JP2014185636A - 耐エロージョン性及び耐コロージョン性のコーティング系を備えるターボ機械部品並びに当該ターボ機械部品の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】適用が容易であって、用途に柔軟性があるコーティング系を備える定置型のターボ機械で使用されるターボ機械部品を提供する。
【解決手段】本発明に係る定置型のターボ機械のターボ機械部品（１０）では、１０％〜１８％クロム高合金鋼、チタン合金、ニッケル基合金又はコバルト基合金からなる、基材表面（１９）を有する基材（１６）と、耐エロージョン性及び耐コロージョン性のコーティング系（１７，１８，２０）と、を備え、該コーティング系（１７，１８，１９）は、前記ターボ機械部品（１０）の基材表面（１９）上に析出され、耐コロージョン性の層として働く第１の層（１７）と、該第１の層（１７）上に析出され、耐エロージョン性の層として働く第２の層（１８）と、を有し、前記第１の層（１７）は、Ｚｒ単層であり、前記第２の層（１８）は、Ｗ／ＷＣ複層であるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、定置型のターボ機械の技術に係り、高合金鋼、チタン合金、ニッケル基合金又はコバルト基合金からなり、耐エロージョン性及び耐コロージョン性のコーティング系を備えるターボ機械部品に関する。さらに本発明は、このようなコーティング系を備えるターボ機械部品を製造する方法に関する。
定置型のターボ機械で使用される部品、例えばコンプレッサブレード若しくはベーン、ガスタービンブレード若しくはベーン、又は遮熱セグメント等の部品は、高合金鋼（クロム１０％〜１８％）、ニッケル基合金又はコバルト基合金から製造されている。これらの材料は、ターボ機械部品の基材の材料である。
従来技術として、産業ガスタービンのコンプレッサブレードを保護するために使用される市販のコーティング系、例えばＳｅｒｍｅＴｅｌＲ６０００が存在する。しかしながら、これらのコーティング系は、犠牲コーティングとしてのアルミニウム粒子に起因して、良好な耐コロージョン性を有しているが、耐エロージョン性は乏しい。
米国特許第６１５９６１８号明細書（特許文献１）は、アルミニウム、マグネシウム又はこれらの合金からなり、場合によっては表面処理、例えば陽極処理を受けた基材を備える複層材料に関する。特許文献１に記載の技術的な解決手段は、軽量材料を使用している航空機エンジン、例えばプロペラ、ロータ等に関する。基材には、コーティングが設けられている。コーティングは、タングステンをベースとする堆積物と、基材と堆積物との間に挿入される下層とを有している。下層の材料は、基材の機械的・熱機械的特性と堆積物の機械的・熱機械的特性との中間の機械的・熱機械的特性を有している。タングステンをベースとする堆積物は、例えばタングステン、タングステンの炭化物、ケイ化物及び窒化物、タングステン合金、これらの混合物並びにタングステン中の窒素及び炭素の固溶体の中から選択される材料から製造される少なくとも１つの層を含んでいる。タングステンをベースとする堆積物は、これらの層の単層からなっていても、これらの層の幾つかの層の積層体からなっていてもよい。下層は、上述のような材料、例えばクロム、モリブデン、ニオブ、チタン、ジルコニウム、これらの窒化物及び炭化物、上述の金属中の炭素及び窒素の固溶体、鋼、組成傾斜を有するアルミニウム‐タングステン並びに酸化アルミニウムの中から選択される材料の単層からなっていてもよい。
特開昭５８−２０９９６号公報（特許文献２）は、耐コロージョン性及び耐酸性のコーティング層、例えば、ガラスフレーク等のスケールを不飽和ポリエステル又はビニルエステルの樹脂に混ぜ、これをＳＳ４１等の通常の材料から製造されている翼の表面全体に被着することにより得られるフレーク樹脂の耐コロージョン性及び耐酸性のコーティング層を開示している。コーティング層の乾燥及び硬化後、コーティング層の表面は、ハンドグラインダ又はエメリーペーパを用いて粗面化されている。その後、室温硬化用の耐エロージョン性の材料、例えばフッ素ゴムのコーティング層が、上述のコーティング層の粗面化された表面に被着される。その結果、ブレードには、表面全体にわたって耐コロージョン性及び耐エロージョン性の特性の両方が付与されている。上述の構造によれば、ブレードを製造する作業の効率は、両コーティング層の厚さを減少させることにより改善可能である。
