が形成されると共に、オーバーレイ材１の外周部では、合金相２ａの混じらない合金相６ａからなるオーバーレイ層６が形成されることとなる。
【００２０】
そして、回転する摩擦攪拌接合ツール４が、オーバーレイ材１（又は基材２）の面方向Ｓ（表面に沿う方向）に向かって移動することで、基材２に対してオーバーレイ材１が接合されていくと共に、基材２上に中間層５を介してオーバーレイ層６が形成されていく。つまり、基材２上で中間層５を介してオーバーレイ層６を有するジャーナル部７ａが形成されることとなる。
【００２１】
本実施形態では、このように摩擦攪拌接合ツール４を回転させつつ前記面方向Ｓに沿って移動させることを想定しているが、本発明では、摩擦攪拌接合ツール４を、図４に示す回転軸方向Ｘに所定の微小範囲で往復移動させつつ、オーバーレイ材１（又は基材２）の面方向Ｓに移動させることもできる。このように摩擦攪拌接合ツール４を回転軸方向Ｘに微小範囲で往復移動させることで、形成される中間層５の厚さを制御することができる。
【００２２】
次に、図５（ａ）から（ｃ）を参照しながら蒸気タービンロータ７の製造方法について説明する。図５（ａ）から（ｃ）は、本実施形態に係る蒸気タービンロータの製造方法を説明するための製造工程図であり、蒸気タービンロータの両端のジャーナル部のうち、低圧部寄りのジャーナル部の部分拡大斜視図である。なお、図５（ａ）から（ｃ）においては、作図の便宜上、フランジ部７ｃ（図１参照）の記載を省略している。
【００２３】
図５（ａ）に示すように、本実施形態に係る蒸気タービンロータ７（図１参照）の製造方法においては、まずオーバーレイ材１が準備される。
本実施形態でのオーバーレイ材１は、円筒部材がその軸方向に沿うように２分割された一対の半体同士１ａ，１ａで構成されている。ちなみに、この円筒部材の外径は、蒸気タービンロータ７（図１参照）のジャーナル部７ａ（図１参照）の仕上げ工程における研磨代（削り代）を考慮して、そのジャーナル部７ａの外径よりも僅かに大きめに設定されている。また、円筒部材の内径は、次に説明する基材２の外径と同じになるように設定されている。
このようなオーバーレイ材１は、前記した第２のクロム鋼で形成されている。
【００２４】
基材２は、前記したように、オーバーレイ材１が摩擦攪拌接合によって接合される部分であり、図５（ａ）に示すように、前記したオーバーレイ材１が接合されて、円柱状のジャーナル部７ａ（図１参照）を形成するように、オーバーレイ材１が収まる凹部７ｂが形成されている。この凹部７ｂは、円筒状のオーバーレイ材１の内側空間と同形状となる円柱形状を呈しており、その外径は、前記したように、円筒状のオーバーレイ材１の内径と同じになるように設定されている。
基材２は、前記した第１のクロム鋼で形成されている。
【００２５】
次に、このような基材２の凹部７ｂに、一対の半体１ａ，１ａ同士が組み付けられることで、円筒状のオーバーレイ材１が凹部７ｂ内に収められる。つまり、基材２上にオーバーレイ材１が配置されることで凹部７ｂの段差部分は解消されてジャーナル部７ａ（図１参照）の外形に近似した円柱形状となる（図５（ｂ）参照）。
【００２６】
そして、図５（ｂ）に示すように、オーバーレイ材１の半体１ａ，１ａ同士の合せ目１ｂ，１ｂに沿うように、基材２に対してオーバーレイ材１が摩擦攪拌接合によって接合される。なお、図５（ｂ）中の矢印は、摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）の進行方向であり、具体的には、図１に示す蒸気タービンロータ７の低圧側からフランジ部７ｃ側に向かって摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）は進行する。
【００２７】
本実施形態における摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）の矢印方向への進行は、基材２及びオーバーレイ材１側を固定して、回転する摩擦攪拌接合ツール４を移動させる工程を想定しているが、回転する摩擦攪拌接合ツール４側を固定して、基材２及びオーバーレイ材１側を移動させる工程とすることもできる。
【００２８】
このような摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）の進行により、オーバーレイ材１の半体１ａ，１ａ同士は合せ目１ｂ，１ｂで接合されると共に、この合せ目１ｂ，１ｂに沿ってオーバーレイ材１は基材２と接合される。ちなみに、基材２とオーバーレイ材１とが摩擦攪拌接合によって接合されることで、前記したように、基材２上には中間層５を介してオーバーレイ層６が形成されることとなる。
【００２９】
次に、図５（ｃ）に示すように、回転する摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）を、螺旋状の矢印方向Ｄ１となるように進行させて、基材２に対してオーバーレイ材１を摩擦攪拌接合する。具体的には、図１に示す蒸気タービンロータ７の低圧側からフランジ部７ｃ側に向かって摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）は螺旋状に進行する。この際、摩擦攪拌接合ツール４による摩擦攪拌接合は、オーバーレイ材１よりも蒸気タービンロータ７の低圧側寄りでオーバーレイ材１が被覆されていない基材２部分、つまり第１のクロム鋼からなる部分にて開始されると共に、これに続いて螺旋状に移動する摩擦攪拌接合ツール４によって基材２上にオーバーレイ材１が被覆した部分に摩擦攪拌が施される。
【００３０】
本実施形態における摩擦攪拌接合ツール４の矢印方向Ｄ１への進行は、回転する摩擦攪拌接合ツール４側を固定して、基材２及びオーバーレイ材１を蒸気タービンロータ７（図１参照）の軸周りに回転させる工程を想定しているが、基材２及びオーバーレイ材１側を固定して、回転する摩擦攪拌接合ツール４を、蒸気タービンロータ７（図１参照）の軸周りに回転させる工程とすることもできる。
【００３１】
次に参照する図６は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータの製造方法において、摩擦攪拌接合ツールの進行方向を説明するためのジャーナル部付近の部分拡大側面図である。
