JP2007162613A - 表面平滑化皮膜を有する回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】付着した微粒子状のシリカ、酸化鉄等の粒子を容易に除去することができ効率低下を防止できる表面平滑化皮膜を有する回転機械を提供する。
【解決手段】気体が流通し同気体が直接接する部位に表面平滑化皮膜を有する回転機械において、同回転機械の表面平滑化皮膜はその表面粗さの最大高さＲｙが１．０μｍを超えないセラミックス層または炭素層で構成し、セラミックス層または炭素層は物理蒸着または化学蒸着で成膜したものとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービン、圧縮機等、気体が流通し、気体が直接接する部位に表面平滑化皮膜を有する回転機械であって、表面平滑化皮膜に微小な粒子を含む気体が接触して粒子が付着しても容易に付着粒子を除去できる表面平滑化皮膜を有する回転機械に関する。

従来の回転機械は蒸気やガスに動翼や静翼が直接接触するため、それら気体中の微小な粒子が付着して、回転機械の効率が低下する問題があった。例えば蒸気タービンでは、作動流体である蒸気が動翼やローター等に直接接触する。化学プラント等で各種のガスを圧縮する圧縮機はインペラやローター等が直接ガスに接触する。

回転機械の例として、蒸気タービン０１は一般に図５に例示するような構造を有し、蒸気入口弁０２、蒸気供給管０３を介して供給される蒸気の蒸気圧力を、回転動力に変換するものである。回転動力は図示しない発電機に利用される。回転動力を取り出すためのローター軸０４には複数のタービンディスク０５が取り付けられ、タービンディスク０５の外周には複数の動翼０６が動翼列を成して設けられている。動翼列の間には複数のノズルベーンを備えるノズル仕切板０７が配置され、ノズルベーンで整流された高温、高圧の蒸気が動翼０６へ噴射されて動翼０６がタービンディスク０５とともに回転し、ローター軸０４の回転として取り出される。

そのため、動翼０６には大きな遠心加速度が加えられ高温にさらされる。また、動翼０６やノズルベーン等の蒸気流通部の表面には、作動流体である蒸気に含まれる微粒子状のシリカ（二酸化珪素ＳｉＯ_２）、酸化鉄等の固体粒子が直接接触して付着し、動翼の表面の流体特性が悪化しタービン効率を低下させることとなった。

回転機械としての圧縮機においても、圧縮対象ガスには、微粒子状のシリカ、酸化鉄等の粒子が含まれており、これらの粒子がインペラに直接接触し付着するため、インペラの表面の流体特性が悪化し圧縮効率を低下させることとなった。

それに対して、蒸気タービンの動翼や圧縮機のインペラ等に、フッ素樹脂等のコーティングを施すことが検討されている。しかしながら、回転機械の動翼やインペラは回転するため、回転による遠心力の作用によって被覆層の耐久性が不十分となる問題があり樹脂コーティングには改善の余地が残されている。

また、特開平７−３４６０号公報（特許文献１）には、炭化水素流体と接触する機材金属表面上に分解生成物が付着するのを防止するため、金属表面に熱的に安定な金属酸化物、アモルファスガラス、金属フッ化物またはその混合物からなるコーティングを施すことが示されているが、粒子の付着を防止するとともに付着した粒子の除去容易なコーティングの条件について示すところはない。

特開平７−３４６０号公報（明細書全般）

回転機械は、上述のようにその動翼やインペラに直接接触する気体中の微小な粒子が付着する問題があるが、例えば蒸気タービンでは、そのような蒸気に接触する部位には１３％クロム系のステンレス鋼などが使用されている。その場合、１３％クロム系ステンレス鋼は、通常、表面粗さとして最大高さＲｙ＝１．５μｍ以上で施工されており、そのような粗い表面状態では蒸気中に含まれる微粒子状のシリカ、酸化鉄等の固体粒子が動翼等の蒸気流通部に付着し、蒸気タービンの効率を低下させる問題を起こし、また、付着した粒子を除去するために水洗を行っても容易に除去できない問題があった。

