JP2016169613A - インペラ、圧縮機、および、インペラの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固形物を含む腐食性の流体を取り扱う際の耐腐食性、および、耐摩耗性の両方を十分に確保しつつ、信頼性、および、製造性の低下を抑制する。
【解決手段】ブレード２１の母材上に、耐食性を有するニッケル基合金、又は、コバルト基合金からなる耐食層と、耐食層の少なくとも一部に対してクロム拡散浸透処理を施すことによって形成される耐摩耗層と、を有するコーティング層と、を備え、コーティング層は、少なくともブレード２１の前縁部２３を含む第一領域３０に耐摩耗層を備え、第一領域３０の表面のクロム濃度が、第一領域３０以外の第二領域３１の表面のクロム濃度よりも高くなるように形成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、インペラ、圧縮機、および、インペラの製造方法に関する。

圧縮機にあっては、非特許文献１のような海底生産システム（Ｓｕｂｓｅａ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）や、非特許文献２のような浮体式海洋石油貯蔵設備（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ、ＦＰＳＯ）に使用されるものが知られている。非特許文献１の海底生産システムに使用される圧縮機は、例えば、海底に設置されて海底から数千ｍの深さまで掘削した生産井から原油や天然ガス等が混在した生産流体を海上に送り出す用途で用いられる。一方で、非特許文献２の浮体式海洋石油貯蔵設備に使用される圧縮機は、船舶等の海上設備に設置される。

三菱重工技報 Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．５ Ｐ３１０−Ｐ３１３ Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ／Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１４ Ｐ１８−Ｐ２４

一般に用いられる圧縮機の場合、取り扱う流体は精製されている場合が多い。しかし、非特許文献１や非特許文献２で用いる圧縮機の場合、その取り扱う流体は、フィルタ等により前処理がされているものの、十分に固形物の除去がなされていない場合がある。例えば、フィルタ等による前処理としては、１０μｍ以下の固形物を９８％程度分離できるものもあるが、残りの数％が残留してしまう。また、非特許文献１や非特許文献２で取り扱う流体の場合、１０μｍの固形物は、硬質であることが多い。

一方で、非特許文献１や非特許文献２で取り扱う流体には、硫黄などの腐食成分が含まれている。そのため、非特許文献１や非特許文献２で用いる圧縮機には、流体と接する部分に、腐食対策として溶射などの表面処理が施されている。
しかしながら、このような腐食対策の表面処理では、上述した流体に含まれる残留した固形物によって摩耗や剥離が生じてしまい、腐食の進行を抑制できなくなる場合がある。

また、一般に、溶射による表面処理は、耐摩耗性を向上させる際に、Ｍｏ，Ｗ，Ｃ等の硬化元素を多く添加するため、その硬度を上昇させる。この硬度の上昇により、上記表面処理は、延性が低下し、疲労強度が低下してしまう。そのため、ヒビ、割れ等が生じる可能性がある。
さらに、溶射による表面処理は、特に硬質の皮膜の場合には、微小なピンホールが形成されることが多く、腐食環境が非常に厳しい場合には耐食性が充分ではない場合がある。
つまり、溶射による表面処理の耐摩耗性を向上させようとすると、十分な耐腐食性を確保することができない可能性がある。
さらに、遠心圧縮機の場合、インペラ全体に硬質な表面処理を施すことにより疲労強度が低下すると、インペラの信頼性や、製造性が低下してしまうという課題がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、固形物を含む腐食性の流体を取り扱う際の耐腐食性、および、耐摩耗性の両方を十分に確保しつつ、信頼性、および、製造性の低下を抑制することができるインペラ、圧縮機、および、インペラの製造方法を提供することを目的とする。

この発明の第一態様によれば、インペラは、ブレードの母材上に、耐食性を有するニッケル基合金、又は、コバルト基合金からなる耐食層と、前記耐食層の少なくとも一部に対してクロム拡散浸透処理を施すことによって形成される耐摩耗層と、を有するコーティング層と、を備え、前記コーティング層は、少なくとも前記ブレードの前縁部を含む第一領域に前記耐摩耗層を備え、前記第一領域の表面のクロム濃度が、前記第一領域以外の第二領域の表面のクロム濃度よりも高くなるように形成されている。
このように構成することで、インペラ本体のうち、流速が高く、固形物の粒子の衝突による摩耗が生じやすいブレードの前縁部を含む第一領域の表面の硬度を、第二領域の表面の硬度よりも相対的に高めることができる。その結果、固形物を含む腐食性の流体を取り扱う際の耐腐食性、および、耐摩耗性の両方を十分に確保できる。また、インペラ本体の全体に硬質な表面処理を施すことによる疲労強度の低下を抑制できるため、信頼性、および、製造性の低下を抑制することができる。

