JP2011074797A - Blade, manufacturing method therefor, and rotary machine - Google Patents
Blade, manufacturing method therefor, and rotary machine Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011074797A JP2011074797A JP2009225707A JP2009225707A JP2011074797A JP 2011074797 A JP2011074797 A JP 2011074797A JP 2009225707 A JP2009225707 A JP 2009225707A JP 2009225707 A JP2009225707 A JP 2009225707A JP 2011074797 A JP2011074797 A JP 2011074797A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- material layer
- range
- fouling
- blade
- hard material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Description
本発明は、翼形状のブレード及びその製造方法、並びに、ブレードを備えた回転機械に関する。 The present invention relates to a blade having a blade shape, a method for manufacturing the blade, and a rotary machine including the blade.
従来、例えば、蒸気タービンや圧縮機、ポンプ等の回転機械に用いられるブレードにおいては、耐熱性や耐食性等を考慮した表面処理が施されている。例えば、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、動翼や静翼などのブレード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は、外部から動力を与えられてブレードが回転し、前記流体を圧縮する。このような圧縮機においても、ブレードが直接気体に接触する。ここで、ブレードに、気体に含まれる水滴が高速で衝突することによって、表面にエロージョン摩耗が発生するという問題がある。このようなエロージョン磨耗が生じた場合には、ブレードが振動し、この振動によって部品が破損する虞がある。 Conventionally, for example, blades used in rotating machines such as steam turbines, compressors, and pumps have been subjected to surface treatment in consideration of heat resistance, corrosion resistance, and the like. For example, in a steam turbine, steam, which is a working fluid, is driven by being jetted onto the moving blades of the turbine, and blades such as moving blades and stationary blades are in direct contact with the steam. In addition, a compressor that is used in a chemical plant or the like and compresses various fluids receives power from the outside and rotates a blade to compress the fluid. Even in such a compressor, the blade directly contacts the gas. Here, there is a problem that erosion wear occurs on the surface due to the water droplets contained in the gas colliding with the blade at high speed. When such erosion wear occurs, the blade vibrates, and the vibration may damage the component.
また、上述のような回転機械に用いられるブレードにおいては、気体中に含まれるSiO2等のセラミック成分が付着する、所謂ファウリングと呼ばれる現象が発生することがある。このように、ブレードにセラミック成分が付着した場合には、翼形状が変化することで作動効率が低下するため、装置全体の効率が低下するという問題がある。 In the blade used in the rotating machine as described above, a so-called fouling phenomenon may occur in which ceramic components such as SiO 2 contained in the gas adhere. Thus, when a ceramic component adheres to the blade, there is a problem that the efficiency of the entire apparatus is lowered because the operation efficiency is lowered due to the change in the blade shape.
上記エロージョン磨耗やファウリングを防止するための対策としては、基板の表面上に、上記現象を抑制するための皮膜をコーティングする方法が一般に採用されている。 例えば、上記エロージョン磨耗を抑制するための対策としては、図24(a)、(b)に示すような積層構造を有し、TiN、CrN等からなる硬質皮膜103a、103bを、物理気相成長(PVD:Physical Vapor Deposition)法によって基材101上に形成し、さらに、必要に応じてCr等からなる中間層102を形成する技術が知られている(例えば、特許文献1を参照)。また、ステライト(登録商標)の肉盛溶接を施すことや、図24(c)に示すように、WC−NiCo等からなる硬質皮膜104を、溶射によって基材101上に形成すること等が知られている(例えば、特許文献2、3を参照)。
As a countermeasure for preventing the erosion wear and fouling, a method of coating a film for suppressing the above phenomenon on the surface of the substrate is generally employed. For example, as a measure for suppressing the erosion wear, a
一方、上記ファウリングを防止するための対策としては、例えば、図25(a)に示すように、基材110上に、ふっ素樹脂粒子111bがめっき111a中に分散されてなる、ふっ素樹脂粒子含有めっき皮膜111を形成する技術が提案されている(例えば、特許文献4、5も参照)。また、図25(b)に示すように、基材110上に、溶射層112を介して、セラミック粒子113bがふっ素樹脂113a中に分散されてなるふっ素樹脂層113をコーティングする方法の他、ふっ素樹脂系皮膜であるサーマロンコーティングを形成する技術等も知られている(例えば、特許文献6を参照)。
On the other hand, as a countermeasure for preventing the fouling, for example, as shown in FIG. 25 (a),
また、ファウリング防止策としては、上記の他、ガス設備用部品において、基材上にふっ素樹脂を塗装する方法(例えば、特許文献7を参照)や、表面エネルギーを低減させたふっ素を含有する皮膜を基材上に形成する方法(例えば、特許文献8を参照)、基材上の窒化硬質膜を平滑化し、物理吸着を低減する方法(例えば、特許文献9を参照)等が提案されている。
しかしながら、上述のような耐ファウリング性を備える皮膜は、軟質で耐エロージョン性が低いため、気体と直接接触するようなエロージョンが発生し易い環境下においては、皮膜が剥離してしまうという問題があった。
Further, as a fouling prevention measure, in addition to the above, in gas equipment parts, a method of coating a fluororesin on a base material (see, for example, Patent Document 7) or fluorine with reduced surface energy is contained. A method for forming a film on a substrate (for example, see Patent Document 8), a method for smoothing a hard nitride film on a substrate and reducing physical adsorption (for example, see Patent Document 9), etc. have been proposed. Yes.
However, since the film having the fouling resistance as described above is soft and has low erosion resistance, there is a problem that the film peels in an environment where erosion such as direct contact with gas is likely to occur. there were.
しかしながら、上記の特許文献1〜3のような耐エロージョン性硬質皮膜は、耐ファウリング性を持たないため、耐エロージョン性が向上しているのにも関わらず、耐ファウリング性が低いという問題があった。
一方で、上記の特許文献4〜9のような耐ファウリング性を備える皮膜は、軟質で耐エロージョン性が低いため、気体と直接接触するようなエロージョンが発生し易い環境下においては、皮膜が剥離してしまうという問題があった。
このため、エロージョンとファウリングとが両方とも発生するような環境で用いられるブレードにおいては、耐エロージョン性を確保しようとすると、耐ファウリング性を確保することができない一方、耐ファウリング性を確保しようとする、耐エロージョン性を確保することができなくなってしまうという問題があった。
However, the erosion-resistant hard coatings as described in
On the other hand, since the film having the fouling resistance as described in Patent Documents 4 to 9 is soft and has a low erosion resistance, the film does not form in an environment where erosion such as direct contact with gas is likely to occur. There was a problem of peeling.
For this reason, in blades used in an environment where both erosion and fouling occur, it is not possible to ensure fouling resistance when attempting to ensure erosion resistance, but ensure fouling resistance. There has been a problem that erosion resistance cannot be ensured.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、気体と直接接触する環境下における耐エロージョン性及び耐ファウリング性に優れたブレードを提供するものである。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a blade excellent in erosion resistance and fouling resistance in an environment in direct contact with gas.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明のブレードは、翼形状の基材と、該基材の表面上の一部となる第一の範囲で最上層に設けられ、硬質材からなる硬質材層と、前記基材の表面上の前記第一の範囲以外となる第二の範囲で最上層に設けられ、耐ファウリング材からなる耐ファウリング材層とを備えることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
The blade of the present invention includes a wing-shaped base material, a hard material layer made of a hard material provided in the uppermost layer in a first range that becomes a part on the surface of the base material, and a surface of the base material. And a fouling-resistant material layer made of a fouling-resistant material provided in the uppermost layer in a second range other than the first range.
また、本発明のブレードの製造方法は、翼形状の基材の表面上の一部となる少なくとも第一の範囲に、硬質材からなる硬質材層を形成する硬質材層形成工程と、前記基材の表面上の前記第一の範囲以外となる第二の範囲の最上層として、耐ファウリング材からなる耐ファウリング材層を形成する耐ファウリング材層形成工程とを備えることを特徴としている。 The blade manufacturing method of the present invention includes a hard material layer forming step of forming a hard material layer made of a hard material in at least a first range that is a part on the surface of a wing-shaped base material, and the base A fouling-resistant material layer forming step of forming a fouling-resistant material layer made of a fouling-resistant material as the uppermost layer in the second range other than the first range on the surface of the material. Yes.
