專利名稱：具有陶瓷可磨耗涂層的燃?xì)鉁u輪機(jī)用護(hù)罩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在火力發(fā)電或復(fù)合發(fā)電廠等中使用的燃?xì)鉁u輪機(jī)用的護(hù)罩，特別是， 涉及用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的動葉片和靜止體的間隙調(diào)整的具有陶瓷可磨耗涂層的燃?xì)鉁u輪機(jī) 用護(hù)罩。
背景技術(shù)：
發(fā)電廠中使用的燃?xì)鉁u輪機(jī)的功效率影響使渦輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生動力(轉(zhuǎn)矩) 的流體的量。如何使從渦輪機(jī)的靜止部與旋轉(zhuǎn)部(動葉片)的間隙漏出的流體減少的間隙 調(diào)整技術(shù)左右著渦輪機(jī)的性能。間隙調(diào)整技術(shù)要求即使在靜止部與旋轉(zhuǎn)部接觸的情況下， 靜止部和旋轉(zhuǎn)部中的任何一個也都沒有損傷、只有密封材料磨損而減薄(耐磨性)的功能。 其結(jié)果是，通過在靜止部和旋轉(zhuǎn)部的間隙處設(shè)置密封材料，可以使間隙非常接近于零，使從 間隙漏出的流體接近于零，可以大大提高效率。在用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的情況下，特別是，對于 初級動葉片與靜止體(初級護(hù)罩)的間隙調(diào)整，工作溫度達(dá)到800°C以上，需要氧化損傷少 的陶瓷。關(guān)于陶瓷可磨耗涂層，例如，在專利文獻(xiàn)1中，提出了進(jìn)行由陶瓷構(gòu)成的可磨耗涂 層的施工的方法。作為在基體材料上進(jìn)行具有預(yù)定的網(wǎng)格圖案的可磨耗陶瓷覆膜施工的方 法，提出了 在基體材料上進(jìn)行大氣中等離子噴涂初始結(jié)合涂層的工序和進(jìn)行高密度垂直 方向龜裂隔熱覆膜施工的工序，對所述初始結(jié)合涂層及所述隔熱覆膜進(jìn)行熱處理的工序， 在所述隔熱覆膜上進(jìn)行具有預(yù)定網(wǎng)格圖案的可磨耗陶瓷覆膜施工的工序，對所述可磨耗陶 瓷覆膜施加熱處理的工序。在這種方法中，基體材料上的結(jié)合層和高密度垂直方向龜裂隔熱覆膜是隔熱涂層 (TBC)，在其表面上，將多孔質(zhì)的陶瓷可磨耗覆膜形成網(wǎng)格圖案的狀態(tài)。陶瓷可磨耗覆膜設(shè) 置在護(hù)罩的熱氣體通過面上，與M基耐熱合金制造的動葉片的前端部相對。作為在基體材料上進(jìn)行具有網(wǎng)格圖案的可磨耗陶瓷覆膜施工的方法，提出了利用 掩蔽材料進(jìn)行噴涂的方法、利用低輸出的小型槍一邊描繪網(wǎng)格圖案一邊進(jìn)行噴涂的方法。 在利用掩蔽材料的方法中，本發(fā)明人等研究的結(jié)果判明在多孔質(zhì)陶瓷噴涂中，由于掩蔽材 料的影響，不能獲得均勻的多孔質(zhì)膜，特別是，不能充分確保截面形狀為山形的噴涂覆膜的 端部的貼緊性。在對于可磨耗陶瓷覆膜的與M基耐熱合金的磨耗部件試驗(yàn)的研究結(jié)果中，也發(fā) 現(xiàn)在截面形狀為山形的噴涂覆膜的情況下，噴涂覆膜的一部分會損傷脫落。另一方面，還判明在不是這種形狀的、平滑平面的可磨耗陶瓷覆膜中，在磨耗時 的摩擦熱不發(fā)散，并且在磨耗中產(chǎn)生的磨耗粉也不能排出，產(chǎn)生M基耐熱合金的燒熔，不 能發(fā)揮可磨耗特性。因此，對于陶瓷可磨耗涂層，有必要確?？赡ズ奶匦院烷L期耐久性兩個方面，在本 公知的例子中，在確保長期耐久性方面存在問題。例如，在專利文獻(xiàn)2中，提出了一種利用氧化釓氧化鋯覆膜的等離子噴涂，覆膜垂直方法的具有微裂紋(1英寸4 50個，間隔為6. 4 0. 5mm)的可磨耗覆膜。在這種情 況下，其特征在于，利用特定的噴涂條件，形成微裂紋，獲得可磨耗覆膜，不需要進(jìn)行機(jī)械加 工、熱處理等。