(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン部材に用いられる耐熱合金基材上に形成され、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散されて内部に複数の気孔を含むセラミックス層を形成する溶射粒子の製造方法であって、
前記溶射粒子の原料及び水並びに分散剤を混合してなるスラリーの固形分濃度を７５重量％以上８５重量％以下に調整し、
前記スラリーを噴霧乾燥装置の円盤状のアトマイザに供給し、
前記アトマイザの回転速度を調整して、前記アトマイザから前記スラリーが突出する突出速度を６０ｍ／秒以上９０ｍ／秒以下にし、
前記スラリーが前記噴霧乾燥装置内で乾燥して溶射粒子本体を形成し、これを熱処理し、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下のＹｂＳＺからなる溶射粒子を製造する溶射粒子の製造方法。
【請求項２】
タービン部材に用いられる耐熱合金基材上に形成され、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散されて内部に複数の気孔を含むセラミックス層を形成する溶射粒子の使用方法であって、
積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下のＹｂＳＺからなる溶射粒子を溶射して前記セラミックス層を形成する溶射粒子の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶射粒子の製造方法及び溶射粒子の使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンでは、その効率を向上させるために、使用する燃焼ガスの温度を高く設定している。このような高温の燃焼ガスに晒される動翼や静翼のようなタービン翼には、表面に遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ：ＴＢＣ）が施されている。遮熱コーティングとは、被溶射物であるタービン部材の表面に、溶射により熱伝導率の小さい溶射材（例えば、熱伝導率の小さいセラミックス系材料）を被覆したものであり、タービン部材の遮熱性及び耐久性を向上させている。
【０００３】
特許文献１に記載されているように、例えば、遮熱コーティングは、母材となる耐熱基材の表面に、アンダーコート層である金属結合層と、金属結合層の上に形成されたトップコート層であるセラミックス層とを備えている。このセラミックス層は、セラミック粉末に樹脂粉末を混合した混合粉末をアンダーコート層上に溶射することで形成される。特許文献１に記載されているセラミックス層は、厚さ方向に延びるき裂である縦割と気孔とが面方向に分散されて構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１８１１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した特許文献１に記載のような縦割を有する緻密なコーティングは、ＤＶＣ（Ｄｅｎｓｅ  Ｖｅｒｔｉｃａｌｙ  Ｃｒａｃｋ）コーティングと称される。ＤＶＣコーティングは、縦割構造を有する緻密な組織となっていることで耐久性が向上されている。しかしながら、ＤＶＣコーティングは組織が緻密であるために、気孔率が小さくなってしまい、遮熱性が低下してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させたセラミックス層を形成することが可能な溶射粒子の製造方法及び溶射粒子の使用方法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提案している。
本発明の第一の態様における溶射粒子の製造方法は、タービン部材に用いられる耐熱合金基材上に形成され、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散されて内部に複数の気孔を含むセラミックス層を形成する溶射粒子の製造方法であって、前記溶射粒子の原料及び水並びに分散剤を混合してなるスラリーの固形分濃度を７５重量％以上８５重量％以下に調整し、前記スラリーを噴霧乾燥装置の円盤状のアトマイザに供給し、前記アトマイザの回転速度を調整して、前記アトマイザから前記スラリーが突出する突出速度を６０ｍ／秒以上９０ｍ／秒以下にし、前記スラリーが前記噴霧乾燥装置内で乾燥して溶射粒子本体を形成し、これを熱処理し、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下のＹｂＳＺからなる溶射粒子を製造する。
【０００８】
