(57)【要約】【課題】  燃焼ガス中の微細粒子の衝突に対する耐エロージョン性に優れたガスタービン動翼の溶射皮膜を提供する。【解決手段】  ガスタービンの動翼表面に耐エロージョン性を高めるために被覆するガスタービン動翼の溶射皮膜。溶射皮膜は、平均粒径４０〜１００μｍのセラミックス粉末と金属粉末の混合体（Ｃｒ3Ｃ2-２５％ＮｉＣｒ）であり、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を結合し、硬度が高くかつ緻密な皮膜を形成している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの動翼表面に耐エロージョン性を高めるために被覆するガスタービン動翼の溶射皮膜であって、
該溶射皮膜は、平均粒径４０〜１００μｍのセラミックス粉末と金属粉末の混合体であり、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を結合し、硬度が高くかつ緻密な皮膜を形成している、ことを特徴とするガスタービン動翼の溶射皮膜。
【請求項２】
前記溶射皮膜の材料は、Ｃｒ3Ｃ2のセラミックス粉末とＮｉＣｒの金属合金の混合体である、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼の溶射皮膜。
【請求項３】
前記溶射皮膜は、高速ガスフレーム溶射により燃料ガスと酸素を用い音速を超える高速で溶融粒子および未溶融粒子を加速して形成されており、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を緻密に溶着している、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼の溶射皮膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼ガス中の微細粒子の衝突に対する耐エロージョン性に優れたガスタービン動翼の溶射皮膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の溶射技術の動向が、非特許文献１および２に開示されている。
非特許文献１に記載されているように、溶射装置としてプラズマ溶射装置、アーク溶射装置、および高速ガスフレーム溶射（ＨＶＯＦ）が知られている。このうち高速ガスフレーム溶射は、燃料ガスと酸素を用い２０００ｍ／ｓを超える高速で溶融粒子および未溶融粒子を加速するものであり、緻密な皮膜が得られる特徴を有する。
【０００３】
また、溶射材料は、溶射皮膜の機能として機械的、熱的、電磁気的、光学的、生体的、化学的な特性を満たすために、金属、樹脂、その他の種々のものが用いられている。
【０００４】
一方、溶射を適用した本発明に関連する事例として、非特許文献２にボイラチューブのエロージョン・コロージョンによる耐摩耗性向上を目的とした耐摩耗溶射が開示されている。これは、Ｎｉ系やＣｏ系の合金にＳｉやＢのフラックスを含有した合金をフレーム粉末式溶射で皮膜を形成し、その後皮膜を再加熱して高温で再溶融させるものである。その結果、母材と治金的結合を生じ高い密着力が得られ、貫通性気泡がなく、高硬度かつ緻密な皮膜が得られている。
【０００５】
また、摺動部材の耐摩耗性溶射皮膜として、特許文献１が開示されている。
特許文献１の「摺動部材の耐摩耗性溶射皮膜」は、図４に示すように、摺動部材２の摺動面に、硬質材料５の粉末と、マトリックス６を形成する金属の粉末と、金属被覆固体潤滑材粒子との混合粉末をプラズマ溶射してなる溶射皮膜３において、金属被覆固体潤滑材粒子を銅被覆黒鉛粒子４とし、その含有量を０．１〜１０質量％未満とし、これにより脆弱化と保油性低下を防止するものである。
【０００６】
【非特許文献１】最近の溶射技術とその動向、溶射技術、１９９３年６月号
【非特許文献２】耐摩耗性の向上と溶射、溶接技術、１９９３年６月号
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−６４４６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、常用自家発電設備として、発電機駆動機関の廃熱を蒸気のかたちで再利用するコージェネレーションプラントが主に利用されるようになった。そのうちガスタービン発電設備は、他の駆動機関（例えばディーゼルエンジン）に比較してコンパクトかつ軽量であり、排気もクリーンであるという優れた特徴があり、コージェネレーション用発電機駆動機関としての需要が伸びてきている。
このような背景の下に、ガスタービン発電設備の出力の増加を図り、変換効率を向上し、更には環境負荷の低減のために、タービン稼働温度の高温化が推進されている。しかし、ガスタービンの第１段動翼は燃焼ガス中の微細粒子の衝突によるエロージョンが生じるため、従来から耐エロージョンのためにアルミナイズ処理されているが、それにもかかわらず、設計寿命に比較して寿命が短い問題点があった。
【０００９】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、燃焼ガス中の微細粒子の衝突に対する耐エロージョン性に優れたガスタービン動翼の溶射皮膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、ガスタービンの動翼表面に耐エロージョン性を高めるために被覆するガスタービン動翼の溶射皮膜であって、
該溶射皮膜は、平均粒径４０〜１００μｍのセラミックス粉末と金属粉末の混合体であり、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を結合し、硬度が高くかつ緻密な皮膜を形成している、ことを特徴とするガスタービン動翼の溶射皮膜が提供される。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記溶射皮膜の材料は、Ｃｒ3Ｃ2のセラミックス粉末とＮｉＣｒの金属合金の混合体である。
【００１２】
