TWI777104B - 風車翼及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

[課題] 在不損及母材的機能之下達成風車翼的抗侵蝕性能的提升。 [解決手段] 風車翼具備：基材，其由FRP形成，具有翼狀；中間層，其設於基材上，以金屬、金屬陶瓷、陶瓷、或此等中的至少一者與樹脂的混合物為主成分；和抗侵蝕被膜，其設於中間層上，由具有5%以下的氣孔率的熱噴塗膜形成。

Description

風車翼及其製造方法
本揭示涉及風車翼及其製造方法。
歷來，已知存在以下情形：伴隨風車轉子的旋轉，風車翼與空氣中的異物(例如，雨滴、塵埃等)衝撞而受侵蝕，使得在風車翼的前緣側發生所謂侵蝕(erosion)。並且，為了從此侵蝕保護風車翼，已採取在風車翼的前緣側黏貼或塗佈抗侵蝕用的保護層的應對。
例如，於專利文獻1，已揭露使用電漿熱噴塗、高速火焰熱噴塗(high velocity oxy-fuel：HVOF)對翼部的表面實施抗侵蝕用的塗佈的技術。 另外，專利文獻2及3雖未特定為風車翼，惟已揭露在纖維強化塑膠基材與熱噴塗被膜層(表塗層)之間形成由與為基材構成成分的樹脂同種類的樹脂及陶瓷粒子的混合物所成的燒成中間層。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 美國專利公開案第2016／0130705號 [專利文獻2] 日本特許第4436957號說明書 [專利文獻3] 日本特許第4436954號說明書
[發明所欲解決之問題]
近年來，為了風車翼的抗侵蝕性的進一步的提升，在風車翼的表面形成緻密的熱噴塗膜的技術的開發受到期望。 然而，要實現熱噴塗膜的緻密化，需要使熱噴塗材的粒子以高速衝撞於母材，此情況下恐對風車翼的母材造成損傷。 關於此點，在專利文獻1的方法，雖示出具有包含高硬度且高彈性模數的材料與附加金屬的混合物的多層的熱噴塗膜且隨著從母材分離使附加金屬的重量%減少而使硬度、彈性率增加從而防止從外部的侵蝕等的技術，惟未示出一解決方案，用於使風車翼的抗侵蝕被膜的緻密化和因熱噴塗材的往母材的衝撞致使的母材的損傷抑制同時成立。 另外，專利文獻2及3雖未特定為涉及風車翼之技術而在纖維強化塑膠素材的表面作為表塗層予以形成熱噴塗膜而使耐摩性等的表面特性提升，惟未示出涉及作為表塗層形成必要的緻密的熱噴塗膜之技術的解決方案，另外，中間層限定為裝入於電爐內而予以燒成方面。
鑒於上述問題，本發明的至少一實施方式目的在於，在不損及母材的機能之下達成風車翼的抗侵蝕性能的提升。 [解決問題之技術手段]
(1)涉及本發明的至少一實施方式的風車翼具備： 基材，其由FRP形成，具有翼狀； 中間層，其設於前述基材上，以金屬、金屬陶瓷、陶瓷、或此等中的至少一者與樹脂的混合物為主成分；和 抗侵蝕被膜，其設於前述中間層上，由具有5%以下的氣孔率的熱噴塗膜形成。 於此，「氣孔率」表示氣孔部分相對於包含固體部分與氣孔部分的熱噴塗膜整體所佔的比例之指標，氣孔率越低則熱噴塗膜的緻密性越高。「氣孔率」亦可例如就將熱噴塗膜的剖面以光學顯微鏡、SEM等進行觀察從而獲得的圖像進行解析而從佔影像整體之氣孔部分的面積比加以算出。 另外，中間層是金屬、金屬陶瓷、陶瓷或前述混合物的含有率比其他成分的含有率高。
依上述(1)的構成時，在風車翼的基材上，隔著中間層而配置以氣孔率5%以下的熱噴塗膜而形成的抗侵蝕被膜。亦即，在FRP製的基材的表面，隔著中間層配置可發揮優異的抗侵蝕性的緻密的熱噴塗膜，故可使風車翼的抗侵蝕性能大幅提升。 於此，如風車翼般在較大的基材形成熱噴塗膜之際，若可在大氣環境中作業則達成作業效率的提升。如此般在空氣中進行熱噴塗膜的形成之際，為了抑制空氣中的氧與熱噴塗材的反應所致的氧化物塗膜的生成，將例如熱噴塗材的粒子以高速熱噴塗於基材而盡可能縮短與氧的反應時間，使得可形成氣孔率低且與基材的密接性高的緻密的熱噴塗膜。然而，如此般將緻密的熱噴塗膜直接形成於基材上時恐傷及基材的表面。關於此點，依上述(1)的方法時，中間層介於基材與抗侵蝕被膜之間，故可抑制由於在形成抗侵蝕被膜之際的熱噴塗而對基材的表面造成的損傷。因此，可在不損及基材的功能之下使風車翼的抗侵蝕性能大幅提升。
