JP2010059534A - 回転機械用の部品及びその製造方法、蒸気タービン並びに圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】気体と直接接触する環境下における耐ドレンエロージョン性に優れた回転機械用の部品及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基材１の表面１ａ上にセラミック硬質皮膜３が形成されてなり、該セラミック硬質皮膜３の表面３ａに存在するドロップレットの密度が１０００個／ｍｍ^２以内とされており、且つ、平均粒径が１μｍ以下のドロップレットの密度が５５０個／ｍｍ^２以内とされている。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転機械用の部品及びその製造方法、蒸気タービン並びに圧縮機に関する。

従来、例えば、蒸気タービンやコンプレッサポンプ等の回転機械に用いられるブレード等の部品においては、耐熱性や耐食性等を考慮した表面処理が施されている。蒸気タービンは、作動流体である蒸気がタービンの動翼に噴射されて駆動されるものであり、動翼（蒸気タービンブレード）やロータ等の回転機械の部品が、直接蒸気と接触する。また、化学プラント等で用いられ、各種流体を圧縮する圧縮機（コンプレッサ、ポンプ）は、外部から動力を与えられてインペラが回転し、前記流体を圧縮する。このようなコンプレッサポンプにおいても、インペラやロータ等の回転機械の部品が直接気体に接触する。

ここで、水滴が高速で衝突する部品、例えば、蒸気タービンのブレードや、コンプレッサポンプのインペラにおいては、衝突する水滴によって表面にエロージョン摩耗が発生するという問題がある。この対策として、例えば、ステライトの肉盛を施すことや、イオンプレーティング等の物理気相成長（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、硬質皮膜を表面に形成する技術が知られている。
しかしながら、上述のようなステライト肉盛の技術では、基材を溶融するために基材の変形が他の方法よりも大きくなる点や、セラミックコーティング等に比べて硬さが低いため、数ミリオーダーで厚膜化しないと、エロージョン摩耗からの基材保護効果が発現し難いという問題がある。

一方、イオンプレーティング法により、基材を硬質皮膜で被覆して耐エロージョン性を向上させる方法としては、例えば、図１３及び図１４に示すように、ステンレスからなる基材１００上にＣｒ膜１０１を形成し、このＣｒ膜１０１表面にＴｉＮ膜１０２をコーティングして多層膜を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、このような方法を用いた場合、コーティング層１０２の表面に、図１４の顕微鏡写真図に示すようなドロップレット（図１４中の符号１１０を参照）と呼ばれる粒子状の付着物が存在し、その大きさが大きく、また数が多い場合には、水滴によるエロージョン摩耗（ドレンエロージョン）が大きくなるという問題がある。

以下に、図１５（ａ）〜（ｃ）の模式図を用いて、従来の蒸気タービンブレードの硬質皮膜の表面からドロップレットが欠落するメカニズムについて説明する。図１５（ａ）に示すように、蒸気をなすドレン（水滴）２５０は概ね１００〜２００μｍの径を有しており、蒸気タービンブレードの表面に備えられる硬質皮膜２１０に衝突する。この際、図１５（ｂ）に示すように、硬質皮膜２１０の表面に存在するドロップレット２２０にもドレン２５０が衝突することにより、該ドロップレット２５０が硬質皮膜２１０から欠落することがある。そして、図１５（ｃ）に示すように、硬質皮膜２１０の表面において、ドロップレット２５０が欠落した部分は凹部２３０となり、この凹部２３０を起点にエロージョンが拡大する。この際、ドロップレット２５０の密度が大きい場合には、エロージョンが一層拡大してしまうという問題がある。またさらに、欠落したドロップレット２５０の一部が凹部２３０の内部に残留した場合にも、上記同様の問題が発生する。

また、ボールエンドミル等の切削工具の分野において、スパッタリング法により、表面に存在するマイクロパーティクル（ドロップレット）が、最大径が１０μｍ以下とされ、且つ、表面における占有面積率が１０％以下とされた皮膜を形成することが提案されている（例えば、特許文献２を参照）。しかしながら、特許文献２に記載の皮膜を蒸気タービンブレード等の回転機械用部品に適用したとしても、径が１００〜２００μｍの水滴（蒸気）径に対し、最大径が１０μｍとされたドロップレットが皮膜の表面上に存在すると、皮膜の境界における応力集中によってドロップレットが欠落し易いという問題がある。また、皮膜表面においてドロップレットが占有する面積が比較的大きいため、ドロップレットが欠落してドレンエロージョンが発生した場合に、ドロップレット欠落箇所間の相互作用によってドレンエロージョンが拡大する虞がある。

また、皮膜表面に形成されたドロップレットを、予め、研磨等の方法によって除去する技術も提案されている（例えば、特許文献３を参照）。しかしながら、皮膜表面においてドロップレットが除去された箇所は耐エロージョン性が低下するため、この位置を起点として侵食が拡大するという問題があった。

特公平８−３０２６４号公報 特開２００６−１１６６３３号公報 特開２００５−１０８８号公報

一般的に、ドロップレットの粒径や個数を少なくするたには、皮膜の成膜速度を小さくし、膜厚も薄くすることによって改善できるが、耐ドレンエロージョン性を硬質皮膜によって改善するためには、数μｍ〜数十μｍ程度の膜厚が必要となる。このように、硬質皮膜を厚く形成した場合には、ドロップレットの粒径や個数も厚さに応じて増加するため、一般的な切削工具等に用いられるような硬質皮膜を、例えば、蒸気タービンブレード等の回転機械用部品における耐ドレンエロージョン性コーティングとして適用することは困難であった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、水蒸気と直接接触する環境下における耐ドレンエロージョン性に優れた回転機械用の部品及びその製造方法、蒸気タービン並びに圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では以下の構成を採用した。
即ち、本発明に係る回転機械用の部品は、基材の表面上に、少なくともセラミック硬質皮膜が形成されてなり、該セラミック硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの密度が１０００個／ｍｍ^２以内とされており、且つ、平均粒径が１μｍ以下のドロップレットの密度が５５０個／ｍｍ^２以内とされていることを特徴とする。