本実施形態に係る蒸気タービンロータ７（図１参照）の製造方法においては、図６に示すように、摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）は、螺旋状の矢印方向Ｄ１に向かって進行する際に、周回ごとに、その前の周回での摩擦攪拌部Ｆに対してこれに続く周回での摩擦攪拌部Ｆがオーバーラップするように周回ピッチが調節される。その結果、ジャーナル部７ａの全区間に亘って万遍なく基材２（図４参照）に対してオーバーレイ材１（図４参照）が接合されることとなる。
そして、図４に示したように、基材２に対してオーバーレイ材１が接合されることで、基材２上に中間層５を介してオーバーレイ層６が形成されこととなる。
【００３２】
ちなみに、基材２に対するオーバーレイ材１の接合が終了した後、摩擦攪拌接合ツール４は、オーバーレイ材１よりもフランジ部７ｃ（図１参照）寄りで、オーバーレイ材１が被覆されていない基材２部分、つまり第１のクロム鋼からなる部分に対しても摩擦攪拌を施してから図６に示す摩擦攪拌部Ｆから離脱する。そして、摩擦攪拌部Ｆの終端部Ｅは、摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）が離脱する際に、周囲で塑性流動する第１のクロム鋼により埋められて面一となるが、終端部Ｅに摩擦攪拌接合ツール４の離脱痕としての窪みが形成される場合には、第１のクロム鋼又はニッケル基にて当該窪みは埋め戻されることが望ましい。また、当該窪みは、第２のクロム鋼にて埋め戻すこともできる。
【００３３】
次に、本実施形態に係る蒸気タービンロータ７及びその製造方法が奏する作用効果について説明する。
従来の蒸気タービンロータにおいてジャーナル部が高クロム鋼で形成されるものは、ジャーナル部が軸受に支承されて高速回転する際に、高クロム鋼に含まれるＣｒ系炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）がジャーナル部から脱落して軸受との間でかじりを生じさせる虞があるところ、本実施形態においては、高クロム鋼又はニッケル基から基材２上に低クロム鋼からなるオーバーレイ層６が配置されることでジャーナル部７ａが形成される。そのため、本実施形態によれば、オーバーレイ層６によって高クロム鋼又はニッケル基からＣｒ系炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）が脱落することが防止されるので、軸受８でのかじりを防止することができる。
【００３４】
また、本実施形態によれば、基材２上に、オーバーレイ層を肉盛り溶接や溶射によって設けるものと異なって、摩擦攪拌接合によって基材２上にオーバーレイ層６を設けるので、オーバーレイ層６に亀裂が発生するのを抑制することができる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、前記した摩擦攪拌接合によって、基材２とオーバーレイ層６との間に基材２の合金相２ａとオーバーレイ層６の合金相６ａとの２相が混在する中間層５が形成される。そのため、基材２上に傾斜層（希釈層）を介してオーバーレイ層６が形成される従来の蒸気タービンロータと異なって、本実施形態に係る蒸気タービンロータ７は、基材２に対するオーバーレイ層６の密着性に優れる。
つまり、本実施形態によれば、従来と較べて信頼性の高い蒸気タービンロータ７及びその製造方法を提供することができる。
【００３６】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
前記実施形態では、オーバーレイ材１として、一対の半体１ａ，１ａからなるものについて説明したが、３以上に分割されたオーバーレイ材１を使用するものであってもよい。
また、本発明において、前記オーバーレイ層６及び前記オーバーレイ材１は、前記第２のクロム鋼に代えて、前記基材２よりもクロム濃度が低いクロム含有のニッケル基合金、若しくはクロム含有の鉄−ニッケル基合金で形成される構成とすることもできる。
【実施例】
【００３７】
次に、本発明の実施例を示しながらさらに本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
本実施例では、図５（ａ）に示す基材２の部分が９Ｃｒフェライト鋼で形成されたロータ材料（図１に示すジャーナル部７ａに、図４に示すオーバーレイ層６及び中間層５が形成されていない以外は、図１に蒸気タービンロータ７と同様の構造のものである。以下のロータ材料に同じ）を準備した。次に、図５（ａ）から（ｃ）に示すように、ジャーナル部７ａの基材２上に、ＣｒＭｏＶ鋼（２．２５Ｃｒ）からなるオーバーレイ材１（半体１ａ，１ａからなる板厚１．５ｍｍの円筒部材）を、摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）を使用して接合した。
なお、本実施例では、摩擦攪拌接合ツール４としてタングステン−レニウム合金製のものを使用したが、市販品を使用することもできる。
そして、基材２に対するオーバーレイ材１の接合断面を電子顕微鏡写真にて観察した結果、基材２上に中間層５を介してオーバーレイ材１が形成されていることが確認された。
また、中間層５をその積層方向にＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザ）にて線分析を行ってクロム濃度の分布を測定した結果、中間層５には、基材２（９Ｃｒフェライト鋼）の合金相と、オーバーレイ材１（ＣｒＭｏＶ鋼）の合金相とが混在していることが確認された。ちなみに、中間層５では、クロムの傾斜層（希釈層）は確認されなかった。
次に、このようにオーバーレイ層６を形成したジャーナル部７ａを有する本実施例の蒸気タービンロータ７を使用して、回転速度 ３６００ｒｐｍにて５０００時間の回転耐久試験を行なった。その結果、かじりは発生せず、またオーバーレイ層６の剥離等も認められなかった。
【００３８】
（実施例２）
