CZ77395A3 - Protection against corrosive and erosive attacks of a chrome steel substrate at temperatures up to 500 degrees of celsius scale - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se tyká ochrany proti korozivnímu a erozivnímu napadení chromocelového substrátu konstrukčního dílu turbostroje při teplotách až asi 500 °C pomocí ochranné vrstvy , která obsahuje hliník.

Vynález se týká substrátu konstrukčních dílů všech druhů turbostrojů, zejména turbokompresorú nezávisle na druhu jejich pohonu jakož i plynových turbin a parních turbin, přičemž se zejména přihlíží na kostrukční díly takových turbostrojů, které jsou provozovány pří teplotách až asi 500 °C. Zejména důležitou oblastí použití vynálezu je ochrana lopatek kompresorů a jiných stejné tak jako tyto zatěžovaných konstrukčních dílů v turbokompresorech plynových turbin. Dosavadní stav techniky

Možnosti ochrany substrátu u konstrukčního dílu turbostroje proti korozivnímu nebo erozivnímu napadení při teplotách až 450 °C vyplývají z 51 0 379 699 Al. Podle tohoto spisu se lopatky turbostrojů, které jsou vyrobeny převážně z feritických a/nebo feritickomartensitických základních materiálů, opatřují ochrannými vrstvami z hliníkových slitin, zejména z hliníkových slitin se 6 až 15 / hmot. křemíku. Takovéto hliníkové slitiny se mají nanášet na lopatky vyso korychlostním nanášením stříkáním.

Penomen koroze povlečených lopatek kompresorů turbostrojů, projevující se tvorbou trhlin při kmitání, je vysvětlen ve stati ” Schwingungsrisskorrosion beschichteter Verdichterschaufel Werkstoffe ” publikované H. Hoffmannem,haginem, M. Schemmerem a P. Schmitzem, Zeitschrift fUr Werkstofftechnik 17 /1986/ 413.lopatky kompresoru o kterých je v této stati zmínka, vykazují na substrátech z chromových ocelí ochranné vrstvy z hliníkových pigmentů,dispergovaných v chromát/ fosfátových plnivech, le zde zmínka i o ochranných' vrstvách z niklu nebo slitin niklu a kad mi a.

Problematika erozivních napadení, kterým jsou vystaveny lopatky kompresorů a podobné, je obšírně vysvětlena ve stati untersuchung der StrahlverschleissbestSndigkeit von Werkstofíen und Beschichtungen mit Hilfe eines WirbelbettTestverfahrens K.G. Schmitt-Thomas,T.Happle a P.Steppe , Werkstoffe und korrosion 41 /1990/

623. Tento článek pojednává i o vzájemném působení eroze a koroze na lopatky turbostrojů,nebot uber ochranné vrstvy vyvolaný erozí obnažuje posléze substrát lopatky , jejíž materiál je obvykle optimalizován v podstatě jen co se týká mechanických vlastností a není dostatečně dobře odolný vůči erozi a korozi. Líechanisny eroze, které jsou závislé zejména na úhlech , pod nimiž dopadají částice na konstrukční díl, jsou zevrubně vysvětleny; rovněž je vysvětlena závislost účinku eroze na druhu materiálu vystaveného erozi. Důkladně jsou popsány problémy eroze a koroze týkající se lopatek kompresorů, zejména pálí lopotek kompresorů s povlaky s anorganicky vázaným pigmentem hliníku, které jsou popřípadě opatřeny anorganickými nebo organickými krycími vrstvami.

Také z knihy Praxis der Kraftverk-Chemie”, vydané Eans-Gúnter Heitmanem, Vulkan-Verlag,Essen, 1936 a zejména tam uvedeném článku GasturbinenAnlagen E. Schnitz, strany 574 íí,vyplývájí podstatné odkazy na problematiku korozivních a erozivních napadení u kompresorů plynových turbin. I zde jsou vysvětleny podrobnosti týkající se erozivních a korozivních napadení, zejména pak koroze projevující se tvorbou trhlin při kmitání, a problémy ,které se objevují při použití obvyklých ocbranrých vrstev laku, nanášeného při vysokých teplotách. Iři tom je nutné poukázat na fenomény koroze, které vyplývají z důsledku přítomnosti pórů v ochranných vrstvách a mohou vést k poškození základních, materiálů pod ochrannými vrstvami, které se jeví zevně jako více nebo méně neporušené.

