(57)【要約】      （修正有）【課題】気体と直接接触する環境下における耐ドレンエロージョン性及び耐ファウリング性に優れた回転機械用の部品を提供する。【解決手段】金属基材１の表面１ａ上に、耐エロージョン性に優れたＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＺｒＮの内の少なくとも１種以上からなる硬質皮膜２と、耐摩耗性に優れたふっ素含有ダイヤモンドライクカーボンからなるファウリング防止皮膜３とが積層されてなる。ファウリング防止皮膜３は、硬質皮膜２側からファウリング防止皮膜３の表面に向かうに従ってふっ素濃度が高くなるように、膜厚方向で濃度勾配が設けられ、表面におけるふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲である傾斜組成膜である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面上に、セラミックスからなる硬質皮膜と、ふっ素含有ダイヤモンドライクカーボン膜からなるファウリング防止膜とが積層されてなることを特徴とする回転機械用の部品。
【請求項２】
前記ファウリング防止皮膜は、ふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲で均一であることを特徴とする請求項１に記載の回転機械用の部品。
【請求項３】
前記硬質皮膜と前記ファウリング防止皮膜との間に、さらにダイヤモンドライクカーボンからなる中間硬質膜が形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転機械用の部品。
【請求項４】
前記基材と前記硬質皮膜との間に、さらに中間層が形成されてなることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の回転機械用の部品。
【請求項５】
前記ファウリング防止皮膜は、前記硬質皮膜側から当該ファウリング防止皮膜の表面に向かうに従ってふっ素濃度が高くなるように、膜厚方向で濃度勾配が設けられ、前記表面におけるふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲である傾斜組成膜であることを特徴とする請求項１に記載の回転機械用の部品。
【請求項６】
前記硬質皮膜と前記ファウリング防止皮膜との間に、さらにダイヤモンドライクカーボンからなる中間硬質膜が形成されてなることを特徴とする請求項５に記載の回転機械用の部品。
【請求項７】
前記基材と前記硬質皮膜との間に、さらに中間層が形成されてなることを特徴とする請求項６に記載の回転機械用の部品。
【請求項８】
前記硬質皮膜は、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＺｒＮの内の少なくとも１種以上からなることを特徴とする請求項１〜請求項７に記載の回転機械用の部品。
【請求項９】
当該回転機械用の部品の内、エロージョン発生部位における前記ファウリング防止膜が磨耗されていることを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の回転機械用の部品。
【請求項１０】
基材の表面上に、ふっ素含有ダイヤモンドライクカーボン膜からなるファウリング防止膜が形成され、該ファウリング防止皮膜は、前記硬質皮膜側から当該ファウリング防止皮膜の表面に向かうに従ってふっ素濃度が高くなるように、膜厚方向で濃度勾配が設けられ、前記表面におけるふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲である傾斜組成膜であることを特徴とする回転機械用の部品。
【請求項１１】
前記基材と前記ファウリング防止皮膜との間に、さらに中間層が形成されてなることを特徴とする請求項１０に記載の回転機械用の部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転機械用部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、蒸気タービンやコンプレッサポンプ等の回転機械に用いられるブレード等の回転部品においては、耐熱性や耐食性等を考慮した表面処理が施されている。蒸気タービンは、作動流体である蒸気がタービンの動翼に噴射されて駆動されるものであり、動翼（蒸気タービンブレード）やロータ等の回転機械の部品が、直接蒸気と接触する。また、化学プラント等で用いられ、各種流体を圧縮する圧縮機（コンプレッサポンプ）は、外部から動力を与えられてインペラが回転し、前記流体を圧縮する。このようなコンプレッサポンプにおいても、インペラやロータ等の回転機械の部品が直接気体に接触する。
【０００３】
ここで、気体に含まれる水滴が高速で衝突する部品、例えば、蒸気タービンのブレードや、コンプレッサポンプのインペラにおいては、衝突する水滴によって表面にエロージョン摩耗が発生するという問題がある。このようなエロージョン磨耗が生じた場合には、部品が振動し、この振動によって部品が破損する虞がある。
【０００４】
また、上述のような回転機械に用いられる部品においては、気体中に含まれるＳｉＯ２等のセラミック成分が付着する、所謂ファウリングと呼ばれる現象が発生することがある。このように、部品にセラミック成分が付着した場合には、作動効率が低下するため、装置全体の効率が低下するという問題がある。
【０００５】
上記エロージョン磨耗やファウリングを防止するための対策としては、基板の表面上に、上記現象を抑制するための皮膜をコーティングする方法が一般に採用されている。
例えば、上記エロージョン磨耗を抑制するための対策としては、図１７（ａ）、（ｂ）に示すような積層構造を有し、ＴｉＮ、ＣｒＮ等からなる硬質皮膜１０３ａ、１０３ｂを、物理気相成長（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって基材１０１上に形成し、さらに、必要に応じてＣｒ等からなる中間層１０２を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。また、ステライト（登録商標）の肉盛溶接を施すことや、図１７（ｃ）に示すように、ＷＣ−ＮｉＣｏ等からなる硬質皮膜１０４を、溶射によって基材１０１上に形成すること等が知られている（例えば、特許文献２、３を参照）。
しかしながら、上述のような耐エロージョン性硬質皮膜は、耐ファウリング性を持たないため、耐エロージョン性が向上しているのにも関わらず、耐ファウリング性が低いという問題があった。
【０００６】
一方、上記ファウリングを防止するための対策としては、例えば、図１８（ａ）に示すように、基材１１０上に、ふっ素樹脂粒子１１１ｂがめっき１１１ａ中に分散されてなる、ふっ素樹脂粒子含有めっき皮膜１１１を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献４、５も参照）。また、図１８（ｂ）に示すように、基材１１０上に、溶射層１１２を介して、セラミック粒子１１３ｂがふっ素樹脂１１３ａ中に分散されてなるふっ素樹脂層１１３をコーティングする方法の他、ふっ素樹脂系皮膜であるサーマロンコーティングを形成する技術等も知られている（例えば、特許文献６を参照）。
【０００７】
また、ファウリング防止策としては、上記の他、ガス設備用部品において、基材上にふっ素樹脂を塗装する方法（例えば、特許文献７を参照）や、表面エネルギーを低減させたふっ素を含有する皮膜を基材上に形成する方法（例えば、特許文献８を参照）、基材上の窒化硬質膜を平滑化し、物理吸着を低減する方法（例えば、特許文献９を参照）等が提案されている。
しかしながら、上述のような耐ファウリング性を備える皮膜は、軟質で耐エロージョン性が低いため、気体と直接接触するようなエロージョンが発生し易い環境下においては、皮膜が剥離してしまうという問題があった。
【特許文献１】特公平８−３０２６４号公報
【特許文献２】特開２００４−２７２８９号公報
【特許文献３】特開２００３−２７２０６号公報
【特許文献４】特開２００７−７１０３１号公報
【特許文献５】特開２００７−７１０３２号公報
