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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Rotationsmaschinen, wie
z.B. Dampfturbinen oder Kompressoren. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung die Inhibition der Adhäsion von Feinteilchen, die
in Luft oder einem Gas enthalten sind, an Teile der Rotationsmaschine.
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Dampfturbinen
beinhalten sich bewegende Flügel
(blades) und stationäre
Flügel.
Eine Dampfturbine wird angetrieben, indem ein Strahl eines Arbeitsmediums,
wie z.B. ein Dampf, auf die sich bewegenden Flügel getrieben wird. Daher kommen
Teile der Dampfturbine, wie z.B. die sich bewegenden Flügel und
die stationären
Flügel
in direkten Kontakt mit einem Arbeitsmedium.
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Kompressoren
werden verwendet, um verschiedene Arten von Gasen in chemischen
Fabriken zu komprimieren. Ein Kompressor beinhaltet einen rotierbaren
Impeller. Der Impeller wird mit Hilfe von Energie zum Komprimieren
eines Gases rotiert, die von der Außenseite des Kompressors zugeführt wird.
Daher kommen selbst in einem Kompressor Teile, wie z.B. der Impeller
und ein Diffusor, in direkten Kontakt mit dem Gas.
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Die
Arbeitsmedien, die in den Dampfturbinen verwendet werden oder die
Gase, die von den Kompressoren komprimiert werden, enthalten Feinteilchen
von Siliciumdioxid, Eisenoxid oder Kohlenwasserstoff. Wenn diese
Teilchen in Kontakt mit den Teilen einer Dampfturbine oder eines
Kompressors kommen, können
sie an diesen Teilen anhaften, und sie korrodieren. Im Ergebnis
wird sich die Effizienz der Dampfturbine oder des Kompressors reduzieren.
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US 5 576 069 A offenbart
ein Laser-Umschmelzverfahren für
Modifizierung der Oberflächeneigenschaften
einer Zirkoniumbeschichtung auf einem Metallgegenstand.
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WO
2004/016819 A1 offenbart ein intermetallisches Material mit einer
spezifischen Zusammensetzung, das als Hochtemperaturbeschichtung
von beispielsweise den Turbinenschaufeln eingesetzt werden kann.
DE 196 53 217 A1 beschreibt
einen Turbolader für
Verbrennungsmotoren, der ein Wandelelement aus hauptsächlich einem
Polyphenylensulfid (PPS)-Harz umfasst. Das Wandelelement aus PPS-Harz
weist eine gute Wärmebeständigkeit, Ölbeständigkeit
und chemische Beständigkeit
auf, das mittels Schrauben direkt am Verdichtungsgehäuse (Metallelement)
befestigt werden kann.
DE
698 26 096 T2 beschreibt eine Abreibschicht, die auf Drehelemente
in Gasturbinenmaschinen aufgetragen wird. Die abreibbare Dichtungsfläche kann
beispielsweise aus einem Filz-Metall, einer plasmagesprühten Keramik
auf einer metallischen Bindungsschicht, einer plasmagesprühten Nickellegierung,
die Bornitrid enthält,
bestehen.
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Die
Japanische Patentveröffentlichung
Nummer H7-40506 lehrt die Beschichtung von Teilen der Dampfturbinen
oder der Kompressoren mit einem Fluorkohlenstoffharz, um eine Korrosion
von Teilen durch die Feinteilchen zu verhindern. Einige Teile der
Dampfturbinen oder der Kompressoren rotieren jedoch, während andere
Teile stationär
sind. Zum Beispiel rotieren die sich bewegenden Flügel der
Dampfturbinen und die Impeller der Kompressoren. Selbst wenn die
sich bewegenden Teile mit einem Fluorkohlenstoffharz beschichtet
sind, wirkt eine Zentrifugalkraft auf die rotierenden Teile und
schwächt
die antikorrosive Wirkung der Beschichtung des Fluorkohlenstoffharzes.
Daher besteht ein Bedarf an einer Technologie, die die rotierenden
Teile von Dampfturbinen und Kompressoren vor den Feinteilchen sicher
schützen
kann.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Komponente, die
als Rotationskörper
in Rotationsmaschinen verwendet wird, bereitzustellen, die ein effektives
Inhibieren der Adhäsion
von Feinteilchen, die in Luft oder einem Gas enthalten sind, ermöglicht,
und eine bessere Haltbarkeit der Beschichtung der Komponente zu
ermöglichen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Komponente, die
als Rotationskörper
in Rotationsmaschinen verwendet wird und die in direkten Kontakt
mit dem Gas kommt, das feine Teilchen enthält, eine Beschichtung (10)
auf ihrer Oberfläche,
wobei die Beschichtung (10) folgendes beinhaltet: eine poröse Sprühschicht
(2), die auf der Oberfläche
vorliegt; und mindestens eine Fluorkohlenstoffharzschicht (5), die
auf der Sprühschicht
(2) vorliegt und ein Fluorkohlenstoffharz aufweist, enthaltend
eine anorganische Substanz, wobei ein Oberflächenbesetzungsverhältnis der
anorganischen Substanz im Hinblick auf die Oberfläche des
Fluorkohlenstoffharzes nicht weniger als 50 % und nicht mehr als
80 % beträgt.
