WO2018015985A1 - 遮熱コーティング部材、軸流タービン、および遮熱コーティング部材の製造方法 - Google Patents

遮熱コーティング部材、軸流タービン、および遮熱コーティング部材の製造方法 Download PDF

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国彦 和田
斎藤　大蔵
雅貴 田村
信博 沖園
岩太郎 佐藤
秀幸 前田
高橋　武雄
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株式会社 東芝
東芝エネルギーシステムズ株式会社
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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a thermal barrier coating member, an axial turbine, and a thermal barrier coating member manufacturing method.
  • a working fluid rotates a moving blade, and power is extracted as a rotational force.
  • it has been attempted to increase the temperature of the working fluid of an axial flow turbine.
  • high temperature members such as moving blades and stationary blades are exposed to the working fluid. And the temperature of the high temperature member exposed to the working fluid also rises with the high temperature of the working fluid.
  • the surface of the high temperature member is coated with a heat shielding layer made of ceramics having a lower thermal conductivity than metal.
  • the heat shield layer is formed on the high temperature member by, for example, thermal spraying.
  • Thermal spraying is a method of forming a layer by projecting particles (hereinafter also referred to as spray particles) onto the surface of a high-temperature member while melting them.
  • spray particles particles
  • the durability of the thermal barrier layer formed on the surface of the high-temperature member decreases as the projection angle of the sprayed particles with respect to the surface of the high-temperature member decreases.
  • a heat shield layer may peel from a high temperature member. Therefore, at the time of thermal spraying, the thermal spray layer is projected at an angle as high as possible with respect to the surface of the high temperature member to enhance the durability of the heat shield layer.
  • gas turbines (hereinafter also referred to as CO 2 turbines) driven by a working fluid composed of combustion gas generated by burning fuel such as natural gas with oxygen and carbon dioxide have been developed.
  • Part of the carbon dioxide contained in the working fluid that has driven the CO 2 turbine is easily recovered by extraction, and the unrecovered carbon dioxide is circulated to the combustor.
  • the CO 2 turbine can perform power generation and carbon dioxide recovery at the same time, and does not emit nitrogen oxides during operation. Therefore, the CO 2 turbine has attracted attention from the viewpoint of protecting the global environment.
  • CO 2 turbine when the CO 2 turbine is operating, carbon dioxide in the turbine is in a supercritical state. Since CO 2 turbine working fluid becomes high temperature and high pressure, the power generation efficiency of the CO 2 turbine is improved. On the other hand, the high temperature member constituting the CO 2 turbine is exposed to a high temperature working fluid. Further, in order to make the inside of the turbine have a high pressure, a seal structure for suppressing leakage of the working fluid to the outside is provided in the CO 2 turbine.
  • the CO 2 turbine since the CO 2 turbine includes a complicated structure such as a seal structure in order to achieve a high pressure state, the CO 2 turbine has many narrow portions. In a CO 2 turbine having many narrow portions, it may be difficult to project spray particles at a high angle during spraying. When the thermal barrier layer is formed by projecting spray particles at a low angle, the durability of the thermal barrier layer is lowered. And when the heat-insulating layer having reduced durability is peeled off, the heat-insulating property of the high-temperature member constituting the CO 2 turbine is lowered, and the high-temperature member may be cracked.
  • the problem to be solved by the present invention is to maintain the durability of the thermal barrier layer formed on the surface of the high-temperature member even in a narrow portion, and to provide a thermal barrier coating member and shaft excellent in the thermal barrier property of the high-temperature member.
  • a flow turbine and a method of manufacturing a thermal barrier coating member are provided.
  • the thermal barrier coating member of the embodiment includes a base material, a bonding layer formed on the surface of the base material, and a thermal barrier layer formed on the surface of the bonding layer.
  • the thermal barrier layer includes a first ceramic layer that includes a plurality of flat pores that are inclined at a first angle with respect to the surface of the base material and extend along a first direction, and the first ceramic layer.
  • a plurality of flat pores that are inclined with respect to the surface of the base material comprising at least two second ceramic layers containing a plurality of flat pores, wherein at least one of the direction and the second direction is different It is comprised from the several ceramic layer containing.
  • thermal barrier coating members Manufacture of thermal barrier coating members, axial turbines, and thermal barrier coating members that maintain the durability of the thermal barrier layer formed on the surface of the high-temperature member even in a narrow part and are excellent in the thermal barrier property of the high-temperature member.
  • a method can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a partial cross section of an axial-flow turbine 1 including a thermal barrier coating member according to an embodiment.
  • the axial flow turbine 1 is a CO 2 turbine
  • the axial flow turbine 1 may be a conventional gas turbine that uses a gas generated by combustion of various fuels such as natural gas as a working fluid.
  • the CO 2 turbine a part of carbon dioxide generated in the combustor 13 is pressurized to a supercritical fluid and circulated in the working fluid system.
  • the axial turbine 1 includes a double-structure casing that includes an outer casing 2 and an inner casing 3 provided inside the outer casing 2.
  • the inner casing 3 constitutes, for example, inner casings 3a and 3b surrounding a turbine stage including the stationary blades 4 and the moving blades 5, and a part of the exhaust chamber 6 into which the working fluid that has passed through the final stage turbine stage flows.
  • An inner casing 3c constitutes, for example, inner casings 3a and 3b surrounding a turbine stage including the stationary blades 4 and the moving blades 5, and a part of the exhaust chamber 6 into which the working fluid that has passed through the final stage turbine stage flows.
  • a tubular exhaust pipe 2a extending downward is provided on the lower half side of the outer casing 2 on the downstream side in order to discharge the working fluid.
  • a turbine rotor 7 is provided in the inner casing 3.
  • the turbine rotor 7 is formed with a plurality of rotor disks 7a that protrude in the circumferential direction outward in the radial direction and are provided in the turbine rotor axial direction (hereinafter also simply referred to as the axial direction).
  • a plurality of rotor blades 5 are implanted in the circumferential direction on the rotor disk 7a to constitute a rotor blade cascade.
  • the moving blade cascade is composed of a plurality of stages in the axial direction.
  • the turbine rotor 7 is rotatably supported by a rotor bearing (not shown).
  • the outer periphery of the moving blade 5 is surrounded by a shroud segment 8.
  • the shroud segment 8 prevents heat input from the working fluid to the inner casing 3 and adjusts the gap with the tip of the moving blade 5 to maintain an appropriate gap.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a moving blade 5 of an axial flow turbine 1 including the thermal barrier coating member according to the embodiment.
  • the moving blade 5 includes a blade effective portion 5a, a platform portion 5b, a shank portion 5c, and an implanted portion 5d.
  • a plurality of stationary blades 4 are installed in the inner casings 3a and 3b in the circumferential direction to form a stationary blade cascade.
  • An inner sidewall 4 a is provided on the inner periphery of the stationary blade 4.
  • the stationary blade cascade is provided in a plurality of stages alternately with the moving blade cascade in the axial direction.
  • the turbine blade cascade and the rotor blade cascade located immediately downstream of the turbine blade cascade constitute one turbine stage.
  • annular wall 3d protruding outward in the radial direction over the circumferential direction is provided.
  • the outer peripheral surface of this annular wall 3d is in contact with the inner periphery of the outer casing 2, for example.
  • a seal portion 9 is provided between the turbine rotor 7 and the outer casing 2 and between the turbine rotor 7 and the inner casing 3a in order to prevent leakage of the working fluid to the outside.
  • An exhaust chamber 6 is provided downstream of the final stage turbine stage.
  • the exhaust chamber 6 includes an annular inner casing 3c through which the working fluid that has passed through the turbine stage flows, and an exhaust portion 10 provided on the lower half side of the inner casing 3c.
  • the annular passage 11 is formed around the turbine rotor 7.
  • the annular passage 11 guides the working fluid that has passed through the turbine stage to the exhaust unit 10.
  • the exhaust part 10 is extended downward along the exhaust pipe 2 a inside the exhaust pipe 2 a of the outer casing 2.
  • the working fluid that has passed through the exhaust unit 10 is discharged to the outside of the outer casing 2 through the exhaust pipe 2a.
  • the axial flow turbine 1 includes a transition piece 12 that discharges the working fluid flowing from the combustor 13 to the first stage turbine stage.
  • the working fluid discharged from the transition piece 12 to the turbine stage flows through the inner casings 3a and 3b while performing expansion work, and passes through the final stage turbine stage.
