JPWO2016129521A1 - 遮熱コーティングの製造方法 - Google Patents

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Abstract

遮熱コーティング（１００）は、タービン部材に用いられる耐熱合金基材と、前記耐熱合金基材上に形成され、厚さ方向に延びる縦割（Ｃ）が面方向に分散されて内部に複数の気孔（Ｐ）を含むセラミックス層（３００）とを備える。積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子が溶射距離８０ｍｍ以下で溶射され、縦割（Ｃ）が面方向に０．５本／ｍｍ以上４０本／ｍｍ以下のピッチで分散されて、縦割（Ｃ）及び気孔（Ｐ）を合わせた気孔率が４％以上１５％以下のセラミックス層（３００）が形成される。

Description

本発明は、遮熱コーティング、タービン部材、ガスタービン及び遮熱コーティングの製造方法に関する。
本願は、２０１５年２月１２日に出願された特願２０１５−０２５１９４号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
ガスタービンは、その効率を向上させるために、使用する燃焼ガスの温度を高く設定している。このような高温の燃焼ガスに晒される動翼や静翼のようなタービン翼には、表面に遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ：ＴＢＣ）が施されている。遮熱コーティングは、被溶射物であるタービン部材の表面に、溶射により熱伝導率の小さい溶射材（例えば、熱伝導率の小さいセラミックス系材料）を被覆したものである。遮熱コーティングは、タービン部材の遮熱性及び耐久性を向上させている。
特許文献１に記載されているように、例えば、遮熱コーティングは、母材となる耐熱基材の表面に、アンダーコート層である金属結合層と、金属結合層の上に形成されたトップコート層であるセラミックス層とを備えている。このセラミックス層は、セラミック粉末に樹脂粉末を混合した混合粉末をアンダーコート層上に溶射することで形成される。特許文献１に記載されているセラミックス層は、厚さ方向に延びるき裂である縦割と気孔とが面方向に分散されて構成されている。
特開２０１３−１８１１９２号公報
ところで、上述した特許文献１に記載のような縦割を有する緻密なコーティングは、ＤＶＣ（Ｄｅｎｓｅ Ｖｅｒｔｉｃａｌｙ Ｃｒａｃｋ）コーティングと称される。ＤＶＣコーティングは、縦割構造を有する緻密な組織となっていることで耐久性が向上されている。しかしながら、ＤＶＣコーティングは組織が緻密であるために、気孔率が小さくなってしまい、遮熱性が低下してしまう可能性がある。
本発明は、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させることが可能な遮熱コーティング、タービン部材、ガスタービン及び遮熱コーティングの製造方法を提供する。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様における遮熱コーティングは、タービン部材に用いられる耐熱合金基材と、前記耐熱合金基材上に形成され、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散されて内部に複数の気孔を含むセラミックス層とを備え、前記セラミックス層は、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子が溶射されて形成される。
このような構成によれば、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下のＹｂＳＺからなる溶射粒子を用いることで、溶射粒子は、耐熱合金基材に溶射されてセラミックス層を形成する際に、表面が溶融しつつもコアが溶融せずに残された状態となっている。そのため、セラミックス層には、溶融された溶射粒子の表面によって緻密な組織が形成されながら、残されている溶射粒子のコアによってポーラスな組織が形成される。したがって、十分な耐久性を確保するために必要な縦割を有する緻密な組織を有しながら、遮熱性を確保するために必要な量の気孔を含むポーラスな組織を有するセラミックス層を得ることができる。
上記遮熱コーティングでは、前記セラミックス層は、前記縦割が面方向に０．５本／ｍｍ以上４０本／ｍｍ以下のピッチで分散され、気孔率が４％以上１５％以下であってもよい。
上記遮熱コーティングでは、前記セラミックス層は、前記縦割が面方向に１本／ｍｍ以上６本／ｍｍ以下のピッチで分散され、気孔率が９％以上１５％以下であってもよい。
