(57)【要約】      （修正有）【課題】金属基材上に浸食防止層を作製する方法を提供する。【解決手段】腐食防止材料は金属基材２上に溶接される。材料は、少なくとも０．１％の炭素と少なくとも１２％のクロムを含有する鋼である。材料は、レーザ堆積溶接によって基材２に適用される。これによって金属基材２及び基材２に適用された浸食防止層３を有するコンポーネント１が作製される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材上に浸食防止層を作製する方法において、材料は前記金属基材（２、２’）上に溶接される、方法であって、前記材料は、少なくとも０．１％の炭素と少なくとも１２％のクロムを含有する鋼であること、及び、前記材料は、レーザ堆積溶接によって前記基材（２、２’）に適用されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記材料は、少なくとも０．２％の炭素、好ましくは、少なくとも０．４％の炭素を含有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
それにより、コンポーネント（１）の修理が実施される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
それにより、コンポーネント（１）の新しい作製が実施される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記コンポーネント（１、１’）は、コンプレッサ・ブレード又はタービン・ブレードである請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
運転状態で浸食を最も受け易い前記基材（２）の領域にのみ、浸食防止層を備える請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記溶接は、移動式レーザ装置を用いて行われる請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
金属基材（２、２’）及び前記基材（２、２’）に適用された浸食防止層（３、３’）を有するコンポーネントであって、前記浸食防止層（３、３’）は、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法を使用して作製されることを特徴とするコンポーネント。
【請求項９】
運転状態で浸食を最も受け易い前記基材（２、２’）の領域にのみ、浸食防止層（３、３’）を備える請求項８に記載のコンポーネント。
【請求項１０】
タービン・ブレード又はコンプレッサ・ブレードとして、特に、ガス・タービン又はスチーム・タービンのブレードとして設計される請求項８又は９に記載のコンポーネント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、それぞれのカテゴリの独立請求項の特徴前部分による、基材上に浸食防止層を作製する方法及びこうした浸食防止層を有するコンポーネントに関する。
【背景技術】
【０００２】
浸食によって引き起こされるコンポーネントに対する損傷は、多くの技術分野及び産業分野において大きな問題を呈する。そのため、たとえば、水滴浸食によって、スチーム・タービン内のタービン・ブレードにかなりの損傷が生じる可能性がある。特に、低温度範囲のタービンにおいて、又は、同様に、低圧スチーム・タービンにおいて、水滴が蒸気から分離し、その後、ロータの回転タービン・ブレード又はガイド・ベーンの固定タービン・ブレードに衝当し、その場所における浸食、したがって、材料磨滅をもたらすことが起こる可能性がある。
【０００３】
回転タービン・ブレードにおいて、特に、水滴浸食にさらされるのは、ブレード前縁である。
【０００４】
こうした浸食作用から保護するために、作製後に浸食を最も受け易い領域、たとえば、ブレード前縁を、熱の意図的な導入によって硬化させることが知られている。これは、たとえば、高周波焼入れ又はレーザ焼入れによって行われる。しかし、これによって達成される結果は十分でない。
