(57)【要約】【課題】耐浸食性および耐酸化性を向上することが可能な蒸気タービン部材の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態は、母材に保護層が形成された蒸気タービン部材を製造する製造方法であって、母材にオーステナイト系ステンレスまたはニッケル基合金を溶射することによって第１の皮膜を前記保護層として形成する工程と、母材に第１の皮膜を介してクロムカーバイドを溶射することによって第２の皮膜を保護層として形成する工程とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材に保護層が形成された蒸気タービン部材を製造する製造方法であって、
前記母材にオーステナイト系ステンレスまたはニッケル基合金を溶射することによって第１の皮膜を前記保護層として形成する工程と、
前記母材に前記第１の皮膜を介してクロムカーバイドを溶射することによって第２の皮膜を前記保護層として形成する工程と
を有する、蒸気タービン部材の製造方法。
【請求項２】
前記第１の皮膜の厚みは、７５μｍ以上、１２５μｍ以下の範囲である、
請求項１に記載の蒸気タービン部材の製造方法。
【請求項３】
前記第２の皮膜の厚みは、２００μｍ以上、３００μｍ以下の範囲である、
請求項１または２に記載の蒸気タービン部材の製造方法。
【請求項４】
前記母材に前記第１の皮膜および前記第２の皮膜を介してＣｒをメッキ法で成膜することによって第３の皮膜を前記保護層として形成する工程
を更に有する、
請求項１から３のいずれかに記載の蒸気タービン部材の製造方法。
【請求項５】
前記第３の皮膜の厚みは、１０μｍ以上、３０μｍ以下の範囲である、
請求項４に記載の蒸気タービン部材の製造方法。
【請求項６】
前記保護層の気孔率は、５％以下である、
請求項１から５のいずれかに記載の蒸気タービン部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービン部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所において、高効率化のために、蒸気タービンに作動媒体として導入される蒸気が、より高温かつ高圧な条件に推移している。具体的には、蒸気温度が５９３℃から６２５℃へ変遷している。
【０００３】
蒸気タービンを構成する蒸気タービン部材は、高い蒸気温度に対する耐性を保持するために、一般的に、組成中に１２質量％のＣｒ（クロム）を含有する１２Ｃｒ鋼が用いられている。また、更に、耐性を高めるために、１２Ｃｒ鋼に、Ｗ（タングステン）、Ｃｏ（コバルト）などの元素が添加されている。しかし、ボイラーのチューブから酸化スケールなどの固体粒子が流入することによって、蒸気タービン部材においてエロージョンが生ずる場合がある。
【０００４】
この対策のために、たとえば、８０ＣｒＣ−２０ＮｉＣｒの溶射膜を母材に形成することが行われている。しかしながら、溶射膜の膜厚が減少した場合、固体粒子の衝突によって溶射膜が剥離する場合がある。この他に、溶射膜に形成された気孔に起因して母材の酸化が進行するために、溶射膜と母材との界面において剥離が生ずる場合がある。
【０００５】
また、湿潤環境下における耐食性の向上のために、マルテンサイト系ステンレス鋼から成る母材に、マルテンサイト系ステンレス鋼およびアルミニウムからなる耐食コーティング層を施工する方法が提案されている。しかし、蒸気タービンに作動媒体として導入される蒸気が、より高温かつ高圧な条件に推移しているので、十分な耐食性を保持することが困難な場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−０８２４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、耐浸食性および耐酸化性を向上することが可能な蒸気タービン部材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態は、母材に保護層が形成された蒸気タービン部材を製造する製造方法であって、母材にオーステナイト系ステンレスまたはニッケル基合金を溶射することによって第１の皮膜を前記保護層として形成する工程と、母材に第１の皮膜を介してクロムカーバイドを溶射することによって第２の皮膜を保護層として形成する工程とを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態に係る蒸気タービン部材の一部を拡大した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施形態に係る蒸気タービン部材の一部について、図１を用いて説明する。