JP2001288553A

JP2001288553A - 水力機器の耐壊食部材

Info

Publication number: JP2001288553A
Application number: JP2000099731A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Saito; 正弘齋藤; Masashi Takahashi; 雅士高橋; Taizo Inagaki; 泰造稲垣; Toshihiro Watanabe; 俊寛渡邊
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-19

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】高速の土砂噴流から腐食や土砂摩耗を防止する
水力機器の耐壊食部材を提供する。【解決手段】水力機器の耐壊食部材は、基材１３に、密
着性層１４と耐壊食性層１５とを設けるとともに、密着
性層と耐壊食性層との間に熱変形低減層１７及び耐衝撃
性層１８よりなる複合成形層を介装させ、各層は金属、
セラミックス、サーメット、ポリマーのうち少なくとも
一種以上の材料よりなる。密着性層は各種肉盛溶接手
段、ガス溶射手段のうち少なくとも１種以上を用いて形
成し、熱変形低減層は各種溶射手段・樹脂コーティング
手段のうちの１種以上を用い、耐壊食性層は高速のガス
炎溶射手段、樹脂コーティング手段のうち少なくとも１
種以上を用いて形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速水と土砂とが
混合した高速土砂の噴流に基づいて発生する壊食や土砂
摩耗に対し、十分に抗することができる水力機器の耐壊
食部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】浮遊土砂の多い河川に建設された水力発
電所の水車部品の流路面は、高流速の土砂噴流による土
砂摩耗損傷を受けることが多い。土砂摩耗損傷を受ける
と、水車は効率低下を招くだけでなく、補修のために運
転が長期的停止を強いられ、著しく稼働率を低下させて
いる。また、周期的に繰り返される設備の補修は、費用
の点でも無視できない。

【０００３】このような高流速の土砂噴流による水力機
器の損傷は、清流河川の多い我が国ではあまり深刻な例
がみられないが、インド、中国、南東アジア、南米諸国
で数か月に一度の、損傷部分の補修あるいは保守困難に
よる廃棄に苦慮している。現在、これらの国における既
水力発電所の補修は、試行錯誤が試みられているもの
の、未だ技術が確立されておらず、模索中である。

【０００４】浮遊土砂の多い河川に設置される水力発電
所には、フランシス水車が多いが、このフランシス水車
の構成として図１１に示すものがある。河川から取り入
れられた高速の土砂噴流１０は、渦巻きケーシング１の
導入管を通過し、ステーリング２に固定されたステーベ
ーン３に導かれる。ステーベーン３に導かれた高速の土
砂噴流１０は、図１２で示された上スピンドル４ａおよ
び下スピンドル４ｂを有するガイドベーン４で絞られて
図１１で示されたランナベーン５に衝突する。その後、
高速の土砂噴流１０は、ランナベーン５の出口より排出
され、吸出管６から下池（図示せず）に排出される。

【０００５】水車出力は、上カバー１１ａ、下カバー１
１ｂに配置された調速機サーボモータ７、ガイドリング
８から構成されるガイドベーン操作機構９により制御さ
れる。すなわち、サーボモータ７によりガイドベーン４
を回転させ、ステーベーン３との間隙を調節する。この
流量、角度調節により、高速の土砂噴流１０は流量が変
化し、水車出力が決定される。また、ランナベーン５に
高速の土砂噴流１０が衝突することで、そのエネルギー
がランナベーン５を回転させる回転エネルギーに変わ
り、主軸受け１２ａに配置された主軸１２ｂを伝わっ
て、図示しない水車上部に配置した発電機へ伝達され
る。これらの一連の出力調整時、定格運転時において、
高速の土砂噴流１０は、水車主要部品である渦巻きケー
シング１、ステーリング２、ステーベーン３、ガイドベ
ーン４、ランナベーン５、吸出管６、上カバー１１ａ、
下カバー１１ｂなどの基材表面に損傷を与える。

【０００６】図１３は、水車主要部品の健全なガイドベ
ーン４の状態を示す図である。ガイドベーン４は翼型の
断面をしており、高速の土砂噴流１０はガイドベーン４
の表面を擦るように流れていく。土砂が多い河川の水車
部品の流路面は１か月あるいは１週間の極めて短時間に
損傷する。その損傷形態を図示すれば、例えばガイドベ
ーン４は図１４に示すように損傷する。ガイドベーン４
の損傷部位は主に高速の土砂噴流１０が流入する先端
部、ガイドベーンの動作時にガイドベーンとステーベー
ンとが接触するシャッター面である。したがって、一般
に、水車部品の損傷部位は主に高速の土砂噴流１０と衝
突する部位であり、その損傷形態は高速の土砂噴流１０
による土砂摩耗である。そして、水車主要部品が損傷す
ることにより、水車効率の低下および機器の信頼性を著
しく低下させる。このため、従来より種々の方法にて耐
土砂摩耗特性の向上を図る研究が行われている。

