JP2019157202A - セラミックコーティングの補修方法、セラミックコーティング、タービン部材及びガスタービン - Google Patents
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Abstract
【課題】セラミックコーティングの耐久性を向上させる。【解決手段】一実施形態に係るセラミックコーティングの補修方法は、第1セラミック層が形成されたセラミックコーティングの被補修箇所にセラミックスの溶射粒子を溶射して第2セラミック層を形成する工程と、前記第1セラミック層と前記第2セラミック層との界面のうち、前記セラミックコーティングの表面側の部位を加熱して該部位を溶融させる工程と、を有する。【選択図】図7
Description
本開示は、セラミックコーティングの補修方法、セラミックコーティング、タービン部材及びガスタービンに関する。
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。
このように、基材を保護するために基材上にセラミックコーティングを形成することがある。
このように、基材を保護するために基材上にセラミックコーティングを形成することがある。
このようなセラミックコーティングが部分的に損傷した場合、セラミックコーティングの全体を基材から剥離させて新たにセラミックコーティングを形成すると、補修に要する時間やコストが大きく掛かることになるため、部分的に補修を行うこととなる。
例えば特許文献1には、TBCの損傷部位にセラミックス粒子を溶射することで損傷部位を部分的に補修する方法が記載されている。
例えば特許文献1には、TBCの損傷部位にセラミックス粒子を溶射することで損傷部位を部分的に補修する方法が記載されている。
特許文献1に記載されたセラミックコーティングの部分的な補修方法では、TBCの損傷部位にセラミックス粒子を溶射することで形成した補修部(補修被膜)にレーザを照射することで補修被膜内に急激な温度差を生じさせて縦割れを形成するようにしている。このように、特許文献1に記載されたセラミックコーティングの部分的な補修方法では、補修被膜内に縦割れを形成することで、補修被膜の熱サイクル耐久性を向上させて、補修被膜の耐剥離性の向上を図っている。しかし、特許文献1に記載の方法では、補修被膜の周囲の健全なセラミック層と補修被膜との界面における密着性が不十分となるおそれがある。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、セラミックコーティングの耐久性を向上することを目的とする。
(1)本発明の少なくとも一実施形態に係るセラミックコーティングの補修方法は、
第1セラミック層が形成されたセラミックコーティングの被補修箇所にセラミックスの溶射粒子を溶射して第2セラミック層を形成する工程と、
前記第1セラミック層と前記第2セラミック層との界面のうち、前記セラミックコーティングの表面側の部位を加熱して該部位を溶融させる工程と、
を有する。
第1セラミック層が形成されたセラミックコーティングの被補修箇所にセラミックスの溶射粒子を溶射して第2セラミック層を形成する工程と、
前記第1セラミック層と前記第2セラミック層との界面のうち、前記セラミックコーティングの表面側の部位を加熱して該部位を溶融させる工程と、
を有する。
発明者らが鋭意検討した結果、上記界面のうち、セラミックコーティングの表面側の部位を加熱して該部位を溶融させることで、第2セラミック層の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第1セラミック層と同等に保ちつつ、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性を向上できることを見出した。
したがって、上記(1)の方法によれば、第2セラミック層の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第1セラミック層と同等に保ちつつ、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性を向上できるので、セラミックコーティングの補修部の耐久性が向上し、セラミックコーティングの耐久性を向上できる。
したがって、上記(1)の方法によれば、第2セラミック層の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第1セラミック層と同等に保ちつつ、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性を向上できるので、セラミックコーティングの補修部の耐久性が向上し、セラミックコーティングの耐久性を向上できる。
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の方法において、前記溶融させる工程において、前記界面の前記部位に加えて、前記第2セラミック層の表層部を加熱溶融させる。
セラミックコーティングにおいて加熱溶融させた後に凝固した部分は、加熱溶融させていない部分と比べて硬度が高い。その点、上記(2)の方法によれば、加熱溶融させた後の第2セラミック層の表層部の硬度を加熱溶融させていない場合と比べて高くすることができるので、第2セラミック層の耐エロ―ジョン性を向上できる。したがって、被補修箇所がエロ―ジョンによって補修を要することとなっていた場合、上記(2)の方法によって、補修後のセラミックコーティングの耐久性を向上できる。
(3)幾つかの実施形態では、上記(1)又は(2)の方法において、前記第2セラミック層は、前記第1セラミック層よりも気孔率が大きい。
一般的に、セラミックコーティングにおいて、気孔率が高いほど熱伝導率は低くなる。したがって、上記(3)の方法によれば、第2セラミック層の熱伝導率を第1セラミック層の熱伝導率よりも低くすることができる。したがって、例えば補修に際して被補修箇所における遮熱性の向上が要求される場合には、上記(3)の方法によって遮熱性を向上できる。
(4)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(3)の方法において、前記第2セラミック層を形成する工程において、気孔率が10%以上30%以下の前記第2セラミック層を形成する。
例えば、溶射などによって第1セラミック層を形成した場合の第1セラミック層の気孔率の一般的な下限値が数%程度であるため、第2セラミック層の気孔率が10%以上となるように第2セラミック層を形成することで、第2セラミック層の熱伝導率が第1セラミック層の熱伝導率よりも低くなることが期待できる。したがって、例えば被補修箇所が被補修箇所以外の領域よりも温度環境が厳しいために遮熱性の向上が要求される場合には、上記(4)の方法によって、補修後の第2セラミック層の遮熱性が補修前と比べて向上することが期待できる。
