JP6685844B2

JP6685844B2 - 金属部品の製造方法

Info

Publication number: JP6685844B2
Application number: JP2016115120A
Authority: JP
Inventors: 梁閻; 中谷　祐二郎; 祐二郎中谷; 聡宮代
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2016-06-09
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-06-09
Also published as: JP2017218644A

Description

本発明の実施形態は、金属部品の製造方法に関する。

火力発電プラントを構成する発電機器の金属部品のうち、蒸気タービンを構成するタービン翼（動翼、静翼）や、主蒸気止め弁（ＭＳＶ）を構成する弁棒などの部品は、酸素や水蒸気を含む雰囲気に曝される。このため、雰囲気中の酸素や水蒸気と金属部品の金属元素（たとえば、鉄、クロム）との間で反応が起こることによって、金属部品の表面に金属酸化物の皮膜が形成される。金属酸化物の皮膜は、一定の膜厚以上の厚みになると、金属部品の表面から剥離する。金属部品の表面では、金属酸化物の皮膜の形成と、その皮膜の剥離とが繰り返し発生する。その結果、金属部品において減肉（肉厚の減少）が発生するため、火力発電プラントの運転や寿命に影響を与える。

具体的には、火力発電プラントにおいて、蒸気タービンを構成するタービン翼は、通常、１２質量％以上１５質量％以下のＣｒを組成に含む合金鋼を用いて形成されている。主蒸気止め弁を構成する弁棒は、９質量％のＣｒを組成に含む合金鋼で形成されている。蒸気タービンを構成するタービン翼および主蒸気止め弁を構成する弁棒は、温度が５００℃以上である高温環境で使用される。このため、下記の反応式で示す高温酸化反応が生じる。その結果、上記したように、金属部品の表面に金属酸化物の皮膜が形成される。そして、その皮膜の剥離が生ずる。

４Ｃｒ＋３Ｏ_２→２Ｃｒ_２Ｏ_３
３Ｆｅ＋２Ｏ_２→Ｆｅ_３Ｏ_４

火力発電プラントなどの蒸気タービンシステムを構成する金属部品において、高温酸化反応が生ずることを抑制して腐食を防止するために、さまざまな技術が提案されている。

特開２００７−２３１７８１号公報特開２００３−５００３１７号公報特開２０１３−２２１２１５号公報

しかしながら、上記技術は、金属部品において高温酸化反応が生ずることを十分に防止することが困難である。たとえば、金属部品を構成する基体の表面を酸化防止層（アモルファス状膜）で被覆することが提案されているが、その酸化防止層の耐熱温度（４５０℃以下）が低く分解され易いために、高温酸化反応の防止が十分でない場合がある。また、酸化防止層の作成に熱処理等が必要であって、その熱処理を高温条件（１０００℃以上）で行う必要があるので、高温酸化反応の防止を実現することが容易でない。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、金属部品において高温酸化反応が生じることを容易に防止可能であって、減肉が生ずることを効果的に抑制可能な、金属部品の製造方法を提供することである。

実施形態は、蒸気タービンシステムを構成する金属部品の製造方法であって、前記金属部品を構成する基体の表面に、ＴｉＡｌＳｉＮからなり、Ｔｉの含有割合が２０質量％以上６９．９質量％以下であって、Ａｌの含有割合が２０質量％以上６９．９質量％以下であって、Ｓｉの含有割合が０．１質量％以上１０質量％以下であって、Ｎの含有割合が０．０１質量％以上１．０質量％以下である酸化防止層を物理蒸着法で成膜する。

本発明によれば、金属部品において高温酸化反応が生じることを容易に防止することが可能であって、減肉が生ずることを効果的に抑制可能な、金属部品の製造方法を提供することができる。