本発明は、上記の従来の問題点を解消し、付着したシリカ、酸化鉄等の粒子を容易に除去することができ効率低下を防止できる表面平滑化皮膜を有する回転機械を提供することを課題とするものである。

本発明は、上記の課題を解決するためになされ、下記の（１）から（７）の手段を提供するものであり、以下、特許請求の範囲に記載の順に説明する。

（１）その第１の手段として、気体が流通し同気体が直接接する部位に表面平滑化皮膜を有する回転機械において、前記表面平滑化皮膜はその表面粗さの最大高さＲｙが１．０μｍを超えないセラミックス層または炭素層であることを特徴とする表面平滑化皮膜を有する回転機械を提供する。

（２）第２の手段としては、第１の手段の表面平滑化皮膜を有する回転機械において、前記表面平滑化皮膜の表面粗さの最大高さＲｙが０．５μｍを超えないことを特徴とする表面平滑化皮膜を有する回転機械を提供する。

（３）また、第３の手段として、第２の手段の表面平滑化皮膜を有する回転機械において、前記表面平滑化皮膜の表面粗さの最大高さＲｙが０．１μｍ以上０．３μｍ以下であることを特徴とする表面平滑化皮膜を有する回転機械を提供する。

（４）第４の手段として、第１ないし第３のいずれかの手段の表面平滑化皮膜を有する回転機械において、前記表面平滑化皮膜は前記気体が直接接する部位の基材上に物理蒸着により成膜されてなることを特徴とする表面平滑化皮膜を有する回転機械を提供する。

（５）第５の手段として、第１ないし第３のいずれかの手段の表面平滑化皮膜を有する回転機械において、前記表面平滑化皮膜は前記気体が直接接する部位の基材上に化学蒸着により成膜されてなることを特徴とする表面平滑化皮膜を有する回転機械を提供する。

（６）第６の手段として、第１ないし第５のいずれかの手段の表面平滑化皮膜を有する回転機械において、前記表面平滑化皮膜は、同表面平滑化皮膜が設けられる部位の基材の表層に窒化硬質処理をして後、その窒化硬質層の上に設けられてなることを特徴とする表面平滑化皮膜を有する回転機械を提供する。

（７）第７の手段として、前記回転機械は蒸気タービンであることを特徴とする第1ないし第６のいずれかの表面平滑化皮膜を有する回転機械を提供する。

（１）特許請求の範囲に記載の請求項１の発明によれば、表面平滑化皮膜を有する回転機械を上記第１の手段のように構成したので、表面平滑化皮膜の表面粗さの最大高さＲｙが１．０μｍを超えないようにすることで、高い付着粒子除去性が確実に得られ且つ皮膜形成コストが抑制された表面平滑化皮膜が得られる。また、表面平滑化皮膜の水洗等による付着粒子除去が容易となるほか、表面平滑化皮膜がセラミックス層または炭素層なので使用環境に対し腐食、エロージョン等の問題が防止され、表面平滑化皮膜の表面粗さの経時的劣化が防止されて、気体が流通する回転機械の気体に直接接触する部位に気体中の微小な粒子が付着して回転機械の効率が低下することを防止することができる。

すなわち、回転機械を流通する気体中に含まれる微小な粒子の付着の除去が容易となり、皮膜形成コストを抑制しつつ粒子付着による効率の低下を防止できる回転機械となる。

（２）請求項２の発明によれば、表面平滑化皮膜を有する回転機械を上記第２の手段のように構成したので、請求項１の発明の作用効果において、表面平滑化皮膜の表面粗さの最大高さＲｙが０．５μｍを超えないようにすることで、より高い付着粒子除去性が確実に得られる。

（３）請求項３の発明によれば、表面平滑化皮膜を有する回転機械を上記第３の手段のように構成したので、請求項２の発明の作用効果において、表面平滑化皮膜の表面粗さの最大高さＲｙを０．１μｍ以上０．３μｍ以下としたことにより、皮膜形成コストを抑制しつつ極めて高い付着粒子除去率とが得られる。