一方、第2セラミック層の気孔率が大きくなると第1セラミック層との密着性が低下する傾向にあるので、第2セラミック層の気孔率が30%を超えると、第1セラミック層との密着性が不十分になるおそれがある。
その点、上記(4)の方法によれば、第1セラミック層との密着性を確保しつつ、第2セラミック層の遮熱性を確保できる。
一方、第2セラミック層の気孔率が大きくなると第1セラミック層との密着性が低下する傾向にあるので、第2セラミック層の気孔率が30%を超えると、第1セラミック層との密着性が不十分になるおそれがある。
その点、上記(4)の方法によれば、第1セラミック層との密着性を確保しつつ、第2セラミック層の遮熱性を確保できる。
(5)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(4)の何れかの方法において、前記溶融させる工程において、レーザ、電子ビーム、又はプラズマの何れかを照射することで、前記界面の前記部位を含む前記セラミックコーティングの表層領域を選択的に加熱して溶融させる。
上記(5)の方法によれば、溶融させるべき領域を選択的に加熱して溶融させることができ、他の領域の熱的損傷を抑制できる。
(6)本発明の少なくとも一実施形態に係るセラミックコーティングは、
第1セラミック層と、
前記第1セラミック層の面内方向で前記第1セラミック層に隣接する第2セラミック層と、
少なくとも、前記第1セラミック層と前記第2セラミック層との界面のうち、前記第1セラミック層の表面側の部位が溶融凝固した溶融凝固部と、を有する。
第1セラミック層と、
前記第1セラミック層の面内方向で前記第1セラミック層に隣接する第2セラミック層と、
少なくとも、前記第1セラミック層と前記第2セラミック層との界面のうち、前記第1セラミック層の表面側の部位が溶融凝固した溶融凝固部と、を有する。
発明者らが鋭意検討した結果、上記界面のうち、第1セラミック層の表面側の部位に溶融凝固部を形成することで、第2セラミック層の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第1セラミック層と同等に保ちつつ、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性を向上できることを見出した。
したがって、上記(6)の構成によれば、第2セラミック層の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第1セラミック層と同等に保ちつつ、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性を向上できるので、セラミックコーティングの耐久性を向上できる。
したがって、上記(6)の構成によれば、第2セラミック層の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第1セラミック層と同等に保ちつつ、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性を向上できるので、セラミックコーティングの耐久性を向上できる。
(7)幾つかの実施形態では、上記(6)の構成において、前記溶融凝固部の深さは、5マイクロメートル以上100マイクロメートル以下である。
溶融凝固部の深さが20マイクロメートル未満であると、溶融凝固部の形成時の深さのばらつきにより、局部的に深さが極端に浅くなって第1セラミック層と第2セラミック層との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。そのため、溶融凝固部の深さは20マイクロメートル以上であることが望ましい。また、溶融凝固部の深さが100μmを超えると、溶融凝固部の熱サイクル耐久性が低下するおそれがあるため、溶融凝固部の深さは100μm以下とすることが望ましい。
その点、上記(7)の構成によれば、溶融凝固部の深さが5マイクロメートル以上100マイクロメートル以下であるので、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性を確保しつつ、溶融凝固部の熱サイクル耐久性を確保できる。
その点、上記(7)の構成によれば、溶融凝固部の深さが5マイクロメートル以上100マイクロメートル以下であるので、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性を確保しつつ、溶融凝固部の熱サイクル耐久性を確保できる。
(8)幾つかの実施形態では、上記(6)又は(7)の構成において、前記溶融凝固部の幅は、1mm以上である。
溶融凝固部の幅が1mm未満であると、溶融凝固部の形成時に加熱溶融させる部位の位置のばらつきにより、上記界面の第1セラミック層の表面側の部位で加熱溶融されない場所が生じるおそれがある。特に、上記界面は、必ずしも第1セラミック層の表面に対して直交する方向に延在しているとは限らず、第1セラミック層の表面に対して斜め方向に延在している場合がある。そのため、溶融凝固部の幅が1mm未満であると、溶融凝固部の形成時に、界面のうち第1セラミック層の表面側のごく浅い部分を除いて加熱溶融される範囲から外れてしまい、界面を所望の深さまで加熱溶融できないおそれがある。
このように、溶融凝固部の幅が1mm未満であると、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。そのため、溶融凝固部の幅は1mm以上であることが望ましい。
その点、上記(8)の構成によれば、溶融凝固部の幅が1mm以上であるので、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性を確保できる。
このように、溶融凝固部の幅が1mm未満であると、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。そのため、溶融凝固部の幅は1mm以上であることが望ましい。
その点、上記(8)の構成によれば、溶融凝固部の幅が1mm以上であるので、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性を確保できる。
(9)幾つかの実施形態では、上記(6)又は(7)の構成において、前記溶融凝固部は、前記界面の前記部位に加えて、前記第2セラミック層の表層部が溶融凝固している。
