JP2008156707A - 熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理時の酸化や酸化による表面の色ムラを低減する熱処理方法の提供
【解決手段】内壁１ａの冷却孔２ａに樹脂４を詰めて遮熱コーティングを施した尾筒１の外壁１ｂに、シリコーン樹脂７を塗布する。そして、樹脂４を燃焼や分解して取り除くために大気炉で尾筒１を加熱する。すると、シリコーン樹脂７の一部は分解したり蒸発したりするが、一部は外壁１ｂに残留して外壁１ｂを保護する。そして、このようにシリコーン樹脂７によって外壁１ｂを保護することで、外壁１ｂの酸化や酸化による色ムラが低減される。したがって、尾筒１における灰化処理後に尾筒１の外観を良好なものにするために要する時間を大幅に短縮することができる。尚、本発明の熱処理方法は尾筒１における灰化処理だけに限らず、熱処理を必要とする製品全般に適用することができる。
【選択図】図４

Description

製造工程に熱処理が必要な製品における熱処理方法に関する。

製品の製造工程で行われる熱処理には、製品の組織を変化させて靭性などを強化させるために行われるものや、製品に付加した不要物を除去するために行われるものがある。この不要物としては、例えば製品の表面にコーティングなどを施す際に使用されるマスキングなどが挙げられ、これらのマスキングは熱処理の一つである灰化処理を行うことで分解または燃焼されて除去される（特許文献１参照）。
特開２００１−１７３４０５号公報（第７頁）

しかしながら、製品の特性上このような熱処理を大気雰囲気で行う場合があり、大気雰囲気で熱処理を行うと製品の表面が酸化するという問題が生じる。また、酸化によって製品の表面に光の干渉による色ムラが生じることがあり、このような色ムラは製品の外観上問題となる。そして、従来は製品の表面を研磨装置などによって磨き、酸化された部分を除去することとしていたが、この磨きあげる作業に多大な時間を要してしまうため製造工程が煩雑なものとなっていた。

そこで、本発明はこの課題を解決するため、熱処理することで発生する酸化や酸化による色ムラを低減する熱処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、炉内に製品を設置して当該製品を加熱する熱処理方法において、製品とシリコーン樹脂とを同時に加熱することを特徴とする。

また、上記構成の熱処理方法において、シリコーン樹脂が表面に塗布された製品を炉内に設置して加熱することとしても構わない。

また、上記構成の熱処理方法において、液状またはペースト状のシリコーン樹脂を製品の表面に塗布することとしても構わないし、霧状のシリコーン樹脂を、製品の表面に噴射して塗布することとしても構わない。

このような方法で熱処理を行うこととすると、液状またはペースト状のシリコーン樹脂を塗布する場合は、シリコーン樹脂を容易に厚く塗布することができる。また、霧状に噴射させて塗布する場合は、シリコーン樹脂を容易かつ均一に塗布することができるとともに、直接的に塗布するのが困難な細かい部分も容易に塗布することができる。

また、上記構成の熱処理方法において、炉内において製品を設置した位置の周囲かつ製品と接触しない位置にシリコーン樹脂を配置した後に、製品とシリコーン樹脂とを同時に加熱することとしても構わない。また、炉内に設置するシリコーン樹脂は、容器に装填したものであっても構わないし、ステージに盛った状態であっても直接炉内に塗布したものであっても構わない。

さらに、これらのシリコーン樹脂を製品の近傍に配置するときに、製品とシリコーン樹脂との距離が多少離れても構わないが、１０ｃｍ程度の距離まで近づけて配置した方が好ましい。また、シリコーン樹脂の配置方法も、製品の四方に配置することとしても構わないし、製品の周囲全体に配置することとしても構わない。

このような方法で熱処理を行うこととすると、製品の周囲に設置されたシリコーン樹脂が炉内の雰囲気中に分解または蒸発することによって放出され、製品の表面を保護することとなる。そのため、直接的に塗布することが困難な製品の細かい部分も容易に保護することができる。

