JP5706780B2

JP5706780B2 - Steam turbine rotor and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP5706780B2
Application number: JP2011164416A
Authority: JP
Inventors: 宏紀鴨志田; 今野　晋也; 晋也今野; 勝煥朴
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: JP2013029044A

Description

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。 The present invention relates to a steam turbine rotor and a method for manufacturing the same.

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（Ｃｒ_２３Ｃ_６）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。 Generally, high Cr steel is used for the steam turbine rotor. Further, a steam turbine having a steam temperature exceeding 700 ° C. has been developed, and a nickel base alloy or an iron-nickel base alloy is being applied to the rotor instead of an iron base. The journal portion of the steam turbine rotor is supported by a bearing, and the journal portion receives a large amount of friction when rotating at high speed around the rotation axis. Therefore, so-called galling may occur between the journal portion and the bearing due to wear and impurities. Specifically, for example, in high Cr steel forming a steam turbine rotor, high strength is realized by precipitating Cr-based carbide (Cr ₂₃ C ₆ ) in the matrix metal. When the metal wears, the Cr-based carbide falls off from the journal portion and causes galling with the bearing. In addition, the nickel base contains a large amount of Cr, and Cr-based carbides are precipitated, so the same phenomenon can be considered. In this specification, unless otherwise specified, the nickel group (Ni group) and the iron-nickel group (FeNi group) are collectively referred to as a nickel group (Ni group).
Conventionally, as a technique for preventing such galling, a technique is known in which an overlay layer made of low Cr steel (for example, CrMo steel) is provided by overlay welding on a base material made of high Cr steel forming a journal portion. (For example, refer to Patent Document 1).
According to such a technique, since the overlay layer made of low Cr steel is formed on the base material containing Cr-based carbide, generation of galling due to Cr-based carbide can be prevented.

特開平１１−１０４８８０号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-104880

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。 However, in the technique of Patent Document 1, since low Cr steel (overlay layer) is formed by overlay welding on high Cr steel (base material), Cr contained in high Cr steel (base material) is low Cr. Transition to steel (overlay layer). That is, an inclined layer (dilution layer) having a concentration gradient of chromium concentration is formed on the substrate. Therefore, it is necessary to increase the thickness of the overlay layer in order to prevent migration of chromium to the surface of the overlay layer. Further, if an overlay layer is formed thickly by overlay welding, there is a risk that the overlay layer will crack due to poor welding, and the reliability of the steam turbine rotor will be insufficient.
Therefore, it is conceivable to form a low Cr steel (overlay layer) on a base material made of high Cr steel, for example, by thermal spraying. According to such spraying, the overlay layer can be controlled to be thin. Also, according to thermal spraying, the amount of heat carried by the thermal spray particles made of low Cr steel is small, so the thermal effect on the base material made of high Cr steel is small, and the Cr of the base material is prevented from moving to the overlay layer. Can do.
However, if an overlay layer is formed on the substrate by thermal spraying, the adhesion strength between the base material and the sprayed particles becomes weaker than overlay welding, so the overlay layer does not rotate when the steam turbine rotor rotates at a high speed. There is a risk of peeling from the substrate. That is, reliability is insufficient even in the steam turbine rotor in which the overlay layer is formed by thermal spraying.

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。 Then, this invention is providing the steam turbine rotor with high reliability compared with the past, and its manufacturing method.

