JP5529366B2 - コーティング材料及びその製造方法並びにコーティング方法並びにシュラウド付き動翼 - Google Patents
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Description
すなわち、本発明に係るコーティング材料は、14質量%以上30質量%以下のモリブデン(Mo)と、13質量%以上20質量%以下のクロム(Cr)と、0.5質量%以上4質量%以下のケイ素(Si)とを含有し、1.5質量%以下のニッケル(Ni)と、0.1質量%以上10質量%以下の鉄(Fe)と、0.08質量%以下の炭素(C)とを含有することを許容し、残部がコバルト(Co)及び不可避的不純物からなるコーティング材料であって、0.01質量%以上3質量%以下のイットリウム(Y)と、0.01質量%以上10質量%以下のアルミニウム(Al)と、からなる群より選ばれる少なくとも一種の添加成分を含有する。
本発明のコーティング材料は、高い耐磨耗性と高い高温耐酸化性を両立したコーティング皮膜を製膜するための材料となる。
Yを添加することにより、後述のとおり、コーティング皮膜の耐酸化性を向上することができる。
Alを添加することにより、後述のとおり、高温におけるコーティング皮膜の耐酸化性を向上することができる。
Feを添加することにより、後述のとおり、高温におけるコーティング皮膜の耐酸化性を向上することができる。
この場合、AlとFeの両方を所定量ずつ添加することにより、高温におけるコーティング皮膜の耐酸化性をより向上することができる。
この場合、AlとYの両方を所定量ずつ添加することにより、高温におけるコーティング皮膜の耐酸化性をより向上することができる。
この場合、Al、Fe及びYの3成分を所定量ずつ添加することにより、高温におけるコーティング皮膜の耐酸化性をさらに向上することができる。
本発明のコーティング方法によれば、高い耐磨耗性と高い高温耐酸化性を両立した緻密なコーティング皮膜を製膜することができる。
このコーティング方法によれば、高い耐磨耗性と高い高温耐酸化性を両立した緻密なコーティング皮膜を製膜することができる。
この場合、コーティング皮膜の膜質が改善し、コーティング皮膜と母材との密着性がされに向上する。
本発明のシュラウド付き動翼は、高い耐磨耗性と高い高温耐酸化性を両立した緻密なコーティング皮膜をコンタクト面に有しているので、シュラウドのコンタクト面の酸化減肉が少なく、長寿命である。
Yは、本発明のコーティング材料を用いて形成したコーティング皮膜において、生成する酸化スケールの脱落を防止する、いわゆるペグ効果があり、コーティング皮膜の耐酸化性を向上する。Yの添加量が0.01質量%未満では前記効果がなく、また、3%を超えるとコーティング皮膜中での偏析が著しく、コーティング皮膜の延性などの機械的特性を阻害する。Yの添加量は0.1%以上2%以下がより好ましく、0.3%以上1.0%以下が最も好ましい。
本発明によって得られるコーティング皮膜は、例えば、850℃での連続使用にも耐えられるので、特に高温ガスタービンにおける3段動翼のシュラウドのコンタクト面に用いた場合に、T−800により製膜したコーティング皮膜を形成した場合は2年程度だったコンタクト面の寿命を、3年以上にまで著しく向上することができる。
以下、本発明の第1実施形態に係るコーティング材料及びその製造方法並びにコーティング方法並びにシュラウド付き動翼について、図面を参照しつつ下記実施例により詳細に説明する。なお、これら実施例によりこの発明が限定されるものではない。
表1に示した実施例1ないし実施例7の組成を有する溶射用粉末を、図2に示す装置を用いてガスアトマイズ法により作製した。ガスアトマイズ法は、次のように行われる。
所定の合金成分をレビテーション炉12内で過熱して溶解後、タンデッシュの底部に設けた噴霧ノズル14のノズル穴からその溶湯を流し、溶湯の細かい流れを作る。その溶湯の流れに、周囲から不活性なジェット流体(一般にはHeガス等)を吹き付けて、そのジェット流体のエネルギーで噴霧チャンバ16中に流下させる。流下してくる溶湯流を順次、粉化、生成した液滴を落下させながら凝固させて合金粉末とする。下流側に設けられたサイクロン18により合金粉末と排気が分離され、合金粉末はサイクロンの下部に設けられた粉末回収容器20中に回収される。
このように製造されたガスアトマイズ合金粉末は、均一に溶融された合金の湯を瞬間的に液滴化と冷却を行うため、均一な微細組織が得られる。また、同じ溶湯から連続的に液滴をつくるため、粒子間の組成差はきわめて小さく、大きな粒子、小さな粒子とも組成差が小さいという特徴がある。ガスアトマイズ法では、球状の粉末が得られる。
溶射用粉末の粒度分布は、篩いを用いて53μm以下とした。
