JP6730407B2 - 風車翼およびその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、風車翼およびその製造方法に関する。

従来、風車ロータの回転に伴い、風車翼が空気中の異物（例えば、雨滴や塵埃等）と衝突して浸食されることにより、風車翼の前縁側に所謂エロージョンが発生することが知られている。そして、このエロージョンから風車翼を保護するために、風車翼の前縁側に耐エロージョン用の保護層を貼り付けたり塗布したりする対応が取られている。

例えば、特許文献１には、プラズマ溶射や高速フレーム溶射（ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙ−ｆｕｅｌ：ＨＶＯＦ）を用いて翼の表面に耐エロージョン用のコーティングを施す技術が開示されている。
なお、特許文献２及び３は、風車翼との特定はないが、繊維強化プラスチック基材と溶射被膜層（トップコート）との間に、基材構成成分である樹脂と同種の樹脂およびセラミックス粒子の混合物からなる焼成中間層を形成することが開示されている。

米国特許出願公開第２０１６／０１３０７０５号 特許第４４３６９５７号明細書 特許第４４３６９５４号明細書

近年、風車翼の耐エロ―ジョン性のさらなる向上のために、風車翼の表面に緻密な溶射膜を形成する技術の開発が望まれている。
しかしながら、溶射膜の緻密化を実現するためには、溶射材の粒子を母材に高速で衝突させる必要があり、この場合には、風車翼の母材に損傷を与えてしまう虞がある。
この点、特許文献１の方法では、高硬度且つ高弾性率の材料と付加金属との混合物を含む多層の溶射膜を有し、母材から離れるに従い付加金属の重量％を減少させて、硬度や弾性率を増加させる事により外部からの浸食などを防止する技術を示しているが、風車翼の耐エロ―ジョン被膜の緻密化と、溶射材の母材への衝突に起因した母材の損傷抑制と、を両立するための解決策は示されていない。
また、特許文献２及び３は、風車翼に関する技術との特定はないが、繊維強化プラスチック素材の表面にトップコートとして溶射膜を形成させて耐摩耗性等の表面特性を向上させているが、トップコートとして必要な緻密な溶射膜を形成する技術に関する解決策は示されておらず、また、中間層は電気炉内に装入して焼成させる点に限定している。

上記問題に鑑み、本発明の少なくとも一実施形態は、母材の機能を損なうことなく風車翼の耐エロージョン性能の向上を図ることを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼は、
ＦＲＰにより形成され、翼形状を有する基材と、
前記基材上に設けられ、金属、サーメット、セラミックス、又は、これらの少なくとも一つと樹脂との混合物を主成分とする中間層と、
前記中間層上に設けられ、５％以下の気孔率を有する溶射膜により形成される耐エロージョン被膜と、
を備える。
ここで、「気孔率」は、固体部分と気孔部分とを含む溶射膜全体に対して気孔部分が占める割合を示す指標であり、気孔率が低いほど溶射膜の緻密性が高い。「気孔率」は、例えば、溶射膜の断面を光学顕微鏡やＳＥＭ等で観察することで得られる画像を解析し、画像全体に占める気孔部分の面積比から算出してもよい。
なお、中間層は、金属、サーメット、セラミックス又は前記混合物の含有率がその他の成分の含有率よりも高い。

上記（１）の構成によれば、風車翼の基材上に、中間層を介して、気孔率５％以下の溶射膜で形成される耐エロージョン被膜が配置される。つまり、ＦＲＰ製の基材の表面に、中間層を介して優れた耐エロージョン性を発揮し得る緻密な溶射膜が配置されるので、風車翼の耐エロージョン性能を大幅に向上させることができる。
ここで、風車翼のように比較的大きな基材に溶射膜を形成する際、大気雰囲気中で作業できれば作業効率の向上が図られる。このように空気中で溶射膜の形成を行う際には、空気中の酸素と溶射材との反応による酸化被膜の生成を抑制するべく、例えば溶射材の粒子を基材に高速で溶射して酸素との反応時間を可能な限り短縮することで、気孔率が低く基材との密着性の高い緻密な溶射膜が形成され得る。しかし、このように緻密な溶射膜を基材上に直接的に形成すると基材の表面を傷つけてしまう虞がある。この点、上記（１）の方法によれば、基材と耐エロージョン被膜との間に中間層が介在するため、耐エロージョン被膜を形成する際の溶射によって基材の表面に与える損傷を抑制することができる。したがって、基材の機能を損なうことなく風車翼の耐エロージョン性能を大幅に向上させることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記耐エロージョン被膜を形成する前記溶射膜は、
アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカーバイドの少なくとも一つを含むサーメット、
又は、
Ｃｏ系合金
により構成される。

上記（２）の構成によれば、セラミックス系の材料を含むサーメット又はＣｏ系合金等の高硬度で耐摩耗性の高い材料を用いて耐エロージョン被膜を形成することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記中間層は、前記耐エロージョン被膜を形成する前記溶射膜に比べて気孔率が高い中間溶射膜を含む。

