JP2014177709A - 遮熱コーティング部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＶＯＦを用いて表面形状が改善された金属結合層を形成されることにより、密着力及び耐久性に優れる遮熱コーティング部材の製造方法を提供する。
【解決手段】耐熱合金基材１１上に金属結合層を形成する工程を含む遮熱コーティング部材の製造方法であって、前記金属結合層を形成する工程が、耐高温腐食合金からなる球状粒子を高温フレーム溶射を用いて被施工面１１ａに溶射して第１層を形成する工程と、凹凸形状を有する耐高温腐食合金からなる粒子を、高温フレーム溶射を用いて前記第１層上に溶射して第２層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンの動翼及び静翼などに設けられる遮熱コーティング部材の製造方法に関する。

現在、産業用ガスタービンにおいて、遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ）は、動翼や静翼などのタービン部材の形状や冷却構造を変えずに耐熱合金基材の温度を低減できることから、必須の技術となっている。

一般に、遮熱コーティングは、耐熱合金基材上に、耐酸化性に優れたＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、またはこれらの合金を表す）などの耐高温腐食合金からなる金属結合層と、主としてジルコニア系セラミックスからなる低熱伝導性のセラミックス層とを順次積層させた２層構造となっている。

金属結合層は、タービン部材の表面をグリッドブラストにより粗面化した後、球状のＭＣｒＡｌＹ合金粒子を溶射することにより形成される。溶射方法としては、真空プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）や高温フレーム溶射（ＨＶＯＦ）が採用される。
ＬＰＰＳによる金属結合層の形成は、溶射時の合金の酸化を防止できるという利点があるが、装置が高額であり，真空での施工のため、工程数が多くコスト高となる上、保守管理が煩雑になることが問題である。
一方、ＨＶＯＦは、大気中にて施工する点でＬＰＰＳより簡便に実施できる。しかし、ＬＰＰＳにより金属結合層を形成した遮熱コーティング部材と比べて、耐剥離性が劣ることが問題である。この原因の一つとして、金属結合層とセラミックス層との界面の密着性不良となることが挙げられる。この現象は、金属結合層の表面性状が大きく寄与していると考えられる。そのため、ＨＶＯＦを用いて金属結合層を形成する際には、表面形状を改質する必要がある。

特許文献１には、ＨＶＯＦにより表面が平滑なβ―ＮｉＡｌの副層を施工した後、大気プラズマ溶射により表面が粗いβーＮｉＡｌの外層を形成することにより、基材上にボンドコート（金属結合層）を形成する方法を開示している。

特許第４１９１４２７号公報（請求項１、請求項２、段落[００１３]〜［００１６］、［００３０］）

本発明は、ＨＶＯＦを用いて表面形状が改善された金属結合層を形成されることにより、密着力及び耐久性に優れる遮熱コーティング部材の製造方法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、本発明の参考例に係る遮熱コーティング部材の製造方法は、耐熱合金基材上に金属結合層を形成する工程を含む遮熱コーティング部材の製造方法であって、耐高温腐食合金からなる粒子を、高温フレーム溶射を用いて、被施工面に対して４５°以下の角度で噴射する低角噴射工程を備えることを特徴とする。

一般に、高温フレーム照射による金属結合層の形成では、平均粒径１０μｍから５０μｍの間で正規分布に近い粒度分布を有する合金溶射粒子を用いて、基材に対しほぼ垂直に溶射を行う。一方、本発明では、高温フレーム溶射時に溶射粒子を被施工面に対して４５°以下の低角で基材に向けて溶射粒子を噴射する。こうすることで、細かい粒子が被施工面に付着し、密着力の弱い粗い未溶融粒子がブラスト作用により除去される。この結果、溶融粒子同士が密着した金属結合層が形成されるとともに、金属結合層表面の性状が良好となる。本発明によれば、金属結合層とセラミックス層との密着性を改善し、耐久性に優れる遮熱コーティング部材を得ることができる。

上記参考例において、前記低角噴射工程が、前記金属結合層の最表層を形成する工程であることが好ましい。

金属結合層は、所定の膜厚を得るために、複数回にわたって基材上に耐高温腐食合金からなる粒子を照射して形成される。少なくとも金属結合層の最表層に本参考例の方法を適用すれば、耐剥離性に優れる遮熱コーティング部材を製造することができる。

上記参考例において、前記低角噴射工程が、前記金属結合層の最表面に、高温フレーム溶射を用いて凹凸形状を有する耐高温腐食合金からなる粒子を噴射する工程を含むことが好ましい。
上記工程では、凹凸形状を有する粒子により金属結合層最表面がブラストされ、金属結合層表面が粗面化する。これにより、セラミックス層との密着性が更に改善される。また、噴射される粒子は金属結合層と同じ耐高温腐食合金であるため、性能面への悪影響を与えることが無い。
なお、本発明における「凹凸形状の粒子」とは、例えば表面に突起や凹みを有する不定形の粒子を指す。

