KR20020005035A - 부품 및 부품상에 보호층을 제조하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 고온의 증기에 노출될 수 있고, 금속 베이스 바디(81)를 포함하며, 상기 베이스 바디에는 기본 재료의 산화에 대한 내구성을 높이기 위한 보호층(82)이 결합되며, 상기 보호층(82)은 알루미늄을 함유하고, 두께(D)가 50㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 부품(80)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 부품(80)의 산화에 대한 내구성을 높이기 위한 보호층을 만들기 위한 방법에 관한 것이다.
Description
다양한 기술 분야에서는 부품들이 고온의 증기, 특히 수증기에 노출된다. 이것은 예를 들어 증기 설비, 특히 증기 발전소내에 있는 부품에 적용된다. 증기 발전소의 효율을 높이는 범주에서는 특히 증기 파라미터(압력 및 온도)를 상승시킴으로써 효율의 상승이 이루어진다. 이 경우 미래의 개발품들은 300 바아까지의 압력 및 650℃ 이상까지의 온도를 가지게 될 것이다. 상기와 같이 상승된 증기 파라미터를 실현하기 위해서는, 온도 상승시에 수명 범위에서 높은 강도를 갖는 적합한 재료가 필요하다.
상기 경우에는 오오스테나이트 강철이 예를 들어 높은 열팽창 계수 및 낮은 열전도성과 같은 바람직하지 않은 물리적 특성 때문에 한계에 부딪치기 때문에, 현재는 9 중량% 내지 12 중량%의 크롬을 함유하는, 수명이 견고한, 페라이트-마르텐사이트 강철의 상이한 변형예들이 개발되고 있다.
EP 0 379 699 A1호에는 열기계의 블레이드의 부식 저항 및 산화 저항을 높이기 위한 방법, 특히 축류 압축기의 압축기 블레이드가 개시되어 있다. 이 경우 압축기 블레이드의 기본 재료는 페라이트-마르텐사이트 재료로 구성된다. 기본 재료 상에는 6 내지 15 중량%의 규소, 알루미늄 잔류물로 구성된, 점착성이 강한 표면 보호층이, 적어도 300 mls의 입자 속도로 고속 처리한 후에 기본 재료의 표면상에 뿌려진다. 상기 금속-보호층상에는 종래의 래커 분사 방법에 따라 예를 들어 폴리테트라플루오르에틸렌과 같은 플라스틱이 적층되는데, 상기 플라스틱은 블레이드의 커버층(외부층)을 형성한다. 상기 방법에 의해, 수증기의 존재시 상승된 부식 저항 및 침식 저항을 갖고 압축기 블레이드에 중요한 비교적 균일한 온도(450℃)를 갖는 보호층이 블레이드상에 제공된다.
크리스챤 베르거 및 위르겐 에발트의 논문 "고부하를 받는 증기-터빈-부품을 위한 재료 컨셉", Siemens Power Journal 4/94, Pages 14-21에서는, 단조 및 주조된 크롬강에 대한 재료 특성들이 조사되었다. 상기 논문에서 2 내지 12 중량%의 크롬 및 몰리브덴, 텅스텐, 니오븀 및 바나듐과 같은 첨가물을 함유하는 크롬강의 수명 견고성은 온도가 상승함에 따라 연속적으로 감소된다. 550 내지 600℃ 이상의 온도에서 사용하기 위해서는, 10 내지 12 중량%의 크롬, 1%의 몰리브덴, 0.5 내지 0.75 중량%의 니켈, 0.2 내지 0.3 중량%의 바나듐, 0.12 내지 0.23 중량%의 탄소 및 선택적으로 1 중량%의 텅스텐을 함유하는 단조된 샤프트가 제안된다. 크롬강으로부터 제조되는 캐스팅부는 증기 터빈의 밸브에, 고압 증기 터빈, 중간압 증기 터빈, 저압 증기 터빈 및 포화 증기 터빈의 외부 및 내부 하우징에 사용된다. 550 내지 600℃의 온도에 있는 밸브 및 하우징을 위해서는 10 내지 12 중량%의 크롬을 함유하는 강이 사용되며, 상기 강은 그 외에 0.12 내지 0.22 중량%의 탄소, 0.65 내지 1 중량%의 망간, 1 내지 1.1 중량%의 몰리브덴, 0.7 내지 0.85 중량의 니켈, 0.2 내지 0.3 중량%의 바나듐을 함유할 수 있거나 또는 0.5 내지 1 중량%의 텅스텐도 함유할 수 있다.
