JP2011027104A - ターボ機械構成部品のための被覆層の生産方法、構成部品自体および対応する機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械構成部品のための被覆層の生産方法に関し、構成部品自体および構成部品が設置される機械を提供する。
【解決手段】少なくとも、軽合金を使用してインペラ３を作製するステップと、インペラをニッケルめっき被覆で被覆するステップとを含む、ターボ機械インペラを生産する方法であって、被覆層は、中間層を組み込む、またはより多くの中間層が追加される、被覆層を意味する。したがって、被覆は、少なくとも一部が互いに浸透する、順に重ねられた多くの層を組み込む。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ機械構成部品のための被覆層の生産方法に関する。本発明はまた、構成部品自体および構成部品が設置される機械に関する。

ターボ機械インペラは、プロセス流体と相互作用することから、また機械的、化学的および熱的応力に継続的に耐えることから、非常に重要な構成部品である。

これらの構成部品は、動作中、高い耐久性が確保されるように、従来は「重」合金で生産されている。

「重」合金とは、一般に、金属基合金を意味する。金属は、鉄、ニッケル、コバルト等、大きい原子番号を有する。ステンレス鋼および一般的なすべての超合金（ニッケル、コバルトまたは多くの他の金属をベースとして有する）はすべて重合金である。

一般に、構成部品またはそれを形成する材料には、内側または外表面構造を修正するため、または機械的、化学的および／または熱的抵抗を増強する外表面被覆を形成するために、特定の用途に基づいて、機械的、熱的および／または化学的処理が行われる。

一般に、次いでニッケルめっき処理を行って「腐食」に対する保護被覆を形成する。

「腐食」とは、金属が初期劣化を起こし、次いで他の要素と再組成するようになる典型的な過程として簡潔に定義することができる。金属は、対応する鉱物よりエネルギーレベルが高く、多くはこの理由から、特定の条件の環境下で「腐食」と呼ばれる変形または変性を起こしやすい。腐食過程は、例えば、乾いた環境での化学的腐食であるいわゆる「純化学的腐食」、または結晶間／粒界腐食、または湿った環境でのガルバニック／電気化学的腐食等、特徴となる様々な化学的／物理的プロセスに基づいて分類することができる。

ニッケルめっきは、処理する必要のある表面にニッケル原子を堆積させ、処理される材料の外表面の特徴（硬度、外部物質への耐性など）を修正することを目的とする、特定の外表面処理である。

ニッケル被覆は気孔率が非常に低く、その結果、外部物質の凝集を防ぐように上記のプロセスによって基材料が緊密に封止され、腐食を避ける。

したがって、被覆の腐食に対する保護容量は、付着する金属のタイプに依存し、金属の特定の気孔率、粗さおよび表面条件にも依存するが、優れており、１０％を超える高濃度のリン（化学記号「Ｐ」）は、腐食に対する耐性を高めると考えられる。

硬度および耐摩耗性を高めるために、被覆した部分に熱処理（アニーリング）を施すことも可能であるが、この後者の場合、腐食に対する耐性は低下する。ターボ機械の遠心インペラを被覆するニッケルめっきの使用に関連する主要な欠点は、これらのインペラが、使用時に、遠心力により径方向拡張を受けることである。したがって、ニッケル被覆は、膨張して小さいひびまたは破損を形成する可能性があり、そこで腐食過程が始まる可能性がある。

鋼材の３次元遠心インペラの新しいファミリが開発されてきたが、特にいくつかの用途では、生産コストを削減し、機械に適合させることのできる性能および構造を高めるために、軽合金を生産に使用する必要性が生じている。

別の興味深い改良は、同じインペラに鋼材より高い比抵抗を有する材料を使用すると回転数が増加することである。チタンおよびアルミニウム、ならびにマグネシウム基の軽合金は密度が低いことから、この特性を有する。

