JP2006070297A - 蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法及びこの方法によりコーティングされた蒸気タービン部材 - Google Patents

Abstract

【課題】溶射皮膜の性状をより強固なものとし、蒸気タービン部材のエロージョン損傷における寿命を延命化してタービン性能の向上を図ることにある。
【解決手段】蒸気タービンの蒸気通路部となるタービン部材１の表面に高圧・高速フレーム溶射により膜厚が０．４〜１．０ｍｍの炭化物系の溶射皮膜２を形成し、その後、該溶射皮膜２の表面をレーザ又はＥＢＷ等の高エネルギー密度を有する熱源により加熱して溶射皮膜の外表面から皮膜厚さの約１／２まで溶融し、これを凝固させて封孔処理層３を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法及びこの方法によりコーティングされた蒸気タービン部材に関する。

従来、蒸気タービンの動翼、静翼における固体粒子エロージョン対策として、ＣｒＣ等の炭化物を用いた溶射によるエロージョン防止技術が知られている（例えば、特許文献１）。

このエロージョン防止技術は、単に炭化物系サーメットをタービン部材に溶射して被着させるのみで、タービンの性能及び寿命については考慮されていなかった。
特許第３００１５９２号公報

このような従来のタービン部品のエロージョン防止技術では、炭化物系サーメットにより溶射皮膜が形成されているため、タービン部材に用いられている１２Ｃｒ鋼よりもエロージョン消耗量を１／５以下に抑制することはできるが、再熱蒸気温度が５６６℃、５９３℃においては皮膜厚さの影響もあって寿命としては約２〜４年の耐久性しか得られていない。

今後の蒸気タービンの運用形態を見ると、６〜８年の寿命が必要になるが、単に溶射皮膜の厚さを厚くするだけでは流体性能に悪影響を及ぼし、タービンの性能を左右することになり、好ましくない。

また、炭化物系サーメットの溶射時に溶射皮膜内に気孔が発生し、しかも金属バインダより炭化物系セラミックスが外表面に飛び出した状態となっているため、蒸気とともに飛来してくるボイラスケール等の固体粒子との衝突頻度が高くなると、金属バインダに食い込んだ固体粒子がテコの作用により、次に飛来してきた固体粒子によって掘り起こされる事象が発生し、溶射皮膜への亀裂の発生を伴うエロージョン損傷となり、寿命低下の一因となっていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、溶射皮膜の性状をより強固なものとし、蒸気タービン部材のエロージョン損傷における寿命を延命化してタービン性能の向上を図ることができる蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法及びこの方法によりコーティングされた蒸気タービン部材を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、次のような方法により蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティングを行うものである。

請求項１に対応する発明は、蒸気タービンの蒸気通路部を構成するタービン部材表面に炭化物系の溶射皮膜を形成した後、該溶射皮膜の表面を溶融凝固させて封孔処理することを特徴とする。

請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法において、炭化物系の溶射皮膜を形成する場合、炭化物としてＷＣ、ＣｒＣ、ＮｂＣの何れか一種と金属バインダとしてＣｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの何れか一種又は二種以上の合金を用いたことを特徴とする。

請求項３に対応する発明は、請求項２に対応する発明の蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法において、炭化物と金属バインダの比率として、炭化物７５〜８５ｗｔ％、金属バインダ２５〜１５ｗｔ％としたことを特徴とする。

請求項４に対応する発明は、請求項１又は請求項２に対応する発明の蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法において、溶射皮膜の厚さを０．４〜１．０ｍｍとしたことを特徴とする。

請求項５に対応する発明は、蒸気タービンの蒸気通路部を構成するタービン部材表面に炭化物系サーメットを溶射して所定の厚さの皮膜を成形した後、該溶射皮膜の外表面からレーザ又はＥＢＷ等の高密度エネルギーにより加熱して、皮膜厚さの１／２部位を溶融凝固させることを特徴とする。

請求項６に対応する発明は、請求項５記載の蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法において、溶射皮膜の外表面より１／２部位までの溶融凝固層の気孔率を０％とし、且つ溶融凝固後の溶射皮膜外表面の表面粗さを６Ｓ以下としたことを特徴とする。

請求項７に対応する発明は、請求項５記載の蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法において、炭化物系サーメットを溶射して皮膜を成形するに際して、溶射皮膜と基材との熱膨張差が大きいときは、アンダーコートとして０．１〜０．１５ｍｍのＮｉ基合金層又はＣｏ基合金層を形成し、その上に炭化物系サーメットによる皮膜を形成する２層コーティングとしたことを特徴とする。

請求項８に対応する発明は、請求項１乃至請求項７の何れかに対応する発明の耐食、耐摩耗コーティング方法によりコーティングして蒸気タービン部材を構成する。

本発明は、溶射皮膜の性状をより強固なものとなり、蒸気タービン部材のエロージョン損傷における寿命を延命化してタービン性能の向上を図ることができる。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施形態では、図１に示すように蒸気タービンの蒸気通路部を構成するタービン部材、ここでは基材１の表面に高圧・高速フレーム溶射により膜厚が０．４〜１．０ｍｍの炭化物系の溶射皮膜２を形成し、その後、該溶射皮膜２の表面をレーザ又はＥＢＷ等の高エネルギー密度を有する熱源により加熱して溶射皮膜の外表面から皮膜厚さの約１／２まで溶融し、これを凝固させて封孔処理層３を形成するものである。

