(57)【要約】【課題】遮熱コーティングの耐久性を向上させる。【解決手段】遮熱コーティングは、母材上に積層されるボンドコート層と、前記ボンドコート層上に積層されたセラミックス層であって、１０％以上１５％以下の気孔率を有する第１層、及び０．５％以上９．０％以下の気孔率を有し、且つ、前記第１層上に積層された第２層、を含むセラミックス層と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材上に積層されるボンドコート層と、
前記ボンドコート層上に積層されたセラミックス層であって、
１０％以上１５％以下の気孔率を有する第１層、及び
０．５％以上９．０％以下の気孔率を有し、且つ、前記第１層上に積層された第２層、を含むセラミックス層と、を備える
遮熱コーティング。
【請求項２】
前記第２層の気孔率は、１．０％以上７．５％以下である
請求項１に記載の遮熱コーティング。
【請求項３】
前記第１層には、その層厚方向に延在する縦割れが導入されておらず、
前記第２層の前記気孔率は、０．５％以上４．０％未満である
請求項１に記載の遮熱コーティング。
【請求項４】
前記第２層は、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する第１溶射粒子を溶射して形成されている
請求項１乃至３の何れか一項に記載の遮熱コーティング。
【請求項５】
前記第１層は、積算粒度１０％粒径が４０μｍ以上５０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が６０μｍ以上７０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が８０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有する第２溶射粒子を溶射して形成されている
請求項４に記載の遮熱コーティング。
【請求項６】
前記第２溶射粒子の積算粒度１０％粒径に対する前記第１溶射粒子の積算粒度１０％粒径の比率は、前記第２溶射粒子の積算粒度５０％粒径に対する前記第１溶射粒子の積算粒度５０％粒径の比率、及び、前記第２溶射粒子の積算粒度９０％粒径に対する前記第１溶射粒子の積算粒度９０％粒径の比率よりも大きい
請求項５に記載の遮熱コーティング。
【請求項７】
前記第１層及び前記第２層は、大気プラズマ溶射によって生成された溶射層である
請求項１乃至６の何れか一項に記載の遮熱コーティング。
【請求項８】
前記第２層の厚さは、前記第１層の厚さの１０％以上１００％以下である
請求項１乃至７の何れか一項に記載の遮熱コーティング。
【請求項９】
前記第２層は、前記第１層と同じ材質で構成される
請求項１乃至８の何れか一項に記載の遮熱コーティング。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の前記遮熱コーティングを有するタービン部材。
【請求項１１】
請求項１０に記載の前記タービン部材を有するガスタービン。
【請求項１２】
母材上にボンドコート層を積層させる工程と、
前記ボンドコート層上に、第１層を積層させる工程と、
前記第１層上に、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を溶射して第２層を積層させる工程と、を含む
遮熱コーティングの製造方法。
【請求項１３】
前記第１層を積層させる工程は、前記ボンドコート層上に、積算粒度１０％粒径が４０μｍ以上５０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が６０μｍ以上７０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が８０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を溶射して第１層を積層させる工程である
請求項１２に記載の遮熱コーティングの製造方法。
【請求項１４】
母材上に積層されたボンドコート層と、前記ボンドコート層上に積層された第１層とを有する既設コーティング層に対し、前記第１層上に、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を溶射して第２層を積層させる工程
を含む
遮熱コーティングの製造方法。
【請求項１５】
母材上に積層されたボンドコート層と、前記ボンドコート層上に積層された第１層と、前記第１層上に積層された第２層とを有する既設遮熱コーティング層に対し、前記第２層を除去する工程と、
前記第２層を除去した後の前記既設遮熱コーティング層に対し、前記第１層上に、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を溶射して第２層を積層させる工程と、
を含む
遮熱コーティングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、遮熱コーティング、タービン部材、ガスタービン及び遮熱コーティングの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ガスタービンの分野では、翼の形状や翼に設けられた冷却構造を変えずに、耐熱部材への熱負荷を低減することができる遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ，ＴＢＣ）が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、高い遮熱性と熱サイクル耐久性を両立するために、所定の粒度分布を有する溶射粒子を溶射することでセラミックス層を形成する遮熱コーティングの製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５６０２１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
石油を燃料とした油焚きガスタービンでは、燃焼ガスに含まれる腐食性物質が遮熱コーティングのセラミックス層の気孔からセラミックス層に浸透してセラミックス層を劣化させる場合があることが知られている。そのため、燃焼ガスに含まれる腐食性物質によって遮熱コーティングの耐久性が低下することがある。
そこで、例えば、遮熱コーティングのセラミックス層の気孔率を低減することで腐食性物質がセラミックス層に浸透することを抑制することが考えられる。しかし、セラミックス層の気孔率を低減させると、セラミックス層の熱伝導率が上昇してしまうため、遮熱コーティングの遮熱性が低下してしまう。
【０００６】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、遮熱コーティングの耐久性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る遮熱コーティングは、
母材上に積層されるボンドコート層と、
前記ボンドコート層上に積層されたセラミックス層であって、
１０％以上１５％以下の気孔率を有する第１層、及び
０．５％以上９．０％以下の気孔率を有し、且つ、前記第１層上に積層された第２層、を含むセラミックス層と、を備える。
【０００８】
上記（１）の構成によれば、セラミックス層が１０％以上１５％以下の気孔率を有する第１層と０．５％以上９．０％以下の気孔率を有する第２層とを含むので、第１層によってセラミックス層の熱伝導率の上昇を抑制しつつ、第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
すなわち、第１層の気孔率が小さくなると第１層における熱伝導率が上昇するので、第１層の気孔率が１０％未満になると、遮熱性能が不十分になるおそれがある。また、第１層の気孔率が大きくなるとボンドコート層との密着性が低下する傾向にあるので、第１層の気孔率が１５％を超えると、ボンドコート層との密着性が不十分になるおそれがある。
その点、上記（１）の構成によれば、第１層の気孔率が１０％以上１５％以下であるので、第１層の耐久性を確保しつつ、第１層の熱伝導率の上昇を抑制できる。
第２層の気孔率を０．５％未満にするためには、例えば化学蒸着法によるコーティングのように、チャンバを備える大掛かりな装置が必要となる。また、第２層の気孔率が９％を超えると、第２層による腐食性物質の浸透を抑制する効果が不十分となるおそれがある。
その点、上記（１）の構成によれば、第２層の気孔率が０．５％以上９．０％以下であるので、腐食性物質の浸透抑制を容易に実現できる。
