JP2015110839A - 遮熱コーティングの部分補修方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐剥離性の高い補修皮膜を形成する遮熱コーティングの部分補修方法を提供することを目的とする。【解決手段】遮熱コーティングの部分補修方法は、耐熱合金基材１上に金属結合層２と、ジルコニアを主とし縦割れを形成する工程を経ていないセラミックス層３と、が順に形成された部材の前記セラミックス層３の損傷部に、ジルコニアを主とする溶射材を溶射して補修皮膜９を形成する補修皮膜形成工程と、補修皮膜９の周辺のレーザビームの通路となり得る前記セラミックス層３の表面を、レーザ反射能を有する反射材で被覆した後、補修皮膜９の表面にレーザビームを所定条件で照射し、補修皮膜９に縦割れ１１を形成する縦割れ形成工程と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、ガスタービンの動静翼や燃焼器などの高温環境で使用される部材に施された遮熱コーティングの部分補修方法に関するものである。

ガスタービンなどの発電装置は、高温環境で使用される。そのため、ガスタービンを構成する静翼や動翼、あるいは燃焼器の壁材などは、耐熱部材で構成される。更に、この耐熱部材の基材上に、遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ，ＴＢＣ）を形成して、耐熱部材を高温から保護することが行われている。

ＴＢＣは、基材側から金属結合層（アンダーコート層）とセラミックス層（トップコート層）とを積層した構成とされる。
金属結合層は、耐酸化性に優れたＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｃｏ及びＮｉのうち少なくとも１種の元素を表す）を主として含有し、基板上に溶射施工される。金属結合層は、基材への耐食機能、及び、基材とセラミックス層とを結合する結合剤としての機能を備える。

セラミックス層は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）系セラミックス粉末材料を用いて、金属結合層上に溶射施工される。ＺｒＯ_２系セラミックス粉末材料としては、希土類元素で安定化された部分安定化ジルコニア、パイロクロア構造を有する希土類元素とジルコニアとの混合粉末などが挙げられる。セラミックス層は高い遮熱性が要求されるため、気孔を含有させたポーラスな組織とされる。

ＴＢＣのセラミックス層が部分的に損傷した場合、ＴＢＣの補修が行われる。一般的な補修方法としては、部材全面にわたりセラミックス層及び金属結合層を剥離させ、部材を表面処理した後、新しい金属結合層及びセラミックス層を順に形成させる。この方法では、部材全面での補修が必要になることから、工期が長期間となる上、補修コストが高いという問題がある。そのため、ＴＢＣを部分的に補修する方法が求められている。

ＴＢＣを部分的に補修する方法として、損傷部にセラミックス粒子を溶射して補修皮膜を形成する手法や、セラミックス粒子とバインダー材とを混合させて調製したペースト材を損傷部分に塗布して補修皮膜を形成する手法がある（特許文献１）。

特開２０１０−５０５号公報（段落［０００９］及び［００１０］）

ＴＢＣを部分的に補修した場合、補修皮膜とその周囲の健全なセラミックス層（健全部）との界面が不連続であるため、補修皮膜が剥離しやすいという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、耐剥離性の高い補修皮膜を形成する遮熱コーティングの部分補修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、本発明は、耐熱合金基材上に金属結合層と、ジルコニアを主とし縦割れを形成する工程を経ていないセラミックス層と、が順に形成された部材の前記セラミックス層の損傷部に、ジルコニアを主とする溶射材を溶射して補修皮膜を形成する補修皮膜形成工程と、前記補修皮膜の周辺のレーザビームの通路となり得る前記セラミックス層の表面を、レーザ反射能を有する反射材で被覆した後、前記補修皮膜の表面にレーザビームを所定条件で照射し、前記補修皮膜に縦割れを形成する縦割れ形成工程と、を備える遮熱コーティングの部分補修方法を提供する。

補修皮膜にレーザを照射すると、補修皮膜内に急激な温度差が発生し、縦割れが形成される。縦割れが形成された補修皮膜には、間隙が生じるため、熱膨張時の応力を緩和することができる。それによって、補修部分の熱サイクル耐久性が高くなり、耐剥離性が向上する。縦割れとは、補修皮膜の厚さ方向に延びる割れを意味する。

セラミックス層の損傷部は構造部材の一部分であるため、補修皮膜にレーザを照射するには、レーザが補修皮膜の周囲の健全なセラミックス層（健全部）上を通過しなくてはならない。上記発明によれば補修皮膜の周囲の健全部上を反射材でマスクすることで、レーザ照射によって健全部が損傷することを防止することができる。