本実施例では、図５（ａ）に示す基材２の部分が１２Ｃｒフェライト鋼からなるロータ材料を使用し、ＣｒＭｏ鋼（１．３Ｃｒ）からなるオーバーレイ材１（半体１ａ，１ａからなる板厚１．５ｍｍの円筒部材）を使用した以外は、実施例１と同様にして、ジャーナル部７ａの基材２上にオーバーレイ材１を摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）を使用して接合した。
そして、実施例１と同様に、接合断面を電子顕微鏡写真にて観察した結果、基材２上に中間層５を介してオーバーレイ材１が形成されていることが確認された。
また、実施例１と同様に、中間層５をＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザ）にて線分析を行ってクロム濃度の分布を測定した結果、中間層５には、基材２（１２Ｃｒフェライト鋼）の合金相と、オーバーレイ材１（ＣｒＭｏ鋼）の合金相とが混在していることが確認された。ちなみに、中間層５では、クロムの傾斜層（希釈層）は確認されなかった。
次に、このようにオーバーレイ層６を形成したジャーナル部７ａを有する本実施例の蒸気タービンロータ７を使用して、回転速度 ３６００ｒｐｍにて５０００時間の回転耐久試験を行なった。その結果、かじりは発生せず、またオーバーレイ層６の剥離等も認められなかった。
【符号の説明】
【００３９】
１ オーバーレイ材
２ 基材
２ａ 第１のクロム鋼の合金相
４ 摩擦攪拌接合ツール
５ 中間層
６ オーバーレイ層
６ａ 第２のクロム鋼の合金相
７ 蒸気タービンロータ
７ａ ジャーナル部
８ 軸受
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンロータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、蒸気タービンロータには高Ｃｒ鋼が用いられている。また、蒸気温度が７００℃を超える蒸気タービンが開発されており、そのロータには鉄基に代わり、ニッケル基合金、又は鉄−ニッケル基合金が適用されつつある。蒸気タービンロータはそのジャーナル部が軸受によって支承されており、回転軸回りに高速で回転する際には、ジャーナル部は大きな摩擦を受ける。そのため、ジャーナル部と軸受との間では、摩耗や不純物によっていわゆるかじりが生じる場合がある。具体的には、例えば、蒸気タービンロータを形成する高Ｃｒ鋼では、マトリックス金属中にＣｒ系炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）を析出させることで高強度を実現しているが、ジャーナル部でマトリックス金属が摩耗すると、このＣｒ系炭化物がジャーナル部から脱落して軸受との間でかじりを生じさせることとなる。また，ニッケル基についても、Ｃｒを多く含み、Ｃｒ系炭化物が析出するため、同様の事象が考えられる。本明細書では、特に断りがない場合、ニッケル基（Ｎｉ基）、及び鉄−ニッケル基（ＦｅＮｉ基）をまとめてニッケル基（Ｎｉ基）と呼ぶこととする。
従来、このようなかじりを防止する技術として、ジャーナル部を形成する高Ｃｒ鋼からなる基材上に、低Ｃｒ鋼（例えばＣｒＭｏ鋼）からなるオーバーレイ層を肉盛り溶接にて設けるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような技術によれば、Ｃｒ系炭化物を含む基材上に低Ｃｒ鋼からなるオーバーレイ層が形成されるので、Ｃｒ系炭化物によるかじりの発生を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１０４８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献１の技術では、高Ｃｒ鋼（基材）に対して低Ｃｒ鋼（オーバーレイ層）を肉盛り溶接で形成するので、高Ｃｒ鋼（基材）に含まれるＣｒが低Ｃｒ鋼（オーバーレイ層）に移行する。つまり、基材上でクロム濃度の濃度勾配を有する傾斜層（希釈層）が形成される。そのため、オーバーレイ層の表面にクロムの移行を防止するためにはオーバーレイ層を厚くする必要がある。また、肉盛り溶接によってオーバーレイ層を厚く形成しようとすると、溶接不良によってオーバーレイ層に亀裂が生じる虞があり、蒸気タービンロータの信頼性が不充分となる。
そこで、高Ｃｒ鋼からなる基材上に低Ｃｒ鋼（オーバーレイ層）を、例えば溶射によって形成することも考えられる。このような溶射によれば、オーバーレイ層を薄く制御することができる。また、溶射によれば、低Ｃｒ鋼からなる溶射粒子が運ぶ熱量が小さいので、高Ｃｒ鋼からなる基材に対する熱的影響が小さく、オーバーレイ層に基材のＣｒが移行するのを防止することができる。
しかしながら、溶射によって基材上にオーバーレイ層を形成しようとすると、肉盛り溶接と比較して基材と溶射粒子の密着強度が弱くなることから、蒸気タービンロータが高速回転する際に、オーバーレイ層が基材から剥離する虞がある。つまり、溶射でオーバーレイ層が形成された蒸気タービンロータにおいても信頼性が不充分となる。
【０００５】
そこで、本発明は、従来と比べて信頼性の高い蒸気タービンロータ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決する本発明の蒸気タービンロータは、軸受と接するジャーナル部が、第１のクロム鋼又はニッケル基からなる基材上に中間層を介して前記第１のクロム鋼又はニッケル基よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層を積層して形成された蒸気タービンロータであって、前記中間層は、前記基材の合金相と前記第２のクロム鋼の合金相の２相が共に混在していることを特徴とする。