【０００７】このような損傷を解決する従来技術の方法
としては、損傷部表面を何等かの方法により改質する、
いわゆる表面改質法が試みられている。例えば、レーザ
による表面改質（松縄朗、レーザによる表面改質、レー
ザ研究第１６巻第８号、４６６〜４７５頁、１９８８
年）があり、表面の材料を焼入れ硬化することで損傷を
低減しようとするものである。

【０００８】また、ガス溶射、アーク溶射、大気プラズ
マ溶射により材料表面を改質し、耐壊食・耐摩耗性の向
上を図ろうとする技術（山田他、金属溶射の水力機械へ
の応用、日立評論、ＶＯＬ．６４，Ｎｏ．２，４５〜５
０頁，１９９０年）や減圧プラズマ溶射により材料表面
を改質する技術（古久保他、ＷＣ−Ｃｏ減圧溶射皮膜の
摩耗特性、溶射ＶＯＬ．２７，Ｎｏ．４，４７〜５４
頁，１９９０年）、あるいは特開平８−３３３６７０号
公報、特開平８−１９３５６８号公報、特開平９−１０
９８５号公報等がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述に示した従来の技
術では、いずれも材料の表面を何らかの手段で改質させ
ようとするものであるが、一面的な見方に偏っており、
幾つかの問題点が含まれている。

【００１０】レーザにより材料表面を焼入れ硬化する技
術では、焼入れ深さを深くすることが困難であり、材料
によっては靭性低下により亀裂発生等の問題を生じる。

【００１１】また、大型部品や広範囲な部位へのレーザ
ー照射は難しく、加工範囲に限界がある。また、大気プ
ラズマ溶射によって材料表面を改質する技術では、溶射
皮膜の気孔率が高く、運転時に気孔を通って内部に侵入
し、腐食が進行して、基体部と改質皮膜との界面の密着
強度が低下し、皮膜のはく離が生じる恐れがある。

【００１２】さらに、溶射皮膜の粒子間結合力は比較的
弱く、その皮膜が高流速の土砂噴流との衝突によって損
傷を受けやすい。例えば溶射施工による膜厚は、アーク
溶接で数ｍｍ、プラズマ溶射で数百μｍであり、比較的
短時間で損傷が基材に達する。

【００１３】また、減圧プラズマ溶射によって材料表面
を改質する技術では、減圧プラズマ溶射施工時に基材お
よびタングステンカーバイド（以下ＷＣと記す）合金系
皮膜が高温に加熱されるため、二層積層体の有限要素法
による応力解析結果で、冷却時に両方の材料の熱膨張係
数の差によって接合界面における最大の残留応力が発生
する。残留応力は、ＷＣ合金系皮膜の割れ・界面でのは
く離を促進させるため、ＷＣ系の材料で厚膜を形成する
ことに一抹の不安があった。

【００１４】このように、従来の対策では高流速の土砂
噴流に対して必ずしも十分な効果が得られず、耐食・耐
摩耗対策に苦慮していた。

【００１５】本発明は、このような実情に基づいてなさ
れたもので、製造時に発生する残留応力を抑制し、皮膜
表面の割れや界面でのはく離を防止して厚膜の形成を維
持させる一方、高硬度にして組織が緻密で、皮膜中への
酸化物の巻き込みを防止し、高速の土砂噴流に対し、十
分に壊食・耐摩耗性が維持できる水力機器の耐壊食部材
を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る水力機器の
耐壊食部材は、上述の目的を達成するために、請求項１
に記載したように、高速水と土砂とが混合された高速の
土砂噴流により壊食や土砂摩擦を受ける基材に、密着性
層と耐壊食性層とを設けるとともに、密着性層と耐壊食
性層との間に複合成形層を介装させたものである。

【００１７】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載した
ように、複合成形層は、熱変形低減層と耐衝撃性層とで
形成したものである。

【００１８】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載した
ように、密着性層は、プラズマ粉体肉盛溶接手段、ＴＩ
Ｇ肉盛溶接手段、レーザ肉盛溶接手段、ガス溶射手段、
光速ガス炎溶射手段、超高速ガス炎溶射手段のうち、少
なくとも１種以上を用いて形成したものである。

【００１９】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載した
ように、熱変形低減層は、プラズマ溶射手段、ガス溶射
手段、アーク溶射手段、高速ガス炎溶射手段、超高速ガ
ス炎溶射手段、樹脂コーティング手段のうち、少なくと
も１種以上を用いて形成したものである。

