JP2682280B2 - Coating with excellent cavitation erosion resistance - Google Patents
Coating with excellent cavitation erosion resistanceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は耐キャビテーションエロ
ージョン性に優れた被膜に係り、特に低圧タービン等に
おけるキャビテーションエロージョン対策として有効な
耐キャビテーションエロージョン性に優れた被膜に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a coating excellent in cavitation erosion resistance, and particularly to a coating excellent in cavitation erosion resistance effective as a countermeasure against cavitation erosion in a low pressure turbine or the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】発電プラント部材において、高速液流に
接する物体表面においては、キャビテーションエロージ
ョンと称される金属の摩耗腐食が頻繁に生じる。例え
ば、発電機関のスチームタービンのうち低圧側タービン
においては、復水衝撃現象により、タービン翼縁の先端
付近でキャビテーションエロージョンによる損傷が起き
る。即ち、このような場所では高速流のため静圧が蒸気
圧程度まで低下し、局部的沸騰によって無数の気泡が生
ずる。この気泡は圧力の高い場所で急激に崩壊し、その
際、数千気圧（数百ＭＰａ）にも及び衝撃圧が発生す
る。その機構は、気泡崩壊のとき内部に向って液ジェッ
トが生じ、これが材料表面へ激突するものと考えられて
いる。2. Description of the Related Art In a power plant member, wear corrosion of metal called cavitation erosion frequently occurs on the surface of an object in contact with a high-speed liquid flow. For example, in the low pressure side turbine of the steam turbine of the power generation engine, the condensate impact phenomenon causes damage due to cavitation erosion near the tip of the turbine blade edge. That is, in such a place, the static pressure is reduced to about the vapor pressure due to the high-speed flow, and innumerable bubbles are generated due to local boiling. The bubbles rapidly collapse at a high pressure location, and at that time, an impact pressure of up to several thousand atmospheric pressure (several hundred MPa) is generated. The mechanism is thought to be that when a bubble collapses, a liquid jet is generated toward the inside, which collides with the material surface.
【０００３】低圧タービンの翼縁等においてキャビテー
ションエロージョンが起きると、噴射性能等が悪化する
と共に、部材の強度を著しく低下させるなど、様々な障
害を惹き起こす。When cavitation erosion occurs at the blade edge of a low-pressure turbine, the injection performance and the like are deteriorated, and various strengths such as the strength of members are remarkably lowered.
【０００４】従来、低圧タービンの翼縁及びポンプ、ブ
ロワーの翼縁等におけるキャビテーションエロージョン
対策としては、チタン合金の肉盛り、ステライト（Ｃｏ
−Ｃｒ−Ｗ合金）の銀ろう付け等が行なわれている。ま
た、真空蒸着法により、ＴｉＮ，ＣｒＮ，ＴｉＯ2 等の
セラミック被膜を形成する方法も知られている。Conventionally, as a countermeasure against cavitation erosion in the blade edge of a low pressure turbine, the blade edge of a pump, the blade edge of a blower, etc., the overlay of titanium alloy, stellite (Co)
-Cr-W alloy) is being brazed with silver. Further, a method of forming a ceramic coating of TiN, CrN, TiO 2 or the like by a vacuum vapor deposition method is also known.
【０００５】更に、真空蒸着によりＣｒ又はＴｉとＣｒ
Ｎ又はＴｉＮとからなる耐エロージョン被膜を形成する
ことも提案されている（特開昭６１−２５７４６６号公
報）。Further, by vacuum vapor deposition, Cr or Ti and Cr are used.
It has also been proposed to form the erosion coating consisting of N or TiN (JP 61-257466 Patent Publication No.
Information ).
