JPH04221056A - タービン構成要素及びその被覆方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】本発明は、蒸気タービン構成要素の表面
の耐食性を改善するための被覆に関し、特に、改善され
た総合的特性を与えるための多重被覆方式に関するもの
である。

【０００２】

【発明の背景】発電においては、蒸気その他の高温ガス
中に存在する硬質の粒子の過酷な侵食作用に曝される静
翼及び動翼（回転翼）、配管並びに翼車のような構成要
素を含むタービン系が用いられている。これ等の構成要
素の供用中の性能は、往々にして、疲労抵抗、クリープ
抵抗及び引張強度のような基体合金の機械的性質もしく
は特性により支配される。

【０００３】タービン構成要素の製造に用いられる好適
な合金には、高強度鋼、低合金鋼及びステンレス鋼が含
まれる。これ等の材料は、高強度を発揮するが、比較的
に侵食を受け易く、長期間、固体粒子を含む加圧された
高温蒸気に曝された場合に由々しい侵食を受け得る。こ
の侵食の程度は、構成要素がもはや使用に耐えなくなり
、交換しなければならなくなるまで増すことが知られて
いる。

【０００４】従って、発電用タービンにおける構成要素
の交換と関連する運転停止期間は、数十万ドルものコス
トをもたらし得るので、蒸気タービン構成要素の侵食を
軽減する差し迫った必要性が存在する。

【０００５】侵食作用を最小にするための従来知られて
いる１つの手法によれば、タービン構成要素に、ホウ化
物被覆のような比較的硬質の耐侵食性表面が設けられて
いる。例えば、米国特許第３，９３５，０３４号明細書
を参照されたい。尚、この米国特許の内容は、参照とし
て本明細書に援用する。上記米国特許明細書には、構成
要素を、ホウ素及び不活性充填材を含む封止箱内に配置
して実施される箱づめ浸炭ホウ化物拡散工程で処理され
た構成要素が開示されている。この場合、封止箱の内容
物は、約１３５０°Ｆ（約７３２℃）よりも高い温度に
加熱される。数時間に亙る期間、この温度に曝した後に
、封止箱の内容物を常温に冷却する。上記高温期間中、
ホウ素が構成要素の基体である鋼内に拡散し、鋼基体に
は、ホウ化鉄とホウ化クロムの金属間化合物からなるホ
ウ化物被覆が形成される。

【０００６】種々の研究の結果、ホウ化物又は炭化物被
覆を含む被覆ステンレス鋼試験試料の耐侵食性は、被覆
を付着するのに用いられる工程パラメータに大きく依存
することが実証されている。例えば、“真空科学技術ジ
ャーナル（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＶａｃｕｕｍＳｃｉ
ｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）”の第２シ
リーズ、第４巻第６号（１９８６年１１／１２月）、第
２６３８〜２６４７頁に掲載された論文“蒸気タービン
羽根の被覆及び被覆工程の特徴（　Ｃｈａｒａｃｔｅｒ
ｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏａｔｉｎｇ　　Ｐｒｏｃｅ
ｓｓｅｓ　ａｎｄ　　Ｃｏａｔｉｎｇｓｆｏｒ　Ｓｔｅ
ａｍ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｂｌａｄｅｓ）”及び“表面及
び被覆技術（Ｓｕｒｆａｃｅａｎｄ　Ｃｏａｔｉｎｇｓ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）”、３６、頁４３３〜４４４（
１９８８年）に掲載された論文“表面耐侵食性及び基体
疲労強度に対する被覆工程及び工程パラメータの影響（
Ｔｈｅ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｃｏａｔｉｎｇ　
Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｐａｒ
ａｍｅｔｅｒｓ　ｏｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｒｏｓｉｏ
ｎＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ
　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）”を参照された
い。

【０００７】ホウ化物被覆は、蒸気タービン構成要素に
対して耐食性表面を与えるが、所要の被覆後、熱処理中
表面亀裂及び欠陥を発生することが屡々有る。これ等の
欠陥は、鋼基体の疲労強度及びホウ化物被覆の耐侵食寿
命を由々しく損ない。それにより、保護表面としての被
覆の潜在的能力を減少してしまう。更に、ホウ化物被覆
を使用高温度で酸化することが知られているが、その場
合には、タービン構成要素の表面から被覆が剥離し欠け
落ちてしまうスポーリングと言う結果を招来する。