溶融凝固部は、加熱溶融させていない部分と比べて硬度が高い。その点、上記(9)の構成によれば、第2セラミック層の表層部の硬度を該表層部を加熱溶融させていない場合と比べて高くすることができるので、第2セラミック層の耐エロ―ジョン性を向上できる。
(10)幾つかの実施形態では、上記(6)乃至(9)の何れかの構成において、前記第2セラミック層の気孔率は、10%以上30%以下である。
上述したように、第2セラミック層の気孔率を10%以上とすることで、第2セラミック層の熱伝導率が第1セラミック層の熱伝導率よりも低くなることが期待できる。したがって、上記(10)の構成によって、第2セラミック層の遮熱性が第1セラミック層の遮熱性よりも向上することが期待できる。
一方、上述したように、第2セラミック層の気孔率が30%を超えると、第1セラミック層との密着性が不十分になるおそれがある。
その点、上記(10)の構成によれば、第1セラミック層との密着性を確保しつつ、第2セラミック層の遮熱性を確保できる。
一方、上述したように、第2セラミック層の気孔率が30%を超えると、第1セラミック層との密着性が不十分になるおそれがある。
その点、上記(10)の構成によれば、第1セラミック層との密着性を確保しつつ、第2セラミック層の遮熱性を確保できる。
(11)本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン部材は、上記構成(6)乃至(10)の何れかのセラミックコーティングを有する。
上記(11)の構成によれば、第2セラミック層の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第1セラミック層と同等に保ちつつ、第1セラミック層と第2セラミック層との密着性を向上できるので、タービン部材の耐久性を向上できる。
(12)本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンは、上記構成(11)のタービン部材を有する。
上記(12)の構成によれば、ガスタービンにおけるタービン部材の耐久性を向上できる。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、セラミックコーティングの耐久性を向上できる。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
(セラミックコーティング)
図1は、実施形態に係るセラミックコーティングを備えるタービン部材の断面の模式図である。以下で説明する幾つかの実施形態では、セラミックコーティングの一例として、タービン部材の遮熱のための遮熱コーティングについて説明する。
幾つかの実施形態では、タービンの動翼、静翼などの耐熱基材(母材)11上に、遮熱コーティングとして金属結合層(ボンドコート層)12及びセラミック層13が順に形成される。即ち、図1に示すように、幾つかの実施形態では、セラミックコーティング10は、遮熱コーティング(Thermal Barrier Coating : TBC)層であり、ボンドコート層12及びセラミック層13を含んでいる。
ボンドコート層12は、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)などで構成される。
図1は、実施形態に係るセラミックコーティングを備えるタービン部材の断面の模式図である。以下で説明する幾つかの実施形態では、セラミックコーティングの一例として、タービン部材の遮熱のための遮熱コーティングについて説明する。
幾つかの実施形態では、タービンの動翼、静翼などの耐熱基材(母材)11上に、遮熱コーティングとして金属結合層(ボンドコート層)12及びセラミック層13が順に形成される。即ち、図1に示すように、幾つかの実施形態では、セラミックコーティング10は、遮熱コーティング(Thermal Barrier Coating : TBC)層であり、ボンドコート層12及びセラミック層13を含んでいる。
ボンドコート層12は、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)などで構成される。
幾つかの実施形態におけるセラミック層13は、それぞれ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)、SmYbZr2O7、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)などの何れかで構成される。
幾つかの実施形態では、セラミック層13は、遮熱性を確保するため、気孔14を含むポーラスな組織とされる。なお、図1及び後述する各図における気孔14は、セラミック層13における気孔14を模式的に示すものであり、実際の気孔の大きさや形状、密集状態とは異なる。セラミック層13の気孔率及び厚さは、要求される熱伝導性に応じて適宜設定される。幾つかの実施形態では、セラミック層13の気孔率は、例えば3%以上20%以下とされる。
幾つかの実施形態では、セラミック層13は、遮熱性を確保するため、気孔14を含むポーラスな組織とされる。なお、図1及び後述する各図における気孔14は、セラミック層13における気孔14を模式的に示すものであり、実際の気孔の大きさや形状、密集状態とは異なる。セラミック層13の気孔率及び厚さは、要求される熱伝導性に応じて適宜設定される。幾つかの実施形態では、セラミック層13の気孔率は、例えば3%以上20%以下とされる。
幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10が形成された部材、すなわち例えばタービン部材等が使用されると、エロ―ジョンや飛来物の衝突等によってセラミック層13が部分的に損傷する場合がある。図2は、セラミック層13が部分的に損傷した状態を模式的に示す断面図である。
このようにセラミックコーティング10が部分的に損傷した場合、セラミックコーティング10の全体を母材11から剥離させて新たにセラミックコーティング10を形成すると、補修に要する時間やコストが大きく掛かることになるため、部分的に補修を行うこととなる。
このようにセラミックコーティング10が部分的に損傷した場合、セラミックコーティング10の全体を母材11から剥離させて新たにセラミックコーティング10を形成すると、補修に要する時間やコストが大きく掛かることになるため、部分的に補修を行うこととなる。
セラミックコーティング10の部分的な補修では、損傷を受けていないセラミックコーティング10の健全な部分と、補修によって新たに形成した部分との密着性を確保する必要がある。