このように、上記（１）の構成によれば、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても遮熱コーティングの耐久性を向上できる。
【０００９】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記第２層の気孔率は、１．０％以上７．５％以下である。
【００１０】
第２層の形成条件を適宜設定することで、第２層の気孔率を０．５％に低減することが可能であるが、第２層の気孔率の下限値を１．０％に引き上げることにより、第２層の形成条件を緩和できる。また、第２層の気孔率が小さいほど、腐食性物質の浸透を抑制する効果が高まるが、発明者らの鋭意検討の結果、第２層の気孔率を７．５％以下とすることで腐食性物質の浸透を抑制する効果がより向上することが見出されている。したがって、第２層の気孔率の上限値は７．５％であってもよい。
その点、上記（２）の構成によれば、第２層の気孔率が１．０％以上７．５％以下であるので、第２層の形成条件の緩和と、腐食性物質の浸透抑制効果の向上を実現できる。
【００１１】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記第１層には、その層厚方向に延在する縦割れが導入されておらず、
前記第２層の前記気孔率は、０．５％以上４．０％未満である。
【００１２】
母材とともに遮熱コーティングが加熱される場合、熱膨張による寸法変化は第１層よりも母材の方が大きくなる。したがって、第１層において、その層厚方向に延在する縦割れが導入されている場合、母材とともに遮熱コーティングが加熱されると、第１層の縦割れの隙間の間隔が広がることとなる。そのため、第１層において、その層厚方向に延在する縦割れが導入されていて、第１層上に第２層が形成されている場合、母材とともに遮熱コーティングが加熱されると、第２層には面方向へ伸長させる応力が作用する。そのため、第２層の気孔率が４．０％未満となると第１層の熱膨張の影響により第２層に亀裂が生じ易くなり、第２層に生じた亀裂から腐食性物質が浸透するおそれがあるため、第２層の気孔率を４．０％未満とすることが困難である。しかし、腐食性物質の浸透抑制の観点からは、第２層の気孔率を小さくすることが望ましい。
その点、上記（３）の構成によれば、第１層には、その層厚方向に延在する縦割れが導入されていないので、縦割れが導入されている場合と比べて、第１層における熱膨張による寸法変化を抑制できる。これにより、第２層の気孔率を４．０％未満としても、第２層に亀裂が生じ難くなる。したがって、第２層における亀裂の発生を抑制できるとともに第２層における気孔率を小さくすることができるので、第２層による腐食性物質の浸透を抑制する効果を向上できる。
【００１３】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、前記第２層は、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する第１溶射粒子を溶射して形成されている。
【００１４】
従来は、平均粒径１０μｍから１５０μｍの範囲、一般には１０μｍから１００μｍで正規分布に近い粒度分布を有する溶射粒子を用いてセラミックス層を形成することが一般的であった。
発明者らが鋭意検討した結果、上記粒度分布を有する従来の溶射粒子よりも、小径粒子の割合を低減し、比較的大きい粒子を主とする溶射粒子を用いてセラミックス層を形成することで、セラミックス層の気孔率が上昇してセラミックス層の遮熱性が向上することを見出した。また、発明者らは、上述したように、従来の溶射粒子よりも、小径粒子の割合を低減し、比較的大きい粒子を主とする溶射粒子を用いてセラミックス層を形成することで、気孔を起点にして伸長する微細な欠陥（層状欠陥）の発生が抑制されて熱サイクル耐久性が向上することを見出した。
具体的には、発明者らは、上記粒度分布を有する従来の溶射粒子よりも積算粒度１０％粒径を増大させて、溶射粒子中に含まれる粒径の小さい粒子の割合を低下させることで、セラミックス層の遮熱性が向上するとともに熱サイクル耐久性が向上することを見出した。
【００１５】
さらに発明者らが鋭意検討した結果、従来の溶射粒子よりも、小径粒子の割合を低減し、比較的大きい粒子を主とする上述した溶射粒子に対し、さらに大径粒子の割合を減少させることで、熱サイクル耐久性を確保しつつ、セラミックス層の気孔率が小さくなることを見出した。
すなわち、発明者らが鋭意検討した結果、第２層を溶射によって形成するにあたり、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する第１溶射粒子を用いることで、第２層の気孔率を低下させて腐食性物質の浸透を抑制できることが判明した。また、上記第１溶射粒子を用いることで、第２層における気孔を起点にして伸長する微細な欠陥（層状欠陥）の発生が抑制されて熱サイクル耐久性が向上することが判明した。すなわち、第１溶射粒子を用いることで、第２層における気孔率を０．５％以上９．０％以下とすることができることが判明した。
したがって、上記（４）の第１溶射粒子を溶射して第２層を形成することで、第２層の耐久性を確保しつつ、第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
【００１６】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、前記第１層は、積算粒度１０％粒径が４０μｍ以上５０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が６０μｍ以上７０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が８０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有する第２溶射粒子を溶射して形成されている。
【００１７】
上述したように、発明者らが鋭意検討した結果、従来の溶射粒子よりも、小径粒子の割合を低減し、比較的大きい粒子を主とする溶射粒子を用いてセラミックス層を形成することで、気孔率が上昇してセラミックス層の遮熱性が向上するとともに、層状欠陥の発生が抑制されてセラミックス層の熱サイクル耐久性が向上することを見出した。
したがって、第１層を溶射によって形成するにあたり、上記（５）の第２溶射粒子のように、積算粒度１０％粒径が４０μｍ以上５０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が６０μｍ以上７０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が８０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有する第２溶射粒子を用いることで、第１層における気孔率を１０％以上１５％以下とすることができ、第１層の耐久性を確保しつつ、第１層の遮熱性を向上できる。
【００１８】
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、前記第２溶射粒子の積算粒度１０％粒径に対する前記第１溶射粒子の積算粒度１０％粒径の比率は、前記第２溶射粒子の積算粒度５０％粒径に対する前記第１溶射粒子の積算粒度５０％粒径の比率、及び、前記第２溶射粒子の積算粒度９０％粒径に対する前記第１溶射粒子の積算粒度９０％粒径の比率よりも大きい。
【００１９】
発明者らが鋭意検討した結果、上述したように、積算粒度１０％粒径を大きくすることで、溶射によって形成される層の熱サイクル耐久性が向上することを見出した。逆に言えば、溶射粒子の積算粒度１０％粒径を小さくすると、溶射によって形成される層の熱サイクル耐久性が低下することが判明した。また、発明者らが鋭意検討した結果、上述したように、溶射粒子における大径粒子の割合を減少させることで、溶射によって形成される層の気孔率が小さくすることができることが判明した。
したがって、熱サイクル耐久性の観点から、第２溶射粒子の積算粒度１０％粒径に対して第１溶射粒子の積算粒度１０％粒径があまり小さくならないようにしつつ、第２層による腐食性物質の浸透抑制の観点から、第２溶射粒子の積算粒度５０％粒径及び積算粒度９０％粒径に対して第１溶射粒子の積算粒度５０％粒径及び積算粒度９０％粒径を小さくすることが望ましい。
その点、上記（６）の構成によれば、第２溶射粒子の積算粒度１０％粒径に対する第１溶射粒子の積算粒度１０％粒径の比率が、第２溶射粒子の積算粒度５０％粒径に対する第１溶射粒子の積算粒度５０％粒径の比率、及び、第２溶射粒子の積算粒度９０％粒径に対する第１溶射粒子の積算粒度９０％粒径の比率よりも大きいので、第２層の耐久性を確保しつつ、第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
