JP2003239059A - アブレイダブルコーティング及びその作製方法 - Google Patents
アブレイダブルコーティング及びその作製方法Info
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Abstract
表面に施され、動翼を損傷等することがないアブレイダ
ブルコーティング及びその作製方法を提供する。 【解決手段】 シュラウド材に部分安定化ジルコニアセ
ラミックスをコーティングすることにより、立方晶又は
正方晶の結晶構造を有するジルコニアセラミックス層を
前記シュラウド材の表面に形成するステップと、このジ
ルコニアセラミックス層を形成したシュラウド材に、10
0℃〜450℃の温度で1時間〜300時間の間、高温熱水処理
を施すことにより、前記ジルコニアセラミックス層の結
晶構造を単斜晶に変態させるステップとを含むアブレダ
ブルコーティングの作製方法である。また、前記高温熱
水処理に代えてショットピーニングを用いることもでき
る。
Description
回転機械における静止部の表面に施されるアブレイダブ
ルコーティング及びその作製方法に関し、更に詳しく
は、ガスタービンのシュラウドに施される、被切削性に
優れたアブレイダブルコーティング及びその作製方法に
関する。
すように、図示しないケーシングに配設された静止側の
シュラウド103と、該シュラウド103の内方に設け
られ、矢印で示す回転方向rに回転軸Cを中心に回転可
能な動翼105とを備えている。また、これらの動翼1
05の外周縁105aとシュラウド103の内周面10
3aとの間には、微小な隙間(クリアランス)Dが設け
られている。この隙間Dからの高温ガス(例えば、1,
500℃程度の高温ガス)107の漏洩を抑制してガス
タービン101の性能を向上させるため、前記隙間Dを
極力小さくすることが望ましい。しかし、隙間Dを小さ
くしすぎると、動翼105が回転する際に動翼105の
先端がシュラウド103の内周面103aに接触し、動
翼105が損傷等を起すおそれがある。
3の内周面103aに、被切削性を有するアブレイダブ
ルコーティング111を施しており、たとえ動翼105
の先端がシュラウド103の内周面103aに接触して
も、前記アブレイダブルコーティング111が切削さ
れ、回転側の動翼105が損傷等することがないように
動翼105を保護している。
レイダブルコーティング111は、主に、ZrO2-8wt%Y2O
3等の部分安定化ジルコニアセラミックスからなるコー
ティングである。このセラミックスは、常温でビッカー
ス硬さがHv = 約1000と硬いため、実際には、逆に、回
転側の動翼105の先端を損傷するおそれがあった。そ
のため、動翼105の外周縁105aの表面に、シュラ
ウド103のアブレイダブルコーティング111よりも
更に硬いアブレッシブコーティング113を施してい
る。一方、前記アブレイダブルコーティング111をヘ
リコプターや航空機等に用いられるガスタービンエンジ
ンに適用すると、飛行中に砂塵等を巻き込んだ場合に、
ブレードやシュラウドが摩耗するおそれがあった。この
ように、従来のアブレイダブルコーティング111で
は、ガスタービンに適用した場合に、動翼105の先端
が損傷するおそれが必ずしも完全に消失せず、ヘリコプ
ターや航空機等のガスタービンエンジンに適用した場合
には、ブレードやシュラウドが摩耗するおそれがある。
解決し、ガスタービン等の回転機械における静止部の表
面に施され、試運転時において動翼を損傷等することが
なく、かつ、通常運転時においては耐摩耗性に優れた、
アブレイダブルコーティング及びその作製方法を提供す
ることを目的とする。
成するため、シュラウド材に部分安定化ジルコニアセラ
ミックスをコーティングすることにより、立方晶又は正
方晶の結晶構造を有するジルコニアセラミックス層を前
記シュラウド材の表面に形成するステップと、このジル
コニアセラミックス層を形成したシュラウド材に、100
℃〜450℃の温度で1時間〜300時間の間、高温熱水処理
を施すことにより、前記ジルコニアセラミックス層の結
晶構造を単斜晶に変態させるステップとを含むアブレイ
ダブルコーティングの作製方法である。
又は正方晶の結晶構造を有しており、ビッカース硬さが
Hv= 1000前後と硬い材料である。このジルコニアセラミ
ックスを高温熱水中で熱処理すると、ジルコニアセラミ