【０００８】

【発明の概要】本発明は、発電用蒸気タービン構成要素
及びその製造方法を提供するものである。該タービン構
成要素は、複数の亀裂又は欠陥を有している一体のホウ
化物被覆もしくはホウ化物層が設けられた鉄含有基体の
相乗的組み合わせを含む。表面耐食性を改善するため及
び蒸気タービン構成要素全体の基体の疲労強度を実質的
に回復するために、上記欠陥を実質的に覆うようにして
ホウ化物層にはシール層が設けられる。従って、上記被
覆の相乗的組み合わせが得られる。本明細書において提
案される新規な方法及び構造は、タービン構成要素の下
側に位置する鉄含有基体の延性及び耐疲労性を保持する
ことを可能にする。

【０００９】本発明の具体的な実施例においては、炭化
クロム又はセラミック材料のような硬質材料が、ホウ化
物被覆の欠陥を覆うためのシール層として選択される。 このシール層は、約０．００１ｉｎ（０．０２５ｍｍ）
より小さい厚さで設けられる。本発明と関連して本明細
書で述べる方法は、更に、ホウ化物層を形成するための
特定の箱づめ浸炭ホウ化物工程及びシール層を被着する
ための選択された蒸着工程を含む。

【００１０】以下、本発明の原理の実際的な適用に基づ
く本発明の好適な実施例に関し添付図面を参照して説明
する。

【００１１】

【好適な実施例の詳細な説明】

本発明は、発電に用いられている蒸気及びガスタービン
構成要素の被覆に対する改良を志向するものである。こ
のようなタービン構成要素は、固体粒子、ガス、油、工
業スラリー及び他の侵食性元素を含有している高圧蒸気
に曝されることがある。 本発明の新規な被覆方式によれば、下層の鉄含有基体の
疲労強度に悪影響を及ぼすことなく上記のような構成要
素の耐侵性が高められる。この方式によって得られる付
加的な利点は、ホウ化物層における欠陥がシールもしく
は封止されて過酷な環境から保護されるので、タービン
構成要素の酸化耐性が改善されることである。

【００１２】本発明の原理に従えば、第１の表面を有す
る鉄含有基体と、上記第１の表面と一体的に配置された
ホウ化物層とを含む蒸気タービン構成要素が提供される
。ホウ化物層は、典型的に、被覆後熱処理中に生ずるよ
うな複数の亀裂を有する。従って、ホウ化物層上には、
当該蒸気タービン構成要素の総合的耐侵食性を改良する
ために、上記複数の亀裂を実質的に覆うシール層が配置
される。

【００１３】本発明の実施例について更に詳述すると、
蒸気タービン構成要素は、ステンレス鋼又は低合金鋼を
含む基体を有する。この基体もしくは基板と一体的に、
複数の表面欠陥を有するホウ化物層が配置される。この
ホウ化物層は、ホウ化鉄及びホウ化クロムの金属間化合
物を含むのが好適である。この層を施すと、基体にはホ
ウ化物含有拡散層も形成される。本実施例のホウ化物層
の表面には、蒸気タービン構成要素の耐侵食性を改良す
る目的で、複数の表面欠陥の一部分をシールし、更に好
適には、表面欠陥の一部分を充填するために、約０．０
２５　ｍｍより小さい厚さを有する炭化クロムのような
硬質被覆材料が設けられる。

【００１４】図面、特に図１を参照するに、鋼製基体１
０を具備する蒸気タービン構成要素１００の横断面図が
示してある。基体は、例えばＡ１Ｓ１　　４０３又はＡ
１Ｓ１４２２のような低合金鋼又はステンレス鋼とする
のが好ましい。このような金属基体は、発電用蒸気ター
ビンの動翼、配管及び翼車（羽根車）を形成するように
鍛造により容易に製造することができる。