この構成及び方法によれば、基材表面において、第一の範囲では、最上層に硬質材からなる硬質材が形成されていることから、エロージョンの進行を抑制することができる。一方で、基材表面において、第二の範囲では、最上層に耐ファウリング材からなる耐ファウリング材層が形成されていることから、気体中に含まれる混入成分が付着するファウリングが発生するのが抑制される。このため、基材表面においてエロージョンの発生が支配的な範囲を第一の範囲とし、ファウリングの発生が支配的な範囲を第二の範囲とすることで、エロージョン及びファウリングの両方を確実に防止することができる。 According to this configuration and method, in the first range, since the hard material made of the hard material is formed in the uppermost layer on the surface of the base material, the progress of erosion can be suppressed. On the other hand, on the surface of the base material, in the second range, a fouling-resistant material layer made of a fouling-resistant material is formed on the uppermost layer, so that fouling occurs in which mixed components contained in the gas adhere. To be suppressed. For this reason, the range where the occurrence of erosion is dominant on the substrate surface is the first range, and the range where the occurrence of fouling is dominant is the second range, thereby ensuring both erosion and fouling. Can be prevented.
また、上記のブレードにおいて、前記硬質材層は、前記基材の表面上で、前記第一の範囲及び前記第二の範囲のそれぞれに形成され、前記耐ファウリング材層は、前記第二の範囲で、前記硬質材層よりも上層に形成されていることが好ましい。 Further, in the above blade, the hard material layer is formed on each of the first range and the second range on the surface of the base material, and the fouling-resistant material layer includes the second anti-fouling material layer. It is preferable that the upper layer is formed above the hard material layer.
また、上記のブレードの製造方法において、前記硬質材層形成工程は、前記第一の範囲及び前記第二の範囲に前記硬質材層を形成し、前記耐ファウリング材層形成工程は、前記硬質材層よりも上層に前記耐ファウリング材層を形成することが好ましい。 In the blade manufacturing method, the hard material layer forming step forms the hard material layer in the first range and the second range, and the fouling resistant layer forming step includes the hard material layer forming step. It is preferable to form the anti-fouling material layer above the material layer.
この構成及び方法によれば、硬質材層形成工程で硬質材層を形成した後に、耐ファウリング材層形成工程では、硬質材層よりも上層に耐ファウリング材層を形成するようにしている。このため、硬質材層形成工程において第一の範囲のみに限らず基材表面全体に硬質材層を形成すれば良く、硬質材層形成を容易に行うことができる。 According to this configuration and method, after the hard material layer is formed in the hard material layer forming step, the anti-fouling material layer is formed in an upper layer than the hard material layer in the anti-fouling material layer forming step. . For this reason, in the hard material layer forming step, not only the first range but also the hard material layer may be formed on the entire substrate surface, and the hard material layer can be easily formed.
また、上記のブレードにおいて、前記耐ファウリング材層は、前記第一の範囲と前記第二の範囲との境界近傍で、該境界に向かうに従って次第に厚さが薄くなるように形成されていることが好ましい。 In the blade, the anti-fouling material layer is formed in the vicinity of the boundary between the first range and the second range so that the thickness gradually decreases toward the boundary. Is preferred.
この構成によれば、第一の範囲と第二の範囲との境界近傍で、耐ファウリング材層が境界に向かうに従って次第に厚さが薄くなるように形成することで、段差の無い滑らかな表面とすることができる。このため、表面の段差により応力集中が生じて耐ファウリング材層の剥離が誘発されてしまうことを防止することができる。 According to this configuration, a smooth surface without a step is formed in the vicinity of the boundary between the first range and the second range by forming the anti-fouling material layer so that the thickness gradually decreases toward the boundary. It can be. For this reason, it can prevent that stress concentration arises by the level | step difference of a surface, and peeling of a fouling-proof material layer will be induced.
また、上記のブレードの製造方法において、前記耐ファウリング材層形成工程は、前記第一の範囲及び前記第二の範囲の両方に前記耐ファウリング材層を形成する第一のステップと、前記第一の範囲に形成された前記耐ファウリング材層を除去する第二のステップとを有することが好ましい。 In the blade manufacturing method, the anti-fouling material layer forming step includes a first step of forming the anti-fouling material layer in both the first range and the second range, It is preferable to have a second step of removing the anti-fouling material layer formed in the first range.
この方法によれば、第一のステップでは、基材表面の全体に形成することで、耐ファウリング材層を容易に形成することが可能である一方、第二のステップで第一の範囲の耐ファウリング材層を除去することで、第一の範囲では硬質材層を最上層として露出させることができる。 According to this method, in the first step, the anti-fouling material layer can be easily formed by forming it on the entire surface of the base material, while in the first step, By removing the anti-fouling material layer, the hard material layer can be exposed as the uppermost layer in the first range.
また、上記のブレードの製造方法において、前記第二のステップは、前記耐ファウリング材層に粒状の研磨材を吹き付けて、研磨処理することで行うことが好ましい。 In the blade manufacturing method, the second step is preferably performed by spraying a granular abrasive on the anti-fouling material layer and performing a polishing process.
この方法によれば、研磨材を吹き付けて研磨処理により耐ファウリング材層を除去することで、除去が必要な耐ファウリング材層のみを容易に除去することができる。 According to this method, only the anti-fouling material layer that needs to be removed can be easily removed by spraying the abrasive material and removing the anti-fouling material layer by the polishing process.
また、上記のブレードの製造方法において、前記第二のステップでの前記研磨材の前記基材に対する吹き付け方向は、製造対象となるブレードに使用時に周囲に流れる流体の該ブレードに対する相対方向に略一致するように設定することが好ましい。 In the blade manufacturing method, the direction in which the abrasive is sprayed on the base material in the second step is substantially the same as the relative direction of the fluid flowing around the blade to be manufactured when the blade is used. It is preferable to set so as to.
この方法によれば、研磨材の基材に対する吹き付け方向を、製造対象となるブレードに使用時に周囲に流れる流体の該ブレードに対する相対方向に略一致するように設定することで、研磨材をエロージョンの発生しやすい範囲に吹き付けて、第一の範囲として耐ファウリング材層を除去して硬質材層を露出させることができる。また、エロージョンが発生しやすい範囲から、エロージョンが発生しにくくファウリングが発生しやすくなる、すなわち第一の範囲と第二の範囲の境界近傍では、研磨材による研磨効果が徐々に弱まる。このため、耐ファウリング材層は第二の範囲から第一の範囲に向かうに従って次第に薄くなるように形成することで、段差の無い滑らかな表面とすることができる。その結果、表面の段差により応力集中が生じて耐ファウリング材層の剥離が誘発されてしまうことを防止することができる。 According to this method, by setting the spraying direction of the abrasive to the base material so as to substantially coincide with the relative direction of the fluid flowing around the blade to be manufactured during use, the abrasive is eroded. It sprays on the range which is easy to generate | occur | produce, a fouling-proof material layer can be removed as a 1st range, and a hard material layer can be exposed. Further, erosion is less likely to occur and fouling is likely to occur from a range where erosion is likely to occur, that is, the polishing effect by the abrasive gradually weakens in the vicinity of the boundary between the first range and the second range. For this reason, by forming the anti-fouling material layer so as to gradually become thinner from the second range toward the first range, a smooth surface without a step can be obtained. As a result, it is possible to prevent stress concentration from occurring due to a step on the surface and induce peeling of the anti-fouling material layer.
また、上記のブレードの製造方法において、前記第二のステップは、製造対象となるブレードが回転軸に取り付けられる向きと同様の向きで前記基材を軸体に取り付けて、該軸体を回転させながら行うことが好ましい。 In the blade manufacturing method, the second step includes attaching the base material to the shaft body in a direction similar to the direction in which the blade to be manufactured is attached to the rotation shaft, and rotating the shaft body. However, it is preferable to carry out.
