JPH0247521B2 - - Google Patents
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- JPH0247521B2 JPH0247521B2 JP60047595A JP4759585A JPH0247521B2 JP H0247521 B2 JPH0247521 B2 JP H0247521B2 JP 60047595 A JP60047595 A JP 60047595A JP 4759585 A JP4759585 A JP 4759585A JP H0247521 B2 JPH0247521 B2 JP H0247521B2
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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- C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、内部に炭化チタン粒子を分散させて
成る耐固体粒子浸食性、耐腐食性かつ耐酸化性の
被膜または物体に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to solid particle erosion resistant, corrosion resistant and oxidation resistant coatings or objects having titanium carbide particles dispersed therein.
蒸気タービン装置においては、蒸気中に比較的
小さな固体粒子が存在してそれを汚染することが
ある。かかる固体粒子は主として磁鉄鉱
（Fe3O4）であると信じられていて、当業者はそ
れらを「湯あか」と呼ぶことがある。これらの粒
子は蒸気ボイラの管系およびそれに隣接する配管
に由来するものと考えられている。蒸気タービン
の起動時および通常運転時には、これらの粒子は
蒸気の流れにより蒸気タービン装置全体を通して
運ばれる。このような意味から、本明細書中では
蒸気が「汚染」されていると言う。装置中の蒸気
流路内に位置する部品は固体粒子による浸食を受
けるが、それは粒子の速度、蒸気の圧力と温度、
および蒸気流路内における部品の配置に依存す
る。一般に、蒸気タービンの内部において高速で
回転するタービン羽根は固体粒子による浸食を受
けるが、同じことはノズル隔壁、仕切板および蒸
気弁内の特定区域についても言える。弁棒および
弁体は直接に蒸気流路内に位置していて、個々の
弁開閉操作に際しては蒸気が音速にも達するため
固体粒子浸食による影響が著しい。かかる固体粒
子浸食の問題はそれらの弁部品の寿命に重大な影
響を及ぼす。すなわち、現場で使用されている弁
の中には、固体粒子浸食のため、２〜３年の運転
期間後に交換や再研磨を行わなければならないも
のがあつた。とは言え、蒸気タービン系統中の
個々の弁の予想寿命はその他数多くの運転条件お
よび装置特性に大きく依存するから、個々の弁の
寿命に関して断定的なことを述べるのは必ずしも
適確でない。 In steam turbine systems, relatively small solid particles may be present in the steam and contaminate it. Such solid particles are believed to be primarily magnetite (Fe 3 O 4 ), and those skilled in the art may refer to them as "scald." These particles are believed to originate from the steam boiler tubing and adjacent piping. During startup and normal operation of a steam turbine, these particles are carried throughout the steam turbine system by the steam flow. In this sense, steam is referred to herein as being "contaminated." Components located in the steam flow path of the equipment are subject to erosion by solid particles, which is dependent on particle velocity, steam pressure and temperature,
and the placement of components within the steam flow path. Generally, turbine blades rotating at high speed inside a steam turbine are subject to erosion by solid particles, and the same is true for nozzle bulkheads, partition plates, and certain areas within steam valves. The valve stem and valve body are located directly in the steam flow path, and when the individual valves are opened and closed, the steam reaches the speed of sound, so they are significantly affected by solid particle erosion. Such solid particle erosion problems have a significant impact on the lifespan of these valve components. That is, some valves used in the field had to be replaced or reground after two to three years of operation due to solid particle erosion. However, it is not always appropriate to make definitive statements regarding the lifespan of individual valves, as the expected lifespan of individual valves in a steam turbine system is highly dependent on numerous other operating conditions and equipment characteristics.
冶金学の分野においては、炭化チタンは極めて
硬くかつ多くの種類の摩耗に耐えるものとして十
分に認められている。実際、炭化チタンを鋼母材
と共に使用することによつて工具鋼被膜が形成さ
れてきた。かかる被膜中の鋼はマルテンサイト組
織を有するもので、たとえば金属基体上に比較的
薄い層をプラズマ溶射することによつて設置する
ことができる。エリス（Ellis）等の米国特許第
3896244号および同第3886637号の明細書中には、
かかる炭化チタンの工具鋼被膜が開示されてい
る。 In the field of metallurgy, titanium carbide is well recognized as extremely hard and resistant to many types of wear. In fact, tool steel coatings have been formed by using titanium carbide with a steel base material. The steel in such a coating has a martensitic structure and can be applied, for example, by plasma spraying a relatively thin layer onto a metal substrate. Ellis et al. U.S. Patent No.
In the specifications of No. 3896244 and No. 3886637,
Such titanium carbide tool steel coatings are disclosed.
上記米国特許第3886637に開示された加工方法
によれば、被膜材料を予備的に合金化して、マル
テンサイト構造を含む鋼母材の全体に分散した主
に炭化チタンからなる丸みをおびた粒子が確実に
存在するようにする。 According to the processing method disclosed in the above-mentioned U.S. Pat. No. 3,886,637, the coating material is pre-alloyed to form rounded particles consisting mainly of titanium carbide dispersed throughout the steel base material containing a martensitic structure. Make sure it exists.
