JP2009138674A - 圧縮機翼及びその製造方法、並びに、火力発電用ガスタービン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧縮機翼1の表面付近の一部拡大部分11は、金属製の基材12と、この基材12の表面に形成された炭素と水素とを主成分とし、金属又は半金属の酸化物の超微粒子を分散含有しているアモルファス状膜13とを備えてなる。アモルファス状膜13は、厚さが1μm〜50μmの範囲、硬さがHV800〜2200の範囲、表面の算術平均粗さRaが0.5μm以下、且つ、十点平均粗さRzが2.0μm以下であることが好ましい。また、アモルファス状膜13における水素原子の割合が15〜31原子%の範囲、超微粒子の割合が3〜35原子%、残りが炭素原子で組成されているものであることが好ましい。
【選択図】図2
Description
(1) 圧縮機翼表面にCrめっき、Niめっきなどの皮膜を施工した際、めっき膜に存在するピンホールを通って圧縮機翼の基材面に浸入した水分および海塩粒子、SOx、NOxなどの環境汚染ガスによって、基材が優先的に腐食されて孔食が発生し、圧縮機翼の折損を誘発する。
(2) 現行のAlを含むクロム酸化物の皮膜では、無処理の圧縮機翼に比較すると耐食性は向上するものの、吸入空気中に含まれている微細な粉じん類の付着は依然として防げず、しばしば圧縮機の水による洗浄を余儀なくされている。
(3) 無処理の圧縮機翼をはじめ上記(1)〜(2)などの既存技術によって施工された表面処理皮膜の形成翼においても、ガスタービンの運転に伴って圧縮機翼表面に粉じん類が堆積して、圧縮効率が低下してくる。この対策として、ガスタービンの運転中に硬質の木の実あるいは殻の粉砕片を吸入空気中に投入し、圧縮機翼と機械的に接触させることによって除去する方法があるが、粉砕片による圧縮機翼の損傷とともに、圧縮空気とともにタービン部へ搬送された粉砕片が冷却用空気孔を閉塞してタービン翼などの高温部材を過熱損傷させる可能性がある。
(4) 吸入空気中に含まれている微細な粉じんを除去するために設置されている多段式の空気フィルターは、それなりに効果は認められるものの、設備費が大となるほか、あまり完全な空気フィルターの設置では吸入空気の抵抗が大きくなるためその効果には一定の限界がある。
(5) 圧縮機翼表面で発生する腐食、粉じんによるエロージョン損傷の発生は、圧縮機翼表面を粗面化したり、圧縮機翼形状の変化を伴うことが多くなったりするとともに、圧縮効率の低下の原因となっている。
(6) 上記(1)〜(5)が原因となる障害の早期発見、及び、その保守点検を行うために実施する作業時間の短縮化とともに、長期間無点検で使用できる信頼性の高い圧縮機翼が要望されている。
図1は、本発明の第1実施形態に係る圧縮機翼を示す断面図である。図2は、図1の圧縮機翼の表面付近の一部拡大図である。
アモルファス状膜13を形成するための基材12表面においては、機械的、化学的および電気化学的方法によって、算術平均粗さRaが0.5μm以下、十点平均粗さRzが2.0μm以下の鏡面状態となるように仕上げる。このような表面仕上げを行わないと、基材12表面は粗いので、突起物などが存在する場合がある。従って、基材12表面に形成するアモルファス状膜13の厚さが10μmと比較的薄い場合、突起物のある部分のアモルファス状膜13が早期に破壊されたり、腐食発生の起点となったりすることがある。
次に、上述の仕上げ工程を経た基材12表面に、金属酸化物又は半金属酸化物の超微粒子を分散含有してなるアモルファス状膜を形成する工程について説明する。まず、金属酸化物又は半金属酸化物の超微粒子を形成する前工程である、所定の超微粒子(Si、Al、Y、Mg、Crなどから選ばれる一種類以上のもの)を分散含有してなるアモルファス状膜の形成工程について説明し、その後に、上記所定の超微粒子を酸化する工程について説明する。
図3は、上記所定の超微粒子を分散含有してなるアモルファス状膜を形成するための装置の概略構成図である。この装置は、接地された反応容器2と、この反応容器2内部空間とそれぞれバルブ7a、バルブ7bを介して接続されている成膜用の有機系ガス導入装置(図示せず)及び反応容器を真空引きする真空装置(図示せず)と、反応容器2内の所定の位置に配設される圧縮機翼1の基材12に接続する導体3に導入端子9を介して高電圧パルスを印加するための高電圧パルス発生電源4と、高電圧導入部9を介して導体3に高周波を印加し、圧縮機翼1の基材12周囲にプラズマを発生させるプラズマ発生用電源5と、パルスおよび高周波の印加を一つの導体3で共用するために、高電圧パルス発生電源4及びプラズマ発生用電源5との間に設けられるとともに、高電圧導入部9と電気的に接続されている重乗装置6と、反応容器2及び地表と電気的に接続されているアース線8とを備えている。
