(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却孔を有するガスタービン翼の冷却孔に、後において除去し得る手段を有する詰物を充填し、この詰物をフェノール樹脂またはフェノール樹脂と炭素質粉末とを混合してなるペーストとウッドセラミック材料からなる棒状体とで形成し、前記詰物を充填したガスタービン翼の表面に下地金属層を溶射して形成し、この下地金属層の表面にジルコニアを主成分とするセラミック材料を溶射して遮熱被覆を形成し、最後に前記詰物を除去することにより前記冷却孔の閉塞を防止することを特徴とする冷却孔を有するガスタービン翼の遮熱被覆の施工方法。
【請求項２】
詰物を充填してから遮熱被覆すべきガスタービン翼の下地表面をブラスト処理することを特徴とする請求項１に記載の冷却孔を有するガスタービン翼の遮熱被覆の施工方法。
【請求項３】
詰物を形成する前記フェノール樹脂を加熱硬化させた後にセラミック材料を溶射することを特徴とする請求項１または２に記載の冷却孔を有するガスタービン翼の遮熱被覆の施工方法。
【請求項４】
ウッドセラミック材料を、炭素質材料の木材または竹材にフェノール樹脂を含浸して硬化後炭化させて形成したことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の冷却孔を有するガスタービン翼の遮熱被覆の施工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個の微細直径の冷却孔（冷却空気を吹き出して空気のフィルムでタービン翼の過熱を防ぐ）を有するガスタービン翼の表面に、これらの冷却孔を閉塞させることなく遮熱被覆（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ、以下「ＴＢＣ」と記述する）を効率的に施工する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は本発明の対象であるガスタービン翼の一例を示す要部横断面図である。図１において、ガスタービン翼１は外表面を高温のガスに曝されるため、例えばＮｉ基合金またはＣｏ基合金のような耐熱合金によって製造されると共に、その表面に例えばジルコニアを主成分とするセラミック材料をプラズマ溶射して、ＴＢＣ２を形成する。
【０００３】
ガスタービン翼１の内部には複数個の流路３を設けると共に、これらの流路３と連通する複数個の冷却孔４を設けて、冷却孔４から圧縮空気等を噴出させ、ＴＢＣ２の表面に冷却フィルムを形成するようにしている。この場合、ＴＢＣ２の厚さ（含下地層）寸法は、例えば0.２〜0.７ｍｍに、冷却孔４の直径寸法は、例えば0.８〜1.２ｍｍに形成される。
【０００４】
上記のようなガスタービン翼１を製作するに際して、ガスタービン翼１の表面に予めＴＢＣ２を形成した後において、冷却孔４を加工する放電加工方法が特開昭６３−１５０１０９号公報および特開平８−２２９７４０号公報に提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法は、冷却孔を先に加工するＴＢＣの施工方法には適用できず、また既に一度使用された冷却孔付きのガスタービン翼を再利用するときの再生施工の方法にも適用できない。
【０００６】
すなわち、ガスタービン翼１の表面にＴＢＣ２を形成する前に冷却孔４を加工することは比較的容易であるが、微細な冷却孔４を有するガスタービン翼１にＴＢＣ２を溶射によって形成する場合には、冷却孔４内に溶射材料が進入してこれらの冷却孔４を閉塞することとなるため、冷却孔４をマスキングする必要がある。しかしながら、下地のブラスト処理と溶射の高温雰囲気に耐えるマスキングの施工が容易でなく、ガスタービン翼１の表面に形成すべきマスキングの除去方法が知られていないという問題点がある。すなわち、冷却孔４を閉塞するために使用できるマスキング材として使えるものが知られていないと共に、ＴＢＣ２を形成した後におけるマスキング材の除去が難しく、場合によってはマスキング材の除去ができないという問題点がある。