このような構成によれば、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下となる粒度分布を有する溶射粒子を得ることができる。したがって、溶射粒子の表面が溶融しつつもコアが溶融せずに残された状態でセラミックス層を形成することが可能な溶射粒子を得ることができる。このような溶射粒子によって形成されたセラミックス層には、溶融された溶射粒子の表面によって緻密な組織が形成されながら、残されている溶射粒子のコアによってポーラスな組織が形成される。これにより、十分な耐久性を確保するために必要な縦割を有する緻密な組織を有しながら、遮熱性を確保するために必要な量の気孔を含むポーラスな組織を有するセラミックス層を得ることができる。
【００１２】
また、本発明の第二の態様における溶射粒子の使用方法は、タービン部材に用いられる耐熱合金基材上に形成され、厚さ方向に延びる縦割が面方向に分散されて内部に複数の気孔を含むセラミックス層を形成する溶射粒子の使用方法であって、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下のＹｂＳＺからなる溶射粒子を溶射して前記セラミックス層を形成する。
【００１３】
このような構成によれば、溶射粒子の表面が溶融しつつもコアが溶融せずに残された状態でセラミックス層を形成することができ溶射粒子を得ることができる。このような溶射粒子を用いることで、セラミックス層に、溶融された溶射粒子の表面によって緻密な組織を形成しつつ、残されている溶射粒子のコアによってポーラスな組織を形成することができる。これにより、十分な耐久性を確保するために必要な縦割を有する緻密な組織を有しながら、遮熱性を確保するために必要な量の気孔を含むポーラスな組織を有するセラミックス層を得ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺからなる溶射粒子を得ることができ、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させたセラミックス層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態におけるガスタービンの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態における動翼が治具に固定された様子を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態における遮熱コーティングの概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態における溶射粒子の製造方法のフローを示す図である。
【図５】溶射粒子の製造方法で用いられる噴霧乾燥装置の一例を示す概略図である。
【図６】噴霧乾燥装置が具備するアトマイザの説明図出会って、図６（ａ）にその平面を示し、図６（ｂ）にその側面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る実施形態について図１から図６を参照して説明する。
図１に示すように、この実施形態におけるガスタービン１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン本体４と、ロータ５と、を備えている。
圧縮機２は、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する。
燃焼器３は、圧縮機２にて圧縮された圧縮空気Ａに燃料を混合して燃焼させる。
【００１７】
タービン本体４は、燃焼器３から導入された燃焼ガスＧの熱エネルギーを回転エネルギーに変換する。このタービン本体４は、ロータ５に設けられた動翼（タービン部材）７に燃焼ガスＧを吹き付けることで燃焼ガスＧの熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換して動力を発生する。タービン本体４には、ロータ５側の複数の動翼７の他に、タービン本体４のケーシング６に複数の静翼（タービン部材）８が設けられる。タービン本体４では、これら動翼７と静翼８とが、ロータ５の軸方向に交互に配列されている。
【００１８】
ロータ５は、タービン本体４の回転する動力の一部を圧縮機２に伝達して圧縮機２を回転させる。
以下、この実施形態においては、タービン本体４の動翼７を、本発明のタービン部材の一例として説明する。
【００１９】
図２に示すように、動翼７は、例えば、Ｎｉ基合金等の周知の耐熱合金により形成されている耐熱合金基材である。本実施形態の動翼７は、ガスタービン１のケーシング６内の高温の燃焼ガスＧが流れる燃焼ガス流路内に配置される翼本体部７１と、翼本体部７１の基端部に設けられて翼本体部７１の延びる方向と交差する面を有するプラットフォーム部７２と、プラットフォーム部７２から翼本体部７１と反対側へ突出した不図示の翼根部と、を有している。
【００２０】
