JPH09241818A - タービン部材の耐摩耗コーティング - Google Patents

タービン部材の耐摩耗コーティング

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JPH09241818A
JPH09241818A JP8053494A JP5349496A JPH09241818A JP H09241818 A JPH09241818 A JP H09241818A JP 8053494 A JP8053494 A JP 8053494A JP 5349496 A JP5349496 A JP 5349496A JP H09241818 A JPH09241818 A JP H09241818A
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JP
Japan
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wear
resistant coating
turbine
turbine member
coating
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JP8053494A
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Kazuaki Ikeda
一昭 池田
Hiroshi Matsui
宏 松井
Masashi Takahashi
雅士 高橋
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】蒸気タービン、ガスタービン部材を熱的影響を
受けない溶射によってコーティングすることにより摺動
摩耗、フレッティング摩耗等を防止することができるよ
うにする。 【解決手段】耐熱合金製タービン部材の表面に施される
耐摩耗コーティングであって、そのコーティング材料と
して、CrC等の炭化物系サーメットを適用する。炭化
物系サーメットは、重量パーセントで35%以上75%
以下のCr3 2を含む。タービン部材に溶射する炭化
物系サーメットの金属バインダとして、重量パーセント
で65%以上90%以下のNi、10%以上30%以下
のCrを含む材料を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は蒸気タービンまたは
ガスタービンに適用されるタービン部材の耐摩耗コーテ
ィングに係り、特に500℃以上の高温環境に曝される
部材の耐酸化および耐摩耗性の向上が図れるタービン部
材の耐摩耗コーティングに関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、蒸気タービンは地球環境問題なら
びにタービンの高効率化から蒸気温度がさらに高温化さ
れるとともに、ガスタービンでも高効率化を目指し13
00℃級から1400℃、1500℃級と一層高温化さ
れる傾向にある。このような高温化に伴い、蒸気タービ
ンではフェライト系鋼またはオーステナイト系鋼が適用
され、ガスタービンではNi基の超合金が主に適用され
ている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの適用
部材において、蒸気タービンでは制御部材として適用さ
れる弁棒の高温酸化による固着を生じ、摩擦抵抗が大き
くなることによる動作不良を頻繁に繰返している。これ
らの部材には、表面処理として窒化処理を施工する場合
が多いが、摩耗の十分な低減には至っていない。また、
ガスタービン部材では、Ni基超合金同士またはステラ
イトNo.6(Co−28Cr−3Fe−1C)のようなC
o基合金を溶射して耐摩耗性を付与させているが、4年
の運用に耐える材料系が得られていないのが現状であ
る。
【0004】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、蒸気タービン、ガスタービン部材を熱的影響を
受けない溶射によってコーティングすることにより摺動
摩耗、フレッティング摩耗等を防止することができるタ
ービン部材の耐摩耗コーティングを提供することを目的
とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者等は蒸気タービ
ンの制御部材、ガスタービンの燃焼器部材等の耐摩耗性
向上を図るために種々の表面処理技術を評価および検討
し、これらのタービン部材の動摩擦摩耗試験を行った結
果、500℃以上の高温化において使用される蒸気ター