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Die
obigen und andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und die technische
und industrielle Signifikanz dieser Erfindung werden durch Betrachtung
der folgenden detaillierten Beschreibung der zur Zeit bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung besser verstanden werden, wenn diese in Zusammenhang
mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Querschnitt einer Turbinenkammer einer Dampfturbine gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein perspektivisches Diagramm eines sich bewegenden Flügels der
in 1 dargestellten Dampfturbine;
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3 ist
ein Querschnitt des in 2 dargestellten sich bewegenden
Flügels
entlang der Linie A-A;
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
einer Oberfläche
des sich bewegenden Flügels,
wie dargestellt in 2;
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5 ist
eine schematische Ansicht einer Testvorrichtung, die verwendet wird,
um die Adhäsion
von Teilchen an den in 2 dargestellten sich bewegenden
Flügeln
zu bewerten; und
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6 ist
eine Grafik zur Erklärung
einer Beziehung zwischen dem Oberflächenbesetzungsverhältnis der
anorganischen Substanz, die in der Fluorkohlenstoffharzschicht enthalten
ist, der Skala der Menge der angehafteten Teilchen und einem Verhältnis der
Härte der
Beschichtung.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Detail unten unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen erklärt. Die vorliegende Erfindung
ist jedoch nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen begrenzt. Elemente
in den Ausführungsformen
beinhalten diejenigen Gegenstände,
die der Fachmann einfach vorhersehen kann oder mit diesen substantiell übereinstimmen.
Die vorliegende Erfindung kann in geeigneter Weise auf die Komponente
einer Rotationsmaschine, wie z.B. einer Dampfturbine und einen Kompressor
angewandt werden, die mit einem Gas kontaktiert werden, das feine
Teilchen von Siliciumdioxid oder ähnliches enthält. Eine
rotierende Komponente (z.B. ein sich bewegender Flügel oder
ein Impeller) einer Rotationsmaschine werden unten beispielhaft
erklärt;
die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf andere Komponenten
angewandt werden.
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Die
Oberfläche
einer Komponente einer Rotationsmaschine gemäß dieser Ausführungsform
wird mit einer Beschichtung beschichtet, die eine Sprühschicht
mit einer Vielzahl von Poren darin aufweist und einer Fluorkohlenstoffharzschicht
mit einer anorganischen Substanz, die auf der Sprühschicht
gebildet wird und darauf exponiert ist.
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1 ist
ein Querschnitt einer Turbinenkammer einer Dampfturbine 20 gemäß dieser
Ausführungsform.
Die Dampfturbine 20 beinhaltet sich bewegende Flügel, deren
Oberfläche
mit einer Plattenbeschichtung beschichtet sind, enthaltend Fluorkohlenstoffharzteilchen.
Eine Dampfturbine 20 als Rotationsmaschine wandelt den
Dampfdruck, der von einem Dampfzufuhrrohr 25 zugeführt wird,
das mit einem Dampfeinlassventil 21 zu öffnen und zu schließen ist,
in Rotationskraft um. Die Rotationskraft wird in einem Generator
oder ähnlichem über ein Übergangsstück (reducer)
verwendet. Eine Vielzahl von Turbinenscheiben 26 sind an
einer Impellerwelle 22 zum Erhalt der Rotationskraft angeordnet.
Eine Vielzahl von sich bewegenden Flügeln 23 ist in Reihe auf
dem äußeren Umfang
der Turbinenscheibe 26 angeordnet, um eine sich bewegende
Flügelreihe
zu bilden. Die sich bewegenden Flügel 23 erhalten den
Dampf von dem Dampfzufuhrrohr 25 zugeführt, um die Impellerwelle 22 zu
rotieren.
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Eine
Düsenabtrennplatte 24 mit
einer Vielzahl von Düsenflügeln ist
zwischen den sich bewegenden Flügeln 23 platziert
und die Düsenabtrennplatte 24 richtet
den Dampf aus, der durch die Düsenflügel passiert, damit
der Dampf die sich bewegenden Flügel 23 mit
effektiver Bedampfung versehen kann. Wie in 1 dargestellt,
wird, wenn die Dampfturbine 20 eine Vielzahl von sich bewegenden
Flügeln
aufweist, eine Vielzahl von Düsenflügeln bereitgestellt.