図３に示すように、遮熱コーティング１００は、耐熱合金基材である動翼７の表面を覆うように形成される。遮熱コーティング１００は、動翼７の表面のうち、翼本体部７１の表面と、プラットフォーム部７２の翼本体部７１と接続されている側の表面とにそれぞれ形成される。本実施形態の遮熱コーティング１００は、動翼７の表面上に積層される金属結合層２００と、金属結合層２００の表面に積層されるセラミックス層３００と、を有している。
【００２１】
金属結合層２００は、セラミックス層３００が剥離すること抑制し、耐食性及び耐酸化性に優れたボンドコート層として形成される。金属結合層２００は、例えば、溶射粒子としてＭＣｒＡｌＹ合金の金属溶射粉を動翼７の表面に対して溶射することで形成される。ここで、金属結合層２００を構成するＭＣｒＡｌＹ合金の「Ｍ」は、金属元素を示し、例えば、ＮｉＣｏ、Ｎｉ、Ｃｏ等の単独の金属元素又はこれらのうち２種以上の組み合わせを示している。本実施形態の金属結合層２００は、翼本体部７１の表面と、プラットフォーム部７２の翼本体部７１と接続されている側の表面とをそれぞれ覆うように一体をなして積層されている。本実施形態の金属結合層２００は、０．０５ｍｍから０．２ｍｍ程度の膜厚で形成されている。
【００２２】
セラミックス層３００は、金属結合層２００が形成された動翼７の表面に向かって溶射粒子を溶射して形成されるトップコート層である。セラミックス層３００は、セラミックス層３００の厚さ方向に延びる縦割Ｃが面の広がる面方向に分散されて内部に複数の気孔Ｐを含む緻密なＤＶＣ（Ｄｅｎｓｅ  Ｖｅｒｔｉｃａｌｙ  Ｃｒａｃｋ）コーティングである。本実施形態のセラミックス層３００は、１ｍｍ当たりの縦割Ｃの分布が、１本／ｍｍ以上２本／ｍｍ以下のピッチで分散している。セラミックス層３００は、気孔率が９％以上１０％以下の範囲に収まるように形成されている。セラミックス層３００は、０．２ｍｍから１ｍｍ程度の膜厚で形成されている。
【００２３】
なお、本実施形態における気孔率とは、単位体積当たりの気孔Ｐのみの占有率だけでなく、縦割Ｃ及び気孔Ｐを合わせた占有率である。したがって、仮に、上述したセラミックス層３００の気孔率９％以上１０％以下という範囲を単位体積当たりの気孔Ｐのみの占有率で表すならば、本実施形態のセラミックス層３００の気孔率は、５％以上７％以下の範囲に収まるように形成されることが好ましい。
【００２４】
セラミックス層３００を形成する溶射粒子は、Ｙｂ２Ｏ３で部分安定化させたＺｒＯ２であるＹｂＳ（イッテルビア安定化ジルコニア）からなる。本実施形態の溶射粒子は、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有するＹｂＳＺである。
【００２５】
なお、本実施形態でいう積算粒度分布とは、粉体、つまり集合体としての粒子の大きさを表す値であり、多数個の測定結果を粒子径毎の存在比率の分布で表したものである。そして、積算粒度分布５０％粒径とは、メディアン径とも呼ばれ、粉体をある粒子径から２つに分けた際に、大きい側と小さい側が等量となる粒子径である。
なお、溶射粒子の粒子径毎の存在比率の分布は、例えは、レーザ散乱回折式粒度分布測定装置等を用いて測定することができる。
【００２６】
上述した粒度分布を有する溶射粒子は、図４に示す手順にて製造される。図４に示すように、最初に、溶射粒子を構成する各種原料（溶射粒子の原料）を、スラリー作製時の各種方法に応じて目的の組成となるように秤量する（ステップＳ１）。続いて、ステップＳ１で秤量した各種原料を用いて、混練（固相混合）、共沈法、溶融法のいずれかの方法にてスラリー（粉末、水及び分散剤の混合物）を作製する。スラリーの固形分濃度は、７５重量％以上８５重量％以下、好適には７８重量％以上８２重量％以下になるように調整される。固形分濃度は、スラリー（粉末と水と分散剤）中における粉末の割合を重量％にて表される。
【００２７】
混練は、ステップＳ１にて秤量した粉末、分散剤、純水、及びボールをポット（容器）に投入し、ボールミルで１時間以上混練し、均一なスラリーを作製する方法である（ステップＳ２−１）。
【００２８】
共沈法では、ステップＳ１にて秤量した金属塩溶液にアンモニア等の中和剤を添加して沈殿物を形成し、これを熱処理した後に粉砕することにより粉末を得る。これを混練法と同様に、分散剤及び純水を混合してスラリーを作製する方法である（ステップＳ２−２）。
【００２９】
溶融法では、ステップＳ１にて秤量した粉末を混合し、これにアーク放電により溶融した後、冷却してインゴットを作製する。作製したインゴットを粉砕し、混練法と同様に、分散剤及び純水を混合してスラリーを作製する方法である（ステップＳ２−３）。
【００３０】
上述したステップＳ２−１、Ｓ２−２、Ｓ２−３で得られたスラリーを用いてスプレードライにより溶射粒子本体を作製する（ステップＳ３）。
【００３１】