ックスに蒸気による高い圧力が負荷されることにより応
力誘起マルテンサイト変態が起こり、結晶構造が単斜晶
へと変化する。この単斜晶のジルコニアセラミックス
は、ビッカース硬さがHv=約800以下と軟らかく、被切削
性が良好である。従って、高温環境で使用されるガスタ
ービンのシュラウドに適用すると、試運転の初回運転時
において動翼とシュラウドとのチップクリアランスを調
整する時点では、軟らかく、優れた被切削性を示す。そ
して、初回運転時にガスタービン運転による高温(例え
ば1,000℃以上)の熱履歴を受けると、結晶構造が
立方晶又は正方晶に変態するため、2回目以降の運転時
においては、硬さを増して耐摩耗性を維持することがで
きる。
トクレーブを用いることができる。高温水の温度は100
℃〜450℃、好ましくは、150℃〜350℃であり、処理時
間は1時間〜300時間、好ましくは、1 時間〜30 時間
である。高温水の温度が100℃未満や処理時間が1時間未
満の場合は、応力誘起マルテンサイト変態が起こりにく
いため、単斜晶に十分に変態しない。一方、450℃を超
える高温水では、高温熱水処理装置の使用が制限されて
おり、処理時間が300時間を超えると、コーティング処
理に時間とコストがかかりすぎ、実用的でない。
ティングをヘリコプタや航空機等のガスタービンエンジ
ンに適用すると、ガスタービンの試運転時における熱環
境により、アブレイダブルコーティングの結晶構造が正
方晶又は立方晶に変態して硬さが増加する。このため、
2回目以降の通常運転においては、前記ガスタービンエ
ンジンに砂塵を巻き込んだ場合でも耐摩耗性を維持で
き、ブレードやシュラウドの摩耗を阻止することができ
る。
部分安定化ジルコニアセラミックスをコーティングする
ことにより、立方晶又は正方晶の結晶構造を有するジル
コニアセラミックス層を前記シュラウド材の表面に形成
するステップと、このジルコニアセラミックス層にショ
ットピーニングを施すことにより、ジルコニアセラミッ
クス層の結晶構造を単斜晶に変態させるステップとを含
むアブレイダブルコーティングの作製方法である。本発
明の別の態様は、前記部分安定化ジルコニアセラミック
スが、Y2O3,CaO,MgO,CeO2の群から選択される少なくと
も1つの安定化材を含むアブレイダブルコーティングの
作製方法である。このジルコニアセラミックスは、例え
ば、ZrO2+0.3〜20wt%Y2O3のように部分安定化ジルコニ
アセラミックスであることが必要である。
安定化材がY2O3であり、100重量部のZrO2と、0.3〜20重
量部のY2O3 とを含むアブレイダブルコーティングの作
製方法である。100重量部のZrO2に対して0.3重量部未満
のY2O3を添加すると、部分安定化ジルコニアセラミック
スを形成することが困難となる。この場合は、ガスター
ビン運転等による熱履歴を受けると、ジルコニアセラミ
ックス層の結晶構造が単斜晶から正方晶又は立方晶に変
態するが、その後冷却されると、元の軟らかい単斜晶に
戻るため、耐摩耗性に劣る。一方、ZrO2に対して20重量
部を超えるY2O3を添加すると、ジルコニアセラミックス
が完全安定化して応力誘起マルテンサイト変態が発生し
ないため、ジルコニアセラミックス層の結晶構造が正方
晶又は立方晶から十分に単斜晶に変態しない。
ョットピーニングを、ジルコニアより高い硬度を有する
ショット材を用いて行うアブレイダブルコーティングの
作製方法である。また、本発明の更に別の態様は、前記
ショット材が、シリコンカーバイト又はタングステンカ
ーバイトからなるアブレイダブルコーティングの作製方
法である。さらに、本発明は、前述された方法によって
作製されたアブレイダブルコーティングである。そし
て、本発明の一態様は、前記アブレイダブルコーティン
グを備えたシュラウドである。さらに、本発明の別の態
様は、前記シュラウドを備えたガスタービンである。
るアブレイダブルコーティングの作製方法について、図
面を用いて詳細に説明する。 [第1の実施の形態]図1は、第1の実施の形態に係るア
ブレイダブルコーティングの作製方法を示すフローチャ
ートである。
シュラウド材の表面にアンダーコートを施す。このアン
ダーコートは、シュラウド材と後述するジルコニアセラ
ミックス層との間に設けられ、両者の熱膨張による応力
を緩和及び吸収する作用を有し、耐酸化及び耐高温腐食
用のコーティング材料として一般に使用されているエム