  • the thermal barrier coating member of the embodiment is applied to some or all of the high temperature members such as the stationary blade 4, the inner sidewall 4a, the moving blade 5, the platform portion 5b, the shroud segment 8, and the transition piece 12. Can be applied. And the thermal insulation layer is formed in at least one part of the surface of the base material which comprises these thermal insulation coating members. For example, when the thermal barrier coating member of the embodiment is applied to the stationary blade 4, the inner sidewall 4 a, the moving blade 5, and the platform portion 5 b, the thermal barrier coating member is formed on the outer surface of the base material constituting the thermal barrier coating member. A layer is formed. When the thermal barrier coating member is applied to the shroud segment 8 and the transition piece 12, a thermal barrier layer is formed on the inner surface of the base material constituting the thermal barrier coating member.
  • the thermal barrier coating member of the embodiment can be applied to a high-temperature member as described above.
  • thermal barrier coating member of the embodiment will be described in detail.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the thermal barrier coating member 30 of the embodiment.
  • the thermal barrier coating member 30 includes a base material 31, a bonding layer 32 formed on the surface of the base material 31, and a thermal barrier layer 33 formed on the surface of the bonding layer 32.
  • the material which comprises the base material 31 is not specifically limited, It is sufficient with respect to the driving
  • the base material 31 is made of, for example, a Ni-based alloy, a Co-based alloy, an Fe-based alloy, or the like.
  • the bonding layer 32 provided between the base material 31 and the heat shield layer 33 improves the adhesion between the base material 31 and the heat shield layer 33, and also provides high temperature corrosion resistance and acid resistance of the base material 31 against a high temperature working fluid. Improves conversion.
  • the bonding layer 32 is preferably made of a metal material having a high chromium or aluminum concentration, and is made of an MCrAlY alloy (M is at least one element selected from Ni and Co) having excellent corrosion resistance and oxidation resistance at high temperatures. More preferably.
  • the thickness of the bonding layer 32 is preferably 0.05 mm or more and 0.50 mm or less, and more preferably 0.10 mm or more and 0.30 mm or less. When the thickness of the bonding layer 32 is within the above range, adhesion between the base material 31 and the heat shielding layer 33 can be improved and high temperature corrosion resistance and oxidation resistance can be imparted.
  • the heat shield layer 33 formed on the surface of the base material 31 via the bonding layer 32 is at least two of the first ceramic layer 33a and the second ceramic layer 33b formed on the surface of the first ceramic layer 33a. And a plurality of ceramic layers including a plurality of flat pores 34 (hereinafter also simply referred to as pores) inclined at a predetermined inclination angle and a predetermined inclination direction with respect to the surface of the base material 31. .
  • the thermal barrier layer 33 improves the thermal barrier property of the thermal barrier coating member 30.
  • the heat shielding layer 33 may include at least two layers of the first ceramic layer 33a and the second ceramic layer 33b.
  • the heat shield layer 33 may include four ceramic layers, that is, a first ceramic layer 33a, a second ceramic layer 33b, a third ceramic layer 33c, and a fourth ceramic layer 33d. Good.
  • FIG. 4 and FIG. 5 are schematic diagrams for explaining the inclination angle and the inclination direction of the flat pores 34 included in the heat-insulating layer 33 constituting the heat-insulating coating member of the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing the inclination angle and the inclination direction of the pores in the first ceramic layer 33a and the third ceramic layer 33c
  • FIG. 5 shows the pores in the second ceramic layer 33b and the fourth ceramic layer 33d. It is a figure which shows the inclination-angle and inclination direction of this.
  • spray particles are projected from the angle of ⁇ 1 with respect to the surface of the substrate 31 and from the direction of ⁇ 2 with respect to the x axis. That is, the inclination angle is ⁇ 1, and the inclination direction is the direction of ⁇ 2 with respect to a specific surface (hereinafter also referred to as a reference surface) that is parallel to the x-axis and perpendicular to the base material 31.
  • spray particles are projected from the angle of ⁇ 1 with respect to the surface of the substrate 31 and from the direction of ⁇ 3 with respect to the x axis. That is, the inclination angle is ⁇ 1, and the inclination direction is the direction of ⁇ 3 with respect to the reference plane.
  • the first ceramic layer 33 a formed on the surface of the bonding layer 32 is inclined at a first angle with respect to the surface of the base material 31 and extends along the first direction. It contains flat pores 34a (hereinafter also simply referred to as pores).
  • the first angle in the pores 34a formed in the first ceramic layer 33a is ⁇ 1, and the first direction is the direction ⁇ 2.
  • the longitudinal direction of the pores 34a is inclined at an angle of ⁇ 1 with respect to the surface of the substrate 31, and extends along the direction of ⁇ 2 with respect to the reference plane. That is, the inclination angle of the pores 34 a is ⁇ 1 with respect to the surface of the base material 31.
  • the longitudinal direction of the flat pore 34 is a direction parallel to the straight line that penetrates the pore 34 and has the longest total length of the penetrating portions. Note that “through the pores 34” may partially penetrate the pores 34 or may penetrate completely.
  • the second ceramic layer 33 b formed on the surface of the first ceramic layer 33 a is inclined at a second angle with respect to the surface of the base material 31 and along the second direction. It contains a plurality of flat pores 34b (hereinafter also simply referred to as pores) that extend. Then, at least one of the first angle in the pores 34a and the second angle in the pores 34b and the first direction in the pores 34a and the second direction in the pores 34b are different.
  • the second angle in the pores 34b formed inside the second ceramic layer 33b is ⁇ 1, and the second direction is the direction ⁇ 3.
  • the longitudinal direction of the pores 34b is inclined at an angle of ⁇ 1 with respect to the surface of the base material 31, and extends along the direction of ⁇ 3 with respect to the reference plane.
  • the inclination angle of the pores 34 b is ⁇ 1 with respect to the surface of the base material 31.
  • the third ceramic layer 33 c formed on the surface of the second ceramic layer 33 b is inclined at a third angle with respect to the surface of the base material 31 and along the third direction. It contains a plurality of flat pores 34c (hereinafter also simply referred to as pores) that extend. Then, at least one of the second angle in the pore 34b and the third angle in the pore 34c, and the second direction in the pore 34b and the third direction in the pore 34c are different.
  • the third angle in the pore 34c is ⁇ 1
  • the third direction is the direction ⁇ 2.
  • the fourth ceramic layer 33 d formed on the surface of the third ceramic layer 33 c is inclined at a fourth angle with respect to the surface of the base material 31 and along the fourth direction. It contains a plurality of flat pores 34d (hereinafter also simply referred to as pores) that extend. At least one of the third angle in the pore 34c and the fourth angle in the pore 34d and the third direction in the pore 34c and the fourth direction in the pore 34d are different.
  • the fourth angle in the pore 34d is ⁇ 1
  • the fourth direction is the direction ⁇ 3.
  • the pores 34a, 34b, 34c, 34d included in the ceramic layers 33a, 33b, 33c, 33d constituting the heat shield layer 33 are independently 20 degrees or more and less than 90 degrees with respect to the surface of the substrate 31. If it inclines in (4), it will not be restricted to the structure of the above-mentioned inclination angle. That is, the first angle in the pore 34a, the second angle in the pore 34b, the third angle in the pore 34c, and the fourth angle in the pore 34d are each independently 20 degrees or more and less than 90 degrees.
  • the ceramic layers 33a, 33b, 33c, and 33d constituting the heat shield layer 33 have excellent peeling resistance.
  • the first angle, the second angle, the third angle, and the fourth angle may be 20 degrees or more, and the first angle, the second angle, the third angle, and the fourth angle are As it increases, the peel strength of the heat shield layer 33 increases.
  • the first angle, the second angle, the third angle, and the fourth angle are not less than 0 degrees and less than 20 degrees, it is difficult to form the ceramic layers 33a, 33b, 33c, and 33d.
  • the peel resistance of the ceramic layers 33a, 33b, 33c, and 33d is significantly reduced.
  • the first direction in the pores 34a, the second direction in the pores 34b, the third direction in the pores 34c, and the fourth direction in the pores 34d are not particularly limited. Furthermore, these directions may all be the same, some may be the same, or all may be different.
  • the peel resistance of each ceramic layer increases as the difference in the inclination angle or inclination direction of the pores increases.
  • each ceramic layer 33a, 33b, 33c, 33d constituting the heat shield layer 33 has a spherical pore 35 (hereinafter, referred to as a flat pore 34a, 34b, 34c, 34d). (Also referred to as pores).
  • a flat pore 34a, 34b, 34c, 34d (Also referred to as pores).
  • the abundance ratio of the pores 35 is very small compared to the flat pores 34a, 34b, 34c, 34d, and the pores 35 and the flat pores 34a, 34b, 34c, 34d are clearly different in structure. .
  • the shape of the pores 34a, 34b, 34c, 34d is close to an extremely flat ellipsoid, and the ratio of the length of the flat pore in the longitudinal direction to the length in the direction perpendicular to the longitudinal direction is defined as the flatness.