ビン、ガスタービン等の部材における耐摩耗性材料の溶
射によるコーティングに着目するに至った。
【0006】即ち、蒸気タービン制御部材の耐摩耗性向
上策としては、窒化処理に代表される拡散浸透処理が一
般的に適用されているが、拡散浸透処理層は高温に曝さ
れると拡散処理時の元素がさらに拡散し、硬度の低下と
ともに摩擦係数が増加し、凝着摩耗を生じ易くなる。
【0007】ガスタービン燃焼器ライナにおいては、摩
擦摩耗を生じる部位(スプリングシール、ライナヘッド
カラー、ライナヘッド内面、火炎伝播管カラー、ライナ
胴内面)において片方の材料を犠牲にするか、ステライ
トNo.6のような耐摩耗性に優れる材料を溶射していた
が、恒久対策とはなり得なかった。
【0008】本発明者等は、基材を摩擦摩耗から保護す
るためにはステライトNo.6のような硬さがHv500以
下では効果がないこと、大気圧プラズマ溶射のように気
孔率が約15%と大きい場合も効果がないことを確認し
た。そして、金属とセラミックスとを混合したサーメッ
トを高速ガス炎溶射(HVOF)によりコーティングす
ることで飛躍的に向上させることを見出すとともに、特
に500℃以上の高温雰囲気中で使用される蒸気タービ
ンおよびガスタービン部材の摺動摩耗やフレッティング
摩耗に対して効果的であることを確認した。
【0009】本発明はこのような知見に基づいてなされ
たものであり、請求項1の発明は、耐熱合金製タービン
部材の表面に施される耐摩耗コーティングであって、そ
のコーティング材料として、CrC等の炭化物系サーメ
ットを適用したことを特徴とする。
【0010】請求項2の発明は、請求項1記載のタービ
ン部材の耐摩耗コーティングにおいて、コーティング材
料である炭化物系サーメットは、重量パーセントで35
%以上75%以下のCr3 2 を含むことを特徴とす
る。
【0011】請求項3の発明は、請求項1または2記載
のタービン部材の耐摩耗コーティングにおいて、タービ
ン部材に溶射する炭化物系サーメットの金属バインダと
して、重量パーセントで65%以上90%以下のNi、
10%以上30%以下のCrを含む材料を使用したこと
を特徴とする。
【0012】請求項4の発明は、請求項1から3までの
いずれかに記載のタービン部材の耐摩耗コーティングに
おいて、コーティング材料は、重量パーセントで35%
以上75%以下のCr3 2 を含み、残部がNiCrか
らなるものであり、かつ前記コーティング材料は500
℃以上の高温環境下において一定の硬度を保持するもの
であることを特徴とする。
【0013】請求項5の発明は、請求項1から4までの
いずれかに記載のタービン部材の耐摩耗コーティングに
おいて、炭化物系サーメットであるCr3 2 と金属バ
インダであるNiCrとの割合が、重量比で50:50
であり、かつ前記NiCrの組成は重量比で、Ni:C
rが80:20であることを特徴とする。
【0014】請求項6の発明は、請求項1から5までの
いずれかに記載のタービン部材の耐摩耗コーティングに
おいて、耐摩耗コーティング層は、500〜800℃の
高温環境下での外表面酸化スケールが30000時間経
過後、10μm以下であることを特徴とする。
【0015】請求項7の発明は、請求項1から6までの
いずれかに記載のタービン部材の耐摩耗コーティングに
おいて、炭化物系サーメットである耐摩耗コーティング
材料は、高速ガス炎溶射(HVOF)により施工された
ものであることを特徴とする。
【0016】請求項8の発明は、請求項1から7までの
いずれかに記載のタービン部材の耐摩耗コーティングに
おいて、炭化物系サーメットの線膨張係数が12.0〜
19.0×10-6であることを特徴とする。
【0017】請求項9の発明は、請求項1から8までの
いずれかに記載のタービン部材の耐摩耗コーティングに
おいて、炭化物系サーメットの縦弾性係数が700℃下
で13×103 kgf/mm2 以上であることを特徴とする。
【0018】請求項10の発明は、請求項1から9まで
のいずれかに記載のタービン部材の耐摩耗コーティング
において、炭化物系サーメットによる耐摩耗コーティン
グが施されている部材は、蒸気タービンにおける制御部
材、またはガスタービンにおける燃焼器部材であること
を特徴とする。
【0019】ここで、Cr3 2 は高光度を維持するた
めに好適な炭化物であり、35%未満では硬度が低く、
また75%を超えると400℃以上に保持された場合、
安定型のCr7 3 に変態し、ビッカース硬度で100
0以上と著しく硬化する。そこで、Cr3 2 は、ビッ
カース硬度が約550と一定の値を示す含有量、即ち、
