涡轮叶片的制造方法技术领域
本发明涉及一种涡轮叶片的制造方法。
背景技术
在通过锻造或压延将不锈钢构件加工成规定形状后，有时会对经
过锻造等处理的不锈钢构件实施旨在进行固溶处理等的热处理。
例如，以下专利文献1中公开了一种技术，即对在1000～1300℃
的高温下进行过锻造等的不锈钢构件实施冷却，然后再次在950～1125
℃的高温下对该不锈钢构件实施热处理。根据该技术，会以5～4℃/min
的冷却速度将加热后的不锈钢构件进行急冷。
除了该专利文献1中记载的技术以外，作为与本发明关联的技术，
还有专利文献2中记载的技术。根据该技术，在为了实施热处理而将
铝合金构件进行加热后，会自多个喷嘴对该铝合金构件喷射冷却介质，
将铝合金构件进行急冷。要将金属构件进行急冷时，根据构件的形状，
会出现容易降温的部分和不易降温的部分，因此会在金属构件中产生
高温部和低温部。其结果是，在金属构件的冷却过程中会在金属构件
中产生热应力，发生翘曲。于是，根据专利文献2所记载的技术，为
了抑制铝合金构件在急冷过程中发生的翘曲，会对自多个喷嘴喷出的
冷却介质的流量等进行调节。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2012-140690号公报
专利文献2：日本专利特开2007-146204号公报
发明内容
发明要解决的课题
上述专利文献2中记载的技术是针对铝合金构件的技术。不锈钢
构件的性质不同于铝合金构件。因此，即使在为了进行热处理而对不
锈钢构件实施加热后，直接对该不锈钢构件使用上述专利文献2中记
载的技术，也难以在冷却过程中抑制翘曲。此外，专利文献2中记载
的技术对于温度较低的热处理是有效的。例如，如果是500℃程度以下
的温度较低的热处理，则辐射散热的影响小，因此如能控制因对流而
产生的热传递，则可控制热处理对象物的温度。另一方面，例如，沉
淀硬化型不锈钢等所需的固溶处理必须使用例如1000℃左右的高温。
此时，如果不对辐射散热进行控制，则难以控制热处理对象物的温度。
本发明的目的在于，在制造不锈钢的涡轮叶片时，在对不锈钢的
构件进行热处理后，抑制构件在冷却的过程中发生的变形。
技术方案
本发明的涡轮叶片的制造方法，其具有：将不锈钢进行锻造，形
成锻造体的工序；将所述锻造体进行热处理的工序；以及将经过所述
热处理后的所述锻造体进行冷却的工序，在所述热处理和所述冷却中，
排列多个所述锻造体，并且邻接的所述锻造体配置如下，即相当于从
成为涡轮叶片的平台的部分至所述涡轮叶片的长度方向的中央之间的
部分的至少一部分相对，并通过辐射热相互加温。
通过在热处理和冷却中，排列设置锻造体，能够抑制因辐射产生
的散热量出现不均。因此，本发明所涉及的涡轮叶片的制造方法能够
抑制在一个锻造体内的冷却速度不均，因此能够抑制各锻造体的变形
不均。如此，本发明所涉及的涡轮叶片的制造方法在例如制造不锈钢
的涡轮叶片时，在对不锈钢的构件进行热处理后，能够抑制构件在冷
却的过程中发生的变形。本发明所涉及的涡轮叶片的制造方法不限于
不锈钢，对于所有锻造体会升温至1000℃左右的热处理都是有效的。
多个所述锻造体优选收容在收容用构造体中实施所述热处理和所
述冷却，并在与所述构造体的内侧对向收容的所述锻造体与所述构造
体之间，设置保温用遮蔽体。遮蔽体能够降低与自身对向的各锻造体
的冷却速度。因此，能够减小锻造体的厚壁部与薄壁部的温度差，并
且抑制锻造体的变形。
所述遮蔽体为板状构件，其厚度优选等同于所述锻造体的相当于
从成为所述涡轮叶片的平台的部分至所述涡轮叶片的长度方向的中央
之间的部分中任一剖面的最大厚度。由于能够使遮蔽体的辐射热产生
的保温效果等同于锻造体的辐射热产生的保温效果，所以能够抑制单
