JP2007169703A - 溶射皮膜を有する部材、その部材を備えた回転機械、ならびに溶射皮膜形成方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】腐食環境、高温、繰り返し荷重において用いられる装置の部材として適し、靭性を有し耐食性、耐疲労性が高い溶射皮膜を有する部材と、その部材を備える回転機械と、その部材を製造する溶射皮膜形成方法および溶射皮膜形成装置を提供する。
【解決手段】溶射皮膜を有する部材を、溶射皮膜は、金属粉末と、加熱することにより気化する有機金属化合物を気化した後酸化して生成した金属酸化物（セラミックス）粉末とを、部材の表面に同時に溶射して形成したものとし、回転機械はその部材を備え、溶射皮膜形成方法、装置は、加熱することにより気化する有機金属化合物を気化した後酸化して金属酸化物粉末を生成し、金属粉末と金属酸化物粉末とを、部材の表面に同時に溶射するものとした。
【選択図】図２

Description

本発明は、腐食環境、繰り返し荷重に対して、耐食性、耐疲労性を向上させる溶射皮膜を有する部材に関し、また、その溶射皮膜を有する部材を備えた回転機械、ならびにその溶射皮膜を有する部材を製造する溶射皮膜形成方法および溶射皮膜形成装置に関する。

蒸気タービンや圧縮機等、気体によって駆動され、または気体を圧縮する回転機械は、ローター軸に設けられた動翼やインペラ等が流通する気体に接触し腐食作用を受け、あるいは繰り返し荷重による疲労を受けるため、そのような部材の表面には耐食性、耐疲労性を向上させる溶射皮膜が設けられる。

そのような回転機械の例として、蒸気タービン０１は一般に、図７にその構造例説明図を示すような構造を有し、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等の蒸気流通部の表面は、作動流体である蒸気に含まれる塩素Ｃｌ、ＮａＣｌ等の不純物の影響を受け、腐食作用を受けることになる。また、回転に伴う遠心力の他、蒸気との間の繰り返し荷重を受けるため、疲労荷重を受ける。回転機械としての圧縮機においても、同様に腐食作用と疲労荷重を受けることが多い。

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の部材に、セラミックスやサーメットのコーティングを施すことが検討されている。

図８は、従来のプラズマ溶射法による溶射皮膜形成装置０２０の構成説明図である。図８に示すように溶射皮膜形成装置０２０はプラズマガスａが供給されるプラズマ溶射ガン０２１を備え、その陰極０２２から発するプラズマジェット０２３中に粉末投入部０２４からセラミックス粉末ｂ、またはサーメット粉末ｃがＡｒ等のキャリヤガスｄによって供給される。供給された粉末ｂ（ｃ）はプラズマジェット０２３中で溶融されながら、溶融皮膜０２４を表面上に形成すべき部材０２５を基材０２５ａとして基材０２５ａの表面上に溶射され、溶射皮膜０２６を形成する。

この場合、セラミックスとは通常金属酸化物、例えばＡｌ_２Ｏ_３であるが、種々の金属の酸化物、窒化物、炭化物、珪化物等が用いられる。また、サーメットとは金属にセラミックスを分散させた焼結複合材料であるが、例えば、Ｎｉ合金やＮｉＣｒ合金とセラミックスの金属の組み合わせである。なお、プラズマジェット０２３の温度は、２０００℃以上の領域にまでできるので、セラミックス粉末単独でも溶射皮膜を形成できる。

図９は、従来の燃焼炎溶射法による溶射皮膜形成装置０３０の構成説明図である。図９に示すように溶射皮膜形成装置０３０は高速フレーム（ｆｌａｍｅ）溶射ガン０３１を備え、空気、酸素等（Ｏ_２）ｅとケロシン等の燃料ｆが供給され燃焼を行う燃焼部０３２から燃焼炎０３３が放出されるバレル部０３４を備え、バレル部０３４中の燃焼炎０３３中に粉末投入部０３５からサーメット粉末ｃがＡｒ等のキャリヤガスｄによって供給される。供給された粉末ｃは、燃焼炎０３３中で溶融されながら、溶融皮膜０３５を表面上に形成すべき部材０３６を基材０３６ａとして基材０３６ａの表面上に溶射され、溶射皮膜０３５を形成する。図９中、０３７はスパークプラグ、０３８は冷却ジャケット、ｇは冷却水である。

なお、燃焼炎溶射法の場合、燃焼炎の温度がプラズマジェット０２３より比較的低いので、溶融した金属成分によってセラミックス成分を共に溶射皮膜形成できるサーメット粉末ｃの溶射に用いられることが多い。

しかしながら、以上のような従来の溶射皮膜形成装置、方法には次のような問題点があった。すなわち、セラミックス粉末の場合も、サーメット粉末の場合も、原料粉末は数１０μｍ〜１０μｍ程度まで微細化しなければならないが、その原料粉末製造コストが大きい。また、そのように微細化した場合でも、依然溶射皮膜としては粒子が大きいと言わざるを得ず、溶射皮膜中に気孔、割れが生じやすく、それら気孔や割れが耐食性、耐疲労性の性能に限界を生じるため、不十分なものであった。

