(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１４質量％以上３０質量％以下のＭｏと、
１３質量％以上２０質量％以下のＣｒと、
０．５質量％以上４質量％以下のＳｉと、
０．０１質量％以上３質量％以下のＹと、
を含有し、
１．５質量％以下のＮｉと、
０．１質量％以上１０質量％以下のＦｅと、
０．０８質量％以下のＣと、
０．０１質量％以上１０質量％以下のＡｌと、
からなる群より選ばれる一または複数の元素を任意的に含有し、
残部がＣｏ及び不可避的不純物からなるコーティング材料。
【請求項２】
０．０１質量％以上１０質量％以下のＡｌを含有する、請求項１に記載のコーティング材料。
【請求項３】
０．１質量％以上１０質量％以下のＦｅを含有する、請求項１に記載のコーティング材料。
【請求項４】
０．０１質量％以上１０質量％以下のＡｌと、
０．１質量％以上１０質量％以下のＦｅと、
の両方を含有する、請求項１に記載のコーティング材料。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のコーティング材料からなる溶射粉末を用いて、高速フレーム溶射により基材表面にコーティング皮膜を形成する工程を含む、コーティング方法。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のコーティング材料からなる溶射粉末を用いて、減圧プラズマ溶射又は雰囲気プラズマ溶射により基材表面にコーティング皮膜を形成する工程を含む、コーティング方法。
【請求項７】
前記コーティング皮膜を形成する工程の後に、熱拡散処理を施す工程を含む、請求項５または請求項６に記載のコーティング方法。
【請求項８】
タービン動翼の先端にシュラウドが設けられたシュラウド付き動翼であって、
前記シュラウドが、使用の際に隣接配置される他の動翼の先端に設けられた他のシュラウドと接触しうるコンタクト面を有し、
該コンタクト面が、請求項１から請求項４のいずれかに記載のコーティング材料から形成されたコーティング皮膜を有してなる、シュラウド付き動翼。
【請求項９】
前記コーティング皮膜が、前記高速フレーム溶射により形成される請求項８に記載のシュラウド付き動翼。
【請求項１０】
前記コーティング皮膜が、前記減圧プラズマ溶射又は前記雰囲気プラズマ溶射により形成される請求項８に記載のシュラウド付き動翼。
【請求項１１】
前記コーティング皮膜が形成された後に、熱拡散処理が施される請求項９または１０に記載のシュラウド付き動翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーティング材料及びその製造方法並びにコーティング方法並びにシュラウド付き動翼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、シュラウド付き動翼を示す一部斜視図である。この動翼１の先端には、流体の漏れを防止すると共に動翼１のねじれを拘束するＺ型シュラウド２が形成されており、さらに、隣接する動翼１のシュラウド２と接触する面であるコンタクト面３を有している。また、動翼１には、偏流や静翼ノズルパッシング、フラッタなどに起因した各種の振動が発生するため、前記シュラウド２のコンタクト面３には、耐磨耗処理が施されるのが通常である。従来では、ＡＰＳ溶射（大気圧プラズマ溶射）によりトリバロイ８００（Ｔ−８００：コバルト基耐磨耗材）のコーティング皮膜を施していた。
【０００３】
しかし、上記ＡＰＳ溶射では、シュラウド２のコンタクト面３における母材との密着性が低く、剥離しやすいという問題点があった。そこで、タービン動翼１のシュラウドコンタクト面３に対して高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）あるいは雰囲気プラズマ溶射によりトリバロイコーティング皮膜を形成し、拡散熱処理を施すコーティング方法が特許文献１に提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５２８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ｔ−８００コーティング皮膜は、延性に優れ、かつ、高い耐磨耗特性を有するものの、近年の高温ガスタービンでは、３段動翼のチップ部のメタル温度が７５０℃以上となり、著しい酸化減肉を生じ、耐磨耗コーティング皮膜としての機能を喪失している。