本発明の遮熱コーティング部材の製造方法は、耐熱合金基材上に金属結合層を形成する工程を含む遮熱コーティング部材の製造方法であって、前記金属結合層を形成する工程が、耐高温腐食合金からなる球状粒子を高温フレーム溶射を用いて被施工面に溶射して第１層を形成する工程と、凹凸形状を有する耐高温腐食合金からなる粒子を、高温フレーム溶射を用いて前記第１層上に溶射して第２層を形成する工程とを含むことを特徴とする。

第１層として、従来技術のように、耐高温腐食合金からなる球状粒子を高温フレーム溶射により溶射した後、第２層として耐高温腐食合金からなる凹凸形状の粒子を高温フレーム溶射により溶射することで、最表面が粗い金属結合層を形成することができる。このため、セラミックス層との密着性が改善され、耐久性に優れる遮熱コーティング部材を得ることができる。

上記発明において、前記第１層及び前記第２層の少なくとも一方が、被施工面に対して９０°の角度で前記粒子を溶射することが好ましい。

また本発明は、上記に記載される方法により製造される遮熱コーティング部材を備えるタービン部材、及び、該タービン部材を備えるガスタービンを提供する。

ＨＶＯＦによる金属結合層の形成は、ＬＰＰＳに比べて製造コスト及び保守管理の点で有利である。本発明の方法により遮熱コーティング部材が形成されたタービン部材及びガスタービンは、低コストである上、耐久性に優れるものとなる。

本発明の遮熱コーティング部材の製造方法により、金属結合層とセラミックス層との密着性が改善され、耐剥離性に優れる遮熱コーティング部材となる。また、遮熱コーティング部材の施工コストを低減し、工程を簡素化することができる。

遮熱コーティング部材の断面概略図である。 被施工面に対する溶射粒子の射出角度の関係を示す概略図である。 耐熱合金基材上にＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉末を溶射角度９０°にてＨＶＯＦにより２層溶射した施工面の（ａ）１００倍、（ｂ）５００倍のＳＥＭ画像である。 耐熱合金基材上にＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉末を溶射角度９０°にてＨＶＯＦにより２層溶射した施工面の（ａ）１００倍、（ｂ）５００倍のＳＥＭ画像である。 耐熱合金基材上にＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉末を溶射角度９０°にてＨＶＯＦにより２層溶射した施工面の（ａ）１００倍、（ｂ）５００倍のＳＥＭ画像である。 耐熱合金基材上にＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉末を溶射角度９０°にてＨＶＯＦにより２層溶射した施工面の（ａ）１００倍、（ｂ）５００倍のＳＥＭ画像である。 図３乃至図６のＳＥＭ画像（１００倍）中の粒子数を計測した結果を示したグラフである。 耐熱合金基材上にＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉末を溶射角度９０°にてＨＶＯＦにより３層溶射した施工面の（ａ）１００倍、（ｂ）５００倍のＳＥＭ画像である。 耐熱合金基材上にＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉末を溶射角度９０°にてＨＶＯＦにより２層溶射した後、溶射角度６０°にて更に１層形成した施工面の（ａ）１００倍、（ｂ）５００倍のＳＥＭ画像である。 耐熱合金基材上にＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉末を溶射角度９０°にてＨＶＯＦにより２層溶射した後、溶射角度４５°にて更に１層形成した施工面の（ａ）１００倍、（ｂ）５００倍のＳＥＭ画像である。 耐熱合金基材上にＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉末を溶射角度９０°にてＨＶＯＦにより２層溶射した後、溶射角度３０°にて更に１層形成した施工面の（ａ）１００倍、（ｂ）５００倍のＳＥＭ画像である。 図８乃至図１１のＳＥＭ画像（１００倍）中の粒子数を計測した結果を示したグラフである。

図１は、本発明の方法により製造される遮熱コーティング部材の断面概略図である。タービンの動翼、静翼などの耐熱合金基材１１（例えば、ＩＮ−７３８ＬＣ（商標名））上に、遮熱コーティングとして金属結合層１２及びセラミックス層１３が順に形成される。
金属結合層１２は、耐高温腐食合金からなり、例えばＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等の金属元素またはこれらのうち２種類以上の組合せを示す）などとされる。金属結合層のセラミックス層と接触する表面は、図１に示されるように、粗面となっている。
セラミックス層１３は、ＹｂＳＺ（イッテルビア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｍＹｂＺｒ_２Ｏ_７、ＤｙＳＺ（ジスプロシア安定化ジルコニア）、ＥｒＳＺ（エルビア安定化ジルコニア）などが挙げられる。本実施形態のセラミックス層は、大気圧プラズマ溶射法によって形成される。

