JP4166977B2 - 耐高温腐食合金材、遮熱コーティング材、タービン部材、及びガスタービン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐高温腐食合金材、遮熱コーティング材、タービン部材、及びガスタービンに係り、特に、優れた耐酸化性と延性とを備え、遮熱コーティング材の金属結合層に用いて好適な耐高温腐食合金材の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギー対策の一つとして、火力発電の熱効率を高めることが検討されている。発電用ガスタービンの発電効率を向上させるためには、タービンのガス入口温度を上昇させることが有効であり、入口温度を１５００℃以上にまで上昇させることが行われている。このような発電装置の高温化を実現するためには、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を耐熱部材で構成する必要がある。しかしタービン翼の材料は耐熱金属であるが、それでもこのような高温には耐えられないために、図７に示すように、耐熱金属の基材１０１上に金属結合層１０２を形成し、この金属結合層１０２上に溶射等の成膜方法によって酸化物セラミックスからなるセラミックス層１０３を積層した遮熱コーティング膜（Thermal Barrier Coating,ＴＢＣ）を形成して高温から保護することが行われている。この金属結合層１０１としては、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、又はこれらの組み合わせ）が知られており、セラミックス層１０２としてはＺｒＯ2系の材料、特にＹ2Ｏ3で部分安定化又は完全安定化したＺｒＯ2であるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）が、セラミックス材料の中では比較的低い熱伝導率と比較的高い熱膨張率を有しているためによく用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記遮熱コーティング膜を被覆することで、基材の耐熱性を向上させることができるが、近年のガスタービンの高温化によりガスタービンの種類によっては、タービンの入口温度が１５００℃を越える温度にまで上昇することが想定され、特に環境対策の関係から近年開発が進められている超高温型ガスタービンではタービンの入口温度が１７００℃にも達し、タービン翼のＴＢＣ表面温度が１３００℃程度にまで昇温されると考えられている。従って、タービンの発停に伴う熱サイクルの温度幅が大きくなることで、タービン翼など高温部品の線膨張係数差による熱応力が大きくなる。そのため、タービンの運転中に金属結合層１０２に亀裂が発生し、基材１０１への亀裂進展やセラミックス層１０３の剥離へとつながるおそれがある。
従って、金属結合層１０２の亀裂発生を防止するために、金属結合層１０２の延性を高める事が求められている。また、ガス温度の高温化に伴い燃料に含まれる腐食成分や流入空気に同伴される塩分などによるタービン翼などの腐食や酸化がより著しくなることが考えられ、金属結合層１０２の耐食性、耐酸化性の向上も求められている。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、優れた耐酸化性、耐食性を備え、かつ延性に優れた耐高温腐食合金材を提供することを目的の一つとする。
また本発明は、上記合金材により形成された金属結合層を備え、耐剥離性に優れた遮熱コーティング材を提供することを目的の一つとする。
また本発明は、上記遮熱コーティング材が被覆されたタービン部材、並びにこのタービン部材を備えたガスタービンを提供することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために、金属結合層を構成するＭＣｒＡｌＹ合金の組成について研究を重ね、以下の構成を備えた耐高温腐食合金材によれば、延性及び耐酸化性に優れる金属結合層を構成し得ることを知見し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の耐高温腐食合金材は、質量％で、Ｃｏ：０．１〜１２％、Ｃｒ：１０〜３０％、Ａｌ：４〜１５％、Ｙ：０．１〜５％、Ｒｅ：０．５〜１０％を含み、残部がＮｉからなることを特徴とする。
【０００６】
係る構成の耐高温腐食合金材を用いて基材上に金属結合層を形成し、この金属結合層上にセラミックス層を積層して遮熱コーティング材を構成するならば、延性と耐酸化性に優れる金属結合層を備えた遮熱コーティング材とすることができる。つまり、金属結合層の優れた延性により金属結合層上に積層されたセラミックス層に作用する応力を低減し、もってセラミックス層の剥離を防止することができ、また金属結合層の優れた耐酸化性により基材の高温酸化、高温腐食を防止し、遮熱コーティング材の長寿命化を実現することができる。また、上記構成の耐高温腐食合金材を用いて形成された金属結合層は、セラミックス層によく用いられる安定化ジルコニアとの親和性に優れており、セラミックス層をより強固に固定し、剥離し難くすることができる。
【０００７】
以下に、本発明に係る耐高温腐食合金材に含まれる各元素の作用とその適正な範囲について説明する。
Ｃｏ（０．１〜１２質量％）：Ｃｏは、添加量を多くするほど耐高温腐食合金材の延性を高める作用を有するが、０．１質量％未満では十分な効果が得られず、１２質量％を越えて含有させても得られる効果が変わらない。
【０００８】
Ｃｒ（１０〜３０質量％）：Ｃｒは、添加量を多くするほど耐高温腐食合金材の耐酸化性を向上させる効果を有しているが、その添加量が１０質量％未満では十分な耐酸化性を得ることができず、３０質量％を越えると合金材が硬くなり延性が低下するとともに緻密なＡｌ2Ｏ3の生成を阻害する。従って、耐酸化性と延性とのバランスの点から、Ｃｒ添加量１５〜２５質量％の範囲とすることがより好ましい。
【０００９】
Ａｌ（４〜１５質量％）：Ａｌは、耐高温腐食合金材を例えば遮熱コーティング膜の金属結合層に用いた場合に、その表面に緻密なＡｌ2Ｏ3スケールを形成し、金属結合層の耐酸化性を向上させ、遮熱コーティング膜の耐酸化性を向上させる効果がある。しかし、４質量％未満では（Ｎｉ，Ｃｏ）（Ｃｒ，Ａｌ）2Ｏ4スピネル複合酸化物が生成するために緻密なＡｌ2Ｏ3スケールが生成されなくなり、耐酸化性を向上させる効果が得られない。また、１５質量％を越えると、耐高温腐食合金材に含まれるＮｉ、Ｃｏとの金属間化合物（Ｎｉ，Ｃｏ−Ａｌ）相が形成されて硬くなり、延性が低下するので好ましくない。Ａｌの添加量は、４〜８質量％とすることがより好ましく、この範囲に制御することでより優れた延性を備える耐高温腐食合金材とすることができる。
