KR920007849B1 - 티타늄 카바이드를 사용한 고체 입자 내식성 제품 - Google Patents

티타늄 카바이드를 사용한 고체 입자 내식성 제품 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

티타늄 카바이드를 사용한 고체 입자 내식성 제품
제1도는 티타늄 카바이드 조성물의 한 실시형태의 100배율 횡단면 현미경 사진이다.
제2도는 티타늄 카바이드 조성물의 400배율 횡단면 현미경 사진이다.
본 발명은 분산된 티타늄 카바이드 입자에 의해 고체 입자에 대한 내식성 및 내산화성이 제공된 피복을 및 본체에 관한 것이다.
증기 터빈 시스템에서, 비교적 작은 고체 입자가 증기중에 존재하여 증기를 오염시킬 수 있다. 이들 고체 입자는 주로 자철광(Fe3O4)인 것으로 추정되며, 본 분야의 숙련가들은 이들 입자를 "보일러 스케일(boiler scale)"이라 부른다. 이들 입자는 증기 보일러관 및 연결용 파이프중에서 발생하는 것으로 추정된다. 증기 터빈의 시동 및 통상의 조작시, 증기 흐름에 의해서 이들 고체 입자는 모든 증기 터빈 시스템에 전달된다. 이런 의미에서, 본 명세서에서 증기는 소위 "오염된 것"이라 할 수 있다. 시스템의 증기 유동 통로내의 부품은 입자의 속도, 증기압 및 증기 온도, 및 증기 유동 통로내의 부품의 배치에 따라 고체 입자 부식을 받기 쉽다. 일반적으로, 증기 터빈내에서 고속으로 회전하는 터빈날(blade)은 노즐(nozzle)부분, 막(diaphragm), 및 증기 밸브내의 특정 지역과 마찬가지로 고체 입자 부식을 받기 쉽다. 밸브대(stem) 및 밸브 가장자리를 증가 유동 통로에 직접 속해 있어서 특정한 밸브 조작시 음속으로 도달된 증기 때문에 고체 입자가 크게 부식된다. 고체 입자 부식 문제는 밸브 부품의 수명에 심각한 영향을 끼치는데, 즉 고체 입자 부식 때문에 이 부분의 몇몇 밸브들은 2 내지 3년간 작동시킨 후에는 대체시키거나 다시 닦아내야 한다. 그러나, 증기 터빈 시스템중에서 특정 밸브의 평균 수명은 많은 다른 조작 매개 변수 및 시스템 특성에 따라 달라지므로, 특정 밸브의 수명에 대한 단정은 반드시 정확하진 않는다.
티타늄 카바이드는 야금분야에서, 다양한 형태의 마모에 대한 내성을 지니고 대단히 경질인 것으로 인식되어 있다. 티타늄 카바이드는 강철 매트릭스와 함께 사용되어 공구용 강철 피복물을 제공한다. 이러한 피복물중에서 강철은 마르텐사이트(martensite) 야금 구조를 지니며, 예를 들어 금속 기질상에 비교적 박층으로 분사시키는 플라즈마(plasma)에 의해 적용될 수 있다. 티타늄 카바이드 공구용 강철 피복물은 하기 문헌에 기술되어 있다[참조 : 엘리스(Ellis)등의 미합중국 특허 제3,896,244 및 제3,886,637호]. 크롬 함량이 높은 합금 매트릭스 전체에 분산되고 플라즈마 전달 아이크(plasma transferred arc)적용에 의해 부차된 티타늄 카바이드 입자를 포함하는 피복을 또는 용접물이 하기의 소책자에 기술되어 있다.[참조 : New Jersey의 Tinton Falls 소재의 Metailurgical Industries, Inc.가 발행한 "TiCoatTMT-92 "], TicoatTMT-92 피복율은 1/8"이하의 두께로 부착될 수 있으며, 그릿(grit)분사 조작에 사용된 냉각 주조 철 그릿에 의해 부식 마모에 대해 내성적인 강철 라이너(liner)로서의 용도로 권장할 만하다. TiCoatTMT-93에 관하여 Metallurgical Industries, Inc.가 발행한 다른 소책자에서는 티타늄 카바이드 피복물 또는 용접물이 플라즈마 전달 아아크 용접에 의해 3/15"이하의 두께로 도포된다는 사실에 대해 기술하고 있다.
