シュラウドのコンタクト面の形成方法、シュラウドを有するタービン動翼、及びガスタービン
【課題】タービン動翼本体の先端に設けられているシュラウドの表面のうち、隣接するシュラウド相互のコンタクト面の耐磨耗性及び耐酸化性を高める。
【解決手段】シュラウドの母材の表面にコーティング材を溶射して皮膜を形成し、皮膜に対して拡散熱処理を施し、拡散熱処理が施された皮膜の表面を研磨して、コンタクト面を形成する。コーティング材は、３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物である。
【解決手段】シュラウドの母材の表面にコーティング材を溶射して皮膜を形成し、皮膜に対して拡散熱処理を施し、拡散熱処理が施された皮膜の表面を研磨して、コンタクト面を形成する。コーティング材は、３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン動翼本体の先端に設けられているシュラウドの表面のうち、タービンロータの回転方向で隣接するシュラウド相互のコンタクト面の形成方法、このシュラウドを有するタービン動翼、このタービン動翼を有するガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン動翼は、その回転軸を中心として放射方向に延びる動翼本体と、この動翼本体の先端に設けられているシュラウドと、を有している。このタービン動翼では、シュラウドとして、ケーシングとの間及び隣接する他のシュラウドとの間からの高温ガスの漏れを抑えると共に、動翼本体のねじれを抑えるためにＺ型シュラウドが採用されているものがある。このＺ型シュラウドには、タービンロータの回転方向で隣接する他のＺ型シュラウドと接触する面であるコンタクト面が形成されている。
【０００３】
このシュラウドのコンタクト面は、隣接する他のシュラウドのコンタクト面と接触することになるため耐磨耗性が要求されると共に、高温ガスに晒されるため耐酸化性も要求される。
【０００４】
そこで、以下の特許文献１に記載の技術では、シュラウドの母材表面に、Ｃｏを主成分とするコーティング材を溶射して、母材表面に皮膜を形成し、この皮膜の表面をコンタクト面とすることで、このコンタクト面の耐磨耗性及び耐酸化性を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４８２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載の技術は、前述したように、耐磨耗性及び耐酸化性の高いコンタクト面を提供できる優れた技術である。しかしながら、近年、ガスタービンの熱効率を高めるために、作動ガス（燃焼ガス）の温度が高まり、コンタクト面のさらなる耐酸化性が求められてきている。
【０００７】
そこで、本発明は、耐磨耗性と共に高い耐酸化性を有するシュラウドのコンタクト面の形成方法、このシュラウドを有するタービン動翼、このタービン動翼を有するガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前目的を達成するための発明に係るシュラウドのコンタクト面の形成方法は、
タービン動翼本体の先端に設けられているシュラウドの表面のうち、タービンロータの回転方向で隣接するシュラウド相互のコンタクト面の形成方法において、
３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるコーティング材を、前記シュラウドの母材の表面上で前記コンタクト面が形成される皮膜形成面に溶射して皮膜を形成する皮膜形成工程と、前記皮膜に対して拡散熱処理を施す熱処理工程と、前記拡散熱処理が施された前記皮膜の表面を研磨して、前記コンタクト面を形成する研磨工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
当該形成方法では、シュラウドのコンタクト面の耐磨耗性及び耐酸化性を高めることができる。
【００１０】
ここで、前記コンタクト面の形成方法において、前記熱処理工程では、８５０℃以上の温度で前記拡散熱処理を行うことが好ましい。さらに、前記熱処理工程では、前記拡散熱処理を２．５時間以上行うことが好ましい。
【００１１】
当該形成方法では、皮膜強度をより高めることができる。
【００１２】
また、前記コンタクト面の形成方法において、前記研磨工程では、前記皮膜の表面粗さが５μｍＲａ以下になるまで、該皮膜の表面を研磨することが好ましい。
【００１３】
当該形成方法では、耐磨耗性をより高めることができる。
【００１４】
また、前記コンタクト面の形成方法において、前記皮膜形成工程では、高速フレーム溶射法又は減圧プラズマ溶射法で前記コーティング材を前記皮膜形成面に溶射してもよい。
【００１５】
当該形成方法では、皮膜中の酸化物の量を少なくすることができる。
【００１６】
また、前記コンタクト面の形成方法において、前記シュラウドの母材は、Ｎｉ基合金で形成されていることが好ましい。
【００１７】
当該形成方法では、母材と皮膜との密着度を高めることができる。
【００１８】
前目的を達成するための発明に係るタービン動翼は、
タービン動翼本体の先端に設けられているシュラウドに、タービンロータの回転方向で隣接する他のシュラウドと接触するコンタクト面が形成されているタービン動翼において、前記シュラウドの母材の表面上で前記コンタクト面が形成される皮膜形成面に、３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるコーティング材による皮膜が形成され、前記皮膜の表面は、前記コンタクト面を成し、表面粗さが５μｍＲａ以下であることを特徴とする。
【００１９】
当該タービン動翼では、シュラウドのコンタクト面の耐磨耗性及び耐酸化性を高めることができる。
【００２０】
ここで、前記タービン動翼において、前記シュラウドの母材は、Ｎｉ基合金で形成されていることが好ましい。