それに対して、より微細なセラミックス粉末を得て溶射皮膜に用いることが検討されている。例えば、特開平５−９００５号公報（特許文献１）には、熱プラズマ炎中に金属アルコキシド（アルコール類の水酸基−ＯＨのＨを金属Ｍで置換した化合物）の加水分解生成物を加えることにより、金属アルコキシド中の金属成分の超微粒子状の金属酸化物（セラミックス）を得つつ、生成された金属酸化物を基板上に溶射することが示されている。

しかしながら、同文献においては、一般的な用途向けに、金属アルコキシドの種類、金属、熱プラズマ炎中に加えるに際しての前処理等については種々考察が示されてはいるが、生成された溶射皮膜はセラミックスのみによる溶射皮膜である性質上、依然問題を有している。

すなわち、金属アルコキシドから生成した金属酸化物（セラミックス）粒子は、０．１μｍ以下のオーダーの微粒子であって、成膜したセラミックス溶射皮膜は非常に緻密になり得るが、薄膜状のセラミックスであるため靭性に欠け、脆い点が欠点であり、繰り返し荷重に対する耐疲労性に問題があり、特に上記のように腐食環境、高温、繰り返し荷重において用いられる部材の溶射皮膜としては充分とはいえなかった。
特開平５−９００５号公報（明細書３、４頁）

本発明は、上記のような従来の溶射皮膜の問題点を解消し、蒸気タービン等の回転機械のような腐食環境、高温、繰り返し荷重において用いられる装置の部材として適し、靭性を有し耐食性、耐疲労性が高い溶射皮膜を有する部材と、そのような溶射皮膜を有する部材を備える回転機械と、その溶射皮膜を有する部材を製造する溶射皮膜形成方法および溶射皮膜形成装置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（９）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、溶射皮膜を有する部材において、前記溶射皮膜は、金属粉末と、加熱することにより気化する有機金属化合物を気化した後酸化して生成した金属酸化物粉末とを、前記部材を基材としてその表面に同時に溶射して形成したものであることを特徴とする溶射皮膜を有する部材を提供する。

（２）第２の手段としては、第１の手段の溶射皮膜を有する部材を備えてなることを特徴とする回転機械を提供する。

（３）また、第３の手段として、第１の手段の溶射皮膜を有する部材を製造する溶射皮膜形成方法であって、加熱することにより気化する有機金属化合物を気化した後酸化して金属酸化物粉末を生成し、金属粉末と前記金属酸化物粉末とを、前記部材を基材としてその表面に同時に溶射することを特徴とする溶射皮膜形成方法を提供する。

（４）第４の手段として、第１の手段の溶射皮膜を有する部材を製造する溶射皮膜形成装置であって、溶射を行なうフレーム溶射ガンと、金属粉末を同フレーム溶射ガンに供給する金属粉末供給装置と、加熱することにより気化する有機金属化合物を気化した後酸化して金属酸化物粉末を生成し前記フレーム溶射ガンに供給するセラミックス粉末供給装置とを備えてなることを特徴とする溶射皮膜形成装置を提供する。

（５）第５の手段として、第４の手段の溶射皮膜形成装置において、前記金属粉末と金属酸化物粉末とを前記フレーム溶射ガンの上流側で軸方向において同位置で同フレーム溶射ガンに投入するように構成されてなることを特徴とする溶射皮膜形成装置を提供する。

（６）第６の手段として、第４の手段の溶射皮膜形成装置において、前記フレーム溶射ガンの軸方向において前記金属粉末より金属酸化物粉末を下流側位置で同フレーム溶射ガンに投入するように構成されてなることを特徴とする溶射皮膜形成装置を提供する。

（７）第７の手段として、第４の手段の溶射皮膜形成装置において、前記金属粉末と金属酸化物粉末とを予め混合した後前記フレーム溶射ガンに投入するように構成されてなることを特徴とする溶射皮膜形成装置を提供する。

（８）第８の手段として、第１の手段の溶射皮膜を有する部材を製造する溶射皮膜形成装置であって、溶射を行なうフレーム溶射ガンを備えるとともに、金属粉末を供給する金属粉末供給装置と、加熱することにより気化する有機金属化合物を気化し同有機金属化合物の気化ガスを供給する気化器と、前記金属粉末と前記気化ガスを混合後共に加熱して前記金属粉末の粒子の周囲に前記気化ガスを酸化して得られた金属酸化物粉末が付着した金属／セラミックス複合粉末を形成する加熱装置とを有し、同金属／セラミックス複合粉末を前記フレーム溶射ガンに供給する金属／セラミックス複合粉末供給装置を備えてなることを特徴とする溶射皮膜形成装置を提供する
（９）第９の手段として、第４、第５、第７ないし第８のいずれかの手段の溶射皮膜形成装置において、前記フレーム溶射ガンに代えてプラズマ溶射ガンを備えるとともに、前記各粉末を、フレーム溶射ガンに投入することに代えて前記プラズマ溶射ガンから発するプラズマジェットに投入することを特徴とする溶射皮膜形成装置を提供する。