また、アメリカ合衆国ニユージヤージー州テイ
ントンフオールズ市所在のメタラージカル・イン
ダストリーズ社（Metallurgical Industries
Inc.）のテイーコート（Ti Coat）Ｔ−92に関す
るパンフレツト中には、高クロム合金母材中に炭
化チタン粒子を分散させて成りかつプラズマ輸送
アーク溶接法によつて設置される被膜または溶接
物が開示されている。このテイーコートＴ−92は
１回のパスで0.3cm（１／８インチ）の厚さにま
で設置することが可能であつて、グリツトブラス
ト作業において使用されるチルド鋳鉄グリツトに
よる浸食性摩耗に耐える鋼ライナとして使用する
ことが推奨されている。メタラージカル・インダ
ストリーズ社のテイーコートＴ−93に関する別の
パンフレツト中には、この炭化チタン被膜または
溶接物がプラズマ輸送アーク溶接法によつて１回
のパスで0.48cm（３／16インチ）の厚さにまで設
置されることが規定されている。 In addition, Metallurgical Industries, Inc., located in Tainton Falls, New Jersey, United States,
Inc.'s Ti Coat T-92 brochure describes a coating or weldment consisting of titanium carbide particles dispersed in a high chromium alloy matrix and installed by plasma transport arc welding. is disclosed. Teycoat T-92 can be installed up to 0.3 cm (1/8 inch) thick in a single pass and resists the aggressive wear caused by chilled cast iron grit used in grit blasting operations. Recommended for use as a bearing steel liner. In another brochure for Metallurgical Industries' Teycoat T-93, the titanium carbide coating or weldment was deposited in one pass to a thickness of 0.48 cm (3/16 in.) by plasma transport arc welding. It is stipulated that it be installed up to the maximum height.
多重パス溶接操作によると、前に施こした溶接
物の上部表面に向かつて炭化チタンが浮き上がつ
て移動し、これにより表面の別の溶接物を接着さ
せることが困難になり、しかも、被膜全体につい
て炭化チタンの均一な分散が失われる結果とな
る。前に施こしてあつた溶接物のぬれ性を高める
試みとして、ケイ素及び／又はマンガンを添加す
ることがある。しかし、これらの添加剤は、オー
ステナイト型、パーライト型、スフエロイダイト
（sphereoidite）型といつた好ましくない構造を
溶着金属に形成することを促進する。 Multi-pass welding operations can cause titanium carbide to lift and migrate toward the top surface of a previously applied weld, making it difficult to bond another weld on the surface and also causing the coating to This results in a loss of uniform dispersion of titanium carbide throughout. Silicon and/or manganese may be added in an attempt to improve the wettability of a previously applied weld. However, these additives promote the formation of undesirable structures in the deposited metal, such as austenitic, pearlite, and sphereoidite structures.
かかる先行技術によつて開示された炭化チタン
被膜を蒸気タービン部品（特に弁部品）の耐浸食
層として使用することは、かかる先行技術によつ
て開示された被膜厚さの制限の点から見て適当で
ない。他方、炭化チタン被膜よりも耐固体粒子浸
食性に優れていることが実験的に証明されている
別種の被膜（たとえば炭化クロム被膜）もある。
しかるに、更に実験を続けたところ、ある種の炭
化チタン被膜または付着層は炭化クロム被膜より
も厚く設置し得ることが証明された。換言すれ
ば、弁部品上に厚い炭化チタン層を設置した場合
には、耐浸食性のより大きい炭化クロムの薄い層
を設置した場合に比べて部品の寿命は実質的に長
くなるのである。更に、炭化チタン層の耐摩耗性
の程度を左右する要因は硬質の耐摩耗性母材中の
炭化チタンの分散の均一性にあると考えられる。
また、炭化チタンは密度が非常に小さいから、溶
融状態の付着層中において炭化チタンは表面に浮
遊する傾向があることも当業界において認められ
ている。加えて、炭化チタン同士を結合している
母材は炭化チタン粒子に比べて優先的に浸食を受
けることも冶金学者によつて証明されている。こ
れらの点を考慮すればわかる通り、特定の炭化チ
タン表面層の耐固体粒子浸食性は、炭化チタン粒
子を金属基体に付着させるために使用される方法
および炭化チタン粒子同士並びにこれらを金属基
体に結合する母材の耐摩耗性に依存する。 The use of the titanium carbide coatings disclosed by such prior art as erosion-resistant layers on steam turbine components (particularly valve components) is difficult in view of the coating thickness limitations disclosed by such prior art. It's not appropriate. On the other hand, there are other types of coatings (eg, chromium carbide coatings) that have been experimentally proven to have better solid particle attack resistance than titanium carbide coatings.
However, further experimentation has shown that certain titanium carbide coatings or deposits can be deposited thicker than chromium carbide coatings. In other words, if a thick layer of titanium carbide is placed on a valve component, the life of the component will be substantially longer than if a thin layer of chromium carbide, which is more resistant to erosion, is installed. Furthermore, it is believed that a factor that influences the degree of wear resistance of the titanium carbide layer is the uniformity of the dispersion of titanium carbide in the hard wear-resistant matrix.
It is also recognized in the art that since titanium carbide has a very low density, it tends to float to the surface in the molten deposit. In addition, metallurgists have demonstrated that the matrix bonding the titanium carbide particles is preferentially eroded compared to the titanium carbide particles. With these considerations in mind, the solid particle erosion resistance of a particular titanium carbide surface layer is determined by the method used to attach the titanium carbide particles to the metal substrate, to each other, and to the metal substrate. Depends on the wear resistance of the base materials to be bonded.
勿論、被膜中に炭化チタンが一様に分散する程
度は設置方法によつて決まる。もし被膜の炭化チ
タンを設置過程で融解させると、粒子の形状が丸
みを帯びて、それの密度の低下により沈積物の上
方へ浮き上がりやすくなる。 Of course, the degree to which the titanium carbide is uniformly dispersed in the coating will depend on the method of installation. If the titanium carbide of the coating is melted during the installation process, the particles will have a rounded shape and become less dense, making them easier to float above the deposit.
