(57)【要約】【課題】セラミックコーティングの耐久性を向上させる。【解決手段】一実施形態に係るセラミックコーティングの補修方法は、第１セラミック層が形成されたセラミックコーティングの被補修箇所にセラミックスの溶射粒子を溶射して第２セラミック層を形成する工程と、前記第１セラミック層と前記第２セラミック層との界面のうち、前記セラミックコーティングの表面側の部位を加熱して該部位を溶融させる工程と、を有する。【選択図】図７
2019157202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１セラミック層が形成されたセラミックコーティングの被補修箇所にセラミックスの溶射粒子を溶射して第２セラミック層を形成する工程と、
前記第１セラミック層と前記第２セラミック層との界面のうち、前記セラミックコーティングの表面側の部位を加熱して該部位を溶融させる工程と、
を有するセラミックコーティングの補修方法。
【請求項２】
前記溶融させる工程において、前記界面の前記部位に加えて、前記第２セラミック層の表層部を加熱溶融させる
請求項１に記載のセラミックコーティングの補修方法。
【請求項３】
前記第２セラミック層は、前記第１セラミック層よりも気孔率が大きい
請求項１又は２に記載のセラミックコーティングの補修方法。
【請求項４】
前記第２セラミック層を形成する工程において、気孔率が１０％以上３０％以下の前記第２セラミック層を形成する
請求項１乃至３の何れか一項に記載のセラミックコーティングの補修方法。
【請求項５】
前記溶融させる工程において、レーザ、電子ビーム、又はプラズマの何れかを照射することで、前記界面の前記部位を含む前記セラミックコーティングの表層領域を選択的に加熱して溶融させる
請求項１乃至４の何れか一項に記載のセラミックコーティングの補修方法。
【請求項６】
第１セラミック層と、
前記第１セラミック層の面内方向で前記第１セラミック層に隣接する第２セラミック層と、
少なくとも、前記第１セラミック層と前記第２セラミック層との界面のうち、前記第１セラミック層の表面側の部位が溶融凝固した溶融凝固部と、
を有するセラミックコーティング。
【請求項７】
前記溶融凝固部の深さは、５マイクロメートル以上１００マイクロメートル以下である
請求項６に記載のセラミックコーティング。
【請求項８】
前記溶融凝固部の幅は、１ｍｍ以上である
請求項６又は７に記載のセラミックコーティング。
【請求項９】
前記溶融凝固部は、前記界面の前記部位に加えて、前記第２セラミック層の表層部が溶融凝固している
請求項６又は７に記載のセラミックコーティング。
【請求項１０】
前記第２セラミック層の気孔率は、１０％以上３０％以下である
請求項６乃至９の何れか一項に記載のセラミックコーティング。
【請求項１１】
請求項６乃至１０の何れか一項に記載のセラミックコーティングを有するタービン部材。
【請求項１２】
請求項１１に記載のタービン部材を有するガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、セラミックコーティングの補修方法、セラミックコーティング、タービン部材及びガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンなどの発電装置は、高温環境で使用される。そのため、ガスタービンを構成する静翼や動翼、あるいは燃焼器の壁材などは、耐熱部材で構成される。更に、この耐熱部材の基材上に、遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ，ＴＢＣ）を形成して、耐熱部材を高温から保護することが行われている。
このように、基材を保護するために基材上にセラミックコーティングを形成することがある。
【０００３】
このようなセラミックコーティングが部分的に損傷した場合、セラミックコーティングの全体を基材から剥離させて新たにセラミックコーティングを形成すると、補修に要する時間やコストが大きく掛かることになるため、部分的に補修を行うこととなる。
例えば特許文献１には、ＴＢＣの損傷部位にセラミックス粒子を溶射することで損傷部位を部分的に補修する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５９０９２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されたセラミックコーティングの部分的な補修方法では、ＴＢＣの損傷部位にセラミックス粒子を溶射することで形成した補修部（補修被膜）にレーザを照射することで補修被膜内に急激な温度差を生じさせて縦割れを形成するようにしている。このように、特許文献１に記載されたセラミックコーティングの部分的な補修方法では、補修被膜内に縦割れを形成することで、補修被膜の熱サイクル耐久性を向上させて、補修被膜の耐剥離性の向上を図っている。しかし、特許文献１に記載の方法では、補修被膜の周囲の健全なセラミック層と補修被膜との界面における密着性が不十分となるおそれがある。
