JP2010522823A

JP2010522823A - 断熱層付きタービン部品

Info

Publication number: JP2010522823A
Application number: JP2009553149A
Authority: JP
Inventors: バルニケル、ヨッヒェン; シュミッツ、フリートヘルム
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2010-07-08
Also published as: EP2132350A1; CN101631888A; WO2008110607A1; EP1970461A1

Abstract

本発明は、蒸気タービン構成要素上の断熱層（７）の利用に関し、その断熱層（７）は主に接着層および／又は浸食保護層（１３）を有し、その浸食保護層（１３）は母材（４）あるいはセラミックス断熱層（７）に比べて同等ないし同じ熱膨張係数を有し、主にクロム（Ｃｒ）を１５重量％〜３０重量％含有し、脆性化を減少するために保護層材料にアルミニウム（Ａｌ）が１．５重量％〜５重量％含有されている。また本発明は鉄基保護層の製造方法に関し、その保護層は溶射法によって設けられ、２５重量％〜３５重量％Ｃｒ含有の鉄基粉末が利用される。
【選択図】図４

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１に記載の鉄基合金、請求項１０に記載の保護層、請求項１１に記載の保護層系および請求項１６に記載の鉄基保護層の製造方法に関する。

金属部品の耐食性および／又は耐酸性を高めるための保護層は従来において数多く知られている。そのほとんどの保護層は総称ＭＣｒＡｌＹとして知られている。ここで、Ｍは鉄、コバルト、ニッケルの群における少なくとも１つの元素であり、そのＭＣｒＡｌＹは他の元素としてクロム、アルミニウムおよびイットリウムを含んでいる。

タービン部品上に被覆された断熱層は例えば特許文献１に記載されている。蒸気タービンにおける生蒸気（主蒸気）の入口温度は最良の熱効率を得るための重要な決定量となっているので、その生蒸気の入口温度を増大する努力は大きな意味を有する。熱的に大きく負荷されるタービン部品に対して特別に開発されたフェライト母材の採用によって、今日において約６２０℃の生蒸気温度が利用できる。その母材上における断熱層の被覆によって、生蒸気入口温度の増大が可能となり、あるいは生蒸気温度が同じである場合には安価な材料の利用が可能となる。

フェライト母材の酸化と腐食に対する十分な耐性を得るためには、保護層に頼らざるを得ない。その保護層はその十分な化学的強度のほかに、とりわけ保護層と母材との機械的相互作用に関する良好な機械的特性も有していなければならない。その保護層は、場合により生じる母材の変形に追従でき割れが生じないようにするために、特に十分な延性を有していなければならず、このようにして、酸化と腐食の開始点の発生が防止される。

蒸気タービン構成要素上に断熱層を利用する場合、母材と断熱層との間に接着層を配置することが有利である。その接着層は、一方では、断熱層の母材上への良好な接着を生じさせ、他方では、母材を酸化と腐食に対して防護する。

断熱層を浸食と腐食に対して防護するために、断熱層上にトップコーティングと呼ばれるもう1つの保護層が配置される。蒸気タービン構造物に利用される母材に対して、Ｎｉ−Ｃｒ８０／２０および／又はＭＣｒＡｌＹから成る接着層および／又はトップコーティングが特に良好に採用できる。この上述の接着層は例えばＮｉ基合金のような母材に特に適し、その場合、７００℃以上での適用が可能と思われる。

かかる接着層および／又はトップコーティングを利用する場合、その熱膨張係数が母材ないし断熱層に比べて非常に高いという欠点がある。このために、応力および／又は伸びが生じ、望ましくない割れが生じてしまう。

欧州特許出願公開第１５４１８１０号明細書

本発明の課題は、接着層および／又はトップコーティングに適した材料を提供することにある。

この課題は請求項１に記載の合金、請求項１０に記載の保護層および請求項１１に記載の保護層系によって解決される。

またその課題は請求項１６及び/又は請求項１９に記載の保護層の製造方法によっても解決される。

従属請求項に記載された処置は、有利な様式で、任意に組み合わせることができる。

本発明は特に、接着層および／又はトップコーティングの化学的および物理的特性が主にクロム含有率に依存し、またアルミニウム含有率も大きな役割を演ずるという認識に基づいている。従って、各請求項に記載された解決策によって、その化学組成に基づいて耐酸性と耐食性に関する必要な諸特性を満たし、且つ、適切な熱膨張係数を有する接着層および／又はトップコーティングが得られる。

本発明は主に、溶射法に対して２５重量％〜３５重量％Ｃｒのクロム含有率の溶射粒子が利用されることによって特徴づけられ、これによって、製造（溶射被覆）後に鉄基保護層内に１５重量％〜３０重量％Ｃｒのクロム含有率が得られる。実験の結果、溶射粒子のクロム含有率が製造（溶射被覆）中に最大で１０重量％低下することが確認されている。