(2)ガスから変化したイオンおよびラジカルは、負の電圧が印加された翼面に衝撃的に衝突する。
(3)衝突時の衝撃によって結合エネルギーの小さいC−H間が切断されHがスパッタされる。
(4)翼表面に水素を含んだアモルファス状膜が形成される。
アモルファス状膜中の所定の超微粒子を酸化するには、(a)酸素ガスを含む雰囲気中で加熱する、(b)酸素ガスプラズマによって酸化させる、のいずれかの方法を用いることができる。これらの方法を順次、説明する。
所定の超微粒子(Si、Al、Y、Mg、Crなどから選ばれる一種類以上のもの)を含むアモルファス状膜を空気中または酸素ガスを含む雰囲気路などの環境で加熱すると、このアモルファス状膜に含まれている超微粒子は、膜の表面から酸化して酸化物に変化する。具体的には、Si→Si02,Al→Al2O3,Y→Y2O3など化学的に安定な酸化物に変化して、耐食性と耐プラズマ性とを発揮することとなる。この場合の加熱温度は、上限を500℃とする。500℃以上に加熱すると、炭素と水素とを主成分とするアモルファス状膜が劣化するからである。加熱時間はアモルファス状膜に含まれている微粒子の酸化物の変化速度に応じて決定されるが、たとえば0.1hr〜10hr程度である。なお、アモルファス状膜に含まれている超微粒子がすべて酸化物に変化している場合は、それ以上加熱時間を長くするとアモルファス状膜が熱的に劣化するおそれがある。
たとえば図3のプラズマCVD装置を用い、雰囲気ガスとして、酸素ガスまたはAr,Heなどに酸素ガスを含ませたガスを導入し、所定の超微粒子(Si、Al、Y、Mg、Crなどから選ばれる一種類以上のもの)を含むアモルファス状膜を有する基材を負に帯電させてプラズマを発生させるとアモルファス状膜に含まれる超微粒子は、励起された酸素イオンの衝撃を受け、表面から次第に酸化物へと変化する。この方法はアモルファス膜の形成後、直ぐに製品に実施できるうえアモルファス状膜が加熱されるおそれがないため、加熱酸化法に比較すると品質が安定しており、また生産性の向上につながるので有利である。
次に、本発明の第2実施形態に係る圧縮機翼について説明する。なお、第1実施形態の符合11、13の部位と、本実施形態の符合21、23の部位とは順に同様のものであり、その説明を省略することがある。図4は、本発明の第2実施形態に係る圧縮機翼の表面付近の一部拡大断面図である。
(1)基材22表面部にイオン注入を重点的に行う場合:10〜40kV
(2)イオン注入と金属薄膜形成とを行う場合:5〜20kV
(3)基材22上に金属薄膜形成を行う場合:数百V〜数kV
(4)基材22上にスパッタリングなどで金属薄膜形成を重点的に行う場合:数百V〜数kV
したがって基材22表面部又は表面上にCr、Si、Ta、Nb、Tiなどの炭素と化学的親和力の強い金属イオン注入や金属の薄膜を形成した後、その上にアモルファス状膜23を積層させることが可能である。
次に、本発明の第3実施形態に係る圧縮機翼について説明する。なお、第1実施形態の符合11〜13の部位と、本実施形態の符合31〜33の部位とは順に対応しており、その説明を省略することがある。図5は、本発明の第3実施形態に係る圧縮機翼の表面付近の一部拡大断面図である。
この実施例では、上記第1実施形態と同様の構成で、表面粗さの異なる各炭素鋼基材の表面に、厚さを0.05μmから最大で70μmの範囲に制御したアモルファス状膜(SiO2の超微粒子を全体に対して18.2原子%分散含有しているもの)をコーティングした試験片を作成し、JISZ2371規定の塩水噴霧試験方法を連続96時間実施して、各試験片の外観を目視観察して赤錆の発生状況を調査した。なお、炭素鋼基材の寸法は幅25mm×長さ60mm×厚さ1.0μmである。また、該炭素鋼基材の表面粗さは、Ra 1μm〜10μmのものについては砥粒の大きさを変えたエメリー紙による研磨によって調製し、Ra 0.3μm以下の表面粗さのものについては、#1000エメリー紙による研磨後電解研磨によって仕上げた。またRa 10μm以上の表面粗さの炭素鋼基材については、Al2O3粒子を用いたブラスト処理によって調製した。下記表1は以上の内容及び試験結果を要約したものである。
