第４章 劣化した動翼材の特性回復 4.1 緒 言
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(2) 転し、取 替えられた第 2 段および第 3 段動翼材（ 以下 、劣化材と称 す） である。動翼 材はいずれもγ 相析出強化型多結晶 Ni 基超合金 であり、第 2 段で は IN738LC、第 3 段ではこれよりやや強度 が低い U500 が 用いられている。 なお、 いずれの供試材 に もコーティング は適用 されていない 。本研究に 用いた 動翼材 の化学成分を T a b l e 4-1 に示 す。な お、 第 1 段動翼に は耐酸化・耐食コーティングが 施工されているため 、コ ーティング に起 因する 損傷を 考慮す る必要 があることから、 研究対象から除外 した 。 各 段の劣化材に HIP および溶体化・時効熱処理（ 以下、 HIP 処 理と称 す） を施し 7)、 供試材（以 下、 H I P. 処理材と 称す） とした 。溶体化・時効熱処理条件は 、第 2 段. 動 翼 材に は 1121℃ ×2h+843 ℃ ×24h 、 第 3 段 動 翼 材 に は 1149 ℃ ×4h+1079 ℃ ×4h+760℃×1 6 h とした 。また 、比較のため未使用の 動翼材（以 下、未使用材と称 す） もあわせて 供試材とした。. Table 4 - 1 Chemical composition of IN738LC and U500 studied. （mass%） C. Cr. Co. Al. Ti. W. Mo. Ta. Si. Nb. Zr. B. Fe. P. S. Mn. Ni. IN738LC 0.10 15.94 8.37 3.53 3.33 2.68 1.85 1.62 0.046 0.78 0.04 0.011 0.20 <0.001 0.004 0.002 Bal. U500. 4.2.2. 0.07 17.81 16.82 2.96. 2.88. −. 3.78. −. 0.050. −. −. 0.008 0.09 <0.001 0.004 <0.01. Bal.. 実験方法. 劣化材への HIP 処理の 適用前後において非破壊調査を行い 、その 後破壊調査 を行っ た。 非破壊調査 として 、目視 による 外観観察、 蛍光浸透探傷検査 および 三次元寸法計 測を 行った 。破壊調査として、光学顕微鏡および 走査型電子顕微鏡（ SEM）を用 いた 断面組織観察、 引張試験、クリープ破断試験および 低 サイクル疲労試験を 行っ た。破 壊調査では 、各 段の供試材における 翼有効部の 同一部位か ら試験片を採 取した 。引張 試験 では、第 2 段 は温度 650 ℃、 第 3 段は 620℃ で試験 を行 った。クリープ破断試験 では、第 2 段は試験温度 815 ~900℃ 、応 力 245MPa、第 3 段では 試験温度 8 0 0~850℃、 応力 333MPa にて 試験を 行った。低サイクル 疲労試験では、各段 の供試材における 翼 有効部の同一部位から試験片を採 取し、 第 2 段で は 815 ℃、 第 3 段 では 720℃におい て 2 分間圧縮ひずみ保持波形 で試験 を行っ た。HIP 処理材の結 果を、同一使用履歴を. 74.
(3) 持つ 劣化材 および未使用材の破壊調査の 結果と 比較 し、 HIP 処 理の効 果を評 価 し た 。. 4.3 4.3.1. 試験結果 非破壊調査. (1) 外観観察 および蛍光浸透探傷検査 各 段における供試材の HIP 処理前後 の外観 を、未使用材の外 観とともに Fig.4-1 に示 す。図に 示すように、外観観察 および蛍光浸透探傷検査 の結果 、各段の HIP 処理 材の 表面にはき 裂などの損傷や劣 化は認 められなかった。. Unused. Serviced. HIP treated. 2nd stage blades. Unused. Serviced. HIP treated. 3rd stage blades. Fig.4- 1. Appearance of 2nd and 3rd stage blades.. 75.