【特許文献６】特開２００６−２９１３０７号公報
【特許文献７】特開２００４−２８３６９９号公報
【特許文献８】特開２００７−２１３７１５号公報
【特許文献９】特開２００７−１６２６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、従来、耐エロージョン性及び耐ファウリング性を両立可能な技術は提案されておらず、これら両方の性質を同時に実現可能な回転機械用の部品が切に求められていた。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、気体と直接接触する環境下における耐エロージョン性及び耐ファウリング性に優れた回転機械用の部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明では以下の構成を採用した。
即ち、本発明に係る回転機械用の部品は、基材の表面上に、セラミックスからなる硬質皮膜と、ふっ素含有ダイヤモンドライクカーボン膜からなるファウリング防止膜とが積層されてなることを特徴とする。
【００１１】
係る構成の回転機械用の部品によれば、上記構成のファウリング防止皮膜が備えられることにより、気体中に含まれるセラミック成分が付着するファウリングが発生するのが抑制される。また、エロージョン発生部位においてファウリング防止膜が磨耗した場合でも、硬質皮膜においてエロージョンの進行を抑制することができる。
【００１２】
また、本発明に係る回転機械用の部品は、上記構成において、前記ファウリング防止皮膜が、ふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲で均一であることを特徴とする。
係る構成の回転機械用の部品によれば、上述したようなファウリングがより効果的に抑制される。
【００１３】
また、本発明に係る回転機械用の部品は、上記構成において、前記硬質皮膜と前記ファウリング防止皮膜との間に、さらに、ダイヤモンドライクカーボンからなる中間硬質膜が形成されてなることを特徴とする。
係る構成の回転機械用の部品によれば、硬質皮膜とファウリング防止皮膜との間の密着性がより向上するとともに、エロージョンがより効果的に抑制される。
【００１４】
また、本発明に係る回転機械用の部品は、上記構成において、前記基材と前記硬質皮膜との間に、さらに中間層が形成されてなることを特徴とする。
係る構成の回転機械用の部品によれば、中間層が設けられることにより、硬質皮膜に発生する内部応力が緩和され、基材と硬質皮膜との間の密着性が向上する。
【００１５】
また、本発明に係る回転機械用の部品は、上記構成において、前記ファウリング防止皮膜が、前記硬質皮膜側から当該ファウリング防止皮膜の表面に向かうに従ってふっ素濃度が高くなるように、膜厚方向で濃度勾配が設けられ、前記表面におけるふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲である傾斜組成膜であることを特徴とする。
また、本発明に係る回転機械用の部品は、傾斜組成膜であるファウリング防止皮膜が設けられた上記構成において、前記硬質皮膜と前記ファウリング防止皮膜との間に、さらに、ダイヤモンドライクカーボンからなる中間硬質膜が形成されてなることを特徴とする。
また、本発明に係る回転機械用の部品は、傾斜組成膜であるファウリング防止皮膜が設けられ、さらに中間硬質膜が設けられた上記構成において、前記基材と前記硬質皮膜との間に、さらに中間層が形成されてなることを特徴とする。
【００１６】
係る構成の回転機械用の部品によれば、上述のような濃度勾配が設けられたファウリング防止皮膜が備えられることにより、ファウリング防止皮膜の最表面においては耐ファウリング性が付与される。一方、ファウリング防止皮膜の硬質皮膜側においては硬度が高くなることで耐エロージョン性が付与されるとともに、硬質皮膜に対する密着性が向上する。
【００１７】
また、本発明に係る回転機械用の部品は、上記構成において、前記硬質皮膜が、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＺｒＮの内の少なくとも１種以上からなることを特徴とする。
係る構成の回転機械用の部品によれば、上述したようなエロージョンがより効果的に抑制される。
【００１８】
また、本発明に係る回転機械用の部品は、上記構成において、エロージョン発生部位における前記ファウリング防止膜が磨耗されていることを特徴とする。
係る構成の回転機械用の部品によれば、実使用下において、エロージョン発生部位のファウリング防止膜が磨耗した状態であっても、その下の硬質皮膜によってエロージョンの進行が抑制される。
【００１９】
本発明に係る回転機械用の部品は、基材の表面上に、ふっ素含有ダイヤモンドライクカーボン膜からなるファウリング防止膜が形成され、該ファウリング防止皮膜は、前記硬質皮膜側から当該ファウリング防止皮膜の表面に向かうに従ってふっ素濃度が高くなるように、膜厚方向で濃度勾配が設けられ、前記表面におけるふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲である傾斜組成膜であることを特徴とする。
【００２０】
係る構成の回転機械用の部品によれば、上述のような濃度勾配が設けられたファウリング防止皮膜が基材上に形成されることにより、ファウリング防止皮膜の最表面においては耐ファウリング性が付与される。一方、ファウリング防止皮膜の基材側においては、硬度が高くなることで耐エロージョン性が付与されるとともに密着性が向上する。これにより、単層膜構造であっても、ファウリング及びエロージョンの両方が抑制される。
【００２１】
また、本発明に係る回転機械用の部品は、上記構成において、前記基材と前記ファウリング防止皮膜との間に、さらに中間層が形成されてなることを特徴とする。
係る構成の回転機械用の部品によれば、中間層が設けられることにより、ファウリング防止皮膜に発生する内部応力が緩和され、基材とファウリング防止皮膜との間の密着性が向上する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の回転機械用の部品によれば、気体と直接接触する環境下において使用した場合でも、ファウリング及びエロージョンの両方が抑制されるので、メンテナンス間隔を長くとることが可能であり、高寿命でランニングコストが安価な回転機械用の部品が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る回転機械用の部品の実施形態について、蒸気タービンブレードを例にして、図面を適宜参照しながら説明する。
図１〜図６は、本発明に係る蒸気タービンブレードの第１の実施形態を説明する模式図であり、図１は蒸気タービンブレードが用いられる蒸気タービンの一例を示す模式図、図２は蒸気タービンブレードを示す斜視図、図３は図１の断面図、図４は基材上に硬質皮膜及びファウリング防止皮膜が順次積層された構造を示す断面図、図５（ａ）、（ｂ）はファウリング防止皮膜中のふっ素含有率の変化にともなう特性変化を示すグラフ、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は蒸気タービンブレードの作用並びに効果について説明するためのグラフである。また、図７は本発明に係る蒸気タービンブレードの第２の実施形態を説明する模式図、図８は第３の実施形態を説明する模式図、図９（ａ）、（ｂ）は第４の実施形態を説明する模式図である。また、図１０及び図１１は本発明に係る蒸気タービンブレードの第５の実施形態を説明する模式図であり、図１２及び図１３は第６の実施形態を説明する模式図である。また、図１４は本発明に係る蒸気タービンブレードの第７の実施形態を説明する模式図であり、図１５は第８の実施形態を説明する模式図、図１６は第９の実施形態を説明する模式図である。
なお、以下の説明において参照する各図面は、蒸気タービンブレード（回転機械用の部品）を説明するための図面であって、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の寸法関係とは異なっていることがある。
【００２４】