上記遮熱コーティングでは、前記セラミックス層は、前記縦割が面方向に１本／ｍｍ以上２本／ｍｍ以下のピッチで分散され、気孔率が９％以上１０％以下であってもよい。
このような構成によれば、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させたセラミックス層を高い精度で得ることができる。
本発明の第二の態様におけるタービン部材は、前記遮熱コーティングが形成されている。
本発明の第三の態様におけるガスタービンは、前記タービン部材を備える。
このように構成によれば、タービン部材が長期間に渡って高温に晒されて損傷することを抑制できる。メンテナンス周期を延ばすことができるため、ガスタービンを稼働停止させる頻度を低減することができる。
本発明の第四の態様における遮熱コーティングの製造方法は、タービン部材に用いられる耐熱合金基材上に、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子を溶射して、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散され、内部に複数の気孔を含むセラミックス層を形成するセラミックス層形成工程を含む。
このような構成によれば、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下のＹｂＳＺからなる溶射粒子を用いることで、溶射粒子は、耐熱合金基材に溶射されてセラミックス層を形成する際に、表面が溶融しつつもコアが溶融せずに残された状態となっている。そのため、セラミックス層には、溶融された溶射粒子の表面によって緻密な組織が形成されながら、残されている溶射粒子のコアによってポーラスな組織が形成される。したがって、十分な耐久性を確保するために必要な縦割を有する緻密な組織を有しながら、遮熱性を確保するために必要な量の気孔を含むポーラスな組織を有するセラミックス層を得ることができる。
上記遮熱コーティングの製造方法では、前記セラミックス層形成工程は、前記縦割が面方向に０．５本／ｍｍ以上４０本／ｍｍ以下のピッチで分散し、気孔率が４％以上１５％以下となるように前記セラミックス層を形成してもよい。
上記遮熱コーティングの製造方法では、前記セラミックス層形成工程は、前記縦割が面方向に１本／ｍｍ以上６本／ｍｍ以下のピッチで分散し、気孔率が９％以上１５％以下となるように前記セラミックス層を形成してもよい。
上記遮熱コーティングの製造方法では、前記セラミックス層形成工程は、前記縦割が面方向に１本／ｍｍ以上２本／ｍｍ以下のピッチで分散し、気孔率が９％以上１０％以下となるように前記セラミックス層を形成してもよい。
このような構成によれば、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させたセラミックス層を高い精度で得ることができる。
本発明によれば、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子を用いることで、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上することができる。
本発明の実施形態におけるガスタービンの概略構成図である。 本発明の実施形態における動翼が治具に固定された様子を示す模式図である。 本発明の実施形態における遮熱コーティングの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態における溶射粒子の積算粒度分布５０％粒径と各種特性との関係を表す図である。同図（ａ）は積算粒度分布５０％粒径と溶射パス数との関係を表す図である。同図（ｂ）は積算粒度分布５０％粒径と熱サイクル耐久性との関係を表す図である。同図（ｃ）は積算粒度分布５０％粒径と熱伝導率との関係を表す図である。 本発明の実施形態における溶射粉末の製造方法のフロー図である。 本発明の実施形態における遮熱コーティングを説明する拡大写真である。
以下、本発明に係る実施形態について図１から図６を参照して説明する。
図１に示すように、この実施形態におけるガスタービン１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン本体４と、ロータ５と、を備えている。
圧縮機２は、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する。
燃焼器３は、圧縮機２にて圧縮された圧縮空気Ａに燃料を混合して燃焼させる。