對于微裂紋、裂紋槽的寬度，沒有明確的記載，但是，很難認(rèn)為其寬度達(dá)到毫 米數(shù)量級。本發(fā)明人等對于與M基耐熱合金的磨耗部件試驗(yàn)的研究結(jié)果判明專利文獻(xiàn) 1的高密度垂直方向龜裂隔熱覆膜的效果是足夠的，但是，磨耗時的摩擦熱不發(fā)散，并且，磨 耗產(chǎn)生的磨耗粉也不能排出，產(chǎn)生M基耐熱合金的燒熔，不能發(fā)揮可磨耗特性。例如，在專利文獻(xiàn)3中，作為隔熱噴涂層的形成方法，提出了在基體材料上形成隔 熱性優(yōu)異的陶瓷粉末的致密的噴涂層，在其上噴涂隔熱性優(yōu)異的陶瓷粉末和規(guī)定量的Si3N4 粉末的混合粉末，形成氣孔率高的噴涂層的隔熱噴涂層的形成方法。在這種情況下，詳細(xì)記 載了多孔質(zhì)陶瓷層的形成方法，但是，由于是以陶瓷隔熱噴涂層的形成作為目標(biāo)，所以，對 陶瓷可磨耗覆膜沒有提出確保必要的可磨耗特性和長期耐久性的措施。[現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)][專利文獻(xiàn)][專利文獻(xiàn)1]日本專利申請?zhí)亻_2006-36632號公報(bào)[專利文獻(xiàn)1]日本專利申請?zhí)亻_2006-104577號公報(bào)[專利文獻(xiàn)3]日本專利申請?zhí)亻_平6-57396號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于能夠降低從間隙漏出的流體、提高渦輪機(jī)效率的間 隙調(diào)整部件的具有陶瓷可磨耗涂層的燃?xì)鉁u輪機(jī)用護(hù)罩。本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪機(jī)用護(hù)罩，將陶瓷可磨耗涂層配置在面對燃?xì)鉁u輪機(jī)動葉片的 護(hù)罩的熱氣體通過面上，所述陶瓷可磨耗涂層是通過在基體材料上噴涂結(jié)合層，在所述結(jié) 合層上噴涂隔熱陶瓷層，在所述隔熱陶瓷層上噴涂可磨耗陶瓷層，在所述可磨耗陶瓷層上 通過機(jī)械加工形成狹槽而獲得的。根據(jù)本發(fā)明，由于確保可磨耗特性、長期耐久性，所以，通過適用于與燃?xì)鉁u輪機(jī) 動葉片對抗的護(hù)罩，可以在長時間內(nèi)使間隙近乎為零，使從間隙漏出的流體接近于零，可以 在長時間內(nèi)大幅度地提高效率。


圖1是本發(fā)明的可磨耗涂層的實(shí)施方式的一個例子。
圖2是公知例的可磨耗涂層的實(shí)施方式的一個例子。
圖3表示本發(fā)明的多孔質(zhì)化陶瓷的氣孔率與硬度(RC15Y)的關(guān)系。
圖4是用于可磨耗性評價(jià)的高溫磨耗試驗(yàn)的概略圖。 圖5是燃?xì)鉁u輪機(jī)護(hù)罩的示意圖。 圖6是本發(fā)明的具有可磨耗涂層的護(hù)罩的示意圖。 圖7是通過高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行的可磨耗特性試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)圖。 圖8是發(fā)電用燃?xì)鉁u輪機(jī)的主要部分的剖面模式圖。
具體實(shí)施例方式下面，詳細(xì)地對本發(fā)明進(jìn)行說明。在本發(fā)明中利用燃?xì)鉁u輪機(jī)用陶瓷可磨耗涂層的形成方法獲得的陶瓷可磨耗涂 層的截面形態(tài)的一個例子示于圖1。所述陶瓷可磨耗涂層成為在基體材料1上具有結(jié)合層2、在該結(jié)合層上具有隔熱 陶瓷層3、在陶瓷隔熱層上具有帶狹槽5的陶瓷可磨耗層4的結(jié)構(gòu)。圖2 (a) (b)表示專利文 獻(xiàn)1(特開2006-36632號公報(bào))的可磨耗涂層的形成方法。