ここで、スプレードライに用いられる噴霧乾燥装置について図５を参照して説明する。噴霧乾燥装置１０は、図５に示すように、乾燥室１１、ガス供給管１７、ガス排出管１９、捕集器２１を備える。ガス供給管１７は、乾燥室１１の側壁部における天井部近傍に連通して設けられる。これにより、系外からガス１８が乾燥室１１内へ供給される。ガス排出管１９は、乾燥室１１の側壁部の略中央部分に連通して設けられる。これにより、乾燥室１１内にて旋回したガス１８が系外へ排出される。捕集器２１は、乾燥室１１の底部の略中央部分に連通する連通管２０に接続して設けられる。また、乾燥室１１の内部には詳細につき後述するアトマイザ１２が設けられており、アトマイザ１２により乾燥室１１内にて乾燥室１１の中央部分を中心とする旋回流を生成している。これにより、アトマイザ１２からスラリー１３が突出すると、乾燥室１１内にて旋回するガス１８と共に旋回しながら下降していく。このとき、スラリー１３の水分が乾燥していき、溶射粒子本体２２が造粒される。そして、溶射粒子本体２２が捕集器２１内に溜まる。乾燥室１１としては、直径Ｄ１が１ｍ以上であり、乾燥室１１の天井部から捕集器２１の底板部までの高さＨ１が数ｍ〜十数ｍ程度であり、ガス供給管１７からガス排出管１９までの高さＨ２がＨ１の１／１．５〜１／４程度のものが挙げられる。
【００３２】
乾燥室１１の天井部の略中央部分にはアトマイザ１２が設けられ、アトマイザ１２には、上述したステップで作製されたスラリー１３を供給するスラリー供給管１４が連通して設けられる。スラリー供給管１４の途中には、スラリーを送給するポンプ１５が設けられる。
【００３３】
アトマイザ１２は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、円盤状であって、天井板とこれに対向して設けられる底板の輪郭部近傍に複数の縦板１２ａが所定の間隔（スリット）１２ｂで隣接して設けられたものである。アトマイザ１２としては、その直径ｄ１が５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下、好適には５０ｍｍであり、高さｈ１が５ｍｍ〜２０ｍｍ、好適には１０ｍｍであるものが挙げられる。アトマイザ１２には、供給口（図示せず）を通じて内部へスラリー１３が供給される。供給されたスラリー１３は、溶射粒子本体２２として回転しているアトマイザ１２のスリット１２ｂから乾燥室１１内に排出される。
【００３４】
ここで、アトマイザ１２からのスラリー１３を排出される際の突出速度を遅くすればするほど、溶射粒子本体２２の粒径が大きくなる。具体的には、本実施形態では、突出速度を６０ｍ／秒程度にすることで、積算粒度分布５０％粒径が１００μｍ程度の溶射粒子本体２２を作成することができる。また、突出速度を９０ｍ／秒程度とすることで、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ程度の溶射粒子本体２２を作成することができる。したがって、本実施形態のアトマイザ１２は、図示しない制御装置によりその回転速度、言い換えると、アトマイザ１２からのスラリー１３の突出速度を６０ｍ／秒以上９０ｍ／秒以下に調整することで、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下の粒度分布を有する溶射粒子本体２２を作成する。さらに、アトマイザ１２からのスラリー１３の突出速度は、７０ｍ／秒以上８０ｍ／秒以下になるように制御されていることが好ましい。
【００３５】
これにより、スラリー１３は、アトマイザ１２から突出し、乾燥室１１内にて旋回しながら下降していき、連通管２０を通じて捕集器２１にて、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下の粒度分布を有する溶射粒子本体２２が捕集される。そして、捕集した溶射粒子本体２２をさやに入れ、厚みを５ｃｍ以下として炉内に入れ、1３００〜１６００℃で１〜１０時間の条件で熱処理する。これにより、焼結と同時に固融が行なわれる。熱処理により、やわらかい塊になるので、乳鉢中に乳棒などでやわらかくたたくことで塊は割れ、溶射粒子が得られる。なお、この作業を行っても、溶射粒子は、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下の粒度分布を有するものであって、粉末が粉砕されて粒径が小さくなることは無い。
【００３６】
したがって、本実施形態に係る溶射粒子の製造方法によれば、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下となる粒度分布を有する溶射粒子、すなわち、所望の粒径の溶射粒子を得ることができる。よって、分級作業を行う必要が無く、噴霧乾燥装置１０により所望の粒径の溶射粒子を効率良く得ることができる。また、スラリー１３の固形分濃度の調整、およびアトマイザ１２の回転速度の調整自体が比較的簡易な作業である。