タービン本体４は、燃焼器３から導入された燃焼ガスＧの熱エネルギーを回転エネルギーに変換する。このタービン本体４は、ロータ５に設けられた動翼（タービン部材）７に燃焼ガスＧを吹き付けることで燃焼ガスＧの熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換して動力を発生させる。タービン本体４には、ロータ５側の複数の動翼７の他に、タービン本体４のケーシング６に複数の静翼（タービン部材）８が設けられる。タービン本体４では、これら動翼７と静翼８とが、ロータ５の軸方向に交互に配列されている。
ロータ５は、タービン本体４の回転する動力の一部を圧縮機２に伝達して圧縮機２を回転させる。
以下、この実施形態においては、タービン本体４の動翼７を、本発明のタービン部材の一例として説明する。
図２に示すように、動翼７は、例えば、Ｎｉ基合金等の周知の耐熱合金により形成されている耐熱合金基材である。本実施形態の動翼７は、翼本体部７１と、プラットフォーム部７２と、不図示の翼根部と、を有している。翼本体部７１は、ガスタービン１のケーシング６内の高温の燃焼ガスＧが流れる燃焼ガス流路内に配置されている。プラットフォーム部７２とは、翼本体部７１の基端部に設けられて翼本体部７１の延びる方向と交差する面を有している。翼根部は、プラットフォーム部７２から翼本体部７１と反対側へ突出している。
図３に示すように、遮熱コーティング１００は、耐熱合金基材である動翼７の表面を覆うように形成される。遮熱コーティング１００は、動翼７の表面のうち、翼本体部７１の表面と、プラットフォーム部７２の翼本体部７１と接続されている側の表面とにそれぞれ形成される。本実施形態の遮熱コーティング１００は、動翼７の表面上に積層される金属結合層２００と、金属結合層２００の表面に積層されるセラミックス層３００と、を有している。
金属結合層２００は、セラミックス層３００が剥離すること抑制し、耐食性及び耐酸化性に優れたボンドコート層として形成される。金属結合層２００は、例えば、溶射粒子としてＭＣｒＡｌＹ合金の金属溶射粉を動翼７の表面に対して溶射することで形成される。ここで、金属結合層２００を構成するＭＣｒＡｌＹ合金の「Ｍ」は、金属元素を示し、例えば、ＮｉＣｏ、Ｎｉ、Ｃｏ等の単独の金属元素又はこれらのうち２種以上の組み合わせを示している。本実施形態の金属結合層２００は、翼本体部７１の表面と、プラットフォーム部７２の翼本体部７１と接続されている側の表面とをそれぞれ覆うように一体をなして積層されている。本実施形態の金属結合層２００は、０．０５ｍｍから０．２ｍｍ程度の膜厚で形成されている。
セラミックス層３００は、金属結合層２００が形成された動翼７の表面に向かって溶射粒子を溶射して形成されるトップコート層である。セラミックス層３００は、セラミックス層３００の厚さ方向に延びる縦割Ｃが面の広がる面方向に分散されて内部に複数の気孔Ｐを含む緻密なＤＶＣ（Ｄｅｎｓｅ Ｖｅｒｔｉｃａｌｙ Ｃｒａｃｋ）コーティングである。本実施形態のセラミックス層３００は、１ｍｍ当たりの縦割Ｃの分布が、０．５本／ｍｍ以上４０本／ｍｍ以下のピッチで分散し、気孔率が４％以上１５％以下の範囲に収まるように形成されている。セラミックス層３００は、０．２ｍｍから１ｍｍ程度の膜厚で形成されている。
セラミックス層３００は、１ｍｍ当たりの縦割Ｃの分布が、１本／ｍｍ以上６本／ｍｍ以下のピッチで分散し、気孔率が９％以上１５％以下の範囲に収まるように形成されていることが好ましい。特に、セラミックス層３００は、１ｍｍ当たりの縦割Ｃの分布が、１本／ｍｍ以上２本／ｍｍ以下のピッチで分散し、気孔率が９％以上１０％以下の範囲に収まるように形成されていることがより好ましい。
なお、本実施形態における気孔率とは、単位体積当たりの気孔Ｐのみの占有率だけでなく、縦割Ｃ及び気孔Ｐを合わせた占有率である。したがって、仮に、上述したセラミックス層３００の気孔率９％以上１０％以下という範囲を単位体積当たりの気孔Ｐのみの占有率で表すならば、本実施形態のセラミックス層３００の気孔率は、５％以上７％以下の範囲に収まるように形成されることが好ましい。
セラミックス層３００を形成する溶射粒子は、Ｙｂ２Ｏ３で部分安定化させたＺｒＯ２であるＹｂＳ（イッテルビア安定化ジルコニア）からなる。本実施形態の溶射粒子は、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺである。
積算粒度分布５０％粒径を１００μｍ以下とするのは、図４（ａ）に示すように、溶射粒子の粒径が大きくなりすぎて１００μｍよりも大きくなってしまうと、溶射する際に成膜が完了するまでの溶射パス数が著しく増加してしまい、実際に製造することが困難となってしまうためである。図４（ｂ）に示すように、溶射粒子の粒径が、積算粒度分布５０％粒径１００μｍを超えてしまうと、セラミックス層３００に縦割Ｃが入りづらくなってしまい、熱サイクル耐久性が低下してしまうためでもある。