米国特許第５７４０５１５号明細書（特許文献３）は、高温環境においてエロージョン及びコロージョンを招く作用を被る、ニッケル又はコバルトをベースとする超合金の基材と、この基材上に配置された保護機能を有するケイ化物コーティングとから形成される製品を開示している。セラミック製の熱障壁層が、超合金とケイ化物層との間に配置され、ＭＣｒＡｌＹ層が、セラミックと超合金基材との間に配置されていてもよい。ケイ化物コーティングは、好ましくはＭｏＳｉ２である。
米国特許出願公開第２００８／０３１７６０１号明細書（特許文献４）は、ブレード本体と、ブレード本体にボンディングされた、コロージョン及びエロージョンを防止する複層コーティングとを備えるターボ機械ブレードを開示している。複層コーティングは、少なくともブレード本体のコロージョン及びエロージョンが発生する危険性の高い領域をカバーする耐エロージョン性の第１の層と、少なくとも第１の層、好ましくはブレード全体をカバーする、第１の層上に設けられた第２の犠牲層とを有している。このようなターボ機械ブレードの製造方法は、ブレードを用意するステップと、少なくともコロージョン及びエロージョンが発生する危険性の高い領域をカバーするために、ブレード本体に耐エロージョン性の第１の層を析出するステップと、少なくとも第１の層をカバーするように第１の層上に第２の犠牲層を析出するステップとを有している。
米国特許出願公開第２０１１／０１６５４３３号明細書（特許文献５）は、金属表面にニッケル又はタンタルのめっき層を被着し、かつめっきを行う際に、ダイヤモンド、アルミナ、窒化バナジウム、炭化タンタル及び／又は炭化タングステン等の硬質材料の粒子をニッケル又はタンタルのめっき層に分散させることによって、金属表面に保護機能を有するコーティングを設けるプロセスを教示している。
それでもなお、定置型のターボ機械で使用される、基材として高合金鋼、チタン合金、ニッケル基合金又はコバルト基合金から製造されるターボ機械部品であって、定置型のターボ機械のこのような部品の保護を簡単にするために、耐エロージョン性のコーティング用のベースコートとして使用可能な耐コロージョン性のコーティングを備えるターボ機械部品が必要とされる。
米国特許第６１５９６１８号明細書 特開昭５８−２０９９６号公報 米国特許第５７４０５１５号明細書 米国特許出願公開第２００８／０３１７６０１号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０１６５４３３号明細書
本発明の課題は、適用が容易であって、用途に柔軟性があるコーティング系を備える定置型のターボ機械で使用されるターボ機械部品を提供することである。
本発明の別の課題は、ターボ機械部品上にこのようなコーティング系を製造する方法を提供することである。
これらの課題及びその他の課題は、請求項１記載のコーティング系を備えるターボ機械部品及び請求項８記載の方法により解決される。
本発明に係るターボ機械部品は、１０％〜１８％クロム高合金鋼、チタン合金、ニッケル基合金又はコバルト基合金からなる、基材表面を有する基材と、耐エロージョン性及び耐コロージョン性のコーティング系と、を備え、コーティング系は、ターボ機械部品の基材表面上に析出され、耐コロージョン性の層として働く第１の層と、第１の層上に析出され、耐エロージョン性の層として働く第２の層と、を有し、第１の層は、Ｚｒ単層コーティングであり、第２の層は、Ｗ／ＷＣ複層コーティングである。
本発明の一態様では、第１の層は、実質的に第２の層の厚さより薄い厚さを有する。