【００２０】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、前記第１層及び前記第２層は、大気プラズマ溶射によって生成された溶射層である。
【００２１】
例えば化学蒸着法や物理蒸着法によって第１層及び第２層を生成する場合や、例えば減圧プラズマ溶射によって第１層及び第２層を生成する場合には、チャンバを備える大掛かりな装置が必要となり、装置の費用が高額になる他、段取り等の準備等を含めた工数が多くなりがちである。
その点、上記（７）の構成によれば、第１層及び第２層を大気プラズマ溶射によって生成することで、例えば化学蒸着法や物理蒸着法、減圧プラズマ溶射等によって第１層及び第２層を生成する場合と比べて、装置構成が簡素であるので、装置の費用を安価にできる他、段取り等の準備等を含めた工数を削減でき、タクトタイムを短縮できる。
【００２２】
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの構成において、前記第２層の厚さは、前記第１層の厚さの１０％以上１００％以下である。
【００２３】
例えば第２層の厚さが第１層の厚さの１０％未満であると、例えば第１層の厚さを０．５ｍｍとすると、第２層の厚さが０．０５ｍｍ（５０μｍ）未満となるため、局所的に層の厚さが薄い場所があると、気孔が第２層を貫通するおそれがある。一方、例えば第２層の厚さが第１層の厚さの１００％を超えると、第２層の気孔率が第１層よりも低く熱伝導率が高いため、セラミックス層における遮熱効果が不十分となるおそれがある。
その点、上記（８）の構成によれば、第２層の厚さが第１層の厚さの１０％以上１００％以下であるので、遮熱性を確保しつつ、腐食性物質の浸透を抑制できる。
【００２４】
（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の構成において、前記第２層は、前記第１層と同じ材質で構成される。
【００２５】
上記（９）の構成によれば、第２層が第１層と同じ材質で構成されるので、同じ組成の材料で第１層と第２層との成膜条件の急変をなくすことができ、第１層と第２層との界面の密着性が高い。また、第１層と第２層とで、高温環境下における線膨張係数や相安定性等が同じになるので、高温環境下における遮熱コーティングの品質劣化を抑制できる。
【００２６】
（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン部材は、上記構成（１）乃至（９）の何れかの遮熱コーティングを有するので、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であってもタービン部材の耐久性を向上できる。
【００２７】
（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンは、上記構成（１０）のタービン部材を有するので、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であってもガスタービンにおけるタービン部材の耐久性を向上できる。
【００２８】
（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、
母材上にボンドコート層を積層させる工程と、
前記ボンドコート層上に、第１層を積層させる工程と、
前記第１層上に、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を溶射して第２層を積層させる工程と、を含む。
【００２９】
上記（１２）の方法によれば、第１層上に、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を溶射して第２層を積層させる工程によって、０．５％以上９．０％以下の気孔率を有する第２層を形成できる。これにより、第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
このように、上記（１２）の方法によれば、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても遮熱コーティングの耐久性を向上できる。
【００３０】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）の方法において、
前記第１層を積層させる工程は、前記ボンドコート層上に、積算粒度１０％粒径が４０μｍ以上５０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が６０μｍ以上７０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が８０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を溶射して第１層を積層させる工程である。
【００３１】
上記（１３）の方法によれば、ボンドコート層上に、積算粒度１０％粒径が４０μｍ以上５０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が６０μｍ以上７０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が８０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を溶射して第１層を積層させる工程によって、１０％以上１５％以下の気孔率を有する第１層を形成できる。これにより、第１層の耐久性を確保しつつ、第１層の熱伝導率の上昇を抑制できる。
【００３２】
（１４）本発明の少なくとも一実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、
母材上に積層されたボンドコート層と、前記ボンドコート層上に積層された第１層とを有する既設コーティング層に対し、前記第１層上に、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を溶射して第２層を積層させる工程
を含む。
【００３３】
上記（１４）の方法によれば、ボンドコート層とボンドコート層上に積層された第１層とを有する既設コーティング層に対して、上述した第２層を積層させる工程によって、０．５％以上９．０％以下の気孔率を有する第２層を形成できる。これにより、第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。したがって、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても既設コーティング層の耐久性を向上できる。
【００３４】
（１５）本発明の少なくとも一実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、
母材上に積層されたボンドコート層と、前記ボンドコート層上に積層された第１層と、前記第１層上に積層された第２層とを有する既設遮熱コーティング層に対し、前記第２層を除去する工程と、
前記第２層を除去した後の前記既設遮熱コーティング層に対し、前記第１層上に、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を溶射して第２層を積層させる工程と、
を含む。
【００３５】
上記（１５）の方法によれば、既設遮熱コーティング層の第２層を除去して新たに０．５％以上９．０％以下の気孔率を有する第２層を形成できる。したがって、既設遮熱コーティング層における第２層が劣化した場合などに、第２層を新たに積層させることが可能となる。これにより、新たに積層させた第２層によって腐食性物質の浸透を抑制できる。したがって、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても既設遮熱コーティング層の耐久性を向上できる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、遮熱コーティングの耐久性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施形態に係る遮熱コーティングを備えるタービン部材の断面の模式図である。
【図２】溶射粒子の粒度分布を頻度分布で表したグラフの一例である。
【図３】図２に示した溶射粒子の粒度分布を累積分布で表したグラフである。