크리스챤 베르거 등의 논문 "증기 터빈 재료: 고온 단조품", 5th int. Conf. Materials for Advanced Power Engineering, Liege, Belgium, Oct. 3-6, 1994에는 9 내지 12 중량%의 크롬을 함유하고 수명이 견고한 CrMoV-강의 개발에 대한 개관이 개시되어 있다. 상기 논문에서 강은 종래의 증기 발전소 및 핵 발전소와 같은 증기 터빈 동력 장치에 사용된다. 상기와 같은 크롬강으로부터 제조되는 부품들은 예를 들어 터빈 샤프트, 하우징, 볼트, 터빈 블레이드, 파이프 라인, 터빈 휠 디스크 및 압력 용기이다. 새로운 재료, 특히 9-12 중량%의 크롬강의 개발에 대한 다른 개관은 T.-U. 케른 등의 논문 "Material development for high temperature-stressed components of turbomachines", in Stainless Steel World, Oct. 1998, Pages 19-27이 제공한다.
9 내지 13 중량%의 크롬을 함유하는 크롬강의 다른 적용예는 예를 들어 US-PS 3,767,390호에 개시되어 있다. 상기 문서에 사용된 마르텐사이트 강은 증기 터빈 블레이드에 및 증기 터빈의 하우징 절반을 결합시키는 볼트에 적용된다.
EP 0 639 691 A1호에는, 8 내지 13 중량%의 크롬, 0.05 내지 0.3 중량%의 탄소, 1% 이하의 규소, 1% 이하의 망간, 2% 이하의 니켈, 0.1 내지 0.5 중량%의 바나듐, 0.5 내지 5 중량%의 텅스텐, 0.025 내지 0.1 중량%의 질소 내지 1.5 중량%의 몰리브덴, 및 0.03 내지 0.25 중량%의 니오븀 또는 0.03 내지 0.5 중량% 탄탈 또는 3 중량% 이하의 레늄, 5 중량% 이하의 코발트, 0.05 중량% 이하의 붕소를 함유하는, 마르텐사이트 구조의 증기 터빈이 개시되어 있다.
본 발명은 고온의 증기에 노출될 수 있고, 금속 베이스 바디를 포함하는 부품에 관한 것으로, 상기 베이스 바디는 기본 재료의 산화에 대한 내구성을 높이기 위한 보호층을 포함한다. 본 발명은 또한 고온의 증기에 노출될 수 있고, 기본 재료를 갖는 금속 베이스 바디를 포함하는 부품상에 산화에 대한 내구성을 높이기 위한 보호층을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
도 1은 증기 터빈 동력 장치의 개략도이고,
도 2는 증기 터빈 장치의 개략적인 단면도이며,
도 3은 알루미늄 함유 보호층을 연마한 도면이다.
