JP5576596B2 - 保護皮膜を有する物品及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐磨耗性及び耐かじり性の物品に関し、より具体的には、そのような物品のための保護皮膜に関する。

装置及び機械的構成要素が高い蒸気圧力及び高い熱応力のような極限の条件に曝される用途では、物品の磨耗及びかじりがその装置構成要素の信頼性及び寿命に悪影響を与えるおそれがある。蒸気タービンバルブは、極限の蒸気タービン作動条件によりその摺動及び接触面上にかじり又は重大な磨耗を受ける可能性が高い構成要素のまさに一例である。バルブ構成要素は、蒸気タービンのコールド、ウォーム又はホットスタート時に、頻繁な開閉サイクル、高い衝撃荷重及び大きな蒸気圧を受ける。これらの繰返し応力は、蒸気タービンバルブの磨耗及びかじりを増大させる。それらを受け易い表面には、それに限定されないが、バルブディスク、バルブシート、バルブステム、バルブブッシュ及びバランスチャンバが含まれる。

蒸気タービンバルブにかじり及び磨耗が生じた結果としては、漏れが生じ、バルブの開放不能による発電及び電力網への送電不全が起こり、蒸気経路の隔離不能を生じ、また緊急運転停止状態時にタービンの過速度事象を引き起こす可能性があるバルブ内の蒸気経路の深刻なシール不良を生じるおそれがある。磨耗及びかじりを受け易い物品のその他の実例には、それに限定されないが、翼形部バケット、ノズル及びタービンが含まれる。

これ迄は、磨耗及びかじりを防止するために、物品に対して窒化物又は溶射炭化物が施工されてきた。しかしながら、窒化表面／層皮膜は、特定の種類の材料に対してのみ施工することが可能であり、ニッケル基合金類は、伝統的手段によってはガス、プラズマ又はバス窒化することができない。加えて、これらの窒化物皮膜により、約１０００ビッカースの硬度が得られるが、この硬度は、十分な耐磨耗性及び耐かじり性を生じない。さらに、不適当な（つまり、窒化不能な）合金に対して窒化物を形成することは、一部の合金の耐食性を大幅に低下させる可能性がある。窒化作用はまた、約１１００°Ｆ以上では可逆的になり、その結果、表面硬度が失われる可能性もある。

従って、高い圧力及び高い熱応力条件のような様々な条件において使用するための単純かつ経済的に望ましい耐磨耗性及び耐かじり性の物品に対する必要性が存在する。

本開示は、物品を提供し、本物品は、第１の表面及び該第１の表面と接触状態になるようになった第２の表面と、第１の表面の少なくとも一部分上の第１の保護皮膜とを有する。第１の保護皮膜は、第１の成分と第２の成分とを有する第１の皮膜層を含む。第１の成分は、ホウ素、チタン又はクロムを含み、また第２の成分は、窒素又は炭素を含む。第１の保護皮膜の少なくとも一部分は、第２の表面が第１の表面と接触状態になった時に、該第２の表面と接触状態になる。

加えて、本開示はまた、物品の第１の表面の磨耗及びかじりを減少させる方法を含む。本方法は、物品の第１の表面に対して皮膜を施工するステップを含む。皮膜は、ホウ素、チタン又はクロムを含む第１の成分と窒素又は炭素を含む第２の成分とを含む。物品は、該物品の第１の表面上の皮膜の少なくとも一部分と接触状態になるようになった第２の表面をさらに含む。

さらに、本開示は、バルブに対して保護皮膜を施工して該バルブの少なくとも一部分の磨耗及びかじりを減少させる方法を開示する。本方法は、ホウ素、チタン又はクロムを含む第1の成分と窒素又は炭素を含む第２の成分とを有する第１の皮膜をバルブの少なくとも一部分上に堆積させるステップを含む。

本発明のその他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲から明らかであろう。

上に要約したように、本開示は、物品、該物品の第１の表面の磨耗及びかじりを減少させる方法、並びにバルブに対して保護皮膜を施工する方法を含む。物品の実施形態、物品の耐磨耗性及び耐かじり性を改善する方法の実施形態、並びにバルブに対して保護皮膜を施工する方法の実施形態を、以下に記述しかつ図１に示す。

図１は、第１の表面１２を有しかつ該第１の表面の少なくとも一部分上に第１の保護皮膜１４を含む物品１０を示している。この実施形態では、物品１０は、第１の表面１２に対応するステムを有する蒸気タービンバルブを含む。物品１０はさらに、第２の保護皮膜１８を有する第２の表面１６を含み、この第２の表面１６は、ステムブッシュである。バルブ１０は、さらにバルブディスク２０及びバルブシート２２を含む。第２の表面１６は、第１の保護皮膜１４が第２の表面の少なくとも一部分と接触状態になるように、第１の表面１２と接触状態になるようになっている。図示した実施形態では、第１の保護皮膜１４は、第２の保護皮膜１８を有する第２の表面１６の一部分と接触状態になる。第１の保護皮膜１４を第２の表面１６と接触させることによって、第１の表面１２の磨耗及びかじりが減少する。