【０００５】
さらに、シールドの蝋付けによって、又は、硬い層のレーザ堆積溶接によってブレード前面縁を保護することが知られている。今日、シールドに関する溶解とレーザ堆積溶接の両方について、ステライト（ｓｔｅｌｌｉｔｅ）を使用するのが通例である。たとえば、ステライト６などのステライトは、よく知られているコバルト・クロム合金であり、磨耗、磨滅、又は腐食からコンポーネントを保護するのに使用されることが多い。
【０００６】
ステライトの欠点は、機械加工することが難しいことである。ステライトを用いた溶接プロセスは、通常、費用がかかり、かろうじて習得されることができるだけである。残留応力及び割れの形成が結果としてもたらされる。ステライト・シールドのはんだ付けは、問題となる処理であり、習得するのが困難である。通常、ステライトを溶接する、又は、はんだ付けするとき、直ぐ後でさらなる熱処理が実施されなければならない。こうしたある程度複雑な仕上げ処理にもかかわらず、得られる耐浸食性、また同様に、基材上に対するステライトの付着性は、常に十分であるわけではない。
【０００７】
ハード・コーティング用の材料としてのステライトは、実際には構成材料ではないため、たとえば、ブレード前面縁の複数の部分が、新しく構築されなければならないとき、ステライトは、さらに、既に損傷を受けたブレード前面縁の修理にあまり適していないか、又は、全く適していない。
【０００８】
しかし、水滴浸食の問題は、ガス・タービンでも起こる可能性がある。ここで、水滴浸食は、空気が吸引され、その後、圧縮される、タービンのコンプレッサ側で特に起こる可能性がある。吸引された空気からの水滴の凝縮出力がもたらされる可能性があり、その後、タービンのコンプレッサ段のブレードに影響を及ぼす。
【０００９】
浸食は、一般に、他のフロー機械又は回転機械においてかなりの問題をもたらす可能性がある。浸食の兆候は、高い割合の砂又は他の固形物などの砂鉱石粒子が水に含まれるときに、水タービン、たとえば、ペルトン・タービンのホイール上で発生することが多い。砂又は別の固形物の結果としての浸食は、また、コンプレッサ・ブレード及びタービン・ブレードに対してかなりの損傷をもたらす可能性がある。
【００１０】
さらに、浸食という用語は、水タービン又は回転ポンプのブレードにおけるキャビテーションによって生じる可能性がある全ての損傷を包含するように使用される。浸食作用に対するコンポーネントのよりよい保護を保証する必要性もまたここに存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この従来技術から始めると、それにより、コンポーネント、特に、フロー・エンジン又は回転エンジンからのコンポーネントが、浸食から効果的に保護されることができる方法を提案することが本発明の目的である。方法は、新しい製品の作製とコンポーネントの修理の両方に適しているべきである。さらに、浸食に耐性があるコンポーネントを提案することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的を満たす本発明の主題は、それぞれのカテゴリの独立請求項によって特徴付けされる。
【００１３】
したがって、本発明によれば、金属基材上に浸食防止層を生成する方法が提案され、材料は金属層上に溶接される。材料は、少なくとも０．１％の炭素と少なくとも１２％のクロムを含有する鋼である。材料は、レーザ堆積溶接によって基材に適用される。
【００１４】
意外にも、非常にうまく固着し、高い硬さの程度と非常に良好な耐浸食性を有する低炭素含有量の鋼のレーザ堆積溶接によって、単純な方法で基材上に非常に良好な浸食防止層が生成されることができることが示された。
【００１５】
さらに、この種の鋼は、手ごろに値付けされているため、本発明による方法は、浸食から保護するための他の方法と比べて、かなり経済的に実施されることができる。
【００１６】
しかし、これらの鋼は、従来通りに、すなわち、予備加熱及びその後の熱処理などの多数の複雑さを併っただけでは溶接することもできない。
【００１７】