この方法によれば、より使用時に近い状態で研磨材を吹き付けてエロージョンが発生しやすい部位の耐ファウリング材層を除去することができる。また、軸体に複数の基材を取り付けることで、複数の対象に対して同時に第二のステップを実施することができ効率的である。 According to this method, it is possible to remove the fouling-resistant material layer in a portion where erosion is likely to occur by spraying the abrasive in a state closer to the time of use. Moreover, by attaching a plurality of base materials to the shaft body, the second step can be performed simultaneously on a plurality of objects, which is efficient.
また、上記のブレードの製造方法において、前記第二のステップは、前記研磨材の粒子径が大きいもので研磨処理を行う粗研磨処理と、該粗研磨処理後に前記研磨材の粒子径が該粗研磨処理時よりも小さいもので研磨処理を行う仕上げ研磨処理とを具備することが好ましい。 In the blade manufacturing method, the second step includes a rough polishing process in which a polishing process is performed with a large particle diameter of the abrasive, and a particle diameter of the abrasive after the rough polishing process. It is preferable to include a final polishing process in which the polishing process is performed with a smaller one than that during the polishing process.
この方法によれば、第二のステップにおいて、粗研磨処理として研磨材の粒子径が大きいもので研磨処理を行うことで、短時間で効果的に研磨処理を行うことができる。さらに、仕上げ研磨処理として研磨材の粒子径が小さいもので研磨処理を行うことで、第一の範囲において露出する硬質材層の表面、第一の範囲と第二の範囲との境界近傍における耐ファウリング材層の表面をより滑らかに仕上げることができる。 According to this method, in the second step, the polishing process can be effectively performed in a short time by performing the polishing process with the abrasive having a large particle diameter as the rough polishing process. Further, by performing the polishing process with a small abrasive particle size as the final polishing process, the surface of the hard material layer exposed in the first range, and the resistance in the vicinity of the boundary between the first range and the second range. The surface of the fouling material layer can be finished more smoothly.
また、上記のブレードにおいて、前記硬質材層は、前記第一の範囲での層厚が、前記第二の範囲での層厚と前記耐ファウリング材層の層厚との和と略等しくなるように、前記第一の範囲及び前記第二の範囲の層厚が設定されていることが好ましい。 In the above blade, the hard material layer has a layer thickness in the first range substantially equal to the sum of the layer thickness in the second range and the layer thickness of the anti-fouling material layer. Thus, it is preferable that the layer thickness of the first range and the second range is set.
また、上記のブレードの製造方法において、前記硬質材層形成工程後に、前記硬質材層の内、前記第二の範囲のものを、前記耐ファウリング材層形成工程で予定される前記耐ファウリング材層の層厚分だけ除去する硬質材層除去工程を備えることが好ましい。 Further, in the blade manufacturing method, after the hard material layer forming step, the hard material layer in the second range is replaced with the anti-fouling material that is planned in the anti-fouling material layer forming step. It is preferable to provide a hard material layer removing step of removing only the thickness of the material layer.
この構成及び方法によれば、第一の範囲の硬質材層の表面と、第二の範囲の耐ファウリング材層の表面との間を段差を生じずに、より滑らかな表面に形成することができ、表面の段差により応力集中が生じて耐ファウリング材層の剥離が誘発されてしまうことを防止することができる。また、表面の凹凸が少なくなることで、使用時において表面で流体との間で生じる抵抗を抑えることができ、より高性能なブレードを実現することができる。 According to this configuration and method, the surface of the hard material layer in the first range and the surface of the anti-fouling material layer in the second range are formed on a smoother surface without causing a step. It is possible to prevent stress concentration from occurring due to the level difference on the surface and to induce peeling of the anti-fouling material layer. Further, since the unevenness on the surface is reduced, it is possible to suppress the resistance generated between the surface and the fluid during use, and it is possible to realize a higher performance blade.
また、本発明の回転機械は、上記のブレードを備えることを特徴としている。
この構成によれば、エロージョン及びファウリングの発生が効果的に抑制されることで、耐久性及び性能の向上を図ることができる。
A rotating machine according to the present invention includes the blade described above.
According to this configuration, it is possible to improve durability and performance by effectively suppressing the occurrence of erosion and fouling.
本発明のブレードによれば、気体と直接接触する環境下における耐エロージョン性及び耐ファウリング性を向上させることができる。
また、本発明のブレードの製造方法によれば、気体と直接接触する環境下における耐エロージョン性及び耐ファウリング性に優れたブレードを提供することができる。
また、本発明の回転機械によれば、耐久性及び性能の向上を図ることができる。
According to the blade of the present invention, erosion resistance and fouling resistance in an environment in direct contact with gas can be improved.
In addition, according to the blade manufacturing method of the present invention, it is possible to provide a blade having excellent erosion resistance and fouling resistance in an environment in direct contact with gas.
Further, according to the rotating machine of the present invention, it is possible to improve durability and performance.
(第1の実施形態)
以下、本発明に係る第1の実施形態について図面を参照して説明する。
本発明に係る蒸気タービンブレード10は、例えば、図1に示す蒸気タービン1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、ロータ2に放射状に複数配列され、かつ、軸方向に複数段取り付けられて用いられる回転機械用の部品である。そして、蒸気タービン1は、作動流体である蒸気が蒸気タービンブレード10(動翼)に噴射されてロータ2を回転駆動させるものであり、このような蒸気タービン1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。
(First embodiment)
A first embodiment according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
For example, in the
次に、蒸気タービンブレード10の構造の詳細について説明する。