【００２１】
当該タービン動翼では、母材と皮膜との密着度を高めることができる。
【００２２】
また、前記目的を達成するための発明に係るガスタービンは、
前記タービン動翼を有するタービンロータと、前記タービンロータを回転可能に支持するケーシングと、を備えていることを特徴とする。
【００２３】
当該ガスタービンは、前記タービン動翼を有しているので、タービン動翼の構成要素であるシュラウドのコンタクト面の耐磨耗性及び耐酸化性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、シュラウドのコンタクト面の耐磨耗性及び耐酸化性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る一実施形態におけるシュラウドのコンタクト面の形成方法を示すフローチャートである。
【図２】各種サンプルの時間経過に伴う酸化減耗量を示すグラフである。
【図３】拡散熱処理条件の異なる各種サンプルの割れひずみを示す説明図である。
【図４】図３に示すデータを得るために行った曲げ試験を説明するための説明図である。
【図５】表面粗さの異なる各種サンプルの耐磨耗性を示す説明図である。
【図６】本発明に係る一実施形態におけるシュラウドの断面図である。
【図７】本発明に係る一実施形態における動翼の斜視図である。
【図８】本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの要部切欠側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
本実施形態のガスタービンは、図８に示すように、圧縮空気を生成する圧縮機１と、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼ガスによって回転駆動されるタービン５とを備えている。
【００２８】
圧縮機１は、その空気取込口２から外部の空気を取り込み、この空気を圧縮することによって圧縮空気を生成する。燃焼器３は、圧縮機１からの圧縮空気に燃料を混合して燃焼させる。燃料の燃焼により生成された高温且つ高圧の燃焼ガスは、タービン５を駆動させる。
【００２９】
タービン５は、ケーシング６と、ケーシング６内で回転可能に配置されているタービンロータ１０と、ケーシング６に固定されている複数の静翼２０と、を備えている。なお、以下では、タービンロータ１０の回転中心となる軸を回転軸ＲＡとし、この回転軸ＲＡが延びている方向を軸方向とし、ロータ１０の半径方向を単に径方向とする。ロータ１０は、複数のロータディスクが軸方向に並んで相互に接続されたロータ本体１１と、このロータ本体１１に固定されている複数の動翼１２と、を有している。複数の動翼１２は、回転軸ＲＡを基準にした周方向に等間隔でロータ本体１１に固定されている。
【００３０】
動翼１２は、図７に示すように、ケーシング６内の燃焼ガス流路内に配される動翼本体１３と、この動翼本体１３の基端に設けられたプラットホーム１４と、このプラットホーム１４から動翼本体１３と反対側へ突出した翼根１５と、動翼本体１３の先端に設けられたシュラウド１６と、を有している。
【００３１】
シュラウド１６は、Ｚ型シュラウドと呼ばれ、径方向から見た形状がＺ型を成している。このシュラウド１６は、ケーシング６との間及び隣接する他のシュラウド１６との間からの高温ガスの漏れを抑えると共に、動翼本体１３のねじれを抑えるためにＺ型を成している。シュラウド１６のＺ型の傾斜部分の面は、回転軸ＲＡを基準にした周方向、言い換えると、タービンロータの回転方向で隣接する他のシュラウド１６のＺ型の傾斜部分の面（コンタクト面）と接触する面であるコンタクト面１９が形成されている。
【００３２】
動翼本体１３及びシュラウド１６は、いずれも母材の表面に皮膜が形成されたものである。動翼本体１３の母材やシュラウド１６の母材は、いずれも、ＩＮ７３８ＬＣやＭＧＡ１４００等のニッケル基合金で形成されている。なお、ＩＮ７３８ＬＣの組成成分は、Ｎｉ−１６Ｃｒ−８．５Ｃｏ−１．７Ｍｏ−２．６Ｗ−１．７Ｔａ−０．９Ｎｂ−３．４Ａｌ−３．４Ｔｉ（ｗｔ％）で、ＭＧＡ１４００の組成成分は、Ｎｉ−１３．２Ｃｒ−１０Ｃｏ−１．７Ｍｏ−４．６Ｗ−４．８Ｔａ−４．０Ａｌ−２．４Ｔｉ（ｗｔ％）である。
【００３３】
次に、シュラウド１６のコンタクト面１９の形成方法について、図１に示すフローチャートに従って説明する。
【００３４】
まず、シュラウド１６の母材を目的の形状に形成する（Ｓ１）。
【００３５】
次に、図６に示すように、シュラウド１６の母材１７の表面上で、コンタクト面１９が形成される皮膜形成面１９ａにコーティング材を溶射して皮膜１８を形成する（Ｓ２）。
【００３６】
本実施形態で用いるコーティング材は、３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物である。すなわち、このコーティング材は、Ｎｉを主成分とするコーティング材である。
【００３７】
溶射では、上記コーティング材を粉末化し、これを溶射粉末として利用する。溶射粉末は、例えば、ガスアトマイズ法で生成する。このガスアトマイズ法では、上記コーティング成分を炉内で加熱溶融した後、溶融物を噴霧ノズルから噴霧すると共に、その周囲から溶融物に不活性ガス（例えば、ヘリウム）を高速で吹き付けて、溶融物を微細化する。微細化した溶融物は、その落下過程で凝固し、粉末となる。その後、この粉末をサイクロン等で分級して、目的の粒径範囲内の粉末を溶射粉末として回収する。
【００３８】