この発明の第二態様によれば、インペラは、第一態様における第一領域の耐食層が、前記第二領域の前記耐食層よりもクロム濃度が高くなるように形成され、前記第一領域、および、第二領域の両方に前記クロム拡散浸透処理による前記耐摩耗層が形成されるようにしてもよい。
このように構成することで、第一領域と第二領域との両方に耐摩耗層を形成しつつ、第一領域の表面のクロム濃度を、第二領域の表面のクロム濃度よりも高めることができる。そのため、第一領域の表面の硬度を、第二領域の表面の硬度よりも相対的に高くすることができる。

この発明の第三態様によれば、インペラは、第一態様において、前記第一領域にのみ前記耐摩耗層を備えるようにしても良い。
このように構成することで、第一領域および第二領域の両方に耐摩耗層を形成して第一領域の表面のクロム濃度を第二領域の表面のクロム濃度よりも高くする場合よりも、さらに第一領域以外の第二領域の表面のクロム濃度を抑制することができる。そのため、第二領域の疲労強度低下をより抑制できる。また、第一領域には耐摩耗層が形成されるため、高い流速で固形物が衝突し易いブレードの前縁部の耐摩耗性を向上できる。

この発明の第四態様によれば、圧縮機は、第一態様から第三態様の何れかのインペラを備える。
これにより、固形物を含む腐食性の流体を扱う圧縮機における信頼性、および、製造性を向上できる。

この発明の第五態様によれば、インペラの製造方法は、ブレードの前縁部を含む第一領域、および、前記第一領域以外の第二領域に、前記第一領域のクロム濃度が第二領域のクロム濃度よりも高くなるように、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金を積層する耐食層形成工程と、前記第一領域、および、前記第二領域の両方にクロム拡散浸透処理を施す耐摩耗層形成工程と、を含む。
このようにすることで、クロム濃度を、第二領域の耐摩耗層よりも第一領域の耐摩耗層の方が高くなるようにすることができる。また、耐食層の全体に同一のクロム拡散浸透処理を施すだけで、第一領域の表面のクロム濃度を、第二領域の表面のクロム濃度よりも高めて、第一領域の硬度を第二位置領域の硬度よりも高めることができる。そのため、固形物が高速で衝突し易い第一領域の耐摩耗性を向上させつつ、第二領域の表面の疲労強度低下を抑制することができる。

この発明の第六態様によれば、インペラの製造方法は、ブレードの母材上に、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金を積層する耐食層形成工程と、前記ブレードの前縁部を含む第一領域と、前記第一領域以外の第二領域とのうち、前記第一領域にのみクロム拡散浸透処理を施す耐摩耗層形成工程と、を含む。
このようにすることで、第一領域および第二領域ともに同じニッケル基合金、又は、コバルト基合金を母材上に積層すればよいため、耐食層を容易に形成できる。さらに、第一領域の表面にのみクロム拡散浸透処理を施すので、第一領域のクロム濃度と、第二領域の表面のクロム濃度との差をより大きくすることができる。言い換えれば、第二領域の表面の硬度を高めずに、第一領域の硬度のみを高めることができる。そのため、固形物が高速で衝突し易い第一領域の耐摩耗性を向上させつつ、第二領域の表面における疲労強度の低下を抑制することができる。

この発明の第七態様によれば、インペラの製造方法は、第六態様において、前記第一領域を残して前記第二領域のみをマスキング処理するマスキング工程を含むようにしてもよい。
このようにすることで、容易、且つ、安定的に、クロム拡散浸透処理を第一領域に施すことができる。また、第二領域へのクロムの拡散浸透を効果的に抑制することができる。

上記インペラによれば、固形物を含む腐食性の流体を取り扱う際の耐腐食性、および、耐摩耗性の両方を十分に確保しつつ、信頼性、および、製造性の低下を抑制することができる。

この発明の実施形態における圧縮機の概略構成図である。 この発明の実施形態におけるインペラの周方向断面図である。 この発明の実施形態におけるインペラの斜視図である。 この発明の実施形態におけるブレード表面の拡大断面図である。 縦軸を摩耗量、横軸をクロム（Ｃｒ）含有量としたグラフである。 縦軸をクロム（Ｃｒ）含有量、横軸をコーティング層の深さとしたグラフである。 この発明の実施形態におけるインペラの製造方法の処理フローである。 この発明の実施形態におけるブレード部の母材に、耐食層を形成した状態を示す拡大断面図である。 この発明の実施形態の変形例における図４に相当する拡大断面図である。 この発明の実施形態におけるインペラの製造方法の処理フローである。