（４）請求項４の発明によれば、表面平滑化皮膜を有する回転機械を上記第４の手段のように構成したので、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明の作用効果に加え、所定の表面粗さ条件（例えば、Ｒｙが１．０μｍを超えない、０．５μｍを超えない、また、０．１μｍ以上０．３μｍ以下、等）を満足させる皮膜の形成が容易となる。

（５）請求項５の発明によれば、表面平滑化皮膜を有する回転機械を上記第５の手段のように構成したので、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明の作用効果に加え、所定の表面粗さ条件（例えば、Ｒｙが１．０μｍを超えない、０．５μｍを超えない、また、０．１μｍ以上０．３μｍ以下、等）を満足させる皮膜の形成が容易となる。

（６）請求項６の発明によれば、表面平滑化皮膜を有する回転機械を上記第６の手段のように構成したので、請求項１ないし請求項５のいずれかの発明の作用効果に加え、基材の表層に窒化硬質層を設けることにより、基材に圧縮応力を付与することができ、その応力は表面平滑化皮膜を設けた後も残存するので、表面平滑化皮膜と基材の疲労強度を向上させるとともに粒子によるエロージョンへの耐性を向上させることができる。

（７）請求項７の発明によれば、蒸気タービンを第１ないし第６のいずれかの手段の回転機械のように構成したので、請求項１ないし請求項６のいずれかの発明の作用効果を蒸気タービンにおいて奏することができ、特に、流通する蒸気に直接接触する部位、例えば動翼の基材の表面に設けると、従来蒸気タービンにおいて問題だった動翼表面への蒸気中の微粒子状のシリカ、酸化鉄等の粒子付着による蒸気タービンの効率低下を防止できるほか、高温蒸気に対する耐食性も向上する。

本発明を実施するための最良の形態として一実施例を説明し、さらに評価試験例につき説明する。

図１は本発明の一実施例に係る表面平滑化皮膜を有する回転機械の要部としての表面平滑化皮膜と基材の断面模式図である。図１において、１は回転機械において表面平滑化皮膜２を施す基材であり、１ａはその表面であって、回転機械において微粒子状のシリカ、酸化鉄等の微小な粒子を含む気体（例えば蒸気）に直接接触する部位である。

本実施例において、基材１はステンレス鋼ＳＵＳ４１０Ｊ１からなり、その表面１ａの表面粗さは、バフ研磨により最大高さＲｙ＝０．１〜１．０μｍに仕上げられている。表面平滑化皮膜２はセラミックス層であり、基材１の表面１ａ上にマグネトロンスパッタ法で２μｍ厚に成膜されたＣｒＮ皮膜２１である。成膜後の表面平滑化皮膜２の表面２ａの表面粗さは基材１の表面１ａと同様に最大高さＲｙ＝０．１〜１．０μｍである。

また、本実施例において、基材１の表面粗さをバフ研磨により最大高さＲｙ＝０．１〜１．０μｍに仕上げ、表面平滑化皮膜２を炭素層として、基材表面１ａ上にイオン化蒸着（イオンプレーティング）法で１μｍ厚に成膜されたダイヤモンドライクカーボン皮膜２２としてもよい。成膜後の表面平滑化皮膜２の表面粗さは基材１の表面１ａと同様に最大高さＲｙ＝０．１〜１．０μｍである。

さらに、表面平滑化皮膜２は、イオン化蒸着法で成膜したＣｒＮ皮膜（セラミックス層）２１でも、マグネトロンスパッタ法で成膜したダイヤモンドライクカーボン皮膜（炭素層）２２でもよい。

なおＣｒＮ（窒化クロム）は表面平滑化皮膜２として用いるセラミックス層２１をなす好ましいセラミックスの一例であって、他の窒化金属、例えばＴｉＮ（窒化チタン）等でもよく、特に限定されない。

本発明は、表面平滑化皮膜を有する回転機械につき本発明者等が鋭意研究の結果見出した知見に基づくものであり、表面平滑化皮膜の粒子付着防止、付着粒子除去を容易化するとともに、それを皮膜形成コストの徒な増大を避けてなし得るものとしたことに特徴がある。

