JP2010255044A - コーティング材料、コーティング方法、及びシュラウド付き動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】高い耐磨耗性を有し、高温における耐酸化性に優れるコーティング皮膜とすることができるコーティング材料、及び、該コーティング材料を用いたコーティング方法及びシュラウド付き動翼を提供する。
【解決手段】１８質量％以上３４質量％以下のモリブデン（Ｍｏ）と、１１質量％以上１８質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、０．５質量％以上４質量％以下のケイ素（Ｓｉ）とを含有し、１．５質量％以下のコバルト（Ｃｏ）と、１．５質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、０．０８質量％以下の炭素（Ｃ）とを含有することを許容し、残部がニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるベース材料に対して、０．０１質量％以上３質量％以下のイットリウム（Ｙ）と、０．０１質量％以上１０質量％以下のアルミニウム（Ａｌ）と、０．１質量％以上１０質量％以下のＦｅとからなる群より選ばれる少なくとも一種の添加成分を含有するコーティング材料。
【選択図】図２

Description

本発明は、シュラウド付き動翼に形成される耐磨耗皮膜のためのコーティング材料に関する。

ガスタービンの後方段動翼には、振動減衰を目的としてチップシュラウド構造が採用される。図１は、シュラウド付き動翼を示す一部斜視図である。動翼１の先端には、流体の漏れを防止すると共に動翼１のねじれを拘束するＺ型シュラウド２が形成されており、さらに、隣接する動翼１のシュラウド２と接触する面であるコンタクト面３を有している。また、動翼１には、偏流や静翼ノズルパッシング、フラッタなどに起因した各種の振動が発生するため、前記シュラウド２のコンタクト面３に、耐磨耗処理が施されるのが通常である。従来では、ＡＰＳ溶射（大気圧プラズマ溶射）によりトリバロイ８００（Ｔ−８００：コバルト基耐磨耗材）のコーティング皮膜を施していた。

しかし、上記ＡＰＳ溶射では、シュラウド２のコンタクト面３における母材との密着性が低く、剥離しやすいという問題点があった。そこで、タービン動翼１のシュラウドコンタクト面３に対して高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）あるいは雰囲気プラズマ溶射によりトリバロイコーティング皮膜を形成し、拡散熱処理を施すコーティング方法が特許文献１に提案されている。

特開２００１−１５２８０３号公報（請求項１〜３）

Ｔ−８００コーティング皮膜は、延性に優れる上、高い耐磨耗性を有するものの、近年の高温ガスタービンでは、著しい酸化減肉を生じ、耐磨耗性が低下してしまう。

コンタクト面のコーティング皮膜として、Ｃｒ_３Ｃ_２（７５質量％）−ＮｉＣｒ（２５質量％）のサーメットコーティングも使用されるが、耐衝撃性に劣り、ガスタービン使用中に欠けが発生することが問題となっていた。

本発明は、高い耐磨耗性を有し、高温における耐酸化性に優れるコーティング皮膜とすることができるコーティング材料、及び、該コーティング材料を用いたコーティング方法及びシュラウド付き動翼を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、１８質量％以上３４質量％以下のモリブデン（Ｍｏ）と、１１質量％以上１８質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、０．５質量％以上４質量％以下のケイ素（Ｓｉ）とを含有し、１．５質量％以下のコバルト（Ｃｏ）と、１．５質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、０．０８質量％以下の炭素（Ｃ）とを含有することを許容し、残部がニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるベース材料に対して、０．０１質量％以上３質量％以下のイットリウム（Ｙ）と、０．０１質量％以上１０質量％以下のアルミニウム（Ａｌ）と、０．１質量％以上１０質量％以下のＦｅとからなる群より選ばれる少なくとも一種の添加成分を含有するコーティング材料を提供する。

上記組成のベース材料は、ＣｏをベースとしたＴ−８００と比べて、高温耐酸化性に優れる。上記組成のベース材料をコーティング皮膜とした場合、Ｔ−８００と同等の耐磨耗性を維持しつつ、高温耐酸化性を向上させることができる。さらに、本発明では、上記ベース材料は、更にＹ，Ａｌ，Ｆｅのうち少なくとも一種の添加成分を含有する。

