JP4486652B2 - ガス圧縮機用インペラおよびこれを備えたガス圧縮機 - Google Patents
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Description
本発明は、固体粒子を含むガスを圧縮するガス圧縮機用インペラおよびこれを備えたガス圧縮機に関するものである。
主として空気等のガスを圧縮するために設計されたガス圧縮機であっても、用途によっては不可避的に固体粒子が混入されたガスを圧縮する必要がある。例えば、製鉄所にて用いられる空気を圧縮するためのガス圧縮機には、不可避的に酸化鉄が混入された空気を圧縮する場合がある。
このようにガス中に固体粒子が混入していると、固体粒子によるインペラの損傷が無視できない。特許文献１では、固体粒子による損傷を防止するために、コンプレッサ部材にニッケル−リン系合金メッキ被膜を形成する技術が開示されている。
このようにガス中に固体粒子が混入していると、固体粒子によるインペラの損傷が無視できない。特許文献１では、固体粒子による損傷を防止するために、コンプレッサ部材にニッケル−リン系合金メッキ被膜を形成する技術が開示されている。
一方、特許文献２では、ガス圧縮機ではないが、液体を圧送する水車やポンプに対して、硬質粒子による摩耗（スラリーエロージョン）を防止するために、炭化タングステンを含むサーメット粒子を溶射することによって耐摩耗性溶射被膜を形成する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１記載の技術は、耐摩耗性被膜をメッキによって形成しているので、その耐久性において十分とはいえない。
また、当該文献には、耐摩耗性被膜を形成する領域について開示されていないので、コンプレッサ部材の全体にメッキを形成することが前提とされている。しかし、特にガス圧縮機のインペラは３次元形状とされているので、電解メッキの場合には膜厚を所望量に調整して形成することが困難であり、十分な耐久性が得られない場合がある。
また、当該文献には、耐摩耗性被膜を形成する領域について開示されていないので、コンプレッサ部材の全体にメッキを形成することが前提とされている。しかし、特にガス圧縮機のインペラは３次元形状とされているので、電解メッキの場合には膜厚を所望量に調整して形成することが困難であり、十分な耐久性が得られない場合がある。
特許文献２には、炭化タングステンを主として含むサーメット材による耐摩耗性溶射被膜が開示されているが、あくまでも液体ないしスラリを対象とした水車やポンプに関するものであり、ガスを圧縮するものではない。したがって、同文献の表１に開示されているように、スラリーエロージョンについての評価はなされているものの、スラリに比べて高速で衝突する固体粒子（例えばガス中を浮遊する固体粒子）に対する耐摩耗性被膜の密着性については一切考慮されていない。
耐摩耗性皮膜をガス圧縮機のインペラに用いる場合、固体粒子は耐摩耗性被膜に対して種々の角度をもって衝突する。このとき、固体粒子が耐摩耗性被膜に対して略垂直（例えば衝突角度が６０°以上）に衝突する場合には、衝突した際の衝撃力が大きくなる。この衝撃力が大きい場合には、耐摩耗性被膜が剥離してしまうおそれがある。すなわち、耐摩耗性被膜の耐摩耗性がいくら高くても、密着性が低ければ固体粒子が衝突した際の衝撃力に耐えられず、剥離してしまうおそれがある。したがって、ガス圧縮機用インペラの耐摩耗性被膜としては、耐摩耗性だけでなく密着性をも要求される。
また、特許文献２には、特許文献１と同様に、耐摩耗性被膜を設ける領域についての開示が一切なされていない。
耐摩耗性皮膜をガス圧縮機のインペラに用いる場合、固体粒子は耐摩耗性被膜に対して種々の角度をもって衝突する。このとき、固体粒子が耐摩耗性被膜に対して略垂直（例えば衝突角度が６０°以上）に衝突する場合には、衝突した際の衝撃力が大きくなる。この衝撃力が大きい場合には、耐摩耗性被膜が剥離してしまうおそれがある。すなわち、耐摩耗性被膜の耐摩耗性がいくら高くても、密着性が低ければ固体粒子が衝突した際の衝撃力に耐えられず、剥離してしまうおそれがある。したがって、ガス圧縮機用インペラの耐摩耗性被膜としては、耐摩耗性だけでなく密着性をも要求される。