この鉄基合金のシグマ（σ）相析出による脆性傾向が減少されるようにするために、溶射粒子にアルミニウム（Ａｌ）を１重量％〜５重量％含有することができる。シグマ（σ）相析出を一層減少するためには、けい素（Ｓｉ）が０．２重量％未満だけ極微量添加される。

耐酸性を向上するために、例えばＣｅ（セリウム）、Ｙ（イットリウム）および／又はＨｆ（ハフニウム）を利用することができる。

以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。

部品における本発明に基づく保護層系の第１実施例の概略断面図。部品における本発明に基づく保護層系の第２実施例の概略断面図。部品における本発明に基づく保護層系の第３実施例の概略断面図。部品における本発明に基づく保護層系の第４実施例の概略断面図。

図１は本発明に基づいて形成された部品１の第１実施例を示している。この部品１は例えばタービン特に蒸気タービンの蒸気入口部位であり、母材（基材）４を有し、その上に断熱層７が設けられている。この断熱層７はセラミックス材料で形成することができる。即ち、例えば断熱層７は酸化ジルコニウムから成るセラミックス断熱層として形成することができるが、その酸化ジルコニウムは安定化されていないか、酸化イットリウムおよび／又は酸化マグネシウムによって部分安定化あるいは完全安定化されている。異なった実施例において、そのセラミックス断熱層は酸化チタンから成り、その厚さは０．１ｍｍ〜２ｍｍである。

セラミックス断熱層７を製造するために種々の被覆法が利用される。例えばセラミックス断熱層７は気中プラズマ溶射法（ＡＰＳ）のような溶射法並びに化学的蒸着法（ＣＶＤ）や物理的蒸着法（ＰＶＤ）によって設けることができる。

図２は本発明に基づいて形成された部品１の異なった実施例を示している。図１と図２の相違点は、母材４と断熱層７との間に、鉄基合金を含む少なくとも１つの接着層１０が形成されていることにある。

その接着層１０は、一方では、母材を腐食および／又は酸化から防護するために用いられ、他方では、セラミックス断熱層７を母材４に良好に結合するために用いられる。これは特に、セラミックス断熱層と母材が金属から成っている場合に当てはまる。その鉄基接着層はクロム（Ｃｒ）を１５重量％〜３０重量％含んでいる。またその鉄基合金はアルミニウム（Ａｌ）を１．５重量％〜２．５重量％、けい素（Ｓｉ）を０．２重量％未満含んでいる。さらに、この鉄基接着層はＹ（イットリウム）、Ｈｆ（ハフニウム）およびＣｅ（セリウム）を、それぞれ０．１重量％〜０．７重量％Ｙ、０．１重量％〜０．５重量％Ｃｅ、０．１重量％〜０．５重量％Ｈｆの含有量で含むことができる。

母材４を高温中に酸化と腐食と浸食に対して防護するための接着層１０は、主に以下の元素から成っている。

実施形態Ｉ：
１５重量％〜３０重量％Ｃｒ。

実施形態ＩＩ：
１３重量％〜１５重量％Ｃｒと１．５重量％〜５重量％Ａｌ。

実施形態ＩＩＩ：
１５重量％〜３０重量％Ｃｒと１．５重量％〜５重量％Ａｌと０．２重量％未満のＳｉ。

これによって、母材４と接着層１０の熱膨張係数は相互に非常に良好に同化されるか、それどころか同じにされ、これによって、母材４と接着層１０との間に、接着層１０あるいは断熱層に剥離および／又は割れを生じさせる熱応力は全く生じないかほんの僅かしか生じない。これは、フェライト材料では一般に拡散結合のための熱処理が実施できず、断熱層７は大部分が接着だけで母材に結合されるので特に重要である。母材４はフェライト基合金、鋼、特に１％ＣｒＭｏＶ鋼あるいは９％〜１３％Ｃｒ鋼である。部品１の他の有利なフェライト母材４は、軸に対しては例えば３０ＣｒＭｏＮｉＶ５−１１あるいは２３ＣｒＭｏＮｉＷＶ８−８のような１％〜２％Ｃｒ鋼から成り、車室（ハウジング）に対してはＧ１７ＣｒＭｏＶ５−１０やＧ１７ＣｒＭｏ９−１０のような１％〜２％Ｃｒ鋼から成り、または軸に対してＸ１２ＣｒＭｏＷＶＮｂＮ１０−１−１のような１０％Ｃｒ鋼から成り、車室（ハウジング）に対してＧＸ１２ＣｒＭｏＷＶＮｂＮ１０−１−１やＧＸ１２ＣｒＭｏＶＮｂＮ９−１のような１０％Ｃｒ鋼から成っている。

部品１における保護層は特に溶射法によって作られ、その場合、クロムを２５重量％〜３５重量％含む鉄基粉末が利用される。かかる保護層製造の際、溶射過程中の酸素吸収によって多かれ少なかれかなりの酸化クロムが発生し、この酸化クロムが局所的なクロム濃度を１２％以下まで大きく低下させる。本発明に基づく鉄基粉末の利用によって、鉄基合金が保護層製造後に１５重量％〜３０重量％Ｃｒのクロム含有率を有することが保証される。