図2に示すように、蒸気タービンブレード10の基端には、プラットフォーム11が取り付けられて、該プラットフォーム11の蒸気タービンブレード10が取り付けられた表面側と反対側の裏面側には翼根12が設けられ、蒸気タービンブレード10は、該翼根12がロータ2側に取り付けられることで、ロータ2と一体となっている。図3に示すように、蒸気タービンブレード10は、凹面状に形成された腹面部10aと、腹面部10aと対向して凸面状に形成された背面部10bを有し、腹面部10aと背面部10bとにより形成される肉厚が、前縁10cから中間部に向かって次第に厚くなるとともに、中間部から後縁10dに向かって次第に薄くなるように形成された所謂翼形状に形成されている。
Next, the details of the structure of the
As shown in FIG. 2, a
また、蒸気タービンブレード10は、上記翼形状の基材13と、基材13の表面の内、第一の範囲A1を覆う第一の皮膜14と、基材13の表面の内、第一の範囲A1を除いた第二の範囲A2を覆う第二の皮膜15とを備える。基材13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。
In addition, the
ここで、第一の範囲A1は、蒸気タービンブレード10において、実使用時にエロージョンの発生が支配的な範囲であり、具体的には、前縁10c側において前縁10cを含む腹面部10aから背面部10bまでの一部の範囲である。このような範囲では、気体中に含まれる蒸気等の水分(ドレン)が、高速で衝突することになるため、エロージョンが発生しやすくなる。また、第二の範囲A2は、蒸気タービンブレード10において、実使用時にファウリングの発生が支配的な範囲であり、具体的には後縁10dを含む腹面部10aから背面部10bまでの一部の範囲である。このような範囲では、エロージョンは発生しにくいものの、気体中に含まれるシリカ等セラミック成分などの混入成分が付着しやすくファウリングが発生し易い。なお、第一の範囲A1として設定される範囲では、仮に気体の混入成分が付着した場合でもドレンの高速衝突によって付着物が除去されるため、ファウリングが発生しにくい。なお、第一の範囲A1及び第二の範囲A2の大きさ、及び、互いの境界B1、B2位置は、蒸気タービンブレード10の形状、蒸気タービン1に適用して使用した場合のロータ2の回転数、蒸気の流速になどによって異なるものである。また、境界B1、B2は、蒸気タービンブレード10の周縁上での位置が、図3に示す断面に直交する翼高さ方向に異なるように設定されていても良い。
Here, the first range A1 is a range in which the generation of erosion is dominant during actual use in the
次に、第一の皮膜14及び第二の皮膜15の層構成の詳細について説明する。図4は、図3におけるE部を示しており、第一の範囲A1の一部を示している。図5は、図3におけるF部を示しており、第二の範囲A2の一部を示している。図6は、図3におけるG部を示しており、第一の範囲A1と第二の範囲A2との境界近傍を示している。図4に示すように、第一の範囲A1における第一の皮膜14は、基材13の表面13aに形成された硬質材からなる硬質材層20を有し、当該硬質材層20が最上層を構成している。また、図5に示すように、第二の範囲A2における第二の皮膜15は、第一の範囲A1同様に基材13の表面13aに形成された硬質材からなる硬質材層20と、硬質材層20の表面20aに形成された耐ファウリング材からなる耐ファウリング材層21とを有し、当該耐ファウリング材層21が最上層を構成している。また、図6に示すように、第一の範囲A1と第二の範囲A2との境界B1、B2近傍においては、耐ファウリング材層21は、境界B1、B2に向かうに従って次第に厚さが薄くなるように形成されている。
Next, the details of the layer structure of the
硬質材は、耐エロージョン性及び下層に対する密着性の高い材質であることが要求され、例えばセラミック材が選択され、窒化物、炭化物、ホウ化物又は酸化物の何れかの材料からなることが好ましい。また、これらの材料の中でも、特に、TiN、TiAlN、CrN、TiC、TiCN、ZrNの内の少なくとも1種以上からなることがより好ましい。硬質材層20の層厚は、1〜30μmの範囲とすることが好ましい。硬質材層20の層厚が1μm未満だと、耐エロージョン性を向上させる効果が得られ難く、また、層厚が10μmを超えると、層中の応力が増大して剥離を招きやすくなるとともに、成膜時の工程時間が長くなる。また、硬質材層20の層厚は、3〜20μmの範囲であることがより好ましく、5〜15μmの範囲であることがさらに好ましい。
The hard material is required to be a material having high erosion resistance and high adhesion to the lower layer. For example, a ceramic material is selected, and it is preferably made of any material of nitride, carbide, boride, or oxide. Among these materials, it is more preferable that the material is at least one of TiN, TiAlN, CrN, TiC, TiCN, and ZrN. The layer thickness of the
耐ファウリング材は、耐ファウリング性が高い材質であることが要求される。具体的には、フッ素を含有する材質、例えばフッ素を含有するダイヤモンドライクカーボン(以下、DLCという)が選択され、このようなフッ素含有DLCにおいては、優れた耐ファウリング性とともに、蒸気タービンとしての実使用条件に応じた強度並びに耐磨耗性を得ることができるものである。DLCは、一般に、高強度や耐摩耗性を必要とする部品等の材料として用いられるが、このDLCにフッ素を含有した構成とすることにより、さらに耐ファウリング性が付与される。 The anti-fouling material is required to be a material having high fouling resistance. Specifically, a fluorine-containing material, for example, a diamond-like carbon (hereinafter referred to as DLC) containing fluorine is selected. In such a fluorine-containing DLC, not only excellent fouling resistance but also a steam turbine is used. It is possible to obtain strength and wear resistance according to actual use conditions. DLC is generally used as a material for parts and the like that require high strength and wear resistance. However, when the DLC contains fluorine, the fouling resistance is further imparted.
さらに、耐ファウリング材層21は、フッ素濃度が10〜40質量%の範囲とされたDLCからなることが好ましい。耐ファウリング材層21において、フッ素濃度が10質量%未満だと、表面13aのエネルギーが高くなり、シリカ粒子等の付着量を低減する耐ファウリング性の向上効果が得られ難くなるため、メンテナンスのサイクルを長期間化するのが困難になる。この場合、例えば、従来のTiNからなる皮膜の付着量と比較して、半分もしくはそれ以上の付着量となり、大きな低減効果が得られない虞がある。また、耐ファウリング材層21において、フッ素濃度が40質量%を超えると、皮膜硬度が200Hv未満で硬度不足となり、実使用時の環境下において不適となる虞がある。よって、耐ファウリング材層21は、フッ素濃度が10〜40質量%の範囲とされたDLCからなることが好ましく、フッ素濃度が15〜38質量%の範囲であることがより好ましく、20〜35質量%の範囲であることがさらに好ましい。なお、フッ素濃度は、耐ファウリング材層21の層厚方向に必ずしも均一である必要はなく、例えば、表面21aから内部へと向かうに従って次第にフッ素濃度が低くなるように形成しても良い。このようにすることで、下層との間の密着性を高めることができる。
Further, the
図7(a)のグラフに、上記特許文献4に記載の方法によってシリカ粒子付着量測定試験(耐ファウリング性試験)を行なった場合の、本実施形態の蒸気タービンブレード10に備えられる耐ファウリング材層21中のフッ素含有率(フッ素濃度)とシリカ粒子付着量との関係を示す(試験方法については、上記特許文献4:特開2007−71031号公報の段落0064〜0066を参照)。図7(a)に示すように、耐ファウリング材層21中のフッ素含有率が10質量%未満になると、シリカ粒子付着量(ファウリング量)が顕著になることがわかる。また、図7(b)のグラフに、蒸気タービンブレード10に備えられる耐ファウリング材層21中のフッ素含有率(フッ素濃度)と硬さとの関係を示す。図7(b)に示すように、耐ファウリング材層21中のフッ素含有率が40質量%を超えると、硬さが200Hv未満となり、強度が低下してしまう。
In the graph of FIG. 7A, the fouling resistance provided in the
耐ファウリング材層21の層厚は、0.1〜10μmの範囲であることが、蒸気タービンブレード10に対して効果的に耐ファウリング性を付与できる点から好ましい。耐ファウリング材層21の層厚が0.1μm未満だと、耐ファウリング性が得られ難く、また、層厚が10μmを超えると、層中の応力が増大して剥離を招く可能性があるとともに、成膜時の工程時間が長くなる。また、耐ファウリング材層21の層厚は、0.5〜5μmの範囲であることがより好ましく、0.8〜3μmの範囲であることがさらに好ましい。
The layer thickness of the
次に、本実施形態のブレードの製造方法について説明する。
なお、以下においては、一例として、基材13がSUS410J1、硬質材層20がTiN、耐ファウリング材層21がフッ素を含有するDLCからなるものとして説明するが、これに限られるものではない。
図8は、本実施形態の蒸気タービンブレード10の製造工程を示すフロー図である。図8に示すように、本実施形態の蒸気タービンブレード10の製造方法は、基材13を加工する準備工程S1と、硬質材からなる硬質材層20を形成する硬質材層形成工程S2と、耐ファウリング材からなる耐ファウリング材層21を形成する耐ファウリング材層形成工程S3とを備える。
以下、各工程の詳細を述べる。
Next, a method for manufacturing the blade of this embodiment will be described.
In the following description, as an example, the
FIG. 8 is a flowchart showing manufacturing steps of the
Details of each step will be described below.