본 발명의 목적은, 고온 증기에 노출될 수 있고, 금속 베이스 바디를 포함하며, 금속 베이스 바디에 비해 상승된 산화에 대한 내구성을 갖는 부품을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 기본 재료의 산화에 대한 내구성을 높이기 위한 보호층을 부품상에 만들기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 예를 들어 증기 발전소에서 기본 재료의 개시 온도가 높은 경우에, 상승된 수명 내구성 외에도 증기내에서의 산화 내구성에 대한 증가된 요구 조건도 필요하다는 인식으로부터 출발한다. 이 경우 기본 재료의 산화는 온도가 상승됨에 따라 부분적으로 명백하게 증가한다. 이와 같은 산화의 문제는 사용되는 강에서의 크롬 함량을 줄임으로써 더욱 첨예화되는데, 그 이유는 크롬이 합금 원소로서 단조 안정성에 긍정적인 영향을 미치기 때문이다. 크롬 함량이 적어짐에 따라 단조 속도가 상승될 수 있다. 예를 들어 증기 발생기관에서는 증기측에 있는 두꺼운 산화층에 의해 금속 기본 재료로부터 증기로의 열전달이 악화될 수 있고, 그와 더불어 관벽의 온도 상승 및 증기 발생기관의 수명 감소를 야기할 수 있다.증기 터빈에서는 예를 들어 블레이드 홈내에서의 고온 산화 성장에 의해 나사 결합부 및 밸브의 견고한 고온 산화 및 추가 부하가 야기될 수 있거나, 또는 블레이드 배출 에지에서의 고온 산화의 위치 설정에 의해 노치 능력이 상승될 수 있다.
기본 재료의 기계적인 특성의 부정적인 영향들로 인해, 상승된 농도의 크롬, 알루미늄 및/또는 규소와 같이 고온 산화 감소된 원소들로 인한 기본 재료의 합금 조성의 변동에 의해 고온 산화에 대한 내구성은 고려되지 않는다. 그와 달리 기본 재료의 알루미늄이 풍부한 얇은 구역을 갖는 본 발명에 의해서는, 이미 일정 크기 이상까지 만큼 기본 재료의 산화에 대한 내구성이 상승된다. 그에 의해서는 또한 완전하게 가공된 부품이 상기와 같은 산화 코팅부를 가짐으로써, 상기 부품이 아무 문제없이 보호될 수 있다. 보호층의 두께가 작음으로써 또한 기계적인 특성면에서 기본 재료의 부정적인 영향들이 나타나지 않게 된다. 이 경우 상기 보호층은 대부분, 경우에 따라서는 완전히 알루미늄이 기본 재료 내부로 또는 그 반대로 확산됨으로써 형성된다. 알루미늄이 기본 재료 내부로 상응하게 확산되고 기본 재료의 원소들이 알루미늄층 내부로 확산되는 것은 기본 재료를 개시 온도 아래에서 열처리하는 범주내에서 이루어질 수 있기 때문에, 결과적으로 부품의 새로운 열처리는 필요치 않다. 경우에 따라, 부품을 주도하는 온도에서 부품을 사용하는 경우에도 상기와 같은 확산은 이루어질 수 있다. 알루미늄과 기본 재료의 합금 원소 사이의 금속 결합으로 인해 높은 점착 강도가 얻어진다. 또한 보호층이 높은 경도를 가짐으로써, 마찬가지로 높은 마모 강도가 얻어진다. 더 나아가 보호층의 두께를 특히 균일하게 형성함으로써, 접근이 용이하지 않은 장소에서도 간단한 제공 방법이 획득될 수 있다.
보호층의 두께는 바람직하게 20㎛ 미만, 특히 10㎛ 미만이다. 바람직하게 상기 보호층의 두께는 5 내지 10㎛일 수 있다.
보호층내에서의 알루미늄 함량은 바람직하게 50 중량%을 넘는다.
상기 보호층은 바람직하게 알루미늄 외에 철 및 크롬도 함유할 수 있는데, 상기 원소들은 예를 들어 기본 재료로부터 보호층 내부로 확산돨 수 있거나 또는 알루미늄 함유 층으로 기본 재료상에 올려질 수 있다. 상기 보호층은 또한 알루미늄 외에 규소를 특히 20 중량%까지 함유할 수 있다. 규소를 적절히 혼합함으로써 보호층의 경도 및 다른 기계적인 특성들이 원하는 대로 조절될 수 있다.
