(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱合金で形成された基材と、該基材の表面を被覆し、該基材よりも高温耐食性に優れた合金からなる結合層と、該結合層の表面を被覆するセラミック層とを少なくとも燃焼ガスに曝される部分に有してなり、該セラミック層は、ＺｒＯ２を主成分とし、Ｓｃ２Ｏ３を５重量％以上１０重量％以下含有し、気孔率が２％以上２０％以下の多孔質組織であるガスタービン翼。
【請求項２】
前記セラミック層の厚さが０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン翼。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガスタービン翼を備えてなるガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン翼に係り、特に、高温腐食耐性を有するガスタービン翼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温環境で使用するガスタービンの動翼や静翼などでは、特開平１０−１１０２７９号公報などに、基材となる耐熱合金、この耐熱合金の表面をこの耐熱合金よりも高温耐食耐酸化性の高い合金からなる結合層で覆い、さらにこの結合層を、ＺｒＯ２を主成分とするセラミック層で覆って高温耐久性を向上することが提案されている。
【０００３】
セラミック層は、セラミック層で覆われる基材部分の温度低減を図る熱遮へいコーティングとして用いられ、その代表的な構成は、例えばＭＣｒＡｌＹ合金層を結合層とし、その上に熱伝導率の小さいＺｒＯ２系セラミック層を設けたものである。ＺｒＯ２系セラミックはＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３などの添加剤を加えた組成で、添加剤はＺｒＯ２の相変態を防止する役割をはたし、相変態での寸法変化に伴なうセラミック層の損傷を防いでいる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来のガスタービン翼では、セラミック層の形成により耐熱性は向上するが、セラミック層の高温腐食に対する検討がなされていない。すなわち、例えば腐食を引き起こす成分を含む燃料などを用いる場合など高温環境で腐食性の高いガスに曝されるガスタービンにおいて、燃焼ガスに曝される動翼や静翼などでは、高温腐食によるセラミック層の損傷や剥離などが発生し易い。セラミック層が損傷や剥離した場合、耐熱性が低減することに加え、セラミック層の損傷が合金被覆層や基材にも伝播することもあり、ガスタービン翼の損傷を招いてしまう。したがって、従来のガスタービン翼では、高温腐食が発生し易い環境で用いられる場合、高温腐食が発生し難い環境で用いられている場合に比べ信頼性が低下してしまう。このため、ガスタービンの短期間での定期点検や、ガスタービン翼の補修または交換などを行う必要があり、保守点検などの手間やコストの増加を招いている。
【０００５】
ここで、特開平１０−１１０２７９号公報などに記載されているようなＺｒＯ２を主成分とし、添加剤としてＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３などを含むセラミック層では、高温腐食作用により、添加剤であるＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３などが新たな化合物となってセラミック層中から消耗消失し、その結果セラミック層の損傷や剥離などによるガスタービン翼の損傷が生じる。このため、添加剤としてＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３などを含むセラミック層では高温腐食耐性を向上することはできない。一方、添加剤としてＣｅＯ、Ｓｃ２Ｏ３を含むセラミック層も開示されているが、これらの添加剤を用いたセラミック層では、ＣｅＯを含むセラミックにおいて若干の高温腐食耐性の向上が認められること（Ｂ．Ａ．Ｎａｇａｒａｊ：ＡＳＭＥ，  ８９−ＧＴ−２７０，  １９８９）、Ｓｃ２Ｏ３を含む高密度の焼結セラミックで高温腐食耐性が向上すること（Ｒ．Ｌ．Ｊｏｎｅｓ：Ｓｕｒｆａｃｅ  ａｎｄ  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｔｅｃｈ．１９８９）などの報告がある。しかし、ＣｅＯを含むセラミックでは、実用的には従来のものとほとんど変わらないレベルである。Ｓｃ２Ｏ３を含む高密度の焼結セラミックでは、高温腐食耐性が向上したとしても、気孔率が極めて低い高密度の焼結材を、例えばガスタービンなどのセラミック層として用いた場合、ガスタービンの起動、停止によって生じる熱応力に対するセラミック層の耐久性が得られずガスタービン翼の信頼性が低下してしまう。また、特開平１０−１１０２７９号公報などでは、添加剤としてＳｃ２Ｏ３を含むセラミック層が十分な高温腐食耐性を得るための適切な組成や組織に関する検討はなされていない。