［参考実施形態］
参考実施形態に係る遮熱コーティング部材の製造方法では、金属結合層１２は高温フレーム溶射（ＨＶＯＦ）により形成される。高速フレーム溶射は大気中で実施されるため、低圧プラズマ溶射に比べて低コストであり、大型部品に適用可能である。
高速フレーム溶射による金属結合層１２の形成は、以下の工程により実施される。
溶射粒子として、ＭＣｒＡｌＹ粉末が溶射ガンに供給される。溶射ガンに酸素及び灯油を供給して燃焼させる。これによりＭＣｒＡｌＹ粉末を融点の１／２以上の温度に加熱し、粒子速度５００ｍｍ／ｓｅｃ以上として被施工面に対しＭＣｒＡｌＹ粉末を射出する。溶射条件は以下の範囲とされる。
溶射距離：２００〜５００ｍｍ
粒子速度：５００〜１２００ｍｍ／ｓｅｃ

本参考実施形態では、図２に示すように、溶射方向が耐熱合金基材１１の被施工面１１ａに対する角度θが４５°以下となるように溶射ガン１５を配置して、溶射を実施する。すなわち、溶射粒子１４は、被施工面１１ａに対して４５°以下の角度で被施工面１１ａに向けて噴射される。
所望の金属結合層膜厚（例えば１００μｍ）を得るために、上記角度範囲で被施工面に溶射する工程を複数回に分けて行っても良い。あるいは、少なくとも金属結合層の最表層を形成する溶射を、上記低角度範囲での溶射としても良い。例えば、金属結合層表面側の数回の溶射を、上記角度範囲で実施する。
本参考実施形態の方法により、金属結合層表面に付着した未溶融粒子が、他の溶射粒子によってブラストされて表面から除去される。これにより、金属結合層表面を起伏のある粗い表面として、表面性状を良好にすることができる。
なお、溶射角度が例えば０°と小さいと被膜が形成されない場合があるが、未溶融粒子をブラストすることができ、良好な表面性状の金属結合層を得ることができる。

本参考実施形態では、溶射粒子の形状は特に限定されない。例えば、球状粒子や凹凸形状の粒子などが使用できる。

図３乃至図６は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉末（Ｎｉ：３２質量％、Ｃｒ：２１質量％、Ａｌ：８質量％、Ｙ：０．５質量％、Ｃｏ：残部、粒径１０〜５０μｍ）を、それぞれ溶射角度９０°、６０°、４５°、３０°の条件でＨＶＯＦにより耐熱合金基材（ＩＮ−７３８ＬＣ）上に２層溶射した施工面のＳＥＭ画像である。図３乃至図６において、（ａ）は１００倍の画像であり、（ｂ）は（ａ）中の白破線で囲まれた領域を５００倍に拡大した画像である。なお、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉末の溶射条件は以下の通りとした。
溶射装置：Ｐｒａｘａｉｒ社製ＪＰ５０００
溶射距離：３８０ｍｍ
粒子速度：５００ｍｍ／ｓｅｃ以上

図７は、図３乃至図６の１００倍のＳＥＭ画像中の粒子数を計測した結果を示したグラフである。同図において、横軸は溶射角度、縦軸は１ｍｍ^２当たりの溶射粒子数に換算した値である。

図８乃至図１１は、上記ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉末を溶射角度９０°にてＨＶＯＦにより耐熱合金基材（ＩＮ−７３８ＬＣ）上に２層溶射した後、それぞれ溶射角度９０°、６０°、４５°、３０°の条件でＨＶＯＦにより更に１層溶射した施工面のＳＥＭ画像である。図８乃至図１１において（ａ）は１００倍の画像であり、（ｂ）は（ａ）中の白破線で囲まれた領域を５００倍に拡大した画像である。溶射条件は、図３乃至図６を取得した条件と同じとした。
図１２は、図８乃至図１１の１００倍のＳＥＭ画像中の粒子数を計測した結果を示したグラフである。同図において、横軸は溶射角度、縦軸は１ｍｍ^２当たりの溶射粒子数に換算した値である。
なお、各溶射角度で溶射された金属結合層の膜厚は、９０°で０．１１ｍｍ、６０°で０．０６ｍｍ、４５°で０．０３ｍｍ、３０°で０．００５ｍｍであった。