In diesem Fall weist jede der Düsentrennplatten 24 häufig eine
unterschiedliche Zahl und Größe der Düsenflügel auf,
jedoch ist die Konfiguration jedes Düsenflügels dieselbe.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht zur Erklärung eines sich bewegenden
Flügels
einer Dampfturbine, dessen Oberfläche mit einer Plattenbeschichtung
beschichtet ist, enthaltend Fluorkohlenstoffharzteilchen gemäß dieser
Ausführungsform. 3 ist
ein Querschnittsdiagramm des in 2 dargestellten
sich bewegenden Flügels,
genommen entlang der Linie A-A. Die sich bewegenden Flügel 23 sind
eine Komponente der Dampfturbine 20 als Rotationsmaschine
und sind so konfiguriert, dass sie eine Basis 23B aufweisen,
an der ein Flügel 23W befestigt
ist. Eine Flügelfixierungseinheit 23T ist
auf der anderen Seite des Flügels 23W auf der
Basis 23B vorgesehen. Die Flügelfixierungseinheit 23T ist
in eine Flügelbefestigungsrinne
inseriert, die auf dem äußeren Umkreis
der Turbinenscheibe 26 ausgebildet ist und dieselbe Form
wie die Flügelfixierungseinheit 23T aufweist
und ist an der Turbinenscheibe 26 befestigt.
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Die
sich bewegenden Flügel 23 an
der Dampfturbine 20 rotieren zusammen mit der Turbinenscheibe 26,
wenn ein Dampf mit hoher Temperatur und hohem Druck auf die sich
bewegenden Flügel 23 injiziert
wird. Die sich bewegenden Flügel 23 werden
daher einer starken zentrifugalen Beschleunigung und einer hohen Temperatur
ausgesetzt. So werden die sich bewegenden Flügel 23 aus einem Material
hergestellt, das eine hohe Intensität und Wärmefestigkeit aufweist. In
dieser Ausführungsform
werden die sich bewegenden Flügel 23 aus
martensitischem rostfreien Stahl hergestellt
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In
der Dampfturbine 20 haften sich Feinteilchen von SiO2, Eisenoxid (Fe3O4) und ähnliche,
enthalten in dem Dampf, auf eine Oberfläche 23S der sich bewegenden
Flügel 23 oder
einer Oberfläche
der Düsenflügel an.
In einer Rotationsmaschine, wie z.B. einem Kompressor, haften sich
ebenfalls Feinteilchen von Kohlenwasserstoffen (HC), Siliciumdioxid
und ähnliche,
die in einem Gas enthalten sind, das komprimiert werden soll, ebenfalls
auf die Oberfläche
der Komponente an, die sich im Kontakt mit dem Gas befindet. Nach
einem Betrieb über
eine längere
Zeitspanne akkumulieren sich die Feinteilchen auf der Oberfläche 23S der
sich bewegenden Flügel 23 oder
der Oberfläche
der Düsenflügel, was
die Wärmeeffizienz
der Dampfturbinen oder die Kompressionseffizienz des Kompressors
reduziert.
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Um
diese Probleme zu lösen,
werden in dieser Ausführungsform
Oberflächen 23S der
sich bewegenden Flügel 23,
die als Basismaterial betrachtet werden, mit einer Beschichtung
versehen, die eine Sprühschicht
aufweist, hergestellt z.B. aus Ni, Co, Mo oder einer Eisenlegierung,
und eine Fluorkohlenstoffharzschicht, gebildet auf der Sprühschicht,
die eine anorganische Substanz enthält, die ihre Oberfläche in einem vorher
bestimmten Verhältnis
besetzt. Die Beschichtung hindert feine Teilchen in dem Dampf an
einer Adhäsion
an der Oberfläche 23S der
sich bewegenden Flügel 23 und
verbesserte die Adhäsion
der Fluorkohlenstoffharzschicht an das Basismaterial.
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4 ist
ein simuliertes Diagramm zur Erklärung einer Oberfläche von
einem der sich bewegenden Flügel
gemäß dieser
Ausführungsform.
Die Figur repräsentiert
eine vergrößerte und
simulierte Oberfläche 23S von
einem der sich bewegenden Flügel 23 gemäß dieser
Ausführungsform
(ein mit B in 3 umkreister Bereich). Die sich
bewegenden Flügel 23 gemäß dieser
Ausführungsform
sind Komponenten der Dampfturbine 20 als Rotationsmaschine
und werden für
einen Rotationskörper
verwendet, der mit einem Gas, das Feinteilchen enthält, umgeht
und sind eine Struktur, die mit dem Gas, das die Feinteilchen enthält, kontaktiert
wird. Jeder der sich bewegenden Flügel 23 weist eine
Beschichtung 10 auf der Oberfläche des Basismaterials 1 auf (martensitischer
rostfreier Stahl in dieser Ausführungsform).
Die Beschichtung 10 beinhaltet eine Sprühschicht 2, gebildet
auf dem Basismaterial 1 der sich bewegenden Flügel 23 und
eine Fluorkohlenstoffharzschicht 5, gebildet auf der Oberfläche der
Sprühschicht 2.