また、上記構成の熱処理方法において、炉内の雰囲気を大気雰囲気としても構わないし、真空にしたりアルゴンや窒素などの不活性ガス雰囲気としたりしても構わない。

また、上記構成の熱処理方法において、炉による加熱温度を、シリコーン樹脂が分解または蒸発する温度としても構わない。

また、上記構成の熱処理方法を、例えばガスタービンの燃焼器の尾筒に遮熱コーティングを施す際にマスキングとして用いられる樹脂を燃焼または分解させる灰化処理に適用しても構わないし、製品の靭性及び展性、延性を強化させるために行う焼き戻し及び焼なましに適用しても構わない。また、これ以外の熱処理においても用いることが可能であり、熱処理温度に合わせてシリコーン樹脂の種類を適宜選択することとしても構わない。

本発明の熱処理方法によれば、シリコーン樹脂によって製品の表面が保護されるため製品の表面における酸化や酸化による色ムラを低減することができる。そのため、熱処理後において製品の外観を良好なものにするために必要となる作業時間を大幅に短縮することが可能となる。

以下に本発明の各実施形態における熱処理方法について説明する。尚、各実施形態における熱処理方法は種々の熱処理が必要な製品に対して適用することができるが、以下ではガスタービンの燃焼器に備えられる尾筒を例に挙げて、各実施系形態における熱処理方法を尾筒における灰化処理に適用した場合について説明する。そして、燃焼器の尾筒に各実施形態における熱処理を施す前の処理は各実施形態において共通するものであるため、まず尾筒が備えられる燃焼器について説明するとともに、各実施形態における熱処理を施す前の処理について説明する。

＜燃焼器＞
まず、燃焼器１１について図１を用いて説明する。図１は、ガスタービン１０の燃焼器１１の近傍を模式的に示した断面図である。図１に示すように、ガスタービン１０の燃焼器１１の周囲には燃焼器１１の外枠である車室１０ａが備えられる。また燃焼器１１は、内部で圧縮空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを発生させる内筒１１ａと、内筒１１ａの外側に備えられるとともに車室１０ａに固定される外筒１１ｂと、内筒１１ａの軸位置に設けられるパイロットノズル１１ｃと、パイロットノズル１１ｃの外周に複数配置されるメインノズル１１ｄと、内筒１１ａに接続するとともに燃焼ガスを後述するタービン１３に送る尾筒１と、を備える。また、ガスタービン１０は、圧縮空気を車室１０ａ内に供給する圧縮機１２と、燃焼器１１で発生した燃焼ガスが供給されることによって動力が発生するタービン１３と、を備える。

圧縮機１２が生成した圧縮空気は、矢印Ｐ１に示すように車室１０ａ内に排出された後に矢印Ｐ２に示すように外筒１１ｂと内筒１１ａとの隙間から内筒１１ａの内部に供給される。内筒１１ａの内部では、燃料が供給されるパイロットノズル１１ｃ及びメインノズル１１ｄによって拡散燃焼及び予混合燃焼が行われることで高温高圧の燃焼ガスが発生する。この発生した燃焼ガスは尾筒１の内部を通過してタービン１３に排出され、タービン１３に備えられた動翼１３ａがこの排出される燃焼ガスを受けて回転することでガスタービン１０から動力が得られる。

＜尾筒の冷却構造＞
以上のように、尾筒１は内部を高温高圧の燃焼ガスが通過するため、耐熱及び耐食性の良いニッケル基合金などから成り、さらに壁部に冷却構造を備えている。以下に、尾筒の壁部に備えられた冷却構造について図１に加えて図２を用いて説明する。図２は、尾筒の壁部を模式的に示した斜視図であり、壁部の内部の構成を示すために一部を切り取って示している。