【００２０】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載した
ように、耐壊食性層は、音速の２倍以上のガス炎溶射手
段、音速以上溶射粒子速度を有する高速ガス炎溶射手
段、超高速炎溶射手段、樹脂コーティング手段のうち、
少なくとも１種以上を用いて形成したものである。

【００２１】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載した
ように、密着性層、耐壊食性層および複合成形層は、金
属、セラミックス、サーメット、ポリマーのうち、少な
くとも１種以上の材料を用いたものである。

【００２２】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載した
ように、密着性層、耐壊食性層および複合成形層に用い
る金属は、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｗ，
Ｃ，Ｆｅ，Ｔｉのうち、少なくとも１種以上を用いるも
のである。

【００２３】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載した
ように、密着性層、耐壊食性層および複合成形層に用い
るセラミックスは、Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＣ，
ＳｉＯ_２，ＴｉＯ_２，ＺｒＯ _２，Ｃｒ_２Ｏ_３，Ｃｒ_３Ｃ
_２，ＭｇＯ_２のうち、少なくとも１種以上を用いるもの
である。

【００２４】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載した
ように、密着性層、耐壊食性層および複合成形層に用い
るサーミットは、ＷＣ，ＮｂＣ，ＶＣのうち、少なくと
も１種以上を用いるものである。

【００２５】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載し
たように、基材と密着性層との間の界面部分に、拡散反
応層、機械的結合層、溶融層のうち、少なくとも１種以
上の層を介装させたものである。

【００２６】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載し
たように、機械的結合層は、グラインダ、ドリル、ブラ
スト、エッチングのうち、少なくとも１種以上の手段を
用いて形成したものである。

【００２７】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載し
たように、高速水と土砂とが混合された高速の土砂噴流
により壊食や土砂摩擦を受ける基材に、密着性層と耐壊
食性層とを設けるとともに、密着性層と耐壊食性層との
間に複合成形層を介装させる一方、基材の線膨張係数よ
りも低い複合成形層の線膨張係数を選定したものであ
る。

【００２８】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載し
たように、高速水と土砂とが混合された高速の土砂噴流
により壊食や土砂摩擦を受ける基材に、密着性層と耐壊
食性層とを設けるとともに、密着性層と耐壊食性層との
間に複合成形層を介装させる一方、基材の弾性係数より
も小さい複合成形層の弾性係数を選定したものである。

【００２９】また、本発明に係る水力機器の耐壊食部材
は、上述の目的を達成するために、請求項１４に記載し
たように、高速水と土砂とが混合された高速の土砂噴流
により壊食や土砂摩擦を受ける基材に、密着性層と耐壊
食性層とを設けるとともに、密着性層と耐壊食性層との
間に複合成形層を介装させる一方、複合成形層を硬さ、
粒子間結合力、破壊靭性値のそれぞれをその表面に向っ
て傾斜させる傾斜層を形成したものである。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る水力機器の耐
壊食部材の実施形態を図面および図面に付した符号を引
用して説明する。

【００３１】図１は、本発明に係る水力機器の耐壊食部
材の実施形態を示す概念図である。

【００３２】本実施形態に係る水力機器の耐壊食部材
は、流路材として用いた基材１３上に形成した密着性層
１４と表面に形成した耐壊食性層１５とを設けるととも
に、密着性層１４と耐壊食性層１５との間に複合成形層
１６を介装させたものである。

【００３３】この複合成形層１６は熱変形低減層１７と
耐衝撃性層１８とを備えた構成になっている。なお、基
材１３に形成した密着性層１４、複合成形層１６、耐壊
食性層１５のうち、いずれかが密着性、耐衝撃性、熱変
形低減、耐壊食性の少なくとも二つ以上の機能を持って
いる場合、図２に示すように、その機能を持った分だけ
層数を減らしてもよい。

【００３４】密着性層１４は、基材１３上に形成する複
合成形層１６および耐壊食性層１５の基礎となるもの
で、強固に基材１３に密着させる必要がある。密着性が
低い場合、耐壊食性層１５あるいは複合成形層１６がは
く離し、水力機器の流路に用いる基材１３が高速の土砂
噴流によるエロージョン、キャビテーションなどの壊食
や衝突による損傷を受け、定期点検時の交換や補修に苦
慮することとなる。このために、基材１３と密着性層１
４との界面には、お互いの元素が拡散した拡散反応層１
４ａや、密着性層１４の材料が界面の凹凸に機械的に固
着させた機械的結合層１４ｂ、基材１３と密着性層１４
との材料がお互いに融合した溶融層１４ｃのいずれか一
層、あるいはその複合層を設けることが有効である。

