JPH08501831A - 約５００℃までの温度での腐食及び浸食作用に対するクロム鋼基板の保護 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明はクロム鋼からなる基板に対する約５００℃までの温度での腐食及び浸食作用に対して保護を達成することに関する。基板上にアルミニウムを含んでいる保護層が形成される。本発明によりまずアルミニウムを含んでいる金属層が施され、保護層が形成するために少なくともその表面が焼入れ又は焼なましされる。本発明の枠内で簡単な方法で腐食及び浸食に対して、特にターボ機、特にターボ圧縮機用羽根の基板に対して高効率の保護が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 約５００℃までの温度での腐食及び浸食作用に対するクロム鋼基板の保護 本発明はクロム鋼からなる基板に対する約５００℃までの温度での腐食及び浸 食作用に対してアルミニウムを含有する保護層による保護に関する。 本発明はあらゆる種類のターボ機、特にその駆動装置の種類に関係なくガスタ ービン及び蒸気タービンのターボ圧縮機用の構造部材の基板に関し、その際特に このようなターボ機の約５００℃までの温度で作動ずる構造部材に関するもので ある。本発明の特に重要な利用分野はガスタービンのターボ圧縮機内の圧縮機の 羽根及びこの羽根と同じような負荷を蒙る他の構造部材の保護にある。 ターボ機の構造部材の基板を４５０℃までの温度での腐食及び浸食作用に対し て保護する方法は欧州特許出願公開第０３７９６９９号明細書に記載されている 。この明細書によれば主としてフェライト及び／又はフェライト−マルテンサイ ト母材からなるターボ機用羽根はアルミニウム合金、特に６〜１５重量％のケイ 素を含むアルミニウム合金からなる保護層を備えている。このようなアルミニウ ム合金は高速射出法で羽根上に施される。 ターボ機用の被覆された圧縮機の羽根の振動亀裂腐食の現象はハー・ホフマン 、ヴェー・マーギン、エム・シェマー及びエフ・シュミッツによる論文「被覆さ れた圧縮機の羽根材の振動亀裂腐食」、ツァイトシュリフト・フュア・ウェルク シュトッフテヒニタ、１７（１９８６）４１３頁に詳述されている。この論文に 記載されている圧縮機の羽根はクロム鋼基板上にクロム酸塩／燐酸塩の展色剤中 に分散されているアルミニウム顔料からなる保護層を有する。この論文にはニッ ケル又はニッケル−カドミウム合金からなる保護層についても言及されている。 圧縮機の羽根及びそれに類するものが曝される浸食作用の問題についてはウェ ルクシュトノフ・ウント・コロジオン４１（１９９０）６２３頁のカー・ゲー・ ・シュミット−トーマス、テー・ハップル及びペー・シュテッペによる論文「渦 動台テスト法による材料及び被覆の噴射耐摩耗性の研究」に詳述されている。こ の 論文はターボ機用羽根の浸食及び腐食の相互作用についても論じている。それと いうのも浸食により生じる保護層の剥落が結局羽根の基板を露出することになる からである。基板材料は通常主として機械的特性のみに対して最適化されており 、浸食及び腐食に対して何等十分に良好な耐性を有していない。また腐食性粒子 が構造部材上に落下するときの角度に極めて左右される浸食のメカニズムについ て詳述されている。また浸食に曝される材料の種類による浸食作用の傾向につい ても論じられている。更に圧縮機の羽根、特に無機物と結合された（場合によっ ては無機又は有機のカバー層を備えている）アルミニウム顔料被覆を有する圧縮 橋の羽根の浸食及び腐食問題について詳述されている。 またハンスギュンター・ハイトマン編集の文献「発電所化学の実務」フルカン ・フェアラーク出版、在エッセン、１９８６年における特にエフ・シュミッツの 論文「ガスタービン装置」第５７４頁以降から、ガスタービン装置の圧縮機にお ける腐食及び浸食作用の問題について重要な示唆が読み取れる。浸食及び腐食作 用について、特に振動亀裂腐食について及び通常の高温レジスト保護層を使用す る際に生じる問題についても詳述されている。