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Die
Sprühschicht 2 wird
durch Versprühen
von Metall oder Cermet, hergestellt aus Metall und Carbid oder Oxid,
auf die Oberfläche
der sich bewegenden Flügel
durch ein Verfahren eines Plasmaspritzens gebildet. Das Verfahren
des Versprühens,
das in der vorliegenden Erfindung anwendbar ist, ist nicht besonders
auf ein Plasmaspritzen begrenzt. Andere Sprühverfahren, die ein Brenngas
als Wärmequelle
verwenden, wie z.B. ein Rahmen-(frame)sprühen, die elektrische Energie
als Wärmequelle
verwendet, wie z.B. Plasmaspritzen und Bogensprühen, und die einen Laserstrahl
als Wärmequelle
verwenden, können
ebenfalls in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Das Sprühverfahren
wird gemäß dem für die Sprühschicht 2 oder
das Basismaterial 1 verwendeten Material auf geeignete
Weise gewählt.
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Die
Sprühschicht 2 kann
irgendeines der reinen Metalle Ni, Co und Mo beinhalten oder eine
Ni-, Co-, Mo- und/oder Eisenlegierung. Die Sprühschicht 2 kann das
Cermet beinhalten, hergestellt aus irgendeinem der reinen Metalle
Ni, Co und Mo, und mindestens einem oder mehreren von Carbid, Oxid
und Borid oder das Cermet, hergestellt aus einem von Ni-, Co-, Mo- und/oder Eisenlegierung
und mindestens einem oder mehreren, gewählt aus Carbid, Oxid und Borid.
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Die
Sprühschicht 2 weist
eine Vielzahl von darin ausgebildeten Poren 2a auf. Das
Fluorkohlenstoffharz 4 infiltriert die Poren 2a,
die in der Sprühschicht 2 ausgebildet
sind, so dass eine Fluorkohlenstoffharzschicht und die Sprühschicht 2 untereinander
verbunden sind. Dies ermöglicht
eine verbesserte Adhäsion
zwischen der Fluorkohlenstoffharzschicht und der Sprühschicht 2.
So haftet die Sprühschicht 2,
die fest an dem Basismaterial 1 der sich bewegenden Flügel 23 anhaftet,
an der Fluorkohlenstoffharzschicht 5, was eine verbesserte Adhäsion zwischen
der Fluorkohlenstoffharzschicht 5 und dem Basismaterial 1 ermöglicht.
Im Ergebnis kann, selbst wenn starke Zentrifugalkräfte, die
durch die Rotation ausgelöst
werden, auf die Beschichtung 10 einwirken, ein Ablösen der
Fluorkohlenstofffharzschicht 5 inhibiert werden und die
Haltbarkeit der Beschichtung 10 kann auch an einer Erniedrigung
gehindert werden.
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Damit
das Fluorkohlenstoffharz 4 in die Poren 2a eindringen
kann, die in der Sprühschicht 2 ausgebildet
sind, und um die Adhäsion
zwischen der Sprühschicht 2 und
der Fluorkohlenstoffharzschicht 5 zu verbessern, wird es
bevorzugt, dass der Anteil des Porengehalts in der Sprühschicht 2 mehr
als 15 % beträgt.
Wenn der Anteil des Porengehalts in der Sprühschicht 2 höher ist
als der übliche
Anteil des Porengehalts von 5 bis 15 %, wird die Infiltration des
Fluorkohlenstoffharzes verbessert. Wenn andererseits der Anteil
des Porengehalts in der Sprühschicht 2 mehr
als 30 % beträgt,
kann die Festigkeit der Sprühschicht 2 abnehmen
und dadurch zu Rissen in der Sprühschicht 2 führen. Es
wird daher bevorzugt, dass der Anteil des Porengehalts in der Sprühschicht 2 30
% entspricht oder weniger ist. Der Anteil des Porengehalts bezieht
sich auf das Verhältnis
des Volumens, das von Poren 2a besetzt ist, im Gesamtvolumen
der Sprühschicht 2.
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Die
Fluorkohlenstoffharzschicht 5 beinhaltet ein Fluorkohlenstoffharz 4,
enthaltend eine anorganische Substanz 3. Die sich bewegenden
Flügel 23,
insbesondere der Dampfturbine, werden bei hoher Temperatur (z.B.
bei 200 bis 300°C)
verwendet), so dass es notwendig ist, ein Erweichen oder Ablösen der
Fluorkohlenstoffharzschicht 5 unter einer solchen Umgebung
zu inhibieren. Wenn die anorganische Substanz weniger als 50 % der
Oberfläche
der Fluorkohlenstoffharzschicht 5 besetzt, vermindert sich
die Beschichtungshärte
der Fluorkohlenstoffharzschicht 5 schnell. Wenn andererseits
die anorganische Substanz mehr als 80 % der Oberfläche der Fluorkohlenstoffharzschicht 5 besetzt,
vermindert sich die reduzierende Wirkung der Menge der Feinteilchen,
die an der Oberfläche
der Fluorkohlenstoffharzschicht 5 anhaften, schnell. Es
wird daher bevorzugt, dass das Verhältnis der anorganischen Substanz 3,
die die Oberfläche
der Fluorkohlenstoffharzschicht 5 besetzt, nicht weniger
als 50 % und nicht mehr als 80 % beträgt. Das Verhältnis, in
dem die anorganische Substanz 3 die Oberfläche der
Fluorkohlenstoffharzschicht 5 besetzt, hiernach als Oberflächenbesetzungsverhältnis bezeichnet,
bezieht sich auf das Verhältnis,
mit dem die anorganische Substanz 3, ausgesetzt an der
Oberfläche
des Fluorkohlenstoffharzes 4, die Oberfläche der
Fluorkohlenstoffharzschicht 5 besetzt, wenn dies von oben
betrachtet wird.