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高い耐磨耗性を維持しつつ高温における耐酸化性を向上したコーティング皮膜を得るためのコーティング材料及びその製造方法並びに該コーティング材料を用いたコーティング方法及びシュラウド付き動翼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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るコーティング材料は、１４質量％以上３０質量％以下のモリブデン（Ｍｏ）と、１３質量％以上２０質量％以下のクロム（Ｃｒ）と、０．５質量％以上４質量％以下のケイ素（Ｓｉ）とを含有し、１．５質量％以下のニッケル（Ｎｉ）と、０．１質量％以上１０質量％以下の鉄（Ｆｅ）と、０．０８質量％以下の炭素（Ｃ）とを含有することを許容し、残部がコバルト（Ｃｏ）及び不可避的不純物からなるコーティング材料であって、０．０１質量％以上３質量％以下のイットリウム（Ｙ）と、０．０１質量％以上１０質量％以下のアルミニウム（Ａｌ）と、からなる群より選ばれる少なくとも一種の添加成分を含有する。
本発明のコーティング材料は、高い耐磨耗性と高い高温耐酸化性を両立したコーティング皮膜を製膜するための材料となる。
【０００８】
上記本発明のコーティング材料において、前記添加成分は、０．０１質量％以上３質量％以下のＹとすることができる。
Ｙを添加することにより、後述のとおり、コーティング皮膜の耐酸化性を向上することができる。
【０００９】
上記本発明のコーティング材料において、前記添加成分は、０．０１質量％以上１０質量％以下のＡｌとすることができる。
Ａｌを添加することにより、後述のとおり、高温におけるコーティング皮膜の耐酸化性を向上することができる。
【００１０】
上記本発明のコーティング材料において、前記添加成分は、０．１質量％以上１０質量％以下のＦｅとすることができる。
Ｆｅを添加することにより、後述のとおり、高温におけるコーティング皮膜の耐酸化性を向上することができる。
【００１１】
上記本発明のコーティング材料において、前記添加成分は、０．０１質量％以上１０質量％以下のＡｌと、０．１質量％以上１０質量％以下のＦｅであってもよい。
この場合、ＡｌとＦｅの両方を所定量ずつ添加することにより、高温におけるコーティング皮膜の耐酸化性をより向上することができる。
【００１２】
上記本発明のコーティング材料において、前記添加成分は、０．０１質量％以上１０質量％以下のＡｌと、０．０１質量％以上３質量％以下のＹであってもよい。
この場合、ＡｌとＹの両方を所定量ずつ添加することにより、高温におけるコーティング皮膜の耐酸化性をより向上することができる。
【００１３】
上記本発明のコーティング材料において、前記添加成分は、０．０１質量％以上１０質量％以下のＡｌと、０．１質量％以上１０質量％以下のＦｅと、０．０１質量％以上３質量％以下のＹであってもよい。
この場合、Ａｌ、Ｆｅ及びＹの３成分を所定量ずつ添加することにより、高温におけるコーティング皮膜の耐酸化性をさらに向上することができる。
【００１４】
本発明に係るコーティング方法は、前述したいずれかのコーティング材料からなる溶射粉末を用いて、高速フレーム溶射により基材表面にコーティング皮膜を形成する方法である。
本発明のコーティング方法によれば、高い耐磨耗性と高い高温耐酸化性を両立した緻密なコーティング皮膜を製膜することができる。
【００１５】
また、本発明に係る別のコーティング方法は、前述したいずれかのコーティング材料からなる溶射粉末を用いて、減圧プラズマ溶射又は雰囲気プラズマ溶射により基材表面にコーティング皮膜を形成する方法である。