係る構成の回転機械用の部品によれば、セラミック硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの密度を１０００個／ｍｍ^２以内とし、且つ、平均粒径が１μｍ以下のドロップレットの密度を５５０個／ｍｍ^２以内とすることにより、ドレンエロージョンの発生起点が少なくなり、耐エロージョン性が向上できる。

また、本発明に係る回転機械用の部品は、前記セラミック硬質皮膜が、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＺｒＮの内の少なくとも１種以上からなることを特徴とする。
係る構成の回転機械用の部品によれば、セラミック硬質皮膜を上記材料から構成することにより、耐摩耗性、耐ドレンエロージョン性を向上できる。

また、本発明に係る回転機械用の部品は、前記基材と前記セラミック硬質皮膜との間に中間層が形成されてなることを特徴とする。
係る構成の回転機械用の部品によれば、中間層を設けることにより、セラミック硬質皮膜に発生する内部応力が緩和され、密着性が向上する。

また、本発明に係る回転機械用の部品は、前記中間層が、Ｃｒ又はＴｉを含有することを特徴とする。
また、本発明に係る回転機械用の部品は、前記中間層が、ＣｒＮ又はＴｉＮからなることを特徴とする。
係る構成の回転機械用の部品によれば、セラミック硬質皮膜に発生する内部応力がより効果的に緩和され、さらに密着性が向上する。

また、本発明に係る回転機械用の部品は、前記セラミック硬質皮膜の膜厚が５〜１５μｍの範囲とされていることが好ましい。
また、本発明に係る回転機械用の部品は、前記セラミック硬質皮膜の膜厚が、前記中間層の膜厚よりも大きな寸法とされているとともに、前記セラミック硬質皮膜と前記中間層との合計の膜厚が５〜２０μｍの範囲とされていることが好ましい。
係る構成の回転機械用の部品によれば、各皮膜の膜厚が上記範囲とされることで、耐摩耗性、耐ドレンエロージョン性を向上できる。

本発明に係る回転機械用の部品の製造方法は、上記構成の回転機械用の部品を製造する方法であって、基材の表面上に、少なくとも、イオンプレーティング法、もしくはスパッタリング法によってセラミック硬質皮膜を形成することを特徴とする。

係る構成の回転機械用の部品の製造方法によれば、セラミック硬質皮膜を上記条件で基材上に成膜することにより、セラミック硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの粒径及び密度を小さくすることが可能となる。

本発明に係る蒸気タービンによれば、上記の回転機械用の部品が蒸気タービンブレードであり、該蒸気タービンブレードが備えられてなることを特徴とする。
係る構成の蒸気タービンによれば、上記構成の蒸気タービンブレードが備えられてなる構成なので、水蒸気と直接接触する環境下における耐ドレンエロージョン性に優れたものとなる。

本発明に係る圧縮機によれば、上記の回転機械用の部品がインペラであり、該インペラが備えられてなることを特徴とする。
係る構成の圧縮機によれば、上記構成のインペラが備えられてなる構成なので、水蒸気と直接接触する環境下における耐ドレンエロージョン性に優れたものとなる。

本発明の回転機械用の部品によれば、上記構成により、水蒸気と直接接触する環境下における耐ドレンエロージョン性が向上し、安価で高寿命な回転機械用の部品が実現できる。
また、本発明の回転機械用の部品の製造方法によれば、上記方法とすることにより、耐ドレンエロージョン性に優れ、安価で高寿命な回転機械用の部品を、高い生産効率で製造することが可能となる。
また、本発明の蒸気タービン並びに圧縮機によれば、上記構成の回転機械用の部品が、それぞれ、蒸気タービンブレード又はインペラとして備えられてなるものなので、水蒸気と直接接触する環境下における耐ドレンエロージョン性が向上し、安価で高寿命なものとなる。

本発明に係る回転機械用の部品の一例である蒸気タービンブレードを模式的に説明する図であり、蒸気タービンブレードが用いられる蒸気タービンを示す概略図である。 本発明に係る蒸気タービンブレードの第１の実施形態について模式的に説明する斜視図である。 本発明に係る蒸気タービンブレードの第１の実施形態について説明する図であり、基材上に中間層及びセラミック硬質皮膜が順次積層された構造を示す模式断面図である。 本発明に係る蒸気タービンブレードの一例を模式的に説明する図であり、セラミック硬質皮膜の表面において、ドロップレットの欠落及びドレンエロージョンを抑制する作用について説明する概略図である。 本発明に係る蒸気タービンブレードの第１の実施形態について説明する図であり、セラミック硬質皮膜の表面を示す顕微鏡写真図である。 本発明に係る蒸気タービンブレード（回転機械用の部品）の製造方法を模式的に説明する図であり、基材上に中間層及びセラミック硬質皮膜を形成する際に用いられる成膜装置の一例を示す概略図である。 本発明に係る蒸気タービンブレードの第２の実施形態について説明する図であり、基材上にセラミック硬質皮膜が積層された構造を示す模式断面図である。 本発明に係る蒸気タービンブレードの第３の実施形態について説明する図であり、基材上に中間層及びセラミック硬質皮膜が順次積層された構造を示す模式断面図である。 本発明に係る回転機械用の部品の実施例について説明する模式図であり、セラミック硬質皮膜の表面におけるドロップレットの粒径及び個数の測定方法を示す顕微鏡写真図である。 本発明に係る回転機械用の部品の実施例について説明する模式図であり、セラミック硬質皮膜の表面におけるドロップレットの個数測定結果を示すグラフである。 本発明に係る回転機械用の部品の実施例について説明する模式図であり、耐ドレンエロージョン性評価に用いられるキャビテーション・エロージョン試験方法の一例を示す概略図である。 本発明に係る回転機械用の部品の実施例について説明する模式図であり、耐ドレンエロージョン性の評価結果を示すグラフである。 従来の蒸気タービンブレードを説明する模式図であり、基材上に硬質皮膜が形成された積層構造を示す断面図である。 従来の蒸気タービンブレードを説明する図であり、硬質皮膜の表面を示す顕微鏡写真図である。 従来の蒸気タービンブレードを説明する図であり、硬質皮膜の表面からドロップレットが欠落するメカニズムについて説明する概略図である。