上記発明の一態様において、前記補修皮膜形成工程の前に、少なくとも前記損傷部の周辺の溶射施工の通路となり得る前記セラミックス層の表面を研磨して表面粗度を所定値以下とする表面研磨工程を備え、前記表面研磨工程の後、前記損傷部の周辺のセラミックス層表面をマスキング材で覆うことなく前記補修皮膜を形成することが好ましい。

通常の溶射施工において、補修皮膜を部分的に形成する際、溶射皮膜を形成させたい領域の周辺をマスキング材で覆い、その上で溶射フレームが走査される。上記発明の一態様によれば、通常マスキング材で覆われるべき溶射施工の通路となり得る領域の表面は研磨されている。このような表面を有する基材には溶射膜が定着できないため、マスキング材を使用することなく部分的に補修皮膜を形成することが可能となる。

マスキング材を用いた場合、補修皮膜を形成した後にマスキング材を除去する。それにより補修皮膜とその周囲の健全部との境界に段差が生じるため、この段差を除く後処理工程が必要となる。上記発明の一態様によれば、補修皮膜とその周囲の健全部との境界に段差が発生しにくくなるため、後処理工程を簡略化することが可能となる。

上記発明の一態様において、前記補修皮膜形成工程の前に、前記損傷部の表面をブラスト処理し、前記損傷部の表面粗度を所定値以上とすることが好ましい。

損傷部の表面粗度を所定値以上とすることで、損傷部に溶射された補修皮膜が下地にしっかりと定着することができる。

上記発明の一態様において、前記表面研磨工程の前に、前記損傷部の周辺に位置する溶射施工の通路となり得る前記セラミックス層の表面に、所定膜厚の溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成工程を更に備えることが好ましい。

予め溶射皮膜を形成させておくことにより、健全部のセラミックス層は、表面研磨工程で研磨した後も所望の膜厚を保持することが可能となる。所定膜厚は、表面研磨工程で表面粗度を所定値以下とする際に減少する膜厚相当とすることが好ましい。

本発明によれば、補修皮膜に縦割れを形成することで、補修部の熱サイクル耐久性を向上させることができる。また、予め溶射施工の通路となり得るセラミックス層の表面を研磨しておくことで、補修皮膜形成の前後の処理工程を簡略化し、作業性を向上することが可能となる。

第１実施形態における被補修部材の部分断面図である。 第１実施形態で想定される溶射フレームの通路を示す図である。 マスキング材で被覆した被補修部材を上面から平面視した図である。 第１実施形態に係るレーザビームの通過経路を示す図である。 反射材で被覆した被補修部材を上面から平面視した図である。 第１実施形態における補修された被補修部材の部分断面図である。

以下に、本発明に係る遮熱コーティングの部分補修方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１に、本実施形態における被補修部材の部分断面図を示す。被補修部材１０は、母材１上に、金属結合層２とセラミックス層３とからなるＴＢＣが積層された構成とされ、セラミックス層３の一部が損傷している。本実施形態では、半径２０ｍｍ以下程度の損傷部４を主な補修対象とする。

母材１は、ＩＮ７３８ＬＣなどのＮｉ基耐熱合金などとされる。
金属結合層２は、母材１上に低圧プラズマ溶射法などにより形成されている。金属結合層２は、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１種の元素を示す）などとされ、一般的に、０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の厚さとされる。

セラミックス層３は、金属結合層２上に大気プラズマ溶射法（ＡＰＳ）によって形成されている。セラミックス層３は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）を主成分とするセラミックスからなる。例えばセラミックス層３としては、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＹｂＳＺ（イッテルビア安定化ジルコニア）、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）、ＳｍＹｂＺｒ_２Ｏ_７などが挙げられる。セラミックス層３は、一般的に、厚さ０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、気孔率１体積％以上３０体積％以下とされる。

本実施形態に係る部分補修方法は、補修皮膜形成工程及び縦割れ形成工程を備えている。
まず、損傷部４の周辺の溶射施工の通路となり得るセラミックス層３の表面をマスキング材で被覆する。図２に、本実施形態で想定される溶射フレーム５の通路を示す。同図は、被補修部材１０を上面（セラミックス層側）からみた平面図である。図３に、マスキング材６で被覆した被補修部材１０を上面から平面視した図を示す。

次に、損傷部４の表面（底面）を必要に応じて適宜ブラスト処理し、損傷部４の表面粗度を所定値以上とする。所定値は７Ｒａよりも大きく、好ましくは９Ｒａ〜１５Ｒａ程度とすると良い。そのようにすることで、次工程で溶射施工した際に、補修皮膜がアンカー効果により下地の凹凸に引っかかり、下地に強固に接着される。