ＳＥＭ写真及びグラフより、溶射角度９０°及び６０°では、未溶融の溶射粒子が金属結合層表面に多数付着しているのが確認できる。一方、溶射角度３０°及び４５°にて溶射することにより、金属結合層最表面の未溶融の粒子を大幅に低減できることが分かる。また、３０°及び４５°の溶射角度で形成された金属結合層表面は、図５，６，１０，１１に示すように、平滑ではなく、起伏のある粗い表面となっている様子が分かる。
上記結果は、以下の現象によるものと推察される。使用される溶射粒子は粒度分布を持っており、小径粒子は溶射ガンにおいて溶融又はそれに近い状態とされて溶射ガンから射出され、被施工面に付着して金属結合層を形成する。小径粒子の堆積により、粗い表面を有する金属結合層となる。一方、大径粒子の一部は未溶融状態で射出され、形状がほぼ維持された状態で施工面表面に付着する。未溶融粒子は、金属結合層との密着力が弱い。そのため、溶射角度を４５°以下とした場合には、未溶融粒子は、他の溶射粒子によってブラストされて表面から除去される。しかし、例えば６０°と溶射角度が大きい場合には、付着した未溶融粒子は飛来した他の溶射粒子ブラストされにくいため、多数の未溶融粒子が金属結合層表面に残留する。

上述のように、金属結合層の少なくとも最表面を、施工面に対する角度が４５°以下の条件でＨＶＯＦによりＭＣｒＡｌＹ粉末を溶射して形成することにより、密着力の弱い粒子を低減させつつ、表面性状を良好にすることができる。このため、金属結合層上にセラミックス層を形成した場合に、金属結合層とセラミックス層との密着性を向上させ、耐久性に優れる遮熱コーティング部材となる。

更に本参考実施形態は、ＨＶＯＦにより形成された金属結合層の最表面に対して、４５°以下の条件で凹凸形状を有する粒子を噴射しても良い。このとき噴射される粒子は、金属結合層の形成に用いた粒子と同じＭＣｒＡｌＹ粉末とされる。
凹凸形状を有する粒子の噴射は、直圧式ブラスト装置を用い、凹凸形状を有する粒子を加熱することなく、金属結合層を射出する。噴射条件は、例えば圧力：０．５ＭＰａ、ブラストガンノズル径：６〜１０ｍｍとされる。
このように凹凸形状を有する粒子を噴射することにより、金属結合層表面が削れたりするなどしてされて、金属結合層表面が更に粗面化される。噴射される粒子は金属結合層と同じ組成であるため、性能面への悪影響が抑制される。

［第１実施形態］
第１実施形態に係る遮熱コーティング部材の製造方法では、金属結合層１２は以下の工程により形成される。
まず、ＨＶＯＦにより耐熱合金基材上に球状のＭＣｒＡｌＹ粉末を溶射する。これにより、第１層を形成する。このとき、被施工面に対する溶射角度は、高い製膜効率を得るために９０°であることが望ましい。その他の溶射条件は、参考実施形態で例示した溶射距離及び粒子速度を採用できる。

次いで、第１層上に、ＨＶＯＦにより凹凸形状を有するＭＣｒＡｌＹ粉末を溶射して、第２層を形成する。第２層形成時における溶射角度は、９０°であることが望ましく、その他の溶射条件は、参考実施形態で例示した溶射距離及び粒子速度を適用できる。

本実施形態において、所望の金属結合層膜厚を得るために複数回にわたり溶射を行うことができる。この場合、例えば最表層（最後の溶射）のみ、あるいは、表面側の数層を第２層として凹凸形状を有する溶射粒子を用いて形成し、下層は全て第１層として球状粒子を用いて形成する。

本実施形態の方法により形成された金属結合層の表面には、凹凸形状を有する溶射粒子の堆積や凹凸形状を有する溶射粒子によるブラスト作用に由来する表面粗さが付与される。このように、金属結合層表面が粗面となるために、遮熱コーティング部材としたときの金属結合層とセラミックス層との良好な密着性が確保できる。

１１ 耐熱合金基材
１１ａ 被施工面
１２ 金属結合層
１３ セラミックス層
１４ 溶射粒子
１５ 溶射ガン

Claims (4)

1. 耐熱合金基材上に金属結合層を形成する工程を含む遮熱コーティング部材の製造方法であって、前記金属結合層を形成する工程が、
   耐高温腐食合金からなる球状粒子を高温フレーム溶射を用いて被施工面に溶射して第１層を形成する工程と、
   凹凸形状を有する耐高温腐食合金からなる粒子を、高温フレーム溶射を用いて前記第１層上に溶射して第２層を形成する工程と
   を含むことを特徴とする遮熱コーティング部材の製造方法。
2. 前記第１層及び前記第２層の少なくとも一方が、被施工面に対して９０°の角度で前記粒子を溶射する請求項１に記載の遮熱コーティング部材の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載される方法により製造される遮熱コーティング部材を備えるタービン部材。
4. 請求項３のタービン部材を備えるガスタービン。