以下、本発明に係る回転機械用の部品及びその製造方法、蒸気タービン並びに圧縮機について、蒸気タービンブレードを例にして、図面を適宜参照しながら説明する。
図１〜図６は、本発明に係る蒸気タービンブレード（回転機械用の部品）の第１の実施形態を説明する模式図であり、図１は蒸気タービンブレードが用いられる蒸気タービンの一例を示す模式図、図２は蒸気タービンブレードを示す斜視図、図３は基材上に中間層及びセラミック硬質皮膜が順次積層された構造を示す断面図、図４はセラミック硬質皮膜の表面においてドロップレットの欠落及びドレンエロージョンを抑制する作用を説明する模式図、図５はセラミック硬質皮膜の表面を示す顕微鏡写真図、図６はセラミック硬質皮膜を形成する際に用いられる成膜装置の一例を示す概略図である。また、図７は本発明に係る蒸気タービンブレードの第２の実施形態を説明する模式図、図８は第３の実施形態を説明する模式図である。
なお、以下の説明において参照する各図面は、蒸気タービンブレード（回転機械用の部品）を説明するための図面であって、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の寸法関係とは異なっていることがある。

［蒸気タービンブレードの第１の実施形態］
以下、本発明に係る回転機械用の部品である蒸気タービンブレードの第１の実施形態について詳述する。
本発明に係る蒸気タービンブレードは、例えば、図１に示す蒸気タービン４０において、動翼（図中における蒸気タービンブレード１０を参照）として用いられる回転機械用の部品である。蒸気タービン４０は、作動流体である蒸気が、タービン４１に取り付けられた蒸気タービンブレード１０（動翼）に噴射されて駆動されるものであり、このような蒸気タービン４０においては、蒸気タービンブレード１０が直接蒸気と接触するような構成とされている。
そして、本発明に係る蒸気タービンブレード１０は、図３の断面図に示すように、基材１の表面１ａ上に、耐ドレンエロージョン性を向上させるためのセラミック硬質皮膜が形成された構成とされている。

『蒸気タービンブレード』
蒸気タービンブレード１０は、図３の断面図に示すように、基材１の表面１ａ上に中間層２及びセラミック硬質皮膜３が積層されている。また、蒸気タービンブレード１０においては、セラミック硬質皮膜３の表面３ａに存在するドロップレット４（図４を参照）の密度が１０００個／ｍｍ^２以内とされ、且つ、平均粒径が１μｍ以下のドロップレット４の密度が５５０個／ｍｍ^２以内とされている。

「材質」
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１０を構成する基材１、セラミック硬質皮膜３並びに中間層２の材質について詳述する。
基材１としては、例えば、ＳＵＳ４１０Ｊ１をはじめとするステンレス鋼等、この分野において一般に用いられている材料を何ら制限無く用いることができ、適宜選択することが可能である。

セラミック硬質皮膜３は、蒸気タービンブレード１０において基材１の表面１ａ上にコーティングされてなる皮膜である。
セラミック硬質皮膜３の材質としては、皮膜としての高い密着性や耐ドレンエロージョン性を備えるものであれば如何なるものでも採用することが可能であるが、窒化物又は炭化物からなることが好ましい。また、セラミック硬質皮膜３は、窒化物又は炭化物のなかでも、例えば、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＺｒＮの内の少なくとも１種以上からなる皮膜であることがより好ましい。セラミック硬質皮膜３を上記材質から構成することにより、耐摩耗性、耐ドレンエロージョン性に優れるセラミック硬質皮膜３を得ることが可能となる。

中間層２は、上述のような基材１とセラミック硬質皮膜３との間に設けられる皮膜であり、セラミック硬質皮膜３に発生する内部応力を緩和し、基材１とセラミック硬質皮膜３との間の密着性をより高める作用がある。
中間層２の材質としては、Ｃｒ又はＴｉからなることが好ましい。このような材質で中間層２を構成することにより、セラミック硬質皮膜３に発生する内部応力がより効果的に緩和され、基材１とセラミック硬質皮膜３との間の密着性がさらに向上する。
なお、中間層２の成膜方法としては、詳細を後述するセラミック硬質皮膜３の成膜方法と同じ方法を、何ら制限無く採用することができる。

「膜厚」
図３に示すような、本実施形態の蒸気タービンブレード１０においては、セラミック硬質皮膜３の膜厚が５〜１５μｍの範囲とされていることが好ましい。セラミック硬質皮膜３の膜厚が５μｍ未満だと、耐ドレンエロージョン性が低下する虞があり、また、膜厚が１５μｍを超えると生産性が低下する。
また、本実施形態では、セラミック硬質皮膜３の膜厚が中間層２の膜厚よりも大きく構成されるとともに、セラミック硬質皮膜３と中間層２との合計の膜厚が５〜２０μｍの範囲とされていることが、優れた耐ドレンエロージョン性と高い密着性の両方が得られる点から、より好ましい。

「ドロップレットの粒径及び密度」
本発明の蒸気タービンブレードでは、セラミック硬質皮膜３の表面３ａに存在するドロップレット４の密度を１０００個／ｍｍ^２以内に規定し、且つ、平均粒径が１μｍ以下のドロップレット４の密度を５５０個／ｍｍ^２以内、より好ましくは５００個／ｍｍ^２以内に規定する（図５の顕微鏡写真図も参照）。