蒸気タービン部材は、たとえば、温度が６２５℃である蒸気が作動媒体として導入される蒸気タービンを構成する部材である。蒸気タービン部材は、たとえば、ノズル翼である。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態において、蒸気タービン部材１は、母材１０に保護層２０が形成されている。ここでは、保護層２０として、第１の皮膜２１と第２の皮膜２２と第３の皮膜２３とが形成されている。蒸気タービン部材１を製造する手順について、順次、説明する。
【００１２】
蒸気タービン部材１を形成する際には、まず、母材１０を準備する。母材１０は、高温環境下において優れた耐性を備えた材料が用いられる。
【００１３】
母材１０は、たとえば、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４１０（０．１Ｃ−１３Ｃｒ））を用いて形成されている。
【００１４】
つぎに、第１の皮膜２１の形成を行う。ここでは、母材１０にオーステナイト系ステンレスまたはニッケル基合金を溶射することによって第１の皮膜２１を形成する。第１の皮膜２１の形成により、母材１０の酸化を効果的に防止することができる。
【００１５】
ここでは、たとえば、下記に示すオーステナイト系ステンレスまたはニッケル基合金を用いて第１の皮膜２１の形成を行うことが好ましい。下記材料は、耐酸化性に特に優れる。
【００１６】
（オーステナイト系ステンレスの材料例）
・ＳＵＳ３１６（１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ）
・ＳＵＳ３０４（１８Ｃｒ−８Ｎｉ）
【００１７】
（ニッケル基合金の材料例）
・インコネル６２５合金（Ｎｉ−２０Ｃｒ−１０Ｍｏ−Ｎｂ）
・ナイモニック８０Ａ合金（Ｎｉ−２０Ｃｒ−Ａｌ−Ｔｉ）
【００１８】
第１の皮膜２１の厚みは、７５μｍ以上、１２５μｍ以下の範囲であることが好ましい。第１の皮膜２１の厚みが上記範囲の下限値よりも薄い場合には、衝撃吸収の緩衝材としての効果が十分に発揮されない場合がある。第１の皮膜２１の厚みが上記範囲の上限値よりも厚い場合には、耐摩耗コーティングの割れが発生する可能性が高まる。
【００１９】
また、第１の皮膜２１の形成の際に行う溶射は、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、高速ガス炎溶射（ＨＶＯＦ）、高圧・高速ガス炎溶射（ＨＰ−ＨＶＯＦ）であることが好ましい。上記の溶射の場合、気孔率が低くなるため、好ましい。具体的には、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）の場合には、気孔率が２０％以下になり、高速ガス炎溶射（ＨＶＯＦ）の場合には、５％以下になる。
【００２０】
つぎに、第２の皮膜２２の形成を行う。ここでは、第１の皮膜２１を介して母材１０にクロムカーバイド（ＣｒＣ）を溶射することによって第２の皮膜２２を形成する。第２の皮膜２２の形成により、耐浸食性の向上を効果的に実現可能である。
【００２１】
ここでは、たとえば、下記に示す成分のクロムカーバイドを用いて第２の皮膜２２の形成を行うことが好ましい。下記材料は、耐浸食性に特に優れる。
・８０％ＣｒＣ−２０％ＮｉＣｒ
・８５％ＣｒＣ−１５％ＮｉＣｒ
【００２２】
第２の皮膜２２の厚みは、２００μｍ以上、３００μｍ以下の範囲であることが好ましい。第２の皮膜２２の厚みが上記範囲の下限値よりも薄い場合には、衝撃吸収の緩衝材としての効果が十分に発揮されない場合がある。第２の皮膜２２の厚みが上記範囲の上限値よりも厚い場合には、耐摩耗コーティングの割れが発生する可能性が高まる。
【００２３】
また、第２の皮膜２２の形成の際に行う溶射は、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、高速ガス炎溶射（ＨＶＯＦ）、高圧・高速ガス炎溶射（ＨＰ−ＨＶＯＦ）であることが好ましい。上記の溶射の場合、気孔率が低くなるため、好ましい。具体的には、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）の場合には、気孔率が２０％以下になり、高速ガス炎溶射（ＨＶＯＦ）の場合には、５％以下になる。