そこで、以下で述べる幾つかの実施形態では、損傷を受けていないセラミックコーティング10の健全な部分と、補修によって新たに形成した部分との密着性を確保できるように、セラミックコーティングを補修する。
そこで、以下で述べる幾つかの実施形態では、損傷を受けていないセラミックコーティング10の健全な部分と、補修によって新たに形成した部分との密着性を確保できるように、セラミックコーティングを補修する。
図3は、幾つかの実施形態に係るセラミックコーティングの補修方法の手順を示すフローチャートである。
幾つかの実施形態に係るセラミックコーティングの補修方法は、前処理工程S10と、補修層形成工程S20と、余盛部除去工程S30と、加熱溶融工程S40と、仕上工程S50とを有する。
幾つかの実施形態に係るセラミックコーティングの補修方法は、前処理工程S10と、補修層形成工程S20と、余盛部除去工程S30と、加熱溶融工程S40と、仕上工程S50とを有する。
前処理工程S10は、セラミックコーティング10の損傷部位である被補修箇所15に対してブラスト処理等を行うことで、後で実施される補修層形成工程S20において補修層が形成される面の状態を整える工程である。図4は、前処理工程S10において、被補修箇所15の表面15aの状態を整えた後のセラミックコーティング10の断面を模式的に示す図である。
補修層形成工程S20は、セラミックコーティング10の被補修箇所15に補修層16を形成する工程である。幾つかの実施形態では、補修層形成工程S20において、セラミックコーティング10の被補修箇所15に、例えばセラミックスの溶射粒子を溶射して補修層16を形成する。
幾つかの実施形態では、補修層形成工程S20において、セラミックコーティング10の被補修箇所15に、セラミック層13と同じ材質のセラミックスの溶射粒子を溶射して補修層16を形成する。図5は、補修層形成工程S20で補修層16を形成した後のセラミックコーティング10の断面を模式的に示す図である。
なお、以下の説明では、セラミック層13を第1セラミック層13Aとも呼び、補修層16を第2セラミック層16Aとも呼ぶ。すなわち、補修層形成工程S20は、第1セラミック層13Aが形成されたセラミックコーティング10の被補修箇所15にセラミックスの溶射粒子を溶射して第2セラミック層16Aを形成する工程である。
幾つかの実施形態では、補修層形成工程S20において、セラミックコーティング10の被補修箇所15に、セラミック層13と同じ材質のセラミックスの溶射粒子を溶射して補修層16を形成する。図5は、補修層形成工程S20で補修層16を形成した後のセラミックコーティング10の断面を模式的に示す図である。
なお、以下の説明では、セラミック層13を第1セラミック層13Aとも呼び、補修層16を第2セラミック層16Aとも呼ぶ。すなわち、補修層形成工程S20は、第1セラミック層13Aが形成されたセラミックコーティング10の被補修箇所15にセラミックスの溶射粒子を溶射して第2セラミック層16Aを形成する工程である。
なお、セラミック層13が溶射によって形成されている場合、補修層16の形成時の溶射距離等の溶射条件をセラミック層13の形成時の溶射条件と同じとしてもよい。補修層16の形成時の溶射条件をセラミック層13の形成時の溶射条件と同じとし、セラミック層13の形成に用いた溶射粒子と同じ溶射粒子を用いて補修層16を形成することによって、気孔率や熱伝導率、耐エロ―ジョン性等をセラミック層13と補修層16とで同等とすることができる。
余盛部除去工程S30は、補修層形成工程S20で形成した補修層16の余盛部分17を除去する工程である。図6は、余盛部除去工程S30で補修層16の余盛部分17(図5参照)を除去した後のセラミックコーティング10の断面を模式的に示す図である。
加熱溶融工程S40は、セラミック層13と補修層16との界面18のうち、セラミックコーティング10の表面側の部位を加熱して該部位を溶融させる工程である。すなわち、加熱溶融工程S40は、第1セラミック層13Aと第2セラミック層16Aとの界面18のうち、セラミックコーティング10の表面側の部位を加熱して該部位を溶融させる工程である。
上述したように、セラミックコーティング10の部分的な補修では、セラミック層13と補修層16とのとの密着性を確保する必要がある。
発明者らが鋭意検討した結果、セラミック層13と補修層16との界面18のうち、セラミックコーティング10の表面側の部位を加熱して該部位を溶融させることで、補修層16の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性をセラミック層13と同等に保ちつつ、セラミック層13と補修層16との密着性を向上できることを見出した。
したがって、幾つかの実施形態によれば、補修層16の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性をセラミック層13と同等に保ちつつ、セラミック層13と補修層16との密着性を向上できるので、セラミックコーティング10の補修部の耐久性が向上し、セラミックコーティング10の耐久性を向上できる。
発明者らが鋭意検討した結果、セラミック層13と補修層16との界面18のうち、セラミックコーティング10の表面側の部位を加熱して該部位を溶融させることで、補修層16の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性をセラミック層13と同等に保ちつつ、セラミック層13と補修層16との密着性を向上できることを見出した。
したがって、幾つかの実施形態によれば、補修層16の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性をセラミック層13と同等に保ちつつ、セラミック層13と補修層16との密着性を向上できるので、セラミックコーティング10の補修部の耐久性が向上し、セラミックコーティング10の耐久性を向上できる。
図7は、セラミック層13と補修層16との界面18のうち、セラミックコーティング10の表面側の部位を加熱溶融させた後、該部位が凝固して形成された溶融凝固部21を含むセラミックコーティング10の断面を模式的に示す図である。なお、溶融凝固部21と、セラミック層13や加熱溶融されていない補修層16とは、その気孔率の違いや、形成方法の違いに起因して、図7に示すような断面における見え方が異なるため、溶融凝固部21と、溶融凝固部21以外の領域とを見分けること、及び、溶融凝固部21が溶融後に凝固したことで形成された領域であることを視認によって判断することは容易である。同様の理由により、セラミックコーティング10を表面側から見たときも、溶融凝固部21と、溶融凝固部21以外の領域とを見分けること、及び、溶融凝固部21が溶融後に凝固したことで形成された領域であることを視認によって判断することは容易である。
