(57)【要約】【課題】流通する気体に接する部材が受ける荷重、衝撃力や剪断力に対し、充分な強度を備え硬質な防食コーティングを有し、信頼性と効率の高い回転機械を提供する。【解決手段】気体が流通し気体が接する部材に防食コーティングを有する回転機械において、前記防食コーティングは、前記部材の基材上部に形成されたポリイミド層を有し、同ポリイミド層はセラミックス粒子を分散させて含有してなるように構成し、流通する気体中に腐食性成分を有していても、防食性が得られる他、防食コーティングは、遠心力や気体からの荷重、衝撃を受け、あるいは部材支持部における機械的接触等により剪断力を受けても、十分な硬度、強度を有し耐久性があるので、回転機械としての信頼性と保守性が向上し、運転の安定性、安全性、効率を向上させることができるものとした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体が流通し同気体が接する部材に防食コーティングを有する回転機械において、前記防食コーティングは、前記部材の基材上部に形成されたポリイミド層を有し、同ポリイミド層はセラミックス粒子を分散させて含有してなることを特徴とする防食コーティングを有する回転機械。
【請求項２】
請求項１に記載の防食コーティングを有する回転機械において、前記セラミックス粒子は前記ポリイミド層内に２０から７０ｖｏｌ％含まれてなることを特徴とする防食コーティングを有する回転機械。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の防食コーティングを有する回転機械において、前記防食コーティングは前記基材とポリイミド層との間に形成され複数の気孔を有する溶射皮膜を備えてなることを特徴とする防食コーティングを有する回転機械。
【請求項４】
請求項３に記載の防食コーティングを有する回転機械において、前記溶射皮膜における前記複数の気孔の気孔含有率を１５％から３０％としてなることを特徴とする防食コーティングを有する回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体が流通する蒸気タービンや圧縮機等の回転機械に関し、特に流通する気体が接する部材に硬質の防食コーティングを有する回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の回転機械は流通する蒸気やガスに動翼、インペラ等が接触するため、それら気体の成分、例えばＣＯ２、Ｈ２Ｓ、Ｈ２Ｏのほか、蒸気やガス中に含まれるＣｌ、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ等の腐食性成分による腐食環境に曝され、気体に接触する部材が腐食を受け易いという問題があった。
【０００３】
蒸気タービンや圧縮機等、気体によって駆動され、または気体を圧縮する回転機械は、ローター軸に設けられた動翼やインペラ等の部材が流通する気体に接触し腐食作用を受け、あるいは繰り返し荷重を受けるため、そのような部材の表面には部材の耐食性を向上させ且つ荷重に対する強度を備える防食コーティングを施すことが求められる。
【０００４】
そのような回転機械の例として、蒸気タービン０１は一般に、図４にその構造例説明図を示すような構造を有し、蒸気入口弁０２、蒸気供給管０３を介して供給される蒸気の蒸気圧力を、回転動力に変換するものである。回転動力は図示しない発電機に利用される。回転動力を取り出すためのローター軸０４には複数のタービンディスク０５が取り付けられ、タービンディスク０５の外周には複数の動翼０６が動翼列を成して設けられている。動翼列の間には複数のノズルベーンを備えるノズル仕切板０８が配置され、ノズルベーンで整流された高温、高圧の蒸気が動翼０６へ噴射されて動翼０６がタービンディスク０５とともに回転し、ローター軸０４の回転として取り出される。
【０００５】
そのため、動翼０６やそれを支持するタービンディスク０５は、大きな遠心加速度や作動流体の蒸気からの駆動力が加えられ高温に晒される。また、動翼０６等の蒸気流通部の表面は、作動流体である蒸気に含まれる塩素Ｃｌ、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ等の不純物の影響を受け、腐食作用を受けることになる。特に動翼０６はそのルート部をタービンディスク０５に嵌合させて支持されるので、嵌合部に蒸気中の腐食性成分が濃縮し易い。
【０００６】
回転機械としての圧縮機においても同様に、圧縮対象ガスには、腐食性の成分を含む場合が多く、流通するガスに接触するインペラ等の部材が荷重とともに腐食作用を受ける。
【０００７】