【００１０】
Ｙ（０．１〜５質量％）：Ｙを添加することにより表面のＡｌ2Ｏ3スケールの剥離を防止する作用を有しているが、添加量が多すぎると耐高温腐食合金材を脆くし、耐熱衝撃性が低下するため、５質量％を上限値とした。また、添加量が０．１質量％未満では、十分な効果が得られない。Ｙ添加量のより好ましい範囲は０．１〜１質量％である。
【００１１】
Ｒｅ（０．５〜６質量％）：Ｒｅは、耐高温腐食合金材で形成された金属結合層表面に形成される上記Ａｌ2Ｏ3スケールをより緻密なものとし、耐高温腐食合金材の耐食性を向上させる効果を有しており、また上記Ａｌ2Ｏ3スケール直下に形成される酸化変質層において、ＣｒＲｅ化合物を形成し、酸化変質層の脆化を防止し、かつＡｌ2Ｏ3スケールの成長を阻害し、遮熱コーティング膜の寿命を延ばす効果を有している。
上記酸化変質層はＡｌ2Ｏ3スケールの形成により金属結合層表面近傍のＡｌ濃度が低下し、ＣｒやＮｉの濃度が相対的に上昇することにより形成されるが、このようなＣｒ，Ｎｉリッチの状態においては、酸化変質層内にＮｉＣｒ 2 Ｏ4やＣｒ2Ｏ3等の低密度で脆い化合物が生成し易くなる。本発明に係る耐高温腐食合金材を用いて金属結合層を構成するならば、上記ＣｒＲｅ化合物が形成されることで上記酸化変質層のＣｒ濃度が低下するので、上記の低密度の化合物が生成されるのを防止することができ、金属結合層の耐熱衝撃性が低下するのを防止することができる。
Ｒｅ含有量が０．５質量％未満では、上記ＣｒＲｅ化合物の生成がほとんどないため上述の効果を得ることができず、１０質量％を越えて添加すると硬くなって延性が低下する。
特に、本発明に係る耐高温腐食合金材においては、前記Ｒｅの含有量が、質量％で０．５〜６％とされることが好ましく、０．５〜４質量％の範囲とするのが最も良い。Ｒｅ含有量を上記範囲に制御することで、優れた延性を得られ、かつＡｌ2Ｏ3スケールの成長が遅く、剥離し難い長寿命の金属結合層を構成することができる。
【００１２】
本発明に係る耐高温腐食合金材は、質量％で、Ｈｆ：０．０１〜０．７％及び／又はＳｉ：０．０１〜１．５％を含む構成とすることもできる。
【００１３】
Ｈｆ（０．０１〜０．７質量％）：Ｈｆは、先のＹと同様に金属結合層表面に形成されるＡｌ2Ｏ3スケールの剥離を防止する作用を有しており、これにより金属結合層上に積層されるセラミックス層の剥離を防止し、遮熱コーティング材を長寿命化することができる。しかしながら、添加量が多すぎると耐高温腐食合金材を脆くするため、その上限値は０．７質量％とすることが好ましい。
【００１４】
Ｓｉ（０．０１〜１．５質量％）：Ｓｉは、金属結合層表面のＡｌ2Ｏ3スケールの成長を阻害し、金属結合層を長寿命化する作用を有するが、添加量が０．０１質量％未満では上記効果を得ることができず、１．５質量％を越えて添加すると、耐高温腐食合金材が硬くなり延性が低下する傾向にある。
【００１５】
次に、本発明に係る遮熱コーティング材は、先のいずれかに記載の耐高温腐食合金材を用いて形成された金属結合層と、該金属結合層上に積層されたセラミックス層とが、耐熱合金基材上に形成されたことを特徴とする。
本発明に係る遮熱コーティング材は、先に記載の本発明の耐高温腐食合金材により形成された金属結合層を備えたことで、耐酸化性及び耐食性に優れ、かつ延性に優れた金属結合層を実現している。従って、高温部品として用いられた場合には、部品の高温酸化、高温腐食を効果的に防止することができるとともに、金属結合層に熱サイクルに伴う亀裂発生を起こす事がなく、部品に高い耐久性を与える事ができる。また、本発明に係る耐高温腐食合金材により構成された金属結合層は、基材を構成する耐熱合金との親和性に優れるのは勿論のこと、セラミックス層を構成する安定化ジルコニアなどのセラミックス材料との親和性にも優れているので、遮熱層であるセラミックス層をより強固に固定することができ、この点においてもセラミックス層の剥離が起こり難い遮熱コーティング材を実現することができる。
【００１６】
次に、本発明に係る遮熱コーティング材は、前記金属結合層の前記セラミックス層との界面にＡｌ2Ｏ3を主成分とする酸化スケール層が形成され、該酸化スケール層の金属結合層側に、前記酸化スケール層の生成によりＡｌ含有量が低下した酸化変質層が形成されており、前記酸化変質層にＣｒＲｅ化合物を主成分とする析出物が含まれることを特徴としている。
【００１７】
すなわち、本発明に係る遮熱コーティング材は、金属結合層を本発明に係る耐高温腐食合金材により形成することで、金属結合層表面に緻密なＡｌ2Ｏ3スケールを形成させ、かつこのＡｌ2Ｏ3スケールの生成により生じた酸化変質層にＣｒＲｅ化合物を含む析出物を生成させてＮｉＣｒ2Ｏ4やＣｒ2Ｏ3等の低密度で脆い化合物の生成を阻害することにより、優れた耐酸化性、耐食性を備えた遮熱コーティング材とされている。また、上記ＣｒＲｅ化合物の生成により表面のＡｌ2Ｏ3スケールの成長が阻害されるため、長期間に渡りＡｌ2Ｏ3スケールを適切な膜厚に保持することができる。これにより長寿命の遮熱コーティング材を提供することができる。
【００１８】
次に、本発明に係る遮熱コーティング材においては、前記金属結合層が、先のいずれかに記載の耐高温腐食合金材の粉末を用いた溶射法により成膜されていてもよく、前記金属結合層が、先のいずれかに記載の耐高温腐食合金材を用いた電子ビーム物理蒸着法により成膜されていてもよい。上記いずれの成膜法を用いても、上記の優れた耐酸化性、耐食性を備えた金属結合層を形成することができる。
【００１９】
次に、本発明は、先に記載の遮熱コーティング材を備えたことを特徴とするタービン部材を提供する。すなわち、前記遮熱コーティング材を用いたことで、耐酸化性、耐食性に優れ、かつセラミックス層の剥離が起こり難い、長寿命のタービン部材を提供することができる。
【００２０】
次に、本発明は、先に記載のタービン部材を備えたことを特徴とするガスタービンを提供する。耐酸化性、耐食性に優れたタービン部材により構成される本発明のガスタービンは、高温のガスを用いた場合にも長期間に渡り安定に高効率で運転することが可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る遮熱コーティング材を適用した遮熱コーティング膜の断面構造を模式的に示す図である。この遮熱コーティング膜は、動翼等の高温用耐熱合金基材２１上に積層されたボンドコート層（金属結合層）２２と、このボンドコート層２２上に積層されたセラミックス層２３とから構成されており、ボンドコート層２２は、耐食性及び耐酸化性に優れた本発明に係る耐高温腐食合金材を用いて成膜されており、セラミックス層２３は、Ｙ2Ｏ3で部分安定化されたＺｒＯ2（イットリア部分安定化ジルコニア、ＹＳＺ）等のセラミックス材料を用いて構成されている。