上記（３）の構成によれば、基材と耐エロージョン被膜との間に、耐エロージョン被膜を形成する溶射膜よりも気孔率の高い中間溶射膜を含む中間層が配置される。すなわち、最外周には気孔率が低く緻密な耐エロージョン被膜を配置し、この耐エロ―ジョン被膜と基材との間には、気孔率が比較的高い中間溶射膜を配置する。このようにすれば、例えば、気孔率が５％以下と低い耐エロージョン被膜を形成する際の溶射速度よりも低い溶射速度で中間溶射膜を形成することができるから、中間層（中間溶射膜）を形成する際の溶射によって基材表面を傷つけてしまうことを効果的に抑制することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記耐エロージョン被膜を形成する前記溶射膜の気孔率に対する、前記中間溶射膜の気孔率の比が３倍以上である。

上記（４）の構成によれば、耐エロージョン被膜を構成する溶射膜の気孔率に比べて３倍以上の気孔率を有する中間溶射膜によって中間層が形成される。つまり、中間層に比べて気孔率が１／３以下になるようにして耐エロージョン被膜が形成されるから、上記（３）で述べたように、基材の表面から段階的に気孔率が低下するような配置で、最外周に緻密な耐エロージョン被膜を形成することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（３）又は（４）の構成において、
前記耐エロージョン被膜を形成する前記溶射膜の気孔率が３％以下であり、
前記中間溶射膜の気孔率が６％以上である。

上記（５）の構成によれば、気孔率が６％以上の中間溶射膜を用いて中間層が形成されるとともに、気孔率が３％以下の溶射膜を用いて耐エロージョン被膜が形成される。したがって、上記（５）の構成によっても、上記（３）又は（４）で述べたように、基材の表面から段階的に気孔率が低下するような配置で、最外周に緻密な耐エロージョン被膜を形成することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（３）乃至（５）の何れか１つに記載の構成において、
前記中間溶射膜は、
アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカーバイドの少なくとも一つを含むサーメット、
又は、
Ｃｏ系合金、ステンレス、鉄鋼、チタン、銅又はアルミニウムの少なくとも一つを含む金属
により構成される。

上記（６）の構成によれば、セラミックス系の材料を含むサーメット又はＣｏ系合金等を含む金属等、耐摩耗性の高い材料を用いて中間層を形成することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の構成において、
前記中間層は、金属テープを含む。

上記（７）の構成によれば、基材と耐エロージョン被膜との間に配置される中間層として金属テープを適用することができる。つまり、基材上に金属テープを固定するという簡易な方法で、中間層を容易に形成することができる。
なお、金属テープの基材への固定手法は、金属テープ自体に設けられた接着層、または、金属テープとは別個の接着剤を用いて、金属テープを基材に貼り付けてもよい。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、
前記基材は、前記中間層および前記耐エロージョン被膜により覆われた領域において、前記中間層および前記耐エロージョン被膜により覆われていない領域よりも大きな表面粗さＲａを有していてもよい。

上記（８）の構成によれば、中間層および耐エロージョン被膜により覆われる領域における基材の表面粗さＲａを相対的に大きく設定することで、中間層の基材表面への接着性を向上させることができる。
ここで、中間層および耐エロージョン被膜により覆われる領域における基材の表面粗さＲａを適度な値に設定するための一手法として、当該領域における基材表面に対してブラスト処理を行ってもよい。
なお、中間層および耐エロージョン被膜により覆われる領域における基材の表面粗さＲａの具体的な数値範囲は特に限定されないが、例えば、０．２μｍ≦Ｒａ≦２０μｍの関係を満たしてもよい。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの構成において、
前記風車翼における前記耐エロージョン被膜の形成範囲の表面と、前記形成範囲外において前記耐エロージョン被膜に隣接する前記風車翼の表面との段差の大きさが、前記耐エロージョン被膜および前記中間層の合計膜厚よりも小さい。

上記（９）の構成によれば、耐エロージョン被膜の形成範囲の表面と、前記形成範囲外において前記耐エロージョン被膜に隣接する前記風車翼の表面との段差を小さくし、耐エロージョン被膜の設置に起因した風車翼の空力性能の低下を抑制することができる。
なお、耐エロージョン被膜及び中間層の合計膜厚は０．４ｍｍ以下であってもよく、例えば、０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であってもよい。耐エロージョン被膜及び中間層の合計膜厚が０．４ｍｍ以下である場合、前述の段差は０．３ｍｍ以下の大きさにすることによって空力性能の低下を抑制することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかの構成において、
前記基材は、前記風車翼における前記耐エロージョン被膜の形成範囲の内側における前記基材の表面が、前記形成範囲の外側における前記基材の表面に対して陥没している。

上記（１０）の構成によれば、耐エロージョン被膜の形成範囲の内側における基材表面を陥没させることで、耐エロージョン被膜の形成範囲の境界における段差を小さくし、耐エロージョン被膜の設置に起因した風車翼の空力性能の低下を抑制することができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかの構成において、
前記風車翼は、前記耐エロージョン被膜に隣接して前記基材上に設けられ、前記耐エロージョン被膜の形成範囲の境界から遠ざかるに従って厚さが減少するスロープ部材を備え、前記スロープ部材により前記段差を小さくするように構成される。