次に、この発明の実施形態に係るインペラ、圧縮機、および、インペラの製造方法を図面に基づき説明する。
この実施形態における圧縮機１は、海底数百から数千ｍに存在する油ガス田の生産井から採取された油・ガス等の生産流体を圧送する。この圧縮機１は、例えば、海洋油ガス田開発方式の一つである海底生産システム（Ｓｕｂｓｅａ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）に使用されて海底に設けられたり、浮体式海洋石油貯蔵設備（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ、ＦＰＳＯ）に使用されて海上に設けられたりする。この圧縮機１が取り扱う流体には、硫黄等の金属を腐食させる腐食成分含まれるとともに、フィルタ（図示せず）により除去できなかった１０μｍ以下の固形物が数％含まれている。

図１は、この発明の実施形態における圧縮機の概略構成図である。
図１に示すように、圧縮機１は、ケーシング２と、回転軸３と、軸受部４と、インペラ５と、を備えている。圧縮機１は、いわゆる遠心圧縮機である。

ケーシング２は、その内部に回転軸３、軸受部４、インペラ（インペラ本体）５をそれぞれ収容している。このケーシング２は、インペラ５とともに、圧縮する流体が流れる流路Ｒ（図２参照）を形成する。

回転軸３は、軸受部４を介して軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。この回転軸３には、モータ等の回転動力源（図示せず）が連係される。つまり、回転動力源を駆動することで、回転軸３が回転可能となっている。

軸受部４は、ジャーナル軸受４１と、スラスト軸受４２と備えている。この実施形態の軸受部４は、２つのジャーナル軸受４１と、１つのスラスト軸受４２とをそれぞれ備えている。ジャーナル軸受４１は、回転軸３に対して軸線Ｏを基準とする径方向に作用する荷重を支持する。一方で、スラスト軸受４２は、回転軸３から径方向外側に突出するスラストカラー３ａを介して、回転軸３に対して軸線Ｏ方向に作用する荷重を支持する。

インペラ５は、回転軸３に固定され、回転軸３とともに高速回転する。これにより、インペラ５は、吸込み口（図示せず）からケーシング２の内部に流入した流体Ｇを圧縮して、吐出口（図示せず）から圧縮流体Ｇｃとして吐出する。この実施形態におけるインペラ５は、軸線Ｏ方向に複数設けられ、流体Ｇは、各インペラ５によって段階的に圧縮されて圧縮流体Ｇｃとなる。

図２は、この発明の実施形態におけるインペラの周方向断面図である。
図２に示すように、インペラ５は、ディスク部２０と、ブレード部２１と、を備えている。
ディスク部２０は、回転軸３に焼嵌め等により固定されている。このディスク部２０は、軸線Ｏ方向で流体Ｇがインペラ５に流入する流入側（図２中、左側）から軸線Ｏ方向で流入側とは反対側（図２中、右側）に向かって漸次拡径するように形成されている。このディスク部２０は、その軸線Ｏ方向の流入側に、凹状の曲面２２が形成されている。言い換えれば、この曲面２２は、軸線方向の流入側においては軸線Ｏと交差する方向を向き、軸線Ｏ方向で流入側とは反対側に向かうにつれて漸次軸線Ｏ方向を向くように湾曲して形成されている。

ブレード部２１は、上述したディスク部２０の曲面２２から突出するように形成されている。より具体的には、ブレード部２１は、軸線Ｏを基準にした径方向の内側から外側に向かって曲面２２に沿うように帯状に延びている。この実施形態におけるブレード部２１は、径方向内側から径方向外側に向かって、その幅寸法が徐々に小さくなるように形成されている。このように形成されたブレード部２１は、周方向に間隔をあけて複数形成されている。

図３は、この発明の実施形態におけるインペラの斜視図である。
図３に示すように、ブレード部２１は、周方向の一方に向かって湾曲して形成されている。ブレード部２１は、更に、軸線Ｏ方向の流入側ほど周方向の他方に配されるように傾斜して形成される。ブレード部２１は、更に、いわゆるリーディングエッジ（前縁部）２３から所定の位置に湾曲部２４を備えている。この湾曲部２４は、周方向の一方に向けて凸となるように湾曲している。ここで、ブレード部２１の形状は、上述した形状に限られない。例えば、ブレード部２１が湾曲して形成される一例について説明したが、湾曲せずに直線的に形成するようにしてもよい。

インペラ５は、上述した構成を備えることで、回転軸３と共に軸線Ｏ回りに回転する。この回転により、インペラ５は、軸線Ｏ方向の流入側から流入した流体Ｇを、径方向外側に送出する。

図４は、この発明の実施形態におけるブレード表面の拡大断面図である。
図４に示すように、インペラ５は、その母材９の表面にコーティング層１０を有している。母材９は、例えば、ステンレス鋼で形成される。コーティング層１０は、母材９の耐食性、および、耐摩耗性を担保する。このコーティング層１０は、耐食層１１と、耐摩耗層１２と、をそれぞれ備えている。