図１は、実施形態に係る金属部品１０の一部を拡大して示す断面図である。図２は、実施形態に係る金属部品１０を製造するときの様子を模式的に示す図である。図３は、実施形態に係る金属部品１０において、酸化防止層１２の厚みｔ（μｍ）と高温酸化相対量ΔＷ（ｇ／ｃｍ２）との関係を示す図である。図４Ａは、実施形態に係る製造方法で製造した金属部品１０の具体例を示す図である。図４Ｂは、実施形態に係る製造方法で製造した金属部品１０の具体例を示す図である。図５Ａは、実施形態に係る製造方法で製造した金属部品１０の他の具体例を示す図である。図５Ｂは、実施形態に係る製造方法で製造した金属部品１０の他の具体例を示す図である。

［金属部品１０の構成］
実施形態に係る金属部品の構成に関して説明する。

図１は、実施形態に係る金属部品１０の一部を拡大して示す断面図である。

金属部品１０は、蒸気タービンシステム（図示省略）を構成する機器の部品である。図１に示すように、金属部品１０は、基体１１と酸化防止層１２（耐高温酸化コーティング）とを有する。

金属部品１０において、基体１１は、金属部品１０の本体を構成する部分である。本実施形態では、基体１１は、９質量％以上１５質量％以下のＣｒを組成に含む合金鋼で形成されている。

金属部品１０において、酸化防止層１２は、基体１１の表面に形成されている。ここでは、酸化防止層１２は、基体１１の表面のうち、６００℃以上の蒸気に曝される部分を被覆している。つまり、酸化防止層１２は、基体１１の表面において上記した高温酸化反応が生じ得る部分を被覆することによって、基体１１に金属酸化物の皮膜が形成されることを防止している。詳細については後述するが、酸化防止層１２は、物理蒸着法で成膜されている。

酸化防止層１２は、ＣｒとＴｉとＡｌとＳｉとの少なくとも１つを組成に含む窒化物（＝（Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ）からなる。上記の窒化物は、耐熱温度が高く、耐高温酸化性に優れるが、特に、ＴｉＡｌＮまたはＴｉＡｌＳｉＮであることが好ましい。上記の窒化物において、ＴｉＮの耐熱温度は、約５００℃であり、ＣｒＮの耐熱温度は、約６００℃であり、ＴｉＣｒＮの耐熱温度は、約６００℃である。これらに対して、ＴｉＡｌＮの耐熱温度は、約８００℃であり、ＴｉＡｌＳｉＮの耐熱温度は、約１０００℃である。このように、ＴｉＡｌＮおよびＴｉＡｌＳｉＮは、耐熱温度が特に高いため好ましい。また、ＴｉＡｌＮおよびＴｉＡｌＳｉＮは、耐高温酸化性が特に優れているため好ましい。

本実施形態では、ＴｉＡｌＮの組成は、Ｔｉの含有割合ｘ１が５９質量％以上６４質量％以下であって、Ａｌの含有割合ｙ１が３５質量％以上４０質量％以下であって、Ｎの含有割合ｚ１が０．０１質量％以上１．０質量％以下であることが好ましい（換言すると、５９≦ｘ１≦６４，３５≦ｙ１≦４０，０．０１≦ｚ１≦１．０，ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１００）。ＴｉＡｌＮにおいてＴｉ成分が上記範囲よりも少ない場合には、酸化防止層１２が軟化する不具合が生ずる場合があり、上記範囲よりも多い場合には、耐高温酸化性が低下する不具合が生ずる場合がある。ＴｉＡｌＮにおいてＡｌ成分が上記範囲よりも少ない場合には、耐高温酸化性が低下する不具合が生ずる場合があり、上記範囲よりも多い場合には、酸化防止層１２が軟化する不具合が生ずる場合がある。ＴｉＡｌＮにおいてＮ成分が上記範囲よりも少ない場合には、健全なＴｉＡｌＮ耐酸化層（酸化防止層１２）の形成が不十分となり、耐高温酸化性が低下する不具合が生ずる場合があり、上記範囲よりも多い場合には、酸化防止層１２が脆化する不具合が生ずる場合がある。よって、ＴｉＡｌＮの組成を上記範囲にすることにより、酸化防止層１２の耐熱温度を約８００℃にすることが可能であり、かつ酸化防止層１２は軟化および脆化にもならず、健全なＴｉＡｌＮ耐酸化層を形成することができる。また、蒸気タービンシステムにおいて、約８００℃以下の温度環境での耐高温酸化が要求される部位に、このＴｉＡｌＮ耐酸化層の適用が望ましい。