遠心インペラの形成にこれらの軽合金を使用する際の主な欠点の１つは、特に流体が液体または固体粒子を含む場合、高速で流れて浸食を起こし得る流体によって浸食されやすいことである。浸食は一般に、従来の重合金から形成されるインペラにとっては重要ではないが、軽合金のインペラにとっては、これらの材料の特徴である硬度および浸食への耐性が低いことから、非常に重要となり、壊滅的となる可能性がある。

損傷はまた、インペラの回転数によっても悪化し、回転数が高いほど浸食が大きくなる。この問題によって、回転数が高いインペラの生産にアルミニウムなどの軽合金を使用することが制限される。

「浸食」は、合同で、あるいは化学的または物理的プロセスによって生成された変化後に作用することがある気体、流体または液体の外部物質によって、材料が徐々に除去されることを伴う現象として簡単に定義することができる。「剥離」も、固体の外部物質によって材料が徐々に除去されることを伴う特定の浸食現象として定義することができる。

他の問題は、遠心インペラの被覆はまた、一般に、生産コストを抑えるために最も簡単で円滑な方法で「機械加工可能」でなければならないことである。「機械加工可能」とは、インペラの複雑な形状の表面を完全に被覆する、特定のデバイス（電気化学槽等）によって形成できる能力を意味する。これは特に３次元の閉じたインペラに当てはまる。さらに、これらの被覆は、長期の動作期間のため、および異物によって起こり得る衝撃に対する耐性を確保するためにも、被覆自体の抵抗および保存を確保するように、高い外表面硬度を確保しなければならない。

別の短所は、プロジェクトの許容範囲を確保し、同時に最終的な製品が特定の被覆に一般的な境界値内にとどまるように、汚れ、被覆の剥がれおよび欠損などの許容不能な欠陥を起こさないように、被覆層の堆積を注意深く制御しなければならないことである。

国際公開第２００６１２６９９３号公報

したがって、現在、技術によって行われる進歩に耐えながら、より軽く、特定の用途に適合する耐性があると同時に、固体粒子および液滴の浸食に対して「重」合金によって確保されているものと少なくとも同じ耐性を確保する、ターボ機械遠心インペラを作製することが、困難であり、必要とされている。

主な目的は、ターボ機械インペラを簡単かつコスト効果的な方法で生産し、したがって上記の問題の少なくとも一部を解決することを目的とした方法を生み出すことである。

別の目的は、より良い仕様のインペラおよびインペラを設置するターボ機械を作製することである。

特定の目的はまた、上記の欠点のいくつかを排除する特定の被覆を使用し、同時に、現在使用されているものより、より良い仕様の完成製品を作製することである。

実際には、これらの目的は、請求項１に記載された方法によって、請求項６および８にそれぞれ記載されたインペラおよびターボ機械、および請求項９に記載された使用で、達成することができる。

本発明の技術的利点は、以下の特許請求の範囲に記載されている。

本発明の主な態様は、少なくとも、
−「軽」合金インペラを作製するステップと、
−インペラをニッケルめっき被覆の少なくとも１つの層で被覆するステップとを含む、ターボ機械インペラを生産する方法を設定することである。

本明細書および添付の特許請求の範囲全体を通して、「被覆層」とは、中間層を組み込む、またはより多くの中間層が追加される、被覆層を意味する。したがって、被覆は、少なくとも一部が互いに浸透する、順に重ねられた多くの層を組み込む。

「軽」合金とは、アルミニウム、チタン、マグネシウム等、原子番号の小さい金属基を有する合金を意味する。

本発明の非常に簡便な用途では、特定の使用に応じて、軽合金はアルミニウム基である。

本発明により適した用途では、ニッケルめっきは、「化学的ニッケルめっき」によって形成される。

「化学的ニッケルめっき」は、一般に、処理槽で堆積されるニッケルイオンに還元剤の直接的作用を使用し、ニッケルの化学的還元自触媒プロセスを活性化するプロセスである。そのような還元は、次亜リン酸ナトリウムによって起きる（ＮａＨ_２ＰＯ_２×Ｈ_２Ｏ）。処理槽に含浸された機械的構成部品は、触媒として作用する。そのような堆積は、金属、ガラス、セラミックまたはプラスチックなど、どのような材料でも（導電体でなくても）、達成することができる。