（１）特許請求の範囲に記載の請求項１の発明によれば、溶射皮膜を上記第１の手段のように構成したので、溶射皮膜が単にセラミックス（金属酸化物）成分のみによらず、溶融セラミックス成分が溶融金属成分と混合されたサーメット状に形成されるため、セラミックスの欠点の脆さが解消し、靭性の高い溶射皮膜とすることができ繰り返し荷重に対する耐性が増大し、且つ、セラミックス成分が有機金属化合物の気化ガスから生成した極めて微細な粒子の粉末であるため燃焼炎溶射法でも良好に溶融すると共に気孔、割れ等の欠陥が生じ難い緻密な溶射皮膜を形成するものとなる。したがって、従来の課題であった耐食性と耐疲労性の高い溶射皮膜を有する部材が得られる。

従って例えば、溶射皮膜を有する部材として蒸気タービンの動翼に適用した場合は、蒸気タービンのように腐食環境、高温、繰り返し荷重において用いられる部材として適し、靭性を有し耐食性、耐疲労性が高い溶射皮膜を有する動翼となる。

（２）請求項２の発明によれば、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より、請求項１の溶射皮膜を有する部材を備えた蒸気タービン、圧縮機等の回転機械は、作動流体から厳しい腐食環境、高温、繰り返し荷重を受ける部材が、靭性を有し耐食性、耐疲労性が高い溶射皮膜を有するので、信頼性と保守性が向上し、回転機械としての運転の安定性、安全性、効率を向上させることができる。

（３）請求項３の発明によれば、溶射皮膜形成方法を上記第３の手段のように構成したので、溶射皮膜が単にセラミックス（金属酸化物）成分のみによらず、溶融セラミックス成分が溶融金属成分と混合されたサーメット状に形成されるため、セラミックスの欠点の脆さが解消し、靭性の高い溶射皮膜を形成することができ繰り返し荷重に対する耐性が増大し、且つ、セラミックス成分が金属アセチルアセトナトから生成した極めて微細な粒子の粉末であるため燃焼炎溶射法でも良好に溶融すると共に気孔、割れ等の欠陥が生じ難い緻密な溶射皮膜を形成することができる。したがって、従来の課題であった耐食性と耐疲労性の高い溶射皮膜を形成できる。

しかも、有機金属化合物からセラミックス（金属酸化物）粉末を生成するので、従来セラミックスの粉末化のために要した装置、工程が不要になり、一方、金属粉末は従来の粉末供給装置と同様のもので供給できるので、溶射皮膜形成のコストは大幅に低減できるものとなる。

（４）請求項４の発明によれば、溶射皮膜形成装置を上記第４の手段のように構成したので、形成する溶射皮膜が単にセラミックス（金属酸化物）成分のみによらず、溶融セラミックス成分が溶融金属成分と混合されたサーメット状に形成されるため、セラミックスの欠点の脆さが解消し、靭性の高い溶射皮膜とすることができ繰り返し荷重に対する耐性が増大し、且つ、セラミックス成分が有機金属化合物から生成した極めて微細な粒子の粉末であるためフレーム溶射ガンによる燃焼炎溶射法でも良好に溶融すると共に気孔、割れ等の欠陥が生じ難い緻密な溶射皮膜を形成するものとできる。したがって、従来の課題であった耐食性と耐疲労性の高い溶射皮膜を形成できる。

しかも、有機金属化合物からセラミックス（金属酸化物）粉末を生成するので、従来セラミックスの粉末化のために要した装置、工程が不要になり、一方、金属粉末供給装置は従来の粉末供給装置と同じであって、フレーム溶射ガンは従来のものと同様の構造であるので、溶射皮膜形成装置を構成するコストや、溶射皮膜を形成するコストは大幅に低減できるものとなる。

（５）請求項５の発明によれば、溶射皮膜形成装置を上記第５の手段のように構成したので、請求項４の発明の効果に加えて、超微粉状のセラミックス（金属酸化物）粉末と金属粉末が、高温のフレーム中で良好に溶融され且つ良好に混合されて放出され、基材（部材）上に緻密なサーメット状の溶射皮膜を形成することができる。

（６）請求項６の発明によれば、溶射皮膜形成装置を上記第６の手段のように構成したので、請求項４の発明の効果に加えて、溶融したセラミックス（金属酸化物）粉末がフレーム溶射ガンの先端周辺に付着することが低減し、溶射皮膜形成装置の運転効率が向上する他、セラミックス付着物が剥離して溶射皮膜上に吹き付けられて付着し、欠陥部を生じる恐れが低減する。

（７）請求項７の発明によれば、溶射皮膜形成装置を上記第７の手段のように構成したので、請求項４の発明の効果に加えて、金属粉末とセラミックス（金属酸化物）粉末とを事前に混合でき、混合状態が向上し、溶射皮膜での金属成分とセラミックス成分の分散状態が均一なサーメット皮膜が得られ、溶射皮膜の品質がより向上する。