个锻造体的温度不均以及多个锻造体的温度不均，并且抑制冷却时的
锻造体变形以及变形不均。
所述最大厚度优选为在所述热处理后所述锻造体产生弯曲时起点
处的剖面的最大厚度。冷却时锻造体产生的主要变形为锻造体的弯曲。
锻造体弯曲时，弯曲的起点的影响大。通过将遮蔽体的厚度设为锻造
体产生弯曲时起点处剖面的最大厚度，能够抑制弯曲的起点附近的温
度不均，因此能够有效地抑制遮蔽体的变形。
优选在所述冷却的工序中，将冷却用气体整流后供给至多个所述
锻造体。通过将冷却用气体整流后供给至构件，能够抑制冷却中的锻
造体变形。
所述不锈钢优选为沉淀硬化型不锈钢。沉淀硬化型不锈钢在加热
时和冷却时会发生相变，容易产生变形，但根据本发明所涉及的涡轮
叶片的制造方法，则能够有效地抑制锻造体和涡轮叶片的变形。
有益效果
本发明在制造不锈钢的涡轮叶片时，在对不锈钢的构件进行热处
理后，能够抑制构件在冷却的过程中发生的变形。
附图说明
图1是具有实施方式所涉及的动叶的蒸汽涡轮机的概略结构图。
图2是显示实施方式所涉及的涡轮叶片的概略图。
图3是显示实施方式所涉及的涡轮叶片的制造方法的一例的流程
图。
图4是显示实施方式所涉及的涡轮叶片的制造方法中材料的温度
变化的一例的图。
图5是显示热处理工序中锻造体的状态的图。
图6是显示在与锻造体的长度方向正交的平面上切断锻造体时的
剖面形状的剖面图。
图7是显示本实施方式所涉及的涡轮叶片的制造方法中篮子内的
锻造体的配置例的图。
图8是显示锻造体的剖面位置的图。
图9是显示使用大于图7所示的篮子时锻造体的配置例的图。
图10是显示在平面视为长方形的篮子中收容有多个锻造体的例子
的图。
图11是显示在平面视为圆形的篮子内收容多个锻造体的其他例子
的图。
图12是显示在平面视为圆形的篮子内收容多个锻造体的其他例子
的图。
图13是显示冷却工序的一例的图。
图14是显示整流用构造体的一例的图。
具体实施方式
关于为实施本发明的方案即实施方式，参照图面进行详细说明。
(关于蒸汽涡轮机)
图1是具有实施方式所涉及的动叶的蒸汽涡轮机的概略结构图。
如图1所示，蒸汽涡轮机1中，壳体11呈中空形状，作为旋转轴的转
子12可自由旋转地支撑于多个轴承13。壳体11内配设有涡轮叶片15
和静叶16。在形成于转子12上的圆盘状的盘形转子14的外周，沿其
周向并设且固定有多个涡轮叶片15。在壳体11的内壁上，沿其周向并
设且固定有多个静叶16。这些涡轮叶片15和静叶16沿转子12的轴向
交替配设。
此外，壳体11内配设有上述涡轮叶片15和静叶16，并形成有通
过蒸汽的蒸汽通路17。在该蒸汽通路17中，作为供给蒸汽的入口，形
成有蒸汽供给口18，作为将蒸汽排出至外部的出口，形成有蒸汽排出
口19。
(涡轮叶片的构造)
图2是显示实施方式所涉及的涡轮叶片的概略图。涡轮叶片15含
有叶片根部21、平台22、叶片部23、以及覆环24。叶片根部21埋设
在盘形转子14中，将涡轮叶片15固定在盘形转子14上。平台22是
与叶片根部21形成一体的弯曲的板状物。叶片部23的基端部固定在
平台22上，前端部向壳体11的内壁面侧延伸，随着向叶片长度方向
延伸而发生扭转。覆环24固定在叶片部23的前端部，是与邻接的涡
轮叶片15的覆环24接触，固定涡轮叶片15或抑制涡轮叶片15的振
动的构件。
在叶片部23的两叶片面中叶片长度方向的大致中央部，形成有突
起状的桩部25。该桩部25是与邻接的涡轮叶片15的桩部25接触，固
定涡轮叶片15或抑制涡轮叶片15的振动的部分。涡轮叶片15是图1
所示的蒸汽涡轮机1的动叶，但本实施方式所涉及的涡轮叶片的制造
方法的提供对象并不限定于涡轮的动叶。
(涡轮叶片的制造方法)
