JPS60502215A - ライフサイクルの増大したタ−ビン構成要素および方法 - 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】

ライフサイクルの増大したタービン構成要素および方法発明の背景 多数の蒸気タービンが米国および世界中で発電のために用いられている。一般に これらのタービンは多数の精密に工作された高価な一組の密に調和した固定ノズ ルブロックおよび対向するローターを有する。これらは一般に超合金から加工さ れ、蒸気を超臨界温度および高速度で一定方向に通過させて、ローターに連結し た発電機の軸に回転を与えるべく形成される。流体案内用のタービン構成要素が たとえば流体の通過に際して連続的な剥離物の衝突により浸食されることによっ てノズルおよび流体通路が変形し、タービンの効率が低下し、最終的には流体案 内表面を支えている支持体が浸食される。従ってこれらのタービンを定期的に操 作からはずしてオーバーホールするのが一般的である。現在多くのタービンにつ き普通のオーバーホール間のライフサイクルは２年である。 本発明はタービン彦らびにこれに類する回転機械および装置のライフサイクルを 、大幅に延長された操作サイクルにわたって回転構成要素および固定構成安素の 双方における早期破壊、すなわち流体案内表面の浸食の主な原因を実質的に取除 くことによって増大することに関する。 より詳帷には不発明は、タービンその他の回転機械構成要素の流体案内表面が微 小亀裂を発生する傾向を低下でせることに関する。微小亀裂の発生はタービン構 成要素の表面の耐浸食性を低下させる主な要因であった。こうして本発明により これらの構成要素の表面は浸食性の流体環境において耐浸食性を増すことが可能 となる。流体案内表面の浸食によりこれまで制限されていたタービン構造物のラ イフサイクルがこうして増大し、その結果停止時間およびオーバーホールの経費 が著しく節約さ間隔を少なくとも２倍にすることができ、一方ピーク効率の水準 は延長されたサイクル内のより長い期間にわたって維持される。さらに、オーバ ーホールサイクルが延期されすぎた場合に浸食された表面により流体が誤った方 向に向けられることによって起こる流体案内表面を支える支持体の著しい劣化が 大幅に延長された期間実質的に防市され、修理または交換のための費本的支出の 大幅な節約が実現される。 従って本発明は回転機械構成要素（たとえば羽根およびノズル）の耐浸食性の改 善、改善された回転および固足タービンおよびこれに類する回転機械構成要素、 ならびにそのだめの方法を提供する。より詳細には本発明は回転機械構成要素（ 鉄基体金属合金から作成された流体案内表面をもつ羽根およびノズル）において 、ホウ素化によりそれらの硬度を増大させ、かつ弐面下１−の鉄の減少およびこ れまで回転機械構成要素のライフサイクルを低下させてきた微小亀裂の発生全低 下させることに夷って、改善された耐浸食性を与える。 他の観点においては、蒸気タービン用金属として普及している特定のステンレス 鋼合金が本発明により拡散合金ヲ施すことにより改善される。この糧のタービン に広範に用いられる合金ば４００ンリーズのステンレス鋼である。代我的な鋼は 鉄および約１２重置部のクロムを含有するであろう。これよりもクロム含量を高 くすると、それだけ延性が低下するかまたは脆性が増大するので使用されない。 タービンの環境においては衝撃による破壊に耐える必要があり、従って脆い鋼は 有用ではなく、クロム含量は１２重量％の範囲に保たれてきた。後記のように、 この種の鋼をホウ素で拡散合金させるとホウ素に対する鉄の親和性が高いため拡 散領域のすぐ下にある構造物部分から鉄を減少させる傾向がある。その結果、ホ ウ化鉄が形成されるがこれは狭面下層の鉄含量の犠牲において行われるので、良 好な拡散層は得られるが構造物に対する結合支持性が乏しい。拡散層におけるク ロム含量が高くなると鉄の減少が阻止され、かつホウ化クロムの形成が増加し、 その結果茨面層に対する良好な結合支持を与える無傷の隣接層を伴う良好な拡散 層が実現されることが見出された。有利なことに増大したクロム含量は選択的に 拡散表面層に留まり、従って構造物の残部はクロム含量が増加することなくその 優れた非脆性特性を保持する。特に表面層と構造物との間のクロム含量増加の差 により一般に鉄、クロムの不つ化物、およびこれらが与える望ましい表面脣性を 得ることかでき、一方向時に弐面下結晶構造の一体性が保持される。 発明の要約 従って本発明の主目的は、タービンおよびこれに類する装置の構成要素を改良し て、特にスチームパワー発電に用いる場合のそれらのライフサイクルを増大させ ることでるる。他の目的は、タービンおよびこれに類する装置の構成要素の流体 案内表面の耐浸食性を高めることでるる。さらに他の目的は、タービンおよびこ れに類する装置の構成要素の流体案内表面の組成を改変して、表面に微小亀裂が 生じる傾向を低下させる全５寓間化合物を形成することであるーさらに他の目的 は、タービンおよびこれに類する装置の構成要素上に微小亀裂の発生を実質的に 低下させることにより耐浸食性の流体案内表面を与え、かつ拡散合金面をもつノ ズルブロックおよびローターからなる新規な流体案内構造物を提供することであ る。他の目的はそのために、微小亀裂を生じにくくかつ耐浸食性の高い流体条内 表面を形成する方法を提供することである。さらに他の目的は、構成要素の流体 案内表面層に基体金属、ホウ素、クロムおよびポリホウ化物形成性耐熱元素を選 択的に分散含有させることにより、クロム（ホリホウ化物形成体）約１０重量％ 以上（ただしタービン用として過度の脆性を示すほど多くはない）を含む鉄基合 金とのホウ化物拡散合金を改良することである。