燃焼圧力 :0.7MPa
ケロシン流量 :20L/h
酸素流量 :54m3/h
溶射距離 :500mm
ガン移動速度 :500mm/sec
ガン移動ピッチ:6mm
使用溶射装置 :Praxair社製JP5000
HVOFにより形成したコーティング皮膜は、気孔が少ないこと、溶射温度が低いことにより酸化され難いため皮膜の粒界に酸化物が少ないことなどから、膜質改善のため、製膜後に真空炉にて拡散熱処理を施した。熱処理工程は、例えば、溶体化熱処理として1121℃で2.5時間加熱後、窒素中で冷却し、次いで時効熱処理として850℃で24時間加熱後、窒素中で冷却すればよい。なお、これら熱処理は、母材の熱処理と兼ねても構わない。
図3及び図4に示した結果から、実施例1ないし実施例7のコーティング材料を用いることにより、従来よりも高温酸化雰囲気に耐え、より長時間使用可能なシュラウドコンタクト面のコーティング皮膜を得ることができることが分かる。
表1に示した比較例1の組成を有する溶射用粉末(T−800)を用いて、実施例1と同様の方法でシュラウド2のコンタクト面3にコーティング皮膜を製膜した。
図4に、コーティング皮膜のロックウェルCスケール硬さを示す。
コーティング皮膜の製膜は、HVOFに代えて、HVAF(High Velocity
Air Fuel)を用いて行ってもよい。この場合、緻密で酸化物の少ないコーティング皮膜を得ることができる。このためコンタクト面3のコーティング皮膜と母材との密着性が向上する。
コーティング皮膜の製膜は、HVOFに代えて、減圧プラズマ溶射(LPPS:Low
Pressure Plasma Spraying)を用いて行ってもよい。プラズマの作動ガスには、アルゴン、アルゴンと窒素の混合ガスなどを用いることができる。
表2に、LPPSの溶射条件(スルザーメテコ社 減圧溶射システム)の例を示す。なお、表2において「Clearing」とは、逆極性アーク放電により対象物の表面の付着物を飛ばすことをいう。
なお、減圧プラズマ溶射の他に雰囲気プラズマ溶射を用いることもできる。
コーティング皮膜の製膜は、HVOFに代えて、大気圧プラズマ溶射(APS:Atmospheric
Plasma Spraying)を用いて行ってもよい。APS用の溶射用粉末としては、粒度分布が103μm以下のものを用いることができる。
2 シュラウド
3 コンタクト面
Claims (11)
- 14質量%以上30質量%以下のMoと、
13質量%以上20質量%以下のCrと、
0.5質量%以上4質量%以下のSiと、
0.01質量%以上3質量%以下のYと、
を含有し、
1.5質量%以下のNiと、
0.1質量%以上10質量%以下のFeと、
0.08質量%以下のCと、
0.01質量%以上10質量%以下のAlと、
からなる群より選ばれる一または複数の元素を任意的に含有し、
残部がCo及び不可避的不純物からなるコーティング材料。 - 0.01質量%以上10質量%以下のAlを含有する、請求項1に記載のコーティング材料。
- 0.1質量%以上10質量%以下のFeを含有する、請求項1に記載のコーティング材料。
- 0.01質量%以上10質量%以下のAlと、
0.1質量%以上10質量%以下のFeと、
の両方を含有する、請求項1に記載のコーティング材料。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載のコーティング材料からなる溶射粉末を用いて、高速フレーム溶射により基材表面にコーティング皮膜を形成する工程を含む、コーティング方法。
- 請求項1から請求項4のいずれかに記載のコーティング材料からなる溶射粉末を用いて、減圧プラズマ溶射又は雰囲気プラズマ溶射により基材表面にコーティング皮膜を形成する工程を含む、コーティング方法。
- 前記コーティング皮膜を形成する工程の後に、熱拡散処理を施す工程を含む、請求項5または請求項6に記載のコーティング方法。
- タービン動翼の先端にシュラウドが設けられたシュラウド付き動翼であって、
前記シュラウドが、使用の際に隣接配置される他の動翼の先端に設けられた他のシュラウドと接触しうるコンタクト面を有し、
該コンタクト面が、請求項1から請求項4のいずれかに記載のコーティング材料から形成されたコーティング皮膜を有してなる、シュラウド付き動翼。 - 前記コーティング皮膜が、前記高速フレーム溶射により形成される請求項8に記載のシュラウド付き動翼。
- 前記コーティング皮膜が、前記減圧プラズマ溶射又は前記雰囲気プラズマ溶射により形成される請求項8に記載のシュラウド付き動翼。
- 前記コーティング皮膜が形成された後に、熱拡散処理が施される請求項9または10に記載のシュラウド付き動翼。
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