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JP2016520723A - 構成部品の浸食を防止するために当該構成部品を処理するための方法 - Google Patents

構成部品の浸食を防止するために当該構成部品を処理するための方法 Download PDF

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Abstract

構成部品(C)の表面を処理するための高速スプレー方法であって、本方法は、不活性ガスの第1の部分を550℃〜800℃のスプレー温度(T3)まで加熱するステップと、15%〜70%の質量百分率でCoを含む組成物を有する粉末材料を準備するステップと、粉末材料と不活性ガスの第2の部分との混合物を準備するステップと、スプレージェット(80)を生成するために、不活性ガスの第1の部分およびガスと粉末との混合物をスプレーガン(60)内で混合するステップと、Coを含む材料のコーティング(S)を堆積させるために、処理される表面に向かって前記スプレージェット(80)を導くステップと、を含む。【選択図】図2

Description

本発明は、液体により、またはキャビテーション現象により浸食を受ける構成部品の表面を処理するための方法に関する。また本発明は、このような方法で処理された表面を含む構成部品、およびこのような方法を実行するための装置に関する。
浸食に対する耐性を向上させるために、基板材料の表面に耐摩耗合金コーティングを施すことは、よく知られている。蒸気タービン、遠心および軸流圧縮機、ポンプ、ならびに他の回転機械などの回転機械の構成部品については、液滴浸食またはキャビテーション現象に由来する浸食に対して十分な程度の耐性を示すことが特に重要である。例えば、蒸気タービンでは、液滴浸食は、典型的には、ブレードの前縁に沿って発生する(図1)。
そのような表面に耐浸食性コーティングを施すための公知の方法は、表面硬化、レーザクラッディング、ろう付け、および溶接を含む。
上記の技術は、通常、基板材料への熱入力を含み、それは典型的には以下の不都合を決定する。すなわち、構成部品がNACE規格に準拠しなくなるおそれがある熱影響部の存在、コーティングされた構成部品の歪み、後加熱処理の必要性、クラック、コーティング中の鉄希釈、および不均一な微細構造である。
さらに、上記の技術は、溶接できない材料を含むコーティングを堆積させるためには使用できない。
したがって、上記の不具合を回避することができる、構成部品の表面を処理するための改良された方法を提供することが望ましい。
欧州特許出願公開第2175050号明細書
第1の実施形態によれば、本発明は、構成部品の表面を処理する方法を提供することにより、このような目的を達成し、本方法は、
不活性ガスの第1の部分を550℃〜800℃のスプレー温度(T)まで加熱するステップと、
15%〜70%の質量百分率でCoを含む組成を有する粉末材料を準備するステップと、
粉末材料と不活性ガスの第2の部分との混合物を準備するステップと、
スプレージェットを生成するために、不活性ガスの第1の部分および混合物をコールドガン内で混合するステップと、
材料のコーティングを堆積させるために、表面に向かってスプレージェットを導くステップと、
を含む。
本発明の解決策によって、浸食に対する耐性を向上させるために、基板材料の表面にコーティングを堆積させることができる。このように生成されたコーティングでは、以下の機械的特性を達成することができる。すなわち、硬度(ビッカース):400<HV<1000、および空隙率:<2%である。
第2の実施形態では、上記の利点は、以下を含む装置によって達成される。すなわち、
不活性ガスの第1の部分を400℃〜500℃の予熱温度(T)まで予熱するための第1のヒータと、
不活性ガスの第1の部分を550℃〜800℃のスプレー温度(T)まで加熱するための最終ヒータと、不活性ガスおよび15%〜70%の質量百分率でCoを含む組成物を有する粉末材料を含むスプレージェットを生成するための超音速ノズルと、を含むスプレーガンと、
粉末材料と不活性ガスの第2の部分との混合物を準備する粉末供給機と、
第1のヒータを最終ヒータに接続するための少なくとも第1のダクトと、
粉末供給機を超音速ノズルに接続するための少なくとも第2のダクトと、
を含む装置である。
本発明の他の目的の特徴および利点は、以下の図面と関連する本発明の実施形態の以下の説明から明らかになろう。
液滴浸食を受けた、従来技術による構成部品の2つの異なる図である。 本発明による方法を実行するための装置を示す概略図である。 図2の装置の構成部品を示す概略図である。
本発明は、特に液滴浸食およびキャビテーション現象に由来する浸食に対する耐摩耗性の向上のために、構成部品の表面を処理するための方法を提供する。特に、限定するわけではないが、本発明は、回転機械、例えば蒸気タービン、遠心および軸流圧縮機、ならびにポンプの構成部品に適用される。