それに対して回転機械としての信頼性と効率を向上させるために、蒸気タービンの動翼や圧縮機のインペラ等の部材に、防食コーティングを施すことが検討されているが、動翼やインペラは回転に伴う遠心力や繰り返し荷重を受けるので、防食コーティングにはそのような荷重に対する強度が求められる。また、蒸気、ガスの衝突や、部材支持面での機械的接触による剪断力に耐える硬度を有することが求められる。
【０００８】
上記のような回転機械の腐食性成分を含んだ蒸気、ガス等に接する部材の防食コーティングの例として、例えば、特開平１０−２５２４０８号公報（特許文献１）に示されるように防食性の高い無電解ニッケルめっき層を施すことが提示されているが、無電解ニッケルめっき層には従来一般にピンホール等の欠陥が生じ易いことなど、必ずしも充分なものとはいえなかった。
【０００９】
また、フッ素樹脂等の樹脂コーティングを単層あるいは多層に施すことも種々提供されてはいるが、樹脂コーティングは硬度が比較的低いため、コーティング表面が受ける衝撃力、剪断力に対する強度において充分とは言えなかった。樹脂コーティングは、部材支持部に施された場合、稼動時に支持面が受ける機械的接触による剪断力により剥離を起こし、剥離部から腐食性成分が浸透して濃縮し、防食コーティングが破壊する恐れがあり、蒸気タービン動翼のルート部など部材支持部には適用し難いものであった。
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−２５２４０８号公報（明細書全般）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記のような従来の防食コーティングの問題点を解消し、流通する気体に接する部材が受ける荷重、衝撃力や剪断力に対し、充分な強度を備え硬質な防食コーティングを有し、信頼性と効率の高い回転機械を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するためになされ、下記の（１）から（４）の手段を提供するものであり、以下、特許請求の範囲に記載の順に説明する。
【００１３】
（１）その第１の手段として、気体が流通し同気体が接する部材に防食コーティングを有する回転機械において、前記防食コーティングは、前記部材の基材上部に形成されたポリイミド層を有し、同ポリイミド層はセラミックス粒子を分散させて含有してなることを特徴とする防食コーティングを有する回転機械を提供する。
【００１４】
（２）第２の手段としては、第１の手段の防食コーティングを有する回転機械において、前記セラミックス粒子は前記ポリイミド層内に２０から７０ｖｏｌ％含まれてなることを特徴とする防食コーティングを有する回転機械を提供する。
【００１５】
（３）また、第３の手段として、第１の手段または第２の手段の防食コーティングを有する回転機械において、前記防食コーティングは前記基材とポリイミド層との間に形成され複数の気孔を有する溶射皮膜を備えてなることを特徴とする防食コーティングを有する回転機械を提供する。
【００１６】
（４）第４の手段として、第３の手段の防食コーティングを有する回転機械において、前記溶射皮膜における前記複数の気孔の気孔含有率を１５％から３０％としてなることを特徴とする防食コーティングを有する回転機械を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
（１）特許請求の範囲に記載の請求項１の発明によれば、防食コーティングを有する回転機械を上記第１の手段のように構成したので、防食コーティングは、防食コーティングとして防食性を発揮するものとなるとともに、ポリイミド層がセラミックス粒子を含有する複合構造をとるため表面の実効的硬度が高くなり、支持面への剪断力、衝撃力等への強度、耐久性がポリイミド単体の場合に比べて向上し、基材にかかる荷重、衝撃、及び機械的接触による剪断力等に対しても強度の高い硬質な防食コーティングとなり、その防食コーティングを有する回転機械は、流通する気体中に腐食性成分を有していても、防食コーティングによって防食性が得られる他、防食コーティングが、遠心力や気体からの荷重、衝撃を受け、あるいは部材支持部における機械的接触等により剪断力を受けても、十分な硬度、強度を有し耐久性があるので、回転機械としての信頼性と保守性が向上し、運転の安定性、安全性、効率を向上させることができる。
【００１８】
（２）請求項２の発明によれば、ポリイミド層の脆さを来たすことなくセラミックス粒子によるポリイミド層の表面の硬質化効果を得て、請求項１の作用効果を奏することができる。
【００１９】
（３）請求項３の発明によれば、請求項１または請求項２の発明の作用効果に加え、溶射皮膜により基材とポリイミド層との密着性が向上し、その結果、基材と防食コーティングの密着性を向上し、防食コーティングの耐久性と信頼性が向上する。
【００２０】