【００３５】拡散反応層１４ａは、反応槽中での熱処理
で、溶融層１４ｃは、肉盛溶接、フュージング等の溶融
プロセスで、機械的結合層１４ｂは、たがね、グライン
ダー、ドリル、ブラスト、エッチングのプロセスにより
形成される。

【００３６】また、密着性層１４を形成する場合、その
手段として、基材１３と密着性層１４の密着力が高い、
プラズマ粉体肉盛溶接、ＴＩＧ肉盛溶接、レーザ肉盛溶
接、ガス溶射、高速ガス炎溶射、超高速ガス炎溶射のい
ずれか１種類のプロセスまたはこれら２種以上の複合し
たプロセスが用いられる。

【００３７】熱変形低減層１７は、基材１３の熱変形を
防止する層であり、高速の土砂噴流によるエロージョ
ン、キャビテーションなどの壊食や損傷を防止または補
修する場合、重要な層となる。すなわち、プラズマ溶
射、ガス溶射、アーク溶射、高速ガス炎溶射、超高速ガ
ス炎溶射、樹脂コーティングのいずれか１種類のプロセ
スまたはこれら２種以上の複合したプロセスを用いるこ
とにより、高速の土砂噴流によるエロージョン、キャビ
テーションなどの壊食や損傷を防止または補修すること
ができる。これらのプロセスは、比較的水力機器の流路
面の基材１３の温度を上昇させずに施工できるプロセス
であり、その熱変形低減層３２の温度は、たかだか１５
０℃以下に抑えることができ、基材１３の熱変形を防止
できる。また、高い入熱のプロセスである肉盛溶接やフ
ュージングなどの後熱処理が不要である。

【００３８】耐衝撃性層１８は、耐壊食性層１５に加わ
る高速の土砂噴流中に含まれる流石や流木の衝突時の衝
撃を吸収する層であり、基材１３より靭性に優れ、弾性
係数が低く、延性に富む材料が良い。例えば、金属、サ
ーメット、セラミックス、ゴム、樹脂系統の材料であ
る。また、耐衝撃性層１８は、密着性層１４や熱変形低
減層１７を兼ねることができる。

【００３９】耐壊食性層１５は、高速の土砂噴流による
エロージョン、キャビテーションなどの壊食や損傷を防
止または損傷を補修する際にもっとも必要な層である。
すなわち、いくら密着性を高めたり、熱変形を低減した
り、衝撃を吸収したりしても、表面層である耐壊食性層
１５が損傷すれば、それ以下に形成した密着性層１４、
熱変形低減層１７、耐衝撃性層１８は、いずれも同様に
損傷する。このため、耐壊食性層１５としては、耐エロ
ージョン性、耐キャビテーション性に優れた材料やプロ
セスを用いる必要がある。

【００４０】また、耐壊食性層１５を形成する場合、そ
の手段として、音速の２倍以上のガス炎速度および音速
以上の溶射粒子速度を有する高速ガス炎溶射、超高速ガ
ス炎溶射や、金属やサーメットにセラミックスが分散し
た複合材料を形成するのに有効なプラズマ粉体肉盛溶接
（ＰＴＡ：プラズマ・トランスファード・アーク）を用
いることが有利である。ただし、ＰＴＡは入熱が高いの
で、後熱処理が必要な場合もあり、処理深さ、面積、部
位によって使い分けた方が良い。

【００４１】密着性層１４、熱変形低減層１７、耐衝撃
性層１８、耐壊食性層１５を構成する材料としては、Ｃ
ｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ａｌ，Ｗ，Ｃ，Ｆｅ，Ｔ
ｉ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＣ，ＳｉＯ_２，Ｔｉ
Ｏ_２，ＺｒＯ_２，Ｃｒ_２Ｏ_３，Ｃｒ_３Ｃ_２，ＭｇＯ_２，
ＷＣ，ＮｂＣ，ＶＣなどを主成分とする金属、セラミッ
クス、サーメット、ポリマーのいずれか１種またはこれ
ら２種以上の複合した材料を用いる。また、用いる材料
および施工プロセスも適用部位の深さ、施工面積、高速
の土砂噴流の流速などにより、それぞれ使い分けること
により適正な耐壊食性層１５が形成される。