他の目的は、構成要素のホウ素 化された表面層に上記基体金属、ホウ素、およびクロム以外のポリホウ化物形成 性耐熱元素（たとえばタンタル、モリブデン、タングステンおよびニオブ）を分 散含有させることにより、鉄、コバルトまたはニッケルヲ蟇体とする合金である ホウ化物拡散合金を改良することである。 これらの１旧および以下の記載から明らかになる他の目的は、し、クロムは約１ ０重量矛と該構造物をタービン用として過度に脆性にする傾向を示す量との間の あら刀・しめ定められた範囲内の量で存在し、該構造物の表面虐全ホウ素と拡散 合金する（こ５ のホウ素拡散合金処理は該構造物に対する生成した拡散合金表面層の結合を損う ホウ素との反応に関して拡散合金表面層１

【隣接する構造物部分において合金が ら鉄原子を減少させる傾向を有し、鉄およびホウ素の拡散合金表面層は拡散合金 における微小亀裂の発生の原因となる早期浸食劣化を受けやすく、これにより浸 食性流体環境における該構造物に関するライフサイクルが低下する）ことによる タービンおよびこれに類する装置のための流体案内構造物を製造する方法であっ て；改良点が追加量のクロムを構造物の表面中へ選択的にかつ構造物の残部と差 をつけて予備拡散させ、これにより構造物の表面１＠の内１μｌｊへ向かってク ロム含量が上記のあらかじめ定められ′＃ｃ範囲以上に増加することがなく、次 いで鉄およびホウ素の拡散合金と一体化しかつ表面層（ハ）に分散して微小亀裂 の発生を低下させるのトて有効な鉄、ホウ素およびクロムの金属間化合物を生成 させ、これにより浸食による表面層の早期破壊を防止しかつ該構造物のタービン 用としての有効性に不利な影響を与えることなく構造物のライフサイクルを高め ることよりなる方法において実現される。 特定の実施態様においては、本発明方法には拡散合金表面層に隣接する構造？１ 部分から構造物への表面層の粘合を損う量の鉄が減少するの全防止する量の追加 クロムを予備拡散させ；追加りｏムを０．００１〜０．０００５インチ（約０． ０２５〜０．０１３ｍｍ）　（Ｄ深さにまで予備拡散させ；クロムの予備拡散を 約１９００’Ｆ（約１０３８℃）の温度で行い；クロムの予備拡散をこの温度で 約４時間でテい；ホウ系を約０．００２〜０．０００５インチ（約０．０５１〜 ０．０１３　ｍｍ　）の深さにまで拡散させ；ホウ系の拡散を約１７２５７（（ 約９４１℃）の温度で行い；がっホウ系の拡散を約８時間？１う叶　ことも含ま れる。 Ｃこれらおよび池の実施態様においては、本方法にはさらに表文　面層に核層の 微小亀裂（でよる早期浸食劣化にクルて有効な量のポリホウ化物形成性耐熱元素 を拡散させることが含量れ、その際Ｈソリホウ化物形成性耐熱元素はタンタル、 タングステン、モリブデン捷たはニオブがら選ばれ、金属間化合′＋Ｏ！ＩＪは 鉄、ホウ素、クロムおよび耐熱元素の金属間化合物である。 特に好ましい実施態様（でおいては、構造物一般に比して表面層のクロム含量を 特異的に請願させ、次いで相ズｊ的にクロム含量　童が増加した表面層にホウ素 を拡散させてホウ素および鉄の拡散合金と一体化した、微小亀裂の発生を低下さ せるのに有効な〕　量の基体金属、ホウ系およびクロムの金属開化合物を形成さ せ、これにより浸食によって生じる表面層の早期破壊を防止ル、構造物のライフ サイクルを高めることを含む、ホウ素によび鉄の拡散合金からなる表面層を有す る、タービンまたはこれに類するもののだめの鉄を基体とするクロム含有合金製 の流体案内構造物のライフサイクルを高める方法が提供される。 この実施態様およびこれと同様な実施態様には、拡散合金表面層に隣接する構造 物部分力・らその構造物部分への表面層の結合を損う量の鉄がホウ系拡散により 減少するのを阻屯する量の追加クロムを表面層中へ予備拡散させることにより、 たとえは追加クロムを拡散したクロムの深さ約０．００１〜０．０００５インチ （約０．０２５〜０．０１３ｍｍ）を得るのに十分な時間および晶度において予 備拡散させることにより、クロム含量を高めることも含まれる。他の実施態様の 場合と同様に、この実施態様には表面層に該層の微小亀裂を低下させるのに有効 な量のポリポウ化物形成性耐熱元素を拡散させることも含量れ、その際ポリホウ 化物形成性耐熱元素はメンタル、タングステン、モリブデン捷たはニオブであり 、金属間化合物は鉄、ホウ素、クロムおよび耐熱元素の金属間化合物である。 好ましくはこの方法には、まずクロムを、次いでホウ素を順次別個の拡散パック （ｄ、１ｆｆｕｓｉｏｎ　ｐａｃｋｓ　）から、クロムおよびホウ素をそれぞれ 構造物の表面に鉄、ホウ素およびクロムの金属間化合物を形成する関係において 拡散させるのに十分な時間および温度において拡散させニクロムを構造物の流体 案内表面中へ表面層に選択的にクロムが製剤される関係Ｖこおいてパック拡散さ せニホウ素を構造物の流体案内授面中ヘホウ化鉄汐よひホウ化クロムの形成条件 下でパンク拡散させ、所望ＶＣより耐熱元素をも構造物の流体案内表面中へ鉄、 ホウ素、クロム寂よび耐熱元素の金属間化合物の形成条佇下で拡散させ、これに より表面の微小亀裂の発生を低下芒せることか含まれる。 特定の実施態様においては、本方法はさらに酬熱元累全表面中への拡散の前に構 造物の流体案内光面に塗布し、ホウ素を流体案内表面中ヘパツク拡散させ、耐熱 元素を流体案内表面中へホウ素の拡散と同時に拡散させ、耐熱元素としてタンタ ル、タングステン、モリブデンまたはニオブのうち１種または２種以上を選ぶこ とを含み、さらにこの元素を有機液体中の粒子として、１７ヒは練込み単−元素 被膜として表面をホウ系の・ミック拡散処理する前に液体案内面に遁丁ことケも 含む。