積算粒度分布５０％粒径を４０μｍ以上とするのは、粒径が小さくなり過ぎて積算粒度分布５０％粒径４０μｍよりも小さくなってしまうと、セラミックス層３００が緻密になり過ぎてしまって気孔率が低下してしまう。その結果、図４（ｃ）に示すように、セラミックス層３００の熱伝導率が上昇してしまい、遮熱性が低下してしまうためである。
なお、本実施形態でいう積算粒度分布とは、粉体、つまり集合体としての粒子の大きさを表す値である。積算粒度分布は、多数個の測定結果を粒子径毎の存在比率の分布で表したものである。積算粒度分布５０％粒径とは、メディアン径とも呼ばれる。積算粒度分布５０％粒径は、粉体をある粒子径から２つに分けた際に、大きい側と小さい側が等量となる粒子径である。
なお、溶射粒子の粒子径毎の存在比率の分布は、例えは、レーザ散乱回折式粒度分布測定装置等を用いて測定することができる。
上記ＹｂＳＺにより構成されるセラミックス層３００において、安定化剤であるＹｂ２Ｏ３の添加割合は、Ｙｂ２Ｏ３の添加量が２重量％以上となることで、熱サイクル耐久性が向上し始める。この効果は添加量３５重量％直前まで有効に作用する。熱サイクル耐久性において、熱サイクル試験は、例えば特許第４３８８４６６号公報の図７や図８に示す装置を用いて行われる。この熱サイクル耐久性からみたＹｂ２Ｏ３の有効な添加量は４重量％以上３０重量％以下である。８重量％以上２７重量％以下のＹｂ２Ｏ３の添加量範囲とされているならば、本実施形態の遮熱コーティング１００は、より優れた熱サイクル耐久性を発揮することができる。Ｙｂ２Ｏ３添加量が上記範囲を超える場合には、熱サイクル耐久性が低下する。これは、上記添加量が８重量％未満の場合には、セラミックス層３００に単斜晶相（ｍ相）が残存する量が増えるために耐久性が低下し、２５重量％を越える場合には、セラミックス層３００が正方晶となり易く、耐久性に優れるｔ’相の割合が低下するために耐久性が低下するからである。
Ｙｂ２Ｏ３添加量は、より好ましくは１０重量％以上２５重量％以下であり、１２重量％以上２０重量％以下とすることが最も好ましい。これらの範囲に添加量を制御することで、さらに熱サイクル耐久性に優れる遮熱コーティング１００とすることができる。
次に、上記遮熱コーティング１００を動翼７の表面に積層させる遮熱コーティングの製造方法について説明する。
遮熱コーティングの製造方法は、図２に示すように、動翼７を治具９１上に固定して、動翼７の表面に溶射ガン９２によって溶射粒子を溶射することで実施される。本実施形態の遮熱コーティングの製造方法は、動翼７の表面上に金属結合層２００を形成する金属結合層形成工程と、金属結合層２００上にセラミックス層３００を形成するセラミックス層形成工程とを含む。
金属結合層形成工程は、治具９１上に設置された動翼７の表面に対して金属溶射粉を溶射して金属結合層２００を形成する。本実施形態の金属結合層形成工程は、動翼７の翼本体部７１の表面と、翼本体部７１が接続されている側のプラットフォーム部７２の表面とに対して実施する。金属結合層形成工程は、例えば、ＭＣｒＡｌＹ合金の金属溶射粉を大気プラズマ溶射法により動翼７の表面に溶射ガン９２で溶射することで、金属結合層２００を形成する。
セラミックス層形成工程は、金属結合層形成工程で形成した金属結合層２００上から動翼７の表面に向かってＹｂＳＺからなる溶射粒子を溶射してセラミックス層３００を形成する。本実施形態のセラミックス層形成工程は、動翼７の表面に形成されている金属結合層２００上に積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子を大気圧プラズマ溶射法によって溶射してセラミックス層３００を形成する。セラミックス層形成工程は、例えば、溶射ガン９２の出力を、電流５００Ａ〜８００Ａ、電圧５５Ｖ〜７０Ｖに設定して実施されることが好ましい。溶射ガン９２の出口と溶射粒子を溶射する面との距離である溶射距離は、十分な耐久性を確保するために必要な縦割Ｃを有する緻密な組織を有しながら、遮熱性を確保するために必要な量の気孔Ｐを含むポーラスな組織を有するセラミックス層３００を得るために、溶射に必要な最低限の距離以上から８０ｍｍ以下に設定して実施されることが好ましく、より好ましくは７０ｍｍ以下に設定する。本実施形態のセラミックス層形成工程では、例えば、溶射距離を７０ｍｍに設定する。
本実施形態で用いるＹｂＳＺからなる溶射粒子は、以下の手順により製造することができる。
図５に示すように、ＹｂＳＺからなる溶射粒子の製造方法は、ＺｒＯ２粉末と所定の添加割合のＹｂ２Ｏ３粉末を準備する（第一工程Ｓ１１，Ｓ１２）。準備したこれらの粉末を適当なバインダーや分散剤とともにボールミル中で混練してスラリーを作成する（第二工程Ｓ２０）。次に、作成したスラリーをスプレードライヤーにより粒状にして乾燥させる（第三工程Ｓ３０）。乾燥させた後に、１２００〜１６００℃に加熱する拡散熱処理により固溶化させる（第四工程Ｓ４０）。これらにより、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子を得る。