特に、処理槽における主な試薬を考慮すると、以下の化学的関係が成立し得る。
（１）Ｈ_２ＰＯ_２−＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２ＰＯ_３−＋Ｈ_２
（２）Ｎｉ_２＋＋Ｈ_２ＰＯ_２−＋Ｈ_２Ｏ→Ｎｉ＋Ｈ_２ＰＯ_３−＋２Ｈ＋
水溶液中の次亜リン酸イオンは、触媒酸化されて亜リン酸イオンとなり、気体の水素を放出し、同時に、ニッケル陽イオンが、水中で次亜リン酸イオンによって触媒還元されてニッケル金属になり、次亜リン酸イオンが酸化されて、亜リン酸イオンとなり、同時に水素イオンを放出するようになる。ニッケルは第１および第２の化学的反応のための触媒であり、プロセスは「自己トリガ」される。

処理槽は、特定の用途に応じて、例えば、酸またはアルカリ槽、またはフッ化物ベースまたはアンモニアベースの槽等を実現するための有機キレート剤、バッファ溶液、刺激剤、安定剤、ｐＨ調整剤または湿潤剤など、より多くの要素または物質を含むことができる。

この処理により、部品の形状にかかわらず、一定の厚さでの（堆積後の修正の必要がない）ニッケル被覆の生産が可能になり、したがって電解処理に伴う典型的な欠点が回避される。

本発明の非常に簡便な用途では、被覆のこの層が、軽合金、アルミニウム合金等のインペラを浸食から保護する。この場合、ニッケルめっきが、液体または固体粒子が懸濁した気体など、浸食現象を起こす危険の高いプロセス流体を含むターボ機械で使用されるインペラに付着される。

井戸から噴出する気体には液体または固体粒子が含まれ得ることから、本発明は、気体および油の抽出サイトなど、工業用途で使用することができる。

軽合金インペラに実施される化学的ニッケルめっきの他の利点は、特にアルミニウム基だがこれに限定されない、基材料の被覆の接着、硬度および摩耗耐性が著しいことである。構成部品の浸食に対する耐性を高める他の処理（例えば、熱アニーリング等）を実施して、被覆した部分の硬度を強化することも可能である。

別の態様では、本発明は、保護ニッケル被覆、好ましくは化学的ニッケルめっきの少なくとも１つの層で被覆される、軽合金のターボ機械インペラの作製としてみなすことができる。

他の態様では、本発明は、上記と同じタイプの少なくとも１つのインペラが設置されるターボ機械に関するとみなされる。

別の態様では、本発明は、ターボ機械の、特にアルミニウム基であるがこれに限定されない、軽合金のインペラの少なくとも一部を浸食から保護する上記の被覆の層の使用とみなされる。

本発明で実施される方法の利点は、特に、プロセスに使用される流体の浸食性が高い場合、ターボ機械に効果的に設置することが可能になるように、保護被覆を使用して、簡単かつコスト効果的な方法で、軽合金の機械的構成部品を被覆することが可能になることである。

随伴する別の利点は、例えば、遠心圧縮機またはエキスパンダの３次元インペラの１つなど、非常に複雑な処理面を有する構成部品を簡単に被覆することが可能になることである。

別の利点は、軽合金の遠心インペラの生産によって、構成部品の質量が著しく低減され、機械のロータの機械的応力および振動が低減されることである。質量低減から得られる他の利点は、ターボ機械段数の増加および／または回転数の増加である。

別の利点は、コストおよび生産時間が極めて低く、したがって生産性が高くなることである。

別の利点は、ニッケル堆積が簡単に管理可能なので、高品質の生産によって、極めて均一で一定の厚さが実現することである。

別の利点は、方法が、塗装等の部分的な生産作業と組み合わせて、自動化プロセスによって実施することができるので、非常に汎用的であることである。

別の利点は、最終的に特定の外表面の係数が増加することを考慮した、プロジェクトで研究された理論的流体動力学を有する、完成した構成部品を得ることが簡単になることである。

