具有功能覆層的流體機械部件的制作方法
【專利摘要】一種流體機械部件，所述流體機械部件具有基體(2)和直接施加到基體(2)上的多層覆層(3)以及多個直接彼此疊加地施加的層(4，5)，所述多層覆層為最小5μm厚并且最大35μm厚，其中直接施加到基體上的所述層是增附層(4)，所述增附層具有氮化鉻，并且其余的所述層(5)中的至少一個具有硬質材料。
【專利說明】具有功能覆層的流體機械部件

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有功能覆層的流體機械部件。

【背景技術】
[0002]在蒸汽輪機中水蒸氣為了產生旋轉能而膨脹。蒸汽輪機具有多個級，其中每個級具有帶有多個導向葉片的導向葉片環(huán)和帶有多個轉子葉片的轉子葉片環(huán)。轉子葉片安置在蒸汽輪機的軸上并且在蒸汽輪機運行時旋轉，導向葉片安置在蒸汽輪機的殼體上并且是靜止的。
[0003]葉片在此在蒸汽輪機運行時經受不同的退化過程，例如蠕變。蠕變是在溫度提高的情況下在負荷影響下葉片的緩慢進行的塑性變形。負荷例如能夠源自在蒸汽輪機中流動的水蒸氣并且在轉子葉片中通過由于所述轉子葉片的旋轉引起的離心力產生。此外葉片的表面在溫度相應高的情況下在存在水蒸氣時能夠氧化，其中能夠定期地在高壓蒸汽輪機中或者在中壓蒸汽輪機中達到這樣高的溫度水平并且所述溫度水平典型為大于540°C。
[0004]在轉子葉片和/或導向葉片的表面上形成氧化層的情況下，在所述表面上能夠形成微缺口或者微裂紋。由此降低了轉子葉片和/或導向葉片的強度，使得例如降低或者至少影響轉子葉片和/或導向葉片的交變彎曲強度。
[0005]通常為了避免氧化，轉子葉片和/或導向葉片由成本密集的合金制造。
[0006]從US2009/123737A1中已知具有基體的流體機械部件，所述基體具有鉻鋼?；w以氮化的硬質層覆層。在所述硬質層上通過氣相沉積施加具有氮化鉻的層。
[0007]從DElO 2008 020 607A1中已知一種具有第一表面和施加在所述第一表面上的覆層的物件。覆層包括具有氮化鉻的第一層，在所述第一層上施加有另一個層。
[0008]從DElO 2008 019 891A1中已知一種特別是用于燃氣輪機構件的防腐蝕覆層。覆層在此交替地具有相對硬的和相對軟的層。為了更好地附著，直接在燃氣輪機構件上設有具有氮化鉻的增附層。
[0009]從EP2 230 330A1中對于具有抗腐蝕要求的應用而言已知一種具有防腐蝕層的塑料構件。防腐蝕覆層是具有由金屬構成的層和由陶瓷構成的層的多層層系統(tǒng)或者是不同硬度的陶瓷層。


【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明的目的是，提出一種流體機械部件，其中克服了上述問題并且所述流體機械部件具有好的抗氧化性以及長的使用壽命。
[0011]根據本發(fā)明的流體機械部件具有基體和直接施加到基體上的、最小5μπι厚并且最大35 μ m厚的多層覆層以及多個直接彼此重疊地施加的層，其中直接施加到基體上的層具有增附層，所述增附層具有氮化鉻，并且其余層中的至少一個具有硬質材料。多層覆層也稱為功能覆層。多層覆層具有好的抗氧化性進而也保護基體防止氧化。借助于多層覆層，與不具有多層覆層的情況相比可行的是，基體能夠經受更高的溫度，而不會出現基體的顯著的氧化。多層覆層能夠完全地覆蓋基體或者所述多層覆層能夠僅施加到如下部位上，所述部位在流體機械運行時直接暴露于腐蝕性的介質。如果流體機械部件例如是轉子葉片或者導向葉片，那么將多層覆層設置在轉子葉片或者導向葉片的葉身上并且空出轉子葉片或導向葉片的葉根是足夠的。
[0012]通過設置增附層，多層覆層有利地具有多層覆層到基體上的好的聯接，由此多層覆層具有高的抗脫落強度。通過多層覆層構成為最大僅35 μ m厚的方式，有利地得到:對流體機械中的流的影響是可忽略的。因此在設計流體機械部件時不需要考慮多層覆層。通過多層覆層有利地不對基體的機械特性產生影響、特別是不對其抗蠕變強度和抗疲勞強度產生影響。除了抗氧化性之外，流體機械部件還具有高的抗顆粒腐蝕性。當顆粒在流體機械部件運行時由流攜帶且碰撞到流體機械部件的表面時，會出現顆粒腐蝕。這在轉子葉片中是尤其重要的，因為在此由于轉子葉片的旋轉，在顆粒和轉子葉片之間的相對速度是尤其聞的進而顆粒以尤其聞的動能碰撞到轉子葉片上。
