DE112006003471B4

DE112006003471B4 - Feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung und damit behandelte rotierende Maschine

Info

Publication number: DE112006003471B4
Application number: DE112006003471.5T
Authority: DE
Inventors: Toyoaki Yasui; Yoshikazu Yamada; Shugo Iwasaki; Katsuyasu Hananaka; Kyoichi Ikeno
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2026-01-19
Also published as: US7998581B2; US20090123737A1; DE112006003471T5; WO2007083361A1

Abstract

Feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung, worin die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung eine nitridierte Hartschicht, die auf einer Oberfläche eines Basismaterials gebildet ist, und eine PVD-Hartschicht aus wenigstens zwei Schichten umfasst, die auf der nitridierten Hartschicht durch ein PVD-Verfahren gebildet ist, die nitridierte Hartschicht eine Dicke von wenigstens 30 μm aufweist und die PVD-Hartschicht eine Gesamtdicke von wenigstens 10 μm aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Hartschicht eine CrN-Schicht oder TiN-Schicht, die auf der nitridierten Hartschicht gebildet ist, und eine AlCrN-Schicht oder TiAlN-Schicht, die auf der CrN-Schicht oder TiN-Schicht gebildet ist, umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung mit Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit und betrifft ebenfalls eine mit dieser Beschichtung behandelte rotierende Maschine, wie etwa eine Dampfturbine oder einen Axialverdichter (eine solche rotierende Maschine wird der Einfachheit halber in der vorliegenden Beschreibung und in den anhängenden Patentansprüchen als eine rotierende Maschine bezeichnet).
Hintergrund der Erfindung
In einer Dampfturbine wird als ein Basismaterial für Teile und Komponenten, die in direktem Kontakt mit Dampf stehen, beispielsweise ein rostfreier 12%-Chromstahl, verwendet. Um die Beständigkeit gegen Erosion, die durch im Dampf vorliegende Feststoffteilchen hervorgerufen wird, im Fall von stationären Teilen und Komponenten zu verbessern, wird häufig eine Oberfläche des Basismaterials einer borierenden Behandlung unterzogen, in der eine Penetrationsdiffusionsbehandlung mit Bor durchgeführt wird.
Jedoch gibt es in dem oben erwähnten rostfreien 12%-Chromstahl das Problem, dass die Teile und Komponenten durch Erosion aufgrund von im Dampf vorliegenden Feststoffteilchen wie etwa Siliziumdioxid oder Eisenoxid beschädigt werden, so dass ihre Standzeit kürzer wird. Um dieses Problem zu lösen, kann die Oberfläche des rostfreien 12%-Chromstahls einer borierenden Behandlung wie oben erwähnt unterzogen werden. Dennoch wird sogar in diesem Fall eine ausreichende Beständigkeit gegen Erosion aufgrund von Feststoffteilchen kaum erzielt, so dass die Dauerfestigkeit verschlechtert wird. Somit besteht das Problem, dass die oben erwähnte Oberflächenbehandlung kaum an rotierenden Elementen angewendet wird.
Darüber hinaus wird von dem Teil, das im Kontakt mit Heißdampf in einer Dampfturbine steht, nicht nur Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit sondern auch ausreichende Leistungsfähigkeit einschließlich Oxidationsbeständigkeit und Dauerfestigkeit verlangt.
Herkömmlicherweise wird beispielsweise in dem unten genannten Patentdokument 1 für einen Hochgeschwindigkeitsrotor wie etwa ein dynamisches Druckfluidlager als Vorschlag offenbart, dass ein Basismaterial einer Härtungsbehandlung unterzogen wird und dann mit einer diamantähnlichen Kohlenstoffmembran beschichtet wird, um auf diese Weise Schäden des Hochgeschwindigkeitsrotors aufgrund von Verunreinigungen wie etwa Metallpulvern, die durch Abrieb erzeugt werden, entgegenzuwirken und um Verschlechterungen der Rotationsleistungsfähigkeit und der Standzeit ebenfalls entgegenzuwirken. Wenn eine Anwendung an einem Teil, das in einer Dampfturbine mit Dampf in Kontakt steht, in Betracht gezogen wird, sind die Praktikabilität und Anwendbarkeit einer solchen Beschichtung nicht nur im Hinblick auf die Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit, sondern auch im Hinblick auf die Oxidationsbeständigkeit oder Dauerfestigkeit immer noch unzureichend.
Patentdokument 1: Japanische Offenlegungsschrift JP 2002-188642 A (Seite 1, 1)
Beschreibung der Erfindung
Um die Probleme des Stands der Technik wie oben erwähnt zu lösen, ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung bereitzustellen, durch die die Erosionsbeständigkeit in hohem Maße verbessert werden kann und sogar an einem rotierenden Element eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit ohne Verminderung der Dauerfestigkeit verliehen wird. Es ist ebenfalls ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine rotierende Maschine bereitzustellen, die mit der feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung behandelt worden ist.
Um die oben erwähnten Ziele zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung Mittel wie in den folgenden Aspekten (1) bis (7) erwähnt zur Verfügung, die mit der Reihenfolge der Patentansprüche wie anhängend übereinstimmen:

(1) Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung, worin die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung eine nitridierte Hartschicht, die auf einer Oberfläche des Basismaterials gebildet wird, und eine PVD-(physical vapor deposition, physikalische Dampfphasenabscheidung)-Hartschicht aus wenigstens zwei Schichten umfasst, die auf der nitridierten Hartschicht durch ein PVD-Verfahren gebildet ist, die nitridierte Hartschicht eine Dicke von wenigstens 30 μm aufweist und die PVD-Hartschicht eine Gesamtdicke von wenigstens 10 μm aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Hartschicht eine CrN-Schicht oder TiN-Schicht, die auf der nitridierten Hartschicht gebildet ist, und eine AlCrN-Schicht oder TiAlN-Schicht, die auf der CrN-Schicht oder TiN-Schicht gebildet ist, umfasst.