（８）請求項８の発明によれば、溶射皮膜形成装置を上記第８の手段のように構成したので、形成する溶射皮膜が単にセラミックス（金属酸化物）成分のみによらず、溶融セラミックス成分が溶融金属成分と混合されたサーメット状に形成されるため、セラミックスの欠点の脆さが解消し、靭性の高い溶射皮膜とすることができ繰り返し荷重に対する耐性が増大し、且つ、セラミックス成分が有機金属化合物から生成した極めて微細な粒子の粉末であるためフレーム溶射ガンによる燃焼炎溶射法でも良好に溶融すると共に気孔、割れ等の欠陥が生じ難い緻密な溶射皮膜を形成するものとできる。したがって、従来の課題であった耐食性と耐疲労性の高い溶射皮膜を形成できる。

しかも、有機金属化合物からセラミックス（金属酸化物）粉末を生成するので、従来セラミックスの粉末化のために要した装置、工程が不要になり、一方、金属粉末供給装置は従来の粉末供給装置と同じであって、フレーム溶射ガンは従来のものと同様の構造であるので、溶射皮膜形成装置を構成するコストや、溶射皮膜を形成するコストは大幅に低減できるものとなる。

そして特に、金属／セラミックス複合粉末供給装置で金属粉末の粒子の周囲にセラミックス（金属酸化物）粉末が付着した金属／セラミックス複合粉末が形成され、フレーム溶射ガン中に投入されて溶射されるので、金属粉末とセラミックス粉末とを事前に均一に混合でき、混合状態がより向上し、溶射皮膜での金属成分とセラミックス成分の分散状態がより均一なサーメット皮膜が得られ、高品質の溶射皮膜が得られる。

（９）請求項９の発明によれば、溶射皮膜形成装置を上記第９の手段のように構成したので、請求項４、請求項５、請求項７ないし請求項８のいずれかの発明と同様の効果を奏するとともに、溶射熱源がプラズマジェットのため、フレーム溶射に比べ高温となり、金属粉末、セラミックス（金属酸化物）粉末がともに、より良く溶融し、溶射皮膜がさらに緻密化する。

本発明を実施するための最良の形態として実施例１から実施例６を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る溶射皮膜を有する部材の説明図であり、溶射皮膜を有する部材の例として蒸気タービンの動翼の斜視図である。図１において、１は蒸気タービンの動翼であり、ブレード部１ａとルート部１ｂとで構成され、例えば、前述の図７において説明した蒸気タービン０１のタービンディスク０５に、ルート部１ｂが嵌め込まれて取り付けられる。動翼１には前述のように大きな遠心加速度が加えられ高温にさらされ、作動流体である蒸気に含まれる塩素Ｃｌ、ＮａＣｌ等の不純物の影響を受けて腐食作用を受け、特にルート部１ｂは回転に伴う遠心力の他、蒸気との間の繰り返し荷重を受けるため、疲労荷重を受ける。

そのため本実施例の蒸気タービンの動翼１のルート部１ｂには、後述の溶射皮膜形成装置による溶射皮膜形成方法によって非常に緻密なサーメット性の溶射皮膜２が施されており、その溶射皮膜２はその金属成分によって高い靭性を有し、作動流体である蒸気とブレード１ａとの間の繰り返し荷重に対して耐疲労性が高く、且つ、そのセラミックス成分によって緻密な溶射皮膜組織を備えるため耐食性が高いものとなる。なお、溶射皮膜２を施すのは動翼１のルート部１ｂに限定することはなく、他の部位のも施してよいことは言うまでもないが、動翼１の支持部であるルート部１ｂにおいて特に効果的である。

従って本実施例の溶射皮膜２を有する部材としての蒸気タービンの動翼１は、蒸気タービンのように腐食環境、高温、繰り返し荷重において用いられる部材として適し、靭性を有し耐食性、耐疲労性が高い溶射皮膜２を有する動翼１となる。

また、本実施例の動翼１を備えた蒸気タービンは、作動流体としての蒸気から厳しい腐食環境、高温、繰り返し荷重を受ける部材である動翼１が、靭性を有し耐食性、耐疲労性が高い溶射皮膜２を有するので、信頼性と保守性が向上し、蒸気タービンとしての運転の安定性、安全性、効率を向上させることができる。

なお、本実施例の動翼１を備える蒸気タービンとしては、図７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、本実施例の溶射皮膜２を有する動翼１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、本実施例の溶射皮膜２を有する部材は、蒸気タービンの動翼１に限定されるものではなく、回転機械の腐食環境で繰り返し負荷等を受ける部位の部材一般に適用されて同様に有効に効果を奏するものとなる。

実施例１に示す溶射皮膜２を有する部材を製造する溶射皮膜形成方法および溶射皮膜形成装置につき、以下、実施例２から実施例６により説明する。

図２に基づき本発明の実施例２に係る溶射皮膜形成装置および溶射皮膜形成方法を説明する。図２は本実施例の溶射皮膜形成装置の構成説明図である。

本実施例の溶射皮膜形成装置１０は、燃焼炎溶射法による溶射皮膜形成装置であり、高速フレーム（ｆｌａｍｅ）溶射ガン１１を備え、空気、酸素等（Ｏ_２）ｅとケロシン等の燃料ｆが供給され燃焼を行う燃焼部１２から燃焼炎１３が放出されるバレル部１４を備え、バレル部１４中の燃焼炎１３中に、金属粉末投入部１５の開口から金属粉末ｈがＡｒ等のキャリヤガスｉで供給される。金属粉末投入部１５の上流側には金属粉末供給装置１６が接続している。金属粉末供給装置１６は、従来の粉末供給装置と同様のものでよい。

