JP5597174B2 - アブレイダブルコーティングを有する部材およびガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンにおいて、回転体と静止体の間隙から高温燃焼ガスなどの作動流体が漏洩することを低減するための高温シール用コーティングとして用いられるアブレイダブルコーティング（被削性造隙皮膜）を有する部材、およびこれを用いたガスタービンに関する。

ガスタービン主要部の軸方向断面模式図（上側半分）の一例を図２に示す。ガスタービンは、略円筒形状のケーシング１１と、このケーシング１１の軸心に位置する略円柱形状のタービンロータ１２と、タービンロータ１２の外周で軸方向に複数段（図２の例では４段）に設置された動翼１３，１４，１５，１６と、各段の動翼の外周部と径方向にわずかな間隙１７を隔てた位置でケーシング１１に支持されたシュラウド１８，１９，２０，２１と、燃焼ガスの流通方向Ａで見て各段の動翼の上流側で動翼に対し交互に配置された静翼２２，２３，２４，２５とを備えている。

タービンロータ１２はタービンディスク２６，２７，２８，２９と、スペーサ３０，３１，３２を軸方向に重ねて結合した回転体であり、その上流側部には中間軸３３が接続し、下流側部には後部軸３４が接続されている。

タービンロータ１２の上流側には燃焼器４１が位置しており、動翼１３，１４，１５，１６と静翼２２，２３，２４，２５を交互に配置して形成されたガスパス４０に燃焼器４１で生成された高温の燃焼ガスを流し、燃焼ガスの熱エネルギーをタービンロータ１２の回転力に変換させることで動力を発生する。各シュラウド１８，１９，２０，２１の内周壁はガスパス４０の一部を形成している。

このようなガスタービンにおいて、動翼１３，１４，１５，１６の先端部と、当該先端部に対向するシュラウド１８，１９，２０，２１の内壁との間には、運転中に両者が接触しないように間隙１７（クリアランス）が設けられている。この間隙が大きすぎると、動翼１３，１４，１５，１６の高圧側から低圧側へ間隙１７を通じて燃焼ガスが漏洩し、圧力損失が生じることにより運転効率が低下する。従って、この間隙１７を必要最小に保ち、燃焼ガスの漏洩をシールしてタービンの効率を向上させる必要がある。

一方、前記の間隙１７が小さすぎると、タービン運転時において、動翼１３，１４，１５，１６の熱膨張、タービンロータ１２の偏心、タービン全体に発生する振動などの影響により、動翼１３，１４，１５，１６の先端部とシュラウド１８，１９，２０，２１の内壁とが接触し、タービンロータ１２の回転によって互いに摺動してしまう場合がある。また、長時間の運転によって高温高圧の燃焼ガスに曝された動翼１３，１４，１５，１６やシュラウド１８，１９，２０，２１が変形を生じ、やはり動翼本体１３，１４，１５，１６の先端部とシュラウド１８，１９，２０，２１とが接触し摺動する原因となる場合もある。このような摺動が生じた際に、シュラウド１８，１９，２０，２１の内壁が硬いと動翼１３，１４，１５，１６の先端が損傷し、回転が適正に行われなくなったり、シール性が損なわれたりする。

上記課題を解決するために、シュラウド１８，１９，２０，２１の内壁表面に被削性の良いコーティングを設け、動翼１３，１４，１５，１６の先端部とシュラウド１８，１９，２０，２１の内壁とが接触し、タービンロータ１２の回転によって互いに摺動した場合に、動翼１３，１４，１５，１６の先端によってコーティングが容易に研削を受け、動翼１３，１４，１５，１６の損傷を防止する方法が公知である。このようなコーティングはアブレイダブルコーティング（被削性造隙皮膜）と呼ばれる。アブレイダブルコーティングをシュラウド１８，１９，２０，２１の内壁に設けることで、動翼１３，１４，１５，１６の先端が接触しても、アブレイダブルコーティングのみが研削を受け、動翼１３，１４，１５，１６は損傷しない。また、この結果、動翼１３，１４，１５，１６の先端部がアブレイダブルコーティングに食い込むような形で溝が形成されることでシール性も維持される。