このため保護層内の気孔から始ま りまた外面的に多少とも無傷に見える保護層下の基本材料を損傷しかねない腐食 現象についても言及ざれている。 「金属表面」４５、（１９９１）８中のヴェー・バーチュによる論文「陽極酸 化されたアルミニウム材料の腐食挙動」には、陽極酸化されたアルミニウム表面 の腐食現象についての指摘がある。アルミニウムの陽極酸化はターボ機とは全く 関係のない多くの技術分野において頑丈で装飾的な表面を形成するのに周知のこ とである。高めた温度によるアルミニウム表面の浸食の問題点並びに負荷能力に ついてはこの論文は言及していない。 ターボ機の構造部材に対して約５００℃までの温度での腐食及び浸食作用に対 してこれまで保護を形成するために設けられた保護層の問題を考慮して、本発明 はクロム鋼基板に対して著しく改善された保護を達成することを課題とするが、 その際更に保護の達成のための経費を低く抑え、或はむしろ削滅しようとするも のである。本発明によりこのような保護を形成するための方法、、このような保 護を保証する保護層、このような保護を備える基板及びこのような基板を形成す る ための方法が提供されるものである。 クロム鋼からなる基板に対する約５００℃までの温度での腐食及び／又は浸食 作用に対しての保護を達成するため、基板上にアルミニウムを含む保護層を形成 する本発明方法は、基板上にアルミニウムを含有する金属層を施し、保護層の形 成のため少なくともその表面を焼入れ又は焼なましすることを特徴とする。 本発明は、上記形式の保護を形成するためアルミニウム自体又はアルミニウム ベース材料の焼入れ又は焼なまし性能を利用できると有利であるとの認識から出 発するものである。アルミニウムを含んでいる金属層の焼入れは例えば化学的に は特に酸化により、或は機械的には特にロール掛けにより行われる。焼なましと は例えば熱処理により金属層内に誘発される組織の変化、特に偏析硬化と解釈さ れる。その際焼入れ又は焼なましは必ずしも金属層全体に行われるわけではない 。焼入れ又は焼なましを表面近くに限定し、従っていわゆる“二重層”が形成さ れると極めて有利である。本発明により形成された硬質層は約２００以上のビッ カー硬さＨｖ０．０２５を有し、通常Ｈｖ０．０２５がせいぜい１２０である通 常の高温レジスト層のＨｖ０．０２５より著しく大きい。 保護すべき基板上に施される金属層は有利には主としてアルミニウムからなり 、またそれに準じて例えばマグネシウム、銅及び亜鉛の元素の少なくとも１つを 添加物として有する特にアルミニウムベース合金である。他の添加材としてはケ イ素、マンガン及びチタンが考えられる。 金属層の焼入れ又は焼なましは金属層の少なくとも表面を硬質層に変換するよ うにして実施されると特に有利である。既に言及したように硬質層は多くの異な る方法、場合によっては相互に組み合わされた方法、特に機械的固化、化学的又 は熱処理により形成することができる。硬質層の下に金属層の一部が残留し、従 って保護層が金属層と硬質層からなる二重層である場合特に有利である。浸食粒 子の飛んで行く方向の基板の腐食される範囲の位置に依存している浸食作用を考 慮して、一方は硬質層で他方は可延性の金属層からなる二重層であると特に有利 である。なぜなら硬質層と延性層はそれぞれ種類の異なる浸食に耐えるからであ る。即ち硬質層はほぼ斜めまででかすめてぶつかってくる粒子による浸食作用に 対する保護に適しており、可延性金属層は大きな角度で、特に斜めからほぼ垂直 に至るまでぶつかってくる粒子による浸食に対する保護に適している。従って二 重層は腐食粒子に対する保護をそのぶつかる角度に関係なく保証することができ 、その際もちろん初めに粒子がほぼ垂直にぶつかる構造部材の範囲で、大きな衝 突角度下の浸食に対して耐性である延性金属層が露出されるまで、硬質層の剥落 を勘定に入れなければならない。 いずれにしろ硬質層を少なくとも金属層の部分酸化により形成すると極めて有 利である。有利には酸化は陽極酸化、特に電解酸化法で行われる。