［蒸気タービンブレードの第１の実施形態］
以下、本発明に係る回転機械用の部品である蒸気タービンブレードの第１の実施形態について詳述する。
本発明に係る蒸気タービンブレードは、例えば、図１に示す蒸気タービン４０において、動翼（図中における蒸気タービンブレード１０を参照）として用いられる回転機械用の部品である。蒸気タービン４０は、作動流体である蒸気が、タービン４１に取り付けられた蒸気タービンブレード１０（動翼）に噴射されて駆動されるものであり、このような蒸気タービン４０においては、蒸気タービンブレード１０が直接蒸気と接触するような構成とされている。
そして、本実施形態の蒸気タービンブレード１０は、図４の断面図に示すように、基材１の表面１ａ上に、耐ドレンエロージョン性を向上させるための硬質皮膜２が形成され、該硬質皮膜２上に、耐ファウリング性を向上させるためのファウリング防止皮膜３が形成されている。
【００２５】
『蒸気タービンブレード』
本実施形態の蒸気タービンブレード１０は、図４の断面図に示すように、基材１の表面１ａ上に、セラミックからなる硬質皮膜２と、ふっ素を含有するダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなるファウリング防止皮膜３とが積層され、概略構成される（図３の断面図も参照）。
【００２６】
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１０を構成する基材１、硬質皮膜２並びにファウリング防止皮膜３について詳述する。
基材１としては、例えば、ＳＵＳ４１０Ｊ１をはじめとするステンレス鋼等、この分野において一般に用いられている材料を何ら制限無く用いることができ、適宜選択することが可能である。
【００２７】
硬質皮膜２は、蒸気タービンブレード１０において基材１の表面１ａ上にコーティングされてなる皮膜であり、蒸気タービンブレード１０に耐エロージョン性を付与するための皮膜である。
硬質皮膜２の材質としては、皮膜としての高い密着性や耐エロージョン性を備えるものであれば如何なるものでも採用することが可能であるが、窒化物、炭化物、ホウ化物又は酸化物の何れかの材料からなることが好ましい。また、これらの材料の中でも、特に、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＺｒＮの内の少なくとも１種以上からなる皮膜であることがより好ましい。硬質皮膜２を上記材質から構成することにより、詳細を後述するように、耐摩耗性、耐エロージョン性に優れる蒸気タービンブレード１０を得ることが可能となる。
【００２８】
硬質皮膜２の膜厚は、１〜３０μｍの範囲とすることが好ましい。硬質皮膜２の膜厚が１μｍ未満だと、耐エロージョン性を向上させる効果が得られ難く、また、膜厚が１０μｍを超えると、膜中の応力が増大して剥離を招く可能性があるとともに、成膜時の工程時間が長くなる。また、硬質皮膜２の膜厚は、３〜２０μｍの範囲であることがより好ましく、５〜１５μｍの範囲であることがさらに好ましい。
【００２９】
ファウリング防止皮膜３は、蒸気タービンブレード１０において上記した硬質皮膜２の上に形成される皮膜であり、蒸気タービンブレード１０に対して耐ファウリング性を付与するための皮膜である。
本実施形態のファウリング防止皮膜３は、ふっ素を含有するＤＬＣからなり、優れた耐ファウリング性、強度並びに耐摩耗性が得られるものである。このようなＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）は、一般に、高強度や耐摩耗性を必要とする部品等の材料として用いられるが、このＤＬＣにふっ素を含有した構成とすることにより、さらに耐ファウリング性が付与される。
【００３０】
ファウリング防止皮膜３は、ふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲とされたＤＬＣからなることが好ましい。ファウリング防止皮膜３において、ふっ素濃度が１０質量％未満だと、表面エネルギーが大きくなり、シリカ粒子等の付着量を低減する耐ファウリング性の向上効果が得られ難くなるため、メンテナンスのサイクルを長期間化するのが困難になる。この場合、例えば、従来のＴｉＮからなる皮膜の付着量と比較して、半分もしくはそれ以上の付着量となり、大きな低減効果が得られない虞がある。
また、ふっ素濃度が４０質量％を超えると、皮膜硬度が２００Ｈｖ未満で硬度不足となり、実使用時の環境下において不適となる虞がある。
よって、ファウリング防止皮膜３は、ふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲とされたＤＬＣからなることが好ましく、ふっ素濃度が１５〜３８質量％の範囲であることがより好ましく、２０〜３５質量％の範囲であることがさらに好ましい。
【００３１】
図５（ａ）のグラフに、上記特許文献４に記載の方法によってシリカ粒子付着量測定試験（耐ファウリング性試験）を行なった場合の、本実施形態の蒸気タービンブレード１０に備えられるファウリング防止皮膜３中のふっ素含有率（ふっ素濃度）とシリカ粒子付着量との関係を示す（試験方法については、上記特許文献４：特開２００７−７１０３１号公報の段落００６４〜００６６を参照）。
図５（ａ）に示すように、ファウリング防止皮膜３中のふっ素含有率が１０質量％未満になると、シリカ粒子付着量（ファウリング量）が急激に上昇することがわかる。
【００３２】
また、図５（ｂ）のグラフに、蒸気タービンブレード１０に備えられるファウリング防止皮膜３中のふっ素含有率（ふっ素濃度）と硬さとの関係を示す。
図５（ｂ）に示すように、ファウリング防止皮膜３中のふっ素含有率が４０質量％を超えると、硬さが２００Ｈｖ未満となり、強度不足となることが明らかである。
【００３３】
ファウリング防止皮膜３の膜厚は、０．１〜１０μｍの範囲であることが、蒸気タービンブレード１０に対して効果的に耐ファウリング性を付与できる点から好ましい。ファウリング防止皮膜３の膜厚が０．１μｍ未満だと、耐ファウリング性が得られ難く、また、膜厚が１０μｍを超えると、膜中の応力が増大して剥離を招く可能性があるとともに、成膜時の工程時間が長くなる。また、ファウリング防止皮膜３の膜厚は、０．５〜５μｍの範囲であることがより好ましく、０．８〜３μｍの範囲であることがさらに好ましい。
【００３４】
また、上述したような硬質皮膜２及びファウリング防止皮膜３は、図２に示すような蒸気タービンブレード１０において、基材１の表面１ａ全体に形成されていることが好ましい。これら各皮膜を基材１の表面１ａ全体に形成することにより、上述したような耐エロージョン性並びに耐ファウリング性の両方の向上効果が、より効果的に得られる。
【００３５】
以下に、本発明に係る蒸気タービンブレード１０の、耐エロージョン性の向上効果、並びに、耐ファウリング性の向上効果について説明する。
図１に示すような蒸気タービン４０に対して、該蒸気タービン４０を駆動させるための蒸気を含む気体が供給された際、この気体は、図２に示す蒸気タービンブレード１０に対し、図中の矢印Ｓ方向から衝突する。そして、図３の断面図（図１のＡ−Ａ断面図）に示すように、蒸気タービンブレード１０は、図３中の矢印Ｒの方向に回転する。
【００３６】
この際、図３に示すように、気体中に含まれる蒸気等の水分（ドレン）は、主として蒸気タービンブレード１０の領域Ｅ（エロージョン発生部位：図３中の符号Ｅで示す太線領域）付近に高速で衝突するため、この領域Ｅにおいてエロージョンが発生し易くなる。一方、領域Ｅ以外の部位である領域Ｆ（ファウリング発生部位：図３中の符号Ｆで示す太線領域）においては、エロージョンは発生し難いものの、気体中に含まれるシリカ等のセラミック成分が付着するファウリングが発生し易い。また、上述の領域Ｅにおいては、仮にセラミック成分が付着した場合でも、ドレンの高速衝突によって付着物が除去されるため、ファウリングが発生し難い。
このように、蒸気タービンに用いられる蒸気タービンブレードでは、エロージョン発生部位（図３に示す領域Ｅ）とファウリング発生部位（図３に示す領域Ｆ）が異なる。
【００３７】