증기 터빈 부품, 특히 밸브 부품용 내식성 층으로서 선행분야에서 기술된 티타늄 카바이드 피복물의 용도는, 선행 분야에 기술된 피복물의 두께 제한 때문에 허용되지 않았다. 크롬 카바이드 피복물과 같은 다른 피복물은 실험적으로 티타늄 카바이드 피복물보다 고체 입자 내식성이 더 우수한 것으로 나타났다. 그러나, 또 다른 실험에서는 특정한 티타늄 카바이드 피복을 또는 부착물이 크롬 카바이드 피복물보다 더 두껍게 적용될 수 있다는 사실을 나타내었다. 즉, 밸브 부품상의 보다 두꺼운 티타늄 카바이드층은 내식성이 더 높은 크롬 카바이드의 박층보다 실질적으로 부품의 수명을 길게 연장시킬 것이다. 또한, 선행 분야의 문헌은 티타늄 카바이드 층의 내마모성이 경질의 내마모성 매트릭스중에서의 티타늄 카바이드의 균일한 분산에 근거를 두고, 있음을 기술하고 있다. 티타늄 카바이드의 밀도가 낮기 때문에, 카바이드가 용융 부착물 표면에 부유하는 경향이 있다는 사실이 또한 본 분야에 인식되어 있다. 또한, 야금분석 결과, 티타늄 카바이드를 함께 결합시키는 매트릭스가 선택적으로 카바이드 입자를 부식시킨다는 사실이 나타났다. 이런 관점에서, 특정한 티타늄 카바이드 표면층의 고체 입자 내식성은 금속 기질에 티타늄 카바이드 입자를 점착시키는데 사용된 공정 뿐만 아니라 티타늄 카바이드 입자를 함께 결합시키는 매트릭스의 내마모성에 따라 달라진다. 물론, 부착공정이 피복물중 카바이드의 균일한 분산 정도를 결정한다.
티타늄 카바이드 첨가물을 갖는 소결된 금속 분말 생산물이 하기 문헌에 기술되어 있다[참조 : 말(Mal)의 미합중국 특허 제4,194,910호]. 이 특허에는 매트릭스가 크롬 10중량%, 몰리브덴 2.9중량%, 탄소 0.85% 및 나머지 성분으로서 주로 철을 함유하는, 강철 매트릭스에 결합된 티타늄 카바이드 입자가 기술되어 있다. 하기 문헌에서는 크롬 함량이 높은 합금 매트릭스중 Tic 45용적%를 갖는 분말야금 소결된 내마모성을 갖는 합금에 대해 기술하고 있다[참조 : 프릴(Prill)등의 미합중국 특허 제3,715,792호]. 기술된 매트릭스중 하나는 크롬 20중량%, 탄소 0.8중량%를 함유하고 나머지 성분은 철이다. 이런 조성물을 이용한 특정예에서, 어니일링(annealing)시켜 스페레오이다이트(sphereoidite)-함유 미세 구조를 형성시키는 합금을 제조한 다음 이 합금을 가열 경과시켜 마르텐사이트 매트릭스를 형성시킨다. 경화된 매트릭스중의 각종 티타늄 카바이드 합금이 제트 엔진 연료 펌프 및 밸브 시이트의 부식에 내성을 갖는다는 사실에 다른 선생 분야의 기술에서 언급되어 있다. 그러나, 이들 선행 분야의 기술에는 매트릭스의 화학적 조성, 합금의 조성을 언급하지 않았으며, 합금의 가공 및 생성된 합금의 야금 결정학 구조를 상세히 기술하지 않았다.