耐食層１１は、インペラ５の母材９の表面を覆うようにして層状に形成される。この耐食層１１は、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金、より具体的には、クロム濃度が２０ｗｔ％以上のニッケル基合金、又は、クロム濃度が２０ｗｔ％以上のコバルト基合金により形成される。耐食層１１は、例えば、ニッケル基合金、および、コバルト基合金の粉末を母材９の表面に溶射により吹き付けて形成することができる。

ニッケル基合金としては、例えば、Ｎｉ−２０Ｃｒ、Ｎｉ−５０Ｃｒ、ハステロイＸ（登録商標：Ｎｉ−２２Ｃｒ−１．５Ｃｏ−９Ｍｏ−０．６Ｗ−１８．５Ｆｅ）、および、インコネル６２５（登録商標：Ｎｉ−２１．５Ｃｒ−９Ｍｏ−３．６Ｎｂ−０．２Ａｌ−０．２Ｔｉ−２．５Ｆｅ）などを用いることができる。また、コバルト基合金としては、例えば、Ｈａｙｎｅｓ ａｌｌｏｙ １８８（登録商標：Ｃｏ−２２Ｃｒ−１４Ｗ−３Ｆｅ），ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ（Ｃｏ−３２Ｎｉ−２１Ｃｒ−８Ａｌ−０．５Ｙ）や，ＣｏＣｒＡｌＹ（Ｃｏ−２９Ｃｒ−６Ａｌ−０．８Ｙ）等を用いることができる。耐食層１１の厚さは、例えば、２０μｍ〜１ｍｍ程度とされる。上述した溶射の方法としては、例えば、低圧プラズマ溶射、大気圧中におけるプラズマ溶射、および、超高速溶射等、種々の溶射方法を採用できる。

耐摩耗層１２は、耐食層１１の表面にクロム拡散浸透処理を施すことで形成される。このクロム拡散浸透処理は、耐食性に優れるクロムを拡散浸透させる処理である。このように耐食層１１の表面にクロム拡散浸透処理を施すことで、耐食層１１よりも十分にクロム濃度の高い硬い層がコーティング層１０の表面に形成される。クロム拡散浸透処理により形成される耐摩耗層１２は、表面から遠いほど、言い換えれば母材９に近いほどクロムの含有量が減少する。この実施形態における表面のクロム濃度は、ほぼ１００％となっており、表面における硬度はＨＶ８００程度以上となる。例えば、クロム濃度が５０ｗｔ％よりも高い場合、過度に硬くなり延性が失われ、疲労強度が低下する。そのため、耐摩耗層１２は、固形物の衝突によりヒビや割れ等が生じる場合がある。一方で、クロム濃度が５０ｗｔ％以下の場合（例えば、２０ｗｔ％の場合）には、硬度はＨＶ３００程度となり、延性があり疲労強度が十分に確保されるため、耐摩耗層１２のようなヒビや割れ等はまず生じない。

ここで、クロム拡散浸透処理の一例としては、被浸透処理物を、例えば、クロム粉末、酸化アルミニウム粉末、および、塩化アンモニウム粉末を含有する調合剤と共に鋼製の炉内に収容し密閉する。その後、例えば、水素ガスやアルゴンガスを通しながら、炉内にて９００℃〜１１００℃で１０時間程度加熱する。すると以下の反応式で示される反応が起こる。

ＮＨ_４Ｃｌ⇔ＮＨ_３＋ＨＣｌ（２ＮＨ_３⇔Ｎ_２＋３Ｈ_２）
Ｃｒ＋２ＨＣｌ⇔ＣｒＣｌ_２＋Ｈ_２
ＣｒＣｌ_２＋Ｈ_２⇔Ｃｒ＋２ＨＣｌ（還元反応）
ＣｒＣｌ_２＋Ｍｅ⇔Ｃｒ＋ＭｅＣｌ_２（置換反応）
ここで、「Ｍｅ」は、処理金属である。

すなわち、クロム（Ｃｒ）は、塩酸（ＨＣｌ）と反応し、塩化クロム（ＣｒＣｌ_２；蒸気）となる。この塩化クロムは、処理金属の表面で水素（Ｈ_２）によって還元されてクロム（Ｃｒ）が析出する。この析出したクロム（Ｃｒ）は、拡散反応、又は、置換反応によって処理金属表面に拡散浸透する。これにより、５〜１００μｍ程度の耐摩耗層１２を形成することができる。ここで、クロム拡散浸透処理は、クロムを処理金属に対して拡散浸透できればよく、上述した拡散浸透処理の方法に限られるものではない。