マル（Mal）の米国特許第4194910号明細書中
には、炭化チタン添加剤を含む焼結粉末金属製品
が開示されている。この特許明細書中に開示され
ているのは、10（重量）％のCr、2.9（重量）％の
Mo、0.85（重量）％のＣおよび残部の鉄を含有す
る鋼母材によつて結合された炭化チタン粒子であ
る。また、プリル（Prill）等の米国特許第
3715792号明細書中には、高クロム合金母材中に
45（容量）％のTiCを含有する、粉末冶金技術に
よつて焼結された耐摩耗性合金が開示されてい
る。ここに開示された母材の１種は20（重量）％
にCr、0.8（重量）％のＣおよび残部の鉄を含有し
ている。このような組成を用いた特定の実施例に
おいては、製造された合金を焼なましすることに
よつてスフエロイダイトを含有する顕微鏡組織が
生成され、次いでそれを焼入れすることによつて
マルテンサイト母材が得られている。その他の従
来文献中にはまた、焼入れ母材中に分散させた各
種の炭化チタン合金がジエツトの燃料ポンプや弁
座に見られるような浸食に耐えることも述べられ
ている。しかしながら、これらの従来文献中には
母材の化学組成や合金の組成が明確に規定されて
おらず、また合金の処理法や得られた合金の冶金
学的結晶構造も詳述されていない。 No. 4,194,910 to Mal discloses a sintered powder metal product containing a titanium carbide additive. Disclosed in this patent specification are 10% (by weight) Cr, 2.9% (by weight)
Titanium carbide particles bound by a steel matrix containing Mo, 0.85% (by weight) C and balance iron. In addition, U.S. patents such as Prill et al.
In the specification of No. 3715792, in the high chromium alloy base material,
A wear-resistant alloy sintered by powder metallurgy techniques is disclosed containing 45% (by volume) TiC. One of the base materials disclosed herein is 20% (by weight)
It contains Cr, 0.8% (by weight) of C and the balance iron. In certain embodiments using such compositions, the produced alloy is annealed to produce a spheroidite-containing microstructure, which is then quenched to form a martensitic matrix. is obtained. Other prior art documents also describe various titanium carbide alloys dispersed in a hardened matrix to withstand erosion such as that seen in jet fuel pumps and valve seats. However, these conventional documents do not clearly define the chemical composition of the base material or the composition of the alloy, nor do they detail the processing method of the alloy or the metallurgical crystal structure of the obtained alloy.
発明の目的
本発明の目的の１つは、蒸気タービン部品用の
耐固体粒子浸食性被膜を提供することにある。OBJECTS OF THE INVENTION One of the objects of the invention is to provide a solid particle erosion resistant coating for steam turbine components.
また、蒸気タービンの蒸気流路内において使用
すべき耐固体粒子浸食性部品を提供することも本
発明の目的の１つである。 It is also an object of the present invention to provide a solid particle erosion resistant component for use in the steam flow path of a steam turbine.
さらに、従来技術を使つて得られるものよりも
母材合金中に炭化チタンがより均一に分散してな
る耐固体粒子浸食性被膜をより厚く設置すること
も本発明の目的の１つである。 It is also an object of the present invention to provide a thicker solid particle erosion resistant coating with a more uniform distribution of titanium carbide in the base alloy than is obtainable using prior art techniques.
発明の概要
本発明の実施の一態様に従つて述べれば、汚染
粒子がもたらす固体粒子に暴露される表面隣接領
域を有しかつその表面隣接領域を少なくとも0.64
cm（0.25インチ）の深さにまで被覆している炭化
チタン被膜を含む耐固体粒子浸食性の製品が提供
される。かかる炭化チタン被膜は、高クロム鋳鉄
母材中に比較的一様に分散させた約30〜50（重量）
％の炭化チタン粒子を含有している。かかる被膜
はまた、オーステナイトまたはマルテンサイトの
結晶構造を示さない実質的に均質な粒団（アグリ
ゲート；aggregate）である。上記の母材は約15
〜30（重量）％のクロムおよび約1.5〜５（重量）
％の炭素を含有し、かつ残部は主として鉄であ
る。上記の被膜はまた、金属組織学的に確認可能
な量の高クロム含量M7C3炭化物（Ｍは、７：３
の割合で炭素に結合している鉄とクロムの組を示
す）をも包含している。SUMMARY OF THE INVENTION According to one embodiment of the present invention, the present invention has a surface-adjacent area exposed to solid particles produced by contaminating particles, and has a surface-adjacent area of at least 0.64
A solid particle erosion resistant product is provided that includes a titanium carbide coating to a depth of 0.25 inches (cm). Such a titanium carbide coating is approximately 30-50% (by weight) dispersed relatively uniformly in a high chromium cast iron matrix.
% of titanium carbide particles. Such coatings are also substantially homogeneous aggregates that do not exhibit an austenitic or martensitic crystal structure. The above base material is approximately 15
~30 (wt)% chromium and about 1.5-5 (wt)
% carbon, and the remainder is mainly iron. The above coatings also contain metallographically detectable amounts of high chromium content M 7 C 3 carbides (M is 7:3
It also includes iron and chromium (which indicates a pair of iron and chromium bonded to carbon in a proportion of ).