【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、セラミック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セラミックコーティングの補修方法は、
第１セラミック層が形成されたセラミックコーティングの被補修箇所にセラミックスの溶射粒子を溶射して第２セラミック層を形成する工程と、
前記第１セラミック層と前記第２セラミック層との界面のうち、前記セラミックコーティングの表面側の部位を加熱して該部位を溶融させる工程と、
を有する。
【０００８】
発明者らが鋭意検討した結果、上記界面のうち、セラミックコーティングの表面側の部位を加熱して該部位を溶融させることで、第２セラミック層の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第１セラミック層と同等に保ちつつ、第１セラミック層と第２セラミック層との密着性を向上できることを見出した。
したがって、上記（１）の方法によれば、第２セラミック層の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第１セラミック層と同等に保ちつつ、第１セラミック層と第２セラミック層との密着性を向上できるので、セラミックコーティングの補修部の耐久性が向上し、セラミック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）の方法において、前記溶融させる工程において、前記界面の前記部位に加えて、前記第２セラミック層の表層部を加熱溶融させる。
【００１０】
セラミックコーティングにおいて加熱溶融させた後に凝固した部分は、加熱溶融させていない部分と比べて硬度が高い。その点、上記（２）の方法によれば、加熱溶融させた後の第２セラミック層の表層部の硬度を加熱溶融させていない場合と比べて高くすることができるので、第２セラミック層の耐エロ―ジョン性を向上できる。したがって、被補修箇所がエロ―ジョンによって補修を要することとなっていた場合、上記（２）の方法によって、補修後のセラミックコーティングの耐久性を向上できる。
【００１１】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の方法において、前記第２セラミック層は、前記第１セラミック層よりも気孔率が大きい。
【００１２】
一般的に、セラミックコーティングにおいて、気孔率が高いほど熱伝導率は低くなる。したがって、上記（３）の方法によれば、第２セラミック層の熱伝導率を第１セラミック層の熱伝導率よりも低くすることができる。したがって、例えば補修に際して被補修箇所における遮熱性の向上が要求される場合には、上記（３）の方法によって遮熱性を向上できる。
【００１３】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の方法において、前記第２セラミック層を形成する工程において、気孔率が１０％以上３０％以下の前記第２セラミック層を形成する。
【００１４】
例えば、溶射などによって第１セラミック層を形成した場合の第１セラミック層の気孔率の一般的な下限値が数％程度であるため、第２セラミック層の気孔率が１０％以上となるように第２セラミック層を形成することで、第２セラミック層の熱伝導率が第１セラミック層の熱伝導率よりも低くなることが期待できる。したがって、例えば被補修箇所が被補修箇所以外の領域よりも温度環境が厳しいために遮熱性の向上が要求される場合には、上記（４）の方法によって、補修後の第２セラミック層の遮熱性が補修前と比べて向上することが期待できる。
一方、第２セラミック層の気孔率が大きくなると第１セラミック層との密着性が低下する傾向にあるので、第２セラミック層の気孔率が３０％を超えると、第１セラミック層との密着性が不十分になるおそれがある。
その点、上記（４）の方法によれば、第１セラミック層との密着性を確保しつつ、第２セラミック層の遮熱性を確保できる。
【００１５】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの方法において、前記溶融させる工程において、レーザ、電子ビーム、又はプラズマの何れかを照射することで、前記界面の前記部位を含む前記セラミックコーティングの表層領域を選択的に加熱して溶融させる。
【００１６】
上記（５）の方法によれば、溶融させるべき領域を選択的に加熱して溶融させることができ、他の領域の熱的損傷を抑制できる。
【００１７】
（６）本発明の少なくとも一実施形態に係るセラミックコーティングは、
第１セラミック層と、