图3是显示实施方式所涉及的涡轮叶片的制造方法的一例的流程
图。图4是显示实施方式所涉及的涡轮叶片的制造方法中材料的温度
变化的一例的图。图4的纵轴是涡轮叶片15的材料的温度Tm，横轴
是经过时间Ti。本实施方式所涉及的涡轮叶片的制造方法含有锻造工
序(步骤S1)、冷却工序(步骤S2)、去毛刺工序(步骤S3)、热处
理工序(步骤S4)以及机械加工工序(步骤S5)。
步骤S1的锻造工序中，在加工成设有余料部的叶片部23的形状
的上下一组模具内，设置温度加热至材料的再结晶温度以上的涡轮叶
片15的材料，并实施热模锻。图4的OPa是锻造工序。本实施方式中，
涡轮叶片15的材料例如为不锈钢。更具体的说，是例如17-4PH的沉
淀硬化型不锈钢。锻造工序结束后，会成型为图8所示的设有余料部
31的叶片部23的形状的锻造体。接着，进入步骤S2的冷却工序。
步骤S2的冷却工序中，将在锻造工序中成型的高温状态的锻造体
进行冷却。图4的OPb是锻造工序后的冷却工序。锻造体将冷却至适
合下一工序即去毛刺工序的温度。接着，进入步骤S3的去毛刺工序。
在步骤S3的去毛刺工序中，将除去在锻造工序的模具锻造时由于
材料进入上下模具的隙间等而形成的锻造物的无用部分(毛刺)。接
着，进入步骤S4的热处理工序。
在步骤S4的热处理工序中，将对锻造体实施热处理。该热处理包
含固溶处理OPc、稳定化处理OPd以及时效处理OPe。热处理工序将
释放前工序(锻造工序)中在锻造物中产生的残留应力以及在冷却过
程中在锻造物中产生的热应力，并使锻造体进行时效硬化。接着，进
入步骤S5的机械加工工序。
在步骤S5的机械加工工序中，锻造体的余料部会通过切削加工进
行切削。此外，机械加工工序中，通过切削加工在叶片部23的基端部
侧(叶片根侧)形成平台22，并且在前端部侧(叶片顶侧)形成覆环
24。如此制成具有所需的最终形状的涡轮叶片15。
(关于热处理工序)
图5是显示热处理工序中锻造体的状态的图。图6是显示在与锻
造体的长度方向正交的平面上切断锻造体时的剖面形状的剖面图。热
处理工序中，将锻造体10收容在收容用构造体30(以下适当称为篮子
30)中，并设置在加热炉40内。热处理工序的时效处理OPe中，锻造
体10必须在加热并保持在500℃左右后，于30分钟以内将温度降低
500℃左右，因此锻造体10必须进行冷却。
一般，例如锻造体10的金属构件根据其形状，具有容易冷却(换
言之即容易加热)的部分以及不易冷却(换言之即不易加热)的部分。
具体而言，金属构件中容易冷却的部分为单位质量的表面积较大的大
表面积部，金属构件中不易冷却的部分为单位质量的表面积较小的小
表面积部。
例如，本实施方式中，如图6所示，锻造体10中含有前端10L的
前端部10LP以及含有后端10T的后端部10TP的叶片厚度的尺寸小于
位于这些前端部10LP与后端部10TP之间的中央部10CP，因此会形成
单位质量的表面积较大的大表面积部A，并成为容易冷却的部分。
存在于前端部10LP与后端部10TP之间且含有最大直径部(最大
厚度)TNmax的中央部10CP形成单位质量的表面积较小的小表面积
部B，并成为不易冷却的部分。将此种金属构件进行加热或冷却后，金
属构件中会产生高温部和低温部。其结果是，在将金属构件进行加热
或冷却的过程中，会在金属构件中产生较大的热应力，并且产生变形
和翘曲。此外，将热处理后的锻造体10进行冷却时，在开始冷却的初
期，会在叶片的最大直径部TNmax与前端部10LP以及后端部10TP之
间产生温度差，其结果是会产生较大的热应力，并且在锻造体10中产
生变形和翘曲。最大直径部TNmax是在涡轮叶片15的剖面中厚度最
大、即成为最大厚度的部分。