本実施形態では、ＴｉＡｌＳｉＮの組成は、Ｔｉの含有割合ｘ２が２０質量％以上６９．９質量％以下であって、Ａｌの含有割合ｙ２が２０質量％以上６９．９質量％以下であって、Ｓｉの含有割合ｖ２が０．１質量％以上１０質量％以下であって、Ｎの含有割合ｚ２が０．１質量％以上１．０質量％以下であることが好ましい（換言すると、２０≦ｘ２≦６９．９，２０≦ｙ２≦６９．９，０．１≦ｖ２≦１０，０．０１≦ｚ２≦１．０，ｘ２＋ｙ２＋ｖ２＋ｚ２＝１００）。ＴｉＡｌＳｉＮにおいてＴｉ成分が上記範囲よりも少ない場合には、酸化防止層１２が軟化する不具合が生ずる場合があり、上記範囲よりも多い場合には、耐高温酸化性が低下する不具合が生ずる場合がある。ＴｉＡｌＳｉＮにおいてＡｌ成分が上記範囲よりも少ない場合には、耐高温酸化性が低下する不具合が生ずる場合があり、上記範囲よりも多い場合には、酸化防止層１２が軟化する不具合が生ずる場合がある。ＴｉＡｌＳｉＮにおいてＳｉ成分が上記範囲よりも少ない場合には、耐高温酸化温度が低下する不具合が生ずる場合があり、上記範囲よりも多い場合には、酸化防止層１２が脆化し、剥離しやすくなる不具合が生ずる場合がある。ＴｉＡｌＳｉＮにおいてＮ成分が上記範囲よりも少ない場合には、健全なＴｉＡｌＳｉＮ耐酸化層の形成が不十分となる不具合が生ずる場合があり、上記範囲よりも多い場合には、酸化防止層が脆化する不具合が生ずる場合がある。よって、ＴｉＡｌＳｉＮの組成を上記範囲にすることにより、酸化防止層１２の耐熱温度を約１０００℃にすることが可能であり、かつ酸化防止層１２は軟化および脆化にもならず、健全なＴｉＡｌＳｉＮ耐酸化層を形成することができる。蒸気タービンシステムにおいて、より高い温度環境（例えば、約１０００℃以下の温度環境）での耐高温酸化が要求される部位に、このＴｉＡｌＳｉＮ耐酸化層の適用が望ましい。

特に、ＴｉＡｌＳｉＮの組成は、Ｔｉの含有割合ｘ２が５７質量％以上６２質量％以下であって、Ａｌの含有割合ｙ２が３５質量％以上３８質量％以下であって、Ｓｉの含有割合ｖ２が２質量％以上５質量％以下であって、Ｎの含有割合ｚ２が０．０１質量％以上１．０質量％以下であることが好ましい（換言すると、５７≦ｘ２≦６２，３５≦ｙ２≦３８，２≦ｖ２≦５，０．０１≦ｚ２≦１．０，ｘ２＋ｙ２＋ｖ２＋ｚ２＝１００）。

［金属部品１０の製造方法］
上記の金属部品１０を製造する製造方法に関して説明する。

本実施形態において金属部品１０を製造する際には、金属部品１０を構成する基体１１の表面に、ＣｒとＴｉとＡｌとＳｉとの少なくとも１つを組成に含む窒化物（ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮなど）を物理蒸着法で成膜することによって、酸化防止層１２を形成する。

図２は、実施形態に係る金属部品１０を製造するときの様子を模式的に示す図である。図２では、金属部品１０として、蒸気タービンの動翼を製造する場合について例示している。

図２に示すように、物理蒸着装置１００を用いて、金属部品１０の製造を行う。物理蒸着装置１００は、真空チャンバー１１０、陰極１２０、アーク電源１３０、陽極１４０、窒素ガス注入管１５０、回転台１６０、および、バイアス電源１７０を有する。物理蒸着装置１００は、物理蒸着法のうち、アーク・イオン・プレーティング法（アーク放電式のイオン・プレーティング法）で成膜を行うように構成されている。