前記第１セラミック層の面内方向で前記第１セラミック層に隣接する第２セラミック層と、
少なくとも、前記第１セラミック層と前記第２セラミック層との界面のうち、前記第１セラミック層の表面側の部位が溶融凝固した溶融凝固部と、を有する。
【００１８】
発明者らが鋭意検討した結果、上記界面のうち、第１セラミック層の表面側の部位に溶融凝固部を形成することで、第２セラミック層の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第１セラミック層と同等に保ちつつ、第１セラミック層と第２セラミック層との密着性を向上できることを見出した。
したがって、上記（６）の構成によれば、第２セラミック層の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第１セラミック層と同等に保ちつつ、第１セラミック層と第２セラミック層との密着性を向上できるので、セラミックコーティングの耐久性を向上できる。
【００１９】
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、前記溶融凝固部の深さは、５マイクロメートル以上１００マイクロメートル以下である。
【００２０】
溶融凝固部の深さが２０マイクロメートル未満であると、溶融凝固部の形成時の深さのばらつきにより、局部的に深さが極端に浅くなって第１セラミック層と第２セラミック層との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。そのため、溶融凝固部の深さは２０マイクロメートル以上であることが望ましい。また、溶融凝固部の深さが１００μｍを超えると、溶融凝固部の熱サイクル耐久性が低下するおそれがあるため、溶融凝固部の深さは１００μｍ以下とすることが望ましい。
その点、上記（７）の構成によれば、溶融凝固部の深さが５マイクロメートル以上１００マイクロメートル以下であるので、第１セラミック層と第２セラミック層との密着性を確保しつつ、溶融凝固部の熱サイクル耐久性を確保できる。
【００２１】
（８）幾つかの実施形態では、上記（６）又は（７）の構成において、前記溶融凝固部の幅は、１ｍｍ以上である。
【００２２】
溶融凝固部の幅が１ｍｍ未満であると、溶融凝固部の形成時に加熱溶融させる部位の位置のばらつきにより、上記界面の第１セラミック層の表面側の部位で加熱溶融されない場所が生じるおそれがある。特に、上記界面は、必ずしも第１セラミック層の表面に対して直交する方向に延在しているとは限らず、第１セラミック層の表面に対して斜め方向に延在している場合がある。そのため、溶融凝固部の幅が１ｍｍ未満であると、溶融凝固部の形成時に、界面のうち第１セラミック層の表面側のごく浅い部分を除いて加熱溶融される範囲から外れてしまい、界面を所望の深さまで加熱溶融できないおそれがある。
このように、溶融凝固部の幅が１ｍｍ未満であると、第１セラミック層と第２セラミック層との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。そのため、溶融凝固部の幅は１ｍｍ以上であることが望ましい。
その点、上記（８）の構成によれば、溶融凝固部の幅が１ｍｍ以上であるので、第１セラミック層と第２セラミック層との密着性を確保できる。
【００２３】
（９）幾つかの実施形態では、上記（６）又は（７）の構成において、前記溶融凝固部は、前記界面の前記部位に加えて、前記第２セラミック層の表層部が溶融凝固している。
【００２４】
溶融凝固部は、加熱溶融させていない部分と比べて硬度が高い。その点、上記（９）の構成によれば、第２セラミック層の表層部の硬度を該表層部を加熱溶融させていない場合と比べて高くすることができるので、第２セラミック層の耐エロ―ジョン性を向上できる。
【００２５】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（６）乃至（９）の何れかの構成において、前記第２セラミック層の気孔率は、１０％以上３０％以下である。
【００２６】
上述したように、第２セラミック層の気孔率を１０％以上とすることで、第２セラミック層の熱伝導率が第１セラミック層の熱伝導率よりも低くなることが期待できる。したがって、上記（１０）の構成によって、第２セラミック層の遮熱性が第１セラミック層の遮熱性よりも向上することが期待できる。
一方、上述したように、第２セラミック層の気孔率が３０％を超えると、第１セラミック層との密着性が不十分になるおそれがある。
その点、上記（１０）の構成によれば、第１セラミック層との密着性を確保しつつ、第２セラミック層の遮熱性を確保できる。
【００２７】
（１１）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（６）乃至（１０）の何れかのセラミックコーティングを有する。