【００２４】
つぎに、第３の皮膜２３の形成を行う。ここでは、母材１０に第１の皮膜２１および第２の皮膜２２を介してクロム（Ｃｒ）をメッキ法で成膜することによって第３の皮膜２３を形成する。第３の皮膜２３の形成は、封孔処理として実施される。第３の皮膜２３の形成を行った場合には、保護層２０の気孔率が第３の皮膜２３の形成前の状態よりも低下する。
【００２５】
第３の皮膜２３の厚みは、１０μｍ以上、３０μｍ以下の範囲であることが好ましい。第３の皮膜２３の厚みが上記範囲の下限値よりも薄い場合には、封孔が露出する可能性がある。第３の皮膜２３の厚みが上記範囲の上限値よりも厚い場合には、メッキ層の割れが発生する場合がある。
【００２６】
また、第３の皮膜２３の形成の際に行うメッキは、無電解メッキであることが好ましい。この場合、耐摩耗性およびメッキの均一性に優れる。
【００２７】
以上のように、本実施形態では、母材１０にオーステナイト系ステンレスまたはニッケル基合金を溶射することによって第１の皮膜２１を保護層２０として形成している。このため、第１の皮膜２１は、耐酸化性に優れた材料で形成されているので、上述したように、母材１０の酸化を効果的に防止することができる。
【００２８】
本実施形態では、母材１０に第１の皮膜２１を介してクロムカーバイドを溶射することによって第２の皮膜２２を保護層２０として形成している。このため、第２の皮膜２２は、硬度が高い材料で形成されているので、固体粒子の衝突に伴って保護層２０が局所的に剥離が生ずることを防止することができる。つまり、上述したように、耐浸食性の向上を効果的に実現可能である。
【００２９】
本実施形態では、母材１０に第１の皮膜２１および第２の皮膜２２を介してクロム（Ｃｒ）をメッキ法で成膜することによって第３の皮膜２３を保護層２０として形成している。このため、第３の皮膜２３は、エロージョンの発生を効果的に防止することができるので、耐浸食性の向上を実現可能である。さらに、本実施形態では、第３の皮膜２３の形成は、封孔処理として実施される。このため、第３の皮膜２３の形成によって、保護層２０の気孔率が低くなる。ここでは、保護層２０（第１の皮膜２１と第２の皮膜２２と第３の皮膜２３との積層体）の気孔率が５％以下になるように、第３の皮膜２３の形成が行われることが好ましい。これにより、保護層２０に形成された気孔を介して母材１０に酸化剤が入りにくいので、母材１０の酸化が進行しにくい。その結果、本実施形態では、母材１０と保護層２０との間の界面において剥離が生ずることを効果的に防止することができる。
【００３０】
なお、上記実施形態では、保護層２０として、第１の皮膜２１と第２の皮膜２２と第３の皮膜２３とが形成されている場合について説明したが、これに限らない。第１の皮膜２１と第２の皮膜２２と積層体の気孔率、および、蒸気タービン部材１が使用される環境等の各種事情に応じて、第３の皮膜２３の形成を省略してもよい。
【実施例】
【００３１】
以下より、実施例などに関して、表１および表２を用いて説明する。表１では、各例の条件を示し、表２では、各例の結果（試験結果など）を示している。表１および表２において、実施例１−１〜１−５は、母材１０に第１の皮膜２１と第２の皮膜２２とを積層した場合の例を示している。実施例２−１〜２−４は、母材１０に第１の皮膜２１と第２の皮膜２２とを積層した場合において、第１の皮膜２１の厚みを変えた例を示している。実施例３−１〜３−４は、母材１０に第１の皮膜２１と第２の皮膜２２とを積層した場合において、第２の皮膜２２の厚みを変えた例を示している。実施例４は、母材１０に、第１の皮膜２１、第２の皮膜２２、および、第３の皮膜２３を積層した場合の例を示している。実施例５−１〜５−４は、母材１０に、第１の皮膜２１、第２の皮膜２２、および、第３の皮膜２３を積層した場合において、第３の皮膜２３の厚みを変えた例を示している。これに対して、比較例１−１〜１−６は、母材１０のみの場合の例を示している。また、比較例２−１〜２−２は、母材１０に第１の皮膜２１のみを積層した場合の例を示している。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
【表２】
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【００３４】
以下より、各例の具体的内容について順次説明する。
【００３５】
［実施例１−１］
実施例１−１においては、まず、下記材料で形成された母材１０を準備した。
