(57)【要約】【課題】高温耐食性に優れたコーティングを提供する。【解決手段】タービンのブレードに適用されるコーティングは、イオンプレーティングにより形成されてＴｉＡｌＮよりなり、前記ブレードの表面を被覆する第１の皮膜と、アルコキシシランの縮合により得られた粉末を前記第１の皮膜上にスプレーし、焼結して得られたガラスよりなり、前記第１の皮膜を被覆する第２の皮膜と、よりなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンのブレードに適用されるコーティングであって、
イオンプレーティングにより形成されてＴｉＡｌＮよりなり、前記ブレードの表面を被覆する第１の皮膜と、
アルコキシシランの縮合により得られた粉末を前記第１の皮膜上にスプレーし、焼結して得られたガラスよりなり、前記第１の皮膜を被覆する第２の皮膜と、
よりなるコーティング。
【請求項２】
ニッケル基スーパーアロイ、コバルト基スーパーアロイおよび鉄基スーパーアロイよりなる群より選択された何れかよりなるブレードと、
前記ブレードを被覆する、請求項１に記載のコーティングと、
よりなるタービン用翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジェットエンジンの内部のごとき高温腐食性環境に適用される部材のコーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機の動力としてターボファンエンジンが広く利用されている。ターボファンエンジンは、一例として、前段より順に、ファンアセンブリ、低圧コンプレッサ、高圧コンプレッサ、燃焼器、高圧タービンおよび低圧タービンを備えた構造を有する。ファンアセンブリおよび低圧コンプレッサは、外気を取り込んで数気圧の程度に圧縮し、高圧コンプレッサはこれをさらに数十気圧の程度にまで圧縮して燃焼器に供給する。
【０００３】
流入する高速な空気に含まれる粒子との衝突によって、高圧コンプレッサのブレードは摩耗（所謂エロージョン）を起こす。また空気は圧縮に伴って温度上昇して４００℃を越え、従って高圧コンプレッサのブレードは高温腐食にも曝される。すなわち高圧コンプレッサの耐久性は、その耐エロージョン性および高温耐食性に強く左右される。特に近年は性能の更なる向上のために、高圧コンプレッサの最後段は８００℃に接近する高温への耐性が必要である。
【０００４】
耐エロージョン性を向上する目的で、部材表面にコーティングを施す技術が検討されている。特許文献１乃至３には、関連する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表平８−５０１３５１号公報
【特許文献２】特開平７−１１４１６号公報
【特許文献３】特開２００８−１６３４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
実用されているコーティング技術は、実験室的な試験によれば、耐エロージョン性の向上につき、満足すべき結果を与えると考えられている。しかしながら８００℃に接近するごとき高温においては、さらに高温腐食をも考慮する必要がある。腐食は局所的であっても深く進展するため、腐食孔における応力の集中を考慮すれば、高温耐食性の向上は潜在的ながら重視すべき技術的課題である。
【０００７】
本発明は、上述の観点に鑑みて為されたものであって、耐エロージョン性を有しながら、さらに高温（４００℃以上８００℃未満）環境における耐食性に優れたコーティング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】
【０００８】
本発明の第１の局面によれば、高圧タービンのブレードに適用されるコーティングは、イオンプレーティングにより形成されてＴｉＡｌＮよりなり、前記ブレードの表面を被覆する第１の皮膜と、アルコキシシランの縮合により得られた粉末を前記第１の皮膜上にスプレーし、焼結して得られたガラスよりなり、前記第１の皮膜を被覆する第２の皮膜と、よりなる。
【０００９】
本発明の第２の局面によれば、高圧タービン用翼は、ニッケル基スーパーアロイ、コバルト基スーパーアロイおよび鉄基スーパーアロイよりなる群より選択された何れかよりなるブレードと、前記ブレードを被覆する、上述のコーティングと、よりなる。
【発明の効果】
【００１０】
部材に耐エロージョン性を付与しながら、ターボファンエンジンの高圧コンプレッサ内のごとき高温（４００℃以上８００℃未満）環境における耐食性を向上せしめる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によるコーティングを有するタービンブレードの表面の模式的な断面図である。
【図２】図２は、腐食試験後の試験片の表面の模式的な断面図であって、コーティングが無い試験片のものを表す。