부품의 기본 재료는 바람직하게 크롬강이다. 크롬강은 0.5 중량% 내지 2.5 중량%의 크롬, 및 또한 8 중량% 내지 12 중량%의 크롬, 특히 9 중량% 내지 대략 10 중량%의 크롬을 함유할 수 있다. 상기와 같은 크롬강은 크롬 외에 0.1 내지 1.0, 바람직하게는 0.45 중량%의 망간을 함유할 수 있다. 크롬강은 또한 0.05 내지 0.25 중량%의 탄소, 0.6 중량% 이하, 바람직하게는 대략 0.1 중량%의 규소; 0.5 내지 2 중량%, 바람직하게는 대략 1 중량%의 몰리브덴; 1.5 중량%까지의, 바람직하게는 0.74 중량%의 니켈; 0.1 내지 0.5 중량%, 바람직하게는 대략 0.18 중량%의 바나듐; 0.5 내지 2 중량%, 바람직하게는 0.8 중량%의 텅스텐; 0.5 중량%까지의, 바람직하게는 대략 0.045 중량%의 니오븀; 0.1 중량% 이하의, 바람직하게는 대략 0.05 중량%의 질소 및 경우에 따라 0.1 중량% 이하의, 바람직하게는 대략 0.05 중량%의 붕소 첨가물을 함유할 수 있다.
상기 기본 재료는 바람직하게 마르텐사이트, 또는 페라이트-마르텐사이트 또는 페라이트 형태이다.
얇은 보호층을 포함하는 부품은 바람직하게 증기 터빈의 소자 또는 증기 발생기, 특히 증기 발생기관의 소자이다. 상기 부품은 단조 부품 또는 주조 부품일 수 있다. 이 경우 증기 터빈의 한 부품은 터빈 블레이드, 밸브, 터빈 샤프트, 터빈 샤프트의 휠 디스크, 나사 , 볼트, 너트 등과 같은 연결 부재, 하우징 부재(내부 하우징, 가이드 블레이드 캐리어, 외부 하우징), 및 파이프 라인 또는 그 유사한 것일 수 있다.
고온 증기에 노출될 수 있는 부품상에 산화에 대한 내구성을 높이기 위한 보호층을 만들기 위한 방법과 관련된 상기 목적은, 기본 재료를 포함하는 금속 베이스 바디상에 두께가 50㎛ 미만인 알루미늄 색소 함유 층을 제공하고, 상기 기본 재료의 개시 온도 아래의 온도에서 상기 부품을 유지시켜, 알루미늄 함유 보호층을 형성하기 위한 기본 재료와 알루미늄의 반응이 이루어짐으로써 달성된다.
이 경우 상기 알루미늄 함유 층은 바람직하게 확산을 실행하기 위해 알루미늄의 용융 온도 범위의 온도에서, 특히 650℃ 내지 720℃의 온도에서 유지된다. 상기 온도는 더 낮을 수도 있다. 경우에 따라서는 또한, 증기 장치내에 부품을 사용하는 동안 상기 장소에서 지배적인 개시 온도에서 확산이 이루어질 수도 있다. 상기 부품은 반응을 실시하기 위한 상응하는 온도에 적어도 5분, 바람직하게는 15분 이상, 경우에 따라서는 수시간 동안도 노출된다.