【００４２】図３は、本発明に係る水力機器の耐壊食部
材において、複合成形層を形成する場合、複合成形層の
材料を選択するために用いた複合成形層材料選択図であ
る。

【００４３】この複合成形層材料選択図は、室温におけ
る複合成形層材料の線膨張係数α２と水力機器の流路に
用いる基材１３の線膨張係数α１との線膨張係数比α１
／α２を縦軸に、複合成形層材料の弾性係数Ｅ２と水力
機器の流路に用いる基材弾性係数Ｅ１との弾性係数比Ｅ
２／Ｅ１を横軸にそれぞれ示したものである。すなわ
ち、基材１３上に、流路面や少なくともその一部に発生
するエロージョンやキャビテーションなどの壊食および
損傷を事前に予防または補修した複合成形層の材料とし
ては、基材１３よりも線膨張係数および弾性係数の低い
領域ＩＶに位置するものを用いる。

【００４４】基材１３の線膨張係数α１よりも複合形成
層１６の線膨張係数α２を低くするのは、基材１３と複
合成形層１６の線膨張係数の差は熱応力発生の原因とな
るからである。特に、基材１３に較べて複合成形層材料
の線膨張係数α２が大きいと、複合成形層１６を形成す
る場合の施工熱が冷却によって引張残留応力が発生し、
複合成形層１６のはく離の原因となる。したがって、基
材１３より複合成形層材料の線膨張係数α２を小さくす
ることによって、層の割れ、はく離を防止できる。

【００４５】また、基材１３よりも複合成形層１６の弾
性係数Ｅ２を低くしてあるのは、基材１３より弾性係数
Ｅ２の低い複合成形層１６にき裂が生じても、基材１３
にまでそのき裂が進展しないようにするためである。こ
れは、き裂先端の応力拡大係数Ｋが小さくなり、基材１
３へのき裂進展速度が減少することによる。したがっ
て、基材１３より複合成形層材料の弾性係数Ｅ２を低く
するものである。なお、図３中に示すＡ−１〜Ｂ−４
は、線膨張係数α１／α２および弾性係数比Ｅ２／Ｅ２
の低い順に領域分けしたものである。

【００４６】図４は、図３で示した複合成形層材料選択
図から選択した材料を用いた本発明に係る水力機器の耐
壊食部材の第２実施形態を示す概念図である。なお、第
１実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分に
は同一符号を付す。

【００４７】本実施形態は、市販複合成形層材料の線膨
張係数をα２、弾性係数をＥ２とし、図３で選択した複
合成形層材料の線膨張係数をα１、弾性係数をＥ１とす
るとき、

【数１】α１−α２＞０，Ｅ２／Ｅ１＜１．０の関係式を満たす複合成形層材料を選択している。

【００４８】ここで線膨張係数をα１−α２＞０とした
のは、図５に示すように、汎用の有限要素法弾性解析プ
ログラムを用いて算出した残留応力線図から求めたもの
である。この残留応力線図では、図６に示すように、円
盤状の基材１３に物性値、具体的には線膨張係数、弾性
係数の異なる複合成形層１６が形成された場合を解析対
象としている。なお、図５は、溶射施工処理温度２００
℃から均一室温まで冷却したときに発生する熱応力を求
めて残留応力とした。また、図５は、コーティングを施
した円盤の中心軸上での板厚方向の残留応力である。こ
こで、横軸は、図６で示した円周方向応力成分σｔ、半
径方向応力成分σｒのそれぞれを無次元応力パラメータ
により整理している。半径Ｒに比較して基材１３の板厚
Ｔが小さいため、円周方向応力成分σｔは無視できる程
に小さくなっている。なお、ｔは複合成形層１６の板厚
である。

【００４９】図５で示した残留応力線図から、複合成形
層１６と基材１３との接合面１９において、円周方向応
力成分σｔおよび半径方向応力成分σｒが大きな値を示
し、複合成形層１６が薄くなるほど応力が高くなること
がわかった。

【００５０】一方、接合面１９の基材１３側に生じる応
力は、複合成形層１６と逆符号であり、複合成形層１６
が厚くなるほど応力が高くなることがわかった。また、
複合成形層１６に生じる残留応力は、（基材の線膨張係
数α１−複合成形層の線膨張係数α２）＞０の場合に圧
縮応力、（基材の線膨張係数α１−複合成形層の線膨張
係数α２）＜０の場合に引張応力となる。特に、基材１
３と複合成形層１６との線膨張係数差は熱応力発生の原
因となり、基材１３に較べて複合成形層の線膨張係数が
大きいと、複合成形層１６を形成する場合の施工熱が冷
却によって引張残留応力が発生し、複合成形層にはく離
が発生する。したがって、基材１３と複合成形層１６と
の線膨張係数差は、（基材の線膨張係数α１−複合成形
層の線膨張係数α２）＞０になるようにし、複合成形層
１６には圧縮の残留応力を付加することが有効である。

