JP2015187300A - Method for manufacturing steam turbine component and steam turbine component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、蒸気タービン部品の製造方法及び蒸気タービン部品に関する。 Embodiments described herein relate generally to a method for manufacturing a steam turbine component and a steam turbine component.
蒸気タービンにおいて、高温域で使用される高・中圧タービン動翼ならびに静翼等の蒸気タービン部品では、ボイラ及び主蒸気、再熱蒸気管内面より発生する酸化スケールが蒸気とともに飛来し、衝突することによる固体粒子エロージョンを生じる。このような固体粒子エロージョンは、タービン性能の低下を招くため、その対策が長年の課題となっている。 In steam turbines, steam turbine parts such as high and medium pressure turbine blades and stationary blades used at high temperatures, the oxide scale generated from the inner surface of the boiler, main steam, and reheat steam pipes fly along with the steam and collide with it. Cause solid particle erosion. Such solid particle erosion causes a decrease in turbine performance, and countermeasures have been a problem for many years.
このような固体粒子エロージョンの低減策として、本発明者等は、蒸気タービン部品の表面に炭化物系のサーメットの溶射皮膜を形成することにより、固体粒子エロージョンを低減できることを見出した（例えば、特許文献１参照。）。 As a measure for reducing such solid particle erosion, the present inventors have found that solid particle erosion can be reduced by forming a spray coating of carbide-based cermet on the surface of the steam turbine component (for example, Patent Documents). 1).
しかしながら、炭化物系のサーメットの溶射皮膜を形成した蒸気タービン部品であっても、その耐用年数は４年程度であり、さらに固体粒子エロージョンの低減を図り、現状の蒸気タービンの運用期間である８年程度にまで耐用年数を長期化し、電力の安定供給を行えるようにすることが求められている。 However, even steam turbine parts with a carbide-based cermet sprayed coating have a useful life of about 4 years, further reducing solid particle erosion, and the current steam turbine operation period of 8 years. There is a need to extend the useful life to such an extent as to enable a stable power supply.
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、蒸気タービン部品の耐エロージョン性を向上させることのできる蒸気タービン部品の製造方法及び蒸気タービン部品を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a steam turbine component and a steam turbine component that can improve the erosion resistance of the steam turbine component.
実施形態の蒸気タービン部品の製造方法は、蒸気タービンを構成する蒸気タービン部品を製造する蒸気タービン部品の製造方法である。Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料を用いて前記蒸気タービン部品の表面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成工程と、溶射皮膜形成工程の後、前記蒸気タービン部品に、浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行い、前記溶射皮膜の表面に皮膜を形成する皮膜形成工程とを具備する。 The manufacturing method of the steam turbine component of embodiment is a manufacturing method of the steam turbine component which manufactures the steam turbine component which comprises a steam turbine. After a thermal spray coating forming step of forming a thermal spray coating on the surface of the steam turbine component using a thermal spray material containing a Cr 3 C 2 powder, a metal binder made of Ni powder and Cr powder, The steam turbine component is subjected to a diffusion and permeation treatment of either carburizing or chromizing treatment to form a coating on the surface of the sprayed coating.
実施形態の蒸気タービン部品は、蒸気タービンを構成する蒸気タービン部品であって、Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料を用いて形成された溶射皮膜と、浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行うことによって、前記溶射皮膜の表面に形成された皮膜とを具備する。 The steam turbine component of the embodiment is a steam turbine component that constitutes a steam turbine, and a thermal spray coating formed using a thermal spray material including a Cr 3 C 2 powder and a metal binder made of Ni powder and Cr powder; And a coating formed on the surface of the sprayed coating by performing a diffusion penetration treatment of either carburizing or chromizing treatment.