본 발명의 목적은 증기 터빈 부품용 고체 입자 내식성 피복물 도는 층을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 증기 터빈의 증기 유동 통로에서 고체 입자 내식성 부품 본체를 제공하는 것이다.
한 실시형태로, 오염된 증기에 의한 고체 입자 부식에 노출된 표면 인접 영역이 있는 고체 입자 내식성 부품은 노출 영역을 0.25"이상의 두께로 피복시키는 티타늄 카바이드 피복물을 포함한다. 티타늄 카바이드 피복물은 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스 전체에 비교적 균일하게 분산된 티타늄 카바이드 입자를 약 30 내지 50중량% 함유한다. 피복물은 실질적으로 균질한 응집체이며, 오오스테나이트(austenite)또는 미르텐사이트 결정을 거의 나타내지 않는다. 매트릭스는 크롬 약 15 내지 30중량% 및 탄소 약 1.5 내지 5중량%를 함유하며 나머지 성분은 주로 철이다. 피복물은 또한 야금학적으로 인지가능한 양의, 크롬 함량이 높은 M7C3카바이드를 포함한다. 본 발명의 다른 실시형태는 증기 터빈 시스템을 통해 흐르는 오염된 증기에 의해 고체 입자 부식에 노출된 표면 인접 영역을 갖는 분말 금속 압밀체를 포함한다. 이 본체의 표면 인접 영역의 조성은 티타늄 카바이드 피복물의 조성과 필수적으로 유사한다.
본 발명의 요지는 명세서의 결론 부분에 특별히 지적되어 있으며 명확하게 청구되어 있다. 그러나, 본 발명의 또다른 목적과 이의 장점과 함께, 본 발명은 첨부된 도면과 관련된 하기 기술을 참고하면 더 잘 이해될 것이다.
본 발명은 일반적으로 증기 터빈 부품이 직명하는 고체 입자 부식에 내성인 티타늄 카바이드 조성물에 관한 것이다. 한 실시형태에서, 이들 부품은 터빈 시스템을 통해 흐르는 오염된 증기에 의한 고체 입자 부식에 노출된 표면 인접 영역을 갖는 금속 기질을 포함한다. 노출된 기질 영역은 그 위에 피복된 티타늄 카바이드 피복물을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 '피복물"은 용어 "층"과 유사하다. 피복물은 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스 전체에 비교적 균일하게 분산된 티타늄 카바이드 입자를 약 30 내지 50중량%함유한다.
제1도의 거의 균질한 응집체인 티타늄 카바이드 피복물의 100배율 현미경 사진이다. 티타늄 카바이드 입자(10, 12 및 14)는 여러가지 크기 및 형태를 갖는다. 일반적으로, 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스(16)는 티타늄 입자를 함께 결합시킬 뿐만아니라 응집체를 증기 터빈 부품의 금속 기질에 결합시킨다. 바람직하게는, 티타늄 카바이드 피복물은 증기 터빈 부품의 노출된 영역에 0.25"이상의 두께로 피복된다.
제2도는 티타늄 카바이드 조성물의 400배율 현미경 사진이다. 티타늄 카바이드 입자(20 및 22)는 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스중에 위치해 있다. 입자(20)는 야금학적 오염물질(24)을 함유하는 것으로 추정된다. 번호(26)은 특정한 티타늄 카바이드 조성물의 분말 금속 결합의 불완전한 치밀성 때문에 발생하는 티타늄 카바이드 조성물중의 기공을 나타낸다. 번호(30)은 야금학적으로 인지가능한 양의 크롬 함량이 높은 M7C3카바이드를 나타낸다. M7C3카바이드는 본 분야의 숙련가에게 공지된 카바이드 조성물 균이며, 특히 이 카바이드는 Cr7C3, Cr4Fe3C3, Cr5Fe2C3또는 Cr1(A)6C3(여기에서, A는 철, 니켈, 코발트, 텅스텐 및 몰리브덴 중에서 선택되는 원소이다)일 수 있다. M7C3카바이드의 다른 화학식은 CrxAyC3(여기에서, x 및 y의 합은 7이다)이다.