実施例1と同じ試験片をそれぞれ用いて、中央部を90°に曲げたあとJISZ2371規定の塩水噴霧試験方法によって連続96時間の試験をおこなった。試験後の各試験片の外観、特に曲げ部における赤錆の発生の有無について調査した。下記表2は以上の内容及び試験結果を要約したものである。
この実施例では、第2実施形態と同様の構成で、基材として、実施例1で使用した炭素鋼基材と同一寸法のSS400鋼板(Ra=0.12μm、Rz=0.88μm)を用い、その片面に対して高周波プラズマCVD法により各種の元素を注入した後、その表面に形成したSiO2の超微粒子を分散含有しているアモルファス状膜を15μmの棒鋼を支点にして90°に曲げた状態でアモルファス状膜の表面を拡大鏡で観察記録した。その後、さらにこの試験片を180°に曲げ同じ位置を拡大鏡で観察記録し、SS400鋼板の表面部への注入層形成によるアモルファス状膜の密着性向上の有無を調査した。なお、この実施例の注入層に注入された元素は、C、Cと化学的親和力の高いN、Ti、Nb、Ta、Cr、Al、Si、の9種類で注入濃度は1×1012〜1×1014イオン濃度である。なお、比較例としてCとの化学的親和力の小さいCu、Ni、Snを同濃度の注入処理を施した。また、それぞれの注入層の上に形成したアモルファス状膜中のSiO2超微粒子の含有量は13原子%、水素量は12原子%、残りは炭素の主要組織を有するものである。下記表3は以上の内容及び試験結果を要約したものである。
この実施例では、炭素鋼、SUS410鋼(寸法:幅50mm×長さ100mm×厚さ3.2mm)の試験片の表面に、SiO2の超微粒子を30原子%の割合で分散含有しているアモルファス状膜を15μmの厚さで形成した後、このアモルファス状膜表面に対し、高さ100mmの距離から60メッシュのAl2O3粉末を含む0.5MPaの空気を30°の角度で吹き付けアモルファス状膜の耐エロージョン性を調査した。図6は、本実施例に用いたエロージョン装置の概略構成図である。このエロージョン装置の使用方法は以下の通りである。試験片49を試験片ホルダー41に固定した後、この直上に設置したノズル42から60メッシュのAl2O3粉末を含む5kg・cm−2気圧の圧縮空気を試験片の表面にAl2O3種として500gを吹き付け、試験後のアモルファス状膜表面を目視(拡大鏡観察を含む)およびエロージョン部の触針式表面粗さ計によってエロージョンによる表面形態の変化を測定することによって侵食深さを推定した。なお図6における43は空気式の圧縮機、44は水分除去機、45は圧力調整機、46は空気流量調製機、47はAl2O3粉末の供給用ホッパー、48はAl2O3粉末を搬送するための空気孔である。この実施例では比較用の試験片として、無処理のSS400、SUS410とともに硬度の高いアモルファス状膜を用いた。下記表4は以上の内容及び試験結果を要約したものである。
この実施例では、上記第3実施形態と同構成で、基材として、SS400鋼(寸法:幅10mm×長さ50mm×厚さ1.5mm)の試験片を用い、その表面に電気めっき法、CVD法およびPVD法によって各種の金属の薄膜をアンダーコートとして施工した後、その表面に本発明にかかるSiO2の超微粒子を分散含有しているアモルファス状膜を15μm厚で形成した後、この試験片を実施例3と同じように180°の曲げ試験を行って、該アモルファス状膜の密着性について拡大鏡を使って調査した。アンダーコートの形成法及び金属薄膜の種類は下記の通りである。
電気めっき法 :Cr、Cu−Ni
CVD法 :Cr、Al、Si
PVD法 :Ti、W、Nb、Ta、Cr、Al
下記表5は以上の内容及び試験結果を要約したものである。
この実施例では2種類の酸化物粒子を含むアモルファス状膜の耐熱衝撃性とその試験後の試験片を用いて塩水噴霧試験を行い熱衝撃後の耐食性を調査した。
供試基材として実施例4と同じSUS410を用い、この試験片の全面に下記表6に記載した2種類の酸化物粒子を含むアモルファス状膜(12μm)を形成した試験片(表6のNo.1〜6のもの)を準備した。
350℃×15分加熱の後、20℃水道水で冷却するという工程を5回繰り返す熱衝撃試験を実施した試験片を外観観察したのち、同じ試験片をJISZ2371規定の塩水噴霧試験を96時間実施し、その耐食性を比較した。