まず、図8に示すように、準備工程S1として、基材13を所定の翼形状に加工して、表面13aを鏡面加工しておく。鏡面加工の程度としては、表面粗さが十点平均粗さでRz=0.5μm程度とすることが好ましい。なお、基材13を加工する原材としては、例えば、大きさが20×30×5mm程度のものを用いることができる。次いで、本実施形態においては、基材13をアルコール中において超音波洗浄を施した後に乾燥させ、スパッタ装置内に導入して装置内部を3.0×10−3Pa以下に真空吸引減圧し、ヒータによってベーキングした後、さらにArプラズマに曝すことで基材13の表面13aをエッチングする前処理を施すことが好ましい。
First, as shown in FIG. 8, as a preparation step S1, the
次に、図4及び図8に示すように、硬質材層形成工程S2として、基材13の表面13aの全面、すなわち第一の範囲A1及び第二の範囲A2の両方で硬質材層20を形成する。すなわち、スパッタ装置内に基材13を配置した状態で、基材13の表面13a上に、TiNからなる硬質材をスパッタリング法によって成膜する。この際、ターゲットとしてTiを用い、反応ガスとして窒素ガスを用いる。まず、ヒータ加熱によって基材13の温度を300℃に制御する。そして、成膜パワーを1000W程度、装置内に流通させる窒素の流量を10sccm程度、基材13のバイアス電圧を100V程度、ターゲットに印加するパワーを4000W程度の各条件とし、グロー放電させることにより、基材13の表面13a全体にTiNからなる硬質材層20を形成する。
Next, as shown in FIGS. 4 and 8, as the hard material layer forming step S2, the
次に、図5及び図8に示すように、耐ファウリング材層形成工程S3として、フッ素含有DLCからなる耐ファウリング材層21を形成する。本実施形態では、耐ファウリング材層形成工程S3は、基材13の表面13aの全面、すなわち第一の範囲A1及び第二の範囲A2の両方で、硬質材層20上に耐ファウリング材層21を形成する第一のステップS3aと、第一の範囲A1に形成された耐ファウリング材層21を除去する第二のステップS3bとを有する。
Next, as shown in FIGS. 5 and 8, the
第一のステップS3aにおいては、電子線の放電によって反応ガスをイオン化して蒸着するイオン化蒸着法で、反応ガスとして少なくともヘキサフルオロベンゼンガス(C6F6)を含有するガスを用いて、フッ素含有DLCからなる耐ファウリング層21を硬質材層21の表面21a全面に形成する。より具体的には、表面13aに硬質材層20が形成された基材13をイオン化蒸着装置内に導入し、装置内を3.0×10−3Pa以下に真空吸引減圧する。そして、イオン化蒸着装置内に、ヘキサフルオロベンゼンガス(C6F6)を、2.0〜6.5×10−1Paの範囲の圧力となるように導入し、イオン源アノード電流値を0.4A程度、イオン源フィラメント電流値を30A程度、基材13のバイアス電圧値を1.5kV程度の各条件として放電を行う。これにより、硬質材層20の表面13aの全体に、フッ素含有DLCからなる耐ファウリング材層21が形成される。この際の、耐ファウリング材層21中のフッ素濃度は、上述したように10〜40質量%の範囲で均一とし、例えば、30質量%程度とすることができる。このようなイオン化蒸着法は、イオンの量とエネルギーを自由にコントロールできる方法なので、良好な制御性で、フッ素含有DLCからなる薄膜を成膜することが可能となる。また、この際の反応ガスとしてヘキサフルオロベンゼンガスを用いることにより、上記電子線によってイオン化された材料が、フッ素含有DLCとして効率良く基材13上に成膜される。なお、上記においては、耐ファウリング材層21をイオン化蒸着法によって形成するものとしているが、これには限定されず、例えば、上述した硬質材層20と同様、スパッタリング法によって形成するものとしても良い。
In the first step S3a, it is an ionized vapor deposition method in which a reactive gas is ionized by electron beam discharge and vapor-deposited, and a gas containing at least hexafluorobenzene gas (C6F6) is used as a reactive gas. The
そして、図9に示すように、第二のステップS3bにおいては、耐ファウリング材層21に粒状の研磨材Pを吹き付けて第一の範囲A1の耐ファウリング材層21を研磨処理することで行う。具体的には、耐ファウリング材層21が形成された基材13を、所定の治具で固定した後に、第一の範囲A1に向けて粒状の研磨材Pを吹き付ける。研磨材Pとしては、例えば、アルミナやシリカなどのセラミックからなり、数μm〜100μm程度の径を有し、処理後の表面を滑らかにする点から10μm以下の径とすることが好ましい。そして、研磨材Pを吹き付けることで、研磨材Pにより、第一の範囲A1の耐ファウリング材層21が研磨、除去されることとなり、その下層の硬質材層20が最上層となって露出することとなる。
As shown in FIG. 9, in the second step S <b> 3 b, a granular abrasive P is sprayed on the
この際、図9に示すように、研磨材Pの基材13に対する吹き付け方向Sは、製造対象となるブレードに使用時に周囲に流れる流体の該ブレードに対する相対方向に略一致するように設定することが好ましい。このようにすることで、実使用時において流体によってエロージョンが生じるのと近い状態で研磨材Pによって耐ファウリング材層21を除去することができ、エロージョンが発生しやすい範囲に効果的に吹き付けて、第一の範囲A1で耐ファウリング材層21を除去して硬質材層20を露出させることができる。また、図6に示すように、エロージョンが発生しやすい範囲から、エロージョンが発生しにくくファウリングが発生しやすくなる範囲へと移行する範囲、すなわち第一の範囲A1と第二の範囲A2の境界B1、B2近傍では、研磨材Pによる研磨効果が徐々に弱まる。このため、耐ファウリング材層21は第二の範囲A2から第一の範囲A1に向かうに従って次第に薄くなるように形成して、段差の無い滑らかな表面13aとすることができる。
そして、第二の範囲A2では、耐ファウリング材層21が研磨材21で除去されることなく、そのまま維持することができる。なお、研磨材Pの吹き付け速度としては、吹き付け方向S同様に、製造対象となるブレードに使用時に周囲に流れる流体のブレードイに対する相対速度に略一致するように設定することが好ましい。
At this time, as shown in FIG. 9, the spraying direction S of the abrasive P to the
In the second range A2, the
以上のように製造され、硬質材層20及び耐ファウリング材層21を有する本実施形態の蒸気タービンブレード10においては、基材13の表面13aの第一の範囲A1では、最上層に硬質材からなる硬質材層20が形成されていることから、エロージョンの進行を抑制することができる。一方で、基材13の表面13aにおいて、第二の範囲A2では、最上層に耐ファウリング材からなる耐ファウリング材層21が形成されていることから、気体中に含まれる混入成分が付着するファウリングの発生が抑制される。すなわち、基材13の表面13aにおいてエロージョンの発生が支配的な範囲を第一の範囲A1とし、ファウリングの発生が支配的な範囲を第二の範囲A2として、上記層構成を備えることで、エロージョン及びファウリングの両方を確実に防止することができる。従って、耐ファウリング性及び耐エロージョン性の両方に優れ、高寿命でランニングコストが安価な蒸気タービンブレード10を実現することができる。そして、このような蒸気タービンブレード10は、エロージョンとファウリングの両者が顕著に起こりうる蒸気タービン1の中段翼として特に有効である。
In the
ここで、図10に記載された実施例に基づいて、本実施形態のブレードの作用、効果について述べる。
図10(a)は、本実施形態の実施例の蒸気タービンブレード10を用い、図1に示すような蒸気タービン1に実装して連続稼動を行った場合の、稼働時間と、磨耗量(エロージョン量)並びにファウリング量との関係を示すグラフである。また、図10(b)は、基材13上に、硬質材層20のみが形成された従来の比較例1の蒸気タービンブレードを、上記同様、蒸気タービンに実装して連続稼動を行った場合の特性を示すグラフであり、図10(c)は、耐ファウリング材層21のみが形成された従来の比較例2の蒸気タービンブレードを用いた場合の特性を示すグラフである。
Here, based on the example described in FIG. 10, the operation and effect of the blade of this embodiment will be described.
FIG. 10 (a) shows the operating time and the amount of wear (erosion) when the
図10(b)のグラフに示すように、耐エロージョン性のみが付与された比較例1の場合、ファウリングの発生状態が、短い連続稼働時間で、付着物検査が必要な想定基準値に達するレベルであることがわかる。また、図10(c)のグラフに示すように、耐ファウリング性のみが付与された比較例2の場合、短い連続稼働時間で、磨耗量(エロージョン量)の検査が必要な想定基準値に達することがわかる。このため、これら従来の蒸気タービンブレードを用いた場合、点検や部品交換のためのメンテナンスサイクルが必然的に短くなり、稼動コスト等が上昇する要因となることが明らかである。 As shown in the graph of FIG. 10B, in the case of Comparative Example 1 in which only erosion resistance is imparted, the occurrence state of fouling reaches an assumed reference value that requires a deposit inspection in a short continuous operation time. It turns out that it is a level. Further, as shown in the graph of FIG. 10 (c), in the case of Comparative Example 2 in which only fouling resistance is imparted, the expected reference value that requires the inspection of the wear amount (erosion amount) in a short continuous operation time. I can see that. For this reason, when these conventional steam turbine blades are used, it is obvious that the maintenance cycle for inspection and parts replacement is inevitably shortened, which causes the operating cost and the like to increase.