(2) Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung wie im ersten Aspekt erwähnt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die nitridierte Hartschicht durch ein radikalisches Nitridierungsverfahren gebildet wird.
(3) Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung wie im ersten Aspekt erwähnt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die PVD-Hartschicht auf der nitridierten Hartschicht in einer Mehrschichtform gebildet ist, in der CrN-Schichten und TiAlN-Schichten abwechselnd geschichtet sind.
(4) Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung wie im ersten Aspekt erwähnt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die PVD-Hartschicht auf der nitridierten Hartschicht in einer Mehrschichtform gebildet ist, in der CrN-Schichten und AlCrN-Schichten abwechselnd geschichtet sind.
(5) Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung wie im ersten Aspekt erwähnt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die PVD-Hartschicht auf der nitridierten Hartschicht in einer Mehrschichtform gebildet ist, in der TiN-Schichten und TiAlN-Schichten abwechselnd geschichtet sind.
(6) Ein sechster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung wie im ersten Aspekt erwähnt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die PVD-Hartschicht auf der nitridierten Hartschicht in einer Mehrschichtform gebildet ist, in der TiN-Schichten und AlCrN-Schichten abwechselnd geschichtet sind.
(7) Ein siebter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine rotierende Maschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teil der rotierenden Maschine, das in Kontakt mit Dampf steht, mit der feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung wie in einem des ersten bis sechsten Aspekts erwähnt behandelt ist.

Im Verlauf extensiver Studien und Tests zum Verbessern der Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit haben die gegenwärtigen Erfinder die Erfahrung gewonnen, dass, wenngleich die Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit durch Aufbringen einer Beschichtung (PVD-Hartschicht), die eine höhere Härte als die kollidierenden Teilchen aufweist, verbessert werden kann, das Basismaterial durch Kollision mit den Feststoffteilchen deformiert wird, wenn das Substrat (Basismaterial) der Beschichtung weich ist, so dass die obere PVD-Hartschicht durch die Deformation Risse bildet, was zu keiner Verbesserung der Erosionsbeständigkeit führt.
Gemäß der feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung der vorliegenden Erfindung, die auf der Grundlage der oben erwähnten Erfahrung gemacht wurde, können die folgenden Effekte erhalten werden:

(1) Um die Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit der PVD-Hartschicht, die durch ein PVD-Verfahren gebildet wird, zu verbessern, wird gemäß der Erfindung gemäß Anspruch 1 die nitridierte Hartschicht auf dem Substrat des Basismaterials gebildet, so dass die Härte des Substrats erhöht wird. Darüber hinaus wird die Dicke der nitridierten Hartschicht auf 30 μm oder mehr eingestellt, so dass verhindert wird, dass das Basismaterial durch Kollision mit den Feststoffteilchen deformiert wird, und so dass verhindert wird, dass die Beschichtung, umfassend die auf dem Basismaterial gebildete nitridierte Hartschicht und die auf der nitridierten Hartschicht gebildete PVD-Hartschicht Risse bildet. Auf diese Weise kann die Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit sicher erhalten werden. Zudem wird die Gesamtdicke der PVD-Hartschicht auf 10 μm oder mehr eingestellt, so dass verhindert wird, dass die Erosionsbeständigkeit durch Kollision mit den Feststoffteilchen beeinflusst wird, und die Standzeit der feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung kann verlängert werden.

Ferner können durch die Kombination der nitridierten Hartschicht und der PVD-Hartschicht wie oben erwähnt die Oxidationsbeständigkeit und Dauerfestigkeit verbessert werden, und eine feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung, die vorzugsweise auf einen Bereich in einer rotierenden Maschine aufgebracht wird, die besondere Festigkeit erfordert, kann erhalten werden.

(2) Gemäß der Erfindung gemäß Anspruch 2 wird zusätzlich zu Funktion und Effekt der Erfindung gemäß Anspruch 1 die nitridierte Hartschicht durch ein radikalisches Nitridierungsverfahren gebildet. Die nitridierte Hartschicht, die auf diese Weise gebildet wird, weist keine spröde degenerierte Schicht auf und wird stark gegen Ermüdungserscheinungen. Somit kann die Dauerfestigkeit im Vergleich zu den Ermüdungseigenschaften des Basismaterials verbessert werden.
(3) In der PVD-Hartschicht als der oberen Schicht der nitridierten Hartschicht ist es wichtig, die Härte der Beschichtung höher als die Härte der kollidierenden Teilchen einzustellen, um Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit zu erhalten. Als repräsentatives Material der kollidierenden Feststoffteilchen kann SiO₂ genannt werden, das eine Vickers-Härte von 1000 bis 1300 aufweist. Somit wäre eine Schicht eines keramischen Materials erforderlich, das eine Härte höher als SiO₂ aufweist. Dennoch können gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6 CrN, TiAlN, AlCrN und TiN die oben genannten Härtevoraussetzungen erfüllen. Somit kann zusätzlich zu Funktion und Effekt der Erfindung gemäß Anspruch 1 eine definierte Struktur einer weiter bevorzugten feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung erhalten werden, die im Hinblick auf ihre Hochtemperaturstabilität und Zähigkeit im Vergleich mit anderen keramischen Materialien hervorragend ist.
(4) Gemäß den Erfindungen gemäß den Ansprüchen 3 bis 6 können CrN, TiAlN, AlCrN und TiN zusätzlich zu Funktion und Effekt der Erfindung gemäß Anspruch 1 die Härtebedingungen erfüllen. Darüber hinaus kann eine definierte Struktur einer weiter bevorzugten feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung erhalten werden, die im Hinblick auf ihre Hochtemperaturstabilität und Zähigkeit im Vergleich zu anderen keramischen Materialien hervorragend ist. Ebenfalls können die Rissbildungsbeständigkeit und Ablösebeständigkeit im Vergleich zu der PVD-Hartschicht in einer zweischichtigen Form verbessert werden, indem die PVD-Hartschicht in einer Mehrschichtform gebildet wird, in der dünne Materialien zweier Arten abwechselnd geschichtet werden, und die Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit kann weiter verbessert werden.