【００２８】
上記（１１）の構成によれば、第２セラミック層の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第１セラミック層と同等に保ちつつ、第１セラミック層と第２セラミック層との密着性を向上できるので、タービン部材の耐久性を向上できる。
【００２９】
（１２）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（１１）のタービン部材を有する。
【００３０】
上記（１２）の構成によれば、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。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、セラミックコーティングの耐久性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施形態に係るセラミック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】セラミック層が部分的に損傷した状態を模式的に示す断面図である。
【図３】幾つかの実施形態に係るセラミックコーティングの補修方法の手順を示すフローチャートである。
【図４】前処理工程において、被補修箇所の表面の状態を整えた後のセラミックコーティングの断面を模式的に示す図である。
【図５】補修層形成工程で補修層を形成した後のセラミックコーティングの断面を模式的に示す図である。
【図６】余盛部除去工程で補修層の余盛部分を除去した後のセラミックコーティングの断面を模式的に示す図である。
【図７】セラミック層と補修層との界面のうち、セラミックコーティングの表面側の部位を加熱溶融させた後、該部位が凝固して形成された溶融凝固部を含むセラミックコーティングの断面を模式的に示す図である。
【図８】界面における表面側の部位に加えて、補修層の表層部を加熱溶融させた後、凝固して形成された溶融凝固部を含むセラミックコーティングの断面を模式的に示す図である。
【図９】ガスタービン動翼の構成例を示す斜視図である。
【図１０】ガスタービン静翼の構成例を示す斜視図である。
【図１１】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。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。ただし、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。
【００３４】
（セラミックコーティング）
図１は、実施形態に係るセラミック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。以下で説明する幾つかの実施形態では、セラミックコーティングの一例として、タービン部材の遮熱のための遮熱コーティングについて説明する。
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、セラミックコーティング１０は、遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ  ：  ＴＢＣ）層であり、ボンドコート層１２及びセラミック層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。
【００３５】
幾つかの実施形態におけるセラミック層１３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。
幾つかの実施形態では、セラミック層１３は、遮熱性を確保するため、気孔１４を含むポーラスな組織とされる。なお、図１及び後述する各図における気孔１４は、セラミック層１３における気孔１４を模式的に示すものであり、実際の気孔の大きさや形状、密集状態とは異なる。セラミック層１３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、セラミック層１３の気孔率は、例えば３％以上２０％以下とされる。
【００３６】
幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング１０が形成された部材、すなわち例えばタービン部材等が使用されると、エロ―ジョンや飛来物の衝突等によってセラミック層１３が部分的に損傷する場合がある。図２は、セラミック層１３が部分的に損傷した状態を模式的に示す断面図である。
このようにセラミックコーティング１０が部分的に損傷した場合、セラミックコーティング１０の全体を母材１１から剥離させて新たにセラミックコーティング１０を形成すると、補修に要する時間やコストが大きく掛かることになるため、部分的に補修を行うこととなる。
【００３７】