  • the flatness of the pores 34a, 34b, 34c, 34d is 5 or more and 300 or less, whereas the shape of the pores 35 is nearly spherical, and the flatness of the pores 35 is 1 or more and less than 5.
  • the flat pores 34a, 34b, 34c, 34d and the pores 35 are distinguished unless otherwise specified.
  • the length in the longitudinal direction of the flat pores 34a, 34b, 34c, 34d is 50 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
  • the diameter of the pores 35 is not less than 5 ⁇ m and not more than 30 ⁇ m.
  • the heat shield layer 33 preferably has a porosity of 5% or more and 30% or less.
  • the porosity of the heat shield layer 33 is the porosity of the heat shield layer 33 with respect to the flat pores 34 and the pores 35. If the porosity of the thermal barrier layer 33 is smaller than 5%, the thermal conductivity of the thermal barrier layer 33 may increase, and the thermal barrier property of the thermal barrier coating member 30 may decrease. Moreover, since the intensity
  • the porosity of the heat shield layer 33 can be obtained from the area of the pores appearing in the micrograph by observing the cross section of the heat shield layer 33 with a microscope such as SEM.
  • the ceramic layers 33a, 33b, 33c, and 33d constituting the heat shield layer 33 are independently made of zirconia, alumina, yttria, or magnesia. Among these, from the viewpoint of the low thermal conductivity of the heat shielding layer 33, the ceramic layers 33a, 33b, 33c, and 33d are preferably made of zirconia.
  • the materials constituting the ceramic layers 33 a, 33 b, 33 c, and 33 d depend on the type of material constituting the base 31 so that the thermal conductivity of the heat shielding layer 33 is lower than the thermal conductivity of the base 31. Are appropriately selected.
  • the thermal conductivity of the Ni-based alloy at room temperature is generally 10 W / (m ⁇ K) or more.
  • the thermal conductivity of the thermal insulation layer 33 will be the heat of the base material 31. Certainly smaller than conductivity. As a result, the thermal barrier coating member 30 has excellent thermal barrier properties.
  • Each ceramic layer 33a, 33b, 33c, and 33d preferably includes at least one stabilizing material selected from the group consisting of magnesia, calcia, and yttria independently, and at least one selected from the above group. More preferably, it is composed of zirconia containing a stabilizing material.
  • each ceramic layer 33a, 33b, 33c, 33d contains the stabilizing material, cracking of each ceramic layer 33a, 33b, 33c, 33d due to phase transformation of the crystal phase at high temperature is suppressed.
  • the fourth ceramic layer 33d which is the outermost surface layer of the heat shield layer 33, contains the stabilizing material, the effect of suppressing cracking is further improved.
  • each ceramic layer 33a, 33b, 33c, and 33d preferably contains at least one rare earth element selected from the group consisting of hafnia, ceria, and dysprosia, and at least one rare earth element selected from the above group. More preferably, it is composed of zirconia containing an element.
  • the temperature of the outermost surface of the thermal barrier layer 33 in the thermal barrier coating member 30 increases.
  • the heat-insulating layer 33 that has reached a high temperature is sintered, the structure and volume of the heat-insulating layer 33 change, thereby increasing the thermal conductivity of the heat-insulating layer 33 and peeling off the heat-insulating layer 33. The impact can be significant.
  • each ceramic layer 33a, 33b, 33c, 33d contains the rare earth element which is a hardly sinterable element, the sinterability of each ceramic layer 33a, 33b, 33c, 33d is suppressed.
  • the increase in the thermal conductivity of the layer 33 is suppressed, and the peel resistance of the heat shield layer 33 is improved.
  • the fourth ceramic layer 33d, which is the outermost surface layer of the heat shield layer 33 contains the hardly sinterable element, the effect of suppressing sinterability is further improved.
  • the sintering resistance can also be improved by using a high-purity material that does not contain a relatively low melting point material such as silica in the materials constituting the ceramic layers 33a, 33b, 33c, and 33d.
  • a high-purity material that does not contain a relatively low melting point material such as silica in the materials constituting the ceramic layers 33a, 33b, 33c, and 33d.
  • the reliability under high temperature can be improved.
  • each ceramic layer 33a, 33b, 33c, 33d contains the said stabilizer in addition to the said rare earth element, it can also have the effect of crack suppression in addition to the effect of heat conductivity and peeling resistance.
  • the thickness of the heat shield layer 33 is appropriately selected according to the temperature of the working fluid and the cooling gas in the axial turbine 1, and is preferably 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, for example.
  • the thickness of the thermal barrier layer 33 is 0.1 mm or more, the thermal barrier property of the thermal barrier coating member 30 is excellent.
  • the thickness of the heat shield layer 33 is 1.0 mm or less, peeling of the heat shield layer 33 from the bonding layer 32 is suppressed.
  • about the thickness of each ceramic layer 33a, 33b, 33c, 33d which comprises the thermal insulation layer 33 all may be the same, a part may be the same, and all may differ.
  • the physical properties such as mechanical properties of the heat shielding layer 33 tend to be isotropic.
  • the peel resistance is improved.
  • the physical properties of the heat shield layer 33 become anisotropic.
  • the heat shield layer 33 having anisotropic mechanical properties the difference in thermal expansion between the base material 31 and the heat shield layer 33 is increased, and the heat shield layer 33 may be peeled off.
  • the pores 34 formed in the heat shield layer 33 are inclined in a uniform direction, the peel resistance of the heat shield layer 33 is greatly deteriorated particularly at the end of the heat shield layer.
  • the pores 34 may act as defects inside the heat shield layer 33.
  • the manufacturing method of the thermal barrier coating member includes a bonding layer forming step (hereinafter also referred to as a primary step) for forming the bonding layer 32 on the surface of the base material 31, and a surface of the bonding layer 32 formed in the primary step.
  • a thermal barrier layer forming step (hereinafter also referred to as a secondary step) for forming the thermal layer 33.
  • the bonding layer 32 is formed on the surface of the substrate 31.
  • the bonding layer 32 uniformly distributes particles, clusters, or molecules of a metal layer constituent material such as an MCrAlY alloy (M is at least one element selected from Ni and Co) by a thermal spraying method, an electron beam evaporation method, or the like. It can be formed by depositing it in the form of a thin film.
  • the base material 31 having the bonding layer 32 on the surface may be purchased.
  • a heat shielding layer 33 having pores 34 is formed on the surface of the bonding layer 32.
  • the heat shield layer 33 is composed of four ceramic layers 33a, 33b, 33c, and 33d.
  • the thermal barrier layer 33 is formed on the bonding layer 32 by a known method such as a thermal spraying method or an electron beam vapor deposition method.
  • FIG. 6 and 7 are schematic views showing a method for manufacturing the thermal barrier coating member of the embodiment.
  • the heat shield layer 33 is formed on the inner sidewall 4a surrounded by the stationary blade 4 and the outer sidewall 4b is shown.
  • the thermal barrier layer 33 is formed by thermal spraying will be described.
  • 6 is a schematic view for forming the first ceramic layer 33a and the third ceramic layer 33c
  • FIG. 7 is a schematic view for forming the second ceramic layer 33b and the fourth ceramic layer 33d. is there.
  • the thermal spraying surface such as the bonding layer 32 provided on the surface of the inner sidewall 4a faces the outer sidewall 4b.
  • the thermal barrier layer 33 is formed by thermal spraying on such a narrow portion of the thermal spraying surface, it is difficult to spray by spraying the thermal spray gun 50 perpendicularly to the substrate 31. For this reason, the thermal spray gun 50 is sprayed at a predetermined angle with respect to the substrate 31.
  • the spray gun 50 When the first ceramic layer 33a is formed on the surface of the bonding layer 32 that is the spraying surface, as shown in FIG. 6, the spray gun 50 is set so that the first angle is ⁇ 1 and the first direction is ⁇ 2. Set. Then, spray particles are sprayed from the spray gun 50 onto the bonding layer 32 while scanning the spray gun 50 along the scanning direction 51a. At this time, the spray gun 50 is scanned while maintaining ⁇ 1 and ⁇ 2. The spray gun 50 is scanned at a constant speed by a known method such as a robot arm. Thermal spraying ends when the thickness of the first ceramic layer 33a reaches a predetermined value. A plurality of flat pores 34a inclined at an inclination angle ⁇ 1 and an inclination direction ⁇ 2 are formed inside the first ceramic layer 33a formed by thermal spraying.
  • the second ceramic layer 33b is formed on the surface of the first ceramic layer 33a, which is the thermal spraying surface, as shown in FIG. 7, the second angle is ⁇ 1 and the second direction is ⁇ 3.
  • the spray gun 50 is set.