本発明の別の実施の態様に従えば、蒸気タービ
ン装置中を流れる汚染蒸気がもたらす固体粒子浸
食に暴露される表面隣接領域を持つた粉末金属の
合体物から成る製品が提供される。この場合、上
記合体物の表面隣接領域の組成は炭化チタン被膜
の組成と本質的に同じである。 In accordance with another embodiment of the present invention, there is provided an article of powdered metal composite having surface-adjacent areas exposed to solid particle erosion caused by contaminated steam flowing through a steam turbine system. In this case, the composition of the region adjacent to the surface of the composite is essentially the same as the composition of the titanium carbide coating.
本発明の要旨は、前記特許請求の範囲中に詳細
かつ明確に指摘されている。とは言え、本発明そ
れ自体並びに上記以外の目的や利点は添付の図面
を参照しながら以下の説明を読むことによつて最
も良く理解できよう。 The subject matter of the invention is pointed out with particularity and clarity in the appended claims. The invention itself, however, as well as other objects and advantages, may best be understood by reading the following description in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG.
発明の詳しい説明
一般的に言えば、本発明は蒸気タービン部品に
おいて見られるような固体粒子浸食に耐える炭化
チタン組成物に関する。実施の一態様に従えば、
かかる蒸気タービン部品は(a)蒸気タービン装置中
を流れる汚染蒸気がもたらす固体粒子浸食に暴露
される表面隣接領域を持つた金属基体および(b)そ
の基体の表面隣接領域上に設置された炭化チタン
被膜から成る。なお、本明細書中で使用される
「被膜」および「層」という用語は同義である。
上記の被膜は、高クロム鋳鉄母材中に比較的一様
に分散させた約30〜50（重量）％の炭化チタン粒
子、好ましくは約35〜45（重量）％のかどばつた
炭化チタン粒子を含有している。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Generally speaking, the present invention relates to titanium carbide compositions that resist solid particle erosion such as those found in steam turbine components. According to one aspect of implementation,
Such steam turbine components include (a) a metal substrate having an adjacent surface area exposed to solid particle erosion caused by contaminated steam flowing through the steam turbine system; and (b) a titanium carbide disposed on the adjacent surface area of the substrate. Consists of a membrane. Note that the terms "coat" and "layer" used herein are synonymous.
The above coating comprises about 30-50% (by weight) titanium carbide particles, preferably about 35-45% (by weight) chamfered titanium carbide particles dispersed relatively uniformly in a high chromium cast iron matrix. Contains.
第１図は、炭化チタン被膜が実質的に均質な粒
団であることを示す顕微鏡写真（100）Ｘである。
図中には、様々な粒度および形状のかどばつた炭
化チタン粒子１０，１２および１４が示されてい
る。参照番号１６によつて示される高クロム鋳鉄
母材は、炭化チタン粒子同士を結合すると同時
に、蒸気タービン部品の被覆される金属基体（図
示せず）に粒団を結合している。なお、かかる炭
化チタン被膜は蒸気タービン部品の表面隣接領域
を少なくとも0.64cm（0.25インチ）の深さにまで
被覆していることが好ましい。本願発明に従う被
覆は、その製造に際してかどばつた炭化チタン粒
子を溶融することがないので、相当に大きな厚み
まで形成できる。 FIG. 1 is a photomicrograph (100)X showing that the titanium carbide coating is a substantially homogeneous agglomerate.
Illustrated in the figure are rounded titanium carbide particles 10, 12 and 14 of various particle sizes and shapes. A high chromium cast iron matrix, designated by the reference numeral 16, bonds the titanium carbide particles to each other as well as to the coated metal substrate (not shown) of the steam turbine component. Preferably, such a titanium carbide coating covers the adjacent surface area of the steam turbine component to a depth of at least 0.64 cm (0.25 inch). The coating according to the present invention can be formed to considerably greater thicknesses since the angular titanium carbide particles are not melted during its manufacture.
第２図は、第１図と同じ炭化チタン組成物の倍
率400Xの顕微鏡写真である。炭化チタン粒子２
０および２２が高クロム鋳鉄母材中に分散してい
る。粒子２０は参照番号２４によつて示される金
属組織学的な汚染物を含むものと信じられる。参
照番号２６は炭化チタン組成中の気孔または空〓
を指すが、かかる炭化チタン領域について粉末金
属の合体が局所的に不完全であることに由来する
ものである。参照番号３０は金属組織学的に確認
可能な高クロム含量M7C3炭化物を示している。
M7C3炭化物とは当業者にとつて周知である１群
の化合物を指すのであつて、詳しく言えば、Cr7、
C3、Cr4Fe3C3、Cr5Fe2C3またはCr1A6C3（式中の
Ａは未特定の元素である）のごとき炭化物が挙げ
られる。M7C3炭化物はまた、式CrxAyC3（ただ
し、ｘ＋ｙ＝７である）によつても表わされる。 FIG. 2 is a micrograph at a magnification of 400X of the same titanium carbide composition as in FIG. 1. Titanium carbide particles 2
0 and 22 are dispersed in the high chromium cast iron matrix. Particle 20 is believed to contain metallographic contaminants indicated by reference numeral 24. Reference number 26 is a pore or void in the titanium carbide composition.
This is due to the fact that the coalescence of the powder metal is locally incomplete in the titanium carbide region. Reference number 30 designates a metallographically verifiable high chromium content M 7 C 3 carbide.
M 7 C 3 carbide refers to a group of compounds well known to those skilled in the art, specifically Cr 7 ,
Examples include carbides such as C 3 , Cr 4 Fe 3 C 3 , Cr 5 Fe 2 C 3 or Cr 1 A 6 C 3 (A in the formula is an unspecified element). M 7 C 3 carbide is also represented by the formula CrxAyC 3 where x+y=7.