すなわち、付着した粒子の除去の観点からは基材１のコーティングの表面粗さは平滑化した方が好ましく、例えば表面の算術平均粗さＲａ＝０．０５μｍ以下に極めて平滑化することで付着した粒子の除去が容易となるが、徒に平滑化を高めても所要皮膜形成コストが急増する問題を生じることとなる。また、算術平均粗さＲａが０．０５μｍ以下という極めて平滑化されたものであっても、局部的に粗さが大きく最大高さＲｙ＝１．０μｍを超えるものは、それが原因となって付着粒子が基材１のアンカー作用で除去し難くなることを見出した。

よって、粒子付着防止、付着粒子除去容易化のためには、表面平滑化皮膜２の表面粗さの最大高さＲｙが１．０μｍ以下、すなわちＲｙが１．０μｍを超えないことが重要なファクターであり、本発明は表面粗さの最大高さＲｙを規定して、皮膜形成コストの上昇を抑制しつつ付着粒子の高い除去性が確実に得られる表面平滑化皮膜２を提供し、またそれを有する回転機械を提供しその効率を向上させるものである。

また、本発明は、上記実施例のごとく、その表面平滑化皮膜２として、ＣｒＮ皮膜等のセラミックス層２１、またはダイヤモンドライクカーボン皮膜等の炭素層２２を用いたことに特徴がある。回転機械の微小な粒子を含む気体に接触する部位の基材１の表面１ａ自体の表面粗さを所定の最大高さＲｙ＝１．０以下にしても粒子の除去性の容易化は一時的に得られるが、金属の表面１ａの平滑性すなわち表面粗さは使用環境に即して経時的に容易に変化し劣化するので、付着粒子除去性も失われやすい。回転機械としてはそのような容易な経時的変化は避ける必要がある。使用環境に対し腐食、エロージョン等の生じないセラミックス層２１、または炭素層２２を基材１上に成膜することでそのような問題を防止できるものとなった。

セラミックス層２１の材質は特に限定はないが、高硬度でエロージョン（摩耗）を受け難い点や、高温ガス（特に高温蒸気）に対する耐食性等からＣｒＮ、ＴｉＮ等の窒化物が好ましい。炭素層２２としては、ダイヤモンドライクカーボンが上記同様耐環境性から好ましい。

表面平滑化皮膜２の形成手段としては化学蒸着（イオンプレーティング）またはスパッタリング等の物理蒸着が好ましい。セラミックス層２１または炭素層２２の形成方法として一般的には、（ａ）溶射法、（ｂ）化学蒸着法、（ｃ）ディスパージョン浸漬・焼結法、（ｄ）セラミックタイル貼り付け法、（ｅ）物理蒸着法、等が考えられるが、溶射法、ディスパーション浸漬・焼結法、セラミックタイル貼り付け法では、所定の表面粗さ条件（例えばＲｙが、１．０μｍを超えない、０．５μｍを超えない、また、０．１μｍ以上０．３μｍ以下、等）を満足させるための研磨が極めて困難であるため、上記（ｂ）化学蒸着法、（ｅ）物理蒸着法を採用する。

なお、上記実施例の表面平滑化皮膜を有する回転機械の表面平滑化皮膜２は、特に、図５に示したような蒸気タービン０１において微小な粒子を含む蒸気に直接接触する部位、例えば動翼０６の基材１の表面１ａに設けると、従来蒸気タービン０１において問題だった動翼０６表面への粒子付着による蒸気タービン０１の効率低下を、皮膜形成コスト増大を抑制しつつ防止できる。また、高温蒸気に対する耐食性も向上する。

また、蒸気タービン０１の動翼０６は通常多段に構成されるが、その場合、第１段の動翼は粒子によるエロージョンの方がクリティカルであり相対的に粒子付着問題は少ないため、第１段動翼は耐摩耗性コーティングを施し、第２段以降の動翼に本実施例の表面平滑化皮膜２を施すことが効率的である。さらに、最後段側の動翼は、水滴付着問題が生じる場合があり、その場合はその問題を解決するためのコーティングを本実施例の表面平滑化皮膜２に代えて施すことが好ましい。