상기 알루미늄 함유 층은 바람직하게 5㎛ 내지 30㎛, 특히 10㎛ 내지 20㎛의두께, 특히 평균 두께로 제공된다. 얇은 알루미늄 함유 층의 제공은 예를 들어 무기질 고온 래커에 의해 이루어진다. 상기 층은 스프레이 방식에 의해 제공될 수 있으며, 상기 방식에 의해서는 접근이 용이하지 않은 장소에서도 부품에 상응하는 보호층이 얻어질 수 있다. 기본 재료와 코팅 사이에서 반응을 실시하기 위한 부품의 열처리는 예를 들어 로 내부에서 이루어지거나 또는 다른 적합한 열소스에 의해서도 이루어질 수 있다. 제공된 알루미늄 색소 함유 층을 열처리 한 후에는 실제로 폐쇄된, 대략 5 내지 10㎛ 두께의 Fe-Al-Cr-함유 보호층이 형성될 수 있다. 즉, 알루미늄과 기본 재료 사이의 금속간 결합의 형태로 형성될 수 있다. 크롬강상에 상기 보호층을 제공함으로써, 기본 재료의 고온 산화 특성이 개선된다. 특히 50 중량% 이상의 높은 알루미늄 함량으로 인해, 기본 재료와 알루미늄 색소의 반응에 의해 형성된 보호층, 특히 확산층 내부에서는 부품의 산화에 대한 내구성이 현저하게 상승된다. 이렇게 형성된 보호층은 예를 들어 대략 1200의 높은 원뿔-경도(pyramid hardness)를 갖는다.
상기와 같이 얇은 알루미늄 함유 층을 제공하는 것은 대안적으로 적합하게 맞추어진 침지 일루미늄 처리 방식으로도 이루어질 수 있다. 20 내지 400㎛의 통상의 알루미늄 함유 층두께와 달리 층두께가 상응하게 감소되도록, 상기 침지 알루미늄 처리 방식이 변경된다. 용융 침지 방식으로 제조된 알루미늄-용융 침지 층은 철과 함께 다수의 위상(에타-위상/Fe2Al5; 제타-위상/FeAl2, 테타-위상/FeAl3)을 형성한다. 단순한 강부품을 위한 종래의 용융 침지(열 알루미늄 처리) 방식에서는,상응하게 예비 처리된 코팅될 부품이 용융 알루미늄-배쓰내에서 또는 알루미늄 합금-배쓰내에서, 650℃ 내지 800℃의 온도에서 침지되고, 5 내지 60초의 대기 시간 후에 재차 빼내진다. 이 때 금속간 보호층 및 그 위에 있는 알루미늄-커버층이 형성된다. 종래의 열 알루미늄 처리 방식으로 제조된 상기 코팅은 물론, 그 위에 있는 알루미늄 커버층에 의해 알루미늄이 증기 접촉에 의해 물증기 순환계 내부로 유입되고, 이것이 용해되기 어려운 알루미늄실리케이트-침전물과 같은 바람직하지 않은 부수 현상을 야기할 수 있는 위험을 갖고 있다.
상기 방법 및 보호층을 포함하는 부품은 도면에 도시된 실시예를 참조하여 자세히 설명된다. 도면은 부분적으로 개략적이며 척도와 일치하지 않는다:
도 1은 증기 터빈 장치(1b)를 갖춘 증기 터빈 동력 장치(1)를 보여준다. 상기 증기 터빈 장치(1b)는 제네레이터(22)와 연결된 증기 터빈(20)을 포함하며, 상기 증기 터빈(20)에 할당된 물-증기-순환계(24)내에는 증기 터빈(20) 뒤에 연결된 응축기(26) 및 증기 발생기(30)를 포함한다. 증기 발생기(30)는 폐열-연속 흐름 증기 발생기로 구현되고, 가스 터빈(1a)의 고온 폐가스를 제공 받는다. 증기 발생기(30)는 대안적으로 석탄-, 기름-, 나무- 등으로 점화되는 증기 발생기로 구현될수 있다. 증기 발생기(30)는 다수의 관(27)을 포함하는데, 상기 관 내부에서는 증기 터빈(20)을 위한 증기가 발생되고, 상기 관은 산화 방지용 보호층(82)(도 3 참조)을 포함할 수 있다. 증기 터빈(20)은 고압부-터빈(20a), 중간압부-터빈(20b) 및 저압부-터빈(20c)으로 구성되며, 상기 터빈들은 공통의 샤프트(32)를 통해 제네레이터(32)를 구동시킨다.
