(57)【要約】【課題】蒸気タービン部品の耐エロージョン性を向上させることのできる蒸気タービン部品の製造方法及び蒸気タービン部品を提供する。【解決手段】蒸気タービンを構成する蒸気タービン部品を製造する蒸気タービン部品の製造方法であって、Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料を用いて前記蒸気タービン部品の表面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成工程と、溶射皮膜形成工程の後、前記蒸気タービン部品に、浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行い、前記溶射皮膜の表面に皮膜を形成する皮膜形成工程とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンを構成する蒸気タービン部品を製造する蒸気タービン部品の製造方法であって、
Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料を用いて前記蒸気タービン部品の表面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成工程と、
溶射皮膜形成工程の後、前記蒸気タービン部品に、浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行い、前記溶射皮膜の表面に皮膜を形成する皮膜形成工程と
を具備することを特徴とする蒸気タービン部品の製造方法。
【請求項２】
前記浸炭又はクロマイジング処理における処理温度が、前記蒸気タービン部品の焼き入れ温度と同一であり、前記浸炭又はクロマイジング処理の後、焼戻しを行い、前記蒸気タービン部品の母材強度を回復させることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン部品の製造方法。
【請求項３】
前記溶射材料は、体積率で、Ｃｒ３Ｃ２粉末を７５％以上８３％以下含むことを特徴とする請求項１又は２記載の蒸気タービン部品の製造方法。
【請求項４】
前記金属バインダは、体積率で、Ｎｉ粉末を５０％以上７０％以下含むことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の蒸気タービン部品の製造方法。
【請求項５】
前記溶射皮膜形成工程では、厚さ０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの前記溶射皮膜を形成することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の蒸気タービン部品の製造方法。
【請求項６】
前記浸炭処理では炭酸ガスを使用することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の蒸気タービン部品の製造方法。
【請求項７】
前記クロマイジング処理ではＣｒ粉末を使用することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の蒸気タービン部品の製造方法。
【請求項８】
前記溶射皮膜形成工程では、高速フレーム溶射、大気圧プラズマ溶射、ワイヤメタライジング溶射のいずれかを用いることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項記載の蒸気タービン部品の製造方法。
【請求項９】
蒸気タービンを構成する蒸気タービン部品であって、
Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料用いて形成された溶射皮膜と、
浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行うことによって、前記溶射皮膜の表面に形成された皮膜と
を具備することを特徴とする蒸気タービン部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービン部品の製造方法及び蒸気タービン部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンにおいて、高温域で使用される高・中圧タービン動翼ならびに静翼等の蒸気タービン部品では、ボイラ及び主蒸気、再熱蒸気管内面より発生する酸化スケールが蒸気とともに飛来し、衝突することによる固体粒子エロージョンを生じる。このような固体粒子エロージョンは、タービン性能の低下を招くため、その対策が長年の課題となっている。
【０００３】
このような固体粒子エロージョンの低減策として、本発明者等は、蒸気タービン部品の表面に炭化物系のサーメットの溶射皮膜を形成することにより、固体粒子エロージョンを低減できることを見出した（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３００１５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、炭化物系のサーメットの溶射皮膜を形成した蒸気タービン部品であっても、その耐用年数は４年程度であり、さらに固体粒子エロージョンの低減を図り、現状の蒸気タービンの運用期間である８年程度にまで耐用年数を長期化し、電力の安定供給を行えるようにすることが求められている。