なお、本実施例の表面平滑化皮膜２を設ける蒸気タービンとしては、図５に示す蒸気タービン０１のような形式、構造のものに限定されるものではなく、本実施例の表面平滑化皮膜２は、蒸気タービン一般に効果的に適用されるものである。また、本実施例の表面平滑化皮膜２が、蒸気タービンに限らず、圧縮機等気体が流通する回転機械一般の気体が直接接する部位に設けられるものであることは勿論である。

本実施例の変形例として、図１中に２点鎖線で窒化硬質層３を示すように、基材１の表層１ｂに窒化硬質処理をして後、その窒化硬質層３の上に施される表面平滑化皮膜２とすると、より好ましい表面平滑化皮膜２となる。

すなわち、基材１の表層１ｂに窒化硬質層３を設けることにより、基材１に圧縮応力を付与することができ、その応力は表面平滑化皮膜２（セラミックス層２１または炭素層２２）を設けた後も残存するので、表面平滑化皮膜２と基材１の疲労強度を向上させるとともに粒子によるエロージョンへの耐性を向上させることができる。

また、窒化硬質層３としては、ラジカル窒化層が好ましく、ラジカル窒化法により形成された窒化硬質層３は脆弱な変質層が無く、疲労特性に対し強く、基材１の疲労特性と比較して疲労強度を向上させることができる。

以下に、図２から図４に基づいて、本発明の実施例１に係る表面平滑化皮膜を有する回転機械の表面平滑化皮膜２の付着粒子に対する付着粒子除去性の評価試験を示し、説明する。図２（ａ）は、評価試験において用いた粒子付着装置の構成説明図であり、同図（ｂ）は、（ａ）中Ａ部拡大図である。図３は評価試験において用いた付着粒子除去評価装置の構成説明図であり、図４は評価試験による付着粒子除去率比較表である。

〔評価試験〕
本発明における表面平滑化皮膜２の供試材、比較材、及び従来材の各試験片１０を、以下のように作製し、粒子付着装置３０によりシリカを付着させ、その後、付着粒子除去評価試験装置４０を用いて付着粒子除去率を得て、それぞれの粒子除去性を評価した。なお、下記供試材、比較材、従来材はともに、基材の窒化硬質処理は行っていない。
（１）試験片
ａ）試験片の基材；
材質：ＳＵＳ４１０Ｊ１
寸法：２０ｍｍ長×２０ｍｍ幅×５ｍｍ厚
ｂ）供試材；
●供試材Ａ１、Ａ２、Ａ３
３つの基材の表面粗さをバフ研磨により、それぞれ最大高さＲｙ＝０．１、０．３、０．５μｍに仕上げ、マグネトロンスパッタ法（物理蒸着法）によりＣｒＮ皮膜２１を２μｍ成膜し、それぞれ供試材Ａ１、Ａ２、Ａ３とした。成膜後の供試材Ａ１〜Ａ３の表面粗さは、それぞれ基材と同様の最大高さＲｙ＝０．１、０．３、０．５μｍであった。

●供試材Ａ４、Ａ５
２つの基材の表面粗さをバフ研磨および砥石研磨により、それぞれ最大高さＲｙ＝０．７、１．０μｍに仕上げ、マグネトロンスパッタ法によりＣｒＮ皮膜２１を２μｍ成膜し、それぞれ供試材Ａ４、Ａ５とした。成膜後の供試材Ａ４、Ａ５の表面粗さは、それぞれ基材と同様の最大高さＲｙ＝０．７、１．０μｍであった。

□供試材Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３
３つの基材の表面粗さをバフ研磨により、それぞれ最大高さＲｙ＝０．１、０．３、０．５μｍに仕上げ、イオン化蒸着法（化学蒸着法）によりダイヤモンドライクカーボン皮膜２２を１μｍ成膜し、それぞれ供試材Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３とした。成膜後の供試材Ｂ１〜Ｂ３の表面粗さは、それぞれ基材と同様の最大高さＲｙ＝０．１、０．３、０．５μｍであった。

