JP2010265493A

JP2010265493A - Coating material, method for coating turbine member with the use of the same material, and turbine member using the same method

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Publication number: JP2010265493A
Application number: JP2009115894A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Ishizaki; 祥希石崎; Kenji Kamimura; 健司上村; Satoru Asai; 知浅井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2010-11-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a coating material which can extend the life of a steam turbine member by increasing the hardness of the coating material, and to provide a method for coating the turbine member with the use of the material. <P>SOLUTION: The coating material for the turbine member, which is applied onto the surface of the turbine member made from metal, includes 30-50 wt.% Cr<SB>3</SB>C<SB>2</SB>and 30-50 wt.% TaC. The method for coating the turbine member includes coating the surface of a substrate 1 of the turbine member made from the metal with the use of the coating material 2 for the turbine member, which includes 30-50 wt.% Cr<SB>3</SB>C<SB>2</SB>and 30-50 wt.% TaC, by using a high-velocity gas-flame-spraying method. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、主に蒸気タービンに用いるコーティング材料、同材料を用いたタービン部材
のコーティング方法に関する。 The present invention relates to a coating material mainly used for a steam turbine and a method for coating a turbine member using the material.

一般に蒸気タービン中に含まれる固体粒子によるエロージョン(SPE)は、ボイラチューブ
及び主蒸気リード管内面より剥離した酸化スケールが蒸気とともに流入するために発生し
、蒸気流速の大きなノズル、動翼などを通過する際に研磨・研削作用により損傷を与える
。 Generally, erosion (SPE) due to solid particles contained in a steam turbine occurs because the oxide scale separated from the inner surface of the boiler tube and main steam reed pipe flows in with the steam, and passes through nozzles, blades, etc. with a large steam flow rate. In doing so, damage is caused by the grinding and grinding action.

特にSPEは、蒸気条件の厳しい超臨界圧タービンの高・中圧初段ノズル、動翼において
顕著であり、タービン性能及び信頼性を維持する上で解決すべき重要な課題となっている
。 In particular, SPE is prominent in high- and medium-pressure first stage nozzles and blades of supercritical pressure turbines with severe steam conditions, and is an important issue to be solved in order to maintain turbine performance and reliability.

このような事情に対応するため、従来は蒸気タービンの動翼、静翼において、高速フレー
ム溶射（HVOF溶射）を用いて、Cr₃C₂−NiCrのサーメット皮膜の形成を行う方法（特許文
献１）、コーティング材質を硬くするため化合物を加える方法（特許文献２）が挙げられ
る。 In order to cope with such circumstances, conventionally, a method of forming a cermet coating of Cr ₃ C ₂ —NiCr using high-speed flame spraying (HVOF spraying) on a moving blade and a stationary blade of a steam turbine (Patent Document 1). ), A method of adding a compound to harden the coating material (Patent Document 2).

特開平９−２４１８１８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-241818 特開２００８−６９３７７号公報JP 2008-69377 A

しかしながら、特許文献１に開示されているCr₃C₂−NiCrのサーメット皮膜では、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費量を低減させることができるが
、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
必要となるが、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、特許文献２に開示されている記
述では化合物の具体的な材質の量や比率については触れていない。 However, the cermet coating of Cr ₃ C ₂ —NiCr disclosed in Patent Document 1 can reduce the erosion consumption as compared with 12Cr steel used for turbine members, but the reheat steam temperature is 566 ° C. At 593 ° C., the durability is only about 2 to 4 years due to the influence of the film thickness. Looking at future steam turbine operation forms, a life of 6 to 8 years will be required, but simply increasing the thickness of the sprayed coating will adversely affect fluid performance and affect turbine performance. Is not preferable. In addition, the description disclosed in Patent Document 2 does not mention the specific material amounts and ratios of the compounds.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的は蒸気タービン部材の寿命
を延長することができるコーティング材料、同材料を用いたタービン部材のコーティング
方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a coating material capable of extending the life of a steam turbine member, and a method for coating a turbine member using the material. .

