JP5244495B2 - 回転機械用の部品 - Google Patents
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Description
例えば、上記エロージョン磨耗を抑制するための対策としては、図17(a)、(b)に示すような積層構造を有し、TiN、CrN等からなる硬質皮膜103a、103bを、物理気相成長(PVD:Physical Vapor Deposition)法によって基材101上に形成し、さらに、必要に応じてCr等からなる中間層102を形成する技術が知られている(例えば、特許文献1を参照)。また、ステライト(登録商標)の肉盛溶接を施すことや、図17(c)に示すように、WC−NiCo等からなる硬質皮膜104を、溶射によって基材101上に形成すること等が知られている(例えば、特許文献2、3を参照)。
しかしながら、上述のような耐エロージョン性硬質皮膜は、耐ファウリング性を持たないため、耐エロージョン性が向上しているのにも関わらず、耐ファウリング性が低いという問題があった。
しかしながら、上述のような耐ファウリング性を備える皮膜は、軟質で耐エロージョン性が低いため、気体と直接接触するようなエロージョンが発生し易い環境下においては、皮膜が剥離してしまうという問題があった。
即ち、本発明に係る回転機械用の部品は、基材の表面上に、セラミックスからなる硬質皮膜と、ふっ素含有ダイヤモンドライクカーボン膜からなるファウリング防止膜とが積層されるとともに、前記硬質皮膜と前記ファウリング防止皮膜との間に、さらにダイヤモンドライクカーボンからなる中間硬質膜が形成されてなり、前記ファウリング防止皮膜は、ふっ素濃度が10〜40質量%の範囲で均一であり、前記硬質皮膜は、TiN、TiAlN、CrN、TiC、TiCN、ZrNの内の少なくとも1種以上からなることを特徴とする。
また、前記硬質皮膜が、TiN、TiAlN、CrN、TiC、TiCN、ZrNの内の少なくとも1種以上からなることにより、上述したようなエロージョンがより効果的に抑制される。
係る構成の回転機械用の部品によれば、中間層が設けられることにより、硬質皮膜に発生する内部応力が緩和され、基材と硬質皮膜との間の密着性が向上する。
係る構成の回転機械用の部品によれば、実使用下において、エロージョン発生部位のファウリング防止膜が磨耗した状態であっても、その下の硬質皮膜によってエロージョンの進行が抑制される。
図1〜図6は、本発明に係る蒸気タービンブレードの第1の参考例を説明する模式図であり、図1は蒸気タービンブレードが用いられる蒸気タービンの一例を示す模式図、図2は蒸気タービンブレードを示す斜視図、図3は図1の断面図、図4は基材上に硬質皮膜及びファウリング防止皮膜が順次積層された構造を示す断面図、図5(a)、(b)はファウリング防止皮膜中のふっ素含有率の変化にともなう特性変化を示すグラフ、図6(a)、(b)、(c)は蒸気タービンブレードの作用並びに効果について説明するためのグラフである。また、図7は本発明に係る蒸気タービンブレードの第2の参考例を説明する模式図、図8は第3の参考例を説明する模式図、図9(a)、(b)は第1の実施形態を説明する模式図である。また、図10及び図11は本発明に係る蒸気タービンブレードの第4の参考例を説明する模式図であり、図12及び図13は第5の参考例を説明する模式図である。また、図14は本発明に係る蒸気タービンブレードの第2の実施形態を説明する模式図であり、図15は第6の参考例を説明する模式図、図16は第7の参考例を説明する模式図である。
なお、以下の説明において参照する各図面は、蒸気タービンブレード(回転機械用の部品)を説明するための図面であって、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の寸法関係とは異なっていることがある。
以下、本発明に係る回転機械用の部品である蒸気タービンブレードの第1の参考例について詳述する。
本発明に係る蒸気タービンブレードは、例えば、図1に示す蒸気タービン40において、動翼(図中における蒸気タービンブレード10を参照)として用いられる回転機械用の部品である。蒸気タービン40は、作動流体である蒸気が、タービン41に取り付けられた蒸気タービンブレード10(動翼)に噴射されて駆動されるものであり、このような蒸気タービン40においては、蒸気タービンブレード10が直接蒸気と接触するような構成とされている。
そして、本参考例の蒸気タービンブレード10は、図4の断面図に示すように、基材1の表面1a上に、耐ドレンエロージョン性を向上させるための硬質皮膜2が形成され、該硬質皮膜2上に、耐ファウリング性を向上させるためのファウリング防止皮膜3が形成されている。
本参考例の蒸気タービンブレード10は、図4の断面図に示すように、基材1の表面1a上に、セラミックからなる硬質皮膜2と、ふっ素を含有するダイヤモンドライクカーボン(DLC)からなるファウリング防止皮膜3とが積層され、概略構成される(図3の断面図も参照)。