【図４Ａ】溶射粒子の違いによるセラミックス層の特性の差を表した図であり、熱サイクル耐久性についての示す図である。
【図４Ｂ】溶射粒子の違いによるセラミックス層の特性の差を表した図であり、熱伝導率について示す図である。
【図４Ｃ】溶射粒子の違いによるセラミックス層の特性の差を表した図であり、セラミックス層への腐食性物質の溶融塩の浸透量を示す図である。
【図４Ｄ】溶射粒子の違いによるセラミックス層の特性の差を表した図であり、エロ―ジョン量を示す図である。
【図５】溶射粒子の粒度分布を累積分布で表したグラフである。
【図６】幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造工程についてのフローチャートである。
【図７】ガスタービン動翼の構成例を示す斜視図である。
【図８】ガスタービン静翼の構成例を示す斜視図である。
【図９】分割環の構成例を示す斜視図である。
【図１０】一実施形態係るガスタービンの部分断面構造を模式的に示す図である。
【図１１】既設コーティング層を備えるタービン部材の断面の模式図である。
【図１２】既設コーティング層に対して第２層を形成する遮熱コーティングの製造工程についてのフローチャートである。
【図１３】既設遮熱コーティング層を備えるタービン部材の断面の模式図である。
【図１４】既設遮熱コーティング層の古い第２層を除去して新たな第２層を形成する遮熱コーティングの製造工程についてのフローチャートである。
【図１５】第２層除去工程において古い第２層を除去した後のタービン部材の断面の模式図である。
【図１６】遮熱コーティング層の気孔率を算出するにあたっての皮膜断面の光学顕微鏡写真の一例である。
【図１７】遮熱コーティング層の気孔率を算出するにあたっての皮膜断面の光学顕微鏡写真を２値化した画像の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。但し、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００３９】
（遮熱コーティング）
図１は、実施形態に係る遮熱コーティングを備えるタービン部材の断面の模式図である。幾つかの実施形態では、タービンの動翼、静翼などの耐熱基材（母材）１１上に、遮熱コーティングとして金属結合層（ボンドコート層）１２及びセラミックス層１３が順に形成される。即ち、図１に示すように、幾つかの実施形態では、遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ  ：  ＴＢＣ）層１０は、ボンドコート層１２及びセラミックス層１３を含んでいる。
ボンドコート層１２は、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等の金属元素またはこれらのうち２種類以上の組合せを示す）などで構成される。
【００４０】
図１に示した幾つかの実施形態では、セラミックス層１３は、第１層１４と第２層１５とを含んでいる。幾つかの実施形態における第１層１４及び第２層１５は、それぞれＹｂＳＺ（イッテルビア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｍＹｂＺｒ２Ｏ７、ＤｙＳＺ（ジスプロシア安定化ジルコニア）、ＥｒＳＺ（エルビア安定化ジルコニア）などの何れかで構成される。
【００４１】
図１に示した幾つかの実施形態では、第２層１５は、第１層１４と同じ材質で構成される。
これにより、第２層１５が第１層１４と同じ材質で構成されるので、同じ組成の材料で第１層１４と第２層１５との成膜条件の急変をなくすことができ、第１層１４と第２層１５との界面の密着性が高い。また、第１層１４と第２層１５とで、高温環境下における線膨張係数や相安定性等が同じになるので、高温環境下における遮熱コーティング層１０の品質劣化を抑制できる。
【００４２】
図１に示した幾つかの実施形態では、第１層１４は、気孔１６を多く含むポーラスな組織とされる。ここでいう「多く含む」とは、第２層１５と比較して気孔率（体積％）が高いことを意味する。第１層１４の気孔率及び厚さは、要求される熱伝導性に応じて適宜設定される。幾つかの実施形態では、後述するように、第１層１４の気孔率は、１０％以上１５％以下とされる。
【００４３】
なお、気孔率は、遮熱コーティング層１０の断面における気孔の面積の割合として定義され、気孔の面積を断面の面積で除した値を百分率で表した値である。具体的には、次のようにして気孔率を求める。例えば、遮熱コーティング層１０の断面を研磨して光学顕微鏡で観察される像を撮影する。そして、撮影によって得られた写真（例えば図１６）に対して二値化処理を行うことで、気孔部（空隙部）と被膜部とを別々に抽出可能とする。そして、二値化した画像（例えば図１７）から気孔部の面積と被膜部の面積を算出し、気孔部の面積を気孔部と被膜部の面積の和、すなわち断面の面積で除して気孔率を算出する。または、二値化した画像から気孔部の面積と断面の面積を算出し、気孔部の面積を断面の面積で除して気孔率を算出する。第１層１４の気孔率を算出する場合、上述のようにして求めた第１層１４における気孔１６の面積を第１層１４の断面の面積で除すことで第１層１４の気孔率を求める。
なお、図１６は、遮熱コーティング層の気孔率を算出するにあたっての皮膜断面の光学顕微鏡写真の一例である。また、図１７は、遮熱コーティング層の気孔率を算出するにあたっての皮膜断面の光学顕微鏡写真を２値化した画像の一例である。
【００４４】
図１に示した幾つかの実施形態では、第２層１５は、第１層１４よりも緻密な組織とされ、第１層１４上に形成されている。ここでいう「緻密な組織」とは、具体的には、第１層１４やボンドコート層１２、耐熱基材１１への後述するような腐食成分（腐食性物質）の浸透を抑制することができる気孔率を有する組織のことである。
第２層１５の気孔率及び厚さは、腐食性物質の浸透を抑制する効果（以下、浸透抑制効果と呼ぶ）、及びセラミックス層１３としたときに要求される熱伝導性などを考慮して適宜設定される。幾つかの実施形態では、後述するように、第２層１５の気孔率は、０．５％以上９．０％以下とされる。
なお、セラミックス層１３の厚さは、特に限定されないが、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下などとされる。
【００４５】
すなわち、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０は、耐熱基材１１上に積層されるボンドコート層１２と、ボンドコート層１２上に積層されたセラミックス層１３とを備える。セラミックス層１３は、１０％以上１５％以下の気孔率を有する第１層１４、及び０．５％以上９．０％以下の気孔率を有し、且つ、第１層１４上に積層された第２層１５を含む。
【００４６】
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、セラミックス層１３が１０％以上１５％以下の気孔率を有する第１層１４と０．５％以上９．０％以下の気孔率を有する第２層１５とを含むので、第１層１４によってセラミックス層１３の熱伝導率の上昇を抑制しつつ、第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
すなわち、第１層１４の気孔率が小さくなると第１層１４における熱伝導率が上昇するので、第１層１４の気孔率が１０％未満になると、遮熱性能が不十分になるおそれがある。また、第１層１４の気孔率が大きくなるとボンドコート層１２との密着性が低下する傾向にあるので、第１層１４の気孔率が１５％を超えると、ボンドコート層１２との密着性が不十分になるおそれがある。
その点、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、第１層１４の気孔率が１０％以上１５％以下であるので、第１層１４の耐久性を確保しつつ、第１層１４の熱伝導率の上昇を抑制できる。
【００４７】
第２層１５の気孔率を０．５％未満にするためには、例えば化学蒸着法によるコーティングのように、チャンバを備える大掛かりな装置が必要となる。また、第２層１５の気孔率が９％を超えると、第２層１５による腐食性物質の浸透を抑制する効果が不十分となるおそれがある。
その点、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、第２層１５の気孔率が０．５％以上９．０％以下であるので、腐食性物質の浸透抑制を容易に実現できる。
このように、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても遮熱コーティング層１０の耐久性を向上できる。