(4) (2) 寸法計測 HIP 処理の 適用前後で 三次元寸法計測を行 った結果を 、各段における 処理後測定値 と処理前平均値 の差を 供試材 の寸法変化と し Fig.4 -2 に示す 。図に 示すように 、各段 ともに HIP 処理による翼有効部 の倒 れ、ねじれなどの変形 は軽 微であった 。運転時に 蓄積 したひずみが H I P 処 理により開放 され 、供試材が変 形することが懸念 されたが、 変形 はいずれも 設計許容範囲内であった 。また 、第 2 段では 冷却孔 の閉塞は認められ. 1 ↓ ↓ A 1234 5 A’. 2. 3. 4. 5. 5 0. Y軸 Y -100. -80. -60. -40. -20 -5. Z 第2段動翼（ A−A’） 断面 2nd stage blades. X. -10 Z軸Z 10. 1. 2. 3. 4. 5. 5. Y軸 Y 計測位置 Measure points. 0 -100. -80. -60. 4.3.2. -20 -5. 第3段動翼（ A−A’） 断面 3rd stage blades. Fig.4- 2. -40. -10. HIP施工前後の寸法差,mm ） 寸法差（ 処理後−処理前 Size difference (mm) ，mm. Z軸 Z 10. の寸法差 ，mm HIP施工前後 寸法差（ Size処理後−処理前） difference (mm) ,mm. なかった。. Size difference between serviced and HIP treated blades.. 破壊調査. (1) 断面組織観察 各 段における供試材 の断面光学顕微鏡組織を Fig.4 -3 にまとめて 示す。図よ り、 未 使用材および劣化材で 認められる鋳造欠陥は、 各段 の HIP 処理材では 認められない。 また 、各段の H I P 処理材はいずれの断面にもき裂は 観察されず、表 面には酸化層 およ. 76.
(5) びその下に はγ. 相 が観察 されない変質層が 認められた。 HIP 処理材の表 面における. 酸化層と変質層 の合計厚さは、各 段において最 大でも 約 150µ m と軽微 であった。 ま. 削除 : 2. た、第 2 段の冷却孔表面における酸化層と変質層の合計厚さ は、最大で も約 70µ m で. 削 除 : ？? m. あった。. Center Casting defects. 鋳造欠陥 Casting defects. 鋳造欠陥. Unused. Serviced. 2 0 0 µm 200µm HIPtreated. Observation points 2nd stage blades. Center. Casting defects. 鋳造欠陥 鋳造欠陥 Casting defects Unused. Serviced. Observation points. Fig.4- 3. 2 0 0 µm 200µm HIP treated. 3rd stage blades. Optical micrographs on cross section of 2nd and 3rd stage blades.. 動翼材の 主強化相であるγ 相に着目 して 、供試材の断 面 S E M 組織観察を行 った 。 各段 における供試材の断面 SEM 組織を Fig.4-4 に示す。 図に示 すように、第 2 段で は劣化材の 翼有効部中央前縁部でγ. 相 の凝集 ・粗大化および結 晶 粒界へ のγ. 相の. 析出 による 組織変化が 顕著に 認められた。H I P 処理材で は、比較的大きな立方体状の γ. 相が格子状 に整列 し、微 小な球 状γ. 相がその 間に析 出した 未使用材と同 等の 組. 織になっていた 。ま た、劣化材で認 められた結晶粒界に 析出 したγ 相は H I P 処理材 では マトリクス に固溶 していることから、劣化材の 組織を 未使用材と同 等まで H I P 処. 77.
