(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材（２）上に保護層を形成するための方法であって、
ナノフィルム（４）及びろう付け金属（５）が前記基材（２）上に配置され、
前記ナノフィルム（４）が局所的に加熱されて、発熱反応が、前記基材（２）上での前記ろう付け金属（５）の融合を生じさせることを特徴とする方法。
【請求項２】
追加の保護層（８）が前記ろう付け金属（５）上に配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記追加の保護層（８）がセラミック材料から成る、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
Ａｌ／Ｎｉの化学組成を有するナノフィルム（４）が使用される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
Ａｇ５９Ｃｕ２７．５Ｉｎ１２．５Ｔｉ、ＴｉＣｕ１５Ｎｉ１５、又はＴｉＺｒ３７．５Ｃｕ１５Ｎｉ１０の化学組成を有するろう付け金属（５）が使用される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記発熱反応後に残るナノフィルムの硬質物質が屋根のタイル状又は魚の鱗状で配置されるように、前記ナノフィルム（４）及び前記ろう付け金属（５）が配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記発熱反応前に、複数のナノフィルム（４）が複数のろう付け金属（５）と積み重ねられる、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材上に保護層を形成するための方法に関し、ナノフィルム及びろう付け金属が基材上に配置される。
【背景技術】
【０００２】
高温に晒される熱機械が、局所的な電力供給の分野における蒸気発電所、ガス及び蒸気タービン発電所において使用される。蒸気タービンは、多様なタービン部品を有し、一般的には大型に設計される。稼働中において、そうしたタービン部品は、エロージョン（浸食）及びコロージョン（腐食）の摩耗及び機械的な摩耗の両方に晒される。タービン部品のこの一定の負荷は、材料の崩壊及び／又は材料の損失につながる。これは、タービン部品の寿命を著しく短くして、蒸気タービン発電所全体としての稼働信頼性にも影響がある。タービン部品に対する浸食性又は腐食性の現象は、例えば、エロージョンコロージョン、液滴衝突浸食、滑り摩耗、回転摩耗、腐食酸化である。
【０００３】
上述の摩耗機構に対してタービン部品を保護するために多様な手段がとられている。例えば、タービン部品には、タービン部品の基材と比較して耐摩耗性及び／又は耐腐食性の向上した層が設けられることが多い。基材に保護層を適用するための多様なプロセスが知られている。特に、溶射、ろう付け、ＣＶＤ、ＰＶＤ、電着、肉盛溶接が知られている。
【０００４】
しかしながら、タービン部品の性質を考慮すると、上述のプロセスのいずれもが、タービン部品に保護層を適用するのに適しているわけではない。例えば、タービン部品の複雑な幾何学的形状を考慮すると、溶射が不可能となり得る。更に、構造部品が非常に大きい場合には、炉内プロセスが除外されることになる。疲労強度やコストを考慮して、タービン部品全体ではなくて、タービン部品の特定の箇所のみをコーティングしたい場合には、他の方法も除外され得る。上記プロセスが、必要とする空間は、場合によって、例えばオーバーホール中には存在しないことも多い。従って、必要な空間が存在しないことを考慮しても、多様なプロセスが除外される。最後に、そのプロセス自体が基材に好ましくない影響を与えたり、例えば、炉内でのろう付け中の熱の導入によって歪みを生じさせたりするものである場合には、上記プロセスを使用することができないこともある。従って、タービン部品に保護層が設けられる場合には、最適な解決策、つまり適切な層が得られるように、個別に解決策が開発されることが一般的である。しかしながら、例えば、マスキングが必要となる場合や、プロセスパラメータ（例えば、ろう付け温度）を、ベース部材の変化又は歪みの発生によりタービン部品に影響を与えないように制限しなければならない場合には、この種の解決策は、非常にコストのかかるものになる場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこれに対処するものである。本発明の目的は、上述の問題を解消するコーティングプロセスを特定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、請求項１で特徴付けられるような保護層を形成するプロセスによって達成される。
【０００７】
請求項１によると、ナノフィルムがタービン部品の基材に適用される。そのナノフィルムの上に、ろう付け金属が配置される。次のステップにおいて、ナノフィルムが局所的に熱せられて、発熱反応が生じて、基材上でのろう付け金属の融合が生じる。
【０００８】