また、金属粉末投入部１５とバレル部１４の軸方向同位置にはセラミックス（金属酸化物）粉末投入部１７が開口して設けられ、セラミックス粉末ｊがバレル部１４中の燃焼炎１３中に供給される。セラミックス粉末投入部１７の上流側にはセラミックス粉末供給装置１８が接続している。

セラミックス粉末供給装置１８は、超微粒子状のセラミックス粉末ｊの原料となる有機金属化合物、例えば金属アセチルアセトナトｋのペレットを気化する気化器１９と、その下流に接続し酸素または窒素等のキャリヤガスｍとともに気化器１９から送出された金属アセチルアセトナトｋを酸素と混合するミキサー２０と、さらにその混合気体を加熱する加熱装置２１とを有し、加熱装置２１の下流にセラミックス粉末投入部１７が接続している。なお、キャリアガスｍが窒素の場合は、気化器１９とミキサー２０との間で図示しない酸素（または水蒸気）供給装置から酸化用の酸素（または水蒸気）ｏが供給される。

バレル部１４の軸方向同位置で燃焼炎１３中に供給された金属粉末ｈとセラミックス粉末ｊは、燃焼炎１３中で溶融されながら、溶射皮膜２を表面上に形成すべき部材３（例えば、実施例１の動翼１のルート部１ｂ）を基材３ａとして、基材３ａの表面上に溶射され、溶射皮膜２を形成する。図２中、２２はスパークプラグ、２３は冷却ジャケット、ｇは冷却水である。

セラミックス粉末ｊの原料となる金属アセチルアセトナトｋは、化学式〔化１〕にその構造を示すような、２個の酸素で配位して金属イオンと平面６員キシレート環錯体を形成したものであり、式中のＭは金属である。金属Ｍとしては特に制約はないが、アルミニウムＡｌによるアルミニウムアセチルアセトナト、チタンＴｉによるチタンアセチルアセトナト等が好ましい。また、金属粉末ｈの金属についても特に制約はないが、Ｎｉ−２０ｗｔ％Ｃｒ合金、Ｎｉ−２０ｗｔ％Ａｌ合金等が好ましい。

以上の金属アセチルアセトナトｋと金属粉末ｈとの好ましい組合せの例を、〔表１〕に示す。

本実施例の溶射皮膜形成装置１０によって、基材３ａ（溶射皮膜２を設けようとする部材３）は以下のように溶射皮膜２を施される。

図２に示すように空気、酸素等（Ｏ_２）ｅとケロシン等の燃料ｆが溶射皮膜形成装置１０の高速フレーム溶射ガン１１の燃焼部１２に供給され、スパークプラグ２２によって点火され燃焼を行うと、燃焼部１２から高温（例えば２０００℃程度まで）の燃焼炎１３がバレル部１４に放出される。

セラミックス粉末供給装置１８においては、気化器１９内において金属アセチルアセトナトｋを２００℃〜３００℃程度に加熱して液化し、さらに気化させる。気化した金属アセチルアセトナトｋの気化ガスはミキサー２０に送られ、キャリヤガスｍが酸素を含む場合はキャリヤガスｍ中の酸素と均一に混合し、加熱装置２１に送られて加熱と酸化作用を受け、極めて微粒子状の、例えば粒子径０．１〜０．５μｍ程度の金属酸化物粉末、すなわちセラミックス粉末ｊが得られる。金属アセチルアセトナトｋを構成していた水素、酸素成分は放出される。なお、キャリヤガスが窒素等であって酸化に充分な酸素を有しない時は、気化器１９とミキサー２１の間で酸化用の酸素（または水蒸気）ｏを供給する。

セラミックス粉末供給装置１８で得られたセラミックス粉末ｊは、溶射皮膜２の原料として、バレル部１４の上流側に開口するセラミックス粉末投入部１７からバレル部１４内の燃焼炎１３中に投入する。

そして、本実施例においては、溶射皮膜２の原料としてセラミックス粉末ｊの他に金属粉末ｈを、燃焼炎１３の略同位置に投入することに特徴がある。金属粉末ｈは、金属粉末供給装置１６からキャリヤガスｉによって送出し、バレル部１４の上流側に開口する金属粉末投入部１５から、バレル部１４内の燃焼炎１３中に投入する。金属粉末ｈの粒子径は例えば、２０μｍ〜５０μｍ程度である。

超微粉状（０．１〜０．５μｍ程度）のセラミックス粉末ｊと金属粉末ｈがバレル部１４の上流側で軸方向略同位置において燃焼炎１３中に投じられるので、燃焼部１２から噴出した高温の燃焼炎１３中で良好に溶融され且つ良好に混合されてバレル部１４から放出され、バレル部１４の放出方向に対向して溶射を施す面を向けて配置された基材３ａ（部材３）上に緻密なサーメット状の溶射皮膜２を形成する。また、基材３ａを所定の速度で横移動させることで一定条件の溶射皮膜２を施すことができる。