フエライト（Fe）すなわちアルフア鉄は第２
図中の参照番号３２によつて示されている。当業
界において周知の通り、高クロム鋳鉄母材は高ク
ロム含量M7C3炭化物３０およびフエライト３２
の両方を包含するものと考えられる。 Ferrite (Fe) or alpha iron is the second
It is indicated by reference number 32 in the figure. As is well known in the art, high chromium cast iron base metals contain high chromium content M 7 C 3 carbide 30 and ferrite 32
It is considered to include both.
高クロム鋳鉄母材は約15〜30（重量）％のクロ
ムおよび約1.5〜５（重量）％の炭素を含有し、か
つ残部は主として鉄である。かかる母材はまた、
表示量のMoおよび表示量のＷ並びに当業者にと
つて周知であるその他の痕跡元素を含有すること
もある。たとえば、Mo及びＷについてはそれぞ
れ約２％以下、NiやCoのような他の痕跡元素に
ついては約１％以下である。母材は炭化チタン粒
子に比べて優先的に浸食を受けるから、クロムお
よび炭素の量はかかる組成物にとつて重要であ
る。 The high chromium cast iron matrix contains about 15-30% (by weight) chromium and about 1.5-5% (by weight) carbon, with the balance being primarily iron. Such base material may also be
It may also contain the indicated amounts of Mo and W as well as other trace elements well known to those skilled in the art. For example, less than about 2% each for Mo and W, and less than about 1% for other trace elements such as Ni and Co. The amount of chromium and carbon is important for such compositions since the matrix is preferentially eroded compared to the titanium carbide particles.
好ましくは少なくとも0.64cm（0.25インチ）の
深さ（もつと薄い被膜でもかまわない）の炭化チ
タン被膜を得るための方法としては、粉末金属合
体物技術を使用することが好ましい。かかる合体
技術の１つは、粉末金属の熱間等圧圧縮として当
業界で知られている。第１および２図に示された
炭化チタン組成物は粉末金属合体技術によつて製
造されたものである。炭化チタン粒子の好適な含
量範囲は30〜40（重量）％である。炭化チタン粒
子の含量が30（重量）％未満であると、目的とす
る炭化チタン組成物に、耐固体粒子浸食性及び耐
酸化性といつた所望の特性が付与されない。しか
し、それが50（重量）％を越えると、得られる組
成物は極めて脆くなるため、取扱い、機械加工お
よび蒸気タービン部品としての使用が困難になる
ことが実験的に証明されている。粉末金属合体技
術の一例としては、1204℃（2200〓）および1055
Kg／cm2（15ksi）の条件下に於ける熱間等圧圧縮が
挙げられる。 The preferred method for obtaining titanium carbide coatings, preferably at least 0.25 inches deep (though even thinner coatings are acceptable), is to use powder metal composite technology. One such coalescence technique is known in the art as hot isostatic pressing of powdered metals. The titanium carbide compositions shown in Figures 1 and 2 were produced by powder metal coalescence techniques. The preferred content range of titanium carbide particles is 30-40% (by weight). When the content of titanium carbide particles is less than 30% (by weight), desired properties such as solid particle erosion resistance and oxidation resistance are not imparted to the intended titanium carbide composition. However, it has been experimentally proven that when it exceeds 50% (by weight), the resulting composition becomes extremely brittle, making it difficult to handle, machine and use as steam turbine components. Examples of powder metal coalescence technology include 1204℃ (2200〓) and 1055℃
Examples include hot isostatic compression under conditions of Kg/cm 2 (15 ksi).
粉末金属合体技術では粉末を一緒に焼結する。
初期の粉末混合（ブレンド）を注意して行なつて
母材材料粉末全体に亘つて炭化チタン粉末を均一
に分散させ、かつ合体温度から冷却速度を適当に
制御すると、得られる粒団は実質的に均一でフエ
ライトであり、しかも全体に亘つてオーステナイ
トまたはマルテンサイトの結晶構造を示さないこ
とが確実となる。このことと既知の被膜および溶
着金属（weld deposit）との相違点は重要であ
る。すなわち、フエライト母材（特に微細な
M7C3高クロム炭化物の析出物）はその組成物全
体としての耐固体粒子浸食性および耐酸化性に著
しい寄与をすると考えられるからである。炭化チ
タン粉末と母材粉末は粉末金属合体技術によつて
直接金属基体上に設けることができるであろう
し、あるいは、出発材料の混合粉末を合体させた
後蒸気タービン部品などのような所望の形態に機
械加工することもできよう。 Powder metal coalescence technology involves sintering powders together.
By carefully performing the initial powder blending to ensure a uniform distribution of the titanium carbide powder throughout the base material powder, and by appropriately controlling the cooling rate from the coalescence temperature, the resulting agglomerates are substantially It is ensured that the material is uniform and ferrite, and does not exhibit an austenite or martensite crystal structure throughout. The difference between this and known coatings and weld deposits is important. In other words, ferrite matrix (especially fine
This is because it is believed that the M 7 C 3 high chromium carbide precipitate) significantly contributes to the solid particle erosion resistance and oxidation resistance of the composition as a whole. The titanium carbide powder and the matrix powder could be applied directly onto the metal substrate by powder metal coalescence techniques, or the starting material powder mixture could be combined and then deposited into the desired form, such as a steam turbine component. It could also be machined.