重量パーセントで35%以上75%以下の範囲が望まし
い。
【0020】NiおよびCrは溶射皮膜の延性を付与す
るとともに、炭化物との合金化を行うために好適なもの
であり、重量パーセントでNiが65%未満、Crが1
0%未満では延性に乏しくなり、Niが90%、Crが
30%をそれぞれ超えると逆に延性、線膨張係数が大き
くなり、用途に耐えられなくなる。そこで、Niは65
%以上90%以下、Crは10%以上30%以下が望ま
しい。
【0021】高温において使用される材料としてはオー
ステナイト系の材料が多く、これらの材料は線膨張係数
が高く、コーティング材がこの線膨張係数より劣る場
合、コーティングの割れや剥離等の原因となるため、適
用材料の膨張係数とほぼ同等の特性を付与させることが
重要となる。
【0022】このため、コーティング材料の線膨張係数
をオーステナイト系材料に同調させるには炭化物である
Cr3 2 、金属バインダであるNiやCrの構造比が
大きく影響する。そこで、線膨張係数を12.0以上1
9.0×10-6以下とするために、Cr3 2 とNiC
rとの重量割合を50:50とし、NiCrについては
重量パーセントでNiを40重量%、Crを10重量%
とした。また、縦弾性係数も混合比にて13×103 kg
f/mm2 以上とすることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るタービン部材
の耐摩耗コーティングの実施形態について、図面を参照
して説明する。
【0024】本実施形態においては、耐摩耗コーティン
グ材料として炭化物系サーメットであるCr3 2 と、
金属バインダであるNiCrとを下記の表1に示すよう
に、種々の組成割合に設定して、タービン部材としての
Ni基合金に対し、高速ガス炎溶射(HVOF)により
表面処理を施して試料を作成した。なお、本実施例のも
のでは金属バインダとして、重量パーセントでNiが6
5〜90%、Crが10〜30%含まれるものとした。
【0025】また、対比のために、表面処理を施さない
Ni基合金の試料、ステライトNo.6(APS材料)によ
る試料およびCr3 2 とNiCrとAPS材料も作成
した。
【0026】そして、下記の表1の各試験No. 毎に、上
下欄に記載した異種、または同種の摩耗試験片の組合せ
を行い、摩耗試験を行った。
【0027】
【表1】
【0028】上記表1において、試験No.1はガスタービ
ン燃焼器における現状の組合せであり、試験No.2は現状
の組合せをグレードアップし、試験No.1と同様に適用さ
れているものである。試験No.3,5,8は本発明の実施例で
あり、試験No.4,6,7は比較例である。なお、試験No.3,4
は溶射皮膜硬度を1000以上に硬化した場合の組合せ
としたものである。
【0029】図1は、表1に示した試験No.1〜5 の組合
せについて摩耗試験を実施し、それぞれの耐摩耗特性を
評価したものである(なお、Cr3 2 の表示は、図1
〜図3では単にCrCとしてある)。
【0030】この図1から明らかなように、高硬度溶射
材である75Cr3 2 −25NiCr(HVOF)コ
ーティング材は相手方材料を摩耗減量させ、またAPS
材は気孔率が大きいために逆に溶射コーティングの摩耗
減量が大きくなっている。これに対し、本発明の50C
3 2 −50NiCr溶射コーティングは従来材に比
べ約2倍以上の耐摩耗特性を示すとともに、相手方材料
の摩耗減量も少なくすることができ、優れた特性を有し
ていることが確認された。
【0031】図2はCr3 2 量を変化させた場合の摩
耗減量比を示すが(試験No.3,5,6,7,8)、高硬度のCr
3 2 量が75%を超えると相手方材料を摩耗減量する
傾向が大きくなり、凝集摩耗を生じるために使用に耐え
なくなることが認められた。
【0032】また、耐摩耗材料としての高速ガス炎溶射
による50Cr3 2 −50NiCrコーティングは、
500℃以上の高温における耐酸化性も合わせて要求さ
れる。このため、600℃の大気中酸化試験において酸
化スケールの生成状況を確認した。図3に酸化試験デー
タを示す。30000時間の加熱酸化試験においても酸
化スケールの生成は10μm以下、例えば4μmで、耐
酸化性に優れるとともに酸化スケールによる摩耗促進は
生じないことが判明した。
【0033】なお、本発明ではCrC以外の炭化物系サ
ーメットを適用することができ、その場合も同様の効果
が奏される。
【0034】
【発明の効果】以上で詳述したように、本発明によれ
ば、高温で適用される蒸気タービン制御部材、ガスター