Gemäß der Erfindung gemäß Anspruch 7 kann durch Funktion und Effekt der Erfindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 eine Dampfturbine erhalten werden, die eine hohe Erosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Dauerfestigkeit aufweist und eine Verlängerung der Standzeit ermöglicht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 101 der Referenzausführungsform 1.
2 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 102 der Referenzausführungsform 2.
3 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 103 der Ausführungsform 3 gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 104 der Ausführungsform 4 gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 105 der Referenzausführungsform 5.
6 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 106 der Ausführungsform 6 gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 107 der Ausführungsform 7 gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 108 der Ausführungsform 8 gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 109 der Ausführungsform 9 gemäß der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 110 der Referenzausführungsform 10.
11 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 111 der Ausführungsform 11 gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 112 der Ausführungsform 12 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beste Form der Ausführung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf Grundlage extensiver Studien und Tests zum Erhalten einer solchen Beschichtung erarbeitet worden, die Oxidationsbeständigkeit aufweist, wenngleich sie die Dauerfestigkeit aufrechterhält, und das Erfordernis, die Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit zu verbessern, erfüllt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3, 4, 6 bis 9, 11 und 12 bezogen auf die Ausführungsformen 3, 4, 6 bis 9, 11 und 12 als die besten Formen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben.
(Ausführungsform 1 – Referenz, nicht erfindungsgemäß)
1 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 101 der Referenzausführungsform 1. Die feststoffteilchenerosionsbeständige Schicht 101 der vorliegenden Ausführungsform ist aus einer nitridierten Hartschicht 2, die auf einem Basismaterial 3 gebildet ist, und einer PVD-(physical vapor deposition, physikalische Dampfphasenabscheidung)-Hartschicht 1, die auf der nitridierten Hartschicht 2 als eine durch das PVD-Verfahren gebildete Hartschicht gebildet ist, aufgebaut. Eine Dampfturbine als eine rotierende Maschine wird ebenfalls mit der so aufgebauten feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung behandelt.
Die nitridierte Hartschicht 2 ist vorzugsweise eine radikalisch nitridierte Schicht, die durch ein radikalisches Nitridverfahren gebildet wird, und ihre Dicke wird auf 30 μm oder mehr, vorzugsweise auf 60 bis 100 μm eingestellt, um eine Verschlechterung der Dauerfestigkeit zu unterdrücken und um die Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit zu verbessern. Die PVD-Hartschicht 1, die darauf gebildet ist, weist eine Gesamtdicke von 10 μm oder mehr, vorzugsweise von 20 μm oder mehr auf. In dem Fall, dass die Dicke weniger als 10 μm beträgt, verkürzt sich die Standzeit der Schicht aufgrund der Kollision mit den Feststoffteilchen. Andererseits stellt eine Dicke von etwa 25 μm eine Grenze im Hinblick auf die Schichtspannung (Membranspannung) zum Zeitpunkt des Bildens der Schicht (Membran) dar. Das Material der PVD-Schicht ist ausgewählt aus CrN (Chromnitrid), TiN (Titannitrid), AlCrN (Aluminiumchromnitrid) und TiAlN (Titanaluminiumnitrid) und die Schicht wird einschichtig durch ein Material, zweischichtig durch zwei Materialien oder mehrschichtig durch zwei Materialien gebildet, d. h. mehrere Schichten einer Schicht eines Materials ”a” und einer Schicht eines Materials ”b”. Die so aufgebaute feststoffteilchenerosionsbeständige Schicht 101 kann wirkungsvoll für eine rotierende Maschine wie etwa eine Dampfturbine oder einen Axialverdichter verwendet werden. Es wird angemerkt, dass der Begriff ”rotierende Maschine” wie in der vorliegenden Beschreibung und den anhängenden Patentansprüchen verwendet, solch eine rotierende Maschine einschließlich beispielsweise einer Dampfturbine oder eines Axialverdichters bedeutet.
Als Nächstes werden feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtungen der Ausführungsformen 2 bis 12 (erfindungsgemäß oder Referenz, wie jeweils angegeben) unter Bezugnahme auf die 2 bis 12 beschrieben.
(Ausführungsform 2 – Referenz, nicht erfindungsgemäß)
2 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 102 der Referenzausführungsform 2. Die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung 102 der vorliegenden Ausführungsform ist aus der nitridierten Hartschicht 2, die die gleiche ist wie im Hinblick auf die Ausführungsform 1 beschrieben, die auf dem Basismaterial 3 gebildet ist, und der PVD-Hartschicht 1, die eine CrN-Schicht 11 ist, die auf der nitridierten Hartschicht 2 durch die PVD gebildet ist, aufgebaut.
Die nitridierte Hartschicht 2 ist eine Schicht, die keine degenerierte Schicht aufweist, die durch ein radikalisches Nitridierungsverfahren gebildet wird, und ihre Dicke wird auf 30 μm oder mehr, vorzugsweise auf 60 bis 100 μm eingestellt. Wenn diese Dicke in der Umgebung, wo die Feststoffteilchen kollidieren, weniger als 30 μm beträgt, wird die obere PVD-Hartschicht 1 zusammen mit dem Basismaterial 3 zum Zeitpunkt der Kollision mit den Feststoffteilchen deformiert, so dass die obere PVD-Schicht 1 Risse bilden oder sich ablösen könnte, und dies ruft ein Problem der Verschlechterung der Erosionsbeständigkeit hervor. Eine Dicke von mehr als 100 μm weist keine Probleme im Hinblick auf ihre physikalischen Eigenschaften auf, aber ist in praktischer Hinsicht nachteilig, da die Herstellungskosten zunehmen.