このようなアブレイダブルコーティングとしては、種々のコーティングが提案されている。例えば、特許文献１には、ＮｉＣｒＡｌ合金、ＮｉＣｒＦｅＡｌ合金、ＭＣｒＡｌＹ合金と、固体潤滑剤であるベントナイトからなる組成系による合金系アブレイダブルコーティングが開示されている。また、特許文献２には、高速酸素火炎溶射（ＨＶＯＦ）法による多孔質ＭＣｒＡｌＹ合金皮膜を用いたアブレイダブルコーティングが開示されている。

さらに、特許文献３および特許文献４には、シュラウド１８，１９，２０，２１の内壁にＴＢＣ（Thermal Barrier Coating）を設け、高温の燃焼ガスから保護すると共に、動翼１３，１４，１５，１６の先端部に、ＭＣｒＡｌＹ（ＭはＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏのうちの何れか１以上）合金からなるマトリクス中に研削粒子として、例えば、ＣＢＮ（立方晶窒化硼素）砥粒を分散させた、アブレッシブコーティング（研削性皮膜）を設けてＴＢＣを研削可能とし、ＴＢＣをアブレイダブルコーティングとして機能させる方法が開示されている。

特開２００７−１７０３０２号公報 特開２００４−２２５６３２号公報 特開平４−２１８６９８号公報 特表平９−５０４３４０号公報

ガスタービンでは高効率化の目的で燃焼ガス温度の高温化が進んでおり、一般に、動翼１３，１４，１５，１６、静翼２２，２３，２４，２５、シュラウド１８，１９，２０，２１の、特に高温となる上流側の段落で部材温度が上昇している。このため、前記従来技術の合金系アブレイダブルコーティングでは高温酸化による皮膜の損耗が著しくなり、要求される機能を十分に満足することが困難になる。また、ＴＢＣをアブレイダブルコーティングとして用いる場合でも、ＴＢＣを研削するために動翼側に設けられたアブレッシブコーティング（研削性皮膜）には、合金系の材料が用いられており、やはり、高温酸化による研削性の低下が生じる。また、シュラウド側にＴＢＣを施工し、さらに、動翼側にもアブレッシブコーティングを施工する必要から、コスト的にも不利である。

そこで、本発明の目的は、アブレイダブル特性と耐酸化性を両立したアブレイダブルコーティングを有する部材と、それを用いたガスタービンを提供することにある。

本発明は、アブレイダブルコーティングの高温酸化による損耗を抑制するため、アブレイダブルコーティング内に基材側から表面側に連通した気孔を設け、かつ、部材内部の冷却空気の一部を、部材に設けた冷却孔、および、アブレイダブルコーティング内に設けた連通気孔を通じて外部に流出させる構造を有することを特徴とする。

本発明によれば、アブレイダブル特性と耐酸化性を両立したアブレイダブルコーティングを有する部材と、それを用いたガスタービンを提供することができる。

本発明のアブレイダブルコーティングを有する部材の構造を示す断面模式図である。 ガスタービンの構造を示す断面模式図である。

本発明は、図１に示すように、基材１上にアブレイダブルコーティング（被削性造隙皮膜）層２を設け、さらに、基材１には、基材１の内部冷却通路からアブレイダブルコーティング層２を設けた表面に向けて貫通した冷却孔５を複数設けた構造を有することを特徴とする。アブレイダブルコーティング層２は、多数の概略球形の合金粒子３が積層され、基材１側からコーティング表面まで連通した気孔４が存在する構造を有することを特徴とする。

基材１は、ニッケル基，コバルト基、または、鉄基の耐熱合金を用いることができる。アブレイダブルコーティング層２は、ニッケル基，コバルト基、または、鉄基の耐熱合金を用いることができるが、好ましくは、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍは、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏから選ばれる少なくとも１種）合金を用いることが望ましい。ＭＣｒＡｌＹ合金は、６００℃以上の高温で、動翼に用いられる耐熱合金よりも硬さが低下するためアブレイダブル性に優れ、さらに、耐酸化性にも優れるため、好適である。