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術のう
ち、ＴｉＮ等のセラミック被膜は、耐摩耗性、耐キャビ
テーションエロージョン性に優れるものの、ステライト
を銀ろう付けしたものに比べると、耐キャビテーション
エロージョン性に劣る。一方、翼の肉盛り、ろう付け等
は、多大な手間と労力を要し、作業効率、コスト面等か
ら有利な対策とは言えない。Among the above-mentioned conventional techniques, the ceramic coating of TiN or the like is excellent in wear resistance and cavitation erosion resistance, but it is more resistant to cavitation erosion than silver stellate. Inferior to. On the other hand, padding, brazing, etc. of the wing require a great deal of time and labor, and are not advantageous measures in terms of work efficiency and cost.
【０００７】また、特開昭６１−２５７４６６号公報の
耐エロージョン被膜は、耐キャビテーションエロージョ
ン性が十分ではない。Further, the erosion coating JP 61-257466, it is not sufficient resistance to cavitation erosion resistance.
【０００８】本発明は耐キャビテーションエロージョン
性に著しく優れ、しかもその形成が容易な耐キャビテー
ションエロージョン性に優れた被膜を提供することを目
的とする。An object of the present invention is to provide a coating film which is excellent in cavitation erosion resistance and is easy to form, and is also excellent in cavitation erosion resistance.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明の耐キャビテーシ
ョンエロージョン性に優れた被膜は、Ｗ，Ｃｒ，Ｎｉ及
びＡｌの１種又は２種以上を含む中間層と、Ｗ系アモル
ファス合金の単層表面層とを有することを特徴とする。A film excellent in cavitation erosion resistance of the present invention comprises an intermediate layer containing one or more of W, Cr, Ni and Al, and a single layer surface of a W-based amorphous alloy. And a layer.
【００１０】以下に本発明を詳細に説明する。Hereinafter, the present invention will be described in detail.
【００１１】本発明において、表面層のＷ系アモルファ
ス合金の組成としては特に制限はないが、Ｗを１５〜７
０原子％含み、Ｆｅ１５〜６０原子％、Ｎｉ２〜５原子
％、Ｃｒ５〜１０原子％で構成されるＷ系アモルファス
合金等が好ましい。In the present invention, the composition of the W type amorphous alloy of the surface layer is not particularly limited, but W is 15 to 7.
A W-based amorphous alloy containing 0 atomic% and 15 to 60 atomic% Fe, 2 to 5 atomic% Ni, and 5 to 10 atomic% Cr is preferable.
【００１２】中間層はＷ，Ｃｒ，Ｎｉ又はＡｌの金属層
あるいはこれらの２種以上を含む合金層である。中間層
にはその特性を損なわれない範囲で他の合金成分が含有
されていても良い。耐キャビテーションエロージョン性
の面からは、中間層はＷ，Ｃｒ，Ｎｉ又はＡｌの金属層
よりなることが好ましい。この中間層は、表面層の耐衝
撃性、耐剥離性を高める。The intermediate layer is a metal layer of W, Cr, Ni or Al or an alloy layer containing two or more of these. The intermediate layer may contain other alloy components within a range that does not impair the characteristics. From the viewpoint of cavitation erosion resistance, the intermediate layer is preferably made of a metal layer of W, Cr, Ni or Al. The intermediate layer is resistant shock <br/>撃性of the surface layer, increasing the peel resistance.
【００１３】本発明において、中間層、表面層の各々の
厚さは、次のような範囲とするのが好ましい。 中間層： １〜２５μｍ、より好ましくは １０〜１５μｍ 表面層： １〜２０μｍ、より好ましくは １０〜１５μｍ 中間層が１μｍ未満では効果が少なく厚くするほど効果
があるが、２０μｍを超えても効果に差異はない。更
に、表面層が１μｍ未満では効果が少なく、２０μｍを
超えるとコスト高となる。特に、下地層及び表面層のＷ
系アモルファス合金層の厚さが少ない場合には、耐キャ
ビテーションエロージョン性の耐久性が十分に得られな
いため、Ｗ系アモルファス合金表面層及び中間層の厚さ
は１０μｍ以上とするのが好ましい。In the present invention, the thickness of each of the intermediate layer and the surface layer is preferably in the following range. Intermediate layer: 1 to 25 μm, more preferably 10 to 15 μm Surface layer: 1 to 20 μm, more preferably 10 to 15 μm If the intermediate layer is less than 1 μm, the effect is smaller and the thickness is more effective. There is no difference. Further, if the surface layer is less than 1 μm, the effect is small, and if it exceeds 20 μm, the cost becomes high. In particular, W of the underlayer and surface layer
If the thickness of the W-based amorphous alloy layer is small, the durability of cavitation erosion resistance cannot be sufficiently obtained. Therefore, the thickness of the W-based amorphous alloy surface layer and the intermediate layer is preferably 10 μm or more.