金属部品１０を製造する際には、真空チャンバー１１０の内部において回転台１６０の支持面に、金属部品１０を構成する基体１１を支持させる。そして、酸化防止層１２として成膜される上記窒化物の原材料（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉなど）で形成された固体ターゲットを陰極１２０（蒸発源）として設置する。

そして、窒素ガス注入管１５０から真空チャンバー１１０の中に窒素（Ｎ_２）ガスを反応ガスとして注入した状態で、アーク電源１３０を用いて陰極１２０と陽極１４０との間に電圧を印加する。これにより、真空チャンバー１１０の内部においてアーク放電が起こり、陰極１２０である固体ターゲットが蒸発して、正イオンとして真空チャンバー１１０の内部に放出される。

この一方で、基体１１は、回転台１６０において回転した状態で、バイアス電源１７０により負のバイアス電圧（負圧）が印加される。これにより、アーク放電によって陰極１２０から放出された正イオンが加速して、基体１１へ向かう。そして、放出された正イオンと窒素（Ｎ_２）とが反応して生成された窒化物が、基体１１の表面に堆積することによって、基体１１に酸化防止層１２が成膜される。

上記のように、本実施形態では、物理蒸着法で成膜を行うので、他の成膜法（化学蒸着法（ＣＶＤ法）など）で成膜を行う場合よりも、成膜温度が低い。具体的には、物理蒸着法の成膜温度は、約２５０〜約６００℃であって、ＣＶＤ法（約１０００℃）と比較して低く、基材１１を構成する金属に対する温度的な影響が少なくすることができる。また、物理蒸着法では、厚い膜を容易に成膜することができる。特に、本実施形態では、物理蒸着法のうち、アーク・イオン・プレーティング法で成膜を行っているので、他の物理蒸着法（スパッタリング法、アーク・イオン・プレーティング法以外のイオン・プレーティング法など）で成膜を行う場合よりも、酸化防止層１２と基材１１との間の密着力を高くすることができる。また、アーク・イオン・プレーティング法で成膜を行うことによって、成膜速度を更に高めることが可能であり、かつ、対象物の複雑な形状に殆ど影響を受けずに成膜を実施することができる。

［酸化防止層１２の厚み］
図３は、実施形態に係る金属部品１０において、酸化防止層１２の厚みｔ（μｍ）と高温酸化相対量ΔＷ（ｇ／ｃｍ^２）との関係を示す図である。高温酸化相対量ΔＷは、高温酸化試験を行った後の試験サンプルの重量Ｗ２から高温酸化試験を行う前の試験サンプルの重量Ｗ１を減算した重量である（つまり、ΔＷ＝Ｗ２−Ｗ１）。高温酸化試験は、基体１１に酸化防止層１２を成膜した試験サンプルについて、下記に示す条件で行った。

（高温酸化試験の条件）
・温度：約７００℃
・時間：約５００ｈｒ

図３においては、試験サンプルの酸化防止層１２がＴｉＡｌＮである場合（破線）とＴｉＡｌＳｉＮである場合（一点鎖線）の結果について示している。具体的には、ＴｉＡｌＮの組成、および、ＴｉＡｌＳｉＮの組成が下記に示す条件である場合に関して示している。

（ＴｉＡｌＮの組成）
・Ｔｉの含有割合ｘ１：約６３．９質量％
・Ａｌの含有割合ｙ１：約３６質量％
・Ｎの含有割合ｚ１：約０．１質量％

（ＴｉＡｌＳｉＮの組成）
・Ｔｉの含有割合ｘ２：約５６質量％
・Ａｌの含有割合ｙ２：約４０質量％
・Ｓｉの含有割合ｖ２：約３．８質量％
・Ｎの含有割合ｚ２：約０．２質量％

なお、試験サンプルの基体１１としては、下記組成の合金鋼を用いた。
（基体１１の組成）
・Ｃｒの含有割合：約１２質量％
・基材残り金属（鉄（Ｆｅ））の含有割合：約８８質量％