試験結果を表6に示した。この結果から金属酸化物又は半金属酸化物の超微粒子を含まないアモルファス状膜(No.1)は熱衝撃試験によって膜の一部が割れているため、塩水噴霧試験によって多量の赤さびを発生した。しかし、金属酸化物又は半金属酸化物の超微粒子を含むアモルファス状膜(No.2〜6)は、熱衝撃試験後も優れた耐食性を維持していることが確認された。したがって、上記特許文献12のものより優れた耐食性を有していることがわかった。
この実施例では、下記表7に示した試験片における金属酸化物又は半金属酸化物の超微粒子を含むアモルファス状膜の耐熱衝撃性を調査した後、耐熱試験後の試験片について、JISZ2371規定の塩水噴霧試験を実施し、アモルファス状膜の耐食性も調べた。
供試基材としてSUS410(寸法:幅25mm×長さ50mm×厚さ1.5mm)を用い、この全表面に表7の金属酸化物又は半金属酸化物の超微粒子を分散含有しているアモルファス皮膜を8μmの厚さで形成し、各試験片(表7のNo.1〜26のもの)を作製した。ここで、No.1の試験片におけるアモルファス状膜中の炭素含有量は84原子%、水素含有量は16原子%である。No.2〜26の試験片においては、水素含有量が17原子%、超微粒子の含有量が下記表7の通りであり、残りが炭素の含有量となっている。
熱衝撃試験は、電気を用いて各試験片を下記(a)、(b)の条件で行った。塩水噴霧試験については、下記(c)の条件で行った。
(a)「200℃×15分加熱→20℃水中投入」を5回繰り返し
(b)「350℃×15分加熱→20℃水中投入」を5回繰り返し
(c)(b)の熱衝撃試験後の試験片について、JISZ2371規定の塩水噴霧試験を48時間行った。
試験結果を表7に示した。この結果から明らかなように、比較例の酸化物粒子を含まないアモルファス状膜(No.1)は200℃−20℃間の熱衝撃試験には耐えるが、350℃−20℃間の熱衝撃試験ではアモルファス状膜に割れが発生した。これに対して金属酸化物又は半金属酸化物の超微粒子(全体に対して3〜35%のいずれかの割合)を含むアモルファス状膜(No.3〜5、8〜10、13〜15、18〜20、23〜25)には、200℃−20℃間及び350℃−20℃間の両条件の熱衝撃試験に耐え、優れた耐熱衝撃性を示した。この原因は比較例のアモルファス状膜が成膜時に大きい残留応力を有するのに対して、金属酸化物又は半金属酸化物の超微粒子を分散含有しているアモルファス状膜は残留応力が比較的低いうえに、共存するSiO2,Y2O3,Al2O3,MgO,Cr2O3がそれぞれ耐酸化物であるので、耐酸化性を十分に発揮したためと考えられる。これに対して、金属酸化物又は半金属酸化物の超微粒子の含有量が3原子%未満のアモルファス状膜(No.2、7、12、17、22)は、200℃−20℃間の熱衝撃試験には耐えるが、350℃−20℃間の熱衝撃試験ではアモルファス状膜に微細な割れが発生し、熱衝撃性が十分でなかった。一方、金属酸化物又は半金属酸化物の超微粒子を、35原子%を超えて含むアモルファス状膜(No.6、11、16、21、26)も、200℃−20℃間の熱衝撃試験には耐えるものの、350℃−20℃間の熱衝撃試験ではアモルファス状膜に比較的大きな割れが発生した。また、350℃−20℃間の熱衝撃試験後の試験片について行った塩水噴霧試験の結果、アモルファス状膜に割れが発生したものについては、すべて赤錆が発生し、耐食性が劣化していることが認められた。これらの結果から、本発明は、従来の圧縮機翼と同等以上の耐熱性及び防食効果を有するものであることがわかった。
ここで、実際に作製した圧縮機翼表面部の断面を撮影した電子顕微鏡写真を図7に示す。具体的に説明すると、図7の写真は、SUS410基材の表面に中間層として絶縁性を有する炭素と水素とを主成分とするアモルファス状膜(金属酸化物又は半金属酸化物の超微粒子は含有していない)を形成したのち、その上に超微粒子のSiO2をアモルファス状膜中に共析(分散含有)させた層を形成してなる圧縮機翼表面部の断面を示したものである。なお、本実施例のアモルファス状膜の炭素含有量は62原子%、水素含有量は18原子%、SiO2超微粒子の含有量は20原子%である。
2 反応容器
3 導体
4 高電圧パルス発生源
5 プラズマ発生用電源
6 重乗装置
7a、7b バルブ
8 アース線
9 導入端子
12、22、32 基材
11、21、31 (圧縮機翼の表面付近の)一部拡大部分
13、23、33 アモルファス状膜
41 試験片ホルダー
42 ノズル
43 圧縮機
44 水分除去機
45 圧力調整機
46 空気流量調製機
47 供給用ホッパー
48 空気孔
49 試験片
Claims (15)