これに対し、図10(a)のグラフに示すように、本実施形態の蒸気タービンブレード10は、耐ファウリング性及び耐エロージョン性の両方が付与されてなるものなので、連続稼動時、ファウリング及び磨耗量の何れも検査が必要な想定基準値に達するまでの時間が非常に長いことがわかる。従って、メンテナンスサイクルを長いサイクルで設定することができ、人件費や部品代等のコストを大幅に低減することが可能となる。また、それ故に、このような蒸気タービンブレード10を備えた蒸気タービン1においては、エロージョン防止による耐久性向上、並びに、ファウリング発生による性能低下を防止して効率の向上を図ることができる。
On the other hand, as shown in the graph of FIG. 10A, the
さらに、本実施形態の蒸気タービンブレード10では、第一の範囲A1と第二の範囲A2との境界B1、B2近傍で、耐ファウリング材層21が境界B1、B2に向かうに従って次第に厚さが薄くなるように形成することで、段差の無い滑らかな表面13aとして境界B1、B2における応力集中を緩和することができる。このため、表面13aの段差により応力集中が生じて耐ファウリング材層21の剥離が誘発されてしまうことを防止することができ、さらに耐久性の向上を図ることができる。
Furthermore, in the
また、上記のように、製造方法において、硬質材層形成工程として第一の範囲A1及び第二の範囲A2に硬質材層20を形成した後に、耐ファウリング材層形成工程として第二の範囲A2のみに硬質材層20上に耐ファウリング材層21を形成することで、硬質材層形成工程において第一の範囲A1のみに限らず基材13の表面13a全体に硬質材層20を形成すれば良く、硬質材層20の形成を容易に行うことができる。
In addition, as described above, in the manufacturing method, after forming the
なお、上記蒸気タービンブレード10の製造方法で、耐ファウリング材層形成工程において、第二のステップS3bでは、研磨材Pの粒子径が大きいもので研磨処理を行う粗研磨処理と、該粗研磨処理後に前記研磨材Pの粒子径が該粗研磨処理時よりも小さいもので研磨処理を行う仕上げ研磨処理とを具備するものとしても良い。具体的には、粗研磨処理においては、研磨材Pの粒子径として50μm〜100μm程度のものを使用し、仕上げ研磨処理においては、研磨材Pの粒子径としてそれより小さい10μm以下のものを使用する。このようにすることで、粗研磨処理として短時間で効果的に研磨処理を行うことができる一方、仕上げ研磨処理として第一の範囲A1において露出する硬質材層20の表面13a、第一の範囲A1と第二の範囲A2との境界B1、B2近傍における耐ファウリング材層21の表面21aをより滑らかに仕上げることができる。
In the
また、第二のステップS3bでは、耐ファウリング材層21が形成された基材13を治具に固定した後に、所定の吹き付け方向Sから吹き付けるものとしたが、これに限るものではない。図11は、本実施形態の製造方法における変形例を示したものである。この変形例の製造方法では、耐ファウリング材形成工程S3の第二のステップS3bを実施する際、第一のステップS3aまで完了した中間体24を使用時に蒸気タービンブレード10をロータ2に取り付けるがごとく、軸体25に複数放射状に取り付ける。そして、軸体25を回転させて、前縁10cとなる側から中間体24に向かって研磨材Pを吹き付ける。このようにすることで、より実使用時に近い状態で研磨材Pを吹き付けてエロージョンが発生しやすい部位の耐ファウリング材層21を除去することができる。また、軸体25に複数の中間体24を取り付けることで、複数の対象に対して同時に第二のステップS3bを実施することができ効率的である。
Moreover, in 2nd step S3b, after fixing the
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図12から図17は、本発明の第2の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 12 to 17 show a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the same members as those used in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図12に示すように、本実施形態の蒸気タービンブレード30は、基材13と、基材13の表面13aに第一の範囲A1及び第二の範囲A2で形成された硬質材層31と、硬質材層31の表面31aに第二の範囲A2で形成された耐ファウリング材層21とを有する点で、第1の実施形態と共通するものの、硬質材層31の層厚が異なっている。具体的には、硬質材層31は、第一の範囲A1での層厚T1が、第二の範囲A2での層厚T2と耐ファウリング材層32の層厚T3との和と略等しくなるように、第一の範囲A1及び第二の範囲A2の層厚T1、T2、T3が設定されている。このため、第一の範囲A1で最上層となる硬質材層31の表面31bと、第二の範囲A2で最上層となる耐ファウリング材層32の表面32aとは段差無く略一致している。
As shown in FIG. 12, the
このような蒸気タービンブレード30は、以下のようにして製造することができる。
まず、第1の実施形態同様に、準備工程S1として基材13の加工を行う。
次に、図13に示すように、硬質材層形成工程S2として、第一の範囲A1及び第二の範囲A2に硬質材層31を形成する。この際、層厚としては、第一の範囲A1で最終的に形成する硬質材層31の層厚T1として形成する。
Such a
First, similarly to the first embodiment, the
Next, as shown in FIG. 13, the
次に、硬質材層除去工程S4として、第二の範囲A2の硬質材層31の一部を除去する。
すなわち、まず第一の範囲A1で、硬質材層31の表面13aにマスク35を形成する。具体的には、マスク35として、例えば厚さ1.5mm程度のゴムシートからなるマスキングテープを用い、これを第一の範囲A1において硬質材層31の表面に貼着する。そして、第一の範囲A1をマスク35で覆った状態で、第二の範囲A2の硬質材層31をその表面に研磨材Qを吹付けて研磨処理し、所望量、すなわち次工程で形成する耐ファウリング材層32の層厚T3と略等しい分だけ硬質材層31を表面から除去する。この際、第一の範囲A1と第二の範囲A2の境界B1、B2近傍では、バフ研磨により、第一の範囲A1に向かうに従って次第に層厚が厚くなるように研磨していく。そして、第二の範囲A2の全てで必要厚さ分だけ硬質材層31の除去が完了したら、マスク35を取り外すことで図15に示す状態となる。
Next, as the hard material layer removing step S4, a part of the
That is, first, the
次に、耐ファウリング材層形成工程S3として、耐ファウリング材層32を形成する。
すなわち、図16に示すように、第一のステップS3aとして第一の範囲A1及び第二の範囲A2に耐ファウリング材層32を予定する層厚T3分だけ形成する。この際、下層の硬質材層31が第一の範囲A1と第二の範囲A2とで層厚が異なり、境界B1、B2で傾斜あるいは段差が生じているので、耐ファウリング材層32も同様に境界B1、B2にて傾斜あるいは段差が生じている。
Next, the
That is, as shown in FIG. 16, as the first step S3a, the
次に、図17に示すように、第二のステップS3bとして、第1の実施形態同様の方法により研磨材Pを第一の範囲A1に吹き付けることで、第一の範囲A1に形成された耐ファウリング材層32を除去する。これにより、第一の範囲A1では、耐ファウリング材層32の下層の硬質材層31が最上層として露出することなる。
Next, as shown in FIG. 17, as the second step S3b, the abrasive P is sprayed on the first range A1 by the same method as that of the first embodiment, so that the anti-resistance formed in the first range A1. The fouling
以上のように、本実施形態の蒸気タービンブレード30及びその製造方法によれば、第一の範囲A1の硬質材層31の表面31bと、第二の範囲A2の耐ファウリング材層32の表面32aとの間を段差を生じずに、より滑らかな表面に形成することができる。このため、第一の範囲A1と第二の範囲A2との間の表面31b、32aの段差により応力集中が生じて耐ファウリング材層32の剥離が誘発されてしまうことを防止することができる。また、表面上の凹凸が少なくなることで、使用時において表面で流体との間で生じる抵抗を抑えることができ、より高性能なブレードを実現することができる。
As described above, according to the
また、上記のとおり、本実施形態では、硬質材層除去工程S4で境界B1、B2近傍では第一の範囲A1に向かって徐々に硬質材層31の層厚が厚くなるように形成していることで、耐ファウリング材層32は第一の範囲A1に向かって徐々に層厚が薄くなるように形成されることになる。このため、境界B1、B2において段差が生じにくくなり、耐ファウリング材層32の剥離が誘発されてしまうことを防止することができ、さらに耐久性の向上を図ることができる。
Further, as described above, in the present embodiment, the
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図18から図23は、本発明の第3の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. 18 to 23 show a third embodiment of the present invention. In this embodiment, the same members as those used in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図18は、本実施形態の蒸気タービンブレード40において、第一の範囲A1と第二の範囲A2との境界B1、B2近傍の断面図を示している。図18に示すように、本実施形態の蒸気タービンブレード40は、基材13と、基材13の表面13aの内、第一の範囲A1を覆う第一の皮膜41と、基材13の表面13aの内、第二の範囲A2を覆う第二の皮膜42とを備える。第一の範囲A1における第一の皮膜41は、基材13の表面13aに形成された硬質材からなる硬質材層45を有し、当該硬質材層45が最上層を構成している。第二の範囲A2における第二の皮膜42は、基材13の表面13aに形成された硬質材からなる耐ファウリング材層46を有し、当該耐ファウリング材層46が最上層を構成している。