クラリー(MCrAlY)、例えば、CoNiCrAlYを用いること
ができる。
rAlYを、大気中におけるプラズマ溶射によって100〜250
μmの厚みにコーティングする。溶射条件は、電流が約5
00〜600A、作動ガスは例えばアルゴンガスと水素ガスの
混合ガスが好ましい。該混合ガス中におけるアルゴンガ
スと水素ガスの混合比は約5対1が好ましく、混合ガスの
全体流量は40〜50リットル/分が好ましい。プラズマ溶
射トーチとシュラウド材との距離は、100〜150mmが、
粉体供給量は、30〜40g/分が好ましい。プラズマ溶射
は、溶射トーチを前記シュラウド材の表面に対して往復
運動させることにより行う。
-0.3〜20wt%Y2O3(例えば、ZrO2-8wt%Y2O3)を0.3〜2.2
mmの厚さに大気中において更にプラズマ溶射すること
により、ジルコニアセラミックス層を形成する。溶射条
件は、電流が約500〜600A、作動ガスは、アルゴンガス
と水素ガスの混合ガスが好ましい。混合ガスにおけるア
ルゴンガスと水素ガスの混合比は、約5対1が好ましく、
全体流量は40〜50リットル/分が好ましい。プラズマ溶
射トーチとアンダーコートとの距離は100〜150mmが、
粉体供給量は、30〜40g/分が好ましい。プラズマ溶射
は、前記アンダーコートの表面に対して往復運動させる
ことにより行う。
及びジルコニアセラミックス層を形成したものを高温熱
水処理することにより、ジルコニアセラミックス層を応
力誘起マルテンサイト変態させてアブレイダブルコーテ
ィングを形成する。高温水の温度は100〜450℃で、処理
時間は1〜300時間とする。例えば、純水を収容したオー
トクレーブ中で300℃の温度で10時間保持することによ
って、アブレイダブルコーティングを形成することがで
きる。
形態に係るアブレイダブルコーティングの作製方法を示
すフローチャートであり、ショットピーニングによって
ジルコニアセラミックス層を応力誘起マルテンサイト変
態させ、被切削性に優れたアブレイダブルコーティング
とする製造工程を示している。まず、耐熱鋼、例えばイ
ンコネル713C からなるシュラウド材にアンダーコート
を施す。該アンダーコートは、シュラウド材と後述する
ジルコニアセラミックス層との熱膨張緩和のために設け
られ、一般に使用されているMCrAlY、例えばCoNiCrAlY
をプラズマ溶射によって100〜250μmの厚みにコーティ
ングして形成する。
約500〜600A、作動ガスは、アルゴンガスと水素ガスの
混合ガスを用いて行うことが好ましい。また、混合ガス
中におけるアルゴンガスと水素ガスの混合比は約5対1
で、全体流量は40〜50リットル/分が好ましい。プラズ
マ溶射トーチとシュラウド材との距離は100〜150mmと
することが好ましく、粉体供給量は、30〜40g/分が好ま
しい。プラズマ溶射は、溶射トーチをシュラウド材に対
して往復運動させて吹き付けることによって行う。
溶射で0.3〜2.2mmの厚みにアンダーコートの上にさら
に溶射することによってジルコニアセラミックス層を形
成する。プラズマ溶射は、大気中で、電流約500〜600
A、作動ガスは、アルゴンガスと水素ガスの混合ガスが
好ましい。アルゴンガスと水素ガスの混合比は約5対1
で、全体流量は40〜50リットル/分が好ましい。プラズ
マ溶射トーチとシュラウド材との距離は100〜150mm
が、粉体供給量は、30〜40g/分が好ましい。プラズマ溶
射は、前記アンダーコートを溶射したシュラウド材に対
して溶射トーチを往復運動させ、0.3〜2.2mmの厚みに
コーティングを行う。
セラミックス層を形成したシュラウド材に対して、空気
式加速装置等を用いてショットピーニング処理を施すこ
とにより、ジルコニアセラミックス層に応力誘起マルテ
ンサイト変態を発生させ、これにより、ジルコニアセラ
ミックス層を単斜晶に変態させることができる。ショッ
トピーニング処理においては、平均粒径が0.1〜0.6mm
で、ジルコニアより硬質なシリコンカーバイトからなる
ショット粒子を使用することが好ましい。作動圧力は、
0.3〜0.7MPaで、投入ショット量は5〜30kg/minが好まし
い。また、投射角度は90°、投射時間は1〜30分間、及
びショットピーニングノズルからショットピーニングさ
れるシュラウドとの距離は、10〜30cmが好ましい。
明する。 [実施例1]図1に示すように、シュラウド材はインコ