- 基材の表面に、直接または下塗り膜を介して、炭素と水素とを主成分とし、金属酸化物又は半金属酸化物の超微粒子を分散含有しているアモルファス状膜を被覆したことを特徴とする圧縮機翼。
- 前記アモルファス状膜の厚さが1μm〜50μmの範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の圧縮機翼。
- 前記アモルファス状膜の硬さがHV800〜2200の範囲にあることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧縮機翼。
- 前記アモルファス状膜の表面の算術平均粗さRaが0.5μm以下、且つ、十点平均粗さRzが2.0μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧縮機翼。
- 前記アモルファス状膜における炭素原子の割合が85原子%〜69原子%、水素原子の割合が15原子%〜31原子%の範囲で組成されているものであるとともに、前記アモルファス状膜に対する該炭素原子及び該水素原子の組成割合が100原子%未満であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧縮機翼。
- 前記超微粒子が、Si、Al、Y、Mg、Crから選ばれる一種類以上のものの酸化物であり、
前記アモルファス状膜における前記超微粒子の割合が、3原子%〜35原子%であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧縮機翼。 - 前記超微粒子の粒子径が、5Å(5×10−10m)未満であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の圧縮機翼。
- 前記基材が、Ti、Alの単体およびその合金、炭素を含み、クロムを必須成分とする構造用鋼、並びにNiとCrとを必須成分とするステンレス鋼およびNi基合金のうちから選ばれる1種の金属材料であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の圧縮機翼。
- 前記下塗り膜が、Ti、W、Nb、Ta、Cr、Al、Siの単体またはそれらの合金から選ばれる1種以上の膜厚0.1〜3μmの膜であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の圧縮機翼。
- C、Ti、W、Nb、Ta、Cr、Al、Siから選ばれる1種以上の元素を、前記基材の表面部に注入することによって形成された注入層をさらに有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の圧縮翼部材。
- 前記基材の表面の算術平均粗さRaが0.5μm以下、十点平均粗さRzが2.0μmであることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の圧縮機翼。
- 基材の表面の算術平均粗さRaが0.5μm以下、十点平均粗さRzが2.0μm以下となるように加工する基材表面加工工程と、
前記基材上に、炭素と水素とを主成分とし、Si、Al、Y、Mg、Crから選ばれる一種類以上のものの酸化物からなる超微粒子を分散含有しているアモルファス状膜を被覆形成するアモルファス状膜被覆工程とを有することを特徴とする圧縮機翼の製造方法。 - 加工された前記基材の表面部に、C、Ti、W、Nb、Ta、Cr、Al、Siから選ばれる元素の注入層を形成する工程を、前記基材表面加工工程と前記アモルファス状膜被覆工程との間に有することを特徴とする請求項12記載の圧縮機翼の製造方法。
- 基材の表面の算術平均粗さRaが0.5μm以下、十点平均粗さRzが2.0μm以下となるように加工する基材表面加工工程と、
加工された前記基材の表面上に、Ti、W、Nb、Ta、Cr、Al、Siから選ばれる単体またはそれらの合金からなる下塗り膜を被覆形成する下塗り膜被覆工程と、
前記下塗り膜の表面上に、炭素と水素とを主成分とし、Si、Al、Y、Mg、Crから選ばれる一種類以上のものの酸化物からなる超微粒子を分散含有しているアモルファス状膜を被覆形成するアモルファス状膜被覆工程とを有することを特徴とする圧縮機翼の製造方法。 - 請求項1〜11のいずれか1項に記載の圧縮機翼を備えた圧縮機を有していることを特徴とする火力発電用ガスタービン。
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