また、特許文献２には、特許文献１と同様に、耐摩耗性被膜を設ける領域についての開示が一切なされていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、固体粒子を含むガスを圧縮する場合であっても耐久性に優れ、かつコストの増大を招くことのないガス圧縮機用インペラおよびこれを備えたガス圧縮機を提供することを目的とする。
また、本発明は、耐摩耗性だけでなく密着性をも有する耐摩耗性被膜を備えたガス圧縮機用インペラおよびこれを備えたガス圧縮機を提供することを目的とする。
また、本発明は、耐摩耗性だけでなく密着性をも有する耐摩耗性被膜を備えたガス圧縮機用インペラおよびこれを備えたガス圧縮機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のガス圧縮機用インペラおよびガス圧縮機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるガス圧縮機用インペラは、固体粒子を含むガスを圧縮するガス圧縮機に設けられ、ハブ部と、該ハブ部の外周面から略半径方向に立設された複数のブレードとを備え、これらハブ部および各ブレードを中心軸線回りに回転させることによってガスを圧縮するガス圧縮機用インペラであって、各前記ブレードには、ガス入口部分にのみ耐摩耗性皮膜が設けられていることを特徴とする。
すなわち、本発明にかかるガス圧縮機用インペラは、固体粒子を含むガスを圧縮するガス圧縮機に設けられ、ハブ部と、該ハブ部の外周面から略半径方向に立設された複数のブレードとを備え、これらハブ部および各ブレードを中心軸線回りに回転させることによってガスを圧縮するガス圧縮機用インペラであって、各前記ブレードには、ガス入口部分にのみ耐摩耗性皮膜が設けられていることを特徴とする。
本発明者等が鋭意検討した結果、固体粒子を含むガスを圧縮するガス圧縮機に用いられるインペラの場合、ブレードのガス入口部分での損傷が顕著であり、それ以外の部分では比較的損傷が進行しないことを見出した。そこで、本発明では、ブレードのガス入口部分にのみ耐摩耗性皮膜を設けることとした。このように、局所的に耐摩耗性皮膜を設けるだけで済むので、簡便にかつ廉価にインペラの耐久性を向上させることができる。
さらに、本発明のガス圧縮機用インペラでは、前記ガス入口部分にのみ設けられた前記耐摩耗性被膜の形成領域は、前記ブレードの前記ハブ部との接続位置から該ブレードの高さ方向にかけて設けられ、前記形成領域の前記ブレードの高さ方向における寸法は、前記ブレードの前縁から下流側にかけて漸次縮小されていることを特徴とする。
ガス中に含まれる固体粒子による損傷は、ブレードのハブ部側すなわちブレードの根本側ほど大きいものとなる。そこで、耐摩耗性皮膜の形成領域は、ブレードのハブ部との接続位置からブレードの高さ方向にかけて設けられている。
また、ガス中に含まれる固体粒子による損傷は、ブレードの前縁から下流側に離れるほど小さくなる。そこで、耐摩耗性皮膜の形成領域のブレードの高さ方向における寸法は、ブレードの前縁から下流側にかけて漸次縮小されている。
また、ガス中に含まれる固体粒子による損傷は、ブレードの前縁から下流側に離れるほど小さくなる。そこで、耐摩耗性皮膜の形成領域のブレードの高さ方向における寸法は、ブレードの前縁から下流側にかけて漸次縮小されている。
さらに、本発明のガス圧縮機用インペラでは、吸入されたガスの動圧を受ける前記ブレードの腹側に設けられた前記耐摩耗性皮膜の前記形成領域は、前記ブレードの背側に設けられた前記耐摩耗性皮膜の前記形成領域よりも大きくされていることを特徴とする。
ブレードの腹側は、圧力面となるので、ブレードの背側よりも損傷が大きくなる。そこで、ブレードの腹側の耐摩耗性皮膜の形成領域を、ブレードの背側の耐摩耗性皮膜の形成領域よりも大きくした。
さらに、本発明のガス圧縮機用インペラでは、前記耐摩耗性皮膜は、炭化タングステンを主として含む複合材を溶射することによって形成されたサーメット材とされていることを特徴とする。
固体粒子を含むガスを圧縮するガス圧縮機では、固体粒子の速度が大きいため衝突エネルギが大きい。したがって、耐摩耗性皮膜には、耐摩耗性だけでなく、固体粒子の衝突によって剥離することがないような密着性も要求される。本発明では、耐摩耗性皮膜は、炭化タングステンを主として含む複合材を溶射することによって形成されたサーメット材とされているので、耐摩耗性だけでなく密着性をも確保することができる。