特に、第１の層は、３〜１０μｍの厚さを有し、第２の層は、１５〜２３μｍの厚さを有する。
特に、第２の層は、１０層以上の交互のＷとＷＣとの副層を有する。
殊に、第２の層は、それぞれ０．７５μｍ〜１．２５μｍの厚さを有する１０層のＷの副層と１０層のＷＣの副層とを有する。
本発明の一態様では、ターボ機械部品は、第１の層により完全にコーティングされており、第２の層は、高いエロージョン負荷を有する場所にのみ設けられている。
特にターボ機械部品は、前縁及び後縁を有する翼を備える、ガスタービンのコンプレッサブレード又はベーンであり、第２の層は、前縁に設けられている。
本発明に係るターボ機械部品を製造する本発明に係る方法は：
ａ）１０％〜１８％クロム高合金鋼、チタン合金、ニッケル基合金又はコバルト基合金からなる、基材表面を有する基材を備えるターボ機械部品を用意し；
ｂ）基材表面上に耐コロージョン性の第１の層を析出し、その際、第１の層をＺｒ単層コーティングとし；かつ
ｃ）耐コロージョン性の第１の層上に耐エロージョン性の第２の層を析出し、その際、第２の層をＷ／ＷＣ複層コーティングとし、これにより第１の層をボンドコートとして使用する；
というステップを有する。
特に、耐コロージョン性の第１の層を３〜１０μｍの厚さで析出する。
殊に、同じ厚さのＷ及びＷＣの単層又は副層を、複層の全体の厚さが１５〜２３μｍとなるまで、交互に析出する。
本発明に係る方法の別の態様では、層の析出を標準的なマグネトロンスパッタ法を用いて行う。
本発明に係る方法のさらに別の態様では、層の析出を、好適に方向付けられたガス流と組み合わされたホローカソードグロー放電を基礎とするガスフロースパッタ法により行う。
本発明により、適用が容易であって、用途に柔軟性があるコーティング系を備える定置型のターボ機械で使用されるターボ機械部品が提供される。以下に、本発明について、種々異なる実施の形態を例にとり、添付の図面を参照しながら、より詳細に説明する。
好ましくは本発明によるコーティング系を備えるターボ機械ブレードの斜視側面図である。 図１と同様の部品のそれぞれ異なる場所（Ａ）及び（Ｂ）に設けられたコーティング系を有する本発明の異なる実施の形態を示す図である。 本発明の一実施の形態によるコーティング系の断面図である。 本発明によるコーティング系を備えるターボ機械部品の製造中の幾つかのプロセスステップを示す図である。
図１は、ターボ機械部品１０、本実施の形態ではブレードの斜視側面図である。ターボ機械部品１０は、好ましくは本発明によるコーティング系を有している。ターボ機械部品１０は、定置型のターボ機械の一部であって、クロム１０〜１８質量％を含有する高合金鋼、チタン合金、ニッケル基合金又はコバルト基合金、例えばＮｉ超合金又はＣｏ超合金からなる基材と、詳細を図２及び図３に示すコーティング系２０とを有している。特にガスタービンのコンプレッサ区分のコンプレッサブレードであってもよい図１のターボ機械ブレード１０は、翼１１を有している。翼１１は、一端においてブレードチップ部１３で終端しており、他端においてプラットホーム部１２を有している。高温のガス、空気、水滴又は固体粒子の流れに曝されている翼１１は、前縁１４及び後縁１５を有している。特に前縁１４は、ガス、空気、水滴又は固体粒子の流れの衝突を受けており、したがってエロージョン及びコロージョンの対象となり得る。
耐エロージョン性及び耐コロージョン性のコーティング系は、耐エロージョン性と耐コロージョン性とを１つのコーティング系内に兼備している。本発明の一実施の形態では、コーティング系は、図３に示す構造を有している。図３の耐エロージョン性及び耐コロージョン性のコーティング系２０は、基材１６（例えばブレード本体）上に第１の層１７と第２の層１８とを有している。第１の層１７は、耐コロージョン性の特性を有するベースコートであり、第２の層１８は、耐エロージョン性の特性を有するトップコートである。好ましくは、ベースコート１７が、ブレード１０全体に被着されているのに対して、トップコート１８は、前縁１４又は後縁１５等の高いエロージョンを受ける場所にのみ被着されている。