基材1としては、例えば、SUS410J1をはじめとするステンレス鋼等、この分野において一般に用いられている材料を何ら制限無く用いることができ、適宜選択することが可能である。
硬質皮膜2の材質としては、皮膜としての高い密着性や耐エロージョン性を備えるものであれば如何なるものでも採用することが可能であるが、窒化物、炭化物、ホウ化物又は酸化物の何れかの材料からなることが好ましい。また、これらの材料の中でも、特に、TiN、TiAlN、CrN、TiC、TiCN、ZrNの内の少なくとも1種以上からなる皮膜であることがより好ましい。硬質皮膜2を上記材質から構成することにより、詳細を後述するように、耐摩耗性、耐エロージョン性に優れる蒸気タービンブレード10を得ることが可能となる。
本参考例のファウリング防止皮膜3は、ふっ素を含有するDLCからなり、優れた耐ファウリング性、強度並びに耐摩耗性が得られるものである。このようなDLC(ダイヤモンドライクカーボン)は、一般に、高強度や耐摩耗性を必要とする部品等の材料として用いられるが、このDLCにふっ素を含有した構成とすることにより、さらに耐ファウリング性が付与される。
また、ふっ素濃度が40質量%を超えると、皮膜硬度が200Hv未満で硬度不足となり、実使用時の環境下において不適となる虞がある。
よって、ファウリング防止皮膜3は、ふっ素濃度が10〜40質量%の範囲とされたDLCからなることが好ましく、ふっ素濃度が15〜38質量%の範囲であることがより好ましく、20〜35質量%の範囲であることがさらに好ましい。
図5(a)に示すように、ファウリング防止皮膜3中のふっ素含有率が10質量%未満になると、シリカ粒子付着量(ファウリング量)が急激に上昇することがわかる。
図5(b)に示すように、ファウリング防止皮膜3中のふっ素含有率が40質量%を超えると、硬さが200Hv未満となり、強度不足となることが明らかである。
図1に示すような蒸気タービン40に対して、該蒸気タービン40を駆動させるための蒸気を含む気体が供給された際、この気体は、図2に示す蒸気タービンブレード10に対し、図中の矢印S方向から衝突する。そして、図3の断面図(図1のA−A断面図)に示すように、蒸気タービンブレード10は、図3中の矢印Rの方向に回転する。
このように、蒸気タービンに用いられる蒸気タービンブレードでは、エロージョン発生部位(図3に示す領域E)とファウリング発生部位(図3に示す領域F)が異なる。
以下に、本参考例の蒸気タービンブレード10の製造方法について詳述する。本参考例では、図4に示すような蒸気タービンブレード10の積層構造に備えられる表面平滑セラミック硬質皮膜3を、以下に説明するような方法で形成する。
次いで、本参考例においては、基材1をアルコール中において超音波洗浄を施した後に乾燥させ、スパッタ装置内に導入して装置内部を3.0×10−3Pa以下に真空吸引減圧し、ヒータによってベーキングした後、さらにArプラズマに曝すことで基材1表面をエッチングする前処理を施すことが好ましい。
まず、ヒータ加熱によって基材1の温度を300℃に制御する。そして、成膜パワーを1000W程度、装置内に流通させる窒素の流量を10sccm程度、基材のバイアス電圧を100V程度、ターゲットに印加するパワーを4000W程度の各条件とし、グロー放電させることにより、基材1の表面1a全体にTiNからなる硬質皮膜2を成膜する。
まず、表面1a上に硬質皮膜2が形成された基材1をイオン化蒸着装置内に導入し、装置内を3.0×10−3Pa以下に真空吸引減圧する。そして、イオン化蒸着装置内に、ヘキサフルオロベンゼンガスを、2.0〜6.5×10−1Paの範囲の圧力となるように導入し、イオン源アノード電流値を0.4A程度、イオン源フィラメント電流値を30A程度、基材のバイアス電圧値を1.5kV程度の各条件として放電を行うことにより、表面1a上に形成された硬質皮膜2の表面全体に、ふっ素含有DLCからなるファウリング防止皮膜3を成膜する。この際の、ファウリング防止皮膜3中のふっ素濃度は、上述したように10〜40質量%の範囲で均一とし、例えば、30質量%程度とすることができる。
以下に、本参考例の蒸気タービンブレード11について、図7を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、第1の参考例の蒸気タービンブレード10と同様の構成には共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本参考例の蒸気タービンブレード11は、基材1の表面1a上の硬質皮膜2の上に積層されたファウリング防止皮膜31が、硬質皮膜2側からファウリング防止皮膜31の表面31aに向かうに従ってふっ素濃度が高くなるように、膜厚T1方向で濃度勾配が設けられ、表面31aにおけるふっ素濃度が10〜40質量%の範囲である傾斜組成膜とされている点で、第1の参考例の蒸気タービンブレード10とは異なる構成とされている。
よって、ファウリング防止皮膜31は、ファウリング防止皮膜31の表面31a側においてふっ素濃度が10〜40質量%の範囲とされたDLCからなることが好ましく、ふっ素濃度が15〜38質量%の範囲であることがより好ましく、20〜35質量%の範囲であることがさらに好ましい。