図３に示すように、酸化防止層１２の厚みｔが１０μｍ以下の薄い厚みである場合、耐高温酸化性が十分でないので、高温酸化相対量ΔＷは、非常に多くなる。そして、酸化防止層１２の厚みｔが６０μｍを超える場合、酸化防止層１２が基体１１の表面から剥離しやすくなるために、高温酸化相対量ΔＷが多い。酸化防止層１２の厚みｔが２５μｍ以上６０μｍ以下の範囲では、高温酸化相対量ΔＷは、十分に少ない。このため、酸化防止層１２の厚みｔは、２５μｍ以上６０μｍ以下の範囲であることが好ましい（２５μｍ≦ｔ≦６０μｍ）。特に、酸化防止層１２の厚みｔは、２５μｍ以上４５μｍ以下の範囲であることが好ましい（２５μｍ≦ｔ≦４５μｍ）。

［金属部品１０の具体例１］
図４Ａ、図４Ｂは、実施形態に係る製造方法で製造した金属部品１０の具体例を示す図である。ここで、図４Ａは、火力発電プラントなどの蒸気タービンシステムを構成する蒸気タービン２００を模式的に示している。そして、図４Ｂは、図４Ａに示す蒸気タービン２００の一部（Ａ１部分）を拡大して示しており、作動媒体である蒸気の流れを白色の矢印で併記している。

図４Ａに示すように、蒸気タービン２００は、高圧タービン部２１０と中圧タービン部２２０と低圧タービン部２３０とを備えている。蒸気タービン２００においては、ボイラ（図示省略）の過熱器（図示省略）で加熱された蒸気が、高圧タービン部２１０に作動流体として導入されて、仕事を行う。そして、高圧タービン部２１０から排出された蒸気が、ボイラの再熱器（図示省略）において再度加熱された後に、中圧タービン部２２０に作動流体として導入されて、仕事を行う。そして、中圧タービン部２２０から排出された蒸気が、低圧タービン部２３０に作動流体として導入され仕事を行う。低圧タービン部２３０から排出された蒸気は、復水器（図示省略）で凝縮された後に、過熱器へ戻る。

図４Ｂに示すように、高圧タービン部２１０は、ケーシング２１１とタービンロータ２１２とを有し、ケーシング２１１がタービンロータ２１２を内部に収容している。高圧タービン部２１０は、多段式であって、複数段のタービン段落２１３が、ケーシング２１１の内部においてタービンロータ２１２の回転軸ＡＸに沿った軸方向に配列されている。複数のタービン段落２１３のそれぞれは、静翼２１４（ノズル翼）と動翼２１５とを含む。タービン段落２１３のうち、静翼２１４は、ケーシング２１１の内周面において複数が回転方向に配列されている。動翼２１５は、タービンロータ２１２の外周面において、複数が回転方向に配列されている。また、動翼２１５の先端側の部分には、シール部２１８が設けられている。

本実施形態において、静翼２１４および動翼２１５は、図３で示したように、基体１１の表面に物理蒸着法で酸化防止層１２を成膜した金属部品１０である。静翼２１４および動翼２１５において、基体１１は、１２質量％以上１５質量％以下のＣｒを含有する合金鋼であり、約６００℃の高温環境で高温酸化反応が生じる。しかし、本実施形態では、静翼２１４および動翼２１５は、上述したように、基体１１の表面に物理蒸着法で酸化防止層１２が成膜されているので、高温酸化反応の発生を防止することが可能であって、耐高温酸化性に優れる。

［金属部品１０の具体例２］
図５Ａ、図５Ｂは、実施形態に係る製造方法で製造した金属部品１０の他の具体例を示す図である。ここで、図５Ａは、火力発電プラントなどの蒸気タービンシステムを構成する主蒸気止め弁３００を模式的に示している。そして、図５Ｂは、図５Ａに示す主蒸気止め弁３００の一部（Ａ２部分）を拡大して示しており、蒸気の流れを白色の矢印で併記している。