페라이트(ferrite) 또는 철은 제2도에서 번호(32)로서 표시된다. 본 분야에서 공지된 바와 같이, 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스는 크롬 함량이 높은 M7C3카바이드(30) 및 페라이트(32) 모두를 포함하는 것으로 간주된다.
크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스 크롬 약 15 내지 30중량%, 탄소 약 1.5 내지 5중량%를 함유하며, 나머지 성분은 주로 철이다. 또한, 매트릭스는 본 분야의 숙련가에게 공지된 약 2%중량 이하의 소량의 몰리브덴 및 텡스텐 뿐만 아니라 니켈 및 코발트 등의 다른 미량 원소를 함유한다. 매트릭스가 티타늄 카바이드 입자에 대하여 선택적으로 부식되기 때문에, 탄소 및 크롬의 양은 조성물에서 중요하다. 본 분야의 숙련가들은 이 매트릭스를 크롬 함량이 높은 백색 철로 분야된다.
두께가 0.25" 이상인 티타늄 카바이드 피복물을 수득하기 위한 공정은 바람직하게는 금속 분말 압밀화(consolidation)이다.
이러한, 압밀화의 한 가지 형태는 금속 분말의 고온 등압 압축 성형으로서 본 분야에 공지되어 있다. 제1도 및 제2도에 나타난 티타늄 카바이드 조성물은 금속 분말 압밀화에 의해 제조된다. 티타늄 카바이드 입자의 바람직한 범위는 30 내지 40중량%이다. 티타늄 카바이드 입자의 양이 50중량%를 초과할 경우, 생성된 조성물은 너무나 부서지기 쉽기 때문에 증기 터빈의 부품으로서 취급, 가공 및 사용하기 어렵다는 것이 실험으로 나타났다. 하나의 금속 분말 압밀화법은 2200℉ 및 15ksi에서 고온 등압 압축 성형을 이용한다. 압밀화는 금속 분말을 함께 소결시키지만 생성된 거의 균질한 응집체는 제2도에 나타난 것과 같이 오오스테나이트 또는 마르텐사이트 결정을 실질적으로 나타내지 않는다. 페라이트 매트릭스 및 M7C3카바이드는 전체적으로 조성물의 고체 입자 내식성에 크게 기여하는 것으로 추정되기 때문에 선행기술과 구별되는 이 특성은 중요하다. 본 분야에서 공지된 바와 같이, 티타늄 카바이드는 금속 분말을 금속 기질상에 압밀화 시키거나, 합금이 압밀화된 다음 증기 터빈 부품으로 가동될 수 있다. 금속 분말이 압밀화된 티타늄 카바이드 조성물과 비교하여 상기의 실질적으로 유사한 티타늄 카바이드 조성물의 플라즈마 아아크 용접물을 사용한 실험에서 고체 입자 부식 시험은 현저한 차이를 나타내지는 않는다. 그러나, 피복물 또는 금속 분말이 압밀화된 본체 전체에 티타늄 카바이드 입자를 균일하게 분산시켜 바람직한 고체 입자 내식 및 내마모성 특성을 갖는 증기 터빈 부품이 제공되도록 하여야 한다.
[실시예]
내부 직경이 "1"인 연강 실린더형 예비 성형체에 160 내지 325메쉬의 티타늄 카바이드(Tic) 30중량%, 크롬 28중량% 탄소 3중량% 및 나머지 성분이 철로 이루어진 분말 혼합물을 충전시킨다. 충전된 예비 성형체의 2마이크톤 Hg/분 미만의 누출 속도로 진공 배기시키고 단조, 용접 및 밀폐시키고 1150℃ 및 15,000psi에서 4시간 동안 고온 등압 압축 성형시키고 용광로를 7℃/분의 평균 속도에서 실온에서 냉각시킨다. 생성된 물질이, 페라이트 매트릭스중에 분산된 블록키(blocky) 티타늄 카바이드 및 제2의 Cr7C3를 함유하는가 검사하고 측정한다. 상기의 공정을 사용하여, 목적하는 두께의 피복물을 피복될 기질에 적용시킬 수 있다.