本発明に従う被覆の製造方法の１例を以下に述
べる。すでに述べた組成を有する高クロム含有鉄
母材はあらかじめ合金化されており、およそ−
100メツシユ（好ましくは−140メツシユ＋10ミク
ロン）の粉末の形態で入手できる。一方、角張つ
た炭化チタンは通常炭化チタン塊を機械的にくだ
いてから、ふるいにかけて、約−100メツシユ
（好ましくは−140メツシユ＋10ミクロン）の粉末
の形態で入手できる。これらの粉末を機械的に混
合して実質的に均一な粉末混合物を形成する。母
材粉末と炭化チタン粉末は同じサイズである必要
はない。実際、炭化チタン粉末が上記のサイズの
範囲内で母材粉末より大きいと望ましいことがあ
る。こうして混合された粉末は、保護すべき基体
上に熱間等圧圧縮によつて合体させられる。その
際の温度（すなわち合体温度）は、母材合金のオ
ーステナイト化温度より充分高く（すなわち、お
よそ1093℃（200〓）以上）、鉄の融解温度より低
く、好ましくはおよそ1177℃（2150〓）からおよ
そ1232℃（2250〓）まで、さらに好ましくはおよ
そ1204℃（2200〓）である。またこれは、約700
〜1400Kg/cm2〔10〜20Ksi（数千ポンド／平方イン
チ）〕、好ましくは約1055Kg/cm2（15Ksi）の圧力
のアルゴンまたはヘリウムなどの不活性雰囲気中
で約３〜６時間、好ましくは約４時間の間行なわ
れる。すなわち、均一な粉末は加熱と同時に加圧
される。充分な塗装密度と基体への完全な接合が
得られる。重要なことは、この合体および接合過
程は全体を通じて固体状態で行なわれるというこ
とである。そうすれば、炭化物の分散は均一でし
かも炭化物粒子の角張つた形状はそのまま保持さ
れる。すなわち、混合した粉末の成分が融解する
ことはなく、したがつて角張つた炭化チタンが融
解してその縁や表面が丸みを帯びて浮遊したりま
たは移行したりすることもない。さらに、母材成
分はおよそ1093℃（2000〓）の温度以上では完全
にオーステナイト化されている。 An example of a method of manufacturing a coating according to the invention is described below. The high chromium-containing iron matrix with the composition already mentioned is pre-alloyed and approximately -
Available in powder form of 100 mesh (preferably -140 mesh + 10 microns). On the other hand, angular titanium carbide is usually obtained in the form of a powder of about -100 mesh (preferably -140 mesh + 10 microns) by mechanically crushing titanium carbide chunks and then sieving. These powders are mechanically mixed to form a substantially uniform powder mixture. The base material powder and the titanium carbide powder do not need to be the same size. In fact, it may be desirable for the titanium carbide powder to be larger than the matrix powder within the size range described above. The powder thus mixed is incorporated by hot isostatic pressing onto the substrate to be protected. The temperature at that time (i.e., the coalescence temperature) is sufficiently higher than the austenitizing temperature of the base alloy (i.e., approximately 1093°C (200〓) or higher) and lower than the melting temperature of iron, preferably approximately 1177°C (2150〓). to approximately 1232°C (2250〓), more preferably approximately 1204°C (2200〓). Also this is about 700
~1400 Kg/ cm2 [10-20 Ksi (thousands of pounds per square inch)], preferably about 3-6 hours in an inert atmosphere such as argon or helium at a pressure of about 1055 Kg/ cm2 (15 Ksi), preferably It will last about 4 hours. That is, the uniform powder is heated and pressurized at the same time. Sufficient coating density and perfect bonding to the substrate are obtained. Importantly, this coalescence and bonding process takes place in the solid state throughout. In this way, the carbide particles are uniformly dispersed, and the angular shape of the carbide particles is maintained as is. That is, the components of the mixed powder do not melt, and therefore the angular titanium carbide does not melt and its edges and surfaces become rounded, floating or migrating. Furthermore, the matrix component is fully austenitized above temperatures of approximately 1093°C (2000°C).
この合体された被膜が設けられた基体を、母材
の鉄が最終的にフエライト構造をとるような冷却
速度以下の速度でゆつくり室温まで冷却する。こ
の冷却速度は約８℃／分以下が好ましく、約５
℃／分がさらに好ましい。冷却の間に高クロム鉄
母材成分は、クロムと鉄に富んだ母材または二次
炭化物の微細で均一な分散状態を形成する。これ
らの母材炭化物は結晶学上M7C3と考えられる。
ただし、Ｍは７：３の比で炭素に結合している鉄
原子とクロム原子の合計を表わす。すなわち、
（Cr、Fe）7C3である。母材炭化物の望ましい組成
は、高クロム鉄中のクロム対炭素の比をクロム：
炭素の重量分率で約４：１から約10：１、好まし
くは約８：１まで変化させることによつて確かめ
ることができる。この限界の外では作業しないこ
とが望ましい。なぜならば、クロム対炭素の比が
これより高いかまたは低いと、M7C3炭化物以外
の炭化物およびその他のあまり望ましくない金属
相が生じることがあるからである。 The base body provided with this combined coating is slowly cooled to room temperature at a cooling rate below which the iron base material finally assumes a ferrite structure. This cooling rate is preferably about 8°C/min or less, and about 5°C/min or less.
C/min is more preferred. During cooling, the high chromium iron matrix component forms a fine, uniform dispersion of chromium and iron rich matrix or secondary carbides. These matrix carbides are considered to be M 7 C 3 crystallographically.
