JP2015036518A - Steam turbine constituent component and steam turbine constituent component manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は蒸気タービンの構成部材およびその製造方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a steam turbine component and a method for manufacturing the same.
火力プラント、原子力プラントの蒸気タービンにおいては、構成部材、具体的には、タービンロータ、動翼、静翼等の表面酸化により表面粗さが増加して発電効率が低下する。表面酸化を抑制するために、構成部材の表面に1.0〜2.0μm程度の表面改質層を設けることが提案されている。表面改質層の成膜方法として、物理気相成長法(PVD)、化学気相成長法(CVD)等の気相成長法により、酸化物層、窒化物層、炭化物層、合金層等を成膜する方法が知られている。また、ゾルゲル法等の湿式法により酸化物層を成膜する方法が知られている。 In steam turbines of thermal power plants and nuclear power plants, surface roughness increases due to surface oxidation of components such as turbine rotors, moving blades, and stationary blades, and power generation efficiency decreases. In order to suppress surface oxidation, it has been proposed to provide a surface modification layer of about 1.0 to 2.0 μm on the surface of the constituent member. As a film formation method of the surface modification layer, an oxide layer, a nitride layer, a carbide layer, an alloy layer, etc. are formed by vapor phase growth methods such as physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD). A method for forming a film is known. A method of forming an oxide layer by a wet method such as a sol-gel method is also known.
一方、構成部材の表面にはボイラー内の汚れであるボイラースケールが入射することから、浸食(エロージョン)により表面改質層が剥離して発電効率が低下する。気相成長法の場合、表面改質層の構成材料を窒化物や炭化物等の硬質材料とすることで、耐エロージョン性を良好にできる。しかし、表面改質層の成膜以前に高真空状態を形成する必要がある。また、一般に成膜時間が長時間となりやすい。例えば、RF反応性マグネトロンスパッタリング法による窒化チタン膜の成膜は成膜速度が2nm/分程度であることから、厚さが2μm程度であると17時間程度の成膜時間が必要となる(例えば、非特許文献1参照)。構成部材自体を窒化処理する方法も考えられるが、遷移金属の窒化物は化学的安定性が十分ではない。例えば、窒化鉄は200℃程度で分解する。従って、窒化処理は、表面改質層の形成方法として必ずしも適していない。 On the other hand, since the boiler scale, which is dirt in the boiler, is incident on the surface of the component member, the surface modification layer is peeled off by erosion and the power generation efficiency is lowered. In the case of the vapor phase growth method, the erosion resistance can be improved by using a hard material such as nitride or carbide as the constituent material of the surface modification layer. However, it is necessary to form a high vacuum state before forming the surface modified layer. In general, the film formation time tends to be long. For example, the film formation rate of the titanium nitride film by the RF reactive magnetron sputtering method is about 2 nm / min. Therefore, if the thickness is about 2 μm, a film formation time of about 17 hours is required (for example, Non-Patent Document 1). Although a method of nitriding the component itself is also conceivable, transition metal nitrides are not sufficiently chemically stable. For example, iron nitride decomposes at about 200 ° C. Therefore, nitriding is not always suitable as a method for forming the surface modified layer.
ゾルゲル法等の湿式法は、大気圧下で実施できるとともに、気相成長法に比べて成膜時間を短縮できる。しかし、気相成長法に比べて耐エロージョン性が低く、また成膜できる表面改質層が酸化物層に限定されやすい。短時間に硬質の表面改質層を成膜する方法として、溶射法も知られている。しかし、一般に気孔率が高くなることから、耐酸化性および耐エロージョン性が低くなると考えられる。 A wet method such as a sol-gel method can be performed under atmospheric pressure, and the film formation time can be shortened as compared with a vapor phase growth method. However, the erosion resistance is low as compared with the vapor phase growth method, and the surface-modified layer that can be formed is easily limited to the oxide layer. Thermal spraying is also known as a method for forming a hard surface-modified layer in a short time. However, since the porosity is generally increased, it is considered that the oxidation resistance and erosion resistance are decreased.