本発明の方法に適する鋼は、レーザ堆積溶接によって単純な方法でかつ信頼性のあるプロセスで処理されることができることがさらに有利である。
【００１８】
さらに、レーザ堆積溶接を使用する結果として、狭い熱導入ゾーンだけが基材上に生じるため、基材の基本材料及びその熱処理状態は、たとえあったとしても少し影響を受けるだけである。その後の熱処理は、こうした理由で、なしで済ますことができ、本発明による方法を単純で、高速で、より経済的にする。
【００１９】
材料が少なくとも０．２％の炭素、好ましくは、少なくとも０．４％の炭素を含有するときが耐浸食性の観点で特に有利である。高いパーセンテージの炭素を含有するこの種の鋼は、依然として、レーザ堆積溶接によって問題なく処理されることができる。
【００２０】
好ましい実施形態は、本発明による方法を使用してコンポーネントの修理が実施されるときである。本発明による方法について使用される材料は、また、浸食保護に使用される他の材料と対照的に、構成材料として特に適するため、損傷を受けた表面の再構築が、本発明による方法を使用して単純な方法で可能である。
【００２１】
別の好ましい実施形態は、本発明による方法を使用して新しいコンポーネントの作製を実施することである。金属基材上での本発明による浸食保護層の作製によって、優れた耐浸食性を有する新しい部品が、簡単に作製されることができる。
【００２２】
好ましい用途によれば、コンポーネントは、コンプレッサ・ブレード又はタービン・ブレードである。この機構において、コンポーネントは、スチーム・タービンのタービン・ブレードであることもできる。水滴によって引き起こされる浸食損傷は、これらにおいて起こることが多い。本発明による方法は、損傷したタービン・ブレードの修理と、新しいタービン・ブレードの作製における浸食からの保護の両方に適する。コンポーネントは、また、ガス・タービンのブレードであることができ、水滴又は固形材料粒子の結果としての浸食損傷が、特に、コンプレッサ側又はインペラ側で起こる可能性がある。タービン・ブレードは、さらに、たとえば、ペルトン・ロータの液体タービン、特に、水タービンのプロペラのブレードであることもでき、浸食損傷は、砂などの砂鉱石粒子によって、又は、水の作用によって起こる可能性がある。浸食損傷は、特に、キャビテーションによって引き起こされる損傷の結果である可能性がある。
【００２３】
有利な処置は、運転状態で浸食を最も受け易い基材の領域だけが、浸食防止層を備えることである。こうして、材料、時間、及び金が節約されることができる。ガス・タービン又はスチーム・タービンのタービン・ブレードにおいて、この領域は、たとえば、タービン・ブレードのブレード前縁である。
【００２４】
有利な実施形態は、溶接が移動式レーザ装置を使用して行われるときである。そのため、修理は、現場で直接実施されることができる。これにより、欠陥のある又は損傷を受けたタービン・ブレードが、タービンの運転場所で直接、また、たいていロータを分解することなく実施されることができるため、費用がかかり、かつ、時間がかかるタービン又はタービン・ロータの分解及び輸送が回避されることができる。
【００２５】
金属基材及び基材に適用された浸食防止層を有するコンポーネントが、本発明によってさらに提案され、浸食防止層は、本発明による方法を使用して作製される。
【００２６】
本発明によるコンポーネントであっても、好ましくは、運転状態で浸食を最も受け易い基材の領域にのみ、浸食防止層を備える。
【００２７】
好ましい実施形態では、コンポーネントは、タービン・ブレード又はコンプレッサ・ブレード、特に、ガス・タービン又はスチーム・タービンのブレードとして設計される。
【００２８】
さらなる有利な処置及び本発明の好ましい実施形態は、従属請求項から得られる。
【００２９】
本発明は、実施形態の助けを借りて、また、図面の助けを借りて以下でより詳細に説明されるであろう。略図は部分的に断面で示される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による方法の実施形態に従って新しく作製されるスチーム・タービンのタービン・ブレードを通る断面図である。