【００２２】
ボンドコート層２２は、基材２１とセラミックス層２３との熱膨張係数差を小さくして熱応力を緩和する機能を有し、セラミックス層２３がボンドコート層２２から剥離するのを防止するとともに、基材２１の酸化や腐食を防止している。このボンドコート層２２は、低圧プラズマ溶射法や、高速フレーム溶射法、電子ビーム物理蒸着法等により形成することができる。
図１に示す遮熱コーティング膜に用いられているボンドコート層２２は、本発明に係る耐高温腐食合金材を用い、上記成膜法により成膜されていることを特徴としている。すなわち、その材料として質量％で、Ｃｏ：０．１〜１２％、Ｃｒ：１０〜３０％、Ａｌ：４〜１５％、Ｙ：０．１〜５％、Ｒｅ：０．５〜１０％を含み、残部がＮｉからなる本発明の耐高温腐食合金材を用いることで、耐酸化性、耐食性に優れ、かつ延性に優れたボンドコート層を実現している。
【００２３】
上記ボンドコート層２２は、上記範囲の組成を有する耐高温腐食合金材の粉末を用いて基材２１上に溶射又は蒸着させることで成膜することができる。特に、低圧プラズマ溶射法により成膜を行うならば、より緻密なボンドコート層２２を形成することができるので、より耐酸化性、耐食性に優れた遮熱コーティング膜を形成することができる。
【００２４】
また、ボンドコート層２２を構成する耐高温腐食合金材として、上記の組成のものの他に、Ｈｆ：０．０１〜０．７質量％及び／又はＳｉ：０．０１〜１．５質量％を含む耐高温腐食合金材を適用することもできる。このような構成とすることで、より剥離し難く、長寿命のボンドコート層２２を実現することができる。
【００２５】
セラミックス層２３は、上記ＹＳＺのほか、Ｅｒ2Ｏ3や、Ｙｂ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3等で部分安定化又は完全安定化されたＺｒＯ2を用いて形成することもできる。あるいは、ＺｒＯ2以外のセラミックス材料としては、Ａｌ2Ｏ3，Ｌａ2Ｚｒ2Ｏ7等を挙げることができる。いずれの材料に対しても、上記構成のボンドコート層２２は優れた親和性を有するので、ボンドコート層２２とセラミックス層２３とが強固に接合され、熱衝撃に対しても優れた耐久性を示す。
【００２６】
このセラミックス層２３は、例えばＹｂ2Ｏ3で安定化されたＺｒＯ2を材料として用いる場合には、ＺｒＯ2−Ｙｂ2Ｏ3粉末またはインゴットを用いて、大気圧プラズマ溶射法若しくは電子ビーム物理蒸着法により成膜することができる。この大気圧プラズマ溶射において使用されるＺｒＯ2−Ｙｂ2Ｏ3粉末は、以下の手順により製造することができる。
まず、ＺｒＯ2粉末と所定の添加割合のＹｂ2Ｏ3粉末を用意し、これらの粉末を適当なバインダーや分散剤とともにボールミル中で混合してスラリー状にする。次に、これをスプレードライヤーにより粒状にして乾燥させた後、拡散熱処理により固溶化させ、ＺｒＯ2−Ｙｂ2Ｏ3の複合粉末を得る。
そして、この複合粉末をボンドコート層２２上に溶射することによりＹｂ2Ｏ3で安定化されたＺｒＯ2からなるセラミックス層２３を得ることができる。また、セラミックス層２３の成膜法として電子ビーム物理蒸着法を用いる場合には、所定の組成を有する原料を焼結又は電融固化して得られるインゴットを使用して電子ビーム物理蒸着を行えばよい。
【００２７】
上述した構成の遮熱コーティング材は、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材にも適用することができる。これらの部材に本発明に係る遮熱コーティング膜を被覆することで、熱サイクル耐久性に優れるガスタービン部材や高温部品を構成することができる。
【００２８】
図４及び図５は、上述した実施の形態に係る遮熱コーティング膜を適用可能なタービン翼（タービン部材）の構成例を示す斜視図である。
図４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５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。
【００２９】
次に、図４，５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６を参照して以下に説明する。図６は、本発明に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６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、数段（図６では４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。
【００３０】
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。すなわち、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６５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。
【００３１】
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ＣＭ２４７Ｌ＝キャノン マスケゴン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。すなわち、タービン翼を構成する材料は、本発明による遮熱コーティング材において基材として採用可能な耐熱合金が使用されている。従って、本発明による遮熱コーティング膜を、これらのタービン翼に被覆すれば、遮熱効果と、耐剥離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、また耐久性に優れ、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。
【００３２】
上述した実施の形態によれば、セラミックス層と基材との間に設けられる金属結合層が、耐酸化性、耐食性に優れ、かつ優れた延性を備える本発明の耐高温腐食合金材により構成されているため、高温環境で使用した場合にも酸化、腐食が起こりにくく、またセラミックス層の剥離が起こりにくい、優れた耐久性を得ることができる。従って、従来よりも高い温度環境で使用可能な、耐久性に優れた遮熱コーティング材を実現することができる。