本実施形態の蒸気タービンブレード１０は、基材１の表面１ａ上に、上記構成の硬質皮膜２及びファウリング防止皮膜３が順次積層されていることにより、実使用時、エロージョンが発生し易い部位である領域Ｅにおいては、気体中に含まれるドレンが高速衝突することによって軟質のファウリング防止皮膜３が磨耗する。この際、蒸気タービンブレード１０は、ファウリング防止皮膜３が磨耗して無くなった場合でも、その下層に設けられた硬質皮膜２によって耐エロージョン性が付与されているため、領域Ｅにおいてエロージョンが進行するのが抑制される。また、この領域Ｅ以外の部位、つまり領域Ｆにおいては、実使用時においてエロージョンが発生し難い部位であり、ファウリング防止皮膜３が磨耗することが無いため、ファウリングの発生が抑制される。従って、蒸気タービンブレード１０の基材１の表面１ａ全体において、優れた耐エロージョン性及び耐ファウリング性を確保することが可能となる。
【００３８】
本実施形態の蒸気タービンブレード１０の作用並びに効果について、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のグラフを用いて以下に説明する。ここで、図６（ａ）は、耐ファウリング性及び耐エロージョン性の両方が付与されてなる蒸気タービンブレード１０を用い、図１に示すような蒸気タービン４０に実装して連続稼動を行った場合の、稼働時間と、磨耗量（エロージョン量）並びにファウリング量との関係を示すグラフである。また、図６（ｂ）は、基材上に、耐エロージョン性のみが付与された皮膜が形成された従来の蒸気タービンブレードを、上記同様、蒸気タービンに実装して連続稼動を行った場合の特性を示すグラフであり、図６（ｃ）は、耐ファウリング性のみが付与された従来の蒸気タービンブレードを用いた場合の特性を示すグラフである。
【００３９】
図６（ｂ）のグラフに示すように、耐エロージョン性のみが付与された蒸気タービンブレードの場合、ファウリングの発生状態が、短い連続稼働時間で、付着物検査が必要な想定基準値に達するレベルであることがわかる。また、図６（ｃ）のグラフに示すように、耐ファウリング性のみが付与された従来の蒸気タービンブレードの場合、短い連続稼働時間で、磨耗量（エロージョン量）の検査が必要な想定基準値に達することがわかる。このため、これら従来の蒸気タービンブレードを用いた場合、点検や部品交換のためのメンテナンスサイクルが必然的に短くなり、稼動コスト等が上昇する要因となることが明らかである。
【００４０】
これに対し、図６（ａ）のグラフに示すように、本実施形態の蒸気タービンブレード１０は、耐ファウリング性及び耐エロージョン性の両方が付与されてなるものなので、連続稼動時、ファウリング及び磨耗量の何れも検査が必要な想定基準値に達するまでの時間が非常に長いことがわかる。従って、メンテナンスサイクルを長いサイクルで設定することができ、人件費や部品代等のコストを大幅に低減することが可能となる。
【００４１】
以上説明したような、本発明の第１の実施形態である蒸気タービンブレード１０によれば、上記構成のファウリング防止皮膜３が備えられることにより、気体中に含まれるセラミック成分が付着するファウリングが発生するのが抑制される。また、上記構成の硬質皮膜２が備えられることにより、気体と直接接触する環境下において、仮に、軟質性皮膜であるファウリング防止皮膜３にエロージョンが発生した場合でも、エロージョンの進行が硬質皮膜２によって抑制される。従って、耐ファウリング性及び耐エロージョン性の両方に優れ、メンテナンス間隔を長くとることが可能であり、高寿命でランニングコストが安価な蒸気タービンブレード１０が実現できる。
【００４２】
『蒸気タービンブレードの製造方法』
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１０の製造方法について詳述する。本実施形態では、図４に示すような蒸気タービンブレード１０の積層構造に備えられる表面平滑セラミック硬質皮膜３を、以下に説明するような方法で形成する。
【００４３】
本実施形態の蒸気タービンブレードの製造方法は、基材１の表面１ａ上に硬質皮膜２を形成し、該硬質皮膜２上に、ふっ素を含有するダイヤモンドライクカーボンからなるファウリング防止皮膜３を形成する方法であり、ファウリング防止皮膜３を、電子線の放電によって反応ガスをイオン化して蒸着するイオン化蒸着法で形成するとともに、反応ガスとして少なくともヘキサフルオロベンゼンガス（Ｃ６Ｆ６）を含有するガスを用いて形成する方法である。
【００４４】
上述のようなイオン化蒸着法は、イオンの量とエネルギーを自由にコントロールできる方法なので、良好な制御性で、ふっ素含有ＤＬＣからなる薄膜を成膜することが可能となる。また、この際の反応ガスとしてヘキサフルオロベンゼンガスを用いることにより、上記電子線によってイオン化された材料が、ふっ素含有ＤＬＣとして効率良く基材１上に成膜される。
【００４５】
本実施形態では、まず、基材１の表面１ａをＲｚ＝０．５μｍ程度に鏡面加工しておく。この際、基材１としては、例えば、材質がＳＵＳ４１０Ｊ１、大きさが２０×３０×５ｍｍ程度のものを用いることができる。
次いで、本実施形態においては、基材１をアルコール中において超音波洗浄を施した後に乾燥させ、スパッタ装置内に導入して装置内部を３．０×１０−３Ｐａ以下に真空吸引減圧し、ヒータによってベーキングした後、さらにＡｒプラズマに曝すことで基材１表面をエッチングする前処理を施すことが好ましい。
【００４６】
次いで、スパッタ装置内に基材１を配置した状態で、前処理を施した基材１の表面１ａ上に、ＴｉＮからなる硬質皮膜２をスパッタリング法によって成膜する。この際、ターゲットとしてＴｉを用い、反応ガスとして窒素ガスを用いる。
まず、ヒータ加熱によって基材１の温度を３００℃に制御する。そして、成膜パワーを１０００Ｗ程度、装置内に流通させる窒素の流量を１０ｓｃｃｍ程度、基材のバイアス電圧を１００Ｖ程度、ターゲットに印加するパワーを４０００Ｗ程度の各条件とし、グロー放電させることにより、基材１の表面１ａ全体にＴｉＮからなる硬質皮膜２を成膜する。
【００４７】
次いで、硬質皮膜２上に、ふっ素含有ＤＬＣからなるファウリング防止皮膜３を、上述したイオン化蒸着法によって成膜する。
まず、表面１ａ上に硬質皮膜２が形成された基材１をイオン化蒸着装置内に導入し、装置内を３．０×１０−３Ｐａ以下に真空吸引減圧する。そして、イオン化蒸着装置内に、ヘキサフルオロベンゼンガスを、２．０〜６．５×１０−１Ｐａの範囲の圧力となるように導入し、イオン源アノード電流値を０．４Ａ程度、イオン源フィラメント電流値を３０Ａ程度、基材のバイアス電圧値を１．５ｋＶ程度の各条件として放電を行うことにより、表面１ａ上に形成された硬質皮膜２の表面全体に、ふっ素含有ＤＬＣからなるファウリング防止皮膜３を成膜する。この際の、ファウリング防止皮膜３中のふっ素濃度は、上述したように１０〜４０質量％の範囲で均一とし、例えば、３０質量％程度とすることができる。
【００４８】
以上説明したような、本発明の第１の実施形態である蒸気タービンブレード１０の製造方法によれば、基材１の表面１ａ上に硬質皮膜２を形成し、この硬質皮膜２上に、ファウリング防止皮膜３を、反応ガスとして少なくともヘキサフルオロベンゼンガスを含有するガスを用いて、イオン化蒸着法によってふっ素を含有するダイヤモンドライクカーボンから形成することにより、ダイヤモンドライクカーボン中においてふっ素が適正濃度とされ、高い耐ファウリング性を備えるファウリング防止皮膜３が形成できる。従って、耐ファウリング性及び耐エロージョン性の両方に優れ、高寿命でランニングコストが安価な蒸気タービンブレード１０を、高い生産効率で製造することが可能となる。
【００４９】
なお、本実施形態においては、ファウリング防止皮膜３をイオン化蒸着法によって形成する方法を説明しているが、これには限定されず、例えば、上述した硬質皮膜２と同様、スパッタリング法によって成膜することも可能である。
【００５０】
［蒸気タービンブレードの第２の実施形態］
