JP3281842B2 - ガスタービン翼への耐食性表面処理方法及びその動・静翼 - Google Patents

ガスタービン翼への耐食性表面処理方法及びその動・静翼

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン翼の
耐食性表面処理方法及び同方法により処理されたガスタ
ービンの動・静翼に関する。
【0002】
【従来の技術】コンバインドサイクルプラントに代表さ
れる高効率化された最近の産業用ガスタービンのタービ
ン入口温度の上昇は著しく1300℃以上となってい
る。このような高温ガスに曝露される動・静翼に使用さ
れる耐熱合金は精力的な研究開発が行われ、その許容使
用温度も年々上昇しているが、実用合金では850〜9
00℃程度である。このため、実機ガスタービンでは薄
肉化した内部空気冷却翼が用いられている。一方、使用
される燃料はLNG、副生ガスや重油におよび、最近で
は石炭を液化又はガス化して利用することも研究されて
いるため、空気冷却翼の高温酸化や高温腐食防止を目的
として低圧プラズマで溶射法によりNiCoCrAlY
やCoCrAlYなどの耐食合金のコーティングが行わ
れている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】高温化されたガスター
ビンにおいて、直接燃焼ガスと接触する動・静翼はガス
温度の上昇にともなって酸化速度や腐食速度が増加し、
前記のような耐食コーティングを行った場合でも燃料や
燃焼空気より高温腐食成分が持込まれると顕著な腐食損
傷を受ける事態が出現している。このため、より一層高
温耐食性にすぐれた耐食性を有する動・静翼の出現が望
まれている。本発明は上記技術水準及び上記要望に応
じ、高温耐食性にすぐれた動・静翼の表面層を提供しよ
うとするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は(1)ガスター
ビン用動翼又は静翼表面へ、Reを1〜12wt%含む
MCrAlY(M:Ni及び/又はCo)合金を溶射又
は蒸着によってコーティングした後、Cr又はAl
学蒸着処理又は拡散浸透処理を施すことを特徴とするガ
スタービン翼への耐食性表面処理方法及び(2)上記
(1)の処理方法によって製造したガスタービン用動・
静翼である。
【0005】
【発明の実施の形態】本発明のガスタービン用動翼又は
静翼の材質としては、下記表1に示すような合金が使用
される。
【0006】
【表1】
【0007】Reを1〜12wt%含ませるMCrAl
Y(M:Ni及び/又はCo)合金としては、M−17
〜35wt%Cr−5〜12wt%Al−0.5〜1w
t%Y(残部:M)が使用され、その溶射又は蒸着膜の
膜厚は限定的なものではないが、一般委100〜200
μmである。Cr又はAlのCVD(Chemical Vapor De
position) 処理は、1〜10vol%のH2 を含むAr
ガス中へAlCl1 3 又はCrCl3 蒸気を供給し、
1000〜1200℃で被処理物表面へAl又はCrを
析出させることによって行われる。その膜厚は10〜5
0μm程度である。また、Al又はCrの拡散浸透処理
(パックセメンテーション)は、Al−Al 2 3 −N
4 Cl粉末又はCr−Al2 3 −NH4 Cl粉末中
に被処理物を埋込み、H2 ガス雰囲気中で1000〜1
200℃で数時間〜10時間程度加熱することによって
行われる。拡散浸透処理層の膜厚もほぼ上記のCVD処
理膜と同じである。
【0008】(作用) (1)レニウム(Re)はガスタービン翼材としての使
用温度ではMCrAlY(M:Ni及び/又はCo)合
金中のNi,Co,Crのいずれにも固溶し、原子半径
の差によりマトリックスを強化する。その結果、皮膜の
靱性を向上させるとともに、皮膜内への硫黄、バナジウ
ム、酸素等の拡散速度を遅らせ、皮膜の耐食性を向上さ
せる。また、イットリウムとは金属間化合物、例えばR
eYを形成し、イットリウム特性(酸化皮膜の剥離抑制
等)をさらに向上させる働きがある。これらの効果を得
るためには1wt%以上必要で12wt%を越える添加
は皮膜の硬度は増加するが、かえって靱性を低下させ、
皮膜や二次的に形成された保護酸化皮膜に熱衝撃による
破壊が発生して耐食性を減少させる。
【0009】(2)コーティング層の外表面はAl又は
Crが付与されるため、Al又はCr濃度が増加し、高
温腐食進行にともなうAl又はCrの消耗を補い、高温
耐食性の経時的な低下を防止する。
【0010】(3)CVD処理及び拡散浸透処理とも高
温で水素を含む雰囲気中で実施するため、溶射層又は蒸
着層とCVD処理層又は拡散浸透処理層との相互拡散が
進行するとともに基材との相互拡散を生じ密着性に優れ
た均一組織となるなどコーティング層の膜質が著しく改
善される。
【0011】
【実施例】以下、本発明の具体的実施例をあげ、本発明
の効果を明らかにする。
【0012】(例1)ガスタービン用1段動翼(基材:
表1のNi基超合金 IN7738LC)に低圧プラズ
マ溶射方法によりNi−25wt%Cr−6wt%Al
−0.5wt%Y−6wt%Re(Niは残量を示す)
を200μm厚さを目標にコーティングを行った。その
後、1100℃、Ar+H2 ガス雰囲気(圧力 50T
orr)中でAlClx(x=1〜3)を利用して、約