  • spray particles are sprayed from the spray gun 50 onto the first ceramic layer 33a while scanning the spray gun 50 along the scanning direction 51b.
  • the spray gun 50 is scanned while maintaining ⁇ 1 and ⁇ 3.
  • Thermal spraying ends when the thickness of the second ceramic layer 33b reaches a predetermined value.
  • a plurality of flat pores 34b inclined at an inclination angle ⁇ 1 and an inclination direction ⁇ 3 are formed inside the second ceramic layer 33b formed by thermal spraying.
  • the formation of the third ceramic layer 33c by thermal spraying is performed in the same manner as the first ceramic layer 33a, and the formation of the fourth ceramic layer 33d by thermal spraying performed thereafter is performed by the second ceramic layer 33b. Do the same.
  • the thermal barrier layer 33 composed of the four ceramic layers 33a, 33b, 33c, and 33d is formed by thermal spraying.
  • the heat shield layer 33 contains pores 34 that are inclined at different inclination angles and inclination directions in the respective ceramic layers.
  • film characteristics of the heat shield layer 33 such as porosity may be deteriorated, it is preferable that the heat shield layer 33 obtained by thermal spraying is not subjected to heat treatment for densification by sintering or the like.
  • the pores 34 are formed in the process in which the spray particles are deposited on the sprayed surface.
  • the inclination angle and direction of the pores 34 are determined by the projection angle and direction of the spray particles. For example, when the sprayed particles are projected from the spray gun 50 with the first angle ⁇ 1 and the first direction ⁇ 2, the first angle of the pores 34 formed inside the heat shield layer 33 is ⁇ 1 and the first angle.
  • the direction of is ⁇ 2.
  • ⁇ 1 of the spray gun 50 at the time of spraying is 0 degree or more and less than 20 degrees
  • the spray angle of the sprayed particles with respect to the spraying surface is very small, and the porosity of the formed heat shield layer 33 is greatly increased.
  • the porosity of the heat shield layer 33 increases, the strength of the heat shield layer 33 decreases.
  • the shape of the spray particles affects the shape of the pores 34.
  • the thermal barrier layer including pores having different inclination angles and inclination directions can be formed in each adjacent ceramic layer. it can.
  • Such a thermal barrier layer has a peel resistance equivalent to that of a thermal barrier layer formed by thermal spraying at a high angle as in the prior art. Therefore, even if it is a heat insulation layer formed in the narrow part difficult to project at a high angle, the heat insulation coating member provided with this heat insulation layer has high durability. Furthermore, since it is possible to form a heat-shielding layer having high durability even in a narrow portion that has been difficult in the past, it is excellent in manufacturability.
  • Example 2 (Comparative Example 2)
  • Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were evaluated for peel resistance.
  • a heat cycle step of heating the heat shield layer to 1100 degrees and then cooling to room temperature was repeated 100 times.
  • FIG. 8 shows the evaluation results of peel resistance in Examples and Comparative Examples.
  • Example 1 even when the thermal cycle process was repeated 100 times, the thermal barrier layer did not peel off. As shown in the evaluation result of Comparative Example 2, this was equivalent to the conventional peel resistance of the thermal barrier layer obtained by thermal spraying at right angles to the substrate. On the other hand, in Comparative Example 1, when the heat cycle step was repeated 15 times, the heat shielding layer was peeled off. From these results, it was possible to form a heat shield layer having excellent durability in the long term even in a narrow portion where spraying cannot be performed under favorable conditions.
  • a thermal barrier coating member and an axial turbine that maintain the durability of the thermal barrier layer formed on the surface of the high temperature member and are excellent in the thermal barrier property of the high temperature member And a method of manufacturing a thermal barrier coating member.
  • SYMBOLS 1 Axial turbine, 2 ... Outer casing, 2a ... Exhaust pipe, 3, 3a, 3b, 3c ... Inner casing, 3d ... Annular wall, 4 ... Stator blade, 4a ... Inner side wall, 4b ... Outer side wall, 5 ... blades, 5a ... blade effective part, 5b ... platform part, 5c ... shank part, 5d ... implantation part, 6 ... exhaust chamber, 7 ... turbine rotor, 7a ... rotor disk, 8 ... shroud segment, 9 ... seal part DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Exhaust part, 11 ... Ring passage, 12 ... Transition piece, 13 ...