炭化タングステン（WC）を主として含む複合材としては、例えば、WC-NiCr，WC-Co，WC-CoCrが挙げられる。
また、溶射法としては、大きな粒子飛行速度が得られて密着性が向上するため、超高速フレーム溶射法が好ましい。
炭化タングステン（WC）を主として含む複合材としては、例えば、WC-NiCr，WC-Co，WC-CoCrが挙げられる。
また、溶射法としては、大きな粒子飛行速度が得られて密着性が向上するため、超高速フレーム溶射法が好ましい。
また、本発明のガス圧縮機は、上記のいずれかに記載されたガス圧縮機用インペラを備えていることを特徴とする。
上記のいずれかのガス圧縮機用インペラを備えているので、固体粒子を含むガスを圧縮する場合であっても耐久性に優れたガス圧縮機を提供することができる。
なお、ガス圧縮機としては、遠心圧縮機が好適である。
なお、ガス圧縮機としては、遠心圧縮機が好適である。
ブレードのガス入口部分にのみ耐摩耗性皮膜を設けることとしたので、安価に耐久性の良いガス圧縮機用インペラを提供することができる。
また、耐摩耗性皮膜として、炭化タングステンを主として含む複合材を溶射することによって形成されたサーメット材を用いることとしたので、耐摩耗性皮膜の耐摩耗性だけでなく密着性をも向上させることができる。
また、耐摩耗性皮膜として、炭化タングステンを主として含む複合材を溶射することによって形成されたサーメット材を用いることとしたので、耐摩耗性皮膜の耐摩耗性だけでなく密着性をも向上させることができる。
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本実施形態にかかる遠心圧縮機（ガス圧縮機）１の要部の縦断面が示されている。
遠心圧縮機１は、例えば酸化鉄等の固体粒子Ｐを含む空気を圧縮するために用いられる。遠心圧縮機１は、インペラ３と、このインペラ３の上流側に設けられた吸気流路５と、インペラ３の下流側に設けられた吐出流路７とを備えている。
インペラ３は、図示しない駆動源によって中心軸線Ｌ回りに回転するようになっている。インペラ３は、ハブ部１０と、このハブ部１０の外周面から略半径方向に立設された複数のブレード１２と、各ブレード１２の上端に接続されてブレード１２及びハブ部１０との間に流路を形成するシュラウド１４とを備えている。
インペラ３の材質としては、低合金鋼（例えばJIS SNCM431）やステンレス鋼（例えばSUS630）が用いられる。
なお、図１において示した符号１２ａはブレード１２の前縁を示し、矢印Ａは圧縮される空気の流線を示している。
図１には、本実施形態にかかる遠心圧縮機（ガス圧縮機）１の要部の縦断面が示されている。
遠心圧縮機１は、例えば酸化鉄等の固体粒子Ｐを含む空気を圧縮するために用いられる。遠心圧縮機１は、インペラ３と、このインペラ３の上流側に設けられた吸気流路５と、インペラ３の下流側に設けられた吐出流路７とを備えている。
インペラ３は、図示しない駆動源によって中心軸線Ｌ回りに回転するようになっている。インペラ３は、ハブ部１０と、このハブ部１０の外周面から略半径方向に立設された複数のブレード１２と、各ブレード１２の上端に接続されてブレード１２及びハブ部１０との間に流路を形成するシュラウド１４とを備えている。
インペラ３の材質としては、低合金鋼（例えばJIS SNCM431）やステンレス鋼（例えばSUS630）が用いられる。
なお、図１において示した符号１２ａはブレード１２の前縁を示し、矢印Ａは圧縮される空気の流線を示している。
図２（ａ）に示すように、インペラ３をガス流れの上流側から正面視すると、各ブレード１２の前縁１２ａの一部分が露出されている。同図において、インペラ３は、時計回りに回転する。
図２（ｂ）には、図２（ａ）の符号ＢＬ１にて示されたブレード１２の前縁側の拡大斜視図が示されている。図２（ｂ）で示されているブレードの面は、背側面とされている。同図にて斜線で示すように、ブレード１２の前縁１２ａを含むガス入口部分には、耐摩耗性皮膜２０が形成されている。この耐摩耗性皮膜２０は、ガス入口部分にのみ形成されており、それ以外の部分には形成されていない。