つまり、蒸気タービンロータは、軸受と接するジャーナル部が、第１のクロム鋼、又はクロム含有のニッケル基合金（以下、単にニッケル基ということがある）、若しくはクロム含有の鉄−ニッケル基合金（以下、単に、鉄−ニッケル基ということがある）からなる基材上に、中間層を介して前記基材よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層を積層して形成された蒸気タービンロータであって、前記中間層は、前記基材の合金相との合金相の２相が共に混在していることを特徴とする。 また、前記課題を解決する本発明の蒸気タービンロータの製造方法は、軸受と接するジャーナル部の表面にオーバーレイ層を有する蒸気タービンロータの製造方法であって、第１のクロム鋼からなる前記ジャーナル部の基材上に前記第１のクロム鋼又はニッケル基よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ材を重ね合わせる工程と、前記基材に対して前記オーバーレイ材を摩擦攪拌接合することによって、前記基材上に、前記第１のクロム鋼又はニッケル基の合金相と前記第２のクロム鋼の合金相の２相が共に混在する中間層と、この中間層上に、前記第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層とを積層する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明において、前記オーバーレイ層及び前記オーバーレイ材は、前記第２のクロム鋼に代えて、前記基材よりもクロム濃度が低いクロム含有のニッケル基合金、若しくはクロム含有の鉄−ニッケル基合金で形成される構成とすることもできる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、従来と較べて信頼性の高い蒸気タービンロータ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータの側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータのジャーナル部における部分拡大断面図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータのジャーナル部に形成される中間層及びオーバーレイ層の線分析の結果を示すグラフであり、（ｂ）は、線分析を行った位置を示す中間層及びオーバーレイ層の部分拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータのジャーナル部における基材上にオーバーレイ材を摩擦攪拌接合する様子を示す模式図である。
【図５】（ａ）から（ｃ）は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータの製造方法を説明するための製造工程図である。
【図６】本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータの製造方法において、摩擦攪拌接合ツールの進行方向を説明するためのジャーナル部付近の部分拡大側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態に係る蒸気タービンロータは、軸受と接するジャーナル部が、第１のクロム鋼、又はクロム含有のニッケル基合金（以下では、単にニッケル基ということがある）、若しくは鉄−ニッケル基合金（以下では、単に鉄−ニッケル基ということがある）からなる基材上に、中間層を介して前記基材よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層を積層して形成された蒸気タービンロータであって、前記中間層は、前記基材の合金相と前記第２のクロム鋼の合金相の２相が共に混在していることを特徴とする。
図１に示すように、本実施形態に係る蒸気タービンロータ７は、高低圧一体型のものであり、ブレード２０が、高圧部Ｈで６段、中圧部Ｍで４段、並びに低圧部Ｌ及び低圧最終段部ＬＬで４段の合計１４段となるように植設されている。
図１中、符号７ｃはフランジ部であり、符号７ａは、軸受８（図１中、破線で記す）に支承されると共にこの軸受８と接するジャーナル部である。
ちなみに、本実施形態での蒸気タービンロータ７は、５５０℃前後から７２０℃前後の雰囲気に曝されるので、高圧部Ｈと低圧最終段部ＬＬとでは異なった組成と特性を有する合金が使用されているが、ジャーナル部７ａは、後に詳しく説明する高Ｃｒ（クロム）鋼又はニッケル基からなる基材２（図２参照）上に、後に詳しく説明する低Ｃｒ鋼からなるオーバーレイ層６（図２参照）を有して構成されている。
なお、蒸気タービンロータ７では、２つのジャーナル部７ａを有しているが、これらのジャーナル部７ａは同じ層構成となっているので、以下では低圧側（図１の紙面右側）のジャーナル部７ａについて説明し、高圧側（図１の紙面左側）のジャーナル部７ａについてはその説明を省略する。
【００１０】
図２に示すように、ジャーナル部７ａは、後記する第１のクロム鋼（高Ｃｒ鋼）からなる基材２上に、中間層５を介して前記第１のクロム鋼又はニッケル基よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼（低Ｃｒ鋼）からなるオーバーレイ層６を備えて構成されている。
【００１１】
基材２を構成する第１のクロム鋼としては、鋼であれば、クロム濃度が９質量％から１３質量％のものが望ましい。クロム濃度が９質量％以上の第１のクロム鋼からなる基材２は、クロム系炭化物（例えば、Ｃｒ２３Ｃ６）をこの第１のクロム鋼中に十分に析出させることができるので、高温強度に優れたものとなる。ちなみに、クロム濃度が９質量％以上の第１のクロム鋼からなる基材２は、耐酸化性にも優れたものとなる。また、クロム濃度が１３質量％以下の第１のクロム鋼からなる基材２は、高温での靭性に優れたものとなる。
このような第１のクロム鋼としては、クロム耐熱鋼、ステンレス鋼等が挙げられ、より具体的には、例えばマルテンサイト系のＳＵＳ４０４、ＳＵＳ４２０、フェライト系のＳＵＳ４０５等が挙げられる。
ニッケル基、又は鉄−ニッケル基であれば，クロム濃度が１５質量％から３０質量％のものが望ましい。クロムが１５質量％以上のニッケル基、又は鉄−ニッケル基をロータ基材に適用する場合、曝される温度が高くなるため、より高温強度を高くするため、また、耐酸化性を向上させるのに効果的である。また３０質量％以下のニッケル基、又は鉄−ニッケル基では、長時間の相安定性に優れたものとなる。
【００１２】