図５は、縦軸を摩耗量、横軸をクロム（Ｃｒ）含有量としたグラフである。
図５に示すように、クロム含有量が多いほど（言い換えれば、クロム濃度が高いほど）処理金属の摩耗量を低減できる。処理金属の摩耗量は、クロム含有量の増加に対して二次関数的に減少する。

つまり、上述したようにコーティング層１０は、クロム拡散浸透処理によってクロムの濃度が母材９から離れるほど高くすることができ、コーティング層１０の表面の耐摩耗性を最も高くすることができる。このクロム拡散浸透処理を行ったコーティング層１０は、母材９に近づくにつれてクロム濃度が低くなる。そのため、母材９に近づくほど緻密に形成され、ピンホール等も形成されず、母材９の近傍では十分な耐食性が確保される。

図２、図５に示すように、上述したコーティング層１０は、少なくともブレード部２１のリーディングエッジ（前縁部）２３を含む第一領域３０の表面のクロム濃度が、第一領域３０以外の第二領域３１の表面のクロム濃度よりも高くなるように形成されている。図２において、ブレード部２１の破線よりも左側が第一領域３０、右側が第二領域３１である。

ここで、リーディングエッジ２３は、圧縮機１に流入した流体Ｇが、最も高速で衝突する部位である。リーディングエッジ２３よりも下流においては、流体Ｇがブレード部２１の外周側に旋回するため、流体Ｇの衝突速度は大きく低下する。つまり、第一領域３０は、ブレード部２１の表面のうち、最も摩耗し易い領域を含むように設定されている。しかし、第一領域３０は、クロム濃度が高いことで、その硬度が相対的に高く（例えば、ＨＶ１０００程度に）なるため、その領域が広過ぎると製造時等における取り扱いが難しくなる。第一領域３０の硬度が高いことで、延性が低下して疲労強度が低下する可能性がある。

そこで、インペラ５では、第一領域３０の表面のクロム濃度のみを高く（例えば、１００％近くに）している。例えば、第一領域３０は、ブレード部２１の表面のうち、軸線Ｏ方向でリーディングエッジ２３から、ブレード部２１の軸線Ｏ方向における長さ寸法（以下、単に軸方向寸法と称する）の５０％の領域とすることができる。このようにすることで、軸方向寸法の５０％よりも広い領域に第一領域３０を設定する場合と比較して、リーディングエッジ２３および、その近傍における摩耗を抑制しつつ、製造時の割れ等を抑制して取り扱いを容易にし、更に疲労強度の低下を抑制することができる。

第一領域３０は、リーディングエッジ２３から軸方向寸法の２５％の領域としても良い。このようにすることで、リーディングエッジ２３および、その近傍における摩耗を抑制しつつ、第一領域３０のリーディングエッジ２３からの軸方向寸法が５０％の場合よりも更に疲労強度の更なる低下を図り、製造時の取り扱い性を向上することができる。

第一領域３０は、更に、リーディングエッジ２３から軸方向寸法の１０％の領域としても良い。この場合、特にリーディングエッジ２３における摩耗を抑制しつつ、第一領域３０のリーディングエッジ２３からの軸方向寸法が５０％や２５％の場合と比較して、疲労強度の更なる低下を図り、最も製造時の取り扱い性を向上することができる。ここで、第一領域３０が、リーディングエッジ２３から軸方向寸法の１０％の領域よりも狭い場合、リーディングエッジ２３に対して耐摩耗層１２を正確に施工するために熟練を要し、作業者にかかる負担が増加してしまう可能性がある。

第一領域３０は、上述した５０％、２５％、および、１０％という領域にも限られない。例えば、図３に示すように、ブレード部２１に湾曲部２４が形成されている場合には、軸線Ｏ方向でブレード部２１のリーディングエッジ２３から湾曲部２４の頂点Ｔまでの領域を、第一領域３０としても良い。このようにすることで、特に微粒子等の衝突による摩耗が顕著となるリーディングエッジ２３から湾曲部２４の頂点までの領域を耐摩耗層１２により効率よく保護できる。

図６は、縦軸をクロム（Ｃｒ）含有量、横軸をコーティング層の深さとしたグラフである。この図６においては、この実施形態における第一領域３０のクロム含有量（言い換えれば、クロム濃度）を実線、第二領域３１のクロム含有量（言い換えれば、クロム濃度）を破線で示している。
図６に示すように、母材９の表面に形成される耐食層１１は、第一領域３０と第二領域３１とでクロム濃度が異なる。より具体的には、耐食層１１は、第一領域３０におけるクロム濃度の方が、第二領域３１のクロム濃度よりも高くなっている。ここで、この実施形態の耐食層１１のクロム濃度は、第一領域３０、第二領域３１ともに、２０ｗｔ％から５０ｗｔ％の範囲内とされ、この範囲内で第一領域３０と第二領域３１との各クロム濃度に差がつけられている。

