JP2005140073A - Sprayed coating on gas turbine blade - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼ガス中の微細粒子の衝突に対する耐エロージョン性に優れたガスタービン動翼の溶射皮膜に関する。 The present invention relates to a thermal spray coating on a gas turbine blade excellent in erosion resistance against collision of fine particles in combustion gas.
近年の溶射技術の動向が、非特許文献１および２に開示されている。
非特許文献１に記載されているように、溶射装置としてプラズマ溶射装置、アーク溶射装置、および高速ガスフレーム溶射（ＨＶＯＦ）が知られている。このうち高速ガスフレーム溶射は、燃料ガスと酸素を用い２０００ｍ／ｓを超える高速で溶融粒子および未溶融粒子を加速するものであり、緻密な皮膜が得られる特徴を有する。
Recent trends in thermal spraying technology are disclosed in
As described in Non-Patent Document 1, plasma spraying apparatuses, arc spraying apparatuses, and high-speed gas flame spraying (HVOF) are known as thermal spraying apparatuses. Among them, the high-speed gas flame spraying uses fuel gas and oxygen to accelerate molten particles and unmelted particles at a high speed exceeding 2000 m / s, and has a feature that a dense coating can be obtained.
また、溶射材料は、溶射皮膜の機能として機械的、熱的、電磁気的、光学的、生体的、化学的な特性を満たすために、金属、樹脂、その他の種々のものが用いられている。 As the thermal spray material, metals, resins, and other various materials are used in order to satisfy mechanical, thermal, electromagnetic, optical, biological, and chemical characteristics as a function of the thermal spray coating.
一方、溶射を適用した本発明に関連する事例として、非特許文献２にボイラチューブのエロージョン・コロージョンによる耐摩耗性向上を目的とした耐摩耗溶射が開示されている。これは、Ｎｉ系やＣｏ系の合金にＳｉやＢのフラックスを含有した合金をフレーム粉末式溶射で皮膜を形成し、その後皮膜を再加熱して高温で再溶融させるものである。その結果、母材と治金的結合を生じ高い密着力が得られ、貫通性気泡がなく、高硬度かつ緻密な皮膜が得られている。
On the other hand, as an example related to the present invention to which thermal spraying is applied, Non-Patent
また、摺動部材の耐摩耗性溶射皮膜として、特許文献１が開示されている。
特許文献１の「摺動部材の耐摩耗性溶射皮膜」は、図４に示すように、摺動部材２の摺動面に、硬質材料５の粉末と、マトリックス６を形成する金属の粉末と、金属被覆固体潤滑材粒子との混合粉末をプラズマ溶射してなる溶射皮膜３において、金属被覆固体潤滑材粒子を銅被覆黒鉛粒子４とし、その含有量を０．１〜１０質量％未満とし、これにより脆弱化と保油性低下を防止するものである。
Moreover, patent document 1 is disclosed as an abrasion-resistant sprayed coating of a sliding member.
As shown in FIG. 4, the “abrasion-resistant thermal spray coating of the sliding member” of Patent Document 1 includes a
近年、常用自家発電設備として、発電機駆動機関の廃熱を蒸気のかたちで再利用するコージェネレーションプラントが主に利用されるようになった。そのうちガスタービン発電設備は、他の駆動機関（例えばディーゼルエンジン）に比較してコンパクトかつ軽量であり、排気もクリーンであるという優れた特徴があり、コージェネレーション用発電機駆動機関としての需要が伸びてきている。
このような背景の下に、ガスタービン発電設備の出力の増加を図り、変換効率を向上し、更には環境負荷の低減のために、タービン稼働温度の高温化が推進されている。しかし、ガスタービンの第１段動翼は燃焼ガス中の微細粒子の衝突によるエロージョンが生じるため、従来から耐エロージョンのためにアルミナイズ処理されているが、それにもかかわらず、設計寿命に比較して寿命が短い問題点があった。
In recent years, cogeneration plants that recycle waste heat from generator-driven engines in the form of steam have come to be mainly used as regular private power generation facilities. Among them, gas turbine power generation equipment has the excellent features of being compact and lightweight compared to other driving engines (for example, diesel engines) and clean exhaust, and demand for generator driving engines for cogeneration is growing. It is coming.
Against this background, increasing the turbine operating temperature is being promoted in order to increase the output of gas turbine power generation facilities, improve the conversion efficiency, and reduce the environmental load. However, the first stage rotor blade of a gas turbine has been aluminized for erosion resistance because of erosion caused by the collision of fine particles in the combustion gas, but nevertheless compared with the design life. There was a problem of short life.