【図３】図３は、腐食試験後の試験片の表面の模式的な断面図であって、コーティングを施した試験片のものを表す。
【図４】図４は、腐食試験後の試験片の表面の模式的な断面図であって、防汚皮膜をさらに含むコーティングを施した試験片のものを表す。
【図５】図５は、最大腐食深さの測定結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。
【００１３】
本実施形態は、例えばターボファンエンジンの高圧コンプレッサの動翼または静翼ブレードの表面に好適に適用される。本実施形態によれば、図１に示す通り、ブレード１の表面は、耐エロージョン性を有する皮膜３により覆われ、好ましくは皮膜３はさらに防汚皮膜５により覆われている。
【００１４】
ブレード１に適用する素材としては、高圧コンプレッサに適用される公知の耐熱材料の何れも利用できる。そのような素材としては、ニッケル基スーパーアロイ、コバルト基スーパーアロイが例示できるが、もちろんこれらに限られない。
【００１５】
皮膜３には種々の素材を適用しうるが、高温における耐エロージョン性の観点から、酸化物系セラミクス、窒化物系セラミクス、炭化物系セラミクス、硼化物系セラミクスまたは金属間化合物の適用が有利である。窒化物系セラミクスとしてはＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ、ＺｒＮ等が例示できる。炭化物系セラミクスとしてはＷＣ、ＴｉＣ、ＣｒＣ等が例示できる。
【００１６】
本実施形態においては、高温（４００℃以上８００℃未満）環境における耐食性を考慮して、ＴｉＡｌＮを適用することがさらに好ましい。本技術分野における技術常識によれば、上述の各セラミクスは何れも耐食性を向上するものであって、セラミクス間における耐食性の差は無いか、またはＣｒＣ等がより優れているとされる。しかしながら後により詳しく述べるが、コーティングとして適用して母材の高温耐食性を向上する効果においては、セラミクス間に優劣が認められる。そして予想に反して、ＴｉＡｌＮはＣｒＣ等よりも優れている。
【００１７】
皮膜３の形成には、ＰＶＤやＣＶＤ等の公知のコーティング技術が適用できる。あるいは、金属（または合金）を溶射しておき、プラズマにより窒化、炭化ないし硼化することにより、セラミクスよりなる皮膜を得てもよい。かかるコーティング技術の中では、生産性の観点、また被覆不良のような欠陥の少なさの観点からは、イオンプレーティングを利用することが有利である。
【００１８】
皮膜３は、より厚いほうが、被覆不良のような欠陥を生じにくい点で有利である。その一方、熱的ショック等による剥離やクラックを防止する観点からは、より薄いほうが有利である。そこで皮膜３の厚さは、１〜１０μｍの範囲が好ましく、より好ましくは２〜５μｍである。
【００１９】
皮膜３の表面は、上述の形成方法によれば、通常、形成されたままでも十分に平滑である。しかしながら更に平滑性を向上せしめることは、防汚性及び空力性能の観点から好ましい。エンジン内に取り込まれた外気に含まれる粒子はエロージョンを起こすだけでなく、一部はブレード表面に付着してその性能に悪影響を与える。さらに高温環境に起因して、硫化物によるブレードの腐食が促進される。すなわち防汚性の向上は、付着物の付着を排除し、以ってブレードの性能の維持および腐食を抑制しうるので有利である。
【００２０】
平滑性を向上する手段としては、研磨や追加的なコーティングを適用できる。簡易に平滑性を向上できる観点から、ガラスのごとき防汚皮膜５を追加的にコーティングすることが好ましい。
【００２１】
ガラスよりなる防汚皮膜５は、例えば次のようにして形成できる。
【００２２】
まず適宜のアルコキシシランを縮合反応させ、その微粒子を得る。アルコキシ基としては特に限定されるものではないが、例えばメトキシ基やエトキシ基が例示できる。微粒子の粒径は、焼結後に十分な平滑性を得る観点から細かいほうが望ましく、ただしハンドリングの容易さから粗いほうが望ましい。そこで微粒子の粒径としては数十〜数百ｎｍが例示できる。またそのような微粒子は、Ｘ３５７Ｔの名称で一般に入手可能である。
【００２３】
上述の微粒子を、公知の塗布方法、例えばスプレー法により皮膜３上に塗布する。塗布の厚さは、コーティングの欠陥を防止する観点から２〜１０μｍが適当である。これを適宜に昇温して風乾した後、３００〜４００℃において３０〜６０分程度焼結することにより、粉末が溶融し、縮合反応が進展して、平滑なガラスよりなる防汚皮膜５が得られる。
【００２４】
上述の工程により得られたコーティングを有するブレードは、コーティングが硬質なＴｉＡｌＮを含むことから、耐エロージョン性および高温耐食性に優れている。さらにかかるコーティングは、その表面が防汚皮膜により覆われていることにより硫化物が付着しにくく、従って高温耐食性の点で更に優位である。