Die CrN-Schicht 11 als die obere PVD-Hartschicht 1 der vorliegenden Ausführungsform wird beispielsweise durch ein lichtbogenartiges Ionenmetallisierungsverfahren gebildet und ihre Dicke wird auf 10 μm oder mehr, vorzugsweise auf 20 μm oder mehr eingestellt. Wenn diese Dicke weniger als 10 μm beträgt, wird die Standzeit der Schicht aufgrund der Kollision mit den Feststoffteilchen kürzer. Andererseits stellt eine Dicke von etwa 25 μm eine Grenze im Hinblick auf die Schichtspannung (Membranspannung) zum Zeitpunkt der Bildung der Schicht (Membran) dar.
(Ausführungsform 3)
3 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 103 der Ausführungsform 3 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung 103 der vorliegenden Ausführungsform ist aus der nitridierten Hartschicht 2, die die gleiche wie oben im Hinblick auf die Ausführungsform 1 beschrieben ist und auf dem Basismaterial 3 gebildet ist, und der PVD-Hartschicht 1 umfassend die CrN-Schicht 11, die ebenfalls auf der nitridierten Hartschicht 2 durch PVD gebildet ist, und eine TiAlN-Schicht 12, die auf der CrN-Schicht 11 durch PVD gebildet ist, aufgebaut. Wie die CrN-Schicht 11 kann die TiAlN-Schicht 12 beispielsweise durch ein lichtbogenartiges Ionenmetallisierungsverfahren gebildet werden, und ihre Dicke wird auf 1 bis 6 μm eingestellt.
(Ausführungsform 4)
4 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 104 der Ausführungsform 4 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung 104 der vorliegenden Ausführungsform ist aus der nitridierten Hartschicht 2, die die gleiche wie im Hinblick auf die Ausführungsform 1 beschrieben ist und auf dem Basismaterial 3 gebildet ist, und der PVD-Hartschicht 1 umfassend die CrN-Schicht 11, die ebenfalls auf der nitridierten Hartschicht 2 durch PVD gebildet wird, und eine AlCrN-Schicht 13, die auf der CrN-Schicht 11 durch PVD gebildet wird, aufgebaut. Wie die CrN-Schicht 11 kann die AlCrN-Schicht 13 beispielsweise durch ein lichtbogenartiges Ionenmetallisierungsverfahren gebildet werden und ihre Dicke wird auf 1 bis 6 μm eingestellt.
(Ausführungsform 5 – Referenz, nicht erfindungsgemäß)
5 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 105 der Referenzausführungsform 5. Die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung 105 der vorliegenden Ausführungsform wird durch die nitridierte Hartschicht 2, die die gleiche ist wie im Hinblick auf die Ausführungsform 1 beschrieben und auf dem Basismaterial 3 gebildet ist, und die PVD-Hartschicht 1 aufgebaut, die eine TiN-Schicht 14 der Dicke 5 bis 10 μm, die auf der nitridierten Hartschicht 2 durch PVD gebildet ist, und die CrN-Schicht 11 umfasst, die ebenfalls auf der TiN-Schicht 14 durch PVD gebildet ist. Wie die CrN-Schicht 11 kann die TiN-Schicht 14 beispielsweise durch ein lichtbogenartiges Ionenmetallisierungsverfahren gebildet werden.
(Ausführungsform 6)
6 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 106 der Ausführungsform 6 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung 106 der vorliegenden Ausführungsform wird durch die nitridierte Hartschicht 2, die die gleiche ist wie im Hinblick auf die Ausführungsform 1 beschrieben und die auf dem Basismaterial 3 gebildet ist, und die PVD-Hartschicht 1 aufgebaut, die auf dem Basismaterial 3 und der PVD-Hartschicht 1 gebildet ist umfassend die TiN-Schicht 14 einer Dicke von 5 bis 10 μm, die auf der nitridierten Hartschicht 2 durch PVD gebildet ist, und die TiAlN-Schicht 12, die ebenfalls auf der TiN-Schicht 14 durch PVD gebildet ist.
(Ausführungsform 7)
7 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 107 der Ausführungsform 7 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung 107 der vorliegenden Ausführungsform wird durch die nitridierte Hartschicht 2, die die gleiche ist wie im Hinblick auf die Ausführungsform 1 beschrieben und die auf dem Basismaterial 3 gebildet ist, und die PVD-Hartschicht 1 umfassend die TiN-Schicht 14 einer Dicke von 5 bis 10 μm, die auf der nitridierten Hartschicht durch PVD gebildet ist, und die AlCrN-Schicht 13 die ebenfalls auf der TiN-Schicht 14 durch PVD gebildet ist, aufgebaut.
Die 8 bis 12 sind Ansichten von feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtungen der Ausführungsformen 8 bis 12 (erfindungsgemäß oder Referenz, wie jeweils angegeben), in denen die PVD-Hartschicht 1 in einer Mehrschichtform aus Materialien zweier Arten gebildet wird.
(Ausführungsform 8)
8 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 108 der Ausführungsform 8 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung 108 der vorliegenden Ausführungsform wird durch die nitridierte Hartschicht 2, die die gleiche ist wie im Hinblick auf die Ausführungsform 1 beschrieben und die auf dem Basismaterial 3 gebildet ist, und die PVD-Hartschicht 1 aufgebaut, die darauf in einer Mehrschichtform gebildet ist, in der die CrN-Schichten 11 und TiAlN-Schichten 12 abwechselnd durch PVD geschichtet sind. Die Dicke jeder der Schichten, die die PVD-Hartschicht 1 bilden, kann unterschiedlich eingestellt werden, beispielsweise von 10 bis 100 nm und die Gesamtdicke der PVD-Hartschicht auf 1 bis 10 μm oder mehr, vorzugsweise 20 μm oder mehr wie im Fall der Ausführungsform 1.