従って、本発明の本質的特徴は、初期加熱の際に発熱反応を示すように選択されたナノフィルムを使用することである。これは、初期加熱後において、ナノフィルムが、比較的高温に発熱して、その影響で基材が部分的に僅かに溶融し、ろう付け金属が完全に溶融することを意味する。ろう付け金属及びナノフィルムの混合物が冷却又は凝固した後において、保護層が形成されて、上述のアタック、例えばエロージョンやコロージョンに対してタービン部品を保護する。
【０００９】
ナノフィルム及びろう付け金属は、エロージョンやコロージョンに対して保護しなければならない箇所に配置可能である。従って、タービン部品全体に、本発明に係るコーティングを形成する必要はない。このことは、タービン部品全体のコーティングが効果的に回避されるので、コスト削減につながる。
【００１０】
ナノフィルム及びろう付け金属は積み重ねられて、ナノフィルムが局所的に（例えば、縁において）熱せられる。この加熱は、レーザビーム又は適切なエネルギー移送によって行われ得る。フィルムが消費されると直ぐに、発熱反応が終わる。この点に関して、局所的な発熱がろう付け金属材料の液相線を超えるのに十分であることによって、基材及びろう付け金属を結合させることを可能にするようにナノフィルムを選択しなければならない。ろう付け金属及び消費されたナノフィルムの混合物自体が、保護層として機能することができる。
【００１１】
有利な発展については従属項に示されている。
【００１２】
第一の有利な発展では、追加の保護層がろう付け金属の上に配置される。従って、ナノフィルムが加熱される前において、ナノフィルムと、ろう付け金属と、追加の保護層とから成る三層システムが基材に適用される。追加の保護層の材料は、初期加熱後に発生する熱が、まずろう付け金属を溶融して、次に、ろう付け金属と追加の保護層の間、また、ろう付け金属と基材との間の結合を設けるのに十分なものであるように選択される。ここで、追加の保護層は、ろう付け金属及びナノフィルムと混合して新たな物体を形成するのではなくて、タービン部品上に保護層を形成して、外部の影響に対して基材を保護する。
【００１３】
有利な一発展では、追加の保護層は、セラミック材料から成る。対象となるセラミック系では、主に炭化物が検討されるが、ホウ化物等も検討される。例えば、ＴｉＣ、Ｂ４Ｃ、ＴｉＢ２や同様の組成を用いることができる。しかしながら、セラミック粒子又は層のほかに、金属間層、例えばＴｉＡｌや、硬質合金、例えばコバルトベースのステライトも検討される。
【００１４】
有利な一発展では、以下の化学組成を有するナノフィルムが使用される：アルミニウム及びパラジウム（Ａｌ／Ｐｄ）、アルミニウム及びニッケル（Ａｌ／Ｎｉ）、酸化ニッケル及びニッケル及びアルミニウム（ＮｉＯ‐Ｎｉ／Ａｌ）、酸化銅及び銅及びアルミニウム（ＣｕＯ‐Ｃｕ／Ａｌ）。
【００１５】
従って、ナノフィルムは、ナノフィルムの層において積み重ねられた少なくとも二つの化学的元素を備える。アルミニウム及びニッケルのナノフィルムの場合、アルミニウムの層がニッケルの層の上に配置されて、そのニッケルの層の上に他のアルミニウムの層が配置されて、交互に積み重ねられた構造となる。これらの層は、マイクロメートル範囲又はナノメートル範囲で形成される。
【００１６】
有利な一発展では、以下の化学組成を有するろう付け金属が使用される：Ａｇ５９Ｃｕ２７．５Ｉｎ１２．５Ｔｉ；  ＴｉＣｕ１５Ｎｉ１５；  ＴｉＺｒ３７．５Ｃｕ１５Ｎｉ１０、又は同様の組成。
【００１７】
更に有利な一発展では、発熱反応後に残るナノフィルムの硬質物質が屋根のタイル状又は魚の鱗状に配置されるように、ナノフィルム及びろう付け金属が配置されるように本方法が拡張される。
【００１８】
初期加熱と、これに続く発熱反応の後において、金属間相を備えた反応生成物が、発熱反応が終わった後に残る。例えば、ニッケル及びアルミニウムから成るナノフィルムの場合、ＮｉＡｌ硬質物質が、プレート状の硬質物質として、融合したろう付け金属中に配置されて残る。この有利な発展では、残留するナノフィルムの硬質物質が、屋根のタイル状又は魚の鱗状の構造を有するように配置されることが望ましい。つまり、ナノフィルムの硬質物質が、基材が見えないように配置される。つまり、タービン部品の表面に対する外部の影響について、ナノフィルムの硬質物質が、基材に対する効果的なバリアを形成する。
【００１９】
これは、特に、例えば液滴衝突浸食等の特定の摩耗機構にとって有利である。何故ならば、硬質ナノフィルムの硬質物質は、球状に統計的に分布した粒子の割合での液滴衝突によって無くなることはなく、この特定の配置が、効果的な自己保護システムを生じさせるからである。
【００２０】
更に有利な一発展では、発熱反応の前において、複数のナノフィルムが、複数のろう付け金属と積み重ねられる。従って、ナノフィルム及びろう付け金属の層が交互に配置されることが提案される。つまり、最初にナノフィルム、次にろう付け金属、次にナノフィルム、次にろう付け金属と、交互に配置される。発熱反応後には、ナノフィルムの硬質物質が、積み重なって配置されて、上述のような屋根のタイル状又は魚の鱗状の構造となる。
【００２１】
本発明の本質的な利点は、ナノフィルムによる熱が局所的にのみ発生して、タービン部品全体が熱に晒されないという点である。これは、例えば、異なる温度の結果としてのタービン部品の歪みを防止する。
【００２２】