この場合、炭化物としてＷＣ、ＣｒＣ、ＮｂＣの何れか一種と、金属バインダとしてＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの何れか一種又は二種以上の合金が用いられ、その比率は炭化物を７５〜８５ｗｔ％、金属バインダを２５〜１５ｗｔ％としている。

上記ＷＣ、ＣｒＣ、ＮｂＣの何れかを炭化物として用いているのは、ＴｉＣ、ＶＣは溶射施工時の高温雰囲気中に晒された場合、ＴｉとＣ、ＶとＣが分解して所定の性能が得られないため、上記３種に限定した。

また、上記金属バインダとしてＣｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌを選定したが、これらはそれぞれ単独で用いても良く、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ａｌ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌのように合金化しても良好な特性が得られる。

さらに、炭化物量の比率を大きくしているのは、溶射施工時のフレーム中で炭化物が一部分解することを考慮するとともに、溶射皮膜の外表面から皮膜厚さの約１／２は封孔処理を、基材と接合している残り１／２部位は溶射施工時の状態を維持するために溶射皮膜自体の硬度を付与させるためである。

また、溶射皮膜の厚さを０．４〜１．０ｍｍとしているのは、溶射方法として高圧・高速フレーム溶射を用いていることから厚膜化が可能であり、また溶射皮膜の外表面から膜厚の１／２までレーザ等の高エネルギー密度を有する熱源により封孔処理しているので、基材１への熱影響が少なくなるような膜厚値を選定したものである。

次に本発明の実施例について説明する。

一般に用いられているタービン主用材料である１２Ｃｒ鋼と比較するため、炭化物としてはＷＣ、ＣｒＣ、ＣＮｂの３種類を７５％、８５％、９０％と変化させて高圧高速フレーム溶射により０．５ｍｍの厚さに施工した。溶射施工後、約０．２ｍｍの範囲をレーザで溶融凝固させた。これらの試験材の断面硬さ測定結果を図２に示し、固体粒子エロージョン性を評価した結果を図３に示す。

ここで、図２および図３において、比較例１〜４は７５％ＣｒＣ、８０％ＣｒＣ、９３％ＣｒＣ、８８％ＷＣでそれぞれ溶射皮膜を形成し、これらを５００℃で５時間加熱した後の断面硬さ（Ｈｖ）とエロージョンレート比を示し、本発明１〜３は７５％ＷＣ、７５％ＣｒＣ、７５％ＮｂＣでそれぞれ溶射皮膜を形成し、溶射施工後レーザで溶融凝固させ、これらを５００℃で５時間加熱した後の断面硬さ（Ｈｖ）とエロージョンレート比を示している。

上記断面硬さ測定結果では、ＷＣ、ＣｒＣ、ＮｂＣとも添加量を変化させても硬さに顕著な差は認められなかった。このことから炭化物量はある一定量から硬さについては飽和する傾向を示すものと考えられるが、比較例１〜４と同様に約Ｈｖ１０００の硬度が得られることが確認された。

一方、固体粒子エロージョン評価では、固体粒子衝突角度とエロージョン減量の関係を見ると、溶射皮膜外表面を溶融凝固させ、封孔処理することにより、最大エロージョン角度は図４に示すように固体粒子が垂直（９０°）に衝突した場合で、動翼、静翼等の衝突角度である２０°〜３０°からエロージョン量は低減できることが確認された。

次に炭化物系サーメットを蒸気タービンの蒸気通路部となるタービン部材表面に溶射して所定の厚さの皮膜を成形した後、該溶射皮膜の外表面からレーザ又はＥＢＷ等の高密度エネルギーにより加熱して、皮膜厚さの１／２部位を溶融凝固させた場合の実施例について述べる。

図５は各サーメットの耐エロージョン性を示すものである。

図５においては、炭化物系サーメットとして、７５％ＣｒＣ−Ｃｏ、８０％ＣｒＣ−Ｎｉ、９３％ＣｒＣ−ＮｉＣｒ、７５％ＷＣ−Ｃｏ、８０％ＷＣ−Ｎｉ、８５％ＷＣ−ＮｉＣｒ、７５％ＮｂＣ−Ｃｏ、８０％ＮｂＣ−Ｎｉ、８５％ＮｂＣ−ＮｉＣｒをそれぞれ用いた場合のエロージョンレート比の評価結果である。

上記各サーメットのエロージョンレート比の評価結果から溶射のみの場合と比較して、溶射後レーザ等の高密度エネルギーを用いて溶射皮膜外表面を封孔処理した場合、耐エロージョン性は約１．５〜２倍延命化できることが確認された。