FIG. 18 is a cross-sectional view of the vicinity of the boundaries B1 and B2 between the first range A1 and the second range A2 in the
次に、本実施形態の蒸気タービンブレード40の製造方法について説明する。
まず、第1の実施形態同様に準備工程S1を実施した後に、硬質材層形成工程S2として硬質材層45を形成する。
ここで、図19に示すように、本実施形態では、まず第二の範囲A2において基材13の表面13aにマスク47を形成する。マスク47としては、特に限定されないが、第1の実施形態で述べたように、硬質材層45をスパッタリングで形成するものとして、基材13の温度を高温(例えば、300℃程度)とする必要がある場合には耐熱性のマスキングテープが選択される。そして、このマスクキングテープを第二の範囲A2で基材13の表面13aに貼着することでマスク47が形成される。そして、図20に示すように、例えばスパッタリングなどの方法により第一の範囲A1に硬質材層45を形成し、その後マスク47を除去する。
Next, the manufacturing method of the
First, after carrying out the preparation step S1 as in the first embodiment, the
Here, as shown in FIG. 19, in the present embodiment, first, a
次に、耐ファウリング材層形成工程S3を実施する。
まず、図21に示すように、第一の範囲A1において硬質材層45の表面13aにマスク48を形成する。マスク48としては、第2の実施形態で使用したものと同様のものが好適に選択される。また、第一の範囲A1と第二の範囲A2の境界B1、B2近傍においては、硬質材層45の縁部45aを露出させるように、境界B1、B2よりも第一の範囲A1側に後退した位置までマスク48を形成するようにする。硬質材層45の縁部45aの露出量としては、例えば0.1〜0.3mm程度で良い。
Next, the anti-fouling material layer forming step S3 is performed.
First, as shown in FIG. 21, a
そして、図22に示すように、第二の範囲A2に耐ファウリング材層46を形成していく。この際、マスク48が境界B1、B2よりも第一の範囲A1側に後退した位置までしか形成されておらず、硬質材層45の縁部45aが露出していることで、境界B1、B2近傍では部分46aのように、硬質材層45上にも耐ファウリング材層46が形成されることとなる。
Then, as shown in FIG. 22, the
そして、図23に示すように、最後に仕上げ工程S5として第一の範囲A1と第二の範囲A2との境界B1、B2近傍の表面を研磨処理して表面を滑らかに仕上げる。これにより、耐ファウリング材層形成工程S3で、硬質材層45の縁部45a上に形成された耐ファウリング材層46の部分46aが除去されることとなる。
Then, as shown in FIG. 23, the surface near the boundaries B1 and B2 between the first range A1 and the second range A2 is finally polished as a finishing step S5 to finish the surface smoothly. Thereby, the
以上のような、蒸気タービンブレード40でも、第1、第2の実施同様に、第一の範囲A1では硬質材層45が最上層として形成され、第二の範囲では耐ファウリング材層446が最上層として形成されていることで、耐ファウリング性及び耐エロージョン性の両方に優れ、高寿命でランニングコストが安価な蒸気タービンブレードを実現することができる。また、本実施形態の蒸気タービンブレード40では、硬質材層45と耐ファウリング材層46とは積層関係となっておらず、境界B1、B2で突き合わせ構造となっている。ここで、上記製造方法では、耐ファウリング材層形成工程S3で、境界B1、B2近傍において、先に形成した硬質材層45の縁部45aに被さるようにして耐ファウリング材層46を形成した後に部分46aを除去するようにしたので、境界B1、B2で硬質材層45と耐ファウリング材層46との間で隙間が生じたりしてしまうことを確実に防止することができる。
In the
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
すなわち、上記各実施形態の蒸気タービンブレードでは、第一の範囲A1を覆う第一の皮膜及び第二の範囲A2を覆う第二の皮膜は、硬質材層及び耐ファウリング材層のいずれか一方、または、両方で構成されているものとしたが、これに限るものではない。例えば、基材と硬質材層との間に第一の中間層を設けるものとしても良い。具体的には第一の中間層としては、CrまたはTiからなる層が好適に選択される。また、第一の中間層の層厚としては、0.5〜2μm程度が好適に選択される。このような第一の中間層を設けることにより、硬質材層に発生する内部応力を緩和し、基材と硬質材層との間の密着性を高めることができる。 That is, in the steam turbine blade of each of the above embodiments, the first film covering the first range A1 and the second film covering the second range A2 are either one of the hard material layer and the anti-fouling material layer. However, the present invention is not limited to this. For example, a first intermediate layer may be provided between the base material and the hard material layer. Specifically, a layer made of Cr or Ti is preferably selected as the first intermediate layer. Further, the thickness of the first intermediate layer is preferably selected from about 0.5 to 2 μm. By providing such a first intermediate layer, the internal stress generated in the hard material layer can be relaxed, and the adhesion between the base material and the hard material layer can be enhanced.
また、硬質材層上に耐ファウリング材層を形成する際に、互いの間に第二の中間層を設けるものとしても良い。具体的には第二の中間層としては、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)からなる層が好適に選択される。また、第二の中間層の層厚としては、0.5〜2μm程度が好適に選択される。このような第二の中間層を設けることにより、硬質材層と耐ファウリング材層との間の密着性を高めることができる。 Moreover, when forming a fouling-resistant material layer on a hard material layer, it is good also as what provides a 2nd intermediate | middle layer between each other. Specifically, a layer made of diamond-like carbon (DLC) is preferably selected as the second intermediate layer. Further, the thickness of the second intermediate layer is preferably selected from about 0.5 to 2 μm. By providing such a second intermediate layer, the adhesion between the hard material layer and the anti-fouling material layer can be enhanced.
また、上記実施形態では、蒸気タービンを例に挙げて、ブレードとして蒸気タービンブレードを備えるものとして説明したが、これに限るものではない。本発明のブレードは、翼形状で流体に曝され、エロージョン及びファウリングが起こりうる様々な回転機械のブレードに適用可能である。 Moreover, in the said embodiment, although the steam turbine was mentioned as an example and it demonstrated as a thing provided with a steam turbine blade as a blade, it does not restrict to this. The blade of the present invention can be applied to blades of various rotating machines that are exposed to fluid in the form of wings and can undergo erosion and fouling.
1 蒸気タービン(回転機械)
10、30、40 蒸気タービンブレード(ブレード)
13 基材
20、31、45 硬質材層
21、32、46 耐ファウリング材層
25 軸体
A1 第一の範囲
A2 第二の範囲
B1、B2 境界
P 研磨材
1 Steam turbine (rotary machine)
10, 30, 40 Steam turbine blade (blade)
13
Claims (13)
該基材の表面上の一部となる第一の範囲で最上層に設けられ、硬質材からなる硬質材層と、
前記基材の表面上の前記第一の範囲以外となる第二の範囲で最上層に設けられ、耐ファウリング材からなる耐ファウリング材層とを備えるブレード。 A wing-shaped substrate;
A hard material layer made of a hard material, provided in the uppermost layer in a first range to be a part on the surface of the substrate;
A blade provided with an anti-fouling material layer made of an anti-fouling material provided in the uppermost layer in a second range other than the first range on the surface of the substrate.