【００４８】
なお、後述するように、第２層１５を大気プラズマ溶射等の溶射方法によって形成する場合、溶射距離や溶射温度等の溶射条件、すなわち第２層１５の形成条件を適宜設定することで、第２層１５の気孔率を０．５％に低減することが可能であるが、第２層１５の気孔率の下限値を１．０％に引き上げることにより、溶射条件を緩和できる。したがって、第２層１５の気孔率の下限値は１．０％であってもよい。
また、第２層１５の気孔率が小さいほど、腐食性物質の浸透を抑制する効果が高まるが、発明者らの鋭意検討の結果、第２層１５の気孔率を７．５％以下とすることで腐食性物質の浸透を抑制する効果がより向上することが見出されている。したがって、第２層１５の気孔率の上限値は７．５％であってもよい。
【００４９】
（一実施形態に係る遮熱コーティング層１０について）
耐熱基材１１とともに遮熱コーティング層１０が加熱される場合、熱膨張による寸法変化はセラミックス層１３よりも耐熱基材１１の方が大きくなるため、セラミックス層１３には、面方向へ伸長させる応力が作用する。このような応力が作用した際に、セラミックス層１３に、その膜厚方向に延在する縦割れが導入されていれば、縦割れが広がることで、セラミックス層１３自体に作用する応力は小さくなり、セラミックス層１３を剥離させ得る面方向の亀裂が生じるのを抑制できる。
しかし、セラミックス層１３に縦割れが導入されていると、その縦割れから腐食性物質が浸透して、セラミックス層１３を劣化させてしまう。
【００５０】
そこで、セラミックス層１３のうち、第１層１４に、その膜厚方向に延在する縦割れを導入し、第２層１５に縦割れを導入しなかった場合、縦割れが導入されていない第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
しかし、第１層１４において、その層厚方向に延在する縦割れが導入されている場合、耐熱基材１１とともに遮熱コーティング層１０が加熱されると、第１層１４の縦割れの隙間の間隔が広がることとなり、縦割れが導入されていない第２層１５には面方向へ伸長させる応力が作用する。そのため、縦割れが導入されていない第２層１５では、その気孔率が４．０％未満となると第１層１４の熱膨張の影響により第２層１５に亀裂が生じ易くなり、第２層１５に生じた亀裂から腐食性物質が浸透するおそれがあるため、第２層１５の気孔率を４．０％未満とすることが困難である。しかし、腐食性物質の浸透抑制の観点からは、第２層１５の気孔率を小さくすることが望ましい。
【００５１】
そこで、一実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、第１層１４及び第２層１５には、その層厚方向に延在する縦割れを導入せず、且つ、第２層１５の気孔率を０．５％以上４．０％未満とした。
これにより、第１層１４に縦割れが導入されている場合と比べて、第１層１４における熱膨張による寸法変化を抑制できるので、第２層１５の気孔率を４．０％未満としても、第２層１５に亀裂が生じ難くなる。したがって、第２層１５における亀裂の発生を抑制できるとともに第２層１５における気孔率を小さくすることができるので、第２層１５による腐食性物質の浸透を抑制する効果を向上できる。
【００５２】
（第１層１４及び第２層１５の形成方法について）
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、第１層１４及び第２層１５は、大気プラズマ溶射によって生成された溶射層である。
【００５３】
例えば化学蒸着法や物理蒸着法によって第１層１４及び第２層１５を生成する場合や、例えば減圧プラズマ溶射によって第１層１４及び第２層１５を生成する場合には、チャンバを備える大掛かりな装置が必要となり、装置の費用が高額になる他、段取り等の準備等を含めた工数が多くなりがちである。
その点、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０では、第１層１４及び第２層１５を大気プラズマ溶射によって生成することで、例えば化学蒸着法や物理蒸着法、減圧プラズマ溶射等によって第１層１４及び第２層１５を生成する場合と比べて、装置構成が簡素であるので、装置の費用を安価にできる他、段取り等の準備等を含めた工数を削減でき、タクトタイムを短縮できる。
【００５４】
（第２層１５の形成に用いる溶射粒子について）
図２は、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子や、幾つかの実施形態に係る第１層１４及び第２層１５の形成に用いた溶射粒子の粒度分布を頻度分布で表したグラフの一例である。また、図３は、図２に示した溶射粒子の粒度分布を累積分布で表したグラフである。
従来は、平均粒径１０μｍから１５０μｍの範囲、一般には１０μｍから１００μｍで正規分布に近い粒度分布を有する溶射粒子を用いてセラミックス層を形成することが一般的であった。図２，３では、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子の粒度分布を破線で表している。
【００５５】
発明者らが鋭意検討した結果、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子よりも、小径粒子の割合を低減し、比較的大きい粒子を主とする溶射粒子を用いてセラミックス層を形成することで、セラミックス層の気孔率が上昇してセラミックス層の遮熱性が向上することを見出した。また、発明者らは、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子よりも、小径粒子の割合を低減し、比較的大きい粒子を主とする溶射粒子を用いてセラミックス層を形成することで、気孔を起点にして伸長する微細な欠陥（層状欠陥）の発生が抑制されて熱サイクル耐久性が向上することを見出した。
具体的には、発明者らは、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子よりも積算粒度１０％粒径を増大させて、溶射粒子中に含まれる粒径の小さい粒子の割合を低下させることで、セラミックス層の遮熱性が向上するとともに熱サイクル耐久性が向上することを見出した。
【００５６】
さらに発明者らが鋭意検討した結果、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子よりも、小径粒子の割合を低減し、比較的大きい粒子を主とする上述した溶射粒子に対し、さらに大径粒子の割合を減少させることで、熱サイクル耐久性を確保しつつ、セラミックス層の気孔率が小さくなることを見出した。
すなわち、発明者らが鋭意検討した結果、第２層１５を溶射によって形成するにあたり、例えば積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、例えば積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、例えば積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する第１溶射粒子１を用いることで、第２層１５の気孔率を低下させて腐食性物質の浸透を抑制できることが判明した。また、第１溶射粒子１を用いることで、第２層１５における気孔を起点にして伸長する微細な欠陥（層状欠陥）の発生が抑制されて熱サイクル耐久性が向上することが判明した。すなわち、第１溶射粒子１を用いることで、第２層１５における気孔率を０．５％以上９．０％以下とすることができることが判明した。
したがって、第１溶射粒子１を溶射して第２層１５を形成することで、第２層１５の耐久性を確保しつつ、第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
図２，３では、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する第１溶射粒子１の粒度分布の一例を示している。
【００５７】
（第１層１４の形成に用いる溶射粒子について）
上述したように、発明者らが鋭意検討した結果、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子よりも、小径粒子の割合を低減し、比較的大きい粒子を主とする溶射粒子を用いてセラミックス層を形成することで、気孔率が上昇してセラミックス層の遮熱性が向上するとともに、層状欠陥の発生が抑制されてセラミックス層の熱サイクル耐久性が向上することを見出した。