【００５１】水力機器の流路に用いる基材１３上に、複
合成形層１６を形成する場合、表面層としての壊食性層
１５をブラスト処理、高速ガス炎溶射によるピーニング
処理、ブラッシング処理、電解研磨のいずれか１種類の
処理またはこれら２種以上を複合した処理を用いた。こ
れにより、壊食性層１５の表面に圧縮の残留応力を生じ
させ、き裂、割れ、はく離の発生を防止できる。また、
ピーニング効果や研磨作用により表面粗さを低くするこ
とができ、高速の土砂噴流との接触および衝突時の摩擦
抵抗を低減すると共に、水力効率を向上させることがで
きる。

【００５２】また、基材１３の表面に基材１３よりも低
い弾性係数Ｅを有する材料を用いて複合成形層１６を形
成することが有効なのは、図７に示した汎用の有限要素
法を用いて応力拡大係数Ｋの弾性解析を行った結果、そ
の応力拡大係数解析線図からわかった。図において、基
材１３の厚さＴに対する複合成形層１６の厚さｔの比ｔ
／Ｔ＝０．２の場合について、形状と材料の機械的特性
の関数Ｆ１値を計算した結果である。図中、複合成形層
の弾性係数Ｅ２／基材の弾性係数Ｅ１＜１．０のときに
は、き裂先端の応力拡大係数Ｋが低くなっている。これ
は、基材１３よりも弾性係数の低い複合成形層１６にき
裂が生じても、基材１３へき裂が進展する過程におい
て、き裂進展速度が減速されることに起因していると考
えられる。このき裂進展の減速は、複合成形層１６と基
材１３との接合界面１９に向かうほど顕著となることか
ら、負荷方向によっては、き裂の層内停止が生じること
を示している。

【００５３】一方、基材１３よりも複合成形層１６の弾
性係数が低い場合（Ｅ２／Ｅ１＞１．０）には、逆にＦ
１値は接合面１９に向けて急増し、き裂進展速度は加速
される傾向にあることが分った。

【００５４】接合面１９を通過してもしばらくの間、Ｆ
１値は高めの値を示すが、き裂が十分に長ければ複合成
形層の材料による影響がなくなり、均質素材のＦ１値と
一致する傾向を示す。このような傾向は、複合成形層１
６の厚さ比によって若干異なるが複合成形層１６の厚さ
が薄いものほど、複合成形層１６に生じたき裂の進展速
度の減速傾向、増速傾向共に顕著となる。

【００５５】したがって、基材１３よりも複合成形層１
６の弾性係数が低い状態、すなわち、複合成形層の弾性
係数Ｅ２／基材の弾性係数Ｅ１＜１．０とすることが有
効である。

【００５６】図８は、本発明に係る水力機器の耐壊食部
材における基材１３と複合成形層１６の接合面１９から
複合成形層１６の表面に向けて、複合成形層１６の硬
さ、粒子間結合力、破壊靭性値を傾斜させたことを説明
するために用いた概念図である。すなわち、複合成形層
１６の表面において、最大の硬さ、粒子間結合力、破壊
靭性値を持った層を形成することにより、高速の土砂噴
流によるエロージョン、キャビテーションなどの損傷や
高速の土砂噴流に含まれる流木や流石の衝突によるき裂
や割れ、はく離などに対して、優れた効果を発揮するも
のである。他に、気孔、線膨張係数、弾性係数なども複
合成形層１６の接合面１９から複合成形層１６の表面に
向って、傾斜させることも有効である。

【００５７】図９は、本発明に係る水力機器の耐壊食部
材において、基材に複合成形層を形成する場合、密着性
層、熱変形低減層、耐衝撃性層、耐壊食性層のいずれか
の層で、き裂あるいは割れの損傷を停止させたことを説
明するために用いた概念図である。き裂あるいは割れの
損傷を停止させる手段は既に述べた通り、複合成形層１
６の弾性係数が低い状態、すなわち、複合成形層弾性係
数Ｅ２／基材弾性係数Ｅ１＜１．０となるように傾斜さ
せることが有効である。

【００５８】水力機器の基材に複合成形層１６を形成す
る場合、表面層としての耐壊食性層１５の表面をブラス
ト処理、高速ガス炎溶射によるピーニング処理、ブラッ
シング処理、電解研磨のいずれか１種類の処理またはこ
れら２種以上を複合した処理を用いた。これにより、耐
壊食性層１５の表面に圧縮の残留応力を生じさせ、き
裂、割れ、はく離の発生を防止できる。また、ピーニン
グ効果や研磨作用により表面粗さを低くすることがで
き、高速の土砂噴流との接触および衝突時の摩擦抵抗を
低減すると共に、水力効率を向上させることができる。