本発明の更なる本質的な利点は、コーティングされる領域に応じて、ナノフィルムを幾何学的に調節することができ、結合を形成する必要がある箇所のみに熱が導入されるという点である。これは、局所的な領域のみに本発明に係る保護層が形成されるという効果を有する。
【００２３】
更に、熱の伝達が非常に短い持続期間を有することが有利である。更に、個々の構造部品が適用されるサイズに形成されるコーティングを正確に配置することが可能になる。ナノフィルムは、同じ種類の物質間の結合を設けることができ、これは、コスト削減につながる。
【００２４】
更に、例えば炉等の外部施設が必要とされず、本発明に従って保護層を形成するのに必要とされる空間が小さくなり、修理中に容易に用いることもできる。本発明に係る層は、アクセスするのが難しい箇所において主に有利に用いることができる。何故ならば、表面に対して、フィルム、そして、ろう付け金属、セラミック材料を適用するだけでいいからである。
【００２５】
以下、例示的な実施形態に基づき、本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】発熱反応前の本発明に係る層の断面図を示す。
【図２】発熱反応前のタービン部品の断面図を示す。
【図３】発熱反応後の保護層の断面図を示す。
【図４】発熱反応前のタービン部品の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、タービン部品１を示す。このタービン部品１は、例えば、蒸気タービンの構造部品（例えば、外部筐体、内部筐体、回転子）である。タービン部品１は基材２を含み、蒸気タービンの構成において一般的に、基材２は鋼である。この基材２は、基材表面３を有し、その基材表面３上に、ナノフィルム４が、第一のプロセスステップで配置される。ろう付け金属５がこのナノフィルム４に適用される。ここで、ナノフィルム４は、以下の化学元素から形成される：アルミニウム及びパラジウム（Ａｌ／Ｐｄ）、アルミニウム及びニッケル（Ａｌ／Ｎｉ）、ニッケル酸化物及びニッケル及びアルミニウム（ＮｉＯ‐Ｎｉ／Ａｌ）、酸化銅及び銅及びアルミニウム（ＣｕＯ‐Ｃｕ／Ａｌ）。ろう付け金属は、以下の化学組成を有する：Ａｇ５９Ｃｕ２７．５Ｉｎ１２．５Ｔｉ；  ＴｉＣｕ１５Ｎｉ１５；  ＴｉＺｒ３７．５Ｃｕ１５Ｎｉ１０、又は同様の組成。
【００２８】
次のプロセスステップでは、ナノフィルム４が、例えば縁であり得る初期位置６において熱せられる。この加熱は、例えば、レーザビーム又は局所的加熱による熱の短期的導入によって行われる。この位置において、ナノフィルム４が、そのナノフィルム４が溶融するような程度にまで加熱されて、その結果として、ろう付け金属５も溶融させる。ここで、熱の発生は、基材表面３に沿った方向７に伝播する。ナノフィルム４の発熱反応後、ろう付け金属５がナノフィルム４と溶融し、基材２にしっかりと結合される。
【００２９】
図２は、保護層を形成するための図１に示される構成の拡張を示す。図２では、更に、加熱前に、追加の保護層８が、ろう付け金属５の上に配置される。
【００３０】
保護層の形成は、図１と同様の方法で行われ、初期位置６においてナノフィルムが加熱されて、熱が方向７に伝わる。これは、基材２が基材表面３上で局所的部分的に溶融して、化学結合が、追加の保護層８と、ろう付け金属５及びナノフィルム４の混合物との間に形成されることを意味する。追加の保護層８は、以下の組成を有するセラミック保護層であり得る。対象となるセラミック系では、炭化物が主に検討されるが、ホウ化物等も検討される。例えば、ＴｉＣ、Ｂ４Ｃ、ＴｉＢ２や同様の組成が挙げられる。しかしながら、セラミック粒子又は層のほかに、金属間相、例えばＴｉＡｌや、硬質合金、例えばコバルトベースのステライトも検討される。
【００３１】
図３は、発熱反応後の基材２の構成を示す。発熱反応後には、プレート状硬質物質９が、融合したろう付け金属５内に組み込まれて残っている。従って、ナノフィルム４が、ろう付け金属５自体と共に保護層として機能している。この点に関して、セラミック保護層がなくてもよい。プレート状硬質物質９（例えば、ニッケル‐アルミニウム分子であり得る）の構成は、それらのプレート状硬質物質９が基材表面３に直交する方向１０において上下に配置されているものである。これは、屋根のタイルの形状や、魚の鱗の形状に見られるものに似ている。これは、プレート状硬質物質９の各端部が、他のプレート状硬質物質９の上に配置されることを意味する。
【００３２】
図４は、発熱反応の前における、基材２上のナノフィルム４及びろう付け金属５の構成を示す。図１に示される構成と比較して、図４に示される構成の違いは、ナノフィルム４及びろう付け金属５の複数の層が用いられていることである。図４では、一例として、二枚のナノフィルム４から成る一層のみが示されている。しかしながら、ナノフィルム４を複数層で使用することもできる。
【００３３】
発熱反応後には、プレート状硬質物質９がろう付け金属５中に残って、図３に示されるような構成となり得る。
【符号の説明】
【００３４】
１  基材
２  基材
４  ナノフィルム
５  ろう付け金属
８  追加の保護層
９  ナノフィルムの硬質物質
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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