Článek ’’ Korrosionsverhalten von anodesch oxidierten Alu~únium-?.'erkstofíen V.'. Paatsch, Eetalloberflhche 45 /1991/ 8 , uvádí odkazy na fenomény koroze na hliníkových povrchách,které byly oxidicky oxidovány. Anodická oxidace hliníku je známá v mnoha oblastech techniky, ovšem ne v souvislosti s turbostroji, ale pro tvorbu ro bustních , dekorativních povrchů, K problematice eroze , jakož i zatížitelnosti hliníkových povrchů p?i zvýšených teplotách článek nic neuvádí. loostata vynalezu

Vzhledem k problémům týkajících se až dosud pro tvorbu ochran;; proti korozivnímu a erosivnímu napadení p~i teplotách až asi 50C °C konstrukčního dílu turbostroje používaných ochranných vrstev , klade si vvnélez za základní úlohu, dosáhnout zlepšené ochrany chromocelového substrátu kon strukčního dílu turbostroje ,p?'^<ičemž kromě toho se má náklad vynaložený na dosažení ochrany udržet nrzky, a pokud možno má se tento dokonce snížit,

Způsob dosažení ochrany vůči korozivnímu a/ /nebo erozivnímu napadení při teplotě až asi 500 °C substrátu konstrukčního dílu turbostroje z chromové oceli,p^i kterém se na substrátu vytvoří ochran a vrstva, která obsahuje hliník, podle vynálezu, je charakterizován tím, že se na substrát nanese vrstva kovu, obsahující hliník a pro vytvoření ochranné vrstvy se alespoň na. svém povrchu kalí ' nebo vytvrzuje.

Vynález vychází z poznatku, se kalitelnost nebo vytvrditelnost hliníku samotného nebo materiálů na bázi hliníku růže s výhodou využit pro vytvoření ochran;· uvedeného druhu. Kalení kovové vrstvy, obsahující hliník, se může prova.dět na,příklad chemicky, především oxidací nebo mechanicky, zejména zásypy; pod vytvrzením se rozumí napřim' ad změna struktury kovové vrstvy způsobená tepelným zpracováním , zejména vytvrzování vylučováním. Kalení nebo vytvrzování se při tom nemusí týkat nutně celé kovové vrstvy ; může být naprosto výhodné,když se kalení nebo vytvrzování omezí na část,která je blízko povrchu a tedy se tak získá tak zvaná duplexní vrstva ’’. Tvrdá vrstva, vytvořená podle vynálezu má s výhodou Vickersovu tvrdost EV C,025 až asi 200, v podstatě více než EV 0,025 běžné lakové vrstvy nanášené při vysoké teplotě, u které Činí EV obvykle 0,025 až maximálně 120.

Kovová vrstva ,nanášená, na substrát, který se má chránit, sestává výhodně, hlavně z hliníku a je to tedy zejména slitina na bázi hliníku,například s přísadou alespoň jedno z prvků hořčíku, mědi a zinku. Jako další přísady přichází v úvahu křemík, mangan a titan.