この場合、溶射皮膜の外表面を封孔処理することにより気孔率が０％となるが、封孔処理を行っていない溶射皮膜は従来の施工時の気孔率５％以下とし、また溶射施工状態での表面粗さ２０Ｓから溶融凝固することにより溶射皮膜外表面の表面粗さを６Ｓ以下に細かくできることから、流体性能への影響を小さくできる。

ここで、上記各サーメットにおいて、ＷＣ、ＣｒＣ、ＣＮｂ等の炭化物量を増加させると硬さは若干向上するものの、靭性が低下し、熱応力等により亀裂が生じ易い。このため、硬度と耐エロージョン性の関係から炭化物添加量を７５％〜８５％とした。また、７５％以下では金属バインダの総量が多くなるため、耐エロージョン性が低下することから最小添加量を７５％とした。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。

本発明の第２の実施形態では、図６に示すように蒸気タービンの蒸気通路部となるタービン部材、ここでは基材１の表面に炭化物系サーメットを溶射して皮膜を成形するに際して、溶射皮膜２と基材１との熱膨張差が大きいときは、アンダーコートとして０．１〜０．１５ｍｍのＮｉ基合金層又はＣｏ基合金層４を形成し、その上に炭化物系サーメットによる溶射皮膜２を形成して２層コーティングとした後、溶射皮膜の外表面からレーザ又はＥＢＷ等の高密度エネルギーにより加熱して、皮膜厚さの１／２部位を溶融凝固させるものである。

本実施形態では、基材１にフェライト系鋼又はオーステナイト系鋼を用いた場合には線膨張係数が異なるため、Ｎｉ基合金等のアンダーコートを１層設けることにより、溶射皮膜の亀裂、剥離を防止するようにしている。

ここで、実施例について述べる。

溶射皮膜層のレーザ、ＥＢＷ等を用いた溶融凝固による封孔処理において、皮膜厚さと基材に与える影響を調査した。フェライト系鋼の場合、基材が加熱され焼入れ状態となる可能性が高い。このため、溶射皮膜層の封孔処理範囲を限定し、基材への熱影響を最小限にするためには、図７に示す溶射皮膜厚さに対する加熱範囲と硬さの関係から、封孔処理範囲を皮膜厚さの１／２以下とすることにより達成することが確認された。

以上述べた本発明の第１および第２の実施形態による耐食、耐摩耗コーティング方法によりコーティングされた蒸気タービン部材とすれば、従来に比して強固な皮膜となり、蒸気タービン部品のエロージョン損傷における寿命の延命化とタービン性能の向上を図ることができる。

本発明の第１の実施形態を示す溶射皮膜が形成された基材の断面図。 同実施形態において、試験材の断面硬さ測定結果を示す図。 同じく固体粒子エロージョン性を評価した結果を示す図。 同じく固体粒子の衝突角度とエロージョン量との関係を示す曲線図。 同じく各サーメットの耐エロージョン性を示す図。 本発明の第２の実施形態を示すアンダーコートの上に溶射皮膜が形成された基材の断面図。 同実施形態において、溶射皮膜厚さに対する加熱範囲と硬さの関係を示す図。

符号の説明

１…基材、２…溶射皮膜、３…封孔処理層、４…Ｎｉ基合金層又はＣｏ基合金層

Claims (8)

1. 蒸気タービンの蒸気通路部を構成するタービン部材表面に炭化物系の溶射皮膜を形成した後、該溶射皮膜の表面を溶融凝固させて封孔処理することを特徴とする蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法。
2. 炭化物系の溶射皮膜を形成する場合、炭化物としてＷＣ、ＣｒＣ、ＮｂＣの何れか一種と金属バインダとしてＣｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの何れか一種又は二種以上の合金を用いたことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法。
3. 炭化物と金属バインダの比率として、炭化物７５〜８５ｗｔ％、金属バインダ２５〜１５ｗｔ％としたことを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法。
4. 溶射皮膜の厚さを０．４〜１．０ｍｍとしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法。
5. 蒸気タービンの蒸気通路部を構成するタービン部材表面に炭化物系サーメットを溶射して所定の厚さの皮膜を成形した後、該溶射皮膜の外表面からレーザ又はＥＢＷ等の高密度エネルギーにより加熱して、皮膜厚さの１／２部位を溶融凝固させることを特徴とする蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法。
6. 溶射皮膜の外表面より１／２部位までの溶融凝固層の気孔率を０％とし、且つ溶融凝固後の溶射皮膜外表面の表面粗さを６Ｓ以下としたことを特徴とする請求項５記載の蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法。
7. 炭化物系サーメットを溶射して皮膜を成形するに際して、溶射皮膜と基材との熱膨張差が大きいときは、アンダーコートとして０．１〜０．１５ｍｍのＮｉ基合金層又はＣｏ基合金層を形成し、その上に炭化物系サーメットによる皮膜を形成する２層コーティングとしたことを特徴とする請求項５記載の蒸気タービン部材の耐食、耐摩耗コーティング方法。
8. 請求項１乃至請求項７の何れかに記載の耐食、耐摩耗コーティング方法によりコーティングされた蒸気タービン部材。

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