また、ファウリング防止皮膜31の膜厚T1方向におけるふっ素の濃度勾配は、上記に限定されるものではなく、例えば、図7中のグラフにおいて破線で示す曲線のように、ふっ素濃度と膜厚T1との関係が直線性を有するものであっても良いし、あるいは、急勾配と緩勾配とが組み合わされた濃度勾配とすることも可能である。
この際、ヘキサフルオロベンゼンとベンゼンの混合比は、放電開始(成膜開始)直後においては、ヘキサフルオロベンゼン:ベンゼン=50:50の割合とし、この混合比を1%/分の速度でヘキサフルオロベンゼンの割合が高くなるように変化させる。そして、ヘキサフルオロベンゼンの割合が100%になった時点から、20分間程度の時間で保持する。
なお、本参考例においては、上述の第1の参考例と同様、ファウリング防止皮膜31をイオン化蒸着法によって形成する方法を説明しているが、スパッタリング法によって成膜することも可能である。
以下に、本参考例の蒸気タービンブレード12について、図8を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、第1の参考例の蒸気タービンブレード10と同様の構成には共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本参考例の蒸気タービンブレード12は、基材1と硬質皮膜2との間に中間層4が設けられている点で、第1の参考例の蒸気タービンブレード10とは異なる構成とされている。
中間層4の材質としては、Cr又はTiからなることが好ましい。このような材質で中間層4を構成することにより、硬質皮膜2に発生する内部応力がより効果的に緩和され、基材1と硬質皮膜2との間の密着性がさらに向上する。
中間層4の膜厚は0.5〜2μmの範囲であることが、上述のような、硬質皮膜2に発生する内部応力を効果的に緩和し、密着性を一層向上させることができる点で好ましい。
なお、中間層4の成膜方法としては、硬質皮膜2の成膜方法と同様のスパッタリング法を何ら制限無く採用することができる。
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード13について、図9(a)、(b)を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上記第1〜第3の参考例の蒸気タービンブレード10、11、12と同様の構成には共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本参考例の蒸気タービンブレード13は、図9(a)に例示するように、基材1と硬質皮膜2との間に中間層4が設けられている点に加え、硬質皮膜2とファウリング防止皮膜3との間に、さらに、ダイヤモンドライクカーボンからなる中間硬質膜5が形成されている点で、第3の参考例の蒸気タービンブレード12とは異なる。
なお、中間硬質膜5の成膜方法としては、硬質皮膜2の成膜方法と同様のスパッタリング法を何ら制限無く採用することができる。
以下に、本参考例の蒸気タービンブレード14について、図10及び図11を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上記第2の参考例の蒸気タービンブレード11と同様の構成については共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本参考例の蒸気タービンブレード14は、膜厚T2方向で表面32a側に向かうに従ってふっ素濃度が高くなるように濃度勾配が設けられ、表面32aにおけるふっ素濃度が10〜40質量%の範囲である傾斜組成膜とされたふっ素含有DLCからなるファウリング防止皮膜32が備えられている点で、上記第2の参考例の蒸気タービンブレード11と共通するが、ファウリング防止皮膜32が基材1の表面1a上に直接積層された単層膜構造とされている点で、第2の参考例の蒸気タービンブレード11とは異なる。
また、上述のようなふっ素含有DLCからなるファウリング防止皮膜において、耐エロージョン性を付与できる膜厚、つまり、ふっ素濃度が10質量%未満とされた領域の最小膜厚は0.5μm程度であると考えられる。このため、図10のグラフ中において、ふっ素濃度が10質量%未満とされた領域の膜厚を0.5μm以上とすれば、充分な耐エロージョン性が得られ、図示例においては、ファウリング防止皮膜32の基材1側の領域Hでのふっ素濃度が、概ね0〜10質量%の範囲とされている。
図11に示す例では、ファウリング防止皮膜32の領域Iにおいては硬度が200Hv程度とされ、高いふっ素濃度によって優れた耐ファウリング性が付与される一方、領域Kにおいては硬度が3000Hv程度とされ、優れた耐エロージョン性が付与される。これにより、優れた耐ファウリング性並びに耐エロージョン性の両方がより効果的に得られる。
