JP2016200028A - タービン用部材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態のタービン用部材は、基材2の表面の少なくとも一部に、酸化アルミニウムからなる第一連続相4と酸化ケイ素からなる第二連続相5とが互いに絡み合う構造を有するコーティング皮膜3が形成されているタービン用部材1である。
【選択図】図1
Description
上記タービン用部材の製造方法は、基材の表面の少なくとも一部にアルミニウム化合物とケイ素化合物とを含む溶液を塗布する工程(塗布工程ともいう)と、塗布した溶液を熱処理して皮膜(乾燥皮膜ともいう)を形成する工程(乾燥皮膜形成工程ともいう)とを有する製造方法によって製造される。
上記コーティング皮膜が形成されるタービン用部材1の一例として、蒸気タービンの構成部材やガスタービンの構成部材が例示される。特に、これらの構成部材の中でも、高温の作動流体に曝される構成部材の表面にコーティング皮膜を形成することが好適である。
体積基準のメディアン径D50が約20nmの擬ベーマイト粉末5質量%(酸化アルミニウム換算)、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(C9H20O5Si)1質量%(酸化ケイ素換算)、純水84質量%及びメタノール10質量%を混合して、混合溶液を調整した。この混合溶液をマグネットスターラ及びテフロン(登録商標)製回転子を用いて撹拌して、スラリー状のコーティング用の溶液を得た。このコーティング用の溶液を、タービン用部材の基材である40mm×40mm×3mmの板状の高クロム鋼基材の表面にディッピングにより塗布し、塗布した試験体を35℃で約1時間熱処理して、乾燥皮膜を形成した。その後、乾燥皮膜を大気中400℃で15分間加熱処理して、膜厚約0.5μmであるコーティング皮膜を形成した。こうして、タービン用部材を製造した。
実施例1において、形成されるコーティング皮膜全体に対して、それぞれ酸化ケイ素が10質量%および酸化アルミニウムが90質量%含まれるように、コーティング用の溶液を調整した以外は、実施例1と同じ方法でコーティング皮膜を形成し、実施例1と同じ方法で耐酸化試験、ビッカース硬度Hv測定および溶液の濡れ性の評価を行った。形成されたコーティング皮膜をTEMで観察した結果、コーティング皮膜は、大部分が非晶質の酸化アルミニウムからなる第一連続相と非晶質の酸化ケイ素からなる第二連続相とが互いに絡み合う構造を有するコーティング皮膜であった。耐酸化試験の結果、質量増の変化は認められなかった。表面粗さ(最大表面高さ:Ry)については、試験前の表面粗さは0.5μmであり、試験後の表面粗さは0.7μmであり、試験前と同様にRyが1.6μm以下であり、表面粗さ変化が認められなかった。第一連続相のビッカース硬度Hvは700であった。また、溶液の接触角は20度以下であった。
実施例1において、形成されるコーティング皮膜全体に対して、それぞれ酸化ケイ素が40質量%および酸化アルミニウムが60質量%含まれるように、コーティング用の溶液を調整した以外は、実施例1と同じ方法でコーティング皮膜を形成し、実施例1と同じ方法で耐酸化試験、ビッカース硬度Hv測定および溶液の濡れ性の評価を行った。形成されたコーティング皮膜をTEMで観察した結果、コーティング皮膜は、大部分が非晶質の酸化アルミニウムからなる第一連続相と非晶質の酸化ケイ素からなる第二連続相とが互いに絡み合う構造を有するコーティング皮膜であった。耐酸化試験の結果、質量増の変化は認められなかった。表面粗さ(最大表面高さ:Ry)については、試験前の表面粗さは1.3μmであり、試験後の表面粗さは1.0μmであり、試験前と同様にRyが1.6μm以下であり、表面粗さ変化が認められなかった。第一連続相のビッカース硬度Hvは400であった。また、溶液の接触角は20度以下であった。