（４）請求項４の発明によれば、溶射皮膜の割れを生じる恐れなく、且つ溶射皮膜の気孔に十分ポリイミドを浸透させ、請求項３の作用効果を充分に奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の一形態に係る防食コーティングを有する回転機械としての蒸気タービンの要部である動翼の斜視図を図１に示して説明し、本発明を実施するための最良の形態として防食コーティングの実施例１及び実施例２を図２、図３に基づき説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の一形態に係る防食コーティングを有する回転機械の要部である防食コーティングを施した部材の例として、蒸気タービンの動翼の斜視図である。図１において、６は蒸気タービンの動翼であり、前述の図４において説明した蒸気タービン０１の動翼０６に相当する。動翼６は、ブレード部６ａとルート部６ｂとで構成され、例えば、前述の図４の蒸気タービン０１のタービンディスク０５に、ルート部６ｂが嵌め込まれて取り付けられる。動翼６には前述のように大きな遠心加速度が加えられ高温にさらされ、作動流体である蒸気に含まれるＣｌ、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ等の不純物の影響を受けて腐食作用を受ける。特に、ルート部６ｂは、タービンディスク０５との嵌合部に腐食性成分となる上記不純物が濃縮し易く、また、回転に伴う遠心力、蒸気との間繰り返し荷重や衝突力のほかに、タービンディスク０５による支持面に機械的接触による剪断力を受けるが、ルート部６ｂに施された本発明に係る防食コーティング７Ａ（７Ｂ）は、以下に説明する実施例１又は実施例２のように構成されているので、防食性に加え、防食コーティングに加えられる上記のような荷重に対しても強度を有し耐久性が高いものとなる。
【００２３】
なお、防食コーティング７Ａ、７Ｂを施すのは動翼６のルート部６ｂに限定するものではなく、他の部位、例えばブレード部６ａ側、タービンディスク０５側にも施してよいことは言うまでもないが、動翼６の支持部であるルート部６ｂにおいて特に効果的である。
【００２４】
従って、本実施の形態の防食コーティングを施した動翼６を備える蒸気タービンは、作動流体としての蒸気から厳しい腐食作用、荷重を受ける部材である動翼６が、防食性、耐久性が高い防食コーティングを有するので、信頼性と保守性が向上し、蒸気タービンとしての運転の安定性、安全性、効率を向上させることができる。
【００２５】
なお、本実施の形態の動翼６を備える蒸気タービンとしては、図４に示す蒸気タービン０１のような形式、構造のものに限定されるものではなく、本発明に係る防食コーティング７Ａ、７Ｂは、蒸気タービン一般に効果的に適用されるものである。
【００２６】
また、本発明に係る防食コーティング７Ａ（７Ｂ）を施す部材は、蒸気タービンの動翼６等に限定されるものではなく、回転機械を流通する気体から腐食作用と負荷等を受ける回転機械の部材一般に適用されて同様に有効に効果を奏するものとなる。
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態として防食コーティングの実施例１及び実施例２を説明する
【実施例１】
【００２８】
図２に基づき本発明に係る防食コーティングの実施例１を説明する。図２は本実施例の防食コーティングの断面模式図である。
【００２９】
図２において、１０は防食コーティング７Ａを施す基材であり、上記実施の形態に於ける動翼６のルート部６ｂである。本実施例の防食コーティング７Ａは、基材１０上に形成されたポリイミド層２１よりなり、このポリイミド層２１は内部にセラミックス粒子２１ａを均一に分散して含有させている複合構造となっていることを特徴とする。
【００３０】
基材１０の材質はルート部６ｂを製作する材料であって特に限定されないが、例えばステンレス鋼ＳＵＳ４１０Ｊ１である。ポリイミド層２１内に含有させるセラミックス粒子２１ａは２０〜７０ｖｏｌ％の範囲が好ましい。２０ｖｏｌ％以下であるとセラミックス粒子２１ａによる防食コーティング７Ａ表面の硬質化の効果が得難くなり、７０ｖｏｌ％を超えるとポリイミド層２１の脆さが生じるおそれがある。ポリイミド層２１の層厚は特に限定しないが５０μｍ程度である。
【００３１】
セラミックス粒子２１ａは粒径約１〜１０μｍ程度であり、通常のセラミックスパウダーとして入手し得るものでよい。材質は、炭化珪素ＳｉＣ等の金属炭化物、金属酸化物、金属ほう化物等であり特に限定されないが、硬度の高いものが好ましい。
【００３２】