【００１４】このような本発明の耐キャビテーションエ
ロージョン性に優れた被膜は、スパッタリング等の物理
的蒸着法により容易に形成することができる。The coating film having excellent cavitation erosion resistance of the present invention can be easily formed by a physical vapor deposition method such as sputtering.
【００１５】第１図は本発明の耐キャビテーションエロ
ージョン性に優れた被膜の形成に好適なスパッタ装置を
示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a sputtering apparatus suitable for forming a film having excellent cavitation erosion resistance according to the present invention.
【００１６】図示のスパッタ装置は、直流２極のマグネ
トロン型装置で、構造が簡単であり、多くの材料に対し
て広い面積にわたって均一な厚さの膜を作るのに適して
いる。図中、１は真空槽であり、ガス導入口２及び真空
ポンプの吸引口３を備える。真空槽１の内部には陽極４
及び陰極（ターゲット）５が対向して設けられている。
６は高圧電源、７は冷却水送給管、８は絶縁体、１０は
被膜を形成する基板である。また、Ａは放電により形成
されるプラズマ領域、Ｂは陰極降下領域である。The illustrated sputtering apparatus is a DC direct current magnetron type apparatus, has a simple structure, and is suitable for forming a film having a uniform thickness over a large area for many materials. In the figure, reference numeral 1 is a vacuum tank, which includes a gas inlet 2 and a suction port 3 of a vacuum pump . Anode 4 is inside the vacuum chamber 1.
And a cathode (target) 5 are provided so as to face each other.
6 is a high-voltage power supply, 7 is a cooling water supply pipe, 8 is an insulator, and 10 is a substrate for forming a film. A is a plasma region formed by discharge, and B is a cathode fall region.
【００１７】このようなスパッタ装置により基板１０に
スパッタを行ない耐キャビテーションエロージョン性被
膜を形成するには、まず、真空ポンプで真空槽１内を吸
引した後、ガス導入口２よりＡｒガスを導入し、１０-2
〜１０-3Ｔｏｒｒ程度のＡｒガス圧中でグロー放電を行
なわせる。これにより、イオン化したＡｒガスが陰極
（ターゲット）５の表面に衝突し、ターゲット構成原子
あるいは粒子がはじき出され、これが基板１０表面に堆
積してコーティング被膜が形成される。In order to form a cavitation erosion resistant coating on the substrate 10 by sputtering with such a sputtering apparatus, first, the inside of the vacuum chamber 1 is sucked with a vacuum pump, and then Ar gas is introduced from the gas inlet 2. 10 -2
Glow discharge is performed under Ar gas pressure of about 10 −3 Torr. As a result, the ionized Ar gas collides with the surface of the cathode (target) 5 to eject target constituent atoms or particles, which are deposited on the surface of the substrate 10 to form a coating film.
【００１８】[0018]
【作用】各種材料の耐キャビテーションエロージョン試
験結果を第２図に示す（なお、試験方法は後述の実施例
１における方法と同様である。）。第２図に示すよう
に、１２Ｃｒ鋼とＳＵＳ３０４は耐キャビテーションエ
ロージョン性に劣るが、ステライト、並びに焼結品のＳ
ｉＣ及びＳｉ3 Ｎ4 は耐キャビテーションエロージョン
性に優れる。The results of cavitation erosion test of various materials are shown in FIG. 2 (the test method is the same as the method in Example 1 described later). As shown in FIG. 2, but 12Cr steel and SUS304 is inferior in resistance to cavitation erosion resistance, stellite, and the sintered product S
iC and Si 3 N 4 have excellent cavitation erosion resistance.