【０００６】
本発明の課題は、ガスタービン翼の信頼性を向上することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
高温腐食耐性と熱応力に対する耐久性を得るため、ＺｒＯ２を主成分とし、添加剤としてＳｃ２Ｏ３を含むセラミック層、すなわちＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３系セラミック層の多孔質組織、つまり気孔率に関して、熱サイクル試験によって熱応力耐性に関して検討した結果と、ＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３系セラミック層の組成をバーナリグ高温腐食試験によって高温腐食耐性に関して検討した結果とから、本発明は、以下の手段により上記課題を解決する。
【０００８】
すなわち、耐熱合金で形成された基材と、この基材の表面を被覆し、この基材よりも高温耐食性に優れた合金からなる結合層と、この結合層の表面を被覆するセラミック層とを少なくとも燃焼ガスに曝される部分に有してなり、このセラミック層は、ＺｒＯ２を主成分とし、Ｓｃ２Ｏ３を５重量％以上１０重量％以下含有し、気孔率が２％以上２０％以下の多孔質組織である耐熱合金で形成されたガスタービン翼とする。
【０００９】
このように、添加剤であるＳｃ２Ｏ３を５重量％以上１０重量％以下含有するセラミック層とすることにより、十分な高温腐食耐性を得ることができる。さらに、セラミック層を気孔率が２％以上２０％以下の多孔質組織にすることで、熱応力が作用した場合でもその応力を多孔質組織により吸収する組織にすることができるので、セラミック層の熱応力に対する耐久性を向上することができる。すなわち、ガスタービン翼の信頼性を向上することができる。
【００１０】
さらに、結合層が、基材とセラミック層との間の熱膨張係数を有し、基材よりも高い耐腐食性と耐酸化性とを備えた合金で形成されていれば、セラミック層が破損した場合、このセラミック層の破損の影響が基材に伝わるのを結合層が抑制するので好ましい。
【００１１】
このとき、気孔率が１０％以上２０％以下の多孔質組織とすれば、セラミック層の熱応力に対する耐久性を一層向上できるので好ましい。また、セラミック層の厚さが０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であれば、セラミック層の熱応力に対する耐久性を向上するめに、セラミック層の気孔率を制御し易くできるので好ましい。
【００１２】
また、上記のいずれかのガスタービン翼を備えたガスタービンとすれば、腐食性の高い燃焼ガスを用いる場合でも、ガスタービンの信頼性を向上できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなるガスタービン翼について図１乃至図４を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなるガスタービン翼の一部分の断面構成を示す模式図である。図２は、セラミック層の気孔率に対するセラミック層の損傷発生までの回数を示す図である。図３は、セラミック層のＳｃ２Ｏ３含有量に対するセラミック層の損傷発生までの回数を示す図である。図４は、本発明を適用してなるガスタービン動翼の一例を示す斜視図である。
【００１４】
本実施形態のガスタービン翼は、図１に示すように、Ｎｉ基またはＣｏ基耐熱合金などで形成されている基材１の表面に、ＭＣｒＡｌＹ合金からなる結合層３を形成し、結合層３の表面にＳｃ２Ｏ３を添加剤として含むＺｒＯ２系セラミックからなるセラミック層５を形成した表面構造になっている。結合層３を形成するＭＣｒＡｌＹ合金は、ＣｏＣｒＡｌＹ合金、ＮｉＣｒＡｌＹ合金、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金のいずれかを用いている。また、このＭＣｒＡｌＹ合金は、基材１を形成するＮｉ基またはＣｏ基耐熱合金よりも高温での耐腐食性と耐酸化性に優れ、かつ基材１を形成するＮｉ基またはＣｏ基耐熱合金とＺｒＯ２系セラミックで形成されたセラミック層５との間の熱膨張係数を有している。最上部のセラミック層５は、ＺｒＯ２を主成分とし、５重量％以上１０重量％以下のＳｃ２Ｏ３を添加剤として含み、かつ、気孔率が２０％以下、望ましくは１０％以上２０％以下の多孔質組織になっている。また、セラミック層５の厚さは、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下になっている。