本方法は、構成部品の表面に延性材料のコーティングを施すために、高速スプレー技術を利用する。
図2を参照すると、本発明による方法を実施するための装置を符号1で全体として示してある。装置1は、加圧されたキャリアガスのガス源15を第1のガスヒータ20および粉末供給機30に接続する上流側ダクト10を含むが、第1のガスヒータ20および粉末供給機30は両方とも従来の公知のタイプであり、したがって詳細には説明しない。キャリアガスは、窒素もしくはヘリウム、またはその他の簡便な不活性ガスである。キャリアガスは、20bar〜50barの圧力で装置内を流れる。キャリアガスの流量は、2m/時間〜6m/時間である。
上流側ダクト10は、ガス源15を第1のガスヒータ20に接続する第1の主枝11と、ガス源15を粉末供給機30に接続するために第1の主枝11から分かれる二次枝12と、を備える。上流側ダクト10の2つの枝11、12の交差点の下流側では、主枝11および二次枝12は、主枝11および二次枝12のキャリアガスの流れを調整または停止するための第1および第2のバルブ13、14をそれぞれ備える。
第1のガスヒータ20では、キャリアガスの第1の部分が、400℃〜500℃の予熱温度Tまで予熱される。第1のガスヒータ20の下流側では、予熱されたキャリアガスが、第1のガスヒータ20をスプレーガン60に接続する第1の下流側ダクト40内を流れる。第1の下流側ダクト40に沿って、キャリアガスの温度は、スプレーガン60のすぐ上流部分では放出温度Tまで低下する。放出温度Tは、予熱温度Tより低く、350℃〜450℃である。
粉末供給機30では、上流側ダクト10の二次枝12から流れるキャリアガスの第2の部分が、15%〜70%の質量百分率でCoを含む組成物を有する延性材料のスプレー用粉末と混合される。例えば、本発明によるスプレー用粉末に使用することができる延性材料は、ステライト(Stellite)(登録商標)6、ステライト(Stellite)(登録商標)12、ステライト(Stellite)(登録商標)21、および米国特許第6986951号で定義された材料を含む。
粉末供給機30の下流側では、キャリアガスとスプレー用粉末との混合物は、粉末供給機30をスプレーガン60に接続する第2の下流側ダクト50内を流れる。
スプレーガン60は、長手方向軸Xに沿って延在し、最終ヒータ61および超音速ノズル62を備え、超音速ノズル62はその下流側で最終ヒータ61に接続される。動作時には、スプレーガン60は、スプレー材のコーティングSをスプレーされる構成部品Cの表面と共に、スプレー筐体70内に収容される。スプレーされる面は、長手方向軸Xに垂直に筐体70内に配置される。
図3を参照すると、最終ヒータ61は、外側ハウジング67および加熱室66を備え、加熱室66は、第1の下流側ダクト40に接続された入口部63から超音速ノズル62のすぐ上流側の出口部64へ長手方向軸Xに沿って延在する。第1の下流側ダクト40からのキャリアガスは、入口部63から加熱室66を通って出口部64へ流れる。加熱室66では、キャリアガスは、放出温度Tよりも高い、550℃〜800℃のスプレー温度Tまで再度加熱される。第2の下流側ダクト50の最終的な下流側部分は、長手方向軸Xと同軸であり、超音速ノズル62のすぐ上流側の最終部65まで加熱室66を通過する。加熱室66の出口部64は、第2の下流側ダクト50の最終部65を環状に囲んでいる。最終ヒータ61を出る時に、すなわち、加熱室66および第2の下流側ダクト50の最後の下流部分をそれぞれ出る時に、再加熱されたキャリアガスの第1の部分と、粉末とキャリアガスの第2の部分との混合物と、が互いに混合して、スプレージェット80を形成し、超音速ノズル62に入る。
超音速ノズル62では、スプレージェット80が膨張して、粉末粒子は速度vに到達する。スプレージェット80は、コーティングSを施すために、超音速ノズル62によって、構成部品Cの表面に向けて導かれる。速度vの値は、典型的にはキャリアガスが窒素である場合には300m/sより大きく、キャリアガスがヘリウムである場合には1000m/sより大きく、堆積効率は、典型的には80%より大きい。
堆積したコーティングSでは、以下の機械的特性を達成することができる。すなわち、
硬度(ビッカース):400<HV<1000、空隙率:<2%である。
1 装置
10 上流側ダクト
11 第1の主枝
12 二次枝
13 第1のバルブ
14 第2のバルブ
15 ガス源
20 第1のガスヒータ
30 粉末供給機
40 第1の下流側ダクト
50 第2の下流側ダクト
60 スプレーガン
61 最終ヒータ
62 超音速ノズル
63 入口部
64 出口部
65 最終部
66 加熱室
67 外側ハウジング
70 スプレー筐体
80 スプレージェット
C 構成部品
S コーティング
予熱温度
放出温度
スプレー温度