オーバーレイ層６を構成する第２のクロム鋼としては、クロム濃度が０．５質量％から３質量％のものが望ましい。クロム濃度が３質量％以下の第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層６は、前記した軸受８に支承されて回転するジャーナル部７ａの摺動性が良好となると共に、熱伝導率が良好なものとなる。
このような第２のクロム鋼としては、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼、ＣｒＭｏ鋼等が挙げられる。
ちなみに、本実施形態でのオーバーレイ層６は、後記するように、前記基材２上に重ね合わせられたオーバーレイ材１（図４参照）を、この基材２に対して摩擦攪拌接合することで形成されたものである。つまり、オーバーレイ材１（図４参照）は、オーバーレイ層６と同じ第２のクロム鋼からなる。
【００１３】
中間層５は、基材２とオーバーレイ層６との間に介在する層であり、基材２を構成する第１のクロム鋼又はニッケル基の合金相２ａと、オーバーレイ層６を構成する第２のクロム鋼の合金相６ａとが混在する混在層である。この中間層５は、従来の肉盛り溶接(例えば、特許文献１参照)で基材とオーバーレイ層とが溶接時の高温で溶け合うことで形成される、クロムの濃度勾配を有する傾斜層（希釈層）とはならない。言い換えれば、中間層５は、従来の肉盛り溶接で形成される傾斜層、つまり基材合金とオーバーレイ合金とが溶融しあって形成されるものと異なって、基材２（第１のクロム鋼のニッケル基の合金相２ａ）とオーバーレイ層６（第２のクロム鋼の合金相６ａ）とが塑性流動して形成されたものである。
【００１４】
なお、図２では、第１のクロム鋼又はニッケル基の合金相２ａと、オーバーレイ層６を構成する第２のクロム鋼の合金相６ａとが、のこぎり状に噛み合うように図示されているが、これは中間層５で合金相２ａと合金相６ａとが混在する様子を模式的に誇張して示したものであり、実際の混在状態を示すものではない。つまり、本実施形態での中間層５は、少なくとも合金相２ａと合金相６ａとが混在する層であればその混在状態は特に制限はない。したがって、合金相２ａと合金相６ａとは、図示しないが、中間層５で例えばマーブル模様状に不定形に混在するものであってもよい。
【００１５】
ここで、本実施形態での「合金相２ａと合金相６ａとの混在」についてさらに具体的に説明する。次に参照する図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータのジャーナル部に形成される中間層及びオーバーレイ層の線分析の結果を示すグラフであり、図３（ｂ）は、線分析を行った位置を示す中間層及びオーバーレイ層の部分拡大断面図である。図３（ｂ）中、符号２は第１のクロム鋼又はニッケル基からなる基材、符号６は第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層、符号５は中間層、符号２ａは中間層５における第１のクロム鋼の合金相、符号６ａは中間層５における第２のクロム鋼の合金相である。また、図３（ｂ）中の二点鎖線の矢印は、基材２側からオーバーレイ層６側に亘って実施された線分析の分析方向を示し、符号Ａ，Ｂ，Ｃは線分析の分析位置である。ちなみに、分析位置Ａ，Ｂ，Ｃは、合金相２ａと合金相６ａとの界面である。
図３（ａ）のグラフの縦軸は、前記した二点鎖線の矢印方向における分析位置であり、符号Ａ，Ｂ，Ｃは、図３（ｂ）の分析位置Ａ，Ｂ，Ｃに対応している。また、図３（ａ）のグラフの横軸は、線分析を行った際のクロム濃度（質量％）である。
【００１６】
図３（ｂ）に示すように、二点鎖線の矢印方向に合金相２ａと合金相６ａとを横切るように線分析を行って中間層５のクロム濃度を測定すると、図３（ａ）に示すように、基材２では、クロム濃度がＱ質量％となっている。このＱ質量％は、第１のクロム鋼又はニッケル基のクロム濃度を表している。また、中間層５を構成する合金相２ａにおいてもクロム濃度がＱ質量％となっている。そして、中間層５の合金相２ａと合金相６ａとの界面である分析位置Ａを境にして、クロム濃度がＰ質量％（Ｐ＜Ｑ）となっている。ちなみに、このＰ質量％は、第２のクロム鋼のクロム濃度を表している。そして、中間層５で合金相６ａにおいてもクロム濃度がＰ質量％となっている。また、中間層５で合金相６ａから合金相２ａに再び切り替わる分析位置Ｂを境にクロム濃度はＰ質量％からＱ質量％に変化し、中間層５で合金相２ａから合金相６ａに切り替わる分析位置Ｃを境にクロム濃度はＱ質量％からＰ質量％に再び変化している。つまり、中間層５は、前記したように、基材２の合金相２ａとオーバーレイ層６の合金相６ａとの２相が共に混在する混在層となっている。このような混在層からなる中間層５は、次に説明する基材２に対するオーバーレイ材１（図４参照）の摩擦攪拌接合によって、基材２の合金相２ａとオーバーレイ材１の合金相６ａとが塑性流動することによって形成される。
【００１７】
次に、参照する図４は、本実施形態に係る蒸気タービンロータのジャーナル部における基材上にオーバーレイ材を摩擦攪拌接合する様子を示す模式図である。
図４中、符号２は基材であり、符号１は基材２上に配置したオーバーレイ材であり、符号４は摩擦攪拌接合ツールであり、符号６は摩擦攪拌接合ツール４でオーバーレイ材１が基材２に接合されることで形成されたオーバーレイ層であり、符号５は基材２とオーバーレイ層６との間に介在するように形成される中間層である。
【００１８】
図４に示すように、基材２上に重ね合わせられたオーバーレイ材１を基材２に接合する際に、所定の回転速度で回転する摩擦攪拌接合ツール４は、オーバーレイ材１に対して垂直に、又は図示しないが数度（ｄｅｇ）傾けられると共に、重ね合わせられたオーバーレイ材１及び基材２に対してその先端部が必要量挿入される。その結果、摩擦攪拌接合ツール４の周りに存在するオーバーレイ材１及び基材２は、回転する摩擦攪拌接合ツール４の摩擦熱で可塑化すると共に摩擦攪拌接合ツール４周りで塑性流動する。
【００１９】
この際、摩擦攪拌接合ツール４は、その回転軸方向Ｘに略直交する面内で可塑化したオーバーレイ材１及び基材２を攪拌するので、摩擦攪拌接合ツール４の回転軸方向Ｘへの可塑化したオーバーレイ材１及び基材２の塑性流動の程度は前記面内での塑性流動の程度よりも僅かとなる。その結果、基材２とオーバーレイ材１との合せ目近傍では、この塑性流動によって、基材２の合金相２ａとオーバーレイ材１の合金相６ａとの混在する中間層５が形成されると共に、オーバーレイ材１の外周部では、合金相２ａの混じらない合金相６ａからなるオーバーレイ層６が形成されることとなる。