【００１５】
以下に、高温腐食耐性と熱応力に対する耐久性を得るため、ＺｒＯ２を主成分とし、添加剤としてＳｃ２Ｏ３を含むセラミック層、すなわちＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層の適切な組成と組織について検討した結果を示す。
【００１６】
（実施例１）
ＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５の気孔率が熱応力に対する耐久性に及ぼす影響ついて、大気中での１１００℃への加熱と１７０℃への冷却とを繰り返す熱サイクル試験により検討した。試験片は、Ｎｉ基耐熱合金ＩＮ−７３８（Ｎｉ−８．５％Ｃｏ−１６％Ｃｒ−２．６％Ｗ−１．８％Ｍｏ−１．７５％Ｔａ−０．９％Ｎｂ−３．４％Ａｌ−３．４％Ｔｉ−０．１％Ｃ−０．０１％、いずれも重量％）を基材１とし、その上にＭＣｒＡｌＹ合金であるＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金（Ｃｏ−３２％Ｎｉ−２１％Ｃｒ−８％Ａｌ−０．５％Ｙ、いずれも重量％）からなる厚さ０．１５ｍｍの結合層３を減圧雰囲気中プラズマ溶射にて形成し、その上に、厚さ０．３ｍｍのセラミック層５を設けた構成である。基材１の寸法は、直径２５ｍｍ、厚さ３ｍｍである。セラミック層５は、大気中プラズマ溶射で形成されたＺｒＯ２を主成分として７．５重量％Ｓｃ２Ｏ３を含むＺｒＯ２−７．５ｗｔ％Ｓｃ２Ｏ３セラミック層であり、セラミック層５を形成するときの大気中プラズマ溶射時のプラズマ出力及び溶射原料粉末の粒径を変えることにより、種々の気孔率の組織を有するセラミック層５を得た。なお、セラミック層５の気孔率は光学顕微鏡による断面組織観察結果をもとにして求めた。表１は、ＺｒＯ２−７．５ｗｔ％Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５のプラズマ出力、粉末の粒径がセラミック層５の気孔率に及ぼす影響を示す。
【００１７】
【表１】
0003551883.tif 000002
このようにして得られた種々の気孔率の多孔質組織を有するセラミック層５を形成した試験片について熱サイクル試験を行った。この結果、図２に示すように、
気孔率２０％以下では熱サイクル試験によってセラミック層５に亀裂などの損傷が発生するまでの繰り返し数が３５０回以上であるのに対し、２４％以上では１００回以下であった。これは、気孔率が２４％以上の場合、溶射された個々のセラミック粒子間の密着性が悪いため、熱応力によりセラミック層５が損傷し易くなるものと考えられる。一方、大気中プラズマ溶射では気孔率１０％未満の組織を得ることは困難であったが、他の方法で気孔率が１０％未満のセラミック層５を形成した場合、気孔率が２％以上の多孔質組織を形成することが可能であり、気孔率が２％以上１０％未満のセラミック層５でも熱応力に対する耐久性を向上できる。さらに、気孔率が１０％以上２０％以下のセラミック層を形成すれば、熱応力に対する耐久性を一層向上できる。これらの結果から、熱応力に対する耐久性を向上したセラミック層５としては、気孔率を２０％以下にすることが望ましく、さらに望ましくは気孔率を１０％以上２０％以下とする。なお、気孔率の制御において、溶射原料粉末の粒径と、溶射条件、すなわちプラズマ出力との関係を至適範囲に調整することで気孔率を２０％以下にすることができる
（実施例２）
ＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５の組成が熱応力に対する耐久性に及ぼす影響について実施例１と同じ条件の熱サイクル試験により検討した。本実施例の試験片は、基材１、結合層３などの構成は実施例１と同様であるが、溶射原料粉末の粒径が１０〜４４μｍ、プラズマ出力５０ｋＷの条件で大気中プラズマ溶射し、気孔率が１７％で、Ｓｃ２Ｏ３の含有量が２．５、５、７．５、１０重量％のＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５を形成している。
【００１８】