また、アブレイダブルコーティング層２は、多数の概略球形の合金粒子３が積層され、基材１側からコーティング表面まで連通した気孔４が存在する構造を有するが、このような構造の皮膜を形成するためには、例えば、ガスアトマイズ法で製造した概略球形の合金粉末を原料として用い、合金粉末を基材表面に衝突させて積層する方法を用いることが好ましい。具体的には、例えば、プラズマ溶射法、高速ガス溶射（ＨＶＯＦ）法、コールドスプレー法等の方法を用いることができる。なかでも、コールドスプレー法が最も好適に用いられる。

本発明の特徴である、基材１側からコーティング表面まで連通した気孔４が存在する構造を有するアブレイダブルコーティング層２を形成するには、アーク溶射や火炎（フレーム）溶射のように、粉末粒子を高温で溶融し基材に衝突させて積層する方法では、溶融した粉末粒子が基材に衝突した際に扁平して積層するため、連通しない気孔（いわゆる閉気孔）が形成されやすくなる。また、大気中で溶融する温度まで加熱された合金粉末では酸化が生じ、硬質の酸化物が皮膜内に混入することで皮膜のアブレイダブル性を低下させる。また、粒子同士の結合が酸化物によって妨げられ、皮膜の強度が低下する等の問題も生じる。

従って、本発明のアブレイダブルコーティングを形成する際には、原料として用いる概略球形の合金粉末を溶融、酸化させず、そのままの球形に近い形状を維持したまま積層することが望ましい。これには、より低温で成膜を行うことできるコールドスプレー法が好適である。しかし、低温でも粒子速度が高速になり過ぎると、基材に衝突した際に粉末粒子の扁平が生じ、皮膜が緻密化して連通気孔が減少するため、本発明のアブレイダブルコーティングを形成できなくなるため、成膜条件を適当に調整する必要がある。なお、同様に成膜条件を、適宜、調整することで、プラズマ溶射法、高速ガス溶射（ＨＶＯＦ）法等を用いることもできる。

前記の成膜法を用いて形成した本発明の基材側から表面側に連通した気孔を有するアブレイダブルコーティングの連通気孔は、コーティング内体積分率が３０〜7０％の範囲が好ましい。気孔率が３０％未満では、流通する冷却空気量が少なくなり、アブレイダブルコーティングの冷却効果が十分に得られない。気孔率が増加すると冷却孔は高まるが、皮膜強度が低下し、気孔率が７０％を超えると、使用中にコーティングの損傷が生じ易くなってしまう。より好ましくは、気孔率が４０〜６０％の範囲である。

また、本発明のアブレイダブルコーティングは、成膜後に熱処理を施すことが好ましい。熱処理による固相拡散によって粒子間の結合を強化することで皮膜強度を向上することができる。熱処理方法は、コーティングの酸化を防止するため、真空中で行うことが望ましい。熱処理条件は、コーティング、基材材料に依るが、概ね、１０００℃以上で２ｈ以上保持することが好ましい。