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１１について、図７を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０と同様の構成には共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード１１は、基材１の表面１ａ上の硬質皮膜２の上に積層されたファウリング防止皮膜３１が、硬質皮膜２側からファウリング防止皮膜３１の表面３１ａに向かうに従ってふっ素濃度が高くなるように、膜厚Ｔ１方向で濃度勾配が設けられ、表面３１ａにおけるふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲である傾斜組成膜とされている点で、第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０とは異なる構成とされている。
【００５１】
本実施形態の蒸気タービンブレード１１に備えられるファウリング防止皮膜３１は、図７の模式図中におけるグラフに示すように、ファウリング防止皮膜３１の膜厚Ｔ１方向でふっ素濃度の勾配が設けられている。そして、図示例においては、ファウリング防止皮膜３１の硬質皮膜２側のふっ素濃度が約０質量％であるのに対し、ファウリング防止皮膜３１の表面３１ａ側のふっ素濃度が約３０質量％とされている。また、図示例のグラフにおいて、実線で示すふっ素の濃度勾配は、ファウリング防止皮膜３１の硬質皮膜２側から膜厚Ｔ１方向で途中の厚さまではふっ素濃度が徐々に高くなって約３０質量％まで上昇する濃度勾配とされ、その位置から膜厚Ｔ１方向で表面３１ａまでは、ふっ素濃度が約３０質量％で均一とされている。
【００５２】
本実施形態の蒸気タービンブレード１１は、上述のような濃度勾配が設けられたファウリング防止皮膜３１が備えられることにより、ファウリング防止皮膜３１の表面３１ａにおいては耐ファウリング性が付与され、一方、ファウリング防止皮膜の硬質皮膜側においては硬度が高くなることで耐エロージョン性が付与される。これにより、ファウリング及びエロージョンの両方が効果的に抑制される。
【００５３】
本実施形態の蒸気タービンブレード１１に備えられるファウリング防止皮膜３１は、ふっ素濃度が、最もふっ素濃度が高くなるファウリング防止皮膜３１の表面３１ａ側において、１０〜４０質量％の範囲とされたＤＬＣからなることが好ましい。ふっ素濃度が、ファウリング防止皮膜３１の表面３１ａ側で４０質量％を超えると、皮膜硬度が２００Ｈｖ以下で硬度不足となり、実使用時の環境下において不適となる虞がある。また、ふっ素濃度が、ファウリング防止皮膜３１の表面３１ａ側で１０質量％未満となった場合には、表面エネルギーが大きくなり、シリカ粒子等の付着量を低減する耐ファウリング性の向上効果が得られ難くなる。
よって、ファウリング防止皮膜３１は、ファウリング防止皮膜３１の表面３１ａ側においてふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲とされたＤＬＣからなることが好ましく、ふっ素濃度が１５〜３８質量％の範囲であることがより好ましく、２０〜３５質量％の範囲であることがさらに好ましい。
【００５４】
ここで、図７の模式図に示す例のように、蒸気タービンブレード１１においては、例えば、ファウリング防止皮膜３１の硬質皮膜２側においてふっ素濃度が１０質量％未満であっても、その下に硬質皮膜２が備えられているので、ファウリング及びエロージョンの両方を効果的に抑制することが可能である。
また、ファウリング防止皮膜３１の膜厚Ｔ１方向におけるふっ素の濃度勾配は、上記に限定されるものではなく、例えば、図７中のグラフにおいて破線で示す曲線のように、ふっ素濃度と膜厚Ｔ１との関係が直線性を有するものであっても良いし、あるいは、急勾配と緩勾配とが組み合わされた濃度勾配とすることも可能である。
【００５５】
ファウリング防止皮膜３１の膜厚は、１〜１０μｍの範囲であることが、蒸気タービンブレード１０に対して効果的に耐ファウリング性を付与できる点から好ましい。ファウリング防止皮膜３１の膜厚が１μｍ未満だと、上述のようなふっ素の濃度勾配を設けることが困難となり、耐ファウリング性が得られ難く、また、膜厚が１０μｍを超えると、膜中の応力が増大して剥離を招く可能性があるとともに、成膜時の工程時間が長くなる。また、ファウリング防止皮膜３１の膜厚は、１．５〜６μｍの範囲であることがより好ましく、２〜４μｍの範囲であることがさらに好ましい。
【００５６】
以下に、ふっ素含有ＤＬＣからなるファウリング防止皮膜３１を、硬質皮膜２側からファウリング防止皮膜３１の表面３１ａに向かうに従ってふっ素濃度が高くなるように、膜厚Ｔ１方向で濃度勾配を設けて形成する方法について説明する。
【００５７】
まず、表面１ａ上に硬質皮膜２が成膜された基材１をイオン化蒸着装置内に導入し、装置内を３．０×１０−３Ｐａ以下に真空吸引減圧する。そして、イオン化蒸着装置内に、ヘキサフルオロベンゼン及びベンゼンの混合ガスを、２．０〜６．５×１０−１Ｐａの範囲の圧力となるように導入し、イオン源アノード電流値を０．４Ａ程度、イオン源フィラメント電流値を３０Ａ程度、基材のバイアス電圧値を１．５ｋＶ程度の各条件として放電を行うことにより、表面１ａ上に形成された硬質皮膜２の表面全体に、ふっ素含有ＤＬＣからなるファウリング防止皮膜３１を成膜する。
この際、ヘキサフルオロベンゼンとベンゼンの混合比は、放電開始（成膜開始）直後においては、ヘキサフルオロベンゼン：ベンゼン＝５０：５０の割合とし、この混合比を１％／分の速度でヘキサフルオロベンゼンの割合が高くなるように変化させる。そして、ヘキサフルオロベンゼンの割合が１００％になった時点から、２０分間程度の時間で保持する。
【００５８】
上記各手順により、図７の模式図に示すような、硬質皮膜２側から表面３１ａに向かうに従ってふっ素濃度が高くなるように、膜厚Ｔ１方向で濃度勾配が設けられてなるファウリング防止皮膜３１を成膜することができる。
なお、本実施形態においては、上述の第１の実施形態と同様、ファウリング防止皮膜３１をイオン化蒸着法によって形成する方法を説明しているが、スパッタリング法によって成膜することも可能である。
【００５９】
以上説明したような、本発明の第２の実施形態である蒸気タービンブレード１１によれば、ファウリング防止皮膜３１が、硬質皮膜２側からファウリング防止皮膜３１の表面３１ａに向かうに従ってふっ素濃度が高くなるように、膜厚Ｔ１方向で濃度勾配が設けられ、表面３１ａにおけるふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲である傾斜組成膜とされていることにより、ファウリング防止皮膜３１の表面３１ａにおいては耐ファウリング性が付与され、一方、ファウリング防止皮膜３１の硬質皮膜２側においては硬度が高くなることで耐エロージョン性が付与される。これにより、ファウリング及びエロージョンの両方を効果的に抑制することが可能となる。また、仮に、ファウリング防止皮膜３１が磨耗した場合であっても、下層である硬質皮膜２によってエロージョンが進行するのが抑制される。従って、耐ファウリング性及び耐エロージョン性の両方に優れ、メンテナンス間隔を長くとることが可能であり、高寿命でランニングコストが安価な蒸気タービンブレード１１が実現できる。
【００６０】
［蒸気タービンブレードの第３の実施形態］
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１２について、図８を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０と同様の構成には共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード１２は、基材１と硬質皮膜２との間に中間層４が設けられている点で、第１の実施形態の蒸気タービンブレード１０とは異なる構成とされている。
【００６１】
中間層４は、硬質皮膜２に発生する内部応力を緩和し、基材１と硬質皮膜２との間の密着性をより高める効果がある。
中間層４の材質としては、Ｃｒ又はＴｉからなることが好ましい。このような材質で中間層４を構成することにより、硬質皮膜２に発生する内部応力がより効果的に緩和され、基材１と硬質皮膜２との間の密着性がさらに向上する。