実施例1において、コーティング皮膜の膜厚を0.01μmとした以外は、実施例1と同じ方法でコーティング皮膜を形成し、実施例1と同じ方法で耐酸化試験、ビッカース硬度Hv測定および溶液の濡れ性の評価を行った。形成されたコーティング皮膜をTEMで観察した結果、コーティング皮膜は、大部分が非晶質の酸化アルミニウムからなる第一連続相と非晶質の酸化ケイ素からなる第二連続相とが互いに絡み合う構造を有するコーティング皮膜であった。耐酸化試験の結果、質量増の変化は認められなかった。表面粗さ(最大表面高さ:Ry)については、試験前の表面粗さは0.8μmであり、試験後の表面粗さは1.5μmであり、試験前と同様にRyが1.6μm以下であり、表面粗さ変化が認められなかった。第一連続相のビッカース硬度Hvは600であった。また、溶液の接触角は20度以下であった。
実施例1において、コーティング皮膜の膜厚を10μmとした以外は、実施例1と同じ方法でコーティング皮膜を形成し、実施例1と同じ方法で耐酸化試験、ビッカース硬度Hv測定および溶液の濡れ性の評価を行った。形成されたコーティング皮膜をTEMで観察した結果、コーティング皮膜は、大部分が非晶質の酸化アルミニウムからなる第一連続相と非晶質の酸化ケイ素からなる第二連続相とが互いに絡み合う構造を有するコーティング皮膜であった。耐酸化試験の結果、質量増の変化は認められなかった。表面粗さ(最大表面高さ:Ry)については、試験前の表面粗さは0.8μmであり、試験後の表面粗さは0.5μmであり、試験前と同様にRyが1.6μm以下であり、表面粗さ変化が認められなかった。第一連続相のビッカース硬度Hvは600であった。また、溶液の接触角は20度以下であった。
実施例1において、コーティング皮膜を形成するための熱処理温度を150℃とした以外は、実施例1と同じ方法でコーティング皮膜を形成し、実施例1と同じ方法で耐酸化試験、ビッカース硬度Hv測定および溶液の濡れ性の評価を行った。形成されたコーティング皮膜をTEMで観察した結果、コーティング皮膜は、大部分が非晶質の酸化アルミニウムからなる第一連続相と非晶質の酸化ケイ素からなる第二連続相とが互いに絡み合う構造を有するコーティング皮膜であった。耐酸化試験の結果、質量増の変化は認められなかった。表面粗さ(最大表面高さ:Ry)については、試験前の表面粗さは0.8μmであり、試験後の表面粗さは1.0μmであり、試験前と同様にRyが1.6μm以下であり、表面粗さ変化が認められなかった。第一連続相のビッカース硬度Hvは700であった。また、溶液の接触角は20度以下であった。
実施例1において、形成されるコーティング皮膜全体に対して、それぞれ酸化ケイ素が5質量%および酸化アルミニウムが95質量%含まれるように、コーティング用の溶液を調整した以外は、実施例1と同じ方法でコーティング皮膜を形成し、実施例1と同じ方法で耐酸化試験、ビッカース硬度Hv測定を行った。形成されたコーティング皮膜をTEMで観察した結果、コーティング皮膜は、大部分が非晶質の酸化アルミニウムからなる第一連続相と非晶質の酸化ケイ素からなる第二連続相とが互いに絡み合う構造を有するコーティング皮膜であった。耐酸化試験の結果、約0.5%の質量増が認められた。表面粗さ(最大表面高さ:Ry)については、試験前の表面粗さは0.8μmであり、試験後の表面粗さは3μmであり、試験前には1.6μm以下であったRyが、試験後には増加していた。第一連続相のビッカース硬度Hvは700であった。
実施例1において、形成されるコーティング皮膜全体に対して、それぞれ酸化ケイ素が50質量%および酸化アルミニウムが50質量%含まれるように、コーティング用の溶液を調整した以外は、実施例1と同じ方法でコーティング皮膜を形成した。形成されたコーティング皮膜をTEMで観察した結果、コーティング皮膜は、大部分が非晶質の酸化アルミニウムからなる第一連続相と非晶質の酸化ケイ素からなる第二連続相とが互いに絡み合う構造を有するコーティング皮膜であった。そして、コーティング皮膜の剥離が生じ、正常なコーティング皮膜の形成ができず、耐酸化試験、ビッカース硬度Hv測定および溶液の濡れ性の評価を実施できなかった。
実施例1において、コーティング皮膜の膜厚を0.007μmとした以外は、実施例1と同じ方法でコーティング皮膜を形成し、実施例1と同じ方法で耐酸化試験、ビッカース硬度Hv測定を行った。形成されたコーティング皮膜をTEMで観察した結果、コーティング皮膜は、大部分が非晶質の酸化アルミニウムからなる第一連続相と非晶質の酸化ケイ素からなる第二連続相とが互いに絡み合う構造を有するコーティング皮膜であった。耐酸化試験の結果、約1%の質量増が認められた。表面粗さ(最大表面高さ:Ry)については、試験前の表面粗さは0.9μmであり、試験後の表面粗さは5μmであり、試験前には1.6μm以下であったRyが、試験後には約5μmに増加していた。第一連続相のビッカース硬度Hvについては、膜厚が薄すぎたため測定できなかった。