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、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、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。 In the steam turbine rotor of the present invention that solves the above-described problem, the journal portion in contact with the bearing is on the base material made of the first chrome steel or nickel base, with the intermediate layer interposed therebetween than the first chrome steel or nickel base. A steam turbine rotor formed by laminating an overlay layer made of a second chromium steel having a low chromium concentration, wherein the intermediate layer is formed by friction stir welding the overlay layer to the substrate; The alloy phase of the base material and the alloy phase of the second chromium steel are both mixed.
That is, in the steam turbine rotor, the journal portion in contact with the bearing has the first chromium steel, a chromium-containing nickel-based alloy (hereinafter sometimes simply referred to as a nickel-based), or a chromium-containing iron-nickel-based alloy (hereinafter referred to as a nickel-based alloy). Vapor formed by laminating an overlay layer made of a second chromium steel having a chromium concentration lower than that of the base material via an intermediate layer on a base material made of iron-nickel group) In the turbine rotor, the intermediate layer is formed by friction stir welding the overlay layer to the base material, and two phases of the alloy phase and the alloy phase of the base material are mixed together. And
The method for manufacturing a steam turbine rotor according to the present invention for solving the above-described problem is a method for manufacturing a steam turbine rotor having an overlay layer on the surface of a journal portion in contact with a bearing, wherein the journal portion is made of a first chromium steel. A step of superimposing an overlay material made of the first chromium steel or a second chromium steel having a chromium concentration lower than that of the nickel base on the base material, and friction stir welding of the overlay material to the base material The intermediate layer in which two phases of the first chromium steel or nickel-base alloy phase and the second chromium steel alloy phase are mixed together on the base material, and the second layer on the intermediate layer. And laminating an overlay layer made of chrome steel.
Further, in the present invention, the overlay layer and the overlay material may be a chromium-containing nickel-base alloy having a lower chromium concentration than the base material, or a chromium-containing iron-nickel-base alloy, instead of the second chromium steel. It can also be set as the structure formed by.

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。 According to the present invention, it is possible to provide a steam turbine rotor and a method for manufacturing the same that are more reliable than conventional ones.

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。It is a side view of the steam turbine rotor which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a partial expanded sectional view in the journal part of the steam turbine rotor which concerns on embodiment of this invention. （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。(A) is a graph which shows the result of the line analysis of the intermediate | middle layer and overlay layer which are formed in the journal part of the steam turbine rotor which concerns on embodiment of this invention, (b) is the position which performed the line analysis. It is a partial expanded sectional view of the intermediate | middle layer and overlay layer which are shown. 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。It is a schematic diagram which shows a mode that an overlay material is friction stir-welded on the base material in the journal part of the steam turbine rotor which concerns on embodiment of this invention. （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。(A) to (c) is a manufacturing process diagram for explaining a method of manufacturing a steam turbine rotor according to an embodiment of the present invention. 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。In the manufacturing method of the steam turbine rotor which concerns on embodiment of this invention, it is the elements on larger scale of the journal part vicinity for demonstrating the advancing direction of a friction stir welding tool.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
In the steam turbine rotor according to the present embodiment, the journal portion in contact with the bearing has a first chromium steel, a chromium-containing nickel-based alloy (hereinafter sometimes simply referred to as nickel-based), or an iron-nickel-based alloy ( In the following, it was formed by laminating an overlay layer made of a second chromium steel having a chromium concentration lower than that of the base material via an intermediate layer on a base material made of iron-nickel group). In the steam turbine rotor, the intermediate layer is characterized in that two phases of an alloy phase of the base material and an alloy phase of the second chromium steel are mixed.
As shown in FIG. 1, the steam turbine rotor 7 according to this embodiment is of a high-low pressure integrated type, and the blade 20 has six stages in the high-pressure part H, four stages in the medium-pressure part M, and a low-pressure part L. And it is planted so that it may become a total of 14 steps | paragraphs of 4 steps | paragraphs in the low voltage | pressure last stage part LL.
In FIG. 1, reference numeral 7 c is a flange portion, and reference numeral 7 a is a journal portion that is supported by a bearing 8 (indicated by a broken line in FIG. 1) and is in contact with the bearing 8.
Incidentally, since the steam turbine rotor 7 in the present embodiment is exposed to an atmosphere of about 550 ° C. to about 720 ° C., alloys having different compositions and characteristics are used in the high pressure portion H and the low pressure final stage portion LL. However, the journal portion 7a has an overlay layer 6 (FIG. 2) made of a low Cr steel described in detail later on a base material 2 (see FIG. 2) made of high Cr (chromium) steel or nickel base, which will be described in detail later. Reference).
The steam turbine rotor 7 has two journal portions 7a. Since these journal portions 7a have the same layer configuration, the journal portion 7a on the low pressure side (the right side in FIG. 1) will be described below. The description of the journal portion 7a on the high-pressure side (the left side in FIG. 1) will be omitted.