溶射法には、電気式溶射として、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ：Atmospheric pressure Plasma Spraying）法、減圧プラズマ溶射（ＬＰＣ：Low pressure Plasma Spraying）法等があり、ガス式溶射として、フレーム溶射法、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ：High Velocity Oxy-Fuel、ＨＶＡＦ：High Velocity Air Fuel）法等がある。上記母材１７の皮膜形成面１９ａに上記コーティング材を溶射する際には、以上で例示したいずれの溶射法でも可能であるが、コーティング材の酸化を抑える観点から、減圧プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法が好ましい。
【００３９】
減圧プラズマ溶射法は、チャンバー内を減圧した後、チャンバー内に不活性ガスを封入してから、このチャンバー内でプラズマ溶射を行う方法である。
【００４０】
高速フレーム溶射法は、溶射ガンの燃焼室内の圧力を高めて、爆発燃焼炎に匹敵する高速火炎を発生させ、この高速火炎の中心に溶射粉末を供給して、これを溶融又は半溶融状態にして、溶射対象に対して超音速で連続噴射する方法である。
【００４１】
溶射の際には、母材１７の皮膜形成面１９ａを除く面に対するマスキング、母材１７の皮膜形成面１９ａに対する脱脂洗浄やブラスト等の前処理行う。その後、溶射ガン等に上記コーティング材から成る溶射粉末を供給して、皮膜形成面１９ａに溶射粉末を溶射する。
【００４２】
この溶射により、皮膜形成面１９ａ上にコーティング材で形成された皮膜１８が形成される。
【００４３】
次に、母材１７上に形成した皮膜１８に対して拡散熱処理を施す（Ｓ３）。
【００４４】
ここでは、８５０℃以上の温度環境下に２．５時間以上、皮膜１８が形成された母材１７をおくことで、母材１７及び皮膜１８に対して一括して拡散熱処理を施す。
【００４５】
また、ここでは、熱処理として、溶体化熱処理又は時効熱処理を施す。溶体化熱処理は、１１２０℃程度の温度環境下で２．５時間以上行うことが好ましい。また、時効熱処理は、８５０℃程度の温度環境下で１０時間以上行うことが好ましい。いずれの熱処理の場合でも、熱処理対象物を所定時間加熱した後、窒素等の不活性ガス雰囲気内で冷却する。
【００４６】
次に、皮膜１８の表面を研磨し、コンタクト面１９を形成する（Ｓ４）。
【００４７】
研磨には、例えば、ダイヤモンド研磨シートやダイヤモンド研磨パッド等を用いる。
【００４８】
研磨前の皮膜１８の表面粗さは、例えば１０μｍＲａである。この研磨では、この皮膜１８の表面粗さが５μｍＲａ以下になるまで研磨する。この研磨された面がコンタクト面１９となる。このコンタクト面１９が形成された皮膜１８の厚さは、約０．２ｍｍである。
【００４９】
「実施例」
本実施例では、シュラウド１６の母材１７として、前述のＩＮ７３８ＬＣを用いる。また、コーティング材として、３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるトリバロイ（英国、Deloro Stellite Groupの登録商標）合金材を用いる。なお、以下では、説明の便宜上、このトリバロイ合金材をＴ７００とする。
【００５０】
溶射は、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ：High Velocity Oxy-Fuel）法で行う。この溶射条件は、以下の通りである。
燃焼圧力 ：０．７ＭＰａ
ケロシン流量 ：２０Ｌ／ｈ
酸素流量 ：５４ｍ３／ｈ
溶射距離 ：５００ｍｍ
ガン移動速度 ：５００ｍｍ／ｓｅｃ
ガン移動ピッチ：６ｍｍ
使用溶射装置 ：Ｐｒａｘａｉｒ社製ＪＰ５０００
【００５１】
ＨＶＯＦ法は、大気中で行われるので、低コストであること、大型部品に適用可能であること等において有利な方法である。さらに、ＨＶＯＦにより形成した皮膜１８は、気孔が少ないこと、溶射温度が低いこと等により酸化され難いため、皮膜１８の粒界に酸化物が少ない。
【００５２】
なお、ここでの溶射法はＨＶＯＦ法であるが、前述のＨＶＡＦ（High Velocity Air Fuel）法やＬＰＣ（Low pressure Plasma Spraying）法を採用してもよい。
【００５３】
ＨＶＡＦは、基本的にＨＶＯＦと同じ溶射法である。但し、その名が示す通り、燃焼剤としてＨＶＯＦでは酸素が用いられるのに対して、ＨＶＡＦでは空気が用いられる点で、両者は異なっている。このため、ＨＶＯＦでのフレーム温度が例えば２７００℃程度あるのに対して、ＨＶＡＦでのフレーム温度が例えば２０００℃程度で、ＨＶＯＦでのフレーム温度よりも低い。以上の相違点があるため、ＨＶＡＦにより形成した皮膜は、ＨＶＯＦにより形成した皮膜よりも酸化物の量を少なくすることができる。
【００５４】
また、ＬＰＣ法で溶射を行う場合の溶射条件は、以下の表１に示す通りである。
【００５５】
【表１】
【００５６】
なお、このＬＰＣ法による溶射条件は、スルザーメテコ社の減圧溶射システムを用いるときの条件である。また、表１中、「Clearing」は、逆極性アーク放電により溶射対象物の表面の付着物を飛ばす処理を示している。
【００５７】
このＬＰＣは、溶射環境下に酸素がほとんど存在しないため、このＬＰＣで形成した皮膜は、酸化物がほとんど含まれない。このため、このＬＰＣで形成した皮膜は、以上の溶射法で形成した皮膜よりも、緻密になり、母材との密着性が高くなる。
【００５８】
この実施例において、拡散熱処理の条件は、８５０℃程度の温度環境下で１０時間である。なお、拡散熱処理の条件は、前述したように、１１２０℃程度の温度環境下で２．５時間以上であってもよい。
【００５９】
研磨は、ダイヤモンド研磨シートを用いて、この皮膜１８の表面粗さが５μｍＲａ以下になるまで行う。
【００６０】
次に、上記実施例の各種特性について説明する。
【００６１】
まず、上記実施例の皮膜酸化特性について、図２を用いて説明する。
【００６２】
