JP2015218379A - Thermal barrier coating material for steam turbine, and steam apparatus for power generation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、蒸気タービン用遮熱コーティング材料および発電用蒸気機器に関する。 Embodiments described herein relate generally to a thermal barrier coating material for a steam turbine and a steam generator for power generation.
従来、内部に高温蒸気が流通される蒸気機器、例えば、火力発電設備における蒸気タービンにおいては、蒸気温度が600℃未満であることから、タービンロータ、ノズル、動翼等の高温部品には、経済性、生産性等の観点から、フェライト系耐熱鋼が使用されている。 Conventionally, in steam equipment in which high-temperature steam is circulated, for example, steam turbines in thermal power generation facilities, since the steam temperature is less than 600 ° C., high-temperature parts such as turbine rotors, nozzles, and moving blades are economical. Ferritic heat-resistant steel is used from the viewpoint of productivity and productivity.
また、火力発電設備の高効率化を目的として、蒸気温度が600℃程度の蒸気タービンも運転されている。蒸気温度が600℃程度の場合、フェライト系耐熱鋼では十分な高温強度が得られないことから、ニッケルを主成分とする耐熱合金、オーステナイト系耐熱鋼等が高温部品に使用されている。 A steam turbine having a steam temperature of about 600 ° C. is also operated for the purpose of improving the efficiency of the thermal power generation facility. When the steam temperature is about 600 ° C., sufficient high-temperature strength cannot be obtained with ferritic heat-resistant steel. Therefore, heat-resistant alloys mainly composed of nickel, austenitic heat-resistant steel, and the like are used for high-temperature parts.
近年、さらなる火力発電設備の高効率化を目的として、蒸気温度が700℃を超えるような蒸気タービンの開発が行われている。しかし、蒸気温度が700℃を超えるような蒸気タービンの場合、構成材料の改良だけでは、十分な高温強度を確保することができない。 In recent years, steam turbines having a steam temperature exceeding 700 ° C. have been developed for the purpose of further increasing the efficiency of thermal power generation facilities. However, in the case of a steam turbine whose steam temperature exceeds 700 ° C., sufficient high-temperature strength cannot be ensured only by improving the constituent materials.
高温強度を確保する方法として、冷却蒸気によって高温部品を冷却することが検討されている。しかし、冷却蒸気を用いる場合、主流の数%にも達する冷却蒸気が必要となる。また、冷却蒸気を用いる場合、蒸気通路内に冷却蒸気が流入することから熱効率が低下する。 As a method for ensuring high temperature strength, it has been studied to cool high temperature parts with cooling steam. However, when the cooling steam is used, the cooling steam reaching several percent of the mainstream is required. In addition, when cooling steam is used, the cooling steam flows into the steam passage, so that the thermal efficiency is lowered.
一方、ガスタービンにおいては、1000℃を超える高温燃焼ガスから高温部品を保護するために、高温部品の表面に低熱伝導性を有するジルコニウム酸化物を含む遮熱層が設けられている。しかし、このような遮熱層を蒸気タービンの高温部品に適用した場合、高温蒸気との反応によりジルコニウム酸化物の組織的安定性が低下して、高温部品から遮熱層が剥離しやすい。また、蒸気タービンは、ガスタービンに比べて作動ガスの温度が低く、内外面の温度差が小さいことから、遮熱層には、十分な厚さに形成することができ、これにより遮熱性を向上できることが求められる。 On the other hand, in a gas turbine, in order to protect a high-temperature component from a high-temperature combustion gas exceeding 1000 ° C., a heat shield layer containing zirconium oxide having low thermal conductivity is provided on the surface of the high-temperature component. However, when such a thermal barrier layer is applied to a high-temperature component of a steam turbine, the structural stability of zirconium oxide is lowered due to the reaction with the high-temperature steam, and the thermal barrier layer is easily peeled off from the high-temperature component. In addition, since the temperature of the working gas is lower than that of the gas turbine and the temperature difference between the inner and outer surfaces of the steam turbine is small, the heat shield layer can be formed to a sufficient thickness, thereby improving the heat shield property. It must be improved.
従来、蒸気タービンの高温部品について、十分な高温強度を確保するために構成材料について様々な改良が行われている。しかし、蒸気温度が700℃を超える蒸気タービンの場合、構成材料の改良だけでは十分な高温強度を確保することができない。 Conventionally, various improvements have been made to the constituent materials in order to ensure sufficient high-temperature strength for the high-temperature components of the steam turbine. However, in the case of a steam turbine having a steam temperature exceeding 700 ° C., sufficient high-temperature strength cannot be ensured only by improving the constituent materials.
高温強度を確保するために、例えば、冷却蒸気によって高温部品を冷却することも検討されているが、熱効率が低下することから必ずしも好ましくない。また、ガスタービンの高温部品に用いられる遮熱層を蒸気タービンの高温部品に適用することも検討されているが、ガスタービンの高温部品に用いられる遮熱層を単に蒸気タービンの高温部品に適用すると、高温蒸気との接触により遮熱層が剥離しやすい。 In order to ensure high temperature strength, for example, cooling of high-temperature components with cooling steam has been studied, but it is not always preferable because thermal efficiency is lowered. In addition, the application of the heat shield layer used for high-temperature parts of gas turbines to high-temperature parts of steam turbines is also under consideration, but the heat shield layer used for high-temperature parts of gas turbines is simply applied to high-temperature parts of steam turbines. Then, the heat shielding layer is easily peeled off by contact with high temperature steam.
本発明が解決しようとする課題は、高温蒸気下での使用が可能であり、かつ経済性にも優れる蒸気タービン用遮熱コーティング材料を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a thermal barrier coating material for a steam turbine that can be used under high-temperature steam and is also economical.
実施形態の蒸気タービン用遮熱コーティング材料は、金属基材上に、金属中間層、第1の層、および第2の層をこの順に有する。第1の層、第2の層は、それぞれ、ジルコニウム酸化物を含む。第2の層の平均気孔率は、第1の層の平均気孔率よりも低い。また、第2の層に含まれる安定化剤の質量での割合は、第1の層に含まれる安定化剤の質量での割合よりも高い。 The thermal barrier coating material for a steam turbine according to the embodiment has a metal intermediate layer, a first layer, and a second layer in this order on a metal substrate. The first layer and the second layer each contain zirconium oxide. The average porosity of the second layer is lower than the average porosity of the first layer. Moreover, the ratio in the mass of the stabilizer contained in a 2nd layer is higher than the ratio in the mass of the stabilizer contained in a 1st layer.
以下、実施形態の蒸気タービン用遮熱コーティング材料について具体的に説明する。なお、以下の説明では、蒸気タービン用遮熱コーティング材料を単に遮熱コーティング材料と記載する。 Hereinafter, the thermal barrier coating material for a steam turbine of the embodiment will be specifically described. In the following description, the thermal barrier coating material for steam turbine is simply referred to as a thermal barrier coating material.
図1は、第1の実施形態の遮熱コーティング材料を示す断面図である。
遮熱コーティング材料10は、例えば、金属基材11上に、金属中間層12、および遮熱層13をこの順に有する。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the thermal barrier coating material of the first embodiment.
The thermal
金属基材11は、金属材料から構成される。金属材料としては、従来から蒸気タービンの構成部品に用いられている金属材料を特に制限されずに用いることができる。このような金属材料としては、CrMoV鋼、12Cr鋼等の鋼材、ガスタービン等の高温部品に用いられる、Ni基、Co基の超合金等が挙げられる。これらの金属材料は、使用温度域、負荷応力等に応じて適宜選択することができる。
The
金属中間層12は、高温蒸気による金属基材11の酸化を防ぐとともに、金属基材11と遮熱層13との中間的な熱膨張係数を有し、温度変化により遮熱層13に発生する熱応力を緩和する。金属中間層12の構成材料としては、NiCr合金、MCrAlY合金(Mは、Fe,Ni,Coから選ばれる少なくとも1つの元素)等を適宜選択することができる。
The metal
例えば、600℃以下の温度で使用される遮熱コーティング材料10の場合、Cr酸化物の形成が水蒸気酸化腐食の抑制に効果的であることから、金属中間層12の構成材料としては、Cr濃度がAl濃度よりも高い(Cr濃度>Al濃度)合金が好ましい。また、600℃を超える温度で使用される遮熱コーティング材料10の場合、Al酸化物の形成が水蒸気酸化腐食の抑制に効果的であることから、金属中間層12の構成材料としては、Cr濃度がAl濃度よりも低い(Cr濃度<Al濃度)合金が好ましい。
For example, in the case of the thermal
遮熱層13は、高温蒸気下での金属基材11の強度を確保するために設けられる。遮熱層13は、ジルコニウム酸化物を少なくとも含み、必要に応じて安定化剤を含むことができる。安定化剤としては、Y2O3,Gd2O3、Nd2O3,Er2O3,Yb2O3,Dy2O3,Lu2O3,Eu2O3等の各種の希土類元素の酸化物が挙げられる。
The
遮熱層13は、金属基材側から順に、第1の層14、第2の層15を有する。第1の層14は、主として遮熱性を確保するために設けられる。第2の層15は、主として第1の層14を高温蒸気から保護するために設けられる。遮熱コーティング材料10は、これらの異なる機能を有する第1の層14と第2の層15との少なくとも2層から構成される遮熱層13を有することにより、高温蒸気下での使用が可能となり、かつ経済性にも優れたものとなる。
The
具体的には、第1の層14により遮熱性が確保されることから金属基材11の高温強度が確保され、第2の層15により第1の層14が保護されることから遮熱層13の劣化、剥離が抑制されて、高温蒸気下での使用が可能となる。また、第1の層14、第2の層15は、溶射により容易に形成でき、特に、溶射材料の成分、溶射条件の調整により容易に作り分けられることから、経済性にも優れる。以下、遮熱層13における金属基材側を単に基材側と記し、この反対側を表面側と記す。
Specifically, since the heat shielding property is ensured by the
第1の層14と第2の層15とは、第2の層15の平均気孔率が第1の層14の平均気孔率よりも低くなるように構成される。表面側である第2の層15の平均気孔率が低いことにより、表面側から基材側への高温蒸気の侵入が抑制されて、第1の層14が高温蒸気から保護される。一方、基材側である第1の層14の平均気孔率が高いことにより、熱伝導率が低下して遮熱性が確保されるとともに、内部に発生する熱応力が緩和されて厚膜化も容易となる。
The
第1の層14は、20%以上の平均気孔率を有することが好ましい。20%以上の平均気孔率を有する場合、遮熱性が良好となるために好ましい。また、平均気孔率は、機械的強度の確保等の観点から、50%以下が好ましく、40%以下がより好ましく、30%以下がさらに好ましい。
The
第2の層15は、10%以下の平均気孔率を有することが好ましい。10%以下の平均気孔率を有する場合、表面側から基材側への高温蒸気の侵入が抑制されて、第1の層14が高温蒸気から効果的に保護されるために好ましい。平均気孔率は、0%でもよいが、0%に近くなると内部に発生する熱応力が緩和されにくくなり、第1の層14から第2の層15が剥離しやすくなることから、5%以上が好ましい。
The
なお、平均気孔率は、例えば、層の厚さ方向の断面における任意の部位を5箇所測定して気孔率を求め、これらを平均して求められる。また、各部位の気孔率は、画像処理装置を用いて測定でき、例えば、層の厚さ方向の断面積(50μm×50μm)における気孔の断面積の割合として求められる。 Note that the average porosity is obtained, for example, by measuring five arbitrary portions in a cross section in the thickness direction of the layer to obtain the porosity, and averaging these. Moreover, the porosity of each part can be measured using an image processing apparatus, for example, is calculated | required as a ratio of the cross-sectional area of a pore in the cross-sectional area (50 micrometers x 50 micrometers) of the thickness direction of a layer.
第1の層14と第2の層15とは、第2の層15に含まれる安定化剤の質量での割合が第1の層14に含まれる安定化剤の質量での割合よりも高くなるように構成される。第2の層15に含まれる安定化剤の割合が第1の層14に含まれる安定化剤の割合よりも高い場合、第2の層15の高温蒸気中における組織的安定性が向上して、第1の層14が高温蒸気から保護される。一方、第1の層14は、第2の層15により高温蒸気から保護されることから、高温蒸気中における組織的安定性は必ずしも高くなくてもよく、安定化剤の割合は低くてもよい。また、安定化剤の割合が低い場合、層の形成に用いられる原材料として安定化剤の割合が低い一般的な原材料を用いることができ、これにより経済性に優れたものとなるために好ましい。
The ratio of the
第1の層14に含まれる安定化剤の質量での割合は、5〜15%が好ましい。第1の層14に含まれる安定化剤の質量での割合が5%以上の場合、第1の層14の高温蒸気中における組織的安定性が良好となるために好ましい。また、第1の層14に含まれる安定化剤の質量での割合が15%以下の場合、第1の層14の相変化等が抑制されるために好ましい。
The ratio by mass of the stabilizer contained in the
第2の層15に含まれる安定化剤の質量での割合は、7〜20%が好ましい。第2の層15に含まれる安定化剤の質量での割合が7%以上の場合、第2の層15の高温蒸気中における組織的安定性が良好となるために好ましい。また、第2の層15に含まれる安定化剤の質量での割合が20%以下の場合、第2の層15の相変化等が抑制されるために好ましい。第2の層15に含まれる安定化剤の質量での割合は、8%以上がより好ましく、9%以上がさらに好ましい。
The ratio by mass of the stabilizer contained in the
第2の層15は、単斜晶のジルコニウム酸化物と立方晶のジルコニウム酸化物とにおける単斜晶のジルコニウム酸化物の体積での割合が5%以下であることが好ましい。一方、第1の層14については、単斜晶のジルコニウム酸化物と立方晶のジルコニウム酸化物とにおける単斜晶のジルコニウム酸化物の体積での割合は特に制限されず、5%を超えてもよい。
The
一般に、ジルコニウム酸化物は、単斜晶、正方晶、または立方晶の結晶構造を有する。このうち、単斜晶のジルコニウム酸化物は、高温蒸気中における組織的安定性を低下させる。また、単斜晶のジルコニウム酸化物と立方晶のジルコニウム酸化物とにおける単斜晶のジルコニウム酸化物の体積での割合は、高温蒸気中における組織的安定性を評価する指標となるものであり、その割合が低くなるにつれて高温蒸気中における組織的安定性が高くなる。以下、上記割合を単斜晶比と記載する。 In general, zirconium oxide has a monoclinic, tetragonal, or cubic crystal structure. Among these, monoclinic zirconium oxide reduces the structural stability in high-temperature steam. Further, the volume ratio of monoclinic zirconium oxide to monoclinic zirconium oxide and cubic zirconium oxide is an index for evaluating the structural stability in high-temperature steam, As the proportion decreases, the structural stability in high temperature steam increases. Hereinafter, the above ratio is referred to as a monoclinic ratio.
単斜晶比は、ジルコニウム酸化物に含まれる安定化剤の割合、ジルコニウム酸化物に含まれる不純物の割合に密接に関連する。具体的には、ジルコニウム酸化物に含まれる安定化剤の割合が高くなるほど単斜晶比が低くなり、ジルコニウム酸化物に含まれる不純物の割合が低くなるほど単斜晶比が低くなる。 The monoclinic ratio is closely related to the proportion of stabilizer contained in zirconium oxide and the proportion of impurities contained in zirconium oxide. Specifically, the higher the proportion of the stabilizer contained in the zirconium oxide, the lower the monoclinic ratio, and the lower the proportion of the impurities contained in the zirconium oxide, the lower the monoclinic ratio.
なお、単斜晶比は、X線回折測定において得られるジルコニウム酸化物の各相のピーク強度から、以下の式(1)、式(2)により算出することができる。 The monoclinic ratio can be calculated by the following formulas (1) and (2) from the peak intensity of each phase of zirconium oxide obtained in the X-ray diffraction measurement.
ここで、mは単斜晶、tは立方晶を示し、Xmは単斜晶のX線回折ピーク強度比、Cmは単斜晶と立方晶とにおける単斜晶の割合を示す。なお、式(1)におけるPは定数であり、1.311である(H.Toraya, M.Yoshimura and S. Somiya: J. Am Ceram. Soc., 67(1984), pp. C119-121.)。 Here, m monoclinic, t represents a cubic, X m is the X-ray diffraction peak intensity ratio of the monoclinic, C m denotes the percentage of monoclinic in the monoclinic and cubic. In the formula (1), P is a constant and is 1.311 (H. Toraya, M. Yoshimura and S. Somiya: J. Am Ceram. Soc., 67 (1984), pp. C119-121. ).
第2の層15の単斜晶比が5%以下の場合、第2の層15の高温蒸気中における組織的安定性が良好となるために好ましい。第2の層15の単斜晶比は、低くなるほど第2の層15の高温蒸気中における組織的安定性が良好になるために好ましく、0%でもよい。第2の層15における5%以下の単斜晶比は、例えば、第2の層15における安定化剤の質量での割合が7%以上となることにより得られる。
A monoclinic crystal ratio of the
第1の層14は、第2の層15により高温蒸気から保護されることから、単斜晶比は必ずしも制限されず、5%を超えてもよい。単斜晶比が5%を超える場合、その形成に用いられる原材料として安定化剤の割合が比較的に多いものを用いることができ、これにより経済性に優れたものとなるために好ましい。第1の層14における単斜晶比は、第1の層14の高温蒸気中における組織的安定性の観点から、10%以下が好ましい。
Since the
第1の層14、第2の層15は、それぞれ、不純物を含んでもよい。不純物としては、ジルコニウム酸化物と安定化剤とを除いた成分であり、酸化ケイ素(SiO2)、酸化チタン(TiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化鉄(Fe2O3)等が挙げられる。
The
第1の層14、第2の層15に含まれる不純物の質量での割合は、それぞれ、0.1%を超えてもよい。各層に含まれる不純物の質量での割合が0.1%を超える場合、各層の形成に不純物の割合が比較的に高い一般的な原材料を用いることができ、これにより経済性に優れたものとなるために好ましい。また、第2の層15については、不純物の質量での割合が0.1%を超えたとしても、安定化剤の割合が比較的に高いことから、高温蒸気中における組織的安定性が確保される。一方、第1の層14については、不純物の質量での割合が0.1%を超えたとしても、第2の層15により高温蒸気から保護されることから、安定化剤の割合は少なくてもよい。
The ratios by mass of impurities contained in the
第1の層14、第2の層15に含まれる不純物の質量での割合は、一般的な不純物量の原材料が使用できるようになることから、それぞれ、0.3%以上がより好ましく、0.5%以上がさらに好ましい。第1の層14、第2の層15に含まれる不純物の質量での割合は、それぞれ、5%以下が好ましい。第1の層14、第2の層15に含まれる不純物の質量での割合がそれぞれ5%以下であると、高温蒸気中における組織的安定性の過度な低下が抑制される。第1の層14、第2の層15に含まれる不純物の質量での割合は、それぞれ、3%以下がより好ましく、1%以下がさらに好ましい。
The ratio by mass of impurities contained in the
なお、第1の層14、第2の層15に含まれる不純物の質量での割合は、X線光電子分光分析法(X-ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)等により測定することができる。
Note that the ratio of the impurities contained in the
第1の層14の熱抵抗は、1×10−3m2K/W以上が好ましい。第1の層14の熱抵抗が1×10−3m2K/W以上の場合、第1の層14の遮熱性が良好となる。第1の層14の熱抵抗は、高いほど遮熱性が良好となるために好ましく、2×10−3m2K/W以上がより好ましく、3×10−3m2K/W以上がさらに好ましい。
The thermal resistance of the
ここで、熱抵抗は、層の熱伝導率λ[W/(m・K)]と、厚さd[m]とから以下の式(3)により求められる。層の熱伝導率λは、レーザーフラッシュ法等により測定できる。
第1の層14の厚さは、1mm以上が好ましい。第1の層14の厚さが1mm以上の場合、良好な遮熱性が得られる。第1の層14の厚さは、より良好な遮熱性が得られることから、1.5mm以上がより好ましい。第1の層14の厚さは、通常、5mmもあれば十分である。
The thickness of the
第2の層15の厚さは、50μm以上が好ましい。第2の層15の厚さが50μm以上の場合、表面側から基材側への高温蒸気の侵入が効果的に抑制される。第2の層15の厚さは、表面側から基材側への高温蒸気の侵入がより効果的に抑制されることから、100μm以上がより好ましく、200μm以上がさらに好ましい。一方、第2の層15の厚さは、第1の層14と第2の層15との剥離が抑制されることから、500μm以下が好ましく、400μm以下がより好ましい。
The thickness of the
次に、第2の実施形態の遮熱コーティング材料について説明する。
図2は、第2の実施形態の遮熱コーティング材料を示す断面図である。
Next, the thermal barrier coating material of the second embodiment will be described.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the thermal barrier coating material of the second embodiment.
遮熱コーティング材料20は、金属基材21上に、金属中間層22、および遮熱層23をこの順に有する。なお、金属基材21、金属中間層22については、第1の実施形態の遮熱コーティング材料10における金属基材11、金属中間層12と同様であることから説明を省略する。
The thermal
遮熱層23は、高温蒸気下での金属基材21の強度を確保するために設けられる。遮熱層23は、ジルコニウム酸化物を少なくとも含み、必要に応じて安定化剤を含むことができる。安定化剤としては、Y2O3,Gd2O3、Nd2O3,Er2O3,Yb2O3,Dy2O3,Lu2O3,Eu2O3等の各種の希土類元素の酸化物が挙げられる。
The
遮熱層23は、金属基材側から順に、第1の層24、第2の層25を有する。第1の層24は、主として遮熱性を確保するために設けられる。第2の層25は、主として第1の層24を高温蒸気から保護するために設けられる。遮熱コーティング材料20は、これらの異なる機能を有する第1の層24と第2の層25との少なくとも2層から構成される遮熱層23を有することにより、高温蒸気下での使用が可能となり、かつ経済性にも優れたものとなる。
The
具体的には、第1の層24により遮熱性が確保されることから金属基材21の高温強度が確保され、第2の層25により第1の層24が保護されることから遮熱層23の劣化、剥離が抑制されることから、高温蒸気下での使用が可能となる。また、第1の層24、第2の層25は、溶射により容易に形成でき、特に、溶射材料の成分、溶射条件の調整により容易に作り分けられることから、経済性にも優れる。
Specifically, the heat shielding property is ensured by the first layer 24, so that the high temperature strength of the
第1の層24と第2の層25とは、第2の層25の平均気孔率が第1の層24の平均気孔率よりも低くなるように構成される。第1の層24、第2の層25の平均気孔率については、それぞれ、第1の実施形態の第1の層14、第2の層15の平均気孔率と同様であることから説明を省略する。
The first layer 24 and the
第1の層24と第2の層25とは、第2の層25に含まれる不純物の質量での割合が第1の層24に含まれる不純物の質量での割合よりも低くなるように構成される。ここで、不純物としては、ジルコニウム酸化物と安定化剤とを除いた成分であり、酸化ケイ素(SiO2)、酸化チタン(TiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化鉄(Fe2O3)等が挙げられる。
The first layer 24 and the
第2の層25に含まれる不純物の割合が第1の層24に含まれる不純物の割合よりも低い場合、第2の層25の高温蒸気中における組織的安定性が向上して、第1の層24が高温蒸気から保護される。一方、第1の層24は、第2の層25により高温蒸気から保護されることから、高温蒸気中における組織的安定性は必ずしも高くなくてもよく、不純物の割合は高くてもよい。また、不純物の割合が高い場合、層の形成に用いられる原材料として不純物の割合が低い一般的な原材料を用いることができ、これにより経済性に優れたものとなるために好ましい。
When the proportion of impurities contained in the
第1の層24に含まれる不純物の質量での割合は、0.1%を超えてもよい。第1の層24に含まれる不純物の質量での割合が0.1%を超える場合、第1の層24の形成に不純物の割合が比較的に高い一般的な原材料を用いることができ、これにより経済性に優れたものとなるために好ましい。 The ratio by mass of impurities contained in the first layer 24 may exceed 0.1%. When the ratio by mass of impurities contained in the first layer 24 exceeds 0.1%, a general raw material having a relatively high ratio of impurities can be used to form the first layer 24. Therefore, it is preferable because it is economical.
第1の層24に含まれる不純物の質量での割合は、一般的な不純物量の原材料が使用できるようになることから、それぞれ、0.3%以上がより好ましく、0.5%以上がさらに好ましい。第1の層24に含まれる不純物の質量での割合は、第1の層24の高温蒸気中における組織的安定性の過度な低下が抑制されることから、5%以下が好ましく、3%以下がより好ましく、1%以下がさらに好ましい。 The ratio by mass of impurities contained in the first layer 24 is preferably 0.3% or more and more preferably 0.5% or more because raw materials having a general impurity amount can be used. preferable. The ratio by mass of impurities contained in the first layer 24 is preferably 5% or less, and is preferably 3% or less because an excessive decrease in the structural stability of the first layer 24 in the high-temperature steam is suppressed. Is more preferable, and 1% or less is more preferable.
第2の層25に含まれる不純物の質量での割合は、0.1%以下が好ましい。第2の層25に含まれる不純物の質量での割合が0.1%以下の場合、第2の層25の高温蒸気中における組織的安定性が良好になる。第2の層25に含まれる不純物の質量での割合は、高温蒸気中における組織的安定性がより良好になることから、0.09%以下がより好ましく、0.08%以下がさらに好ましく、0.07%以下が特に好ましく、0%でもよい。
The ratio by mass of impurities contained in the
第1の層24に含まれる安定化剤の質量での割合と、第2の層25に含まれる安定化剤の質量での割合との大小関係は、特に制限されず、同じでもよいし、異なってもよい。ここで、第2の層25は、不純物の割合が比較的に低く、高温蒸気中における組織的安定性が高いことから、必ずしも安定化剤の割合は高くなくてもよい。一方、第1の層24は、第2の層25により高温蒸気から保護され、高温蒸気中における組織的安定性は必ずしも高くなくてもよいことから、安定化剤の割合は低くてもよい。
The magnitude relationship between the proportion of the stabilizer contained in the first layer 24 and the proportion of the stabilizer contained in the
第1の層24、第2の層25に含まれる安定化剤の質量での割合は、それぞれ、5〜20%が好ましく、7〜15%がより好ましい。第1の層24、第2の層25に含まれる安定化剤の質量での割合が5%以上の場合、高温蒸気中における組織的安定性が良好となるために好ましい。また、第1の層24、第2の層25に含まれる安定化剤の質量での割合が20%以下の場合、第1の層24、第2の層25の相変化等が抑制されるために好ましい。
The proportion of the stabilizers contained in the first layer 24 and the
第2の層25は、単斜晶のジルコニウム酸化物と立方晶のジルコニウム酸化物とにおける単斜晶のジルコニウム酸化物の体積での割合(単斜晶比)が5%以下であることが好ましい。一方、第1の層24については、単斜晶のジルコニウム酸化物と立方晶のジルコニウム酸化物とにおける単斜晶のジルコニウム酸化物の体積での割合(単斜晶比)は特に制限されず、5%を超えてもよい。
The
第2の層25の単斜晶比が5%以下の場合、第2の層25の高温蒸気中における組織的安定性が良好となるために好ましい。第2の層25の単斜晶比は、低くなるほど第2の層25の高温蒸気中における組織的安定性が良好になるために好ましく、0%でもよい。第2の層25における5%以下の単斜晶比は、例えば、第2の層25における不純物の質量での割合が0.1%以下となることにより得られる。
When the monoclinic ratio of the
第1の層24は、第2の層25により高温蒸気から保護されることから、単斜晶比は必ずしも制限されず、5%を超えてもよい。単斜晶比が5%を超える場合、その形成に用いられる原材料として安定化剤の割合が比較的に多いものを用いることができ、これにより経済性に優れたものとなるために好ましい。第1の層24における単斜晶比は、第1の層24の高温蒸気中における組織的安定性の観点から、10%以下が好ましい。
Since the first layer 24 is protected from high-temperature steam by the
第1の層24の熱抵抗、厚さ、第2の層25の厚さについては、それぞれ、第1の実施形態の第1の層14の熱抵抗、厚さ、第2の層15の厚さと同様であることから説明を省略する。
Regarding the thermal resistance and thickness of the first layer 24, and the thickness of the
以上、実施形態の遮熱コーティング材料について説明したが、遮熱層は、第1の層と第2の層とからなる2層構造のものに限られない。このような遮熱層としては、例えば、第1の層と第2の層との間に、ジルコニウム酸化物を少なくとも含む第3の層を有するものが挙げられる。また、別の遮熱層としては、例えば、第1の層の基材側に、ジルコニウム酸化物を少なくとも含む第3の層を有するものが挙げられる。第3の層は、ジルコニウム酸化物を含むものであればよいが、ジルコニウム酸化物と安定化剤とを含むものが好ましい。 Although the thermal barrier coating material of the embodiment has been described above, the thermal barrier layer is not limited to the two-layer structure including the first layer and the second layer. Examples of such a heat shielding layer include those having a third layer containing at least zirconium oxide between the first layer and the second layer. Further, as another heat shielding layer, for example, a layer having a third layer containing at least zirconium oxide on the substrate side of the first layer can be mentioned. The third layer only needs to contain zirconium oxide, but preferably contains zirconium oxide and a stabilizer.
次に、実施形態の遮熱コーティング材料の製造方法について、第1の実施形態の遮熱コーティング材料10の製造方法を例に挙げて説明する。
Next, the manufacturing method of the thermal barrier coating material of the embodiment will be described by taking the manufacturing method of the thermal
遮熱コーティング材料10は、金属基材11上に金属中間層12を形成した後、この金属中間層12上に、第1の層14、第2の層15をこの順に形成して遮熱層13を形成することにより製造することができる。
The thermal
第1の層14、第2の層15は、例えば、ジルコニウム酸化物と安定化剤とを含む溶射原料の溶射により形成される。この際、各層の平均気孔率は、溶射原料の粒径、溶射温度等により調整することができる。また、各層に含まれる安定化剤、不純物の割合は、それぞれ、溶射原料に含まれる安定化剤、不純物の割合により調整することができる。各層の単斜晶比は、溶射原料に含まれる安定化剤または不純物の割合により調整することができる。
The
第1の層14、第2の層15は、例えば、以下の方法により形成することが好ましい。すなわち、第1の層14は、単斜晶のジルコニウム酸化物と立方晶のジルコニウム酸化物とにおける単斜晶のジルコニウム酸化物の体積での割合(単斜晶比)が20%以下の溶射原料を溶射する方法により形成することが好ましい。なお、第1の層14の形成には、単斜晶比が10%を超える溶射原料が好適に用いられる。第2の層15は、単斜晶のジルコニウム酸化物と立方晶のジルコニウム酸化物とにおける単斜晶のジルコニウム酸化物の体積での割合(単斜晶比)が10%以下の溶射原料を溶射する方法により形成することが好ましい。
The
上記したように、単斜晶比が10%以下の溶射原料を用いて第2の層15を形成することにより、単斜晶の割合が溶射により低下して、5%以下の単斜晶比を有する第2の層15が得られる。また、単斜晶比が20%以下の溶射原料を用いて第1の層14を形成することにより、単斜晶の割合が溶射により低下して、10%以下の単斜晶比を有する第1の層14が得られる。
As described above, by forming the
また、第1の層14については、例えば、以下の方法により形成することが好ましい。すなわち、ジルコニウム酸化物と樹脂とを含む溶射原料を溶射した後、樹脂を熱処理により除去して形成する方法が好ましい。樹脂としては、溶射時の熱分解が抑制されることから400℃以上の分解温度を有するものが好ましく、ポリエステル系の樹脂等が好ましい。このような方法によれば、樹脂の除去により気孔が形成されることから高い気孔率が得られる。
In addition, the
第1の層14については、特に以下の方法により形成することが好ましい。すなわち、中空状のジルコニウム酸化物を含む溶射原料を溶射する方法が好ましい。このような方法によれば、予め溶射原料中に気孔が導入されていることから、高い気孔率が得られ、かつ部位による気孔率のばらつきも小さくなる。中空状のジルコニウム酸化物は、溶射時の空気抵抗および速度低下が少ないことから球形状が好ましい。
The
実施形態の遮熱コーティング材料10、20は、発電用蒸気機器に好適に用いられ、特に蒸気タービンの部品として好適に用いられる。
The thermal
図3は、実施形態の遮熱コーティング材料10、20が適用される蒸気タービンを示した子午断面図である。
FIG. 3 is a meridional sectional view showing a steam turbine to which the thermal
図3に示されるように、蒸気タービン30は、ケーシング40を備え、このケーシング40内には、タービンロータ41が貫設されている。タービンロータ41には、ロータディスク42が形成され、このロータディスク42に、複数の動翼43が周方向に植設されている。複数の動翼43を周方向に備えた動翼翼列は、タービンロータ軸方向に複数段構成されている。タービンロータ41は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。
As shown in FIG. 3, the
ケーシング40の内周には、ダイアフラム外輪44が設置され、このダイアフラム外輪44の内側には、ダイアフラム内輪45が設置されている。また、ダイアフラム外輪44とダイアフラム内輪45との間には、周方向に複数の静翼46が配置され、静翼翼列を構成している。この静翼翼列は、タービンロータ軸方向に動翼翼列と交互に複数段備えられている。そして、静翼翼列と、その直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。
A diaphragm
タービンロータ41とケーシング40との間には、蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドシール部47が設けられている。また、タービンロータ41とダイアフラム内輪45との間には、下流側への蒸気の漏洩を防止するために、シール部48が設けられている。
A
また、蒸気タービン30には、クロスオーバ管49からの蒸気を蒸気タービン30の内部に蒸気を導入するための蒸気入口管(図示しない)がケーシング40を貫通して設けられている。
Further, the
最終段のタービン段落の下流側には、タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気室(図示しない)が設けられ、この排気室を介して蒸気が蒸気タービン30の外部に排気される。この排気室は、復水器(図示しない)に連通されている。
An exhaust chamber (not shown) for exhausting steam that has expanded in the turbine stage is provided downstream of the turbine stage at the final stage, and the steam is exhausted to the outside of the
実施形態の遮熱コーティング材料10、20は、蒸気タービン30のタービンロータ41、動翼43、静翼46等として好適に用いられる。なお、実施形態の遮熱コーティング材料10、20は、上記部品に制限されず、蒸気タービン30における少なくとも一部が高温蒸気と接触する部品に広く用いられる。
The thermal
(実施例1)
12Cr鋼からなる金属基材の表面に、NiCoCrAlY合金からなる金属中間層(厚さ0.15mm)を形成した。その後、金属中間層の表面に、一般的な不純物量(SiO2:0.5質量%、TiO2:0.1質量%、Al2O3:0.08質量%、Fe2O3:0.1質量%)を有し、8質量%のY2O3で安定化したジルコニウム酸化物を用いて、平均気孔率が23%の第1の層(厚さ2mm)を形成した。さらに、この第1の層の上に、一般的な不純物量(SiO2:0.5質量%、TiO2:0.1質量%、Al2O3:0.08質量%、Fe2O3:0.1質量%)を有し、10質量%のY2O3で安定化したジルコニウム酸化物を用いて、平均気孔率が9%の第2の層(厚さ300μm)を形成した。これにより、第1の層と第2の層とからなる遮熱層を有する試験体を作製した。なお、本試験体は、第1の実施形態の遮熱コーティング材料の構成を満たすものである。
Example 1
A metal intermediate layer (thickness 0.15 mm) made of a NiCoCrAlY alloy was formed on the surface of a metal substrate made of 12Cr steel. Thereafter, on the surface of the metal intermediate layer, a general amount of impurities (SiO 2 : 0.5 mass%, TiO 2 : 0.1 mass%, Al 2 O 3 : 0.08 mass%, Fe 2 O 3 : 0 The first layer (thickness 2 mm) having an average porosity of 23% was formed using zirconium oxide stabilized by 8 mass% Y 2 O 3 . Further, on this first layer, a general impurity amount (SiO 2 : 0.5 mass%, TiO 2 : 0.1 mass%, Al 2 O 3 : 0.08 mass%, Fe 2 O 3 The second layer (thickness: 300 μm) having an average porosity of 9% was formed using zirconium oxide stabilized by 10% by mass of Y 2 O 3 . This produced the test body which has the thermal-insulation layer which consists of a 1st layer and a 2nd layer. In addition, this test body satisfy | fills the structure of the thermal-insulation coating material of 1st Embodiment.
(比較例1)
第2の層(厚さ300μm)の形成において、一般的な不純物量(SiO2:0.5質量%、TiO2:0.1質量%、Al2O3:0.08質量%、Fe2O3:0.1質量%)を有し、8質量%のY2O3で安定化したジルコニウム酸化物を用いて、平均気孔率が9%であるものを形成したこと以外は実施例1と同様にして試験体を作製した。
(Comparative Example 1)
In the formation of the second layer (thickness 300 μm), the amount of general impurities (SiO 2 : 0.5 mass%, TiO 2 : 0.1 mass%, Al 2 O 3 : 0.08 mass%, Fe 2 Example 1 except that an average porosity of 9% was formed using a zirconium oxide stabilized with 8% by mass of Y 2 O 3 and having an O 3 of 0.1% by mass). A test specimen was prepared in the same manner as described above.
次に、実施例1、比較例1の試験体を、それぞれ、750℃の飽和水蒸気中に5000時間暴露して、遮熱層の剥離の有無を観察した。結果を、第1の層、第2の層の構成とともに表1に示す。 Next, the specimens of Example 1 and Comparative Example 1 were each exposed to saturated steam at 750 ° C. for 5000 hours, and the presence or absence of peeling of the thermal barrier layer was observed. The results are shown in Table 1 together with the configurations of the first layer and the second layer.
一般的な不純物量の場合、実施例1の試験体のように、第2の層に含まれる安定化剤の割合が第1の層に含まれる安定化剤の割合よりも高いと、第2の層の劣化が抑制されるために遮熱層が剥離せず、5000時間まで健全な状態が維持される。一方、比較例1の試験体のように、第2の層に含まれる安定化剤の割合と第1の層に含まれる安定化剤の割合とが同じであると、第2の層が劣化して遮熱層が剥離する。これらの結果から、一般的な不純物量の場合、第2の層に含まれる安定化剤の割合が第1の層に含まれる安定化剤の割合よりも高いと、高温蒸気下における組織的安定性が向上し、遮熱層の剥離が抑制されることが分かる。 In the case of a general impurity amount, when the proportion of the stabilizer contained in the second layer is higher than the proportion of the stabilizer contained in the first layer as in the test body of Example 1, Since the deterioration of the layer is suppressed, the heat shielding layer does not peel off and a healthy state is maintained up to 5000 hours. On the other hand, when the proportion of the stabilizer contained in the second layer and the proportion of the stabilizer contained in the first layer are the same as in the test sample of Comparative Example 1, the second layer deteriorated. As a result, the heat shield layer peels off. From these results, in the case of a general impurity amount, when the proportion of the stabilizer contained in the second layer is higher than the proportion of the stabilizer contained in the first layer, systematic stability under high-temperature steam It can be seen that the property is improved, and the peeling of the heat shielding layer is suppressed.
(実施例2)
第1の層の平均気孔率を15%としたこと以外は、実施例1と同様にして試験体を作製した。なお、本試験体は、第1の実施形態の遮熱コーティング材料の構成を満たすものである。
(Example 2)
A specimen was prepared in the same manner as in Example 1 except that the average porosity of the first layer was 15%. In addition, this test body satisfy | fills the structure of the thermal-insulation coating material of 1st Embodiment.
次に、実施例2の試験体を、750℃の加熱状態から水中で急冷する熱衝撃試験(50サイクル)を行った。同様にして、実施例1の試験体についても熱衝撃試験を行った。結果を、第1の層、第2の層の構成とともに表2に示す。 Next, a thermal shock test (50 cycles) was performed in which the specimen of Example 2 was rapidly cooled in water from a heating state of 750 ° C. Similarly, the thermal shock test was conducted on the test body of Example 1. The results are shown in Table 2 together with the configurations of the first layer and the second layer.
第1の層の平均気孔率が15%である実施例2の試験体は、金属中間層と遮熱層との界面に亀裂が発生して、遮熱層が剥離した。一方、第1の層の平均気孔率が23%である実施例1の試験体は、50サイクル後も遮熱層が剥離しなかった。これらの結果から、第1の層の平均気孔率は、20%以上が好ましいことが分かる。 In the test body of Example 2 in which the average porosity of the first layer was 15%, a crack occurred at the interface between the metal intermediate layer and the heat shield layer, and the heat shield layer was peeled off. On the other hand, in the test body of Example 1 in which the average porosity of the first layer was 23%, the heat shielding layer did not peel even after 50 cycles. From these results, it can be seen that the average porosity of the first layer is preferably 20% or more.
(実施例3)
12Cr鋼からなる金属基材の表面に、NiCoCrAlY合金からなる金属中間層(厚さ0.15mm)を形成した。その後、金属中間層の表面に、一般的な不純物量(SiO2:0.5質量%、TiO2:0.1質量%、Al2O3:0.08質量%、Fe2O3:0.1質量%、合計:0.78質量%)を有し、かつ8質量%のY2O3で安定化したジルコニウム酸化物を用いて、平均気孔率23%の第1の層(厚さ2mm)を形成した。さらに、この第1の層の上に、高純度(SiO2:0.03質量%、TiO2:0.02質量%、Al2O3:0.004質量%、Fe2O3:0.01質量%、合計:0.06質量%)であり、かつ8質量%のY2O3で安定化したジルコニウム酸化物を用いて、平均気孔率9%の第2の層(厚さ300μm)を形成した。これにより、第1の層と第2の層とからなる遮熱層を有する試験体を作製した。なお、本試験体は、第2の実施形態の遮熱コーティング材料の構成を満たすものである。
(Example 3)
A metal intermediate layer (thickness 0.15 mm) made of a NiCoCrAlY alloy was formed on the surface of a metal substrate made of 12Cr steel. Thereafter, on the surface of the metal intermediate layer, a general amount of impurities (SiO 2 : 0.5 mass%, TiO 2 : 0.1 mass%, Al 2 O 3 : 0.08 mass%, Fe 2 O 3 : 0 The first layer (thickness) having an average porosity of 23% using zirconium oxide stabilized by 8 mass% Y 2 O 3 and 0.1 mass%, total: 0.78 mass%) 2 mm). Furthermore, on this first layer, high-purity (SiO 2: 0.03 wt%, TiO 2: 0.02 wt%, Al 2 O 3: 0.004 wt%, Fe 2 O 3: 0 . Second layer having a mean porosity of 9% (thickness: 300 μm) using zirconium oxide stabilized with 8% by mass of Y 2 O 3. Formed. This produced the test body which has the thermal-insulation layer which consists of a 1st layer and a 2nd layer. In addition, this test body satisfy | fills the structure of the thermal-insulation coating material of 2nd Embodiment.
(比較例2)
第2の層(厚さ300μm)の形成において、一般的な不純物量(SiO2:0.5質量%、TiO2:0.1質量%、Al2O3:0.08質量%、Fe2O3:0.1質量%)を有し、かつ8質量%のY2O3で安定化したジルコニウム酸化物を用いて、平均気孔率が9%であるものを形成したこと以外は、実施例3と同様にして試験体を作製した。
(Comparative Example 2)
In the formation of the second layer (thickness 300 μm), the amount of general impurities (SiO 2 : 0.5 mass%, TiO 2 : 0.1 mass%, Al 2 O 3 : 0.08 mass%, Fe 2 Except that an average porosity of 9% was formed using a zirconium oxide having an O 3 : 0.1% by mass) and stabilized with 8% by mass of Y 2 O 3. A test specimen was prepared in the same manner as in Example 3.
次に、実施例3、比較例2の試験体について、XRD分析の結果に基づいて、単斜晶のジルコニウム酸化物と立方晶のジルコニウム酸化物とにおける単斜晶のジルコニウム酸化物の体積での割合(単斜晶比)を求めた。結果を、第1の層、第2の層の構成とともに表3に示す。 Next, with respect to the specimens of Example 3 and Comparative Example 2, the volume of monoclinic zirconium oxide in monoclinic zirconium oxide and cubic zirconium oxide was determined based on the results of XRD analysis. The ratio (monoclinic ratio) was determined. The results are shown in Table 3 together with the configurations of the first layer and the second layer.
実施例3の第2の層のように不純物の割合が0.1%以下である場合、単斜晶比が5%以下となる。一方、実施例3の第1の層のように不純物の割合が0.1%を超える場合、単斜晶比が5%を超える。 When the ratio of impurities is 0.1% or less as in the second layer of Example 3, the monoclinic crystal ratio is 5% or less. On the other hand, when the impurity ratio exceeds 0.1% as in the first layer of Example 3, the monoclinic crystal ratio exceeds 5%.
また、実施例3、比較例2の試験体を750℃の飽和水蒸気中に5000時間暴露した。結果を、第1の層、第2の層の構成とともに表3に示す。第2の層の単斜晶比が5%以下である実施例3の試験体については、遮熱層が剥離せず、5000時間まで健全な状態が維持された。第2の層の単斜晶比が5%を超える比較例2の試験体は、遮熱層が劣化して剥離した。 Further, the specimens of Example 3 and Comparative Example 2 were exposed to saturated steam at 750 ° C. for 5000 hours. The results are shown in Table 3 together with the configurations of the first layer and the second layer. Regarding the test body of Example 3 in which the monoclinic ratio of the second layer was 5% or less, the heat shielding layer did not peel and the sound state was maintained until 5000 hours. In the test body of Comparative Example 2 in which the monoclinic crystal ratio of the second layer exceeded 5%, the heat shielding layer deteriorated and peeled off.
これらの試験結果から、第2の層の高純度化により単斜晶比が低下して、高温蒸気中における組織的安定性が向上することが分かる。また、第2の層の単斜晶比は、高温蒸気中における組織的安定性を確保するために、5%以下が好ましいことが分かる。 From these test results, it can be seen that the monoclinic crystal ratio is reduced by increasing the purity of the second layer, and the structural stability in high-temperature steam is improved. It can also be seen that the monoclinic ratio of the second layer is preferably 5% or less in order to ensure the structural stability in high-temperature steam.
(参考例1、2)
表4に示すように、単斜晶のジルコニウム酸化物と立方晶のジルコニウム酸化物とにおける単斜晶のジルコニウム酸化物の体積での割合(単斜晶比)が異なる溶射原料をプラズマ溶射法により溶射して、溶射後の単斜晶比を求めた。結果を表4に示す。
(Reference Examples 1 and 2)
As shown in Table 4, spraying raw materials having different monoclinic zirconium oxide volume ratios (monoclinic ratio) in monoclinic zirconium oxide and cubic zirconium oxide were obtained by plasma spraying. Thermal spraying was performed to determine the monoclinic crystal ratio after thermal spraying. The results are shown in Table 4.
参考例1のように、溶射前の単斜晶比が22%の場合、溶射後の単斜晶比が6.5%となり、高温蒸気中における組織的安定性を維持することができる5%を超える。一方、参考例2のように、溶射前の単斜晶比が10%の場合、溶射後の単斜晶比が3%となり、高温蒸気中における組織的安定性を維持することができる5%以下となる。従って、溶射後の単斜晶比を5%以下とするためには、溶射前の単斜晶比は10%以下が好ましい。 As in Reference Example 1, when the monoclinic crystal ratio before spraying is 22%, the monoclinic crystal ratio after thermal spraying is 6.5%, and the structural stability in high-temperature steam can be maintained at 5%. Over. On the other hand, when the monoclinic crystal ratio before thermal spraying is 10% as in Reference Example 2, the monoclinic crystal ratio after thermal spraying is 3%, and the structural stability in high-temperature steam can be maintained at 5%. It becomes as follows. Therefore, in order to make the monoclinic crystal ratio after spraying 5% or less, the monoclinic crystal ratio before spraying is preferably 10% or less.
(実施例4)
モックアップ試験体として、蒸気タービンの高温部品の1種であるノズルダイヤフラムを作製した。まず、12C鋼からなる金属基材の表面にNiCoCrAlY合金からなる金属中間層(厚さ0.15mm)を形成した。その後、金属中間層の表面に、一般的な不純物量(SiO2:0.5質量%、TiO2:0.1質量%、Al2O3:0.08質量%、Fe2O3:0.1質量%)を有し、8質量%のY2O3で安定化した中実かつ球状のジルコニウム酸化物粉末95質量%と、アクリル系のポリオキシベンゾイル樹脂粉末5質量%とを含む溶射原料をプラズマ溶射して、ジルコニウム酸化物と樹脂とからなる樹脂含有層(2mm)を形成した後、この樹脂含有層を加熱処理することにより樹脂を除去して第1の層(厚さ2mm)を形成した。なお、第1の層の形成は、20%以上の平均気孔率を得ることを目標として行った。この第1の層上に、高純度(SiO2:0.03質量%、TiO2:0.02質量%、Al2O3:0.004質量%、Fe2O3:0.01質量%、合計:0.06質量%)であり、8質量%のY2O3で安定化したジルコニウム酸化物粉末を溶射原料としてプラズマ溶射して、平均気孔率9%の第2の層(厚さ300μm)を形成した。これにより、ノズルダイヤフラムのモックアップ試験体を作製した。
Example 4
As a mock-up specimen, a nozzle diaphragm, which is one type of high-temperature components of a steam turbine, was produced. First, a metal intermediate layer (thickness 0.15 mm) made of a NiCoCrAlY alloy was formed on the surface of a metal substrate made of 12C steel. Thereafter, on the surface of the metal intermediate layer, a general amount of impurities (SiO 2 : 0.5 mass%, TiO 2 : 0.1 mass%, Al 2 O 3 : 0.08 mass%, Fe 2 O 3 : 0 .1 mass%) and 95 mass% solid and spherical zirconium oxide powder stabilized with 8 mass% Y 2 O 3 and 5 mass% acrylic polyoxybenzoyl resin powder After the raw material is plasma sprayed to form a resin-containing layer (2 mm) composed of zirconium oxide and a resin, the resin-containing layer is subjected to heat treatment to remove the resin, and the first layer (thickness 2 mm) Formed. The first layer was formed with the goal of obtaining an average porosity of 20% or more. On this first layer, high purity (SiO 2 : 0.03 mass%, TiO 2 : 0.02 mass%, Al 2 O 3 : 0.004 mass%, Fe 2 O 3 : 0.01 mass%) , Total: 0.06% by mass), and plasma sprayed using a zirconium oxide powder stabilized with 8% by mass of Y 2 O 3 as a thermal spray material, the second layer (thickness) having an average porosity of 9% 300 μm) was formed. Thereby, a mock-up specimen of a nozzle diaphragm was produced.
(実施例5)
第1の層の形成において、アクリル系のポリオキシベンゾイル樹脂粉末を用いず、一般的な不純物量(SiO2:0.5質量%、TiO2:0.1質量%、Al2O3:0.08質量%、Fe2O3:0.1質量%)を有し、8質量%のY2O3で安定化した中空かつ球状のジルコニウム酸化物粉末のみを溶射原料として用いてプラズマ溶射して第1の層を形成したこと以外は、実施例4と同様にしてモックアップ試験体を作製した。なお、第1の層の形成は、20%以上の平均気孔率を得ることを目標として行った。
(Example 5)
In the formation of the first layer, a general impurity amount (SiO 2 : 0.5 mass%, TiO 2 : 0.1 mass%, Al 2 O 3 : 0 is used without using acrylic polyoxybenzoyl resin powder. 0.08 mass%, Fe 2 O 3 : 0.1 mass%) and plasma sprayed using only a hollow and spherical zirconium oxide powder stabilized with 8 mass% Y 2 O 3 as a thermal spray material. A mock-up specimen was prepared in the same manner as in Example 4 except that the first layer was formed. The first layer was formed with the goal of obtaining an average porosity of 20% or more.
(実施例6)
第1の層の形成において、アクリル系のポリオキシベンゾイル樹脂粉末を用いず、一般的な不純物量(SiO2:0.5質量%、TiO2:0.1質量%、Al2O3:0.08質量%、Fe2O3:0.1質量%)を有し、8質量%のY2O3で安定化した中実かつ球状のジルコニウム酸化物粉末のみを溶射原料として用いてプラズマ溶射して第1の層を形成したこと以外は実施例4と同様にしてモックアップ試験体を作製した。なお、第1ジルコニウム酸化物層の形成は、20%以上の平均気孔率を得ることを目標として行った。
(Example 6)
In the formation of the first layer, a general impurity amount (SiO 2 : 0.5 mass%, TiO 2 : 0.1 mass%, Al 2 O 3 : 0 is used without using acrylic polyoxybenzoyl resin powder. .08 mass%, Fe 2 O 3 : 0.1 mass%) and plasma spraying using only solid and spherical zirconium oxide powder stabilized with 8 mass% Y 2 O 3 as a thermal spraying raw material Then, a mock-up specimen was prepared in the same manner as in Example 4 except that the first layer was formed. The first zirconium oxide layer was formed with the goal of obtaining an average porosity of 20% or more.
次に、実施例4〜6のモックアップ試験体を切断して、第1の層の断面における複数箇所について気孔率を測定した。結果を、第1ジルコニウム酸化物層の形成に用いた粉末(溶射原料)の構成とともに表5に示す。 Next, the mock-up specimens of Examples 4 to 6 were cut, and the porosity was measured at a plurality of locations in the cross section of the first layer. The results are shown in Table 5 together with the configuration of the powder (spraying raw material) used for forming the first zirconium oxide layer.
表5に示されるように、実施例4のモックアップ試験体における第1の層の気孔率は21〜35%、実施例5のモックアップ試験体における第1の層の気孔率は23〜32%、実施例6のモックアップ試験体における第1の層の気孔率は14〜23%であった。 As shown in Table 5, the porosity of the first layer in the mockup specimen of Example 4 is 21 to 35%, and the porosity of the first layer in the mockup specimen of Example 5 is 23 to 32. %, The porosity of the first layer in the mock-up specimen of Example 6 was 14-23%.
上記結果から明らかなように、ジルコニウム酸化物粉末と樹脂粉末とを混合して溶射した後、加熱により樹脂を除去する方法、中空のジルコニウム酸化物粉末を用いる方法は、実部品形状の各部において高い気孔率が得られるために好ましい。特に、中空のジルコニウム酸化物粉末を用いる方法は、各部における気孔率のばらつきが小さくなるために好ましい。 As is clear from the above results, the method of removing the resin by heating after mixing and spraying the zirconium oxide powder and the resin powder and the method using the hollow zirconium oxide powder are high in each part of the actual part shape. It is preferable because porosity can be obtained. In particular, a method using a hollow zirconium oxide powder is preferable because variation in porosity in each part is reduced.
以上説明した実施形態によれば、高温蒸気下での使用が可能であり、かつ経済性にも優れる蒸気タービン用遮熱コーティング材料が提供される。 According to the embodiment described above, a thermal barrier coating material for a steam turbine that can be used under high-temperature steam and is excellent in economy is provided.
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。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the 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.
10…遮熱コーティング材料、11…金属基材、12…金属中間層、13…遮熱層、14…第1の層、15…第2の層、20…遮熱コーティング材料、21…金属基材、22…金属中間層、23…遮熱層、24…第1の層、25…第2の層、30…蒸気タービン、40…ケーシング、41…タービンロータ、42…ロータディスク、43…動翼、44…ダイアフラム外輪、45…ダイアフラム内輪、46…静翼、47…グランドシール部、48…シール部、49…クロスオーバ管。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記金属基材上に配置された金属中間層と、
前記金属中間層上に配置され、ジルコニウム酸化物を含む第1の層と、
前記第1の層上に配置され、ジルコニウム酸化物を含む第2の層と
を有し、
前記第2の層の平均気孔率が前記第1の層の平均気孔率よりも低く、
前記第2の層に含まれる安定化剤の質量での割合が前記第1の層に含まれる安定化剤の質量での割合よりも高い蒸気タービン用遮熱コーティング材料。 A metal substrate;
A metal intermediate layer disposed on the metal substrate;
A first layer disposed on the metal intermediate layer and comprising zirconium oxide;
A second layer disposed on the first layer and comprising zirconium oxide;
The average porosity of the second layer is lower than the average porosity of the first layer;
A thermal barrier coating material for a steam turbine, wherein a proportion by mass of the stabilizer contained in the second layer is higher than a proportion by mass of the stabilizer contained in the first layer.
前記金属基材上に配置された金属中間層と、
前記金属中間層上に配置され、ジルコニウム酸化物を含む第1の層と、
前記第1の層上に配置され、ジルコニウム酸化物を含む第2の層と
を有し、
前記第2の層の平均気孔率が前記第1の層の平均気孔率よりも低く、
前記第2の層に含まれる不純物の質量での割合が前記第1の層に含まれる不純物の質量での割合よりも低い蒸気タービン用遮熱コーティング材料。 A metal substrate;
A metal intermediate layer disposed on the metal substrate;
A first layer disposed on the metal intermediate layer and comprising zirconium oxide;
A second layer disposed on the first layer and comprising zirconium oxide;
The average porosity of the second layer is lower than the average porosity of the first layer;
A thermal barrier coating material for a steam turbine, wherein a ratio by mass of impurities contained in the second layer is lower than a ratio by mass of impurities contained in the first layer.
前記第2の層は、平均気孔率が10%以下、単斜晶のジルコニウム酸化物と立方晶のジルコニウム酸化物とにおける単斜晶のジルコニウム酸化物の体積での割合が5%以下
である請求項1または2記載の蒸気タービン用遮熱コーティング材料。 The first layer has an average porosity of 20% or more, and a volume ratio of monoclinic zirconium oxide to monoclinic zirconium oxide and cubic zirconium oxide exceeds 5%.
The second layer has an average porosity of 10% or less, and a monoclinic zirconium oxide volume ratio to a monoclinic zirconium oxide volume ratio of 5% or less. Item 3. The thermal barrier coating material for steam turbines according to Item 1 or 2.
前記第2の層の厚さが500μm以下
である請求項1乃至3のいずれか1項記載の蒸気タービン用遮熱コーティング材料。 The thermal resistance of the first layer is 1 × 10 −3 m 2 K / W or more,
The thermal barrier coating material for a steam turbine according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the second layer is 500 µm or less.
単斜晶のジルコニウム酸化物と立方晶のジルコニウム酸化物とにおける単斜晶のジルコニウム酸化物の体積での割合が20%以下である溶射原料を溶射して前記第1の層を形成する工程と、
単斜晶のジルコニウム酸化物と立方晶のジルコニウム酸化物とにおける単斜晶のジルコニウム酸化物の体積での割合が10%以下である溶射原料を溶射して前記第2の層を形成する工程と
を有する蒸気タービン用遮熱コーティング材料の製造方法。 A method for producing the thermal barrier coating material for a steam turbine according to any one of claims 1 to 4,
Forming a first layer by spraying a thermal spray material having a monoclinic zirconium oxide volume ratio and a monoclinic zirconium oxide volume ratio of monoclinic zirconium oxide of 20% or less; ,
Forming a second layer by spraying a thermal spray material having a volume ratio of monoclinic zirconium oxide to monoclinic zirconium oxide and cubic zirconium oxide of 10% or less; A method for producing a thermal barrier coating material for a steam turbine.
ジルコニウム酸化物と樹脂とを含む溶射原料を溶射した後、前記樹脂を熱処理により除去して前記第1の層を形成する工程と、
ジルコニウム酸化物を含む溶射原料を溶射して前記第2の層を形成する工程と
を有する蒸気タービン用遮熱コーティング材料の製造方法。 A method for producing the thermal barrier coating material for a steam turbine according to any one of claims 1 to 4,
After spraying a thermal spraying raw material containing zirconium oxide and a resin, the resin is removed by heat treatment to form the first layer;
Spraying a thermal spray raw material containing zirconium oxide to form the second layer. A method for producing a thermal barrier coating material for a steam turbine.
中空状のジルコニウム酸化物を含む溶射原料を溶射して前記第1の層を形成する工程と、
ジルコニウム酸化物を含む溶射原料を溶射して前記第2の層を形成する工程と
を有する蒸気タービン用遮熱コーティング材料の製造方法。 A method for producing the thermal barrier coating material for a steam turbine according to any one of claims 1 to 4,
Spraying a thermal spraying raw material containing hollow zirconium oxide to form the first layer;
Spraying a thermal spray raw material containing zirconium oxide to form the second layer. A method for producing a thermal barrier coating material for a steam turbine.
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