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。 As shown in FIG. 2, the journal portion 7 a is formed on a base material 2 made of first chrome steel (high Cr steel) described later, with an intermediate layer 5 interposed therebetween, so that the chrome is more chromium than the first chrome steel or nickel base. An overlay layer 6 made of a second chromium steel (low Cr steel) having a low concentration is provided.

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、Ｃｒ_２３Ｃ_６）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。 As the first chrome steel constituting the base material 2, it is desirable that the chromium concentration is 9 mass% to 13 mass% if it is steel. Since the base material 2 made of the first chromium steel having a chromium concentration of 9% by mass or more can sufficiently precipitate chromium-based carbide (for example, Cr ₂₃ C ₆ ) in the first chromium steel, Excellent strength. Incidentally, the base material 2 made of the first chromium steel having a chromium concentration of 9% by mass or more has excellent oxidation resistance. Moreover, the base material 2 which consists of 1st chromium steel whose chromium density | concentration is 13 mass% or less becomes a thing excellent in toughness at high temperature.
Examples of the first chromium steel include chromium heat-resistant steel, stainless steel, and the like. More specifically, for example, martensitic SUS404, SUS420, ferrite-based SUS405, and the like.
In the case of a nickel group or an iron-nickel group, a chromium concentration of 15% by mass to 30% by mass is desirable. When the nickel base or the iron-nickel base with chromium of 15% by mass or more is applied to the rotor base material, the exposed temperature increases, so that the high temperature strength is increased, and the oxidation resistance is improved. It is effective. Further, a nickel group of 30% by mass or less or an iron-nickel group has excellent long-term phase stability.

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。 As the second chromium steel constituting the overlay layer 6, one having a chromium concentration of 0.5 mass% to 3 mass% is desirable. The overlay layer 6 made of the second chromium steel having a chromium concentration of 3% by mass or less has good slidability of the journal portion 7a supported by the bearing 8 and rotates, and also has good thermal conductivity. It becomes.
Examples of such second chrome steel include CrMoV steel and CrMo steel.
Incidentally, the overlay layer 6 in the present embodiment is formed by friction stir welding the overlay material 1 (see FIG. 4) superimposed on the base material 2 as described later. It is formed. That is, the overlay material 1 (see FIG. 4) is made of the same second chromium steel as the overlay layer 6.

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。 The intermediate layer 5 is a layer interposed between the base material 2 and the overlay layer 6, and the first chromium steel or nickel-based alloy phase 2 a constituting the base material 2 and the second layer constituting the overlay layer 6. It is a mixed layer in which the alloy phase 6a of chromium steel is mixed. The intermediate layer 5 is a gradient layer (dilution layer) having a chromium concentration gradient formed by melting the base material and the overlay layer at a high temperature during welding by conventional overlay welding (for example, see Patent Document 1). ). In other words, the intermediate layer 5 is different from the inclined layer formed by the conventional build-up welding, that is, formed by melting the base alloy and the overlay alloy, and the base layer 2 (first chromium steel). The nickel-based alloy phase 2a) and the overlay layer 6 (second chromium steel alloy phase 6a) are formed by plastic flow.