(2)在部分實施方式，於上述(1)的構成，形成前述抗侵蝕被膜的前述熱噴塗膜由包含氧化鋁、碳化鵭、氮化矽、碳化矽、氧化鋯或碳化鉻中的至少一者的金屬陶瓷、或Co系合金構成。
依上述(2)的構成時，可使用包含陶瓷系的材料的金屬陶瓷或Co系合金等的高硬度且耐磨性高的材料而形成抗侵蝕被膜。
(3)在部分實施方式，於上述(1)或(2)的構成，前述中間層包含氣孔率比形成前述抗侵蝕被膜的前述熱噴塗膜高的中間熱噴塗膜。
依上述(3)的構成時，在基材與抗侵蝕被膜之間，配置包含氣孔率比形成抗侵蝕被膜的熱噴塗膜高的中間熱噴塗膜之中間層。亦即，在最外周配置氣孔率低且緻密的抗侵蝕被膜，在此抗侵蝕被膜與基材之間，配置氣孔率相較下高的中間熱噴塗膜。作成如此時，例如能以比在形成氣孔率低為5%以下的抗侵蝕被膜之際的熱噴塗速度低的熱噴塗速度形成中間熱噴塗膜，故可有效抑制由於在形成中間層(中間熱噴塗膜)之際的熱噴塗使得傷及基材表面的情況。
(4)在部分實施方式，於上述(3)的構成，相對於形成前述抗侵蝕被膜的前述熱噴塗膜的氣孔率之前述中間熱噴塗膜的氣孔率的比為3倍以上。
依上述(4)的構成時，透過比構成抗侵蝕被膜之熱噴塗膜的氣孔率具有3倍以上的氣孔率的中間熱噴塗膜而形成中間層。亦即，作成氣孔率比中間層成為1／3以下而形成抗侵蝕被膜，故如在上述(3)論述，能以如氣孔率從基材的表面逐漸降低的配置，在最外周形成緻密的抗侵蝕被膜。
(5)在部分實施方式，於上述(3)或(4)的構成， 形成前述抗侵蝕被膜的前述熱噴塗膜的氣孔率為3%以下， 前述中間熱噴塗膜的氣孔率為6%以上。
依上述(5)的構成時，使用氣孔率為6%以上之中間熱噴塗膜而形成中間層，同時使用氣孔率為3%以下的熱噴塗膜而形成抗侵蝕被膜。因此，依上述(5)的構成時，亦如在上述(3)或(4)論述，能以如氣孔率從基材的表面逐漸降低的配置，在最外周形成緻密的抗侵蝕被膜。
(6)在部分實施方式，於上述(3)至(5)中的任一者的構成，前述中間熱噴塗膜由包含氧化鋁、碳化鵭、氮化矽、碳化矽、氧化鋯或碳化鉻中的至少一者的金屬陶瓷、或包含Co系合金、不銹鋼、鋼鐵、鈦、銅或鋁中的至少一者的金屬而構成。
依上述(6)的構成時，可使用包含陶瓷系的材料的金屬陶瓷或包含Co系合金等的金屬等耐磨性高的材料而形成中間層。
(7)在部分實施方式，於上述(1)或(2)的構成，前述中間層包含金屬帶。
依上述(7)的構成時，可應用金屬帶作為配置於基材與抗侵蝕被膜之間的中間層。亦即，能以於基材上固定金屬帶如此之簡易的方法容易地形成中間層。 另外，金屬帶的往基材的固定手法可使用設於金屬帶本身的黏合層或與金屬帶為個別的黏合劑而將金屬帶黏貼於基材。
(8)在部分實施方式，於上述(1)至(7)的構成，亦可前述基材於由前述中間層及前述抗侵蝕被膜覆蓋的區域具有比未由前述中間層及前述抗侵蝕被膜覆蓋的區域大的表面粗糙度Ra。
依上述(8)的構成時，將在由中間層及抗侵蝕被膜覆蓋的區域之基材的表面粗糙度Ra設定為相對大，使得可使中間層的往基材表面的黏合性提升。 於此，作為用於將在由中間層及抗侵蝕被膜覆蓋的區域之基材的表面粗糙度Ra設定為適度的值的一手法，可對在該區域之基材表面進行鼓風處理。 另外，在由中間層及抗侵蝕被膜覆蓋的區域之基材的表面粗糙度Ra的具體的數值範圍不特別限定，例如可符合0.2μm≦Ra≦20μm的關係。
(9)在部分實施方式，於上述(1)至(8)的構成，在前述風車翼的前述抗侵蝕被膜的形成範圍的表面、和在前述形成範圍外鄰接於前述抗侵蝕被膜的前述風車翼的表面的階差的大小比前述抗侵蝕被膜及前述中間層的合計膜厚小。
依上述(9)的構成時，可減小抗侵蝕被膜的形成範圍的表面、和在前述形成範圍外鄰接於前述抗侵蝕被膜的前述風車翼的表面的階差，抑制因抗侵蝕被膜的設置而發生的風車翼的空力性能的降低。 另外，抗侵蝕被膜及中間層的合計膜厚可為0.4mm以下，例如亦可為0.2mm以上且0.3mm以下。抗侵蝕被膜及中間層的合計膜厚為0.4mm以下的情況下，前述的階差作成0.3mm以下的大小使得可抑制空力性能的降低。
(10)在部分實施方式，於上述(1)至(9)的構成，前述基材為在前述風車翼之前述抗侵蝕被膜的形成範圍的內側的前述基材的表面相對於在前述形成範圍的外側之前述基材的表面下沉。
依上述(10)的構成時，可使在抗侵蝕被膜的形成範圍的內側之基材表面下沉，從而減小在抗侵蝕被膜的形成範圍的邊界之階差，抑制因抗侵蝕被膜的設置而發生的風車翼的空力性能的降低。