上記（１１）の構成によれば、耐エロージョン被膜に隣接してスロープ部材を設けることで、耐エロージョン被膜の形成範囲の境界における段差を小さくし、耐エロージョン被膜の設置に起因した風車翼の空力性能の低下を抑制することができる。
なお、上記（１０）の構成、および、上記（１１）の構成を併用することで、耐エロージョン被膜の形成範囲の境界における段差を小さくしてもよい。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１１）の何れか１つに記載の構成において、
前記中間層及び前記耐エロージョン被膜は、前記翼形状の前記基材の表面のうち、少なくとも前記風車翼の翼先端側及び／又は前縁側の領域に設けられる。

上記（１２）の構成によれば、風車翼のうち、エロージョンによる劣化や損傷の影響を最も受けやすい翼先端側及び／又は前縁側の領域に、金属、サーメット、セラミックス、又は、これらの少なくとも一つと樹脂との混合物を主成分とする中間層と溶射膜による耐エロージョン被膜とを設けることができる。よって、エロージョンから風車翼を適切に保護することができる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風車は、上記（１）乃至（１２）の何れか一項の風車翼を含む風車ロータを備える。
この構成によれば、上記（１）乃至（１２）の何れか一つで述べた作用及び効果を奏する風車翼を備えた風車を得ることができる。

（１３）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風車翼の製造方法は、
ＦＲＰにより形成されて翼形状を有する基材上に、金属、サーメット、セラミックス、又は、これらの少なくとも一つと樹脂との混合物を主成分とする中間層を形成するステップと、
前記中間層上に設けられ、５％以下の気孔率を有する耐エロージョン被膜をＨＶＯＦ溶射により形成するステップと、を備える。

上記（１３）の方法によれば、上記（１）で述べたように、基材と耐エロージョン被膜との間に中間層を介在させることにより、耐エロージョン被膜を形成する際の溶射による基材表面の損傷を抑制しつつ耐エロージョン性に優れた溶射材料を適宜選択して適用することができるので、基材の機能を損なうことなく風車翼の耐エロージョン性能を大幅に向上させることができる。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１３）の方法において、
前記中間層は、大気プラズマ溶射により形成される。

上記（１４）の方法によれば、ＦＲＰ製の基材上に形成される中間層を、ＦＲＰへの溶射に好適な大気プラズマ溶射により形成することができる。したがって、基材の表面を傷つけることなく中間層を形成することができる。

（１５）幾つかの実施形態では、上記（１３）又は（１４）に記載の方法において、
前記基材に対して相対的に溶射装置を移動させ、前記風車翼の翼先端の領域の場合は該翼先端に沿って、前記風車翼前縁の領域の場合は前記風車翼の翼長手方向に沿って、前記基材に対して相対的に溶射装置を移動させ、前記溶射装置の施工範囲よりも広い範囲に前記耐エロージョン被膜を形成する。

一般に、溶射装置を定位置に設置して用いる際には有限の施工範囲がある。このため、例えば風車翼のような比較的大きな非溶射対象に対して溶射を行う場合は非溶射対象の全体にわたって溶射膜を形成することが困難である。この点、上記（１５）の方法によれば、風車翼の基材に対して溶射装置を相対移動させるため、一定の箇所に設置して用いた場合の施工範囲に比べて、より広い範囲に大気プラズマ溶射膜やＨＶＯＦ溶射膜を、風車翼の製造環境に合わせて形成することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、母材の機能を損なうことなく風車翼の耐エロージョン性能の向上を図ることができる。

一実施形態に係る風車翼を備えた風力発電装置の構成例を示す概略図である。 一実施形態に係る風車翼を示す斜視図である。 一実施形態に係る風車翼の部分断面図である。 一実施形態における溶射膜を含む種々の材料のエロージョン特性を示すグラフである。 一実施形態に係る風車翼の製造方法を示す模式図である。 一実施形態におけるプラズマ溶射装置を示す模式図である。 一実施形態におけるＨＶＯＦ溶射装置を示す模式図である。 ＨＶＯＦ溶射と大気プラズマ溶射による溶射膜の耐エロージョン特性を示すグラフである。 他の実施形態に係る風車翼を示す図であり、（Ａ）は風車翼における耐エロージョン被膜の形成範囲の内側における該基材の表面が、形成範囲の外側における基材の表面に対して陥没している様子を示す断面図、（Ｂ）は一実施形態におけるスロープ部材を示す断面図である。 一実施形態に係る風車翼の製造方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る風車翼の製造方法を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係る風車翼を適用した風力発電装置（以下、風車とする）の構成例を示す概略図である。
図１に示すように、風車１は、複数（図１に示す例では３枚）の風車翼２及び該風車翼２が取り付けられるハブ３で構成されるロータ４（風車ロータ）と、ロータ４を図示しない主軸及び主軸受を介して回転自在に支持するナセル５と、主軸の回転力を受けて駆動される発電機（図示省略）と、ナセル５を水平旋回可能に支持するタワー６と、タワー６が設置されるベース７と、備えている。そして、風車１は、風車翼２で風を受けるとロータ４が回転し、ロータ４に連結された発電機（不図示）で電力が生成されるようになっている。