Claims (7)

  1. 構成部品(C)の表面を処理するための高速スプレー方法であって、
    不活性ガスの第1の部分を550℃〜800℃のスプレー温度(T)まで加熱するステップと、
    15%〜70%の質量百分率でCoを含む組成物を有する粉末材料を準備するステップと、
    前記粉末材料と不活性ガスの第2の部分との混合物を準備するステップと、
    スプレージェット(80)を生成するために、前記不活性ガスの前記第1の部分および前記混合物をスプレーガン(60)内で混合するステップと、
    前記材料のコーティング(S)を堆積させるために、前記表面に向かって前記スプレージェット(80)を導くステップと、
    を含む方法。
  2. 前記加熱するステップの前に、キャリアガスの前記第1の部分が前記スプレー温度(T)より低く、かつ、400℃〜500℃の予熱温度(T)まで予熱される予熱ステップが先行する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記不活性ガスは、窒素および/またはヘリウムである、請求項1に記載の方法。
  4. 前記スプレージェット(80)の上流側の前記キャリアガスの圧力は、20bar〜50barである、請求項1に記載の方法。
  5. 構成部品(C)の表面にスプレーするための装置であって、
    不活性ガスの第1の部分を400℃〜500℃の予熱温度(T)まで予熱するための第1のヒータ(20)と、
    不活性ガスの前記第1の部分を550℃〜800℃のスプレー温度(T)まで加熱するための最終ヒータ(61)と、前記不活性ガスおよび15%〜70%の質量百分率でCoを含む組成を有する粉末材料を含むスプレージェット(80)を生成するための超音速ノズル(62)と、を含むスプレーガン(60)と、
    前記粉末材料と不活性ガスの第2の部分との混合物を準備する粉末供給機(30)と、
    前記第1のヒータ(20)を前記最終ヒータ(61)に接続するための少なくとも第1のダクト(40)と、
    前記粉末供給機(30)を前記超音速ノズル(62)に接続するための少なくとも第2のダクト(50)と、
    を含む装置。
  6. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の前記方法により処理された表面を含む構成部品(C)。
  7. 前記構成部品(C)は、蒸気タービンブレードである、請求項6に記載の構成部品(C)。
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