中間層４の膜厚は０．５〜２μｍの範囲であることが、上述のような、硬質皮膜２に発生する内部応力を効果的に緩和し、密着性を一層向上させることができる点で好ましい。
なお、中間層４の成膜方法としては、硬質皮膜２の成膜方法と同様のスパッタリング法を何ら制限無く採用することができる。
【００６２】
本実施形態のタービンブレード１２によれば、上述したような、基材１と硬質皮膜２との間の密着性をより高める効果が得られるとともに、上記第１及び第２の実施形態の蒸気タービンブレード１０、１１と同様、優れた耐エロージョン性及び耐ファウリング性が得られる。
【００６３】
［蒸気タービンブレードの第４の実施形態］
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１３について、図９（ａ）、（ｂ）を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上記第１〜第３の実施形態の蒸気タービンブレード１０、１１、１２と同様の構成には共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード１３は、図９（ａ）に例示するように、基材１と硬質皮膜２との間に中間層４が設けられている点に加え、硬質皮膜２とファウリング防止皮膜３との間に、さらに、ダイヤモンドライクカーボンからなる中間硬質膜５が形成されている点で、第３の実施形態の蒸気タービンブレード１２とは異なる。
【００６４】
中間硬質膜５は、ＤＬＣから構成するとともに、その膜厚が０．５〜２μｍの範囲であることが好ましい。このような範囲の膜厚とされたＤＬＣからなる中間硬質膜５が設けられることにより、硬質皮膜２とファウリング防止皮膜３との間の密着性が向上する。また、蒸気タービンブレード１３のエロージョン発生部位（図３中の領域Ｅを参照）において、仮に、ファウリング防止皮膜３の磨耗が生じた場合でも、その下の中間硬質膜５並びに硬質皮膜２の作用により、その部位におけるエロージョンが効果的に抑制される。これにより、耐エロージョン性及び耐ファウリング性の両方がより一層効果的に得られる。
なお、中間硬質膜５の成膜方法としては、硬質皮膜２の成膜方法と同様のスパッタリング法を何ら制限無く採用することができる。
【００６５】
本実施形態の蒸気タービンブレード１３によれば、上述したような、硬質皮膜２とファウリング防止皮膜３との間の密着性をより高める効果が得られるとともに、上記第１〜第３の実施形態の蒸気タービンブレード１０、１１、１２と同様、優れた耐エロージョン性及び耐ファウリング性が得られる。
【００６６】
なお、図９（ａ）に示す例の蒸気タービンブレード１３は、上記第３の実施形態の蒸気タービンブレード１２と同様、基材１と硬質皮膜２との間に中間層４が設けられているが、これには限定されない。例えば、図９（ｂ）に示す例のように、基材１の表面１ａ上に硬質皮膜２が直接形成された蒸気タービンブレード１３Ａとして構成しても良く、適宜採用することが可能である。
【００６７】
［蒸気タービンブレードの第５の実施形態］
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１４について、図１０及び図１１を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上記第２の実施形態の蒸気タービンブレード１１と同様の構成については共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード１４は、膜厚Ｔ２方向で表面３２ａ側に向かうに従ってふっ素濃度が高くなるように濃度勾配が設けられ、表面３２ａにおけるふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲である傾斜組成膜とされたふっ素含有ＤＬＣからなるファウリング防止皮膜３２が備えられている点で、上記第２の実施形態の蒸気タービンブレード１１と共通するが、ファウリング防止皮膜３２が基材１の表面１ａ上に直接積層された単層膜構造とされている点で、第２の実施形態の蒸気タービンブレード１１とは異なる。
【００６８】
本実施形態の蒸気タービンブレード１４に備えられるファウリング防止皮膜３２は、図１０の模式図中におけるグラフに示すように、ファウリング防止皮膜３２の膜厚Ｔ２方向でふっ素濃度の勾配が設けられている。そして、図１０に示す例においては、ファウリング防止皮膜３２の基材１側のふっ素濃度が約０質量％であるのに対し、ファウリング防止皮膜３２の表面３２ａ側のふっ素濃度が約３０質量％とされており、ふっ素濃度と膜厚Ｔ２とが直線性を有する関係とされている。
【００６９】
また、図１０に示す蒸気タービンブレード１４のファウリング防止皮膜３２は、ふっ素濃度の温度勾配が上記関係とされることにより、図中のグラフに示すように、ふっ素濃度が約３０質量％となる表層３２ａ側の硬度が約２００Ｈｖで軟質とされ、基材１側の硬度が約３０００Ｈｖで硬質とされている。これにより、ファウリング防止皮膜３２は、表層３２ａ側から一定の厚さの範囲、図示例では硬度が２００〜２０００Ｈｖの範囲となる、表層３２ａから膜厚Ｔ２の約２／３程度の範囲の領域Ｇにおいては、耐ファウリング性が付与される。一方、ファウリング防止皮膜３２の膜厚Ｔ２方向で、硬度が２０００〜３０００Ｈｖとなる、基材１側から膜厚Ｔ２の約１／３程度の範囲の領域Ｈにおいては、耐エロージョン性とともに、基材１との間での高い密着性が付与される。
【００７０】
蒸気タービンブレード１４は、上述のようなファウリング防止皮膜３２が備えられることにより、図４に示す蒸気タービンブレード１０のような硬質皮膜２が設けられていない構成であっても、耐ファウリング性とともに、優れた耐エロージョン性を有するものとなる。ここで、仮に、エロージョン発生部位（図３の領域Ｅを参照）において、軟質であるファウリング防止皮膜３２の表層３２ａ側の領域Ｇが剥離した場合であっても、硬質であるファウリング防止皮膜３２の基板１側の領域Ｈが残留し、エロージョンが進行するのが抑制される。これにより、本実施形態の蒸気タービンブレード１４は、第１〜４の実施形態の蒸気タービンブレード１０、１１、１２、１３と同様、優れた耐エロージョン性及び耐ファウリング性の両方が効果的に得られる。
【００７１】
ファウリング防止皮膜３２は、第２の実施形態の蒸気タービンブレード１１に備えられるファウリング防止皮膜３１と同様の理由により、最もふっ素濃度が高くなる表面３２ａ側において、ふっ素濃度が１０〜４０質量％の範囲とされたＤＬＣからなることが好ましい。ファウリング防止皮膜３２を、上記範囲のふっ素濃度とされたＤＬＣから構成することにより、高い耐ファウリング性がより効果的に得られる。また、ファウリング防止皮膜３２は、表面３２ａ側においてふっ素濃度が１５〜３８質量％の範囲とされたＤＬＣからなることがより好ましく、２０〜３５質量％の範囲であることがさらに好ましい。
【００７２】
ファウリング防止皮膜３２の膜厚は、１〜１０μｍの範囲であることが、蒸気タービンブレード１４に対して耐ファウリング性及び耐エロージョン性の両方を効果的に付与できる点から好ましい。ファウリング防止皮膜３２の膜厚が１μｍ未満だと、上述のようなふっ素の濃度勾配を設けることが困難となり、耐ファウリング性並びに耐エロージョン性がともに得られ難くなる虞がある。また、ファウリング防止皮膜３２の膜厚が１０μｍを超えると、膜中の応力が増大して剥離を招く可能性があるとともに、成膜時の工程時間が長くなる。また、ファウリング防止皮膜３２の膜厚は、３〜９μｍの範囲であることがより好ましく、５〜８μｍの範囲であることがさらに好ましい。
【００７３】
なお、ふっ素含有ＤＬＣからなるファウリング防止皮膜においては、耐ファウリング性を付与できる膜厚、つまり、ふっ素濃度を１０質量％以上とすることができる最小膜厚は０．１μｍ程度であると考えられる。このため、例えば、図１０のグラフ中において、ふっ素濃度が１０質量％以上の領域の膜厚を０．１μｍ以上とすれば、充分な耐ファウリング性が得られる。図示例においては、ファウリング防止皮膜３２の表面側３２ａの領域Ｇでのふっ素濃度が、概ね１０〜３０質量％の範囲とされている。