セラミックコーティング１０の部分的な補修では、損傷を受けていないセラミックコーティング１０の健全な部分と、補修によって新たに形成した部分との密着性を確保する必要がある。
そこで、以下で述べる幾つかの実施形態では、損傷を受けていないセラミックコーティング１０の健全な部分と、補修によって新たに形成した部分との密着性を確保できるように、セラミックコーティングを補修する。
【００３８】
図３は、幾つかの実施形態に係るセラミックコーティングの補修方法の手順を示すフローチャートである。
幾つかの実施形態に係るセラミックコーティングの補修方法は、前処理工程Ｓ１０と、補修層形成工程Ｓ２０と、余盛部除去工程Ｓ３０と、加熱溶融工程Ｓ４０と、仕上工程Ｓ５０とを有する。
【００３９】
前処理工程Ｓ１０は、セラミックコーティング１０の損傷部位である被補修箇所１５に対してブラスト処理等を行うことで、後で実施される補修層形成工程Ｓ２０において補修層が形成される面の状態を整える工程である。図４は、前処理工程Ｓ１０において、被補修箇所１５の表面１５ａの状態を整えた後のセラミックコーティング１０の断面を模式的に示す図である。
【００４０】
補修層形成工程Ｓ２０は、セラミックコーティング１０の被補修箇所１５に補修層１６を形成する工程である。幾つかの実施形態では、補修層形成工程Ｓ２０において、セラミックコーティング１０の被補修箇所１５に、例えばセラミックスの溶射粒子を溶射して補修層１６を形成する。
幾つかの実施形態では、補修層形成工程Ｓ２０において、セラミックコーティング１０の被補修箇所１５に、セラミック層１３と同じ材質のセラミックスの溶射粒子を溶射して補修層１６を形成する。図５は、補修層形成工程Ｓ２０で補修層１６を形成した後のセラミックコーティング１０の断面を模式的に示す図である。
なお、以下の説明では、セラミック層１３を第１セラミック層１３Ａとも呼び、補修層１６を第２セラミック層１６Ａとも呼ぶ。すなわち、補修層形成工程Ｓ２０は、第１セラミック層１３Ａが形成されたセラミックコーティング１０の被補修箇所１５にセラミックスの溶射粒子を溶射して第２セラミック層１６Ａを形成する工程である。
【００４１】
なお、セラミック層１３が溶射によって形成されている場合、補修層１６の形成時の溶射距離等の溶射条件をセラミック層１３の形成時の溶射条件と同じとしてもよい。補修層１６の形成時の溶射条件をセラミック層１３の形成時の溶射条件と同じとし、セラミック層１３の形成に用いた溶射粒子と同じ溶射粒子を用いて補修層１６を形成することによって、気孔率や熱伝導率、耐エロ―ジョン性等をセラミック層１３と補修層１６とで同等とすることができる。
【００４２】
余盛部除去工程Ｓ３０は、補修層形成工程Ｓ２０で形成した補修層１６の余盛部分１７を除去する工程である。図６は、余盛部除去工程Ｓ３０で補修層１６の余盛部分１７（図５参照）を除去した後のセラミックコーティング１０の断面を模式的に示す図である。
【００４３】
加熱溶融工程Ｓ４０は、セラミック層１３と補修層１６との界面１８のうち、セラミックコーティング１０の表面側の部位を加熱して該部位を溶融させる工程である。すなわち、加熱溶融工程Ｓ４０は、第１セラミック層１３Ａと第２セラミック層１６Ａとの界面１８のうち、セラミックコーティング１０の表面側の部位を加熱して該部位を溶融させる工程である。
【００４４】
上述したように、セラミックコーティング１０の部分的な補修では、セラミック層１３と補修層１６とのとの密着性を確保する必要がある。
発明者らが鋭意検討した結果、セラミック層１３と補修層１６との界面１８のうち、セラミックコーティング１０の表面側の部位を加熱して該部位を溶融させることで、補修層１６の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性をセラミック層１３と同等に保ちつつ、セラミック層１３と補修層１６との密着性を向上できることを見出した。
したがって、幾つかの実施形態によれば、補修層１６の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性をセラミック層１３と同等に保ちつつ、セラミック層１３と補修層１６との密着性を向上できるので、セラミックコーティング１０の補修部の耐久性が向上し、セラミックコーティング１０の耐久性を向上できる。
【００４５】
図７は、セラミック層１３と補修層１６との界面１８のうち、セラミックコーティング１０の表面側の部位を加熱溶融させた後、該部位が凝固して形成された溶融凝固部２１を含むセラミックコーティング１０の断面を模式的に示す図である。なお、溶融凝固部２１と、セラミック層１３や加熱溶融されていない補修層１６とは、その気孔率の違いや、形成方法の違いに起因して、図７に示すような断面における見え方が異なるため、溶融凝固部２１と、溶融凝固部２１以外の領域とを見分けること、及び、溶融凝固部２１が溶融後に凝固したことで形成された領域であることを視認によって判断することは容易である。同様の理由により、セラミックコーティング１０を表面側から見たときも、溶融凝固部２１と、溶融凝固部２１以外の領域とを見分けること、及び、溶融凝固部２１が溶融後に凝固したことで形成された領域であることを視認によって判断することは容易である。