仕上工程S50は、加熱溶融工程S40で形成した溶融凝固部21の表面を整える工程である。仕上工程S50では、例えばグラインダによって溶融凝固部21の表面を整える。
このように、幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10は、第1セラミック層13Aと、第1セラミック層13Aの面内方向で第1セラミック層に13A隣接する第2セラミック層16Aとを有する。そして、幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10は、少なくとも、第1セラミック層13Aと第2セラミック層16Aとの界面18のうち、第1セラミック層13Aの表面側の部位が溶融凝固した溶融凝固部21,22を有する。
したがって、幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10では、上述したように、第2セラミック層16Aの熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第1セラミック層13Aと同等に保ちつつ、第1セラミック層13Aと第2セラミック層16Aとの密着性を向上できるので、セラミックコーティングの耐久性を向上できる。
したがって、幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10では、上述したように、第2セラミック層16Aの熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第1セラミック層13Aと同等に保ちつつ、第1セラミック層13Aと第2セラミック層16Aとの密着性を向上できるので、セラミックコーティングの耐久性を向上できる。
(加熱溶融工程S40における加熱方法について)
幾つかの実施形態では、加熱溶融工程S40において、レーザ、電子ビーム、又はプラズマの何れかを照射することで、セラミック層13と補修層16との界面18のうち、セラミックコーティング10の表面側の部位を選択的に加熱して溶融させて溶融凝固部21を形成する。
これにより、溶融させるべき領域を選択的に加熱して溶融させることができ、他の領域の熱的損傷を抑制できる。
幾つかの実施形態では、加熱溶融工程S40において、レーザ、電子ビーム、又はプラズマの何れかを照射することで、セラミック層13と補修層16との界面18のうち、セラミックコーティング10の表面側の部位を選択的に加熱して溶融させて溶融凝固部21を形成する。
これにより、溶融させるべき領域を選択的に加熱して溶融させることができ、他の領域の熱的損傷を抑制できる。
例えば、レーザの照射によって加熱溶融させる場合のレーザの照射条件の一例を以下に示す。例えば平均出力は20Wであり、照射速度は2.4m/minであり、ビーム径は0.3mmである。レーザビームの走査については、例えば6軸ロボットを用いて走査するようにしてもよく、ガルバノレンズを用いて走査するようにしてもよい。
(溶融凝固部21の幅について)
図7に示す実施形態では、溶融凝固部21の幅は、1mm以上である。
溶融凝固部21の幅が1mm未満であると、溶融凝固部21の形成時に加熱溶融させる部位の位置のばらつき、例えばレーザビームの照射位置のずれ等により、界面18のセラミック層13の表面側の部位で加熱溶融されない場所が生じるおそれがある。特に、界面18は、例えば図7に示すように、必ずしもセラミック層13の表面に対して直交する方向に延在しているとは限らず、セラミック層13の表面に対して斜め方向に、すなわちセラミック層13の厚さ方向に対して傾斜した方向に延在している場合がある。そのため、溶融凝固部21の幅が1mm未満であると、溶融凝固部21の形成時に、界面18のうちセラミック層13の表面側のごく浅い部分を除いて加熱溶融される範囲から外れてしまい、界面18を所望の深さまで加熱溶融できないおそれがある。
また、溶融凝固部21の幅が1mm未満であると、溶融凝固部21の形成時の幅のばらつきにより、局部的に溶融凝固部21の幅が極端に狭くなってセラミック層13と補修層16との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。
このように、溶融凝固部21の幅が1mm未満であると、セラミック層13と補修層16との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。そのため、溶融凝固部21の幅は1mm以上であることが望ましい。
その点、幾つかの実施形態では、溶融凝固部21の幅が1mm以上であるので、セラミック層13と補修層16との密着性を確保できる。
図7に示す実施形態では、溶融凝固部21の幅は、1mm以上である。
溶融凝固部21の幅が1mm未満であると、溶融凝固部21の形成時に加熱溶融させる部位の位置のばらつき、例えばレーザビームの照射位置のずれ等により、界面18のセラミック層13の表面側の部位で加熱溶融されない場所が生じるおそれがある。特に、界面18は、例えば図7に示すように、必ずしもセラミック層13の表面に対して直交する方向に延在しているとは限らず、セラミック層13の表面に対して斜め方向に、すなわちセラミック層13の厚さ方向に対して傾斜した方向に延在している場合がある。そのため、溶融凝固部21の幅が1mm未満であると、溶融凝固部21の形成時に、界面18のうちセラミック層13の表面側のごく浅い部分を除いて加熱溶融される範囲から外れてしまい、界面18を所望の深さまで加熱溶融できないおそれがある。
また、溶融凝固部21の幅が1mm未満であると、溶融凝固部21の形成時の幅のばらつきにより、局部的に溶融凝固部21の幅が極端に狭くなってセラミック層13と補修層16との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。
このように、溶融凝固部21の幅が1mm未満であると、セラミック層13と補修層16との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。そのため、溶融凝固部21の幅は1mm以上であることが望ましい。
その点、幾つかの実施形態では、溶融凝固部21の幅が1mm以上であるので、セラミック層13と補修層16との密着性を確保できる。
(補修層16の表層部の加熱溶融について)
