(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱合金基材上に成膜してなる遮熱コーティング膜と、
該遮熱コーティング膜の表面に形成され、色むらを調色する調色膜とからなり、
前記調色膜が、耐熱性の微粒子と、該微粒子の１〜３倍量の耐熱性の粗粒子とのスラリーを塗布し、乾燥してなるものであると共に、
前記微粒子が０．１〜１．０μｍであると共に、前記粗粒子が５〜１０μｍであると共に、アルミナ微粒子であり、分散剤を用いて粗粒子に分散してなり、且つ
前記粗粒子が、ジルコニア粗粒子、マグネシア粗粒子、フォルステライト粗粒子、炭化珪素粗粒子、窒化珪素粗粒子、酸化鉄粗粒子、コバルトアルミネート粗粒子、酸化ネオジム粗粒子、酸化ニッケル粗粒子、酸化クロム粗粒子、酸化エルビウム粗粒子の少なくとも一つ又はこれらの混合物であることを特徴とする遮熱コーティング構造。
【請求項２】
請求項１の遮熱コーティング構造を施したガスタービン高温部品であって、ガスタービン動翼、ガスタービン静翼、分割環、及び燃焼器のいずれかであることを特徴とするガスタービン高温部品。
【請求項３】
請求項２のガスタービン高温部品を使用することを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色むらがない遮熱コーティング構造、ガスタービン高温部品、ガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー対策の一つとして、火力発電の熱効率を高めることが検討されている。発電用ガスタービンの発電効率を向上させるためには、タービンのガス入口温度を上昇させることが有効であり、入口温度を例えば１５００℃以上の高温域まで上昇させることが行われている。このような発電装置の高温化を実現するためには、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を耐熱部材で構成する必要がある。
【０００３】
しかしタービン翼の材料は耐熱金属であるが、それでもこのような高温には耐えられないために、例えば図３に示すように、耐熱金属の耐熱合金基材１１上に金属結合層であるボンドコート層１２を形成し、このボンドコート層１２上に溶射等の成膜方法によって酸化物セラミックスからなるセラミックス層１３を積層した遮熱コーティング膜（Thermal Barrier Coating,ＴＢＣ、以下「ＴＢＣ膜」という）１４を形成して高温から保護することが行われている（特許文献１参照）。
【０００４】
このボンドコート層１２としては、例えばＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、又はこれらの組み合わせ）が知られており、またセラミックス層１３としてはＺｒＯ2系の材料、特にＹ2Ｏ3で部分安定化又は完全安定化したＺｒＯ2であるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）が、セラミックス材料の中では比較的低い熱伝導率と比較的高い熱膨張率を有しているためによく用いられている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１８３７５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記ＴＢＣ膜１４を施工後、ときとして色むらが発生する場合がある。
【０００７】
このため、前記色むらを解消するために、色むらを調色する一般的な着色剤を塗布することで対応しようとすると、ガスタービンの運転温度域の高温（１５００℃以上）に晒されると着色剤が熱分解するという課題がある。
【０００８】
そこで、高温でも使用できると共に、ＴＢＣ膜の表面の色むらを解消することができる遮熱コーティング構造の出現が切望されている。
【０００９】
本発明は、前記問題に鑑み、ＴＢＣ膜の表面の色むらを解消することができる遮熱コーティング構造、ガスタービン高温部品、ガスタービンを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、耐熱合金基材上に成膜してなる遮熱コーティング膜と、該遮熱コーティング膜の表面に形成され、色むらを調色する調色膜とからなり、前記調色膜が、耐熱性の微粒子と、該微粒子の１〜３倍量の耐熱性の粗粒子とのスラリーを塗布し、乾燥してなるものであると共に、前記微粒子が０．１〜１．０μｍであると共に、前記粗粒子が５〜１０μｍであると共に、アルミナ微粒子であり、分散剤を用いて粗粒子に分散してなり、且つ前記粗粒子が、ジルコニア粗粒子、マグネシア粗粒子、フォルステライト粗粒子、炭化珪素粗粒子、窒化珪素粗粒子、酸化鉄粗粒子、コバルトアルミネート粗粒子、酸化ネオジム粗粒子、酸化ニッケル粗粒子、酸化クロム粗粒子、酸化エルビウム粗粒子の少なくとも一つ又はこれらの混合物であることを特徴とする遮熱コーティング構造にある。
【００１４】
第２の発明は、第１の遮熱コーティング構造を施したガスタービン高温部品であって、ガスタービン動翼、ガスタービン静翼、分割環、及び燃焼器のいずれかであることを特徴とするガスタービン高温部品にある。