【００１９】また、１２Ｃｒ鋼の表面にＴｉ系アモルフ
ァス合金、Ｗ系アモルファス合金、Ｔａ系アモルファス
合金、ＳｉＣ又はＣｒをコーティングした場合の耐キャ
ビテーションエロージョン試験結果をステライトの同試
験結果と共に第３図に示す。また、キャビテーションエ
ロージョン減量と硬度との関係を第４図に示す。Further, the results of cavitation erosion test when the surface of 12Cr steel is coated with Ti-based amorphous alloy, W-based amorphous alloy, Ta-based amorphous alloy, SiC or Cr are the same as those of Stellite.
It is shown in FIG. 3 together with the test results . The relationship between cavitation erosion weight loss and hardness is shown in FIG.
【００２０】この第３図及び第４図から明らかな通り、
Ｗ系アモスファス合金は、ステライトよりも更に耐キャ
ビテーションエロージョン性に優れる。しかも、Ｗ系ア
モルファス合金の被膜は硬度１２００ＨＶ（ビッカース
硬度）で、耐摩耗性や耐衝撃性にも優れるものである。As is apparent from FIGS. 3 and 4,
The W-based amosphas alloy is more excellent in cavitation erosion resistance than stellite. Moreover, the W-based amorphous alloy film has a hardness of 1200 HV (Vickers hardness) and is excellent in wear resistance and impact resistance.
【００２１】しかしながら、Ｗ系アモルファス合金被膜
は硬い物体が衝突すると膜剥離を起こすおそれがある。
本発明の被膜は、表面層がＷ系アモルファス合金であ
り、耐キャビテーションエロージョン性が高い。しか
も、膜は、Ｗ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｎｉ等の中間層を介して設
けられた２層構造であるため、衝撃による表面層の剥離
が防止される。そして、仮に表面層が剥離しても、中間
層で十分に耐キャビテーションエロージョン性を維持す
ることができる。However, the W-based amorphous alloy coating film may peel off when a hard object collides with it.
The surface layer of the coating film of the present invention is a W-based amorphous alloy and has high cavitation erosion resistance. Moreover, since the film has a two-layer structure provided via an intermediate layer of W, Cr, Al, Ni or the like, peeling of the surface layer due to impact is prevented. Even if the surface layer is peeled off, the cavitation erosion resistance can be sufficiently maintained in the intermediate layer.
【００２２】[0022]
【実施例】以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をよ
り具体的に説明する。The present invention will be described more specifically below with reference to examples and comparative examples.
【００２３】実施例及び比較例 ステンレス基板表面に、表面層として厚さ５μｍのＷ系
アモルファス合金と、中間層として厚さ５μｍの表１に
示す金属層を有する２層被膜をスパッタ法により形成
し、その耐キャビテーションエロージョン特性を調べ
た。なお、比較のため、ステライト６（No.14 ）につい
ても調べた。また、膜厚の比較のため表面層の厚さ１５
μｍ又は１０μｍのＷ系アモルファス合金と、中間層と
して厚さ１５μのＷ層の被膜（No.12,13）の耐キャビテ
ーションエロージョン特性を調べた。Examples and Comparative Examples A two-layer coating having a 5 μm thick W-based amorphous alloy as a surface layer and a 5 μm thick metal layer shown in Table 1 as an intermediate layer was formed on the surface of a stainless steel substrate by a sputtering method. , Its cavitation resistance erosion characteristics were investigated. For comparison, Stellite 6 (No. 14) was also examined. For comparison of film thickness, the thickness of the surface layer is 15
The cavitation erosion resistance characteristics of the W-type amorphous alloy having a thickness of 10 μm or 10 μm and the W layer having a thickness of 15 μ as the intermediate layer (No. 12, 13) were examined.
