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

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 Download PDF

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Description

本発明は、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関するものである。
図1は、シュラウド付き動翼を示す一部斜視図である。この動翼1の先端には、流体の漏れを防止すると共に動翼1のねじれを拘束するZ型シュラウド2が形成されており、さらに、隣接する動翼1のシュラウド2と接触する面であるコンタクト面3を有している。また、動翼1には、偏流や静翼ノズルパッシング、フラッタなどに起因した各種の振動が発生するため、前記シュラウド2のコンタクト面3には、耐磨耗処理が施されるのが通常である。従来では、APS溶射(大気圧プラズマ溶射)によりトリバロイ800(T−800:コバルト基耐磨耗材)のコーティング皮膜を施していた。
しかし、上記APS溶射では、シュラウド2のコンタクト面3における母材との密着性が低く、剥離しやすいという問題点があった。そこで、タービン動翼1のシュラウドコンタクト面3に対して高速フレーム溶射(HVOF)、減圧プラズマ溶射(LPPS)あるいは雰囲気プラズマ溶射によりトリバロイコーティング皮膜を形成し、拡散熱処理を施すコーティング方法が特許文献1に提案されている。
特開2001−152803号公報
しかしながら、T−800コーティング皮膜は、延性に優れ、かつ、高い耐磨耗特性を有するものの、近年の高温ガスタービンでは、3段動翼のチップ部のメタル温度が750℃以上となり、著しい酸化減肉を生じ、耐磨耗コーティング皮膜としての機能を喪失している。
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、高い耐磨耗性を維持しつつ高温における耐酸化性を向上したコーティング皮膜を得るためのコーティング材料及びその製造方法並びに該コーティング材料を用いたコーティング方法及びシュラウド付き動翼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、本発明は、以下の手段を採用する。
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。
上記本発明のコーティング材料において、前記添加成分は、0.01質量%以上3質量%以下のYとすることができる。
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。
上記本発明のコーティング材料において、前記添加成分は、0.01質量%以上10質量%以下のAlとすることができる。
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。
上記本発明のコーティング材料において、前記添加成分は、0.1質量%以上10質量%以下のFeとすることができる。
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。
上記本発明のコーティング材料において、前記添加成分は、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であってもよい。
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。
上記本発明のコーティング材料において、前記添加成分は、0.01質量%以上10質量%以下のAlと、0.01質量%以上3質量%以下のYであってもよい。
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。
上記本発明のコーティング材料において、前記添加成分は、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、0.01質量%以上3質量%以下のYであってもよい。
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。
本発明に係るコーティング方法は、前述したいずれか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方法である。
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。
また、本発明に係る別のコーティング方法は、前述したいずれか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方法である。
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。
上記いずれかのコーティング方法において、前記コーティング皮膜を形成した後、熱拡散処理を施すことが好ましい。
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。
本発明に係るシュラウド付き動翼は、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、前記いずれかのコーティング方法により形成されたコーティング皮膜を有してなる。
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。
次に、本発明に係るコーティング材料の組成における各添加成分量の限定理由を述べる。なお、以下において、特に断りのない限り、各成分量はその質量を、材料全体の質量を100として質量百分率で表したものである。
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。
Al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、保護性の酸化皮膜であるCrの安定化に寄与し、コーティング皮膜の耐酸化性を向上する。Alの添加量が0.01%未満ではコーティング皮膜の耐酸化性改善効果がなく、また、10%を超えると、コーティング皮膜の耐酸化性、耐磨耗性は良くなるが、コーティング皮膜が著しく硬くなり、割れを生じやすくなる。Alの添加量は1%以上7%以下がより好ましく、3%以上5%以下が最も好ましい。
Feは、実験から、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の耐酸化性を向上することが分かった。CoとFeは固溶化するので、耐酸化性に乏しいMoの割合が減少することが、コーティング皮膜の耐酸化性を向上する一因と考えられる。Feの添加量が0.01%未満ではコーティング皮膜の耐酸化性改善効果がなく、また、10%を超えると、コーティング皮膜の耐酸化性は良くなるものの、耐磨耗性が低下する。Feの添加量は1%以上7%以下がより好ましく、3%以上5%以下が最も好ましい。