【００１５】
第３の発明は、第２のガスタービン高温部品を使用することを特徴とするガスタービンにある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、調色膜を形成することで、遮熱コーティング膜に発生する色むらをカバーすることとなり、見栄えが良い製品を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【００１８】
［発明の実施の形態］
本発明による実施の形態に係る遮熱コーティング構造について、図面を参照して説明する。
図１は、実施の形態に係る遮熱コーティング構造図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る遮熱コーティング構造は、耐熱合金基材１１上に成膜してなるボンドコート層１２とセラミックス層１３とからなる遮熱コーティング膜（ＴＢＣ膜）１４と、該遮熱コーティング膜１４の表面に形成され、色むらを調色する調色膜２０とからなり、前記調色膜２０が、耐熱性の微粒子と、該微粒子の１〜３倍量の耐熱性の粗粒子とのスラリーを塗布し、乾燥してなるものである。
【００１９】
ここで、前記微粒子はその粒径が０．１〜１．０μｍとすると共に、前記粗粒子はその粒径が５〜１０μｍとしている。
【００２０】
また、粗粒子の配合量を微粒子の１〜３倍量としているのは、粗粒子の量が少ない状態（１倍以下）では、微粒子が多いため、乾燥時の収縮により約１，０００℃程度に昇温すると、剥離する場合があるからである。
一方、粗粒子の配合量が微粒子の３倍より多いと、収縮による剥離はないものの、付着強度が低下するので好ましくないからである。
【００２１】
これを実証する試験例として「付着強度測定法」による試験を行った。
（試験手順）
１ｃｍ角の角板をエポキシ樹脂系接着剤で、ＴＢＣ膜１４の表面に成膜した調色膜２０に貼り付ける。
接着剤の固化後、角板に貼り付けた糸を引っ張り、剥離するときの強度を測定した。
１ｋｇ／ｃｍ2を単位とし、その倍率を求めた。
その結果を図２に示す。
【００２２】
図２に示すように、付着強度の点から粗粒子と微粒子との比が３以上となると、付着強度が１ｋｇ／ｃｍ2以下となり弱くなるので、好ましくないことが判明した。また粗粒子と微粒子との比が１〜３の範囲では粗粒子の間に微粒子が細密充填構造で存在することとなり、付着性が向上するものとなる。
【００２３】
本発明によれば、従来のような塗料を用いる場合と異なり、有機溶剤等の発生が非常に微小であるので、ＴＢＣ膜の特性に影響を与えることがなく、色むらの調整を行うことができる。
【００２４】
また、本発明において前記微粒子としては、耐熱性の観点から特にアルミナ微粒子を用いるのが好ましい。また、アルミナの色は白色であるので、黒色の斑点をカバーするのに好ましいものとなる。
【００２５】
また、前記粗粒子としては、例えばジルコニア粗粒子、マグネシア粗粒子、フォルステライト粗粒子、炭化珪素粗粒子、窒化珪素粗粒子、酸化鉄粗粒子、コバルトアルミネート粗粒子、酸化ネオジム粗粒子、酸化ニッケル粗粒子、酸化クロム粗粒子、酸化エルビウム粗粒子を挙げることができ、これらの少なくとも一つ又はこれらの混合物で粗粒子を構成して、微粒子に配合するようにすればよい。
【００２６】
上述した構成の遮熱コーティング構造は、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材にも適用することができる。これらの部材に本発明に係る遮熱コーティング膜を被覆することで、熱サイクル耐久性に優れるガスタービン部材や高温部品を構成することができる。
【００２７】
また、ガスタービンの高温部品などを本発明に係る遮熱コーティング構造で被覆することによって、外観の見栄えが良く、高い温度環境であっても十分な耐久性を有するガスタービン部材やガスタービンを得ることができる。
【実施例】
【００２８】
以下、好ましい微粒子と粗粒子との混合の好適な実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２９】
［実施例１］
アルミナ微粒子（０．１〜１μｍ）をポリカルボン酸などの分散剤を使用し、ボールミルなどの分散媒体を用いて、均一に分散したスラリーを作製する。
これに、ジルコニアの粗粒子（５〜１０μｍ）を微粒子の１〜３倍添加し、調色用スラリーを調整する。
このスラリーをスプレー法により塗布後、乾燥することにより、調色あるいは保護膜を形成した。スプレー法の替わりにはけ塗り法により塗布するようにしてもよい。
アルミナの色は白色、ジルコニアの化学合成品は白色、脱珪ジルコニアは薄い黄色（クリーム色）であり、ジルコニアの種類や添加量を制御することによって、白色から薄い黄色まで制御可能であり、これらの色が必要な箇所に適用可能である。
ここで、熱膨張率は、アルミナが８×１０6／℃、ジルコニアは１０×１０6／℃であり、配合によりこの範囲で制御可能である。
【００３０】
［実施例２］
アルミナ微粒子（０．１〜１μｍ）をポリカルボン酸などの分散剤を使用し、ボールミルなどの分散媒体を用いて、均一に分散したスラリーを作製する。