  • Combustor 30 ... Thermal barrier coating member, 31 ... Base material, 32 ... Bonding layer, 33 ... Thermal barrier layer, 33a ... 1st ceramics Layer, 33b, second ceramic layer, 33c, third ceramic layer, 33d, fourth ceramic layer, 34, 34a, 34b, 34c, 34d, flat pores, 5 ... pore, 50 ... spray gun, 51a, 51b ... scanning direction.

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Abstract

実施の形態の遮熱コーティング部材は、基材と、前記基材の表面に形成される結合層と、前記結合層の表面に形成される遮熱層とを有する。前記遮熱層は、前記基材の表面に対して第１の角度で傾斜すると共に第１の方向に沿って延びる複数の扁平状の気孔を含有する第１のセラミックス層、および前記第１のセラミックス層の表面に形成され、前記基材の表面に対して第２の角度で傾斜すると共に第２の方向に沿って延び、前記第１の角度と前記第２の角度、および前記第１の方向と前記第２の方向の少なくとも一方が異なる、複数の扁平状の気孔を含有する第２のセラミックス層の少なくとも２層を備え、前記基材の表面に対して傾斜する複数の扁平状の気孔を含有する複数のセラミックス層から構成される。

Description

遮熱コーティング部材、軸流タービン、および遮熱コーティング部材の製造方法
　本発明の実施の形態は、遮熱コーティング部材、軸流タービン、および遮熱コーティング部材の製造方法に関する。
　発電プラントなどに用いられているガスタービンなどの軸流タービンでは、作動流体が動翼を回転させて、動力が回転力として取り出される。発電プラントの発電効率を向上させる目的として、例えば、軸流タービンの作動流体を高温化することが試みられている。
　軸流タービンの稼働時には、動翼や静翼などの高温部材が作動流体に曝されている。そして、作動流体の高温化と共に、作動流体に曝されている高温部材の温度も上昇する。高温部材を熱的に保護するために、高温部材の表面には、金属よりも熱伝導率の低いセラミックスからなる遮熱層がコーティングされている。
　遮熱層は、例えば溶射によって高温部材上に形成される。溶射とは、粒子（以下、溶射粒子ともいう）を溶融させながら高温部材の表面に投射することによって層を形成する方法である。溶射では、一般的に、高温部材の表面に対する溶射粒子の投射角度が小さくなるにつれて、高温部材の表面に形成される遮熱層の耐久性は低くなる。そして、遮熱層は高温部材から剥離することがある。そのため、溶射時には、高温部材の表面に対してできるだけ高角度で溶射粒子を投射して、遮熱層の耐久性を高めている。
　ところで、近年、天然ガスなどの燃料を酸素で燃焼させて発生する燃焼ガスおよび二酸化炭素などから構成される作動流体によって駆動するガスタービン（以下、ＣＯ２タービンともいう）が開発されている。ＣＯ２タービンを駆動させた作動流体に含まれる二酸化炭素の一部は抽気によって容易に回収され、回収されなかった二酸化炭素は燃焼器へ循環される。このように、ＣＯ２タービンは、発電と二酸化炭素の回収とを同時に行うことができ、さらには稼働時に窒素酸化物を排出しない。そのため、ＣＯ２タービンは、地球環境保護の観点から注目されている。
　また、ＣＯ２タービンの稼働時には、タービン内の二酸化炭素は超臨界状態である。ＣＯ２タービンの作動流体は高温高圧になるので、ＣＯ２タービンの発電効率は向上する。その一方で、ＣＯ２タービンを構成する高温部材は、高温の作動流体に曝される。また、タービン内を高圧にするために、作動流体の外部への漏洩を抑制するためのシール構造体がＣＯ２タービンに設けられている。
特開２０１１－１９５９４５号公報
　上記のように、ＣＯ２タービンは高圧状態を達成するためにシール構造体のような複雑な構造を備えることから、ＣＯ２タービンには狭隘な部分が多く存在する。狭隘な部分を多く有するＣＯ２タービンでは、溶射時に、溶射粒子を高角度で投射することが困難なことがある。溶射粒子を低角で投射させて遮熱層を形成した場合、この遮熱層の耐久性は低下する。そして、耐久性の低下した遮熱層が剥離すると、ＣＯ２タービンを構成する高温部材の遮熱性が低下し、高温部材に亀裂が入ることがある。
　さらに、最近では、既存の軸流タービンについても、発電効率を上げるために、シール構造などの複雑な構造を導入することが試みられている。このように、既存の軸流タービンについても狭隘な部分を有するので、狭隘な部分に形成された遮熱層について、耐久性の問題がある。
　本発明が解決しようとする課題は、狭隘な部分であっても、高温部材の表面に形成される遮熱層の耐久性を維持し、高温部材の遮熱性に優れた遮熱コーティング部材、軸流タービン、および遮熱コーティング部材の製造方法を提供することである。
　実施の形態の遮熱コーティング部材は、基材と、前記基材の表面に形成される結合層と、前記結合層の表面に形成される遮熱層とを有する。前記遮熱層は、前記基材の表面に対して第１の角度で傾斜すると共に第１の方向に沿って延びる複数の扁平状の気孔を含有する第１のセラミックス層、および前記第１のセラミックス層の表面に形成され、前記基材の表面に対して第２の角度で傾斜すると共に第２の方向に沿って延び、前記第１の角度と前記第２の角度、および前記第１の方向と前記第２の方向の少なくとも一方が異なる、複数の扁平状の気孔を含有する第２のセラミックス層の少なくとも２層を備え、前記基材の表面に対して傾斜する複数の扁平状の気孔を含有する複数のセラミックス層から構成される。
　狭隘な部分であっても、高温部材の表面に形成される遮熱層の耐久性を維持し、高温部材の遮熱性に優れた遮熱コーティング部材、軸流タービン、および遮熱コーティング部材の製造方法を提供することができる。
実施の形態の遮熱コーティング部材を備える軸流タービンの一部断面を示す概略図である。 実施の形態の遮熱コーティング部材を備える軸流タービンの動翼を示す斜視図である。 実施の形態の遮熱コーティング部材を模式的に示す断面図である。 実施の形態の遮熱コーティング部材を構成する遮熱層に含まれる扁平状の気孔の傾斜角度および傾斜方向を説明する概略図である。 実施の形態の遮熱コーティング部材を構成する遮熱層に含まれる扁平状の気孔の傾斜角度および傾斜方向を説明する概略図である。 実施の形態の遮熱コーティング部材の製造方法を示す概略図である。 実施の形態の遮熱コーティング部材の製造方法を示す概略図である。 実施例および比較例における耐剥離性の評価結果である。
　以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
　図１は、実施の形態の遮熱コーティング部材を備える軸流タービン１の一部断面を示す概略図である。ここでは、軸流タービン１がＣＯ２タービンである一例を示すが、軸流タービン１は、天然ガスなどの各種燃料の燃焼によって生じたガスを作動流体として用いる従来のガスタービンでもよい。なお、ＣＯ２タービンにおいては、燃焼器１３で生成した二酸化炭素の一部を超臨界流体に昇圧して作動流体の系統に循環させている。
　図１に示すように、軸流タービン１は、外部ケーシング２と、この外部ケーシング２の内部に設けられた内部ケーシング３とから構成される二重構造のケーシングを備える。内部ケーシング３は、例えば、静翼４および動翼５を備えるタービン段落を包囲する内部ケーシング３ａ，３ｂと、最終段のタービン段落を通過した作動流体が流入する排気室６の一部を構成する内部ケーシング３ｃとを備える。
　下流側における外部ケーシング２の下半側には、作動流体を排出するために、下方に延設された管状の排気管２ａが設けられる。
　内部ケーシング３内には、タービンロータ７が貫設されている。タービンロータ７には、半径方向外側に周方向に亘って突出され、タービンロータ軸方向（以下、単に軸方向ともいう）に設けられる複数のロータディスク７ａが形成されている。ロータディスク７ａには、複数の動翼５が周方向に植設され、動翼翼列を構成している。動翼翼列は、軸方向に複数段構成されている。このタービンロータ７は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。
　動翼５の外周は、シュラウドセグメント８で包囲されている。シュラウドセグメント８は、作動流体から内部ケーシング３への入熱を防止すると共に、動翼５の先端との隙間を調整し、適正な隙間を維持するためのものである。
　図２は、実施の形態の遮熱コーティング部材を備える軸流タービン１の動翼５を示す斜視図である。動翼５は、翼有効部５ａ、プラットフォーム部５ｂ、シャンク部５ｃ、植込部５ｄから構成されている。
　また、内部ケーシング３ａ、３ｂの内側には、周方向に亘って複数の静翼４が設置され、静翼翼列を構成している。静翼４の内周には、インナーサイドウォール４ａが設けられる。静翼翼列は、軸方向に動翼翼列と交互に複数段備えられている。そして、静翼翼列と、静翼翼列の直下流側に位置する動翼翼列とで、一つのタービン段落を構成している。
　内部ケーシング３ｂの外周面には、例えば、周方向に亘って半径方向外側に突出する環状壁３ｄが設けられている。この環状壁３ｄの外周面は、例えば、外部ケーシング２の内周に接している。また、タービンロータ７と外部ケーシング２との間、およびタービンロータ７と内部ケーシング３ａとの間には、作動流体の外部への漏洩を防止するために、シール部９が設けられている。
　最終段のタービン段落の下流側には、排気室６が設けられている。排気室６は、タービン段落を通過した作動流体が流れる環状の内部ケーシング３ｃと、内部ケーシング３ｃの下半側に設けられた排気部１０とを備える。
　環状通路１１は、タービンロータ７の周囲に形成される。また、環状通路１１は、タービン段落を通過した作動流体を排気部１０に導く。
　排気部１０は、外部ケーシング２の排気管２ａの内部に、排気管２ａに沿って下方に延設されている。排気部１０を通過した作動流体は、排気管２ａを介して、外部ケーシング２の外部に排出される。
　また、軸流タービン１には、燃焼器１３から流入する作動流体を初段のタービン段落に排出するトランジションピース１２を備える。トランジションピース１２からタービン段落に排出した作動流体は、膨張仕事をしながら内部ケーシング３ａ、３ｂ内を流動し、最終段のタービン段落を通過する。