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In
dieser Ausführungsform
kann das Fluorkohlenstoffharz 4 mindestens eine der folgenden
Stoffe beinhalten: Polytetrafluorethylen (PTFE), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymere
(FEP), Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymere
(PFA), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymere
(ECTFE) und Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymere (ETFE). Die Fluorkohlenstoffharzschicht 5 sollte
mindestens als eine Schicht auf der Oberfläche des Basismaterials 1 der
sich bewegenden Flügel 23 gebildet
werden und kann in vielen Schichten, wie z.B. zwei oder drei Schichten,
gebildet werden. Die in der Fluorkohlenstoffharzschicht 5 enthaltene
anorganische Substanz kann mindestens eine sein, gewählt aus Glas,
Keramik und Kohlenstoff.
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Bewertung 1
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Teststücke der
Teilchen-Niedrigadhäsionsbeschichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung wurden hergestellt, um die Teilchenadhäsion unter Verwendung einer
Vorrichtung zur Bewertung der Teilchenadhäsion zu bewerten. Jedes der
Teststücke,
die für
die Bewertung der Beschichtung in den Bewertungsbeispielen 1 bis 3
gemäß der vorliegenden
Erfindung, Bewertungsbeispiel 4, und dem Beispiel, basierend auf
der konventionellen Technologie, verwendet wurden, waren das SUS410J1-Basismaterial
20 mm × 20
mm × 5
mm in der Größe. Die
Beschichtung (Teilchen-Niedrigadhäsionsbeschichtung) für die Bewertungsbeispiele
1 und 3 gemäß der vorliegenden
Erfindung, Bewertungsbeispiel 4 und dem Beispiel, das auf der konventionellen
Technologie basierte, wurde auf dem Basismaterial gebildet. Die
Details des Teststücks
mit der darauf gebildeten Fluorkohlenstoffharzhaltigen Plattenbeschichtung
gemäß der Bewertungsbeispiele
1 bis 3 der vorliegenden Erfindung und das Teststück gemäß dem Bewertungsbeispiel
4 und die Bewertungsergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
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(1) Bewertungsbeispiel
(Nr. 1 in Tabelle 1)
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Das
Basismaterial wurde gemahlen, um seine Oberflächenrauhigkeit auf Ra = 0,50 μm und Ry
= 3,50 μm
zu verfeinern. Das Basismaterial wurde mit Aluminiumoxid als Vorbehandlung
abgestrahlt und eine Schicht mit einer Dicke von 70 μm einer Hastelloy
C-Legierung wurde auf dem Basismaterial durch das Plasmaspritzverfahren
gebildet. Eine andere Schicht mit einer Dicke von 50 μm der PTFE-Farbe,
enthaltend Aluminiumoxidteilchen, wurde weiterhin auf dem Basismaterial
durch das Sprühverfahren
gebildet. Nach dem Lackieren wurde das Basismaterial bei 400°C calciniert.
Der Anteil der Poren in der Sprühschicht
betrug dann 15 % und das Oberflächenbesetzungsverhältnis der
anorganischen Substanz auf dem Fluorkohlenstoffharz betrug 50 %. Die
Sprühbedingungen
und der Gehalt an Aluminiumoxidteilchen in dem Lack wurden so eingestellt,
dass eine geeignete Schicht gebildet wurde.
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(2) Bewertungsbeispiel
(Nr. 2 in Tabelle 1)
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Das
Basismaterial wurde gemahlen, um seine Oberflächenrauhigkeit auf Ra = 0,50 μm und Ry
= 3,50 μm
zu verfeinern. Das Basismaterial wurde mit Aluminiumoxid als Vorbehandlung
abgestrahlt und eine Schicht mit einer Dicke von 70 μm einer Ni-20Cr-Legierung
wurde auf dem Basismaterial durch das Plasmaspritzverfahren gebildet.
Eine weitere Schicht mit einer Dicke von 50 μm des PFA-Pulvers, enthaltend
Siliciumcarbidteilchen, wurde weiterhin auf das Basismaterial durch
das elektrostatische Sprühverfahren
gebildet. Nach Bildung der Schichten wurde das Basismaterial bei
400°C calciniert.
Der Anteil der Poren in der Sprühschicht
betrug dann 10 %, und das Oberflächenbesetzungsverhältnis der
anorganischen Substanz auf dem Fluorkohlenstoffharz 80 %. Die Sprühbedingungen
und der Gehalt der Siliciumcarbidteilchen in dem Lack wurden so
eingestellt, dass eine geeignete Schicht gebildet wurde.