陽極酸化に引 続いて得られた硬質層を沸騰水又は沸騰水性塩溶液で処理しながら付加的に圧縮 する。その詳細はアルミニウムの陽極酸化の専門分野では周知のことであり、こ こでははこれ以上の説明は不要と思われる。アルミニウム含有層をいずれかの酸 化法で酸化することによって酸化アルミニウム又は最も硬質の鉱物の１つである コランダムを主成分とする表面層が形成される。特に厚くて、緻密で、硬い層を 得るには陽極酸化が特に適している。陽極酸化にはほぼ純粋なアルミニウムから なる層だけではなく、特にアルミニウム−マグネシウム合金からなる層も重要で あることを挙げておく。特に０．５〜５重量％、特に１〜４重量％の量のマグネ シウム添加物、場合によっては他の僅かな量のケイ素、鉄、銅、クロム、亜鉛及 び／又はチタンを通常範囲内で有するアルミニウムベース合金が適している。 金属層上に硬質層を形成するための他の方法としては引続いての焼なましで金 属層を形成するのに焼なまし可能の合金の使用がある。その際焼なましを例えば レーザ光線の照射により実施することで金属層の表面近くの範囲に制限すること ができる。焼なましは金属層全体を考慮してもよく、それには金属層を備える構 造部材を通常法により炉内で熱処理してもよい。焼なまし可能の合金としては特 にマグネシウム並びに銅又は亜鉛の添加物を有するアルミニウムベース合金が考 慮の対象となる。有利にはアルミニウムベース合金は、０．４〜２重量％のマグ ネシウム並びに３．５〜５重量％の銅と、通常の不純物及び場合によっては上述 のような他の添加物と共に使用される。同様に１〜５重量％、特に４〜５重量％ の亜鉛、並びに２重量％まで、特に１〜１．５重量％のマグネシウム、同じく通 常の不純物及び場合によっては他の添加物を含むアルミニウムベース合金が考慮 の対象となる。 約５００℃までの温度による腐食又は浸食作用に対する保護を形成するため基 板上に１５μｍ〜２００μｍ、有利には４０μｍ〜１００μｍの厚さの金属層を 施すことは一般に有利である。 金属層の被着は本方法の全ての実施態様の枠内で電気化学的に、特にガルバニ ールング法により極めて有利に実施される。ガルバニールング法により特に気孔 率の極めて低い、極めて均一で緻密な層が得られ、それにより孔腐食の発生は抑 制される。即ち孔腐食は保護層の気孔内に導電性液体、例えば塩分又は灰分を含 む水滴が侵入し、保護層及び基板とで電池が形成された場合に生じる。このよう な電池に起こる分解プロセスは気孔から始まって保護層と基板との境界層に広が り、全く傷のない保護層下の基板を破壊する。この理由から金属層の電気化学に よる被着は気孔を作らないため特に有利である。 どの実施態様の保護層も直接（即ち何等かの中間層を挿入することなく）基板 上に施すと特に有利である。それにより特に保護の達成に閏する費用は低く抑え られる。 本発明方法により、約５００℃までの温度での腐食及び浸食作用に対する保護 を提供し、クロム月からなる基板上に施されたアルミニウムを含む金属層の少な くとも表面的焼入れ又は焼なましにより形成される保護層も提供される。 本発明はまた約５００℃までの温度による腐食及び／又は浸食作用に対する保 護として本発明による保護層を備えている基板に関係する。このような基板はタ ーボ圧縮機のような特にターボ機の羽根（回転羽根であるにせよ案内羽根である にせよ）の一部である。その際羽根は構造部材を固定するための脚部及びターボ 機内の熱力学的プロセスの枠内で実効部となる翼部分を有しており、またその際 少なくともガス、特に空気、ガスタービンの排ガス又は蒸気に曝される翼部分は 本発明により保護される基板を有する。 基板は以下の分量のクロム鋼からなると有利である（分量は重量％で示されて いる）。 炭素 ０．１〜０．３％ クロム １１〜１７％ ニッケル ０〜６％ モリブデン ０〜１．５％ バナジウム ０〜１％ ケイ素 ０〜１％ マンガン ０〜１％ 残り製造上生じる不純物を有する鉄 本発明により保護ざれる基板は有利には少なくとも部分的にフェライト又はマ ルテンサイト組織を有する。 