次に、本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼２について詳しく説明する。図２は一実施形態に係る風車翼を示す斜視図である。図３は一実施形態に係る風車翼の部分断面図である。
図２に示すように、風車翼２は、風車１のハブ３に取り付けられる翼根部２１と、ハブ３から最も遠くに位置する翼先端部２２と、翼根部２１と翼先端部２２との間に延在する翼型部２０と、を含む。また、風車翼２は、翼根部２１から翼先端部２２にかけて、前縁２４と後縁２５とを有する。また、風車翼２の外形は、圧力面（正圧面）である腹面２７と、腹面２７に対向する負圧面である背面２６とによって規定される。
そして、図２及び図３に示すように、本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼２は、ＦＲＰ（ｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ：繊維強化プラスチック）により形成され、翼形状を有する基材３０と、該基材３０上に設けられる中間層４２と、該中間層４２上に設けられ、５％以下の気孔率を有する溶射膜により形成される耐エロージョン被膜５０と、を備えている。なお、上記中間層４２と耐エロージョン被膜５０とにより、基材３０を保護する風車翼プロテクタ４０が構成される。

基材（又は母材）３０は、風車翼２に用いて好適なＣＦＲＰ（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ：炭素繊維強化プラスチック）又はＧＦＲＰ（ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ：ガラス繊維強化プラスチック）等を用いて形成され得る。このようにＦＲＰを用いて基材３０を形成する方法及び基材３０の構成については従来周知のものを適用可能であるため、ここでは詳しい説明を省略する。

中間層４２は、金属、サーメット、セラミックス、又は、これらの少なくとも一つと樹脂との混合物を主成分とする。
中間層４２は、基材３０の表面に形成される風車翼プロテクタ４０（図２及び図３参照）の第１層目を構成し、耐エロージョン被膜５０の形成前に基材３０上に形成される保護層（下地層）として機能する。
中間層４２としてセラミックスを主成分に用いた場合は硬度、耐摩耗性、耐熱性などに優れ、金属を主成分に用いた場合は靭性に優れ、セラミックスに金属バインダーを付加してサーメットを主成分に用いた場合は金属よりも高硬度、且つ、セラミックスよりも靭性に優れた割れにくい中間層４２を形成することができる。

中間層４２は、金属、サーメット、セラミックス又は前記混合物のうち１以上により構成される主成分以外に種々の添加物を含有していてもよいが、主成分の含有率はその他の成分の含有率よりも高い。

上記構成の中間層４２は様々な方法で形成してもよく、例えば、中間層４２が主成分として金属、サーメット又はセラミックスを含む場合、アーク溶射やプラズマ溶射等の電気式溶射により中間層４２を形成してもよい。あるいは、中間層４２が主成分として上述の混合物を含む場合、金属、サーメット又はセラミックスの少なくとも一つが分散された樹脂組成物により構成される樹脂シートを基材３０の表面に貼り付けてもよい。

耐エロージョン被膜５０は、基材３０の表面に形成される風車翼プロテクタ４０の第２層目を構成し、雨滴や塵等の液滴エロージョンから基材３０を保護するための最外層として機能する。非限定的に示す例では、耐エロージョン被膜５０として、タングステンカーバイド（ＷＣ）を含むサーメットを用いて形成された気孔率１．６％の緻密な溶射膜を使用してもよい。
この耐エロージョン被膜５０は様々な方法で形成してもよく、例えば、後述する高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ溶射）等のガス式溶射により形成してもよい（図７参照）。

上記の構成によれば、風車翼２の基材３０上に、中間層４２を介して、気孔率５％以下の溶射膜で形成される耐エロージョン被膜５０を配置することができる。つまり、ＦＲＰ製の基材３０の表面に、中間層４２を介して優れた耐エロージョン性を発揮し得る緻密な溶射膜が配置されるので、風車翼２の耐エロージョン性能を大幅に向上させることができる。
ここで、風車翼２のように比較的大きな基材３０に溶射膜を形成する際、大気雰囲気中で作業できれば作業効率の向上が図られる。このように空気中で溶射膜の形成を行う際には、空気中の酸素と溶射材との反応による酸化被膜の生成を抑制するべく、例えば溶射材の粒子を基材に高速で溶射して酸素との反応時間を可能な限り短縮することで、気孔率が低く基材３０との密着性の高い緻密な溶射膜が形成され得る。しかし、このように緻密な溶射膜を基材３０上に直接的に形成すると基材３０の表面を傷つけてしまう虞がある。この点、上記の方法によれば、基材３０と耐エロージョン被膜５０との間に中間層４２が介在するため、基材３０の表面に与える損傷を抑制することができる。したがって、基材３０の機能を損なうことなく風車翼２の耐エロージョン性能を大幅に向上させることができるのである。

幾つかの実施形態では、中間層４２及び耐エロージョン被膜５０は、例えば図２に示すように、翼形状の基材３０の表面のうち、少なくとも、風車翼２の翼先端部２２側且つ前縁２４側の領域に設けられてもよい。このようにすれば、風車翼２のうち、周速が速く、エロージョンによる劣化や損傷の影響を最も受けやすい翼先端部２２側且つ前縁２４側の領域に、金属、サーメット、セラミックス、又は、これらの少なくとも一つと樹脂との混合物を主成分とする中間層４２と溶射膜による気孔率５％以下の緻密な耐エロージョン被膜５０とを設けることができる。よって、エロージョンから風車翼２を適切に保護することができる。