(11)在部分實施方式，於上述(1)至(10)的構成，被構成為，前述風車翼具備鄰接於前述抗侵蝕被膜而設於前述基材上，且厚度隨著從前述抗侵蝕被膜的形成範圍的邊界遠離而減少的斜面構材，透過前述斜面構材減小前述階差。
依上述(11)的構成時，鄰接於抗侵蝕被膜而設置斜面構材，使得可減小在抗侵蝕被膜的形成範圍的邊界之階差，可抑制因抗侵蝕被膜的設置而發生的風車翼的空力性能的降低。 另外，可併用上述(10)的構成及上述(11)的構成，從而減小在抗侵蝕被膜的形成範圍的邊界之階差。
(12)在部分實施方式，於上述(1)至(11)中的任一者的構成，前述中間層及前述抗侵蝕被膜設於前述翼狀的前述基材的表面之中至少前述風車翼的翼尖端側及／或前緣側的區域。
依上述(12)的構成時，可在風車翼之中最容易受到侵蝕所致的劣化、損傷的影響的翼尖端側及／或前緣側的區域，設置以金屬、金屬陶瓷、陶瓷、或此等中的至少一者與樹脂的混合物為主成分的中間層與透過熱噴塗膜之抗侵蝕被膜。因此，可從侵蝕適切地保護風車翼。
涉及本發明的至少部分實施方式的風車具備包含上述(1)至(12)中的任一者的風車翼的風車轉子。 依此構成時，可獲得具備發揮在上述(1)至(12)中的任一者論述的作用及功效之風車翼的風車。
(13)涉及本發明的至少部分實施方式的風車翼之製造方法具備以下步驟： 在由FRP形成而具有翼狀的基材上，形成以金屬、金屬陶瓷、陶瓷、或此等中的至少一者與樹脂的混合物為主成分的中間層；和 透過HVOF熱噴塗形成設於前述中間層上且具有5%以下的氣孔率的抗侵蝕被膜。
依上述(13)的方法時，如在上述(1)論述，使中間層介於基材與抗侵蝕被膜之間，使得可一面抑制在形成抗侵蝕被膜之際的熱噴塗所致的基材表面的損傷一面酌情選擇而應用抗侵蝕性方面優異的熱噴塗材料，故可在不損及基材的功能之下使風車翼的抗侵蝕性能大幅提升。
(14)在部分實施方式，於上述(13)的方法，前述中間層是透過大氣電漿熱噴塗而形成。
依上述(14)的方法時，可透過比往FRP的熱噴塗適合的大氣電漿熱噴塗而形成形成於FRP製的基材上的中間層。因此，可在不傷及基材的表面之下形成中間層。
(15)在部分實施方式，於上述(13)或(14)的方法，相對於前述基材使熱噴塗裝置相對移動，前述風車翼的翼尖端的區域的情況下沿著該翼尖端、前述風車翼前緣的區域的情況下沿著前述風車翼的翼長邊方向而相對於前述基材使熱噴塗裝置相對移動，於比前述熱噴塗裝置的施工範圍廣的範圍形成前述抗侵蝕被膜。
一般情況下，在將熱噴塗裝置設置於固定位置而使用之際存在有限的施工範圍。為此，對如例如風車翼的較大的非熱噴塗對象進行熱噴塗之情況下難以對非熱噴塗對象的整體形成熱噴塗膜。關於此點，依上述(15)的方法時，相對於風車翼的基材使熱噴塗裝置相對移動，故比起設置於固定的地方而使用的情況下的施工範圍，可於更廣的範圍配合風車翼的製造環境而形成大氣電漿熱噴塗膜、HVOF熱噴塗膜。 [對照先前技術之功效]
依本發明的至少一實施方式時，可在不損及母材的機能之下達成風車翼的抗侵蝕性能的提升。
以下，參照圖式就本發明的部分實施方式進行說明。其中，作為實施方式而記載或示於圖式的構件的尺寸、材質、形狀、其相對配置等趣旨不在於將本發明的範圍限定於此，僅為單純的說明例。 例如，表示「朝一方向」、「沿著一方向」、「平行」、「正交」、「中心」、「同心」或「同軸」等的相對或絕對配置的表現不僅嚴密地表示如此的配置，亦表示以公差或獲得相同的功能的程度的角度、距離而相對位移的狀態。 例如，「相同」、「相等」及「均質」等的表示為情事相等的狀態的表現不僅表示嚴密地相等的狀態，亦表示存在公差或獲得相同的功能的程度的差的狀態。 例如，四角狀、圓筒狀等的表示形狀的表現不僅表示幾何學上嚴格的意義下的四角狀、圓筒狀等的形狀，在獲得相同的功效的範圍下，亦表示包含凹凸部、倒角部等的形狀。 另一方面，「備有」、「具有」、「具備」、「包含」、或「含有」一個構成要素等表現並非將其他構成要素的存在排除的排他式表現。
圖1為就應用涉及一實施方式的風車翼的風力發電裝置(以下，稱為風車)的構成例進行繪示的示意圖。 如示於圖1，風車1具備以複數(示於圖1之例為3個)個風車翼2及安裝有該風車翼2的輪轂3而構成的轉子4(風車轉子)、將轉子4經由未圖示的主軸及主軸承而旋轉自如地支撐的機艙5、受主軸的旋轉力而被驅動的發電機(圖示省略)、將機艙5可水平迴旋地支撐的塔台6、和被設置塔台6的基底7。並且，風車1是在風車翼2受風時轉子4旋轉，在連結於轉子4的發電機(未圖示)生成電力。