以下に、本参考例の蒸気タービンブレード15について、図12及び図13を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上記第3の参考例の蒸気タービンブレード12、並びに第4の参考例の蒸気タービンブレード14と同様の構成については共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本参考例の蒸気タービンブレード15は、基材1と、上述のようなふっ素の濃度勾配が設けられたファウリング防止皮膜32との間に、さらに中間層41が設けられている点で、上記第4の参考例の蒸気タービンブレード14とは異なる構成とされている。
中間層41の材質としては、上記第3の参考例の蒸気タービンブレード12に備えられる中間層4を同様の材料を用いることができ、また、膜厚も同じ膜厚とすることができる。
また、中間層41の成膜方法としても、中間層4と同様のスパッタリング法を何ら制限無く採用することができる。
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード16について、図14を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上記第2の参考例の蒸気タービンブレード11等と同様の構成については共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード16は、硬質皮膜2とファウリング防止皮膜31との間に、さらに、DLCからなる中間硬質膜5が形成されている点で、第2の参考例の蒸気タービンブレード12とは異なる。
以下に、本参考例の蒸気タービンブレード17について、図15を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上記第2の参考例の蒸気タービンブレード11等と同様の構成については共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本参考例の蒸気タービンブレード17は、基材1と硬質皮膜2との間に、さらに、中間層4が形成されている点で、第2の参考例の蒸気タービンブレード12とは異なる。
以下に、本参考例の蒸気タービンブレード18について、図16を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上記第2の参考例の蒸気タービンブレード11等と同様の構成については共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本参考例の蒸気タービンブレード18は、さらに、基材1と硬質皮膜2との間に中間層4が形成され、硬質皮膜2とファウリング防止皮膜31との間にDLCからなる中間硬質膜5が形成されている点で、第2の参考例の蒸気タービンブレード12とは異なる。
蒸気タービンブレード18は、中間層4によって基材1と硬質皮膜2との間の密着性がより高められ、また、中間硬質膜5によって硬質皮膜2とファウリング防止皮膜31との間の密着性がより高められる効果が得られる。また、上記同様、ふっ素の濃度勾配が設けられたファウリング防止皮膜31が備えられることにより、優れた耐エロージョン性及び耐ファウリング性が得られる。
本発明においては、上述の蒸気タービンブレードと同様のファウリング防止皮膜を基材の表面上に形成することにより、例えば、化学プラント等で用いられ、各種気体を圧縮するコンプレッサポンプに備えられるインペラやロータ等の回転機械用の部品を構成することが可能となる。
さらに、上述の蒸気タービンブレードと同様の中間硬質膜が、硬質皮膜とファウリング防止皮膜との間に設けられている構成とすれば、耐エロージョン性がより高められる点で好ましい(第1の実施形態の蒸気タービンブレード13の説明を参照)。
例えば、上述のようなコンプレッサポンプのインペラ表面にファウリング防止皮膜を形成する方法として、電子線の放電によって反応ガスをイオン化して蒸着するイオン化蒸着法を採用し、上記同様の条件で基材上にファウリング防止皮膜を形成することにより、耐ファウリング性に優れた皮膜が得られる。
Claims (3)
- 基材の表面上に、セラミックスからなる硬質皮膜と、ふっ素含有ダイヤモンドライクカーボン膜からなるファウリング防止膜とが積層されるとともに、前記硬質皮膜と前記ファウリング防止皮膜との間に、さらにダイヤモンドライクカーボンからなる中間硬質膜が形成されてなり、
前記ファウリング防止皮膜は、ふっ素濃度が10〜40質量%の範囲で均一であり、
前記硬質皮膜は、TiN、TiAlN、CrN、TiC、TiCN、ZrNの内の少なくとも1種以上からなることを特徴とする回転機械用の部品。 - 前記基材と前記硬質皮膜との間に、さらにCr又はTiからなる中間層が形成されてなることを特徴とする請求項1に記載の回転機械用の部品。
- 実使用の後の当該回転機械用の部品の内、エロージョン発生部位における前記ファウリング防止膜が磨耗されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回転機械用の部品。
Priority Applications (5)
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