すなわち、発明者らが鋭意検討した結果、第１層１４を溶射によって形成するにあたり、例えば積算粒度１０％粒径が４０μｍ以上５０μｍ以下とされ、例えば積算粒度５０％粒径が６０μｍ以上７０μｍ以下とされ、例えば積算粒度９０％粒径が８０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有する第２溶射粒子２を用いることで、第１層１４の熱サイクル耐久性が向上することを見出した。すなわち、第２溶射粒子２を用いることで、第１層１４における気孔率を１０％以上１５％以下とすることができ、第１層１４の耐久性を確保しつつ、第１層１４の遮熱性を向上できる。
図２，３では、積算粒度１０％粒径が４０μｍ以上５０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が６０μｍ以上７０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が８０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有する第２溶射粒子２の粒度分布の一例を示している。
【００５８】
図４は、溶射粒子の違いによるセラミックス層１３の特性の差を表した図である。図４（ａ）は、熱サイクル耐久性についての示す図である。図４（ｂ）は、熱伝導率について示す図である。図４（ｃ）は、セラミックス層１３への腐食性物質の溶融塩の浸透量を示す図である。図４（ｄ）は、エロ―ジョン量を示す図である。図４（ａ）〜（ｄ）に示す値は、それぞれ、図３に示した粒度分布を有する従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子によって形成された従来のセラミックス層における特性値を１としたときの相対値として表している。
図４（ａ）〜（ｄ）では、図３に示した粒度分布を有する従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子によって形成された従来のセラミックス層を「従来ＴＢＣ」と表記する。同様に、図３に示した粒度分布を有する第１溶射粒子１のみによって形成された単層のセラミックス層を「第１溶射粒子１のみ」と表記し、図３に示した粒度分布を有する第２溶射粒子２のみによって形成された単層のセラミックス層を「第２溶射粒子２のみ」と表記する。そして、図３に示した粒度分布を有する第１溶射粒子１によって形成された第２層１５と図３に示した粒度分布を有する第２溶射粒子２によって形成された第１層１４とを有するセラミックス層１３を「第１溶射粒子１＋第２溶射粒子２」と表記する。
【００５９】
図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、第２溶射粒子２のみによって形成された単層のセラミックス層では、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子によって形成された従来のセラミックス層と比較すると、溶射粒子の小径粒子の割合を低減していることから、熱サイクル耐久性が向上し、熱伝導率が略同等となっている。また、第２溶射粒子２のみによって形成された単層のセラミックス層では、溶融塩浸透量及びエロ―ジョン量が従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子によって形成された従来のセラミックス層と同等である。
【００６０】
第１溶射粒子１のみによって形成された単層のセラミックス層では、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子によって形成された従来のセラミックス層と比較すると、溶射粒子の小径粒子及び大径粒子の割合をそれぞれ低減していることから、熱サイクル耐久性が向上し、溶融塩浸透量及びエロ―ジョン量が低減する。しかし、第１溶射粒子１のみによって形成された単層のセラミックス層では、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子によって形成された従来のセラミックス層と比較すると、気孔率が低下することから、熱伝導率が大きくなる。
【００６１】
これらに対して、第１溶射粒子１によって形成された第２層１５と第２溶射粒子２によって形成された第１層１４とを有するセラミックス層１３では、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子によって形成された従来のセラミックス層と比較すると、熱サイクル耐久性が向上し、熱伝導率が略同等となり、溶融塩浸透量及びエロ―ジョン量が低減する。
すなわち、第１溶射粒子１によって形成された第２層１５と第２溶射粒子２によって形成された第１層１４とを有するセラミックス層１３では、熱サイクル耐久性、熱伝導率、溶融塩浸透量及びエロ―ジョン量の点で、従来のセラミックス層の形成に用いた溶射粒子によって形成された従来のセラミックス層よりも優れた特性を有する。
【００６２】
（第１溶射粒子１及び第２溶射粒子２の他の実施形態について）
発明者らが鋭意検討した結果、上述したように、積算粒度１０％粒径を大きくすることで、溶射によって形成される層の熱サイクル耐久性が向上することを見出した。逆に言えば、溶射粒子の積算粒度１０％粒径を小さくすると、溶射によって形成される層の熱サイクル耐久性が低下することが判明した。また、発明者らが鋭意検討した結果、上述したように、溶射粒子における大径粒子の割合を減少させることで、溶射によって形成される層の気孔率が小さくすることができることが判明した。
したがって、熱サイクル耐久性の観点から、第２溶射粒子２の積算粒度１０％粒径に対して第１溶射粒子１の積算粒度１０％粒径があまり小さくならないようにしつつ、第２層１５による腐食性物質の浸透抑制の観点から、第２溶射粒子２の積算粒度５０％粒径及び積算粒度９０％粒径に対して第１溶射粒子１の積算粒度５０％粒径及び積算粒度９０％粒径を小さくすることが望ましい。
そのため、例えば以下で説明する、図５に示した第１溶射粒子１Ａのように、第２溶射粒子２の積算粒度１０％粒径に対する第１溶射粒子１Ａの積算粒度１０％粒径の比率を、第２溶射粒子２の積算粒度５０％粒径に対する第１溶射粒子１Ａの積算粒度５０％粒径の比率、及び、第２溶射粒子２の積算粒度９０％粒径に対する第１溶射粒子１Ａの積算粒度９０％粒径の比率よりも大きいことが望ましい。
【００６３】
図５は、図３に示した溶射粒子の粒度分布を累積分布で表したグラフに、図３に示した第１溶射粒子１の粒度分布とは異なる粒度分布を有する第１溶射粒子１Ａの粒度分布を追記したグラフである。
例えば、図５に示す第１溶射粒子１Ａでは、上述した第１溶射粒子１に比べて、積算粒度１０％粒径がわずかに大きく、積算粒度５０％粒径及び積算粒度９０％粒径がそれぞれ小さい。
図５に示す第１溶射粒子１Ａでは、積算粒度１０％粒径は例えば３８μｍであり、積算粒度５０％粒径は例えば５０μｍであり、積算粒度９０％粒径は例えば７５μｍである。
また、図５に示す第２溶射粒子２では、積算粒度１０％粒径は例えば４２μｍであり、積算粒度５０％粒径は例えば６３μｍであり、積算粒度９０％粒径は例えば８６μｍである。
すなわち、図５に示す第１溶射粒子１Ａ及び第２溶射粒子２では、第２溶射粒子２の積算粒度１０％粒径に対する第１溶射粒子１Ａの積算粒度１０％粒径の比率（３８μｍ／４２μｍ＝０．９０５）は、第２溶射粒子２の積算粒度５０％粒径に対する第１溶射粒子１Ａの積算粒度５０％粒径の比率（５０μｍ／６３μｍ＝０．７９４）、及び、第２溶射粒子２の積算粒度９０％粒径に対する第１溶射粒子１Ａの積算粒度９０％粒径の比率（７５μｍ／８６μｍ＝０．８７２）よりも大きい。
【００６４】
このように、第２溶射粒子２の積算粒度１０％粒径に対する第１溶射粒子１Ａの積算粒度１０％粒径の比率を、第２溶射粒子２の積算粒度５０％粒径に対する第１溶射粒子１Ａの積算粒度５０％粒径の比率、及び、第２溶射粒子２の積算粒度９０％粒径に対する第１溶射粒子１Ａの積算粒度９０％粒径の比率よりも大きくすることで、第２層１５の耐久性を確保しつつ、第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
【００６５】
（第１層１４及び第２層１５の厚さについて）
第１層１４及び第２層１５の厚さは、例えば大気プラズマ溶射によって生成する場合、安定した被膜を得るために３０μｍ以上とすることが望ましい。
なお、第２層１５の厚さが５０μｍ未満になる場合、局所的に層の厚さが薄い場所が存在すると、気孔が第２層１５を貫通するおそれがあるため、腐食性物質の浸透抑制の観点からは、第２層１５の厚さは５０μｍ以上とすることが望ましい。
