JP6016861B2 - 機械部品のコーティング方法 - Google Patents

Description

本発明は、動静翼や燃焼器などのガスタービン高温部品に対する遮熱コーティングによる耐剥離性を向上させる機械部品のコーティング方法に関する。

従来、動静翼や燃焼器などのガスタービン高温部品は、高温環境下での使用に耐え得るように遮熱コーティング（ＴＢＣ）が行われている（例えば、特許文献１、２参照）。
このような熱遮蔽コーティングでは、図５に示すように耐熱金属を有する基材１０１上に、溶射施工（ＡＰＳ、ＬＰＰＳ、ＨＶＯＦ）によりＭＣｒＡｌＹ合金（但し、MはＣｏ及びＮｉのうちの少なくとも１種の元素を表す）を主として含有するＭＣｒＡｌＹ層を金属結合層として積層することで、基板１０１への耐食機能、および遮熱コーティングの結合剤としての機能をもたせたアンダーコート１０２を設けている。

さらに、アンダーコート１０２のＭＣｒＡｌＹ層上には、溶射施工（ＡＰＳ）によりＺｒＯ２系セラミックス粉末材料（ＹＳＺ（添加剤としてＹ２Ｏ３を添加して部分安定化させた部分安定化ジルコニア）や、ＳｍＹｂＺｒ２Ｏ７、ＹｂＳＺ（Ｙｂ２Ｏ３添加で部分安定化した部分安定化ジルコニア；Ｙｂ２Ｏ３の添加割合が０．０１ｗｔ％以上１７．００％以下）よりなるセラミックス層を積層することで、基材１０１への遮熱性機能を付与しているトップコート１０３が設けられている。そして、トップコート１０３の皮膜組織としては、遮熱性に優れる気孔率が１％以上３０％以下のポーラス組織を適用している。

特開２００６−１４４０６１号公報 特開２００８−１７４８３８号公報

しかしながら、従来の遮熱コーティングでは、以下のような問題があった。
すなわち、ガスタービンの運転中にトップコートの剥離（図５に示す符号Ｐ）が生じる現状があった。そのため、アンダーコート（基材）に対する密着性を高めるためにトップコート材に緻密性をもたせて耐剥離性を向上させると、ポーラス組織が減少するので遮熱性が低下することになる。
このように、相反関係にある耐剥離性と遮熱性とをバランスよく達成することができない現状があり、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、遮熱性を維持しつつ遮熱コーティングの耐剥離性を向上させることができる機械部品のコーティング方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る機械部品のコーティング方法では、耐熱金属からなる基材の表面に形成されたアンダーコート層の表面に溶射ガンを第１溶射速度で移動させて、複数の層から成る下部コート層を形成する工程と、該下部コート層の表面に前記溶射ガンを前記第１溶射速度より大きい第２溶射速度で移動させて、複数の層から成り、各層の厚さが前記下部コート層を形成する各層の厚さより薄い上部コート層を形成する工程と、を備え、前記基材を冷却しつつ、前記基材の表面から離れた所定位置から上方のコート層を形成し、前記上方のコート層よりも前記基材側のコート層を非冷却による基材温度で形成して、前記下部コート層と前記上部コート層とから成るトップコート層を形成することを特徴としている。

本発明では、コート層の下層側で溶射ガンの溶射速度を遅くすることで、１層あたりの付着膜厚が大きくなり、コート層全体の層数を減らすことが可能となるため、剥離を誘起するコート層と基材との層間に組み込まれる組織的欠陥（層状欠陥や気孔）を減少させることができ、耐剥離性が向上する。
また、コート層の層表面側は、溶射ガンの溶射速度を速くすることで、コート層の密度を小さくして強制的にポーラス組織を導入することで、遮熱性を向上させることができる。つまり、コート層の上層部には遮熱効果をもたせ、下層部には耐剥離性をもたせることができ、遮熱性と耐剥離性とを両立した遮熱コーティングを実現することができる。

本発明では、基材表面側のコート層の形成時には、基材を冷却せずに高温とすることで、コート層の粒子間の密着性を高めることができるので、剥離を誘起する組織的欠陥（層状欠陥や気孔）を減らすことができ、耐剥離性をもたせることができる。
そして、コート層形成の途中からのコート形成時には、冷却により基材温度を低くすることで、粒子間の密着性を低下させることができ、これによりポーラス（組織的欠陥）を強制的に導入するが可能となり、遮熱性を向上させることができる。
また、本発明に係る機械部品のコーティング方法では、前記下部コート層を形成する工程では、前記溶射ガンからＺｒＯ2系セラミックス粉末材料を前記基材の表面に溶射し、前記上部コート層を形成する工程では、前記溶射ガンから前記ＺｒＯ2系セラミックス粉末材料を前記下部コート層の表面に溶射してもよい。