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。 In FIG. 2, the first chromium steel or nickel-based alloy phase 2 a and the second chromium steel alloy phase 6 a constituting the overlay layer 6 are illustrated so as to mesh in a saw-like manner, This is a schematic exaggeration of the state in which the alloy phase 2a and the alloy phase 6a are mixed in the intermediate layer 5, and does not indicate an actual mixed state. That is, if the intermediate layer 5 in this embodiment is a layer in which at least the alloy phase 2a and the alloy phase 6a are mixed, the mixed state is not particularly limited. Therefore, although not shown, the alloy phase 2a and the alloy phase 6a may be mixed in an irregular shape, for example, in a marble pattern in the intermediate layer 5.

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。 Here, “mixing of alloy phase 2a and alloy phase 6a” in the present embodiment will be described more specifically. FIG. 3A to be referred to next is a graph showing the results of line analysis of the intermediate layer and the overlay layer formed in the journal portion of the steam turbine rotor according to the embodiment of the present invention, and FIG. It is the elements on larger scale of the intermediate | middle layer and overlay layer which show the position which performed the line analysis. In FIG. 3B, reference numeral 2 is a base material made of the first chrome steel or nickel base, reference numeral 6 is an overlay layer made of the second chrome steel, reference numeral 5 is the intermediate layer, reference numeral 2a is the first layer in the intermediate layer 5. An alloy phase of 1 chrome steel, symbol 6 a is an alloy phase of the second chrome steel in the intermediate layer 5. Moreover, the arrow of the dashed-two dotted line in FIG.3 (b) shows the analysis direction of the line analysis implemented ranging from the base-material 2 side to the overlay layer 6 side, and code | symbol A, B, and C is analysis of line analysis. Position. Incidentally, the analysis positions A, B, and C are interfaces between the alloy phase 2a and the alloy phase 6a.
The vertical axis of the graph of FIG. 3A is the analysis position in the arrow direction of the two-dot chain line, and the symbols A, B, and C correspond to the analysis positions A, B, and C of FIG. ing. Moreover, the horizontal axis of the graph of FIG. 3A is the chromium concentration (mass%) when the line analysis is performed.

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。 As shown in FIG. 3 (b), when the line analysis is performed so as to cross the alloy phase 2a and the alloy phase 6a in the direction of the two-dot chain line, the chromium concentration of the intermediate layer 5 is measured. As shown, the base material 2 has a chromium concentration of Q mass%. This Q mass% represents the chromium concentration of the first chromium steel or nickel base. In addition, the chromium concentration in the alloy phase 2 a constituting the intermediate layer 5 is Q mass%. The chromium concentration is P mass% (P <Q) at the analysis position A, which is the interface between the alloy phase 2a and the alloy phase 6a of the intermediate layer 5. Incidentally, this P mass% represents the chromium concentration of the second chromium steel. In the intermediate layer 5, the chromium concentration in the alloy phase 6 a is P mass%. In addition, the chromium concentration changes from P mass% to Q mass% at the analysis position B where the alloy layer 6a is switched again from the alloy phase 6a to the alloy phase 2a in the intermediate layer 5, and the analysis is performed where the intermediate layer 5 switches from the alloy phase 2a to the alloy phase 6a. At the position C, the chromium concentration changes again from Q mass% to P mass%. That is, the intermediate layer 5 is a mixed layer in which two phases of the alloy phase 2a of the substrate 2 and the alloy phase 6a of the overlay layer 6 are mixed together as described above. The intermediate layer 5 composed of such a mixed layer is obtained by friction stir welding of the overlay material 1 (see FIG. 4) to the base material 2 described below, and the alloy phase 2a of the base material 2 and the alloy phase 6a of the overlay material 1 Is formed by plastic flow.

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。 Next, FIG. 4 to be referred to is a schematic diagram showing a state in which the overlay material is friction stir welded onto the base material in the journal portion of the steam turbine rotor according to the present embodiment.
In FIG. 4, reference numeral 2 is a base material, reference numeral 1 is an overlay material disposed on the base material 2, reference numeral 4 is a friction stir welding tool, reference numeral 6 is a friction stir welding tool 4, and the overlay material 1 is It is an overlay layer formed by being bonded to the substrate 2, and reference numeral 5 is an intermediate layer formed so as to be interposed between the substrate 2 and the overlay layer 6.