また、上述のようなふっ素含有ＤＬＣからなるファウリング防止皮膜において、耐エロージョン性を付与できる膜厚、つまり、ふっ素濃度が１０質量％未満とされた領域の最小膜厚は０．５μｍ程度であると考えられる。このため、図１０のグラフ中において、ふっ素濃度が１０質量％未満とされた領域の膜厚を０．５μｍ以上とすれば、充分な耐エロージョン性が得られ、図示例においては、ファウリング防止皮膜３２の基材１側の領域Ｈでのふっ素濃度が、概ね０〜１０質量％の範囲とされている。
【００７４】
また、図１０に示す例においては、ふっ素濃度と膜厚Ｔ２とが直線性を有する関係の濃度勾配とされているが、これには限定されない。例えば、図１１の模式図に示す例のように、ファウリング防止皮膜３２の基材１側から膜厚Ｔ２方向で約１／３程度の範囲の領域Ｋにおいては、ふっ素濃度が約０％で均一とされ、その上の、基材１側から膜厚Ｔ２方向で約２／３程度の範囲までの領域Ｊにおいては、ふっ素濃度が徐々に高くなって約３０質量％まで上昇する濃度勾配として構成しても良い。そして、図示例では、領域Ｊの上の膜厚Ｔ２方向で表面３２ａまでの領域Ｉにおいては、ふっ素濃度が約３０質量％で均一とされている。
図１１に示す例では、ファウリング防止皮膜３２の領域Ｉにおいては硬度が２００Ｈｖ程度とされ、高いふっ素濃度によって優れた耐ファウリング性が付与される一方、領域Ｋにおいては硬度が３０００Ｈｖ程度とされ、優れた耐エロージョン性が付与される。これにより、優れた耐ファウリング性並びに耐エロージョン性の両方がより効果的に得られる。
【００７５】
また、ファウリング防止皮膜３２の膜厚Ｔ２方向におけるふっ素の濃度勾配は、上記に限定されるものではなく、例えば、濃度勾配の関係を曲線状として構成することも可能である（例えば、図７のグラフ中に破線で示す曲線を参照）。
【００７６】
また、上述のような、ふっ素濃度の濃度勾配が設けられたＤＬＣからなるファウリング防止皮膜３２を形成する方法としては、上記第２の実施形態において説明したファウリング防止皮膜３１と同じ方法で形成することができる。
【００７７】
本実施形態の蒸気タービンブレード１４によれば、上記第１〜第４の実施形態の蒸気タービンブレード１０、１１、１２、１３と同様、優れた耐エロージョン性及び耐ファウリング性が得られる。また、上記構成のファウリング防止皮膜３２を備えることにより、蒸気タービンブレード１０、１１、１２、１３に備えられるような硬質皮膜２が不要となるので、工程が省略でき、製造コストを低減できるという効果が得られる。
【００７８】
［蒸気タービンブレードの第６の実施形態］
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１５について、図１２及び図１３を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上記第３の実施形態の蒸気タービンブレード１２、並びに第５の実施形態の蒸気タービンブレード１４と同様の構成については共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード１５は、基材１と、上述のようなふっ素の濃度勾配が設けられたファウリング防止皮膜３２との間に、さらに中間層４１が設けられている点で、上記第５の実施形態の蒸気タービンブレード１４とは異なる構成とされている。
【００７９】
本実施形態の中間層４１は、ファウリング防止皮膜３２に発生する内部応力を緩和し、基材１とファウリング防止皮膜３２との間の密着性をより高める効果がある。
中間層４１の材質としては、上記第３の実施形態の蒸気タービンブレード１２に備えられる中間層４を同様の材料を用いることができ、また、膜厚も同じ膜厚とすることができる。
また、中間層４１の成膜方法としても、中間層４と同様のスパッタリング法を何ら制限無く採用することができる。
【００８０】
本実施形態のタービンブレード１５によれば、上述したような、基材１とファウリング防止皮膜３２との間の密着性をより高める効果が得られるとともに、上記第１〜５の実施形態の蒸気タービンブレード１０、１１、１２、１３、１４と同様、優れた耐エロージョン性及び耐ファウリング性が得られる。また、上記第５の実施形態の蒸気タービンブレード１４と同様、硬質皮膜が不要となるので、製造コストを低減することが可能となる。
【００８１】
［蒸気タービンブレードの第７の実施形態］
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１６について、図１４を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上記第２の実施形態の蒸気タービンブレード１１等と同様の構成については共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード１６は、硬質皮膜２とファウリング防止皮膜３１との間に、さらに、ＤＬＣからなる中間硬質膜５が形成されている点で、第２の実施形態の蒸気タービンブレード１２とは異なる。
【００８２】
本実施形態の蒸気タービンブレード１６に備えられる中間硬質膜５は、上記第５の実施形態の蒸気タービンブレード１４に備えられるものと同様である。蒸気タービンブレード１６は、中間硬質膜５が備えられることにより、硬質皮膜２とファウリング防止皮膜３１との間の密着性をより高める効果が得られる。また、蒸気タービンブレード１１と同様、ふっ素の濃度勾配が設けられたファウリング防止皮膜３１が備えられることにより、優れた耐エロージョン性及び耐ファウリング性が得られる。
【００８３】
［蒸気タービンブレードの第８の実施形態］
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１７について、図１５を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上記第２の実施形態の蒸気タービンブレード１１等と同様の構成については共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード１７は、基材１と硬質皮膜２との間に、さらに、中間層４が形成されている点で、第２の実施形態の蒸気タービンブレード１２とは異なる。
【００８４】
本実施形態の蒸気タービンブレード１７に備えられる中間層４は、上記第３の実施形態の蒸気タービンブレード１２に備えられるものと同様である。蒸気タービンブレード１７は、中間層４が備えられることにより、基材１と硬質皮膜２との間の密着性をより高める効果が得られる。また、上記同様、ふっ素の濃度勾配が設けられたファウリング防止皮膜３１が備えられることにより、優れた耐エロージョン性及び耐ファウリング性が得られる。
【００８５】
［蒸気タービンブレードの第９の実施形態］
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード１８について、図１６を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、上記第２の実施形態の蒸気タービンブレード１１等と同様の構成については共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード１８は、さらに、基材１と硬質皮膜２との間に中間層４が形成され、硬質皮膜２とファウリング防止皮膜３１との間にＤＬＣからなる中間硬質膜５が形成されている点で、第２の実施形態の蒸気タービンブレード１２とは異なる。
【００８６】
本実施形態の蒸気タービンブレード１８に備えられる中間層４は、上記第３の実施形態の蒸気タービンブレード１２に備えられるものと同様であり、また、中間硬質膜５は、上記第５の実施形態の蒸気タービンブレード１４に備えられるものと同様である。
蒸気タービンブレード１８は、中間層４によって基材１と硬質皮膜２との間の密着性がより高められ、また、中間硬質膜５によって硬質皮膜２とファウリング防止皮膜３１との間の密着性がより高められる効果が得られる。また、上記同様、ふっ素の濃度勾配が設けられたファウリング防止皮膜３１が備えられることにより、優れた耐エロージョン性及び耐ファウリング性が得られる。
【００８７】