実施例1において、コーティング皮膜の膜厚を12μmとした以外は、実施例1と同じ方法でコーティング皮膜を形成した。形成されたコーティング皮膜をTEMで観察した結果、コーティング皮膜、大部分が非晶質の酸化アルミニウムからなる第一連続相と非晶質の酸化ケイ素からなる第二連続相とが互いに絡み合う構造を有するコーティング皮膜であった。そして、コーティング皮膜の剥離が発生し、耐酸化試験、ビッカース硬度Hv測定を実施できなかった。
実施例1において、コーティング皮膜を形成しない以外は実施例1と同じ方法でタービン用部材を製造した。すなわち、比較例5において、タービン用部材は40mm×40mm×3mmの板状の高クロム鋼基材である。実施例1と同じ方法で耐酸化試験、ビッカース硬度Hv測定を行った。その結果、約1.2%の質量増が認められた。表面粗さ(最大表面高さ:Ry)についても、試験前には1.6μm以下であったRyが、試験後には5μmに増加していた。
Claims (14)
- 基材の表面の少なくとも一部に、酸化アルミニウムからなる第一連続相と酸化ケイ素からなる第二連続相とが互いに絡み合う構造を有するコーティング皮膜が形成されていることを特徴とするタービン用部材。
- 前記酸化アルミニウムは非晶質であることを特徴とする請求項1記載のタービン用部材。
- 前記酸化ケイ素は非晶質であることを特徴とする請求項1又は2記載のタービン用部材。
- 前記酸化アルミニウムは、前記コーティング皮膜全体に対して、50質量%超95質量%未満含まれていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のタービン用部材。
- 前記酸化ケイ素は、前記コーティング皮膜全体に対して、5質量%超50質量%未満含まれていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載のタービン用部材。
- 前記第一連続相は、ビッカース硬度Hvが800未満であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載のタービン用部材。
- 前記コーティング皮膜は、膜厚が0.007μm超12μm未満であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載のタービン用部材。
- 基材の表面の少なくとも一部にアルミニウム化合物とケイ素化合物とを含む溶液を塗布する工程と、
塗布した前記溶液を熱処理して皮膜を形成する工程と
を有することを特徴とするタービン用部材の製造方法。 - 前記アルミニウム化合物はアルミナ水和物であることを特徴とする請求項8記載のタービン用部材の製造方法。
- 前記ケイ素化合物はオルガノシランであることを特徴とする請求項8又は9記載のタービン用部材の製造方法。
- 前記皮膜を形成する際の温度が、35℃以上150℃以下であることを特徴とする請求項8乃至10のいずれか1項記載のタービン用部材の製造方法。
- 前記アルミニウム化合物は、メディアン径D50で5nm以上30nm以下であることを特徴とする請求項8乃至11のいずれか1項記載のタービン用部材の製造方法。
- 前記塗布した前記溶液を熱処理して皮膜を形成する工程の後、前記皮膜を熱処理して、酸化アルミニウムからなる第一連続相と酸化ケイ素からなる第二連続相とが互いに絡み合う構造を有するコーティング皮膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項記載のタービン用部材の製造方法。
- 前記コーティング皮膜を形成する際の熱処理温度が、前記皮膜を形成する際の温度以上で、かつ、800℃以下であることを特徴とする請求項13記載のタービン用部材の製造方法。
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