【０００６】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、蒸気タービン部品の耐エロージョン性を向上させることのできる蒸気タービン部品の製造方法及び蒸気タービン部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の蒸気タービン部品の製造方法は、蒸気タービンを構成する蒸気タービン部品を製造する蒸気タービン部品の製造方法である。Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料を用いて前記蒸気タービン部品の表面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成工程と、溶射皮膜形成工程の後、前記蒸気タービン部品に、浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行い、前記溶射皮膜の表面に皮膜を形成する皮膜形成工程とを具備する。
【０００８】
実施形態の蒸気タービン部品は、蒸気タービンを構成する蒸気タービン部品であって、Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料を用いて形成された溶射皮膜と、浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行うことによって、前記溶射皮膜の表面に形成された皮膜とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態の概略構成を示す図。
【図２】エロージョン減量を測定した結果を示すグラフ。
【図３】エロージョン減量と衝突角度との関係を調べた結果を示すグラフ。
【図４】固体粒子衝突角度を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態の蒸気タービン部品の製造方法及び蒸気タービン部品について図面を参照して説明する。
【００１１】
まず、蒸気タービンの構成について説明する。図１は、蒸気タービンの構成の一例を示すものである。図１に示すように、蒸気タービン１は、タービンロータ４と、タービンロータ４に植設される動翼（ブレード）５と、動翼５の上流側に配設される静翼（ノズル）６と、静翼６を支持するとともにタービンロータ４、動翼５及び静翼６を内包するタービンケーシング９とを具備している。そして、動翼５と静翼６との対により一つの段落７を形成するとともにタービンロータ４の軸方向に複数の段落７を並べて蒸気通路８を形成した構成となっている。
【００１２】
本実施形態では、蒸気タービン部品、例えば、静翼６、動翼５等の表面の少なくとも一部に、耐固体粒子エロージョン性を有するコーティング膜を形成する。このコーティング膜は、Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料を用いて蒸気タービン部品の表面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成工程と、溶射皮膜形成工程の後、蒸気タービン部品に、浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行い、溶射皮膜の表面に皮膜を形成する皮膜形成工程とによって形成する。
【００１３】
上記コーティング膜は、クロムカーバイドのサーメット溶射皮膜の表面に、浸炭又はクロマイジング処理によって緻密な炭化物皮膜を形成したものである。これによって、固体粒子エロージョンを著しく低減することができ、動翼、静翼等の蒸気タービン部品の耐固体粒子エロージョン寿命を、約２倍に延命することができる。したがって、電力の安定供給に質することができる。
【００１４】
上述したとおり本実施形態では、溶射皮膜を形成する際に使用する炭化物系サーメットの原料物質として、準安定型のＣｒ３Ｃ２粉末を用いる。また、金属バインダとしてはＮｉ粉末及びＣｒ粉末を用いる。準安定型のＣｒ３Ｃ２は、蒸気タービン部品に溶射した後、実機運転中にＣｒ７Ｃ３の安定型炭化物に変化し、皮膜の硬度を向上させることができる。Ｃｒ３Ｃ２粉末と金属バインダは、体積率でＣｒ３Ｃ２粉末が７５乃至８３％程度含まれ、残りの２５乃至１７％程度が金属バインダとなるようにすることが好ましい。金属バインダ中のＮｉ粉末とＣｒ粉末との割合は、体積率でＮｉ粉末が５０乃至７０％程度含まれ、残りの５０乃至３０％程度がＣｒ粉末となるように調製することが好ましい。
【００１５】
溶射皮膜の厚さは、０．３〜０．５ｍｍ程度とすることが好ましい。耐固体粒子エロージョン性の観点からは、溶射皮膜の厚さとしてはある程度の厚さが必要とされるが、静翼等に溶射皮膜を形成した際に、蒸気出口側の厚さが厚くなりすぎると、蒸気の流れは静翼出口端で乱流となり、タービン性能に悪影響を及ぼしてしまうからである。
【００１６】
サーメットの溶射皮膜を形成した後、浸炭またはクロマイジング処理による拡散浸透処理を行うことにより、溶射皮膜の外側表面に、溶射皮膜より緻密で高硬度の皮膜を形成する。このように溶射皮膜の外側表面に緻密で高硬度の皮膜を再形成することにより、セラミック化させ、飛来してくる酸化スケールからの衝突摩耗に対する抵抗力を向上させることができる。
【００１７】
浸炭またはクロマイジング処理の温度は、そのタービン部品（動翼、静翼等）の焼き入れ温度に合せることが好ましい。これにより、拡散浸透処理後の母材強度の回復を容易に行うことができる。すなわち、焼き入れ温度で処理することにより、処理後の焼き戻し温度を通常の温度に設定することができる。
【００１８】
上記の溶射施工後の拡散浸透処理によって溶射皮膜の外側表面に形成される皮膜は、溶射皮膜の気孔率に影響されずに形成され、この皮膜形成により溶射皮膜の気孔が封孔される。このため、溶射工程では、気孔率の小さな溶射皮膜を形成することのできる高速フレーム溶射だけでなく、より気孔率の大きな溶射皮膜が形成される方法、例えば、大気圧プラズマ溶射、ワイヤメタライジングによる溶射法等も使用することができる。
【００１９】
（実施例）
以下、実施例について説明する。