このコーティング方法によれば、高い耐磨耗性と高い高温耐酸化性を両立した緻密なコーティング皮膜を製膜することができる。
【００１６】
上記いずれかのコーティング方法において、前記コーティング皮膜を形成した後、熱拡散処理を施すことが好ましい。
この場合、コーティング皮膜の膜質が改善し、コーティング皮膜と母材との密着性がされに向上する。
【００１７】
本発明に係るシュラウド付き動翼は、タービン動翼の先端にシュラウドが設けられたシュラウド付き動翼であって、前記シュラウドが、使用の際に隣接配置される他の動翼の先端に設けられた他のシュラウドと接触しうるコンタクト面を有し、該コンタクト面が、前記いずれかのコーティング方法により形成されたコーティング皮膜を有してなる。
本発明のシュラウド付き動翼は、高い耐磨耗性と高い高温耐酸化性を両立した緻密なコーティング皮膜をコンタクト面に有しているので、シュラウドのコンタクト面の酸化減肉が少なく、長寿命である。
【００１８】
次に、本発明に係るコーティング材料の組成における各添加成分量の限定理由を述べる。なお、以下において、特に断りのない限り、各成分量はその質量を、材料全体の質量を１００として質量百分率で表したものである。
Ｙは、本発明のコーティング材料を用いて形成したコーティング皮膜において、生成する酸化スケールの脱落を防止する、いわゆるペグ効果があり、コーティング皮膜の耐酸化性を向上する。Ｙの添加量が０．０１質量％未満では前記効果がなく、また、３％を超えるとコーティング皮膜中での偏析が著しく、コーティング皮膜の延性などの機械的特性を阻害する。Ｙの添加量は０．１％以上２％以下がより好ましく、０．３％以上１．０％以下が最も好ましい。
【００１９】
Ａｌは、本発明のコーティング材料を用いて形成したコーティング皮膜において、保護性の酸化皮膜であるＣｒ２Ｏ３の安定化に寄与し、コーティング皮膜の耐酸化性を向上する。Ａｌの添加量が０．０１％未満ではコーティング皮膜の耐酸化性改善効果がなく、また、１０％を超えると、コーティング皮膜の耐酸化性、耐磨耗性は良くなるが、コーティング皮膜が著しく硬くなり、割れを生じやすくなる。Ａｌの添加量は１％以上７％以下がより好ましく、３％以上５％以下が最も好ましい。
【００２０】
Ｆｅは、実験から、本発明のコーティング材料を用いて形成したコーティング皮膜の耐酸化性を向上することが分かった。ＣｏとＦｅは固溶化するので、耐酸化性に乏しいＭｏの割合が減少することが、コーティング皮膜の耐酸化性を向上する一因と考えられる。Ｆｅの添加量が０．０１％未満ではコーティング皮膜の耐酸化性改善効果がなく、また、１０％を超えると、コーティング皮膜の耐酸化性は良くなるものの、耐磨耗性が低下する。Ｆｅの添加量は１％以上７％以下がより好ましく、３％以上５％以下が最も好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高い耐磨耗性を維持しつつ高温における耐酸化性を向上したコーティング皮膜を得るためのコーティング材料及びその製造方法並びに該コーティング材料を用いたコーティング方法及びシュラウド付き動翼を提供することができる。
本発明によって得られるコーティング皮膜は、例えば、８５０℃での連続使用にも耐えられるので、特に高温ガスタービンにおける３段動翼のシュラウドのコンタクト面に用いた場合に、Ｔ−８００により製膜したコーティング皮膜を形成した場合は２年程度だったコンタクト面の寿命を、３年以上にまで著しく向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態に係るコーティング材料及びその製造方法並びにコーティング方法並びにシュラウド付き動翼について、図面を参照しつつ下記実施例により詳細に説明する。なお、これら実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００２４】
（実施例１〜実施例７）
表１に示した実施例１ないし実施例７の組成を有する溶射用粉末を、図２に示す装置を用いてガスアトマイズ法により作製した。ガスアトマイズ法は、次のように行われる。