アルミニウムが粉末に１重量％〜５重量％Ａｌの含有量で添加されることによって、その保護層製造法が改善される。溶射後に鉄基合金にアルミニウムが１．５重量％〜３重量％Ａｌの含有量で残存する。

異なった実施例において、保護層製造法において２８重量％〜３０重量％Ｃｒの粉末が利用され、その粉末にアルミニウムが２．５重量％〜３．５重量％Ａｌの含有量で添加される。その粉末は０．２重量％未満のけい素（Ｓｉ）を含んでいる。

溶射法が利用される鉄基保護層の製造法は、鉄基粉末がクロムを２５重量％〜３５重量％含有していることにより改善することができる。

その代わりに、その粉末がクロムを２５重量％〜３５重量％含有し、アルミニウムを１重量％〜５重量％含有することもできる。

あるいはまた、鉄基粉末がクロムを２８重量％〜３０重量％、アルミニウムを２．５重量％〜３．５重量％、けい素を０．２重量％未満それぞれ含有することもできる。

図３は本発明に基づいて形成された部品１の異なった実施例を示している。

ここでは、セラミックス断熱層７上に浸食保護層１３が外側表面を形成している。その浸食保護層１３はトップコーティングとも呼ばれる。これは特に１つの金属または１つの合金から成り、特に約５０ｍ／ｓｅｃの平均流速と３５０バールまでの圧力が生ずる高温蒸気領域でスケール（湯垢）が付着する蒸気タービン発電所において、部品を浸食および／又は摩耗から防護する。

その浸食保護層１３はほぼ接着層１０と同じ化学元素を有することができる。これによって、断熱層と浸食保護層１３との間の熱応力が最小となるという利点が得られる。

図３の実施例と比較してもう１つの接着層１０が存在することができる（図４参照）。

１部品
４母材
７断熱層
１０接着層（鉄基合金）
１３浸食保護層

Claims

クロム（Ｃｒ）を１５重量％〜３０重量％含んでいることを特徴とする鉄基合金（１０）。
アルミニウム（Ａｌ）を１．５重量％〜５重量％含んでいることを特徴とする鉄基合金（１０）。
けい素（Ｓｉ）を０．２重量％未満含んでいることを特徴とする請求項１に記載の鉄基合金（１０）。
イットリウム（Ｙ）を特に０．１重量％〜０．７重量％含んでいることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の鉄基合金（１０）。
セリウム（Ｃｅ）を特に０．１重量％〜０．５重量％含んでいることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の鉄基合金（１０）。
ハフニウム（Ｈｆ）を特に０．１重量％〜０．５重量％含んでいることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の鉄基合金（１０）。
１５重量％〜３０重量％Ｃｒから成っていることを特徴とする請求項１に記載の鉄基合金（１０）。
１５重量％〜３０重量％Ｃｒと１．５重量％〜５重量％Ａｌから成っていることを特徴とする請求項２に記載の鉄基合金（１０）。
１５重量％〜３０重量％Ｃｒと１．５重量％〜５重量％Ａｌと０．２重量％未満のＳｉから成っていることを特徴とする請求項３に記載の鉄基合金（１０）。
部品（１）を特に高温下において腐食および／又は酸化に対して防護する保護層であって、
請求項１ないし９のいずれか１つに記載の合金の組成を有していることを特徴とする部品（１）の保護層。
請求項１０に記載の保護層を有していることを特徴とする保護層系。
断熱層（７）が酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）を含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の保護層系。
断熱層（７）が酸化チタン（ＴｉＯ₂）を含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の保護層系。
母材（４）が鉄基合金で形成されていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１つに記載の保護層系。
蒸気タービンの部品（１）に対して高温下において腐食、浸食および酸化に対して防護するために用いられることを特徴とする請求項１０ないし１４のいずれか１つに記載の保護層系。
請求項１０に記載の鉄基保護層の製造方法であって、
前記保護層が溶射法によって被着され、クロム（Ｃｒ）を１５重量％〜３０重量％含む鉄基粉末が利用されることを特徴とする鉄基保護層の製造方法。
前記粉末が１重量％〜５重量％Ａｌを含んでいることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
前記粉末が２８重量％〜３０重量％Ｃｒを含んでいることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
前記粉末が２．５重量％〜３．５重量％Ａｌを含んでいることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
前記粉末が０．２重量％未満のＳｉを含んでいることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の鉄基保護層の製造方法であって、
前記保護層が溶射法によって被着され、クロム（Ｃｒ）を２５重量％〜３５重量％含む鉄基粉末が利用されることを特徴とする鉄基保護層の製造方法。
前記粉末が２５重量％〜３５重量％Ｃｒと１重量％〜５重量％Ａｌを含んでいることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
２８重量％〜３０重量％Ｃｒと２．５重量％〜３．５重量％Ａｌと０．２重量％未満のＳｉを含む鉄基粉末が利用されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。