この実施形態におけるコーティング層１０は、上述したクロム濃度の異なる耐食層１１の第一領域３０と第二領域３１との両方に対して、同一のクロム拡散浸透処理を施すことで耐摩耗層１２が形成されている。このクロム拡散浸透処理によれば、第一領域３０および第二領域３１の両方の耐食層１１の表面に均等にクロムが拡散浸透する。これにより、第一領域３０と第二領域３１との両方の表面に耐食層１１よりもクロム濃度の高い耐摩耗層１２が形成される。

この際、第一領域３０および第二領域３１の両方の耐食層１１の表面に均等にクロムが拡散浸透するため、第一領域３０の耐摩耗層１２の表面の方が、第二領域３１の耐摩耗層１２の表面よりもクロム濃度が高くなり耐摩耗性が高くなる。第一領域３０および第二領域３１の各耐摩耗層１２のクロム濃度は、コーティング層１０の表面から拡散浸透到達限界に向かって徐々に低下する。拡散浸透到達限界とは、クロム拡散浸透処理によりクロムがコーティング層１０の表面から到達可能な深さの限界である。

次に、この実施形態におけるインペラ５の製造方法について図面を参照しながら説明する。
図７は、この発明の実施形態におけるインペラの製造方法の処理フローである。図８は、この発明の実施形態におけるブレード部の母材に、耐食層を形成した状態を示す拡大断面図である。

図７に示すように、まず、ブレード部２１の母材９の表面に、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金の粉末を、低圧プラズマ溶射等により吹き付ける（ステップＳ０１；耐食層形成工程）。より具体的には、母材９の第一領域３０にクロムを含有するニッケル基合金の粉末、又は、クロムを含有するコバルト基合金の粉末を、低圧プラズマ溶射等により吹き付ける。同様に、母材９の第二領域３１にクロムを含有するニッケル基合金の粉末、又は、クロムを含有するコバルト基合金の粉末を、低圧プラズマ溶射等により吹き付ける。この際、第一領域３０のクロム濃度が、第二領域３１のクロム濃度よりも高くなるようにする。

この実施形態の一例では、第一領域３０に吹き付けるニッケル基合金、又は、コバルト基合金の粉末は、クロムを５０ｗｔ％含有する。一方で、第二領域３１に吹き付けるニッケル基合金、又は、コバルト基合金の粉末は、クロムを２０ｗｔ％含有する。このようにすることで、図８に示すように、第一領域３０、第二領域３１共に、母材９の表面に２０μｍから１ｍｍ程度のクロムを含有するニッケル基合金、又は、クロムを含有するコバルト基合金からなる耐食層１１が形成される。

次いで、第一領域３０の耐食層１１、および、第二領域３１の耐食層１１に対して上述したクロム拡散浸透処理を実施する（ステップＳ０２；耐摩耗層形成工程）。これにより、図４に示すように、耐食層１１の表面全体に、所定厚さでクロムの濃度が耐食層１１よりも相対的に高い耐摩耗層１２が形成される。

ここで、この実施形態の一例では、第一領域３０、および、第二領域３１の両方においてクロム濃度が５０ｗｔ％程度上昇する。このクロム拡散浸透処理を行う際に、容器内で９００℃〜１１００℃程度に加熱しながら処理を行うことで、酸化を伴わない環境下で耐食層１１と母材９との間で原子の拡散が起こるため、耐食層１１と母材９との密着力を高めることができる。そのため、耐食層１１が母材９から剥離し難くなり耐食層１１の信頼性が向上するという副次的な効果も生じる。

ここで、クロム拡散浸透処理を行う前の下処理として、耐食層１１の表面を研磨するようにしても良い。このようにすることで、耐食層１１の表面の凹凸を均したり、酸化膜を除去したりすることができる。そのため、耐食層１１に対してクロムをより安定的に、且つ、均一な厚さで拡散浸透させることができる。更に、クロム拡散処理は、金属クロムを析出させるプロセスであり、溶射皮膜に元々存在していたピンホールを封孔でき、耐食性の一層の向上効果を発揮する。

したがって、上述した実施形態によれば、インペラ５の母材９上にニッケル基合金、又は、コバルト基合金からなる耐食層１１が形成されるため、母材９を、硫黄分などによる腐食から守ることができる。さらに、インペラ５のうち、流速が高く、粒子の衝突による摩耗が生じやすいブレード部２１のリーディングエッジ２３を含む第一領域３０の表面の硬度を、第二領域３１の表面の硬度よりも相対的に高めることができる。その結果、固形物を含む腐食性の流体を取り扱う際の耐腐食性、および、耐摩耗性の両方を十分に確保できる。また、インペラ５の全体に硬質な表面処理を施すことによる疲労強度の低下を抑制できるため、信頼性、および、製造性の低下を抑制することができる。