また、ガスタービンの高温部品などを本発明に係る遮熱コーティング膜で被覆することによって、従来よりも高い温度環境であっても十分な耐久性を有するガスタービン部材やガスタービンを得ることができる。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するとともに、本発明の効果をより明らかにする。
５ｍｍ厚さのＮｉ−２２Ｃｒ−９Ｍｏ−８Ｃｏ−１．０Ａｌ（質量％）合金基材と、表１に示す組成の合金粉末を用意し、これらの粉末を用いて低圧プラズマ溶射法により前記基材上に０．１ｍｍ厚さの合金層を形成して各試料を作製した。また、成膜のみのas coat材のほか、成膜後に８５０℃×２４時間の熱拡散処理を施した熱処理材を作製した。
次いで、上記にて得られた各試料を８ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切断した後、以下に示す３点曲げ試験に供し、各試料の合金層３２の延性の評価を行った。
【００３４】
ここで、３点曲げ試験について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、本例の３点曲げ試験に用いた曲げ試験装置を模式的に示す構成図であり、図３は、曲げ試験後の試料の側面図である。
図２に示す曲げ試験装置は、互いに平行に水平に７０ｍｍの間隔を有して設けられた２本の支持ピン３５，３５と、これら支持ピン３５，３５の中線上にその中心線が位置するように配置されたポンチ３６とを備えており、前記支持ピン３５，３５上に、基材３１上に合金層３２が形成された試料が、合金層３２を支持ピン側に向けて配置されるようになっている。また、試験装置の支持ピン３５，３５上に載置された試料には、その合金層３２の表面に曲げによる合金層３２の歪みを測定するための複数（図２では、７個）の歪みゲージ３８が貼着され、この歪みゲージ３８に歪みゲージ３８からの出力信号を読み出すための信号線３９がそれぞれ接続される。
【００３５】
このような構成の曲げ試験装置を用いて３点曲げ試験を行うには、支持ピン３５，３５上に載置された試料の基材３１側からポンチ３６を押し当てた状態から、所定の距離だけポンチ３６を図示下方へ移動させ、試料をく字形に曲げて試験を行い、その際同時に歪みゲージ３８による合金層３２表面の歪みの測定を行う。
このようにして試験に供された後の試料は、図３に示すようにく字形に変形され、表面の合金層３２には、ポンチ３６が押し当てられた位置を中心に膜厚方向に亀裂が生じる。本例では、試料の中心から亀裂が生じた領域の端部（割れ限界位置）までの長さＬ１，Ｌ２を測定し、これらの和Ｌを亀裂発生領域長さとして規定した。
また、上記歪みゲージ３８による歪みの測定結果から得られる歪み分布曲線から合金層３２に亀裂が生じる限界の歪み値を導出した。表１に、３点曲げ試験により得られた測定結果を併記する。
【００３６】
【表１】
【００３７】
表１に示すように、その組成範囲が、本発明の要件を満たすＮｏ．１〜５の試料は、従来耐酸化性に優れる合金層として用いられている合金が形成された試料（Ｎｏ．９）に比べ、亀裂発生領域長さＬが小さく、限界割れ歪みが大きい結果となり、また、従来延性に優れる合金層として用いられている合金が形成された試料（Ｎｏ．１０）に比べても、亀裂発生領域長さＬが小さく、限界割れ歪みも熱処理材で同等であり、as coat材ではより優れている結果となった。
従って、本発明の要件を満たす組成範囲（Ｃｏ：０．１〜１２％、Ｃｒ：１０〜３０％、Ａｌ：４〜１５％、Ｙ：０．１〜５％、Ｒｅ：０．５〜１０％、残部Ｎｉ）に制御された耐高温腐食合金材により形成された合金層は、優れた延性を備えていることが確認された。以上の結果から、本発明の要件を満たす耐高温腐食合金材を用いるならば、溶射施工時や熱サイクル時における合金層の割れを効果的に抑制し得ると言える。
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の耐高温腐食合金材は、質量％で、Ｃｏ：０．１〜１２％、Ｃｒ：１０〜３０％、Ａｌ：４〜１５％、Ｙ：０．１〜５％、Ｒｅ：０．５〜１０％を含み、残部がＮｉからなる構成とされており、この耐高温腐食合金材を用いて遮熱コーティング膜の金属結合層を構成するならば、延性に優れる金属結合層を形成することができ、これにより金属結合層に積層されたセラミックス層に作用する応力を低減し、もってセラミックス層の剥離を防止することができる。
【００３９】
次に、本発明に係る遮熱コーティング材は、上記本発明の耐高温腐食合金材により形成された金属結合層を、基材とセラミックス層との間に備えたことで、耐酸化性、耐食性に優れ、かつセラミックス層が剥離しにくい遮熱コーティング材を実現している。
【００４０】
次に、本発明に係るガスタービン部材は、上記遮熱コーティング材を用いて構成されたことで、従来よりも高温の環境での使用にも充分耐える、耐久性に優れたガスタービン部材を実現している。またこのガスタービン部材を備えたガスタービンは、より高温のガスを使用することができ、高効率での稼働が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に係る遮熱コーティング材の模式断面図である。
【図２】 図２は、３点曲げ試験装置を模式的に示す構成図である。
【図３】 図３は、図２に示す試験装置による曲げ試験後の試料の側面図である。
【図４】 図４は、本発明に係るタービン部材の一例である動翼の斜視構成図である。
【図５】 図５は、本発明に係るタービン部材の一例である静翼の斜視構成図である。
【図６】 図６は、本発明に係るガスタービンの一部断面構成図である。
【図７】 図７は、従来の遮熱コーティング材の断面構成図である。
【符号の説明】
２１ 耐熱合金基材
２２ 金属結合層
２３ セラミックス層
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐高温腐食合金材、遮熱コーティング材、タービン部材、及びガスタービンに係り、特に、優れた耐酸化性と延性とを備え、遮熱コーティング材の金属結合層に用いて好適な耐高温腐食合金材の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギー対策の一つとして、火力発電の熱効率を高めることが検討されている。発電用ガスタービンの発電効率を向上させるためには、タービンのガス入口温度を上昇させることが有効であり、入口温度を１５００℃以上にまで上昇させることが行われている。このような発電装置の高温化を実現するためには、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を耐熱部材で構成する必要がある。