この結果、図３に示すように、Ｓｃ２Ｏ３の含有量が５重量％以上では、セラミック層５の損傷が発生するまでの繰り返し数が３００回以上であるのに対し、２．５重量％では３０回で損傷が発生した。一方、ＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５のＳｃ２Ｏ３の含有量が１０重量％より大きい場合には、セラミック層５の気孔率の制御が難しくなり、熱応力耐性を向上できなくなる場合がある。さらに、ＺｒＯ２に対するＳｃ２Ｏ３の完全安定化量は、ほぼ１５％程度であるが、熱応力などをセラミック層５が吸収するためには、完全安定化状態ではなく、ある程度の相変態を伴った状態である方がよい。このため、熱応力に対する最大の耐性が得られるのは、図３に示される結果などから、Ｓｃ２Ｏ３の含有量が７．５重量％付近であると考えられ、含有量が１０重量％より大きい場合には、安定化が進むにしたがって熱応力耐性は低下してしまう。また、含有量が１０重量％より大きい場合には、Ｓｃ２Ｏ３のコストの問題も発生する。これらの結果から、熱応力に対する十分な耐久性を得られるＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５は、Ｓｃ２Ｏ３の含有量を５重量％以上１０重量％以下にすればよい。
【００１９】
ところで、高温環境で様々な腐食性の高いガスなどに曝されるガスタービン、例えばＳ、Ｎａ、Ｖなどを含む燃料や、ＮａＣｌが存在する環境などにおいてＳなどを含む燃料を用いるガスタービンなどの燃焼ガスに曝される動翼や静翼などでは、高温腐食によるセラミック層の損傷や剥離などが発生し易い。すなわち、燃料ガス中でＳＯＸ、Ｖ酸化物などが形成され、燃焼用空気中に含まれるＮａＣｌ等により、燃焼ガスに曝される動翼や静翼などの高温部材に損傷が生じる。損傷の形態の１例を挙げれば、ＮａＣｌ−Ｎａ２ＳＯ４などの溶融塩が形成され、これらがＮｉ基またはＣｏ基耐熱合金で構成される動翼や静翼などの表面に付着し、耐熱合金の高温硫化腐食が生じる。また、別の例として、Ｖが低融点のＶ酸化物、例えば、Ｖ２Ｏ３（融点：８９０℃）となり、Ｎｉ基またはＣｏ基耐熱合金の表面に溶融酸化物を形成し、この酸化物層を介して酸化が著しく加速される。この現象がＶアタックであり、燃料中のＮａ等のアルカリ金属も燃焼ガス中でＮａＯ等の酸化物となり、ＮａＯ−Ｖ２Ｏ３（融点：６３０℃）等の低融点の複合酸化物を形成し、Ｖアタックが更に加速する。したがって、Ｓ、Ｎａ、Ｖなどを含む燃料や、ＮａＣｌが存在する環境などにおいてＳなどを含む燃料を用いるガスタービンなどにおける腐食は、燃料中などのＶ、ＮａによるＶアタック、燃焼用空気中などのＮａＣｌと燃料中などのＳによる高温硫化腐食、またはそれらの複合条件などによって引き起こされる。
【００２０】
そこで、Ｖアタック、高温硫化腐食またはそれらの複合条件による腐食に対する耐久性、すなわち高温腐食耐性に関してバーナリグ高温腐食試験により、ＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５の適切な組成を検討した。
【００２１】
（実施例３）
ＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５に関して、Ｖアタックに対する耐久性についてバーナリグ高温腐食試験により検討した。試験片は、基材１、結合層３、セラミック層５からなる。基材１は、実施例１と同じＮｉ基耐熱合金ＩＮ−７３８、寸法が直径９ｍｍ、長さ４０ｍｍのピン形状である。セラミック層５の構成は、実施例２と同じ、気孔率が１７％で、Ｓｃ２Ｏ３の含有量が２．５、５、７．５、１０重量％のＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミックである。表４は、０．１％Ｓ、５０ｐｐｍＶ、５ｐｐｍＮａの燃料を用いたバーナリグ高温腐食試験の結果を示す。試験片の温度は８５０℃、試験時間は１００ｈである。表２中、試験結果で○印は外観上、亀裂などの損傷や剥離が認められないもの、×印は損傷や剥離が認められたものを示す。
【００２２】
【表２】
0003551883.tif 000003
Ｖリッチの燃料を用いたＶアタックとなる本実施例の結果では、Ｓｃ２Ｏ３の含有量が５、７．５、１０重量％のＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５を設けた試験片、すなわちセラミック被覆片は健全であった。一方、気孔率が２３％でＳｃ２Ｏ３の含有量が７．５重量％のＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５を用いて同様の試験を行った結果、セラミック層の剥離が生じた。
【００２３】
（実施例４）