図7に示す実施形態では、界面18を介して接していたセラミック層13及び補修層16の表面の一部分だけを加熱溶融することで溶融凝固部21を形成している。しかし、図8に示す実施形態のように、加熱溶融工程S40において、界面18における表面側の部位に加えて、補修層16の表層部を加熱溶融させてもよい。すなわち、図8に示す実施形態では、加熱溶融工程S40において、レーザ、電子ビーム、又はプラズマの何れかを照射することで、セラミック層13と補修層16との界面18のうち、セラミックコーティング10の表面側の部位を含むセラミックコーティング10の表層領域を選択的に加熱して溶融させて溶融凝固部22を形成する。
なお、図8は、界面18における表面側の部位に加えて、補修層16の表層部を加熱溶融させた後、凝固して形成された溶融凝固部22を含むセラミックコーティング10の断面を模式的に示す図である。このように、図8に示す溶融凝固部22は、界面18における表面側の部位に加えて、補修層16の表層部が溶融凝固している。
なお、図7に示す溶融凝固部21と同様に、図8に示す溶融凝固部22と、溶融凝固部22以外の領域とを見分けること、及び、溶融凝固部22が溶融後に凝固したことで形成された領域であることを視認によって判断することは容易である。
図7に示す実施形態では、界面18を介して接していたセラミック層13及び補修層16の表面の一部分だけを加熱溶融することで溶融凝固部21を形成している。しかし、図8に示す実施形態のように、加熱溶融工程S40において、界面18における表面側の部位に加えて、補修層16の表層部を加熱溶融させてもよい。すなわち、図8に示す実施形態では、加熱溶融工程S40において、レーザ、電子ビーム、又はプラズマの何れかを照射することで、セラミック層13と補修層16との界面18のうち、セラミックコーティング10の表面側の部位を含むセラミックコーティング10の表層領域を選択的に加熱して溶融させて溶融凝固部22を形成する。
なお、図8は、界面18における表面側の部位に加えて、補修層16の表層部を加熱溶融させた後、凝固して形成された溶融凝固部22を含むセラミックコーティング10の断面を模式的に示す図である。このように、図8に示す溶融凝固部22は、界面18における表面側の部位に加えて、補修層16の表層部が溶融凝固している。
なお、図7に示す溶融凝固部21と同様に、図8に示す溶融凝固部22と、溶融凝固部22以外の領域とを見分けること、及び、溶融凝固部22が溶融後に凝固したことで形成された領域であることを視認によって判断することは容易である。
セラミックコーティング10において加熱溶融させた後に凝固した部分は、加熱溶融させていない部分と比べて硬度が高い。その点、図8に示す実施形態では、加熱溶融させた後の補修層16の表層部の硬度を加熱溶融させていない場合と比べて高くすることができるので、補修層16の耐エロ―ジョン性を向上できる。したがって、被補修箇所15がエロ―ジョンによって補修を要することとなっていた場合、界面18における表面側の部位に加えて、補修層16の表層部を加熱溶融させることによって、溶融凝固部22が表面側に形成された補修層16の耐エロ―ジョン性を向上でき、補修後のセラミックコーティング10の耐久性を向上できる。
(溶融凝固部21,22の深さについて)
幾つかの実施形態では、溶融凝固部21,22の深さは、5マイクロメートル以上100マイクロメートル以下である。
溶融凝固部21,22の深さが5マイクロメートル未満であると、溶融凝固部21,22の形成時の深さのばらつきにより、局部的に深さが極端に浅くなるおそれがある。例えば、界面18近傍で局部的に溶融凝固部21,22の深さが極端に浅くなるとセラミック層13と補修層16との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。また、例えば図8に示した実施形態では、局部的に溶融凝固部22の深さが極端に浅くなると耐エロ―ジョン性が低下するおそれがある。そのため、溶融凝固部21,22の深さは5マイクロメートル以上であることが望ましい。また、溶融凝固部21,22の深さが100μmを超えると、溶融凝固部21,22の熱サイクル耐久性が低下するおそれがあるため、溶融凝固部21,22の深さは100μm以下とすることが望ましい。
その点、幾つかの実施形態では、溶融凝固部21,22の深さが20マイクロメートル以上100マイクロメートル以下であるので、セラミック層13と補修層16との密着性や耐エロ―ジョン性を確保しつつ、溶融凝固部21の熱サイクル耐久性を確保できる。
幾つかの実施形態では、溶融凝固部21,22の深さは、5マイクロメートル以上100マイクロメートル以下である。
溶融凝固部21,22の深さが5マイクロメートル未満であると、溶融凝固部21,22の形成時の深さのばらつきにより、局部的に深さが極端に浅くなるおそれがある。例えば、界面18近傍で局部的に溶融凝固部21,22の深さが極端に浅くなるとセラミック層13と補修層16との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。また、例えば図8に示した実施形態では、局部的に溶融凝固部22の深さが極端に浅くなると耐エロ―ジョン性が低下するおそれがある。そのため、溶融凝固部21,22の深さは5マイクロメートル以上であることが望ましい。また、溶融凝固部21,22の深さが100μmを超えると、溶融凝固部21,22の熱サイクル耐久性が低下するおそれがあるため、溶融凝固部21,22の深さは100μm以下とすることが望ましい。
その点、幾つかの実施形態では、溶融凝固部21,22の深さが20マイクロメートル以上100マイクロメートル以下であるので、セラミック層13と補修層16との密着性や耐エロ―ジョン性を確保しつつ、溶融凝固部21の熱サイクル耐久性を確保できる。
(補修層16の気孔率について)
幾つかの実施形態において、補修層16の気孔率をセラミック層13の気孔率よりも大きくなるようにしてもよい。
一般的に、セラミックコーティング10において、気孔率が高いほど熱伝導率は低くなる。したがって、補修層16の気孔率をセラミック層13の気孔率よりも大きくすれば、補修層16の熱伝導率をセラミック層13の熱伝導率よりも低くすることができる。したがって、例えば補修に際して被補修箇所15における遮熱性の向上が要求される場合には、補修層16の気孔率をセラミック層13の気孔率よりも大きくすることによって遮熱性を向上できる。
幾つかの実施形態において、補修層16の気孔率をセラミック層13の気孔率よりも大きくなるようにしてもよい。
一般的に、セラミックコーティング10において、気孔率が高いほど熱伝導率は低くなる。したがって、補修層16の気孔率をセラミック層13の気孔率よりも大きくすれば、補修層16の熱伝導率をセラミック層13の熱伝導率よりも低くすることができる。したがって、例えば補修に際して被補修箇所15における遮熱性の向上が要求される場合には、補修層16の気孔率をセラミック層13の気孔率よりも大きくすることによって遮熱性を向上できる。