次に、ジルコニアを主とする溶射材を用いて溶射により損傷部４に補修皮膜９を形成する（補修皮膜形成工程）。溶射材は、損傷部４の周辺の健全なセラミックス層３（健全部）と同一の組成とされるが、異なる組成であっても良い。本実施形態では、図２に示すように、溶射フレーム５を被補修部材の一端部側から他端部側に向けて損傷部４上を通過するよう走査した後、他端部で上記走査方向に対して垂直方向に位置をずらしてから折り返して一端部へ向けて損傷部４上を通過するよう走査する。これを適宜繰り返すことで、損傷部４に補修皮膜が形成される。

補修皮膜は、例えば、スルザーメテコ社製溶射ガン（例えばＦ４ガン）を用いて、溶射法に用いる粉末を溶射電流６００（Ａ）、溶射距離１５０（ｍｍ）、粉末供給量６０（ｇ／ｍｉｎ）、Ａｒ／Ｈ_２量；３５／７．４（ｌ／ｍｉｎ）の代表的条件により成膜することが可能である。

次に、マスキング材６を外し、健全部と補修皮膜との界面に生じた段差を除去する。

次に、補修皮膜の周辺のレーザビームの通路となり得るセラミックス層３の表面を、レーザ反射能を有する反射材で被覆した後、補修皮膜の表面にレーザビームを所定条件で照射する（縦割れ形成工程）。図４に、レーザビーム７の通過経路を示す。図５に、反射材８で被覆した被補修部材１０を上面から平面視した図を示す。

反射材８は、粉体または薄板状体とされ、有機系光吸収剤を含む耐熱性樹脂で構成されることが好ましい。詳細には、反射材８は、厚さ３ｍｍの薄板状体に加工された光吸収剤含有耐熱性樹脂のレーザ光に対する吸収率と反射率との和が、６０％以上９０％以下、好ましくは６５％以上８５％以下であると良い。上記光学特性となるように、有機系光吸収剤との混合比率が調整される。

耐熱性樹脂は、融点が２００℃以上、好ましくは２５０℃以上の熱可塑性樹脂とされる。例えば、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド６６、ポリアミド４６、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロヘキサンジメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマーなどが挙げられる。

有機系光吸収剤は、使用されるレーザビームの波長近傍に吸収があるものとされる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用する場合、有機系光吸収剤は、波長１０６４ｎｍ近傍に吸収があることが好ましい。有機系光吸収剤としては、構成元素に金属を含有しないアジン系染料が好適である。アジン系染料は上記波長領域近傍に吸収を有し、耐熱性及び耐光性に優れる。例えば、オリエント化学工業社製ＬＴＷ−８１７０Ｃ、ＬＴＷ−８４００Ｃ、ＬＴＷ−８９５０Ｈ、ＬＴＷ−８０００Ｃ、ＬＷＴ−８９０１Ｈ、ＬＡＷ−４８０１などとされる。

有機系光吸収剤は、耐熱性樹脂中に分散して含有される。有機系光吸収剤は、耐熱性樹脂の表面に単独で塗布されても良い。あるいは、有機系光吸収剤は、耐熱性樹脂中に分散され、耐熱性樹脂と共に補修皮膜９周辺の健全部の表面に塗布されても良い。

レーザビームは、図４に示すように、レーザビームを被補修部材１０の一端部側から他端部側に向けて補修皮膜９上を通過するよう走査した後、他端部で上記走査方向に対して垂直方向に位置をずらしてから折り返して一端部へ向けて補修皮膜９上を通過するよう走査する。これを繰り返し、補修皮膜９全面にレーザビームを照射させる。それによって、レーザビーム照射部近傍に、図６に示すような、補修皮膜９の厚さ方向に延びる縦割れ１１が形成される。

レーザビームは、パワー密度４０〜２００Ｗ／ｍｍ^２、エネルギー密度２〜５Ｊ／ｍｍ^２の範囲で、且つ両密度の積を１８０Ｗ／ｍｍ^２・Ｊ／ｍｍ^２以上となる条件で照射することが好ましい。そのようにすることで、健全性を保ちつつ熱応力を緩和可能な補修皮膜９とすることができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、補修皮膜形成工程の前に、表面研磨工程を備えることを特徴とする。
まず、損傷部４の周囲をブラスト用のマスキング材で被覆する。ブラストのみを対象としたマスキングなので、溶射用のマスキングと比べて被覆領域は小さい。次に、第１実施形態と同様に損傷部４の表面（底面）を必要に応じて適宜ブラスト処理する。