以下に、各添加成分添加量の限定理由を述べる。
Ｙは、本発明のコーティング材料を用いたコーティング皮膜において、生成する酸化スケールの脱落を防止するペグ効果を有し、コーティング皮膜の耐酸化性を向上させる。酸化スケール厚さの測定誤差は１〜２％であることから、ペグ効果を得るためにＹの添加量は０．０１質量％以上とされる。また、良好な耐磨耗性を有するコーティング皮膜とするには、皮膜に適度な硬度が要求される。Ｙの添加量が多いほど、コーティング皮膜の硬度が上昇する。しかし、Ｙの添加量が３質量％を超えると、Ｙの偏析が著しくなり高硬度となる。そのため、延性などの機械的特性が損なわれ、施工時に割れが生じやすいなどの問題が発生する。Ｙの添加量は、０．１質量％以上１．５質量％以下であることがより好ましい。

上記組成のベース材料にＡｌを添加することにより、表面に緻密なＣｒ_２Ｏ_３が安定に存在でき、金属内部の酸化に対する保護皮膜となる。これにより、コーティング皮膜の耐酸化性を向上させることができる。酸化スケール厚さの測定誤差は１〜２％であることを考慮すると、耐酸化性改善効果を得るためのＡｌの添加量は０．０１質量％以上とされる。また、Ａｌの添加量が多いほど、コーティング皮膜の硬度が上昇する。Ａｌ添加量が１０質量％を超えると、コーティング皮膜が著しく硬くなり、施工時に割れが生じやすくなる。Ａｌの添加量は、０．２質量％以上５．０質量％以下であることがより好ましい。

Ｆｅはコーティング皮膜の耐酸化性を向上させる効果を有する。これは、ベース材料のＮｉとＦｅとが固溶し、耐酸化性に乏しいＭｏの割合が減少することが一因と考えられる。酸化スケール厚さの測定誤差は１〜２％であることを考慮すると、耐酸化性改善効果を得るためのＦｅの添加量は０．０１質量％以上とされる。また、Ｆｅを添加すると、硬度が低下し、耐摩耗性が低下する。良好な耐磨耗性を確保するために、Ｆｅ添加量は１０質量％以下とされる。Ｆｅの添加量は、０．３質量％以上５．０質量％以下であることがより好ましい。

本発明では、コーティング材料は複数種類の添加成分を含有しても良い。これにより、コーティング皮膜の高温耐酸化性を、より向上させることができる。
なお、本発明において、各成分量は、材料全体の質量を１００としたときの質量百分率で表される。

また、本発明は、上記コーティング材料からなる粉末を用いて、溶射により耐熱合金基材表面にコーティング皮膜を形成するコーティング方法を提供する。
この場合、前記コーティング皮膜を形成した後に、熱拡散処理を施すことが好ましい。

本発明のコーティング方法によれば、高い耐磨耗性と高い高温耐酸化性とを有する緻密なコーティング皮膜を形成することができる。さらに、熱拡散処理を施すことにより、コーティング皮膜の膜質が向上するとともに、コーティング皮膜と母材との密着性を向上させることができる。

本発明は、タービン動翼の先端にシュラウドが設けられたシュラウド付き動翼であって、前記シュラウドが、使用の際に隣接配置される他の動翼の先端に設けられた他のシュラウドと接触するコンタクト面を有し、該コンタクト面が、上記コーティング方法によって形成されたコーティング皮膜を備えるシュラウド付動翼を提供する。

本発明のシュラウド付き動翼は、コンタクト面に耐摩耗性及び高温耐酸化性に優れるコーティング皮膜を備えるため、高温での連続使用に耐え得る長寿命のコーティング皮膜となる。

本発明のコーティング材料によって得られるコーティング皮膜は、高い耐磨耗性を有し、高温耐酸化性に優れる。特に、高温ガスタービンにおける後方段動翼のシュラウドのコンタクト面に、本発明のコーティング材料及びコーティング方法を用いてコーティング皮膜を形成すると、コンタクト面の寿命を向上させることができる。