以下、実施形態の蒸気タービン部品の製造方法及び蒸気タービン部品について図面を参照して説明する。 Hereinafter, a steam turbine component manufacturing method and a steam turbine component according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
まず、蒸気タービンの構成について説明する。図１は、蒸気タービンの構成の一例を示すものである。図１に示すように、蒸気タービン１は、タービンロータ４と、タービンロータ４に植設される動翼（ブレード）５と、動翼５の上流側に配設される静翼（ノズル）６と、静翼６を支持するとともにタービンロータ４、動翼５及び静翼６を内包するタービンケーシング９とを具備している。そして、動翼５と静翼６との対により一つの段落７を形成するとともにタービンロータ４の軸方向に複数の段落７を並べて蒸気通路８を形成した構成となっている。
First, the configuration of the steam turbine will be described. FIG. 1 shows an example of the configuration of a steam turbine. As shown in FIG. 1, the steam turbine 1 includes a turbine rotor 4, a moving blade (blade) 5 implanted in the turbine rotor 4, and a stationary blade (nozzle) 6 disposed on the upstream side of the moving blade 5. And a turbine casing 9 that supports the
本実施形態では、蒸気タービン部品、例えば、静翼６、動翼５等の表面の少なくとも一部に、耐固体粒子エロージョン性を有するコーティング膜を形成する。このコーティング膜は、Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料を用いて蒸気タービン部品の表面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成工程と、溶射皮膜形成工程の後、蒸気タービン部品に、浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行い、溶射皮膜の表面に皮膜を形成する皮膜形成工程とによって形成する。
In the present embodiment, a coating film having solid particle erosion resistance is formed on at least a part of the surface of the steam turbine component, for example, the
上記コーティング膜は、クロムカーバイドのサーメット溶射皮膜の表面に、浸炭又はクロマイジング処理によって緻密な炭化物皮膜を形成したものである。これによって、固体粒子エロージョンを著しく低減することができ、動翼、静翼等の蒸気タービン部品の耐固体粒子エロージョン寿命を、約２倍に延命することができる。したがって、電力の安定供給に質することができる。 The coating film is obtained by forming a dense carbide film on the surface of a chrome carbide cermet sprayed film by carburizing or chromizing treatment. As a result, solid particle erosion can be remarkably reduced, and the solid particle erosion life of steam turbine parts such as moving blades and stationary blades can be extended by about twice. Therefore, it is possible to improve the quality of power supply.
上述したとおり本実施形態では、溶射皮膜を形成する際に使用する炭化物系サーメットの原料物質として、準安定型のＣｒ３Ｃ２粉末を用いる。また、金属バインダとしてはＮｉ粉末及びＣｒ粉末を用いる。準安定型のＣｒ３Ｃ２は、蒸気タービン部品に溶射した後、実機運転中にＣｒ７Ｃ３の安定型炭化物に変化し、皮膜の硬度を向上させることができる。Ｃｒ３Ｃ２粉末と金属バインダは、体積率でＣｒ３Ｃ２粉末が７５乃至８３％程度含まれ、残りの２５乃至１７％程度が金属バインダとなるようにすることが好ましい。金属バインダ中のＮｉ粉末とＣｒ粉末との割合は、体積率でＮｉ粉末が５０乃至７０％程度含まれ、残りの５０乃至３０％程度がＣｒ粉末となるように調製することが好ましい。 As described above, in the present embodiment, metastable Cr 3 C 2 powder is used as a raw material for a carbide-based cermet used when forming a sprayed coating. Ni powder and Cr powder are used as the metal binder. After metastable Cr 3 C 2 is sprayed onto the steam turbine parts, it changes to a stable carbide of Cr 7 C 3 during operation of the actual machine, and the hardness of the coating can be improved. It is preferable that the Cr 3 C 2 powder and the metal binder contain about 75 to 83% of the Cr 3 C 2 powder by volume ratio, and the remaining 25 to 17% becomes the metal binder. The ratio of the Ni powder and the Cr powder in the metal binder is preferably adjusted so that the Ni powder is contained by about 50 to 70% by volume and the remaining 50 to 30% is Cr powder.
溶射皮膜の厚さは、０．３〜０．５ｍｍ程度とすることが好ましい。耐固体粒子エロージョン性の観点からは、溶射皮膜の厚さとしてはある程度の厚さが必要とされるが、静翼等に溶射皮膜を形成した際に、蒸気出口側の厚さが厚くなりすぎると、蒸気の流れは静翼出口端で乱流となり、タービン性能に悪影響を及ぼしてしまうからである。 The thickness of the sprayed coating is preferably about 0.3 to 0.5 mm. From the viewpoint of erosion resistance of solid particles, a certain amount of thickness is required as the thickness of the sprayed coating, but when the sprayed coating is formed on a stationary blade or the like, the thickness on the steam outlet side becomes too thick. This is because the steam flow becomes turbulent at the stationary blade outlet end and adversely affects the turbine performance.
サーメットの溶射皮膜を形成した後、浸炭またはクロマイジング処理による拡散浸透処理を行うことにより、溶射皮膜の外側表面に、溶射皮膜より緻密で高硬度の皮膜を形成する。このように溶射皮膜の外側表面に緻密で高硬度の皮膜を再形成することにより、セラミック化させ、飛来してくる酸化スケールからの衝突摩耗に対する抵抗力を向上させることができる。 After forming the cermet sprayed coating, a diffusion and penetrating treatment by carburizing or chromizing treatment is performed to form a coating that is denser and harder than the sprayed coating on the outer surface of the sprayed coating. Thus, by re-forming a dense and high hardness coating on the outer surface of the thermal spray coating, it is possible to improve the resistance to impact wear from the oxide scale that is made ceramic and flying.