【０００７】
本発明は、上記のような従来技術に存在する問題点を解決し、冷却孔を有するガスタービン翼の表面に効率的にＴＢＣを施工する方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明においては、冷却孔を有するガスタービン翼の冷却孔に、後において除去し得る手段を有する詰物を充填し、この詰物をフェノール樹脂またはフェノール樹脂と炭素質粉末とを混合してなるペーストとウッドセラミック材料からなる棒状体とで形成し、前記詰物を充填したガスタービン翼の表面に下地金属層を溶射して形成し、この下地金属層の表面にジルコニアを主成分とするセラミック材料を溶射して遮熱被覆を形成し、最後に前記詰物を除去することにより前記冷却孔の閉塞を防止する、という技術的手段を採用した。
【００１０】
また上記の発明において、詰物を充填してから遮熱被覆すべきガスタービン翼の下地表面をブラスト処理することができる。
【００１１】
また上記の発明において、ウッドセラミック材料を、炭素質材料の木材または竹材にフェノール樹脂を含浸して硬化後炭化させて形成してもよい。
【００１２】
更に上記の発明において、詰物を形成する前記フェノール樹脂を加熱硬化させた後にセラミック材料を溶射することができる。
【００１６】
通常、下地金属層をＬＰＰＳ（低圧プラズマスプレー）で施工する前に、この下地金属層の基材との密着性を確保するため、ガスタービン翼の表面をブラスト処理している。また上記下地金属層の上に、ジルコニアからなるＴＢＣを形成するには、通常アルゴンなどの非酸化性ガスによるプラズマフレーム溶射が採用されている。
【００１７】
従って、詰物が炭素質材料または非酸化性雰囲気中で炭化する材料であれば、下地金属層およびＴＢＣの施工時に、燃焼して消失させることなく詰物を残留させられる。更に、詰物に使う炭素質材料や加熱して炭化する材料に硬度の大なる材料や、硬度の大なる炭化物になるものを選んでおくと、ブラスト処理や溶射に際して詰物が摩耗によって消耗するのを防止できる。
【００１８】
同じ炭素質材料であっても例えば黒鉛は軟らかくて摩耗し易いが、フェノール樹脂の炭化物や、フェノール樹脂を木材や竹材に含浸して炭化したウッドセラミックスは、硬い炭素質材料であるのでブラスト時においても摩耗しにくい。
【００１９】
一方、ガスタービン翼の合金材や、溶射下地金属層、ＴＢＣはいずれも空気中で８００℃まで加熱しても酸化損傷しない材料からなる。従って、詰物を施してＴＢＣを施工した後のガスタービン翼を、空気中で６５０〜８００℃に加熱することにより、炭素質材料からなる詰物を燃焼させて除去することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
まずガスタービン翼の構成材料の一例であるＮｉ基超合金Ｉｎｃｏｎｅｌ  ７３８ＬＣからなる１００ｍｍ角、厚さ寸法５ｍｍの平板に、直径1.０ｍｍの傾斜孔（平板表面に対する傾斜角３５°）を、例えば縦方向ピッチ５ｍｍ、横方向ピッチ１５ｍｍで複数個を設け、これらの傾斜孔に下記表１に示す５種類の材料からなる詰物を圧入固定した。
【００２１】
【表１】
0004430205.tif 000002
【００２２】
表１において、実施例Ｎo.１，２の棒状体には、柳楊枝を利用し、強化木は水性フェノール樹脂を減圧下で含浸後硬化させて作り、ウッドセラミックスは、強化木の棒状体を炭粉と共にるつぼ内に装入し、６００℃で２ｈｒ加熱炭化したものである。
【００２３】