本発明の一態様によれば、金属製のタービン部材の表面に施され、30〜50重量％以下のCr
₃C₂および30〜50重量％以下のTaCを含むことを特徴とするタービン部材のコーティング材
料、また30〜50重量％以下のCr₃C₂および30〜50重量％以下のTaCを含むことを特徴とする
タービン部材のコーティング材料を用いて金属製のタービン部材の表面に高速ガスフレー
ム溶射によりコーティングすることを特徴とするタービン部材のコーティング方法が提供
される。 According to one aspect of the present invention, 30-50 wt% or less Cr is applied to the surface of a metal turbine member.
₃ C ₂ and a coating material for a turbine member characterized by containing 30 to 50% by weight or less TaC, and 30 to 50% by weight or less Cr ₃ C ₂ and 30 to 50% by weight or less TaC There is provided a method for coating a turbine member, characterized in that the surface of a metal turbine member is coated by high-speed gas flame spraying using the characteristic turbine member coating material.

本発明によれば、コーティング材料の硬度を上げることで、蒸気タービン部材の寿命を
延長することができるコーティング材料、同材料を用いたタービン部材のコーティング方
法が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the coating method of the turbine member using the coating material which can extend the lifetime of a steam turbine member by raising the hardness of coating material, and the same material is provided.

本発明の実施の形態に係る基材とコーティング材料の断面図である。It is sectional drawing of the base material and coating material which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る各組成の溶射皮膜断面のマイクロビッカース硬度を示した図である。It is the figure which showed the micro Vickers hardness of the sprayed coating cross section of each composition which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る基材とコーティング材料の断面図である。It is sectional drawing of the base material and coating material which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る手順を示す図である。It is a figure which shows the procedure which concerns on embodiment of this invention.

以下、本発明の第１の実施の形態について図１を用いて説明をする。本発明は蒸気ター
ビンの耐摩耗性コーティング材料２によるものである。被コーティング材となる基材１は
主に金属性の蒸気タービン静翼または蒸気タービン動翼の翼部などである。 The first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. The invention is based on a wear resistant coating material 2 for a steam turbine. The base material 1 to be coated is mainly a metallic steam turbine stationary blade or a blade portion of a steam turbine rotor blade.

コーティング材料の構成はCr₃C₂−NiCrに、TaCを加えたものである。硬度の優れた炭化
物セラミックスであるTaCを加えることにより、コーティング材料の耐摩耗性が向上する
。次に本発明のコーティング材料の構成について述べる。炭化物セラミックスの組成とし
てCr₃C₂は重量％で30％以上50%以下、TaCの重量が50%以上の場合、皮膜の形成が困難であ
るため、TaCは重量％で30％以上50%以下とした。これはCr₃C₂の密度は6.74g/cm³、TaCの
密度は14.5g/cm³場合の数値である。また、残部をNiCrとする。Niは重量％で65%以上90%
以下、Crは10%以上30%以下とする。これはNiの密度は8.9g/cm³、Crの密度は7.1g/cm³場合
の数値である。 The composition of the coating material is Cr ₃ C ₂ —NiCr plus TaC. By adding TaC, which is a carbide ceramic with excellent hardness, the wear resistance of the coating material is improved. Next, the configuration of the coating material of the present invention will be described. As the composition of carbide ceramics, Cr ₃ C ₂ is 30% or more and 50% or less by weight, and when TaC weight is 50% or more, it is difficult to form a film, so TaC is 30% or more and 50% or less by weight. It was. This is the density of the Cr ₃ C ₂ is the density of 6.74g / cm ^3, TaC is a numerical value when 14.5 g / cm ^3. The balance is NiCr. Ni is 65% or more and 90% by weight
Hereinafter, Cr is 10% to 30%. This is the value when the density of Ni is 8.9 g / cm ³ and the density of Cr is 7.1 g / cm ³ .

Cr₃C₂よりも硬度に優れる炭化物セラミックスとしてTaCの他にＷＣなどがある。しかし
ながら、WCはTaCよりも硬度に優れているが、蒸気タービンの静翼、動翼がおかれるよう
な状況下では、高温酸化特性に関しては劣っており、500℃以上の高温環境では劣化して
しまうことが分かった。よって、本実施の形態の下では使用が困難である。このような見
地により、本発明ではWCではなく、高温酸化特性に優れるTaCを用いることとした。 In addition to TaC, there are WC and the like as carbide ceramics having higher hardness than Cr ₃ C ₂ . However, although WC is superior to TaC in hardness, it is inferior in terms of high-temperature oxidation characteristics under conditions where the stationary and moving blades of a steam turbine are placed and deteriorates in a high-temperature environment of 500 ° C or higher. I understood that. Therefore, it is difficult to use under the present embodiment. From such a viewpoint, in the present invention, TaC which is excellent in high temperature oxidation characteristics is used instead of WC.