所定の合金成分をレビテーション炉１２内で過熱して溶解後、タンデッシュの底部に設けた噴霧ノズル１４のノズル穴からその溶湯を流し、溶湯の細かい流れを作る。その溶湯の流れに、周囲から不活性なジェット流体（一般にはＨｅガス等）を吹き付けて、そのジェット流体のエネルギーで噴霧チャンバ１６中に流下させる。流下してくる溶湯流を順次、粉化、生成した液滴を落下させながら凝固させて合金粉末とする。下流側に設けられたサイクロン１８により合金粉末と排気が分離され、合金粉末はサイクロンの下部に設けられた粉末回収容器２０中に回収される。
このように製造されたガスアトマイズ合金粉末は、均一に溶融された合金の湯を瞬間的に液滴化と冷却を行うため、均一な微細組織が得られる。また、同じ溶湯から連続的に液滴をつくるため、粒子間の組成差はきわめて小さく、大きな粒子、小さな粒子とも組成差が小さいという特徴がある。ガスアトマイズ法では、球状の粉末が得られる。
溶射用粉末の粒度分布は、篩いを用いて５３μｍ以下とした。
【００２５】
次に、図１を参照して説明すると、前記溶射用粉末をコーティング材料として用いて、ＩＮ７３８ＬＣを母材とするシュラウド２のコンタクト面３となる側の面に対して、高速ガス炎溶射（ＨＶＯＦ：High Velocity Oxy-Fuel）を行い、コーティング皮膜を施した。なお、以下の説明において、説明の便宜上、コーティング皮膜の形成の前後に関わらず、シュラウド２のコンタクト面３となる側の面を「コンタクト面」という。
【００２６】
上記溶射用粉末を、粉末状態のまま溶射ガンに供給し、酸素とケロシンを燃焼させ、比較的低温（１６００℃以下）で溶射用粉末を加熱溶融して、コンタクト面３に対して高速（３００ｍ／ｓ以上）で射出し、コンタクト面３にコーティング皮膜を製膜した。ＨＶＯＦのフレーム速度は遅くても３００ｍ／ｓないし５００ｍ／ｓであり、これにより溶射材料をコンタクト面３に衝突させ、緻密なコーティング皮膜を製膜することができる。コーティング皮膜の膜厚は、０．２ｍｍ程度とした。
【００２７】
本実施形態における具体的なＨＶＯＦの溶射条件（Ｈｏｂａｒｔ−ＴＡＦＡ社  ＪＰ５０００システム）は以下の通りである。
燃焼圧力      ：０．７ＭＰａ
ケロシン流量  ：２０Ｌ／ｈ
酸素流量      ：５４ｍ３／ｈ
溶射距離      ：５００ｍｍ
ガン移動速度  ：５００ｍｍ／ｓｅｃ
ガン移動ピッチ：６ｍｍ
使用溶射装置  ：Ｐｒａｘａｉｒ社製ＪＰ５０００
【００２８】
ＨＶＯＦは大気中で行われるので、低コストであること、大型部品に適用可能であること、等において有利な製膜方法である。
ＨＶＯＦにより形成したコーティング皮膜は、気孔が少ないこと、溶射温度が低いことにより酸化され難いため皮膜の粒界に酸化物が少ないことなどから、膜質改善のため、製膜後に真空炉にて拡散熱処理を施した。熱処理工程は、例えば、溶体化熱処理として１１２１℃で２．５時間加熱後、窒素中で冷却し、次いで時効熱処理として８５０℃で２４時間加熱後、窒素中で冷却すればよい。なお、これら熱処理は、母材の熱処理と兼ねても構わない。
【００２９】
この拡散熱処理は、動翼１自体に対する熱処理と一括して行うことができる。なお、以上のように、ＨＶＯＦを用いて溶射を行い、拡散熱処理を施すことにより、母材及びコーティング被膜並びに溶射用粒子に由来する皮膜内の組織どうしを拡散、一体化させ、コンタクト面３の母材に対して密着性が優れ、剥離し難いコーティング皮膜を得ることができる。
【００３０】
図３に、１０００℃におけるコーティング皮膜の等温酸化試験の結果を示す。等温酸化試験は、ＳＥＴＡＲＡＭ社製ＴＧ９６  Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｅｒを用いて、Ａｒガス中（流量１Ｌ／ｈｒ）、５℃／ｍｉｎで昇温し、目標温度に到達後、ガスを乾燥空気（流量は同じ）に代えて、酸化による質量変化を連続的に測定した。いずれの実施例においても、コーティング材料としてＴ−８００を用いた後述の比較例１と比べて、耐酸化性が大幅に改善された。比較例１では１０００℃での酸化時間５０時間で１４ｍｇ／ｃｍ２の質量増加であったので、いずれの実施例においても、およそ１／１０以下のの酸化量に低減されている。
【００３１】