ＺｒＯ２系の種々のセラミック層を有する場合と種々のＭＣｒＡｌＹ合金からなる層のみを有する場合のＶアタックに対する耐久性についてバーナリグ高温腐食試験により検討した。試験片は、基材１、結合層３は実施例３と同じであり、気孔率が１７％でＳｃ２Ｏ３の含有量が７．５重量％のＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５を形成したセラミック被覆片の他に、比較例として、ＣｅＯの含有量が１７重量％のＺｒＯ２−ＣｅＯセラミック層を形成したセラミック被覆片、そしてＹ２Ｏ３の含有量が１２重量％のＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３セラミック層を形成したセラミック被覆片である。さらに、比較例となる試験片として、実施例３と同じ基材１にＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金（Ｃｏ−３２％Ｎｉ−２１％Ｃｒ−８％Ａｌ−０．５％Ｙ）層のみを形成した合金被覆片と、ＣｏＣｒＡｌＹ合金（Ｃｏ−２９％Ｃｒ−６％Ａｌ−０．５％Ｙ）層のみを形成した合金被覆片、さらにＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金（Ｃｏ−３２％Ｎｉ−２１％Ｃｒ−８％Ａｌ−０．５％Ｙ）層とＡｌ拡散処理とを組み合せたＣｏＮｉＣｒＡｌＹ／Ａｌ拡散処理片を試験した。
【００２４】
セラミック被覆片の結合層３はＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金で、２種の合金被覆片、そしてＣｏＮｉＣｒＡｌＹ／Ａｌ拡散処理片の全てにおいて、ＭＣｒＡｌＹ合金層は、厚さが０．１５ｍｍで、減圧雰囲気中プラズマ溶射で形成されている。減圧雰囲気中プラズマ溶射の条件はプラズマ出力４５ｋＷ、雰囲気圧力１００Ｔｏｒｒ、溶射距離２５０ｍｍである。また、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ／Ａｌ拡散処理片でのＡｌ拡散処理は、Ａｌ、Ａｌ２Ｏ３、ＮＨ４Ｃｌの混合粉末を用いＡｒ雰囲気中で７５０℃、２ｈの加熱処理を行なった後、真空中で１１２１℃、２ｈの拡散処理を実施した。表３は、０．１％Ｓ、５０ｐｐｍ、５ｐｐｍＮａの燃料を用い、試験片の温度が８５０，９００，９５０℃、試験時間が１００ｈの結果を示す。本実施例の試験条件は、実施例３と同じくＶリッチ燃料であり、Ｖアタックが主となる条件の試験となる。
【００２５】
【表３】
0003551883.tif 000004
この結果、８５０〜９５０℃のいずれの温度においても、本実施例のＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック被覆片では、亀裂などの損傷や剥離などが認められず健全であった。一方、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３セラミック被覆片は、いずれの温度でも剥離などが発生し、ＺｒＯ２−ＣｅＯセラミック被覆片及びＭＣｒＡｌＹ合金層のみの試験片では、９００、９５０℃で剥離や減肉損傷などが認められた。ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ／Ａｌ拡散処理片ではほぼ健全であった。
【００２６】
（実施例５）
ＺｒＯ２系の種々のセラミック層を有する場合と種々のＭＣｒＡｌＹ合金からなる層のみを有する場合におけるＶアタックと高温硫化腐食との複合条件に対する耐久性についてバーナリグ高温腐食試験により検討した。試験片は、実施例４と同じ６種の試験片を用いた。表４は、０．１％Ｓ、５０ｐｐｍＶ、５０ｐｐｍＮａを燃料として用い、更に燃焼ガス中に４ｐｐｍＮａとなるようにＮａＣｌ水溶液を添加し、試験片の温度が８５０℃、試験時間が１００、５００ｈの結果を示す。
【００２７】
【表４】
0003551883.tif 000005
この結果、５００ｈの長時間試験で健全であったのはＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック被覆片のみであり、その他の２種のセラミック被覆片、２種の合金被覆片、そしてＣｏＮｉＣｒＡｌＹ／Ａｌ拡散処理片のいずれも剥離や減肉損傷などが生じていた。
【００２８】
（実施例６）
ＺｒＯ２系の種々のセラミック層を有する場合と種々のＭＣｒＡｌＹ合金からなる層のみを有する場合におけるＶアタックと高温硫化腐食との複合条件に対する耐久性について別の条件のバーナリグ高温腐食試験により検討した。試験片は、実施例４と同じ６種の試験片を用いた。表５は、０．１％Ｎａ、５０ｐｐｍＶ、５０ｐｐｍＮａを燃料として用い、更に燃焼ガス中に、燃焼ガス中に３２ｐｐｍＮａになるようにＮａＣｌ水溶液を過剰添加し、試験片の温度が８５０、９５０℃，試験時間が１００ｈの結果を示す。本実施例は、高温硫化腐食を加速した試験となる。