ネル713C を用いた。まず、シュラウド材と後述するジ
ルコニアセラミックス層との熱膨張緩和のためにアンダ
ーコートとして、CoNiCrAlYをプラズマ溶射で100〜250
μmの厚みにコーティングを行った。プラズマ溶射は、
大気中において、電流が約500〜600A、作動ガスは、ア
ルゴンガスと水素ガスの混合ガスとした。アルゴンガス
と水素ガスの混合比は約5対1、全体流量は40〜50リット
ル/分とした。また、プラズマ溶射トーチとシュラウド
材との距離は100〜150mm、粉体供給量は30〜40g/min
とした。プラズマ溶射は、インコネル713Cに対して溶
射トーチを往復運動させ、100〜250μmの厚みにCoNiCrA
lYをコーティングした。
厚みにアンダーコートの上にさらにプラズマ溶射するこ
とにより、ジルコニアセラミックス層を形成した。プラ
ズマ溶射は、大気中で、電流が約500〜600A、作動ガス
は、アルゴンガスと水素ガスの混合ガスとした。アルゴ
ンガスと水素ガスの混合比は約5対1、全体流量は40〜50
リットル/分とした。また、プラズマ溶射トーチとシュ
ラウド材との距離は100〜150mm、粉体供給量は、30〜
40g/minとした。なお、プラズマ溶射は、アンダーコー
トに対して溶射トーチを往復運動させ、0.3〜2.2mmの
厚みにコーティングを行った。
ニアセラミックス層を応力誘起マルテンサイト変態させ
るために、純水のオートクレーブ中で温度300℃で10時
間保持した。表1に、本実施例1で処理を行ったアブイレ
イダブルコーティングの各段階におけるビッカース硬さ
を示す。比較をするために、本発明の範囲外であるジル
コニアセラミックスであるZrO2及びZrO2-30wt%Y2O3コー
ティングのデータも示す。
ース硬さ試験−試験方法」に準じてジルコニアコーティ
ングを形成した表面にダイヤモンド圧子を押し込んで測
定した。さらに、ガスタービンに適用した後の熱影響を
調べるために、本実施例1のコーティングを施したシュ
ラウドを用いてガスタービンを組み立て、定格運転を10
時間実施した。
水処理を用いてジルコニアセラミックスからなるコーテ
ィングに応力誘起マルテンサイト変態を発生させ、硬さ
を低下させることができた。
ド材は、インコネル713C を用いた。まず、シュラウド
材と後述するジルコニアセラミックス層との熱膨張緩和
のためにアンダーコートとして、CoNiCrAlYを大気中で
プラズマ溶射を行い、100〜250μmの厚みにコーティン
グを施した。プラズマ溶射の電流値は約500〜600A、作
動ガスは、アルゴンガスと水素ガスの混合ガスを用い
た。また、アルゴンガスと水素ガスの混合比を約5対1と
し、全体流量を40〜50リットル/分とした。プラズマ溶
射トーチとシュラウド材との距離は100〜150mmとし、
粉体供給量は、30〜40g/minとした。プラズマ溶射は、
シュラウド材に対して溶射トーチを往復運動させ、100
〜250μmの厚みにコーティングを行った。
マ溶射することにより0.3〜2.2mmの厚みのジルコニア
セラミックス層をアンダーコートの上にさらに形成し
た。プラズマ溶射の電流は約500〜600A、作動ガスはア
ルゴンガスと水素ガスの混合ガスとした。アルゴンガス
と水素ガスの混合比は約5対1で、全体流量は40〜50リッ
トル/分とした。また、プラズマ溶射トーチとシュラウ
ド材料との距離は100〜150mmとし、粉体供給量は30〜
40g/minとした。プラズマ溶射は、アンダーコートに対
して溶射トーチを往復運動させ、0.3〜2.2mmの厚みに
コーティングをした。
イト変態を発生させるために、空気式加速装置を用いて
ショットピーニング処理を実施した。該ショットピーニ
ング処理においては、平均粒径が0.1〜0.6mmである、ジ
ルコニアより硬質なシリコンカーバイトからなるショッ
ト粒子を使用した。作動圧力は、0.3〜0.7MPaとし、投
入ショット量は5〜30kg/min、投射角度は90°とした。
そして、投射時間は1〜30分間、ショットピーニングノ
ズルとシュラウドとの距離は、10〜30cmとした。
ーティングの各段階におけるビッカース硬さを示す。比
較のために同様な方法で得られた本発明の範囲外のZrO2
とZrO2+30wt%Y2O3コーティングのデータも示す。また、
ビッカース硬さは、JIS Z 2244「ビッカース硬さ試験
−試験方法」に準じてジルコニアコーティングを形成し