【００４６】
仕上工程Ｓ５０は、加熱溶融工程Ｓ４０で形成した溶融凝固部２１の表面を整える工程である。仕上工程Ｓ５０では、例えばグラインダによって溶融凝固部２１の表面を整える。
【００４７】
このように、幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング１０は、第１セラミック層１３Ａと、第１セラミック層１３Ａの面内方向で第１セラミック層に１３Ａ隣接する第２セラミック層１６Ａとを有する。そして、幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング１０は、少なくとも、第１セラミック層１３Ａと第２セラミック層１６Ａとの界面１８のうち、第１セラミック層１３Ａの表面側の部位が溶融凝固した溶融凝固部２１，２２を有する。
したがって、幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング１０では、上述したように、第２セラミック層１６Ａの熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性を第１セラミック層１３Ａと同等に保ちつつ、第１セラミック層１３Ａと第２セラミック層１６Ａとの密着性を向上できるので、セラミックコーティングの耐久性を向上できる。
【００４８】
（加熱溶融工程Ｓ４０における加熱方法について）
幾つかの実施形態では、加熱溶融工程Ｓ４０において、レーザ、電子ビーム、又はプラズマの何れかを照射することで、セラミック層１３と補修層１６との界面１８のうち、セラミックコーティング１０の表面側の部位を選択的に加熱して溶融させて溶融凝固部２１を形成する。
これにより、溶融させるべき領域を選択的に加熱して溶融させることができ、他の領域の熱的損傷を抑制できる。
【００４９】
例えば、レーザの照射によって加熱溶融させる場合のレーザの照射条件の一例を以下に示す。例えば平均出力は２０Ｗであり、照射速度は２．４ｍ／ｍｉｎであり、ビーム径は０．３ｍｍである。レーザビームの走査については、例えば６軸ロボットを用いて走査するようにしてもよく、ガルバノレンズを用いて走査するようにしてもよい。
【００５０】
（溶融凝固部２１の幅について）
図７に示す実施形態では、溶融凝固部２１の幅は、１ｍｍ以上である。
溶融凝固部２１の幅が１ｍｍ未満であると、溶融凝固部２１の形成時に加熱溶融させる部位の位置のばらつき、例えばレーザビームの照射位置のずれ等により、界面１８のセラミック層１３の表面側の部位で加熱溶融されない場所が生じるおそれがある。特に、界面１８は、例えば図７に示すように、必ずしもセラミック層１３の表面に対して直交する方向に延在しているとは限らず、セラミック層１３の表面に対して斜め方向に、すなわちセラミック層１３の厚さ方向に対して傾斜した方向に延在している場合がある。そのため、溶融凝固部２１の幅が１ｍｍ未満であると、溶融凝固部２１の形成時に、界面１８のうちセラミック層１３の表面側のごく浅い部分を除いて加熱溶融される範囲から外れてしまい、界面１８を所望の深さまで加熱溶融できないおそれがある。
また、溶融凝固部２１の幅が１ｍｍ未満であると、溶融凝固部２１の形成時の幅のばらつきにより、局部的に溶融凝固部２１の幅が極端に狭くなってセラミック層１３と補修層１６との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。
このように、溶融凝固部２１の幅が１ｍｍ未満であると、セラミック層１３と補修層１６との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。そのため、溶融凝固部２１の幅は１ｍｍ以上であることが望ましい。
その点、幾つかの実施形態では、溶融凝固部２１の幅が１ｍｍ以上であるので、セラミック層１３と補修層１６との密着性を確保できる。
【００５１】
（補修層１６の表層部の加熱溶融について）
図７に示す実施形態では、界面１８を介して接していたセラミック層１３及び補修層１６の表面の一部分だけを加熱溶融することで溶融凝固部２１を形成している。しかし、図８に示す実施形態のように、加熱溶融工程Ｓ４０において、界面１８における表面側の部位に加えて、補修層１６の表層部を加熱溶融させてもよい。すなわち、図８に示す実施形態では、加熱溶融工程Ｓ４０において、レーザ、電子ビーム、又はプラズマの何れかを照射することで、セラミック層１３と補修層１６との界面１８のうち、セラミックコーティング１０の表面側の部位を含むセラミックコーティング１０の表層領域を選択的に加熱して溶融させて溶融凝固部２２を形成する。