浸炭またはクロマイジング処理の温度は、そのタービン部品（動翼、静翼等）の焼き入れ温度に合せることが好ましい。これにより、拡散浸透処理後の母材強度の回復を容易に行うことができる。すなわち、焼き入れ温度で処理することにより、処理後の焼き戻し温度を通常の温度に設定することができる。 The temperature of the carburizing or chromizing treatment is preferably matched to the quenching temperature of the turbine component (moving blade, stationary blade, etc.). Thereby, recovery of the base material strength after the diffusion permeation treatment can be easily performed. That is, by performing the treatment at the quenching temperature, the tempering temperature after the treatment can be set to a normal temperature.
上記の溶射施工後の拡散浸透処理によって溶射皮膜の外側表面に形成される皮膜は、溶射皮膜の気孔率に影響されずに形成され、この皮膜形成により溶射皮膜の気孔が封孔される。このため、溶射工程では、気孔率の小さな溶射皮膜を形成することのできる高速フレーム溶射だけでなく、より気孔率の大きな溶射皮膜が形成される方法、例えば、大気圧プラズマ溶射、ワイヤメタライジングによる溶射法等も使用することができる。 The coating formed on the outer surface of the thermal spray coating by the diffusion penetration treatment after the thermal spraying is formed without being affected by the porosity of the thermal spray coating, and the pores of the thermal spray coating are sealed by this coating formation. For this reason, in the thermal spraying process, not only high-speed flame spraying capable of forming a low-porosity thermal spray coating but also a method of forming a thermal spray coating with higher porosity, for example, atmospheric pressure plasma spraying, wire metalizing Thermal spraying can also be used.
（実施例）
以下、実施例について説明する。
まず、体積率でＣｒ３Ｃ２粉末を８０％、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダを２０％含む溶射材料（８０％Ｃｒ３Ｃ２−２０％ＮｉＣｒ）を用いて、高速フレーム溶射により、０．４ｍｍ厚さの溶射皮膜を試験片に形成した。なお、試験片としては、静翼素材である１２Ｃｒ鋼からなり、大きさが、縦３０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ５ｍｍのものを使用した。また、金属バインダは、体積率でＮｉ粉末５０％、Ｃｒ粉末５０％のものを用いた。
(Example)
Examples will be described below.
First, using a thermal spray material (80% Cr 3 C 2 -20% NiCr) containing 80% Cr 3 C 2 powder by volume and 20% metal binder composed of Ni powder and Cr powder, by high-speed flame spraying, A 0.4 mm thick sprayed coating was formed on the test piece. In addition, as a test piece, the thing which consists of 12Cr steel which is a stationary blade raw material, and whose magnitude | size is 30 mm long, 10 mm wide, and 5 mm in thickness was used. Moreover, the metal binder used was 50% Ni powder and 50% Cr powder in volume ratio.
次に、溶射皮膜を形成した試験片に、ガス浸炭を行った。ガス浸炭における処理温度は、静翼素材である１２Ｃｒ鋼の焼き入れ温度である１０９０℃で、処理時間は２時間である。この後、６９０℃で０．５時間の焼き戻しを行った。なお、ガス浸炭の場合、炭酸ガス濃度を、例えば、３０乃至３５％程度とする。 Next, gas carburization was performed on the test piece on which the sprayed coating was formed. The treatment temperature in gas carburization is 1090 ° C., which is the quenching temperature of 12Cr steel, which is a stationary blade material, and the treatment time is 2 hours. Thereafter, tempering was performed at 690 ° C. for 0.5 hour. In the case of gas carburization, the carbon dioxide concentration is, for example, about 30 to 35%.
ガス浸炭による拡散浸透処理では、Ｃｒ３Ｃ２の溶射皮膜のＣｒとＣが分解し、炭酸ガス中のＣとＣｒが結合し、外側表面に厚さが約２０μｍの皮膜が新たに形成されていることが確認された。この皮膜は、溶射皮膜の外側表面に緻密な外層として形成されており、表面粗さも３Ｓと溶射皮膜（表面粗さ６Ｓ）に比べ非常に平滑な面となっていた。また硬さはＨｖ８００以上であった。この皮膜には、Ｃｒ７Ｃ３が少なくとも含まれている。 In the diffusion penetration treatment by gas carburization, Cr and C of the Cr 3 C 2 sprayed coating are decomposed, C and Cr in carbon dioxide gas are combined, and a coating with a thickness of about 20 μm is newly formed on the outer surface. It was confirmed that This coating was formed as a dense outer layer on the outer surface of the thermal spray coating, and the surface roughness was very smooth compared to 3S and thermal spray coating (surface roughness 6S). Moreover, hardness was Hv800 or more. This film contains at least Cr 7 C 3 .
