JP2003535221A - 金属製構成要素のための保護コーティング - Google Patents

金属製構成要素のための保護コーティング

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、特に汽力発電所に作動媒体として用いられる水と直接に接触する発電所の金属製構成要素のための保護コーティングに関する。 【解決手段】保護コーティング（１）は非晶質材料からなる少なくとも２つの層（３および４）を有する不均一な構造体を有する。層（３および４）は、構成要素（２）を非湿潤性および耐食性にする、異なった特性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の前提部分に記載の、金属製構成要素のための保護コーテ
ィングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような保護コーティングは、特に汽力発電所に作動媒体として用いられる
水と直接に接触している、エネルギー技術設備の構成要素のために設けられてい
る。蒸気状の作動媒体は部分的に構成要素において凝縮するか、または他の箇所
で凝縮した作動媒体は液滴の形で看過できない速度でこれらの構成要素の表面に
当たる。そこでは、作動媒体は凝縮物の望ましくない膜を形成するだけでなく、
液滴の衝突による構成要素の破壊に預かってもいる。
【０００３】 凝縮物の移動面での液滴の凝縮は５０年より長い年数に亘って知られている。
このことによって熱伝達の非常に高い値が達成できるために、熱伝達の技術設備
での液滴の凝縮は非常に望ましい。しかし、凝縮は、技術的にはこれまで殆ど実
現されなかった。液滴の凝縮を達成するためには水銀を用いる利用のみが知られ
ている。蒸気の凝縮の分野では、エネルギーおよび物質変換工程で用いられる水
の大きな重要性の故に液滴の凝縮を形成するという特別な努力がなされた。しか
し、そこでは、液滴の凝縮を添加物によって数ヶ月間保つことができるに過ぎな
かった。液滴の長時間安定的な凝縮は発電技術においてこれまで知られていなか
った。しかしながら、蒸気を当てられる表面が凝縮物によって濡れていないとき
には、液滴の凝縮を達成できることは知られている。このためには、表面は凝縮
物の界面張力と比較して低い界面エネルギーを有する必要がある。凝縮物が水で
あるとき、表面または層は撥水性または疎水性と呼ばれる。このような層の表面
における水の接触角は、９０°よりも大きい。
【０００４】 疎水性の表面または層の形成方法は文献により知られている。しかし、タービ
ンおよび発電所用凝縮器では、表面または層は液滴の衝突による浸蝕にさらされ
る。この浸蝕は、蒸気の含水量、液滴の大きさおよび液滴の速度ならびに衝突率
(Einschlagsrate)によって、タービンおよび凝縮器の構成要素の早過ぎる摩耗を
もたらす。これまで用いられた特別に硬化された合金およびパイプ用材料ならび
にタービンまたは凝縮器の構成要素におけるコーティングによって、高い材料コ
ストおよび高い製造コストをかけてのみ摩耗を軽減することができたが、除去す
ることはできなかった。
【０００５】 ９０°よりも大きな接触角を保ちつつ、長い寿命を有する疎水性の表面または
層を開発することは、これまで成功していなかった。同様なことは、タービンお
よび凝縮器のようなエネルギー技術設備の構成要素のための絶対的に耐食性の表
面および層にも該当する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、一方では疎水性の固い表面を有し、他方では液滴の衝突による浸蝕に
対する高い耐性を有する、金属製構成要素のための保護コーティングをコートす
るという課題が本発明の基礎になっている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は請求項１の特徴によって解決される。 本発明では、表面を形成している材料が硬ければ硬いほど、均一な表面の液滴
の衝突による浸蝕に対する耐性がより大きいことが前提とされる。表面が硬けれ
ば硬いほど、表面を変形するために、または表面から材料の一部を除去するため
に、より多くのエネルギーを用いなければならない。従って、液滴の衝突による
浸蝕に対する耐性は界面エネルギーと共に増大する。数１０００ｍＪ／ｍ2の界
面エネルギーを有する金属製または全セラミック製の表面は、わずかに数１０ｍ
Ｊ／ｍ2の界面エネルギーを有する比較的軟らかい層よりも、液滴の衝突による
浸蝕に対して耐性がある。
【０００８】 流体が水である場合、硬い表面上では、この表面の界面張力は水の表面張力に
比べて大きい。このことは、耐食性の均一な硬い表面が、液滴の衝突による浸蝕