これに、マグネシアまたはフォルステライトの粗粒子（５〜１０μｍ）を微粒子の１〜３倍添加し、調色用スラリーを調整する。
このスラリーをスプレー法などにより塗布後、乾燥することにより、調色あるいは保護膜を形成する。
アルミナの色は白色、マグネシア、フォルステライトも共に白色であるので、白色の調色剤が必要な箇所に適用可能となる。
ここで、熱膨張率は、アルミナは８×１０6／℃、マグネシアは１４×１０6／℃、フォルステライトは１２×１０6／℃であり、配合によりこの範囲で制御可能である。
また、本実施例では、比較的熱膨張率が大きいので、金属上へのコーティングに有利となる。
【００３１】
［実施例３］
アルミナ微粒子（０．１〜１μｍ）をポリカルボン酸などの分散剤を使用し、ボールミルなどの分散媒体を用いて、均一に分散したスラリーを作製する。
これに、ジルコニア及びマグネシアの混合粗粒子（５〜１０μｍ）を微粒子の１〜３倍添加し、調色用スラリーを調整する。
このスラリーをスプレー法などにより塗布後、乾燥することにより、調色あるいは保護膜を形成する。
アルミナの色は白色、ジルコニアの化学合成品は白色、脱珪ジルコニアは薄い黄色（クリーム色）、マグネシアは白色であるので、ジルコニアの種類や添加量を制御することによって、白色から薄い黄色まで制御可能であり、これらの色が必要な箇所に適用可能である。
熱膨張率は、アルミナは８×１０6／℃、ジルコニアは１０×１０6／℃、マグネシアは１４×１０6／℃であり、配合によりこの範囲で制御可能。比較的熱膨張率が大きいので、金属上へのコーティングに有利である。
【００３２】
［実施例４］
アルミナ微粒子（０．１〜１μｍ）をポリカルボン酸などの分散剤を使用し、ボールミルなどの分散媒体を用いて、均一に分散したスラリーを作製する。
これに、炭化珪素の粗粒子（５〜１０μｍ）を微粒子の１〜３倍添加し、調色用スラリーを調整する。
このスラリーをスプレー法などにより塗布後、乾燥することにより、調色あるいは保護膜を形成する。
アルミナの色は白色、炭化珪素は純度により緑色〜黒色であるので、白色〜緑色〜黒色の調色剤が必要な箇所に適用可能である。
熱膨張率は、アルミナは８×１０6／℃、炭化珪素は５×１０6／℃であり、配合によりこの範囲で制御可能。比較的熱膨張率が小さいもののコーティングに適用できる。
【００３３】
［実施例５］
アルミナ微粒子（０．１〜１μｍ）をポリカルボン酸などの分散剤を使用し、ボールミルなどの分散媒体を用いて、均一に分散したスラリーを作製する。
これに、窒化珪素の粗粒子（５〜１０μｍ）を微粒子の１〜３倍添加し、調色用スラリーを調整する。
このスラリーをスプレー法などにより塗布後、乾燥することにより、調色あるいは保護膜を形成する。
アルミナの色は白色、窒化珪素は灰色であるので、白色〜灰色の調色剤が必要な箇所に適用可能である。
熱膨張率は、アルミナは８×１０6／℃、窒化珪素は６×１０6／℃であり、配合によりこの範囲で制御可能。比較的熱膨張率が小さいもののコーティングに適用できる。
【００３４】
［実施例６］
アルミナ微粒子（０．１〜１μｍ）をポリカルボン酸などの分散剤を使用し、ボールミルなどの分散媒体を用いて、均一に分散したスラリーを作製する。
これに、酸化鉄の粗粒子（５〜１０μｍ）を微粒子の１〜３倍添加し、調色用スラリーを調整する。
このスラリーをスプレー法などにより塗布後、乾燥することにより、調色あるいは保護膜を形成する。
アルミナの色は白色、酸化鉄は赤茶色であるので、白色〜赤茶色の調色剤が必要な箇所に適用可能である。
【００３５】
［実施例７］
アルミナ微粒子（０．１〜１μｍ）をポリカルボン酸などの分散剤を使用し、ボールミルなどの分散媒体を用いて、均一に分散したスラリーを作製する。
これに、コバルトアルミネートの粗粒子（５〜１０μｍ）を微粒子の１〜３倍添加し、調色用スラリーを調整する。
このスラリーをスプレー法あるいははけ塗り法などにより塗布後、乾燥することにより、調色あるいは保護膜を形成する。
アルミナの色は白色、コバルトアルミネートは純度により青色となるので、白色〜青色の調色剤が必要な箇所に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上のように、本発明に係る遮熱コーティング構造によれば、従来の有機溶剤等の発生が非常に微小であるので、ＴＢＣ膜の特性に影響を与えることがなく、色むらの調整を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施の形態に係る遮熱コーティング構造の概略図である。
【図２】粗粒子と微粒子との混合比と付着強度との関係図である。
【図３】従来の遮熱コーティング構造の概略図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１  耐熱合金基材
１２  ボンドコート層
１３  セラミックス層
１４  遮熱コーティング膜（ＴＢＣ膜）
２０  調色膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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