However, M represents the total of iron atoms and chromium atoms bonded to carbon in a ratio of 7:3. That is,
(Cr, Fe)7C3 . The desired composition of the matrix carbide is the ratio of chromium to carbon in high chromium iron:
This can be determined by varying the weight fraction of carbon from about 4:1 to about 10:1, preferably about 8:1. It is advisable not to work outside these limits. This is because higher or lower chromium to carbon ratios may result in carbides other than M 7 C 3 carbides and other less desirable metal phases.
望ましい母材炭化物の生成と合体温度からの規
定された冷却速度とが相俟つたことの重大な結果
は、（M7C3母材炭化物の形成後の）母材合金中に
残留する鉄の冶金学的な相はα鉄（フエライトと
同じ。すなわち、体心立方型結晶構造）であると
いうことである。したがつて、マルテンサイトお
よびオーステナイトの生成は有効に排除されてお
り、得られる組成物は応力を緩和したりまたは安
定性を高めたりするための焼き戻し処理を必要と
しない。したがつて、本発明の高クロム鉄母材
は、ふたつの相、すなわち、フエライト鉄とその
全体に亘つて均一に分散している比較的小さくて
微細なM7C3母材炭化物とからなる。大きめの角
張つた炭化チタン粒子は高クロム鉄母材の全体に
亘つて均一に分散しており、またその母材によつ
て支持されている。 An important consequence of the combination of desirable matrix carbide formation and a prescribed cooling rate from the coalescence temperature is that the remaining iron in the matrix alloy (after the formation of the M 7 C 3 matrix carbide) is The metallurgical phase is alpha iron (same as ferrite, that is, body-centered cubic crystal structure). Therefore, the formation of martensite and austenite is effectively eliminated and the resulting composition does not require a tempering treatment to relieve stress or increase stability. Therefore, the high chromium iron matrix of the present invention consists of two phases: ferritic iron and relatively small and fine M 7 C 3 matrix carbides uniformly distributed throughout. . The larger, angular titanium carbide particles are evenly distributed throughout and supported by the high chromium iron matrix.
本発明の複合被膜は、高温の汚染されたタービ
ン流路をシミユレートする実験室での試験におい
て、酸化と固体粒子浸食に対して優れた抵抗性を
示す。フエライト母材のおかげで、本発明の被膜
はフエライト基体との相溶性が非フエライト母材
の場合よりよくなつている。すなわち、被膜と基
体との組成安定性および熱膨張適合性が改良され
ている。これは、蒸気タービン部品の被覆に特に
有益である。このような部品の多くは主要な金属
成分がフエライトであるのが典型的である。 The composite coatings of the present invention exhibit excellent resistance to oxidation and solid particle erosion in laboratory tests simulating hot, contaminated turbine flow paths. Because of the ferritic matrix, the coatings of the present invention are more compatible with ferritic substrates than with non-ferritic matrixes. That is, the compositional stability and thermal expansion compatibility between the coating and the substrate are improved. This is particularly useful for coating steam turbine components. Typically, the predominant metal component in many such parts is ferrite.
望ましい耐固体粒子浸食性と耐酸化性をもつ蒸
気タービン部品を提供するには、被膜または粉末
金属合体技術によつて合体した物体の全体に亘つ
て角張つた炭化チタン粒子が均一に分散していな
ければならないと考えられる。さらに、本発明に
従う被膜材料の付加的な層を受領するべき既成の
層を調製するのに、ケイ素やマンガンなどのよう
な湿潤剤は必要ない。また、本発明による加工処
理中には、角張つた炭化チタンの融解が、すでに
述べた浮遊および濡れの問題を伴つて起こらない
ので、本発明の被膜で得られる厚みに関しては、
いかなる制限も今までの所見られてないし、ま
た、見られることはないと思われる。 To provide steam turbine components with desirable solid particle erosion and oxidation resistance, angular titanium carbide particles must be uniformly distributed throughout the body assembled by coating or powder metal coalescence techniques. It is considered that there is no need to do so. Furthermore, wetting agents such as silicon, manganese, etc. are not required to prepare the ready-made layer to receive the additional layer of coating material according to the invention. Also, with regard to the thicknesses obtained with the coatings of the invention, since during processing according to the invention no melting of the angular titanium carbide occurs with the floating and wetting problems already mentioned.
No restrictions have ever been found and are not expected to be found.
上記の場合と実質的に同じ炭化チタン組成物の
プラズマアーク溶接物を粉末金属合体物と比較す
る実験を行つたところ、固体粒子浸食試験に際し
て顕著な差異は認められなかつた。なお、望まし
い耐固体粒子浸食性を持つた蒸気タービン部品を
得るためには、被膜または粉末金属合体物中に炭
化チタン粒子を一様に分散させなければならない
ものと信じられる。 In an experiment comparing a plasma arc welded product of substantially the same titanium carbide composition as described above with a powder metal composite, no significant difference was observed in the solid particle erosion test. It is believed that to obtain a steam turbine component with desirable solid particle erosion resistance, the titanium carbide particles must be uniformly dispersed within the coating or powder metal composite.
前記特許請求の範囲は、当業者にとつて容易に
明らかとなる変更例および同等物の全てを包括す
ることを意図したものである。 The claims are intended to cover all modifications and equivalents that would be readily apparent to those skilled in the art.