　軸流タービン１において、実施の形態の遮熱コーティング部材は、静翼４、インナーサイドウォール４ａ、動翼５、プラットフォーム部５ｂ、シュラウドセグメント８、トランジションピース１２などの高温部材の一部や全てに適用することができる。そして、これらの遮熱コーティング部材を構成する基材の表面の少なくとも一部に、遮熱層が形成されている。例えば、実施の形態の遮熱コーティング部材が静翼４、インナーサイドウォール４ａ、動翼５、プラットフォーム部５ｂに適用される場合、遮熱コーティング部材を構成する基材の外側の表面に、遮熱層が形成される。また、遮熱コーティング部材がシュラウドセグメント８、トランジションピース１２に適用される場合、遮熱コーティング部材を構成する基材の内側の表面に、遮熱層が形成される。
　また、軸流タービン１が従来のガスタービンの場合にも、実施の形態の遮熱コーティング部材は上記したような高温部材に適用することができる。
　次に、実施の形態の遮熱コーティング部材について詳しく説明する。
　図３は、実施の形態の遮熱コーティング部材３０を模式的に示す断面図である。図３に示すように、遮熱コーティング部材３０は、基材３１と、基材３１の表面に形成される結合層３２と、結合層３２の表面に形成される遮熱層３３とを有する。
　基材３１を構成する材料は、特には限定されるものではなく、軸流タービン１の稼働時に、遮熱コーティング部材３０を構成する基材として、軸流タービン１の運転状態に対して十分な機械的強度や耐環境性を有していることが好ましい。基材３１は、例えば、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、Ｆｅ基合金などから構成される。
　基材３１と遮熱層３３との間に設けられる結合層３２は、基材３１および遮熱層３３の密着性を向上すると共に、高温の作動流体に対する基材３１の耐高温腐食性や耐酸化性を改善する。結合層３２は、クロムまたはアルミニウムの濃度の高い金属材料からなることが好ましく、高温での耐食性および耐酸化性に優れるＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、ＮｉおよびＣｏから選ばれる少なくとも一方の元素である）からなることがより好ましい。
　結合層３２の厚さは、０．０５ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下であることが好ましく、０．１０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であることがより好ましい。結合層３２の厚さが上記範囲内であると、基材３１および遮熱層３３の密着性が向上するとともに耐高温腐食性や耐酸化性を付与することができる。
　結合層３２を介して基材３１の表面に形成される遮熱層３３は、第１のセラミックス層３３ａと第１のセラミックス層３３ａの表面に形成される第２のセラミックス層３３ｂとの少なくとも２層を備え、基材３１の表面に対して所定の傾斜角度および所定の傾斜方向で傾斜する複数の扁平状の気孔３４（以下、単に気孔ともいう）を含有する複数のセラミックス層から構成される。遮熱層３３は、遮熱コーティング部材３０の遮熱性を向上する。
　また、遮熱層３３は、第１のセラミックス層３３ａおよび第２のセラミックス層３３ｂの少なくとも２層を備えればよい。例えば図３に示すように、遮熱層３３は、第１のセラミックス層３３ａ、第２のセラミックス層３３ｂ、第３のセラミックス層３３ｃ、第４のセラミックス層３３ｄの４つのセラミックス層を備えてもよい。
　ここで、図４および図５は、実施の形態の遮熱コーティング部材を構成する遮熱層３３に含まれる扁平状の気孔３４の傾斜角度および傾斜方向を説明する概略図である。なお、ここでは遮熱層３３が溶射によって形成される一例を示すが、遮熱層３３の形成方法はこれに限られるものではない。図４は、第１のセラミックス層３３ａおよび第３のセラミックス層３３ｃにおける気孔の傾斜角度および傾斜方向を示す図であり、図５は、第２のセラミックス層３３ｂおよび第４のセラミックス層３３ｄにおける気孔の傾斜角度および傾斜方向を示す図である。
　図４では、基材３１の表面に対してθ１の角度およびｘ軸に対してθ２の方向から溶射粒子を投射している。すなわち、傾斜角度は、θ１であり、傾斜方向は、ｘ軸に平行であり基材３１に垂直な特定の面（以下、基準面ともいう）に対してθ２の方向である。また、図５では、基材３１の表面に対してθ１の角度およびｘ軸に対してθ３の方向から溶射粒子を投射している。すなわち、傾斜角度は、θ１であり、傾斜方向は、基準面に対してθ３の方向である。
　図３に示すように、結合層３２の表面に形成される第１のセラミックス層３３ａは、基材３１の表面に対して第１の角度で傾斜すると共に第１の方向に沿って延びる複数の扁平状の気孔３４ａ（以下、単に気孔ともいう）を含有する。ここでは、図４に示すように、第１のセラミックス層３３ａの内部に形成される気孔３４ａにおける第１の角度はθ１であり、第１の方向はθ２の方向である。換言すると、気孔３４ａの長手方向は、基材３１の表面に対してθ１の角度で傾斜し、基準面に対してθ２の方向に沿って延びる。すなわち、気孔３４ａの傾斜角度は、基材３１の表面に対してθ１である。
　ここで、扁平状の気孔３４の長手方向とは、気孔３４を貫通する直線において、貫通部分の長さの合計が最長になる直線に対して平行な方向である。なお、気孔３４を貫通するとは、気孔３４を部分的に貫通してもよいし、完全に貫通してもよい。
　図３に示すように、第１のセラミックス層３３ａの表面に形成される第２のセラミックス層３３ｂは、基材３１の表面に対して第２の角度で傾斜すると共に第２の方向に沿って延びる複数の扁平状の気孔３４ｂ（以下、単に気孔ともいう）を含有する。そして、気孔３４ａにおける第１の角度と気孔３４ｂにおける第２の角度、および気孔３４ａにおける第１の方向と気孔３４ｂにおける第２の方向の少なくとも一方が異なる。ここでは、図５に示すように、第２のセラミックス層３３ｂの内部に形成される気孔３４ｂにおける第２の角度はθ１であり、第２の方向はθ３の方向である。すなわち、気孔３４ｂの長手方向は、基材３１の表面に対してθ１の角度で傾斜し、基準面に対してθ３の方向に沿って延びる。また、気孔３４ｂの傾斜角度は、基材３１の表面に対してθ１である。
　図３に示すように、第２のセラミックス層３３ｂの表面に形成される第３のセラミックス層３３ｃは、基材３１の表面に対して第３の角度で傾斜すると共に第３の方向に沿って延びる複数の扁平状の気孔３４ｃ（以下、単に気孔ともいう）を含有する。そして、気孔３４ｂにおける第２の角度と気孔３４ｃにおける第３の角度、および気孔３４ｂにおける第２の方向と気孔３４ｃにおける第３の方向の少なくとも一方が異なる。ここでは、図４に示すように、気孔３４ｃにおける第３の角度はθ１であり、第３の方向はθ２の方向である。
　図３に示すように、第３のセラミックス層３３ｃの表面に形成される第４のセラミックス層３３ｄは、基材３１の表面に対して第４の角度で傾斜すると共に第４の方向に沿って延びる複数の扁平状の気孔３４ｄ（以下、単に気孔ともいう）を含有する。そして、気孔３４ｃにおける第３の角度と気孔３４ｄにおける第４の角度、および気孔３４ｃにおける第３の方向と気孔３４ｄにおける第４の方向の少なくとも一方が異なる。ここでは、図５に示すように、気孔３４ｄにおける第４の角度はθ１であり、第４の方向はθ３の方向である。
　なお、遮熱層３３を構成する各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄに含まれる気孔３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄは、それぞれ独立に、基材３１の表面に対して２０度以上９０度未満で傾斜していれば、上記した傾斜角度の構成に限られるものではない。すなわち、気孔３４ａにおける第１の角度、気孔３４ｂにおける第２の角度、気孔３４ｃにおける第３の角度、気孔３４ｄにおける第４の角度は、それぞれ独立に、２０度以上９０度未満である。
　第１の角度、第２の角度、第３の角度、第４の角度が上記範囲内であると、遮熱層３３を構成する各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの耐剥離性が優れており、結合層３２に対する遮熱層３３の剥離強度が向上する。なお、第１の角度、第２の角度、第３の角度、第４の角度は２０度以上であればよく、第１の角度、第２の角度、第３の角度、第４の角度が増加するにつれて、遮熱層３３の剥離強度は増加する。一方、第１の角度、第２の角度、第３の角度、第４の角度が０度以上２０度未満であると、各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの成膜が困難になると共に、各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの耐剥離性が著しく低下する。
　なお、気孔３４ａにおける第１の方向、気孔３４ｂにおける第２の方向、気孔３４ｃにおける第３の方向、気孔３４ｄにおける第４の方向は、特には限定されるものではない。さらに、これらの方向は、全て同じであってもよいし、一部同じであってもよいし、全て異なってもよい。
　また、隣り合う各セラミックス層における気孔について、気孔の傾斜角度や傾斜方向の差が大きくなるにつれて、各セラミックス層の耐剥離性は増加する。
　なお、図３に示すように、遮熱層３３を構成する各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄは、扁平状の気孔３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄに加えて、球状の気孔３５（以下、気孔ともいう）も含有する。ただし、気孔３５の存在比は、扁平状の気孔３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄに比べて非常に少なく、気孔３５と扁平状の気孔３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄとは、構造的に明確に異なる。具体的には、気孔３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄの形状は極端に扁平した楕円体に近く、扁平した気孔の長手方向の長さと長手方向に垂直な方向の長さとの比を扁平率とした場合、気孔３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄの扁平率が５以上３００以下であるのに対して、気孔３５の形状は球形に近く、気孔３５の扁平率が１以上５未満である。以下では、明記しない限り、扁平状の気孔３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄと気孔３５とは区別する。