ここでは、上記実施例と同様、ＩＮ７３８ＬＣ製の母材に、コーティング材としてのＴ７００を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）したサンプル１の皮膜酸化特性について調べた。さらに、サンプル１の比較対象として、ＩＮ７３８ＬＣ製の母材に、コーティング材として、以下に組成成分を示す比較合金材Ｔ８００を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）したサンプルＣ１の皮膜酸化特性についても調べた。なお、これらのサンプル１，Ｃ１には、溶射後の熱処理及び研磨処理を施していない。
【００６３】
コーティング材としての比較合金材Ｔ８００は、２８．５ｗｔ％のＭｏと、１７．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％のＳｉとを含有し、０．０８ｗｔ％以下のＣを含有することを許容し、残部がＣｏ及び不可避的不純物のトリバロイ（英国、Deloro Stellite Groupの登録商標）合金材である。すなわち、Ｔ８００は、背景技術の欄で説明した特許文献１でのコーティング材と同様、Ｃｏを主成分とするコーティング材である。
【００６４】
ここでは、高温環境下にサンプルを置いたときのサンプルの皮膜の酸化減耗量を調べることで、サンプルの皮膜酸化特性を得た。なお、皮膜の酸化減耗量とは、皮膜中で、皮膜形成物が酸化してスケール化し、脆くなった部分の量である。
【００６５】
図２に示すように、１０００℃の環境下において、Ｔ７００をコーティング材としたサンプル１の皮膜の酸化減耗量は、Ｔ８００をコーティング材としたサンプルＣ１の皮膜の酸化減耗量の１／２以下である。
【００６６】
また、９００℃や８００℃の環境下において、Ｔ７００をコーティング材としたサンプル１の皮膜の酸化減耗量も、Ｔ８００をコーティング材としたサンプルＣ１の皮膜の酸化減耗量の約１／２である。
【００６７】
以上のように、Ｔ７００をコーティング材としてサンプル１の皮膜の酸化速度は、Ｔ８００をコーティング材としたサンプルＣ１の皮膜１８の酸化速度の約１／２である。よって、上記実施例を含め、上記実施形態で示したコーティング材を用いることにより、シュラウド１６のコンタクト面１９の耐酸化性を高めることができる。
【００６８】
次に、上記実施例の拡散熱処理に伴う皮膜強度の変化について、図３を用いて説明する。
【００６９】
ここでは、上記実施例と同様、ＩＮ７３８ＬＣ製の母材に、コーティング材としてのＴ７００を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）し、これに拡散熱処理を施していないサンプル２、これに１０時間にわたって８５０℃で拡散熱処理を施したサンプル３、これに２４時間にわたって８５０℃で拡散熱処理を施したサンプル４、これに２．５時間にわたって１１２０℃で拡散熱処理を施したサンプル５の皮膜強度について調べた。さらに、サンプル２〜５の比較対象として、ＩＮ７３８ＬＣ製の母材に、コーティング材としてのＴ８００を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）し、これに拡散熱処理を施していないサンプルＣ２、これに２４時間にわたって８５０℃で拡散熱処理を施したサンプルＣ４、これに２．５時間にわたって１１２０℃で拡散熱処理したサンプルＣ５の皮膜強度についても調べた。なお、これらのサンプルには、拡散熱処理後の研磨処理を施していない。
【００７０】
ここでは、サンプルの曲げ試験を行い、サンプルの皮膜に割れが発生したときのひずみである割れひずみを調べることで、サンプルの被覆強度を得た。曲げ試験では、図４に示すように、水平方向に延び且つ互いに平行で７０ｍｍの間隔で配置された２本の支持ピン３１上に、サンプルＳを置き、このサンプルＳの上側から２本の支持ピン３１の中間地点をポンチ３２で押し、そのときの皮膜１８をひずみを測定した。この際、サンプルＳの皮膜１８上の複数の地点にひずみゲージ３３を設けて、ひずみを測定する。
【００７１】
図３に示すように、コーティング材としてＴ７００を用い且つ拡散熱処理を施したサンプル３〜５は、コーティング材としてＴ７００を用い且つ拡散熱処理を施していないサンプル２よりも、割れひずみが大きく、皮膜強度が高い。同様に、コーティング材としてＴ８００を用い且つ拡散熱処理を施したサンプルＣ４，Ｃ５は、コーティング材としてＴ８００を用い且つ拡散熱処理を施していないサンプルＣ２よりも、割れひずみが大きく、皮膜強度が高い。また、１１２０℃で拡散熱処理を施したサンプル５，Ｃ５は、８５０℃で拡散熱処理を施したサンプル３，４，Ｃ４より処理時間が短くても、皮膜強度が高い。
【００７２】
よって、皮膜１８に対して、拡散熱処理を施すことで皮膜強度を高めることができる。しかも、拡散熱処理の温度を高くした方が短い処理時間でも高い皮膜強度を得ることができる。
【００７３】
また、コーティング材としてＴ７００を用いたサンプル２〜５は、コーティング材としてＴ８００を用いたＣ２，Ｃ４，Ｃ５よりも割れひずみが大きく、皮膜強度が高い。これは、母材をＮｉ基合金で形成している関係で、同じくＮｉを主成分とするＴ７００を用いたサンプル２〜５（Ｔ７００）の方が、Ｃｏを主成分とするＴ８００を用いたＣ２，Ｃ４，Ｃ５よりも、母材と皮膜との密着性が高まっているためであると考えられる。
【００７４】
次に、上記実施例の研磨に伴う耐磨耗性の変化について説明する。
【００７５】