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(3) Bewertungsbeispiel
(Nr. 3 in Tabelle 1)
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Das
Basismaterial wurde gemahlen, um seine Oberflächenrauhigkeit auf Ra = 0,50 μm und Ry
= 3,50 μm
zu verfeinern. Das Basismaterial wurde mit Aluminiumoxid als Vorbehandlung
abgestrahlt und eine Schicht mit einer Dicke von 70 μm eines Cr3C2-25NiCr Cermet
wurde auf dem Basismaterial durch das Plasmaspritzverfahren gebildet.
Eine andere Schicht mit einer Dicke von 50 μm des FEP-Pulvers, enthaltend
Graphitteilchen, wurde weiterhin auf dem Basismaterial durch das
elektrostatische Sprühverfahren
gebildet. Nach dem Lackieren wurde das Basismaterial bei 400°C calciniert.
Der Anteil der Poren in der Sprühschicht
betrug dann 6 %, und das Oberflächenbesetzungsverhältnis der
anorganischen Substanz auf dem Fluorkohlenstoffharz betrug 50 %.
Die Sprühbedingungen
und der Gehalt an Graphitteilchen in dem Lack wurden so eingestellt,
dass eine geeignete Schicht gebildet wurde.
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(4) Bewertungsbeispiel
(Nr. 4 in Tabelle 1)
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Das
Basismaterial wurde gemahlen, um seine Oberflächenrauhigkeit auf Ra = 0,50 μm und Ry
= 3,50 μm
zu verfeinern. Das Basismaterial wurde mit Aluminiumoxid als Vorbehandlung
abgestrahlt und eine Schicht mit einer Dicke von 70 μm einer Hastelloy
C-Legierung wurde auf dem Basismaterial durch das Plasmaspritzverfahren
gebildet. Eine andere Schicht mit einer Dicke von 50 μm der PTFE-Farbe,
enthaltend Aluminiumoxidteilchen, wurde weiterhin auf dem Basismaterial
durch das Sprühverfahren
gebildet. Nach dem Lackieren wurde das Basismaterial bei 400°C calciniert.
Der Anteil der Poren in der Sprühschicht
betrug dann 15 %, und das Oberflächenbesetzungsverhältnis der
anorganischen Substanz auf dem Fluorkohlenstoffharz betrug 90 %. Die
Sprühbedingungen
und der Gehalt an Aluminiumoxidteilchen in dem Lack wurden so eingestellt,
dass eine geeignete Schicht gebildet wurde.
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(5) Beispiel, basierend
auf der konventionellen Technologie (Nr. 5 in Tabelle 1)
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Das
Basismaterial wurde gemahlen, um seine Oberflächenrauhigkeit auf Ra = 0,50 μm und Ry
= 3,50 μm
zu verfeinern. Eine Beschichtung, hergestellt aus dem Fluorkohlenstoffharz
(PTFE), basierend auf der konventionellen Technologie, wurde auf
der Oberfläche
des Teststücks
gebildet.
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Testverfahren
zur Bewertung der Adhäsion
der Teilchen
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5 ist
ein Blockdiagramm einer Testvorrichtung, die für einen Test zur Bewertung
der Adhäsion
von Teilchen verwendet wird. In der Testvorrichtung 30 wird
ein Teststück 36,
hergestellt durch das obige Verfahren, in eine Trommel 31 inseriert
und wird zur Bewertung der Adhäsion
der Teilchen getestet. Die Trommel 31 in der Testvorrichtung 30 hat
einen Durchmesser von 300 mm und eine Breite von 100 mm.
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In
dem Test zur Bewertung der Adhäsion
der Teilchen werden ultrafeine Teilchen von Siliciumdioxid (SiO2), befördert
durch Stickstoff (N2)-Gas, während die
Trommel 31 rotiert, auf die Oberfläche des Teststücks 36 gesprüht und daran
angehaftet. Das Stickstoffgas wurde durch eine Düse 33 injiziert und
die Siliciumdioxidteilchen werden von einer Teilchenzufuhrvorrichtung 32 zu
und um den Auslass der Düse 33 zugeführt. Ein Wassertank 34 ist
unter der Trommel 31 platziert. Wasser in dem Wassertank 34 wird
auf den Siedepunkt bei 100°C
erwärmt,
so dass Feuchtigkeit dem Teststück 36 zugeführt wird.
Das Teststück 36 wird
durch eine Hitzevorrichtung 35, die innerhalb der Trommel 31 angeordnet
ist, erwärmt.
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Testbedingungen
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Die
Rotationszahl der Trommel 31 war 10 U/min, und diejenige
des Teststücks 36 natürlich dieselbe. Die
verwendeten Siliciumdioxidteilchen waren Quarzstaub (Grad 50), erzeugt
von Nippon Aerosil Co., Ltd.. Das Teststück 36 wurde auf 80°C erwärmt. Die
Kollisionsgeschwindigkeit der Siliciumdioxidteilchen betrug 300 m/s
und die Testzeit 150 Stunden.