あるいは不万法は耐熱元素を流体案内面中へ・リフ拡散すること金も意図 する。 本発明はさらに、−Ｆ配力法のうちのいずれが１つもしくはそ約１０重関係以上 のクロムからなる流体案内構造物をタービンおよびそｆ′Ｌに類する装置に備え ることよりなり、流体案内構造物は隣接する構造物部分に比して特異的に添加ク ロムが濃縮されかつホウ素と反応して鉄およびクロムのホウ化物を形成（−だ流 体接触表面層を有する。 本発明によれば、流体案内構造物はその表面層に存在する添加クロムのため、隣 接する構造部分において尖質的にホウ素の拡散による鉄の減少がなく、追加クロ ムは表面層の約０．００１〜０．０００５インチ（約０．０２５〜０．０１３ｘ ＋＋、）　ノ深さにまで達し、拡散したホウ素は表面層の約０．００２〜０．０ ００５インチ（約００５１〜０．０１．３　ｍｍ　）の深さにまで達し、さらに ホリホウ化吻形成性面］熱元系が表面層に該層における微小亀裂による早期浸食 劣化に対して有効な量存在してもよく、メリホウ化物形成性耐熱元累は一般にタ ンタル、メンタステ／、モリブデンｆたはニオブから選ばれ、これにより金属間 化合物は鉄、ホウ系、クロムおよび耐熱元素の金属間化合物である。 時に好址しい実施態様において不発明は、表面層のクロム含量が特に構造吻一般 に比して特異的に増加１〜でおり、がっクロム含量の瑠力口した端域のホウ素と 局部的に反応してホウ素および鉄の拡散合金と一体化１−た微小亀裂の発生全低 下させるのに有効な量の基体金属、ホウ系す９よひクロムの金属間化合′ＯＪ全 形９ 成し、これにより浸食による表面−一の早期破壊が防止さ７し、構造物のライフ サイクルが高められる、ホウ素および鉄の拡散合金からなる表面層をもつ、ター ピノ捷たはこれに類するもののだめの鉄を基体とするクロム含有合金製の流体案 内構造物を提供する。 この狸の構造物にはさらに表面層に核層における微小亀裂を低下させるのに有効 な量の、ｆ　ｌ）ホウ化物形成性耐熱元素、たとえばポリ硫化物形成性耐熱元素 であるタンタル、り／ゲステン、モリブデンまたはニオブが存在してもよく、こ れにより金属間化合物は鉄、ホウ素、クロムおよび耐熱元素の金属間化合物であ る。 他の実施態様においては、基体金属鉄、および約１０重量％と構造物をタービン 用には過度に脆性にする量との間の童のクロムの合金からなる、タービンおよび これに類する装置のための流体案内構造物が提供され、流体案内構造物は隣接す る構造物部分に比して追加クロムが符異的に濃縮されかつホウ素と反応して構造 物の表面に浸食に対抗する鉄およびクロムのホウ化物を形成した流体接触表面層 を有し、同時に表面層たけでなく構造物の非脆性特性を保持せしめる。 本発明の他の実施態様においては、基体金属である鉄、コ・ミルドもしくはニッ ケルからなυかつ害造物基体金属とホウ素の拡散合金よりなる流体系内表面層を 有する流体案内構造物（該表面層は浸食性流体環境において該構造物のライフサ イクルを低下きせる、拡散合金中の微小亀裂の発生原因となる早期浸食劣化を受 けやすい）であって；該表面層内に該基体金属、ホウ素およびポリホウ化物形成 性耐熱元素の金属間化合物の拡散合金がホウ素拡散合金全体にこれと一体化［７ て表面層の微小亀裂の発生を低下させる量で分億し、これにより表面層の早期浸 食劣化が防止され、浸食性環境における該構造物のサイクルライフが高まる流体 案内構造物を提供することによって、」−記のクロム以外の数種のポリホウ化物 形成体を使用することができる。 特定の実施態様においては、基体金属は鉄であって金属間化合物は鉄、ホウ素お よび耐熱元素の金属間化合物であり；あるいは基体金属はコバルトでりって金属 間化合物はコバルト、ホウ素および耐熱元素の金属間化合物でめり；あるいは基 体金属はニッケルであって金属間化合物はニッケル、ホウ素および耐熱元素の金 属間化合物である。 これらおよびこれに類する実施態様においては、耐熱元素は一般にタンタルであ り、金属間化合物は鉄、コバルトもしくはニッケル、ホウ素およびメンタルの金 属間化合物であり、たとえば基体金属が鉄でめって金属間化合物が鉄、ホウ素お よびタンタルの金属間化合物であり、あるいは基体金属がコバルトであって金属 間化合物がコバルト、ホウ素およびタンタルの金属間化合物であり、あるいは基 体金属がニッケルであって金属間化合物がニッケル、ホウ素およびタンタルの金 属間化合物である。 同様に、耐熱元素がタンゲスアンである場合、金属間化合物は鉄、コバルトもし くはニッケル、ホウ素およびタングステンの金属間化合物でろジ、たとえば基体 金属が鉄であって全国間化合物が鉄、ホウ素およびタングステンの金属間化合物 であり、１ あるいは基体金属がコバルトであって金属間化合物がコバルト、ホウ素およびタ ングステンの金属間化合物であり、あるいは基体金属がニッケルであって金属間 化合物がニッケル、ホウ素およびタングステンの金属間化合物である。 同様に耐熱元素がモリブデンである場合、金属間化合物は鉄コバルトもしくはニ ッケル、ホウ素およびモリブデンの金属間化合物であり、たとえば基体金属がコ バルトであって金属間化合物がコバルト、ホウ素およびモリブデンの金属間化合 物であるか、あるいは基体金属がニッケルであって金属間化合物がニッケル、ホ ウ素およびモリブデンの金属間化合物であるか、あるいは基体金属が鉄であって 金属間化合物が鉄、ホウ素およびモリブデンの金属間化合物である。 