【図２】本発明による方法の実施形態に従って修理されるスチーム・タービンのタービン・ブレードを通る断面図である。
【図３】耐浸食性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明による方法は、金属基材上での浸食防止層３（図１を参照されたい）の作製に役立つ。
【００３２】
浸食という用語は、キャビテーションによって生じる作用又は損傷を含むように理解される。
【００３３】
特定の用途に応じて、浸食防止層３は、異なる種類の浸食から、たとえば、液滴浸食、特に、水滴浸食から、たとえば砂などの固形粒子又は懸濁粒子による浸食から、又は、同様に、キャビテーションによって引き起こされる浸食の兆候から保護することができる。
【００３４】
原理上、本発明による方法は、コンポーネントが浸食にさらされる全ての装置に適する。これらは、特に、フロー機械、回転エンジン、たとえば遠心ポンプ又は軸流ポンプなどの回転ポンプ、一般的なタービン、液体を使用して運転するタービン（たとえば、ペルトン・ホイール又は他のホイールを有する水タービン）、ガス・タービン、スチーム・タービンである。
【００３５】
実際に特に重要である特定の例として以下が参照されるであろう。以下では、浸食防止層は、水滴浸食からスチーム・タービンのタービン・ブレードを保護することを意図される。スチーム・タービンでは、水滴浸食は、ブレード、特に、回転タービン・ブレードにかなりの損傷をもたらす可能性がある。特に、タービンの冷たい領域及び／又は低圧スチーム・タービンでは、温度及び圧力条件が、水滴の凝縮出力をもたらし、その後、タービン・ブレードに高い相対速度で衝当し、材料磨滅によってその場所においてかなりの損傷をもたらすことが恒常的に起こる。運転中に浸食に最もさらされるのは、特に、タービン・ブレードの前面縁又は前縁である。
【００３６】
本発明によれば、金属基材上で浸食防止層３の作製方法が、ここで提案される。図１は、ここでは、スチーム・タービンのタービン・ブレード１として設計される、新しく作製されたコンポーネントを通る断面を示す。タービン・ブレード１は、金属基材２及び基材２に適用された浸食防止層３を含む。浸食防止層３は、少なくとも全体のブレード前面縁４が浸食防止層３によって保護されるように、ブレード前面縁４の領域に適用される。
【００３７】
作製について、金属基材２は、最初に、それ自体知られている方法でタービン・ブレードの形態で作製される。これに関連して、浸食防止層３を占有する凹所がブレード前面縁４に設けられることができる。この凹所は、金属基材２の作製中に直接設けられることができるか、又は、ミリング又は研磨などの機械加工ステップによって、作製後に作られることができる。或いは、当然、特別な凹所がブレード前面縁４について設けられることなく、ブレード前面縁４に浸食防止層３を適用することも可能である。
【００３８】
次のプロセス・ステップにおいて、浸食防止層３の作製が行われる。これは、材料のレーザ堆積溶接によって金属層２に適用される。レーザ堆積溶接の技術は、当業者に十分に知られており、したがって、本明細書でより詳細に説明される必要はない。溶接に通常使用される全てのレーザ溶接装置、特に、Ｎｄ：ＹＡＤレーザ、ダイオード・レーザ、１０６０ｎｍと１０７０ｎｍの間の典型的な波長を有するファイバ・レーザ及びディスク・レーザ、並びに、１０６００ｎｍの波長を有するＣＯ２レーザが適する。
【００３９】
本発明によれば、レーザ堆積溶接によって浸食防止層３がそこから作製される材料は、少なくとも０．１％の炭素（Ｃ）と少なくとも１２％のクロムを含有する鋼である。
【００４０】
この用途の範囲内で、パーセンテージは、重量パーセンテージを常に意味する。
【００４１】
鋼のクロム含有量の高いことは、浸食防止層に非常に良好な耐浸食性を与える。鋼は、特に、ステンレス鋼である。
【００４２】
鋼の炭素含有量の高いことは、耐浸食性を保証する浸食防止層３に高い硬さを与える。
【００４３】
鋼は、特に、マルテンサイト系鋼であり、これは、少なくとも構造の一部がマルテンサイト系であることを意味する。
【００４４】