Kalení nebo vytvrzování kovové vrstvy se provádí zejména s výhodou tak, že se kovový vrstva přemění alespoň na svém povrchu v tvrdou vsrtvu. Jak již bylo naznačeno,může se tvrdá vrstva vyrobit četnými různými popřípadě vzájemně kombinovanými způsoby, zejména mechanickým zpevněním, chemickým a tepelným zpracováním.Zejména je výhodné, když pod tvrdou vrstvou zůstane část kovové vrstvy, takže ochranná vrstva je duplexní vrstvou, která zahrnuje kovovou vrstvu a tvrdou

-6vrstvu . Vzhledem k napadení erozí, která, je závislá na vyrovnání napadených oblastí substrátu ke směru letu částic, které vyvolávají erozi , je dvojitá, vrstva, která zahrnuje jednak spíše tvrdou vrstvu a jednak spíše duktilní vrstvu kovu, zejména výhodná , nel· oT tvrdé vrstvy a duktil ní vrstvy odolávají nyní různým druhům erozí : tvrdé vrstvy se hodí jako ochrana proti napadení erozí, vyvolanou, částicemi, které dopadají v pruzích až přibližné šokmo, duktilní kovové vrstvy jsou výhodné vůči erozivyvolané částicemi, které dopadají pod velkými úhly, zejména šikmo až přibližně kolmo. A proto je dvojitá vrstva schopna zaručit ochranu vůči erodujícím částicím nezávisle na úhlu jejich dopadu, přičemž se ovšem z počátku musí počítat u oblastí konstrukčního dílu, ns které částice dopadají přibližně kolmo, ε úbyt kem tvrdé vrstvy,dokud se neodkryje kovová duktil ní vrstva, která je rezistentní vůči korozi vyvolané dopadem částic pod velkými úhly dopadu.

Ve všech případech je zejména výhudné,když se tvrdá vrstva vytvoří alespoň zčásti oxidací kovové vrstvy ; s výhodou je oxidace anodická oxř dače, zejména eloxování .I-o tom se po anodické oxidaci může získaná tvrdá vrstva dodatečně zhutnit, tím, že se zpracuje vařící se vodou nebo vařícím se, vodným roztokem soli. podrobnosti, které se toho týkají jsou v odborné oblasti anodické oxidace hliríku známy a není proto nutné je na tomto místě dále vysvětlovat. Jakoukoliv oxidací vrstvy obsahující hliník ,se vyrobí povrchová vrstva,kte·

-7rá jako hlavní složku vykazuje oxid hlinitý nebo korund , jeden z nejtvrdších, minerálů . Aby se docílila obvzláštč tlustá , nepropustná a tvrdá vrstva, je zejména vhodná anodická oxidace. Budiž poznamenáno, že pro anodickou oxidaci při chází v úvahu nejen vrstvy, které sestávají v podstatě z čistého hliníku, nýbrž zejména i vrst vy ze slitin hliníku a hořčíku . Bředevším jsou vhodné slitiny na bázi hliníku s přísadou hoččíku ve hmotnostním podílu mezi 0,5 $ až 5 $ > zejména pak mezi 1 / až 4 /£, popřípadě s dalšími podíly křemíku , železa, mědi, chrómu , zinku a/nebo titanu v běžném rámci.

Alternativním způsobem tvorby tvrdé vrstvy na kovové vrstvě je použití vytvrditelné slitiny pro vytvoření kovové vrstvy a následným vytvrzením, Vytvrzení může být p~i tom omezeno na oblast kovové vrstvy, která je blízká povrchu, tím že se vytvrzení provádí například ozařováním laserem ; může ale také pojmout celou kovovou vrstvu, čemuž se konstrukční díl ,opatřený kovovou vrstvou může tepelně zpracovat obvyklým způsobem v peci. Jako vytvrditelná slitina přichází v úvahu.zejména slitina na bázi hliníku s přísadami hořčíku jakož i mědi nebo zinku.Dále se používá slitina na bázi hliníku s hmotnostními podíly hořčíku mezi 0,4 až 2 / jakož i mědi mezi 5,5 až 5 5®, s běžnými nečistotami pádě dalšími příměsemi.Kovněž přichází slitina na bázi hliníku s hmotnostními zirku mezi 1 $ až 5 /,zejména pak mezi a popřív úvahu podíly 4 / až

-85 $6 , jakož na pak mezi i hořčíkem v množství až 2 > , zejmé1 ý> &ž 1,5 7° , rovněž s běžnými nečistotami a popřípadě dalšími příměsemi.