【００５９】図１０は、本発明に係る水力機器の耐壊食
部材において、基材に複合成形層を形成する場合、複合
成形層を補修することを説明するために用いた概念図で
ある。

【００６０】補修を行う前に、水力機器の基材１３に生
じたエロージョンやキャビテーションなどの壊食損傷部
２０を、たがね、グラインダー、ドリル、ブラスト、エ
ッチングのいずれか１種類の粗面化処理手段またはこれ
ら２種以上を複合した粗面化処理手段により処理した
後、密着性層１４、熱変形低減層１７、耐衝撃性層１
８、耐壊食性層１５からなる複合成形層１６を形成した
ものである。この時、プロセス、材料、施工厚さなど
は、補修部位の深さ、面積、流速などを考慮して決定さ
れる。複合成形層１６を形成し、補修した状態では、損
傷前の水力機器の流路面形状を完全に回復した状態とす
ることが有効である。

【００６１】また、複合成形層１６のうち、密着性層１
４、熱変形低減層１７、耐衝撃性層１８、耐壊食性層１
５の形成に用いるプロセス、材料がいずれか二つ以上の
機能をも持ち併せせている場合には、密着性層１４、熱
変形低減層１７、耐衝撃性層１８、耐壊食性層１５の各
層を一緒にして複合成形層１７の層数を減らしてもよ
い。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、河川水を用いた高速の
土砂噴流に晒される水力機器の流路面において、高速の
土砂噴流が接触あるいは衝突することによって、流路面
や少なくともその一部に発生するエロージョンやキャビ
テーションなどの壊食および損傷を事前に予防または補
修する際、基材表面に密着性層、熱変形低減層、耐衝撃
性層、耐壊食性層のうち、少なくとも二つ以上構成した
複合成形層を設けることにより、緻密で、密着性が高
く、粒子間結合力に優れ、高硬度、高延性の硬さと靭性
が両立し、従来の水力機器に用いる材料に較べて、耐食
・耐摩耗性が大幅に向上し、高速の土砂噴流に対して損
傷を受け難く、長時間の耐用寿命を有し、補修が簡単
で、機器の信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水力機器の耐壊食部材の実施形態
を示す概念図。

【図２】本発明に係る水力機器の耐壊食部材の他の実施
形態を示す概念図。

【図３】本発明に係る水力機器の耐壊食部材において、
複合成形相を形成する場合、複合成形層の材料を選択す
るために用いた複合成形層材料選択図。

【図４】本発明に係る水力機器の耐壊食部材の別の他の
実施形態を示す概念図。

【図５】本発明に係る水力機器の耐壊食部材の耐壊食部
材に適用する残留部材線図。

【図６】本発明に係る水力機器の耐壊食部材に発生する
応力を説明するために用いた一部切欠斜視図。

【図７】本発明に係る水力機器の耐壊食部材に適用する
応力拡大係数解析線図。

【図８】本発明に係る水力機器の耐壊食部材において、
基材から複合成形層の表面に向って硬さ、粒子間結合
力、破壊靭性値を傾斜させたことを説明するために用い
た概念図。