さらに、上述した実施形態では、第一領域３０の耐食層１１が、第二領域３１の耐食層１１よりもクロム濃度が高くなるように形成され、更にクロム拡散浸透処理により第一領域３０、および、第二領域３１の両方に耐摩耗層１２が形成されている。そのため、第一領域３０と第二領域３１との両方に耐摩耗層１２を形成しつつ、第一領域３０の表面のクロム濃度を、第二領域３１の表面のクロム濃度よりも高めることができる。そのため、第一領域３０の表面の硬度を、第二領域３１の表面の硬度よりも相対的に高くすることができる。

（実施形態の変形例）
次に、この発明の実施形態の変形例を図面に基づき説明する。この変形例は、上述した実施形態とコーティング層１０の構造が異なる。そのため、この変形例の説明においては、上述した実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。
図９は、この発明の実施形態の変形例における図４に相当する拡大断面図である。
図９に示すように、インペラ５は、その母材９の表面にコーティング層１０を有している。このコーティング層１０は、耐食層１１と、耐摩耗層１２と、をそれぞれ備えている。

耐食層１１は、インペラ５の母材９の表面を覆うようにして層状に形成される。この耐食層１１は、上述した実施形態と同様に、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金、より具体的には、クロム濃度が２０ｗｔ％以上のニッケル基合金、又は、クロム濃度が２０ｗｔ％以上のコバルト基合金により形成される。この耐食層１１のクロム濃度は、例えば、２０ｗｔ％から５０ｗｔ％の範囲内とされている。

耐摩耗層１２は、耐食層１１の表面のうち、リーディングエッジ２３を含む第一領域３０にクロム拡散浸透処理を施すことで形成される。一方で、耐摩耗層１２は、第一領域３０以外の第二領域３１には形成されない。つまり、コーティング層１０の表面のうち、第一領域３０の表面には、耐食層１１よりも十分にクロム濃度の高い硬い層が形成される。

次に、この変形例におけるインペラ５の製造方法について図面を参照しながら説明する。図１０は、この発明の実施形態におけるインペラの製造方法の処理フローである。
図１０に示すように、まず、ブレード部２１の母材９の表面に、ニッケル基合金の粉末、又は、コバルト基合金の粉末を、低圧プラズマ溶射等により吹き付ける（ステップＳ０１；耐食層形成工程）。より具体的には、母材９の第一領域３０、および、第二領域３１の両方に、クロムを含有するニッケル基合金の粉末、又は、クロムを含有するコバルト基合金の粉末を、低圧プラズマ溶射等により吹き付ける。この際、第一領域３０に吹き付けるニッケル基合金、又は、コバルト基合金と、第二領域３１に吹き付けるニッケル基合金、又は、コバルト基合金とは、同一とされる。つまり、母材９の表面には、クロム濃度が一定の耐食層１１が一様に形成される。この変形例では、第一領域３０、および、第二領域３１に吹き付けるニッケル基合金の粉末、又は、コバルト基合金の粉末は、例えば、クロムをそれぞれ２０ｗｔ％含有する。

次いで、第二領域３１の表面をマスキング処理する（ステップＳ１１；マスキング工程）。このマスキング処理は、第二領域３１に対してクロム拡散浸透処理による塩化クロムガスの浸透を阻害できればよい。ここで、マスキング処理としては、メタルマスキングを例示できる。さらに、このメタルマスキングとしては、第一領域３０だけを露出させて、第二領域３１を金属ボックス（図示せず）により覆う方法が例示できる。また、マスキングの方法としては、粉末状又はスラリー状のマスキング材（例えば、ＡＰＶ社製等）を第二領域３１に付着させて覆う方法も例示できる。粉末状のマスキング材を用いる場合には、バインダーを加えることでマスキング材を第二領域３１の表面に付着させることができる。

その後、第一領域３０の耐食層１１に対して上述したクロム拡散浸透処理を実施する（ステップＳ０２；耐摩耗層形成工程）。ここで、第二領域３１の耐食層１１には、マスキング処理が施されているため、第一領域３０のみにクロム拡散浸透処理が施される。これにより、図９に示すように、耐食層１１の表面のうち、第一領域３０の表面に所定厚さでクロムの濃度が高い耐摩耗層１２が形成される。ここで、この変形例では、第一領域３０の耐摩耗層１２の表面は、クロム濃度が１００ｗｔ％程度まで上昇し、第二領域３１の耐食層１１の表面は、クロム濃度が２０ｗｔ％程度となる。