在圖2(a)中，表示利用掩蔽材 料進(jìn)行噴涂，描繪網(wǎng)格圖案的陶瓷可磨耗層的形成方法，在圖2(b)中，表示通過用小型槍 進(jìn)行噴涂來描繪形成網(wǎng)格圖案的方法。在這些公知的方法中，所描繪的網(wǎng)格圖案的陶瓷可 磨耗層的截面形狀與本發(fā)明呈矩形形狀的情況相對，均為山形。對于本發(fā)明應(yīng)當(dāng)具備的條件，1.在暴露于燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒氣體中的護(hù)罩溫度下 的可磨耗特性，以及，2.起動停止的熱應(yīng)力(反復(fù)加熱、冷卻)，3.對于在高溫下長時間暴露 的耐久性進(jìn)行研究，找到了滿足任何必要條件的陶瓷可磨耗涂層。關(guān)于暴露于燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒氣體中的護(hù)罩溫度下的可磨耗特性，暴露在燃燒氣 體中的護(hù)罩溫度為800 1000°C左右，利用系陶瓷確保足夠的耐熱性。但是，在陶瓷 和動葉片(M基耐熱合金)中，如果不將陶瓷多孔質(zhì)化使其硬度足夠低的話，則動葉片材料 會磨耗損傷而減薄。陶瓷層即使在高溫下硬度也幾乎不會降低，Ni基耐熱合金在500°C以 上，硬度的降低變大，變成室溫下的硬度的大約1/10。從而，陶瓷可磨耗層的硬度變成非常 重要的參數(shù)，為了使硬度降低，需要多孔質(zhì)化的陶瓷。多孔質(zhì)化的陶瓷的形成方法是通過 ZrO2系粉末和聚酯粉末的混合粉末的噴涂來進(jìn)行的。通過改變混合粉末的比例，可以調(diào)整 ZrO2系陶瓷的氣孔率(由截面組織觀察結(jié)果的陶瓷部分的面積率計(jì)算出來)。圖3表示本 發(fā)明的多孔質(zhì)化陶瓷的氣孔率與硬度(RC15Y)的關(guān)系?？梢灾猧t，在氣孔率為9%、11%的情 況下，RC15Y為91、89，比較硬，在氣孔率為20%、30%的情況下，RC15Y為幻、77，變得非常小。另一方面，考慮到了耐熱性的&02系陶瓷層，其熱傳導(dǎo)率小，進(jìn)而，為了確?？赡?耗特性，通過多孔質(zhì)化，熱傳導(dǎo)率進(jìn)一步變小。結(jié)果預(yù)測，由磨耗產(chǎn)生的摩擦熱被蓄熱，磨耗 滑動部的溫度變高，根據(jù)情況的不同，局部地達(dá)到熔融溫度(約1300°C )，Ni基耐熱合金的 硬度降低，或者，導(dǎo)致多孔質(zhì)陶瓷層的燒結(jié)引起的致密化(硬度增加)，在磨耗滑動部產(chǎn)生 燒熔，可磨耗特性受到損傷，動葉片前端大幅度地減薄損傷。對于這種摩擦熱的產(chǎn)生、蓄熱， 降低陶瓷可磨耗層與動葉片的接觸面積、降低摩擦熱產(chǎn)生面積，并且進(jìn)行散熱是有效的。具 體地說，在陶瓷可磨耗層上形成狹槽、進(jìn)行散熱變得很重要。本發(fā)明人等，實(shí)施了高溫下的可磨耗特性評價(jià)。圖4(a)表示高溫磨耗試驗(yàn)的概略圖。試驗(yàn)對一直達(dá)到燃?xì)鉁u輪機(jī)的護(hù)罩溫度的 可磨耗特性進(jìn)行了評價(jià)。在與旋轉(zhuǎn)側(cè)的環(huán)狀材料10對抗的棒料11的表面上設(shè)置陶瓷可磨 耗層，利用加熱器12加熱到規(guī)定的溫度之后，開始進(jìn)行試驗(yàn)。將環(huán)狀材料設(shè)想為動葉片，將 棒料設(shè)想為護(hù)罩，均采用M基耐熱合金。陶瓷可磨耗涂層的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，依次噴涂結(jié)合層(0. 1mm)、隔熱陶瓷層 (0. 5mm)、在其上噴涂陶瓷可磨耗層。噴涂結(jié)束之后，通過機(jī)械加工，在陶瓷可磨耗層上形成 狹槽。狹槽大體上貫通陶瓷可磨耗層。在本試驗(yàn)中，環(huán)狀材料10 (外徑Φ25πιπι)的轉(zhuǎn)速為 6000rpm，依次增加棒料11 (10X 10X40mm)的壓入負(fù)荷，一直壓入到陶瓷可磨耗層厚度的80%。