　扁平状の気孔３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄの長手方向の長さは、５０μｍ以上３００μｍ以下である。また、気孔３５の直径は、５μｍ以上３０μｍ以下である。
　遮熱層３３は、５％以上３０％以下の気孔率を有することが好ましい。ここで、遮熱層３３の気孔率とは、扁平状の気孔３４および気孔３５に関する遮熱層３３の気孔率である。遮熱層３３の気孔率が５％よりも小さいと、遮熱層３３の熱伝導率が増加して、遮熱コーティング部材３０の遮熱性が低下することがある。また、遮熱層３３の気孔率が３０％よりも大きいと、遮熱層３３自体の強度が低下するので、遮熱コーティング部材３０の信頼性が減少することがある。
　遮熱層３３の気孔率は、遮熱層３３の断面をＳＥＭなどの顕微鏡によって観察し、顕微鏡写真に現れた気孔の面積から求めることができる。
　遮熱層３３を構成する各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄは、それぞれ独立に、ジルコニア、アルミナ、イットリア、またはマグネシアから構成される。その中でも、遮熱層３３の低熱伝導率の観点から、各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄは、ジルコニアから構成されることが好ましい。遮熱層３３の熱伝導率が基材３１の熱伝導率よりも低くなるように、各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄを構成する材料は、基材３１を構成する材料の種類に応じて適宜選択される。
　例えば基材３１がＮｉ基合金から構成される場合、室温におけるＮｉ基合金の熱伝導率は一般的に１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。そして、室温の熱伝導率が５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であるジルコニアから各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄが構成されると、遮熱層３３の熱伝導率は基材３１の熱伝導率よりも確実に小さくなる。その結果、遮熱コーティング部材３０は優れた遮熱性を有する。
　また、各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄは、それぞれ独立に、マグネシア、カルシア、およびイットリアからなる群より選ばれる少なくとも１つの安定化材を含むことが好ましく、上記群より選ばれる少なくとも１つの安定化材を含むジルコニアから構成されることがより好ましい。各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄが上記安定化材を含むと、高温における結晶相の相変態に伴う各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの割れが抑制される。特に、遮熱層３３の最表面層である第４のセラミックス層３３ｄに上記安定化材が含まれると、割れの抑制効果はより向上する。
　さらに、各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄは、それぞれ独立に、ハフニア、セリア、およびジスプロシアからなる群より選ばれる少なくとも１つの希土類元素を含むことが好ましく、上記群より選ばれる少なくとも１つの希土類元素を含むジルコニアから構成されることがより好ましい。ここで、軸流タービン１の稼働時には、遮熱コーティング部材３０における遮熱層３３の最表面の温度が高くなる。そして、高温になった遮熱層３３が焼結されると、遮熱層３３の組織及び体積が変化することによって、遮熱層３３の熱伝導率の増加や遮熱層３３の剥離などの影響が大きくなることがある。そのため、各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄが難焼結性の元素である上記希土類元素を含むと、各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの焼結性が抑制されるので、遮熱層３３の熱伝導率の増加が抑制されると共に、遮熱層３３の耐剥離性が向上する。特に、遮熱層３３の最表面層である第４のセラミックス層３３ｄに上記難焼結性の元素が含まれると、焼結性の抑制効果はより向上する。さらに、耐焼結性は、各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄを構成する材料中に、シリカなどの比較的低融点の材料を含まない、高純度の材料を用いる事でも向上させる事が出来、高温下での信頼性を向上させることができる。
　なお、各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄが上記希土類元素に加えて上記安定化材も含むと、熱伝導率および耐剥離性の効果に加えて割れ抑制の効果も有することができる。
　遮熱層３３の厚さは、軸流タービン１内の作動流体や冷却ガスの温度に応じて適宜選択され、例えば０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。遮熱層３３の厚さが０．１ｍｍ以上であると、遮熱コーティング部材３０の遮熱性が優れている。また、遮熱層３３の厚さが１．０ｍｍ以下であると、結合層３２からの遮熱層３３の剥離が抑制される。なお、遮熱層３３を構成する各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの厚さについては、全て同じでもよいし、一部同じでもよいし、全て異なってもよい。
　次に、基材３１の表面に対して傾斜している複数の扁平状の気孔３４を有する遮熱層３３が優れた耐剥離性を有する理由について説明する。
　図３に示すように、隣り合う各セラミックス層において、気孔３４の傾斜角度や傾斜方向が異なると、遮熱層３３の機械特性などの物性が等方的になる傾向がある。等方的な物性を有する遮熱層３３では、耐剥離性が向上する。
　一方、各セラミックス層における気孔３４の傾斜角度および傾斜方向が同じであると、遮熱層３３の物性が異方的になる。機械特性の異方的な遮熱層３３については、基材３１と遮熱層３３との間の熱膨張差が大きくなり、遮熱層３３が剥離することがある。このように、遮熱層３３の内部に形成された気孔３４が一様な方向に傾斜する場合、遮熱層３３の耐剥離性は、特に遮熱層の端部で大きく低下する。さらには、遮熱層３３が一様な方向に傾斜する気孔３４を有すると、気孔３４は遮熱層３３の内部で欠陥として作用することがある。
　次に、実施の形態の遮熱コーティング部材の製造方法について説明する。
　遮熱コーティング部材の製造方法は、基材３１の表面に結合層３２を形成する結合層形成工程（以下、１次工程ともいう）と、１次工程で形成された結合層３２の表面に遮熱層３３を形成する遮熱層形成工程（以下、２次工程ともいう）とを有する。
　まず、１次工程について説明する。
　１次工程では、基材３１の表面に結合層３２を形成する。結合層３２は、溶射法、電子ビーム蒸着法等により、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、ＮｉおよびＣｏから選ばれる少なくとも一方の元素である）等の金属層構成材の粒子、クラスター、または分子を一様な被膜状に被着させることで形成させることができる。なお、１次工程では、表面に結合層３２を備える基材３１を購入してもよい。
　次に、２次工程について説明する。
　２次工程では、結合層３２の表面に、気孔３４を有する遮熱層３３を形成する。ここでは、図３に示すように、遮熱層３３は４つのセラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄから構成される。遮熱層３３は、溶射法、電子ビーム蒸着法等の既知の方法によって結合層３２上に形成される。
　図６および図７は、実施の形態の遮熱コーティング部材の製造方法を示す概略図である。ここでは、静翼４およびアウターサイドウォール４ｂによって囲まれているインナーサイドウォール４ａに遮熱層３３を形成する一例を示す。また、ここでは、溶射によって遮熱層３３を形成する一例について説明する。なお、図６は、第１のセラミックス層３３ａおよび第３のセラミックス層３３ｃを形成する概略図であり、図７は、第２のセラミックス層３３ｂおよび第４のセラミックス層３３ｄを形成する概略図である。
　図６および図７に示すように、インナーサイドウォール４ａの表面に設けられた結合層３２などの溶射施工面は、アウターサイドウォール４ｂと対向している。このような狭隘な部分の溶射施工面上に遮熱層３３を溶射によって形成するとき、溶射ガン５０を基材３１に対して垂直に設置して溶射することは困難である。そのため、溶射ガン５０を基材３１に対して所定の角度だけ傾斜して溶射する。
　溶射施工面である結合層３２の表面に第１のセラミックス層３３ａを形成するとき、図６に示すように、第１の角度がθ１および第１の方向がθ２になるように、溶射ガン５０を設定する。そして、溶射ガン５０を走査方向５１ａに沿って走査しながら、溶射ガン５０から結合層３２に溶射粒子を吹き付ける。このとき、θ１およびθ２を維持しながら、溶射ガン５０を走査する。溶射ガン５０は、例えばロボットアームなどの既知の方法によって、一定の速度で走査される。第１のセラミックス層３３ａの厚さが所定値になったとき、溶射は終了する。溶射によって形成された第１のセラミックス層３３ａの内部には、傾斜角度θ１および傾斜方向θ２で傾斜している複数の扁平状の気孔３４ａが形成される。
　続いて、溶射施工面である第１のセラミックス層３３ａの表面に第２のセラミックス層３３ｂを形成するとき、図７に示すように、第２の角度がθ１および第２の方向がθ３になるように、溶射ガン５０を設定する。そして、溶射ガン５０を走査方向５１ｂに沿って走査しながら、溶射ガン５０から第１のセラミックス層３３ａに溶射粒子を吹き付ける。このとき、θ１およびθ３を維持しながら、溶射ガン５０を走査する。第２のセラミックス層３３ｂの厚さが所定値になったとき、溶射は終了する。溶射によって形成された第２のセラミックス層３３ｂの内部には、傾斜角度θ１および傾斜方向θ３で傾斜している複数の扁平状の気孔３４ｂが形成される。
　続いて、溶射による第３のセラミックス層３３ｃの形成は、上記第１のセラミックス層３３ａと同様に行い、その後に実施する溶射による第４のセラミックス層３３ｄの形成は、上記第２のセラミックス層３３ｂと同様に行う。