2時間のCVD処理を行い、約50μmのAl層を形成
させた。
【0013】(例2)ガスタービン用1段静翼(基材:
表1のCo基超合金 ECY768C)に低圧プラズマ
溶射方法によりCo−25wt%Cr−14wt%Al
−1wt%Y−12wt%Re(Coは残量を示す)を
200μm厚さを目標にコーティングを行った。その
後、H2 ガス雰囲気中で、950℃×10時間のAl拡
散浸透処理(パックセメンテーション)を行い、約50
μmのAl層を形成させた。
【0014】(例3)ガスタービン用1段静翼(基材:
表1のCo基超合金 ECY768C)へEB(電子
銃)を利用したイオンブレーティング法によりArガス
雰囲気(10-5Torr)中で、供試翼を850〜90
0℃に加熱しつつ、Co−30wt%Ni−20wt%
Cr−8wt%Al−1wt%Y−1wt%Re(Co
は残量を示す)を100μm厚さを目標に約1.5時間
の蒸着を行った。その後、供試翼を蒸着容器より取り出
し、H2 雰囲気中で1100℃×10時間のCr拡散浸
透処理を行い、約70μmのCr層を形成させた。
【0015】(例4)ガスタービン動翼(基材:表1の
Ni超合金IN7738LC)にNi−25wt%Cr
−6wt%Al−0.5wt%Y−6wt%Re(Ni
は残量を示す)を例3と同様な方法で蒸着後、1100
℃、Ar+H2 ガス雰囲気(圧力 50Torr)中で
CrCl3 を用いて、約15時間のCVD処理を行い、
約50μmのCr層を形成させた。
【0016】以上これら実施例を示したが、これら手順
及びコーティング(溶射又は蒸着とCVD又は拡散浸透
処理)方法の組合せは翼材質や翼形状の違いを考慮し
て、適宜適切なものを選択することができる。
【0017】実施例の低圧プラズマ溶射条件を表2に示
した。なお、EBイオンプレーティング方法、Al,C
r拡散浸透処理(パックセメンテーション)の詳細は次
のとおりである。
【0018】○EBイオンプレーティング方法 真空容器中で蒸着物質を電子銃(イオンビーム)にて溶
解、蒸発させ被処理物に付着(コーティング)させる
が、この際、蒸着物質の溶解るつぼと被処理物間に磁場
を負荷し、蒸発した蒸発物質をイオン化して被処理物に
衝突させて付着性の改善をはかったコーティング。 ○Al又はCr拡散浸透処理(パックセメンテーショ
ン)Al−Al 2 3 −NH 4 Cl粉末又はCr−Al 2
3 −NH 4 Cl粉末中 へ被処理物を埋込み、H2 ガス雰
囲気中で1000〜1200℃で数時間〜10時間程度
加熱を行う方法。
【0019】
【表2】
【0020】例1〜4を基に作成した試験片と従来法の
低圧プラズマ溶射法によるCo−25wt%Cr−12
wt%Al−1wt%Y及びCo−30wt%Ni−2
0wt%Cr−8wt%Al−1wt%Yコーテイング
試験片、さらにこの両試験片にAl拡散浸透処理を付加
したものを比較材として以下の性能(効果)を確認し
た。なお、コーティング基材はいずれもIN−7738
LCとした。
【0021】(1)耐食性 学振法に準拠して80%Na2 SO4 −20%V2 5
合成灰塗布高温腐食試験を実施し、結果を表3にとりま
とめた。本発明の例1〜4の腐食量はCoCrAlY,
CoNiCrAlYの1/2〜1/3程度であり、Co
CrAlY+Al拡散浸透処理、CoNiCrAlY+
Al拡散浸透処理に比べても50%〜70%程度であっ
た。表3ではCoCrAlY(基材IN−7738L
C)の腐食量を100として示した。
【0022】
【表3】
【0023】(2)密着性 各試験片を1000℃に加熱、15分保持後、水中へ投
入する試験を5回繰返し、その結果を表4に示した。本
発明1〜4及びCoNiCrAlYは試験後もクラック
や剥離などの発生もなく健全であったのに対し、CoC
rAlY及び比較材、はいずれも小クラックの発生
が認められ、特にCoCrAlYは端部でコーティング
層の一部が脱落していた。
【0024】
【表4】
【0025】
【発明の効果】本発明の耐食性表面処理方法により、密
着性が優れ、かつ耐食性が飛躍的に向上したガスタービ
ン翼が提供され、その工業的効果は極めて絶大である。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C23C 14/58 C23C 14/58 B 16/06 16/06 F01D 5/28 F01D 5/28 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 28/02 C23C 4/06 C23C 4/18 C23C 8/06 C23C 14/14 C23C 14/58 C23C 16/06 F01D 5/28

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガスタービン用動翼又は静翼表面へ、R
    eを1〜12wt%含むMCrAlY(M:Ni及び/
    又はCo)合金を溶射又は蒸着によってコーティングし
    た後、Cr又はAl化学蒸着処理又は拡散浸透処理を
    施すことを特徴とするガスタービン翼への耐食性表面処
    理方法。
  2. 【請求項2】 請求項1の処理方法によって製造したガ
    スタービン用動・静翼。
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