本発明の課題は、耐酸化性および耐エロージョン性が良好で、かつ成膜時間の短縮化も容易な表面改質層を有する蒸気タービンの構成部材およびその製造方法の提供を目的とする。 An object of the present invention is to provide a constituent member of a steam turbine having a surface modified layer that has good oxidation resistance and erosion resistance and that can easily shorten the film formation time, and a method for manufacturing the same.
実施形態の蒸気タービンの構成部材は、タービンロータ、動翼、および静翼から選ばれる少なくとも1種の構成部材に関する。実施形態の蒸気タービンの構成部材は、基材上に表面改質層を有する。表面改質層は、基材側から順に、酸化物層と、この酸化物層よりも耐エロージョン性が高い窒化物または炭化物からなる硬質層とを有する。 The constituent member of the steam turbine according to the embodiment relates to at least one constituent member selected from a turbine rotor, a moving blade, and a stationary blade. The constituent member of the steam turbine of the embodiment has a surface modification layer on a base material. The surface modification layer has, in order from the substrate side, an oxide layer and a hard layer made of nitride or carbide having higher erosion resistance than the oxide layer.
実施形態の蒸気タービンの構成部材の製造方法は、タービンロータ、動翼、および静翼から選ばれる少なくとも1種の構成部材の製造方法に関する。実施形態の蒸気タービンの構成部材の製造方法は、構成部材の基材上に酸化物層を形成する工程と、この酸化物層上に、この酸化物層よりも耐エロージョン性が高い窒化物または炭化物からなる硬質層を形成する工程とを有する。 The manufacturing method of the structural member of the steam turbine of embodiment is related with the manufacturing method of the at least 1 sort (s) of structural member chosen from a turbine rotor, a moving blade, and a stationary blade. The manufacturing method of the constituent member of the steam turbine according to the embodiment includes a step of forming an oxide layer on a base material of the constituent member, and a nitride or a erosion resistance higher than that of the oxide layer on the oxide layer. Forming a hard layer made of carbide.
実施形態の蒸気タービンの構成部材は、耐酸化性および耐エロージョン性が良好で、かつ成膜時間の短縮化も容易な表面改質層を有する。従って、初期の翼形状や表面粗さが長期間維持され、発電効率が初期の高いレベルに長期間維持された蒸気タービンを容易に製造できる。 The constituent members of the steam turbine according to the embodiment have a surface-modified layer that has good oxidation resistance and erosion resistance and that can easily shorten the film formation time. Therefore, it is possible to easily manufacture a steam turbine in which the initial blade shape and the surface roughness are maintained for a long time and the power generation efficiency is maintained at a high initial level for a long time.
以下、本発明の実施形態について説明する。
図1は、蒸気タービンの一実施形態を示す断面図である。
蒸気タービン1は、タービンロータ4、このタービンロータ4に植設される動翼(ブレード)5、この動翼5の上流側に配設される静翼(ノズル)6、およびこれらを内包するタービンケーシング13を具備する。動翼5とその上流側に配設される静翼6とにより1つの段落7が構成される。また、タービンロータ4の軸方向に複数の段落7が配置されて蒸気通路8が構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a steam turbine.