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、燃焼ガス中の微細粒子の衝突に対する耐エロージョン性に優れたガスタービン動翼の溶射皮膜を提供することにある。 The present invention has been made to solve such problems. That is, an object of the present invention is to provide a thermal spray coating of a gas turbine blade excellent in erosion resistance against collision of fine particles in combustion gas.
本発明によれば、ガスタービンの動翼表面に耐エロージョン性を高めるために被覆するガスタービン動翼の溶射皮膜であって、
該溶射皮膜は、平均粒径４０〜１００μｍのセラミックス粉末と金属粉末の混合体であり、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を結合し、硬度が高くかつ緻密な皮膜を形成している、ことを特徴とするガスタービン動翼の溶射皮膜が提供される。
According to the present invention, there is provided a thermal spray coating of a gas turbine rotor blade that is coated on the surface of a rotor blade of a gas turbine in order to improve erosion resistance,
The thermal spray coating is a mixture of ceramic powder and metal powder having an average particle size of 40 to 100 μm, and the metal powder melts to bond the ceramic powder to form a high hardness and dense coating. A gas turbine rotor blade spray coating is provided.
本発明の好ましい実施形態によれば、前記溶射皮膜の材料は、Ｃｒ3Ｃ2のセラミックス粉末とＮｉＣｒの金属合金の混合体である。 According to a preferred embodiment of the present invention, the material of the thermal spray coating is a mixture of Cr 3 C 2 ceramic powder and NiCr metal alloy.
また前記溶射皮膜は、高速ガスフレーム溶射により燃料ガスと酸素を用い音速を超える高速で溶融粒子および未溶融粒子を加速して形成されており、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を緻密に溶着している。 The thermal spray coating is formed by accelerating molten particles and unmelted particles at high speed exceeding the speed of sound using fuel gas and oxygen by high-speed gas flame spraying, and the metal powder melts and the ceramic powder is densely welded. ing.
上記本発明の構成によれば、溶射皮膜が、平均粒径４０〜１００μｍのセラミックス粉末と金属粉末の混合体であり、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を結合し、硬度が高くかつ緻密な皮膜を形成しているので、従来のアルミナイズ処理材、Ｐｔ-アルミナイズ処理材、およびインコネル７１８母材と比較して、微細粒子の衝突に対する耐エロージョン性に優れていることが実験により確認された。 According to the configuration of the present invention, the thermal spray coating is a mixture of ceramic powder and metal powder having an average particle size of 40 to 100 μm, the metal powder melts and bonds the ceramic powder, and the coating is high in hardness and dense. As a result, it was confirmed by experiments that it has excellent erosion resistance against collision of fine particles as compared with the conventional aluminized material, Pt-aluminized material, and Inconel 718 base material. .
また、溶射皮膜の材料として、Ｃｒ3Ｃ2のセラミックス粉末とＮｉＣｒの金属合金の混合体であるＣｒ3Ｃ2-２５％ＮｉＣｒを用いることにより、耐エロージョン性が数倍以上に優れていることが実験により確認された。 In addition, by using Cr 3 C 2 -25% NiCr, which is a mixture of Cr 3 C 2 ceramic powder and NiCr metal alloy as the material of the thermal spray coating, the erosion resistance is several times better. Was confirmed by experiments.
さらに、高速ガスフレーム溶射により、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を緻密に溶着している溶射皮膜を形成することができ、再加熱による金属粉末の再溶解を行うことなく、硬いセラミックス粉末で耐エロージョン性を高め、かつ溶融した金属粉末による溶着により緻密性を高め、セラミックス粉末の脱落を防ぐことができることが確認された。 Furthermore, by high-speed gas flame spraying, it is possible to form a sprayed coating in which the metal powder is melted and the ceramic powder is densely deposited, and it is resistant to hard ceramic powder without remelting the metal powder by reheating. It was confirmed that the erosion property can be improved and the denseness can be improved by welding with molten metal powder, and the ceramic powder can be prevented from falling off.