【００３７】
また、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下となる粒度分布を有する溶射粒子を得られることで、溶射粒子の表面が溶融しつつもコアが溶融せずに残された状態でセラミックス層３００を形成することができる。具体的には、このような溶射粒子によって形成されたセラミックス層３００には、溶融された溶射粒子の表面によって緻密な組織が形成されながら、残されている溶射粒子のコアによってポーラスな組織が形成される。
【００３８】
したがって、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下のＹｂＳＺからなる溶射粒子によってセラミックス層３００を形成することで、十分な耐久性を確保するために必要な縦割Ｃを有する緻密な組織を有しながら、遮熱性を確保するために必要な量の気孔Ｐを含むポーラスな組織を有するセラミックス層３００を得ることができる。これにより、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させたセラミックス層３００を形成することができる。
【００３９】
また、セラミックス層３００が、縦割Ｃが面方向に１本／ｍｍ以上２本／ｍｍ以下のピッチで分散され、気孔率が９％以上１０％以下となるように形成されることで、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させたセラミックス層３００を高い精度で得ることができる。特に、ＹｂＳＺからなる溶射粒子によって形成されることで、より高い性能のセラミックス層３００を得ることができる。
【００４０】
また、上述した実施形態におけるタービン部材である動翼７によれば、長期間に渡って高温に晒されて損傷することを抑制できる。さらに、メンテナンス周期を延ばすことができるため、ガスタービン１を稼働停止させる頻度を低減することができる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００４２】
なお、金属結合層２００やセラミックス層３００は、本実施形態以外の方法で形成されてもよい。例えば、大気圧プラズマ溶射以外の電気式溶射として減圧プラズマ溶射を用いてもよく、ガス式溶射として、フレーム溶射法、高速フレーム溶射を用いてよい。また、溶射法以外の方法で形成してもよく、例えば、電子ビーム物理蒸着法を用いてもよい。
【００４３】
また、金属結合層２００やセラミックス層３００は、本実施形態のように、全域にわたって同じ膜厚に形成されることに限定されるものではなく、使用される環境等の条件に応じて適宜設定されればよい。
【００４４】
また、本実施形態では、タービン部材として、動翼７を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、タービン部材は静翼８であってもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１…ガスタービン  ２…圧縮機  ３…燃焼器  ４…タービン本体  ５…ロータ  Ａ…圧縮空気  Ｇ…燃焼ガス  ６…ケーシング  ７…動翼  ７１…翼本体部  ７２…プラットフォーム部  ８…静翼  １００…遮熱コーティング  ２００…金属結合層  ３００…セラミックス層  Ｃ…縦割  Ｐ…気孔  １０…噴霧乾燥装置  １１…乾燥室  １２…アトマイザ  １２ａ…縦板  １２ｂ…スリット  １３…スラリー  １４…スラリー供給管  １５…ポンプ  １７…ガス供給管  １８…ガス  １９…ガス排出管  ２０…連通管  ２１…捕集器  ２２…溶射粒子本体
【要約】
【課題】本発明の溶射粒子の製造方法は、十分な耐久性を確保しつつ、遮熱性を向上させたセラミックス層を形成することができる。
【解決手段】溶射粒子の製造方法は、タービン部材に用いられる耐熱合金基材上に形成されるセラミックス層を形成する。溶射粒子の製造方法は、前記溶射粒子の原料及び水並びに分散剤を混合してなるスラリー１３の固形分濃度を７５重量％以上８５重量％以下に調整し、スラリー１３を噴霧乾燥装置１０の円盤状のアトマイザ１２に供給し、アトマイザ１２の回転速度を調整して、アトマイザ１２からスラリー１３が突出する突出速度を６０ｍ／秒以上９０ｍ／秒以下にし、スラリー１３が噴霧乾燥装置１０内で乾燥して溶射粒子本体２２を形成し、これを熱処理し、積算粒度分布５０％粒径が４０μｍ以上１００μｍ以下のＹｂＳＺからなる溶射粒子を製造する。
【選択図】図５【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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