同様に耐熱元素がニオブである場合、金属間化合物は鉄、コバルトもしくはニッ ケル、ホウ素およびニオブの金属間化合物であり、たとえば基体金属がコバルト であって金属間化合物がコバルト、ホウ素およびニオブの金属間化合物であるか 、あるいは基体金属がニッケルでりっで金属間化合物がニッケル、ホウ素および ニオブの金属間化合物であるか、わるいは基体金属が鉄であって金属間化合物が 鉄、ホウ素およびニオブの金属間化合物である。 さら（（本発明によれ（１、ホウ素および基体金属の拡散合金と一体化しかつ表 面ノ曽円に分散した、微小亀裂の発生を低下させるのに有効な、基体金属、ホウ 素およびポリホウ化物形成性耐熱元素お金属間化合物層を形成させ、これによυ 浸食による表面層の早期破壊が防止され、構造物のライフサイクルが高まる２ ことを含む、浸食性環境に２いて微小亀裂を生じ、そのため浸食される傾向をも つΣＦつ素および基体金属の拡散合金からなる表面層をもつタービンおよびこれ に類する装置のためのニッケル・コバルトもしくは鉄を基体金属とする流体案内 構造物のライフサイクルを増大する方法が提供さえしる。 特定の実施態様においては、さらに本方法にニッケルを基体とする流体案内構造 物を用いること、またはコバルトヲ基体とする流体案内構造物を用いること、捷 たは鉄を基体金属とする流体案内構造物を用いることが意図される。 これら２よびこ１１に類する実施態様において、本方法にはホウ素を構造物の流 体系内表面層へ基体金属ホウ化物形成条件下に・ξツク拡散させ；耐熱元素を構 造物の流体系内表面層へホウ素、基体金属およびｍｌ熱元素の金属間化合物の形 成条件下に拡散させ、これにより表面の微小亀裂の発生を低下させることが含ま れる。符に圧目すべき実施態様に２いては、本方法にはさらに耐熱元素全表面中 へ拡散させる前に構造物の流体系内表面層に塗布し；ホウ素を流体案内表面中ヘ パツク拡散させ、耐熱元素をホウ素の拡散と同時に流体系内表面層へ拡散させ； その際耐熱元素はタンタル、タングステン、モリブデン−またはニオブであり、 表面をホウ素・ξツク拡散処理する前に、たとえばタンタルを耐熱元素として用 いる場合、またはタングステンに耐熱元素として用いる場合、またはモリブデン を耐熱元素として用いる場合、またはニオブを耐熱金属として用いる場合、この 元素を有機液犀中における板子として、捷たはこれらのポリホウ化物形成性耐熱 元素１種もしくは２種以上の混合物會、流体１３ 案内表面に施すことが含量れる。 他の実施態様においてば、本発明には耐熱元素がタンタル、タングステン、モリ ブデンまたはニオブである場合この元素を練込み単一元素被膜として、表面をホ ウ素・ｅツク拡散処理する前および／または耐熱元素を離体系内表面中ヘパツク 拡散させる前に流体案内表面上に付着させ、そして表面中へのホウ素パック拡散 のＡｉｌに流体案内表面中への耐熱元素の・ξツク拡散を行うことが含まれる。 図面の簡単な説明 本発明をさらに添付の図面に関連して述べる。 第１図はＭスタービン装置のノズルブロック断片の透視図である。 第２図はノズルブロック羽根の流体案内機能Ｘ＝略的に不した図である。 第３図は流体案内集成装置における一対のノズルノロツク羽根の拡大概略図であ り、羽根はそこに示すように不発明により光面合金化されている。 好ましい実施態様の記述 超臨界圧スチームパワー発電所においては、符に過熱器および再熱部のボイラー 管が著しい酸化物形成を示すことが捷れではない。この酸化物は管壁から全体的 に離脱しくこの分離ｉｑ通常表層剥離と呼はれるン、その際酸化物は蒸気中に連 ばれ、発電のために蒸気により駆動されるタービンのノズルおよびプレードに偏 突する。この型の衝突の前色は多数の小さな接触点が形成され、表向が次第に浸 食され、プレードまたけ羽根の輪郭に不都合な影響を与えることであるっ 図面を参照すると、ノズ・レブロック部分の形の流体案内溝漬物が第１図の１０ に示されている。ノズ゛ルプロノク１０はセグメントを示しそれぞルハブ１２お よび周囲フランジ１４ヲ有するセグメントは固形であって、−組の環状物を形成 する。フランジ１４は対向する同形の羽根１８（第２図参照）により定められる 多数の配列した方向性通路１６を定め、ここへ蒸気が導通され、ここから蒸気が 共同の回転部品上に向けられ、タービン回転軸を回転させる。不発明の目的のた めには、前記の表面合金の使用により固定および回転双方の流体溝遺物を改良す ることができるが、この記述は参考のため主として固定ノズルブロック構造物に 限定する。通路】６は羽根１８の流体茶内表面２０により定められる（第３図参 照）。流体案内表面２０には小さな酸化物の衝撃物が絶えず衝突し、その結果微 小亀裂の存在下で（従って不発明を採用しない場合に）浸食が起こり、結果的に 檜成要素の早期破損またはライフサイクルの低下が起こる。しかし本発明によれ ばこの棟のべ血中２よび狭（８）上に伎記の拡散合金が形成ちれ、第３図に示す 表面層２２を与える。表面層２２の特色は、表面層に前記の金属間化合物が存在 することＶＣより微小亀裂が減少し、より長い有効寿命が得られることである。 表面層２２は羽根１８の表面１０に種々の方法により形成婆れる。 これらの方法μいず汎も表面を形成する金属を羽根のもとの表面中へ拡散させ、 もとの表面の位置から内１４］１および外■リヘ広がる新たな表面ゲル族する。 