しかしタービン翼の材料は耐熱金属であるが、それでもこのような高温には耐えられないために、図７に示すように、耐熱金属の基材１０１上に金属結合層１０２を形成し、この金属結合層１０２上に溶射等の成膜方法によって酸化物セラミックスからなるセラミックス層１０３を積層した遮熱コーティング膜（Thermal Barrier Coating,ＴＢＣ）を形成して高温から保護することが行われている。この金属結合層１０１としては、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、又はこれらの組み合わせ）が知られており、セラミックス層１０２としてはＺｒＯ2系の材料、特にＹ2Ｏ3で部分安定化又は完全安定化したＺｒＯ2であるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）が、セラミックス材料の中では比較的低い熱伝導率と比較的高い熱膨張率を有しているためによく用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記遮熱コーティング膜を被覆することで、基材の耐熱性を向上させることができるが、近年のガスタービンの高温化によりガスタービンの種類によっては、タービンの入口温度が１５００℃を越える温度にまで上昇することが想定され、特に環境対策の関係から近年開発が進められている超高温型ガスタービンではタービンの入口温度が１７００℃にも達し、タービン翼のＴＢＣ表面温度が１３００℃程度にまで昇温されると考えられている。従って、タービンの発停に伴う熱サイクルの温度幅が大きくなることで、タービン翼など高温部品の線膨張係数差による熱応力が大きくなる。そのため、タービンの運転中に金属結合層１０２に亀裂が発生し、基材１０１への亀裂進展やセラミックス層１０３の剥離へとつながるおそれがある。
従って、金属結合層１０２の亀裂発生を防止するために、金属結合層１０２の延性を高める事が求められている。また、ガス温度の高温化に伴い燃料に含まれる腐食成分や流入空気に同伴される塩分などによるタービン翼などの腐食や酸化がより著しくなることが考えられ、金属結合層１０２の耐食性、耐酸化性の向上も求められている。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、優れた耐酸化性、耐食性を備え、かつ延性に優れた耐高温腐食合金材を提供することを目的の一つとする。
また本発明は、上記合金材により形成された金属結合層を備え、耐剥離性に優れた遮熱コーティング材を提供することを目的の一つとする。
また本発明は、上記遮熱コーティング材が被覆されたタービン部材、並びにこのタービン部材を備えたガスタービンを提供することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために、金属結合層を構成するＭＣｒＡｌＹ合金の組成について研究を重ね、以下の構成を備えた耐高温腐食合金材によれば、延性及び耐酸化性に優れる金属結合層を構成し得ることを知見し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明の耐高温腐食合金材は、質量％で、Ｃｏ：０．１〜１２％、Ｃｒ：１０〜３０％、Ａｌ：４〜１５％、Ｙ：０．１〜５％、Ｒｅ：０．５〜１０％を含み、残部がＮｉからなることを特徴とする。
【０００６】
係る構成の耐高温腐食合金材を用いて基材上に金属結合層を形成し、この金属結合層上にセラミックス層を積層して遮熱コーティング材を構成するならば、延性と耐酸化性に優れる金属結合層を備えた遮熱コーティング材とすることができる。つまり、金属結合層の優れた延性により金属結合層上に積層されたセラミックス層に作用する応力を低減し、もってセラミックス層の剥離を防止することができ、また金属結合層の優れた耐酸化性により基材の高温酸化、高温腐食を防止し、遮熱コーティング材の長寿命化を実現することができる。また、上記構成の耐高温腐食合金材を用いて形成された金属結合層は、セラミックス層によく用いられる安定化ジルコニアとの親和性に優れており、セラミックス層をより強固に固定し、剥離し難くすることができる。
【０００７】
以下に、本発明に係る耐高温腐食合金材に含まれる各元素の作用とその適正な範囲について説明する。
Ｃｏ（０．１〜１２質量％）：Ｃｏは、添加量を多くするほど耐高温腐食合金材の延性を高める作用を有するが、０．１質量％未満では十分な効果が得られず、１２質量％を越えて含有させても得られる効果が変わらない。
【０００８】
Ｃｒ（１０〜３０質量％）：Ｃｒは、添加量を多くするほど耐高温腐食合金材の耐酸化性を向上させる効果を有しているが、その添加量が１０質量％未満では十分な耐酸化性を得ることができず、３０質量％を越えると合金材が硬くなり延性が低下するとともに緻密なＡｌ2Ｏ3の生成を阻害する。従って、耐酸化性と延性とのバランスの点から、Ｃｒ添加量１５〜２５質量％の範囲とすることがより好ましい。
【０００９】
Ａｌ（４〜１５質量％）：Ａｌは、耐高温腐食合金材を例えば遮熱コーティング膜の金属結合層に用いた場合に、その表面に緻密なＡｌ2Ｏ3スケールを形成し、金属結合層の耐酸化性を向上させ、遮熱コーティング膜の耐酸化性を向上させる効果がある。しかし、４質量％未満では（Ｎｉ，Ｃｏ）（Ｃｒ，Ａｌ）2Ｏ4スピネル複合酸化物が生成するために緻密なＡｌ2Ｏ3スケールが生成されなくなり、耐酸化性を向上させる効果が得られない。また、１５質量％を越えると、耐高温腐食合金材に含まれるＮｉ、Ｃｏとの金属間化合物（Ｎｉ，Ｃｏ−Ａｌ）相が形成されて硬くなり、延性が低下するので好ましくない。Ａｌの添加量は、４〜８質量％とすることがより好ましく、この範囲に制御することでより優れた延性を備える耐高温腐食合金材とすることができる。
【００１０】
Ｙ（０．１〜５質量％）：Ｙを添加することにより表面のＡｌ2Ｏ3スケールの剥離を防止する作用を有しているが、添加量が多すぎると耐高温腐食合金材を脆くし、耐熱衝撃性が低下するため、５質量％を上限値とした。また、添加量が０．１質量％未満では、十分な効果が得られない。Ｙ添加量のより好ましい範囲は０．１〜１質量％である。
【００１１】
Ｒｅ（０．５〜６質量％）：Ｒｅは、耐高温腐食合金材で形成された金属結合層表面に形成される上記Ａｌ2Ｏ3スケールをより緻密なものとし、耐高温腐食合金材の耐食性を向上させる効果を有しており、また上記Ａｌ2Ｏ3スケール直下に形成される酸化変質層において、ＣｒＲｅ化合物を形成し、酸化変質層の脆化を防止し、かつＡｌ2Ｏ3スケールの成長を阻害し、遮熱コーティング膜の寿命を延ばす効果を有している。