(Ausführungsform 9)
9 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 109 der Ausführungsform 9 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung 109 der vorliegenden Ausführungsform wird durch die nitridierte Hartschicht 2, die die gleiche ist wie im Hinblick auf die Ausführungsform 1 beschrieben und die auf dem Basismaterial 3 gebildet ist, und die PVD-Hartschicht 1 aufgebaut, die darauf in einer Mehrschichtform gebildet ist, in der die CrN-Schichten 11 und die AlCrN-Schichten 13 abwechselnd durch PVD geschichtet sind. Die Dicke jeder der Schichten, die die PVD-Hartschicht 1 bilden, kann unterschiedlich eingestellt werden, beispielsweise auf 10 bis 100 nm und die Gesamtdicke der PVD-Hartschicht auf 1 bis 10 μm oder mehr, vorzugsweise 20 μm oder mehr wie im Fall der Ausführungsform 1.
(Ausführungsform 10 – Referenz, nicht erfindungsgemäß)
10 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 110 der Referenzausführungsform 10. Die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung 110 der vorliegenden Ausführungsform wird durch die nitridierte Hartschicht 2, die die gleiche ist wie im Hinblick auf die Ausführungsform 1 beschrieben und die auf dem Basismaterial 3 gebildet ist, und die PVD-Schicht 1 aufgebaut, die darauf in einer Mehrschichtform gebildet wird, in der die TiN-Schichten 14 und die CrN-Schichten 11 abwechselnd durch PVD geschichtet werden. Die Dicke jeder der Schichten, die die PVD-Hartschicht 1 bilden, kann unterschiedlich eingestellt werden, beispielsweise auf 10 bis 100 nm und die Gesamtdicke der PVD-Hartschicht 1 beträgt 10 μm oder mehr, vorzugsweise 20 μm oder mehr wie im Fall der Ausführungsform 1.
(Ausführungsform 11)
11 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 111 der Ausführungsform 11 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung 111 der vorliegenden Erfindung wird durch die nitridierte Hartschicht 2, die die gleiche ist wie im Hinblick auf die Ausführungsform 1 beschrieben und die auf dem Basismaterial 3 gebildet ist, und die PVD-Hartschicht 1 aufgebaut, die darauf in einer Mehrschichtform gebildet ist, in der die TiN-Schichten 14 und die TiAlN-Schichten 12 abwechselnd durch PVD geschichtet sind. Die Dicke jeder der Schichten, die die PVD-Hartschicht 1 bilden, kann unterschiedlich eingestellt werden, beispielsweise auf 10 bis 100 nm und die Gesamtdicke der PVD-Hartschicht auf 1 bis 10 μm oder mehr, vorzugsweise 20 μm oder mehr wie im Fall der Ausführungsform 1.
(Ausführungsform 12)
12 ist eine erläuternde Querschnittsansicht einer feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung 112 der Ausführungsform 12 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung 112 der vorliegenden Ausführungsform wird durch die nitridierte Hartschicht 2, die die gleiche ist wie im Hinblick auf die Ausführungsform 1 beschrieben und die auf dem Basismaterial 3 gebildet ist, und die PVD-Hartschicht 1 aufgebaut, die darauf in einer Mehrschichtform gebildet ist, in der die TiN-Schichten 14 und die AlCrN-Schichten 13 abwechselnd durch PVD geschichtet sind. Die Dicke jeder der Schichten, die die PVD-Hartschicht 1 bilden, kann unterschiedlich eingestellt werden, beispielsweise auf 10 bis 100 nm und die Gesamtdicke der PVD-Hartschicht 1 beträgt 10 μm oder mehr, vorzugsweise 20 μm oder mehr wie im Fall der Ausführungsform 1.
Es wird angemerkt, dass in den Ausführungsformen 1 bis 12 beispielsweise ein lichtbogenartiges Ionenmetallisierungsverfahren verwendet wird, wenngleich keine Notwendigkeit besteht, das PVD-Verfahren zum Bilden der CrN-Schicht 11, TiAlN-Schicht 12, AlCrN-Schicht 13 und TiN-Schicht 14 zu beschränken.
In jeder der feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtungen 103, 104, 106 bis 109, 111 und 112 der oben erwähnten Ausführungsformen 3, 4, 6 bis 9, 11 und 12 wird die nitridierte Hartschicht 2, die auf dem Basismaterial 3 gebildet ist, vorgesehen, um die Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit der PVD-Hartschicht 1, die auf der nitridierte Hartschicht 2 durch PVD gebildet ist, zu verbessern. Das heißt, dass das Basismaterial 3 durch Kollision mit den Feststoffteilchen deformiert wird, so dass die obere Beschichtung (die PVD-Hartschicht 1) durch die Deformation Risse bildet, wenngleich die Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit durch das Aufbringen einer Beschichtung (der PVD-Hartschicht 1), die eine Härte aufweist, die höher ist als die der kollidierenden Teilchen, verbessert wird, wenn das Basismaterial (Substrat) der Beschichtung gleich ist, und dies macht eine Verbesserung der Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit schwierig.
Um die Eigenschaften der oberen PVD-Hartschicht 1 in vollem Umfang nutzen zu können, ist es somit notwendig, das Substrat ausreichend zu härten. Zu diesem Zweck wird die nitridierte Hartschicht 2 auf der Oberfläche des Basismaterials 3 gebildet. Hinsichtlich der Dicke der nitridierten Hartschicht 2 muss ein geeigneter Wert gesucht werden. Wenn sie weniger als 30 μm beträgt, wird die oben erwähnte Deformation des Basismaterials 3 zum Zeitpunkt der Kollision mit den Feststoffteilchen verursacht und die Beschichtung einschließlich der nitridierten Hartschicht 2 und der PVD-Hartschicht 3 bildet Risse, was nicht bevorzugt ist. Um die Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit zu gewährleisten, ist eine Dicke der nitridierten Hartschicht 2 von 30 μm oder mehr notwendig. Es sei angemerkt, dass wie oben erwähnt eine Dicke von mehr von 100 μm kein Problem im Hinblick auf die physikalischen Eigenschaften mit sich bringt, aber in der Praxis nachteilig ist, da die Herstellungskosten steigen.