【００１５】鋼基体１０と一体的に、好ましくは鉄及び
ホウ化クロムを含むホウ化物層２０を配置するのが好ま
しい。箱づめ浸炭と称する好適なホウ化物付着工程にお
いては、基体は、ホウ素及び不活性填材を収容した気密
の絶縁容器内に配置される。次に、容器の内容物を例え
ば数時間、少なくとも約１７００°Ｆ（約９２６℃）の
温度に加熱し、次いで常温に冷却する。この箱づめ浸炭
拡散工程中、好適な鉄−ホウ化物層２０が、約０．００
５ｉｎ（０．１２５ｍｍ）より小さい厚さで、鋼基体１
０と冶金学的に結合する。また、この拡散工程によれば
、ホウ化物層２０におけるよりも低い濃度のホウ化物を
基体内に含む中間拡散領域１５も形成される利点がある
。最も好適な工程では、ホウ化物層２０及び中間拡散領
域１５は、約０．００１〜約０．００５ｉｎ（０．０２
５ｍｍ〜０．１２７ｍｍ）の全厚を呈する。

【００１６】箱づめ浸炭工程後に、フッ化物被層構成要
素を、慣用の熱処理工程パラメータに従って高温でオー
ステナイト化し、急冷し次いで焼もどしを行い、鋼基体
の元の機械的性質を回復する。この後続の熱処理工程中
、ホウ化物被覆の表面には、表面亀裂２５又は他の欠陥
が形成される。これ等の欠陥部は一般に約　０．００１
ｉｎ（０．０２５　ｍｍ）より小さい深さしか有しない
が、使用中に、ホウ化物層２０を貫通して中間拡散領域
１５又は基体鋼１０内に延びる可能性がある。このよう
な表面亀裂２５及び欠陥は、ホウ化物被覆の表面侵食耐
性もしくは耐侵性を減少し、下層の鋼基体の疲労強度を
減少することが判明した。図２を参照するに、同図に示
す機械試験のデータから明らかなように、４０３ステン
レス鋼基体の疲労強度を表す繰り返し軸方向応力が、ホ
ウ化物層２０の欠陥により約４０％減少しているが、上
記のようなホウ化物被覆で、疲労強度を、被覆されてい
ない基体と比較し約１０％〜約５８％だけ減少できるこ
とが知られている。例えば、先に引用した論文“表面耐
侵食性及び基体疲労強度に対する被覆工程及び工程パラ
メータの影響（Ｔｈｅ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｃ
ｏａｔｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｃ
ｅｓｓ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ
　Ｅｒｏｓｉｏｎ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　Ｓ
ｕｂｓｔｒａｔｅ　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ
）”の４３３頁を参照されたい。更に、かかるホウ化物
層は、約１１００°Ｆ（約５９３℃）の使用温度の蒸気
内で著しく酸化し、構成要素の表面からホウ化物層の剥
離もしくはスポーリングを生ぜしめることが判明した。

【００１７】このような機械的性質の劣化は、相乗作用
する２つの層からなる二重被覆構造であって、第１の層
が慣用の硬質ホウ化物層２０から形成され、第２の層で
あるシール層３０がホウ化物層２０上に設けられる被覆
構造により実質的に克服されるのである。シール層３０
は、炭化クロム、炭化タングステン、炭化チタン或はセ
ラミックのように、Ｒｃ　値が約３５を越え、更に好ま
しくは約４０を上回る硬質被覆材料を含むのが好適であ
る。このような層は、約０．０２５　ｍｍより小さく、
好適には、約０．０００２５〜０．０００５ｉｎ（０．
００６４〜０．０１２７ｍｍ）より小さい厚さでホウ化
物層２０に設けることができる。本発明のシール層は、
低温の冶金学的結合プロセスでホウ化物被覆に施すのが
有利である。この工程によれば、典型的に、硬質被覆材
料の微粒子、溶融滴或は溶融物がホウ化物被覆表面に転
移される。溶融滴は、ホウ化物被覆表面に密着固定され
て、それにより、表面亀裂及び欠陥をシールする。図１
を参照されたい。シール層３０は、有利にも硬質光沢被
覆になる。本発明に従いシール層３０を付着するのに好
適な低温工程もしくは低温法は、当該技術分野で知られ
ている電気火花付着、物理的蒸着、化学的蒸着或はレー
ザ付着法を含む。