鋼は、特に、焼入れ可能であり、かつ、空気焼戻し可能である鋼である。すなわち、鋼の炭素含有量が高いため、鋼は空気焼戻し可能である。これは、鋼がレーザ堆積溶接後にオイル又は水によって冷却されなければならないのではなく、むしろ、鋼が空気中で冷却される勾配が、少なくとも部分的にマルテンサイト系構造を生成するのに十分に大きいことを意味する。
【００４５】
浸食防止層３は、好ましくは、冷却後に、少なくとも優勢にマルテンサイト系構造を有する。
【００４６】
実際に、材料が、少なくとも０．２％の炭素、好ましくは、少なくとも０．４％の炭素を含有する鋼であるときが、特に有用であることがわかった。浸食防止層は、この高いＣ含有量によって特に良好な硬さを達成する。レーザ堆積溶接の技術が、溶接に使用されるため、高い炭素含有量は、溶接プロセスについて問題を呈さない。
【００４７】
たとえば、鋼Ｘ４２  Ｃｒ１３を用いて、非常に良好な結果が達成される可能性があることが示された。この市販の鋼は、０．４２％の炭素含有量及び１３％のクロム含有量を有する。０．２％の炭素含有量及び１３％のクロム含有量を有する鋼Ｘ２０  Ｃｒ１３は、本明細書でさらなる例として挙げられる。
【００４８】
新しいブレードの作製において、浸食防止層の厚さは、通常、０．２〜１．５ｍｍになる。
【００４９】
図２は、コンポーネントの修理が実施された例を示す。図２では、ガス・タービンのタービン・ブレード１’を通る断面が示され、本発明による方法の実施形態によって修理される。
【００５０】
水滴浸食のため、スチーム・タービンの運転中に、広範囲の材料除去がブレード前面縁の領域で行われた。修理を実施する前に、ブレード前面縁は、ライン５で示される輪郭又は表面を持っていた。本発明によれば、レーザ堆積溶接によって、必要である場合、以前の清浄又は調製ステップ後に、少なくとも０．１％のＣと少なくとも１２％のＣｒを有する鋼を金属基材２’上に溶接することによって、浸食防止層３’が、ここで、残りの金属基材２’上に生成される。
【００５１】
これに関連して、レーザ溶接プロセスは、タービン・ブレード１’の元の形状、特に、ブレード前面縁の元の形状が再構築されるように制御される。これに関連して、本発明に従って使用される材料は、構成材料、換言すれば、それにより、１つのコーティングだけが行われる可能性があるだけでなく、それにより、コンポーネントの元の形状が再構築される可能性がある材料であることができることが特に有利である。鋼Ｘ４２  Ｃｒ１３は、また、特にこれに適する。
【００５２】
特に修理の観点から、レーザ堆積溶接用の移動式レーザ装置を使用することが特に有利である。移動式レーザ装置を使用すると、タービン・ブレードは、運転場所で直接、また、必要である場合、タービン又はロータを完全に分解することなく修理されることができる。修理されるタービン・ブレードについての輸送時間が無しで済まされ、また、用途に応じて、組立及び分解作業が削減されることができるため、これは、経済的観点から特に有利である。こうして、修理によって生じるダウンタイムは、かなり低減される可能性がある。
【００５３】
以下では、実施例の助けを借りて、また、図３の助けを借りて、本発明に従って生成された浸食防止層が、従来技術による保護層と比較されるであろう。耐浸食性に関する実験が、水滴浸食試験ベッドで実施される。そこでは、試験される材料のサンプルが、ロータ上に設置される。回転ロータに取付けられたサンプル上に周期的に衝当する水滴は、固定吐出ノズルによって放出される。
【００５４】
サンプルの形状及び寸法は、試験ベッドによって決定される。サンプルは、２５ｍｍ×８ｍｍ×３ｍｍを有する実質的に平行６面体形状であり、３０°の面取り部を備える。サンプルの１つ、サンプルＡは、本発明による方法に従って作製され、浸食防止層３がその上に設けられる金属基材２を含む。浸食防止層３は、レーザ堆積溶接によって基材２に適用された鋼Ｘ４２  Ｃｒ１３を含む。
【００５５】
比較として、今日使用されることが多く、かつ、その良好な耐浸食性について知られている材料でできた、従来技術によるサンプルＢが使用される。ステライト６の鍛造ストリップは、金属ベース本体部上にはんだ付けされる。