また前記溶射皮膜は、高速ガスフレーム溶射により燃料ガスと酸素を用い音速を超える高速で溶融粒子および未溶融粒子を加速して形成されており、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を緻密に溶着している。
【発明の効果】
【００１３】
上記本発明の構成によれば、溶射皮膜が、平均粒径４０〜１００μｍのセラミックス粉末と金属粉末の混合体であり、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を結合し、硬度が高くかつ緻密な皮膜を形成しているので、従来のアルミナイズ処理材、Ｐｔ-アルミナイズ処理材、およびインコネル７１８母材と比較して、微細粒子の衝突に対する耐エロージョン性に優れていることが実験により確認された。
【００１４】
また、溶射皮膜の材料として、Ｃｒ3Ｃ2のセラミックス粉末とＮｉＣｒの金属合金の混合体であるＣｒ3Ｃ2-２５％ＮｉＣｒを用いることにより、耐エロージョン性が数倍以上に優れていることが実験により確認された。
【００１５】
さらに、高速ガスフレーム溶射により、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を緻密に溶着している溶射皮膜を形成することができ、再加熱による金属粉末の再溶解を行うことなく、硬いセラミックス粉末で耐エロージョン性を高め、かつ溶融した金属粉末による溶着により緻密性を高め、セラミックス粉末の脱落を防ぐことができることが確認された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１７】
１．  ガスタービン動翼について耐摩耗溶射による動翼の耐高温エロージョン性を試験し、動翼の長寿命化を目指した。
この試験では、従来のアルミナイズ処理に代えて、Ｃｒ3Ｃ2−ＮｉＣｒのサーメットを用いて、高速ガスフレーム溶射（ＨＶＯＦ溶射）する技術を開発した。実環境に近い条件の超高温エロージョン試験により、２倍以上の耐エロージョン性を有することを明らかにした。
なお、本溶射皮膜は、皮膜が損傷した動翼の補修にも適用することができる。
【００１８】
２．  供試材
供試材として、下記の３種類の代表的な耐摩耗コーティング材と母材を試験に供した。母材には動翼用材料であるインコネル７１８を用いた。
皮膜１：  Ｃｒ3Ｃ2−２５％ＮｉＣｒの溶射材の高温ガスフレーム溶射
皮膜２：  Ｐｔめっき＋アルミナイズ処理
皮膜３：  アルミナイズ処理（従来法）
母材：  インコネル７１８：
【００１９】
高速ガスフレーム溶射の溶射条件は、以下の通りであった。
酸素流量：４００〜５００ＮＬ／ｍｉｎ
プロパン流量：４０〜５０ＮＬ／ｍｉｎ
溶射距離：１５０〜２００ｍｍ
平均粒径：４０〜１００μｍ
【００２０】
皮膜１（溶射皮膜）は、平均粒径４０〜１００μｍのセラミックス粉末と金属粉末の混合体（Ｃｒ3Ｃ2−２５％ＮｉＣｒ）であり、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を結合し、硬度が高くかつ緻密な皮膜を形成した。
【００２１】
またこの溶射皮膜は、高速ガスフレーム溶射により燃料ガスと酸素を用い音速を超える高速で溶融粒子および未溶融粒子を加速して形成されており、金属粉末が溶融してセラミックス粉末を緻密に溶着していることが確認された。
【００２２】
３．  試験方法
実機条件の超高温で試験する必要があるため、超高温研究センター（株）にある高温エロージョン試験装置を使用した。試験は、高速プラズマ流を使用した（プラズマ長さ１２５〜２２５ｍｍ、電圧１２０Ｖ、電流９０Ａ）。試験温度：１３００℃、雰囲気ガス：０．４ｔｏｒｒ（Ｎ2）で行った。耐エロージョン性の評価として、摩耗減肉量を測定した。
【００２３】
４．  試験結果
図１は、各処理材の表面近傍の顕微鏡組織図である。
皮膜１（Ｃｒ3Ｃ2−ＮｉＣサーメット溶射皮膜）は、高速ガスフレーム溶射を用いたので、緻密な積層組織を呈し、皮膜厚さは約２００μｍであった。
皮膜２と皮膜３は、硬いＡｌ合金相が５０〜１００μｍ厚さ生じ、その下部に第３相が認められた。
【００２４】
図２は、高温エロージョン試験後の各処理材の外観図であり、図３は、高温エロージョン試験後の各処理材の表面近傍の顕微鏡組織図である。
【００２５】
皮膜１は摩耗部が緑色に変色しており、試験時間３０分で摩耗量は約２４０μｍであり、摩耗減肉量は約８μｍ／ｍｉｎであり最も少なかった。また図３から摩耗が比較的均一に生じていることが確認された。
皮膜２の摩耗量は試験時間２０分で約２５０μｍであり、摩耗減肉量は約１２．５μｍ／ｍｉｎであり皮膜１の次に少なかった。また、摩耗面はミクロ的に凹凸が多かった。
皮膜３の摩耗量は試験時間２０分で約５５０μｍに達し、摩耗減肉量は約２７．５μｍ／ｍｉｎであり処理材としては最も多かった。また摩耗面は皮膜２と同様にミクロ的な凹凸が多かった。
母材の摩耗量は試験時間９分で約４２０μｍに達し、摩耗減肉量は約４５μｍ／ｍｉｎを超えた。しかし摩耗面はミクロ的にも滑らかであった。
【００２６】
以上のことから、溶射による皮膜１の耐高温エロージョン性が最も優れており、従来の皮膜３（アルミナイズ処理材）と比較すると３倍以上、皮膜２（Ｐｔめっき＋アルミナイズ処理）と比較しても５割以上の優れた  耐エロージョン性を有していることが明らかとなった。
【００２７】
なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】各処理材の表面近傍の顕微鏡組織図である。
【図２】高温エロージョン試験後の各処理材の外観図である。
【図３】高温エロージョン試験後の各処理材の表面近傍の顕微鏡組織図である。
【図４】特許文献１の「摺動部材の耐摩耗性溶射皮膜」の模式図である。
【符号の説明】
【００２９】
２  摺動部材、３  溶射皮膜、
４  銅被覆黒鉛粒子、５  硬質材料、
６  マトリックス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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