本発明により保護すべき基板に使用されるクロム鋼の例としてはＸ２０ Ｃｒ １３、Ｘ２０ ＣｒＭｏＶ １２ １、Ｘ２０ ＣｒＮｉＭｏ １５ ５ １、 Ｘ１２ ＣｒＮｉＭｏ １２のクロム鋼がある。Ｘ２０ Ｃｒ １３のクロム鋼 が特に有利なものと見なされる。 約５００℃までの温度による腐食及び／又は浸食作用に対する保護を有する基 板を形成するための本発明方法は、上記の保護を形成するための方法を使用する ことを特徴とする。 本発明は、約５００℃までの温度による腐食及び／又は浸食作用に対する基板 、特にターボ機のタービンの羽根又は圧縮機の羽根の基板に対する保護の達成に 関する。基板上にはアルミニウムを含んでいる保護層が形成される。本発明によ りまずアルミニウムを含んでいる金属層が施され、保護層を形成するため少なく ともその表面が焼入れ又は焼なましされる。本発明の枠内で簡単な方法で高効力 の保護が腐食及び浸食に対して得られる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． クロム鋼からなる基板に約５００℃までの温度での腐食及び／又は浸食作 用に対する保護をアルミニウムを含む保護層を設けて達成するための方法におい て、基板上にアルミニウムを含む金属層を施し、保護層を形成するために少なく ともその表面を焼入れ又は焼なましすることを特徴とするクロム鋼からなる基板 を保護するための方法。 ２． 主としてアルミニウムからなり、特にマグネシウム、銅及び亜鉛の元素の 少なくとも１つを添加物とする特にアルミニウムベース合金からなる金属層を施 す請求項１記載の方法。 ３． 保護層を形成するために金属層の少なくともその表面を硬質層に変換する 請求項１又は２記載の方法。 ４． 金属層を少なくとも部分的にほぼ完全な硬質層に変換する請求項３記載の 方法。 ５． 硬質層の下に少なくとも部分的に金属層の一部を残留させる請求項３又は ４記載の方法。 ６． 硬質層を金属層の酸化により形成ずる請求項３ないし５の１つに記載の方 法。 ７． 酸化が陽極酸化、特に電解酸化である請求項６記載の方法。 ８． 硬質層を特に沸騰水又は沸騰水性塩溶液での処理により圧縮する請求項７ 記載の方法。 ９． 金属層を焼入れ可能の合金から成形し、硬質層を形成するために焼なまし する請求項３ないし５の１つに記載の方法。 １０． 合金が特にマグネシウム並びに銅又は亜鉛の添加物を有するアルミニウ ムベース合金である請求項９記載の方法。 １１． 金属層を１５μｍ〜２００μｍ、、有利には４０μｍ〜１００μｍの厚 さに形成する請求項１ないし１０の１つに記載の方法。 １２． 金属層の被着を電気化学的に、特にガルバニールング法により行う請求 項１ないし１１の１つに記載の方法。 １３． 保護層を直接基板上に施す請求項１ないし１２の１つに記載の方法。 １４． 請求項１ないし１３の１つに記載の方法により形成される約５００℃ま での温度での腐食及び浸食作用に対する保護を提供するクロム鋼からなる基板上 の保護層。 １５． 約５００℃までの温度による腐食及び浸食作用に対する保護として請求 項１４記載の保護層を有する基板。 １６． ターボ機、有利にはターボ圧縮機用の羽根、特に回転羽根又は案内羽根 の一部である請求項１５記載の基板。 １７． 羽根が脚部及び翼部分を有し、その際基板は翼部分の一部である請求項 １６記載の基板。 １８ 以下の分量（重量％による）： 炭素 ０．１〜０．３％ クロム １１〜１７％ ニッケル ０〜６％ モリブデン ０〜１．５％ バナジウム ０〜１％ ケイ素 ０〜１％ マンガン ０〜１％ 残り製造上生じる不純物を有する鉄 を含むクロム鋼からなる請求項１５ないし１７の１つに記載の基板。 １９． 少なくとも部分的にフェライト又はマルテンサイト組織を有する請求項 １５ないし１８の１つに記載の基板。 ２０． 約５００℃までの温度での腐食及び浸食に対する保護を有する基板の形 成方法において、請求項１ないし１３の１つに記載の保護を形成するための方法 を使用することを特徴とする基板を形成するための方法。