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(Bewertungsverfahren)
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Ein
Unterschied in der Masse des Teststücks 36 wurde vor und
nach dem Test gemessen, um die Menge der Adhäsion der Siliciumdioxidteilchen
zu bestimmen. Das Verhältnis
zwischen der Menge der Siliciumdioxidteilchen, angehaftet an die
Oberfläche
des Teststücks 36,
Y(g), und der Menge der Siliciumdioxidteilchen, angehaftet an die
Oberfläche
(Oberflächenrauhigkeit
Rz = 3,5 μm)
des Basismaterials (SUS410J1) für
das Teststück,
X(g), wurde als Skala der Menge der angehafteten Teilchen, Z, berechnet,
wobei die Gleichung (1) wie folgt ausgedrückt wird: Z = Y/X (1)
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Wie
in Tabelle 1 dargestellt, hatte die Beschichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung (Bewertungsbeispiele 1 bis 3) eine geringere Menge angehafteter
Siliciumdioxidteilchen und eine niedrigere Adhäsion im Vergleich mit dem Bewertungsbeispiel
4 und dem Beispiel, das auf der konventionellen Technologie basierte.
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(Bewertung 2)
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Teststücke der
Beschichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung wurden hergestellt, um die Adhäsion der Teilchen zu bewerten.
Die Beschichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde auf dem SUS410J1-Basismaterial mit einer Größe von 20 × 20 mm
bei einer Dicke von 5 mm zur Herstellung der Teststücke gebildet, die
für die
Bewertung der Beschichtung in den Bewertungsbeispielen 1 bis 3,
wie dargestellt in Tabelle 1 (Nr. 1 bis Nr. 3 in Tabelle 1) verwendet
wurden. Um die Adhäsion
des Teststücks
zu bewerten, wurde das hergestellte Teststück in eine Rotationstrommel
inseriert und darin fixiert und wurde mit einer peripheren Geschwindigkeit
von 100 m/s für
eine bestimmte Zeitspanne rotiert, um den Zustand des Teststücks nach
der Rotation zu überprüfen. Die
Testumgebung war die folgende: Ein Tank, der 3 % NaCl enthaltendes
Wasser beinhaltet, erwärmt
auf den Siedepunkt bei 100°C,
wurde unter die Rotationstrommel platziert, und rostfreie Platten
umgaben die Rotationstrommel. Das Teststück wurde durch eine Hitzevorrichtung
von der Innenseite der Rotationstrommel her erwärmt, um eine Oberflächentemperatur
des Teststücks
von 250°C
zu erreichen.
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Die
Beschichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde auf dem SUS410J1-Basismaterial mit einer Größe von 20 × 20 mm
und einer Dicke von 5 mm gebildet, um die Teilchen-Niedrigadhäsionsbeschichtung für das Bewertungsbeispiel
4 (Nr. 4 in Tabelle 1) herzustellen. Eine Fluorkohlenstoffharz-
(PTFE-) Beschichtung wurde ebenfalls auf dem SUS410J1-Basismaterial
mit einer Größe von 20 × 20 mm
und einer Dicke von 5 mm gebildet, um eine Beschichtung für das auf
der konventionellen Technologie basierende Beispiel herzustellen.
Die Adhäsion
der Teststücke
für das
Bewertungsbeispiel 4 und das Beispiel, basierend auf der konventionellen
Technologie, wurden auf dieselbe Weise wie für die Bewertungsbeispiele 1
bis 3 bewertet. Die Bewertung der Adhäsion demonstrierte, dass jedes
der Teststücke
für die
Bewertungsbeispiele 1 bis 3 (Nr. 1 bis Nr. 3 in Tabelle 1) sich
in gutem Zustand ohne erkennbare Blasen befanden. Das Teststück für das Bewertungsbeispiel
4 litt an einer teilweisen Ablösung,
begleitet von einem Fließen
der Beschichtung. Die Beschichtung des Teststücks für Beispiel (Nr. 5 in Tabelle 1),
basierend auf der konventionellen Technologie, war vollständig abgelöst. Es sollte
daher verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung eine ausgezeichnete
Adhäsion
der Beschichtung an das Basismaterial bereitstellen kann.
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6 ist
ein Diagramm zur Erklärung
der Beziehung zwischen dem Oberflächenbesetzungsverhältnis der
anorganischen Substanz, beinhaltet in der Fluorkohlenstoffharzschicht,
der Skala der Menge der angehafteten Teilchen und dem Verhältnis der
Härte der
Beschichtung. 6 demonstriert das Ergebnis
der Bewertung der Menge der angehafteten Teilchen und der Härte der
Beschichtung, wenn sich das Oberflächenbesetzungsverhältnis der
anorganischen Substanz auf der Fluorkohlenstoffharzschicht ändert. Der
weiße
Kreis in 6 bezeichnet das Verhältnis der
Härte der
Beschichtung, Hp, und der schwarze Kreis bezeichnet die Skala der
Menge der angehafteten Teilchen, Z.