Darüber hinaus muss in dem Fall, in dem eine große Ermüdungsbelastung im Betrieb auf die sich bewegenden Blätter einer Dampfturbine einwirken, die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung eine Festigkeit aufweisen, um solch einer großen Belastung zu widerstehen. Zu diesem Zweck weist die nitridierte Hartschicht 2, wenn sie durch ein radikalisch nitridierendes Verfahren gebildet wird, keine spröde degenerierte Schicht auf, ist ausreichend stark gegen Ermüdungseigenschaften und weist eine verbesserte Dauerfestigkeit im Vergleich zu den Ermüdungseigenschaften des Basismaterials 2 auf.
Um der PVD-Hartschicht 1 als der oberen Schicht der nitridierten Hartschicht 2 Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit zu verleihen, ist es wichtig, dass die Beschichtung damit eine Härte aufweist, die höher ist als die der kollidierenden Teilchen. Da SiO₂ als das repräsentative Material der kollidierenden Teilchen eine Härte (Vickers-Härte) von 1000 bis 1300 aufweist, wird ein keramisches Material, das härter als dies ist, für das Material der PVD-Hartschicht 1 als geeignet angesehen.
Somit werden als das Material, das die PVD-Hartschicht 1 jeder der oben genannten Ausführungsformen 1 bis 12 bildet, keramische Nitridmaterialien, d. h. CrN, TiAlN, AlCrN und TiN, eingesetzt. Diese Materialien können die Voraussetzung der oben erwähnten Härte füllen und sind hervorragend in ihrer Hochtemperaturstabilität (Oxidationsbeständigkeit bei 500°C) und Zähigkeit im Vergleich mit anderen keramischen Materialien, so dass sie als am meisten geeignet als das Material der PVD-Hartschicht 1 angesehen werden, die die Oberflächenschicht jeder der feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtungen 101 bis 112 der oben erwähnten Ausführungsformen 1 bis 12 bilden.
Die PVD-Hartschicht 1 wird ebenfalls gebildet, so dass sie eine Gesamtdicke von 10 μm oder mehr aufweist. Dadurch wird dem Einfluss von Erosionen, die durch Kollisionen mit Feststoffteilchen hervorgerufen werden, vorgebeugt und die Standzeit der feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtungen kann verlängert werden.
Darüber hinaus kann die PVD-Hartschicht 1 wie in den Ausführungsformen 8 bis 12 in einer Mehrschichtform gebildet werden, in der dünne Materialien zweier Arten abwechselnd geschichtet werden. Dadurch kann die Rissbildungsbeständigkeit und Ablösebeständigkeit im Vergleich mit einer PVD-Hartschicht 1 aus einer Schicht oder zwei Schichten weiter verbessert werden. Das heißt, dass sogar wenn im Fall mehrerer Schichten Oberflächenrisse erzeugt werden, wird die Fortpflanzungsrichtung der Risse in Richtung der Plattenoberflächenrichtung (horizontale Richtung in der Figur) von einer Plattendickenrichtung zwischen jeder der Schichten gestreut, und somit kann der durch die Risse hervorgerufene Schaden auf ein Minimum beschränkt werden. Auf diese Weise kann die Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit weiter verbessert werden.
Wie oben erwähnt, umfasst die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die nitridierte Hartschicht 2, die auf dem Substrat gebildet ist, und die PVD-Hartschicht 1, die auf der nitridierten Hartschicht 2 gebildet ist, und durch deren synergistischen Effekt gelingt es, die Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit bemerkenswert zu verbessern. Wie durch die unten stehenden Vergleichstestergebnisse gezeigt wird, ist sie ebenfalls hervorragend in ihrer Oxidationsbeständigkeit und Dauerfestigkeit. Darüber hinaus ist eine rotierende Maschine wie etwa eine Dampfturbine oder ein Axialverdichter mit einer Oberfläche eines Teils, das mit einem Hochtemperaturgas in Kontakt tritt und mit der Beschichtung der vorliegenden Erfindung behandelt worden ist, gleichzeitig hervorragend in seiner Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Ermüdungsstärke.
Nachstehend werden die Ergebnisse von Vergleichstests unter Verwendung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, Vergleichsbeispielen und herkömmlichen Beispielen beschrieben.
(Vergleichstestergebnis 1)
Als das Basismaterial der Testteile wird rostfreier Stahl SUS410J1 (japanische Industrienorm) einer Größe von 30 mm × 60 mm × 5 mm (Dicke) verwendet. Hinsichtlich der Ausführungsformen wird die nitridierte Hartschicht auf der Oberfläche des Basismaterials durch das radikalisch nitridierende Verfahren gebildet und die PVD-Hartschicht wird darauf durch PVD wie unten stehend genannt gebildet.
Unter Verwendung der Testteile werden Sanderosionstests bei Raumtemperatur durchgeführt, wobei konischer Siliziumdioxidsand der mittleren Teilchengröße von 326 μm auf die Oberfläche der Testteile mit einer Geschwindigkeit von 100 m/s und mit Kollisionswinkeln von jeweils 30°, 60° und 90° gestrahlt wird.
Anhand des Gewichts der Testteile vor dem Test und dem Gewicht der Testteile nach dem Test wird das abgetragene Gewicht jeder Probe erhalten und dieses wird durch die Beschichtungsdichte der Probe in ein abgetragenes Volumen umgewandelt.