가스 터빈(1a)은 연결된 공기 압축기(4)를 갖춘 터빈(2) 및 상기 터빈(2) 앞에 연결된 연소 챔버(6)를 포함하며, 상기 연소 챔버는 공기 압축기(4)의 신선 공기 라인(8)에 연결되어 있다. 터빈(2)의 연소 챔버(6) 내부로는 연료 라인(10)이 연결된다. 터빈(2) 및 공기 압축기(4) 그리고 제네레이터(12)는 공통의 샤프트(14)상에 배치된다. 가스 터빈(2)내에서 팽창된 작동 매체(AM) 또는 연도 가스를 공급하기 위해서, 폐가스 라인(34)이 연속 흐름 증기 발생기(30)의 입력(30a)에 연결된다. 가스 터빈(2)의 팽창된 작동 매체(AM)(고온 가스)는 연속 흐름 증기 발생기(30)의 출력(30b)을 통해 자세하게 도시되지 않은 굴뚝의 방향으로 연속 흐름 증기 발생기(30)를 벗어난다.
증기 터빈(20) 뒤에 연결된 응축기(26)는 응축물 라인(35)을 통해 급수 용기(38)와 연결되며, 상기 응축물 라인 내부로는 응축물 펌프(36)가 연결된다. 급수 용기(38)는 출력측에서 메인 급수 라인(40)을 통해 연속 흐름 증기 발생기(30)내에 배치된 이코노마이저 또는 고압 예열기(44)와 연결되며, 상기 메인 급수 라인 내부로는 급수 펌프(42)가 연결된다. 고압 예열기(44)는 출력측에서 연속 흐름 동작을 위해 설계된 증발기(46)에 연결된다. 증발기(46)는 그의 측으로출력측에서 증기 라인(48)을 통해 과열기(52)에 연결되며, 상기 증기 라인 내부로는 물 분리기(50)가 연결된다. 달리 말해서, 물 분리기(50)는 증발기(46)와 과열기(52) 사이에 연결된다.
과열기(52)는 출력측에서 증기 라인(53)을 통해 증기 터빈(20)의 고압부(20a)의 증기 유입구(54)와 연결된다. 증기 터빈(20)의 고압부(20a)의 증기 배출구(56)는 중간 과열기(58)를 통해 증기 터빈(20)의 중간압부(20b)의 증기 유입구(60)에 연결된다. 중간압부의 증기 배출구(62)는 과류 라인(64)을 통해 증기 터빈(20)의 저압부(20c)의 증기 유입구(66)와 연결된다. 증기 터빈(20)의 저압부(20c)의 증기 배출구(68)가 증기 라인(70)을 통해 응축기(26)에 연결됨으로써, 폐쇄된 물-증기-순환계(24)가 형성된다.
증발기(46)와 과열기(52) 사이에 연결된 물 분리기(50)에는 분리된 물(W)을 흡인 여과하기 위한 라인(72)이 연결된다. 추가적으로 물 분리기(50)에는 밸브(73)에 의해 차단될 수 있는 배출구 라인(74)이 연결된다. 상기 흡인 여과 라인(72)은 출력즉에서 분사 펌프(75)와 연결되며, 상기 분사 펌프의 1차측에는 증기 터빈(20)의 물-증기-순환계(24)로부터 빼내진 매체가 제공될 수 있다. 이 경우 분사 펌프(75)는 1차측으로 출력측에서도 마찬가지로 물-증기-순환계(24)에 연결된다. 분사 펌프(75)는 입력측에서 증기 라인(53)과 연결되는 동시에 과열기(52)의 출구와 연결되는, 밸브(76)를 통해 차단될 수 있는 증기 라인(78) 내부에 연결된다. 증기 라인(78)은 출력측에서 증기 터빈(20)의 고압부(20a)의 증기 배출구(56)를 중간 과열기(58)와 연결시키는 증기 라인(90) 내부로 연결된다. 따라서 도 1에따른 실시예에서 분사 펌프(75)는 작동 유체로서 물-증기-순환계(24)로부터 빼내진 증기(D)에 의해 작동될 수 있다. 요구 조건에 따라, 증기 터빈 동력 장치(1b)의 소자들에는 두께가 50㎛ 이하인 알루미늄 함유 보호층이 제공될 수 있다(도 3 참조).