（実施例）
基体として、ニッケル基耐熱合金ＩＮ７３８（１６％Ｃｒ−８.５％Ｃｏ−３.４％Ｔｉ−３.４％Ａｌ−２.６％Ｗ−１.７％Ｍｏ−１.７％Ｔａ−０.９％Ｎｂ−０.１％Ｃ−０.０５％Ｚｒ−０.０１％Ｂ−残部Ｎｉ、重量％）製のガスタービン１段シュラウドを準備した。また、原料粉末として、ガスアトマイズ法で製造された、概略球状で平均粒径２０μｍのＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金粉末（Ｃｏ−３２％Ｎｉ−２１％Ｃｒ−８％Ａｌ−０.５％Ｙ、重量％）を準備した。コールドスプレー装置を用い、原料粉末をシュラウドの燃焼ガス通路面に対し、成膜した。成膜条件は、作動ガスに窒素ガスを用い、ガス圧力２ＭＰａ、ガス温度５００℃、粉末供給量１５ｇ／min、成膜距離１５mmの条件を用い、コーティング層の厚さが約２mmまで成膜を実施した。成膜後の試験体に対し、真空中で１１２０℃×２ｈ、８４０℃×２４ｈの熱処理を実施した。さらに、熱処理後、シュラウド試験体の冷却空気通路面（コーティング施工面の反対側）から、放電加工によって、冷却通路面から基体表面まで貫通した冷却孔を複数加工した。このようにして製作したシュラウドを切断して断面組織を確認したところ、コーティング層は、図１に示したように、多数の概略球形の合金粒子３が積層され、基材１側からコーティング表面まで連通した気孔４が存在する組織を呈していた。相対密度から気孔の体積分率を測定したところ、約５０％であった。

前記手順で作製した別試験体をガスタービンに組込み１年間運転を行ったところ、本発明のアブレイダブルコーティングを用いたシュラウドは、良好なアブレイダブル特性を示し、かつ、酸化による損傷もほとんど認められなかった。一方、比較のため、同時に運転に供した従来技術のＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金アブレイダブルコーティングを設けたシュラウドでは、コーティングの酸化損傷が認められた。これらの結果から、本発明のアブレイダブルコーティングが優れたアブレイダブル特性と、耐酸化性を有することが確認された。

本発明によれば、アブレイダブルコーティング内に、連通気孔を通じて冷却空気を流すことで、アブレイダブルコーティングが冷却されるため、燃焼ガス温度の高温化に伴う部材温度上昇によって、従来技術の適用が困難となるような過酷な条件下でも、使用することができる。また、本発明のアブレイダブルコーティングを有する部材を用いたガスタービンは、より高温で運転が可能で、かつ、燃焼ガスの漏洩を低減できるため、効率を高めることができる。

１ 基材
２ アブレイダブルコーティング層
３ 合金粒子
４ 気孔
５ 冷却孔
６ 冷却空気
１１ ケーシング
１２ タービンロータ
１３，１４，１５，１６ 動翼
１７ 間隙
１８，１９，２０，２１ シュラウド
２２，２３，２４，２５ 静翼
２６，２７，２８，２９ タービンディスク
３０，３１，３２ スペーサ
３３ 中間軸
３４ 後部軸
４０ ガスパス（燃焼ガス流路）
４１ 燃焼器
Ａ 燃焼ガス

Claims (5)

1. ガスタービンの回転体と静止体の間隙から、作動流体が漏洩することを低減するためのシール用コーティングとして用いられるアブレイダブルコーティングを有する部材において、
   前記アブレイダブルコーティングを有する部材は、基材上にアブレイダブルコーティングが設けられたものであり、
   前記アブレイダブルコーティングが、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍは、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏから選ばれる少なくとも１種）合金からなり、前記アブレイダブルコーティング内部に、前記基材側から前記アブレイダブルコーティングの表面側に連通した気孔を有し、かつ、前記基材に設けられた冷却孔、および、前記アブレイダブルコーティング内部の連通気孔を通じて、前記部材内部の冷却空気の一部を外部に流出させることで、前記アブレイダブルコーティングを冷却することを特徴とするアブレイダブルコーティングを有する部材。
2. 請求項１において、前記基材が、Ｎｉ基、Ｃｏ基、または、Ｆｅ基の耐熱合金からなることを特徴とするアブレイダブルコーティングを有する部材。
3. 請求項１又は２において、前記基材側から前記アブレイダブルコーティングの表面側に連通した気孔を有するアブレイダブルコーティングの、連通気孔のコーティング内体積分率が３０〜７０％であることを特徴とするアブレイダブルコーティングを有する部材。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記部材がシュラウドであることを特徴とするアブレイダブルコーティングを有する部材。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のアブレイダブルコーティングを有する部材を具備したことを特徴とするガスタービン。

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