シュラウド付き動翼の一部斜視図である。 実施例及び比較例の試験片におけるコーティング皮膜の酸化スケール厚さを示すグラフである。

本実施形態のコーティング材料は、ベース材料が、Ｍｏ：１８質量％以上３４質量％以下、Ｃｒ：１１質量％以上１８質量％以下、Ｓｉ：０．５質量％以上４質量％以下を含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物とされる。なお、ベース材料は、Ｃｏ：１．５質量％以下、Ｆｅ：１．５質量％以下、Ｃ：０．０８質量％以下を含有することを許容する。本実施形態のコーティング材料は、上記ベース材料に対し、０．０１質量％以上３質量％以下のＹと、０．０１質量％以上１０質量％以下のＡｌと、０．１質量％以上１０質量％以下のＦｅとからなる群より選ばれる少なくとも一種の添加成分を更に含有する。

本実施形態のコーティング皮膜は、ＩＮ７３８ＬＣなどの耐熱金属を母材とするシュラウドのコンタクト面に、上記コーティング材料組成の粉末を溶射することにより形成される。溶射法として、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、減圧プラズマ溶射（ＬＬＰＳ）、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）が挙げられる。

上記組成のコーティング材料はＣｒ，Ａｌといった活性な金属元素を含むため、溶射用粉末はガスアトマイズ法により作製される。ガスアトマイズ法によって製造された粉末は、均一に溶融された合金の溶湯を瞬間的に液滴化し冷却するため、均一な微細組織を有する球状の粉末が得られる。また、同じ溶湯から連続して液滴を作るため、粒子間の組成差が極めて小さく、粒子の大きさによる組成差も小さい。
作製された溶射用粉末は、篩を用いて分級される。溶射の種類によって、使用される粉末の粒径が適宜選定される。例えば、高速フレーム溶射では粒径５３μｍ以下、減圧プラズマ溶射では１０〜４４μｍ、大気圧プラズマ溶射では１０３μｍ以下とされる。

高速フレーム溶射によるコーティング皮膜形成は、以下の工程により実施される。高速フレーム溶射は大気中で実施されるため、低コストであり、大型部品に適用可能である。
溶射用粉末は、粉末状態のまま溶射ガンに供給される。溶射ガンに酸素及びケロシンを供給して燃焼させる。これにより溶射用粉末を加熱溶融して、シュラウドのコンタクト面に対して射出し、コーティング皮膜を形成する。コーティング皮膜の膜厚は、０．２ｍｍ程度とされる。

具体的な高速フレーム溶射条件の例は、以下の通りである。
燃焼圧力 ：０．７ＭＰａ
ケロシン流量 ：２０Ｌ／ｈ
酸素流量 ：５４ｍ^３／ｈ
溶射距離 ：５００ｍｍ
ガン移動速度 ：５００ｍｍ／ｓｅｃ
ガン移動ピッチ ：６ｍｍ
使用溶射装置 ：Ｐｒａｘａｉｒ社製ＪＰ５０００

高速フレーム溶射によれば、溶射用粉末を、比較的低温（１６００℃以下）にて、マッハ１程度（３００ｍ／ｓ〜５００ｍ／ｓ）の高速で母材表面に衝突させる。これにより、大気中において上記組成の緻密なコーティング皮膜を形成できる。

なお、高速フレーム溶射により形成されたコーティング皮膜は、気孔が少ないこと、溶射温度が低く酸化されにくいため、皮膜中の粒界に酸化物が少ないことなどから、剥離が生じる場合がある。そのため、膜質改善を目的として、皮膜形成後に熱拡散処理を実施しても良い。熱拡散処理を施すことにより、母材及びコーティング皮膜中の溶射粒子由来の成分を拡散させることにより、母材とコーティング皮膜とを一体化させ、密着性を向上させることができる。
熱拡散処理は、例えば、１１２１℃で２．５時間の溶体化熱処理、窒素中での冷却工程、８５０℃で２４時間の時効熱処理、窒素中での冷却工程を順に実施する処理とされる。なお、熱拡散処理は、動翼に対する熱処理と一括して行うことができる。

減圧プラズマ溶射によるコーティング皮膜形成は、真空チャンバ内にて、逆極性アーク放電により対象物表面の付着物を飛ばすＣｌｅａｎｉｎｇ工程、母材を２００〜３００℃まで加熱する予熱工程、及び、プラズマ溶射工程により実施される。表１に、スルザーメテコ社製の減圧溶射システムを用いた溶射条件の例を示す。