在加热炉40中将金属构件进行加热时，随着配置着金属构件的加
热炉40内的温度即环境气体温度的上升，金属构件的温度会上升。另
一方面，将金属构件移出加热炉40进行冷却时，相对于金属构件的温
度，该环境气体温度为常温，金属构件的温度与该环境气体温度的温
度差较大，因此冷却时的温度降低率会大于加热时的温度上升率。因
此，虽然加热时金属构件中的高温部与低温部的温度差小，但冷却时
金属构件中的高温部与低温部的温度差会变大。因此，通过抑制冷却
时金属构件中的高温部与低温部的温度差，能够抑制热应力的产生，
并且抑制变形和翘曲。
在将沉淀硬化型不锈钢的锻造体10进行热处理后实施冷却时，在
其后期，锻造体10会变为MS(马氏体)点以下的温度，并开始相变。
虽然锻造体10会因相变而膨胀，但由于最大直径部TNmax与前端部
10LP以及后端部10TP处进行相变的情况不同(由于存在温度差)，
所以会因膨胀差而产生应力。此外，当应力在相变中途的过渡段阶产
生作用时，会非常容易变形(相变塑性)。因此，在将锻造体10进行
热处理后实施冷却时，通过抑制最大直径部TNmax(或中央部10CP)
与前端部10LP以及后端部10TP之间的温度差，能够抑制热应力的产
生，并且抑制锻造体10的变形和翘曲。
图7是显示本实施方式所涉及的涡轮叶片的制造方法中篮子内的
锻造体的配置例的图。图8是显示锻造体的剖面位置的图。图8所示
的锻造体10是切削加工前的状态，因此具有可通过切削来去除的余料
部31。将从叶片根侧朝向叶片顶侧、即从平台22侧朝向覆环24侧的
方向称为涡轮叶片15或锻造体10的长度方向(叶片顶方向)。图8
所示的从覆环24侧向平台22侧的A-A～H-H、J-J～N-N合计13处位
置表示涡轮叶片15或锻造体10的长度方向上的位置。
本实施方式所涉及的涡轮叶片的制造方法中，在热处理工序和冷
却工序中，在图7所示的篮子30中收容有多个锻造体10。收容有多个
锻造体10的篮子30会收容至图5所示的加热炉40中进行热处理。热
处理结束后，将例如篮子30从加热炉40中取出并进行冷却。
本实施方式所涉及的涡轮叶片的制造方法中，如图7所示，将多
个锻造体10进行排列。邻接的锻造体10配置为，相当于从图2所示
的成为涡轮叶片15的平台22的部分至涡轮叶片15的长度方向(叶片
长度方向)的中央之间的部分的至少一部分相对，并通过辐射热相互
加温。本实施方式中，将多个锻造体10进行排列后，锻造体10的吸
入侧SU与压力侧PR对向，并且配置成一列，形成锻造体10的列。
图7所示的例子中，1个锻造体10的列包含3个锻造体10。篮子30
收容2个锻造体10的列。涡轮叶片15的长度方向(叶片长度方向)
的中央为图8的H-H表示的部分。
如此，通过排列设置锻造体10，能够抑制因辐射产生的散热量出
现不均。因此，本实施方式所涉及的涡轮叶片的制造方法能够抑制在
一个锻造体10内的冷却速度不均，因此能够抑制各锻造体10的变形
不均。
为了抑制锻造体10的弯曲，优选减少弯曲的起点的弯曲量。因此，
在热处理和冷却后，锻造体10发生弯曲时，优选至少包含该弯曲的起
点及其附近通过邻接的锻造体10之间的辐射热进行相互加温。由于能
够抑制弯曲的起点的最大直径部TNmax(或中央部10CP)与前端部
10LP以及后端部10TP之间的温度分布，所以能够有效地抑制锻造体
10的弯曲。锻造体10的弯曲的起点与桩部25相比位于平台22侧，更
具体地说，与相当于涡轮叶片15或锻造体10的长度方向的中央之间
的部分相比，位于平台22侧。本实施方式中，位置K-K为锻造体10
的弯曲的起点。
本实施方式中，如图7所示，优选在与篮子30的内侧30IW对向
收容的锻造体10与篮子30之间，设置保温用遮蔽体32。遮蔽体32能