첨부된 특허청구 범위는 본 분야의 숙련가에게 명확한바, 모든 변형 및 균등물을 포함한다는 것을 의미한다.

Claims (15)

  1. 증기 터빈 시스템을 통해 흐르는 오염된 증기에 노출되는 경우 고체 입자 부식을 받는 표면 인접 영역을 갖는 금속기질; 및 금속기질의 표면 인접 영역상에 배치된, 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스 전체에 분산된 티타늄 카바이드 입자를 30 내지 50중량% 포함하고 전체적으로 오오스테나이트(austenite) 또는 마르텐사이트(martensite)결정을 나타내지 않는 균질한 응집체인 티타늄 카바이드 피복물을 포함함을 특징으로 하는, 증기 터빈 시스템에서 사용하기 위한 고체 입자 내식성 부품인 제품.
  2. 제1항에 있어서, 피복물의 표면 인접 영역을 0.25인치 이상의 두께로 포함하는 제품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스가 크롬 15 내지 30중량%, 탄소 1.5 내지 5중량% 및 나머지 성분으로서 주로 철을 함유하는 제품.
  4. 제3항에 있어서, 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스가 각각 2중량%이하의 몰리브덴 및 텅스텐과 니켈 및 코발트를 추가로 함유하는 제품.
  5. 제3항에 있어서, 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스가 야금학적으로 인지가능한 양의 크롬 함량이 높은 M7C3카바이드를 포함하는 제품.
  6. 증기 터빈 시스템을 통해 흐르는 오염된 증기에 노출되는 경우 고체 입자 부식을 받는 표면 인접 영역(이 영역은 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스 전체에 분산된 티타늄 카바이드 입자를 30 내지 50중량% 포함하며, 전체적으로 오오스테나이트 또는 마르텐사이트 결정을 나타내지 않는 균질한 응집체이다)을 갖는 금속 분말 압밀체를 포함함을 특징으로 하는, 증기 터빈 시스템에서 사용하기 위한 고체 입자 내식성 부품인 제품.
  7. 제6항에 있어서, 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스가 크롬 15 내지 30중량%, 탄소 1.5 내지 5중량% 및 나머지 성분으로서 주로 철을 함유하는 제품.
  8. 제7항에 있어서, 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스가 각각 2중량% 이하의 몰리브덴 및 텅스텐과 니켈 및 코발트를 추가로 함유하는 제품.
  9. 제7항에 있어서, 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스가 야금학적으로 인지가능한 양의 크롬 함량이 높은 M7C3를 포함하는 제품.
  10. 제3항에 있어서, 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스가 크롬 25 내지 30중량%, 탄소 2.8 내지 3.2중량% 및 나머지 성분으로서 주로 철을 추가로 함유하는 제품.
  11. 제3항에 있어서, 티타늄 카바이드 입자가 매트릭스 전체에 균일하게 분산된 제품.
  12. 제1항에 있어서, 티타늄 카바이드 입자가 매트릭스 전체에 균일하게 분산된 제품.
  13. 제7항에 있어서, 크롬 함량이 높은 백색 철 매트릭스가 크롬 25 내지 30중량%, 탄소 2.8 내지 3.2중량% 및 나머지 성분으로서 주로 철을 추가로 함유하는 제품.
  14. 제7항에 있어서, 피복물이 35 내지 45중량%의 티타늄 카바이드를 추가로 함유하는 제품.
  15. 제6항에 있어서, 티타늄 카바이드 입자가 매트릭스 전체에 균일하게 분산된 제품.
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