ここでは、上記実施例と同様、ＩＮ７３８ＬＣ製の母材に、コーティング材としてのＴ７００を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）して皮膜を形成し、これに８５０℃で１０時間の拡散熱処理を施し、この皮膜を研磨していないサンプル１０、この皮膜の表面粗さが８μｍＲａになるまで研磨したサンプル１１、この皮膜の表面粗さが５μｍＲａになるまで研磨したサンプル１２、この皮膜の表面粗さが３μｍＲａになるまで研磨したサンプル１３、この皮膜の表面粗さが１μｍＲａになるまで研磨したサンプル１４の耐磨耗性を調べた。さらに、サンプル１０〜１４の比較対象として、ＩＮ７３８ＬＣ製の母材１７に、コーティング材としてのＴ８００を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）して皮膜を形成し、これに８５０℃で１０時間の拡散熱処理を施し、この皮膜を研磨していないサンプルＣ１０、この皮膜の表面粗さが８μｍＲａになるまで研磨したサンプルＣ１１、この皮膜の表面粗さが５μｍＲａになるまで研磨したサンプルＣ１２、この皮膜の表面粗さが３μｍＲａになるまで研磨したサンプルＣ１３、この皮膜の表面粗さが１μｍＲａになるまで研磨したサンプルＣ１４の耐磨耗性も調べた。
【００７６】
ここでは、高温フレッチング磨耗試験を行い、そのときの磨耗量を調べることで、サンプルの耐磨耗性を得た。この高温フレッチング磨耗試験では、同一の２つのサンプルのコンタクト面相互を接触させ、所定の面圧を維持した状態で、一方のサンプルに対して他方のサンプルを微小な相対往復すべり運動、つまりフレッチング運動させて、そのときの磨耗量を調べる。なお、具体的な試験条件は、以下の通りである。
【００７７】
温度：９００℃
面圧：４ｋｇｆ／ｍｍ２
周波数：２０Ｈｚ
相対往復移動量：０．４ｍｍ
時間：２００時間（累積摺動距離：約３．３ｋｍ）
【００７８】
図５に示すように、皮膜の表面粗さＲａが小さくなるほど磨耗量が小さく、耐磨耗性が高まる。なお、この試験では、Ｔ８００で形成された皮膜の表面粗さが５μｍＲａになるまで研磨したサンプルＣ１２を基準とし、このサンプルＣ１２の磨耗量よりも２０％以上磨耗量が少なく耐磨耗性がよいものに対して「◎」を付し、このサンプルＣ１２の磨耗量と同等の磨耗量のものに対して「○」を付し、このサンプルＣ１２の磨耗量よりも２０％以上磨耗量が多く耐磨耗性が悪いものに対して「×」を付している。
【００７９】
また、Ｔ７００で形成された皮膜の表面粗さが５μｍＲａ以下であるサンプル１２，１３，１４は、いずれも、基準のサンプル１２と同等以上の耐磨耗性を示す。よって、皮膜１８の表面であるコンタクト面１９は、その表面粗さが５μｍＲａ以下にすることで耐磨耗性を高めることができる。
【符号の説明】
【００８０】
１０：タービンロータ、１２：動翼、１３：動翼本体、１６：シュラウド、１７：母材、１８：皮膜、１９：コンタクト面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン動翼本体の先端に設けられているシュラウドの表面のうち、タービンロータの回転方向で隣接するシュラウド相互のコンタクト面の形成方法、このシュラウドを有するタービン動翼、このタービン動翼を有するガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン動翼は、その回転軸を中心として放射方向に延びる動翼本体と、この動翼本体の先端に設けられているシュラウドと、を有している。このタービン動翼では、シュラウドとして、ケーシングとの間及び隣接する他のシュラウドとの間からの高温ガスの漏れを抑えると共に、動翼本体のねじれを抑えるためにＺ型シュラウドが採用されているものがある。このＺ型シュラウドには、タービンロータの回転方向で隣接する他のＺ型シュラウドと接触する面であるコンタクト面が形成されている。
【０００３】
このシュラウドのコンタクト面は、隣接する他のシュラウドのコンタクト面と接触することになるため耐磨耗性が要求されると共に、高温ガスに晒されるため耐酸化性も要求される。
【０００４】
そこで、以下の特許文献１に記載の技術では、シュラウドの母材表面に、Ｃｏを主成分とするコーティング材を溶射して、母材表面に皮膜を形成し、この皮膜の表面をコンタクト面とすることで、このコンタクト面の耐磨耗性及び耐酸化性を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４８２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載の技術は、前述したように、耐磨耗性及び耐酸化性の高いコンタクト面を提供できる優れた技術である。しかしながら、近年、ガスタービンの熱効率を高めるために、作動ガス（燃焼ガス）の温度が高まり、コンタクト面のさらなる耐酸化性が求められてきている。
【０００７】
そこで、本発明は、耐磨耗性と共に高い耐酸化性を有するシュラウドのコンタクト面の形成方法、このシュラウドを有するタービン動翼、このタービン動翼を有するガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前目的を達成するための発明に係るシュラウドのコンタクト面の形成方法は、
タービン動翼本体の先端に設けられているシュラウドの表面のうち、タービンロータの回転方向で隣接するシュラウド相互のコンタクト面の形成方法において、
３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるコーティング材を、前記シュラウドの母材の表面上で前記コンタクト面が形成される皮膜形成面に溶射して皮膜を形成する皮膜形成工程と、前記皮膜に対して拡散熱処理を施す熱処理工程と、前記拡散熱処理が施された前記皮膜の表面を研磨して、前記コンタクト面を形成する研磨工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
当該形成方法では、シュラウドのコンタクト面の耐磨耗性及び耐酸化性を高めることができる。
【００１０】
ここで、前記コンタクト面の形成方法において、前記熱処理工程では、８５０℃以上の温度で前記拡散熱処理を行うことが好ましい。さらに、前記熱処理工程では、前記拡散熱処理を２．５時間以上行うことが好ましい。
【００１１】
当該形成方法では、皮膜強度をより高めることができる。
【００１２】
また、前記コンタクト面の形成方法において、前記研磨工程では、前記皮膜の表面粗さが５μｍＲａ以下になるまで、該皮膜の表面を研磨することが好ましい。