に対して安定していればいるほど、この表面は水と、より小さいぬれ角を形成す
ることを意味する。他方、優れた疎水性を有する低エネルギーの表面は、液滴の
衝突による浸蝕に対し大きな耐性を有しないことを前提とすることができる。
【０００９】 こうした事態により、本発明に係る保護コーティングは、非湿潤性および浸蝕
安定性への要求を満たすことができるように、異なった特性を有する少なくとも
２つの層を含む不均一な構造を有していなければならない。保護コーティングの
層はすべて非晶質材料で形成される。すべての層を同一の材料で形成することは
全く可能である。層を、同一の特性を有する他の材料で形成することもできる。
本発明では、保護コーティングは、２つのタイプの層を有し、そのうちの１つは
高い界面エネルギーおよび１５００ＨＶと３０００ＨＶとの間の硬度を有する層
である。本発明では、この層は、大きな浸蝕安定性を有するために、高弾性の変
形特性を有しなければならない。第２のタイプの層は、界面エネルギーおよび弾
性変形が、第１に挙げた層に比べて低い。前者の層の硬度は５００ＨＶないし１
５００ＨＶにすぎない。しかし、保護コーティングを形成する層の数は２層に限
定されない。
【００１０】 保護コーティングを形成するために、保護される構成要素の表面に、可能な場
合には、まず高い界面エネルギー、高弾性の変形特性および１５００ＨＶと３０
００ＨＶとの間の硬度を有する層がコートされる。この層の厚さは１μｍないし
４μｍであるほうがよい。この第１の層には、この層より低い界面エネルギーお
よび僅かな弾性的変形特性を有する第２の層がコートされ、この層の硬度は５０
０ＨＶないし１５００ＨＶにすぎない。この層は１μｍないし２μｍよりも少な
い厚さであるほうがよい。本発明では、保護コーティングは常に構造物の外に向
いている最後の層が疎水性を有し、この層の下に位置している層よりも低い界面
エネルギーおよび僅かな変形特性を有し、かつ僅かな硬度を有するように形成さ
れている。必要な場合には、保護コーティングの構造体をさらに拡張し、最後に
挙げた層の上に、大きな弾性的変形特性を有する追加の層をもコートし、その上
に外に向いている最後の層として疎水性を有する層をコートすることは全く可能
である。
【００１１】 構成要素での保護コーティングの密着強さは、保護コーティングが時間の経過
する間に外力の作用によっても剥がされないように、非常に大きくなければなら
ない。同様なことは、層相互の密着力にも該当する。構成要素と保護コーティン
グ、通常は最も内側の耐食性層との間の密着力が余りにも小さく、それ故に保護
コーティングの即座に剥がれることが前提とされるとき、保護コーティングの最
も内側の層を、この層よりも低い界面エネルギーおよび僅かな弾性的変形特性を
有する層で形成してもよい。次に、この層の上に、高い界面エネルギー、高弾性
の変形特性および１５００ＨＶと３０００ＨＶとの間の硬度を有する層をコート
する。再度、疎水性層が保護コーティングの最後の層を形成する。本発明では、
必要な場合には、各々の層構造体を任意に拡張することができる。こうして、高
い界面エネルギーおよび高弾性の変形特性を有する層の上に、再度、この層より
低い界面エネルギーおよび僅かな弾性的変形特性を有する疎水性層をコートする
ことができる。いずれにせよ、外に対する保護コーティングの形成が確実でなけ
ればならない。
【００１２】 保護される構成要素に、まず高い界面エネルギーを有する層をコートするよう
に、本発明に係る保護コーティングを形成することもできる。この層には、この
層より低い界面エネルギーを有する層が外に向かって続く。保護コーティングの
構造体はこの交互の形で続けられ、より低い界面エネルギーを有する層で終了す
る。しかし、この場合、保護コーティングの構造は、２つの層間の移行が緩やか
で明確な界面を有しない段階的な層が形成されるように実施される。このような
保護コーティングの構造物は、複数の層間の機械的結合が一層強化されるという
利点を有する。
【００１３】 保護コーティングの層はすべて、適切な界面エネルギーを有する非晶質炭素ま
たは他の硬い弾性材料で形成される。この保護コーティングによって、被覆され
た構成要素の耐食性を、チタンからなり保護被覆を有しない類似の構成要素に比
較して６０％高めることができる。この比較の際に、被覆された構成要素および
被覆されない構成要素の表面を液体の作用にさらした。液体の液滴は少なくとも
２００ｍ／ｓの速度で構成要素の表面に衝突する。２つの構成要素の耐食性を、
５×１０7回の液滴衝突の後に比較した。
【００１４】 保護コーティングは外に対して常に疎水性層によって画定されているので、保
護コーティングの表面上での凝縮物の膜の形成は完全に阻止される。このような