本発明の機械部品のコーティング方法によれば、コート層の上層部と下層部で溶射速度を変えてコーティングすることで、遮熱性を維持しつつ遮熱コーティングの耐剥離性を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態によるコーティング方法により形成された遮熱コーティング状態を示す断面図である。 図１に示すトップコートの構造の断面図である。 本発明の第２の実施の形態によるコーティング方法により形成された遮熱コーティング状態を示す断面図である。 第３の実施の形態によるコーティング方法を示す図であって、基材温度の変化を示すグラフである。 従来の遮熱コーティング状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態による機械部品のコーティング方法及び機械部品について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、第１の実施の形態による機械部品のコーティング方法は、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法での溶射速度Ｖを二段階に変化させることで、皮膜組織を厚さ方向に二段階に変化させてなるトップコート３（コート層）を形成した遮熱コーティングに適用されている。

図１及び図２に示す符号１は耐熱金属からなる基材、符号２は基材１の表面１ａに設けられるアンダーコート、符号３はアンダーコート２の表面２ａに設けられる上述したトップコートをそれぞれ示している。ここで、トップコート３は、アンダーコート２側に緻密組織をなす下部コート層３１と、層表面側（アンダーコート２側）にポーラス組織を有する上部コート層３２とからなる。

本実施の形態によるコーティング方法は、基材１の表面１ａに溶射ガン（図示省略）を第１溶射速度Ｖ１で移動させて、下部コート層３１を形成する工程と、この下部コート層３１の表面３１ａに溶射ガンを第１溶射速度Ｖ１より大きい第２溶射速度Ｖ２で移動させて上部コート層３２を形成する工程とを有している。
具体的には、図２に示すように、トップコート３における基材１側の１層〜３層目までを下部コート層３１とし、例えば５０〜２００ｍｍ／ｓｅｃの低速（第１溶射速度Ｖ１）で施工する。そして、４層目以降を上部コート層３２とし、例えば３００〜６００ｍｍ／ｓｅｃの高速（第２溶射速度Ｖ２）で施工する。

通常、遮熱コーティング（トップコート３）が剥離する場所は，トップコート３とアンダーコート２との界面付近のトップコート側であり、その剥離範囲はＡＰＳ施工の略１〜３層部分に相当している。そのため、その略１〜３層部分となる表面部分を下部コート層３１として、ＡＰＳ施工速度（第１溶射速度Ｖ１）を遅くすることで、１層あたりの付着膜厚ｔ１（図２）が大きくなり、トップコート３全体の層数を減らすことが可能となる。
そのため、剥離を誘起するトップコート３とアンダーコート２との層間に組み込まれる組織的欠陥（層状欠陥や気孔）を減少させることができ、耐剥離性が向上する。

また、トップコート３の層表面側の上部コート層３２は、溶射ガンの溶射速度（第２溶射速度Ｖ２）を第１溶射速度Ｖ１よりも速くすることで、上部コート層３２の密度を小さくして強制的にポーラス組織を導入することができ、遮熱性を向上させることができる。
つまり、上部コート層３２には遮熱効果をもたせ、下部コート層３１には耐剥離性をもたせることができ、遮熱性と耐剥離性とを両立した遮熱コーティングを実現することができる。

上述した本実施の形態による機械部品のコーティング方法及び機械部品では、トップコート３の上部コート層３２と下部コート層３１で溶射速度を変えてコーティングすることで、遮熱性を維持しつつ遮熱コーティングの耐剥離性を向上させることができる。

次に、本発明の機械部品のコーティング方法による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施の形態と異なる構成について説明する。

（第２の実施の形態）
図３に示すように、第２の実施の形態による機械部品のコーティング方法は、トップコート３（コート層）において、耐熱金属からなる基材１（図１参照）の表面１ａから積層するにしたがって段階的に溶射速度を大きくしながら溶射ガンを移動させて、複層からなるトップコート３を形成する方法である。

具体的には、先ずトップコート３の１層目３Ａを溶射速度で５０〜２００ｍｍ／ｓｅｃの低速（第１溶射速度Ｖ１）で施工する。次いで、２層目以降（３Ｂ〜３Ｇ）は、層毎に段階的に溶射速度を前記第１溶射速度Ｖ１より１０〜５０ｍｍ／ｓｅｃずつ速くしながら施工する。