図１の矢印Ｃに示すように、尾筒１は外壁から圧縮空気を吸い込んで壁部を冷却するとともに尾筒１の内部に圧縮空気を排出する冷却構造を備えている。そして、この冷却構造は図２に示すように、尾筒の内壁１ａ及び外壁１ｂに備えられた複数の冷却孔２ａ、２ｂと、壁部の内部に備えられるとともに冷却孔２ａ、２ｂを接続する冷却溝３とから成っている。圧縮空気は、外壁１ｂに備えられた冷却孔２ｂから壁部の内部に入り、冷却溝３を通過して尾筒の内壁１ａに備えられた冷却孔２ａから尾筒の内部に排出される。そして、このように尾筒１の壁部の内部の冷却溝３を圧縮空気が通過することで尾筒１の壁部が冷却され、過熱が防がれる。

＜遮熱コーティング＞
また、尾筒１の内壁１ａには遮熱コーティングが施される。この遮熱コーティングについて、以下に図３（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。図３（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ尾筒の模式的な断面図であり、尾筒の壁部に備えられた冷却溝と略平行な方向の断面を示している。また、図３（ａ）は遮熱コーティングを施す前の尾筒を示している。

遮熱コーティングを施す前に、まず、図３（ｂ）に示すように尾筒１の内壁１ａに設けられた冷却孔２ａに樹脂４を挿入及び硬化させて冷却孔２ａを完全に塞ぎ、後述するブラスト処理に用いる微粒子や遮熱コーティングに用いる遮熱被膜の材料が冷却孔２ａに入りこまないようにしている。また、この時挿入する樹脂４は後述する遮熱コーティングを尾筒１に施した際の尾筒１の温度である２００度程度には耐え得るものであり、かつ２００度以上の温度で燃焼や分解されるものであればなんでもよい。例えば、アクリル系の樹脂でも構わないし、シリコーン系の樹脂でも構わない。また、ウレタン系の樹脂を用いても構わない。

図３（ｂ）に示すように樹脂４によって冷却孔２ａが塞がれると、次に尾筒１の内壁１ａに対してブラスト処理が施される。ブラスト処理は、アルミナなどの微粒子を高速で衝突させて表面を粗くする処理であり、これを尾筒１の内壁１ａに対して行うと図３（ｃ）に示すように尾筒１の内壁１ａの表面が粗くなる。

そして、表面を粗くした尾筒１の内壁１ａに、溶射によって遮熱コーティングが施され、遮熱被膜が形成される。ここでは遮熱皮膜として、遮熱するために形成されるトップコート６と、トップコート６と下地である尾筒１の内壁１ａとの付きを良くしたり下地の酸化を防いだりするために形成されるボンドコート５と、の２種類の膜を形成する。

まず、図３（ｄ）に示すように、ボンドコート５が尾筒１の内壁１ａに形成される。尾筒１がニッケル基合金から成る場合は、ボンドコート５として例えば、ＭＣｒＡｌＹ（ＭはＦｅ、Ｎｉ及びＣｏのいずれか、もしくはこれらの合金）のような合金を使用することができる。このボンドコート５は数十μｍ〜数千μｍの厚さで形成され、下地が粗い面となっているためにアンカー効果によって付着しやすくなっている。また、冷却孔２ａを塞いでいる樹脂４とボンドコート５とは濡れ性が悪い場合が多く、そのような場合、樹脂４上にボンドコート５が形成されないことがある。

そして、ボンドコート５が形成された尾筒１の内壁１ａに、図３（ｅ）に示すように、トップコート６を溶射によって形成する。トップコート６として例えば、ジルコニアを主成分としたセラミックス材料を使用することができる。トップコート６も、数十μｍ〜数千μｍの厚さで形成されるが、場合によっては複数の層を形成する。このトップコート６も、冷却孔２ａを塞いでいる樹脂４とは濡れ性が悪い場合が多く、そのような場合、樹脂４上にトップコート６が形成されないことがある。

以上のように、尾筒１の内壁１ａには溶射によって遮熱コーティングが施されるが、遮熱コーティングを尾筒１に施した後に、冷却孔２ａに挿入された樹脂４を除去するために熱処理の一つである灰化処理を尾筒１に施す必要がある。そして、本発明はこの尾筒１の例のように、熱処理を必要とする製品の熱処理方法に係るものであり、以下の各実施形態では、熱処理として尾筒１における灰化処理を行った場合を例に挙げて説明する。