本実施形態の蒸気タービンブレード１０では、セラミック硬質皮膜３の表面３ａに存在する全てのドロップレット４の密度を１０００個／ｍｍ^２以内とすることにより、侵食の起点が減少する。これにより、仮に、一部のドロップレット４が欠落してその周囲が侵食された場合でも、その他のドロップレット４並びにその周囲には影響しないと考えられる。従って、セラミック硬質皮膜３の表面３ａにおける全体的な耐ドレンエロージョン性が低下するのを防止することができる。
また、セラミック硬質皮膜３の表面３ａに存在する平均粒径が１μｍ以下のドロップレット４の密度を５５０個／ｍｍ^２以内とすることにより、図４（ａ）〜（ｃ）の模式図に示すように、粒径が１００〜２００μｍのドレン５０がドロップレット４に衝突した際の、ドロップレット４に作用する単位面積あたりの応力が緩和されると考えられる。これにより、ドロップレット４がセラミック硬質皮膜３の表面３ａから欠落するのが抑制される。従って、セラミック硬質皮膜３の表面３ａにおける侵食の起点が減少し、耐ドレンエロージョン性が低下するのを防止することができる。

本発明に係る蒸気タービンブレード１０を、図１に示すような蒸気タービン４０に取り付けた際に、セラミック硬質皮膜３の表面３ａにおいてドロップレット４の欠落が抑制されるメカニズムについて、図４（ａ）〜（ｃ）の模式図を参照しながら、以下に説明する。同様に、図４（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、ドロップレット４が欠落した場合であってもドレンエロージョンの拡大が抑制されるメカニズムについて、以下に説明する。

蒸気タービン４０のタービン４１に蒸気が噴射された際、図４（ａ）に示すように、まず、概ね１００〜２００μｍの径を有するドレン５０がセラミック硬質皮膜３の表面３ａに衝突する。この際、セラミック硬質皮膜３の表面３ａに存在するドロップレット４は、上述のように、主として小径のものであるとともに低密度であるため、ドロップレット４に作用する単位面積あたりの応力が小さなものとなる。このため、図４（ｂ）に示すように、ドロップレット４が欠落せず、セラミック硬質皮膜３の表面３ａ上に残留する。また、図４（ｃ）に示すように、仮に、一部のドロップレット４が欠落した場合であっても、その部分に生じる溝３ｂは小径であるため、この溝３ｂを基点にドレンエロージョンが大きく拡大することが無い。また、セラミック硬質皮膜３の表面３ａに存在するドロップレット４の密度が抑制されているので、ドロップレット４が欠落した場合でも、相互作用によってドレンエロージョンが拡大するのを抑制することが可能となる。

なお、ドロップレット４の粒径や数は、例えば、図５に示すように（図３の断面図も参照）、セラミック硬質皮膜３の表面３ａを、電子顕微鏡を用いて３００倍（視野０．４２ｍｍ×０．３１６ｍｍ）で任意の視野の撮影を行い、これをＡ４サイズ程度に拡大した後、カウントして各任意の視野における平均を求めることによって計測できる。
また、セラミック硬質皮膜３の表面３ａの耐ドレンエロージョン性については、例えば、キャビテーション・エロージョン試験によって評価することができる。この場合、例えば、時間を６Ｈｒ程度として試験を行った後のエロージョン量（重量減少量）を測定することで評価が可能である。

『蒸気タービンブレードの製造方法』
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード（回転機械用の部品）１０の製造方法について、主に図６を参照しながら詳述する。図６は、基材１の表面１ａ上に、中間層２並びにセラミック硬質皮膜３を形成する際に用いられる成膜装置の一例を示す模式図である。
本実施形態では、図３に示すような蒸気タービンブレード１０の積層構造に備えられるセラミック硬質皮膜３を、図６に示すような成膜装置６０を用いて成膜する方法を例に挙げて説明する。

本発明に係る蒸気タービンブレードの製造方法は、上記構成の蒸気タービンブレード１０を製造する際、基材１の表面１ａ上に、少なくとも、イオンプレーティング法、もしくはスパッタリング法によってセラミック硬質皮膜３を形成する方法である。また、本実施形態では、セラミック硬質皮膜３を、中空陰極式のイオンプレーティング法で形成するとともに、該イオンプレーティング法による成膜条件として、コーティング材料６４（蒸発源）の蒸発面の面積あたりでのプラズマガン６５の電子線６６の出力である溶融パワー（Ｐ１）を５５０〜９８０（Ｗ／ｃｍ^２）の範囲とし、集束コイル７０の表面積あたりでの電磁出力である集束パワー（Ｐ２）を８０〜１５０（Ｗ／ｃｍ^２）の範囲とする方法を説明する。

セラミック硬質皮膜の成膜方法としては、一般的なＰＶＤ法を用いることができるが、最も適した成膜方法の一つとして、材料を電子ビーム等によって溶融させ、蒸着するイオンプレーティング法が挙げられ、中でも、プラズマガンと集束コイルによってコーティング材料を溶融させて蒸着処理を行なう中空陰極式のイオンプレーティング法（ＨＣＤ法：ホローカソード法：Ｈｏｌｌｏｗ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）を用いることが好ましい。このような方法においては、蒸着する材料を溶解させる際のプラズマガンの出力や、集束コイル出力を精密に制御することにより、本発明で規定するドロップレットの粒径及び密度を達成することが可能となる。

図６に、中空陰極式のイオンプレーティング法を用いた成膜装置の一例を示す。この成膜装置６０は、排気孔６２から真空排気可能とされた真空容器６１と、この真空容器６１の内部に配され、コーティング材料６４が収容されるルツボ６３と、コーティング材料６４を加熱蒸発するとともにイオン化して基板１の表面１ａ上に堆積させるための電子線６６を放出するプラズマガン６５と、電子線６６をコーティング材料６４に向けて集束させる集束コイル７０と、基板１を加熱するためのヒータ６７とが備えられ、概略構成されている。
また、図示例のように、通常、ルツボ６３と基板１の間にはシャッター７１が設けられ、不要なコーティング材料６４の付着を防止できる構成とされており、さらに、基板１に、ルツボ６３対して負の電圧（バイアス電圧）を印加するための直流バイアス電源を接続した構成とされている。またさらに、成膜装置６０には、真空容器６１内の残留ガス成分等を計測するための質量分析計７２が設けられている。