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。 As shown in FIG. 4, when joining the overlay material 1 superimposed on the base material 2 to the base material 2, the friction stir welding tool 4 that rotates at a predetermined rotational speed is perpendicular to the overlay material 1. In addition, although not shown, the tip portion is inserted into the overlay material 1 and the base material 2 which are superposed while being inclined by several degrees (deg). As a result, the overlay material 1 and the base material 2 existing around the friction stir welding tool 4 are plasticized by the frictional heat of the rotating friction stir welding tool 4 and plastically flow around the friction stir welding tool 4.

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。 At this time, the friction stir welding tool 4 stirs the plasticized overlay material 1 and the base material 2 in a plane substantially orthogonal to the rotation axis direction X, so that the friction stir welding tool 4 plasticizes in the rotation axis direction X. The degree of plastic flow of the formed overlay material 1 and base material 2 is slightly smaller than the degree of plastic flow in the plane. As a result, in the vicinity of the joint between the base material 2 and the overlay material 1, an intermediate layer 5 in which the alloy phase 2a of the base material 2 and the alloy phase 6a of the overlay material 1 are mixed is formed by this plastic flow, In the outer peripheral portion of the overlay material 1, an overlay layer 6 composed of an alloy phase 6a not mixed with the alloy phase 2a is formed.

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。 Then, the rotating friction stir welding tool 4 moves toward the surface direction S (direction along the surface) of the overlay material 1 (or the base material 2), so that the overlay material 1 is joined to the base material 2. At the same time, an overlay layer 6 is formed on the substrate 2 via the intermediate layer 5. That is, the journal portion 7 a having the overlay layer 6 is formed on the base material 2 via the intermediate layer 5.

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。 In the present embodiment, it is assumed that the friction stir welding tool 4 is moved along the surface direction S while rotating the friction stir welding tool 4 as described above. However, in the present invention, the friction stir welding tool 4 is rotated as shown in FIG. It can also be moved in the surface direction S of the overlay material 1 (or base material 2) while reciprocating in a predetermined minute range in the axial direction X. Thus, by reciprocating the friction stir welding tool 4 in the rotation axis direction X within a minute range, the thickness of the intermediate layer 5 to be formed can be controlled.

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。 Next, a method for manufacturing the steam turbine rotor 7 will be described with reference to FIGS. FIGS. 5A to 5C are manufacturing process diagrams for explaining the method of manufacturing the steam turbine rotor according to the present embodiment, and the journal portion closer to the low pressure portion among the journal portions at both ends of the steam turbine rotor. FIG. 5A to 5C, the illustration of the flange portion 7c (see FIG. 1) is omitted for convenience of drawing.

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。 As shown to Fig.5 (a), in the manufacturing method of the steam turbine rotor 7 (refer FIG. 1) which concerns on this embodiment, the overlay material 1 is prepared first.
The overlay material 1 in this embodiment is composed of a pair of halves 1a and 1a that are divided into two so that the cylindrical member is along the axial direction thereof. Incidentally, the outer diameter of this cylindrical member is determined by taking into account the grinding allowance (cutting allowance) in the finishing process of the journal portion 7a (see FIG. 1) of the steam turbine rotor 7 (see FIG. 1). It is set slightly larger than. Further, the inner diameter of the cylindrical member is set to be the same as the outer diameter of the base material 2 described below.
Such an overlay material 1 is formed of the second chromium steel described above.

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。 As described above, the base material 2 is a portion to which the overlay material 1 is joined by friction stir welding. As shown in FIG. 5A, the overlay material 1 is joined to form a cylindrical journal portion. A recess 7b in which the overlay material 1 is accommodated is formed so as to form 7a (see FIG. 1). The concave portion 7b has a columnar shape that is the same shape as the inner space of the cylindrical overlay material 1, and its outer diameter is the same as the inner diameter of the cylindrical overlay material 1 as described above. Is set.
The substrate 2 is made of the first chrome steel described above.