(6) 理により回 復できた 。 第 3 段で は、図 より 劣化材 の翼有効部前縁付根側でわずかにγ. 相の粗大化 が認め. られるものの、第 2 段劣化材 ほど顕著な 組織変化は認 められない 。なお、H I P 処理材 の組 織は未 使用 材と同 等であり、未使用材 や劣化材で 認められた鋳造時の 成分 の偏析 に起 因する 組織 の不均一性は 認められず、立方体状 のγ. 相がほぼ均質 に分散 してい. た。. Leading edge 1µm 1. Unused. Serviced. HIP treated. Observation points 2nd stage blades. Leading edge. 1µm Unused. Observation points. Serviced. HIP treated. 3rd stage blades. Fig.4- 4. SEM micrographs on cross section of 2nd and. 3rd stage blades.. 削除 : 1. (2) 引張試験 各 段における供試材の引張試験結果を Fig.4 -5 と Fig.4- 8 にそれぞれ示す 。 ここで 、 劣化材および HIP 処理材の結 果を未使用材の結 果と比 較する た め、それぞれの結 果を 未使用材の 平均値との比で 整理している 。. 78.
(7) 3 Proof耐力比 stress ratio. 引張強 さ比. Tensile strength ratio. 3. 2. 1. 劣化翼 Serviced. HIP処理翼 HIP treated. Reduction 絞り比ratio. 破断伸び比 Elongation ratio. 2. 1. 新翼 Unused. 劣化翼 Serviced. 新翼 Unused. 劣化翼 Serviced. HIP処理翼 HIP treated. 新翼 Unused. 劣化翼 Serviced. HIP処理翼 HIP treated. 2. 1. 0. HIP処理翼 HIP treated. Tensile properties of 2nd stage blades.. 削除 :. 50% ﾃ50% ﾞｰﾀ 範囲 data. 2 Proof耐力比 stress ratio. Tensile 引張強さ比 strength ratio. 最小値 Min.. 3. 2. 1. range. Max. 最大値 Mean 平均値 中央値 Median 最小値 Min.. 1. 0 新翼 Unused. 劣化翼 Serviced. HIP処理翼 HIP treated. 新翼 Unused. 劣化翼 Serviced. HIP処理翼 HIPtreated. 新翼 Unused. 劣化翼 Serviced. HIP処理翼 HIP treated. 2. 絞り比 Reduction ratio. 2 Elongation ratio 破断伸び比. 中央値 Median. 1. 3. 0. Max. 最大値 Mean 平均値. 0 新翼 Unused. Fig.4- 5. range. 2. 0. 0. 50% 50% ﾃﾞｰﾀ 範囲 data. 1. 0. 1. 0 新翼 Unused. 劣化翼 Serviced. HIP処理翼 HIP treated. 79.
(8) Fig.4- 6. Tensile properties of 3rd stage blades.. 第 2 段で は、Fig.4- 5 に示 すように劣化材および HIP 処理材の引張強さと耐 力はい ずれも未使用材 とほぼ 同等であるのに対し、劣化材 の破断伸びと 絞りは 未使用材と 比 較し て低下 している。一方 、H I P 処 理材の 伸び、絞りはいずれも劣化材に比べ て大き いことから、HIP 処理 により劣化材の伸 び、絞りは 未使用材 と同等以上に 回復できた 。 第 3 段で は、Fig.4- 6 に 示すように劣化材および HIP 処理材は 未使用材とほぼ同等 の強 度、延性 を示 すことから、本供試材では 実機使用あるいは HIP 処理 による引張特 性の 低下は 認められなかった 。. (3) クリープ破断試験 各 段における 供試材のクリープ破断試験結果を Fig.4 -7 と Fig.4- 8 にそれぞれ示す。 ここで、Fig.4- 5、 Fig.4- 6 と同様 に劣化材および H I P 処理材の値 は未使用材 の平均 値と の比で 整理している。. Creep rupture life ratio 破断寿命比. 2. 50% ﾞｰﾀ ﾃ50% 範囲 data. 1. range. Max. 最大値 Mean 平均値 中央値 Median 最小値 Min.. 0 Unused 新翼. Serviced 劣化翼. HIP treat ed HIP処理翼. 2. 絞り比ratio Reduction. Elongation ratio 比 破断伸び. 2. 1. 1. 0. 0 Unused 新翼. Serviced 劣化翼. Fig.4- 7. Unused 新翼. HIP処理翼 HIP treated. Serviced 劣化翼. Creep properties of 2nd stage blades.. 80. HIP処理翼 HIP treated. 削除 : ９.