【００５６】
２つのサンプルは、以下の実験条件下で試験される。すなわち、水滴は、０．２ｍｍの径を有し、４００ｍ／ｓの速度で各サンプルに衝当する。最高１千万のサイクルが調べられる。すなわち、その回転中に、サンプルは、固定吐出ノズルを最高１千万回通過し、そのことは、最高１千万回、水滴がサンプルに衝当することを意味する。
【００５７】
各サンプルの質量損失は、水滴浸食の試験についての結果として決定される。この結果から、その後、体積損失が、体積損失の各固有密度の助けを借りて計算される。サンプルＡについての密度は７．７０ｇ／ｃｍ３となり、サンプルＢについての密度は８．１５ｇ／ｃｍ３となる。
【００５８】
結果は、図３にグラフで示される。衝当の数に等しいサイクルの数は、対数スケールを有する水平軸Ｘに対してプロットされる。体積損失は、線形勾配を有する垂直軸Ｙに対してｍｍ３単位でプロットされる。Ａとラベル付けされた曲線は、本発明による方法に従って作製されるサンプルＡに属し、Ｂとラベル付けされた曲線は、従来技術に従って作製されるサンプルＢに属する。サンプルＡは、かなり良好な耐浸食性を有することが明らかに認識できる。サンプルＢの場合、１００万サイクル後の体積損失は、既に０．４９ｍｍ３になり、その後、急速に増加し、一方、サンプルＡの体積損失は、１千万サイクル後でさえも０．３１７ｍｍ３になるだけである。
【００５９】
さらに、材料除去による損傷が起こる前にどれだけの時間がかかるかのという尺度であるインキュベーション期間が決定される。このインキュベーション期間は、０．１ｍｍ３の体積損失に達するサイクルの数として規定される。本発明に従って作製されたサンプルＡについてのインキュベーション期間は６百万サイクルになり、一方、サンプルＢについてのインキュベーション期間はたった１００，０００サイクルになる。
【００６０】
この結果は、浸食防止層が、本発明による方法を使用して作製されることができ、従来技術から知られている他の方法に比べてかなり良好に腐食から保護することを非常に明確に実証する。
【００６１】
本明細書で、スチーム・タービン用のタービン・ブレードについての実際に関連するコンポーネントが参照されたとしても、本発明は、これらのコンポーネントにいずれの点でも限定されない。
【００６２】
水滴浸食は、たとえば、ガス・タービンのインペラ側又はコンプレッサ側でも起こる可能性がある。本発明による方法は、また、ガス・タービンの、新しい部品の作製時と損傷を受けたブレードの修理時の両方において、ガス・タービンのこうしたコンプレッサ・ブレード上に浸食防止護層を生成するのに特に適する。
【００６３】
本発明による方法は、また、液体タービン内の、水タービン、たとえば、ペルトン・タービン内の、回転ポンプ内の、又は一般的なフロー機械内のベーン又はブレードをキャビテーション作用による損傷から保護するのに適する。
【００６４】
本発明による方法は、さらに、ガス、スチーム、及び液体タービン内の、水タービン、たとえば、ペルトン・タービン内の、回転ポンプ内の、又は一般的なフロー機械内のベーン又はブレードを、固形材料粒子、たとえば、砂又は懸濁粒子によって引き起こされる可能性がある浸食損傷から保護するのに適する。
【００６５】
したがって、本発明によるコンポーネントは、特に、全てのタイプのタービン内のタービン・ブレードとして、ロータのブレードとして、一般的なロータとして、又は、浸食にさらされる回転機械及びフロー機械内の他のコンポーネントとして形成されることもできる。
【００６６】
タービンにおいて、本発明による方法は、エンジン部品（ロータ）を回転させるブレード又はベーンと、たとえば、ガイド・ベーンなどの固定コンポーネントのブレードの両方に適する。
【符号の説明】
【００６７】
１、１’  コンポーネント
２、２’  金属基材
３、３’  浸食防止層
【図１】
2009214179.tif 000003
【図２】
2009214179.tif 000004
【図３】
2009214179.tif 000005
【外国語明細書】
2009214179000001.pdf