Všeobecně je výhodné , když se pro vytvoření ochrany vůči korozivrímu a. erozivnímu napadení při teplotách až asi 500 °C nanese na substrát kovová vrstva s tloušťkou, která činí 15 /um až

200 um , s výhodou mezi 40 yum až 100 yum.

Nanášení kovové vrstvy se provádí v rámci kte réhokoliv vytvoření způsobu obvzláště výhodně elektrochemicky , zejména galvanizací. Romocí galva nizace se dosáhne; obvzláště stejnoměrné a nepropustná vrstva s co nejmenší porositou, u které je v souladu s tímto potlačen vznik důlkovo koroze hůlková koroze vzniká tehdy, když do póru ochranné vrstvy vnikne elektricky vodivá kapalina,například kapka vody s podíly soli a popela ,a s ochrannou vrstvou a substrátem vytvoří galvanický článek. Rozkladné procesy, k nimž v takovém článku dochází se mohou ,vycházeje od póru ,rozšířit do mezní vrstvy meti ochrannou vrstvu a substrát a substrát pod zevně neporušenou ochrannou vrstvou rozrušiti. Z tohoto důvodu je elektrochemické nanášení kovové vrstvy zejména výhodné, neboí zabrání vzniku mórů.

Zejména výhodně se ochranná vrstva jakéhokoliv uspořádání nanáší přímo, tedy bez zavedení jakýchkoliv mezivrstev, na substrát. Tím se udrží

-0_ zejména náklad spojený s dosažením ochrany , nízký.

Podle vynálezu se uvádí také ochranná vrstva na cbromocelovém substrátu konstrukčního dílu turbostroje, kterážto ochranná vrstva poskytuje ochranu proti korozivnímu a erozivnímu napadení při teplotách až asi 500 °C a byl vytvořen pomocí alespoň povrchového kalení nebo vytvrzení kovové vrstvy, obsahující hliník, nanesené na substrát , podle způsobu podle vynálezu.

Vynález se tedy týká i substratu,který je uspořádán jako ochrana proti korozivnímu a/nebo erozivnímu napadenípři teplotě až asi 500 °C s ochrannou vrstvou podle vynálezu. Takovýto substrát může patřit zejména k lopatce turbostroje jako napři klad tur boko repre soru, aí již k oběžné lopatce nebo rozváděči lopatce.lopatka může při tom vykazovat nohu pro upevnění konstrukčního dílu a list,který jie v rámci termodynamického procesu v turbostroji účinným dílem, a. přičemž alespoň část listu, vystavená mlvnu, zejména vzduchu, odpadníbu plynu z plynové turbiny nebo páře, vykazuje substrát chráněný podle vynálezu.

Příkladv nrovedení vynálezu

Substrát sestává s výhodou s chromové ocele s následujícími podíly, přičemž podíly jsou uváděnj⁷ ve hmotnostních procentech :

0,1 11	až až	0,3 fi uhlíku
17 fi	chrómu
0	až	6 fi	niklu
0	až-	1,5 %	molybdenu
0	až	1 0	vanadu
0	až	1 fi	křemíku
0	až	1 fi	manganu

zbytek železo s nečistotami podmíněnými výrobou.

S výhodou vykazuje substrát chráněný podle vynálezu alespoň zčásti feritickou nebo martensitickou strukturu.

Příklady chromových ocelí,které přichází v úva hu pro substráty chráněné podle vynálezu, jsou chro mové ocele X20 Cr 13,X20 CriíoT 12 1 ,Σ20 Crhiiío 15 5 1 _t 7112 CrKiKo 12. Za zejména výhodnou se pokládá chromová ocel X20 Cr 13.

Vynález se týká dosažení ochrany substrátu, zejména substrátu turbinových lopatek nebo kompresorových lopatek turbostroje, vůči korozivnímu a/nebo erozivnímu napadení při teplotě až asi 500 °C. Ha substrátu se vytvoří ochranné vrstva , která obsahuje hliník. Podle vynálezu se nejdříve nanese kovová vrstva obsahující hliník a pro vy tvoření ochranné vrstvy se alespoň na svém povrchu kalí nebo vytvrzuje. V rámci vynálezu se může jednoduchými prostředky dosáhnout vysoce účinná ochra na vůči korozi a erozi.