炭化物サーメットの金属バインダであるNiおよびCrの割合について説明をする。これら
の目的は、皮膜の延性を付与するとともに、炭化物との合金化を行うことである。ところ
が、Niが重量％で65％未満、Crが10％未満では延性が乏しくなり、Niが90％、Crが30％を
それぞれ超えると逆に延性、線膨張係数が大きくなり、用途に耐えられなくなってしまう
。本実施の形態では、この点を考慮してNiおよびCrの割合を定めた。 The ratio of Ni and Cr which are metal binders of carbide cermet will be described. Their purpose is to impart ductility to the film and to alloy with carbides. However, when Ni is less than 65% by weight and Cr is less than 10%, the ductility becomes poor, and when Ni exceeds 90% and Cr exceeds 30%, the ductility and the linear expansion coefficient increase on the contrary. It will disappear. In the present embodiment, Ni and Cr ratios are determined in consideration of this point.

次に図２を用いて、各組成における溶射皮膜断面のマイクロビッカース硬度測定結果を
示す。コーティング材料組成は、(1)50%Cr₃C₂ −30%TaC−20%NiCr、(2)30%Cr₃C₂ −50%Ta
C−20%NiCr、(3)80%Cr₃C₂−20%NiCrである。(3)は従来例でありTaCが含まれていない。縦
軸はマイクロビッカース硬さを示す。 Next, the measurement result of the micro Vickers hardness of the sprayed coating cross section in each composition is shown using FIG. Coating material composition is (1) 50% Cr ₃ C ₂ -30% TaC-20% NiCr, (2) 30% Cr ₃ C ₂ -50% Ta
C-20% NiCr, a _{(3) 80% Cr 3 C} 2 -20% NiCr. (3) is a conventional example and does not contain TaC. The vertical axis represents the micro Vickers hardness.

本実験は以下の条件の下で行われた。被コーティング材はタービン部材に用いられてい
る12 Cr鋼である。溶射方法は、プラズマ溶射よりも緻密な皮膜の形成が可能である高速
ガスフレーム溶射（ＨＶＯＦ）を用い、溶射距離は250〜500ｍｍ、溶射速度を600〜800mm
/secである。形成した皮膜の厚さは0.3〜0.5mmである。実験結果より、従来例の(3)より
も、TaCを加えた(1)(2)の方が硬度が高いことが分かる。さらに、(1)と(2)を比較するとT
aC50%を加えた(2)の方がTaC30%を加えた(1)よりも高度が高い。よってTaCの添加量に応じ
て硬度値を調整することができること、すなわちエロージョンの影響を受けにくくさせる
ことができる。ここでは一例として高速ガスフレーム溶射を挙げたが代替可能な溶射方法
に置き換えることもできる。 This experiment was conducted under the following conditions. The material to be coated is 12 Cr steel used for turbine members. The spraying method uses high-speed gas flame spraying (HVOF), which can form a denser film than plasma spraying, with a spraying distance of 250 to 500 mm and a spraying speed of 600 to 800 mm.
/ sec. The thickness of the formed film is 0.3 to 0.5 mm. From the experimental results, it can be seen that (1) and (2) with TaC added have higher hardness than the conventional example (3). Furthermore, if (1) and (2) are compared, T
The altitude is higher in (2) with aC50% added than (1) with TaC30% added. Therefore, the hardness value can be adjusted according to the amount of TaC added, that is, it can be made less susceptible to erosion. Here, high-speed gas flame spraying is given as an example, but it can be replaced with an alternative spraying method.