耐摩耗性被膜２０の形成領域は、ブレード１２のハブ部との接続位置（即ちブレード１２の根本）からブレード１２の高さ方向にかけて設けられている。また、耐摩耗性皮膜２０の形成領域のブレード１２の高さ方向における寸法は、ブレード前縁１２ａからガス流れの下流側にかけて漸次縮小されている。具体的には、ブレード前縁１２ａにおける耐摩耗性皮膜２０の形成領域のブレード高さ方向の寸法ｈは、ブレード前縁１２ａの高さをＨとした場合、３／４Ｈ程度とするのが好ましい。また、耐摩耗性皮膜２０の形成領域は、ブレード前縁１２ａから下流側のＬＬ＝ｈ／２程度の位置にかけて、その形成領域を漸次減少させるように形成されているのが好ましい。
なお、図２（ａ）にて斜線で示すように、ハブ１０の入口部中央側１０ａにも、耐摩耗性皮膜が形成されている。
図２（ｂ）には、図２（ａ）の符号ＢＬ１にて示されたブレード１２の前縁側の拡大斜視図が示されている。図２（ｂ）で示されているブレードの面は、背側面とされている。同図にて斜線で示すように、ブレード１２の前縁１２ａを含むガス入口部分には、耐摩耗性皮膜２０が形成されている。この耐摩耗性皮膜２０は、ガス入口部分にのみ形成されており、それ以外の部分には形成されていない。
耐摩耗性被膜２０の形成領域は、ブレード１２のハブ部との接続位置（即ちブレード１２の根本）からブレード１２の高さ方向にかけて設けられている。また、耐摩耗性皮膜２０の形成領域のブレード１２の高さ方向における寸法は、ブレード前縁１２ａからガス流れの下流側にかけて漸次縮小されている。具体的には、ブレード前縁１２ａにおける耐摩耗性皮膜２０の形成領域のブレード高さ方向の寸法ｈは、ブレード前縁１２ａの高さをＨとした場合、３／４Ｈ程度とするのが好ましい。また、耐摩耗性皮膜２０の形成領域は、ブレード前縁１２ａから下流側のＬＬ＝ｈ／２程度の位置にかけて、その形成領域を漸次減少させるように形成されているのが好ましい。
なお、図２（ａ）にて斜線で示すように、ハブ１０の入口部中央側１０ａにも、耐摩耗性皮膜が形成されている。
図３（ａ）には、インペラ３の斜視図が示されている。同図に示されているように、インペラの外周には圧縮後のガスを吐出する開口１８が設けられている。このように、本実施形態のインペラ３は、中心軸側において軸線方向に向かって流れ込むガスの流れを半径方向へと偏向しつつ圧縮する遠心圧縮機に用いられるものである。
図３（ｂ）には、図３（ａ）の符号ＢＬ２にて示されたブレード１２の拡大斜視図が示されている。図３（ｂ）で示されているブレードの面は、吸入ガスの動圧を受ける腹側面とされている。同図にて斜線で示すように、ブレード１２の前縁１２ａを含むガス入口部分には、耐摩耗性皮膜２０が形成されている。この耐摩耗性皮膜２０は、ガス入口部分にのみ形成されており、それ以外の部分には形成されていない。
耐摩耗性被膜２０の形成領域は、ブレード１２のハブ部との接続位置（即ちブレード１２の根本）からブレード１２の高さ方向にかけて設けられている。また、耐摩耗性皮膜２０の形成領域のブレード１２の高さ方向における寸法は、ブレード前縁１２ａからガス流れの下流側にかけて漸次縮小されている。具体的には、ブレード前縁１２ａにおける耐摩耗性皮膜２０の形成領域のブレード高さ方向の寸法ｈは、ブレード前縁１２ａの高さをＨとした場合、３／４Ｈ程度とするのが好ましい。また、耐摩耗性皮膜２０の形成領域は、ブレード前縁１２ａから下流側のＬＨ＝ｈ程度の位置にかけて、その形成領域を漸次減少させるように形成されているのが好ましい。
図３（ｂ）には、図３（ａ）の符号ＢＬ２にて示されたブレード１２の拡大斜視図が示されている。図３（ｂ）で示されているブレードの面は、吸入ガスの動圧を受ける腹側面とされている。同図にて斜線で示すように、ブレード１２の前縁１２ａを含むガス入口部分には、耐摩耗性皮膜２０が形成されている。この耐摩耗性皮膜２０は、ガス入口部分にのみ形成されており、それ以外の部分には形成されていない。
耐摩耗性被膜２０の形成領域は、ブレード１２のハブ部との接続位置（即ちブレード１２の根本）からブレード１２の高さ方向にかけて設けられている。また、耐摩耗性皮膜２０の形成領域のブレード１２の高さ方向における寸法は、ブレード前縁１２ａからガス流れの下流側にかけて漸次縮小されている。具体的には、ブレード前縁１２ａにおける耐摩耗性皮膜２０の形成領域のブレード高さ方向の寸法ｈは、ブレード前縁１２ａの高さをＨとした場合、３／４Ｈ程度とするのが好ましい。また、耐摩耗性皮膜２０の形成領域は、ブレード前縁１２ａから下流側のＬＨ＝ｈ程度の位置にかけて、その形成領域を漸次減少させるように形成されているのが好ましい。