幾つかの実施形態において、耐エロージョン被膜５０を形成する溶射膜は、アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカーバイドの少なくとも一つを含むサーメット、又は、Ｃｏ系合金により構成されてもよい。すなわち、耐エロージョン被膜５０は、セラミックス系の材料（アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカーバイド等）を含むサーメット又はＣｏ系合金等の、高硬度で耐摩耗性の高い材料を用いて形成され得る。

図４は一実施形態における溶射膜を含む種々の材料のエロージョン特性を示すグラフである。なお、図４は、例えばウォータージェット法試験装置を用いて試験片にジェット水流を噴射し、時間（ｓｅｃ）と摩耗量（μｍ）との関係を示したものである。図４中、溶射膜として示す材料については溶射後の被膜に対して試験を行った結果を示している。また、ＰＬは大気プラズマ溶射、ＨＶＯＦは高速フレーム溶射を示す。
図４から、溶射により気孔率５％以下に形成したＷＣ溶射ＨＶＯＦの耐エロージョン特性が、基材３０を構成するＦＲＰや他の溶射膜に比べて優れていることがわかる。

幾つかの実施形態において、中間層４２は、耐エロージョン被膜５０を形成する溶射膜に比べて気孔率が高い中間溶射膜を含んでいてもよい。
非限定的に示す例では、中間層４２として、タングステンカーバイド（ＷＣ）を含有するサーメットを含み、耐エロージョン被膜５０の気孔率（５％以下）よりも高い気孔率７．３％の溶射膜を使用してもよい。
このように構成すれば、基材３０と耐エロージョン被膜５０との間に、耐エロージョン被膜５０を形成する溶射膜よりも気孔率の高い中間溶射膜を含む中間層４２が配置される。すなわち、中間層４２にあっては気孔率の低さにこだわらず、基材３０を構成するＦＲＰの表面に損傷を与えない程度の溶射速度で中間溶射膜を形成することができる。つまり、例えば、気孔率が５％以下と低い耐エロージョン被膜５０を形成する際の溶射速度よりも低い溶射速度で中間溶射膜を形成することができるから、中間層４２（中間溶射膜）を形成する際の溶射によって基材３０表面を傷つけてしまうことを効果的に抑制することができる。そして、基材３０の表面から段階的に気孔率が低下するような配置で、最外周に緻密な耐エロージョン被膜５０を形成することができる。

中間層４２が中間溶射膜を含む場合、中間溶射膜の気孔率は、耐エロージョン被膜５０を形成する溶射膜の気孔率に対して３倍以上であってもよい。
例えば、タングステンカーバイド（ＷＣ）を含むサーメットを用いて形成された気孔率１．６％の溶射膜を耐エロージョン被膜５０として用いる場合、中間溶射膜として、タングステンカーバイド（ＷＣ）を含有するサーメットを含む気孔率７．３％の溶射膜を用いてもよい。
このようにすれば、耐エロージョン被膜５０を構成する溶射膜の気孔率に比べて３倍以上の気孔率を有する中間溶射膜によって中間層４２が形成され得る。つまり、比較的気孔率が大きい中間溶射膜を中間層４２として用いることで、基材３０の表面に中間層４２の溶射膜を形成する際の溶射速度を低く（遅く）することができるから、基材３０の表面をより適切に保護することができる。また、中間層４２に比べて気孔率が１／３以下になるようにして耐エロージョン被膜５０が形成されるから、上述したように、基材３０の表面から段階的に気孔率が低下する配置で、最外周に緻密な耐エロージョン被膜５０を形成することができる。

幾つかの実施形態では、耐エロージョン被膜５０を形成する溶射膜の気孔率が３％以下であり、中間溶射膜の気孔率が６％以上であってもよい。例えば、上述のとおり、耐エロージョン被膜５０の溶射膜（気孔率１．６％）と、中間層４２の中間溶射膜（気孔率７．３％）との組み合わせを採用してもよい。
このようにすれば、気孔率が６％以上の中間溶射膜を用いて中間層４２が形成されるとともに、気孔率が３％以下の溶射膜を用いて耐エロージョン被膜５０が形成される。したがって、基材３０の表面から段階的に気孔率が低下するような配置で、最外周に緻密な耐エロージョン被膜５０を形成することができる。

幾つかの実施形態において、中間溶射膜は、アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカーバイドの少なくとも一つを含むサーメット、又は、Ｃｏ系合金、ステンレス、鉄鋼、チタン、銅又はアルミニウムの少なくとも一つを含む金属により構成されてもよい。
すなわち、風車翼プロテクタ４０の第１層目である中間層４２（中間溶射膜）の構成材料として、第２層目である上記耐エロージョン被膜５０の構成材料の他に、例えば、ＳＵＳ、鉄鋼、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属溶射膜を用いてもよい。
このようにすれば、セラミックス系の材料を含むサーメット又はＣｏ系合金等を含む金属等、耐摩耗性の高い材料を用いて中間層４２を形成することができる他、ＦＲＰへの溶着性の観点でセラミックス系よりも好適な金属をバインダーとして用いることができるため、基材３０に対する中間層４２の溶着性を向上させることができる。