□供試材Ｂ４、Ｂ５
２つの基材の表面粗さをバフ研磨および砥石研磨により、それぞれ最大高さＲｙ＝０．７、１．０μｍに仕上げ、イオン化蒸着法によりダイヤモンドライクカーボン皮膜２２を１μｍ成膜し、それぞれ供試材Ｂ４、Ｂ５とした。成膜後の供試材Ｂ４、Ｂ５の表面粗さは、それぞれ基材と同様の最大高さＲｙ＝０．７、１．０μｍであった。

ｃ）比較材；
●比較材Ａ６、Ａ７
２つの基材の表面粗さをバフ研磨および砥石研磨により、それぞれ最大高さＲｙ＝１．５、３．０μｍに仕上げ、マグネトロンスパッタ法によりＣｒＮ皮膜２１を２μｍ成膜し、それぞれ比較材Ａ６、Ａ７とした。成膜後の比較材Ａ６、Ａ７の表面粗さは、それぞれ基材と同様の最大高さＲｙ＝１．５、３．０μｍであった。

□比較材Ｂ６、Ｂ７
２つの基材の表面粗さをバフ研磨により、それぞれ最大高さＲｙ＝１．５、３．０μｍに仕上げ、イオン化蒸着法によりダイヤモンドライクカーボン皮膜２２を１μｍ成膜し、それぞれ比較材Ｂ６、Ｂ７とした。成膜後の比較材Ｂ６、Ｂ７の表面粗さは、それぞれ基材と同様の最大高さＲｙ＝１．５、３．０μｍであった。

ｄ）従来材；
△従来材Ｃ１
１つの基材の表面粗さをバフ研磨および砥石研磨により、最大高さＲｙ＝３．０μｍに仕上げ、従来材Ｃ１とした。
（２）粒子付着試験
図２に示す粒子付着装置３０により、以下のごとく粒子付着試験を行なった。

Ａ：試験手順
ａ）試験片１０を固定用ドラム３１の周面の凹部３１ａに嵌め込み裏側から固定した。

ｂ）固定用ドラム３１（直径３００ｍｍ×幅１００ｍｍ）をゆっくり回転Ｒさせながら、粒子供給装置３２から供給された超微粒子状のシリカ（ＳｉＯ_２）を窒素（Ｎ_２）ガスにより試験片１０の表面に吹き付けた。

ｃ）固定用ドラム３１の下方に水タンク３３を設置し、１００℃で沸騰させて常時水分を試験片１０の表面に供給した。

ｄ）また、固定用ドラム３１の内側に設置した図示しないヒーターにより、試験中継続して試験片１０を一定温度（８０℃）に加熱保持した。

ｅ）シリカ粒子付着厚さ０．１ｍｍの試験片１０を得た。

なお、表面粗さの最大高さＲｙの小さいものほど所定厚さのシリカ粒子の付着堆積に時間を要すことが認められたが、本試験は所定厚さ（０．１ｍｍ）のシリカ粒子付着層を得た上で、その除去性を定量的に検証するためのものとした。

Ｂ：試験条件
・固定ドラム回転数：１０ｒｐｍ
・シリカ粒子：日本アエロジル製 フュームドシリカ グレード５０
・試験片温度：８０℃
・シリカ衝突速度：３００ｍ／ｓ
・シリカ付着厚み：０．１ｍｍ
（３）付着粒子除去性の評価試験
図３に示す付着粒子除去評価試験装置４０を用い、以下のごとく付着粒子除去性の評価試験を行った。

ａ）シリカ粒子が０．１ｍｍ厚さ付着した試験片１０を水平にセットした。

ｂ）試験片１０のシリカ付着面から８０ｍｍ離れた位置より、スチームクリーナー４１（シー・シー・ピー社製Ｃ−６００）によって試験片１０に直角に蒸気を６００秒噴射した。

ｃ）試験片１０を１２０℃で１時間乾燥後、シリカ粒子残存面の表面面積を測定した。

ｄ）洗浄後のシリカ粒子残存率（シリカ粒子残存面の面積率）により、
付着粒子除去率＝１−シリカ粒子残存率
として、付着粒子除去性を評価した。

図４は、試験片１０として、上記供試材、比較材、従来材につき上記粒子付着試験、
付着粒子除去性の評価を行なった結果を示すものであり、横軸に各試験片の表面粗さの最大高さＲｙ（μｍ）、縦軸に付着粒子除去率（％）をとっている。