上述のように、ブレード１２の腹側に設けられた耐摩耗性皮膜２０の形成領域は、ブレード１２の背側に設けられた耐摩耗性皮膜の形成領域（図２（ｂ）参照）よりも大きくされている。
耐摩耗性皮膜２０は、炭化タングステン（ＷＣ）を主として含む複合材を溶射することによって形成されたサーメット材とされている。炭化タングステンを主として含む複合材としては、例えば、WC-NiCr，WC-Co，WC-CoCrが好適である。また、溶射法としては、超高速フレーム溶射法が好ましい。
上記構成の遠心圧縮機１は、図１に示すように、吸気流路５からガスを吸い込み、インペラ１０によって圧縮した後に、吐出流路７へと流す。ガス中に混入された固体粒子は、インペラ１０を通過する際に、遠心力を受けてハブ部１０側へと集中する。この固体粒子の衝突に対する損傷を防ぐように、耐摩耗性被膜２０がブレード１２に設けられている。
本実施形態の耐摩耗性皮膜２０は、耐摩耗性および密着性（耐剥離性）を備えている。以下に、これらの性能について検討した試験結果を示す。
［耐摩耗性（耐エロージョン特性）］
（１）試験片
試験片２１は、図４に示すように、基材として、６０mm×５０mm×１０mmの大きさのSNCM431材を用いた。試験片２１の各辺にはC0.5の面取りが施されている。この試験片２１の幅広面２２に耐摩耗性皮膜をコーティングし、実験を行った。
［耐摩耗性（耐エロージョン特性）］
（１）試験片
試験片２１は、図４に示すように、基材として、６０mm×５０mm×１０mmの大きさのSNCM431材を用いた。試験片２１の各辺にはC0.5の面取りが施されている。この試験片２１の幅広面２２に耐摩耗性皮膜をコーティングし、実験を行った。
（２）耐摩耗性皮膜
耐摩耗性皮膜は、溶射によってコーティングした。溶射材としては、本実施形態に対応するものとして、炭化タングステン（WC）系サーメット材であるWC-27%NiCr，WC-10%Co-4%Cr
及びWC-12%Coを用いた。また、比較例として、Cr3C2-25%NiCr，Al2O3-3%TiO2，Cr2O3を用いた。なお、以上の組成比は重量％で表されている。
耐摩耗性皮膜は、溶射によってコーティングした。溶射材としては、本実施形態に対応するものとして、炭化タングステン（WC）系サーメット材であるWC-27%NiCr，WC-10%Co-4%Cr
及びWC-12%Coを用いた。また、比較例として、Cr3C2-25%NiCr，Al2O3-3%TiO2，Cr2O3を用いた。なお、以上の組成比は重量％で表されている。
（３）試験片の作成手順
先ず、試験片をトリクレン蒸気脱脂により脱脂した。その後、＃60のアルミナグリッドを用いてガス圧４kgf/cm2にてブラスト処理を行った。そして、以下の条件にて溶射を行い、耐摩耗性皮膜をコーティングした。
（i）本発明品；WC系サーメット材（WC-27%NiCr，WC-10%Co-4%Cr ，WC-12%Co）
・溶射ガン ：JP-5000(日本ユテク株式会社)
・条件 ：JP-5000の標準条件（超高速フレーム溶射）
・厚さ ：0.5mm
（ii）比較例；Cr 3 C 2 系サーメット材（Cr 3 C 2 -25%NiCr）
・溶射ガン ：JP-5000(日本ユテク株式会社)
・条件 ：JP-5000の標準条件（超高速フレーム溶射）
・厚さ ：0.5mm
（iii）比較例；アルミナ−チタニア（Al 2 O 3 -3%TiO 2 ），酸化クロムセラミックス（Cr 2 O 3 ）
・溶射ガン ：Ｆ４(スルザーメテコ株式会社)
・条件 ：Ｆ４の標準条件（プラズマ溶射）
・厚さ ：0.5mm
先ず、試験片をトリクレン蒸気脱脂により脱脂した。その後、＃60のアルミナグリッドを用いてガス圧４kgf/cm2にてブラスト処理を行った。そして、以下の条件にて溶射を行い、耐摩耗性皮膜をコーティングした。
（i）本発明品；WC系サーメット材（WC-27%NiCr，WC-10%Co-4%Cr ，WC-12%Co）
・溶射ガン ：JP-5000(日本ユテク株式会社)
・条件 ：JP-5000の標準条件（超高速フレーム溶射）