膜は、衝突する液滴の運動エネルギーを、保護コーティングの境界層によって部
分的にまたは完全に吸収してしまう。液滴のエネルギーは保護コーティングに導
入され、そこでは領域で異なる交互に弾性的および可塑的な変形特性の間での幾
重もの反発によって機械的変形の強力な減衰が引き起こされる。保護コーティン
グの外層を、この層の直下に位置し、高い界面エネルギーおよび高い弾性を有す
る層に機械的に結合することによって、上記速度で液滴が連続的に衝突するとき
でも、保護コーティングの外層は、構成要素が疎水性層のみでコートされている
場合よりも長い寿命を有することを保証する。 本発明の他の特徴は従属請求項に記載されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、略図を参照して本発明を詳述する。図１はパイプ２にコートされている
保護コーティング１を示している。パイプ２はチタンで形成されており、汽力発
電所の構成要素である凝縮器（ここでは図示せず）の一部をなす。保護コーティ
ング１は、ここで示した実施形態では、２つの層３および４によって形成されて
おり、第１に挙げた層は耐食性を、第２の層は疎水性を有する。層３は３０ない
し２５００ｍＪ／ｍ2の界面エネルギーを有する。また、この層は高弾性の変形
特性を有する。弾性変形と可塑的機械的変形との比は、この層では、標準的な硬
度試験の場合に、少なくとも６対１０である。また、層３は１５００ないし３０
００ＨＶの硬度を有する。層の厚さは、ここで示した実施形態では、３μｍであ
る。層４は層３の界面エネルギーよりも著しく小さい界面エネルギーを有する。
前者の層では高々約２０ｍＪ／ｍ2である。同様なことは弾性変形特性および硬
度にあてはまる。この硬度は５００ＨＶないし１５００ＨＶにすぎない。層４は
１μｍの厚さである。２つの層３および４は、ここで示した実施形態では、非晶
質炭素で形成されている。層３および４を形成するために、当然であるが、他の
非晶質材料あるいは非晶質材料の群に属さない材料も用いることができる。しか
し、すべての考えられる材料は、硬度、界面エネルギーおよび弾性変形に関して
同一の特性を有する必要がある。層４が疎水性を得るように、非晶質材料にケイ
素および／またはフッ素添加物を混合することは知られている。図１に示すよう
に、耐食性層３が第１の層としてパイプ２の表面にコートされている。疎水性層
４は層３に直接コートされている。このことによって、構成要素２の表面で凝結
するかまたは他の箇所に既に凝結して液滴の形で層４の表面に衝突する蒸気状の
作動媒体６が、凝縮物の連続的な膜を形成することがないことが達成される。む
しろ、液滴７は短期間しか付着していない。必要な場合、層４には、層３および
層４からなる一連の他の層をコートすることができる。結局のところ、どの位の
層を、構成要素２の表面上に交互に重なり合ってコートするかは重要でない。こ
の場合、以下の点に注意すればよい。保護コーティング１を外に対して画定する
最後の層が、常に疎水性層３であることが保証されていなければならない。更に
、一連の層の耐熱性が余りに大きくなく、コーティングの全構造の機械的安定性
が損なわれないことに注意しなくてはならない。
【００１６】 図２は保護コーティング１の変形の実施形態を示している。この変形の実施形
態を用いるのは、同様にパイプとして形成されている構成要素２と、用いる耐食
性層３との間の密着力が十分に大きくなく、そのために保護コーティング１が極
めて早く構成要素２の表面から剥がれることが前提とされる場合である。この場
合、まず、図１に対する記述の中で説明した特性を有する疎水性層４を、１μｍ
の厚さで構成要素２にコートする。次に、図１に対する記述の中で説明した特性
を有する層３が続く。この層は１μｍないし３μｍの厚さでコートされる。層３
，４のこの交互の列を任意に続けることができる。しかしながら、ここでも、図
１に対する記述の中で説明したのと同様な条件に注意しなければならない。しか
し、外に対して保護コーティング１を画定するためには、ここでも疎水性層４を
形成しなければならない。
【００１７】 図１および図２に示され、かつ関連の記述の中で説明された保護コーティング
１を形成する際に、複数の層間の明確な界面の代わりに、層３および層４の特性
の間での緩やかな移行を形成することが可能である。このことは、コーティング
・パラメータの適切な緩やかな調整によって、例えばコーティングがガス放電に
よってなされるときにはバイアス電圧によって達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 構成要素に形成された保護コーティングを示す図。
【図２】 図１に示した保護コーティングの変形の実施形態を示す図。
【手続補正書】