The
図2は、蒸気タービン1の構成部材を示す断面図である。
タービンロータ4、動翼5、および静翼6から選ばれる少なくとも1種の構成部材の基材14上には、表面改質層15が設けられる。表面改質層15は、基材14側から順に、酸化物層16、この酸化物層16よりも耐エロージョン性が高い窒化物または炭化物からなる硬質層17を有する。なお、表面改質層15は、基材14の表面の一部に設けられてもよいし、基材14の表面の全体に設けられてもよい。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing components of the
A
このような表面改質層15によれば、耐酸化性および耐エロージョン性が良好となるとともに、成膜時間の短縮化が容易となる。すなわち、酸化物層16は、ゾルゲル法等の湿式法により形成できる。ゾルゲル法等の湿式法によれば、大気圧下で成膜できるとともに、気相成長法に比べて短時間で成膜できる。また、酸化物層16によれば、硬質層17が酸化分解したとしても、基材14への酸素拡散を抑制できる。一方、硬質層17は、酸化物層16よりも耐エロージョン性が高い窒化物または炭化物からなることから、従来の酸化物層のみからなる表面改質層に比べて、耐エロージョン性が良好となる。従って、従来の酸化物層のみからなる表面改質層や硬質層のみからなる表面改質層に比べて、耐酸化性および耐エロージョン性が良好となるとともに、成膜時間の短縮化が容易となる。これにより、初期の翼形状や表面粗さが長期間維持され、発電効率が初期の高いレベルに長期間維持された、蒸気タービン1を容易に製造できる。
According to such a
酸化物層16は、化学的安定性、熱的安定性、耐酸化性、および成膜性の観点から、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、および酸化ジルコニウムから選ばれる少なくとも1種からなることが好ましい。これらの中でも、特に酸化ケイ素が好ましい。
The
酸化物層16の厚さは、0.5μm以上が好ましい。酸化物層16の厚さが0.5μm以上の場合、基材14が均一に覆われて、表面改質層15の耐酸化性および耐エロージョン性が良好となる。酸化物層16の厚さは、酸化物層16と硬質層17との合計した厚さで2.0μm以下が好ましい。合計した厚さが2.0μm以下の場合、クラックの発生が抑制されて耐酸化性等が良好となるとともに、基材14からの剥離等も抑制される。また、成膜時間が短縮され、生産性が良好となる。酸化物層16の厚さは、特に1.5μm以下が好ましい。
The thickness of the
酸化物層16の成膜方法は、特に制限されず、溶射法、物理気相成長法(PVD法)、化学気相成長法(CVD法)、イオン注入法、湿式法が挙げられる。これらの中でも、成膜時間の短縮化が可能であり、成膜装置も簡便であることから、湿式法が好ましい。湿式法としては、ゾルゲル法、スラリー法等が挙げられ、特にゾルゲル法が好ましい。
The method for forming the
ゾルゲル法は、アルコキシド等の有機化合物をアルコール溶液中で加水分解および縮重合して粘性のあるゾルとし、これを塗布してゲル膜とし、加熱して酸化物層16を形成する。ゾルとして、ケイ素、チタン、アルミニウム、またはジルコニウムの酸化物のゾルが挙げられる。例えば、ケイ素の酸化物のゾルとして、シランカップリング剤、ケイ酸メチル、ケイ酸エチル、ケイ酸プロピル、ケイ酸ブチル等の有機ケイ素化合物を加水分解して得られるものが挙げられる。なお、ゾルは、アルコキシドから得られるものに限定されない。
In the sol-gel method, an organic compound such as an alkoxide is hydrolyzed and polycondensed in an alcohol solution to form a viscous sol, which is applied to form a gel film, and heated to form the
スラリー法は、酸化物粒子を溶媒中に分散させてスラリーとしたものを塗布し、加熱により溶媒を除去して酸化物層16を形成する。酸化物粒子として、酸化ケイ素粒子、酸化チタン粒子、酸化アルミニウム粒子、酸化ジルコニウム粒子が挙げられる。
In the slurry method, oxide particles are dispersed in a solvent and applied as a slurry, and the solvent is removed by heating to form the
湿式法としては、上記方法以外にも、例えば、酸化物を生成する前駆体を含有する溶液(前駆体溶液)を塗布し、加熱等により前駆体を分解して酸化物を生成させて酸化物層16を形成する方法を採用できる。例えば、酸化ケイ素の前駆体として、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸カルシウム、ケイ酸バリウム等のケイ酸塩が挙げられる。酸化チタンの前駆体として、チタンフッ化水素酸、乳酸チタン、酒石酸チタン、酢酸チタン、塩化酸化チタン、ペルオキソチタン酸等のチタン金属塩またはチタン錯体が挙げられる。酸化ジルコニウムの前駆体として、ジルコンフッ化水素酸、炭酸ジルコニウムアンモニウム、ジルコンフッ化カリウム、ジルコンフッ化ナトリウム、塩基性炭酸ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、酢酸ジルコニウム、塩化酸化ジルコニウム等のジルコニウム金属塩またはジルコニウム錯体が挙げられる。