したがって、上述した実施形態の変形例によれば、第一領域３０および第二領域３１ともに同じニッケル基合金、又は、コバルト基合金を母材９上に積層すればよいため、耐食層１１を容易に形成できる。さらに、第一領域３０の表面にのみクロム拡散浸透処理を施すので、第一領域３０のクロム濃度と、第二領域３１の表面のクロム濃度との差をより大きくすることができる。言い換えれば、第二領域３１の表面の硬度を高めずに、第一領域３０の表面の硬度のみを高めることができる。そのため、固形物が高速で衝突し易い第一領域３０の耐摩耗性を向上させつつ、第二領域３１の表面における疲労強度の低下を十分に抑制することができる。

さらに、第一領域３０を残して第二領域３１のみをマスキング処理することで、容易、且つ、安定的に、クロム拡散浸透処理を第一領域３０の耐食層１１の表面に施すことができる。また、第二領域３１へのクロムの拡散浸透を効果的に抑制することができる。

この実施形態の変形例では、上述した実施形態と同様に、クロム拡散浸透処理を行う際に、酸化を伴わない環境下で耐食層１１と母材９との間で原子の拡散が起こるため、耐食層１１と母材９との密着力を高めることができる。
クロム拡散浸透処理を行う前の下処理として、耐食層１１の表面を研磨するようにしても良い。

この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。

例えば、上述した実施形態における圧縮機１は、海底生産システム、浮体式海洋石油貯蔵設備に使用される場合を例示した。しかし、この発明は、これら海底生産システム、浮体式海洋石油貯蔵設備で用いられる圧縮機に限られない。

さらに、上述した実施形態においては、インペラ５が３つ並んで設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、インペラ５を２つ以下備える圧縮機や４つ以上備える圧縮機にも適用できる。

さらに、上述した実施形態の変形例においては、マスキング処理を行った後にクロム拡散浸透処理を行う場合について説明した。しかし、第二領域３１の表面に対して第一領域３０の表面におけるクロム濃度が相対的に高くなれば良く、例えば、マスキング処理を省略した状態で、第一領域３０を重点的にクロム拡散浸透処理するようにしても良い。

上述した実施形態の圧縮機１は、いわゆるオープン型のインペラ５を備える場合について説明した。しかし、インペラ５は、オープン型に限られない。例えば、カバー部材を備えるクローズ型のインペラであっても良い。

１ 圧縮機
２ ケーシング
３ 回転軸
４ 軸受部
５ インペラ（インペラ本体）
９ 母材
１０ コーティング層
１１ 耐食層
１２ 耐摩耗層
２０ ディスク部
２１ ブレード部
２２ 曲面
２３ リーディングエッジ（前縁部）
２４ 湾曲部
３０ 第一領域
３１ 第二領域
４１ ジャーナル軸受
４２ スラスト軸受
Ｇ 流体
Ｇｃ 圧縮流体

Claims (7)

1. ブレードの母材上に、耐食性を有するニッケル基合金、又は、コバルト基合金からなる耐食層と、前記耐食層の少なくとも一部に対してクロム拡散浸透処理を施すことによって形成される耐摩耗層と、を有するコーティング層と、を備え、
   前記コーティング層は、
   少なくとも前記ブレードの前縁部を含む第一領域に前記耐摩耗層を備え、
   前記第一領域の表面のクロム濃度が、前記第一領域以外の第二領域の表面のクロム濃度よりも高くなるように形成されているインペラ。
2. 前記第一領域の前記耐食層は、前記第二領域の前記耐食層よりもクロム濃度が高くなるように形成され、
   前記第一領域、および、第二領域の両方に前記クロム拡散浸透処理による前記耐摩耗層が形成されている請求項１に記載のインペラ。
3. 前記第一領域にのみ前記耐摩耗層を備える請求項１に記載のインペラ。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載のインペラを備える圧縮機。
5. ブレードの前縁部を含む第一領域、および、前記第一領域以外の第二領域に、前記第一領域のクロム濃度が第二領域のクロム濃度よりも高くなるように、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金を積層する耐食層形成工程と、
   前記第一領域、および、前記第二領域の両方にクロム拡散浸透処理を施す耐摩耗層形成工程と、を含むインペラの製造方法。
6. ブレードの母材上に、ニッケル基合金、又は、コバルト基合金を積層する耐食層形成工程と、
   前記ブレードの前縁部を含む第一領域と、前記第一領域以外の第二領域とのうち、前記第一領域にのみクロム拡散浸透処理を施す耐摩耗層形成工程と、を含むインペラの製造方法。
7. 前記第一領域を残して前記第二領域のみをマスキング処理するマスキング工程を含む請求項６に記載のインペラの製造方法。

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