【００２４】[0024]
【表１】 [Table 1]
【００２５】なお、コーティング膜の形成には第１図に
示すスパッタ装置を用い、所定形状に製作したステンレ
ス基板を溶剤で洗浄した後、スパッタに供した。スパッ
タリング条件は下記の通りである。 Ａｒガス圧：１０-2〜１０-3Ｔｏｒｒ 出力 ：５００Ｗ スパッタ後の各試験片について、肉眼による外観観察
と、テープテストによる耐剥離性の検査を行ない、コー
ティング膜に異常のないことを確認した後、耐キャビテ
ーションエロージョン試験に供した。The sputtering apparatus shown in FIG. 1 was used to form the coating film, and the stainless steel substrate having a predetermined shape was washed with a solvent and then subjected to sputtering. The sputtering conditions are as follows. Ar gas pressure: 10 -2 to 10 -3 Torr output: 500 W For each test piece after sputtering, it was confirmed that there was no abnormality in the coating film by observing the appearance with the naked eye and inspecting the peeling resistance by a tape test. Then, it was subjected to a cavitation resistance erosion test.
【００２６】耐キャビテーションエロージョン試験は次
のような方法により行なった。キャビテーション発生に
は第５図に示すようなＢＲＡＮＳＯＮ社の超音波発振機
を用いた。試験片１１はホーン１２の先端に取り付けら
れ、水槽１３内の試験液中で、縦振動させられ、試験片
１１表面にキャビテーションを発生させる。第５図中、
１４は振動子、１５はヒーター、１６は流量計、１７は
ポンプである。The cavitation erosion test was conducted by the following method. To generate cavitation, an ultrasonic oscillator manufactured by BRANSON Co. as shown in FIG. 5 was used. The test piece 11 is attached to the tip of the horn 12, and is vertically vibrated in the test solution in the water tank 13 to generate cavitation on the surface of the test piece 11. In FIG.
Reference numeral 14 is a vibrator, 15 is a heater, 16 is a flow meter, and 17 is a pump.
【００２７】キャビテーションの試験条件は下記表２の
通りとした。The cavitation test conditions are shown in Table 2 below.
【００２８】[0028]
【表２】 [Table 2]
【００２９】上記試験条件を設定しスタートし、定時間
毎に試験片を取り出して、溶剤中にて超音波洗浄を行な
い乾燥後、重量変化を０．１ｍｇ秤量可能の精密化学天
秤を使用して計測した。After the above test conditions are set and started, the test piece is taken out at regular intervals, ultrasonically washed in a solvent and dried, and then a precision chemical balance capable of weighing 0.1 mg of weight change is used. Measured.
【００３０】試験結果は第６図に示す通りであった。第
６図より、本発明に係るＣｒ，Ｗ，Ｎｉ−Ｗ系アモルフ
ァス、特にＷ−Ｗ系アモルファスの２層被膜が特に優れ
た耐キャビテーションエロージョン性を有することが明
らかである。The test results are shown in FIG. From FIG. 6, it is clear that the Cr, W, Ni—W type amorphous, particularly WW type amorphous two-layer coating according to the present invention has particularly excellent cavitation erosion resistance.
【００３１】また、比較のため中間層を形成しないでＷ
系アモルファス被膜を形成したものについて同様に試験
を行ない、Ｗ−Ｗ系アモルファスの２層被膜のものとそ
れぞれＳＥＭ観察を行なうことにより耐キャビテーショ
ンエロージョン性を調べたところ、本発明に係る２層被
膜のものは、中間層を形成しないものと比べてピンホー
ルが著しく小さく耐キャビテーションエロージョン性に
優れることが確認された。For comparison, W was formed without forming an intermediate layer.
The cavitation erosion resistance of the two-layer coating according to the present invention was examined by performing the same test on the one having the system-based amorphous coating formed thereon, and observing the cavitation erosion resistance of the two-layer coating of the WW-based amorphous by SEM observation. It was confirmed that the product has significantly smaller pinholes and is superior in cavitation erosion resistance as compared with the product having no intermediate layer.