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Die
Skala der Menge der angehafteten Teilchen kann durch die Gleichung
(1) ausgedrückt
werden. Das Verhältnis
von Härte
der Beschichtung, Hr, wird durch Division der Härte der Fluorkohlenstoffharzbeschichtung
mit der anorganischen Substanz, exponiert an der Oberfläche, Hp,
durch die Härte
der Fluorkohlenstoffharzbeschichtung, deren Oberflächenbesetzungsverhältnis mit
der anorganischen Substanz 0 % beträgt, Hb, (Hp/Hb) ausgedrückt. Bei
der Bewertung wird Aluminiumoxid-Keramik mit einem durchschnittlichen Durchmesser
von 10 μm
als anorganische Substanz, enthalten in dem Fluorkohlenstoffharz,
verwendet.
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Wie
man in 6 sehen kann, ist, wenn das Oberflächenbesetzungsverhältnis der
anorganischen Substanz auf der Fluorkohlenstoffharzschicht weniger
als 50 % beträgt,
die Härte
der Fluorkohlenstoffharzbeschichtung stark vermindert und kann leicht
Risse zeigen. Bei einer rotierenden Komponente, die einer starken Zentrifugalkraft
ausgesetzt wird, löst
sich eine Fluorkohlenstoffharz beschichtung ab, beginnend von dem
Riss, so dass, wenn das Oberflächenbesetzungsverhältnis der
anorganischen Substanz weniger als 50 % beträgt, die Haltbarkeit der Fluorkohlenstoffharzbeschichtung
vermutlich bei einer Verwendung als rotierende Komponente unzureichend
ist. Wenn andererseits das Oberflächenbesetzungsverhältnis der
anorganischen Substanz mehr als 80 % beträgt, steigt die reduzierende
Wirkung der Menge der Feinteilchen, angehaftet an die Oberfläche der
Fluorkohlenstoffharzschicht 5 schnell an, was nicht geeignet
ist, um die Adhäsion
der Teilchen effektiv zu inhibieren. Es wird so bevorzugt, dass
das Oberflächenbesetzungsverhältnis der
anorganischen Substanz nicht weniger als 50 %, noch mehr als 80
% beträgt.
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Wie
oben erläutert,
kann die Komponente für
eine Rotationsmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung effektiv die Adhäsion
von Feinteilchen von Siliciumdioxid, Eisenoxid oder ähnlichem,
enthalten in einem Gas, das für
die Rotationsmaschine verwendet wird, inhibieren und kann auch eine
reduzierbare Haltbarkeit einer Beschichtung der Komponente für die Rotationsmaschine
inhibieren.
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Die
Komponente für
die Rotationsmaschine beinhaltet sich bewegende Flügel und
stationäre
Flügel, die
für eine
Dampfturbine, einen Kompressor oder eine andere Rotationsmaschine
verwendet werden. Die Oberfläche
der Komponente ist mit einer Beschichtung beschichtet, die eine
Sprühschicht
aufweist, die eine Vielzahl von Poren darin vorgesehen aufweist
und eine Fluorkohlenstoffharzschicht mit einer anorganischen Substanz,
gebildet auf der Sprühschicht,
darauf exponiert, wobei die anorganische Substanz nicht weniger
als 50 % noch mehr als 80 % der Oberfläche besetzt. Dies ermöglicht es,
dass die Härte
des Fluorkohlenstoffharzes erhalten bleibt. Die Beschichtung ermöglicht es,
dass das Fluorkohlenstoffharz in der Fluorkohlenstoffharzschicht
in die Poren der Sprühschicht
infiltrieren kann, so dass die Adhäsion der Beschichtung an die
Komponente einer Rotationsmaschine verbessert werden kann. Die Haltbarkeit
der Beschichtung wird daher an einer Erniedrigung gehindert, selbst
wenn die Beschichtung Zentrifugalkräften ausgesetzt wird. Weiterhin
wird die Fluorkohlenstoffharzschicht mit der darauf exponierten
anorganischen Substanz auf der Oberfläche der Beschichtung vorgesehen,
so dass die Fluorkohlenstoffharzschicht effektiv die Adhäsion von
Feinteilchen von Siliciumdioxid, Eisenoxid oder ähnlichem, enthalten in einem
Gas, das für
eine Rotationsmaschine verwendet wird, inhibiert.
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Wenn
die Sprühschicht
für eine
Komponente der Rotationsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, wird es bevorzugt, dass der Gehalt der Poren, enthalten
in der Sprühschicht,
bei mehr als 15 % liegt und 30 % oder weniger entspricht. Die Adhäsion zwischen
Sprühschicht
und Fluorkohlenstoffharzschicht kann so verbessert werden.
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Obwohl
die Erfindung im Hinblick auf eine spezifische Ausführungsform
für eine
komplette und klare Offenbarung beschrieben wurde, sollen die beigefügten Ansprüche nicht
auf diese Weise begrenzt werden, sondern sollten so ausgelegt werden,
dass sie alle Modifikationen und alternativen Konstruktionen umfassen, die
einem Fachmann auf dem Gebiet in den Sinn kommen könnten, und
die unter die hier dargestellte zugrundelegende Lehre fallen.