(9) 第 2 段では 、Fig.4 - 7 に示 すように劣化材の 破断寿命は 未使用材と比 較して 低下 し ているのに対し、HIP 処理材では 未使用材と同 等であることから 、H I P 処理により劣 化材 の破断寿命 を未使用材と 同等程度ま で回復 できた。ま た、HIP 処理材 の破断伸び および絞り は未使用材 と比較 していずれもわずかに低下しているが、HIP 処理により これらの最小値 を向上 できた 。 第 3 段では 、Fig.4 - 8 に示 すように劣化材の 破断寿命、 破断伸 びおよび絞り の平均 値は 未使用材と 比較し て顕著 な低下 は見られないものの、 各クリープ特 性の最小値 は 未使用材に 比べ 低下している 。H I P 処理により、これらの特 性の最小値を 向上させる. 破断寿命比 Creep rupture life ratio. ことができた。. 2 50% 50% ﾃﾞｰﾀ 範囲 data. 1. range. Max. 最大値 Mean 平均値 中央値 Median. Min. 最小値. 0 劣化翼 Serviced. HIP処理翼 HIP treated. 2. 2. 絞り比 Reduction ratio. 破断伸び比 Elongation ratio. Unused 新翼. 1. 0. 1. 0 Unused 新翼. Serviced 劣化翼. Fig.4- 8. Unused 新翼. HIP treated HIP処理翼. Serviced 劣化翼. HIP treated HIP処理翼. Creep properties of 3rd stage blades.. (4) 低 サイクル疲労試験 各 段における 供試材の低 サイクル疲労試験結果を Fig.4 -9 にまとめて 示す。ここで 、. 81.
(10) HIP 処理材の 結果を未使用材の 平 均値 および 劣化材の結果 と合 わせて 示している 。図 に示 すように、劣化材と HIP 処理材は 全ひずみ範囲 が大きい場 合を除 き、いずれの 段 でも 未使用材の 平均値 と比べ て同等以上の疲労寿命 を示していることから、本供試材. 範囲，∆εｔ（%） 全ひずみ Total strain range. では 実機使用あるいは HIP 処 理によって疲労寿命 の低下 は認められなかった。. 10. 試験温度815℃. 新翼 Unused 劣化翼 Serviced HIP処理翼 HIP treated. 1. 0.1 10. 100. 1000. 10000. し数， Nu破損繰返 mber of cycles to N failure, Nf f. 全ひずみ範囲，∆ε （%） Total strain range ｔ. 第2段動翼 2nd stage blades. 10. 試験温度720℃. 新翼 Unused 劣化翼 Serviced HIP処理翼 HIP treated. 1. 0.1 100. 1000. 10000. し数， 破損繰返 Nf N f Number of cycles to failure, 第3段動翼 3rd stage blades Fig.4- 9. Low cycle fatigue life of 2nd and 3rd stage blades.. 82. 削除 : １.