ポリイミド自体は単体で樹脂として防食性に優れ、比較的硬度が高いほか、特に耐熱性に優れているが、本実施例の防食コーティング７Ａは、ポリイミド層２１がセラミックス粒子２１ａを上記のように大きな割合で含有するため、ミクロ的には表面にポリイミド自体の樹脂の硬度の面が露出しているが、ポリイミド層２１の表面においてもセラミックス粒子２１ａが分散して存在しているので、防食コーティング７Ａの表面としてマクロ的には、物理的接触においてセラミックス粒子２１ａの物性が支配的になり、ルート部６ｂの支持面の防食コーティング７Ａ表面における実効的硬度が高くなり、支持面への剪断力、衝撃力等への強度、耐久性がポリイミド単体の場合に比べて飛躍的に向上する。
【００３３】
また、セラミックス粒子２１ａ自体も防食性に優れているので、セラミックス粒子２１ａを多量に含有するポリイミド層２１は、防食コーティング７Ａとして防食性を発揮するものとなり、且つ、上記のようなルート部６ｂ等基材１０にかかる荷重、衝撃、及び機械的接触による剪断力等に対しても強度の高い硬質な防食コーティング７Ａを構成する。
【００３４】
以下、本実施例の防食コーティング７Ａにつき、その試験例Ａを具体的に説明する。
（試験例Ａ）
（ａ）  防食コーティング７Ａの基材１０として、ステンレス鋼ＳＵＳ４１０Ｊ１を使用した。
（ｂ）  本試験で使用したポリイミドは、宇部興産社製  Ｕ−ワニスを使用したが、特にそれに限定されるものではない。
（ｃ）  上記Ｕ−ワニスの中にセラミックス粒子２１ａとして、ケメットジャパン社製ＳｉＣパウダーを５０ｖｏｌ％添加し、攪拌し均一に分散した。
（ｄ）  ＳｉＣパウダーは、平均粒径  １．２μｍのものを使用した。
ＳｉＣパウダーの平均粒径は  ０．５〜１０μｍのものが安定して樹脂中に分散し使用可能である。
（ｅ）  ＳｉＣ分散ポリイミド樹脂（Ｕ―ワニス）液を、スプレーガンによりコーティングした。コーティングは２５μｍ／回とし、コーティング後に３５０℃×３０分ベーキングした。
（ｆ）  上記コーティング→ベーキングを２回繰り返し、総厚さが５０μｍの防食コーティング７Ａを形成した。
（ｇ）  コーティング方法は、特に限定しないが、スプレー法が均一化の点で優れている。そのほか、はけ塗り法、浸漬引き上げ法等によってもよい。
（ｈ）  形成した防食コーティング７Ａは、ポリイミド自体の強度、耐熱性を備えるほか、硬質のセラミック粒子２１ａを複合しているため、樹脂（ポリイミド）単体に比べて、皮膜表面の実効的な硬度が高く格段に耐傷付き性が向上し、機械を組み立てる時や、稼動中の金属のエッジ部等との機械的接触により剪断力を受けても傷付きが減少し、この部分から蒸気から凝縮した腐食液が浸透することが無くなり、耐食性が向上した。
【実施例２】
【００３５】
図３に基づき本発明に係る防食コーティングの実施例２を説明する。図３は本実施例の防食コーティングの断面模式図である。
【００３６】
図３において、１０は防食コーティング７Ｂを施す基材であり、上記実施の形態に置ける動翼６のルート部６ｂである。本実施例の防食コーティング７Ｂは、基材１０上に形成された溶射皮膜２２と、溶射皮膜２２の上に形成されたポリイミド層２１よりなり、且つ、ポリイミド層２１は上記の実施例１と同様にセラミックス粒子２１ａを均一に分散して含有させた複合材を形成していることを特徴とする。
【００３７】
基材１０、ポリイミド層２１、セラミックス粒子２１ａについては上記実施例１と同様である。また、ポリイミド層２１、セラミックス粒子２１ａによる作用効果の特徴も上記実施例１と同様である。
【００３８】
溶射皮膜２２は、金属や、金属と金属の炭化物や酸化物等とのサーメットを、基材１０の表面にプラズマ溶射法等によって溶射することによって形成される。本実施例に適用できる溶射の方法は特に限定されない。フレーム溶射に代表される燃焼ガスを熱源とした溶射方法や、プラズマ溶射、アーク溶射に代表される電気エネルギーを熱源とした溶射方法や、レーザー光を熱源とした溶射方法が適用できる。溶射方法は溶射皮膜２２の材質や基材１０の材料等によって適宜選択する。
【００３９】
溶射皮膜２２は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏのうちのいずれか一つの純金属、又はＮｉ合金、Ｃｏ合金、Ｍｏ合金、鉄合金のうちのいずれか一つを用いることができる。また、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏのうちのいずれか一つの純金属、又はＮｉ合金、Ｃｏ合金、Ｍｏ合金、鉄合金のうちのいずれか一つと、炭化物、酸化物、硼化物の少なくとも一種以上とのサーメットを用いることができる。
【００４０】