た表面からダイヤモンド圧子を押し込み実施した。さら
に、運転後の熱影響を調べるために、ガスタービンとし
て組み立て、10時間定格運転を実施した。
コニアセラミックスからなるコーティングにショットピ
ーニング処理により応力誘起マルテンサイト変態を発生
させ、硬さを低下させることができた。
ウドに適用する場合、ガスタービンの初回運転でチップ
クリアランスが調整される時点では、軟らかく被切削性
に優れているため、たとえ動翼の先端がシュラウドに接
触しても、アブレイダブルコーティングが切削され、回
転側の動翼が損傷等することがない。よって、チップク
リアランスをより小さくすることにより、ガスタービン
の性能向上を図ることができる。また、高温の熱履歴を
一旦受けると、結晶構造が元の立方晶又は正方晶に変態
するため、耐摩耗性が向上し、ガスタービンの耐久性を
上げることができる。
ティングをヘリコプタや航空機等のガスタービンエンジ
ンに適用すると、高温の熱履歴を受けたのちは硬さが増
加し、耐摩耗性を維持できるため、砂塵を巻き込んでも
ブレードやシュラウドが摩耗することがない。
ィングの作製方法を示すフローチャートである。
ィングの作製方法を示すフローチャートである。
Claims (9)
- 【請求項1】 シュラウド材に部分安定化ジルコニアセ
ラミックスをコーティングすることにより、立方晶又は
正方晶の結晶構造を有するジルコニアセラミックス層を
前記シュラウド材の表面に形成するステップと、このジ
ルコニアセラミックス層を形成したシュラウド材に、10
0℃〜450℃の温度で1時間〜300時間の間、高温熱水処理
を施すことにより、前記ジルコニアセラミックス層の結
晶構造を単斜晶に変態させるステップとを含むことを特
徴とするアブレイダブルコーティングの作製方法。 - 【請求項2】 シュラウド材に部分安定化ジルコニアセ
ラミックスをコーティングすることにより、立方晶又は
正方晶の結晶構造を有するジルコニアセラミックス層を
前記シュラウド材の表面に形成するステップと、このジ
ルコニアセラミックス層にショットピーニングを施すこ
とにより、ジルコニアセラミックス層の結晶構造を単斜
晶に変態させるステップとを含むことを特徴とするアブ
レイダブルコーティングの作製方法。 - 【請求項3】 前記部分安定化ジルコニアセラミックス
が、Y2O3,CaO,MgO,CeO2の群から選択される少なくとも
1つの安定化材を含むことを特徴とする請求項1又は2
に記載のアブレイダブルコーティングの作製方法。 - 【請求項4】 前記安定化材がY2O3であり、100重量部
のZrO2と、0.3〜20重量部のY2O3 とを含むことを特徴と
する請求項3に記載のアブレイダブルコーティングの作
製方法。 - 【請求項5】 前記ショットピーニングを、ジルコニア
より高い硬度を有するショット材を用いて行うことを特
徴とする請求項2〜4のいずれか一に記載のアブレイダ
ブルコーティングの作製方法。 - 【請求項6】 前記ショット材が、シリコンカーバイト
又はタングステンカーバイトからなることを特徴とする
請求項5に記載のアブレイダブルコーティングの作製方
法。 - 【請求項7】 前記請求項1〜6のいずれかに記載され
た方法によって作製されたことを特徴とするアブレイダ
ブルコーティング。 - 【請求項8】 前記請求項7のアブレイダブルコーティ
ングを備えたことを特徴とするシュラウド。 - 【請求項9】 前記請求項8のシュラウドを備えたこと
を特徴とするガスタービン。
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EP04016801A EP1469097A1 (en) | 2002-02-14 | 2003-02-03 | Abradable coating and method for forming same |
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Publication Number | Publication Date |
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JP3876168B2 JP3876168B2 (ja) | 2007-01-31 |
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