【００１３】
当該形成方法では、耐磨耗性をより高めることができる。
【００１４】
また、前記コンタクト面の形成方法において、前記皮膜形成工程では、高速フレーム溶射法又は減圧プラズマ溶射法で前記コーティング材を前記皮膜形成面に溶射してもよい。
【００１５】
当該形成方法では、皮膜中の酸化物の量を少なくすることができる。
【００１６】
また、前記コンタクト面の形成方法において、前記シュラウドの母材は、Ｎｉ基合金で形成されていることが好ましい。
【００１７】
当該形成方法では、母材と皮膜との密着度を高めることができる。
【００１８】
前目的を達成するための発明に係るタービン動翼は、
タービン動翼本体の先端に設けられているシュラウドに、タービンロータの回転方向で隣接する他のシュラウドと接触するコンタクト面が形成されているタービン動翼において、前記シュラウドの母材の表面上で前記コンタクト面が形成される皮膜形成面に、３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるコーティング材による皮膜が形成され、前記皮膜の表面は、前記コンタクト面を成し、表面粗さが５μｍＲａ以下であることを特徴とする。
【００１９】
当該タービン動翼では、シュラウドのコンタクト面の耐磨耗性及び耐酸化性を高めることができる。
【００２０】
ここで、前記タービン動翼において、前記シュラウドの母材は、Ｎｉ基合金で形成されていることが好ましい。
【００２１】
当該タービン動翼では、母材と皮膜との密着度を高めることができる。
【００２２】
また、前記目的を達成するための発明に係るガスタービンは、
前記タービン動翼を有するタービンロータと、前記タービンロータを回転可能に支持するケーシングと、を備えていることを特徴とする。
【００２３】
当該ガスタービンは、前記タービン動翼を有しているので、タービン動翼の構成要素であるシュラウドのコンタクト面の耐磨耗性及び耐酸化性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、シュラウドのコンタクト面の耐磨耗性及び耐酸化性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る一実施形態におけるシュラウドのコンタクト面の形成方法を示すフローチャートである。
【図２】各種サンプルの時間経過に伴う酸化減耗量を示すグラフである。
【図３】拡散熱処理条件の異なる各種サンプルの割れひずみを示す説明図である。
【図４】図３に示すデータを得るために行った曲げ試験を説明するための説明図である。
【図５】表面粗さの異なる各種サンプルの耐磨耗性を示す説明図である。
【図６】本発明に係る一実施形態におけるシュラウドの断面図である。
【図７】本発明に係る一実施形態における動翼の斜視図である。
【図８】本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの要部切欠側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
本実施形態のガスタービンは、図８に示すように、圧縮空気を生成する圧縮機１と、燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼ガスによって回転駆動されるタービン５とを備えている。
【００２８】
圧縮機１は、その空気取込口２から外部の空気を取り込み、この空気を圧縮することによって圧縮空気を生成する。燃焼器３は、圧縮機１からの圧縮空気に燃料を混合して燃焼させる。燃料の燃焼により生成された高温且つ高圧の燃焼ガスは、タービン５を駆動させる。
【００２９】
タービン５は、ケーシング６と、ケーシング６内で回転可能に配置されているタービンロータ１０と、ケーシング６に固定されている複数の静翼２０と、を備えている。なお、以下では、タービンロータ１０の回転中心となる軸を回転軸ＲＡとし、この回転軸ＲＡが延びている方向を軸方向とし、ロータ１０の半径方向を単に径方向とする。ロータ１０は、複数のロータディスクが軸方向に並んで相互に接続されたロータ本体１１と、このロータ本体１１に固定されている複数の動翼１２と、を有している。複数の動翼１２は、回転軸ＲＡを基準にした周方向に等間隔でロータ本体１１に固定されている。
【００３０】
動翼１２は、図７に示すように、ケーシング６内の燃焼ガス流路内に配される動翼本体１３と、この動翼本体１３の基端に設けられたプラットホーム１４と、このプラットホーム１４から動翼本体１３と反対側へ突出した翼根１５と、動翼本体１３の先端に設けられたシュラウド１６と、を有している。
【００３１】
シュラウド１６は、Ｚ型シュラウドと呼ばれ、径方向から見た形状がＺ型を成している。このシュラウド１６は、ケーシング６との間及び隣接する他のシュラウド１６との間からの高温ガスの漏れを抑えると共に、動翼本体１３のねじれを抑えるためにＺ型を成している。シュラウド１６のＺ型の傾斜部分の面は、回転軸ＲＡを基準にした周方向、言い換えると、タービンロータの回転方向で隣接する他のシュラウド１６のＺ型の傾斜部分の面（コンタクト面）と接触する面であるコンタクト面１９が形成されている。
【００３２】
動翼本体１３及びシュラウド１６は、いずれも母材の表面に皮膜が形成されたものである。動翼本体１３の母材やシュラウド１６の母材は、いずれも、ＩＮ７３８ＬＣやＭＧＡ１４００等のニッケル基合金で形成されている。なお、ＩＮ７３８ＬＣの組成成分は、Ｎｉ−１６Ｃｒ−８．５Ｃｏ−１．７Ｍｏ−２．６Ｗ−１．７Ｔａ−０．９Ｎｂ−３．４Ａｌ−３．４Ｔｉ（ｗｔ％）で、ＭＧＡ１４００の組成成分は、Ｎｉ−１３．２Ｃｒ−１０Ｃｏ−１．７Ｍｏ−４．６Ｗ−４．８Ｔａ−４．０Ａｌ−２．４Ｔｉ（ｗｔ％）である。
【００３３】
次に、シュラウド１６のコンタクト面１９の形成方法について、図１に示すフローチャートに従って説明する。
【００３４】
まず、シュラウド１６の母材を目的の形状に形成する（Ｓ１）。