また、第２層１５の厚さが１００μｍを超えると、セラミックス層１３全体の熱サイクル耐久性が低下するおそれがあるため、第２層１５の厚さは１００μｍ以下とすることが望ましい。
【００６６】
第２層１５の厚さが第１層１４の厚さの１０％未満であると、例えば第１層１４の厚さを０．５ｍｍとすると、第２層１５の厚さが０．０５ｍｍ（５０μｍ）未満となるため、上述したように、気孔が第２層１５を貫通するおそれがある。一方、例えば第２層１５の厚さが第１層１４の厚さの１００％を超えると、第２層１５の気孔率が第１層１４よりも低く熱伝導率が高いため、セラミックス層１３における遮熱効果が不十分となるおそれがある。
したがって、第２層１５の厚さは、第１層１４の厚さの１０％以上１００％以下であることが望ましい。
第２層１５の厚さを第１層１４の厚さの１０％以上１００％以下とすることで、遮熱性を確保しつつ、腐食性物質の浸透を抑制できる。
【００６７】
なお、上述したように、第２層１５の厚さは、５０μｍ以上１００μｍ以下とすること、及び、第１層１４の厚さの１０％以上１００％以下とすることが望ましい。このことから、第１層１４の厚さが採り得る範囲の下限値は、第２層１５の厚さの下限値である５０μｍが、第１層１４の厚さの１００％に該当する場合となる、５０μｍとすることが望ましい。同様に、第１層１４の厚さが採り得る範囲の上限値は、第２層１５の厚さの上限値である１００μｍが、第１層１４の厚さの１０％に該当する場合となる、１０００μｍとすることが望ましい。
【００６８】
なお、例えばセラミックス層１３の厚さを０．５ｍｍとした場合、第２層１５の厚さをその下限値である５０μｍとすると、第１層１４の厚さは４５０μｍとなる。この場合、第２層１５の厚さは、第１層１４の厚さの１１．１％となる。また、例えばセラミックス層１３の厚さを０．５ｍｍとした場合、第２層１５の厚さをその上限値である１００μｍとすると、第１層１４の厚さは４００μｍとなる。この場合、第２層１５の厚さは、第１層１４の厚さの２５％となる。
【００６９】
（遮熱コーティングの製造方法について）
図６を参照して、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法について説明する。図６は、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造工程についてのフローチャートである。
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、ボンドコート層積層工程Ｓ１０と、第１層積層工程Ｓ２０と、第２層積層工程Ｓ３０とを含む。
【００７０】
ボンドコート層積層工程Ｓ１０は、耐熱基材１１上にボンドコート層１２を積層させる工程である。ボンドコート層積層工程Ｓ１０では、例えば、前述のＭＣｒＡｌＹ合金等の溶射粉を耐熱基材１１の表面に溶射することでボンドコート層１２を形成する。
【００７１】
第１層積層工程Ｓ２０は、ボンドコート層１２上に、溶射粒子を溶射して第１層１４を積層させる工程である。第１層積層工程Ｓ２０では、例えば、積算粒度１０％粒径が４０μｍ以上５０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が６０μｍ以上７０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が８０μｍ以上１００μｍ以下とされる粒度分布を有する第２溶射粒子２を大気プラズマ溶射によってボンドコート層１２の表面に溶射することで第１層１４を形成する。
【００７２】
第２層積層工程Ｓ３０は、第１層１４上に、溶射粒子を溶射して第２層１５を積層させる工程である。第２層積層工程Ｓ３０では、例えば、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する第１溶射粒子１を大気プラズマ溶射によって第１層１４の表面に溶射することで第２層１５を形成する。
【００７３】
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、ボンドコート層１２上に、１０％以上１５％以下の気孔率を有する第１層１４を形成できる。これにより、第１層１４の耐久性を確保しつつ、第１層１４の熱伝導率の上昇を抑制できる。
また、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、第１層１４上に、０．５％以上９．０％以下の気孔率を有する第２層１５を形成できる。これにより、第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。
このように、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても遮熱コーティング層１０の耐久性を向上できる。
【００７４】
（タービン部材及びガスタービン）
上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングは、産業用ガスタービンの動翼や静翼、あるいは燃焼器の内筒や尾筒、分割環などの高温部品に適用して有用である。また、産業用ガスタービンに限らず、自動車やジェット機などのエンジンの高温部品の遮熱コーティング膜にも適用することができる。これらの部材に上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを設けることで、耐食性及び熱サイクル耐久性に優れるガスタービン翼や高温部品を構成することができる。
【００７５】
図７乃至９は、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを適用可能なタービン部材の構成例を示す斜視図である。図１０は、一実施形態係るガスタービン６の部分断面構造を模式的に示す図である。上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを適用可能なタービン部材の構成例として、図７に示すガスタービン動翼４や、図８に示すガスタービン静翼５、図９に示す分割環７、及び図１０に示すガスタービン６の燃焼器８を挙げることができる。図７に示すガスタービン動翼４は、ディスク側に固定されるタブテイル４１、プラットフォーム４２、翼部４３等を備えて構成されている。また、図８に示すガスタービン静翼５は、内シュラウド５１、外シュラウド５２、翼部５３等を備えて構成されており、翼部５３にはシールフィン冷却孔５４、スリット５５等が形成されている。
【００７６】
図９に示す分割環７は、環状の部材を周方向に分割した部材であり、ガスタービン動翼４の外側に複数配置され、タービン６２のケーシングに保持される。図９に示す分割環７には冷却孔７１が形成されている。図１０に示すガスタービン６が備える燃焼器８は、ライナとして内筒８１と尾筒８２とを有する。
【００７７】
次に、上述したタービン部材を適用可能なガスタービンについて図１０を参照して以下に説明する。図１０は、一実施形態係るガスタービンの部分断面構造を模式的に示す図である。このガスタービン６は、互いに直結された圧縮機６１とタービン６２とを備える。圧縮機６１は、例えば軸流圧縮機として構成されており、大気又は所定のガスを吸込口から作動流体として吸い込んで昇圧させる。この圧縮機６１の吐出口には、燃焼器８が接続されており、圧縮機６１から吐出された作動流体は、燃焼器８によって所定のタービン入口温度まで加熱される。そして所定温度まで昇温された作動流体がタービン６２に供給されるようになっている。図１０に示すように、タービン６２のケーシング内部には、上述したガスタービン静翼５が、複数段設けられている。また、上述したガスタービン動翼４が、各静翼５と一組の段を形成するように主軸６４に取り付けられている。主軸６４の一端は、圧縮機６１の回転軸６５に接続されており、その他端には、図示しない発電機の回転軸が接続されている。
【００７８】
このような構成により、燃焼器８からタービン６２のケーシング内に高温高圧の作動流体を供給すれば、ケーシング内で作動流体が膨張することにより、主軸６４が回転し、このガスタービン６と接続された図示しない発電機が駆動される。即ち、ケーシングに固定された各静翼５によって圧力降下させられ、これにより発生した運動エネルギは、主軸６４に取り付けられた各動翼４を介して回転トルクに変換される。そして、発生した回転トルクは、主軸６４に伝達され、発電機が駆動される。
【００７９】