接著，就本發明的至少涉及一實施方式的風車翼2詳細進行說明。圖2為就涉及一實施方式的風車翼進行繪示的透視圖。圖3為涉及一實施方式的風車翼的局部剖面圖。 如示於圖2，風車翼2包含安裝於風車1的輪轂3的翼根部21、位於從輪轂3最遠的位置的翼尖端部22、和在翼根部21與翼尖端部22之間延伸的翼型部20。另外，風車翼2從翼根部21至翼尖端部22，具有前緣24與後緣25。另外，風車翼2的外形由為壓力面(正壓面)之腹面27和為與腹面27相向的負壓面之背面26界定。 並且，如示於圖2及圖3，涉及本發明的至少一實施方式的風車翼2由FRP(fiber-reinforced plastic：纖維強化塑膠)形成，具備具有翼狀的基材30、設於該基材30上的中間層42、和設於該中間層42上並由具有5%以下的氣孔率的熱噴塗膜形成的抗侵蝕被膜50。另外，由上述中間層42與抗侵蝕被膜50構成保護基材30的風車翼保護層40。
基材(或母材)30可使用適合用於風車翼2的CFRP(carbon fiber reinforced plastic：碳纖維強化塑膠)或GFRP(glass fiber reinforced plastics：玻璃纖維強化塑膠)等而形成。如此般使用FRP而形成基材30的方法及基材30的構成方面可適用歷來周知者，故此處省略詳細的說明。
中間層42以金屬、金屬陶瓷、陶瓷、或此等中的至少一者與樹脂的混合物為主成分。 中間層42構成形成於基材30的表面的風車翼保護層40 (圖2及圖3參照)的第1層，作用為在抗侵蝕被膜50的形成前形成於基材30上的保護層(基底層)。 中間層42方面使用陶瓷作為主成分的情況下，硬度、耐磨性、耐熱性等方面優異，使用金屬作為主成分的情況下，韌性方面優異，將金屬黏合劑附加於陶瓷而使用金屬陶瓷作為主成分的情況下，可形成比金屬高硬度且韌性比陶瓷優異的不易破裂的中間層42。
中間層42除由金屬、金屬陶瓷、陶瓷或前述混合物之中1個以上而構成的主成分以外亦可含有各種的添加物，惟主成分的含有率比其他成分的含有率高。
上述構成之中間層42能以各種的方法形成，例如中間層42作為主成分包含金屬、金屬陶瓷或陶瓷的情況下，可透過電弧熱噴塗、電漿熱噴塗等的電氣式熱噴塗形成中間層42。或者，中間層42作為主成分包含上述的混合物的情況下，可將由被分散有金屬、金屬陶瓷或陶瓷中的至少一者的樹脂組成物而構成的樹脂片黏貼於基材30的表面。
抗侵蝕被膜50構成形成於基材30的表面的風車翼保護層40的第2層，作用為為了從雨滴、塵等的液滴侵蝕保護基材30用的最外層。在非限定地示出之例，作為抗侵蝕被膜50，亦可使用利用包含碳化鵭(WC)的金屬陶瓷而形成的氣孔率1.6%的緻密的熱噴塗膜。 此抗侵蝕被膜50能以各種的方法形成，例如亦可透過後述的高速火焰熱噴塗(HVOF熱噴塗)等的氣體式熱噴塗而形成(圖7參照)。
依上述的構成時，可在風車翼2的基材30上，隔著中間層42配置以氣孔率5%以下的熱噴塗膜而形成的抗侵蝕被膜50。亦即，在FRP製的基材30的表面，隔著中間層42配置可發揮優異的抗侵蝕性的緻密的熱噴塗膜，故可使風車翼2的抗侵蝕性能大幅提升。 於此，如風車翼2般在較大的基材30形成熱噴塗膜之際，若可在大氣環境中作業則達成作業效率的提升。如此般在空氣中進行熱噴塗膜的形成之際，為了抑制空氣中的氧與熱噴塗材的反應所致的氧化物塗膜的生成，將例如熱噴塗材的粒子以高速熱噴塗於基材而盡可能縮短與氧的反應時間，使得可形成氣孔率低且與基材30的密接性高的緻密的熱噴塗膜。然而，如此般將緻密的熱噴塗膜直接形成於基材30上時恐傷及基材30的表面。關於此點，依上述的方法時，中間層42介於基材30與抗侵蝕被膜50之間，故可抑制對基材30的表面造成的損傷。因此，可在不損及基材30的功能之下使風車翼2的抗侵蝕性能大幅提升。
在部分實施方式，中間層42及抗侵蝕被膜50亦可如例示於圖2，至少設於翼狀的基材30的表面之中風車翼2的翼尖端部22側且前緣24側的區域。作成如此時，可在風車翼2之中圓周速度快且最容易受到侵蝕所致的劣化、損傷的影響的翼尖端部22側且前緣24側的區域，設置以金屬、金屬陶瓷、陶瓷、或此等中的至少一者與樹脂的混合物為主成分之中間層42與涉及熱噴塗膜的氣孔率5%以下的緻密的抗侵蝕被膜50。因此，可從侵蝕適切地保護風車翼2。