　こうして、４つのセラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄからなる遮熱層３３が溶射によって形成される。遮熱層３３は、各セラミックス層内で異なる傾斜角度や傾斜方向で傾斜している気孔３４を含有する。また、気孔率など遮熱層３３の膜特性が劣化することがあるため、溶射によって得られた遮熱層３３には、焼結などで緻密化を目的とした熱処理を行わないことが好ましい。
　気孔３４は、溶射粒子が溶射施工面上に堆積していく過程で形成される。気孔３４の傾斜角度や傾斜方向は、溶射粒子の投射角度や投射方向によって決まる。例えば、溶射ガン５０から第１の角度がθ１および第１の方向がθ２で溶射粒子が投射されると、遮熱層３３の内部に形成される気孔３４の第１の角度はθ１および第１の方向はθ２になる。このように、溶射ガン５０からの溶射粒子の投射角度や投射方向、溶射ガン５０の走査速度や走査回数を適宜変えることによって、気孔３４の長手方向の長さ、傾斜方向、傾斜角度を調整することができる。
　なお、遮熱層３３内の気孔３４の傾斜角度および傾斜方向が同じになるように溶射を行うと、溶射ガン５０から投射された溶射粒子の一部が、溶射施工面の端部で跳ね返ることがある。そして、このような溶射によって形成される遮熱層３３の端部には欠陥が集中するため、遮熱層３３の耐剥離性が低下する。
　また、溶射時における溶射ガン５０のθ１が０度以上２０度未満であると、溶射施工面に対する溶射粒子の投射角度が非常に小さく、形成される遮熱層３３の気孔率が大幅に増加することがある。遮熱層３３の気孔率が増加すると、遮熱層３３の強度が低下する。
　溶射粒子の形状は、気孔３４の形状に影響を与える。２次工程において、中空状の溶射粒子を溶射して、各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄを形成することが好ましい。溶融粒子が中空状であると、各セラミックス層３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの内部に形成される気孔３４の傾斜方向を容易に制御することができる。その一方、溶融粒子が造粒粉や溶融粉砕粉の場合、形成される気孔３４の傾斜方向の制御が容易ではない。
　上記したように、実施の形態の遮熱コーティング部材および遮熱コーティング部材の製造方法によれば、隣り合う各セラミックス層内で傾斜角度や傾斜方向の異なる気孔を含む遮熱層を形成することができる。このような遮熱層は、従来のような高角度で投射する溶射によって形成された遮熱層と同等の耐剥離性を有する。そのため、高角度で投射することの困難な狭隘部分に形成した遮熱層であっても、この遮熱層を備える遮熱コーティング部材は高い耐久性を有する。さらには、従来では困難であった狭隘部分においても、高い耐久性を有する遮熱層を形成できることから、製作性に優れている。
　以下、実施例を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されない。
　（実施例１）
　ＮｉＣｒＡｌＹ合金から構成される結合層を備え、Ｎｉ基合金から構成される基材を用意した。続いて、図６および図７に示すように、溶射を行って、イットリア安定化ジルコニアから構成される遮熱層を結合層上に形成した。溶射では、投射角度をθ１＝４５度および投射方向をθ２＝１３５度にして溶射粒子を投射した後、投射角度を維持しつつ投射方向を変え、投射角度をθ１＝４５度および投射方向をθ３＝４５度にして溶射粒子を投射する工程を繰り返し行って、厚さ０．４ｍｍの遮熱層を形成した。なお、遮熱層を構成する各セラミックス層の厚さは、約０．０２ｍｍであり、均一であった。
　（比較例１）
　実施例１において、投射角度をθ１＝４５度および投射方向をθ２＝１３５度にして溶射粒子を投射した以外は、実施例１と同じ方法で遮熱層を形成した。すなわち、溶射粒子の投射角度および投射方向を固定し、投射角度を基材に対して傾斜させて溶射した。
　（比較例２）
　実施例１において、投射角度をθ１＝９０度および投射方向をθ２＝９０度にして溶射粒子を投射した以外は、実施例１と同じ方法で遮熱層を形成した。すなわち、溶射粒子の投射角度および投射方向を固定し、投射角度を基材に対して傾斜させずに溶射した。
　実施例１および比較例１～２で形成した遮熱層について、耐剥離性の評価を行った。耐剥離性の評価では、遮熱層を１１００度に加熱した後に室温まで冷却する熱サイクル工程を１００回繰り返した。図８は、実施例および比較例における耐剥離性の評価結果である。
　実施例１では、熱サイクル工程を１００回繰り返しても、遮熱層の剥離は起こらなかった。これは、比較例２の評価結果に示すように、従来のような、基板に対して直角に溶射して得られた遮熱層の耐剥離性と同等であった。一方で、比較例１では、熱サイクル工程を１５回繰り返したところで、遮熱層の剥離が起こった。これらの結果から、良好な条件で溶射を実施できないような狭隘な部分であっても、長期的に耐久性に優れた遮熱層を形成することができた。
　以上、実施例によれば、狭隘な部分であっても、高温部材の表面に形成される遮熱層の耐久性を維持し、高温部材の遮熱性に優れた遮熱コーティング部材、軸流タービン、および遮熱コーティング部材の製造方法を提供することができる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　１…軸流タービン、２…外部ケーシング、２ａ…排気管、３，３ａ，３ｂ，３ｃ…内部ケーシング、３ｄ…環状壁、４…静翼、４ａ…インナーサイドウォール、４ｂ…アウターサイドウォール、５…動翼、５ａ…翼有効部、５ｂ…プラットフォーム部、５ｃ…シャンク部、５ｄ…植込部、６…排気室、７…タービンロータ、７ａ…ロータディスク、８…シュラウドセグメント、９…シール部、１０…排気部、１１…環状通路、１２…トランジションピース、１３…燃焼器、３０…遮熱コーティング部材、３１…基材、３２…結合層、３３…遮熱層、３３ａ…第１のセラミックス層、３３ｂ…第２のセラミックス層、３３ｃ…第３のセラミックス層、３３ｄ…第４のセラミックス層、３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ…扁平状の気孔、３５…気孔、５０…溶射ガン、５１ａ，５１ｂ…走査方向。

Claims (10)

  1. 　基材と、
    　前記基材の表面に形成される結合層と、
    　前記結合層の表面に形成され、
    　　前記基材の表面に対して第１の角度で傾斜すると共に第１の方向に沿って延びる複数の扁平状の気孔を含有する第１のセラミックス層、および
    　　前記第１のセラミックス層の表面に形成され、前記基材の表面に対して第２の角度で傾斜すると共に第２の方向に沿って延び、前記第１の角度と前記第２の角度、および前記第１の方向と前記第２の方向の少なくとも一方が異なる、複数の扁平状の気孔を含有する第２のセラミックス層
    の少なくとも２層を備え、前記基材の表面に対して傾斜する複数の扁平状の気孔を含有する複数のセラミックス層から構成される遮熱層と
    を有することを特徴とする遮熱コーティング部材。
  2. 　前記第１の角度および前記第２の角度は、それぞれ独立に、２０度以上９０度未満であることを特徴とする請求項１に記載の遮熱コーティング部材。
  3. 　前記遮熱層は、５％以上３０％以下の気孔率を有することを特徴とする請求項１または２に記載の遮熱コーティング部材。
  4. 　前記扁平状の気孔の扁平率は、５以上３００以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の遮熱コーティング部材。
  5. 　前記第１のセラミックス層および前記第２のセラミックス層は、それぞれ独立に、ジルコニア、アルミナ、イットリア、またはマグネシアから構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の遮熱コーティング部材。
  6. 　前記第１のセラミックス層および前記第２のセラミックス層は、それぞれ独立に、マグネシア、カルシア、およびイットリアからなる群より選ばれる少なくとも１つの安定化材を含むジルコニアであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の遮熱コーティング部材。
  7. 　前記第１のセラミックス層および前記第２のセラミックス層は、それぞれ独立に、ハフニア、セリア、およびジスプロシアからなる群より選ばれる少なくとも１つの希土類元素を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の遮熱コーティング部材。
  8. 　内部ケーシングと、
    　前記内部ケーシング内に設けられ、ロータディスクをタービンロータ軸方向に複数有するタービンロータと、
    　翼有効部、プラットフォーム部、シャンク部、植込部から構成され、前記ロータディスクに周方向に植設される複数の動翼と、
    　前記動翼の外周を包囲するシュラウドセグメントと、
    　前記内部ケーシング内に設けられ、周方向に亘って設けられる複数の静翼と、
    　前記静翼の内周に設けられるインナーサイドウォールと、
    　前記動翼および前記静翼の翼列で構成される複数のタービン段落のうち、初段のタービン段落に作動流体を排出するトランジションピースと、
    を備える軸流タービンであって、
    　前記プラットフォーム部、前記動翼、前記シュラウドセグメント、前記静翼、インナーサイドウォール、および前記トランジションピースからなる群より選ばれる少なくとも１つの部材が請求項１乃至７のいずれか１項に記載の遮熱コーティング部材であることを特徴とする軸流タービン。
  9. 　基材の表面に結合層を形成する結合層形成工程と、
    　形成された前記結合層の表面に、
    　　前記基材の表面に対して第１の角度で傾斜すると共に第１の方向に沿って延びる複数の扁平状の気孔を含有する第１のセラミックス層、および
    　　前記第１のセラミックス層の表面に形成され、前記基材の表面に対して第２の角度で傾斜すると共に第２の方向に沿って延び、前記第１の角度と前記第２の角度、および前記第１の方向と前記第２の方向の少なくとも一方が異なる、複数の扁平状の気孔を含有する第２のセラミックス層
    の少なくとも２層を備え、前記基材の表面に対して傾斜する複数の扁平状の気孔を含有する複数のセラミックス層から構成される遮熱層を形成する遮熱層形成工程と
    を有することを特徴とする遮熱コーティング部材の製造方法。
  10. 　前記遮熱層形成工程において、中空状の溶射粒子を溶射して、前記第１のセラミックス層および前記第２のセラミックス層を形成することを特徴とする請求項９に記載の遮熱コーティング部材の製造方法。
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