上記のように傾斜孔に詰物を圧入固定した平板の表面をブラスト処理により粗面化した後、下地金属層としてＣｏＮｉＣｒＡｌＹをＬＰＰＳ（Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｐｒａｙ）により0.１ｍｍの厚さに形成し（溶射温度１０００〜１５００℃）、次いでＹ2 Ｏ3 で安定化したジルコニア（ＺｒＯ2 ）からなるＴＢＣ層を0.３ｍｍの厚さにプラズマ溶射した（溶射温度２０００〜３０００℃）。
【００２４】
上記の溶射時においては、雰囲気が無酸素状態または主に非酸化性ガスからなる高温雰囲気中であるため、傾斜孔中に圧入固定した詰物は燃焼せず、強化木およびフェノール樹脂は炭化するのみに留まる。溶射後に平板を空気雰囲気中で加熱し（７００℃、１ｈｒ）詰物を燃焼させて除去した。
【００２５】
上記溶射処理後の平板を切断して冷却孔を観察したところ、実施例Ｎo.２，５によるものは、詰物が傾斜孔内に残存せず、傾斜孔内にも一部下地金属層およびＴＢＣが侵入する現象が見られた。これは上記処理中に詰物およびフェノール樹脂が炭化する過程において収縮するため、傾斜孔の内面との間における固着力が不足し、傾斜孔から脱落したものと推定される。また実施例Ｎo.１によるものは、上記実施例Ｎo.２，５におけるような収縮が少ないものの、傾斜孔との間の固着力の不足のため、残存する詰物の割合が少なかった。
【００２６】
これに対して、実施例Ｎo.３，４によるものは、詰物の表面に塗布または含浸されたフェノール樹脂が、傾斜孔との間において接着剤として作用し、かつ真空中における加熱によって炭化して留まり、詰物の固着力を維持して傾斜孔内に残存していることが認められ、傾斜孔の詰物として有効であることが確認された。また、傾斜孔の縦断面をミクロ観察した結果、前記溶射材料の傾斜孔内への侵入は認められなかった。平板を空気中で７００℃に１時間加熱した後の冷却孔の内部を調べたところ、炭素質の詰物はすべて燃焼して消失していた。
【００２７】
次に図２に示す形状のガスタービン翼に種々の詰物を圧入固定して溶射を行なった結果について記述する。図２はＮｉ基合金Ｉｎｃｏｎｅｌ  ７３８ＬＣからなるガスタービン翼の一例を示す要部平面図であり、ガスタービン翼１は幅寸法約１３０ｍｍ、全長約２５０ｍｍに形成され、例えば直径0.８〜0.９ｍｍの冷却孔４が第１列ないし第５列１１〜１５に複数個設けられている。これらの冷却孔４に下記表２に示す７種類の材料からなる詰物を圧入固定または充填した。
【００２８】
【表２】
0004430205.tif 000003
【００２９】
表２の試験に供したウッドセラミックス棒状体は、柳楊枝に水性フェノール樹脂（住友デュレス製  スミライトレジンＰＲ５０７８−１）を含浸させ、フェノール樹脂を加熱硬化後、炭粉に埋めて６００℃に１ｈｒ保持して炭化させたものである。
【００３０】
ペーストは、市販の備長炭（硬い炭）を乳鉢中で砕いた炭粉に、前記水性フェノール樹脂を加えて常温で混練したものを使用した。ペーストの硬さ（粘度）はフェノール樹脂の混合量で調整したものであり、例えば最も大粘度のペーストは、備長炭粉１００重量部に対して、ヒドロキシエチルセルローズ２０重量部と水性フェノール樹脂約２５重量部混合したものである。次に大粘度、中粘度、軟粘度のペーストは、前記のペーストに逐次水性フェノール樹脂を追加して粘度を下げたものであり、大粘度のペーストは「練り飴」程度の粘度を示すものである。なおペーストにはヒドロキシエチルセルローズを混合して、ペーストの施工後における「垂れ」を防止した。
【００３１】
上記のウッドセラミックス棒状体は、柳楊枝を素材としていて先細になっているので、寸法の異なる冷却孔の何れにも圧入することができ、余分な部分は折って取除くことができる。また、上記棒状体に塗布したペーストは、冷却孔の周辺に盛り上げるように付着させることができ、ペーストが付着した部分にＴＢＣが施工されるのをマスクすることができる。
【００３２】
また、詰物をペーストのみによって形成した実施例Ｎo.１３，１４の例では、0.２ｍｌ容量のプラスチック製の分注器にペーストを充填して冷却孔内に手で押出して充填するようにした。