最後に、上記の本発明は、上記の利点を享受する遠心圧縮機またはエキスパンダのためのインペラの作製に、特にアルミニウム基の軽合金を使用できるようにする。他の簡便な仕様および本発明を生産する方法は、添付の特許請求の範囲に述べられており、可能な用途を示すいくつかの例において、以下で詳細に説明する。

本発明の多くの目的および利点は、実践的で非制限的な例を示す、添付の概略的な図面を参照すれば、当業者にはより明らかとなろう。

本発明で説明された処理による、保護被覆の可能な実施形態の、正確な縮尺ではない概略的断面図である。 本発明で説明された処理に従って作製された保護被覆を示す、機械的構成部品の断面図である。 本発明で説明された機械的構成部品が設置されている、ターボ機械の概略的断面図である。 一部は本発明で説明された処理で被覆され、他はそれらに対比させるために市販の合金で被覆された、一組の試料で実施したいくつかの浸食試験の結果を説明するグラフである。

図面では（すべての図面を通して、同じ番号は同じ部品に相当する）、軽合金から形成される遠心インペラ３に属する処理面３Ｓ上に、化学的ニッケルめっきによって本発明で示す被覆１が付着されている（図１を参照）。

インペラは、例えば求心的、混合流等、どのような種類のものとすることもできる。

図２は、本発明で説明されたように上記の被覆１で被覆され、シャフト５に設置された、遠心圧縮機のための遠心インペラ３の、原寸に比例して描かれていない部分断面図である。インペラ３の表面３Ｓは、シャフト５が設置される孔３Ｆ以外の、外側および内側（内側チャネル）の両方にあることに留意されたい。

特に、図に示されたインペラ３は３次元の閉じたインペラである。例えば、開いた３次元インペラ、または閉じた２次元インペラ、または開いたものまたは他のタイプなど、インペラを他のどのようなタイプのものとすることもできることは、自明である。

図１および２は原寸に比例して描かれておらず、層１の厚さは説明のために描かれているに過ぎないことに留意されたい。

図３は、内部でシャフト５が自由に回転するステータボックス１２を含む、一般的な遠心圧縮機１０を概略的に示す。シャフトは、支持体１４を提供し、上に一連の遠心インペラ３が設置されている、一組の軸受に載っている。インペラは被覆１で被覆されており、圧縮機１０のそれぞれの段にインペラがそれぞれ１つ設置されている。ボックスにはステータチャネル１６が刻まれており、プロセス流体が第１のインペラの出口に到達し、次の段の第２のインペラへ向かい、またその次の段へ向かい、流体が圧縮機１０から機械を出るまで流れるようになっている。

この圧縮機は例に過ぎず、本発明は、ポンプまたはエキスパンダまたは他のタイプのデバイスなど、別のタイプの遠心圧縮機または別の遠心ターボ機械で使用することができることに留意されたい。保護被覆１を配置するために、処理は、簡便には、インペラ３を試薬の水溶液を含む処理槽に含浸することを示唆する。

化学的槽は、少なくとも、水溶液と混合したニッケル塩、次亜リン酸ナトリウム還元剤の試薬を含む。反応は、インペラが槽に含浸されるとすぐに自然に始まり、インペラ３はニッケルの薄い層１で徐々に覆われ始める。

インペラを槽に含浸する時間を（堆積速度が分かった時点で）適切に調節して、被覆の厚さを、好ましくは５０から１００マイクロメートルまたはそれ以上に設定することが可能である。

特定の用途に応じて、塗料または樹脂または他の同様の製品など、より多くの層をニッケルの上に適用することが可能である。

特定の用途に応じて、化学的槽に溶解された、炭化タングステン、ＤＬＣ、炭化クロム、乳酸等、特定の要素または物質を使用することも可能である。

インペラ３の表面を、材料の張力を低減し歪み耐性を増強するショットピーニング、溶剤または洗浄剤または蒸気または化学的油脂除去処理を行う部分の含浸によるインペラの油脂除去、例えばシャフトを設置する孔など表面の被覆しない部分のマスキング等の処理など、いくつかの予備的処理を実施する、処理のために準備することが可能である。