【００１８】本発明による新規な被覆を蒸気タービン構
成要素の表面に施した後には、該構成要素には、実質的
に表面亀裂及び欠陥が存在しなくなる。本発明によって
得られる二重被覆は、下層の耐食性ホウ化物被覆と、侵
食及び酸化に対してを有する上層のシール被覆とを含む
。最終的に得られる蒸気タービン構成要素は、未処理の
ホウ化物被覆表面の耐食性と比較して約２倍の耐食性を
有するのみならず、基体鋼の疲労強度にも悪影響を与え
ることはない。

【００１９】以上、本発明の好適な幾つかの実施例につ
いて説明したが、これ等の実施例は、本発明を説明する
ための便宜上の実施例であって本発明を限定するもので
はない。従って、本発明の範囲から逸脱することなく、
当業者には種々の変更もしくは変形を想到することがで
きよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の二重被覆の簡略拡大横断面図。

【図２】４０３ステンレス鋼基体、フッ化物被覆４０３
ステンレス鋼基体及び事後的に付着されたシール被覆を
有するホウ化物被覆４０３ステンレス鋼基体についての
繰り返し軸方向応力（ｋｓｉ）のグラフである。

【符号の説明】

１０　　　　　　鋼基体 １５　　　　　　中間拡散領域 ２０　　　　　　ホウ化物層 ２５　　　　　　表面亀裂 ３０　　　　　　シール層 １００　　　　蒸気タービン構成要素

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】侵食を受ける構成要素を含む発電用蒸気タ
   ービンにおいて、同構成要素が、 （ａ）第１の表面を有する鉄含有基体と、（ｂ）前記第
   １の表面に一体的に付着されると共に、複数の亀裂を有
   するホウ化物層と、 （ｃ）該ホウ化物層上に付着されて実質的に前記複数の
   亀裂を覆い、前記構成要素の耐食性及び基体疲労強度を
   改善するシール層と、を含む発電用蒸気タービンにおけ
   る構成要素。
2. 【請求項２】発電用タービン構成要素であって、（ａ）
   侵食を受ける第１の表面を有する鉄含有基体と、（ｂ）
   前記第１の表面と一体的に配置されて前記鉄含有基体内
   に拡散領域を形成し、複数の亀裂を有するホウ化物層と
   、 （ｃ）前記ホウ化物層上に配置された炭化物又はセラミ
   ックを含む耐食性シール層と、から構成される発電用タ
   ービン構成要素。
3. 【請求項３】改善された耐食性を有する蒸気タービン構
   成要素であって、 （ａ）ステンレス鋼又は低合金鋼を含む基体と、（ｂ）
   前記基体に一体的に配置されたホウ化物層であって、該
   ホウ化物層の近傍で前記基体内にホウ化物含有拡散層を
   形成し、前記ホウ化物層及び前記ホウ化物含有拡散層が
   、ホウ化鉄及びホウ化クロムの金属間化合物を含むと共
   に、前記ホウ化物層が複数の表面欠陥を有している、前
   記ホウ化物層と、 （ｃ）約３５よりも大きいＲｃ値と約０．０２５ｍｍよ
   り小さい厚さとを有すると共に、前記複数の表面欠陥の
   一部分を密封して前記蒸気タービン構成要素の耐食性を
   改善するために前記ホウ化物層上に配置された硬質被覆
   材料と、を含む蒸気タービン構成要素。
4. 【請求項４】蒸気タービン構成要素の表面耐食性を改善
   するため同蒸気タービン構成要素を被覆する方法であっ
   て、 （ａ）第１の表面を有する鉄含有基体を含んでいる蒸気
   タービン構成要素を用意し、 （ｂ）前記第１の表面と一体であると共に、複数の亀裂
   を有するホウ化物層を用意し、 （ｃ）前記蒸気タービン構成要素の耐食性を改善するた
   めに前記複数の亀裂を実質的に覆うように前記ホウ化物
   層上にシール層を配置する、諸ステップを含む蒸気ター
   ビン構成要素の被覆方法。