主蒸気止め弁３００は、図５Ａに示すように、弁ケーシング３１０と弁棒３２０と弁体３３０と弁座３４０とを備える。主蒸気止め弁３００は、弁ケーシング３１０の内部に、弁棒３２０の一端に設置された弁体３３０が収容されている。これと共に、主蒸気止め弁３００は、弁ケーシング３１０の弁座３４０が設置されている。

主蒸気止め弁３００は、弁棒３２０を鉛直方向の上方に移動して弁体３３０と弁座３４０との間が離れることによって、開いた状態になる。これにより、弁ケーシング３１０の入口部３１１から蒸気が内部に流入し、出口部３１２から外部へ流出する。この一方で、主蒸気止め弁３００は、弁棒３２０を鉛直方向の下方に移動して弁体３３０と弁座３４０との間が密着することによって、閉じた状態になる。

本実施形態において、弁棒３２０は、図５Ｂに示すように、基体１１である弁棒本体３２１の表面に酸化防止層１２が成膜された金属部品１０である。同様に、弁体３３０は、基体１１である弁体本体３３１の表面に酸化防止層１２が成膜された金属部品１０である。酸化防止層１２は、図３で示したように、物理蒸着法で酸化防止層１２を成膜されている。弁棒本体３２１（基体１１）および弁体本体３３１（基体１１）は、９質量％のＣｒを含有する合金鋼であり、約６００℃の高温環境で高温酸化反応が生じる。しかし、本実施形態では、上述したように、弁棒３２０は、基体１１である弁棒本体３２１の表面に酸化防止層１２が成膜されており、弁体３３０は、基体１１である弁体本体３３１の表面に酸化防止層１２が成膜されている。このため、本実施形態では、弁棒３２０、および、弁体３３０は、高温酸化反応の発生を防止可能であって、耐高温酸化性に優れる。

上記においては、蒸気タービンシステムにおいて、蒸気タービン２００を構成する静翼２１４および動翼２１５と、主蒸気止め弁３００を構成する弁棒３２０および弁体３３０とが、図３に示した製造方法で製造した金属部品１０である場合について説明したが、これに限らない。蒸気タービンシステムを構成する他の機器において高温酸化反応が生じ得る基体の表面を被覆するように、上記の酸化防止層を適宜成膜してもよい。

＜その他＞
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。

１０…金属部品、１１…基体、１２…酸化防止層、１３…タービン段落、１５…窒素ガス注入管、１００…物理蒸着装置、１１０…真空チャンバー、１２０…陰極、１３０…アーク電源、１４０…陽極、１５０…窒素ガス注入管、１６０…回転台、１７０…バイアス電源、２００…蒸気タービン、２１０…高圧タービン部、２１１…ケーシング、２１２…タービンロータ、２１３…タービン段落、２１４…静翼、２１５…動翼、２１８…シール部、２２０…中圧タービン部、２３０…低圧タービン部、３００…蒸気止め弁、３１０…弁ケーシング、３１１…入口部、３１２…出口部、３２０…弁棒、３２１…弁棒本体、３３０…弁体、３３１…弁体本体、３４０…弁座。

Claims

蒸気タービンシステムを構成する金属部品の製造方法であって、
前記金属部品を構成する基体の表面に、ＴｉＡｌＳｉＮからなり、
Ｔｉの含有割合が２０質量％以上６９．９質量％以下であって、
Ａｌの含有割合が２０質量％以上６９．９質量％以下であって、
Ｓｉの含有割合が０．１質量％以上１０質量％以下であって、
Ｎの含有割合が０．０１質量％以上１．０質量％以下である
酸化防止層を物理蒸着法で成膜することによって、前記金属部品を製造することを特徴とする、
金属部品の製造方法。
前記物理蒸着法は、アーク・イオン・プレーティング法である、
請求項１に記載の金属部品の製造方法。
前記酸化防止層の厚みは、２５μｍ以上６０μｍ以下である、
請求項１又は２に記載の金属部品の製造方法。
前記基体は、Ｃｒを９質量％以上１５質量％以下含む合金鋼で形成されており、
前記基体の表面のうち６００℃以上の蒸気に曝される部分に前記酸化防止層を形成する、
請求項１から３のいずれかに記載の金属部品の製造方法。