一般に、ガスタービン動翼に用いられる材料は、耐熱合金（例えばＩＮ７３８ＬＣ＝インコ社の市販の合金材料）であり、ガスタービン静翼に用いられる材料は、同様に耐熱合金（例えばＩＮ９３９＝インコ社の市販の合金材料）である。即ち、タービン翼を構成する材料は、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングにおいて耐熱基材１１として採用可能な耐熱合金が使用されている。従って、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを、これらのタービン翼に適用すれば、遮熱効果と、耐食性及び耐久性に優れたタービン翼を得ることができるので、より高い温度環境で使用することができ、長寿命のタービン翼を実現することができる。また、より高い温度環境において適用可能であることは、作動流体の温度を高められることを意味し、これによりガスタービン効率を向上させることも可能となる。
このように、幾つかの実施形態に係るタービン部材であるタービン翼４，５は、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングを有するので、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であってもタービン部材の耐久性を向上できる。
また、幾つかの実施形態に係るガスタービン６は、上記タービン部材であるタービン翼４，５を有するので、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であってもガスタービン６におけるタービン部材の耐久性を向上できる。
【００８０】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、ボンドコート層積層工程Ｓ１０と、第１層積層工程Ｓ２０と、第２層積層工程Ｓ３０とを含む。しかし、既にボンドコート層１２及び第１層１４が形成された耐熱基材１１に対して、上述した第２層積層工程Ｓ３０によって第１層１４の表面側に第２層１５を形成するようにしてもよい。
これにより、例えば、第１層１４と同様の層を有する従来のタービン部材に対して、第２層１５を形成できる。
【００８１】
具体的には、例えば図１１に示すように、母材１１上にボンドコート層１２及び第１層１４と同様の第１層１４Ａとが積層された既設コーティング層１０Ａに対して、図１２に示す遮熱コーティングの製造工程において、第２層１５を形成できる。なお、図１１は、第１層１４と同様の第１層１４Ａとが積層された既設コーティング層１０Ａを備えるタービン部材の断面の模式図である。図１２は、既設コーティング層１０Ａに対して第２層１５を形成する遮熱コーティングの製造工程についてのフローチャートである。
【００８２】
図１２に示す実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、第２層積層工程Ｓ３０を含む。図１２に示す実施形態に係る第２層積層工程Ｓ３０は、上述した図６に示す幾つかの実施形態に係る第２層積層工程Ｓ３０と同じである。
【００８３】
図１２に示す実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、例えば、ガスタービン６の運転に供された、第２層１５が形成されていないタービン部材や、第２層１５が形成されていない未使用品のタービン部材に対し、第２層積層工程Ｓ３０において、第１層１４の表面に第２層１５を形成する。
【００８４】
これにより、ボンドコート層１２とボンドコート層１２上に積層された第１層１４Ａとを有する既設コーティング層１０Ａに対して、第２層積層工程Ｓ３０によって、０．５％以上９．０％以下の気孔率を有する第２層１５を形成できる。これにより、第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。したがって、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても既設コーティング層１０Ａの耐久性を向上できる。
【００８５】
上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、ボンドコート層積層工程Ｓ１０と、第１層積層工程Ｓ２０と、第２層積層工程Ｓ３０とを含む。しかし、上述した幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング層１０を有するタービン部材のメンテナンスに際し、古い第２層１５を除去した後に新たな第２層１５を形成できる。
具体的には、例えば図１３に示すように、母材１１上に積層されたボンドコート１２層と、ボンドコート層１２上に積層された第１層１４と、第１層１４上に積層された第２層１５Ｂとを有する既設遮熱コーティング層１０Ｂに対し、図１４に示す遮熱コーティングの製造工程において、古い第２層１５Ｂを除去して新たな第２層１５を形成できる。なお、図１３は、既設遮熱コーティング層１０Ｂを備えるタービン部材の断面の模式図である。図１４は、既設遮熱コーティング層１０Ｂの古い第２層１５Ｂを除去して新たな第２層１５を形成する遮熱コーティングの製造工程についてのフローチャートである。
【００８６】
図１４に示す実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、第２層除去工程Ｓ５０と、第２層積層工程Ｓ３０とを含む。図１４に示す実施形態に係る第２層積層工程Ｓ３０は、上述した図６に示す幾つかの実施形態に係る第２層積層工程Ｓ３０と同じである。
【００８７】
図１４に示す実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法では、まず、第２層除去工程Ｓ５０において、図１３に示す既設遮熱コーティング層１０Ｂの古い第２層１５Ｂを除去する。第２層除去工程Ｓ５０では、例えばブラスト処理などによって、古い第２層１５Ｂを除去する。図１５は、第２層除去工程Ｓ５０において古い第２層１５Ｂを除去した後のタービン部材の断面の模式図である。
【００８８】
次いで、第２層積層工程Ｓ３０において、第２層除去工程Ｓ５０において古い第２層１５Ｂを除去した後の既設遮熱コーティング層１０Ｂの第１層１４の表面に第２層１５を形成する。
【００８９】
すなわち、図１４に示す実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、母材１１上に積層されたボンドコート層１２と、ボンドコート層１２上に積層された第１層１４と、第１層１４上に積層された第２層１５Ｂとを有する既設遮熱コーティング層１０Ｂに対し、第２層１５Ｂを除去する第２層除去工程Ｓ５０を含む。また、図１４に示す実施形態に係る遮熱コーティングの製造方法は、第２層１５Ｂを除去した後の既設遮熱コーティング層１０Ｂに対し、第１層１４上に、積算粒度１０％粒径が３０μｍ以上４０μｍ以下とされ、積算粒度５０％粒径が４０μｍ以上６０μｍ以下とされ、積算粒度９０％粒径が７０μｍ以上８０μｍ以下とされる粒度分布を有する溶射粒子を溶射して第２層１５を積層させる第２層積層工程Ｓ３０を含む。
【００９０】
これにより、既設遮熱コーティング層１０Ｂの第２層１５Ｂを除去して新たに０．５％以上９．０％以下の気孔率を有する第２層１５を形成できる。したがって、既設遮熱コーティング層１０Ｂにおける第２層１５Ｂが劣化した場合などに、第２層１５を新たに積層させることが可能となる。これにより、新たに積層させた第２層１５によって腐食性物質の浸透を抑制できる。したがって、燃焼ガスに腐食性物質が含まれる環境下であっても既設遮熱コーティング層１０Ｂの耐久性を向上できる。
【符号の説明】
【００９１】
１，１Ａ  第１溶射粒子
２  第２溶射粒子
４  ガスタービン動翼
５  ガスタービン静翼
６  ガスタービン
７  分割環
８  燃焼器
１０  遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ  ：  ＴＢＣ）層
１１  耐熱基材（母材）
１２  金属結合層（ボンドコート層）
１３  セラミックス層
１４  第１層
１５  第２層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
2019167603.tif 000009
【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】
2019167603.tif 000020
【図１６】
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【図１７】
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