上記のような遮熱コーティング１００や遮熱コーティングの製造方法によれば、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下のＹｂＳＺからなる溶射粒子によってセラミックス層３００が形成されている。このような溶射粒子は、動翼７に溶射されてセラミックス層３００を形成する際に、表面が溶融しつつもコアが溶融せずに残された状態となっている。そのため、セラミックス層３００には、溶融された溶射粒子の表面によって緻密な組織が形成されながら、残されている溶射粒子のコアによって部分的にポーラスな組織が形成される。
具体的には、下記表１の実施例や図６の拡大写真に示すように、縦割Ｃが面方向に１本／ｍｍ以上２本／ｍｍ以下のピッチで分散され、単位体積当たりの縦割Ｃ及び気孔Ｐを合わせた占有率である気孔率が９〜１０％程度のセラミックス層３００を形成することができる。
一方、表１の比較例１のように、同じＹｂＳＺであっても、積算粒度分布５０％粒径が３０μｍのＹｂＳＺからなる溶射粒子を溶射することによって形成されたセラミックス層では、縦割Ｃが面方向に２本／ｍｍ以上４０本／ｍｍ以下のピッチで分散され、単位体積当たりの縦割Ｃ及び気孔Ｐを合わせた占有率である気孔率が８％程度となってしまう。即ち、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以下のＹｂＳＺからなる溶射粒子では、縦割Ｃが面方向に１本／ｍｍ以上２本／ｍｍ以下のピッチで分散され、かつ、気孔率が９〜１０％程度の組織を有するセラミックス層３００を得ることが難しい。
表１の実施例のように、積算粒度分布５０％粒径が７０μｍのＹｂＳＺからなる溶射粒子によって形成されたセラミックス層３００の特性は、熱伝導率の比率（比較例３に対する）が１．２〜１．５、熱サイクル耐久性の比率（比較例３に対する）が１．５程度となる。この特性は、表１の実施例と比較例１とを比較することでも明らかなように、積算粒度分布５０％粒径が３０μｍのＹｂＳＺからなる溶射粒子によって形成されたセラミックス層の特性よりも優れた特性を示している。即ち、比較例１のセラミックス層３００の熱伝導率の比率１．６〜１．８よりも実施例のセラミックス層３００の熱伝導率は小さく、実施例のセラミックス層３００の遮熱性が高くなっていることが分かる。比較例１のセラミックス層３００の熱サイクル耐久性の比率１．５と実施例のセラミックス層３００の熱サイクル耐久性とが同等であり、実施例のセラミックス層３００に十分な耐久性が確保されていることが分かる。
したがって、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下のＹｂＳＺからなる溶射粒子によってセラミックス層３００を形成することで、十分な耐久性を確保するために必要な縦割Ｃを有する緻密な組織を有しながら、遮熱性を確保するために必要な量の気孔Ｐを含むポーラスな組織を有するセラミックス層３００を得ることができる。これにより、本実施形態の遮熱コーティング１００は、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させることができる。
セラミックス層３００が、縦割Ｃが面方向に０．５本／ｍｍ以上４０本／ｍｍ以下のピッチで分散され、気孔率が４％以上１５％以下となるように形成されることで、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させたセラミックス層３００を高い精度で得ることができる。セラミックス層３００が、縦割Ｃが面方向に１本／ｍｍ以上６本／ｍｍ以下のピッチで分散され、気孔率が９％以上１５％以下となるように形成されることで、より高い性能を得ることができる。特に、セラミックス層３００が、縦割Ｃが面方向に１本／ｍｍ以上２本／ｍｍ以下のピッチで分散され、気孔率が９％以上１０％以下となるように形成されることで、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させたセラミックス層３００をより一層高い精度で得ることができる。特に、ＹｂＳＺからなる溶射粒子によって形成されることで、より高い性能のセラミックス層３００を得ることができる。
具体的には、表１の比較例２のように、ＹｂＳＺではなく、ＹＳＺからなる溶射粒子によって、縦割Ｃが面方向に１本／ｍｍ以上２本／ｍｍ以下のピッチで分散されたとしても、十分な遮熱性を得ることができない。例えば、比較例２のセラミックス層３００の熱伝導率よりも実施例のセラミックス層３００の熱伝導率が小さいことからも、比較例１のセラミックス層３００では実施例のセラミックス層３００と同等の遮熱性を得ることができていないことが分かる。