【００２９】
【表５】
0003551883.tif 000006
この結果、ＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック被覆片は８５０℃では健全、９５０℃では表面に若干の損傷が認めらたがほぼ健全であった。一方、ＺｒＯ２−ＣｅＯセラミック被覆片やＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３セラミック被覆片は、いずれも剥離や損傷などが生じ、２種の合金被覆片では減肉損傷などが生じていた。ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ／Ａｌ拡散処理片では８５０℃では健全であったが、９５０℃では損傷が生じていた。
【００３０】
実施例３から実施例６の高温腐食耐性に関する結果より、気孔率が２０％以下で５重量％以上１０重量％以下のＳｃ２Ｏ３を含むＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５を備えたセラミック被覆片にすれば、Ｖアタック、高温硫化腐食、Ｖアタックと高温硫化腐食との複合条件下、Ｖアタックと高温硫化腐食との複合条件下において高温硫化腐食を加速した条件下などで十分な耐久性を得られることが明らかになった。
【００３１】
このように、実施例１と実施例２の熱応力耐性に関する結果と、実施例３から実施例６の高温腐食耐性に関する結果などから、セラミック層５がＺｒＯ２を主成分として５重量％以上１０重量％以下のＳｃ２Ｏ３を添加剤として含み、かつ、気孔率が２％以上２０％以下である本実施形態のガスタービン翼では、十分な高温腐食耐性を得ることができ、かつ、熱応力に対する耐久性を得ることができるため、ガスタービン翼の信頼性を向上することができる。さらに、信頼性が向上し、使用寿命を長くできることにより、ガスタービン翼の定期点検、補修、または交換などの期間を延長することができ、保守点検などの手間やコストを低減することができる。
【００３２】
加えて、実施例２で示したように、セラミック層５の気孔率を１０％以上２０％以下にすれば、熱応力に対する一層十分な耐久性を得ることができる。また、セラミック層５の厚さに対する制限は無いが、セラミック層５の厚さが０．５ｍｍより厚くなるとセラミック層５の気孔率を制御し難くなり、また、厚さが０．０５ｍｍ未満になるとセラミック層５が薄くなり過ぎ、高温腐食耐性が低下してしまう。したがって、本実施形態のように、セラミック層５の厚さは、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であるのが望ましい。
【００３３】
また、結合層３は、基材１とセラミック層５との間の熱膨張係数を有し、かつ耐腐食性と耐酸化性とを備えた様々な合金で形成することができるが、本実施形態のようなＣｏＣｒＡｌＹ合金、ＮｉＣｒＡｌＹ合金、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金などのＭＣｒＡｌＹ合金は、基材１とセラミック層５との間の熱膨張係数を有し、かつ他の合金に比べ耐腐食性と耐酸化性に優れているので、結合層３を形成する上で好ましい。ところで、結合層３を設けず基材１の表面に直接セラミック層５を形成した場合、基材１とセラミック層５との熱膨張係数の差により、セラミック層５が損傷し、基材１を熱や高温腐食などから保護できなくなってしまう。このため、結合層３が基材１とセラミック層５との間の熱膨張係数を有していることで、基材１とセラミック層５との熱膨張係数の差を結合層３が緩衝し、セラミック層５の損傷を防ぐことができる。
【００３４】
さらに、実施例５、６に示すように、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ／Ａｌ拡散処理片では、一部の試験条件、すなわちやＶアタックと高温硫化腐食との複合条件での長時間試験を除き、ほぼ健全であったが、基材１にＣｏＮｉＣｒＡｌＹ／Ａｌ拡散処理層を形成しただけでは、十分な高温耐性が得られない。しかし、本発明の１つの組み合わせとして、ＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５の下部の結合層３としてＭＣｒＡｌＹ合金とＡｌ拡散処理とを組み合わせたＭＣｒＡｌＹ／Ａｌ拡散処理コーティングによる結合層を用いることにより、ガスタービン翼の高温腐食耐性をさらに向上できる。ただし、Ａｌ拡散処理を行いＡｌリッチな状態になることで、結合層の機械的強度が低下する場合があるため、ＭＣｒＡｌＹ／Ａｌ拡散処理コーティングによる結合層を有するガスタービン翼では、用途が制限される場合がある。なお、ＭＣｒＡｌＹ／Ａｌ拡散処理コーティングによる結合層を用いた場合でも、セラミック層がＺｒＯ２−ＣｅＯセラミック層やＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３セラミック層では高温腐食耐性を向上することはできない。