しかしながら、他の実施形態では、物品には、保護皮膜を必要とするあらゆる物品又は装置を含むことができる。例えば、物品には、他のタイプのバルブ及びバルブ構成要素を含むことができる。

第１の表面１２は、その物品が使用されることになる用途の最低プロセス温度に耐える能力があるあらゆる材料を含むことができる。例えば、蒸気タービンバルブの表面は、少なくとも約１０００°Ｆの温度に耐えることができなくてはならない。幾つかの実施形態では、第１の表面は、８５０°Ｆ〜１１００°Ｆの温度に耐えることが可能なようにすることができる。本発明の実施形態において第１の表面１２として使用するのに適した材料の実例には、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル基超合金、コバルト、コバルト−ニッケル基合金、鋼、及びそれらの組合せが含まれる。

第１の保護皮膜１４は、第１の皮膜層を含む。第１の皮膜層は、第１の成分と第２の成分とを含む。本発明の実施形態に適した第１の成分の実例には、それに限定されないが、ホウ素、チタン又はクロムが含まれる。第２の成分には、それに限定されないが、例えば窒素又は炭素を含むことができる。従って、第１の成分がチタンを含む実施形態では、第１の皮膜層は、窒化チタン（約１０５０°Ｆの最高使用温度を有する）又は炭化チタンを含むことができる。第１の成分がクロムを含む他の実施形態では、第１の皮膜層は、窒化クロム又は炭化クロムを含むことができる。第１の成分がホウ素を含むさらに別の実施形態では、第１の皮膜層は、窒化ホウ素又は炭化ホウ素を含むことができる。

さらに別の実施形態では、第１の皮膜層は、第３の成分を含むことができる。本発明の実施形態に適した第３の成分の実例には、それに限定されないが、アルミニウム又は炭素が含まれる。従って、特定の実施形態では、第１の皮膜層は、窒化チタンアルミニウムを含むことができる。

第１の保護皮膜１４の実施形態は、約１５００ビッカース〜約３５００ビッカースの範囲にある硬度を有することによって、蒸気タービンバルブ１０の耐磨耗性及び耐かじり性を改善する。第１の保護皮膜１４は高い硬度を有するので、この第１の保護皮膜１４により、良好な耐磨耗性及び耐食性が得られる。加えて、第１の保護皮膜１４は一般的に、良好な耐滑り磨耗性、耐酸化性をもたらし、また低摩擦を有する。

幾つかの実施形態では、第１の保護皮膜１４は、第１の皮膜層と該第１の皮膜層上に配置された第２の皮膜層とを含むことができる。第１の皮膜層は、第１の硬度を有し、また第２の皮膜層は、第１の硬度よりも小さい第２の硬度を有するか、或いはその逆になっている。他の実施形態では、保護皮膜内に、その各々が異なる硬度を有する２つよりも多くの皮膜層を設けることができる。そのような保護皮膜においては、１つよりも多くの皮膜層の施工は、皮膜内の残留応力を最小にしながら依然として必要な全体皮膜厚さを付与することによって、より延性がある保護皮膜を形成する。

第２の皮膜層は、第１の皮膜層内に含むことができるあらゆる成分を含むことができる。例えば、特定の実施形態では、第２の皮膜層は、チタン、クロム又は窒化チタンアルミニウムを含むことができる。他の実施形態では、第２の皮膜層は、窒化チタン、炭化チタン、窒化クロム、炭化クロム、窒化ホウ素又は炭化ホウ素を含むことができる。第２の皮膜層は、第１の保護皮膜１４、従って純粋な金属の保護皮膜よりも大きい全体厚さ有する窒化物又は炭化物の保護皮膜内の応力を最小にする。例えば、特定の実施形態では、第１の皮膜層が窒化チタンアルミニウムを含むと共に第２の皮膜層はチタンを含むことができ、或いは第１の皮膜層が窒化クロムを含むと共に第２の皮膜層はクロムを含むことができる。

第１の皮膜層が第３の成分を含む本発明の特定の実施形態によると、第３の成分は、第１の皮膜層中に、該第１の皮膜層の約２０原子％〜該第１の皮膜層の約３０原子％の範囲にある量で存在する。第１の皮膜層が窒化チタンアルミニウムを含む特定の実施形態では、第３の成分すなわちアルミニウムのこの量により、十分な硬度と高い酸化温度とが得られる。従って、第１の皮膜層が窒化チタンアルミニウムを含む１つの実施形態では、チタン対アルミニウムの重量比は、約７４対２６である。他の実施形態では、第１の皮膜層の硬度を増大させて、チタン対アルミニウムの重量比は、７０対３０よりも小さい。別の実施形態では、最上層は、２０〜３０原子％の範囲のアルミニウムを有するＴｉＡｌＮのような複合体構造を備えた硬質層を含むことができる。２６原子％のアルミニウムにおいて、ＴｉＡｌＮ皮膜は、高い酸化温度と同時に高い硬度をもたらす。加えて、アルミニウムの含有量を増大させると、耐酸化性が向上しかつ硬度が低下することになる。