以下に、上記構成の成膜装置６０を用いて製膜工程を実施する場合の手順の一例を説明する。
まず、真空容器６１内に、１３Ｃｒステンレス鋼（ＳＵＳ４１０Ｊ１）からなる基板１を配置し、真空容器６１内を５×１０^−５ｔｏｒｒ以下まで真空排気して減圧する。
次いで、基板１をヒータ６７によって４５０〜５５０℃の温度まで加熱し、この温度で３０分以上保持することで基板１を灼熱する。

次いで、プラズマガン６５及び集束コイル７０の出力を適宜調整して、溶融パワーＰ１（Ｗ／ｃｍ^２）及び集束パワーＰ２（Ｗ／ｃｍ^２）を制御しながら、これらプラズマガン６５及び集束コイル７０を起動する。この際、シャッター７１は閉じたままの状態とする。ここで、本発明において説明する溶融パワーＰ１（Ｗ／ｃｍ^２）とは、プラズマガン６５の電子線６６の出力（Ｗ）を、ルツボ６３に収容されたコーティング材料６４の蒸発面の面積（ｃｍ^２）で除した数値である。また、集束パワーＰ２（Ｗ／ｃｍ^２）とは、集束コイル７０の電磁出力（Ｗ）を、集束コイル７０の表面積（ｃｍ^２）で除した数値である。

本発明においては、基板１上にコーティング材料６４を蒸着させる前に、シャッター７１を閉じた状態でプラズマガン６５の出力を増加させ、溶融パワーＰ１を定格出力よりも５〜２０％程度増加させた出力で１０〜３０分間保持した後、定格出力に戻してシャッター７１を開放し、製膜処理を行なうことが好ましい。これにより、基板１の表面１ａ上にコーティング材料６４を蒸着させる前に、予め、飛び出し易い粒子を取り出すことができるので、ドロップレットが低減でき、安定した膜を形成することができる。

そして、シャッター７１を開放することにより、コーティング材料６４を基板１の表面１ａ上に堆積、蒸着させて成膜処理を行なう。この際、必要に応じて、基板１とルツボ６３との間にバイアス電圧を印加しながら成膜処理を行なう。

なお、上述した溶融パワーＰ１は、５５０〜９８０（Ｗ／ｃｍ^２）の範囲とすることが好ましい。出力Ｐ１が上記範囲であれば、コーティング材料６４を効率的且つ確実に溶解して取り出し、良好な膜質で成膜処理を行なうことが可能となる。また、溶融パワーＰ１を上記範囲とした場合の、集束パワーＰ２は、８０〜１５０（ｍＷ／ｃｍ^２）の範囲とすることが好ましい。
溶融パワーＰ１を上記範囲としたうえで、集束パワーＰ２をこのような範囲とし、これらＰ１、Ｐ２を精密に制御することにより、本発明で規定するドロップレットの粒径及び密度を達成することが可能となる。

ここで溶融パワーＰ１が９８０（Ｗ／ｃｍ^２）を超えると、パワーが強すぎて膜表面にドロップフィレットの大きな粒ができてしまう虞がある。一方、溶融パワーＰ１が５５０（Ｗ／ｃｍ^２）未満だと、成膜レートが低くなり、生産性が低下する虞がある。
また、集束パワーＰ２は、上記範囲が好ましいが、この集束パワーＰ２が上記範囲を越える場合には、膜表面にドロップフィレットの大きな粒ができてしまう虞があり、集束パワーＰ２が上記範囲を下回ると、溶融パワーＰ１を精密に集束させるのが困難になる。

また、成膜装置６０を用いてＴｉＮのような化合物をコーティングする場合には、例えば、コーティング材料６４にＴｉを用いて蒸発させるとともに、導入口６９から反応ガス（Ｎ_２）を供給することにより、基板１の表面１ａ上にＴｉＮを堆積させることができる。

また、上述したようなＨＣＤ法を用いたセラミック硬質皮膜の成膜方法は、中間層の成膜処理においても何ら制限無く適用することが可能である。このような場合には、例えば、溶融パワーＰ１は、４５０〜５５０（Ｗ／ｃｍ^２）の範囲とすることが好ましく、また、溶融パワーＰ１を上記範囲とした場合の、集束パワーＰ２は、８０〜１２０（ｍＷ／ｃｍ^２）の範囲とすることが好ましい。

［蒸気タービンブレードの第２の実施形態］
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１１について、図７を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０と同様の構成には共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード１１は、基材１とセラミック硬質皮膜３１との間に中間層が設けられていない点で、第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０とは異なる構成とされている。

本実施形態の蒸気タービンブレード１１は、基材１の表面１ａ上に形成される皮膜が、セラミック硬質皮膜３１のみからなる単層膜とされている。このような単層膜構造を有するセラミック硬質皮膜３１の膜厚は、５〜１５μｍの範囲とされていることが好ましい。セラミック硬質皮膜３１の膜厚が上記範囲とされることで、セラミック硬質皮膜３１の表面に存在するドロップレット４（図４を参照）の粒径及び密度を、上記第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０と同様の範囲で、適正且つ容易に制御出来る。

なお、本実施形態の蒸気タービンブレード１１に備えられる基材１及びセラミック硬質皮膜３１としては、上記第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０に備えられる基材１及びセラミック硬質皮膜３と同様のものを用いることができる。また、基材１の表面１ａ上へのセラミック硬質皮膜３１の成膜方法としても、第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０の場合と同様の方法を採用することが可能である。
本実施形態の蒸気タービンブレード１１によれば、上記構成により、上記第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０と同様に、耐ドレンエロージョン性が向上する効果が得られる。

なお、本実施形態においては、まず、基材１上にセラミック硬質皮膜３１と同材料、例えばＴｉＮ等からなる中間層を形成し、その上にＴｉＮからなるセラミック硬質皮膜３１を形成することにより、結果として、図７に示すような単一材質膜とすることも可能である。この場合には、セラミック硬質皮膜３１と同材料の中間層の作用により、第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０と同様にセラミック硬質皮膜３１に発生する内部応力が緩和され、基材１とセラミック硬質皮膜３との間の密着性が向上する効果が得られる。