上記酸化変質層はＡｌ2Ｏ3スケールの形成により金属結合層表面近傍のＡｌ濃度が低下し、ＣｒやＮｉの濃度が相対的に上昇することにより形成されるが、このようなＣｒ，Ｎｉリッチの状態においては、酸化変質層内にＮｉＣｒ 2 Ｏ4やＣｒ2Ｏ3等の低密度で脆い化合物が生成し易くなる。本発明に係る耐高温腐食合金材を用いて金属結合層を構成するならば、上記ＣｒＲｅ化合物が形成されることで上記酸化変質層のＣｒ濃度が低下するので、上記の低密度の化合物が生成されるのを防止することができ、金属結合層の耐熱衝撃性が低下するのを防止することができる。
Ｒｅ含有量が０．５質量％未満では、上記ＣｒＲｅ化合物の生成がほとんどないため上述の効果を得ることができず、１０質量％を越えて添加すると硬くなって延性が低下する。
特に、本発明に係る耐高温腐食合金材においては、前記Ｒｅの含有量が、質量％で０．５〜６％とされることが好ましく、０．５〜４質量％の範囲とするのが最も良い。Ｒｅ含有量を上記範囲に制御することで、優れた延性を得られ、かつＡｌ2Ｏ3スケールの成長が遅く、剥離し難い長寿命の金属結合層を構成することができる。
【００１２】
本発明に係る耐高温腐食合金材は、質量％で、Ｈｆ：０．０１〜０．７％及び／又はＳｉ：０．０１〜１．５％を含む構成とすることもできる。
【００１３】
Ｈｆ（０．０１〜０．７質量％）：Ｈｆは、先のＹと同様に金属結合層表面に形成されるＡｌ2Ｏ3スケールの剥離を防止する作用を有しており、これにより金属結合層上に積層されるセラミックス層の剥離を防止し、遮熱コーティング材を長寿命化することができる。しかしながら、添加量が多すぎると耐高温腐食合金材を脆くするため、その上限値は０．７質量％とすることが好ましい。
【００１４】
Ｓｉ（０．０１〜１．５質量％）：Ｓｉは、金属結合層表面のＡｌ2Ｏ3スケールの成長を阻害し、金属結合層を長寿命化する作用を有するが、添加量が０．０１質量％未満では上記効果を得ることができず、１．５質量％を越えて添加すると、耐高温腐食合金材が硬くなり延性が低下する傾向にある。
【００１５】
次に、本発明に係る遮熱コーティング材は、先のいずれかに記載の耐高温腐食合金材を用いて形成された金属結合層と、該金属結合層上に積層されたセラミックス層とが、耐熱合金基材上に形成されたことを特徴とする。
本発明に係る遮熱コーティング材は、先に記載の本発明の耐高温腐食合金材により形成された金属結合層を備えたことで、耐酸化性及び耐食性に優れ、かつ延性に優れた金属結合層を実現している。従って、高温部品として用いられた場合には、部品の高温酸化、高温腐食を効果的に防止することができるとともに、金属結合層に熱サイクルに伴う亀裂発生を起こす事がなく、部品に高い耐久性を与える事ができる。また、本発明に係る耐高温腐食合金材により構成された金属結合層は、基材を構成する耐熱合金との親和性に優れるのは勿論のこと、セラミックス層を構成する安定化ジルコニアなどのセラミックス材料との親和性にも優れているので、遮熱層であるセラミックス層をより強固に固定することができ、この点においてもセラミックス層の剥離が起こり難い遮熱コーティング材を実現することができる。
【００１６】
次に、本発明に係る遮熱コーティング材は、前記金属結合層の前記セラミックス層との界面にＡｌ2Ｏ3を主成分とする酸化スケール層が形成され、該酸化スケール層の金属結合層側に、前記酸化スケール層の生成によりＡｌ含有量が低下した酸化変質層が形成されており、前記酸化変質層にＣｒＲｅ化合物を主成分とする析出物が含まれることを特徴としている。
【００１７】
すなわち、本発明に係る遮熱コーティング材は、金属結合層を本発明に係る耐高温腐食合金材により形成することで、金属結合層表面に緻密なＡｌ2Ｏ3スケールを形成させ、かつこのＡｌ2Ｏ3スケールの生成により生じた酸化変質層にＣｒＲｅ化合物を含む析出物を生成させてＮｉＣｒ2Ｏ4やＣｒ2Ｏ3等の低密度で脆い化合物の生成を阻害することにより、優れた耐酸化性、耐食性を備えた遮熱コーティング材とされている。また、上記ＣｒＲｅ化合物の生成により表面のＡｌ2Ｏ3スケールの成長が阻害されるため、長期間に渡りＡｌ2Ｏ3スケールを適切な膜厚に保持することができる。これにより長寿命の遮熱コーティング材を提供することができる。
【００１８】
次に、本発明に係る遮熱コーティング材においては、前記金属結合層が、先のいずれかに記載の耐高温腐食合金材の粉末を用いた溶射法により成膜されていてもよく、前記金属結合層が、先のいずれかに記載の耐高温腐食合金材を用いた電子ビーム物理蒸着法により成膜されていてもよい。上記いずれの成膜法を用いても、上記の優れた耐酸化性、耐食性を備えた金属結合層を形成することができる。
【００１９】
次に、本発明は、先に記載の遮熱コーティング材を備えたことを特徴とするタービン部材を提供する。すなわち、前記遮熱コーティング材を用いたことで、耐酸化性、耐食性に優れ、かつセラミックス層の剥離が起こり難い、長寿命のタービン部材を提供することができる。
【００２０】
次に、本発明は、先に記載のタービン部材を備えたことを特徴とするガスタービンを提供する。耐酸化性、耐食性に優れたタービン部材により構成される本発明のガスタービンは、高温のガスを用いた場合にも長期間に渡り安定に高効率で運転することが可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る遮熱コーティング材を適用した遮熱コーティング膜の断面構造を模式的に示す図である。この遮熱コーティング膜は、動翼等の高温用耐熱合金基材２１上に積層されたボンドコート層（金属結合層）２２と、このボンドコート層２２上に積層されたセラミックス層２３とから構成されており、ボンドコート層２２は、耐食性及び耐酸化性に優れた本発明に係る耐高温腐食合金材を用いて成膜されており、セラミックス層２３は、Ｙ2Ｏ3で部分安定化されたＺｒＯ2（イットリア部分安定化ジルコニア、ＹＳＺ）等のセラミックス材料を用いて構成されている。
【００２２】
ボンドコート層２２は、基材２１とセラミックス層２３との熱膨張係数差を小さくして熱応力を緩和する機能を有し、セラミックス層２３がボンドコート層２２から剥離するのを防止するとともに、基材２１の酸化や腐食を防止している。このボンドコート層２２は、低圧プラズマ溶射法や、高速フレーム溶射法、電子ビーム物理蒸着法等により形成することができる。
図１に示す遮熱コーティング膜に用いられているボンドコート層２２は、本発明に係る耐高温腐食合金材を用い、上記成膜法により成膜されていることを特徴としている。すなわち、その材料として質量％で、Ｃｏ：０．１〜１２％、Ｃｒ：１０〜３０％、Ａｌ：４〜１５％、Ｙ：０．１〜５％、Ｒｅ：０．５〜１０％を含み、残部がＮｉからなる本発明の耐高温腐食合金材を用いることで、耐酸化性、耐食性に優れ、かつ延性に優れたボンドコート層を実現している。
【００２３】