本発明の最も簡便な用途では、機械的構成部品３を形成する軽合金はアルミニウム基合金である。

以下の表は、例として、構成部品３を生産するのに使用することができるアルミニウム合金７１７５−Ｔ７４および７０５０−Ｔ７４５２の組成（国際規格ＡＳＴＭ Ｂ ２４７Ｍの定義による）を示す。これは例に過ぎないことは明らかであり、軽合金の仕様は、使用される割合も成分も異なり得る。

図４は、規格ＡＳＴＭ Ｄ９６８−９３に示された基準に従っていくつかの試料に実施した、いくつかの浸食試験の結果の説明的なグラフであり、Ｘ軸は、使用された砂の量をリットル単位で示し、Ｙ軸は、正規化した値に基づいて、浸食された試料の厚さを示す（１００％は試験で得られた最大浸食値を示す）。

特に、線４Ａは、被覆していない鋼材の合金の試料での試験の結果を示す。線４Ｂは、本発明で述べた層で被覆したアルミニウム基合金から形成された試料を示す。線４Ｃは、アルミニウムを被覆するのに一般に使用される硬質陽極酸化処理の層で被覆したアルミニウム基合金の試料を示す。第４の線４Ｄは、被覆していないアルミニウム基合金の試料を示す。

このグラフでは、被覆していないアルミニウム基合金から形成された試料は、固体粒子によって生じる浸食に対する抵抗値が、鋼材より著しく低いことを示すことに留意されたい。また、本発明に示す被覆の適用後、鋼材と同様であり、硬度を増強するためにアルミニウムに適用される硬質陽極酸化処理被覆よりも高い、浸食への耐性を、アルミニウムに付与することが可能であることにも留意されたい。

図は例示のために示したものに過ぎず、本発明自体と常に関連して形態および方法が異なり得る本発明の可能性を、どのようにも制限するものではないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲に記載された参照番号は、上記の本文に関連するとき、および添付の図面を参照するときの読みやすさを目的としているに過ぎず、保護の範囲をどのようにも制限するものではない。

１ 層
３ インペラ
３Ｓ 表面
３Ｆ 孔
５ シャフト
１０ 圧縮機
１２ ステータボックス
１４ 支持体
１６ チャネル

Claims (9)

1. ターボ機械インペラを作製する方法であって、少なくとも、
   軽合金のインペラを作製するステップと、
   インペラをニッケルめっき被覆の少なくとも１つの層で被覆するステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 前記ニッケルめっきが化学的ニッケルめっきによって実施されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記ニッケルめっきが、少なくとも、前記インペラを、少なくとも水溶液中の次亜リン酸ナトリウムイオンを含む処理槽に含浸する段階を伴うことを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. 前記インペラを使用する必要のある特定の用途に応じて、有機キレート剤、バッファ溶液、刺激剤、安定剤、ｐＨ調整剤または湿潤剤など、より多くの要素が追加されることを特徴とする、請求項３記載の方法。
5. 使用される前記軽合金がアルミニウムまたはチタンまたはマグネシウム、または任意の軽金属であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 軽合金で作製され、請求項１乃至５のいずれか１項に従って作製された被覆の少なくとも１つの層で被覆されていることを特徴とする、ターボ機械のためのインペラ。
7. 例えば、液体または固体粒子を含む気体など、浸食現象を引き起こすプロセス流体のために働くターボ機械に関連付けられることを特徴とする、請求項６記載のインペラ。
8. 少なくとも１つの遠心インペラを含むことを特徴とする、請求項６または７記載のターボ機械。
9. 例えば、アルミニウムまたはチタンまたはマグネシウムまたは任意の他の軽金属基合金など軽合金から形成される、ターボ機械インペラの少なくとも一部を保護するための化学的ニッケル被覆の層の使用。