幾つかの実施形態において、中間層４２は、例えば図５に示すように、金属テープ６０を含んでもよい。すなわち、中間層４２は、例えば、ステンレステープ（ＳＵＳテープ）等によって構成されていてもよい。
このように構成すれば、基材３０と耐エロージョン被膜５０との間に配置される中間層４２として金属テープ６０を取り付けるという簡易な方法で、中間層４２を容易に形成することができるため、工期の短縮化が図られる。
なお、基材３０への金属テープ６０の取り付けは、金属テープ６０自体に設けられた接着層、または、別途用意した接着剤を用いて金属テープ６０を基材３０に貼り付けることで行ってもよい。

幾つかの実施形態では、中間層４２は、大気プラズマ溶射（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙｉｎｇ：ＡＰＳ）により形成されてもよい。すなわち、上記中間溶射膜は、大気プラズマ溶射によって形成された溶射膜であってもよい。

ここで、プラズマ溶射法とＨＶＯＦ溶射とについて説明する。図６は一実施形態におけるプラズマ溶射装置を示す模式図である。図７は一実施形態におけるＨＶＯＦ溶射装置を示す模式図である。

プラズマ溶射法は、電気式溶射の一種であり、例えば図６に示すプラズマ溶射装置７０を用いて施工することができる。
プラズマ溶射装置７０は、電極（陰極）７１及びノズル（陽極）７２が設けられたトーチ７３を含む。トーチ７３は、冷却水を導入するための冷却水入口７４と、トーチ７３内部の冷却通路を通過した後の冷却水を排出するための冷却水出口７５と、を有する。また、トーチ７３は、アルゴン、ヘリウム、窒素等の作動ガスが供給されるガス供給口７６を有する。ガス供給口７６から導入された作動ガスは、電極７１及びノズル７２間に発生するアークによりプラズマ化され、プラズマジェット７７としてノズル７２から噴出される。プラズマジェット７７には、粉末供給管７８からの粉末材料が供給される。プラズマジェット７７に向けて噴出された粉末材料は、プラズマジェット７７内において溶融しながら母材（基材３０）に向かって飛行し、母材表面に衝突及び積層されて溶射膜を形成する。
なお、本開示では、例えば機械部品等に比べて大きな風車翼２を加工対象とするため、施工性の観点から大気プラズマ溶射を適用する例を示しているが、減圧環境下で行われる減圧プラズマ溶射（又は真空プラズマ溶射）を排除するものではない。このように、プラズマ溶射法によれば、溶射材料（粉末材料）の選択自由度が大きく、基材３０と溶射膜との密着性を高くすることができる。

次に、ＨＶＯＦ溶射（高速フレーム溶射）は、例えば図７に示すように、溶射装置８０（溶射ガン）内の燃焼室の圧力を高めることによって爆発燃焼炎に匹敵する高速火炎（燃焼炎ジェット流）８７を発生させ、この高速火炎８７の中心に粉末溶射材料を供給して溶融または半溶融状態にし、高速度で連続噴射する溶射法であり、粉末溶射材料が超音速度で基材３０に衝突するため、極めて繊密で高密着力を有する皮膜を形成することができる。特に炭化物サーメット材料の耐摩耗性皮膜の形成に有効であり、連続的に皮膜が形成されるため、爆発溶射法に比べると、より均質な皮膜を得ることができる。なお、このようなＨＶＯＦ溶射は、大気中において、例えば基材３０を１００℃以下（例えば８０℃以下）にした状態で行ってもよい。

上記のように、中間層４２を大気プラズマ溶射で形成すれば、ＦＲＰ製の基材３０上に形成される中間層４２を、例えばＨＶＯＦ等の高速溶射に比べて粒子を低速に溶射することができるため、基材３０の表面を傷つけることなく中間層４２を形成することができる。また、このように形成されて基材３０（ＦＲＰ）よりも高硬度の中間層４２に対しては母材のＦＲＰを傷付けることなく高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）を行うことができるから、風車翼プロテクタ４０の最外層に緻密で高硬度な耐エロージョン被膜５０を好適に形成することができる。

図８は、ＨＶＯＦ溶射と大気プラズマ溶射によるＷＣ溶射ＨＶＯＦの溶射膜の耐エロージョン特性を示したグラフである。図８から明らかなように、ＨＶＯＦ溶射で形成した溶射膜は大気プラズマ溶射で形成した溶射膜よりも優れた耐エロージョン特性を有することがわかる。

幾つかの実施形態において、基材３０は、中間層４２および耐エロージョン被膜５０により覆われた領域（形成範囲１００）において、中間層４２および耐エロージョン被膜５０により覆われていない領域よりも大きな表面粗さＲａを有していてもよい。