上記ボンドコート層２２は、上記範囲の組成を有する耐高温腐食合金材の粉末を用いて基材２１上に溶射又は蒸着させることで成膜することができる。特に、低圧プラズマ溶射法により成膜を行うならば、より緻密なボンドコート層２２を形成することができるので、より耐酸化性、耐食性に優れた遮熱コーティング膜を形成することができる。
【００２４】
また、ボンドコート層２２を構成する耐高温腐食合金材として、上記の組成のものの他に、Ｈｆ：０．０１〜０．７質量％及び／又はＳｉ：０．０１〜１．５質量％を含む耐高温腐食合金材を適用することもできる。このような構成とすることで、より剥離し難く、長寿命のボンドコート層２２を実現することができる。
【００２５】
セラミックス層２３は、上記ＹＳＺのほか、Ｅｒ2Ｏ3や、Ｙｂ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3等で部分安定化又は完全安定化されたＺｒＯ2を用いて形成することもできる。あるいは、ＺｒＯ2以外のセラミックス材料としては、Ａｌ2Ｏ3，Ｌａ2Ｚｒ2Ｏ7等を挙げることができる。いずれの材料に対しても、上記構成のボンドコート層２２は優れた親和性を有するので、ボンドコート層２２とセラミックス層２３とが強固に接合され、熱衝撃に対しても優れた耐久性を示す。
【００２６】
このセラミックス層２３は、例えばＹｂ2Ｏ3で安定化されたＺｒＯ2を材料として用いる場合には、ＺｒＯ2−Ｙｂ2Ｏ3粉末またはインゴットを用いて、大気圧プラズマ溶射法若しくは電子ビーム物理蒸着法により成膜することができる。この大気圧プラズマ溶射において使用されるＺｒＯ2−Ｙｂ2Ｏ3粉末は、以下の手順により製造することができる。
まず、ＺｒＯ2粉末と所定の添加割合のＹｂ2Ｏ3粉末を用意し、これらの粉末を適当なバインダーや分散剤とともにボールミル中で混合してスラリー状にする。次に、これをスプレードライヤーにより粒状にして乾燥させた後、拡散熱処理により固溶化させ、ＺｒＯ2−Ｙｂ2Ｏ3の複合粉末を得る。
そして、この複合粉末をボンドコート層２２上に溶射することによりＹｂ2Ｏ3で安定化されたＺｒＯ2からなるセラミックス層２３を得ることができる。また、セラミックス層２３の成膜法として電子ビーム物理蒸着法を用いる場合には、所定の組成を有する原料を焼結又は電融固化して得られるインゴットを使用して電子ビーム物理蒸着を行えばよい。
【００２７】
上述した構成の遮熱コーティング材は、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材にも適用することができる。これらの部材に本発明に係る遮熱コーティング膜を被覆することで、熱サイクル耐久性に優れるガスタービン部材や高温部品を構成することができる。
【００２８】
図４及び図５は、上述した実施の形態に係る遮熱コーティング膜を適用可能なタービン翼（タービン部材）の構成例を示す斜視図である。
図４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５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。
【００２９】
次に、図４，５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６を参照して以下に説明する。図６は、本発明に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６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、数段（図６では４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。
【００３０】
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。すなわち、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６５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。
【００３１】
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ＣＭ２４７Ｌ＝キャノン マスケゴン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。すなわち、タービン翼を構成する材料は、本発明による遮熱コーティング材において基材として採用可能な耐熱合金が使用されている。従って、本発明による遮熱コーティング膜を、これらのタービン翼に被覆すれば、遮熱効果と、耐剥離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、また耐久性に優れ、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。
【００３２】
上述した実施の形態によれば、セラミックス層と基材との間に設けられる金属結合層が、耐酸化性、耐食性に優れ、かつ優れた延性を備える本発明の耐高温腐食合金材により構成されているため、高温環境で使用した場合にも酸化、腐食が起こりにくく、またセラミックス層の剥離が起こりにくい、優れた耐久性を得ることができる。従って、従来よりも高い温度環境で使用可能な、耐久性に優れた遮熱コーティング材を実現することができる。
また、ガスタービンの高温部品などを本発明に係る遮熱コーティング膜で被覆することによって、従来よりも高い温度環境であっても十分な耐久性を有するガスタービン部材やガスタービンを得ることができる。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するとともに、本発明の効果をより明らかにする。
５ｍｍ厚さのＮｉ−２２Ｃｒ−９Ｍｏ−８Ｃｏ−１．０Ａｌ（質量％）合金基材と、表１に示す組成の合金粉末を用意し、これらの粉末を用いて低圧プラズマ溶射法により前記基材上に０．１ｍｍ厚さの合金層を形成して各試料を作製した。また、成膜のみのas coat材のほか、成膜後に８５０℃×２４時間の熱拡散処理を施した熱処理材を作製した。
次いで、上記にて得られた各試料を８ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切断した後、以下に示す３点曲げ試験に供し、各試料の合金層３２の延性の評価を行った。
【００３４】
ここで、３点曲げ試験について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、本例の３点曲げ試験に用いた曲げ試験装置を模式的に示す構成図であり、図３は、曲げ試験後の試料の側面図である。