【００２０】
そして、回転する摩擦攪拌接合ツール４が、オーバーレイ材１（又は基材２）の面方向Ｓ（表面に沿う方向）に向かって移動することで、基材２に対してオーバーレイ材１が接合されていくと共に、基材２上に中間層５を介してオーバーレイ層６が形成されていく。つまり、基材２上で中間層５を介してオーバーレイ層６を有するジャーナル部７ａが形成されることとなる。
【００２１】
本実施形態では、このように摩擦攪拌接合ツール４を回転させつつ前記面方向Ｓに沿って移動させることを想定しているが、本発明では、摩擦攪拌接合ツール４を、図４に示す回転軸方向Ｘに所定の微小範囲で往復移動させつつ、オーバーレイ材１（又は基材２）の面方向Ｓに移動させることもできる。このように摩擦攪拌接合ツール４を回転軸方向Ｘに微小範囲で往復移動させることで、形成される中間層５の厚さを制御することができる。
【００２２】
次に、図５（ａ）から（ｃ）を参照しながら蒸気タービンロータ７の製造方法について説明する。図５（ａ）から（ｃ）は、本実施形態に係る蒸気タービンロータの製造方法を説明するための製造工程図であり、蒸気タービンロータの両端のジャーナル部のうち、低圧部寄りのジャーナル部の部分拡大斜視図である。なお、図５（ａ）から（ｃ）においては、作図の便宜上、フランジ部７ｃ（図１参照）の記載を省略している。
【００２３】
図５（ａ）に示すように、本実施形態に係る蒸気タービンロータ７（図１参照）の製造方法においては、まずオーバーレイ材１が準備される。
本実施形態でのオーバーレイ材１は、円筒部材がその軸方向に沿うように２分割された一対の半体同士１ａ，１ａで構成されている。ちなみに、この円筒部材の外径は、蒸気タービンロータ７（図１参照）のジャーナル部７ａ（図１参照）の仕上げ工程における研磨代（削り代）を考慮して、そのジャーナル部７ａの外径よりも僅かに大きめに設定されている。また、円筒部材の内径は、次に説明する基材２の外径と同じになるように設定されている。
このようなオーバーレイ材１は、前記した第２のクロム鋼で形成されている。
【００２４】
基材２は、前記したように、オーバーレイ材１が摩擦攪拌接合によって接合される部分であり、図５（ａ）に示すように、前記したオーバーレイ材１が接合されて、円柱状のジャーナル部７ａ（図１参照）を形成するように、オーバーレイ材１が収まる凹部７ｂが形成されている。この凹部７ｂは、円筒状のオーバーレイ材１の内側空間と同形状となる円柱形状を呈しており、その外径は、前記したように、円筒状のオーバーレイ材１の内径と同じになるように設定されている。
基材２は、前記した第１のクロム鋼で形成されている。
【００２５】
次に、このような基材２の凹部７ｂに、一対の半体１ａ，１ａ同士が組み付けられることで、円筒状のオーバーレイ材１が凹部７ｂ内に収められる。つまり、基材２上にオーバーレイ材１が配置されることで凹部７ｂの段差部分は解消されてジャーナル部７ａ（図１参照）の外形に近似した円柱形状となる（図５（ｂ）参照）。
【００２６】
そして、図５（ｂ）に示すように、オーバーレイ材１の半体１ａ，１ａ同士の合せ目１ｂ，１ｂに沿うように、基材２に対してオーバーレイ材１が摩擦攪拌接合によって接合される。なお、図５（ｂ）中の矢印は、摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）の進行方向であり、具体的には、図１に示す蒸気タービンロータ７の低圧側からフランジ部７ｃ側に向かって摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）は進行する。
【００２７】
本実施形態における摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）の矢印方向への進行は、基材２及びオーバーレイ材１側を固定して、回転する摩擦攪拌接合ツール４を移動させる工程を想定しているが、回転する摩擦攪拌接合ツール４側を固定して、基材２及びオーバーレイ材１側を移動させる工程とすることもできる。
【００２８】
このような摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）の進行により、オーバーレイ材１の半体１ａ，１ａ同士は合せ目１ｂ，１ｂで接合されると共に、この合せ目１ｂ，１ｂに沿ってオーバーレイ材１は基材２と接合される。ちなみに、基材２とオーバーレイ材１とが摩擦攪拌接合によって接合されることで、前記したように、基材２上には中間層５を介してオーバーレイ層６が形成されることとなる。
【００２９】
次に、図５（ｃ）に示すように、回転する摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）を、螺旋状の矢印方向Ｄ１となるように進行させて、基材２に対してオーバーレイ材１を摩擦攪拌接合する。具体的には、図１に示す蒸気タービンロータ７の低圧側からフランジ部７ｃ側に向かって摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）は螺旋状に進行する。この際、摩擦攪拌接合ツール４による摩擦攪拌接合は、オーバーレイ材１よりも蒸気タービンロータ７の低圧側寄りでオーバーレイ材１が被覆されていない基材２部分、つまり第１のクロム鋼からなる部分にて開始されると共に、これに続いて螺旋状に移動する摩擦攪拌接合ツール４によって基材２上にオーバーレイ材１が被覆した部分に摩擦攪拌が施される。
【００３０】
本実施形態における摩擦攪拌接合ツール４の矢印方向Ｄ１への進行は、回転する摩擦攪拌接合ツール４側を固定して、基材２及びオーバーレイ材１を蒸気タービンロータ７（図１参照）の軸周りに回転させる工程を想定しているが、基材２及びオーバーレイ材１側を固定して、回転する摩擦攪拌接合ツール４を、蒸気タービンロータ７（図１参照）の軸周りに回転させる工程とすることもできる。
【００３１】