コーティング系２０は、一実施の形態では、ベースコートとして厚さ１０μｍのＺｒ単層１７と、厚さ２０μｍの複層Ｗ／ＷＣコーティング１８とからなっている。コーティングは、好ましくは新しい方法であるガスフロースパッタ法（例えば米国特許第６３８２９２０号明細書又は米国特許第６３４６３０１号明細書参照）により被着されている。複層コーティング１８は、ＷとＷＣとの１０以上の交互の副層（図４Ｃの１８ａ，ｂ）（それぞれ１μｍ厚）からなっている。コンセプトは、ブレード１０全体をコロージョン防止用のＺｒ層１７によりコーティングし、Ｗ／ＷＣ複層コーティング１８を高いエロージョン負荷を有する場所にのみ被着することである。このような場所は、主に前縁におけるルート部から翼１１の長さの３／４まで又は翼１１の全長である。
本発明の核心は、概して、コロージョン防止用としてのＺｒ単層１７（厚さ３〜１０μｍ）と、表面上のエロージョン防止用としてのＷ／ＷＣ複層１８（厚さ１５〜２３μｍ）とを使用し、かつブレード上の高いコロージョン及び／又はエロージョン負荷を有する場所にコーティングを被着することである。
コロージョンしかなければ、Ｚｒ層１７だけが被着されればよい（図２Ｂ）。ボンドコートとして働くＺｒ層１７の表面に付加的なエロージョンがあるのであれば、Ｗ／ＷＣ複層１８が被着され得る（図２Ａ）。
別の実施の形態では、１５％クロム鋼からなる、コンプレッサの第１段のブレードは、翼及びルートプラットホーム部の表面において、Ｚｒ層１７によりコーティングされている。この層１７は、１０μｍの厚さを有している。このジルコニウムコーティングは、ブレード材料をコロージョンから保護する。エロージョン防止のために前縁１４は、第２のステップで、それぞれ１０層の、交互のタングステン（Ｗ）と炭化タングステン（ＷＣ）との単層を含むＷ／ＷＣ複層１８によりコーティングされている。これらの層の各々の厚さは、１μｍであるので、複層１８の全体の厚さは、２０μｍである。下位のジルコニウムコーティングは、Ｗ／ＷＣ複層１８のための接着材として働く。
上述のガスフロースパッタ法は、標準的なマグネトロンスパッタ法より高い局所的な析出速度を可能にする。析出プロセスは、典型的には１０分の数ミリバールでなされ、高い真空環境を必要としない。ガスフロースパッタ法は、好適に方向付けられたガス流と組み合わされたホローカソード放電を基礎としている。また、ガス流の特別な流路は、ターゲット及び基材に対する残留ガスの影響を著しく低減する。しかしながら、本発明は、他のＰＶＤ法によってか、又はさらには溶射若しくは電気めっきによってなされてもよい。
本発明によるコーティング系２０を備えるターボ機械部品１０を製造する方法は：
ａ）１０％〜１８％クロム高合金鋼、チタン合金、ニッケル基合金又はコバルト基合金からなる、基材表面１９を有する基材１６を備えるターボ機械部品１０を用意し（図４Ａ）；
ｂ）基材表面１９上に耐コロージョン性の第１の層１７を析出し（図４Ｂ）、その際、第１の層１７をＺｒ単層として析出し；かつ
ｃ）耐コロージョン性の第１の層１７上に耐エロージョン性の第２の層１８を析出し、その際、第２の層１８をＷ／ＷＣ複層コーティングとして析出し、これにより第１の層１７をボンドコートとして使用する（図４Ｃ）；
というステップを有する。
耐エロージョン性のＷ／ＷＣ層１８は、層毎に常に１μｍの厚さで被着されている（図４Ｃ及び図４Ｄ参照）。副層１８ａ，ｂの数は、ブレード１０に沿って異なっていてもよい。好ましくは、エロージョン防止用として交互に常に、それぞれ１μｍの厚さを有する１０層の副層Ｗと、１０層の副層ＷＣとが、被着（析出）されている。エロージョン防止用としての複層コーティング１８は、高いエロージョン負荷を有する場所、例えば前縁１４に限られていてもよい。
本発明によるコーティング系によって、耐エロージョン性は向上し、それゆえコンプレッサブレード１０は、より長い期間にわたって前縁１４の状態を再度調整することなく運転可能である。