溶射皮膜２２には、複数の気孔が形成されるので、溶射皮膜２２に形成された気孔中に上層に形成されるポリイミド層２１のポリイミドが浸透し、ポリイミド層２１と溶射皮膜２２とが連結する。これによって、ポリイミド層２１と溶射皮膜２２との密着性が向上する。このように、ルート部６ｂ等基材１０と強固に密着する溶射皮膜２２にポリイミド層２１を密着させるので、ポリイミド層２１と基材１０との密着性を向上させることができ、遠心力や荷重に対して強度が向上し、また衝撃や機械的接触による剪断力などが作用してもポリイミド層２１の剥離を抑制して、防食コーティング７Ｂの耐久性を向上できる。
【００４１】
溶射皮膜２２の気孔中へポリイミドを浸透させ溶射皮膜２２とポリイミド層２１との密着性を向上させるため、溶射皮膜２２の気孔含有率（溶射皮膜２２の全体積に占める気孔の体積の割合）は１５％を超えるようにすることが好ましい。その理由は、溶射皮膜２２の気孔に十分ポリイミドを浸透させるためである。一方、溶射皮膜２２の気孔含有率が３０％を超えると溶射皮膜２２自体の強度が低下して、溶射皮膜２２の割れを生じる恐れがある。したがって、溶射皮膜２２の気孔含有率は３０％以下とすることが好ましい。
【００４２】
以下、本実施例の防食コーティング７Ｂにつき、その試験例Ｂを具体的に説明する。
（試験例Ｂ）
（ｉ）  上記したように基材１０上に溶射皮膜２２を形成する。溶射皮膜２２の厚さは限定するものではないが通常７０μｍ程度である。
（ｊ）  溶射皮膜２２上に、ポリイミド層２１を上記実施例１の（試験例Ａ）と同様に形成する。
（ｋ）  形成した防食コーティング７Ｂは、基材１０とポリイミド層２１の間に溶射皮膜２２が形成されているので、ポリイミド層２１が溶射皮膜２２を介して基材１０との密着性を向上させ、その結果、基材１０と防食コーティング７Ｂの密着性を向上し、その剥離が防止され、防食コーティング７Ｂの耐久性と信頼性が向上する。また、実施例１の防食コーティング７Ａと同様に、形成した防食コーティング７Ｂは、ポリイミド自体の強度、耐熱性を備えるほか、硬質のセラミック粒子２１ａを複合しているため、樹脂（ポリイミド）単体に比べて、皮膜表面の実効的な硬度が高く格段に耐傷付き性が向上し、機械を組み立てる時や、稼動中の金属のエッジ部等との機械的接触により剪断力を受けても傷付きが減少し、この部分から蒸気から凝縮した腐食液が浸透することが無くなり、耐食性が向上した。
【００４３】
以上のように、本発明に係る防食コーティング７Ａ、７Ｂは、十分な硬度を有する皮膜を形成し、上記の作用効果を有するので、防食コーティング７Ａまたは７Ｂを有する回転機械は、流通する気体中に腐食性成分を有していても、防食コーティング７Ａ、７Ｂによって防食性が得られる他、回転機械の流通する気体に接する部材に施した防食コーティング７Ａ、７Ｂが、遠心力や気体からの荷重、衝撃を受け、あるいは部材支持部における機械的接触等により剪断力を受けても、十分な硬度、強度を有し耐久性があるので、回転機械としての信頼性と保守性が向上し、運転の安定性、安全性、効率を向上させることができる。特に防食コーティング７Ｂを有するものは、溶射皮膜２２を備えているため、防食コーティング７Ｂの剥離の恐れがより少なく、信頼性がより高いものとなる。
【００４４】
以上、本発明を図示の実施の形態、及びその実施例について説明したが、本発明はそれに限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造、構成に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の一形態に係る防食コーティングを有する回転機械としての蒸気タービンの要部である動翼の斜視図である。
【図２】本発明に係る実施例１の防食コーティングの断面模式図である。
【図３】本発明に係る実施例２の防食コーティングの断面模式図である。
【図４】蒸気タービンの一般的な構造例説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
０１                蒸気タービン
０２                蒸気入口弁
０３                蒸気供給管
０４                ローター軸
０５                タービンディスク
０６                動翼
０８                ノズル仕切板
６                  動翼
６ａ                ブレード部
６ｂ                ルート部
７Ａ、７Ｂ          防食コーティング
１０                基材
２１                ポリイミド層
２１ａ              セラミックス粒子
２２                溶射皮膜
【図１】
2007211600.tif 000003
【図２】
2007211600.tif 000004
【図３】
2007211600.tif 000005
【図４】
2007211600.tif 000006