上記表１の比較例３のように、縦割Ｃを有しないポーラスな組織によって気孔率を１０％程度にした場合の熱サイクル耐久性を１（ベース）とすると、同じＹＳＺを溶射粒子とする比較例２の熱サイクル耐久性の比率１．３と比べて低くなっていることが分かる。比較例３の熱サイクル耐久性を、ＹｂＳＺを溶射粒子とし縦割Ｃを有する実施例の熱サイクル耐久性の比率１．５及び比較例１の熱サイクル耐久性の比率１．５と比べると、さらに低くなっていることが分かる。
したがって、単に縦割Ｃが面方向に１本／ｍｍ以上２本／ｍｍ以下のピッチで分散された組織や、単に気孔率を１０％程度の組織を有するＹＳＺの溶射粒子で形成されたセラミックス層３００に比べて、本実施形態のセラミックス層３００は、より高い性能を得ることができる。
実施例と比較例１〜比較例３とを比べても明らかなように、ＴＢＣ表面温度１１００℃における高温環境下での摩擦特性を示す高温エロージョン特性も高い性能を示すことが分かる。したがって、耐エロージョン性も確保することができる。
ポリエステル樹脂やアクリル樹脂等の不純物をほとんど含むことのないＹｂＳＺのみからなる溶射粒子によって、セラミックス層３００を形成することができる。そのため、溶射後に熱処理等を施すことなく、縦割Ｃを有する緻密な組織内に遮熱性を向上させるために必要な量の気孔Ｐを含ませることができる。したがって、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させた遮熱コーティング１００を少ない工程で得ることができる。
上述した実施形態におけるタービン部材である動翼７によれば、長期間に渡って高温に晒されて損傷することを抑制できる。メンテナンス周期を延ばすことができるため、ガスタービン１を稼働停止させる頻度を低減することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
なお、金属結合層２００やセラミックス層３００は、本実施形態以外の方法で形成されてもよい。例えば、大気圧プラズマ溶射以外の電気式溶射として減圧プラズマ溶射を用いてもよく、ガス式溶射として、フレーム溶射法、高速フレーム溶射を用いてよい。溶射法以外の方法で形成してもよく、例えば、電子ビーム物理蒸着法を用いてもよい。
金属結合層２００やセラミックス層３００は、本実施形態のように、全域にわたって同じ膜厚に形成されることに限定されるものではなく、使用される環境等の条件に応じて適宜設定されればよい。
本実施形態では、タービン部材として、動翼７を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、タービン部材は静翼８であってもよい。
本実施形態のセラミックス層形成工程は、溶射ガン９２の出力を、電流５００Ａ〜８００Ａ、電圧５５Ｖ〜７０Ｖ、溶射距離を７０ｍｍとしたが、この条件に限定されるものではない。したがって、セラミックス層形成工程では、縦割Ｃが面方向に０．５本／ｍｍ以上４０本／ｍｍ以下のピッチで分散され、気孔率が９％以上１５％以下となるようにセラミックス層３００を形成できればよく、出力や溶射速度などの条件を変えて実施してもよい。
上記した遮熱コーティング１００及び遮熱コーティングの製造方法によれば、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子を用いることで、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上することができる。
１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン本体
５ ロータ
Ａ 圧縮空気
Ｇ 燃焼ガス
６ ケーシング
７ 動翼
７１ 翼本体部
７２ プラットフォーム部
８ 静翼
１００ 遮熱コーティング
２００ 金属結合層
３００ セラミックス層
Ｃ 縦割
Ｐ 気孔
９１ 治具
９２ 溶射ガン
Ｓ１１，Ｓ１２ 第一工程
Ｓ２０ 第二工程
Ｓ３０ 第三工程
Ｓ４０ 第四工程
本発明は、遮熱コーティングの製造方法に関する。
本願は、２０１５年２月１２日に出願された特願２０１５−０２５１９４号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本発明は、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させることが可能な遮熱コーティングの製造方法を提供する。