於部分實施方式，形成抗侵蝕被膜50的熱噴塗膜可由包含氧化鋁、碳化鵭、氮化矽、碳化矽、氧化鋯或碳化鉻中的至少一者的金屬陶瓷或Co系合金而構成。亦即，抗侵蝕被膜50可使用包含陶瓷系的材料(氧化鋁、碳化鵭、氮化矽、碳化矽、氧化鋯或碳化鉻等)的金屬陶瓷或Co系合金等的高硬度且耐磨性高的材料而形成。
圖4為就包含一實施方式中的熱噴塗膜之各種的材料的侵蝕特性進行繪示的圖形。另外，圖4為使用例如噴水法試驗裝置而對試片噴射噴射流而示出時間(sec)與磨耗量(μm)的關係者。圖4中，就作為熱噴塗膜而示出的材料是示出對熱噴塗後的被膜進行試驗的結果。另外，PL表示大氣電漿熱噴塗，HVOF表示高速火焰熱噴塗。 從圖4可得知，透過熱噴塗而形成為氣孔率5%以下的WC熱噴塗HVOF的抗侵蝕特性比構成基材30的FRP、其他熱噴塗膜優異。
於部分實施方式，中間層42亦可包含氣孔率比形成抗侵蝕被膜50的熱噴塗膜高的中間熱噴塗膜。 在非限定地示出之例，中間層42方面，可使用包含含有碳化鵭(WC)的金屬陶瓷且比抗侵蝕被膜50的氣孔率(5%以下)高的氣孔率7.3%的熱噴塗膜。 如此般構成時，在基材30與抗侵蝕被膜50之間，配置包含氣孔率比形成抗侵蝕被膜50的熱噴塗膜高的中間熱噴塗膜之中間層42。亦即，中間層42的情況可不論氣孔率多低而以不會對構成基材30的FRP的表面造成損傷之程度的熱噴塗速度形成中間熱噴塗膜。亦即，例如能以比在形成氣孔率低為5%以下的抗侵蝕被膜50之際的熱噴塗速度低的熱噴塗速度形成中間熱噴塗膜，故可有效抑制由於在形成中間層42(中間熱噴塗膜)之際的熱噴塗使得傷及基材30表面的情況。並且，能以如氣孔率從基材30的表面逐漸降低的配置，在最外周形成緻密的抗侵蝕被膜50。
中間層42包含中間熱噴塗膜的情況下，中間熱噴塗膜的氣孔率可相對於形成抗侵蝕被膜50的熱噴塗膜的氣孔率為3倍以上。 例如，將使用包含碳化鵭(WC)的金屬陶瓷而形成的氣孔率1.6%的熱噴塗膜用作為抗侵蝕被膜50的情況下，中間熱噴塗膜方面，可使用包含含有碳化鵭(WC)的金屬陶瓷的氣孔率7.3%的熱噴塗膜。 作成如此時，可透過比起構成抗侵蝕被膜50的熱噴塗膜的氣孔率具有3倍以上的氣孔率的中間熱噴塗膜而形成中間層42。亦即，使用相較下氣孔率大的中間熱噴塗膜作為中間層42，使得可降低(延遲)在基材30的表面形成中間層42的熱噴塗膜之際的熱噴塗速度，故可更適切地保護基材30的表面。另外，作成氣孔率比中間層42為1／3以下而形成抗侵蝕被膜50，故如上述般，能以氣孔率從基材30的表面逐漸降低的配置，在最外周形成緻密的抗侵蝕被膜50。
在部分實施方式，可形成抗侵蝕被膜50的熱噴塗膜的氣孔率為3%以下，中間熱噴塗膜的氣孔率為6%以上。例如，如上述，可採用抗侵蝕被膜50的熱噴塗膜(氣孔率1.6%)和中間層42之中間熱噴塗膜(氣孔率7.3%)的組合。 作成如此時，使用氣孔率為6%以上之中間熱噴塗膜而形成中間層42，同時使用氣孔率為3%以下的熱噴塗膜而形成抗侵蝕被膜50。因此，能以如氣孔率從基材30的表面逐漸降低的配置，在最外周形成緻密的抗侵蝕被膜50。
於部分實施方式，中間熱噴塗膜亦可由包含氧化鋁、碳化鵭、氮化矽、碳化矽、氧化鋯或碳化鉻中的至少一者的金屬陶瓷、或包含Co系合金、不銹鋼、鋼鐵、鈦、銅或鋁中的至少一者的金屬而構成。 亦即，為風車翼保護層40的第1層的中間層42(中間熱噴塗膜)的構成材料方面，除為第2層的上述抗侵蝕被膜50的構成材料以外，例如亦可使用SUS、鋼鐵、Ti、Cu、Al等的金屬熱噴塗膜。 作成如此時，可使用包含陶瓷系的材料的金屬陶瓷或包含Co系合金等的金屬等耐磨性高的材料而形成中間層42以外，可使用在往FRP的熔接性的觀點上比陶瓷系適合的金屬作為黏合劑，故可使對於基材30之中間層42的熔接性提升。
於部分實施方式，中間層42如例示於圖5，亦可包含金屬帶60。亦即，中間層42例如可由不銹鋼帶(SUS帶)等構成。 如此般構成時，能以安裝金屬帶60作為在基材30與抗侵蝕被膜50之間配置的中間層42之簡易的方法，容易地形成中間層42，故達成工期的縮短化。 另外，往基材30的金屬帶60的安裝可使用設於金屬帶60本身的黏合層、或另外準備的黏合劑而將金屬帶60黏貼於基材30從而進行。