本実施例の溶射皮膜形成装置１０により上記のように部材３上に溶射皮膜２を形成すると、溶射皮膜２が単にセラミックス（金属酸化物）成分のみによらず、溶融セラミックス成分が溶融金属成分と混合されたサーメット状に形成されるため、セラミックスの欠点の脆さが解消し、靭性の高い溶射皮膜２とすることができ繰り返し荷重に対する耐性が増大し、且つ、セラミックス成分が金属アセチルアセトナトから生成した極めて微細な粒子の粉末であるため燃焼炎溶射法でも良好に溶融すると共に気孔、割れ等の欠陥が生じ難い緻密な溶射皮膜２を形成するものとなる。したがって、従来の課題であった耐食性と耐疲労性の高い溶射皮膜が得られる。

しかも、金属アセチルアセトナトｋからセラミックス（金属酸化物）粉末ｊを生成するので、従来セラミックスの粉末化のために要した装置、工程が不要になり、一方、金属粉末供給装置１６は従来の粉末供給装置と同じであって、高速フレーム溶射ガン１１は粉末投入部を２箇所設けること以外基本的には従来のものと同様の構造であるので、溶射皮膜形成装置１０を構成するコストや、溶射皮膜２を形成するコストは大幅に低減できるものとなる。

図３に基づき本発明の実施例３に係る溶射皮膜形成装置および溶射皮膜形成方法を説明する。図３は本実施例の溶射皮膜形成装置の構成説明図である。

本実施例の溶射皮膜形成装置３０においては、金属粉末投入部１５は実施例２と同様にバレル部１４の上流側に開口して取り付けられているが、セラミックス粉末投入部１７はバレル部１４の下流側に開口して取り付けられている点に違いがあるほかは、前述の実施例２と同様に構成されており、以下異なる点を主に説明する。

本実施例の溶射皮膜形成装置３０によれば、上記のようにセラミックス粉末投入部１７はバレル部１４の下流側に開口して取り付けられているので、溶融したセラミックス粉末ｊがバレル部１４の先端周辺に付着することが低減し、溶射皮膜形成装置３０の運転効率が向上する他、バレル部１４先端周辺のセラミックス付着物が剥離して溶射皮膜２上に吹き付けられて付着し、欠陥部を生じる恐れが低減する。

そのほかの作用効果は、実施例２において記載した通りである。

図４に基づき本発明の実施例４に係る溶射皮膜形成装置および溶射皮膜形成方法を説明する。図４は本実施例の溶射皮膜形成装置の構成説明図である。

本実施例の溶射皮膜形成装置４０は、金属粉末投入部１５とセラミックス粉末投入部１７とをそれぞれ直接バレル部１４に開口して取り付けることなく、両者を合流した後、混合投入部４１としてバレル部１４に開口して取り付けている点に違いがあるほかは、前述の実施例２と同様に構成されており、以下異なる点を主に説明する。

本実施例の溶射皮膜形成装置４０によれば、上記のように金属粉末投入部１５とセラミックス粉末投入部１７とが合流した後、混合投入部４１としてバレル部１４に開口して取り付けられているので、金属粉末ｈとセラミックス粉末ｊとを事前に混合でき、混合状態が向上し、溶射皮膜２での金属成分とセラミックス成分の分散状態が均一なサーメット皮膜が得られ、溶射皮膜の品質がより向上する。

そのほかの作用効果は、実施例２において記載した通りである。

図５に基づき本発明の実施例５に係る溶射皮膜形成装置および溶射皮膜形成方法を説明する。図５（ａ）は本実施例の溶射皮膜形成装置の構成説明図であり、（ｂ）は本実施例で生成する金属／セラミックス複合粉末の説明図である。

本実施例の溶射皮膜形成装置５０は、金属粉末ｈとセラミックス粉末ｊとをそれぞれ別に直接バレル部１４に供給することなく、両者を事前に混合する点では、実施例１と異なり実施例４と同様だが、単に混合するのではなく事前に両者を金属／セラミックス複合粉末に形成した後、バレル部１４に開口して取り付けられている金属／セラミックス複合粉末投入部５１からバレル部１４内へ供給するようになっている点が実施例４とも異なる。その他の点は前述の実施例２と同様に構成されており、以下異なる点を主に説明する。

本実施例の溶射皮膜形成装置５０は、バレル部１４に開口して取り付けられた金属／セラミックス複合粉末投入部５１の上流側に金属／セラミックス複合粉末供給装置５２が接続している。

金属／セラミックス複合粉末供給装置５２は、実施例１と同様の気化器１９と、金属粉末供給装置１６を備え、気化器１９からの金属アセチルアセトナトｋのガスｎとキャリヤガスｍと、金属粉末供給装置１６からの金属粉末ｈとキャリヤガスｉを合流して、ミキサー５３に送入し均一に混合したのち、加熱装置５４で加熱、酸化を行い、図５（ｂ）に示す金属／セラミックス複合粉末（金属／セラミックス複合粒子）ｐを生成する。キャリヤガスｍ、ｉが酸素を含まないか酸化に充分な酸素を含まない場合は、ミキサー５３送入前で図示しない酸素（または水蒸気）供給装置から酸化用の酸素（または水蒸気）ｏが加えられる。