・厚さ ：0.5mm
（ii）比較例；Cr 3 C 2 系サーメット材（Cr 3 C 2 -25%NiCr）
・溶射ガン ：JP-5000(日本ユテク株式会社)
・条件 ：JP-5000の標準条件（超高速フレーム溶射）
・厚さ ：0.5mm
（iii）比較例；アルミナ−チタニア（Al 2 O 3 -3%TiO 2 ），酸化クロムセラミックス（Cr 2 O 3 ）
・溶射ガン ：Ｆ４(スルザーメテコ株式会社)
・条件 ：Ｆ４の標準条件（プラズマ溶射）
・厚さ ：0.5mm
上記条件にて耐摩耗性被膜を溶射にて形成した後、ダイヤモンド砥石により研削加工を施した。
（４）試験方法、
図５に示すように、ノズル２４から硬質粒子としてコニカル珪砂を所定量試験片２１に吹き付け、摩耗量を測定した。ノズル２４から投射されるコニカル珪砂と試験片２１とがなす角は６０°とした。また、ノズル２４から試験片２１との距離は９３mmとした。吹き付け量は４．７ｇ／ｓｅｃにて３５０ｇとした。投射されるコニカル珪砂の衝突速度は、粒径３μｍの酸化鉄（Fe3O4）が１１５ｍ／ｓで吹き付けられる実機とほぼ同等のエネルギとなるように定められ、本試験では５２ｍ／ｓとした。本試験の条件をまとめると下表の通りである。
図５に示すように、ノズル２４から硬質粒子としてコニカル珪砂を所定量試験片２１に吹き付け、摩耗量を測定した。ノズル２４から投射されるコニカル珪砂と試験片２１とがなす角は６０°とした。また、ノズル２４から試験片２１との距離は９３mmとした。吹き付け量は４．７ｇ／ｓｅｃにて３５０ｇとした。投射されるコニカル珪砂の衝突速度は、粒径３μｍの酸化鉄（Fe3O4）が１１５ｍ／ｓで吹き付けられる実機とほぼ同等のエネルギとなるように定められ、本試験では５２ｍ／ｓとした。本試験の条件をまとめると下表の通りである。
（５）摩耗量測定方法
図６に示すように、試験片２１に形成された摩耗部２５の摩耗深さを、接触式表面粗さ計で３回測定し、平均値を求めた。同図における矢印は、接触式表面粗さ計の走査方向を示す。
図７には、摩耗量計測時のデータの一例が示されている。同図において、横軸が接触式表面粗さ計の走査距離、縦軸が摩耗深さ（摩耗量）を示している。
図６に示すように、試験片２１に形成された摩耗部２５の摩耗深さを、接触式表面粗さ計で３回測定し、平均値を求めた。同図における矢印は、接触式表面粗さ計の走査方向を示す。
図７には、摩耗量計測時のデータの一例が示されている。同図において、横軸が接触式表面粗さ計の走査距離、縦軸が摩耗深さ（摩耗量）を示している。
（６）試験結果
図８には、上記の試験結果が示されている。同図における縦軸の耐摩耗倍数は、耐摩耗性被膜を形成していない基材であるSNCM431材の摩耗量（摩耗深さ）を、耐摩耗性被膜を形成した各試験片の摩耗量（摩耗深さ）で除した値である。したがって、試験片の摩耗量が少ないほど、大きな耐摩耗倍数となる。
同図から明らかなように、本実施形態に対応するWC系サーメット材を耐摩耗性被膜とした場合には、比較例に比べて、大きな耐摩耗倍数を得ることができる。
図８には、上記の試験結果が示されている。同図における縦軸の耐摩耗倍数は、耐摩耗性被膜を形成していない基材であるSNCM431材の摩耗量（摩耗深さ）を、耐摩耗性被膜を形成した各試験片の摩耗量（摩耗深さ）で除した値である。したがって、試験片の摩耗量が少ないほど、大きな耐摩耗倍数となる。
同図から明らかなように、本実施形態に対応するWC系サーメット材を耐摩耗性被膜とした場合には、比較例に比べて、大きな耐摩耗倍数を得ることができる。
［密着性（耐剥離性）］
（１）試験片
試験片２７には、図４に示すように、基材として、１００mm×３０mm×５mmの大きさのSNCM431材を用いた。試験片２７の各辺には糸面取りが施されている。この試験片２７の幅広面２８に耐摩耗性皮膜をコーティングし、実験を行った。
耐摩耗性被膜および試験片の作成手順は、上述した耐摩耗性試験と同様である。ただし、密着性試験については、耐摩耗性試験のように耐摩耗性被膜を形成した後に研削する工程は行っていない。
（１）試験片
試験片２７には、図４に示すように、基材として、１００mm×３０mm×５mmの大きさのSNCM431材を用いた。試験片２７の各辺には糸面取りが施されている。この試験片２７の幅広面２８に耐摩耗性皮膜をコーティングし、実験を行った。