在部分實施方式，中間層42可透過大氣電漿熱噴塗(Atmospheric Plasma Spraying：APS)形成。亦即，上述中間熱噴塗膜可為透過大氣電漿熱噴塗而形成的熱噴塗膜。
於此，就電漿熱噴塗法與HVOF熱噴塗進行說明。圖6為就一實施方式中的電漿熱噴塗裝置進行繪示的示意圖。圖7為就一實施方式中的HVOF熱噴塗裝置進行繪示的示意圖。
電漿熱噴塗法為電氣式熱噴塗的一種，可使用例如示於圖6的電漿熱噴塗裝置70而施工。 電漿熱噴塗裝置70包含設有電極(陰極)71及噴嘴(陽極)72的吹管73。吹管73具有為了導入冷卻水用的冷卻水入口74、和為了將通過吹管73內部的冷卻通路後的冷卻水進行排出用的冷卻水出口75。另外，吹管73具有被供應氬、氦、氮等的作動氣體的氣體供應口76。從氣體供應口76導入的作動氣體被透過在電極71及噴嘴72間產生的電弧而電漿化，被作為電漿噴流77從噴嘴72噴出。對電漿噴流77供應來自粉末供應管78的粉末材料。朝電漿噴流77噴出的粉末材料一面於電漿噴流77內熔融一面朝母材(基材30)飛行，衝撞及層積於母材表面而形成熱噴塗膜。 另外，在本揭示，例如以比機械構件等大的風車翼2為加工對象，故雖從施工性的觀點而示出應用大氣電漿熱噴塗之例，惟不排除在減壓環境下進行的減壓電漿熱噴塗(或真空電漿熱噴塗)。如此般，依電漿熱噴塗法時，熱噴塗材料(粉末材料)的選擇自由度大，可提高基材30與熱噴塗膜的密接性。
接著，HVOF熱噴塗(高速火焰熱噴塗)如例示於圖7般為提高熱噴塗裝置80(熱噴塗槍)內的燃燒室的壓力從而予以產生匹敵於爆炸燃燒焰的高速火焰(燃燒火焰噴流)87，並對此高速火焰87之中心供應粉末熱噴塗材料而作成熔融或半熔化狀態，而以高速度進行連續噴射的熱噴塗法，粉末熱噴塗材料以超音速度衝撞於基材30，故可形成極精緻且具有高密接力的皮膜。尤其有效於碳化物金屬陶瓷材料的耐摩性皮膜的形成，皮膜被連續地形成，故比起爆炸熱噴塗法，可獲得更均質的皮膜。另外，如此的HVOF熱噴塗是於大氣中例如可在使基材30為100℃以下(例如80℃以下)的狀態下進行。
如上述般，以大氣電漿熱噴塗形成中間層42時，就形成於FRP製的基材30上的中間層42，可比例如HVOF等的高速熱噴塗將粒子低速地進行熱噴塗，故可在不傷及基材30的表面之下形成中間層42。另外，在如此般形成而比基材30(FRP)高硬度之中間層42方面可在不傷及母材的FRP之下進行高速火焰熱噴塗(HVOF)，故可在風車翼保護層40的最外層適當地形成緻密且高硬度的抗侵蝕被膜50。
圖8為就依HVOF熱噴塗與大氣電漿熱噴塗之WC熱噴塗HVOF的熱噴塗膜的抗侵蝕特性進行繪示的圖形。如從圖8顯見，可得知以HVOF熱噴塗形成的熱噴塗膜比以大氣電漿熱噴塗形成的熱噴塗膜具有優異的抗侵蝕特性。
於部分實施方式，基材30可於由中間層42及抗侵蝕被膜50覆蓋的區域(形成範圍100)具有比未由中間層42及抗侵蝕被膜50覆蓋的區域大的表面粗糙度Ra。
依上述構成時，將在由中間層42及抗侵蝕被膜50覆蓋的上述形成範圍100之基材30的表面粗糙度Ra設定為相對大，使得可使中間層42的往基材30表面的黏合性提升。 於此，作為用於將在由中間層42及抗侵蝕被膜50覆蓋的上述形成範圍100之基材30的表面粗糙度Ra設定為適度的值的一手法，可對在該形成範圍100的基材30的表面進行鼓風處理。 另外，在由中間層42及抗侵蝕被膜50覆蓋的上述形成範圍100之基材30的表面粗糙度Ra的具體的數值範圍雖不特別限定，惟例如可符合0.2μm≦Ra≦20μm的關係。
於部分實施方式，在風車翼2之抗侵蝕被膜50的形成範圍100的邊界的抗侵蝕被膜50的表面與在形成範圍100外鄰接於抗侵蝕被膜50的風車翼2的表面30B的階差ΔX的大小可作成比抗侵蝕被膜50及中間層42的合計膜厚小。
作成如此時，可減小在抗侵蝕被膜50的形成範圍100的邊界之階差ΔX，可抑制因抗侵蝕被膜50的設置而發生的風車翼2的空力性能的降低。 另外，抗侵蝕被膜50及中間層42的合計膜厚可為0.4mm以下，例如可為0.2mm以上且0.3mm以下。抗侵蝕被膜50及中間層42的合計膜厚為0.4mm以下的情況下，前述的階差ΔX作成0.3mm以下的大小使得可抑制空力性能的降低。