ミキサー５３において金属粉末ｈ周囲に金属アセチルアセトナトガスｎが混合された状態で、加熱装置５４において加熱、酸化が行なわれるので、図５（ｂ）に示すように、金属粉末ｈの粒子の周囲に超微粉状（０．１〜０．５μｍ程度）の金属酸化物粒子（セラミックス粉末ｊ）が付着した金属／セラミックス複合粉末ｐが生成される。金属／セラミックス複合粉末ｐの粒径は２０〜５０μｍ程度である。

そのため、バレル部１４には金属／セラミックス複合粉末投入部５１から、金属／セラミックス複合粉末ｐが燃焼炎１３中に投入され、燃焼炎１３中で溶融されつつ溶射され、基材３ａの表面に溶射皮膜２を形成する。

本実施例の溶射皮膜形成装置５０によれば、上記のように金属／セラミックス複合粉末供給装置５２から金属粉末ｈの周囲にセラミックス粉末ｊが付着した金属／セラミックス複合粉末ｐが、金属／セラミックス複合粉末投入部５１から燃焼炎１３中に投入され溶射されるので、金属粉末ｈとセラミックス粉末ｊとを事前に均一に混合でき、混合状態がより向上し、溶射皮膜２での金属成分とセラミックス成分の分散状態がより均一なサーメット皮膜が得られ、高品質の溶射皮膜が得られる。

そのほかの作用効果は、実施例２において記載した通りである。

図６に基づき本発明の実施例６に係る溶射皮膜形成装置および溶射皮膜形成方法を説明する。図６（ａ）は本実施例の溶射皮膜形成装置の構成説明図であり、（ｂ）は本実施例で生成する金属／セラミックス複合粉末の説明図である。

本実施例の溶射皮膜形成装置６０は、高速フレーム溶射ガン１１を用いる代わりに、プラズマ溶射ガン６１を用いる点が実施例５と異なる他は、実施例５と同様に構成されており、以下実施例５と異なる点を主に説明する。なお、プラズマ溶射ガン６１自体は従来から用いられているものと同様のものでもよい。

図６に示すように本実施例の溶射皮膜形成装置６０はプラズマガスａが供給されるプラズマ溶射ガン６１を備え、その陰極６２から発するプラズマジェット６３中に金属／セラミックス複合粉末投入部５１から金属／セラミックス複合粉末ｐがキャリヤガスｉ、ｍによって供給される。金属／セラミックス複合粉末投入部５１の上流側は実施例５と同様の
金属／セラミックス複合粉末供給装置５２が接続している。

プラズマジェット６３の温度は、２０００℃以上の領域にまでできるので、プラズマジェット６３中に投入された金属／セラミックス複合粉末ｐはプラズマジェット６３中で完全に溶融されながら、溶融皮膜２を表面上に形成すべき部材３を基材３ａとして基材３ａの表面上に溶射され、溶射皮膜２を形成する。

本実施例の溶射皮膜形成装置６０によれば、上記のように金属／セラミックス複合粉末供給装置５２から金属粉末ｈの粒子の周囲にセラミックス粉末ｊが付着した金属／セラミックス複合粉末ｐが、金属／セラミックス複合粉末投入部５１からプラズマジェット６３中に投入され溶射されるので、金属粉末ｈとセラミックス粉末ｊとを事前に均一に混合でき、混合状態がより向上し、溶射皮膜２での金属成分とセラミックス成分の分散状態がより均一なサーメット皮膜が得られ、高品質の溶射皮膜が得られる。

そのほかの作用効果は、実施例５において記載した通りであるが、熱源がプラズマジェット６３のため、高速フレーム溶射に比べ高温となり、金属／セラミックス複合粉末ｐがより良く溶融し、溶射皮膜２がさらに緻密化する。

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。

例えば、実施例２と実施例４の溶射皮膜形成装置は高速フレーム溶射ガン１１を用いたものを示したが、高速フレーム溶射ガン１１に代えて実施例６のようなプラズマ溶射ガン６１を用いて、プラズマ溶射ガン６１から発するプラズマジェット６３中に金属粉末ｈ、セラミックス粉末ｊを同様に供給してもよい。

また、実施例１は溶射皮膜を有する部材として、蒸気タービンの動翼１を示したが、本発明の溶射皮膜を有する部材は、蒸気タービンの動翼１に限定されるものではなく、回転機械等の、腐食環境で繰り返し負荷等を受ける部位の部材一般に適用されて同様に有効に効果を奏するものとなる。

また、本発明でセラミックス粉末ｊの原料として用いる有機金属化合物として上記実施例では金属アセチルアセトナトｋを示したが、それに限定されるものではなく、金属アルコキシド等、常温で固体で２００℃〜３００℃程度の加熱によって気化する有機金属化合物であれば広く用いることができる。