なお、図８は、界面１８における表面側の部位に加えて、補修層１６の表層部を加熱溶融させた後、凝固して形成された溶融凝固部２２を含むセラミックコーティング１０の断面を模式的に示す図である。このように、図８に示す溶融凝固部２２は、界面１８における表面側の部位に加えて、補修層１６の表層部が溶融凝固している。
なお、図７に示す溶融凝固部２１と同様に、図８に示す溶融凝固部２２と、溶融凝固部２２以外の領域とを見分けること、及び、溶融凝固部２２が溶融後に凝固したことで形成された領域であることを視認によって判断することは容易である。
【００５２】
セラミックコーティング１０において加熱溶融させた後に凝固した部分は、加熱溶融させていない部分と比べて硬度が高い。その点、図８に示す実施形態では、加熱溶融させた後の補修層１６の表層部の硬度を加熱溶融させていない場合と比べて高くすることができるので、補修層１６の耐エロ―ジョン性を向上できる。したがって、被補修箇所１５がエロ―ジョンによって補修を要することとなっていた場合、界面１８における表面側の部位に加えて、補修層１６の表層部を加熱溶融させることによって、溶融凝固部２２が表面側に形成された補修層１６の耐エロ―ジョン性を向上でき、補修後のセラミックコーティング１０の耐久性を向上できる。
【００５３】
（溶融凝固部２１，２２の深さについて）
幾つかの実施形態では、溶融凝固部２１，２２の深さは、５マイクロメートル以上１００マイクロメートル以下である。
溶融凝固部２１，２２の深さが５マイクロメートル未満であると、溶融凝固部２１，２２の形成時の深さのばらつきにより、局部的に深さが極端に浅くなるおそれがある。例えば、界面１８近傍で局部的に溶融凝固部２１，２２の深さが極端に浅くなるとセラミック層１３と補修層１６との密着性が不十分となる部分が生じるおそれがある。また、例えば図８に示した実施形態では、局部的に溶融凝固部２２の深さが極端に浅くなると耐エロ―ジョン性が低下するおそれがある。そのため、溶融凝固部２１，２２の深さは５マイクロメートル以上であることが望ましい。また、溶融凝固部２１，２２の深さが１００μｍを超えると、溶融凝固部２１，２２の熱サイクル耐久性が低下するおそれがあるため、溶融凝固部２１，２２の深さは１００μｍ以下とすることが望ましい。
その点、幾つかの実施形態では、溶融凝固部２１，２２の深さが２０マイクロメートル以上１００マイクロメートル以下であるので、セラミック層１３と補修層１６との密着性や耐エロ―ジョン性を確保しつつ、溶融凝固部２１の熱サイクル耐久性を確保できる。
【００５４】
（補修層１６の気孔率について）
幾つかの実施形態において、補修層１６の気孔率をセラミック層１３の気孔率よりも大きくなるようにしてもよい。
一般的に、セラミックコーティング１０において、気孔率が高いほど熱伝導率は低くなる。したがって、補修層１６の気孔率をセラミック層１３の気孔率よりも大きくすれば、補修層１６の熱伝導率をセラミック層１３の熱伝導率よりも低くすることができる。したがって、例えば補修に際して被補修箇所１５における遮熱性の向上が要求される場合には、補修層１６の気孔率をセラミック層１３の気孔率よりも大きくすることによって遮熱性を向上できる。
【００５５】
補修層１６の気孔率をセラミック層１３の気孔率よりも大きくすることは、特に、図８に示す実施形態のように、補修層１６の表層部を加熱溶融させた場合に有用である。すなわち、図８に示す実施形態のように、補修層１６の表層部を加熱溶融させた場合、溶融時に補修層１６の気孔が消滅するため、凝固後の補修層１６の表層部、すなわち溶融凝固部２２の熱伝導率が高くなってしまう。その点、補修層１６の気孔率をセラミック層１３の気孔率よりも大きくすれば、補修層１６のうち、加熱溶融されていない、溶融凝固部２２以外の部位における熱伝導率をセラミック層１３の熱伝導率よりも低くすることができる。これにより、セラミックコーティング１０の補修部の熱伝導率が高くなることを抑制できる。
【００５６】
また、幾つかの実施形態において、補修層形成工程Ｓ２０において、気孔率が１０％以上３０％以下の補修層１６を形成するようにしてもよい。
例えば、溶射などによってセラミック層１３を形成した場合のセラミック層１３の気孔率の一般的な下限値が数％程度であるため、補修層１６の気孔率が１０％以上となるように補修層１６を形成することで、補修層１６の熱伝導率がセラミック層１３の熱伝導率よりも低くなることが期待できる。したがって、例えば被補修箇所１５が被補修箇所以外の領域よりも温度環境が厳しいために遮熱性の向上が要求される場合には、補修層１６の気孔率を１０％以上３０％以下にすることで、補修後の補修層１６の遮熱性が補修前と比べて向上することが期待できる。補修後の補修層１６の遮熱性を向上させることは、上述したように、特に、図８に示す実施形態のように、補修層１６の表層部を加熱溶融させた場合に有用である。