도 2에는, 회전축(102)을 따라 뻗는 터빈 샤프트(101)를 갖춘 증기 터빈 장치를 절단한 개략적인 종단면도가 도시되어 있다. 터빈 샤프트(101)는 베어링(129b) 영역에서 서로 견고하게 결합된 2개의 부분 터빈 샤프트(101a 및 101b)로 구성된다. 증기 터빈 장치는 내부 하우징(121) 및 상기 하우징을 감싸는 외부 하우징(122)을 각각 하나씩 갖춘 고압-부분 터빈(123) 및 중간압-부분 터빈(125)을 포함한다. 고압-부분 터빈(123)은 포트 형태로 구현된다. 중간압-부분 터빈(125)은 복류(double flow) 방식으로 구현된다. 상기 중간압-부분 터빈(125)을 단류 방식으로 구현하는 것도 또한 가능하다. 회전축(102)을 따라서 고압-부분 터빈(123)과 중간압-부분 터빈(125) 사이에는 베어링(129b)이 배치되며, 이 경우 터빈 샤프트(101)는 베어링(129b) 내부에 베어링 영역(132)을 갖는다. 터빈 샤프트(101)는 고압-부분 터빈(123) 옆에 있는 추가 베어링(129a)상에 올려진다. 상기 베어링(129a) 영역에서 고압-부분 터빈(123)은 샤프트 시일(124)을 갖는다. 터빈 샤프트(101)는 2개의 추가 샤프트 시일(124)에 의해서 중간압-부분 터빈(125)의 외부 하우징(122)에 대해 밀봉된다. 고압-증기 유입 영역(127)과 증기 배출구 영역(116) 사이에서 터빈 샤프트(101)는 고압-부분 터빈(123) 내부에 무빙 블레이드(113)를 포함한다. 축을 따라 증기 흐름 방향으로, 무빙블레이드(113)로 이루어진 각각의 열 앞에는 가이드 블레이드(130)로 이루어진 하나의 열이 연결된다. 중간압-부분 터빈(125)은 중앙 증기 유입 영역(115)을 포함한다. 터빈 샤프트(101)가 방사 대칭 샤프트 차폐(109)를 갖는 경우에는, 커버 플레이트가 증기 유입 영역(115)에 할당되며, 상기 커버 플레이트는 한편으로는 증기 흐름을 중간압-부분 터빈(125)의 2개의 흐름으로 나누기 위해서 이용되고, 다른 한편으로는 터빈 샤프트(101)와 고온 증기의 직접적인 접촉을 저지하기 위해서 이용된다. 터빈 샤프트(101)는 중간압-부분 터빈(125) 내부에 중간압-가이드 블레이드(131) 및 중간압-무빙 블레이드(114)를 갖는다. 중간압-부분 터빈(125)의 배출관(126)으로부터 배출되는 증기는 유동 기술적으로 상기 중간압-부분 터빈 뒤에 연결된, 도시되지 않은 저압-부분 터빈까지 이른다.
도 3은 부품(80)의 표면에 가까운 영역, 예컨대 증기 발생기관(27), 터빈 샤프트(101), 터빈 외부 하우징(122), 내부 하우징(121)(무빙 블레이드 지지부), 샤프트 차폐(109), 밸브 등과 같은 증기 터빈 장치의 소자들의 종단면도의 절단면을 보여준다. 상기 부품(80)은 예를 들어 9 내지 12 중량%의 크롬을 함유하는 크롬강과 같은 기본 재료(81) 및 경우에 따라서는 예컨대 몰리브덴, 바나듐, 탄소, 규소, 텅스텐, 망간, 니오븀과 같은 합금 원소 및 철로 구성된 잔류물을 함유한다. 상기 기본 재료(81)는 50 중량% 이상까지의 알루미늄을 함유하는 보호층으로 변형된다. 보호층(82)의 평균 두께(D)는 대략 10㎛이다. 도시된 절단면은 1000배로 현미경 확대한 것이다.