本発明によれば、高い耐磨耗性を維持しつつ高温における耐酸化性を向上したコーティング皮膜を得るためのコーティング材料及びその製造方法並びに該コーティング材料を用いたコーティング方法及びシュラウド付き動翼を提供することができる。
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。
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
第1実施形態
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。
(実施例1〜実施例7)
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。
次に、図1を参照して説明すると、前記溶射用粉末をコーティング材料として用いて、IN738LCを母材とするシュラウド2のコンタクト面3となる側の面に対して、高速ガス炎溶射(HVOF:High Velocity Oxy-Fuel)を行い、コーティング皮膜を施した。なお、以下の説明において、説明の便宜上、コーティング皮膜の形成の前後に関わらず、シュラウド2のコンタクト面3となる側の面を「コンタクト面」という。
上記溶射用粉末を、粉末状態のまま溶射ガンに供給し、酸素とケロシンを燃焼させ、比較的低温(1600℃以下)で溶射用粉末を加熱溶融して、コンタクト面3に対して高速(300m/s以上)で射出し、コンタクト面3にコーティング皮膜を製膜した。HVOFのフレーム速度は遅くても300m/sないし500m/sであり、これにより溶射材料をコンタクト面3に衝突させ、緻密なコーティング皮膜を製膜することができる。コーティング皮膜の膜厚は、0.2mm程度とした。
本実施形態における具体的なHVOFの溶射条件(Hobart−TAFA社 JP5000システム)は以下の通りである。
燃焼圧力 :0.7MPa
ケロシン流量 :20L/h
酸素流量 :54m/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は大気中で行われるので、低コストであること、大型部品に適用可能であること、等において有利な製膜方法である。
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。
この拡散熱処理は、動翼1自体に対する熱処理と一括して行うことができる。なお、以上のように、HVOFを用いて溶射を行い、拡散熱処理を施すことにより、母材及びコーティング被膜並びに溶射用粒子に由来する皮膜内の組織どうしを拡散、一体化させ、コンタクト面3の母材に対して密着性が優れ、剥離し難いコーティング皮膜を得ることができる。
図3に、1000℃におけるコーティング皮膜の等温酸化試験の結果を示す。等温酸化試験は、SETARAM社製TG96 High Temperature Thermogravimeterを用いて、Arガス中(流量1L/hr)、5℃/minで昇温し、目標温度に到達後、ガスを乾燥空気(流量は同じ)に代えて、酸化による質量変化を連続的に測定した。いずれの実施例においても、コーティング材料としてT−800を用いた後述の比較例1と比べて、耐酸化性が大幅に改善された。比較例1では1000℃での酸化時間50時間で14mg/cmの質量増加であったので、いずれの実施例においても、およそ1/10以下のの酸化量に低減されている。
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。いずれの実施例においても、コーティング材料としてT−800を用いた後述の比較例1と比べて、コーティング皮膜の硬さが維持されていることが分かる。
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。
(比較例1)
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3に、1000℃におけるコーティング皮膜の酸化試験の結果を示す。T−800の溶射用粉末を用いて製膜されたコーティング皮膜は高温耐酸化性に劣ることが分かる。
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。
Figure 0005529366
第2の実施形態
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。
第3の実施形態
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。
Figure 0005529366
減圧雰囲気中で溶射した皮膜には酸化物の形成がないため、緻密になり、母材との密着性に優れたものとなる。さらに、拡散熱処理により膜質改善することにより、密着性がさらに向上する。LPPS用の溶射用粉末としては、粒度分布が10μm以上44μm以下のものを用いることができる。
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。
第4の実施形態
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。
以上、本発明のコーティング材料を用いてシュラウド付き動翼におけるシュラウドのコンタクト面にコーティング皮膜を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されず、上記コーティング皮膜は、高温ガスに曝露され摩擦部分を有するタービン部材にも適用することができる。本発明のコーティング材料は、例えば、シールピンなどのコーティング皮膜形成にも有用である。
シュラウド付き動翼を示す一部斜視図である。 ガスアトマイズ法に用いる装置の模式断面図である。 実施例及び比較例によるコーティング皮膜の酸化試験の結果を示すグラフである。 実施例及び比較例による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グラフである。
符号の説明
1 動翼
2 シュラウド
3 コンタクト面

Claims (11)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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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