一方、補修層１６の気孔率が大きくなるとセラミック層１３との密着性が低下する傾向にあるので、補修層１６の気孔率が３０％を超えると、第１セラミック層との密着性が不十分になるおそれがある。
その点、補修層１６の気孔率を１０％以上３０％以下にすることで、セラミック層１３との密着性を確保しつつ、補修層１６の遮熱性を確保できる。
【００５７】
（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セラミックコーティング１０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セラミックコーティング１０を設けることで、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。
【００５８】
図９及び図１０は、上述した幾つかの実施形態に係るセラミックコーティング１０を適用可能なタービン部材としてのタービン翼の構成例を示す斜視図である。図９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１０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。
【００５９】
次に、図９，１０に示すタービン翼４，５を適用可能なガスタービンについて図１１を参照して以下に説明する。図１１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６３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６３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１１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。
【００６０】
このような構成により、燃焼器６３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。
【００６１】
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セラミックコーティング１０において母材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セラミックコーティング１０を、これらのタービン翼に適用すれば、遮熱効果と、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セラミックコーティング１０を有するので、補修層１６の熱サイクル耐久性、熱伝導率、耐エロ―ジョン性をセラミック層１３と同等に保ちつつ、セラミック層１３と補修層１６との密着性を向上できるので、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、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。
【００６２】
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では、第２セラミック層１６Ａは補修層１６であり、セラミックコーティング１０の補修のために形成された層であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、母材１１上にセラミックコーティング１０を形成する際に本発明を適用してもよい。この場合には、第２セラミック層１６Ａは、後から補修によって形成された補修層１６ではなく、セラミックコーティング１０の形成時から存在する層である。
【符号の説明】
【００６３】
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
１０  セラミックコーティング
１１  耐熱基材（母材）
１２  金属結合層（ボンドコート層）
１３  セラミック層
１３Ａ  第１セラミック層
１５  被補修箇所
１６  補修層
１６Ａ  第２セラミック層
１８  界面
２１，２２  溶融凝固部
【図１】
2019157202.tif 000003
【図２】
2019157202.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019157202.tif 000008
【図７】
2019157202.tif 000009
【図８】
2019157202.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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