＜第１実施形態＞
以下に第１実施形態における熱処理方法について、尾筒における灰化処理を例に挙げるとともに図４を用いて説明する。図４（ａ）、（ｂ）は尾筒の模式的な断面図を示しており、遮熱コーティングが施される尾筒について示した図３に相当するものである。

本実施形態における熱処理方法では、図３（ｅ）に示したような内壁１ａに遮熱コーティングが施された尾筒１の外壁１ｂに対して、図４（ａ）に示すようにシリコーン樹脂７を塗布する。シリコーン樹脂７は、ＳｉとＯとが交互に連続して複数結合して成る主鎖のそれぞれのＳｉに、メチル基などの側鎖が結合したものであり、結合様式によって液状やペースト状などの様々な形状のものが存在するが、ここではペースト状のシリコーン樹脂７を直接的に尾筒１の外壁１ｂに塗布することとする。

図４（ａ）に示すように尾筒１の外壁１ｂにシリコーン樹脂７を塗布した後に、内壁１ａに設けられた冷却孔２ａを塞ぐ樹脂４を燃焼または分解するために、尾筒１を大気炉で加熱する。この時、樹脂４を完全に燃焼または分解させるために４００度程度の温度（尚、この温度は尾筒１の冷却孔２ａを塞ぐ樹脂４を燃焼または分解することができる温度であればどのような温度でもよい）で数時間加熱する。すると、冷却孔２ａを塞ぐ樹脂４は燃焼または分解されてなくなるが、尾筒１の外壁１ｂに塗布されたシリコーン樹脂７は、一部が加熱によって分解されたり蒸発したりして炉内の雰囲気中に放出されるものの、一部のシリコーン樹脂７は外壁１ｂに残留する。尚、ペースト状のシリコーン樹脂７についての加熱試験を行ったところ、シリコーン樹脂７を４００度以上で加熱した場合、約４０％が大気中に放出されて約６０％が残留することを確認した。

そして、この残留したシリコーン樹脂７が尾筒１の外壁１ｂを保護することで、外壁１ｂの酸化や酸化による色ムラが低減される。そのため、尾筒１について灰化処理することで冷却孔２ａに挿入された樹脂４を除去したとしても、尾筒１の外壁１ｂに色ムラが生じにくくなり、外壁１ｂを磨きあげる時間が不要もしくはわずかなものとなる。したがって、本実施形態における熱処理方法を尾筒１における灰化処理に適用することで、灰化処理後に要する外観を整える時間を大幅に短縮することができる。

また、シリコーン樹脂７を不均一に塗布したり大量に塗布したりしても、残留したシリコーン樹脂７は容易に除去することができる。そのため、従来のように色ムラを研磨装置で磨いて除去する場合と比較して、灰化処理後の作業時間を短縮することができる。また、塗布するシリコーン樹脂７を均一かつ適切な量とすれば、残留したシリコーン樹脂７を除去することなく、灰化処理後の尾筒１の外観を良好に保つことができる。

尚、尾筒１にはペースト状のシリコーン樹脂７を直接塗布することとしたが、粘度の低い液状のシリコーン樹脂７を塗布することとしても構わない。さらに、塗布する方法も直接塗布する方法とは限らず、スプレーによって霧状としたシリコーン樹脂７を尾筒１の外壁１ｂに噴射して塗布することとしても構わない。これらの方法によりシリコーン樹脂７を容易かつ迅速に塗布することが可能となり、作業工程の簡略化と作業時間の短縮化とを図ることができる。

また、スプレーを用いてシリコーン樹脂７を塗布することで、均一に尾筒１の外壁１ｂに塗布することができる。さらに、直接的に塗布することが困難である細かな隙間などにもスプレーを用いて塗布することで容易に塗布することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態における熱処理方法について、第１実施形態と同様に尾筒における灰化処理を例に挙げるとともに図５を用いて説明する。図５は、本実施形態における熱処理方法の一例を示した模式図である。