図４に、コーティング皮膜のロックウェルＣスケール硬さを示す。いずれの実施例においても、コーティング材料としてＴ−８００を用いた後述の比較例１と比べて、コーティング皮膜の硬さが維持されていることが分かる。
図３及び図４に示した結果から、実施例１ないし実施例７のコーティング材料を用いることにより、従来よりも高温酸化雰囲気に耐え、より長時間使用可能なシュラウドコンタクト面のコーティング皮膜を得ることができることが分かる。
【００３２】
（比較例１）
表１に示した比較例１の組成を有する溶射用粉末（Ｔ−８００）を用いて、実施例１と同様の方法でシュラウド２のコンタクト面３にコーティング皮膜を製膜した。
【００３３】
図３に、１０００℃におけるコーティング皮膜の酸化試験の結果を示す。Ｔ−８００の溶射用粉末を用いて製膜されたコーティング皮膜は高温耐酸化性に劣ることが分かる。
図４に、コーティング皮膜のロックウェルＣスケール硬さを示す。
【００３４】
【表１】
0005529366.tif 000002
【００３５】
第２の実施形態
コーティング皮膜の製膜は、ＨＶＯＦに代えて、ＨＶＡＦ（High Velocity
Air Fuel）を用いて行ってもよい。この場合、緻密で酸化物の少ないコーティング皮膜を得ることができる。このためコンタクト面３のコーティング皮膜と母材との密着性が向上する。
【００３６】
第３の実施形態
コーティング皮膜の製膜は、ＨＶＯＦに代えて、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ：Low
Pressure Plasma Spraying）を用いて行ってもよい。プラズマの作動ガスには、アルゴン、アルゴンと窒素の混合ガスなどを用いることができる。
表２に、ＬＰＰＳの溶射条件（スルザーメテコ社  減圧溶射システム）の例を示す。なお、表２において「Ｃｌｅａｒｉｎｇ」とは、逆極性アーク放電により対象物の表面の付着物を飛ばすことをいう。
【００３７】
【表２】
0005529366.tif 000003
【００３８】
減圧雰囲気中で溶射した皮膜には酸化物の形成がないため、緻密になり、母材との密着性に優れたものとなる。さらに、拡散熱処理により膜質改善することにより、密着性がさらに向上する。ＬＰＰＳ用の溶射用粉末としては、粒度分布が１０μｍ以上４４μｍ以下のものを用いることができる。
なお、減圧プラズマ溶射の他に雰囲気プラズマ溶射を用いることもできる。
【００３９】
第４の実施形態
コーティング皮膜の製膜は、ＨＶＯＦに代えて、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ：Atmospheric
Plasma Spraying）を用いて行ってもよい。ＡＰＳ用の溶射用粉末としては、粒度分布が１０３μｍ以下のものを用いることができる。
【００４０】
以上、本発明のコーティング材料を用いてシュラウド付き動翼におけるシュラウドのコンタクト面にコーティング皮膜を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されず、上記コーティング皮膜は、高温ガスに曝露され摩擦部分を有するタービン部材にも適用することができる。本発明のコーティング材料は、例えば、シールピンなどのコーティング皮膜形成にも有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】シュラウド付き動翼を示す一部斜視図である。
【図２】ガスアトマイズ法に用いる装置の模式断面図である。
【図３】実施例及び比較例によるコーティング皮膜の酸化試験の結果を示すグラフである。
【図４】実施例及び比較例によるコーティング皮膜のロックウェルＣスケール硬さを示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１ 動翼
２ シュラウド
３ コンタクト面
【図１】
0005529366.tif 000004
【図２】
0005529366.tif 000005
【図３】
0005529366.tif 000006
【図４】
0005529366.tif 000007