本発明の第一の態様における遮熱コーティングの製造方法は、タービン部材に用いられる耐熱合金基材上に、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子を溶射距離８０ｍｍ以下で溶射して、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散され、前記縦割が面方向に０．５本／ｍｍ以上４０本／ｍｍ以下のピッチで分散されて内部に複数の気孔を有し、前記縦割及び前記気孔を合わせた気孔率が４％以上１５％以下のセラミックス層を形成するセラミックス層形成工程を含む。

Claims (8)

  1. タービン部材に用いられる耐熱合金基材と、
    前記耐熱合金基材上に形成され、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散されて内部に複数の気孔を含むセラミックス層とを備え、
    積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子が溶射距離８０ｍｍ以下で溶射され、前記縦割が面方向に０．５本／ｍｍ以上４０本／ｍｍ以下のピッチで分散されて、前記縦割及び前記気孔を合わせた気孔率が４％以上１５％以下の前記セラミックス層が形成される遮熱コーティング。
  2. タービン部材に用いられる耐熱合金基材と、
    前記耐熱合金基材上に形成され、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散されて内部に複数の気孔を含むセラミックス層とを備え、
    積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子が溶射距離８０ｍｍ以下で溶射され、前記縦割が面方向に１本／ｍｍ以上６本／ｍｍ以下のピッチで分散されて、前記縦割及び前記気孔を合わせた気孔率が９％以上１５％以下の前記セラミックス層が形成される遮熱コーティング。
  3. タービン部材に用いられる耐熱合金基材と、
    前記耐熱合金基材上に形成され、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散されて内部に複数の気孔を含むセラミックス層とを備え、
    積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子が溶射距離８０ｍｍ以下で溶射され、前記縦割が面方向に１本／ｍｍ以上２本／ｍｍ以下のピッチで分散されて、前記縦割及び前記気孔を合わせた気孔率が９％以上１０％以下の前記セラミックス層が形成される遮熱コーティング。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の遮熱コーティングが形成されているタービン部材。
  5. 請求項４に記載のタービン部材を備えるガスタービン。
  6. タービン部材に用いられる耐熱合金基材上に、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子を溶射距離８０ｍｍ以下で溶射して、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散され、前記縦割が面方向に０．５本／ｍｍ以上４０本／ｍｍ以下のピッチで分散されて内部に複数の気孔を有し、前記縦割及び前記気孔を合わせた気孔率が４％以上１５％以下のセラミックス層を形成するセラミックス層形成工程を含む遮熱コーティングの製造方法。
  7. タービン部材に用いられる耐熱合金基材上に、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子を溶射距離８０ｍｍ以下で溶射して、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散され、前記縦割が面方向に１本／ｍｍ以上６本／ｍｍ以下のピッチで分散されて内部に複数の気孔を有し、前記縦割及び前記気孔を合わせた気孔率が９％以上１５％以下のセラミックス層を形成するセラミックス層形成工程を含む遮熱コーティングの製造方法。
  8. タービン部材に用いられる耐熱合金基材上に、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子を溶射距離８０ｍｍ以下で溶射して、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散され、前記縦割が面方向に１本／ｍｍ以上２本／ｍｍ以下のピッチで分散されて内部に複数の気孔を有し、前記縦割及び前記気孔を合わせた気孔率が９％以上１０％以下のセラミックス層を形成するセラミックス層形成工程を含む遮熱コーティングの製造方法。
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