ビン燃焼器部材表面にCrC等の炭化物系サーメットか
らなる溶射材料をコーティング材料として適用すること
により、耐摩耗性および耐酸化性の向上が図れるという
優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るタービン部材の耐摩耗コーティン
グの試験結果を示す図。
【図2】図1同様の試験結果を成分比を変えた場合につ
いて示す図。
【図3】本発明に係るコーティングの耐酸化試験結果を
示す図。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 耐熱合金製タービン部材の表面に施され
    る耐摩耗コーティングであって、そのコーティング材料
    として、CrC等の炭化物系サーメットを適用したこと
    を特徴とするタービン部材の耐摩耗コーティング。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のタービン部材の耐摩耗コ
    ーティングにおいて、コーティング材料である炭化物系
    サーメットは、重量パーセントで35%以上75%以下
    のCr3 2 を含むことを特徴とするタービン部材の耐
    摩耗コーティング。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載のタービン部材の
    耐摩耗コーティングにおいて、タービン部材に溶射する
    炭化物系サーメットの金属バインダとして、重量パーセ
    ントで65%以上90%以下のNi、10%以上30%
    以下のCrを含む材料を使用したことを特徴とするター
    ビン部材の耐摩耗コーティング。
  4. 【請求項4】 請求項1から3までのいずれかに記載の
    タービン部材の耐摩耗コーティングにおいて、コーティ
    ング材料は、重量パーセントで35%以上75%以下の
    Cr3 2 を含み、残部がNiCrからなるものであ
    り、かつ前記コーティング材料は500℃以上の高温環
    境下において一定の硬度を保持するものであることを特
    徴とするタービン部材の耐摩耗コーティング。
  5. 【請求項5】 請求項1から4までのいずれかに記載の
    タービン部材の耐摩耗コーティングにおいて、炭化物系
    サーメットであるCr3 2 と金属バインダであるNi
    Crとの割合が、重量比で50:50であり、かつ前記
    NiCrの組成は重量比で、Ni:Crが80:20で
    あることを特徴とするタービン部材の耐摩耗コーティン
    グ。
  6. 【請求項6】 請求項1から5までのいずれかに記載の
    タービン部材の耐摩耗コーティングにおいて、耐摩耗コ
    ーティング層は、500〜800℃の高温環境下での外
    表面酸化スケールが30000時間経過後、10μm以
    下であることを特徴とするタービン部材の耐摩耗コーテ
    ィング。
  7. 【請求項7】 請求項1から6までのいずれかに記載の
    タービン部材の耐摩耗コーティングにおいて、炭化物系
    サーメットである耐摩耗コーティング材料は、高速ガス
    炎溶射(HVOF)により施工されたものであることを
    特徴とするタービン部材の耐摩耗コーティング。
  8. 【請求項8】 請求項1から7までのいずれかに記載の
    タービン部材の耐摩耗コーティングにおいて、炭化物系
    サーメットの線膨張係数が12.0〜19.0×10-6
    であることを特徴とするタービン部材の耐摩耗コーティ
    ング。
  9. 【請求項9】 請求項1から8までのいずれかに記載の
    タービン部材の耐摩耗コーティングにおいて、炭化物系
    サーメットの縦弾性係数が700℃下で13×103 kg
    f/mm2 以上であることを特徴とするタービン部材の耐摩
    耗コーティング。
  10. 【請求項10】 請求項1から9までのいずれかに記載
    のタービン部材の耐摩耗コーティングにおいて、炭化物
    系サーメットによる耐摩耗コーティングが施されている
    部材は、蒸気タービンにおける制御部材、またはガスタ
    ービンにおける燃焼器部材であることを特徴とするター
    ビン部材の耐摩耗コーティング。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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