第１図は本発明の実施の一態様に基づく炭化チ
タン組成物の金属組織断面の顕微鏡写真（倍率
100X）、そして第２図は同じ炭化チタン組成物の
金属組織断面の顕微鏡写真（倍率400X）である。
図中、１０，１２および１４は炭化チタン粒
子、１６は高クロム鋳鉄母材、２０および２２は
炭化チタン粒子、２６は気孔または空〓、３０は
高クロム含量M7C3炭化物、そして３２はフエラ
イトを表わす。
FIG. 1 is a micrograph (magnification:
100X), and FIG. 2 is a micrograph (400X magnification) of a cross-section of the metallographic structure of the same titanium carbide composition. In the figure, 10, 12 and 14 are titanium carbide particles, 16 is a high chromium cast iron base material, 20 and 22 are titanium carbide particles, 26 is a pore or void, 30 is a high chromium content M 7 C 3 carbide, and 32 is a high chromium content M 7 C 3 carbide. Represents ferrite.
Claims (1)
されて固体粒子浸食をうける金属基体の表面隣接
領域の上に被覆として、高クロム鋳鉄母材中に分
散させた30〜50（重量）％の炭化チタン粒子を含
有し、かつ、オーステナイトまたはマルテンサイ
トの結晶構造を実質的に示さない実質的に均質な
粒団を設置してなる、蒸気タービン装置に使われ
る耐固体粒子浸食性部品としての製品。 ２ 前記炭化チタン粒子がかど張つている特許請
求の範囲第１項記載の製品。 ３ 前記被膜が前記表面隣接領域を少なくとも
0.64cm（0.25インチ）の深さにまで被覆している
特許請求の範囲第１項記載の製品。 ４ 前記高クロム鋳鉄母材が15〜30（重量）％の
Crおよび1.5〜５（重量）％のＣを含有しかつ残部
が主として鉄である特許請求の範囲第１乃至３項
のいずれか記載の製品。 ５ 前記高クロム鋳鉄母材が公称量のMoおよび
公称量のＷ並びにその他の痕跡元素を含有する特
許請求の範囲第４項記載の製品。 ６ 前記高クロム鋳鉄母材が金属組織学的に確認
可能な量の高クロム含量M7C3炭化物を包含する
特許請求の範囲第４項記載の製品。 ７ 蒸気タービン装置に使われる耐固体粒子浸食
性部品として粉末金属合体物からなる製品であつ
て、前記粉末金属合体物はオーステナイトまたは
マルテンサイトの結晶構造を実質的に示さない実
質的に均質な粒団からなり、しかも、蒸気タービ
ン装置中を流れる汚染蒸気にさらされて固体粒子
浸食をうける前記粉末金属合体物の表面隣接領域
には、30−50（重量）％の炭化チタン粒子が高ク
ロム鋳鉄母材中に分散された状態で含まれている
製品。 ８ 前記炭化チタン粒子がかど張つている特許請
求の範囲第７項記載の製品。 ９ 前記高クロム鋳鉄母材が15〜30（重量）％の
Crおよび1.5〜５（重量）％のＣを含有しかつ残部
が主として鉄である特許請求の範囲第７または８
項記載の製品。 １０ 前記高クロム鋳鉄母材が公称量のMoおよ
び公称量のＷ並びにその他の痕跡元素を含有する
特許請求の範囲第９項記載の製品。 １１ 前記高クロム鋳鉄母材が金属組織学的に確
認可能な量の高クロム含量M7C3炭化物を包含す
る特許請求の範囲第９項記載の製品。[Scope of the Claims] 1. 30 to 50 (30 to 50%) dispersed in a high chromium cast iron matrix as a coating on areas adjacent to the surface of a metal substrate that are exposed to contaminated steam flowing through a steam turbine system and subject to solid particle erosion. solid particle erosion resistance used in steam turbine equipment, comprising a substantially homogeneous grain aggregate containing titanium carbide particles of % by weight and showing substantially no austenite or martensite crystal structure. Products as parts. 2. The product according to claim 1, wherein the titanium carbide particles have sharp edges. 3. The coating covers at least an area adjacent to the surface.
The product of claim 1 having a coating to a depth of 0.64 cm (0.25 inch). 4 The high chromium cast iron base material contains 15 to 30% (by weight)
4. A product according to any one of claims 1 to 3, containing Cr and 1.5 to 5% (by weight) of C, with the remainder being primarily iron. 5. The article of claim 4, wherein the high chromium cast iron matrix contains a nominal amount of Mo and a nominal amount of W and other trace elements. 6. The article of claim 4, wherein the high chromium cast iron matrix includes a metallographically verifiable amount of high chromium content M7C3 carbides. 7 A product made of a powdered metal composite as a solid particle erosion resistant component used in a steam turbine device, wherein the powdered metal composite has substantially homogeneous grains that do not substantially exhibit an austenite or martensite crystal structure. Furthermore, 30-50% (by weight) of titanium carbide particles are present in the high chromium cast iron in the area adjacent to the surface of the powdered metal composite, which is exposed to contaminated steam flowing through the steam turbine equipment and undergoes solid particle erosion. A product contained in a dispersed state in a matrix. 8. The product according to claim 7, wherein the titanium carbide particles have sharp edges. 9 The high chromium cast iron base material contains 15 to 30% (by weight)
Claim 7 or 8 containing Cr and 1.5 to 5% (by weight) of C, with the remainder being mainly iron.
Products listed in section. 10. The article of claim 9, wherein the high chromium cast iron matrix contains a nominal amount of Mo and a nominal amount of W and other trace elements. 11. The article of claim 9, wherein the high chromium cast iron matrix includes a metallographically verifiable amount of high chromium content M7C3 carbide.
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