図４中各試験片は、以下のように示される。

・供試材Ａ１〜Ａ５、および比較材Ａ６、Ａ７については、●印
・供試材Ｂ１〜Ｂ５、および比較材Ｂ６、Ｂ７については、□印
・従来材Ｃ１については、△印
なお、シリカ粒子残存率として付着堆積シリカの体積（質量）の残存率によらずシリカ粒子残存面の面積率をとったのは、付着堆積したシリカ粒子の除去においてコーティング（表面平滑化皮膜２）の影響があるのは、シリカ粒子付着層のうちコーティング面に直接接する部分であり、それよりも上部のシリカ粒子付着層の除去はコーティングによる違いがほとんど無いので、面積率を取る方が付着粒子除去性を的確に表せるためである。

図４に示されるように、表面粗さの最大高さＲｙが３．０μｍ〜１．５μｍの●印の比較材Ａ６、Ａ７、□印の比較材Ｂ６、Ｂ７では、Ｒｙが３．０μｍの△印の従来材Ｃ１に比べ付着粒子除去率の向上がほとんど見られないが、Ｒｙが１．０μｍ以下の●印の供試材Ａ５、Ａ４、□印の供試材Ｂ５、Ｂ４において、付着粒子除去率の急増大が得られた。

さらに、Ｒｙが０．５μｍ以下の●印の供試材Ａ３、Ａ２、Ａ１、□印の供試材Ｂ３、Ｂ２、Ｂ１においては、付着粒子除去率の増大が極めて顕著に現れた。特に、Ｒｙが０．３μｍ以下０．１μｍ以上の供試材Ａ２、Ａ１、Ｂ２、Ｂ１においては、付着粒子除去率が９０％を超え且つその増大が略停滞する状態となる。

すなわち、表面粗さの最大高さＲｙが１．０μｍを超えない表面平滑化皮膜２は、付着粒子除去性に優れ、表面粗さの最大高さＲｙが０．５μｍを超えない表面平滑化皮膜２は、さらに付着粒子除去性に優れており、より好ましい表面平滑化皮膜２となることが分かり、徒に極端な平滑化処理を行い皮膜形成コストの増大を招くこと無く、上記範囲で表面粗さの最大高さＲｙを設定することにより、図４に示すような付着粒子除去率が得られることが示された。特に、Ｒｙが０．３μｍ以下０．１μｍ以上において、付着粒子除去率が９０％を超え且つその増大が略停滞する状態となることと、０．１μｍより下回るＲｙを得る場合の皮膜形成コスト急増の観点から、最大高さＲｙが０．１μｍ以上０．３μｍに設定すれば、極めて高い付着粒子除去率とコスト抑制が得られ好ましい。

〔試験片表面粗さの変化の測定〕
表面平滑化皮膜２の供試材、及び従来材の各試験片１０を、以下のように作製し、本実施例における表面平滑化皮膜２（ＣｒＮ皮膜２１、ダイヤモンドライクカーボン皮膜２２）が、水蒸気中で表面粗さが変化しないかを以下のように確認した。なお、下記供試材、比較材、従来材はともに、基材の窒化硬質処理は行っていない。
（１）試験片
ａ）試験片の基材；
材質：ＳＵＳ４１０Ｊ１
寸法：２０ｍｍ長×２０ｍｍ幅×５ｍｍ厚
ｂ）供試材；
●供試材Ａ８
１つの基材の表面粗さをバフ研磨により、最大高さＲｙ＝０．５μｍに仕上げ、マグネトロンスパッタ法によりＣｒＮ皮膜２１を２μｍ成膜し、供試材Ａ８とした。成膜後の供試材８の表面粗さは、基材と同様の最大高さＲｙ＝０．５μｍであった。