・母材１０の材料：ＳＵＳ４１０
【００３６】
つぎに、表１に示すように、第１の皮膜２１の形成を行った。具体的には、下記に示す条件に従って、オーステナイト系ステンレスを母材１０に溶射することによって、第１の皮膜２１を形成した。
・第１の皮膜２１の材料（オーステナイト系ステンレス）：ＳＵＳ３１６
・第１の皮膜２１の厚み：１００μｍ
・第１の皮膜２１の溶射方法：ＨＶＯＦ
【００３７】
つぎに、表１に示すように、第２の皮膜２２の形成を行った。具体的には、下記に示す条件に従って、クロムカーバイド（ＣｒＣ）を溶射することによって、第２の皮膜２２を形成した。
・第２の皮膜２２の材料（クロムカーバイド（ＣｒＣ）：８０ＣｒＣ−ＮｉＣｒ
・第２の皮膜２２の厚み：２５０μｍ
・第２の皮膜２２の溶射方法：ＡＰＳ
【００３８】
［実施例１−２］
実施例１−２においては、表１に示すように、下記に示す条件で第２の皮膜２２の形成を行った。この点を除き、本実施例は、実施例１−１の場合と同様に各部の形成を行った。
・第２の皮膜２２の材料（クロムカーバイド（ＣｒＣ））：８０ＣｒＣ−ＮｉＣｒ
・第２の皮膜２２の厚み：２５０μｍ
・第２の皮膜２２の溶射方法：ＨＶＯＦ
【００３９】
［実施例１−３］
実施例１−３においては、表１に示すように、下記に示す条件で第２の皮膜２２の形成を行った。この点を除き、本実施例は、実施例１−１の場合と同様に各部の形成を行った。
・第２の皮膜２２の材料（クロムカーバイド（ＣｒＣ））：８５ＣｒＣ−ＮｉＣｒ
・第２の皮膜２２の厚み：２５０μｍ
・第２の皮膜２２の溶射方法：ＨＶＯＦ
【００４０】
［実施例１−４］
実施例１−４においては、表１に示すように、下記に示す条件で、第１の皮膜２１の形成を行った。この点を除き、本実施例は、実施例１−１の場合と同様に各部の形成を行った。
・第１の皮膜２１の材料（Ｎｉ基合金）：インコネル６２５合金
・第１の皮膜２１の厚み：１００μｍ
・第１の皮膜２１の溶射方法：ＨＶＯＦ
【００４１】
［実施例２−１〜実施例２−４］
実施例２−１〜実施例２−４においては、表１に示すように、第１の皮膜２１の厚みが、実施例１−１の場合と異なっている。この点を除き、本実施例は、実施例１−１の場合と同様に各部の形成を行った。
【００４２】
［実施例３−１〜実施例３−４］
実施例３−１〜実施例３−４においては、表１に示すように、第２の皮膜２２の厚みが、実施例１−１の場合と異なっている。この点を除き、本実施例は、実施例１−１の場合と同様に各部の形成を行った。
【００４３】
［実施例４］
実施例４では、表１に示すように、第２の皮膜２２の形成後に、第３の皮膜２３の形成を行った。具体的には、下記に示す条件に従って、クロム（Ｃｒ）をメッキ法で成膜することによって、第３の皮膜２３を形成した。更に、下記の条件で封孔処理を実施した。この点を除き、本実施例は、実施例１−１の場合と同様に各部の形成を行った。
・第３の皮膜２３の厚み：２０μｍ
・封孔処理の条件
・浴組成：無水クロム酸＋硫酸、
・浴温度：４８〜５８℃、
・メッキ速度：５〜１５μｍ／ｈｒ、
・電流密度：１５〜３５Ａ／ｄｍ２
【００４４】
［実施例５−１〜実施例５−４］
実施例５−１〜実施例５−４においては、表１に示すように、第３の皮膜２３の厚みが、実施例４の場合と異なっている。この点を除き、本実施例は、実施例１−１の場合と同様に各部の形成を行った。
【００４５】
［比較例１−１〜比較例１−６］
比較例１−１〜比較例１−６では、下記材料で形成された母材１０のみを試料とし、第１の皮膜２１の形成等を行わなかった。
【００４６】
（比較例１−１）
・母材１０の材料（９Ｃｒ鋼）：Ａ１８２Ｆ９１
【００４７】
（比較例１−２）
・母材１０の材料（１２Ｃｒ鋼）：ＳＵＳ４０３
【００４８】
（比較例１−３）
・母材１０の材料（１８Ｃｒ鋼）：ＳＵＳ４４０Ａ
【００４９】
（比較例１−４）
・母材１０の材料（Ｎｉ基合金）：インコネル８２合金
【００５０】
（比較例１−５）
・母材１０の材料（ステライト（登録商標））：２９Ｃｒ−８Ｗ−１Ｃ―Ｃｏ（ステライト  Ｎｏ．１２）
【００５１】
（比較例１−６）
・母材１０の材料（コルモノイ（登録商標））：１５Ｃｒ−４．５Ｓｉ−３Ｂ−Ｃ−Ｎｉ（コルモノイ  Ｎｏ６）
【００５２】
［比較例２−１］
比較例２−１では、下記材料で形成された母材１０を準備した。
・母材１０の材料：ＳＵＳ４１０
【００５３】
つぎに、表１に示すように、下記に示す条件に従って、第１の皮膜２１の形成を行った。本例では、第２の皮膜２２の形成および第３の皮膜２３の形成を行わなかった。