본 실시예에서 상기 기본 재료(81)는 대략 300의 원뿔-경도를 갖고, 상기 보호층은 대략 1200의 원뿔-경도를 갖는다. 보호층(82)에 의해서는 산화에 대한 내구성이 상승되고 그와 더불어 증기 온도가 650℃ 이상까지 높은 경우에도 부품(80)의 단조 강도가 상승되며, 이와 같은 특성은 증기 터빈 장치에 사용하는 경우 또는 600℃ 이상의 증기 공급시 사용하는 경우에 부품(80)의 수명을 현저하게 상승시킨다. 이 경우 금속 보호층(82)은 동시에 상기 보호층(82)을 갖는 부품(80)의 외부 표면(커버층)을 형성한다. 증기 터빈 장치의 작동시 상기 보호층(82)의 외부 표면에는 고온의 증기가 공급된다.
Claims (18)
- 고온의 증기에 노출될 수 있고, 금속 베이스 바디(81)를 포함하는 부품(80)에 있어서,상기 베이스 바디에는 기본 재료의 산화에 대한 내구성을 높이기 위한 보호층(82)이 결합되며,상기 보호층(82)은 알루미늄을 함유하고, 두께(D)가 50㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 1 항에 있어서,상기 보호층(82)의 두께(D)는 20㎛ 미만, 특히 10㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 보호층(82)의 두께(D)는 5㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 보호층(82)은 50 중량% 이상의 알루미늄을 함유하는 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 보호층(82)은 알루미늄 외에 철 및 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 보호층(82)은 알루미늄 외에 규소를 특히 20 중량%까지 함유하는 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기본 재료는 크롬강인 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 7 항에 있어서,상기 크롬강은 0.5 중량% 내지 2.5 중량%의 크롬 또는 8 중량% 내지 12 중량%, 특히 9 중량% 내지 10 중량%의 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,상기 기본 재료(8)는 마르텐사이트, 페라이트-마르텐사이트 또는 페라이트인 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,증기 터빈(20, 123, 125)의 한 부품, 특히 단조 부품 또는 주조 부품인 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 10 항에 있어서,터빈 블레이드(113, 114), 밸브(76), 터빈 샤프트(101, 32), 터빈 샤프트의 휠 디스크, 나사와 같은 연결 부재, 하우징 부품, 파이프 라인(70, 64) 또는 그 유사한 부재인 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,증기 발생기(30)의 한 부품, 특히 증기 발생기관(27)인 것을 특징으로 하는 부품.
- 고온의 증기에 노출될 수 있고, 기본 재료를 갖는 금속 베이스 바디(81)를 포함하는 부품(80)상에 산화에 대한 내구성을 높이기 위한 보호층을 만들기 위한 방법에 있어서,a) 두께가 50㎛ 미만인 알루미늄 색소 함유 층(82)을 제공하며,b) 기본 재료(81)를 갖고 알루미늄을 함유하는 보호층(82)의 반응을 위해서, 상기 부품(82)을 기본 재료의 스타팅 온도 아래에 있는 예정된 온도에서 유지시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 층(82)을 갖는 부품(80)을 알루미늄 용융 온도 범위에 있는 예정된 온도, 특히 650℃ 내지 720℃에서 유지시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,상기 부품(80)을 적어도 5분, 바람직하게는 15분 이상 예정된 온도에 노출시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,두께(D)가 5㎛ 내지 30㎛, 특히 10㎛ 내지 20㎛인 층(82)을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 층(82)을 무기질의 고온 래커로서 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 층(82)을 침지 알루미늄 처리 방식으로 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
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