【図９】本発明に係る水力機器の耐壊食部材において、
基材に複合成形層を形成する場合、複合成形層のき裂等
の損傷を停止させたことを説明するために用いた概念
図。

【図１０】本発明に係る水力機器の耐壊食部材におい
て、基材に複合成形層を形成する場合、複合成形層を補
修することを説明するために用いた概念図。

【図１１】従来のフランシス水車を示す一部切欠斜視
図。

【図１２】図１１で示したガイドベーンの拡大図。

【図１３】従来のガイドベーンの概念図。

【図１４】土砂により摩耗損傷を受けたことを説明する
ために用いたガイドベーンの概念図。

【符号の説明】

１渦巻きケーシング２ステーリング３ステーベーン４ａ上スピンドル４ｂ下スピンドル５ランナベーン６排出管７調速機サーボモータ８ガイドリング９ガイドベーン操作機構１０土砂噴流１１ａ上カバー１１ｂ下カバー１２ａ主軸受け１２ｂ主軸１３基材１４密着性層１４ａ拡散反応層１４ｂ機械的結合層１４ｃ溶融層１５耐壊食性層１６複合成形層１７熱変形低減層１８耐衝撃性層１９接合面２０壊食損傷部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者稲垣泰造神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者渡邊俊寛神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内Ｆターム(参考） 4K031 AA02 AB02 AB06 AB08 AB09 CB08 CB09 CB14 CB21 CB39 CB42 CB43 CB45 CB46 CB51 DA01 DA04 DA07 FA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高速水と土砂とが混合された高速の土砂
噴流により壊食や土砂摩擦を受ける基材に、密着性層と
耐壊食性層とを設けるとともに、密着性層と耐壊食性層
との間に複合成形層を介装させたことを特徴とする水力
機器の耐壊食部材。
【請求項２】複合成形層は、熱変形低減層と耐衝撃性
層とで形成したことを特徴とする請求項１記載の水力機
器の耐壊食部材。
【請求項３】密着性層は、プラズマ粉体肉盛溶接手
段、ＴＩＧ肉盛溶接手段、レーザ肉盛溶接手段、ガス溶
射手段、光速ガス炎溶射手段、超高速ガス炎溶射手段の
うち、少なくとも１種以上を用いて形成したことを特徴
とする請求項１記載の水力機器の耐壊食部材。
【請求項４】熱変形低減層は、プラズマ溶射手段、ガ
ス溶射手段、アーク溶射手段、高速ガス炎溶射手段、超
高速ガス炎溶射手段、樹脂コーティング手段のうち、少
なくとも１種以上を用いて形成したことを特徴とする請
求項２記載の水力機器の耐壊食部材。
【請求項５】耐壊食性層は、音速の２倍以上のガス炎
溶射手段、音速以上溶射粒子速度を有する高速ガス炎溶
射手段、超高速炎溶射手段、樹脂コーティング手段のう
ち、少なくとも１種以上を用いて形成したことを特徴と
する請求項１記載の水力機器の耐壊食部材。
【請求項６】密着性層、耐壊食性層および複合成形層
は、金属、セラミックス、サーメット、ポリマーのう
ち、少なくとも１種以上の材料を用いたことを特徴とす
る請求項１記載の水力機器の耐壊食部材。
【請求項７】密着性層、耐壊食性層および複合成形層
に用いる金属は、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ａｌ，
Ｗ，Ｃ，Ｆｅ，Ｔｉのうち、少なくとも１種以上を用い
ることを特徴とする請求項６記載の水力機器の耐壊食部
材。
【請求項８】密着性層、耐壊食性層および複合成形層
に用いるセラミックスは、Ａｌ_２Ｏ_３，Ｓｉ_３Ｎ_４，Ｓ
ｉＣ，ＳｉＯ_２，ＴｉＯ_２，ＺｒＯ_２，Ｃｒ _２Ｏ_３，Ｃ
ｒ_３Ｃ_２，ＭｇＯ_２のうち、少なくとも１種以上を用い
ることを特徴とする請求項６記載の水力機器の耐壊食部
材。
【請求項９】密着性層、耐壊食性層および複合成形層
に用いるサーミットは、ＷＣ，ＮｂＣ，ＶＣのうち、少
なくとも１種以上を用いることを特徴とする請求項６記
載の水力機器の耐壊食部材。
【請求項１０】基材と密着性層との間の界面部分に、
拡散反応層、機械的結合層、溶融層のうち、少なくとも
１種以上の層を介装させたことを特徴とする請求項１記
載の水力機器の耐壊食部材。
【請求項１１】機械的結合層は、グラインダ、ドリ
ル、ブラスト、エッチングのうち、少なくとも１種以上
の手段を用いて形成したことを特徴とする請求項１０記
載の水力機器の耐壊食部材。
【請求項１２】高速水と土砂とが混合された高速の土
砂噴流により壊食や土砂摩擦を受ける基材に、密着性層
と耐壊食性層とを設けるとともに、密着性層と耐壊食性
層との間に複合成形層を介装させる一方、基材の線膨張
係数よりも低い複合成形層の線膨張係数を選定したこと
を特徴とする水力機器の耐壊食部材。
【請求項１３】高速水と土砂とが混合された高速の土
砂噴流により壊食や土砂摩擦を受ける基材に、密着性層
と耐壊食性層とを設けるとともに、密着性層と耐壊食性
層との間に複合成形層を介装させる一方、基材の弾性係
数よりも低い複合成形層の弾性係数を選定したことを特
徴とする水力機器の耐壊食部材。
【請求項１４】高速水と土砂とが混合された高速の土
砂噴流により壊食や土砂摩擦を受ける基材に、密着性層
と耐壊食性層とを設けるとともに、密着性層と耐壊食性
層との間に複合成形層を介装させる一方、複合成形層に
硬さ、粒子間結合力、破壊靭性値のそれぞれをその表面
に向って傾斜させる傾斜層を形成したことを特徴とする
水力機器の耐壊食部材。