・第１の皮膜２１の材料：ＴｉＮ
・第１の皮膜２１の厚み：２０μｍ
・第１の皮膜２１のＰＶＤ方法：イオンプレーティング
【００５４】
［比較例２−２］
比較例２−２では、表１に示すように、下記に示す条件に従って、第１の皮膜２１の形成を行った。この点を除き、本実施例は、比較例２−１の場合と同様に各部の形成を行った。
・第１の皮膜２１の材料：ＣｒＮ
・第１の皮膜２１の厚み：２０μｍ
・第１の皮膜２１のＰＶＤ方法：イオンプレーティング
【００５５】
［測定方法］
上記のように作製した各例のサンプルに関して、表２に示すように、（１）気孔率の測定、（２）酸化スケール厚さの測定、および、（３）エロージョン減量の測定を行った。
【００５６】
（１）気孔率の測定
気孔率の測定では、顕微鏡でサンプルの表面を観察し、単位面積あたりに占める気孔の面積の割合を算出した。実施例４，実施例５−１〜実施例５−４については、封孔処理を施した表面に関して、気孔率を測定した。
【００５７】
（２）酸化スケール厚さの測定
酸化スケール厚さは、各例において母材１０の酸化によって形成された酸化膜の厚みである。ここでは、電気炉で大気加熱した中（温度５００℃）に試験片を入れて、Ｆｅ３Ｏ４（粒子径１００〜１５０μｍ）粒子を自動供給装置により攪拌させながら一定量ずつ供給していき、時間経過の変化（酸化スケールの厚み）を膜厚計で確認した。
【００５８】
そして、下記の基準に基いて、耐酸化性の評価を行った。
・○・・・酸化スケールの厚みが２０μｍ以下の場合
・×・・・酸化スケールの厚みが２０μｍを超える場合
【００５９】
（３）エロージョン減量の測定
エロージョン減量は、所定条件でエロージョンを生じさせる試験を行った後の重量から、その試験前の重量を差分した差分値である。ここでは、エロ―ジョン試験機を用いて試験を行った。具体的には、温度が５００℃である条件において、Ｆｅ３Ｏ４：の粉末１ｋｇを１５分の間に試験片に吹き付けた（流速：４５０ｍ／ｓ）。そのサンプルの厚みがエロージョンによって減った量をエロージョン減量として測定した。
【００６０】
そして、下記の基準に基いて、耐浸食性の評価を行った。
○・・・酸化被膜表面に変化がない場合
△・・・酸化被膜表面に変色が有る場合
×・・・酸化被膜に損傷が見られる場合
【００６１】
［測定結果］
実施例１−１〜実施例１−４では、表１に示すように、母材１０にオーステナイト系ステンレスまたはニッケル基合金を溶射することによって第１の皮膜２１を保護層２０として形成している。本例では、表２に示すように、第１の皮膜２１によって、耐酸化性の向上を実現可能である。また、本例では、表１に示すように、母材１０に第１の皮膜２１を介してクロムカーバイドを溶射することによって第２の皮膜２２を保護層２０として形成している。このため、本例では、表２に示すように、各比較例よりもエロージョン減量が少なく、耐浸食性の向上を実現可能である。
【００６２】
実施例２−１〜実施例２−４では、第１の皮膜２１の厚みを変えた例を示している。本例の結果から判るように、第１の皮膜２１の厚みが、７５μｍ以上、１２５μｍ以下の範囲である場合には、本範囲外の場合よりも剥離防止に優れる。
【００６３】
実施例３−１〜３−４は、第２の皮膜２２の厚みを変えた例を示している。本例の結果から判るように、第２の皮膜２２の厚みが、２００μｍ以上、３００μｍ以下の範囲である場合には、本範囲外の場合よりも耐浸食性に優れる。
【００６４】
実施例４では、表１に示すように、母材１０に第１の皮膜２１および第２の皮膜２２を介してクロム（Ｃｒ）をメッキ法で成膜することによって第３の皮膜２３を保護層２０として形成している。このため、本例では、耐浸食性の向上、および、耐酸化性の向上を実現可能である。
【００６５】
実施例５−１から実施例５−４では、表１に示すように、第３の皮膜２３の厚みを変えた例を示している。本例の結果から判るように、第３の皮膜２３の厚みが、１０μｍ以上、３０μｍ以下の範囲である場合には、本範囲外の場合よりも、飛来する酸化スケールによってエロージョンが発生することを防止可能であって、摺動摩耗特性を改善可能である。
【００６６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６７】
１…蒸気タービン部材、１０…母材、２０…保護層、２１…第１の皮膜、２２…第２の皮膜、２３…第３の皮膜
【図１】
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