図３（ｅ）のように遮熱コーティングが施された尾筒１に対して、第１実施形態では図４（ａ）に示したようにシリコーン樹脂７を尾筒１の外壁に直接塗布することとしたが、本実施形態においては図５に示すように、尾筒１の周囲にシリコーン樹脂７が装填された容器８を配置して、尾筒１とシリコーン樹脂７とを同時に加熱することとする。

また、この容器８は尾筒１の灰化処理温度に耐え得るものであり、尾筒１の四方に配置される。この時、尾筒１の四方に配置されたシリコーン樹脂７が装填された容器８のそれぞれは、例えば、尾筒１から１０ｃｍ程度の距離であり、容器８の断面積は数十〜数百ｃｍ²程度となっている。そして、尾筒１と容器８に装填されたシリコーン樹脂７とを同時に大気炉で加熱することで、灰化処理を行う。

以上のように灰化処理を行うと、第１実施形態で説明したようにシリコーン樹脂７の一部は容器８に残留するものの、一部は炉の熱によって分解したり蒸発したりして炉内の雰囲気中に放出される。そして、放出されたシリコーン樹脂７によって尾筒１の表面が保護される。

このように尾筒１の表面を炉内の雰囲気中に放出されたシリコーン樹脂７で保護することによって、尾筒１の表面に生じる酸化による色ムラを低減することができる。そのため、尾筒１全体に灰化処理を施して樹脂を除去したとしても、尾筒１の外壁に酸化による色ムラが生じにくくなり、出荷前に尾筒１の外壁を磨きあげる時間が不要もしくはわずかなものとなる。したがって、本実施形態における熱処理方法を施すことで、灰化処理後に要する作業の時間を大幅に短縮することができる。

また、炉の雰囲気中にシリコーン樹脂７の一部を放出させることで尾筒１の表面を保護するため、尾筒１に直接的にシリコーン樹脂７を塗布する方法では困難であった細かい部分に対しても、容易に保護することができる。さらに、炉で尾筒１とシリコーン樹脂７とを同時に加熱するだけで尾筒１の表面が保護されるため、非常に簡便な方法で尾筒の表面を保護しつつ灰化処理を行うことができる。

尚、シリコーン樹脂７が装填される容器８にヒーターなどの加熱装置を設け、容器８及びシリコーン樹脂７の温度がシリコーン樹脂７の分解や蒸発に最適な温度となるようにしても構わない。このように構成することによって、炉内の雰囲気中に十分な量のシリコーン樹脂７を分解や蒸発によって放出させることができるため、尾筒１の表面を効率よく保護することができる。

また、シリコーン樹脂７が装填された容器８と尾筒１とは、図５に示すような位置関係でなくても構わない。例えば、尾筒１を取り囲むように複数の容器８を並べて配置しても構わないし、それぞれの容器８の断面積を大きくしても小さくしても構わない。また、シリコーン樹脂７が装填された容器８を配置する代わりに、シリコーン樹脂を盛ったステージを配置することとしても構わないし、炉内の尾筒１の周囲にシリコーン樹脂７を盛っても構わない。

また、尾筒１において灰化処理を行う際に、シリコーン樹脂７が炉内の雰囲気中に放出されやすい温度で一定時間保持した後に、灰化処理を行なう温度まで昇温して保持することとしても構わない。このように二段階の熱処理をすることによって、炉内の雰囲気中にシリコーン樹脂を十分放出させて尾筒１の表面を保護できる状態にした上で、樹脂を燃焼または分解させるための灰化処理を行うことが可能となる。したがって、より効果的に酸化や酸化による色ムラを低減させることができる。

また、第１及び第２実施形態においては、ガスタービンの燃焼器に備えられる尾筒における灰化処理に適用した場合を例に挙げて説明したが、第１及び第２実施形態における熱処理方法は尾筒の冷却孔に挿入した樹脂を燃焼または分解させるための灰化処理にのみ適用されるものではなく、高温に保持する熱処理を必要とするもので表面の酸化や酸化による色ムラを防ぎたい製品全般に使用することができる。例えば、焼き戻しや焼きなましなどの熱処理を行う必要がある製品に、第１及び第２実施形態における熱処理方法を適用することとして、酸化や酸化による色ムラを防ぐこととしても構わない。また、第１及び第２実施形態における熱処理方法は、尾筒の例で示したようなニッケル基合金から成る製品だけには限らず、例えば、コバルト基合金や鉄基合金などから成る製品に対して適用しても構わない。