[0013]基體優(yōu)選具有絡鋼、奧氏體鋼和/或鎮(zhèn)基合金。這些材料有利地具有聞的抗振動應力性和抗蠕變性。優(yōu)選硬質材料具有氮化鉻、氮化鉻鋁和/或氮化鈦鋁。鉻鋼中的鉻的質量含量優(yōu)選為最小8%并且最大13%。鉻鋼優(yōu)選是馬氏體鉻鋼。具有質量含量為8%至13%的鉻的馬氏體鉻鋼有利地具有高的抗振動強度和高的抗蠕變性。
[0014]優(yōu)選的是，鉻鋼具有氮。優(yōu)選鉻鋼中的氮的質量含量為最小0.010%并且最大0.080 %。在將增附層施加到基體上時會弓I起原子從增附層擴散到基體中并且反之亦然。通過在基體中設有氮，在擴散時雜質元素不會進入到基體的近表面的區(qū)域中，使得在施加增附層的情況下有利地抑制基體的結構變化。鉻鋼此外優(yōu)選具有鑰和/或釩。鉻鋼優(yōu)選具有9.0質量百分比至11.0質量百分比的鉻、1.0質量百分比至2.0質量百分比的鑰、0.1質量百分比至1.0質量百分比的鎳和0.10至0.30質量百分比的釩。其余的組成部分優(yōu)選基本上是鐵。
[0015]優(yōu)選多層覆層的層借助于物理氣相沉積法(英語是:physical vapourdeposit1n, PVD)來施加。由此有利地得到所施加的層的低的平均表面粗糙度Rz，所述平均表面粗糙度小于等于2.5。物理氣相沉積法優(yōu)選在覆層溫度低于600°C的情況下執(zhí)行。該覆層溫度有利地低于鉻鋼的回火溫度，由此在施加多層覆層的情況下不發(fā)生或者幾乎不發(fā)生基體的機械特性、特別是固有應力的變化。此外在施加時有利地不發(fā)生流體機械部件的扭曲。對具有和不具有多層覆層的樣品的試驗得出:通過多層覆層不產生基體的抗振動強度變差。
[0016]優(yōu)選地，流體機械部件是蒸汽輪機的部件。在存在水蒸氣時氧化特別是成問題的，使得將根據本發(fā)明的流體機械部件設置在蒸汽輪機中是尤其有利的。流體機械部件優(yōu)選是葉片。葉片是承受尤其高負荷的構件，特別是因振動引起的負荷，使得將流體機械部件設置為葉片是尤其有利的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]在下文中根據所附的示意圖詳細闡述本發(fā)明。附圖示出貫穿根據本發(fā)明的流體機械部件的橫截面。

【具體實施方式】
[0018]如從附圖中可見:流體機械部件I具有基體2和多層覆層3。基體2具有鉻鋼并且具有矩形的橫截面。然而也可以考慮具有任意橫截面的基體2的任意的形狀。在附圖中，多層覆層3圍繞基體2的完整的橫截面來施加。也可以考慮的是，多層覆層僅施加在基體2的所選出的部位上。
[0019]多層覆層3具有增附層4和保護層5。增附層4具有氮化鉻并且直接施加到基體2上。在基體2和增附層4之間構成有第一邊界面6。保護層5直接施加到增附層4上。在增附層4和保護層5之間構成有第二邊界面7。保護層5在此能夠具有氮化鉻、氮化鉻鋁和/或氮化鈦鋁。
[0020]在附圖中保護層5作為唯一的保護層示出，然而也可以考慮的是，設有多個直接彼此疊加地施加的保護層。根據本發(fā)明，多層覆層在此具有最小5 μ m并且最大35 μ m的層厚度。在此所有的保護層能夠具有氮化鉻或具有氮化鉻鋁，或者所述保護層能夠交替地具有氮化鉻和氮化鉻鋁。
[0021]多層覆層3的各個層4、5分別借助于物理氣相沉積法來施加。將氣相沉積法中的覆層溫度選擇為，使得所述覆層溫度低于基體2的回火溫度、特別是將覆層溫度選擇為低于600°C?？梢钥紤]的是，為了構成第二邊界面7，在施加增附層4和保護層5之間暫時地降低增附層4的和基體2的溫度。
[0022]多層覆層3具有表面8,所述表面在流體機械運行時暴露于介質9。如果該介質9是腐蝕性的介質，那么多層覆層3保護基體防止氧化。