まず、体積率でＣｒ３Ｃ２粉末を８０％、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダを２０％含む溶射材料（８０％Ｃｒ３Ｃ２−２０％ＮｉＣｒ）を用いて、高速フレーム溶射により、０．４ｍｍ厚さの溶射皮膜を試験片に形成した。なお、試験片としては、静翼素材である１２Ｃｒ鋼からなり、大きさが、縦３０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ５ｍｍのものを使用した。また、金属バインダは、体積率でＮｉ粉末５０％、Ｃｒ粉末５０％のものを用いた。
【００２０】
次に、溶射皮膜を形成した試験片に、ガス浸炭を行った。ガス浸炭における処理温度は、静翼素材である１２Ｃｒ鋼の焼き入れ温度である１０９０℃で、処理時間は２時間である。この後、６９０℃で０．５時間の焼き戻しを行った。なお、ガス浸炭の場合、炭酸ガス濃度を、例えば、３０乃至３５％程度とする。
【００２１】
ガス浸炭による拡散浸透処理では、Ｃｒ３Ｃ２の溶射皮膜のＣｒとＣが分解し、炭酸ガス中のＣとＣｒが結合し、外側表面に厚さが約２０μｍの皮膜が新たに形成されていることが確認された。この皮膜は、溶射皮膜の外側表面に緻密な外層として形成されており、表面粗さも３Ｓと溶射皮膜（表面粗さ６Ｓ）に比べ非常に平滑な面となっていた。また硬さはＨｖ８００以上であった。この皮膜には、Ｃｒ７Ｃ３が少なくとも含まれている。
【００２２】
また、溶射皮膜を形成した他の試験片について、粉末法によるクロマイジング処理を行った。クロマイジング処理は、純度９９．９９％の酸化クロム端末中に溶射皮膜を形成した試験片を挿入して行った。処理温度は、１２Ｃｒ鋼の焼き入れ温度である１０９０℃、処理時間は２時間とした。この後、粉末中から試験片を取り出し、６９０℃で０．５時間の焼き戻しを行った。断面観察の結果、溶射皮膜の外側表面に約１５μｍの厚さで均一で緻密な皮膜が形成されていた。この皮膜の表面粗さは３Ｓであり、硬さはＨｖ８００以上であった。この皮膜にも、Ｃｒ７Ｃ３が少なくとも含まれている。
【００２３】
上記の２種類の試験片及び溶射皮膜のみを形成した試験片、表面に溶射皮膜を形成していない試験片について、固体粒子エロージョン試験を行った。固体粒子エロージョン試験は、蒸気タービン部品のエロージョンを再現するため、ボイラースケールと同種の酸化鉄粒子を、高温かつ高速で噴流して試験片に当て、試験片にエロージョンを発生させた。具体的には、温度５００℃にて、流速４３５ｍ／ｓ、酸化鉄を１ｋｇ投入した時のエロージョン減量を測定した。
【００２４】
この結果を、縦軸をエロージョン減量とした図２のグラフに示す。図２において、クロマイジング処理を行った試験片については、クロマイジング材、浸炭を行った試験片については、浸炭材、溶射皮膜のみを形成した試験片については、ＣｒＣ溶射材、表面に溶射皮膜を形成していない試験片については１２Ｃｒ鋼として示してある。同図に示すように、実施例のクロマイジング材及び浸炭材では、何れも１２Ｃｒ鋼及びＣｒＣ溶射材よりもエロージョン減量が少なくなっており、耐固体粒子エロージョン性に優れていることが確認できた。
【００２５】
ここで、固体粒子エロージョンにおける、固体粒子衝突角度と耐エロージョン性の関係を、金属材料（延性材料）と、溶射皮膜等のセラミック材料（脆性材料）について調査した結果を、縦軸をエロージョン減量、横軸を衝突角度とした図３に示す。なお、固体粒子衝突角度とは、図４に示すように、固体粒子の試験片の面に対する入射角のことであり、垂直に入射する場合が９０°となる。
【００２６】
図３に示されるとおり、金属材料のような延性材料は衝突角度が約２５〜３０°でエロージョン減量は最大になる。一方、セラミック材料のような脆性材料は、衝突角度が９０°で最大となる。
【００２７】
炭化物系を主としたセラミック溶射材では、エロージョン減量は最大になるのは、衝突角度が９０°の場合であるが、実機での衝突角度は３０°程度であるため、エロージョン減量は少なくなることが予想される。しかしながら、溶射皮膜の表面粗さは粗く（例えば、６Ｓ程度）、しかも気孔率が関与することにより、衝突角度が浅くてもエロージョン減量が増加する傾向がある。
【００２８】
このため、固体粒子と衝突する外側表面を平滑な面とし、その表面粗さを３Ｓ以下程度とすることにより、固体粒子が飛来、衝突した際にすべりを生じさせ、外表面へのエネルギーを緩和させることで、エロージョン減量を減少させることができる。この場合、表面を研磨することも考えられるが、前述したとおり、浸炭またはクロマイジング処理を行った実施例では、表面粗さが３Ｓの被膜が形成されており、これによりエロージョン減量を減少させることができる。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態によれば、Ｃｒ３Ｃ２粉末と、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末からなる金属バインダとを含む溶射材料を用いて蒸気タービン部品の表面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成工程を行った後、蒸気タービン部品に、浸炭又はクロマイジング処理のいずれかの拡散浸透処理を行い、溶射皮膜の表面に皮膜を形成することにより、耐エロージョン性を向上させることができる。
【００３０】
以上、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】
【００３１】
１……蒸気タービン、４……タービンロータ、５……動翼（ブレード）、６……静翼（ノズル）、７……段落、８……蒸気通路、９……タービンケーシング。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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