ブラスト用のマスキング材を外した後、損傷部４の周辺に位置する溶射施工の通路となり得るセラミックス層３の表面を研磨して表面粗度を所定値以下とする（表面研磨工程）。研磨する領域は、第１実施形態においてマスキング材６で被覆した領域と同等とする。また、被補修部材１０上の健全なセラミックス層３の全面を研磨しても良い。所定値は、７Ｒａ以下、好ましくは５Ｒａ以下、更に好ましくは３Ｒａ以下とされる。表面粗度を所定値以下とすることで、その上に溶射された溶射膜が下地に強固に接着することができなくなる。

次に、溶射施工の通路となった領域（または補修部材上の健全なセラミックス層の全面）の表面、補修皮膜の表面、及び健全部と補修皮膜との界面を適宜表面処理し、表面粗度を７Ｒａ以下とする。健全部と補修皮膜との界面に膜厚に起因した段差が生じていた場合であっても、その段差は、第１実施形態で生じた段差よりもかなり小さい。そのため、段差を除去し、且つ補修皮膜の表面を所望の粗度とするための作業時間を短縮できる。

本実施形態によれば、マスキング材６で覆うべき領域を研磨した後にマスキング材を使用せずに溶射施工するため、溶射用のマスキング工程を省略できるだけでなく、被補修部材の空力特性も向上させることができる。被補修部材がガスタービンの動翼のような高速で回転する部材の場合、表面粗度を滑らかにすることは、ガスタービンの効率向上につながる。

次に、第１実施形態と同様に補修皮膜にレーザビームを照射し、縦割れを形成する。

（第３実施形態）
本実施形態は、表面研磨工程の前に、溶射皮膜形成工程を備えることを特徴とする。
まず、第２実施形態と同様に損傷部４の表面をブラスト処理する。次に、損傷部及び該損傷部の周辺に位置する溶射施工の通路となり得るセラミックス層の表面に、所定膜厚の溶射皮膜を形成する。溶射条件は、補修皮膜形成工程と同様とすると良い。所定膜厚は、表面研磨工程で表面粗度を所定値以下とする際に減少する膜厚相当とすることが好ましい。例えば、所定膜厚は５０μｍ程度とされる。
次に、第２実施形態と同様に表面研磨工程、補修皮膜形成工程、縦割れ形成工程を実施する。

本実施形態は、被補修部材上の健全なセラミックス層の膜厚が薄い場合に適用されると良い。本実施形態によれば、予め溶射皮膜を形成しておくことで、健全部のセラミックス層は、表面研磨工程で研磨した後も所望の膜厚を保持することが可能となる。

１ 母材（耐熱合金基材）
２ 金属結合層
３ セラミックス層（健全部）
４ 損傷部
５ 溶射フレーム
６ マスキング材
７ レーザビーム
８ 反射材
９ 補修皮膜
１０ 被補修部材
１１ 縦割れ

Claims (4)

1. 耐熱合金基材上に金属結合層と、ジルコニアを主とし縦割れを形成する工程を経ていないセラミックス層と、が順に形成された部材の前記セラミックス層の損傷部に、ジルコニアを主とする溶射材を溶射して補修皮膜を形成する補修皮膜形成工程と、
   前記補修皮膜の周辺のレーザビームの通路となり得る前記セラミックス層の表面を、レーザ反射能を有する反射材で被覆した後、前記補修皮膜の表面にレーザビームを所定条件で照射し、前記補修皮膜に縦割れを形成する縦割れ形成工程と、
   を備える遮熱コーティングの部分補修方法。
2. 前記補修皮膜形成工程の前に、少なくとも前記損傷部の周辺の溶射施工の通路となり得る前記セラミックス層の表面を研磨して表面粗度を所定値以下とする表面研磨工程を備え、
   前記表面研磨工程の後、前記損傷部の周辺のセラミックス層表面をマスキング材で覆うことなく前記補修皮膜を形成する請求項１に記載の遮熱コーティングの部分補修方法。
3. 前記補修皮膜形成工程の前に、前記損傷部の表面をブラスト処理し、前記損傷部の表面粗度を所定値以上とする請求項１または請求項２に記載の遮熱コーティングの部分補修方法。
4. 前記表面研磨工程の前に、前記損傷部の周辺に位置する溶射施工の通路となり得る前記セラミックス層の表面に、所定膜厚の溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成工程を更に備える請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の遮熱コーティングの部分補修方法。

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