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
１． ガスタービン動翼について耐摩耗溶射による動翼の耐高温エロージョン性を試験し、動翼の長寿命化を目指した。
この試験では、従来のアルミナイズ処理に代えて、Ｃｒ3Ｃ2−ＮｉＣｒのサーメットを用いて、高速ガスフレーム溶射（ＨＶＯＦ溶射）する技術を開発した。実環境に近い条件の超高温エロージョン試験により、２倍以上の耐エロージョン性を有することを明らかにした。
なお、本溶射皮膜は、皮膜が損傷した動翼の補修にも適用することができる。
1. The high temperature erosion resistance of the gas turbine blades by wear-resistant thermal spraying was tested and the life of the blades was extended.
In this test, a technique of high-speed gas flame spraying (HVOF spraying) using Cr 3 C 2 —NiCr cermet instead of the conventional aluminizing treatment was developed. The ultra-high temperature erosion test under conditions close to the actual environment revealed that the erosion resistance is more than twice.
In addition, this thermal spray coating can be applied to repair of a moving blade whose coating is damaged.
２． 供試材
供試材として、下記の３種類の代表的な耐摩耗コーティング材と母材を試験に供した。母材には動翼用材料であるインコネル７１８を用いた。
皮膜１： Ｃｒ3Ｃ2−２５％ＮｉＣｒの溶射材の高温ガスフレーム溶射
皮膜２： Ｐｔめっき＋アルミナイズ処理
皮膜３： アルミナイズ処理（従来法）
母材： インコネル７１８：
2. Test materials As test materials, the following three kinds of representative wear-resistant coating materials and base materials were used for the test. Inconel 718, which is a moving blade material, was used as the base material.
Coating 1: High-temperature gas flame spraying coating of Cr 3 C 2 -25% NiCr spray coating 2: Pt plating + aluminizing treatment coating 3: Aluminizing treatment (conventional method)
Base material: Inconel 718:
高速ガスフレーム溶射の溶射条件は、以下の通りであった。
酸素流量：４００〜５００ＮＬ／ｍｉｎ
プロパン流量：４０〜５０ＮＬ／ｍｉｎ
溶射距離：１５０〜２００ｍｍ
平均粒径：４０〜１００μｍ
The spraying conditions of the high-speed gas flame spraying were as follows.
Oxygen flow rate: 400-500 NL / min
Propane flow rate: 40-50 NL / min
Thermal spray distance: 150-200mm
Average particle size: 40-100 μm
皮膜１（溶射皮膜）は、平均粒径４０〜１００μｍのセラミックス粉末と金属粉末の混合体（Ｃｒ3Ｃ2−２５％ＮｉＣｒ）であり、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を結合し、硬度が高くかつ緻密な皮膜を形成した。 The coating 1 (thermal spray coating) is a mixture of ceramic powder and metal powder (Cr 3 C 2 -25% NiCr) having an average particle size of 40 to 100 μm, and the metal powder melts to bond the ceramic powder and has a hardness of A high and dense film was formed.
またこの溶射皮膜は、高速ガスフレーム溶射により燃料ガスと酸素を用い音速を超える高速で溶融粒子および未溶融粒子を加速して形成されており、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を緻密に溶着していることが確認された。 This thermal spray coating is formed by accelerating molten particles and unmelted particles at high speeds exceeding the speed of sound using fuel gas and oxygen by high-speed gas flame spraying, and the metal powder melts to densely weld the ceramic powder. It was confirmed that
３． 試験方法
実機条件の超高温で試験する必要があるため、超高温研究センター（株）にある高温エロージョン試験装置を使用した。試験は、高速プラズマ流を使用した（プラズマ長さ１２５〜２２５ｍｍ、電圧１２０Ｖ、電流９０Ａ）。試験温度：１３００℃、雰囲気ガス：０．４ｔｏｒｒ（Ｎ2）で行った。耐エロージョン性の評価として、摩耗減肉量を測定した。
3. Test method Since it is necessary to test at ultra-high temperature under actual machine conditions, the high-temperature erosion test equipment in the Ultra-High Temperature Research Center Co., Ltd. was used. The test used a high-speed plasma flow (plasma length 125-225 mm, voltage 120 V, current 90 A). Test temperature: 1300 ° C., atmosphere gas: 0.4 torr (N 2 ) As an evaluation of erosion resistance, the amount of wear thinning was measured.
４． 試験結果
図１は、各処理材の表面近傍の顕微鏡組織図である。
皮膜１（Ｃｒ3Ｃ2−ＮｉＣサーメット溶射皮膜）は、高速ガスフレーム溶射を用いたので、緻密な積層組織を呈し、皮膜厚さは約２００μｍであった。
皮膜２と皮膜３は、硬いＡｌ合金相が５０〜１００μｍ厚さ生じ、その下部に第３相が認められた。
4). Test Results FIG. 1 is a microscopic structure diagram in the vicinity of the surface of each treatment material.