拡散合金法は周知であり、それらのうち代表的なものによれは拡散合金面は拡散 させる金属、耐火５ 物、たとえば酸化アルミニウムおよびノ・ロゲン化物系キー’ｌ−ｌ）ヤｆ含有 する拡散パンク中に羽根などの部品を入れ、きわめて高い温度で長時間加熱して 拡散用金属ｆ：表表面へ進入させるパック拡散法により形成される。 本発明においては、拡散処理される表面は基体金属である鉄、およびクロム、お よびタービン用鉄−クロム合金の基本的な有用性’ｃＫえることのない各種の他 の元素の合金でるる。゛基体金属（ｂａｓｅ　ｍｅｔａｌ　）’″とは、鉄が表 面の最大単一元素であるという事実を意味する。鉄を示体とする合金中に伐記の ように少量のクロムのほかに存在しつる他の元素は下記のものである。 炭素、一般に２％以下；マンガン、一般に３係以下、ただし２００ノリーズのス テンレス鋼の特定のものにおいてＰｉ］、５％程度の多量であってもよい；リン 、一般に１％よりも十分に少フデい；イオウ、−Ｃに０１チ以下；ケイ素、一般 に３φ以下；２よひニッケル、一般に１０係以下、ただし３５程度１での多量に わたってもよい。本明細書Ｖこおいて上記および他の飴はすべて車量による。 この種の鋼におけるクロム含量は約１０〜約３０係でうってもよいが、約１２係 以上ではタービン構成要素に望捷しい処理が低下し、脆性が謂大するので、ぢ≦ 加される他の元素により補償されない限り実際上タービン構成要素用として有用 な鉄−クロム合金は１０〜１２％の範囲（特定の場合には１５係に及んでもよい ）のクロム金型分有する。 これ才で少量のクロムを含有するこの棟のクロム含有合金に、表面層に隣接する 部分〃Σら鉄を減少させてこれにより厳イ滲衣面６ が構造物に不適当に粘合した状態になること々く、〃Ｊ呆的（（１広散合金しう るとは考えられていなかった、米国特許ｚ　３，０２９．１６２号明細薔（サミ ュエルｘ　（５ａｒｎ、ｕｅｌｓ）ら）には、支持体中へホウ素を拡散させる前 に佳々の支持体すなワチ鉄、ニッケル、コバルト、モリブデン、タングステン、 チタン、ジルコニウム、銅およびそれらの合金中へ拡散されたクロム、ケイ素、 アルミニウム、・ミナジウム、チタン、ジルコニウム、モリブデン、タングステ ／、ニオブおよびタンタルを含む種々の金属を使用することが記載されている。 サミュエルスは鉄クロム合金を使用せず、また低クロム合金（１０〜１２係）は ホウ素化処理中の鉄の減少を阻止しないのでクロ７ムのみが存在するのでは不十 分であり、構造物の表面層のクロム含量が構造物一般に存在する量よりも選択的 に多くならない眠り有用なタービン構成要素は侍ら７″ｌ−ないということを認 識せす、丘だ明らかに理解していなかった。寸たこのようＶＣｆ４いクロム含量 は、本発明により叙示されるように外面に特異的に存在するのではなく一般に樗 成要素全不に存在するならば、侮成安素の性能に不利な影響を与えるであろう。 ホウ素化処理の前に鉄の減少を阻止する量のクロムを、浸食条在下で生じやすい 微小電装を除き、または少なくするために表面層中へ選択的に拡散さぜるほかに 、本発明はさしにボ゛リホウ化物形成性耐熱元素をたとえは耐熱元素が添加びれ た一版のホウ素化処理用パンクから含有させることをも意図する。特定の操作理 １・て匈束さノーしることは望まないが、拡散面にあ・ける微小亀裂の割合、丁 なわち微小亀裂の先生率は部品の表１川にポリ１７ ホウ化物形成性耐熱元素を同時拡散させた価呆低下すること、およびこの発生率 の低下に伴って酸化物の衝突による浸食に対する抵抗が長い実地試、験期間にわ たって高いことが認められた。 本方法を実施するに際しては、部品を一敗にまずクロマイジング条件下で、次い で別個にホウ素化条件下でパンク拡散処理する。たとえば微細なりロム１０〜２ ５係、微細な酸化アルミニウム９０〜７５チ、およびハロゲン化物系キャリヤー （たとえば後記のハロゲン化物）００２〜０．２％の重量組成をもつクロマイジ ング用７８ツク中で高められた温度、たとえば１．９００　下（１０３８℃）に おいて４〜６時間処理し、そして洗浄処理後に非晶質ホウ素０．１％、好ましく は５〜１０％、ハロゲン化アンモニウム（たとえばＮＨ４Ｆ　）　０．０１〜０ １％、および残部酸化アルミニウムの重量組成をもつホウ素化パック中で処理す る。ホウ素の拡散を好ましくは５〜２０時間、１６００°〜１７５０下（約８７ １〜９５４℃）で行う前に、ポリホウ化物形成性耐熱元素を、拡散条件下で耐熱 金属および基体金属とポリホウ化物を形成しうる量においてパックに冷加するか 、または好ましくは薄膜として拡散処理すべき部品の表面に施し、次いで拡散処 理を行う。 本発明に用いられる耐熱金員にはタンタル、タングステン、モリブデンおよびニ オブが含まれる。これらの金属は超合金の表面内で基体金属および除加したホウ 素とポリホウ化物全形成する。用いられる耐熱金属の量は狭い範囲に限定される ものではないが、部品の表面層内に全体的に分布した基体金属およびホウ素のポ リホウ化物を得るのに十分でなけ几ばならず、かつこの種のポリホウ化物を形成 するのに必安な量よりも大幅に過剰であってはならない。この場合り山ム、ある いは慎体金属およびホウ素とポリホウ化物を形成する耐熱元素に関連する゛分布 した（ｄｉｓｔｒｉｂτｂｔｅｃｌ）′およびそれを認可させるもの、たとえば 分布して（ｄｔｓｔｒｉｈｗｔ　ｔυｅｌｙ　）　という語は、ここではこれら の金属間化合物が微小亀裂を生じる表面層の実質的にすべての部分に存在するが 、必ずしもそれぞれの深さまたは濃度が均一である必要はないことを意味する。 これらの金４間化合物はさらに表面層と゛一体化して（ｉｎｔｅｇｒａ、ｌ　） 　’″いる。こハ、はホウ素、基体金属および耐熱元系の化合物が表面層を構成 する結晶格子の一部であることを意味する。 