［蒸気タービンブレードの第３の実施形態］
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１２について、図８を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、第１及び第２の実施形態の蒸気タービンブレード１０、１１と同様の構成には共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード１２は、基材１とセラミック硬質皮膜３との間に形成される中間層２１が、ＣｒＮ又はＴｉＮからなる構成とされている点で、上記第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０とは異なる。

本実施形態では、上記材質で中間層２１を構成することにより、第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０と同様に、セラミック硬質皮膜３に発生する内部応力が効果的に緩和され、基材１とセラミック硬質皮膜３との間の密着性が良好となる。
また、中間層２１及びセラミック硬質皮膜３の膜厚についても、上記第１の実施形態と同様、セラミック硬質皮膜３の膜厚が中間層２１の膜厚よりも大きな寸法とされているとともに、セラミック硬質皮膜３と中間層２１との合計の膜厚が５〜２０μｍの範囲とされていることが好ましい。セラミック硬質皮膜３と中間膜２１の厚さが上記関係とされ、且つ、上記範囲の厚さとされることで、上記第１の実施形態と同様、セラミック硬質皮膜３の表面３ａに存在するドロップレット４の粒径及び密度を、適正な範囲で容易に制御できる。また、上記構成の積層膜とすることで、中間層２１の残留応力も緩和され、基材１上に形成された皮膜全体の内部応力が、同一厚さの単層皮膜に比べて小さくなる。

また、本実施形態のセラミック硬質皮膜３は、上記第１の実施形態と同様の皮膜であり、その材質や膜厚、成膜方法等は共通とすることができる。
また、上述のような中間層２１を成膜する方法としても、第１の実施形態におけるセラミック硬質皮膜３と同様の成膜方法を、何ら制限無く適用することが可能である。

［回転機械用の部品の他の例］
本発明においては、上述の蒸気タービンブレードと同様のセラミック硬質皮膜を基材の表面上に形成することにより、例えば、化学プラント等で用いられ、各種気体を圧縮するコンプレッサポンプ（圧縮機）に備えられるインペラや、ロータ等の回転機械用の部品を構成することが可能となる。

本発明に係る回転機械用の部品の他の例としては、詳細な図示を省略するが、例えば、コンプレッサポンプのインペラを構成した場合には、該インペラの表面に、図３等に示すような蒸気タービンブレードと同様のセラミック硬質皮膜が設けられた構成とすることができる。これにより、気体がインペラに直接接触しても、上述の蒸気タービンブレードと同様、セラミック硬質皮膜の表面に存在するドロップレットが欠落するのを抑制できる。また、セラミック硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの一部が欠落して周囲にドレンエロージョンが生じた場合でも、他のドロップレットに影響が及ぶのを抑制できる。従って、全体的な耐ドレンエロージョン性が低下するのを抑制する効果が得られる。

さらに、上述の蒸気タービンブレードと同様の中間層が、基材とセラミック硬質皮膜との間に設けられている構成とすれば、セラミック硬質皮膜に発生する内部応力を緩和し、基材とセラミック硬質皮膜との間の密着性をより高める効果が得られる点から、より好ましい。

また、本発明に係る回転機械用の部品のセラミック硬質皮膜及び中間層は、上記蒸気タービンブレードと同様の皮膜であることから、その材質や膜厚の他、成膜方法等の製造工程も共通とすることが可能である。
例えば、上述のようなコンプレッサポンプのインペラ表面にセラミック硬質皮膜を形成する方法としてＨＣＤ法を採用し、上記同様の条件で基材の表面上にセラミック硬質皮膜を形成することにより、該セラミック硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの粒径及び密度を、上記同様の適正範囲に制御することが可能となる。

以上説明したように、本発明に係る蒸気タービンブレード（回転機械用の部品）によれば、セラミック硬質皮膜３の表面３ａに存在するドロップレット４の密度を１０００個／ｍｍ^２以内とし、且つ、平均粒径が１μｍ以下のドロップレット４の密度を５５０個／ｍｍ^２以内とすることにより、ドレンエロージョンの発生起点が少なくなるので、水蒸気と直接接触する環境下における耐ドレンエロージョン性が向上する。従って、耐ドレンエロージョン性に優れ、安価で高寿命な蒸気タービンブレードが実現できる。

また、本発明に係る蒸気タービンブレードの製造方法（回転機械用の部品の製造方法）によれば、上記構成の蒸気タービンブレードを製造する際、基材１の表面１ａ上に、少なくとも、イオンプレーティング法、もしくはスパッタリング法によってセラミック硬質皮膜３を形成する方法とすることにより、セラミック硬質皮膜３の表面３ａに存在するドロップレット４の粒径及び密度を小さくすることが可能となる。従って、耐ドレンエロージョン性に優れ、安価で高寿命な蒸気タービンブレードを、高い生産効率で製造することが可能となる。

以下、実施例を示して、本発明の回転機械用の部品及びその製造方法を更に詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものでは無い。
図９〜図１２は、本発明の実施例について説明する模式図であり、図９はセラミック硬質皮膜の表面におけるドロップレットの粒径及び個数の測定方法を示す顕微鏡写真図、図１０はセラミック硬質皮膜の表面におけるドロップレットの個数測定結果を示すグラフ、図１１は耐ドレンエロージョン性評価のための試験装置を示す概略図、図１２は耐ドレンエロージョン性の評価結果を示すグラフである。

本実施例では、まず、基材上に、ＨＣＤ法（Ｈｏｌｌｏｗ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：中空陰極放電）を用いたイオンプレーティング法で、下記表１に示すような各成膜条件で中間層及びセラミック硬質皮膜を順次成膜することにより、実施例１〜４のサンプルを作製した。また、基材上に、ＨＣＤ法あるいはＡＩＰ法（Ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ：アークイオンプレーティング）を用いて（下記表３も参照）、下記表２に示すような各成膜条件で中間層及びセラミック硬質皮膜を順次成膜することにより、比較例１〜４のサンプルを作製した。そして、これらサンプルについて、以下に説明する各評価試験を行った。