【００３３】
上記のように形成した詰物を、図２に示すガスタービン翼１の冷却孔４に圧入固定または充填するに際し、実施例Ｎo.１１，１２は各々第１列１１の左右に約半数宛施工し、実施例Ｎo.１３，１４は各々第２列１２の左右に約半数宛施工した。また実施例Ｎo.１５〜１７は夫々第３〜５列１３〜１５に圧入固定した。上記のようにして詰物を冷却孔４に圧入固定または充填した後、ガスタービン翼１を１２０℃で２ｈｒ保持することにより、フェノール樹脂を硬化させた。
【００３４】
上記の詰物を施したガスタービン翼１に対し、前記実施例１〜５におけると同様にＴＢＣを施工する表面をブラスト処理し、所定の溶射処理を行なった後、空気中で加熱して（７００℃、１ｈｒ）詰物を燃焼除去した。詰物による冷却孔４のマスキング効果を、詰物を施工した状態、ＴＢＣを施工した状態および詰物を燃焼除去した状態で夫々評価した。
【００３５】
実施例１１，１２においては、棒状体に塗布したペーストが、不均等に冷却孔の周囲に付着してしまい、時々隣接する冷却孔のペーストと一体化してしまう傾向が認められたが、目的とする詰物の機能を有するものであった。
【００３６】
実施例１３，１４のものは、ペーストのみを冷却孔の詰物としたものであるが、冷却孔へのペーストの注入量のコントロールが難しいものの、ヒドロキシエチルセルローズを混合しておいたため、ペーストの垂れは認められず、冷却孔の詰物としてほぼ目的とする機能を有するものであった。
【００３７】
次に実施例１５のウッドセラミックスの棒状体のみを圧入した詰物では、前述の実施例１のものと同様の結果となり、棒状体の抜落ちが多く認められた。これに対して実施例１６においては、棒状体の表面にフェノール樹脂を塗布したことにより、上記の抜落ち現象を防ぐことができた。
【００３８】
実施例１７の軟かいペーストを併用した例では、圧入した冷却孔の周囲に適度にペーストを盛り付けた状態とすることができ、かつ施工が容易であり、詰物として目的の機能を有するものであった。
【００３９】
上記の実施例においては、ウッドセラミックス棒状体を形成する材料として、柳楊枝を使用した例について記述したが、これ以外に竹材を使用してもよく、更に他の木材を使用することができる。ウッドセラミックス棒状体とした後の強度を考慮すると、樫材のような硬い炭になる木材がよく、更に冷却孔が小孔径であることから、先細の楊枝、竹串等を素材に使用することが好ましい。
【００４０】
また、ペースト中に混合させるべき炭素質粉末としては、備長炭粉末に限定されず、他の炭素質材料の粉末を使用することができ、樹脂はフェノール樹脂のように非酸化性雰囲気中で加熱したときに、残留炭素の多い材料であるとよい。また冷却孔の詰物は、ブラスト処理による摩耗を避けるために、ウッドセラミックスのような硬さの大なる炭素質材料を使用するのが好ましい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、上述の構成および作用を有することから、冷却孔を有するガスタービン翼の製作に際して、ＴＢＣの施工前に冷却孔を加工することができると共に、一度使用された冷却孔付ガスタービン翼にＴＢＣの再施工を行なうことができ、ガスタービン翼に高品質のＴＢＣを施工することができるという効果がある。
【００４２】
更に、炭素質棒状体とペーストとを併用すれば、詰物の施工が容易となり、冷却孔下流の、ＴＢＣを設けたくない傾斜面にペーストを塗布しておき、ＴＢＣを施工しない冷却部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象であるガスタービン翼の一例を示す要部横断面図である。
【図２】ガスタービン翼の一例を示す要部平面図である。
【符号の説明】
１  ガスタービン翼
２  ＴＢＣ
３  流路
４  冷却孔
【図１】
0004430205.tif 000004
【図２】
0004430205.tif 000005