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）。 Next, a pair of half bodies 1a and 1a are assembled | attached to the recessed part 7b of such a base material 2, and the cylindrical overlay material 1 is stored in the recessed part 7b. That is, by arranging the overlay material 1 on the substrate 2, the stepped portion of the recess 7b is eliminated, and a cylindrical shape approximating the outer shape of the journal portion 7a (see FIG. 1) is obtained (see FIG. 5B). .

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。 And as shown in FIG.5 (b), the overlay material 1 is joined by friction stir welding with respect to the base material 2 so that the joints 1b and 1b of the half bodies 1a and 1a of the overlay material 1 may be met. . In addition, the arrow in FIG.5 (b) is the advancing direction of the friction stir welding tool 4 (refer FIG. 4), and specifically, from the low pressure side of the steam turbine rotor 7 shown in FIG. 1 to the flange part 7c side. The friction stir welding tool 4 (see FIG. 4) proceeds.

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。 The progress of the friction stir welding tool 4 (see FIG. 4) in the direction of the arrow in the present embodiment assumes a step of moving the rotating friction stir welding tool 4 while fixing the base material 2 and the overlay material 1 side. However, the rotating friction stir welding tool 4 side may be fixed and the substrate 2 and the overlay material 1 side may be moved.

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。 As the friction stir welding tool 4 (see FIG. 4) progresses, the halves 1a and 1a of the overlay material 1 are joined together at the joints 1b and 1b, and the overlay material is formed along the joints 1b and 1b. 1 is joined to the substrate 2. Incidentally, when the base material 2 and the overlay material 1 are joined by friction stir welding, the overlay layer 6 is formed on the base material 2 via the intermediate layer 5 as described above.

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。 Next, as shown in FIG. 5C, the rotating friction stir welding tool 4 (see FIG. 4) is advanced so as to be in the spiral arrow direction D <b> 1, and the overlay material 1 with respect to the base material 2. Friction stir welding. Specifically, the friction stir welding tool 4 (see FIG. 4) advances in a spiral shape from the low pressure side of the steam turbine rotor 7 shown in FIG. 1 toward the flange portion 7c side. At this time, the friction stir welding by the friction stir welding tool 4 is a portion of the base material 2 not covered with the overlay material 1 near the low pressure side of the steam turbine rotor 7 relative to the overlay material 1, that is, a portion made of the first chromium steel. Then, the friction stir welding is performed on the portion of the base material 2 covered with the overlay material 1 by the friction stir welding tool 4 that moves spirally.

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。 In the present embodiment, the friction stir welding tool 4 advances in the arrow direction D1 by fixing the rotating friction stir welding tool 4 side, and the base material 2 and the overlay material 1 are attached to the shaft of the steam turbine rotor 7 (see FIG. 1). Although the process of rotating around is assumed, the process of rotating the rotating friction stir welding tool 4 around the axis of the steam turbine rotor 7 (see FIG. 1) while fixing the base material 2 and the overlay material 1 side. It can also be.

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。 Next, FIG. 6 referred to is a partially enlarged side view in the vicinity of the journal portion for explaining the traveling direction of the friction stir welding tool in the method for manufacturing the steam turbine rotor according to the embodiment of the present invention.
In the method for manufacturing the steam turbine rotor 7 (see FIG. 1) according to the present embodiment, as shown in FIG. 6, the friction stir welding tool 4 (see FIG. 4) advances in the spiral arrow direction D1. In each case, the circumferential pitch is adjusted so that the friction stirrer F in the following round overlaps the friction stirrer F in the previous round. As a result, the overlay material 1 (see FIG. 4) is bonded to the base material 2 (see FIG. 4) uniformly throughout the entire section of the journal portion 7a.
Then, as shown in FIG. 4, the overlay material 1 is bonded to the base material 2, whereby the overlay layer 6 is formed on the base material 2 via the intermediate layer 5.