本第２の実施の形態では、上述した第１の実施の形態と同様に、溶射ガンの溶射速度を遅くすると、１層あたりの付着膜厚が大きくなるので、トップコート３全体の層数を減らすことが可能となる。そのため、剥離を誘起する層間に組み込まれる組織的欠陥（層状欠陥や気孔）を減らすことができ、耐剥離性を向上させることができる。
また、溶射速度を低速から高速へ段階的に変化させる方法とすることで、下層側から上層側に向けて段階的に耐剥離性を低くし、遮熱性を高くすることが可能となり、耐剥離性と遮熱性とを両立した遮熱コーティングを形成することができる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態による機械部品のコーティング方法は、図１に示す上述した第１の実施の形態において、上部コート層３２（基材１の表面１ａから離れた所定位置から上方のコート層）の形成時に、基材１を冷却しつつ行うようにしたものである。つまり、図４に示すように、ＡＰＳ施工中の基材１の温度を第１温度Ｔ１と、第１温度Ｔ１より低温の第２温度Ｔ２の二段階に変化させることで、トップコート３の皮膜組織も二段階に変化させる方法となっている。

具体的には、図２に示す１層〜３層目までの下部コート層３１を冷却しない基材温度（第１温度Ｔ１）でＡＰＳ施工し、４層目以降の上部コート層３２を冷却により基材１の温度（第２温度Ｔ２）を例えば１５０℃以下に抑えてＡＰＳ施工する。

本第２の実施の形態では、基材表面側の下部コート層３１の形成時には、基材１を冷却せずに高温とすることで、下部コート層３１の粒子間の密着性を高めることができるので、剥離を誘起する組織的欠陥（層状欠陥や気孔）を減らすことができ、耐剥離性をもたせることができる。
そして、トップコート３の途中からの上部コート層３２の形成時には、冷却により基材温度を低くすることで、粒子間の密着性を低下させることができ、これによりポーラス（組織的欠陥）を強制的に導入するが可能となり、遮熱性を向上させることができる。

以上、本発明による機械部品のコーティング方法及び機械部品の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態ではアンダーコート２を設ける構成としているが、省略された構成であっても適用可能である。つまり基材１の表面１ａに直接トップコート３を設ける構成であってもよい。
また、第１および第２の実施の形態では、下部コート層３１と上部コート層３２の上下二段に分けて形成しているが、二段であることに制限されることはなく、三段以上のコート層とすることも可能である。

また、第１および第２の実施の形態では下部コート層３１を３層としているが、これに限定されることはなく、２層あるいは４層以上であってもかまわない。さらに、層数で管理せず、例えば膜厚０．１０ｍｍまでを下部コート層とし、膜厚０．１０ｍｍ以降を上部コート層とするなど膜厚で管理してもよい。

さらにまた、溶射ガンによる溶射速度、すなわち１層あたりの膜厚寸法は制限されることはなく、基材１、アンダーコート２の部材条件や、溶射条件に応じて適宜設定することが可能である。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施の形態を適宜組み合わせてもよい。

１ 基材
１ａ 基材表面
２ アンダーコート
３ トップコート
３１ 下部コート層
３２ 上部コート層
Ｖ１ 第１溶射速度
Ｖ２ 第２溶射速度

Claims (2)

1. 耐熱金属からなる基材の表面に形成されたアンダーコート層の表面に溶射ガンを第１溶射速度で移動させて、複数の層から成る下部コート層を形成する工程と、
   該下部コート層の表面に前記溶射ガンを前記第１溶射速度より大きい第２溶射速度で移動させて、複数の層から成り、各層の厚さが前記下部コート層を形成する各層の厚さより薄い上部コート層を形成する工程と、
   を備え、
   前記基材を冷却しつつ、前記基材の表面から離れた所定位置から上方のコート層を形成し、
   前記上方のコート層よりも前記基材側のコート層を非冷却による基材温度で形成して、前記下部コート層と前記上部コート層とから成るトップコート層を形成することを特徴とする機械部品のコーティング方法。
2. 前記下部コート層を形成する工程では、前記溶射ガンからＺｒＯ2系セラミックス粉末材料を前記基材の表面に溶射し、
   前記上部コート層を形成する工程では、前記溶射ガンから前記ＺｒＯ2系セラミックス粉末材料を前記下部コート層の表面に溶射することを特徴とする請求項１に記載の機械部品のコーティング方法。

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