実施例１ クロム１１５〜１３５％、　ケイ素およびマンガン１％、ならびにこれより゛も 少量の炭素、リンおよびイオウを含み、ノズルブロック羽根アセンブリーに改形 さｎた鉄基合金（４］０ステンレス）オ、本発明に従って部品から酸化物、油そ の他の異物を洗浄除去し、微細な金属クロム１０〜２５チ、微細な酸化アルミニ ウム９０〜７５％およびハロゲン化アンモニウム０．０２〜０２チを含有する一 般のクロマイジング用・ξツク中に部品をパックし、適切な容器中に７−ルし、 １９００下（１，０３８℃）の炉内で４〜６時間加熱することにより拡散合金表 面処理した。次いで部品を冷却し、洗浄した。クロム拡散の深さは０．０００５ 〜０００１インチ（０，０１３〜００２５闘）の範囲であった。表面層には拡散 ＡＴＪの含量の約１５〜２５倍のクロムが濃縮されていたが、直接の表面層のみ であり、部品一般のクロム金型は亥化しなかった。 クロム処理された部品を仄いて非晶質ホウ素５〜１０％を含有９ し、他はクロマイジング用パンクと同じホウ素化用パンク中（（パンクし、／− ルした容器中で１７００〜１７５０下（９２７〜９５４℃）に約８時間加熱した 。鉄およびクロムのホウ化物の表面層の深さは０．０００５〜０．００２インチ （０，０１３−０，０５１ｍｍ）であった。 ホウ素化工程は、まず微粉イ州タンタルの薄層を有機佑合剤中で部品に塗布して クロムおよびホウ素の拡散のほかに耐熱元系の拡散を行うことにより改変するこ とができる。 得うれたノズルブロックは発電所用タービンアセンブリー中に暇付けられた場合 、明らかに微小亀裂に起因する浸食、または脆性破壊なしに２年間運転すること ができる。部品の荷に流体案内次面のへりに実質的な浸食がないことにより、経 時的に悪化し、対回回の浸食に４大させ、タービンの効率全低下させる、誤った 方向への蒸気の案円が避けられる。より効率の低い操業自体に関する付加的な燃 料費のため、オーバーホールの必要性が少ないことにより実現き几る大幅に延長 さ几たライフサイクルを別としてもここに記載した拡散表面処理部品の１更用が タングステン、モリブデンまたはニオブ全耐熱金属として用いて実施例１を繰９ 返した。結果は同様であった。 こうして、特にスチームパワー発電用のタービンおよびこれに類する装置の構成 要素のライフサイクルの改善、タービンおよびこれに類する装置の構成要素の流 体案内表面の耐浸食性の翔犬、これらの構成要素の表面が微小亀裂を生じるｊ唄 口を低下させる金属間化合物の形成を含む本発明のｌ］１■記の目的が実現さ０ れる。さらに、拡散合金面をもつノズルブロックおよびコーターを構成する新規 な流体案内構造物、ならびにホウ系の拡散にもかかわらず実質的に鉄が減少して いない強固な支持体に良好に固着し、微小亀裂の形成に対し抵抗性であり、かつ 耐浸食性の高い流体案内表面の形成法が、構成要素のホウ素化された表面ノーへ の基体金属、ホウ素、クロムおよびポリホウ化物形成性耐熱元素の金属間化合物 の分散取込みにより提供される。 本発明の特定の理論に拘束されることは望まないが、鉄とのクロム合金にクロム を添カロすることにより層が亀裂を生じる傾向が明らかに低下し、ホウ素が隣接 する部分の部品の鉄と優先的に反応して鉄が減少した表面下層全形成する傾向も 低下する。 この鉄減少帯域は脆くかつ耐浸食性がさほど高くない顔向を示し、その上部に形 成でれた拡散合金増が最良のものであってもその有用性を制限する。 クロム含量を高めることなく形成された単なるホウ素−クロム合金よりも優れた 本発明の系により得られる結果ｅま、本発明において目的とするホウ素−クロム −鉄金属間化合物の比較的薄い層を与え、一方こｎ、ｉで低クロム鉄合金のホウ 素化に伴って生じていた、鉄の減少した脆くかつ耐浸食性の乏しい隣接帯域また は隣接層を形成することのない広範なホウ素との反応に帰因すると考えられる。 本発明の他の実施態様においては、拡散処理される表面は一般に基体金属コバル ト、ニッケルまたは鉄の超合金である。すナワチ、亡れぞれコバルト、ニッケル 寸たは鉄が次回における最大単−元累である。本発明してよればこの表面中ヘホ ウ累および２１ 前記のクロム以外のポリホウ化物形成性耐熱元素を、たとえば耐熱元素が添加さ れた一般的なホウ素化パックから拡散きせる。 特定の操作理論に伺束されることは望まないが、拡散処理した表面の微小亀裂の 割合すなわち微小亀裂発生率が部品の表面中へ４１Ｊホウ化物形成性耐熱元素を 同時拡散させた結果低下し、この発生率の低下に伴って長期間の実地試験におい て酸化物の衝突による浸食に対する抵抗性が増大することが認められた。 本方法を実施するに除しては、部品？一般にホウ素化条件下で、たとえば非晶質 ホウ素０１〜１０％、　ハロゲン化アンモニウム（たとえばＮＨ２Ｆ　）　０． ０１〜０１％、および残部酸化アルミニウムの重量組成をもつホウ素化用・ξツ ク中でパック拡散処理する。好ましくは１６００〜１７５０下（８７１〜９５４ ℃）で５〜２０時間の拡散を行う前にホリホウ化物形成性耐熱元累を、拡散条件 下で耐熱金ｆ４および基体金属とポリホウ化ｗＪを杉成しうる量においてパック に祭加するか、または好１しくけ薄い被膜として拡散処理すべき部品表面に施し 、次いで拡散処理才何う。 この実施態様に有用な耐熱金属にはタンタル、タングステン、モリブデンおよび ニオブが含寸れる。こ几らの金、鵜は超合金の衣面円で基体金属および添加き几 だホウ素とポリホウ化化合物を形成する。使用される耐熱金属の童は狭い範囲に 限定さ几るｔのではないが、部品次面層内に全体的に分布して基体金属とホウ素 のポリホウ化＊に得るのに十分でなければならず、かつこの種のｆ？　