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。 Incidentally, after the joining of the overlay material 1 to the base material 2 is completed, the friction stir welding tool 4 is closer to the flange portion 7c (see FIG. 1) than the overlay material 1 and the base material 2 that is not covered with the overlay material 1 The part, that is, the part made of the first chrome steel is also subjected to frictional stirring and then detached from the frictional stirring part F shown in FIG. The end E of the friction stirrer F is flush with the first chromium steel that plastically flows around when the friction stir welding tool 4 (see FIG. 4) is detached. In the case where a depression is formed in E as a removal mark of the friction stir welding tool 4, it is desirable that the depression is backfilled with the first chromium steel or nickel base. Moreover, the said hollow can also be backfilled with 2nd chromium steel.

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（Ｃｒ_２３Ｃ_６）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（Ｃｒ_２３Ｃ_６）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。 Next, the effect which the steam turbine rotor 7 which concerns on this embodiment, and its manufacturing method show | play is demonstrated.
In the conventional steam turbine rotor, the journal portion is made of high chromium steel. When the journal portion is supported by the bearing and rotates at high speed, Cr-based carbide (Cr ₂₃ C ₆ ) contained in the high chromium steel is journaled. In this embodiment, the overlay layer 6 made of low chromium steel is disposed on the base material 2 from the high chromium steel or the nickel base. Thus, the journal portion 7a is formed. Therefore, according to the present embodiment, the overlay layer 6 prevents the Cr-based carbide (Cr ₂₃ C ₆ ) from falling off from the high chromium steel or the nickel base, so that it is possible to prevent galling at the bearing 8. .

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。 Further, according to the present embodiment, the overlay layer 6 is provided on the substrate 2 by friction stir welding, unlike the overlay layer provided on the substrate 2 by overlay welding or thermal spraying. Generation of cracks can be suppressed.

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。 Further, according to the present embodiment, an intermediate in which two phases of the alloy phase 2a of the base material 2 and the alloy phase 6a of the overlay layer 6 are mixed between the base material 2 and the overlay layer 6 by the friction stir welding described above. Layer 5 is formed. Therefore, unlike the conventional steam turbine rotor in which the overlay layer 6 is formed on the base material 2 via the inclined layer (dilution layer), the steam turbine rotor 7 according to the present embodiment has an overlay layer 6 for the base material 2. Excellent adhesion.
That is, according to the present embodiment, it is possible to provide a steam turbine rotor 7 and a method for manufacturing the same that are more reliable than conventional ones.

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。 In addition, this invention is implemented in various forms, without being limited to the said embodiment.
In the embodiment, the overlay material 1 has been described as being composed of a pair of halves 1a and 1a, but the overlay material 1 divided into three or more may be used.
Further, in the present invention, the overlay layer 6 and the overlay material 1 are replaced with the second chromium steel, a chromium-containing nickel-based alloy having a lower chromium concentration than the base material 2, or a chromium-containing iron- It can also be set as the structure formed with a nickel base alloy.