As the wet method, in addition to the above method, for example, a solution containing a precursor that generates an oxide (precursor solution) is applied, the precursor is decomposed by heating or the like to generate an oxide, and the oxide A method of forming the
湿式法における塗布方法としては、ディッピング、スプレー、スピンコーティング、ロールコーティング、バーコート等が挙げられる。また、加熱方法としては、例えば、基材14を電気炉内に保持して加熱する方法、赤外線等の照射により加熱する方法が挙げられる。なお、加熱方法は、これらの加熱方法に限定されない。
Examples of the application method in the wet method include dipping, spraying, spin coating, roll coating, and bar coating. Examples of the heating method include a method of heating the
加熱温度は、湿式法の種類に応じて決定でき、塗布膜を有効に加熱して酸化物層16を形成できればよい。加熱温度は、80〜600℃が好ましい。加熱温度が80℃以上の場合、酸化物層16を効率的に形成できる。また、加熱温度が600℃以下の場合、基材14の組織変化が抑制され、疲労強度やクリープ強度等の低下が抑制される。
The heating temperature can be determined according to the type of wet method, and it is sufficient that the
硬質層17は、酸化物層16上に設けられ、酸化物層16よりも耐エロージョン性が高い窒化物または炭化物から構成される。硬質層17を有することで、酸化物層16のみを有する場合に比べて、耐エロージョン性が良好となる。
The
硬質層17の構成材料として、例えば、炭化ケイ素、炭化タングステン、または窒化チタンが挙げられる。また、硬質層17の構成材料として、窒化チタンを母体とし、アルミニウムおよびケイ素から選ばれる少なくとも1種の元素を含有する複合窒化物が挙げられる。これらの構成材料の場合、特に耐エロージョン性が良好となる。硬質層17は、耐エロージョン性の観点から、1000以上のビッカース硬さを有することが好ましい。なお、ビッカース硬さは、JISZ2244の方法に準じて、試験力:0.2〜1.0Nで測定される。
Examples of the constituent material of the
硬質層17の厚さは、表面改質層15の耐酸化性および耐エロージョン性の観点から、0.5μm以上が好ましい。硬質層17の厚さが0.5μm以上の場合、基材14が均一に覆われて、表面改質層15の耐酸化性および耐エロージョン性が特に良好となる。硬質層17の厚さは、酸化物層16と硬質層17との合計した厚さで2.0μm以下が好ましい。合計した厚さが2.0μm以下の場合、クラックの発生が抑制されて耐酸化性が良好となるとともに、基材14からの剥離等も抑制される。また、成膜時間が短縮されて、成膜性が良好となる。硬質層17の厚さは、特に1.5μm以下が好ましい。
The thickness of the
硬質層17の成膜方法は、必ずしも制限されないが、緻密で耐エロージョン性の良好な硬質層17が得られることから、物理気相成長法(PVD法)、化学気相成長法(CVD法)等が好ましい。PVD法としては、パルスレーザ蒸着法、電子ビ−ム蒸着法等の蒸着法、マグネトロンスパッタリング法等のスパッタリング法、イオンプレーティング法等が挙げられる。CVD法としては、プラズマCVD法等が挙げられる。
The film formation method of the
上記実施形態では、基材14の表面に表面改質層15として酸化物層16と硬質層17とを形成した場合について説明したが、表面改質層15は必ずしもこのようなものに限定されない。例えば、基材14と酸化物層16との密着性を良好とするために、基材14と酸化物層16との間に金属ボンドコートとしてMCrAlY合金層(Mは、Fe、Ni、およびCoの少なくとも1種を含む金属)を設けてもよい。また、酸化物層16は、単層構造に限定されず、2層以上の構成材料の異なる酸化物層を有する多層構造でもよい。同様に、硬質層も、単層構造に限定されず、2層以上の構成材料の異なる硬質層を有する多層構造でもよい。
In the above embodiment, the case where the
以上、実施形態について説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。 As mentioned above, although embodiment was described, these embodiment was shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention.