□供試材Ｂ８
１つの基材の表面粗さをバフ研磨により、最大高さＲｙ＝０．５μｍに仕上げ、イオン化蒸着法によりダイヤモンドライクカーボン皮膜２２を１μｍ成膜し、供試材Ｂ８とした。成膜後の供試材Ｂ８の表面粗さは、基材と同様の最大高さＲｙ＝０．５μｍであった。

ｃ）従来材；
△従来材Ｃ２
１つの基材の表面粗さをバフ研磨および砥石研磨により、最大高さＲｙ＝０．５μｍに仕上げ、従来材Ｃ２とした。
（２）試験方法
試験片を挿入した図示しないチャンバーを温度８０℃に保持し、同チャンバー内に蒸気を２Ｌ／分で連続的に２００時間流した。
（３）結果
２００時間後の各試験片の表面粗さを測定結果、供試材Ａ８のＣｒＮ皮膜２１、供試材Ｂ８のダイヤモンドライクカーボン皮膜２２はともに最大高さＲｙ＝０．５μｍであり、試験前と同じで変化は認められなかった。

一方、従来材Ｃ２の表面粗さは、最大高さがＲｙ＝０．７μｍに増大した。

この結果より、本実施例における表面平滑化皮膜２（ＣｒＮ皮膜２１、ダイヤモンドライクカーボン皮膜２２）は平滑さ（表面粗さ）の維持効果があることが認められ、粒子付着防止、付着粒子除去性の作用効果が維持されることを確認した。

以上、本発明を図示の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造、構成に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。

本発明の一実施例に係る表面平滑化皮膜を有する回転機械の要部としての表面平滑化皮膜と基材の断面模式図である。 （ａ）は、評価試験において用いた粒子付着装置の構成説明図であり、（ｂ）は、（ａ）中Ａ部拡大図である。 評価試験において用いた付着粒子除去評価試験装置の構成説明図である。 評価試験による付着粒子除去率比較表である。 蒸気タービンの一般的な構造例説明図である。

符号の説明

１ 基材
１ａ 表面
１ｂ 表層
２ 表面平滑化皮膜
２ａ 表面
２１ ＣｒＮ皮膜（セラミックス層）
２２ ダイヤモンドライクカーボン層（炭素層）
３ 窒化硬質層
１０ 試験片
３０ 粒子付着装置
３１ 固定用ドラム
３１ａ 凹部
３２ 粒子供給装置
３３ 水タンク
４０ 付着粒子除去評価試験装置
４１ スチームクリーナー

Claims (7)

1. 気体が流通し同気体が直接接する部位に表面平滑化皮膜を有する回転機械において、前記表面平滑化皮膜はその表面粗さの最大高さＲｙが１．０μｍを超えないセラミックス層または炭素層であることを特徴とする表面平滑化皮膜を有する回転機械。
2. 請求項１に記載の表面平滑化皮膜を有する回転機械において、前記表面平滑化皮膜の表面粗さの最大高さＲｙが０．５μｍを超えないことを特徴とする表面平滑化皮膜を有する回転機械。
3. 請求項２に記載の表面平滑化皮膜を有する回転機械において、前記表面平滑化皮膜の表面粗さの最大高さＲｙが０．１μｍ以上０．３μｍ以下であることを特徴とする表面平滑化皮膜を有する回転機械。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の表面平滑化皮膜を有する回転機械において、前記表面平滑化皮膜は前記気体が直接接する部位の基材上に物理蒸着により成膜されてなることを特徴とする表面平滑化皮膜を有する回転機械。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の表面平滑化皮膜を有する回転機械において、前記表面平滑化皮膜は前記気体が直接接する部位の基材上に化学蒸着により成膜されてなることを特徴とする表面平滑化皮膜を有する回転機械。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の表面平滑化皮膜を有する回転機械において、前記表面平滑化皮膜は、同表面平滑化皮膜が設けられる部位の基材の表層に窒化硬質処理をして後、その窒化硬質層の上に設けられてなることを特徴とする表面平滑化皮膜を有する回転機械。
7. 前記回転機械は蒸気タービンであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の表面平滑化皮膜を有する回転機械。
   

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