圖9為就涉及其他實施方式的風車翼進行繪示的圖，(A)為就在風車翼之抗侵蝕被膜的形成範圍的內側的該基材的表面相對於在形成範圍的外側之基材的表面下沉的樣子進行繪示的剖面圖，(B)為就一實施方式中的斜面構材進行繪示的剖面圖。 如非限定地例示於圖9，於部分實施方式，基材30亦可在風車翼2之抗侵蝕被膜50的形成範圍100的內側的基材30的表面30A相對於在形成範圍100的外側之基材30的表面30B下沉。 依如此的構成時，使在抗侵蝕被膜50的形成範圍100的內側的基材30的表面30A下沉，使得可減小在抗侵蝕被膜50的形成範圍100的邊界之階差ΔX，可抑制因抗侵蝕被膜50的設置而發生的風車翼2的空力性能的降低。
於部分實施方式，風車翼2亦可具備鄰接於抗侵蝕被膜50而設於基材30上且厚度隨著從抗侵蝕被膜50的形成範圍100的邊界遠離而減少的斜面構材32。 如此般，鄰接於抗侵蝕被膜50而設置斜面構材32，使得可減小在抗侵蝕被膜50的形成範圍100的邊界之階差ΔX，可抑制因抗侵蝕被膜50的設置而發生的風車翼2的空力性能的降低。 另外，亦可併用使上述的表面30A下沉的構成及上述的斜面構材32，從而減小在抗侵蝕被膜50的形成範圍100的邊界之階差ΔX，
圖10為就涉及一實施方式的風車翼之製造方法進行繪示的流程圖。 如示於圖10，涉及本發明的至少部分實施方式的風車翼2的製造方法可具備使用FRP形成具有翼狀的基材30的程序(步驟S10)、在基材30上形成以金屬、金屬陶瓷、陶瓷、或此等中的至少一者與樹脂的混合物為主成分之中間層42的程序(步驟S20)、和透過HVOF熱噴塗(high velocity oxy-fuel：高速火焰熱噴塗)形成設於中間層42上且具有5%以下的氣孔率的抗侵蝕被膜50的程序(步驟S30)。 如上述，在HVOF熱噴塗，作成透過燃燒氣體之超音速的噴流，將熱噴塗材料進行熔融兼加速從而在加工對象物(本揭示之例為風車翼2的基材30)的表面形成皮膜。 依此方法時，如上述般，使中間層42介於基材30與抗侵蝕被膜50之間，使得可在不會因以HVOF熱噴塗形成抗侵蝕被膜50之際的高速熱噴塗而傷及基材30的表面之下，酌情選擇而應用抗侵蝕性方面優異的熱噴塗材料，故可使風車翼2的抗侵蝕性能大幅提升。
圖11為就涉及其他實施方式的風車翼之製造方法進行繪示的示意圖。 如示於圖11，在部分實施方式，亦可沿著風車翼2的翼長邊方向相對於基材30使熱噴塗裝置70(或熱噴塗裝置80)相對移動，於比熱噴塗裝置70或80的施工範圍廣的範圍形成大氣電漿熱噴塗膜、HVOF熱噴塗膜。 一般情況下，在將熱噴塗裝置70或80設置於固定位置而使用之際存在有限的施工範圍。為此，例如對如風車翼2的較大的非熱噴塗對象進行熱噴塗之情況下難以對非熱噴塗對象的整體形成熱噴塗膜。關於此點，依如上述般使熱噴塗裝置70或80移動於翼長方向之方法時，可沿著風車翼2的長邊方向使熱噴塗裝置70或80移動，故比起設置於固定的地方而使用的情況下的施工範圍，可於更廣的範圍形成大氣電漿熱噴塗膜、HVOF熱噴塗膜。 另外，使熱噴塗裝置70或80移動之際例如可將熱噴塗裝置70或80載置於未圖示的推車等而透過作業員以手動予以移動，亦可構成為作成至少可沿著翼長方向而移動而設置導軌、升降裝置等的專用的移動設備。 如此般在風車翼2的製造環境等亦可使施工變容易。
如此般，依本發明的至少一實施方式時，可在不損及為母材的基材30的機能之下達成風車翼2的抗侵蝕性能的提升。
以上，雖就本發明的實施方式進行說明，惟本發明不限定於上述的實施方式，亦包含對上述的實施方式加上變形的方式、將此等方式酌情組合的方式。
1:風車(風力發電裝置) 2:風車翼 3:輪轂 4:轉子 5:機艙 6:塔台 7:基底 20:翼型部 21:翼根部 22:翼尖端部 23:翼型部 24:前緣 25:後緣 26:背面(負壓面) 27:腹面(正壓面) 30:基材 32:斜面構材 40:風車翼保護層 42:中間層(第1層／基底層／中間熱噴塗膜／金屬帶) 50:抗侵蝕被膜(第2層／最外層／熱噴塗膜) 53:第3凹凸 60:金屬帶 70:熱噴塗裝置 71:電極(陰極) 72:噴嘴(陽極) 73:吹管 74:冷卻水入口 75:冷卻水出口 76:氣體供應口 77:電漿噴流 78:粉末供應管 80:熱噴塗裝置 87:高速火焰(燃燒火焰噴流) 100:形成範圍(由中間層及抗侵蝕被膜覆蓋的區域)