(11) 4.4. 考察. 供試材に 対する非破壊および破壊調査 の結果から 、HIP 技 術を適 用した 熱処理 によ る動翼材の 特性回復を 評価す る。 非破壊調査の 結果 、 Fig.4- 1 および Fig.4-2 に示す ように、いずれの段 でも供試材表面に は HIP 処理によってき裂は 発生せ ず、形状・寸 法の 変化や 酸化等による表面 の劣化・損傷はいずれも軽微 であった。破壊調査の 結果 、 Fig.4-4 に 示すように、HIP 処 理によりいずれの段 でもγ 相 は回復 できたことから、 ミクロ組 織の観点から HIP 処理により 未使用材と 同等程度ま で回復できたと考えられ る。 また、 本供試材では疲労等に起 因す る内部 き裂は 認められず、 Fig.4-3 に 示すよ うに 未使用材や 劣化材 で認められた 鋳造欠陥が 圧着 ・消滅 できたことから、未使用材 と同等以上 の健全 なマクロ組 織に回復できたと 考えられる。 Fig.4- 5 および Fig.4-7 に示 すように、 強度や 延性の観点 からは 、第 2 段劣化材において顕 著に認 められた機 械的特性の 低下 が HIP 処理により未使用材 と同等 まで回復することが確 認できた。 このように、HIP 処理材が 未使用材と同 等の速 度で寿命を 消費することを確 認する 必要 はあるものの、いずれの段の 動翼材においても HIP 処理材は 未使用材と同等程度 の寿 命を有 すると評価 できた 。. H H IPP ttrreeaatteedd bbllaaddeess. Fig.4- 1 0 Appearance of gas turbine rotor with HIP treated. 83.
(12) 2nd and 3rd stage blades. 4.5. 実 機への 適用. 本研究の 結果、劣化材 に H I P 技術を 適用し た熱処理を施すことによって、材料特性 が回 復できることが明 らかとなり、動翼 の取替寿命の延長 が可 能となった。このため 、 各段 3 本の HIP 処理材を四日市火力発電所 4-3 号機 ガスタービン に組み 込み 、1999 年 12 月より 、実 機への 適用を 行った 。HIP 処理材を 組み込 んだガスタービンロータ の状 況を Fig.4-1 0 に示す 。2001 年 9 月の 点検までに損 傷や異 常は発生せ ず、順調な 運用 が達成できた。. 4.6. 小括. 本 章では 、実機で長期使用した 後取替 えられた 1100℃級 ガスタービン第 2 段およ び第 3 段動翼材 を供試材と し、供試材 に HIP 技術を 適用し た熱処理を施 し、 処理前 後の 材料特性を 比較し て特性回復技術としての 可能性を検 討した 。結果 を以下 にまと める 。 (1)各段の 供試材において、 HIP 処理 により 表面に き裂は 発生せず、 形状・ 寸法変化 や 酸化等 による表面 の劣化 や損傷はいずれも軽微 であった。 (2)各段の 供試材 に対し て、 HIP 処理 によりγ' 相などの断面組織は 未使用材と 同等程 度 まで回 復でき、鋳造欠陥を圧着消失 できた。 (3)第 2 段 の供試材において 機械的特性の 低下 が顕著 に認められたが、HIP 処 理によ り 未使用材と同等程度ま で回復 できた 。 (4)本研究 で用いた H I P 処理 は動翼 の寿命延長手法として有 効であることが明 らかと なったため、実機へ の適 用を開 始した 。. 84.
(13) 参考文献. 1) 伊藤明洋 ，杉田雄二，斉藤大蔵 ，吉岡洋明，藤山一成，火力原子力発電中部，2 8 0， 6 （1999 ）. 2) V. P. Swaminathan and P. Lowden， Gas Turbine Blade Life Assessment and Repair Guide ，EPRI -GS 6544（1989 ）Electric Power Research Institute ． 3) 薄田寛，作本嘉郎，西田隆，辻一郎，河合久孝，三菱重工技報，9- 1 ，102（ 1972）． 4) G. Van Drunen，6th Turbomachinery Symposium，5 5（1977）． 5) J. Liburdi and J. Wilson， Canadian Aeronautics and Space Journal，2 7- 4， 363 6) V. P. Swaminathan, N. S. Cheruvu, J. M. Klein and W. M. Robinson ， ASME Paper 98 - GT- 510（ 1998 ） ． 7) 斉藤大蔵，吉岡洋明，藤山一成，特開平 11 -335802（ 1999）.. 85.
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