次に、本発明の第２の実施の形態について図３、図４を用いて説明をする。図３は翼部
の断面図、図４は本実施の形態のフローである。本実施の形態は、第１の実施の形態のコ
ーティング材料、コーティング方法を用いた補修方法である。ここでは一例として実施例
１記載のCr₃C₂−TaC−NiCrによって耐摩耗コーティングが施された蒸気タービン静翼また
は蒸気タービン翼部のコーティング部が、運搬中などの衝撃などで欠損した場合を想定し
て説明をする。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a sectional view of the wing portion, and FIG. 4 is a flow of the present embodiment. The present embodiment is a repair method using the coating material and the coating method of the first embodiment. Here, as an example, the case where the steam turbine stationary blade or the coating portion of the steam turbine blade portion coated with wear-resistant coating by Cr ₃ C ₂ -TaC-NiCr described in Example 1 is lost due to impact during transportation or the like. The explanation is assumed.

図３(a)は耐摩耗コーティングが欠損した翼部の断面図である。12Cr鋼の基材4上に施工
したCr₃C₂−TaC−NiCr溶射皮膜の健全部5および欠損部6を示す。欠損部6に対し、例えば
砲弾形状のタンガロイにて欠損部を含む欠損部周辺の削り加工を行う（S1）。補修溶射後
の密着度を考慮すると12Cr鋼の基材4に溶射することが好ましいため、図２(b)に示すよう
に、12Cr鋼の基材4に達する深さまで凹凸がないよう滑らかに削る。欠損部の加工後、補
修溶射対象部7に対し、アセトンなどの脱脂洗浄液により脱脂洗浄を行う（Ｓ2）。その後
、溶射前処理としてアルミナ粒子などによる粗面処理（グリッドブラスト）を行う（Ｓ3
）。このとき、施工面以外の部分はマスキングを実施する（図示なし）。溶射方法は、高
速ガスフレーム溶射（HVOF）用いて補修溶射対象部7に対して補修溶射を行い補修溶射部
８を作成する（Ｓ4）。補修溶射における溶射条件については、実施例1と同様とする。 FIG. 3 (a) is a cross-sectional view of the wing portion where the wear resistant coating is missing. Shows the Cr ₃ C ₂ -TaC-NiCr healthy section 5 and the defect 6 of the sprayed coating was constructed on the base material 4 of the 12Cr steel. The chipping of the defect part including the defect part is performed on the defect part 6 with, for example, a shell-shaped tangaroloy (S1). Considering the degree of adhesion after repair spraying, it is preferable to spray the base material 4 of 12Cr steel, so as shown in FIG. . After processing the defect portion, the repair spray target portion 7 is degreased and washed with a degreasing solution such as acetone (S2). Thereafter, rough surface treatment (grid blasting) with alumina particles or the like is performed as a pre-spraying treatment (S3).
). At this time, portions other than the construction surface are masked (not shown). As the thermal spraying method, repair spraying is performed on the repair spray target portion 7 using high-speed gas flame spraying (HVOF) to create the repair sprayed portion 8 (S4). The spraying conditions in the repair spraying are the same as those in Example 1.

以上、本実施の形態について例示をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定される
ものではない。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜変更を加えたものも、本発明の特徴を備えて
いる限り、本発明の範囲に包含される。 Heretofore, the present embodiment has been illustrated. However, the present invention is not limited to these descriptions.
Any modifications made by those skilled in the art with respect to the above-described embodiments are also included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention.

１基材、２コーティング材料、４ 12Cr鋼の基材 1 base material, 2 coating material, 4 12Cr steel base material

Claims

30-50 wt% Cr ₃ C ₂ and 30-50 wt% applied to the surface of metal turbine components
A turbine member coating material comprising the following TaC:

The coating material for a turbine member according to claim 1, wherein the balance excluding Cr ₃ C ₂ and TaC is made of NiCr.

Coating the surface of a metal turbine member by high-speed gas flame spraying using a coating material for the turbine member characterized by containing 30 to 50% by weight of Cr ₃ C ₂ and 30 to 50% by weight of TaC A turbine member coating method, comprising:

The turbine member coating method according to claim _3, wherein the balance of the coating material excluding Cr ₃ C ₂ and TaC is made of NiCr.

When the turbine member coating is missing,
Scraping the coating material around the defect including the defect; and
The turbine member coating method according to claim 1, further comprising a step of degreasing and cleaning the object to be sprayed and a step of roughening the object to be sprayed.

A turbine member coated with the coating material according to claim 1.

A turbine member coated using the method for coating a turbine member according to claim 3, 4 or 5.