耐摩耗性被膜および試験片の作成手順は、上述した耐摩耗性試験と同様である。ただし、密着性試験については、耐摩耗性試験のように耐摩耗性被膜を形成した後に研削する工程は行っていない。
（２）試験方法
図１０に示した曲げ試験装置によって、耐摩耗性被膜の曲げ限界半径を求めた。
曲げ試験装置は、試験片２７を下方から２点で支持する曲げ治具用台座３０と、試験片２７に対して一点で下方へと押圧する曲げ治具３２とを備えている。曲げ治具用台座３０上に、耐摩耗性被膜を形成したコーティング面２９を下にした状態で試験片２７を設置し、上方から曲げ治具３２によって押圧する。これにより、３点曲げが行われる。
曲げ治具３０の押圧部となる先端部の半径は、５ｍｍ，１０ｍｍ，２５ｍｍの３種類を用いた。曲げ速度、すなわち曲げ治具３０の下降速度は、１ｍｍ／ｓ以下とした。サンプル数は、各条件につき１個用い、合計１５サンプル（３種類の曲げ半径×５種類の耐摩耗性被膜）を用いた。
剥離の有無は、顕微鏡により２０倍に拡大して観察し、判定した。
図１０に示した曲げ試験装置によって、耐摩耗性被膜の曲げ限界半径を求めた。
曲げ試験装置は、試験片２７を下方から２点で支持する曲げ治具用台座３０と、試験片２７に対して一点で下方へと押圧する曲げ治具３２とを備えている。曲げ治具用台座３０上に、耐摩耗性被膜を形成したコーティング面２９を下にした状態で試験片２７を設置し、上方から曲げ治具３２によって押圧する。これにより、３点曲げが行われる。
曲げ治具３０の押圧部となる先端部の半径は、５ｍｍ，１０ｍｍ，２５ｍｍの３種類を用いた。曲げ速度、すなわち曲げ治具３０の下降速度は、１ｍｍ／ｓ以下とした。サンプル数は、各条件につき１個用い、合計１５サンプル（３種類の曲げ半径×５種類の耐摩耗性被膜）を用いた。
剥離の有無は、顕微鏡により２０倍に拡大して観察し、判定した。
（３）試験結果
図１１には、密着性試験の試験結果が示されている。同図における縦軸は、剥離限界曲げ半径（ｍｍ）を示している。剥離曲げ限界半径が小さいほど、大きな曲率であっても剥離せずに耐えうることを意味するので、密着性が大きいといえる。
同図から明らかなように、本実施形態に対応するWC系サーメット材を耐摩耗性被膜とした場合には、すべて５ｍｍの剥離限界曲げ半径を示している。したがって、本実施形態の耐摩耗性被膜は、剥離限界曲げ半径が１０ｍｍまたは２５ｍｍとなった比較例に対して、大きな密着性を有しているといえる。
図１１には、密着性試験の試験結果が示されている。同図における縦軸は、剥離限界曲げ半径（ｍｍ）を示している。剥離曲げ限界半径が小さいほど、大きな曲率であっても剥離せずに耐えうることを意味するので、密着性が大きいといえる。
同図から明らかなように、本実施形態に対応するWC系サーメット材を耐摩耗性被膜とした場合には、すべて５ｍｍの剥離限界曲げ半径を示している。したがって、本実施形態の耐摩耗性被膜は、剥離限界曲げ半径が１０ｍｍまたは２５ｍｍとなった比較例に対して、大きな密着性を有しているといえる。
上述のように、本実施形態のWC系サーメット材の耐摩耗性被膜は、耐摩耗性だけでなく密着性をも有する。密着性が改善された理由は以下のように考えられる。
本実施形態のWC系サーメット材の耐摩耗性被膜は、燃焼ガス炎を熱源とした“超高速フレーム溶射法”により成膜した。一方、比較例であるアルミナ−チタニア、酸化クロムセラミックスの耐摩耗性被膜は、プラズマを熱源とした“プラズマ溶射法”で成膜した。超高速フレーム溶射法では、５００ｍ／ｓ以上の粒子飛行速度が得られ、プラズマ溶射法のそれの100〜200m/sと比較し格段に速い。したがって、超高速フレーム溶射法では、溶射粒子の基材への衝突エネルギが大きく、密着性がプラズマ溶射法に比較し大きくなる。
また、本実施形態のＷＣ系粉末は、本実施形態と同様に超高速フレーム溶射法を用いた比較例のCr3C2系粉末に比較し比重が大きい。したがって、本実施形態のWC系粉末は、溶射粒子の基材への衝突エネルギが比較例のCr3C2系粉末よりも大きくなり、密着性が大きくなる。
以上から、超高速フレーム溶射法によるＷＣ系サーメット材を耐摩耗性被膜とした本実施形態が最も密着性が良好となる。