［回転機械用の部品の他の例］
本発明においては、上述の蒸気タービンブレードと同様のファウリング防止皮膜を基材の表面上に形成することにより、例えば、化学プラント等で用いられ、各種気体を圧縮するコンプレッサポンプに備えられるインペラやロータ等の回転機械用の部品を構成することが可能となる。
【００８８】
本発明に係る回転機械用部品として、詳細な図示を省略するが、例えば、コンプレッサポンプのインペラを構成した場合には、該インペラの表面に、図４等に示すような蒸気タービンブレードと同様のファウリング防止皮膜及び硬質皮膜が設けられた構成とすることができる。これにより、上記本発明に係る蒸気タービンブレードと同様、ファウリングが生じるのを抑制することができ、また、気体がインペラに直接接触しても、エロージョンが生じるのを抑制することが可能となる。
【００８９】
さらに、上述の蒸気タービンブレードと同様の中間層が、基材と硬質皮膜との間に設けられている構成とすれば、硬質皮膜に発生する内部応力を緩和し、基材と硬質皮膜との間の密着性をより高める効果が得られる点で好ましい（第３の実施形態の蒸気タービンブレード１２の説明を参照）。
さらに、上述の蒸気タービンブレードと同様の中間硬質膜が、硬質皮膜とファウリング防止皮膜との間に設けられている構成とすれば、耐エロージョン性がより高められる点で好ましい（第４の実施形態の蒸気タービンブレード１３の説明を参照）。
【００９０】
また、ふっ素濃度の濃度勾配が設けられたＤＬＣからなるファウリング防止皮膜が基材の表面上に備えられた構成とすることにより、基材上に硬質皮膜を設けることなく、耐ファウリング性並びに耐エロージョン性の両方を得ることができる（第５及び第６の実施形態の蒸気タービンブレード１４、１５の説明を参照）。
【００９１】
また、本実施形態の回転機械用の部品に備えられるファウリング防止皮膜及び硬質皮膜、さらに、中間層、硬質皮膜層の各々は、上記蒸気タービンブレードと同様の皮膜であることから、その材質や膜厚等の他、成膜方法等の製造工程も共通とすることが可能である。
例えば、上述のようなコンプレッサポンプのインペラ表面にファウリング防止皮膜を形成する方法として、電子線の放電によって反応ガスをイオン化して蒸着するイオン化蒸着法を採用し、上記同様の条件で基材上にファウリング防止皮膜を形成することにより、耐ファウリング性に優れた皮膜が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明に係る回転機械用の部品の一例である蒸気タービンブレードを模式的に説明する図であり、蒸気タービンブレードが用いられる蒸気タービンを示す概略図である。
【図２】本発明に係る蒸気タービンブレードの第１の実施形態について模式的に説明する斜視図である。
【図３】本発明に係る蒸気タービンブレードの一例を模式的に説明する概略図であり、図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明に係る蒸気タービンブレードの第１の実施形態について模式的に説明する図であり、基材上に硬質皮膜及びファウリング防止皮膜が順次積層された構造を示す断面図である。
【図５】本発明に係る蒸気タービンブレードの第１の実施形態について模式的に説明する図であり、（ａ）はファウリング防止皮膜中のふっ素含有率とシリカ粒子付着量との関係を示すグラフであり、（ｂ）はファウリング防止皮膜中のふっ素含有率と硬さとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る蒸気タービンブレードの第１の実施形態について模式的に説明する図であり、（ａ）は、本発明に係る蒸気タービンブレードを用いた場合の連続稼動時間と磨耗量並びにファウリング量との関係を示すグラフであり、（ｂ）は耐エロージョン性のみを付与した従来の皮膜が設けられた場合、（ｃ）は耐ファウリング性のみを付与した従来の皮膜が設けられた場合の、連続稼動時間と磨耗量並びにファウリング量との関係を示すグラフである。
【図７】本発明に係る蒸気タービンブレードの第２の実施形態について模式的に説明する図であり、基材上に硬質皮膜及びファウリング防止皮膜が順次積層された構造を示す断面図と、ファウリング防止皮膜の膜厚方向におけるふっ素濃度勾配を示すグラフである。
【図８】本発明に係る蒸気タービンブレードの第３の実施形態について模式的に説明する図であり、基材上に中間層、硬質皮膜及びファウリング防止皮膜が順次積層された構造を示す断面図である。
【図９】本発明に係る蒸気タービンブレードの第４の実施形態について模式的に説明する図であり、（ａ）は、基材上に中間層、硬質皮膜、中間硬質膜及びファウリング防止皮膜が順次積層された構造を示す断面図、（ｂ）は、基材上に硬質皮膜、中間硬質膜及びファウリング防止皮膜が順次積層された構造を示す断面図である。
【図１０】本発明に係る蒸気タービンブレードの第５の実施形態について模式的に説明する図であり、基材上にファウリング防止皮膜が積層された構造を示す断面図と、ファウリング防止皮膜の膜厚方向におけるふっ素濃度勾配を示すグラフ、並びに、ふっ素濃度勾配（あるいは膜厚）と硬度の関係を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る蒸気タービンブレードの第５の実施形態について模式的に説明する図であり、基材上にファウリング防止皮膜が積層された構造を示す断面図と、ファウリング防止皮膜の膜厚方向におけるふっ素濃度勾配を示すグラフ、並びに、ふっ素濃度勾配（あるいは膜厚）と硬度の関係を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る蒸気タービンブレードの第６の実施形態について模式的に説明する図であり、基材上に中間層及びファウリング防止皮膜が積層された構造を示す断面図と、ファウリング防止皮膜の膜厚方向におけるふっ素濃度勾配を示すグラフ、並びに、ふっ素濃度勾配（あるいは膜厚）と硬度の関係を示すグラフである。
【図１３】本発明に係る蒸気タービンブレードの第６の実施形態について模式的に説明する図であり、基材上に中間層及びファウリング防止皮膜が積層された構造を示す断面図と、ファウリング防止皮膜の膜厚方向におけるふっ素濃度勾配を示すグラフ、並びに、ふっ素濃度勾配（あるいは膜厚）と硬度の関係を示すグラフである。
【図１４】本発明に係る蒸気タービンブレードの第７の実施形態について模式的に説明する図であり、基材上に硬質皮膜、中間硬質膜及びファウリング防止皮膜が順次積層された構造を示す断面図と、ファウリング防止皮膜の膜厚方向におけるふっ素濃度勾配を示すグラフである。
【図１５】本発明に係る蒸気タービンブレードの第８の実施形態について模式的に説明する図であり、基材上に中間層、硬質皮膜及びファウリング防止皮膜が順次積層された構造を示す断面図と、ファウリング防止皮膜の膜厚方向におけるふっ素濃度勾配を示すグラフである。
【図１６】本発明に係る蒸気タービンブレードの第９の実施形態について模式的に説明する図であり、基材上に中間層、硬質皮膜、中間硬質膜及びファウリング防止皮膜が順次積層された構造を示す断面図と、ファウリング防止皮膜の膜厚方向におけるふっ素濃度勾配を示すグラフである。
【図１７】従来の蒸気タービンブレードを説明する図であり、基材上に各皮膜が形成された積層構造を示す模式断面図である。
【図１８】従来の蒸気タービンブレードを説明する図であり、基材上に各皮膜が形成された積層構造を示すとともに、最表面の拡大図を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００９３】
１…基材、１ａ…表面（基材）、２…硬質皮膜、３、３１、３２…ファウリング防止皮膜、３ａ、３１ａ、３１ａ…表面（ファウリング防止皮膜）、４…中間層、５…中間硬質膜、１０、１１、１２、１３、１３Ａ、１４、１５、１６、１７、１８…蒸気タービンブレード（回転機械用の部品）、４０…蒸気タービン、Ｅ…領域（エロージョン発生部位）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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