【００３５】
次に、図６に示すように、シュラウド１６の母材１７の表面上で、コンタクト面１９が形成される皮膜形成面１９ａにコーティング材を溶射して皮膜１８を形成する（Ｓ２）。
【００３６】
本実施形態で用いるコーティング材は、３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物である。すなわち、このコーティング材は、Ｎｉを主成分とするコーティング材である。
【００３７】
溶射では、上記コーティング材を粉末化し、これを溶射粉末として利用する。溶射粉末は、例えば、ガスアトマイズ法で生成する。このガスアトマイズ法では、上記コーティング成分を炉内で加熱溶融した後、溶融物を噴霧ノズルから噴霧すると共に、その周囲から溶融物に不活性ガス（例えば、ヘリウム）を高速で吹き付けて、溶融物を微細化する。微細化した溶融物は、その落下過程で凝固し、粉末となる。その後、この粉末をサイクロン等で分級して、目的の粒径範囲内の粉末を溶射粉末として回収する。
【００３８】
溶射法には、電気式溶射として、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ：Atmospheric pressure Plasma Spraying）法、減圧プラズマ溶射（ＬＰＣ：Low pressure Plasma Spraying）法等があり、ガス式溶射として、フレーム溶射法、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ：High Velocity Oxy-Fuel、ＨＶＡＦ：High Velocity Air Fuel）法等がある。上記母材１７の皮膜形成面１９ａに上記コーティング材を溶射する際には、以上で例示したいずれの溶射法でも可能であるが、コーティング材の酸化を抑える観点から、減圧プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法が好ましい。
【００３９】
減圧プラズマ溶射法は、チャンバー内を減圧した後、チャンバー内に不活性ガスを封入してから、このチャンバー内でプラズマ溶射を行う方法である。
【００４０】
高速フレーム溶射法は、溶射ガンの燃焼室内の圧力を高めて、爆発燃焼炎に匹敵する高速火炎を発生させ、この高速火炎の中心に溶射粉末を供給して、これを溶融又は半溶融状態にして、溶射対象に対して超音速で連続噴射する方法である。
【００４１】
溶射の際には、母材１７の皮膜形成面１９ａを除く面に対するマスキング、母材１７の皮膜形成面１９ａに対する脱脂洗浄やブラスト等の前処理行う。その後、溶射ガン等に上記コーティング材から成る溶射粉末を供給して、皮膜形成面１９ａに溶射粉末を溶射する。
【００４２】
この溶射により、皮膜形成面１９ａ上にコーティング材で形成された皮膜１８が形成される。
【００４３】
次に、母材１７上に形成した皮膜１８に対して拡散熱処理を施す（Ｓ３）。
【００４４】
ここでは、８５０℃以上の温度環境下に２．５時間以上、皮膜１８が形成された母材１７をおくことで、母材１７及び皮膜１８に対して一括して拡散熱処理を施す。
【００４５】
また、ここでは、熱処理として、溶体化熱処理又は時効熱処理を施す。溶体化熱処理は、１１２０℃程度の温度環境下で２．５時間以上行うことが好ましい。また、時効熱処理は、８５０℃程度の温度環境下で１０時間以上行うことが好ましい。いずれの熱処理の場合でも、熱処理対象物を所定時間加熱した後、窒素等の不活性ガス雰囲気内で冷却する。
【００４６】
次に、皮膜１８の表面を研磨し、コンタクト面１９を形成する（Ｓ４）。
【００４７】
研磨には、例えば、ダイヤモンド研磨シートやダイヤモンド研磨パッド等を用いる。
【００４８】
研磨前の皮膜１８の表面粗さは、例えば１０μｍＲａである。この研磨では、この皮膜１８の表面粗さが５μｍＲａ以下になるまで研磨する。この研磨された面がコンタクト面１９となる。このコンタクト面１９が形成された皮膜１８の厚さは、約０．２ｍｍである。
【００４９】
「実施例」
本実施例では、シュラウド１６の母材１７として、前述のＩＮ７３８ＬＣを用いる。また、コーティング材として、３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるトリバロイ（英国、Deloro Stellite Groupの登録商標）合金材を用いる。なお、以下では、説明の便宜上、このトリバロイ合金材をＴ７００とする。
【００５０】
溶射は、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ：High Velocity Oxy-Fuel）法で行う。この溶射条件は、以下の通りである。
燃焼圧力 ：０．７ＭＰａ
ケロシン流量 ：２０Ｌ／ｈ
酸素流量 ：５４ｍ３／ｈ
溶射距離 ：５００ｍｍ
ガン移動速度 ：５００ｍｍ／ｓｅｃ
ガン移動ピッチ：６ｍｍ
使用溶射装置 ：Ｐｒａｘａｉｒ社製ＪＰ５０００
【００５１】
ＨＶＯＦ法は、大気中で行われるので、低コストであること、大型部品に適用可能であること等において有利な方法である。さらに、ＨＶＯＦにより形成した皮膜１８は、気孔が少ないこと、溶射温度が低いこと等により酸化され難いため、皮膜１８の粒界に酸化物が少ない。
【００５２】
なお、ここでの溶射法はＨＶＯＦ法であるが、前述のＨＶＡＦ（High Velocity Air Fuel）法やＬＰＣ（Low pressure Plasma Spraying）法を採用してもよい。
【００５３】
ＨＶＡＦは、基本的にＨＶＯＦと同じ溶射法である。但し、その名が示す通り、燃焼剤としてＨＶＯＦでは酸素が用いられるのに対して、ＨＶＡＦでは空気が用いられる点で、両者は異なっている。このため、ＨＶＯＦでのフレーム温度が例えば２７００℃程度あるのに対して、ＨＶＡＦでのフレーム温度が例えば２０００℃程度で、ＨＶＯＦでのフレーム温度よりも低い。以上の相違点があるため、ＨＶＡＦにより形成した皮膜は、ＨＶＯＦにより形成した皮膜よりも酸化物の量を少なくすることができる。