本実施形態のWC系サーメット材の耐摩耗性被膜は、燃焼ガス炎を熱源とした“超高速フレーム溶射法”により成膜した。一方、比較例であるアルミナ−チタニア、酸化クロムセラミックスの耐摩耗性被膜は、プラズマを熱源とした“プラズマ溶射法”で成膜した。超高速フレーム溶射法では、５００ｍ／ｓ以上の粒子飛行速度が得られ、プラズマ溶射法のそれの100〜200m/sと比較し格段に速い。したがって、超高速フレーム溶射法では、溶射粒子の基材への衝突エネルギが大きく、密着性がプラズマ溶射法に比較し大きくなる。
また、本実施形態のＷＣ系粉末は、本実施形態と同様に超高速フレーム溶射法を用いた比較例のCr3C2系粉末に比較し比重が大きい。したがって、本実施形態のWC系粉末は、溶射粒子の基材への衝突エネルギが比較例のCr3C2系粉末よりも大きくなり、密着性が大きくなる。
以上から、超高速フレーム溶射法によるＷＣ系サーメット材を耐摩耗性被膜とした本実施形態が最も密着性が良好となる。
以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
ブレード１２のガス入口部分にのみ耐摩耗性皮膜２０を設け、局所的に耐摩耗性皮膜２０を設けることとしたので、簡便にかつ廉価にインペラ３の耐久性を向上させることができる。
ブレード１２のガス入口部分にのみ耐摩耗性皮膜２０を設け、局所的に耐摩耗性皮膜２０を設けることとしたので、簡便にかつ廉価にインペラ３の耐久性を向上させることができる。
ガス中に含まれる固体粒子による損傷は、ブレード１２のハブ部１０側すなわちブレード１２の根本側ほど大きいものとなるので、耐摩耗性皮膜２０を、ブレード１２の根本からブレードの高さ方向にかけて設けることとした。また、ガス中に含まれる固体粒子による損傷は、ブレード１２の前縁１２ａから下流側に離れるほど小さくなるので、耐摩耗性皮膜２０の形成領域のブレードの高さ方向における寸法を、ブレード前縁１２ａから下流側にかけて漸次縮小することとした。さらに、ブレード１２の腹側は圧力面となり、ブレードの腹側よりも損傷が大きくなるので、ブレード１２の腹側の耐摩耗性皮膜２０の形成領域を、ブレード１２の背側の耐摩耗性皮膜の形成領域よりも大きくした。このように、必要な部分にのみ耐摩耗性被膜２０を形成することになるので、コストの増大を招くことなくインペラ３の耐久性を向上させることができる。
本実施形態の耐摩耗性皮膜２０は、炭化タングステンを主として含む複合材を超高速フレーム溶射することによって形成されたサーメット材とされているので、耐摩耗性だけでなく密着性をも確保することができる。固体粒子を含むガスを圧縮するガス圧縮機では、固体粒子の速度が大きいため衝突エネルギが大きく、耐摩耗性皮膜には耐摩耗性だけでなく密着性も要求されるので、特に有用である。
１ ガス圧縮機
３ インペラ
１０ ハブ部
１２ ブレード
１４ シュラウド
２０ 耐摩耗性被膜
３ インペラ
１０ ハブ部
１２ ブレード
１４ シュラウド
２０ 耐摩耗性被膜
Claims (4)
- 固体粒子を含むガスを圧縮するガス圧縮機に設けられ、
ハブ部と、該ハブ部の外周面から略半径方向に立設された複数のブレードとを備え、これらハブ部および各ブレードを中心軸線回りに回転させることによってガスを圧縮するガス圧縮機用インペラであって、
各前記ブレードには、ガス入口部分にのみ耐摩耗性皮膜が設けられ、
前記ガス入口部分にのみ設けられた前記耐摩耗性被膜の形成領域は、前記ブレードの前記ハブ部との接続位置から該ブレードの高さ方向にかけて設けられ、
前記形成領域の前記ブレードの高さ方向における寸法は、前記ブレードの前縁から下流側にかけて漸次縮小されていることを特徴とするガス圧縮機用インペラ。 - 吸入されたガスの動圧を受ける前記ブレードの腹側に設けられた前記耐摩耗性皮膜の前記形成領域は、前記ブレードの背側に設けられた前記耐摩耗性皮膜の前記形成領域よりも大きくされていることを特徴とする請求項１記載のガス圧縮機用インペラ。
- 前記耐摩耗性皮膜は、炭化タングステンを主として含む複合材を溶射することによって形成されたサーメット材とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス圧縮機用インペラ。
- 請求項１から３のいずれかに記載されたガス圧縮機用インペラを備えていることを特徴とするガス圧縮機。
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