【００２５】
本実施形態によるコーティングの効果を検証するため、腐食試験を行った。
【００２６】
ＵＤＩＭＥＴ７２０の鍛造インゴットより、複数の模擬ブレード材を作成した。かかる模擬ブレード材の一組は、コーティングなしに腐食試験に供された。残りの模擬ブレード材の各組には、イオンプレーティングにより、それぞれＣｒ２Ｎコーティング、ＣｒＣコーティング、ＴｉＣｒＮコーティング、ＴｉＡｌＮコーティングを施した。コーティングの厚さは何れも７μｍ以下である。
【００２７】
さらに残る一組の模擬ブレード材には、イオンプレーティングにより厚さ４μｍのＴｉＡｌＮコーティングを施した。次いで試験片を適宜に洗浄した後、目標厚５μｍにてＸ３５７Ｔをスプレー法により塗布した。次いで３３０℃において６０分間加熱することにより、ガラスよりなる防汚皮膜によりＴｉＡｌＮコーティングが被覆された試験片を得た。
【００２８】
上述の各試験片を、硫化ガス雰囲気中において７６０℃に加熱し、１００時間から６００時間保持した。その後、各試験片を取り出して外観を観察した。
【００２９】
防汚コーティングの無い試験片は、何れも、試験前と比較して表面性状が変化しており、暗褐色の付着物が認められた。防汚コーティングを施された試験片は、試験前と比較して表面性状に明瞭な変化が認められなかった。
【００３０】
次いで、これらの試験片をエポキシ樹脂に埋め込んで断面をエメリーペーパで研磨した後、顕微鏡にて観察した。観察例を模式的に図２〜４に示す。
【００３１】
コーティングが無い試験片においては、図２に例示されるように、腐食の痕跡は明瞭に識別できた。残存している母材の最表面から腐食による孔の最下点までの距離を腐食深さとして、視野中において腐食深さが最大の箇所を選びだして、これを測定した。かかる測定を１０視野程度で繰り返し、得られた値のうちの最大値を最大腐食深さとした。
【００３２】
コーティングが施された試験片においては、図３に例示されるように、コーティング層と母材との間に変色したコントラスト部分が明瞭に観察される。かかるコントラスト部分は腐食の痕跡であると認められるので、コントラスト部分の幅を腐食深さとして測定した。上述と同様に１０視野程度の測定を繰り返して、最大腐食深さを得た。
【００３３】
なお、コーティングがＴｉＡｌＮよりなる場合には、腐食は極めて軽微であり、特に、コーティングがさらに防汚皮膜を含む試験片の場合（図４）には、明瞭に腐食の痕跡と認められる箇所は見出せなかった。これらの場合においても、便宜的に、コーティング層と母材との間のコントラスト部分の幅を測定して最大腐食深さとした。
【００３４】
最大腐食深さの値をグラフ化して図５に示す。
【００３５】
図５より明らかなように、コーティングが無い試験片に比べ、Ｃｒ２Ｎコーティング、ＣｒＣコーティングあるいはＴｉＣｒＮコーティングを施された試験片では最大腐食深さがほぼ半分程度であって、これらのコーティングは高温耐食性を向上していると認められる。これらとの比較においても、ＴｉＡｌＮコーティングあるいは防汚皮膜を含むＴｉＡｌＮコーティングを施された試験片では、腐食深さの抑制が顕著である。すなわち上述のコーティングと比較しても、ＴｉＡｌＮコーティングによる高温耐食性向上の効果は顕著である。防汚皮膜を含むＴｉＡｌＮコーティングは、同効果がより良好である。
【００３６】
もし母材を被覆して腐食環境から遮断する効果によって母材の高温耐食性が向上するとするならば、ＴｉＡｌＮと、他のナイトライドやカーバイドとの間に差異が生ずることにつき、説明が困難である。またコーティング自身の耐食性に要因を求めるとするならば、ＴｉＡｌＮ以外の物質に優位性が見られるはずである。すなわち、ＴｉＡｌＮを含むコーティングがブレードの高温耐食性を顕著に向上する効果は、当業者の予想に反する事実であって、本発明は当業者の予想に反して想到されたものである。
【００３７】
本実施形態によるコーティングは、上述のごとくターボファンエンジンの高圧コンプレッサの動翼または静翼ブレードに好適に適用される。もちろんこれに限られず、他の多くの用途、例えばタービンのブレードや、腐食環境の緩い低圧コンプレッサやファン等の部材に適用しうる。
【００３８】
好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
耐エロージョン性を有しながら、さらに高温耐食性に優れたコーティングが提供される。
【符号の説明】
【００４０】
１      ブレード（母材）
３      コーティング
５      防汚コーティング
Ｒ，Ｒ’，Ｒ’’    腐食生成物等
【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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