【００３２】[0032]
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の耐キャビテ
ーションエロージョン性に優れた被膜は、著しく高い耐
キャビテーションエロージョン性を備え、その耐久性も
極めて高い。しかも、本発明の被膜は、スパッタリング
等により極めて容易に形成することができる。As described above in detail, the coating having excellent cavitation erosion resistance of the present invention has remarkably high cavitation erosion resistance and its durability is also extremely high. Moreover, the coating film of the present invention can be formed extremely easily by sputtering or the like.
【００３３】このため、本発明の耐キャビテーションエ
ロージョン性に優れた被膜によれば、低圧タービンの翼
縁、ファン、ブロワ等に簡単な作業でこれを施すことに
より、キャビテーションエロージョンによる性能低下、
強度低下、部材損傷を防止して、耐久性の高い部材を提
供することができる。Therefore, according to the coating excellent in cavitation erosion resistance of the present invention, by performing the coating on the blade edge of the low pressure turbine, the fan, the blower, etc. by a simple operation, the performance deterioration due to the cavitation erosion,
It is possible to provide a highly durable member by preventing a decrease in strength and member damage.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図１】第１図は本発明の耐キャビテーションエロージ
ョン性に優れた被膜の形成に好適なスパッタ装置を示す
断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a sputtering apparatus suitable for forming a coating film having excellent cavitation erosion resistance according to the present invention.
【図２】第２図は各種材料の耐キャビテーションエロー
ジョン特性を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing cavitation erosion resistance characteristics of various materials.
【図３】第３図は各種材料の耐キャビテーションエロー
ジョン試験結果を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the results of cavitation erosion test of various materials.
【図４】第４図はキャビテーション減量と硬度との関係
を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between cavitation weight loss and hardness.
【図５】第５図は実施例で用いたキャビテーションエロ
ージョン試験装置を示す系統図である。FIG. 5 is a system diagram showing a cavitation erosion test device used in Examples.
【図６】第６図は実施例における耐キャビテーションエ
ロージョン試験結果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the results of cavitation erosion test in Examples.
１ 真空槽 ４ 陽極、 ５ 陰極（ターゲット） ６ 高圧電源1 Vacuum tank 4 Anode, 5 Cathode (target) 6 High voltage power supply
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 昭夫 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造 船株式会社玉野事業所内 (72)発明者 千葉 茂 千葉県市原市八幡海岸通１番地 三井造 船株式会社千葉事業所内 (56)参考文献 特開 昭62−174377（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−257466（ＪＰ，Ａ) 関西電力株式会社総研報告、 （1989）、Ｐ．153−168 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Akio Hashimoto 3-1-1 Tam, Tamano-shi, Okayama Mitsui Engineering & Ships Co., Ltd. Tamano Works (72) Inventor Shigeru Chiba 1 Hachiman Kaigan Dori, Ichihara-shi, Chiba Mitsui Shipbuilding Co., Ltd., Chiba Works (56) References JP-A-62-174377 (JP, A) JP-A-61-257466 (JP, A) Kansai Electric Power Co., Inc. Research Report, (1989), p. 153-168
Claims (1)
選ばれる１種又は２種以上を含む中間層とＷ系アモルフ
ァス合金の単層表面層とを有することを特徴とする耐キ
ャビテーションエロージョン性に優れた被膜。1. Cavitation erosion resistance, comprising an intermediate layer containing one or more selected from the group consisting of W, Cr, Ni and Al, and a single-layer surface layer of a W-based amorphous alloy. Excellent film.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3206789A JP2682280B2 (en) | 1991-08-19 | 1991-08-19 | Coating with excellent cavitation erosion resistance |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3206789A JP2682280B2 (en) | 1991-08-19 | 1991-08-19 | Coating with excellent cavitation erosion resistance |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0551769A JPH0551769A (en) | 1993-03-02 |
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Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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-
1991
- 1991-08-19 JP JP3206789A patent/JP2682280B2/en not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 関西電力株式会社総研報告、（１９８９）、Ｐ．１５３−１６８ |
Also Published As
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| Date | Code | Title | Description |
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| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19970708 |