また、溶射皮膜を形成した他の試験片について、粉末法によるクロマイジング処理を行った。クロマイジング処理は、純度９９．９９％の酸化クロム端末中に溶射皮膜を形成した試験片を挿入して行った。処理温度は、１２Ｃｒ鋼の焼き入れ温度である１０９０℃、処理時間は２時間とした。この後、粉末中から試験片を取り出し、６９０℃で０．５時間の焼き戻しを行った。断面観察の結果、溶射皮膜の外側表面に約１５μｍの厚さで均一で緻密な皮膜が形成されていた。この皮膜の表面粗さは３Ｓであり、硬さはＨｖ８００以上であった。この皮膜にも、Ｃｒ７Ｃ３が少なくとも含まれている。 Moreover, the chromizing process by the powder method was performed about the other test piece which formed the sprayed coating. The chromizing treatment was performed by inserting a test piece on which a sprayed coating was formed in a chromium oxide terminal having a purity of 99.99%. The treatment temperature was 1090 ° C., the quenching temperature of 12Cr steel, and the treatment time was 2 hours. Then, the test piece was taken out from the powder and tempered at 690 ° C. for 0.5 hour. As a result of cross-sectional observation, a uniform and dense coating having a thickness of about 15 μm was formed on the outer surface of the thermal spray coating. The surface roughness of this film was 3S, and the hardness was Hv800 or more. This film also contains at least Cr 7 C 3 .
上記の２種類の試験片及び溶射皮膜のみを形成した試験片、表面に溶射皮膜を形成していない試験片について、固体粒子エロージョン試験を行った。固体粒子エロージョン試験は、蒸気タービン部品のエロージョンを再現するため、ボイラースケールと同種の酸化鉄粒子を、高温かつ高速で噴流して試験片に当て、試験片にエロージョンを発生させた。具体的には、温度５００℃にて、流速４３５ｍ／ｓ、酸化鉄を１ｋｇ投入した時のエロージョン減量を測定した。 A solid particle erosion test was performed on the above two types of test pieces, a test piece on which only the thermal spray coating was formed, and a test piece on which no thermal spray coating was formed. In the solid particle erosion test, in order to reproduce the erosion of the steam turbine parts, iron oxide particles of the same type as the boiler scale were jetted at a high temperature and high speed and applied to the test piece to generate erosion on the test piece. Specifically, the erosion loss when a flow rate of 435 m / s and 1 kg of iron oxide were added at a temperature of 500 ° C. was measured.
この結果を、縦軸をエロージョン減量とした図２のグラフに示す。図２において、クロマイジング処理を行った試験片については、クロマイジング材、浸炭を行った試験片については、浸炭材、溶射皮膜のみを形成した試験片については、ＣｒＣ溶射材、表面に溶射皮膜を形成していない試験片については１２Ｃｒ鋼として示してある。同図に示すように、実施例のクロマイジング材及び浸炭材では、何れも１２Ｃｒ鋼及びＣｒＣ溶射材よりもエロージョン減量が少なくなっており、耐固体粒子エロージョン性に優れていることが確認できた。 This result is shown in the graph of FIG. 2 with the ordinate representing the erosion loss. In FIG. 2, the chromizing material is used for the chromized test piece, the carburized test piece is used for the carburized material, and the test piece formed only with the sprayed coating is the CrC sprayed material. The test piece that is not formed is shown as 12Cr steel. As shown in the figure, in the chromizing material and the carburized material of the examples, the erosion weight loss was less than that of 12Cr steel and CrC sprayed material, and it was confirmed that the solid particle erosion resistance was excellent. .
ここで、固体粒子エロージョンにおける、固体粒子衝突角度と耐エロージョン性の関係を、金属材料（延性材料）と、溶射皮膜等のセラミック材料（脆性材料）について調査した結果を、縦軸をエロージョン減量、横軸を衝突角度とした図３に示す。なお、固体粒子衝突角度とは、図４に示すように、固体粒子の試験片の面に対する入射角のことであり、垂直に入射する場合が９０°となる。 Here, the relationship between the solid particle collision angle and the erosion resistance in solid particle erosion was investigated for metal materials (ductile materials) and ceramic materials (brittle materials) such as sprayed coatings, and the vertical axis represents erosion weight loss. FIG. 3 shows the collision angle on the horizontal axis. The solid particle collision angle is an incident angle of the solid particles with respect to the surface of the test piece, as shown in FIG.