減圧プラズマ溶射は、減圧雰囲気中で実施されることから、皮膜中に酸化物が形成されないため、緻密であり母材との密着性に優れる皮膜となる。
なお、減圧プラズマ溶射のほかに、雰囲気プラズマ溶射を用いることもできる。

実施例及び比較例のコーティング材料の組成を表２に示す。

高速フレーム溶射を用いて、耐熱合金基材（ＩＮ−７３８ＬＣ、化学組成：Ｎｉ−１６Ｃｒ−８．５Ｃｏ−１．７５Ｍｏ−２．６Ｗ−１．７５Ｔａ−０．９Ｎｂ−３．４Ｔｉ−３．４Ａｌ（質量％））上に、表２に示す組成の溶射用粉末を溶射し、コーティング皮膜を形成した。コーティング皮膜の厚さは、０．２ｍｍとした。皮膜形成後、上述の熱拡散処理を実施した。
コーティング皮膜を形成した試験片を、電気炉を用い、大気雰囲気にて１０００℃、３００時間の条件で加熱した。加熱後の試験片のコーティング皮膜断面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察し、酸化スケールの厚さを計測した。

図２に、実施例１，３，４，６，８〜１０、及び比較例１，２の試験片におけるコーティング皮膜の酸化スケール厚さを示す。同図において、縦軸は比較例２の試験片の酸化スケール厚さを１とした時の酸化スケールの膜厚比を示す。Ｃｏベースの比較例１（Ｔ−８００組成）と比較して、Ｎｉベースの比較例２は、酸化スケール厚さを約１／２にできた。さらに、実施例はいずれも、比較例２よりも高温耐酸化性が向上した。特にＹは耐酸化性向上に有効であり、実施例１では酸化スケール厚さが比較例２の１／２程度となった。

各試験片のコーティング皮膜のビッカース硬さ測定を、荷重１ｋｇにて実施した。表３に結果を示す。

コーティング皮膜の硬度がＨｖ５００未満であると、耐摩耗性が低下する。一方、Ｈｖ９００より高くなると、延性が低下するために割れが生じる。
実施例１〜１０は、いずれもＨｖ５００以上９００以下の範囲内であった。特に、Ｙ，Ａｌ，Ｆｅを０．５質量％添加した実施例１，３，６，８〜１０では、ベース材料である比較例１、及び比較例２（Ｔ−８００組成）とほぼ同等の硬度を示した。
ＹまたはＡｌの添加量が過剰である比較例２，３，５，６では、ビッカース硬度が９００を超えており、皮膜の割れが確認された。Ｆｅ添加量が過剰である比較例４では、ビッカース硬度が低いため、耐摩耗性が低いと予想された。

Claims (4)

1. １８質量％以上３４質量％以下のモリブデン（Ｍｏ）と、
   １１質量％以上１８質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、
   ０．５質量％以上４質量％以下のケイ素（Ｓｉ）と
   を含有し、
   １．５質量％以下のコバルト（Ｃｏ）と、
   １．５質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、
   ０．０８質量％以下の炭素（Ｃ）と
   を含有することを許容し、残部がニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるベース材料に対して、
   ０．０１質量％以上３質量％以下のイットリウム（Ｙ）と、
   ０．０１質量％以上１０質量％以下のアルミニウム（Ａｌ）と、
   ０．１質量％以上１０質量％以下のＦｅとからなる群より選ばれる少なくとも一種の添加成分を含有するコーティング材料。
2. 請求項１に記載のコーティング材料からなる粉末を用いて、溶射により耐熱合金基材表面にコーティング皮膜を形成するコーティング方法。
3. 前記コーティング皮膜を形成した後に、熱拡散処理を施す請求項２に記載のコーティング方法。
4. タービン動翼の先端にシュラウドが設けられたシュラウド付き動翼であって、
   前記シュラウドが、使用の際に隣接配置される他の動翼の先端に設けられた他のシュラウドと接触するコンタクト面を有し、
   該コンタクト面が、請求項２または請求項３に記載のコーティング方法によって形成されたコーティング皮膜を備えるシュラウド付動翼。

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