[圖1]就具備涉及一實施方式的風車翼之風力發電裝置的構成例進行繪示的示意圖。 [圖2]就涉及一實施方式的風車翼進行繪示的透視圖。 [圖3]涉及一實施方式的風車翼的局部剖面圖。 [圖4]就包含一實施方式中的熱噴塗膜之各種的材料的侵蝕特性進行繪示的圖形。 [圖5]就涉及一實施方式的風車翼之製造方法進行繪示的示意圖。 [圖6]就一實施方式中的電漿熱噴塗裝置進行繪示的示意圖。 [圖7]就一實施方式中的HVOF熱噴塗裝置進行繪示的示意圖。 [圖8]就透過HVOF熱噴塗與大氣電漿熱噴塗而形成之熱噴塗膜的抗侵蝕特性進行繪示的圖形。 [圖9]就涉及其他實施方式的風車翼進行繪示的圖，(A)為就在風車翼之抗侵蝕被膜的形成範圍的內側的該基材的表面相對於在形成範圍的外側之基材的表面下沉的樣子進行繪示的剖面圖，(B)為就一實施方式中的斜面構材進行繪示的剖面圖。 [圖10]就涉及一實施方式的風車翼之製造方法進行繪示的流程圖。 [圖11]就涉及一實施方式的風車翼之製造方法進行繪示的示意圖。
30:基材
40:風車翼保護層
42:中間層(第1層/基底層/中間熱噴塗膜/金屬帶)
50:抗侵蝕被膜(第2層/最外層/熱噴塗膜)

Claims (13)

  1. 一種風車翼，具備：基材，其由FRP形成，具有翼狀；中間層，其設於前述基材上，以金屬、金屬陶瓷、陶瓷、或此等中的至少一者與樹脂的混合物為主成分；和抗侵蝕被膜，其設於前述中間層上，由具有5%以下的氣孔率的熱噴塗膜形成；其中，前述中間層包含氣孔率比形成前述抗侵蝕被膜的前述熱噴塗膜高的中間熱噴塗膜。
  2. 如請求項1的風車翼，其中，形成前述抗侵蝕被膜的前述熱噴塗膜由包含氧化鋁、碳化鵭、氮化矽、碳化矽、氧化鋯或碳化鉻中的至少一者的金屬陶瓷、或Co系合金而構成。
  3. 如請求項1或2的風車翼，其中，相對於形成前述抗侵蝕被膜的前述熱噴塗膜的氣孔率之前述中間熱噴塗膜的氣孔率的比為3倍以上。
  4. 如請求項1或2的風車翼，其中，形成前述抗侵蝕被膜的前述熱噴塗膜的氣孔率為3%以下，前述中間熱噴塗膜的氣孔率為6%以上。
  5. 如請求項1或2的風車翼，其中，前述中間熱噴塗膜由包含氧化鋁、碳化鵭、氮化矽、碳化矽、氧化鋯或碳化鉻中的至少一者的金屬陶瓷、或包含Co系合金、不銹鋼、鋼鐵、鈦、銅或鋁中的至少一者的金屬而構 成。
  6. 如請求項1或2的風車翼，其中，前述基材於由前述中間層及前述抗侵蝕被膜覆蓋的區域具有比未由前述中間層及前述抗侵蝕被膜覆蓋的區域大的表面粗糙度Ra。
  7. 如請求項1或2的風車翼，其中，在前述風車翼的前述抗侵蝕被膜的形成範圍的表面、和在前述形成範圍外鄰接於前述抗侵蝕被膜的前述風車翼的表面的階差的大小比前述抗侵蝕被膜及前述中間層的合計膜厚小。
  8. 如請求項1或2的風車翼，其中，前述基材為在前述風車翼之前述抗侵蝕被膜的形成範圍的內側的前述基材的表面相對於在前述形成範圍的外側之前述基材的表面下沉。
  9. 如請求項7的風車翼，其被構成為，具備鄰接於前述抗侵蝕被膜而設於前述基材上，且厚度隨著從前述抗侵蝕被膜的形成範圍的邊界遠離而減少的斜面構材，透過前述斜面構材減小前述階差。
  10. 如請求項1或2的風車翼，其中，前述中間層及前述抗侵蝕被膜設於前述翼狀的前述基材的表面之中至少前述風車翼的翼尖端側及/或前緣側的區域。
  11. 一種風車翼之製造方法，具備以下步驟：在由FRP形成而具有翼狀的基材上，形成以金屬、金屬陶瓷、陶瓷、或此等中的至少一者與樹脂的混合物為主 成分的中間層；和透過HVOF熱噴塗形成抗侵蝕被膜，前述抗侵蝕被膜設於前述中間層上，由具有5%以下的氣孔率的熱噴塗膜形成；其中，前述中間層包含氣孔率比形成前述抗侵蝕被膜的前述熱噴塗膜高的中間熱噴塗膜。
  12. 如請求項11的風車翼之製造方法，其中，前述中間層是透過大氣電漿熱噴塗而形成。
  13. 如請求項11或12的風車翼之製造方法，其中，前述風車翼的翼尖端的區域的情況下沿著該翼尖端、前述風車翼前緣的區域的情況下沿著前述風車翼的翼長邊方向而相對於前述基材使熱噴塗裝置相對移動，於比前述熱噴塗裝置的施工範圍廣的範圍形成前述抗侵蝕被膜。
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