Claims (17)

1. I A Τ Ε Ε ϊ 0 V h lil K 0 Ε Ϊ ' 9 (I

   1. Způsob dosažení ochrany vůči korozivnímu _ a/nebo erozivnímu napadení při teplotě až asi 500 °C chroocelového substrátu, přičemž se na substrátu vytvoří ochranná vrstva, která obsahuje hliník, vyznačující se tím , že se na. substrát nanese kovová vrstva obsahující hliník a pro vytvoření ochranné vrstvy se alespoň na svém povrchu kalí nebo vytvrzuje.
2. 2. Způsob podle nároku 1, při kterém se na nese kovová vrstva, která sestává hlavně z hliníku, zejména je slitinou na bázi hliníku, zejména s přísadou alespoň jednoho z prvků hořčíku, mědi a zinku.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, při kterém se pro vytvoření ochranné vrstvy přemění kovová vrstva alespoň na svém povrchu v tvrdou vrstvu.
4. 4. Způsob podle nároku 3 , při kterém se kovová vrstva přemění alespoň místy v podstatě úplně ve tvrdou vrstvu.
5. 5. Způsob podle nároku 3 nebo 4 , při kterém pod tvrdou vrstvou zůstane alespoň místy část kovové vrstvy.
6. 6. Způsob podle nároku 3,4 nebo 5, při kterém se tvrdá vrstva vytvoří oxidací kovové vrstvy.
7. 7. Způsob podle nároku 6 , při kterém oxidace

   -12je anodická oxidace, zejména eloxování.

   3. Způsob podle nároku 7, při kterém se tvrdá vrstva zhutní, zejména zpracováním s vařící se vodou nebo vaříc3^zmi se, vodnými roztoky soli.
8. 9. Způsob podle jednoho z nároků 3 až 5 , při kterém se kovová vrstva vytvoří z tvrditelné slitiny a pro vytvoření tvrdé vrstvy se vytvrdí.
9. 10. Způsob podle nároku 9, při kterém sli tina je slitina na bázi hliníku, zejména s přísadami hořčíku jakož i mědi nebo zinku.
10. 11. Způsob podle jednoho z předcházejících nároků, při kterém se vytvoří kovová vrstva s tloustkou, která činí 15 /um az 200 /um, s výho dou 40 /um až 100 /um.
11. 12. Způsob podle jednoho z předcházejících nároků , při kterém se nanášení kovové vrstvy provádí elektrochemicky , zejména galvanižací.
12. 13. Způsob podle jednoho z předcházejících nároků, při kterém se ochranná vrstva nanáší přímo na substrát.
13. 14. Ochranná vrstva na substrátu z chromové oceli,která poskytuje ochranu proti korozi vnímu a erozivnímu napadení při teplotách až asi 500 °C , vyrobená způsobem podle jednoho z předcházejících nároků.
14. 15. Substrát podle nároku 14, který patří k lopatce, zejména k oběžné lopatce nebo rozvá-13děcí lopatce turbostroje, s výhodou turbokompresoru.
15. 16. Substrát podle nároku 15, přičemž lopatka vykazuje nohu a list a substrát patří k listu.
16. 17. Substrát podle jednoho z nároků 14 až 16, který sestává z chromové oceli s následujícími podíly uváděnými ve hmotnostních procentech :

    0,1 až 0,3 rl uhlíku 11 až 17 chrómu 0 až 6 5» niklu 0 až 1,5 molybdenu 0 až 1 ΐ vanadu 0 až 1 7° křemíku 0 až 1 °í° manganu

    zbytek železo s nečistotami podmíněnými výrobou.
17. 18. Substrát podle jednoho z nároků 14 až 17, který alespoň zčásti vykazuje feritickoú nebo martensitickou strukturu.