［実施例１〜４の試験片の作製］
まず、基材１として、１３Ｃｒステンレス鋼（ＳＵＳ４１０Ｊ１）からなる基材を準備した。そして、図６に示すような成膜装置６０を使用し、以下の手順で、基材１の表面１ａ上に、中間層及びセラミック硬質皮膜を順次成膜した。
まず、基板１を真空容器６１内に配置し、真空容器６１内を５×１０^−５ｔｏｒｒ以下まで真空排気して減圧した。次に、基板１を、ヒータ６７によって４５０〜５５０℃の温度まで加熱し、この温度で３０分以上保持して基板１を灼熱状態とした。
また、ルツボ６３には、中間層２の成膜時は、該中間層２の材料となるコーティング材料６４としてＣｒを収容し、その上のセラミック硬質皮膜３の成膜時は、該セラミック硬質皮膜３の材料となるコーティング材料としてＴｉを収容した。

次に、シャッター７１を閉じた状態で、プラズマガン６５及び集束コイル７０の出力を適宜調整し、溶融パワーＰ１（Ｗ／ｃｍ^２）及び集束パワーＰ２（Ｗ／ｃｍ^２）を、下記表１に示す数値に制御しながら、これらプラズマガン６５及び集束コイル７０を起動した。ここで、本実施例で説明する溶融パワーＰ１（Ｗ／ｃｍ^２）は、プラズマガン６５の電子線６６出力（Ｗ）をルツボ６３に収容されたコーティング材料６４の蒸発面の面積（ｃｍ^２）で除した数値であり、また、集束パワーＰ２（Ｗ／ｃｍ^２）は、集束コイル７０の電磁出力（Ｗ）を集束コイル７０の表面積（ｃｍ^２）で除した数値である。

そして、シャッター７１を閉じた状態でプラズマガン６５の出力を増加させ、溶融パワーＰ１を定格出力よりも５〜２０％程度増加させた出力で１０〜３０分間保持し、予め、コーティング材料６４中における飛び出し易い粒子を取り出しておいた。
次に、溶融パワーＰ１を定格出力に戻してシャッター７１を開放し、基板１の表面１ａ上にコーティング材料６４（この場合はＣｒ）を蒸着、堆積させることにより、まず、Ｃｒからなる中間層２を成膜した。

次いで、ルツボ６３に収容するコーティング材料６４をＴｉに変更し、また、各成膜条件を下記表１に示すような数値として、上記手順で成膜したＣｒからなる中間層２上に、ＴｉＮからなるセラミック硬質皮膜３を、上記同様の手順によって成膜した。なお、ＴｉＮからなるセラミック硬質皮膜３を成膜する際は、コーティング材料６４（この場合はＴｉ）を蒸発させながら、導入口６９から反応ガス（Ｎ_２）を供給した。

なお、中間層２及びセラミック硬質皮膜３の成膜処理においては、必要に応じて、基板１とルツボ６３との間に、下記表１に示す数値のバイアス電圧を印加した。
また、成膜前のプラズマガン６５及びコーティング材料６４の溶解安定化のため、出力Ｐ１を標準値の５〜２０％増しとして数分間の動作を行い、真空容器６１に接続された質量分析計７２により、Ｈ_２Ｏ並びにＯ_２の各分圧の時間変化を測定した。

上記手順により、下記表１に示す各条件で基板１の表面１ａ上に、中間層２として膜厚が３μｍのＣｒを成膜し、その上に、セラミック硬質皮膜３として膜厚が１０μｍのＴｉＮを成膜することにより、実施例１〜４の４種の試験片を各々作製した。

［比較例１〜４の試験片の作製］
上記実施例１〜４と同様、１３Ｃｒステンレス鋼（ＳＵＳ４１０Ｊ１）からなる基材を準備し、下記表２に示す各条件で、以下の手順で、基材上に中間層及び硬質皮膜を順次成膜した。
まず、比較例１として、ＨＣＤ法により、下記表２に示す各成膜条件で基材上に中間層及び硬質皮膜を順次成膜し、試験片を作製した。これは、上述した特許文献１（特公平８−３０２６４号公報）において開示されている条件と同様の成膜条件である。
また、比較例２〜４として、ＡＩＰ法により、下記表２に示す各成膜条件で基材上に中間層及び硬質皮膜を順次成膜し、各試験片を作製した。ＡＩＰ法は、工具等に適用されている硬質皮膜の成膜方法の一つであり、特に、密着力に優れた皮膜を成膜することができる方法である（ＡＩＰ法による成膜方法については、特許第３６３３８３７号の段落００５９〜００６５等も参照）。また、比較例２〜４の試験片を作製する際は、成膜条件としては、通常の工具等において適用されているＴｉＮの成膜条件と同様の条件とし、バイアス電圧を変更して成膜処理することにより、３種類の試験片とした。

［評価試験項目］
上記手順によって作製した実施例１〜４及び比較例１〜４の試験片について、以下に説明するような項目の各種評価試験を実施し、結果を下記表３に示した。

「ドロップレットの粒径及び密度の測定」
ドロップレットの粒径及び数量（密度）は、図９（ａ）、（ｂ）の顕微鏡写真図に示すように、試験片の表面を、走査型電子顕微鏡を用いて３００倍（視野０．４２ｍｍ×０．３１６ｍｍ）で任意の視野で撮影し、これをＡ４サイズに拡大した後、カウントして各任意の視野における平均を求めて計測した。また、この際、「１μｍ以下」、「１μｍ超５μｍ以下」、「５μｍ超１０μｍ以下」、「１０μｍ超」の４水準で各々ドロップレットの数量をカウントし、その平均を求めて１ｍｍ^２あたりの数量に換算することによって密度（個／ｍｍ^２）を求め、結果を図１０のグラフ及び下記表１に示した。