Ferner wird das Verhältnis des abgetragenen Volumens des herkömmlichen Beispiels, in dem das Material nur SUS410J1 ist, relativ zum abgetragenen Volumen jeder Probe als Erosionsbeständigkeitsvergrößerung erhalten. Das heißt die Erosionsbeständigkeitsvergrößerung zeigt bei größer werdendem Wert, dass die Probe hervorragend in ihrer Erosionsbeständigkeit im Vergleich zu dem herkömmlichen Beispiel aus SUS410J1 ist.
Die radikalische nitridierende Behandlung wird durchgeführt, indem die Zeit so gesteuert wird, dass die nitridierte Hartschicht mit einer Dicke von jeweils 20, 30, 60 und 100 μm gebildet wird.
Die PVD-Hartschicht wird durch eine lichtbogenartige Ionenmetallisierungsvorrichtung gebildet, wobei der Lichtbogenstrom 150 A, die Vorspannung –30 V, der Gasdruck 4 Pa und die Temperatur des Basismaterials 450°C beträgt.
Die borierende Behandlung des konventionellen Beispiels wird unter den Bedingungen von 920°C und 18 Stunden durchgeführt, um dadurch eine Bor-behandelte Schicht von 70 μm auf der Oberfläche des Basismaterials zu bilden, und dann wird diese Probe einer Abschreck- und Temperbehandlung unterzogen.
Unter den oben genannten Bedingungen werden 5 Proben (2-1) bis (2-5) der Ausführungsform 2, jeweils eine Probe der Ausführungsformen 3 bis 12, 6 Proben der Vergleichsbeispiele 1 bis 6 und 2 Proben der herkömmlichen Beispiele 1 und 2 getestet. Hinsichtlich der Vergleichsbeispiele weist das Vergleichsbeispiel 1 nur die nitridierte Hartschicht auf, die Vergleichsbeispiele 2 bis 4 weisen die nitridierte Hartschicht auf, die mit einer Dicke von weniger als 30 μm gebildet ist, und die Vergleichsbeispiele 5 und 6 weisen die PVD-Hartschicht, die mit weniger als 10 μm gebildet ist, auf. Hinsichtlich der herkömmlichen Beispiele umfasst das herkömmliche Beispiel 1 nur das Basismaterial und das herkömmliche Beispiel 2 weist das Basismaterial auf, dessen Oberfläche der borierenden Behandlung unterzogen worden ist.
Die Testbedingungen und -ergebnisse (die Erosionsbeständigkeitsvergrößerung) sind in Tabelle 1 ”Vergleichstestergebnis 1” gezeigt.
Wie durch die Erosionsbeständigkeitsvergrößerungen gemäß Tabelle 1 ”Vergleichstestergebnis 1” gezeigt wird, wird gefunden, dass die feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtungen der Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den herkömmlichen Beispielen, die nur das Basismaterial SUS410J1 umfassen oder das Basismaterial, dessen Oberfläche der borierenden Behandlung unterzogen worden ist, in bemerkenswertem Umfang hervorragend sind.
Es wird ebenfalls gefunden, dass die Fälle, in denen nur die nitridierte Hartschicht, aber keine PVD-Hartschicht aufgebracht wird (Vergleichsbeispiel 1), die nitridierte Hartschicht und die PVD-Hartschicht aufgebracht werden, aber die nitridierte Hartschicht weniger als 30 μm (nämlich 20 μm) umfasst (Vergleichsbeispiele 2 bis 4), und die nitridierte Hartschicht und die PVD-Hartschicht aufgebracht werden, aber die PVD-Hartschicht weniger als 10 μm (nämlich 5 μm und 8 μm) umfasst (Vergleichsbeispiele 5 und 6), hinsichtlich der Erosionsbeständigkeitsvergrößerung jeder der Ausführungsformen in hohem Maße unterlegen ist, so dass eine ausreichende Feststoffteilchenerosionsbeständigkeit wie in den Ausführungsformen nicht erhalten werden kann.
(Vergleichstestergebnis 2)
Als das Basismaterial der Testteile wird rostfreier Stahl SUS410J1 (japanische Industrienorm) der Größe 20 mm × 20 mm × 5 mm (Dicke) verwendet. Hinsichtlich der Ausführungsformen wird die nitridierte Hartschicht auf der Oberfläche des Basismaterials durch das radikalische nitrierende Verfahren gebildet und die PVC-Hartschicht wird darauf durch PVD wie unten stehend erwähnt gebildet.
Die Testteile werden in einer Hochtemperaturdampfatmosphäre gehalten und ihre Oxidationsbeständigkeit wird untersucht.
Die radikalisch nitridierende Behandlung wird durchgeführt, indem die Zeit so gesteuert wird, dass die nitridierte Hartschicht mit einer Dicke von 60 μm gebildet wird.
Die PVD-Hartschicht wird durch eine lichtbogenartige Ionenmetallisierungsvorrichtung gebildet, wobei der Lichtbogenstrom 150 A, die Vorspannung –30 V, der Gasdruck 4 Pa und die Basismaterialtemperatur 450°C beträgt.
Die borierende Behandlung des herkömmlichen Beispiels wird unter der Bedingung von 920°C und 18 Stunden durchgeführt, um so eine Bor-behandelte Schicht von 70 μm auf der Oberfläche des Basismaterials zu bilden, und diese Probe wird anschließend einer Abschreck- und Temperbehandlung unterzogen.
Unter den oben genannten Bedingungen werden jeweils 1 Probe der Ausführungsformen 2 und 3, 1 Probe des Vergleichsbeispiels 1 und 2 Proben der herkömmlichen Beispiele 1 und 2 getestet. Das Vergleichsbeispiel 1 weist nur die nitridierte Hartschicht und keine PVD-Hartschicht auf, das herkömmliche Beispiel 1 umfasst nur das Basismaterial und das herkömmliche Beispiel 2 weist das Basismaterial auf, dessen Oberfläche der borierenden Behandlung unterzogen wurde.