上記構成によれば、中間層４２および耐エロージョン被膜５０により覆われる上記形成範囲１００における基材３０の表面粗さＲａを相対的に大きく設定することで、中間層４２の基材３０表面への接着性を向上させることができる。
ここで、中間層４２および耐エロージョン被膜５０により覆われる上記形成範囲１００における基材３０の表面粗さＲａを適度な値に設定するための一手法として、当該形成範囲１００における基材３０の表面に対してブラスト処理を行ってもよい。
なお、中間層４２および耐エロージョン被膜５０により覆われる上記形成範囲１００における基材３０の表面粗さＲａの具体的な数値範囲は特に限定されないが、例えば、０．２μｍ≦Ｒａ≦２０μｍの関係を満たしてもよい。

幾つかの実施形態において、風車翼２における耐エロージョン被膜５０の形成範囲１００の境界における、耐エロージョン被膜５０の表面３０Ａと、形成範囲１００外において耐エロージョン被膜５０に隣接する風車翼２の表面３０Ｂとの段差ΔＸの大きさは、耐エロージョン被膜５０および中間層４２の合計膜厚よりも小さくてもよい。

このようにすれば、耐エロージョン被膜５０の形成範囲１００の境界における段差ΔＸを小さくし、耐エロージョン被膜５０の設置に起因した風車翼２の空力性能の低下を抑制することができる。
なお、耐エロージョン被膜５０及び中間層４２の合計膜厚は０．４ｍｍ以下であってもよく、例えば、０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であってもよい。耐エロージョン被膜５０及び中間層４２の合計膜厚が０．４ｍｍ以下である場合、前述の段差ΔＸは０．３ｍｍ以下の大きさにすることによって空力性能の低下を抑制することができる。

図９は他の実施形態に係る風車翼を示す図であり、（Ａ）は風車翼における耐エロージョン被膜の形成範囲の内側における該基材の表面が、形成範囲の外側における基材の表面に対して陥没している様子を示す断面図、（Ｂ）は一実施形態におけるスロープ部材を示す断面図である。
図９に非限定的に例示するように、幾つかの実施形態において、基材３０は、風車翼２における耐エロージョン被膜５０の形成範囲１００の内側における基材３０の表面３０Ａが、形成範囲１００の外側における基材３０の表面３０Ｂに対して陥没していてもよい。
このような構成によれば、耐エロージョン被膜５０の形成範囲１００の内側における基材３０の表面３０Ａを陥没させることで、耐エロージョン被膜５０の形成範囲１００の境界における段差ΔＸを小さくし、耐エロージョン被膜５０の設置に起因した風車翼２の空力性能の低下を抑制することができる。

幾つかの実施形態において、風車翼２は、耐エロージョン被膜５０に隣接して基材３０上に設けられ、耐エロージョン被膜５０の形成範囲１００の境界から遠ざかるに従って厚さが減少するスロープ部材３２を備えていてもよい。
このように、耐エロージョン被膜５０に隣接してスロープ部材３２を設けることで、耐エロージョン被膜５０の形成範囲１００の境界における段差ΔＸを小さくし、耐エロージョン被膜５０の設置に起因した風車翼２の空力性能の低下を抑制することができる。
なお、上述した表面３０Ａを陥没させる構成、および、上記のスロープ部材３２を併用することで、耐エロージョン被膜５０の形成範囲１００の境界における段差ΔＸを小さくしてもよい。

図１０は、一実施形態に係る風車翼の製造方法を示すフローチャートである。
図１０に示すように、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風車翼２の製造方法は、ＦＲＰを用いて翼形状を有する基材３０を形成する工程（ステップＳ１０）と、基材３０上に、金属、サーメット、セラミックス、又は、これらの少なくとも一つと樹脂との混合物を主成分とする中間層４２を形成する工程（ステップＳ２０）と、中間層４２上に設けられ、５％以下の気孔率を有する耐エロージョン被膜５０をＨＶＯＦ溶射（ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙ−ｆｕｅｌ：高速フレーム溶射）により形成する工程（ステップＳ３０）と、を備えていてもよい。
上記の通り、ＨＶＯＦ溶射では、燃焼ガスによる超音速の噴流を作り、溶射材料を溶融・加速することで加工対象物（本開示の例では風車翼２の基材３０）の表面に皮膜が形成される。
この方法によれば、上述したように、基材３０と耐エロージョン被膜５０との間に中間層４２を介在させることにより、耐エロージョン被膜５０をＨＶＯＦ溶射で形成する際の高速溶射によって基材３０の表面を傷つけることなく、耐エロージョン性に優れた溶射材料を適宜選択して適用することができるので、風車翼２の耐エロージョン性能を大幅に向上させることができる。

図１１は、他の実施形態に係る風車翼の製造方法を示す模式図である。
図１１に示すように、幾つかの実施形態では、風車翼２の翼長手方向に沿って基材３０に対して相対的に溶射装置７０（又は溶射装置８０）を移動させ、溶射装置７０又は８０の施工範囲よりも広い範囲に大気プラズマ溶射膜やＨＶＯＦ溶射膜を形成してもよい。
一般に、溶射装置７０又は８０を定位置に設置して用いる際には有限の施工範囲がある。このため、例えば、風車翼２のような比較的大きな非溶射対象に対して溶射を行う場合は非溶射対象の全体にわたって溶射膜を形成することが困難である。この点、上記のように溶射装置７０又は８０を翼長方向に移動させる方法によれば、風車翼２の長手方向に沿って溶射装置７０又は８０を移動させるため、一定の箇所に設置して用いた場合の施工範囲に比べて、より広い範囲に大気プラズマ溶射膜やＨＶＯＦ溶射膜を形成することができるのである。
なお、溶射装置７０又は８０を移動させる際は、例えば、図示しない台車等に溶射装置７０又は８０を載置して作業員により手動で移動させてもよいし、少なくとも翼長方向に沿って移動可能にして、レールや昇降装置等の専用の移動設備を設ける構成としてもよい。
この様に風車翼２の製造環境などでも施工を容易にすることができる。