１０ ターボ機械ブレード（例えばコンプレッサ用）、 １１ 翼、 １２ プラットホーム部、 １３ ブレードチップ部、 １４ 前縁、 １５ 後縁、 １６ 基材、 １７ コロージョン防止層、 １８ エロージョン防止層（複層）、 １８ａ，ｂ 副層、 １９ 基材表面、 ２０ 耐エロージョン性及び耐コロージョン性のコーティング系

Claims (12)

  1. 定置型のターボ機械のターボ機械部品（１０）であって、
    １０％〜１８％クロム高合金鋼、チタン合金、ニッケル基合金又はコバルト基合金からなる、基材表面（１９）を有する基材（１６）と、
    耐エロージョン性及び耐コロージョン性のコーティング系（１７，１８，２０）と、
    を備え、該コーティング系（１７，１８，２０）は、
    前記ターボ機械部品（１０）の基材表面（１９）上に析出され、耐コロージョン性の層として働く第１の層（１７）と、
    該第１の層（１７）上に析出され、耐エロージョン性の層として働く第２の層（１８）と、
    を有し、前記第１の層（１７）は、Ｚｒ単層であり、前記第２の層（１８）は、Ｗ／ＷＣ複層であることを特徴とする、定置型のターボ機械のターボ機械部品。
  2. 前記第１の層（１７）は、実質的に前記第２の層（１８）の厚さより薄い厚さを有する、請求項１記載のターボ機械部品。
  3. 前記第１の層（１７）は、３〜１０μｍの厚さを有し、前記第２の層（１８）は、１５〜２３μｍの厚さを有する、請求項２記載のターボ機械部品。
  4. 前記第２の層（１８）は、１０層以上の交互のＷとＷＣとの副層（１８ａ，ｂ）を有する、請求項１記載のターボ機械部品。
  5. 前記第２の層（１８）は、それぞれ０．７５μｍ〜１．２５μｍの厚さを有する１０層のＷの副層と１０層のＷＣの副層とを有する、請求項４記載のターボ機械部品。
  6. 前記ターボ機械部品（１０）は、前記第１の層（１７）により完全にコーティングされており、前記第２の層（１８）は、高いエロージョン負荷を有する場所にのみ設けられている、請求項１記載のターボ機械部品。
  7. 前記ターボ機械部品（１０）は、前縁（１４）及び後縁（１５）を有する翼（１１）を備える、ガスタービンのコンプレッサブレード（１０）又はベーンであり、前記第２の層（１８）は、前記前縁（１４）に設けられている、請求項１記載のターボ機械部品。
  8. 請求項１記載のターボ機械部品（１０）を製造する方法であって：
    ａ）１０％〜１８％クロム高合金鋼、チタン合金、ニッケル基合金又はコバルト基合金からなる、基材表面（１９）を有する基材（１６）を備えるターボ機械部品（１０）を用意し；
    ｂ）前記基材表面（１９）上に耐コロージョン性の第１の層（１７）を析出し、その際、該第１の層（１７）をＺｒ単層コーティングとして析出し；かつ
    ｃ）前記耐コロージョン性の第１の層（１７）上に耐エロージョン性の第２の層（１８）を析出し、その際、該第２の層（１８）をＷ／ＷＣ複層コーティングとして析出し、これにより前記第１の層（１７）をボンドコートとして使用する；
    というステップを有することを特徴とする、ターボ機械部品を製造する方法。
  9. 前記耐コロージョン性の第１の層（１７）を３〜１０μｍの厚さで析出する、請求項８記載の方法。
  10. 同じ厚さのＷ及びＷＣの単層又は副層（１８ａ，ｂ）を、前記複層（１８）の全体の厚さが１５〜２３μｍとなるまで、交互に析出する、請求項８記載の方法。
  11. 前記層（１７，１８）の析出を標準的なマグネトロンスパッタ法を用いて行う、請求項８から１０までのいずれか１項記載の方法。
  12. 前記層（１７，１８）の析出を、好適に方向付けられたガス流と組み合わされたホローカソードグロー放電を基礎とするガスフロースパッタ法により行う、請求項８から１０までのいずれか１項記載の方法。
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