Die Testbedingungen und -ergebnisse (Verhältnis der Dicke der oxidierten Schicht) werden in Tabelle 2 ”Vergleichstestergebnis 2” gezeigt.
Es sei angemerkt, dass in Tabelle 2 ”Vergleichstestergebnis 2” die Oxidationsbeständigkeit als das Verhältnis der Dicke der oxidierten Schicht relativ zu dem Fall, in dem die Dicke der oxidierten Schicht von SUS410J1 auf 1 gesetzt wird, dargestellt wird. Wie durch das Verhältnis der Dicke der oxidierten Schicht gemäß Tabelle 2 gezeigt wird, wird gefunden, dass die Oxidationsbeständigkeit der feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtungen der Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel, das nur die nitridierte Hartschicht aufweist, die durch das radikalische Nitridieren gebildet wurde, ebenso wie dem herkömmlichen Beispiel in hohem Maße hervorragend sind.
(Vergleichstestergebnis 3)
Ein Testteil der Ausführungsform 2, das eine nitridierte Hartschicht (60 μm), die durch radikalisches Nitridieren gebildet worden war, und die hierauf gebildete CrN-Schicht (25 μm) aufwies und ein Teststück des herkömmlichen Beispiel, das nur das Basismaterial SUS410J1 ohne Oberflächenbehandlung aufwies, werden hergestellt und rotierende Biegeermüdungstests werden bei 450°C durchgeführt. Als Ergebnis wird gefunden, dass das Testteil mit der nitridierte Hartschicht (60 μm) und der CrN-Schicht (25 μm) eine gegenüber dem herkömmlichen Beispiel im Vergleich bei 107 Zyklen eine um 13% verbesserte Dauerfestigkeit aufwies. Es versteht sich somit, dass die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls eine hervorragende Dauerfestigkeit aufweist.
Wie oben erwähnt, wird gemäß der feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung jede Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die nitridierte Hartschicht der Dicke von 30 μm oder mehr auf dem Basismaterial gebildet und die PVD-Hartschicht einer Dicke von 10 μm oder mehr wird auf der nitridierten Hartschicht gebildet. Dadurch kann eine außergewöhnlich hohe Beständigkeit gegen Kollisionen mit den Feststoffteilchen erhalten werden. Ebenso kann die Erosionsbeständigkeit von Teilen und Komponenten, auf die die Beschichtung der vorliegenden Erfindung aufgebracht wurde, bemerkenswert verbessert und ihre Standzeit kann in hohem Maße verlängert werden.
Ferner ist die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung der vorliegenden Erfindung hervorragend in der Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit und ebenso in den Ermüdungseigenschaften. Somit weist eine Dampfturbine, wenn die Beschichtung der vorliegenden Erfindung auf die Oberfläche der Teile und Komponenten aufgebracht wird, die in Kontakt mit Dampf treten, so dass im Dampf vorliegende Feststoffteilchen damit kollidieren, eine verbesserte Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit und verbesserte Ermüdungserscheinungen ebenso wie eine verlängerte Standzeit auf. Durch Aufbringen der Beschichtung der vorliegenden Erfindung auf Teile und Komponenten einer rotierenden Maschine wie etwa eines Axialverdichters kann die Standzeit der Maschine in hohem Maße verlängert werden. Wenngleich die vorliegende Erfindung im Vorstehenden auf Grundlage der veranschaulichten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung unter keinen Umständen darauf beschränkt, sondern selbstverständlich können verschieden Modifizierungen in dem Aufbau hinzugefügt werden. Auch wenn die Dampfturbine gemäß der vorliegenden Erfindung nicht veranschaulicht wird, ist die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung der vorliegenden Erfindung nicht auf eine Dampfturbine mit einer speziellen Struktur beschränkt, sondern kann im Allgemeinen auf ein Teil mit einer Oberfläche, die mit Dampf in einer gewöhnlichen Dampfturbine in Kontakt tritt, aufgebracht werden.

Claims

Feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung, worin die feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung eine nitridierte Hartschicht, die auf einer Oberfläche eines Basismaterials gebildet ist, und eine PVD-Hartschicht aus wenigstens zwei Schichten umfasst, die auf der nitridierten Hartschicht durch ein PVD-Verfahren gebildet ist, die nitridierte Hartschicht eine Dicke von wenigstens 30 μm aufweist und die PVD-Hartschicht eine Gesamtdicke von wenigstens 10 μm aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Hartschicht eine CrN-Schicht oder TiN-Schicht, die auf der nitridierten Hartschicht gebildet ist, und eine AlCrN-Schicht oder TiAlN-Schicht, die auf der CrN-Schicht oder TiN-Schicht gebildet ist, umfasst.
Feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nitridierte Hartschicht durch ein radikalisches Nitridierungsverfahren gebildet ist.
Feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Hartschicht auf der nitridierten Hartschicht in einer Mehrschichtform gebildet ist, in der CrN-Schichten und TiAlN-Schichten abwechselnd geschichtet sind.
Feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Hartschicht auf der nitridierten Hartschicht in einer Mehrschichtform gebildet ist, in der CrN-Schichten und AlCrN-Schichten abwechselnd geschichtet sind.
Feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Hartschicht auf der nitridierten Hartschicht in einer Mehrschichtform gebildet ist, in der TiN-Schichten und TiAlN-Schichten abwechselnd geschichtet sind.
Feststoffteilchenerosionsbeständige Beschichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Hartschicht auf der nitridierten Hartschicht in einer Mehrschichtform gebildet ist, in der TiN-Schichten und AlCrN-Schichten abwechselnd geschichtet sind.
Rotierende Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der rotierenden Maschine, das mit Dampf in Kontakt tritt, eine Oberfläche aufweist, die mit der feststoffteilchenerosionsbeständigen Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 beschichtet ist.