また、熱処理温度や熱処理方法に合わせてシリコーン樹脂の種類を適宜選択することとして、より効果的に保護することとしても構わない。特に、シリコーン樹脂が加熱によって分解したり蒸発したりする温度は、シリコーン樹脂の種類、即ち、主鎖の重合度や側鎖の種類などの結合様式や、樹脂に加えられる添加物などによっても変化する。そのため、熱処理温度に合わせて適切なシリコーン樹脂を選択することで効率よく製品の表面を保護することが可能となり、どのような製品に対しても効果的な熱処理を施すことができる。

例えば、第二実施形態で、シリコーン樹脂を炉内の雰囲気中に放出させるためにある温度で一定時間保持した後に灰化処理温度まで昇温させる二段階の熱処理を行う場合において、より低温で炉内の雰囲気中に放出されるようなシリコーン樹脂を選択しても構わない。そして、このようなシリコーン樹脂を選択することとすると、シリコーン樹脂を炉内に放出させるために炉の温度をある温度で保持している間に製品が酸化したり、製品に意図しない変態が生じたりすることを防ぐことができる。

また、尾筒における灰化処理の例においては大気炉を用いることとしたが、真空雰囲気や、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気となる炉を用いて、第１及び第２実施形態における熱処理方法を施すこととしても構わない。このように構成することで、炉内に僅かに残留した酸素から製品を保護することが可能となり、製品の酸化や酸化による色ムラを防止することができる。

本発明は、熱処理が必要な製品における熱処理方法において利用可能であり、例えば、製品に付加した不要物を除去するために行う灰化処理や、製品の組織を変化させる焼き戻しや焼きなましなどに利用可能である。

は、ガスタービンの燃焼器の近傍を模式的に示した断面図である。 は、尾筒の壁部を模式的に示した斜視図である。 は、遮熱コーティングを施す尾筒を模式的に示した断面図である。 は、第１実施形態における熱処理を施す尾筒を模式的に示した断面図である。 は、第２実施形態における熱処理方法の一例を示した模式図である。

符号の説明

１ 尾筒
１ａ 内壁
１ｂ 外壁
２ 冷却孔
３ 冷却溝
４ 樹脂
５ ボンドコート
６ トップコート
７ シリコーン樹脂
８ 容器
１０ ガスタービン
１０ａ 車室
１１ 燃焼器
１１ａ 内筒
１１ｂ 外筒
１１ｃ パイロットノズル
１１ｄ メインノズル
１２ 圧縮機
１３ タービン
１３ａ 動翼

Claims (7)

1. 炉内に製品を設置して、当該製品を加熱する熱処理方法において、
   前記製品とシリコーン樹脂とを同時に加熱することを特徴とする熱処理方法。
2. 前記シリコーン樹脂が表面に塗布された前記製品を、前記炉内に設置して加熱することを特徴とする請求項１に記載の熱処理方法。
3. 液状またはペースト状の前記シリコーン樹脂を、前記製品の表面に塗布することを特徴とする請求項２に記載の熱処理方法。
4. 霧状の前記シリコーン樹脂を、前記製品の表面に噴射して塗布することを特徴とする請求項２に記載の熱処理方法。
5. 前記炉内において、前記製品を設置した位置の周囲かつ前記製品と接触しない位置に前記シリコーン樹脂を配置した後に、前記製品と前記シリコーン樹脂とを同時に加熱することを特徴とする請求項１に記載の熱処理方法。
6. 前記炉内の雰囲気を大気雰囲気とすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の熱処理方法。
7. 前記炉による加熱温度が、前記シリコーン樹脂が分解または蒸発する温度であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の熱処理方法。

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