够降低与自身对向的各锻造体10的冷却速度，因此能够减小例如最大
直径部TNmax的厚壁部与例如前端部10LP以及后端部10TP的薄壁部
的温度差，抑制锻造体10的变形。
本实施方式中，遮蔽体32为图8所示的板状构件。本实施方式中，
遮蔽体32是平面视为长方形的构件。本实施方式中，邻接的锻造体10
排列成可通过辐射热相互加温，并收容在篮子30内。与遮蔽体32对
向的锻造体10也在其与遮蔽体32之间相互加温，因此可抑制收容在
篮子30中的多个锻造体10的冷却速度不均。因此，本实施方式中，
作为遮蔽体32，优选使用辐射率与锻造体10几乎相同的构件。例如，
优选通过使用与锻造体10相同的材料作为遮蔽体32或者使遮蔽体32
的表面颜色或状态与锻造体10相同，使锻造体10的辐射率与遮蔽体
32几乎相同。
如上所述，为了抑制锻造体10的弯曲，优选减少弯曲的起点的弯
曲量。因此，在热处理和冷却后，锻造体10发生弯曲时，优选至少包
含该弯曲的起点及其附近通过与锻造体10对向的遮蔽体32的辐射热
进行相互加温。由于能够抑制弯曲的起点的最大直径部TNmax(或中
央部10CP)与前端部10LP以及后端部10TP之间的温度分布，所以能
够有效地抑制锻造体10的弯曲。如图7所示，本实施方式中，遮蔽体
32未配置在前端部10LP和后端部10TP侧。
锻造体10和涡轮叶片15从平台22侧向覆环24侧扭转。遮蔽体
32可以是与锻造体10和涡轮叶片15的扭转相应的形状，但如本实施
方式所示，通过将遮蔽体32设为板状构件，能够使遮蔽体32的制造
变得容易。此时，优选锻造体10的弯曲的起点的剖面与遮蔽体32对
向。通过如此设置，能够通过遮蔽体32的辐射热将包含该弯曲的起点
及其附近进行加温，抑制冷却后锻造体10产生的弯曲。
图8所示的遮蔽体32的厚度t优选等同于相当于从成为涡轮叶片
15的平台22的部分至涡轮叶片15的长度方向的中央之间的部分中任
一剖面的最大厚度、即最大直径部TNmax。此时，遮蔽体32的厚度t
优选等同于弯曲的起点处剖面的最大厚度、即最大直径部TNmax。如
此，则能够使对锻造体10的弯曲影响最大的弯曲的起点处锻造体10
与遮蔽体32的辐射热交换与邻接的锻造体10之间的交换相同。其结
果是，能够抑制冷却后锻造体10发生的弯曲。
遮蔽体32在长度方向上的长度L是设置在篮子30内的遮蔽体32
与锻造体10的弯曲的起点对向的长度即可。本实施方式中，遮蔽体32
的长度L与锻造体10在长度方向上的长度几乎相等。如此，对于锻造
体10的弯曲的起点以外的部分也能够期待某种程度的因辐射热产生的
保温效果。
遮蔽体32在与长度方向正交的方向上的宽度W为设置在篮子30
内的遮蔽体32与锻造体10的弯曲的起点在宽度方向上的所有范围对
向的大小即可。如此，遮蔽体32可通过辐射热对锻造体10的弯曲的
起点实施有效的加温。
图9是显示使用大于图7所示的篮子时锻造体的配置例的图。本
实施方式中，篮子30的大小不受限制。篮子30大时，篮子30能够收
容更多的锻造体10。此时，如上所述，多个锻造体10可排列配置为，
相当于从成为涡轮叶片15的平台22的部分至涡轮叶片15的长度方向
的中央之间的部分的至少一部分相对，并通过辐射热相互加温。此外，
篮子30与锻造体10之间优选设置遮蔽体32。
图10是显示在平面视为长方形的篮子中收容有多个锻造体的例子
的图。本实施方式中，用来收容锻造体10的篮子的形状不受限制，例
如可以是图7和图9所示的平面视为圆形的篮子30，也可以是图10所
示的平面视为长方形的篮子30a。本例中，沿篮子30a的长度方向，将
多个锻造体10配置为2列。不受篮子的形状的限制，多个锻造体10
可排列配置为，相当于成为涡轮叶片15的平台22的部分至涡轮叶片