図２に示す曲げ試験装置は、互いに平行に水平に７０ｍｍの間隔を有して設けられた２本の支持ピン３５，３５と、これら支持ピン３５，３５の中線上にその中心線が位置するように配置されたポンチ３６とを備えており、前記支持ピン３５，３５上に、基材３１上に合金層３２が形成された試料が、合金層３２を支持ピン側に向けて配置されるようになっている。また、試験装置の支持ピン３５，３５上に載置された試料には、その合金層３２の表面に曲げによる合金層３２の歪みを測定するための複数（図２では、７個）の歪みゲージ３８が貼着され、この歪みゲージ３８に歪みゲージ３８からの出力信号を読み出すための信号線３９がそれぞれ接続される。
【００３５】
このような構成の曲げ試験装置を用いて３点曲げ試験を行うには、支持ピン３５，３５上に載置された試料の基材３１側からポンチ３６を押し当てた状態から、所定の距離だけポンチ３６を図示下方へ移動させ、試料をく字形に曲げて試験を行い、その際同時に歪みゲージ３８による合金層３２表面の歪みの測定を行う。
このようにして試験に供された後の試料は、図３に示すようにく字形に変形され、表面の合金層３２には、ポンチ３６が押し当てられた位置を中心に膜厚方向に亀裂が生じる。本例では、試料の中心から亀裂が生じた領域の端部（割れ限界位置）までの長さＬ１，Ｌ２を測定し、これらの和Ｌを亀裂発生領域長さとして規定した。
また、上記歪みゲージ３８による歪みの測定結果から得られる歪み分布曲線から合金層３２に亀裂が生じる限界の歪み値を導出した。表１に、３点曲げ試験により得られた測定結果を併記する。
【００３６】
【表１】
表１に示すように、その組成範囲が、本発明の要件を満たすＮｏ．１〜５の試料は、従来耐酸化性に優れる合金層として用いられている合金が形成された試料（Ｎｏ．９）に比べ、亀裂発生領域長さＬが小さく、限界割れ歪みが大きい結果となり、また、従来延性に優れる合金層として用いられている合金が形成された試料（Ｎｏ．１０）に比べても、亀裂発生領域長さＬが小さく、限界割れ歪みも熱処理材で同等であり、as coat材ではより優れている結果となった。
従って、本発明の要件を満たす組成範囲（Ｃｏ：０．１〜１２％、Ｃｒ：１０〜３０％、Ａｌ：４〜１５％、Ｙ：０．１〜５％、Ｒｅ：０．５〜１０％、残部Ｎｉ）に制御された耐高温腐食合金材により形成された合金層は、優れた延性を備えていることが確認された。以上の結果から、本発明の要件を満たす耐高温腐食合金材を用いるならば、溶射施工時や熱サイクル時における合金層の割れを効果的に抑制し得ると言える。
【００３８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の耐高温腐食合金材は、質量％で、Ｃｏ：０．１〜１２％、Ｃｒ：１０〜３０％、Ａｌ：４〜１５％、Ｙ：０．１〜５％、Ｒｅ：０．５〜１０％を含み、残部がＮｉからなる構成とされており、この耐高温腐食合金材を用いて遮熱コーティング膜の金属結合層を構成するならば、延性に優れる金属結合層を形成することができ、これにより金属結合層に積層されたセラミックス層に作用する応力を低減し、もってセラミックス層の剥離を防止することができる。
【００３９】
次に、本発明に係る遮熱コーティング材は、上記本発明の耐高温腐食合金材により形成された金属結合層を、基材とセラミックス層との間に備えたことで、耐酸化性、耐食性に優れ、かつセラミックス層が剥離しにくい遮熱コーティング材を実現している。
【００４０】
次に、本発明に係るガスタービン部材は、上記遮熱コーティング材を用いて構成されたことで、従来よりも高温の環境での使用にも充分耐える、耐久性に優れたガスタービン部材を実現している。またこのガスタービン部材を備えたガスタービンは、より高温のガスを使用することができ、高効率での稼働が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に係る遮熱コーティング材の模式断面図である。
【図２】 図２は、３点曲げ試験装置を模式的に示す構成図である。
【図３】 図３は、図２に示す試験装置による曲げ試験後の試料の側面図である。
【図４】 図４は、本発明に係るタービン部材の一例である動翼の斜視構成図である。
【図５】 図５は、本発明に係るタービン部材の一例である静翼の斜視構成図である。
【図６】 図６は、本発明に係るガスタービンの一部断面構成図である。
【図７】 図７は、従来の遮熱コーティング材の断面構成図である。
【符号の説明】
２１ 耐熱合金基材
２２ 金属結合層
２３ セラミックス層
Claims (10)
- 質量％で、Ｃｏ：０．１〜１２％、Ｃｒ：１０〜３０％、Ａｌ：４〜１５％、Ｙ：０．１〜５％、Ｒｅ：０．５〜１０％を含み、残部がＮｉからなることを特徴とする耐高温腐食合金材。
- 前記Ｒｅの含有量が、質量％で０．５〜６％とされたことを特徴とする請求項１に記載の耐高温腐食合金材。
- 前記Ｒｅの含有量が、質量％で０．５〜４％とされたことを特徴とする請求項２に記載の耐高温腐食合金材。
- 質量％で、Ｈｆ：０．０１〜０．７％及び／又はＳｉ：０．０１〜１．５％を含有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の耐高温腐食合金材。
- 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の耐高温腐食合金材を用いて形成された金属結合層と、該金属結合層上に積層されたセラミックス層とが、耐熱合金基材上に形成されたことを特徴とする遮熱コーティング材。
- 前記金属結合層の前記セラミックス層との界面にＡｌ2Ｏ3を主成分とする酸化スケール層が形成され、該酸化スケール層の金属結合層側に、前記酸化スケール層の生成によりＡｌ含有量が低下した酸化変質層が形成されており、
前記酸化変質層にＣｒＲｅ化合物を主成分とする析出物が含まれることを特徴とする請求項５に記載の遮熱コーティング材。 - 前記金属結合層が、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の耐高温腐食合金材の粉末を用いた溶射法により成膜されたことを特徴とする請求項５又は６に記載の遮熱コーティング材。
- 前記金属結合層が、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の耐高温腐食合金材を用いた電子ビーム物理蒸着法により成膜されたことを特徴とする請求項５又は６に記載の遮熱コーティング材。
- 請求項５ないし８のいずれか１項に記載の遮熱コーティング材を備えたことを特徴とするタービン部材。
- 請求項９に記載のタービン部材を備えたことを特徴とするガスタービン。
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