本発明の実施例１に係る溶射皮膜を有する部材である蒸気タービンの動翼の斜視図である。 本発明の実施例２に係る溶射皮膜形成装置の構成説明図である。 本発明の実施例３に係る溶射皮膜形成装置の構成説明図である。 本発明の実施例４に係る溶射皮膜形成装置の構成説明図である。 （ａ）は本発明の実施例５に係る溶射皮膜形成装置の構成説明図であり、（ｂ）は本実施例で生成する金属／セラミックス複合粉末の説明図である。 （ａ）は本発明の実施例６に係る溶射皮膜形成装置の構成説明図であり、（ｂ）は本実施例で生成する金属／セラミックス複合粉末の説明図である。 蒸気タービンの一般的な構造例説明図である。 従来のプラズマ溶射法による溶射皮膜形成装置の構成説明図である。 従来の燃焼炎溶射法による溶射皮膜形成装置の構成説明図である。

符号の説明

１ 動翼
１ａ ブレード部
１ｂ ルート部
２ 溶射皮膜
３ 部材
３ａ 基材
１０ 溶射皮膜形成装置
１１ 高速フレーム溶射ガン
１２ 燃焼部
１３ 燃焼炎
１４ バレル部
１５ 金属粉末投入部
１６ 金属粉末供給装置
１７ セラミックス粉末投入部
１８ セラミックス粉末供給装置
１９ 気化器
２０ ミキサー
２１ 加熱装置
２２ スパークプラグ
２３ 冷却ジャケット
３０ 溶射皮膜形成装置
４０ 溶射皮膜形成装置
４１ 混合投入部
５０ 溶射皮膜形成装置
５１ 金属／セラミックス複合粉末投入部
５２ 金属／セラミックス複合粉末供給装置
５３ ミキサー
５４ 加熱装置
６０ 溶射皮膜形成装置
６１ プラズマ溶射ガン
６２ 陰極
６３ プラズマジェット

Claims (9)

1. 溶射皮膜を有する部材において、前記溶射皮膜は、金属粉末と、加熱することにより気化する有機金属化合物を気化した後酸化して生成した金属酸化物粉末とを、前記部材を基材としてその表面に同時に溶射して形成したものであることを特徴とする溶射皮膜を有する部材。
2. 請求項１に記載の溶射皮膜を有する部材を備えてなることを特徴とする回転機械。
3. 請求項１に記載の溶射皮膜を有する部材を製造する溶射皮膜形成方法であって、加熱することにより気化する有機金属化合物を気化した後酸化して金属酸化物粉末を生成し、金属粉末と前記金属酸化物粉末とを、前記部材を基材としてその表面に同時に溶射することを特徴とする溶射皮膜形成方法。
4. 請求項１に記載の溶射皮膜を有する部材を製造する溶射皮膜形成装置であって、溶射を行なうフレーム溶射ガンと、金属粉末を同フレーム溶射ガンに供給する金属粉末供給装置と、加熱することにより気化する有機金属化合物を気化した後酸化して金属酸化物粉末を生成し前記フレーム溶射ガンに供給するセラミックス粉末供給装置とを備えてなることを特徴とする溶射皮膜形成装置。
5. 請求項４に記載の溶射皮膜形成装置において、前記金属粉末と金属酸化物粉末とを前記フレーム溶射ガンの上流側で軸方向において同位置で同フレーム溶射ガンに投入するように構成されてなることを特徴とする溶射皮膜形成装置。
6. 請求項４に記載の溶射皮膜形成装置において、前記フレーム溶射ガンの軸方向において前記金属粉末より金属酸化物粉末を下流側位置で同フレーム溶射ガンに投入するように構成されてなることを特徴とする溶射皮膜形成装置。
7. 請求項４に記載の溶射皮膜形成装置において、前記金属粉末と金属酸化物粉末とを予め混合した後前記フレーム溶射ガンに投入するように構成されてなることを特徴とする溶射皮膜形成装置。
8. 請求項１に記載の溶射皮膜を有する部材を製造する溶射皮膜形成装置であって、溶射を行なうフレーム溶射ガンを備えるとともに、金属粉末を供給する金属粉末供給装置と、加熱することにより気化する有機金属化合物を気化し同有機金属化合物の気化ガスを供給する気化器と、前記金属粉末と前記気化ガスを混合後共に加熱して前記金属粉末の粒子の周囲に前記気化ガスを酸化して得られた金属酸化物粉末が付着した金属／セラミックス複合粉末を形成する加熱装置とを有し、同金属／セラミックス複合粉末を前記フレーム溶射ガンに供給する金属／セラミックス複合粉末供給装置を備えてなることを特徴とする溶射皮膜形成装置
9. 請求項４、請求項５、請求項７ないし請求項８のいずれかに記載の溶射皮膜形成装置において、前記フレーム溶射ガンに代えてプラズマ溶射ガンを備えるとともに、前記各粉末を、フレーム溶射ガンに投入することに代えて前記プラズマ溶射ガンから発するプラズマジェットに投入することを特徴とする溶射皮膜形成装置。
   

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