図３に示されるとおり、金属材料のような延性材料は衝突角度が約２５〜３０°でエロージョン減量は最大になる。一方、セラミック材料のような脆性材料は、衝突角度が９０°で最大となる。 As shown in FIG. 3, a ductile material such as a metallic material has a maximum erosion loss at an impact angle of about 25-30 °. On the other hand, a brittle material such as a ceramic material has a maximum impact angle of 90 °.
炭化物系を主としたセラミック溶射材では、エロージョン減量は最大になるのは、衝突角度が９０°の場合であるが、実機での衝突角度は３０°程度であるため、エロージョン減量は少なくなることが予想される。しかしながら、溶射皮膜の表面粗さは粗く（例えば、６Ｓ程度）、しかも気孔率が関与することにより、衝突角度が浅くてもエロージョン減量が増加する傾向がある。 In ceramic sprayed materials mainly composed of carbides, the erosion loss is maximized when the collision angle is 90 °, but the erosion loss is reduced because the collision angle in the actual machine is about 30 °. Is expected. However, the surface roughness of the thermal spray coating is rough (for example, about 6S), and the porosity is involved, so that erosion loss tends to increase even when the collision angle is shallow.
このため、固体粒子と衝突する外側表面を平滑な面とし、その表面粗さを３Ｓ以下程度とすることにより、固体粒子が飛来、衝突した際にすべりを生じさせ、外表面へのエネルギーを緩和させることで、エロージョン減量を減少させることができる。この場合、表面を研磨することも考えられるが、前述したとおり、浸炭またはクロマイジング処理を行った実施例では、表面粗さが３Ｓの被膜が形成されており、これによりエロージョン減量を減少させることができる。 For this reason, the outer surface that collides with the solid particles is made smooth and the surface roughness is about 3S or less, so that when the solid particles fly and collide, slipping occurs and the energy to the outer surface is reduced. By doing so, erosion weight loss can be reduced. In this case, it is conceivable to polish the surface, but as described above, in the examples in which carburizing or chromizing treatment was performed, a film having a surface roughness of 3S was formed, thereby reducing erosion loss. Can do.
以上説明したように、本実施形態によれば、Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料を用いて蒸気タービン部品の表面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成工程を行った後、蒸気タービン部品に、浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行い、溶射皮膜の表面に皮膜を形成することにより、耐エロージョン性を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, a thermal spray coating that forms a thermal spray coating on the surface of a steam turbine component using a thermal spray material including a Cr 3 C 2 powder and a metal binder made of Ni powder and Cr powder. After performing the forming step, the erosion resistance can be improved by subjecting the steam turbine part to diffusion diffusion treatment of either carburization or chromizing treatment to form a coating on the surface of the sprayed coating.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is 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. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
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、９……タービンケーシング。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Steam turbine, 4 ... Turbine rotor, 5 ... Moving blade (blade), 6 ... Stator blade (nozzle), 7 ... Paragraph, 8 ... Steam passage, 9 ... Turbine casing.
Claims (9)
Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料を用いて前記蒸気タービン部品の表面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成工程と、
溶射皮膜形成工程の後、前記蒸気タービン部品に、浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行い、前記溶射皮膜の表面に皮膜を形成する皮膜形成工程と
を具備することを特徴とする蒸気タービン部品の製造方法。 A steam turbine component manufacturing method for manufacturing a steam turbine component constituting a steam turbine,
A thermal spray coating forming step of forming a thermal spray coating on the surface of the steam turbine component using a thermal spray material containing a Cr 3 C 2 powder and a metal binder made of Ni powder and Cr powder;
After the thermal spray coating formation step, the steam turbine component is subjected to either diffusion carburization or chromizing treatment and diffusion coating treatment to form a coating on the surface of the thermal spray coating. A method of manufacturing a steam turbine component.
Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料用いて形成された溶射皮膜と、
浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行うことによって、前記溶射皮膜の表面に形成された皮膜と
を具備することを特徴とする蒸気タービン部品。 A steam turbine component constituting a steam turbine,
A thermal spray coating formed using a thermal spray material including a Cr 3 C 2 powder and a metal binder made of Ni powder and Cr powder;
A steam turbine component comprising: a coating formed on a surface of the thermal spray coating by performing a diffusion penetration treatment of either carburizing or chromizing treatment.
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