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。 Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples of the present invention.
(Example 1)
In this embodiment, a rotor material in which the portion of the substrate 2 shown in FIG. 5A is made of 9Cr ferritic steel (the overlay layer 6 and the intermediate layer 5 shown in FIG. 4 are formed on the journal portion 7a shown in FIG. 1). 1 is the same as that of the steam turbine rotor 7 in FIG. Next, as shown in FIGS. 5A to 5C, on the base material 2 of the journal portion 7a, the overlay material 1 made of CrMoV steel (2.25Cr) (plate thickness 1 made of half bodies 1a and 1a). .5 mm cylindrical members) were joined using a friction stir welding tool 4 (see FIG. 4).
In the present embodiment, the friction stir welding tool 4 made of tungsten-rhenium alloy is used, but a commercially available product can also be used.
And as a result of observing the joining cross section of the overlay material 1 with respect to the base material 2 with an electron micrograph, it was confirmed that the overlay material 1 was formed on the base material 2 via the intermediate layer 5.
Further, the intermediate layer 5 was subjected to a line analysis with an EPMA (X-ray microanalyzer) in the stacking direction, and the distribution of the chromium concentration was measured. And the alloy phase of overlay material 1 (CrMoV steel) were confirmed to be mixed. Incidentally, in the intermediate layer 5, a gradient layer (diluted layer) of chromium was not confirmed.
Next, using the steam turbine rotor 7 of the present example having the journal portion 7a having the overlay layer 6 formed in this manner, a rotational durability test for 5000 hours was performed at a rotational speed of 3600 rpm. As a result, no galling occurred and no peeling of the overlay layer 6 was observed.

（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。 (Example 2)
In this embodiment, a rotor material made of 12Cr ferritic steel is used for the portion of the base material 2 shown in FIG. 5A, and an overlay material 1 made of CrMo steel (1.3Cr) (a plate made of half bodies 1a and 1a). The overlay material 1 is joined to the base material 2 of the journal portion 7a using the friction stir welding tool 4 (see FIG. 4) in the same manner as in Example 1 except that a cylindrical member having a thickness of 1.5 mm is used. did.
As in Example 1, the bonded cross section was observed with an electron micrograph, and as a result, it was confirmed that the overlay material 1 was formed on the base material 2 via the intermediate layer 5.
Further, as in Example 1, the intermediate layer 5 was subjected to line analysis with EPMA (X-ray microanalyzer) and the distribution of the chromium concentration was measured. As a result, the intermediate layer 5 had a substrate 2 (12Cr ferritic steel). It was confirmed that this alloy phase and the alloy phase of overlay material 1 (CrMo steel) were mixed. Incidentally, in the intermediate layer 5, a gradient layer (diluted layer) of chromium was not confirmed.
Next, using the steam turbine rotor 7 of the present example having the journal portion 7a having the overlay layer 6 formed in this manner, a rotational durability test for 5000 hours was performed at a rotational speed of 3600 rpm. As a result, no galling occurred and no peeling of the overlay layer 6 was observed.

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Overlay material 2 Base material 2a Alloy phase of 1st chromium steel 4 Friction stir welding tool 5 Intermediate layer 6 Overlay layer 6a Alloy phase of 2nd chromium steel 7 Steam turbine rotor 7a Journal part 8 Bearing

Claims

The journal portion in contact with the bearing is formed by laminating an overlay layer made of a second chromium steel having a chromium concentration lower than that of the base material via an intermediate layer on the base material made of the first chromium steel or nickel base. A steam turbine rotor,
The intermediate layer is formed by friction stir welding the overlay layer to the base material, and the alloy phase of the base material and the two phases of the alloy phase of the second chromium steel are mixed together. Steam turbine rotor.

The steam turbine rotor according to claim 1,
The steam turbine rotor is characterized in that the base material is steel having a chromium concentration of 9% by mass to 13% by mass, or a nickel base or iron-nickel base alloy having a chromium concentration of 15% by mass to 30% by mass. .

The steam turbine rotor according to claim 1 or 2,
The steam turbine rotor according to claim 2, wherein a chromium concentration of the second chromium steel is 0.5 mass% to 3 mass%.

A method of manufacturing a steam turbine rotor having an overlay layer on the surface of a journal portion that contacts a bearing,
Overlaying an overlay material made of a second chrome steel having a lower chromium concentration than the first chrome steel on the base of the journal portion made of the first chrome steel;
By friction stir welding the overlay material to the base material, an intermediate in which two phases of the alloy phase of the first chromium steel and the alloy phase of the second chromium steel are mixed on the base material. Laminating a layer and an overlay layer made of the second chromium steel on the intermediate layer;
A method for manufacturing a steam turbine rotor, comprising: