JP5922243B2 - 摩耗保護層をターボ機関コンポーネントに塗布するための方法 - Google Patents

Description

本方法は、摩耗保護層をターボ機関コンポーネントに塗布するための方法に関する。

ガスタービンは、圧縮機とタービンとを備える。圧縮機内でもタービン内でも翼が使用され、その際固定の静翼と回転する動翼とが区別される。

動翼のための材料として、とりわけ、高い強度と低い密度と良好な耐食性とを有するチタン合金が使われる。不利なことに、チタン合金は、高い切欠き脆性と高い割れ感受性とを有する。

特に動翼は、様々な摩耗プロセス、たとえば摩擦あるいは酸化による摩耗に曝されている。特に蒸気タービンにおいては、摩耗プロセスとして、液滴衝撃エロージョンが起こる。蒸気タービン内では、水から霧粒が形成され、当該霧粒は静翼によって捉えられ、そこで蓄積して、静翼の流出縁部から水滴として落ちる。水滴の絶対速度は小さいが、動翼の回転によって、動翼に対する相対速度が大きくなる。水滴が大きな相対速度で動翼にぶつかると、動翼の表面に切欠きを形成することになる。

液滴衝撃エロージョンを減らすために、様々な方法が選択され得る。動翼の表面に、液滴衝撃エロージョンに耐久性のある層が、溶射によって塗られてよい。しかも、硬質層が動翼の表面に、溶接によって塗布されてよい。しかしながら、上述の方法によって、不利なことに、特にチタン合金と硬質層との間の境界面で動翼の割れ感受性が高まり、それによって動翼の寿命が低下する。さらに不利なのは、上述の方法には滑らかな表面が必要なので、液滴衝撃エロージョンによる損傷の後では、層を再び動翼に塗布することができないことである。

本発明の課題は、摩耗保護層をターボ機関コンポーネントに塗布するための方法と、摩耗保護層を有するターボ機関コンポーネントとを提供することであり、本方法は容易かつ繰り返し適用可能であり、ターボ機関コンポーネントは長寿命である。

摩耗保護層を、チタンを含む基礎原材料を備えるターボ機関コンポーネントに塗布するための本発明に係る方法は、以下のステップを備える。チタンを含む合金と、当該合金中に分散しかつ反応剤を含む粒子とを備える鑞を調合するステップと、鑞をターボ機関コンポーネントの予め決められた箇所に塗布するステップと、合金が液状になり、反応剤が鑞との拡散プロセスによって変化して、硬質物質を形成しつつ合金と化学反応するように、鑞とターボ機関コンポーネントとに熱量を加えるステップと、合金が硬くなるように、鑞を冷却するステップと、である。

反応剤は、非金属、半金属および／あるいはセラミックである。反応剤は、炭素を含有する化合物特にグラファイトであり、硬質物質である炭化チタンが形成される。グラファイトは本方法において、合金のチタンとの化学反応で、有利には硬くて、それゆえ摩耗特に液滴衝撃エロージョンに対して良好な耐久性を有する炭化チタンを形成する。

基礎原材料は、チタン合金特にＴｉＡｌ６Ｖ４、純チタンおよび／あるいは添加材料を有する特に添加材料が炭素である純チタンである。ＴｉＡｌ６Ｖ４は、βトランザス温度がおよそ９６０℃から９８５℃である。

本発明に係る方法において硬質物質が形成されることによって、摩耗保護層は、有利には硬く形成される。硬質材料は、摩耗特に液滴衝撃エロージョンに対してより高い耐久性を有するので、本方法において作られた摩耗保護層は、有利には長寿命である。本方法は、有利には容易に、かつ任意の幾何学形状のターボ機関コンポーネントに適用可能である。基礎原材料も鑞もチタンを含むので、基礎原材料と鑞とは、似た物理的特性を有しており、それによって有利には、鑞と基礎原材料との良好な結合がもたらされる。良好な結合によって、有利には、基礎原材料と鑞との境界面での亀裂の形成が減少する。大きな負荷のかかるターボ機関コンポーネントは、たとえば蒸気タービンの動翼である。動翼は、蒸気タービンの駆動時に大きな遠心力と振動とに曝されているので、特に動翼で亀裂が生じ得る。反応剤が鑞との拡散プロセスによって変化することで、元の粒子よりも大きくてよい、硬質物質から成る区域が形成される。

本方法には、ターボ機関コンポーネントの滑らかな表面が必要ないので、有利には、すでに浸食された表面の修理法としても使われるのに適している。鑞が液化することによって、有利には、亀裂、切欠き、凹み、窪みに入り込むことができ、これらを塞ぐことができる。亀裂を修理するための前提は、亀裂に酸化物がないことである。考えられ得るのはさらに、任意の幾何学形状の表面剥削である。後処理によって、有利には、ターボ機関コンポーネントの元の表面輪郭を再び作ることができる。さらに、摩耗保護層が浸食されているならば、本方法を繰り返して実行してよく、元の表面輪郭を再び作ることができる。

鑞は好適には、マット、ペースト、予備焼結プリフォーム（英語：「presintered preforms, PSP」）あるいはベルト特に接着ベルトであるように、作られる。大面積の摩耗保護層がターボ機関コンポーネントに塗布される場合、マットが適している。マットは好ましくはしなやかなので、当該マットを、ターボ機関コンポーネントの任意の表面輪郭に塗ることができる。これに反して、摩耗保護層が局所的に修理層として、ターボ機関コンポーネントの特に浸食された箇所に塗布される場合には、ペーストと予備焼結プリフォームとベルトが適している。

粒子は好ましくは、小板形および／あるいは球形である。小板形の粒子は好ましくは、ほぼ層状に平行平面に設けられている。粒子が層状かつ平行平面に設けられている場合には、化学反応の後に、摩耗特に液滴衝撃エロージョンに対して有利には高い耐久性を有する、層状かつ平行平面に設けられた、硬質物質から成る区域が生じる。合金の組成は好ましくは、合金の溶融温度が基礎原材料のβトランザス温度よりも低くなるように選択される。純チタンのβトランザス温度は、およそ８８０℃である。この温度より下では、チタンの格子構造は六方最密充填構造であり、この温度より上では、体心立方格子構造が形成される。格子構造の変態は、ターボ機関コンポーネントの寿命を短くする。合金の溶融温度がβトランザス温度より低くなることで、基礎原材料の格子構造の変態が回避され、それによってターボ機関コンポーネントの寿命が、有利には長くなる。

合金は好適には、特に溶融温度が７５０℃から９５０℃の硬鑞である。硬鑞は有利には、液滴衝撃エロージョンに対して耐久性がある。

熱量とそれを加える時間とは、好ましくは、鑞とターボ機関コンポーネントの温度が、基礎原材料のβトランザス温度よりも低くなるように、設定される。それによって有利には、チタンもしくはチタン合金の格子構造の変態が回避され得る。しかも、熱量とそれを加える時間とは、有利には、反応剤が好ましくは完全に、チタンマトリックスに吸収され、それによって硬質物質の粒子が形成され得るように、設定される。反応剤の変換に必要な熱量とそれを加える時間とは、粒子の大きさとターボ機関コンポーネントの質量とに依存する。

熱量とそれを加える時間とは、好ましくは、反応剤が部分的に、拡散によって基礎原材料内に達し、そこで硬質物質を形成しつつ基礎原材料と化学反応するように、設定される。その際反応剤のほかに、合金も部分的に基礎原材料内に達する。それと同様に、拡散によって基礎原材料から材料が、摩耗保護層内に達する。拡散によって、かつ硬質物質が基礎原材料内にも形成されることによって、基礎原材料と硬質物質と合金との間には、たとえば弾性係数あるいは硬度のような特性に、もはや飛躍的な差はない。飛躍的な差は亀裂を形成させやすいので、摩耗保護層の寿命は有利には長くなる。

本発明に係るターボ機関コンポーネントは、本発明に係る方法で作られている摩耗保護層を備える。

以下において、摩耗保護層をターボ機関コンポーネントに塗布するための本発明に係る方法が、添付の概略図に基づいて説明される。図に示されるのは以下である。

熱供給前の、鑞を有するターボ機関コンポーネントの表面領域の断面図である。 熱供給後に形成された摩耗保護層を有する、図１のターボ機関コンポーネントの表面領域の断面図である。 熱供給前の、鑞を有するターボ機関コンポーネントの表面領域の断面図である。 熱供給後に形成された摩耗保護層を有する、図３のターボ機関コンポーネントの表面領域の断面図である。

たとえば蒸気タービンの動翼のようなターボ機関コンポーネントは、表面領域１を備える。図１から図４までから明らかなように、表面領域１は、上部にある表面２を備える。表面２は、摩耗に曝されている。表面領域は、下部にある基礎原材料３と、上部にある鑞１２もしくは上部にある摩耗保護層４とを備える。

図１と図３とから明らかなように、基礎原材料３と鑞１２とは互いに載置されて設けられており、両部分が表面領域１を形成する。基礎原材料３と鑞１２との間には、表面２に対して平行に設けられた境界面７が形成されている。

鑞１２は、中に反応剤５の多数の粒子が埋め込まれている合金６を備える。図１において、粒子は球形であり、鑞１２の中で分散している。図３において、粒子は直方体形であり、長い方の辺が境界面７に対して平行に配列されており、多数の層に設けられていて、粒子は互いにずらされて、すなわち交互に設けられている。

熱供給によって、鑞１２から摩耗保護層４が形成される。熱供給によって、拡散によって、摩耗保護層４から材料が基礎原材料３内に達し、また基礎原材料３から材料が摩耗保護層４内にも達する。図２と図４とから明らかなように、熱供給後に、基礎原材料３と摩耗保護層４との間に、両層を費やして、下部端部１０と上部端部１１とを有する拡散区域９が形成された。端部１０，１１は、表面２に対して平行に延在する。熱供給によって合金６は液状になり、反応剤５は部分的に合金６に溶けた。溶けた反応剤５は、硬質物質８を形成しつつ、合金６と化学反応した。

図２から明らかなように、熱供給後の球形の粒子は、図１と比べて小さくなった。しかしながら粒子は、同じ大きさのままであってもよい。反応剤５の周りに、硬質物質８から成る、部分的に重なり合う球形の区域が形成された。区域の縁辺部は、それに付属する粒子の表面に対して平行に延在する。図４から明らかなように、熱供給後の直方体形の粒子は、図３と比べて小さくなり、楕円形をとり、長軸は表面２に対して平行で、短軸は表面２に対して垂直に設けられている。しかしながら粒子は、その形状を維持し続けてもよい。粒子の周りに、硬質物質８から成る、部分的に重なり合う楕円形の区域が形成された。区域の縁辺部は、粒子の表面に対して平行に延在する。図２と図４とから明らかなように、硬質物質８から成る区域は、摩耗保護層４にも拡散区域９にも延伸する。

本発明は、好ましい実施例によって詳細により詳しく図解され、記述されたが、本発明は、開示された例によって限定されておらず、そこから当業者によって、本発明の保護範囲を出ることなく、別の変形が導き出されてよい。

１ 表面領域
２ 表面
３ 基礎原材料
４ 摩耗保護層
５ 反応剤
６ 合金
７ 境界面
８ 硬質物質
９ 拡散区域
１０ 下部端部
１１ 上部端部
１２ 鑞

Claims (10)

1. 摩耗保護層（４）を、チタンを含む基礎原材料（３）を備えるターボ機関コンポーネントに塗布するための方法であって、
   ‐チタンを含む合金（６）と、該合金（６）中に分散しかつ反応剤（５）を含む粒子とを備える鑞（１２）を調合するステップと、
   ‐前記鑞（１２）を前記ターボ機関コンポーネントの予め決められた箇所に塗布するステップと、
   ‐前記合金（６）が液状になり、前記反応剤（５）が前記鑞との拡散プロセスによって変化して、硬質物質（８）を形成しつつ前記合金（６）と化学反応するように、前記鑞（１２）と前記ターボ機関コンポーネントとに熱量を加えるステップと、
   ‐前記合金（６）が硬くなるように、前記鑞（１２）を冷却するステップと、
   を備え、
   前記反応剤（５）は、炭素を含有する化合物であり、前記硬質物質（８）である炭化チタンが形成され、
   前記基礎原材料（３）は、チタン合金、純チタンおよび／あるいは添加材料を有する純チタンを備え、
   前記合金（６）の組成は、該合金（６）の溶融温度が前記基礎原材料（３）のβトランザス温度よりも低くなるように選択されることを特徴とする方法。
2. 前記反応剤（５）は、非金属、半金属および／あるいはセラミックであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記鑞（１２）は、マット、ペースト、焼結材料あるいはベルトであるように作られることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記粒子は、小板形および／あるいは球形であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 小板形の前記粒子は、層状に平行平面に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記合金は、溶融温度が７５０℃から９５０℃の硬鑞であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 熱量とそれを加える時間とは、前記鑞（１２）と前記ターボ機関コンポーネントの温度が、前記基礎原材料（３）のβトランザス温度よりも低くなるように設定されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 熱量とそれを加える時間とは、前記反応剤（５）が化学反応で変換されるように設定されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 熱量とそれを加える時間とは、前記反応剤（５）が部分的に、拡散によって前記基礎原材料（３）内に達し、そこで前記硬質物質（８）を形成しつつ前記基礎原材料（３）と化学反応するように設定されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. チタンを含む基礎原材料（３）と、
    前記基礎原材料（３）上に設けられた摩耗保護層（４）と、
    を備え、
    前記摩耗保護層（４）が、チタンを含む合金（６）と、該合金（６）中に分散しかつ反応剤（５）を含む粒子と、前記粒子の周りの硬質物質（８）と、を含み、
    前記合金（６）の溶融温度が前記基礎原材料（３）のβトランザス温度より低く、
    前記反応剤（５）は、炭素を含有する化合物であり、
    前記硬質物質（８）は、炭化チタンを含み、
    前記基礎原材料（３）は、チタン合金、純チタンおよび／あるいは添加材料を有する純チタンを含み、
    前記基礎原材料（３）と前記摩耗保護層（４）との間に拡散区域が形成されており、
    前記硬質物質（８）からなる区域が前記拡散区域に延伸しており、
    前記拡散区域は前記基礎原材料（３）からの材料及び前記摩耗保護層（４）からの材料を含む、ターボ機関コンポーネント。

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