ＩＪホウ 化物を形成するのに必要な量よりも大幅に過剰でろうてにならない。この場合基 体金°属およびホウ素とポリホウ化物を形成する耐熱元素に関連する゛分布した °およびそれを認知させるもの、たとえば分布してと、いう語は、ここではこれ らの金属間化合物が微小亀裂を生じる表面層の実質的にすべての部分に存在する が、必ずしもそれぞれの深さまたは濃度が均一である必要はないことを意味する 。これらの金属間化合物はさらに表面層と”一体化して″”いる。これはホウ素 、基体金属および耐熱元素が表面Ｎを構成する結晶格子の一部であることを意味 する。 実施例３ 鉄、ニッケルまたはコバルト基体合金製のノズルブロック羽根アセンブリーヲ、 本発明に従って微粉細タンタルの薄層を有機結合剤中で羽根に塗布し、羽根をホ ウ素０１〜】０％を含むホウ素化／ミック中でホウ素化し、１６００〜１７５０ °Ｆ　（８７１〜９５４℃）で５〜２０時間加熱することにより、拡散合金表面 処理した。 得られたノズルブロックを発電所用タービンアセンブリーに取付Ｑす、対照の未 処理ノズルブロックと共に２年間運転した。この試験期間（発電所用タービンの オーバーホール１ｃ関して一般的な２年のサイクル）の終了時点で、ノズルブロ ックのＭｆにより羽根のへ９、凸面または凹面に浸食性摩耗が本質的に示されな 力・つた。これＶｒＣ灯し未処理の対照ブロックは、羽根の府に流体案内面のへ りに実質的な浸食を受けた。このような浸食の結果、蒸気が誤った方向に同けら れ、これは経時的に恐化し、対向面の浸食が増大し、タービンの効率が低下した 。より効率の低い操栗自体に関する付加的な燃料費のため、オーバーホールの必 要性が少ないことにより実現てれる大幅に延長されたライフサイクルを別として もここに記載した拡散表面処理した羽３ 根の使用が指示される。 実施例４ タングステン、モリブデン逢たはニオブを耐熱金属として用いて実施例３を繰り 返した。結果は同様でめった。 こうして、特にスチームノξワー発電用のタービン寂よびこれに類する装置の構 成要素のライフサイクルの改善、タービンおよびこれに類する装置の構成要素の 流体案内面の耐浸食性の増大、これらの構成要素の表面が微小亀裂を生じる傾向 を低下きせる金属間化合物の形成で含む本発明の前記の目的が実現される。さら に、拡散合金面をもつノズルブロックおよびローターからなる新規な流体案内構 造物、ならひＶＣ微小亀裂の形成（て１４し抵抗性でありかつ耐浸食性の高い流 体案内面の形成法が、構成要素のホウ素化さｎた表面層への基体金属、ホウ素お よびクロノ、もしくは他の上記ポリホウ化物形成性耐熱元素の金・、為開化金子 〇の分散取込みにより提供される。 国際調査報告 ｌ＋ｖｌｓｎｎａｌｌａｎａｌＡａｐＨｅｍｌｌａｎＮｏ、ＰＣＴ／ＵＳ８４１ ０１２８９第１頁の続き 優先権主張　■１９澗年３月７日［相］米国（ＵＳ）０５８７１７２０発　明　 者　シーバース、ジョージ・ケイ　アメラド リカ合衆国　カリフォルニア州　９１５０６．バーバンク、ケンウ・ストリート 　１１１０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　基体金属である鉄、ニッケルもしくはコバルトからなりかつ構造物基体金属 とホウ素の拡散合金よりなる流体接触表面層を有する、タービンおよびこれに類 する装置のだめの流体案内構造物（該表面層は浸食性流体環境において該構造物 のライフサイクルを低下させる、拡散合金中の微小亀裂の発生原因となる早期浸 食劣化を受けやすい）であって；該表面層内に該基体金属、ホウ素およびポリホ ウ化物形成性耐熱元素の金属間化合物の拡散合金がホウ素拡散合金全体にこれと 一体化して表面層の微小亀裂の発生を低下させる量で分布し、これによシ表面増 の早期浸食劣化が防止され、浸食性環境における該構造物のサイクルライフが萬 められることを特徴とする、流体案内構造物。 ２　該基体金属が鉄、ニッケル捷たはコバルトであり、該耐熱元素がタンタルで あり、該金属間化合物が鉄、ホウ素およびタンタルの金属間化合物である、請求 の範囲第１項に記載の流体案内構造物。 ３　該耐熱元素がタングステンであＱ、該金属間化合物が鉄、コバルトもしくは ニッケル、ホウ素およびタングステンの金属間化合物である、謂釆の範囲第１項 に記載の流体案内構造物。 ４　該耐熱元素がモリブデンであり、該金属間化合物が鉄、コバルトもしくはニ ッケル、ホウ素およびモリブデンの金属間化合物である、請求の範囲第１項に記 載の流体案内構造物。 ５　該耐熱元素がニオブでｏＤ、該金属間化合物が鉄、コバルトもしくはニッケ ル、ホウ素およびニオブの金属間化合物である、請求の範囲第１項に記載の流体 案内構造物。 ６　浸食性の流体環境において微小亀裂を生じ、そのために浸食される傾向を有 するホウ素および基体金属の拡散合金からなる表面層をもつタービンおよびこれ に類する装置用のニッケル、コバルトまたは鉄を基体金属とする流体案内構造物 のライフサイクルを増大する方法であって； 該ホウ素および基体金属の拡散合金と一体化しかつ該懺面内に分布して微小亀裂 の発生を低下させるのに有効な、基体金属、ホウ素および、ｄ　ｌ）ホウ化物形 成性耐熱元素の金属間化合物を生成させ、これにより浸食による該表面層の早期 破壊を防止し、該構造物のライフサイクルを増大させることを特徴とする、流体 案内構造物のライフサイクルを渭犬する方法。 ７　本質的に基体金属鉄およびクロムからなる合金の構造物を作成し、クロムは 約１０重量％と該構造物をタービン用として過度に脆性にする傾向を示す童との 間のあらかじめ定められた範囲内の量で存在し、該構造物の表面層をホウ素と拡 散合金する（このホウ素拡散合金処理は該構造物に対する生成した拡散合金表面 ノーの結合を頂うホウ素との反応に関して拡散合金表面増に隣接する構造物部分 において合金から鉄原子を減少させる１唄向を有し、鉄およびホウ素の拡散合金 沢面層は拡散合金における微小亀裂の発生の原因となる早期浸食劣化を受けやす く、イクルが低下する）ことによるタービンおよびこれに類する装置のための流 体案内構造物？製造する方法であって；ス艮、欝が追加量のクロム全構造物の表 面中へ迷択的にかつ構造物の残部２６ と差をつけて予備拡散させ、これにより構造物の表面層の内１４１］へ向かって クロム含量が上記のあらかじめ定められた範囲以上に増加することがなく、次い で鉄およびホウ素の拡散合金と一体化しかつ表面層内に分散して微小亀裂の発生 を低下させるのに有効な鉄、ホウ素およびクロムの金属間化合物を生成させ、こ ね、により浸食による表面層の早期破壊を防止１−かつ該構造物のタービン用と しての有効性シこ不才１」な影響を与えることなく構造物のライフサイクルを増 大させることからなることを特徴とする、流体案内構造物の製造方法。 ８　拡散合金表面層に隣接する構造物部分から構造物への表面層の結合を損う量 の鉄が減少するのを防止する量の追、’ＪＤクロムを予備拡散させることヶも含 む、請求の範囲第７項に記載の方法。 ９　該追加クロムを約０００１〜０．０００５インチ（約００２５〜０．０１３ 　ｔｔｒｍ　）の深さにまで予備拡散させることを含む、請求の範囲第７項に記 載の方法。 １０　該クロムの予備拡散が約１９００下（ｇｌ、ｏ３ｓ℃）の温度で行われる 、請求の範囲第７項に記載の方法。 １１　ホウ素の拡散が約０００２〜０．０００５インチ（約００５１〜００１３ 朋）の深さになるまでホウ素を拡散させることを含む、請求の範囲第７項に記載 の方法。 １２　該ポリホウ化物形成性耐熱元素を表面層に該層の微小亀裂による早期浸食 破壊を防止するのに有効な微拡散させることをも含む、請求の範囲第７項に記載 の方法。 １３　該ポリホウ化物形成性耐熱元素がタフタル、タングステン、モリブデン捷 之はニオブであり、該金属間化合物か鉄、ホウ素、クロムおよび耐熱元素の金属 間イし合物である、６ｈ水の範囲第７項に記載の方法。 １４　該耐熱元素を構造物の流体案内表面中−＼ホウ素、基体金属お・よひ耐熱 元素の金属間化合物の形成条件下に拡散させ、これにより該層の微小亀裂の発生 を低下させることをも含む、梢水の範囲第７項に記載の方法。 １５　該耐熱元素を構造物の流体兼内入血中へ拡散させる前に流体案内表面に塗 布することをも含む、請求の範囲第１４項に記載の方法。 １６　ホウ素を流体案内表面中ヘパツク拡散させ、耐熱元素をホウ素の拡散と同 時に該流体案内構造物へ拡散させることケも含む、請求の範囲第１４項に記載の 方法。 １７　該耐熱元素がタンタル、タンゲスアン、モリブデンまたはニオブであり、 流体案内表面をホウ素パンク拡散処理する前に該元素を何機液体中の粒子として 流体条内表面に施すことをも含む、請求の範囲＃、１４項に記載の方法。 １８　基体金属鉄およびＦＪｌＯｉ量多以上のクロムからなる、タービンおよび これに類する装置のための流体案内構造物であって；該流体案内構造物が、隣接 する構造物部分に比して砒加クロムが特異的に濃縮されておりかつホウ素と反応 して鉄およびクロムのホウ化物を形成している流体接触衣面層を有することを特 徴とする、流体案内構造物。 １９　該隣接する構造？１部分が、表面層中に存在するち５加クロムのためホウ 素拡散に伴う鉄減少を実質的に生じない、請求８ の範囲第１８項に記載の流体案内・構造物。 ２０　該添加クロムが表面層の約０００１〜０．０００５インチ（約０．０２５ 〜０．０１３ｍｍ）の深さにまで達している、請求の範囲第１８項に記載の流体 案内構造物。 ２１　該拡散したホウ素が表面層の約０００２〜０．０００５インチ（約０．０ ５１〜ｏ、ｏ＋３ｍｍ）の深さにまで達している、請求の舵囲第１８項に記載の 流体案内構造物。 ２２　表面層にさらにポリホウ化物形成性耐熱元素が該層の微小亀裂による早期 浸食劣化に対して有効な量存在する、請求の範囲第１８項に記載の流体案内構造 物。 ２３　該ホリホウ化物形成性耐熱元素がタフタル、タングステン、モリブデン捷 たはニオブであり、金属間化合物が鉄、ホウ素、クロムおよび耐熱元素の金属間 化合物である、請求の範囲第２２項に記載の流体案内構造物。 ２４　ホウ素および鉄の拡散合金からなる表面層を有するタービンまたはこれに 類するもののための鉄を基体とするクロム含有合金製の流体案内構造物であって 、表面層のクロム含量が構造物一般に比して特異的に増力口してあり、かつクロ ム含量か増大した領域のホウ素と局部的に反応して上記のホウ素および鉄の拡散 合金と一体化した微小亀裂の発生を低下させるのに有効な量の基体金属、ホウ素 およびクロムの金属間化合物ｒ形成し、これにより表面層の浸食による早期薮壊 が防止され力・つ構造物のライフサイクルが増大した流体案内構造物。 ２５　表面層に該層の微小亀裂を減少させるのに有効な歌の、Ｅ　ＩＪホウ化物 形成性耐響元素がさらに存在する、請求の範囲第９ ２４項に記載の流体案内構造物。 ２６　該ポリホウ化物形成性耐熱元素がタンタル、タングステン、モリブデン寸 たはニオブであり、金属間化合物が鉄、刀スウ素、クロムおよび耐熱元素の金属 間化合物である、請求の範囲第２５項に記載の流体案内構造物。 １