補修層16の気孔率をセラミック層13の気孔率よりも大きくすることは、特に、図8に示す実施形態のように、補修層16の表層部を加熱溶融させた場合に有用である。すなわち、図8に示す実施形態のように、補修層16の表層部を加熱溶融させた場合、溶融時に補修層16の気孔が消滅するため、凝固後の補修層16の表層部、すなわち溶融凝固部22の熱伝導率が高くなってしまう。その点、補修層16の気孔率をセラミック層13の気孔率よりも大きくすれば、補修層16のうち、加熱溶融されていない、溶融凝固部22以外の部位における熱伝導率をセラミック層13の熱伝導率よりも低くすることができる。これにより、セラミックコーティング10の補修部の熱伝導率が高くなることを抑制できる。
また、幾つかの実施形態において、補修層形成工程S20において、気孔率が10%以上30%以下の補修層16を形成するようにしてもよい。
例えば、溶射などによってセラミック層13を形成した場合のセラミック層13の気孔率の一般的な下限値が数%程度であるため、補修層16の気孔率が10%以上となるように補修層16を形成することで、補修層16の熱伝導率がセラミック層13の熱伝導率よりも低くなることが期待できる。したがって、例えば被補修箇所15が被補修箇所以外の領域よりも温度環境が厳しいために遮熱性の向上が要求される場合には、補修層16の気孔率を10%以上30%以下にすることで、補修後の補修層16の遮熱性が補修前と比べて向上することが期待できる。補修後の補修層16の遮熱性を向上させることは、上述したように、特に、図8に示す実施形態のように、補修層16の表層部を加熱溶融させた場合に有用である。
一方、補修層16の気孔率が大きくなるとセラミック層13との密着性が低下する傾向にあるので、補修層16の気孔率が30%を超えると、第1セラミック層との密着性が不十分になるおそれがある。
その点、補修層16の気孔率を10%以上30%以下にすることで、セラミック層13との密着性を確保しつつ、補修層16の遮熱性を確保できる。
例えば、溶射などによってセラミック層13を形成した場合のセラミック層13の気孔率の一般的な下限値が数%程度であるため、補修層16の気孔率が10%以上となるように補修層16を形成することで、補修層16の熱伝導率がセラミック層13の熱伝導率よりも低くなることが期待できる。したがって、例えば被補修箇所15が被補修箇所以外の領域よりも温度環境が厳しいために遮熱性の向上が要求される場合には、補修層16の気孔率を10%以上30%以下にすることで、補修後の補修層16の遮熱性が補修前と比べて向上することが期待できる。補修後の補修層16の遮熱性を向上させることは、上述したように、特に、図8に示す実施形態のように、補修層16の表層部を加熱溶融させた場合に有用である。
一方、補修層16の気孔率が大きくなるとセラミック層13との密着性が低下する傾向にあるので、補修層16の気孔率が30%を超えると、第1セラミック層との密着性が不十分になるおそれがある。
その点、補修層16の気孔率を10%以上30%以下にすることで、セラミック層13との密着性を確保しつつ、補修層16の遮熱性を確保できる。
(タービン部材及びガスタービン)
上述した幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10は、産業用ガスタービンの動翼や静翼、あるいは燃焼器の内筒や尾筒などの高温部品に適用して有用である。また、産業用ガスタービンに限らず、自動車やジェット機などのエンジンの高温部品の遮熱コーティング膜にも適用することができる。これらの部材に上述した幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10を設けることで、耐久性に優れるガスタービン翼や高温部品を構成することができる。
上述した幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10は、産業用ガスタービンの動翼や静翼、あるいは燃焼器の内筒や尾筒などの高温部品に適用して有用である。また、産業用ガスタービンに限らず、自動車やジェット機などのエンジンの高温部品の遮熱コーティング膜にも適用することができる。これらの部材に上述した幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10を設けることで、耐久性に優れるガスタービン翼や高温部品を構成することができる。
図9及び図10は、上述した幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10を適用可能なタービン部材としてのタービン翼の構成例を示す斜視図である。図9に示すガスタービン動翼4は、ディスク側に固定されるタブテイル41、プラットフォーム42、翼部43等を備えて構成されている。また、図10に示すガスタービン静翼5は、内シュラウド51、外シュラウド52、翼部53等を備えて構成されており、翼部53にはシールフィン冷却孔54、スリット55等が形成されている。
次に、図9,10に示すタービン翼4,5を適用可能なガスタービンについて図11を参照して以下に説明する。図11は、一実施形態係るガスタービンの部分断面構造を模式的に示す図である。このガスタービン6は、互いに直結された圧縮機61とタービン62とを備える。圧縮機61は、例えば軸流圧縮機として構成されており、大気又は所定のガスを吸込口から作動流体として吸い込んで昇圧させる。この圧縮機61の吐出口には、燃焼器63が接続されており、圧縮機61から吐出された作動流体は、燃焼器63によって所定のタービン入口温度まで加熱される。そして所定温度まで昇温された作動流体がタービン62に供給されるようになっている。図11に示すように、タービン62のケーシング内部には、上述したガスタービン静翼5が、複数段設けられている。また、上述したガスタービン動翼4が、各静翼5と一組の段を形成するように主軸64に取り付けられている。主軸64の一端は、圧縮機61の回転軸65に接続されており、その他端には、図示しない発電機の回転軸が接続されている。
このような構成により、燃焼器63からタービン62のケーシング内に高温高圧の作動流体を供給すれば、ケーシング内で作動流体が膨張することにより、主軸64が回転し、このガスタービン6と接続された図示しない発電機が駆動される。即ち、ケーシングに固定された各静翼5によって圧力降下させられ、これにより発生した運動エネルギは、主軸64に取り付けられた各動翼4を介して回転トルクに変換される。そして、発生した回転トルクは、主軸64に伝達され、発電機が駆動される。