[0023]根據多個實例，在下文中詳細闡述本發(fā)明，其中流體部件I是蒸汽輪機葉片。
[0024]在第一實施例中，蒸汽輪機葉片的基體2由鉻鋼制成，所述鉻鋼具有10質量百分比的鉻、1.0質量百分比的鑰、0.5質量百分比的鎳、0.10質量百分比的釩和88.4質量百分比的鐵?；w具有葉身和葉片根。具有氮化鉻的1ym厚的增附層直接施加到葉身的整個表面上。第一保護層直接施加到增附層上，所述第一保護層具有氮化鉻鋁并且為ΙΟμπι厚。第二保護層直接施加到第一保護層上，所述第二保護層同樣具有氮化鉻鋁并且為10 μ m厚，使得由這兩個保護層和增附層構成的多層覆層整體上具有30 μ m的厚度。增附層和這兩個保護層在此借助于物理氣相沉積法在溫度低于60(TC的情況下施加。
[0025]在第二實施例中，蒸汽輪機葉片的基體2由鎳基合金制成并且具有葉身和葉根。具有氮化鉻的1ym厚的增附層直接施加到葉身的整個表面上。保護層直接施加到增附層上，所述保護層具有氮化鈦鋁并且為15 μ m厚，使得由保護層和增附層構成的多層覆層整體上具有25 μ m的厚度。增附層和保護層在此借助于物理氣相沉積法在溫度低于600°C的情況下施加。
[0026]雖然本發(fā)明的細節(jié)通過優(yōu)選的實施例詳細地來說明和描述，但是本發(fā)明不受限于所公開的實例并且本領域技術人員能夠從中推導出其它的變型形式，而不脫離本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種流體機械部件，所述流體機械部件具有基體(2)和直接施加到所述基體(2)上的多層覆層(3)以及多個直接彼此疊加地施加的層(4，5)，所述基體具有鉻鋼，所述多層覆層為最小5 μ m厚并且最大35 μ m厚， 其中直接施加到所述基體上的所述層是增附層(4)，所述增附層具有氮化鉻，并且其余的所述層(5)中的至少一個具有硬質材料。
2.根據權利要求1所述的流體機械部件， 其中所述硬質材料具有氮化鉻、氮化鉻鋁和/或氮化鈦鋁。
3.根據權利要求1或2所述的流體機械部件， 其中所述鉻鋼中的鉻的質量含量為最小8%并且最大13%。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的流體機械部件， 其中所述鉻鋼是馬氏體鉻鋼。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的流體機械部件， 其中所述鉻鋼具有氮。
6.根據權利要求5所述的流體機械部件， 其中所述鉻鋼中的氮的質量含量為最小0.010%并且最大0.080%。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的流體機械部件， 其中所述鉻鋼具有鑰和/或釩。
8.根據權利要求7所述的流體機械部件， 其中所述鉻鋼具有9.0質量百分比至11.0質量百分比的鉻、1.0質量百分比至2.0質量百分比的鑰、0.1質量百分比至1.0質量百分比的鎳、0.10質量百分比至0.30質量百分比的釩和基本上作為其余的組成部分的鐵。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的流體機械部件， 其中所述多層覆層(3)的所述層(4，5)借助于物理氣相沉積法來施加。
10.根據權利要求9所述的流體機械部件， 其中所述物理氣相沉積法在覆層溫度低于600°C的情況下執(zhí)行。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的流體機械部件， 其中所述流體機械部件(I)是蒸汽輪機的轉子葉片或者導向葉片。
【文檔編號】C23C14/06GK104271803SQ201380020377
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年4月2日 優(yōu)先權日:2012年4月16日
【發(fā)明者】約亨·巴尼克爾, 克里斯蒂安·伯默爾, 托爾斯滕-烏爾夫·克恩, 約爾格·許爾霍夫, 盛世倫, 阿爾明·德拉澤爾 申請人:西門子公司