このように、本発明の少なくとも一実施形態によれば、母材である基材３０の機能を損なうことなく風車翼２の耐エロージョン性能の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

１ 風車（風力発電装置）
２ 風車翼
３ ハブ
４ ロータ
５ ナセル
６ タワー
７ ベース
２０ 翼型部
２１ 翼根部
２２ 翼先端部
２３ 翼型部
２４ 前縁
２５ 後縁
２６ 背面（負圧面）
２７ 腹面（正圧面）
３０ 基材
３２ スロープ部材
４０ 風車翼プロテクタ
４２ 中間層（第１層／下地層／中間溶射膜／金属テープ）
５０ 耐エロージョン被膜（第２層／最外層／溶射膜）
５３ 第３凹凸
６０ 金属テープ
７０ 溶射装置
７１ 電極（陰極）
７２ ノズル（陽極）
７３ トーチ
７４ 冷却水入口
７５ 冷却水出口
７６ ガス供給口
７７ プラズマジェット
７８ 粉末供給管
８０ 溶射装置
８７ 高速火炎（燃焼炎ジェット流）
１００ 形成範囲（中間層および耐エロージョン被膜により覆われた領域）

Claims (13)

1. ＦＲＰにより形成され、翼形状を有する基材と、
   前記基材の被保護範囲において前記基材上に設けられ、金属、サーメット、セラミックス、又は、これらの少なくとも一つと樹脂との混合物を主成分とする中間層と、
   前記中間層上に設けられ、５％以下の気孔率を有する溶射膜により形成される耐エロージョン被膜と、
   を備え、
   前記中間層は、前記耐エロージョン被膜を形成する前記溶射膜に比べて気孔率が高い中間溶射膜により構成される
   風車翼。
2. 前記耐エロージョン被膜を形成する前記溶射膜は、
   アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカーバイドの少なくとも一つを含むサーメット
   により構成されることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
3. 前記耐エロージョン被膜を形成する前記溶射膜の気孔率に対する、前記中間溶射膜の気孔率の比が３倍以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の風車翼。
4. 前記耐エロージョン被膜を形成する前記溶射膜の気孔率が３％以下であり、
   前記中間溶射膜の気孔率が６％以上である
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の風車翼。
5. 前記中間溶射膜は、
   アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカーバイドの少なくとも一つを含むサーメット、
   又は、
   ステンレス、鉄鋼、チタン、銅又はアルミニウムの少なくとも一つを含む金属
   により構成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の風車翼。
6. 前記基材は、前記被保護範囲において、前記中間層および前記耐エロージョン被膜により覆われていない領域よりも大きな表面粗さＲａを有する
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の風車翼。
7. 前記被保護範囲と前記被保護範囲外との前記風車翼の表面との段差の大きさが、前記耐エロージョン被膜および前記中間層の合計膜厚よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の風車翼。
8. 前記基材は、前記被保護範囲の内側における前記基材の表面が、前記被保護範囲の外側における前記基材の表面に対して陥没している
   ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の風車翼。
9. 前記耐エロージョン被膜に隣接して前記基材上に設けられ、前記被保護範囲の境界から遠ざかるに従って厚さが減少するスロープ部材を備え、前記スロープ部材により、前記被保護範囲と前記被保護範囲外との前記風車翼の表面との段差を小さくするように構成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の風車翼。
10. 前記中間層及び前記耐エロージョン被膜は、前記翼形状の前記基材の表面のうち、少なくとも前記風車翼の翼先端側及び／又は前縁側の領域に設けられる
    ことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の風車翼。
11. ＦＲＰにより形成されて翼形状を有する基材上に、金属、サーメット、セラミックス、又は、これらの少なくとも一つと樹脂との混合物を主成分とする中間層を形成するステップと、
    前記中間層上に設けられ、５％以下の気孔率を有する耐エロージョン被膜をＨＶＯＦ溶射により形成するステップと、
    を備え、
    前記中間層は、前記耐エロージョン被膜を形成するＨＶＯＦ溶射膜に比べて気孔率が高い中間溶射膜である
    風車翼の製造方法。
12. 前記中間層は、大気プラズマ溶射により形成される
    請求項１１に記載の風車翼の製造方法。
13. 前記基材に対して相対的に溶射装置を移動させ、前記風車翼の翼先端の領域の場合は該翼先端に沿って、前記風車翼の前縁の領域の場合は前記風車翼の翼長手方向に沿って、前記基材に対して相対的に溶射装置を移動させ、前記溶射装置の施工範囲よりも広い範囲に前記耐エロージョン被膜を形成する
    ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の風車翼の製造方法。

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