前記硬質材層は、前記基材の表面上で、前記第一の範囲及び前記第二の範囲のそれぞれに形成され、
前記耐ファウリング材層は、前記第二の範囲で、前記硬質材層よりも上層に形成されていることを特徴とするブレード。 The blade according to claim 1, wherein
The hard material layer is formed on the surface of the base material in each of the first range and the second range,
The blade, wherein the anti-fouling material layer is formed in an upper layer than the hard material layer in the second range.
前記耐ファウリング材層は、前記第一の範囲と前記第二の範囲との境界近傍で、該境界に向かうに従って次第に厚さが薄くなるように形成されていることを特徴とするブレード。 The blade according to claim 2, wherein
The blade is characterized in that the anti-fouling material layer is formed in the vicinity of the boundary between the first range and the second range so that the thickness gradually decreases toward the boundary.
前記硬質材層は、前記第一の範囲での層厚が、前記第二の範囲での層厚と前記耐ファウリング材層の層厚との和と略等しくなるように、前記第一の範囲及び前記第二の範囲の層厚が設定されていることを特徴とするブレード。 The blade according to claim 2 or claim 3,
The hard material layer is formed so that the layer thickness in the first range is substantially equal to the sum of the layer thickness in the second range and the layer thickness of the anti-fouling material layer. A blade having a range and a layer thickness in the second range are set.
前記基材の表面上の前記第一の範囲以外となる第二の範囲の最上層として、耐ファウリング材からなる耐ファウリング材層を形成する耐ファウリング材層形成工程とを備えることを特徴とするブレードの製造方法。 A hard material layer forming step of forming a hard material layer made of a hard material in at least a first range which is a part on the surface of the wing-shaped base;
A fouling-resistant material layer forming step of forming a fouling-resistant material layer made of a fouling-resistant material as the uppermost layer in the second range other than the first range on the surface of the base material. A method for manufacturing a blade.
前記硬質材層形成工程は、前記第一の範囲及び前記第二の範囲に前記硬質材層を形成し、
前記耐ファウリング材層形成工程は、前記硬質材層よりも上層に前記耐ファウリング材層を形成することを特徴とするブレードの製造方法。 In the manufacturing method of the blade according to claim 5,
The hard material layer forming step forms the hard material layer in the first range and the second range,
In the fouling-resistant material layer forming step, the anti-fouling material layer is formed in an upper layer than the hard material layer.
前記耐ファウリング材層形成工程は、前記第一の範囲及び前記第二の範囲の両方に前記耐ファウリング材層を形成する第一のステップと、
前記第一の範囲に形成された前記耐ファウリング材層を除去する第二のステップとを有することを特徴とするブレードの製造方法。 In the manufacturing method of the braid | blade of Claim 5 or Claim 6,
The anti-fouling material layer forming step includes a first step of forming the anti-fouling material layer in both the first range and the second range;
And a second step of removing the anti-fouling material layer formed in the first range.
前記第二のステップは、前記耐ファウリング材層に粒状の研磨材を吹き付けて、研磨処理することで行うことを特徴とするブレードの製造方法。 In the manufacturing method of the braid | blade of Claim 7,
Said 2nd step is performed by spraying a granular abrasive material to said anti-fouling material layer, and performing a grinding | polishing process, The manufacturing method of the braid | blade characterized by the above-mentioned.
前記第二のステップでの前記研磨材の前記基材に対する吹き付け方向は、製造対象となるブレードに使用時に周囲に流れる流体の該ブレードに対する相対方向に略一致するように設定することを特徴とするブレードの製造方法。 The method of manufacturing a blade according to claim 8,
The direction in which the abrasive material is sprayed onto the base material in the second step is set so as to substantially match the relative direction of the fluid flowing around the blade to be manufactured when used. Blade manufacturing method.
前記第二のステップは、製造対象となるブレードが回転軸に取り付けられる向きと同様の向きで前記基材を軸体に取り付けて、該軸体を回転させながら行うことを特徴とするブレードの製造方法。 In the manufacturing method of the braid according to claim 9,
The second step is performed by attaching the base material to the shaft body in a direction similar to the direction in which the blade to be manufactured is attached to the rotation shaft, and rotating the shaft body. Method.
前記第二のステップは、前記研磨材の粒子径が大きいもので研磨処理を行う粗研磨処理と、該粗研磨処理後に前記研磨材の粒子径が該粗研磨処理時よりも小さいもので研磨処理を行う仕上げ研磨処理とを具備することを特徴とするブレードの製造方法。 In the method for manufacturing a blade according to any one of claims 7 to 10,
The second step includes a rough polishing process in which a polishing process is performed with a large particle diameter of the abrasive, and a polishing process in which the particle diameter of the abrasive is smaller than that during the rough polishing process after the rough polishing process. And a finish polishing process for performing a blade.
前記硬質材層形成工程後に、前記硬質材層の内、前記第二の範囲のものを、前記耐ファウリング材層形成工程で予定される前記耐ファウリング材層の層厚分だけ除去する硬質材層除去工程を備えることを特徴とするブレードの製造方法。 In the manufacturing method of the braid | blade of Claim 6,
After the hard material layer forming step, the hard material layer is removed in the second range by the thickness of the anti-fouling material layer planned in the anti-fouling material layer forming step. A blade manufacturing method comprising a material layer removing step.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009225707A JP2011074797A (en) | 2009-09-30 | 2009-09-30 | Blade, manufacturing method therefor, and rotary machine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009225707A JP2011074797A (en) | 2009-09-30 | 2009-09-30 | Blade, manufacturing method therefor, and rotary machine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011074797A true JP2011074797A (en) | 2011-04-14 |
Family
ID=44019040
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009225707A Withdrawn JP2011074797A (en) | 2009-09-30 | 2009-09-30 | Blade, manufacturing method therefor, and rotary machine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011074797A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10906270B2 (en) | 2016-08-26 | 2021-02-02 | Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corporation | Multilayer structure and machine component having multilayer structure |
-
2009
- 2009-09-30 JP JP2009225707A patent/JP2011074797A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10906270B2 (en) | 2016-08-26 | 2021-02-02 | Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corporation | Multilayer structure and machine component having multilayer structure |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5244495B2 (en) | Parts for rotating machinery | |
US8061978B2 (en) | Systems and methods involving abradable air seals | |
KR102630007B1 (en) | Turbine gap control coatings and methods | |
EP2434102B1 (en) | Gas turbine shroud with ceramic abradable layer | |
JP5728017B2 (en) | Machine and method with wearable ridges | |
US7836591B2 (en) | Method for forming turbine seal by cold spray process | |
US7910218B2 (en) | Cleaning and refurbishing chamber components having metal coatings | |
US8100640B2 (en) | Blade outer air seal with improved thermomechanical fatigue life | |
JP2010090892A (en) | Surface treatment for turbine component to reduce particle accumulation during use thereof | |
JP2008088554A (en) | Porous abradable coating and method or applying the same | |
WO2014196634A1 (en) | Aircraft jet engine compressor blade and method for processing surface thereof | |
US9797264B2 (en) | Rotating blade having a rib arrangement with a coating | |
JP2006291307A (en) | Component of rotary machine, and rotary machine | |
WO2014143244A1 (en) | Coating system for improved erosion protection of the leading edge of an airfoil | |
JP4918253B2 (en) | Rotating machine with surface smoothing film | |
JP2016148322A (en) | Engine component and methods for engine component | |
US10400613B2 (en) | Method of producing blades or blade arrangements of a turbomachine with erosion protection layers and correspondingly produced component | |
JP2006037212A (en) | Solid grain erosion resistant surface treatment film and rotary machine | |
CN109070219A (en) | Method for manufacturing the turbine shroud of turbine | |
JP5498663B2 (en) | Abradable anti-enclastic coating for rotating fluid machinery | |
JP2011074797A (en) | Blade, manufacturing method therefor, and rotary machine | |
JP2014520205A (en) | Method for applying a protective layer, a part coated with a protective layer, and a gas turbine comprising such a part | |
KR20160107244A (en) | Component with an abradable coating and a method for coating the abradable coating | |
JP2008179856A (en) | Masking tool and coating method of annular member | |
US9309773B2 (en) | Steam turbine and steam turbine blade |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20121204 |