図1に示すような蒸気タービン1におけるタービンロータ4、動翼5、および静翼6の基材14に、酸化物層16および硬質層17をこの順に成膜して表面改質層15を成膜する。なお、酸化物層16として、ゾルゲル法により膜厚が1.0μmの酸化ケイ素膜を成膜する。また、硬質層17として、RF反応性マグネトロンスパッタリング法により、膜厚が1.0μmであって1000以上のビッカース硬さを有する窒化チタン膜を成膜する。このRF反応性マグネトロンスパッタリング法による成膜は、チタンターゲットを用いて、窒素ガス雰囲気中で行う。
A surface modified
上記したゾルゲル法による酸化ケイ素膜の成膜は、塗布および加熱を合わせても1時間以内で終了する。一方、RF反応性マグネトロンスパッタリング法による窒化チタン膜の成膜は、成膜前の真空引きに約2時間、成膜に約8時間、両者を合わせて10時間程度で終了する。従って、全体の成膜時間は、11時間程度となる。RF反応性マグネトロンスパッタリング法による膜厚が2.0μmの窒化チタン膜の成膜時間は17時間程度であることから、本実施例では成膜時間を6時間程度短縮できる。また、本実施例では、硬質層17としての窒化チタン膜が酸化分解したとしても、酸化物層16としての酸化ケイ素膜により基材14への酸素拡散が抑制される。
The film formation of the silicon oxide film by the sol-gel method is completed within one hour even when coating and heating are combined. On the other hand, the formation of the titanium nitride film by the RF reactive magnetron sputtering method is completed in about 2 hours for evacuation before film formation, about 8 hours for film formation, and about 10 hours in total. Therefore, the total film formation time is about 11 hours. Since the film formation time of the titanium nitride film having a film thickness of 2.0 μm by the RF reactive magnetron sputtering method is about 17 hours, the film formation time can be shortened by about 6 hours in this embodiment. Further, in this embodiment, even if the titanium nitride film as the
また、本実施例の蒸気タービン1を稼働した場合、構成部材の表面に硬質層17としてビッカース硬さが1000以上の窒化チタン膜が設けられていることから、ボイラースケールが入射したとしても耐エロージョン性が良好となる。従って、初期の翼形状や表面粗さを長期間維持して、発電効率を初期の高いレベルに長期間維持できる。
Further, when the
1…蒸気タービン、4…タービンロータ、5…動翼(ブレード)、6…静翼(ノズル)、7…段落、8…蒸気通路、13…タービンケーシング、14…基材、15…表面改質層、16…酸化物層、17…硬質層
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記構成部材は、基材上に表面改質層を有し、前記表面改質層は、前記基材側から順に、酸化物層と、前記酸化物層よりも耐エロージョン性が高い窒化物または炭化物からなる硬質層とを有する蒸気タービンの構成部材。 At least one component selected from a turbine rotor, a moving blade, and a stationary blade in a steam turbine,
The constituent member has a surface modified layer on a base material, and the surface modified layer is, in order from the base material side, an oxide layer and a nitride having higher erosion resistance than the oxide layer or A component of a steam turbine having a hard layer made of carbide.
前記構成部材の基材上に酸化物層を形成する工程と、
前記酸化物層上に、前記酸化物層よりも耐エロージョン性が高い窒化物または炭化物からなる硬質層を形成する工程と
を有する蒸気タービンの構成部材の製造方法。 A method for producing at least one component selected from a turbine rotor, a moving blade, and a stationary blade in a steam turbine,
Forming an oxide layer on the base material of the component;
Forming a hard layer made of nitride or carbide having higher erosion resistance than the oxide layer on the oxide layer.
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