【提出日】平成１５年３月２６日（２００３．３．２６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】 ９０°よりも大きな接触角を保ちつつ、長い寿命を有する疎水性の表面または
層を開発することは、これまで成功していなかった。同様なことは、タービンお
よび凝縮器のようなエネルギー技術設備の構成要素のための絶対的に耐食性の表
面および層にも該当する。 ＥＰ ０ ６２５ ５８８ Ａ１によって、調整可能な密着性を有する硬質材
料層として設計されている外層を有し、プラズマ重合材料からなる保護コーティ
ングが公知である。基板とこの硬質材料層との間には、接着剤として用いられる
中間層があってもよい。 ＷＯ ９６／４１９０１によって、熱伝達を改善するためのプラズマ重合層の
利用が公知である。この公報では、所望の滴状凝縮を引き起こすためには、基板
をプラズマ重合層で部分的に被覆するだけで十分であるという効果が活用される
。プラズマ重合層は基板に直接コートされる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】 構成要素での保護コーティングの密着強さは、保護コーティングが時間の経過
する間に外力の作用によっても剥がされないように、非常に大きくなければなら
ない。同様なことは、層相互の密着力にも該当する。構成要素と保護コーティン
グ、通常は最も内側の耐食性層との間の密着力が余りにも小さく、それ故に保護
コーティングの即座に剥がれることが前提とされるとき、保護コーティングの最
も内側の層を、この層よりも低い界面エネルギーおよび僅かな弾性的変形特性を
有する層で形成してもよい。次に、この層の上に、高い界面エネルギー、高弾性
の変形特性および１５００ＨＶと３０００ＨＶとの間の硬度を有する層をコート
する。再度、疎水性層が保護コーティングの最後の層を形成する。本発明では、
必要な場合には、各々の層構造体を任意に拡張することができる。こうして、高
い界面エネルギーおよび高弾性の変形特性を有する層の上に、再度、この層より
低い界面エネルギーおよび僅かな弾性的変形特性を有する疎水性層をコートする
ことができる。いずれにせよ、このような疎水性層が常に本発明に係る保護コー
ティングの外に対する境界面を形成することが保証されねばならない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 4F100 AA20 AB01A AB11 AB12 AK17 AR00B AR00C BA03 BA07 BA10A BA10C GB41 JA12B JA12C JB02B JB06C JK09 JK12B JK12C YY00B YY00C 4K044 AA06 AB03 BB02 BB17 BC02

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液状媒体の凝縮物と直接に接触する金属製構成要素のための
    保護コーティングであって、非晶質材料からなる少なくとも２つの、好ましくは
    複数の層が重なり合ってコートされていることを特徴とする保護コーティング。
  2. 【請求項２】 １つまたは複数の耐食性層および１つまたは複数の疎水性層
    が重なり合ってコートされており、前記複数の耐食性層のみならず前記複数の疎
    水性層も非晶質材料からなることを特徴とする請求項１に記載の保護コーティン
    グ。
  3. 【請求項３】 前記複数の耐食性層および疎水性層は交互にコートされ、外
    に向いている境界層は常に疎水性層であることを特徴とする請求項１または２に
    記載の保護コーティング。
  4. 【請求項４】 前記構成要素の表面には、密着力の大きさに従って、まず、
    耐食性層または疎水性層がコートされていることを特徴とする請求項１ないし３
    のいずれか１項に記載の保護コーティング。
  5. 【請求項５】 各々の耐食性層は高い界面エネルギー、高弾性の変形特性、
    および１５００ＨＶと３０００ＨＶとの間の硬度を有し、各々の疎水性層は耐食
    性層よりも小さい界面エネルギーおよび変形特性を有し、各々の疎水性層は５０
    ０ＨＶと１５００ＨＶとの間の硬度を有することを特徴とする請求項１ないし４
    のいずれか１項に記載の保護コーティング。
  6. 【請求項６】 前記複数の耐食性層および疎水性層は非晶質材料で形成され
    ていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の保護コーティ
    ング。
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