次に参照する図６は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンロータの製造方法において、摩擦攪拌接合ツールの進行方向を説明するためのジャーナル部付近の部分拡大側面図である。
本実施形態に係る蒸気タービンロータ７（図１参照）の製造方法においては、図６に示すように、摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）は、螺旋状の矢印方向Ｄ１に向かって進行する際に、周回ごとに、その前の周回での摩擦攪拌部Ｆに対してこれに続く周回での摩擦攪拌部Ｆがオーバーラップするように周回ピッチが調節される。その結果、ジャーナル部７ａの全区間に亘って万遍なく基材２（図４参照）に対してオーバーレイ材１（図４参照）が接合されることとなる。
そして、図４に示したように、基材２に対してオーバーレイ材１が接合されることで、基材２上に中間層５を介してオーバーレイ層６が形成されこととなる。
【００３２】
ちなみに、基材２に対するオーバーレイ材１の接合が終了した後、摩擦攪拌接合ツール４は、オーバーレイ材１よりもフランジ部７ｃ（図１参照）寄りで、オーバーレイ材１が被覆されていない基材２部分、つまり第１のクロム鋼からなる部分に対しても摩擦攪拌を施してから図６に示す摩擦攪拌部Ｆから離脱する。そして、摩擦攪拌部Ｆの終端部Ｅは、摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）が離脱する際に、周囲で塑性流動する第１のクロム鋼により埋められて面一となるが、終端部Ｅに摩擦攪拌接合ツール４の離脱痕としての窪みが形成される場合には、第１のクロム鋼又はニッケル基にて当該窪みは埋め戻されることが望ましい。また、当該窪みは、第２のクロム鋼にて埋め戻すこともできる。
【００３３】
次に、本実施形態に係る蒸気タービンロータ７及びその製造方法が奏する作用効果について説明する。
従来の蒸気タービンロータにおいてジャーナル部が高クロム鋼で形成されるものは、ジャーナル部が軸受に支承されて高速回転する際に、高クロム鋼に含まれるＣｒ系炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）がジャーナル部から脱落して軸受との間でかじりを生じさせる虞があるところ、本実施形態においては、高クロム鋼又はニッケル基から基材２上に低クロム鋼からなるオーバーレイ層６が配置されることでジャーナル部７ａが形成される。そのため、本実施形態によれば、オーバーレイ層６によって高クロム鋼又はニッケル基からＣｒ系炭化物（Ｃｒ２３Ｃ６）が脱落することが防止されるので、軸受８でのかじりを防止することができる。
【００３４】
また、本実施形態によれば、基材２上に、オーバーレイ層を肉盛り溶接や溶射によって設けるものと異なって、摩擦攪拌接合によって基材２上にオーバーレイ層６を設けるので、オーバーレイ層６に亀裂が発生するのを抑制することができる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、前記した摩擦攪拌接合によって、基材２とオーバーレイ層６との間に基材２の合金相２ａとオーバーレイ層６の合金相６ａとの２相が混在する中間層５が形成される。そのため、基材２上に傾斜層（希釈層）を介してオーバーレイ層６が形成される従来の蒸気タービンロータと異なって、本実施形態に係る蒸気タービンロータ７は、基材２に対するオーバーレイ層６の密着性に優れる。
つまり、本実施形態によれば、従来と較べて信頼性の高い蒸気タービンロータ７及びその製造方法を提供することができる。
【００３６】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
前記実施形態では、オーバーレイ材１として、一対の半体１ａ，１ａからなるものについて説明したが、３以上に分割されたオーバーレイ材１を使用するものであってもよい。
また、本発明において、前記オーバーレイ層６及び前記オーバーレイ材１は、前記第２のクロム鋼に代えて、前記基材２よりもクロム濃度が低いクロム含有のニッケル基合金、若しくはクロム含有の鉄−ニッケル基合金で形成される構成とすることもできる。
【実施例】
【００３７】
次に、本発明の実施例を示しながらさらに本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
本実施例では、図５（ａ）に示す基材２の部分が９Ｃｒフェライト鋼で形成されたロータ材料（図１に示すジャーナル部７ａに、図４に示すオーバーレイ層６及び中間層５が形成されていない以外は、図１に蒸気タービンロータ７と同様の構造のものである。以下のロータ材料に同じ）を準備した。次に、図５（ａ）から（ｃ）に示すように、ジャーナル部７ａの基材２上に、ＣｒＭｏＶ鋼（２．２５Ｃｒ）からなるオーバーレイ材１（半体１ａ，１ａからなる板厚１．５ｍｍの円筒部材）を、摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）を使用して接合した。
なお、本実施例では、摩擦攪拌接合ツール４としてタングステン−レニウム合金製のものを使用したが、市販品を使用することもできる。
そして、基材２に対するオーバーレイ材１の接合断面を電子顕微鏡写真にて観察した結果、基材２上に中間層５を介してオーバーレイ材１が形成されていることが確認された。
また、中間層５をその積層方向にＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザ）にて線分析を行ってクロム濃度の分布を測定した結果、中間層５には、基材２（９Ｃｒフェライト鋼）の合金相と、オーバーレイ材１（ＣｒＭｏＶ鋼）の合金相とが混在していることが確認された。ちなみに、中間層５では、クロムの傾斜層（希釈層）は確認されなかった。
次に、このようにオーバーレイ層６を形成したジャーナル部７ａを有する本実施例の蒸気タービンロータ７を使用して、回転速度 ３６００ｒｐｍにて５０００時間の回転耐久試験を行なった。その結果、かじりは発生せず、またオーバーレイ層６の剥離等も認められなかった。
【００３８】
（実施例２）