一般に、ガスタービン動翼に用いられる材料は、耐熱合金(例えばIN738LC=インコ社の市販の合金材料)であり、ガスタービン静翼に用いられる材料は、同様に耐熱合金(例えばIN939=インコ社の市販の合金材料)である。即ち、タービン翼を構成する材料は、上述した幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10において母材11として採用可能な耐熱合金が使用されている。従って、上述した幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10を、これらのタービン翼に適用すれば、遮熱効果と、耐久性に優れたタービン翼を得ることができるので、より高い温度環境で使用することができ、長寿命のタービン翼を実現することができる。また、より高い温度環境において適用可能であることは、作動流体の温度を高められることを意味し、これによりガスタービン効率を向上させることも可能となる。
このように、幾つかの実施形態に係るタービン部材であるタービン翼4,5は、上述した幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10を有するので、補修層16の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性をセラミック層13と同等に保ちつつ、セラミック層13と補修層16との密着性を向上できるので、タービン部材の耐久性を向上できる。
また、幾つかの実施形態に係るガスタービン6は、上記タービン部材であるタービン翼4,5を有するので、ガスタービン6におけるタービン部材の耐久性を向上できる。
このように、幾つかの実施形態に係るタービン部材であるタービン翼4,5は、上述した幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング10を有するので、補修層16の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性をセラミック層13と同等に保ちつつ、セラミック層13と補修層16との密着性を向上できるので、タービン部材の耐久性を向上できる。
また、幾つかの実施形態に係るガスタービン6は、上記タービン部材であるタービン翼4,5を有するので、ガスタービン6におけるタービン部材の耐久性を向上できる。
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した幾つかの実施形態では、第2セラミック層16Aは補修層16であり、セラミックコーティング10の補修のために形成された層であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、母材11上にセラミックコーティング10を形成する際に本発明を適用してもよい。この場合には、第2セラミック層16Aは、後から補修によって形成された補修層16ではなく、セラミックコーティング10の形成時から存在する層である。
例えば、上述した幾つかの実施形態では、第2セラミック層16Aは補修層16であり、セラミックコーティング10の補修のために形成された層であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、母材11上にセラミックコーティング10を形成する際に本発明を適用してもよい。この場合には、第2セラミック層16Aは、後から補修によって形成された補修層16ではなく、セラミックコーティング10の形成時から存在する層である。
4 ガスタービン動翼
5 ガスタービン静翼
6 ガスタービン
10 セラミックコーティング
11 耐熱基材(母材)
12 金属結合層(ボンドコート層)
13 セラミック層
13A 第1セラミック層
15 被補修箇所
16 補修層
16A 第2セラミック層
18 界面
21,22 溶融凝固部
5 ガスタービン静翼
6 ガスタービン
10 セラミックコーティング
11 耐熱基材(母材)
12 金属結合層(ボンドコート層)
13 セラミック層
13A 第1セラミック層
15 被補修箇所
16 補修層
16A 第2セラミック層
18 界面
21,22 溶融凝固部
Claims (12)
- 第1セラミック層が形成されたセラミックコーティングの被補修箇所にセラミックスの溶射粒子を溶射して第2セラミック層を形成する工程と、
前記第1セラミック層と前記第2セラミック層との界面のうち、前記セラミックコーティングの表面側の部位を加熱して該部位を溶融させる工程と、
を有するセラミックコーティングの補修方法。 - 前記溶融させる工程において、前記界面の前記部位に加えて、前記第2セラミック層の表層部を加熱溶融させる
請求項1に記載のセラミックコーティングの補修方法。 - 前記第2セラミック層は、前記第1セラミック層よりも気孔率が大きい
請求項1又は2に記載のセラミックコーティングの補修方法。 - 前記第2セラミック層を形成する工程において、気孔率が10%以上30%以下の前記第2セラミック層を形成する
請求項1乃至3の何れか一項に記載のセラミックコーティングの補修方法。 - 前記溶融させる工程において、レーザ、電子ビーム、又はプラズマの何れかを照射することで、前記界面の前記部位を含む前記セラミックコーティングの表層領域を選択的に加熱して溶融させる
請求項1乃至4の何れか一項に記載のセラミックコーティングの補修方法。 - 第1セラミック層と、
前記第1セラミック層の面内方向で前記第1セラミック層に隣接する第2セラミック層と、
少なくとも、前記第1セラミック層と前記第2セラミック層との界面のうち、前記第1セラミック層の表面側の部位が溶融凝固した溶融凝固部と、
を有するセラミックコーティング。 - 前記溶融凝固部の深さは、5マイクロメートル以上100マイクロメートル以下である
請求項6に記載のセラミックコーティング。 - 前記溶融凝固部の幅は、1mm以上である
請求項6又は7に記載のセラミックコーティング。 - 前記溶融凝固部は、前記界面の前記部位に加えて、前記第2セラミック層の表層部が溶融凝固している
請求項6又は7に記載のセラミックコーティング。 - 前記第2セラミック層の気孔率は、10%以上30%以下である
請求項6乃至9の何れか一項に記載のセラミックコーティング。 - 請求項6乃至10の何れか一項に記載のセラミックコーティングを有するタービン部材。
- 請求項11に記載のタービン部材を有するガスタービン。
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