15的长度方向的中央之间的部分的至少一部分相对，并通过辐射热相
互加温。
篮子30a与锻造体10之间优选设置遮蔽体32。本例中，遮蔽体
32设置在篮子30a在长度方向上的两侧。各遮蔽体32与锻造体10的
吸入侧SU以及不同于其的锻造体10的压力侧PR对向。
图11和图12是显示在平面视为圆形的篮子内收容多个锻造体10
的其他例子的图。图11所示的例子中，未将多个锻造体10完全排列
整齐。如此，虽然各锻造体10的温度不均的抑制效果会降低，但能够
提高设置在篮子30内的各锻造体10的自由度。图12所示的例子中，
在平面视为圆形的篮子30内，从篮子30的中心呈放射状地收容有多
个锻造体10。此时，图7所示的遮蔽体32也可未设置在篮子30内。
因此，相应未设置遮蔽体32的部分，能够增加可收容在篮子30内的
锻造体10的数量。各锻造体10不利用来自遮蔽体32的辐射热进行加
温，而是利用来自邻接的锻造体10的辐射热进行加温。因此，与使用
遮蔽体32时相比，图12所示的配置能够抑制多个锻造体10间的温度
不均。
图13是显示冷却工序的一例的图。图14是显示整流用构造体的
一例的图。热处理工序之后的冷却工序中，例如可通过风扇33向收容
在篮子30内的多个锻造体10送出冷却用气体(以下适当称为冷却风)，
将其冷却。风扇33由控制装置34进行控制。本实施方式中，作为整
流用的构造体，在风扇33与锻造体10之间设有整流板35。如图14所
示，整流板35具有多个贯通孔35H。从风扇33送出的冷气风通过多个
贯通孔35H时，冷却风会被整流并送至锻造体10。通过使来自风扇33
的冷却风被整流并供给至锻造体10，可抑制冷却中锻造体10发生的变
形。也就是说，整流板35可减缓来自风扇33的冷却风对锻造体10的
直击，此外还可控制冷却速度。整流板35具有的贯通孔35H的尺寸和
数量可相应冷却锻造体10时所要求的冷却条件，进行适当变更。
本实施方式中，说明了使用沉淀硬化型不锈钢作为锻造体10的材
料的例子。马氏体类不锈钢、铁素体类不锈钢、奥氏体类不锈钢、奥
氏体-铁素体双层不锈钢也与沉淀硬化型不锈钢相同，会在加热时和冷
却时发生相变，因此在使用它们作为材料制造涡轮叶片15时，也可使
用本实施方式所涉及的涡轮叶片的制造方法。
如上所述，本实施方式所涉及的涡轮叶片的制造方法中，通过减
缓冷却速度，能够减小厚壁部与薄壁部的温度差，因此在制造不锈钢
的涡轮叶片时，在对不锈钢的构件进行热处理后，能够抑制构件在冷
却的过程中发生的变形(翘曲)，并且减少残留应力。本实施方式所
涉及的涡轮叶片的制造方法能够减少冷却后的工序中实施翘曲修正时
的作业量，并且能够减少其后的机械加工时产生的变形。
本实施方式并不受上述内容所限定。上述本实施方式的结构要素
中，包含所属技术领域的技术人员易想定的部分、本质上相同的部分，
也就是说均等范围内的部分。上述构成要素可适当地进行组合。此外，
在不脱离本实施方式的主旨的范围内，可以进行构成要素的各种省略、
置换以及变更。
符号说明
1蒸汽涡轮机
10锻造体
10CP中央部
10L前端
10LP前端部
10T后端
10TP后端部
11壳体
12转子
13轴承
14盘形转子
15涡轮叶片
16静叶
17蒸汽通路
18蒸汽供给口
19蒸汽排出口
21叶片根部
22平台
23叶片部
24覆环
25桩部
30、30a篮子(收容用构造体)
30IW内侧
31余料部
32遮蔽体
33风扇
34控制装置
35整流板
35H贯通孔
40加热炉
A大表面积部
B小表面积部
L长度
OPc固溶处理
OPd稳定化处理
OPe时效处理
PR压力侧
SU吸入侧
Ti经过时间
Tm温度
TNmax最大直径部
W宽度