Since the coating 1 (Cr 3 C 2 —NiC cermet sprayed coating) used high-speed gas flame spraying, it exhibited a dense laminated structure, and the coating thickness was about 200 μm.
In the
図２は、高温エロージョン試験後の各処理材の外観図であり、図３は、高温エロージョン試験後の各処理材の表面近傍の顕微鏡組織図である。 FIG. 2 is an external view of each treatment material after the high temperature erosion test, and FIG. 3 is a microscopic structure diagram in the vicinity of the surface of each treatment material after the high temperature erosion test.
皮膜１は摩耗部が緑色に変色しており、試験時間３０分で摩耗量は約２４０μｍであり、摩耗減肉量は約８μｍ／ｍｉｎであり最も少なかった。また図３から摩耗が比較的均一に生じていることが確認された。
皮膜２の摩耗量は試験時間２０分で約２５０μｍであり、摩耗減肉量は約１２．５μｍ／ｍｉｎであり皮膜１の次に少なかった。また、摩耗面はミクロ的に凹凸が多かった。
皮膜３の摩耗量は試験時間２０分で約５５０μｍに達し、摩耗減肉量は約２７．５μｍ／ｍｉｎであり処理材としては最も多かった。また摩耗面は皮膜２と同様にミクロ的な凹凸が多かった。
母材の摩耗量は試験時間９分で約４２０μｍに達し、摩耗減肉量は約４５μｍ／ｍｉｎを超えた。しかし摩耗面はミクロ的にも滑らかであった。
The wear part of the film 1 was discolored in green, the wear amount was about 240 μm and the wear thinning amount was about 8 μm / min at the test time of 30 minutes, which was the smallest. In addition, it was confirmed from FIG. 3 that the wear occurred relatively uniformly.
The wear amount of the
The wear amount of the film 3 reached about 550 μm in a test time of 20 minutes, and the wear thinning amount was about 27.5 μm / min, which was the largest treatment material. Further, the wear surface had many microscopic unevenness like the
The amount of wear of the base material reached about 420 μm in a test time of 9 minutes, and the amount of wear thinning exceeded about 45 μm / min. However, the wear surface was smooth microscopically.
以上のことから、溶射による皮膜１の耐高温エロージョン性が最も優れており、従来の皮膜３（アルミナイズ処理材）と比較すると３倍以上、皮膜２（Ｐｔめっき＋アルミナイズ処理）と比較しても５割以上の優れた 耐エロージョン性を有していることが明らかとなった。 In view of the above, the high temperature erosion resistance of the coating 1 by thermal spraying is the most excellent, compared with the coating 2 (Pt plating + aluminizing treatment) more than 3 times compared to the conventional coating 3 (aluminized treatment material). However, it was revealed that it has an excellent erosion resistance of 50% or more.
なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
２ 摺動部材、３ 溶射皮膜、
４ 銅被覆黒鉛粒子、５ 硬質材料、
６ マトリックス
2 sliding member, 3 thermal spray coating,
4 Copper-coated graphite particles, 5 hard materials,
6 Matrix
Claims (3)
該溶射皮膜は、平均粒径４０〜１００μｍのセラミックス粉末と金属粉末の混合体であり、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を結合し、硬度が高くかつ緻密な皮膜を形成している、ことを特徴とするガスタービン動翼の溶射皮膜。 A thermal spray coating of a gas turbine blade for coating the surface of a gas turbine blade to improve erosion resistance,
The thermal spray coating is a mixture of ceramic powder and metal powder having an average particle size of 40 to 100 μm, and the metal powder is melted to bond the ceramic powder to form a high hardness and dense coating. Characteristic spray coating of gas turbine blades.
The thermal spray coating is formed by accelerating molten particles and unmelted particles at a high speed exceeding the speed of sound using fuel gas and oxygen by high-speed gas flame spraying, and the metal powder melts and the ceramic powder is densely deposited. The thermal spray coating of the gas turbine rotor blade according to claim 1, wherein
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|---|---|---|---|---|
| KR100702257B1 (en) | 2006-03-02 | 2007-04-03 | 허민 | A manufacturing method of screw pump wing |
| JP2014529704A (en) * | 2011-08-17 | 2014-11-13 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | Rotor seal wire groove repair |
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