其結(jié)果是，在可磨耗特性差的情況下，環(huán)狀材料與陶瓷可磨耗層燒熔。在可磨耗特 性良好的情況下，完全沒有發(fā)現(xiàn)環(huán)狀材料與陶瓷可磨耗層的燒熔，陶瓷可磨耗層被棒料切 削。如圖4(b)所示，可磨耗性為環(huán)狀材料10的板厚(d)與在棒料11表面的陶瓷可磨 耗層形成的槽寬⑶之比(d/D)。在可磨耗特性良好的情況下，d/D接近于1。試驗(yàn)在室溫、 400°C、60(TC、80(rC各個溫度下實(shí)施。在本試驗(yàn)中，調(diào)整陶瓷可磨耗層的氣孔率，制作陶瓷 可磨耗層的洛氏表面硬度(HR15Y)為92、89、83、77四個等級的陶瓷可磨耗層。在這種情況 下，在陶瓷可磨耗層上，進(jìn)行狹縫間隔為2. 8mm、狹槽寬度為0. 8mm的狹縫加工，形成矩形截 面?；瑒臃较蚺c狹槽成直角。陶瓷可磨耗層的厚度為1mm。其結(jié)果示于表1。[表 1]表 1部件磨耗試驗(yàn)結(jié)果1(矩形寬度2.8mm,陶瓷可磨耗層厚度1mm)
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)鉁u輪機(jī)用護(hù)罩，其特征在于，在面對燃?xì)鉁u輪機(jī)動葉片的護(hù)罩的熱氣體通 過面上配置有陶瓷可磨耗涂層，所述陶瓷可磨耗涂層以如下方式獲得，在基體材料上噴涂結(jié)合層，在所述結(jié)合層上噴涂隔熱陶瓷層，在所述隔熱陶瓷層上噴 涂可磨耗陶瓷層，在所述可磨耗陶瓷層上通過機(jī)械加工形成狹槽。
2.如權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)用護(hù)罩，其特征在于，由所述狹槽分割的可磨耗陶 瓷層的截面形狀為矩形，狹槽寬度為0. 5 2mm。
3.如權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)用護(hù)罩，其特征在于，噴涂到所述隔熱陶瓷層上的 可磨耗陶瓷層的硬度為洛氏表面硬度(HR15Y)為80士3。
4.一種燃?xì)鉁u輪機(jī)，其特征在于，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)配備有如權(quán)利要求1-3中任何一項(xiàng) 所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)用護(hù)罩。
5.一種陶瓷可磨耗涂層的形成方法，所述陶瓷可磨耗涂層配置在與燃?xì)鉁u輪機(jī)動葉片 面對的護(hù)罩的熱氣體通過面上，其中，在基體材料上噴涂結(jié)合層，在所述結(jié)合層上噴涂隔熱陶瓷層，在所述隔熱陶瓷層上噴 涂可磨耗陶瓷層，在所述可磨耗陶瓷層上通過機(jī)械加工形成狹槽。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃?xì)鉁u輪機(jī)用護(hù)罩，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)用護(hù)罩具有陶瓷可磨耗涂層，所述陶瓷可磨耗涂層用于能夠減少從間隙漏出的流體、提高渦渦輪機(jī)效率的間隙調(diào)整部件。根據(jù)本發(fā)明，燃?xì)鉁u輪機(jī)用陶瓷可磨耗涂層由結(jié)合層、隔熱陶瓷層、多孔質(zhì)陶瓷可磨耗層(硬度RC15Y80±3)構(gòu)成，通過機(jī)械加工在多孔質(zhì)陶瓷可磨耗層上設(shè)置狹槽，將由狹槽分割的陶瓷可磨耗層的矩形截面的寬度設(shè)定在2～7mm的范圍內(nèi)。
文檔編號F01D11/14GK102135020SQ201110026219
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月25日
發(fā)明者兒島慶享, 土井裕之, 市川國弘, 有川秀行, 目幡輝, 粕谷忠 申請人:株式會社日立制作所