「耐ドレンエロージョン性の評価」
各試験片の表面に形成された皮膜の耐ドレンエロージョン性については、ＡＳＴＭ Ｇ３２−７７に準じ、キャビテーション・エロージョン試験によって評価した。
図１１（ａ）に、キャビテーション・エロージョン試験に用いた各実施例及び比較例の試験片Ａの形状並びに寸法値を示す。図１１（ａ）に示すように、各試験片Ａにおける皮膜の形成範囲は、１５．９ｍｍの平面部と、ネジ部を除く７ｍｍの周方向とした。
図１１（ｂ）に、本実施例で用いたキャビテーション・エロージョン試験装置８０のフローシート図を示す。本実施例においては、超音波発信器８６にて振動子８１を発振させ，Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金製拡大ホーン８２によって振幅を拡大させて、ホーン先端に取付けた試験片Ａを振動させる方法で評価試験を行った。この際、試験片Ａの先端を２〜３ｍｍ程度、試験片液８５に浸漬しながら振動させて気泡を発生させ、この、気泡が崩壊する際の衝撃圧力や液ジェットにより、エロージョンを発生させた。また、この際の試験環境としては、イオン交換水（室温）を用いて、繰返し速度：１８．５ＫＨｚ、試験片Ａ先端の振幅：２５μｍで、最長６ｈまで実施する条件とした。
そして、上記手順のキャビテーション・エロージョン試験を行った後、試験片Ａの重量減少量（エロージョン量）を電子天秤（精度：０．１ｍｇ）によって測定し、この結果を図１２のグラフ及び下記表３に示した。

表２に、各実施例及び比較例における各成膜条件の一覧を示し、表３に、各評価試験における結果の一覧を示す。

［評価結果］
表３に示すように、本発明で規定する条件でセラミック硬質皮膜を形成し、該セラミック硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの粒径及び密度が本発明で規定する範囲とされた実施例１〜４の試験片は、セラミック硬質皮膜の表面における粒径ｄが１μｍ以下のドロップレットの平均密度が５５０個／ｍｍ^２以内であった（図９（ａ）に示す顕微鏡写真図を参照）。また、セラミック硬質皮膜の表面における全てのドロップレットの密度も、各実施例において１０００個／ｍｍ^２以内であり、エロージョン量が少なく、耐ドレンエロージョン性に優れることが確認された。

これに対し、実施例１〜４と同様のＨＣＤ法を用い、従来の条件で基材上に硬質皮膜を形成し、該硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの粒径や密度が本発明の規定範囲外とされた比較例１の試験片は、硬質皮膜の表面において、粒径が１μｍ以下のドロップレットの平均密度が１３８０個／ｍｍ^２超と非常に高いことから、耐ドレンエロージョン性が劣っている（図９（ｂ）に示す顕微鏡写真図を参照）。

また、比較例２〜４の試験片は、工具の分野で実績のあるＡＩＰ法によって基材上に中間層及び硬質皮膜を成膜して作製したものであるが、全体的にドロップレットの数量が多く、耐ドレンエロージョン性についても、上記実施例１〜４の試験片に対して大きく劣ることがわかる。

上述のように、実施例１〜４の試験片は、工具の分野において従来公知の方法であるＡＩＰ法で作製した試験片と比較しても、セラミック硬質皮膜の表面における粒径及び密度が本発明で規定する範囲とされていることにより、良好な耐ドレンエロージョン性が得られることが確認された。

以上説明した各評価試験の結果により、本発明に係る回転機械用の部品が、気体と直接接触する環境下においてドレンエロージョンが発生するのが抑制され、耐ドレンエロージョン性に優れていることが明らかとなった。

１…基材、１ａ…表面（基材）、２…中間層、３、３１…セラミック硬質皮膜、３ａ、３１ａ…表面（セラミック硬質皮膜）、４…ドロップレット、１０、１１、１２…蒸気タービンブレード（回転機械用部品）、６０…成膜装置、６３…ルツボ、６４…コーティング材料（蒸発源）、６５…プラズマガン、６６…電子線、７０…集束コイル

Claims (10)

1. 基材の表面上に、少なくともセラミック硬質皮膜が形成されてなり、該セラミック硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの密度が１０００個／ｍｍ^２以内とされており、且つ、平均粒径が１μｍ以下のドロップレットの密度が５５０個／ｍｍ^２以内とされていることを特徴とする回転機械用の部品。
2. 前記セラミック硬質皮膜が、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＺｒＮの内の少なくとも１種以上からなることを特徴とする請求項１に記載の回転機械用の部品。
3. 前記基材と前記セラミック硬質皮膜との間に中間層が形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転機械用の部品。
4. 前記中間層が、Ｃｒ又はＴｉからなることを特徴とする請求項３に記載の回転機械用の部品。
5. 前記中間層が、ＣｒＮ又はＴｉＮからなることを特徴とする請求項３に記載の回転機械用の部品。
6. 前記セラミック硬質皮膜の膜厚が５〜１５μｍの範囲とされていることを特徴する請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の回転機械用の部品。
7. 前記セラミック硬質皮膜の膜厚が、前記中間層の膜厚よりも大きくされているとともに、前記セラミック硬質皮膜と前記中間層との合計の膜厚が５〜２０μｍの範囲とされていることを特徴する請求項３〜請求項６の何れか１項に記載の回転機械用の部品。
8. 請求項１〜請求項７の何れかに記載の回転機械用の部品を製造する方法であって、
   基材の表面上に、少なくとも、イオンプレーティング法、もしくはスパッタリング法によってセラミック硬質皮膜を形成することを特徴とする回転機械用の部品の製造方法。
9. 請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の回転機械用の部品が蒸気タービンブレードであり、該蒸気タービンブレードが備えられてなることを特徴とする蒸気タービン。
10. 請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の回転機械用の部品がインペラであり、該インペラが備えられてなることを特徴とする圧縮機。