幾つかの実施形態では、第１の皮膜層は、約１ミクロン〜約５ミクロンの厚さを有する。保護皮膜１４が複数の皮膜層を含む実施形態では、各層は、約１ミクロン〜約５ミクロンの厚さとすることができる。幾つかの実施形態では、保護皮膜１４は、約１ミクロン〜約５０ミクロンの全体厚さを有する。

第２の表面１６の実施形態は、上述した第１の表面１２の材料と同様な材料を含むことができる。第２の保護皮膜１８は、上述した第１の保護皮膜１４の第１の皮膜層と同様な皮膜層を含むことができる。特定の実施形態では、第２の保護皮膜１８は、上述した第１の保護皮膜１４の皮膜層と同様な複数の皮膜層を含むことができる。

第１の保護皮膜１４は、蒸気タービンバルブ１０のような物品に対して、該物品の第１の表面１２上に第１の皮膜層を堆積させることによって施工することができる。第１の皮膜層は、第１の成分と第２の成分とを含む。第１の成分には、ホウ素、チタン又はクロムを含むことができる。第２の成分には、炭素又は窒素を含むことができる。特定の実施形態では、第１の皮膜層の堆積は、陰極アーク蒸着法又は電子ビーム蒸着法を含むことができる。

保護皮膜が複数の皮膜層を含む実施形態では、皮膜層は、保護皮膜１４を形成するように連続的に施工することができる。

以上の説明が単に本出願の好ましい実施形態に関するものであること、また提出した特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに当業者が本明細書において多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

１つの実施形態により作られた蒸気タービンバルブの断面側面図。

符号の説明

１０ 物品
１２ 第１の表面
１４ 第１の保護皮膜
１６ 第２の表面
１８ 第２の保護皮膜
２０ バルブディスク
２２ バルブシート

Claims (10)

1. 第１の表面（１２）及び前記第１の表面（１２）と接触する第２の表面（１６）であって、各々、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル基超合金、コバルト、コバルト−ニッケル基合金、鋼及びそれらの組合せからなる群から選択される材料からなる第１の表面（１２）及び第２の表面（１６）と、
   前記第１の表面（１２）の少なくとも一部分に設けられた第１の保護皮膜（１４）であって、第１の硬度を有する第１の皮膜層と第２の硬度を有する第２の皮膜層とを有する第１の保護皮膜（１４）と
   を含む物品（１０）であって、
   前記第１の皮膜層は、１５００ビッカース〜３５００ビッカースの範囲にある硬度を有し、
   前記第１の皮膜層が、ホウ素、チタン又はクロムを含む第１の成分と、窒素又は炭素を含む第２の成分とを含んでおり、
   第２の皮膜層は、３００ビッカース〜１５００ビッカースの範囲にある硬度を有し、
   前記第２の表面（１６）が前記第１の表面（１２）と接触した時に、前記第１の保護皮膜（１４）の少なくとも一部分が第２の表面（１６）と接触する、物品（１０）。
2. 前記第１の皮膜層が、窒化チタン、炭化チタン、窒化クロム、炭化クロム、窒化ホウ素又は炭化ホウ素を含む、請求項１記載の物品（１０）。
3. 前記第１の皮膜層が、アルミニウム又は炭素を含む第３の成分をさらに含む、請求項１記載の物品（１０）。
4. 前記第２の皮膜層が、チタン又は窒化チタンアルミニウムを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の物品（１０）。
5. 前記第１の保護皮膜（１４）が、１ミクロン〜５０ミクロンの全体厚さを有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の物品（１０）。
6. 前記物品（１０）が蒸気タービンバルブであり、前記第１の表面（１２）が、蒸気タービンバルブディスク、蒸気タービンバルブシート、蒸気タービンバルブステム、蒸気タービンバルブステムブッシュである、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の物品（１０）。
7. 前記第２の表面（１６）の少なくとも一部分に設けられた第２の保護皮膜（１８）をさらに含んでおり、前記第２の保護皮膜（１８）が第３の皮膜層を含んでいて、前記第３の皮膜層が、ホウ素、チタン又はクロムを含む第３の成分と、窒素又は炭素を含む第４の成分とを含んでいる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の物品（１０）。
8. 前記第３の皮膜層が、アルミニウム又は炭素を含む第３の成分をさらに含む、請求項７記載の物品（１０）。
9. 前記第２の保護皮膜（１８）が、前記第３の皮膜層の上に設けられた第４の皮膜層をさらに含む、請求項７又は請求項８記載の物品（１０）。
10. 前記第４の皮膜層が、チタン又は窒化チタンアルミニウムを含む、請求項９記載の物品（１０）。
    

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