【００３５】
また、本実施形態では、セラミック層５を大気中プラズマ溶射により、結合層３を減圧雰囲気中プラズマ溶射で形成したが、セラミック層５や結合層３は、様々な形成方法で形成することができる。ただし、ＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層５は、組織制御、すなわち気孔率制御の点からプラズマ溶射を用いるのが望ましく、ＭＣｒＡｌＹ合金からなる結合層３では、内部欠陥の無い徴密な組織を得る上で、減圧雰囲気中プラズマ溶射、または高速ガス溶射を用いるのが望ましい。さらに、ＭＣｒＡｌＹ／Ａｌ拡散処理層からなる結合層３を形成する場合には、Ａｌ拡散処理として粉末パック法またはＡｌ−ＣＶＤ法を用いるのが望ましい。
【００３６】
ところで、本実施形態のガスタービン動翼７では、図４に示すように、燃焼ガスに曝される翼９の全面と、プラットホーム１１の翼９が形成された面１３とにＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層を形成している。ガスタービン動翼７においてＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層を形成する領域は、これに限らず、高温損傷が生じ易い翼９の前緑部１５、翼９の背１７側、翼９腹１９側のいずれかの部分のみにＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層を形成することもできる。また、ガスタービン静翼の場合は、燃焼ガスに曝される翼面全体またはエンドウォールなどにＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層を形成する。なお、熱応力の作用が相対的に大きいガスタービン動翼７では、気孔率が１０％以上２０％以下の本実施形態のＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層を形成し、熱応力の作用が相対的に小さいガスタービン静翼では、気孔率が２％以上１０％以下の本実施形態のＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層を形成してもよい。
【００３７】
さらに、本実施形態のＺｒＯ２−Ｓｃ２Ｏ３セラミック層を備えたガスタービン翼を備えたガスタービンを構成すれば、Ｓ、Ｖ、Ｎａ等を含む燃料など、高温腐食を引き起こすような物質を含む燃料などを使用した場合でも、高温部品である動翼７、静翼などの高温腐食などによる損傷が防止でき、かつ、ガスタービンの起動、停止によって生じる熱応力に対しても耐久性を有しているため、ガスタービンの長期安定運転、または高温部品の補修や交換期間の長期化や省略ができ、ガスタービンの運転ランニングコストの低減ができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、ガスタービン翼の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなるガスタービン翼の一実施形態の一部分の断面構成を示す模式図である。
【図２】セラミック層の気孔率に対するセラミック層の損傷発生までの回数を示す図である。
【図３】セラミック層のＳｃ２Ｏ３含有量に対するセラミック層の損傷発生までの回数を示す図である。
【図４】本発明を適用してなるガスタービン動翼の一実施形態の概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  基材
３  結合層
５  セラミック層
７  ガスタービン動翼
９  翼
１１  プラットホーム
【図１】
0003551883.tif 000007
【図２】
0003551883.tif 000008
【図３】
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【図４】
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