本実施例では、図５（ａ）に示す基材２の部分が１２Ｃｒフェライト鋼からなるロータ材料を使用し、ＣｒＭｏ鋼（１．３Ｃｒ）からなるオーバーレイ材１（半体１ａ，１ａからなる板厚１．５ｍｍの円筒部材）を使用した以外は、実施例１と同様にして、ジャーナル部７ａの基材２上にオーバーレイ材１を摩擦攪拌接合ツール４（図４参照）を使用して接合した。
そして、実施例１と同様に、接合断面を電子顕微鏡写真にて観察した結果、基材２上に中間層５を介してオーバーレイ材１が形成されていることが確認された。
また、実施例１と同様に、中間層５をＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザ）にて線分析を行ってクロム濃度の分布を測定した結果、中間層５には、基材２（１２Ｃｒフェライト鋼）の合金相と、オーバーレイ材１（ＣｒＭｏ鋼）の合金相とが混在していることが確認された。ちなみに、中間層５では、クロムの傾斜層（希釈層）は確認されなかった。
次に、このようにオーバーレイ層６を形成したジャーナル部７ａを有する本実施例の蒸気タービンロータ７を使用して、回転速度 ３６００ｒｐｍにて５０００時間の回転耐久試験を行なった。その結果、かじりは発生せず、またオーバーレイ層６の剥離等も認められなかった。
【符号の説明】
【００３９】
１ オーバーレイ材
２ 基材
２ａ 第１のクロム鋼の合金相
４ 摩擦攪拌接合ツール
５ 中間層
６ オーバーレイ層
６ａ 第２のクロム鋼の合金相
７ 蒸気タービンロータ
７ａ ジャーナル部
８ 軸受
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受と接するジャーナル部が、第１のクロム鋼又はニッケル基からなる基材上に中間層を介して前記基材よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層を積層して形成された蒸気タービンロータであって、
前記中間層は、前記基材の合金相と前記第２のクロム鋼の合金相の２相が共に混在していることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項２】
請求項１に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記基材は、クロム濃度が９質量％から１３質量％である鋼、又はクロム濃度が１５質量％から３０質量％であるニッケル基若しくは鉄−ニッケル基合金であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記第２のクロム鋼のクロム濃度は、０．５質量％から３質量％であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記中間層は、前記オーバーレイ層を前記基材に摩擦攪拌接合することで形成されたものであることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項５】
軸受と接するジャーナル部の表面にオーバーレイ層を有する蒸気タービンロータの製造方法であって、
第１のクロム鋼からなる前記ジャーナル部の基材上に前記第１のクロム鋼よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ材を重ね合わせる工程と、
前記基材に対して前記オーバーレイ材を摩擦攪拌接合することによって、前記基材上に、前記第１のクロム鋼の合金相と前記第２のクロム鋼の合金相の２相が共に混在する中間層と、この中間層上に、前記第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層とを積層する工程と、
を有することを特徴とする蒸気タービンロータの製造方法。
【請求項１】
軸受と接するジャーナル部が、第１のクロム鋼又はニッケル基からなる基材上に中間層を介して前記基材よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層を積層して形成された蒸気タービンロータであって、
前記中間層は、前記基材の合金相と前記第２のクロム鋼の合金相の２相が共に混在していることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項２】
請求項１に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記基材は、クロム濃度が９質量％から１３質量％である鋼、又はクロム濃度が１５質量％から３０質量％であるニッケル基若しくは鉄−ニッケル基合金であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記第２のクロム鋼のクロム濃度は、０．５質量％から３質量％であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータにおいて、
前記中間層は、前記オーバーレイ層を前記基材に摩擦攪拌接合することで形成されたものであることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項５】
軸受と接するジャーナル部の表面にオーバーレイ層を有する蒸気タービンロータの製造方法であって、
第１のクロム鋼からなる前記ジャーナル部の基材上に前記第１のクロム鋼よりもクロム濃度が低い第２のクロム鋼からなるオーバーレイ材を重ね合わせる工程と、
前記基材に対して前記オーバーレイ材を摩擦攪拌接合することによって、前記基材上に、前記第１のクロム鋼の合金相と前記第２のクロム鋼の合金相の２相が共に混在する中間層と、この中間層上に、前記第２のクロム鋼からなるオーバーレイ層とを積層する工程と、
を有することを特徴とする蒸気タービンロータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−２９０４４（Ｐ２０１３−２９０４４Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６４４１６（Ｐ２０１１−１６４４１６）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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