【００５４】
また、ＬＰＣ法で溶射を行う場合の溶射条件は、以下の表１に示す通りである。
【００５５】
【表１】
【００５６】
なお、このＬＰＣ法による溶射条件は、スルザーメテコ社の減圧溶射システムを用いるときの条件である。また、表１中、「Clearing」は、逆極性アーク放電により溶射対象物の表面の付着物を飛ばす処理を示している。
【００５７】
このＬＰＣは、溶射環境下に酸素がほとんど存在しないため、このＬＰＣで形成した皮膜は、酸化物がほとんど含まれない。このため、このＬＰＣで形成した皮膜は、以上の溶射法で形成した皮膜よりも、緻密になり、母材との密着性が高くなる。
【００５８】
この実施例において、拡散熱処理の条件は、８５０℃程度の温度環境下で１０時間である。なお、拡散熱処理の条件は、前述したように、１１２０℃程度の温度環境下で２．５時間以上であってもよい。
【００５９】
研磨は、ダイヤモンド研磨シートを用いて、この皮膜１８の表面粗さが５μｍＲａ以下になるまで行う。
【００６０】
次に、上記実施例の各種特性について説明する。
【００６１】
まず、上記実施例の皮膜酸化特性について、図２を用いて説明する。
【００６２】
ここでは、上記実施例と同様、ＩＮ７３８ＬＣ製の母材に、コーティング材としてのＴ７００を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）したサンプル１の皮膜酸化特性について調べた。さらに、サンプル１の比較対象として、ＩＮ７３８ＬＣ製の母材に、コーティング材として、以下に組成成分を示す比較合金材Ｔ８００を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）したサンプルＣ１の皮膜酸化特性についても調べた。なお、これらのサンプル１，Ｃ１には、溶射後の熱処理及び研磨処理を施していない。
【００６３】
コーティング材としての比較合金材Ｔ８００は、２８．５ｗｔ％のＭｏと、１７．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％のＳｉとを含有し、０．０８ｗｔ％以下のＣを含有することを許容し、残部がＣｏ及び不可避的不純物のトリバロイ（英国、Deloro Stellite Groupの登録商標）合金材である。すなわち、Ｔ８００は、背景技術の欄で説明した特許文献１でのコーティング材と同様、Ｃｏを主成分とするコーティング材である。
【００６４】
ここでは、高温環境下にサンプルを置いたときのサンプルの皮膜の酸化減耗量を調べることで、サンプルの皮膜酸化特性を得た。なお、皮膜の酸化減耗量とは、皮膜中で、皮膜形成物が酸化してスケール化し、脆くなった部分の量である。
【００６５】
図２に示すように、１０００℃の環境下において、Ｔ７００をコーティング材としたサンプル１の皮膜の酸化減耗量は、Ｔ８００をコーティング材としたサンプルＣ１の皮膜の酸化減耗量の１／２以下である。
【００６６】
また、９００℃や８００℃の環境下において、Ｔ７００をコーティング材としたサンプル１の皮膜の酸化減耗量も、Ｔ８００をコーティング材としたサンプルＣ１の皮膜の酸化減耗量の約１／２である。
【００６７】
以上のように、Ｔ７００をコーティング材としてサンプル１の皮膜の酸化速度は、Ｔ８００をコーティング材としたサンプルＣ１の皮膜１８の酸化速度の約１／２である。よって、上記実施例を含め、上記実施形態で示したコーティング材を用いることにより、シュラウド１６のコンタクト面１９の耐酸化性を高めることができる。
【００６８】
次に、上記実施例の拡散熱処理に伴う皮膜強度の変化について、図３を用いて説明する。
【００６９】
ここでは、上記実施例と同様、ＩＮ７３８ＬＣ製の母材に、コーティング材としてのＴ７００を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）し、これに拡散熱処理を施していないサンプル２、これに１０時間にわたって８５０℃で拡散熱処理を施したサンプル３、これに２４時間にわたって８５０℃で拡散熱処理を施したサンプル４、これに２．５時間にわたって１１２０℃で拡散熱処理を施したサンプル５の皮膜強度について調べた。さらに、サンプル２〜５の比較対象として、ＩＮ７３８ＬＣ製の母材に、コーティング材としてのＴ８００を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）し、これに拡散熱処理を施していないサンプルＣ２、これに２４時間にわたって８５０℃で拡散熱処理を施したサンプルＣ４、これに２．５時間にわたって１１２０℃で拡散熱処理したサンプルＣ５の皮膜強度についても調べた。なお、これらのサンプルには、拡散熱処理後の研磨処理を施していない。
【００７０】
ここでは、サンプルの曲げ試験を行い、サンプルの皮膜に割れが発生したときのひずみである割れひずみを調べることで、サンプルの被覆強度を得た。曲げ試験では、図４に示すように、水平方向に延び且つ互いに平行で７０ｍｍの間隔で配置された２本の支持ピン３１上に、サンプルＳを置き、このサンプルＳの上側から２本の支持ピン３１の中間地点をポンチ３２で押し、そのときの皮膜１８をひずみを測定した。この際、サンプルＳの皮膜１８上の複数の地点にひずみゲージ３３を設けて、ひずみを測定する。
【００７１】
図３に示すように、コーティング材としてＴ７００を用い且つ拡散熱処理を施したサンプル３〜５は、コーティング材としてＴ７００を用い且つ拡散熱処理を施していないサンプル２よりも、割れひずみが大きく、皮膜強度が高い。同様に、コーティング材としてＴ８００を用い且つ拡散熱処理を施したサンプルＣ４，Ｃ５は、コーティング材としてＴ８００を用い且つ拡散熱処理を施していないサンプルＣ２よりも、割れひずみが大きく、皮膜強度が高い。また、１１２０℃で拡散熱処理を施したサンプル５，Ｃ５は、８５０℃で拡散熱処理を施したサンプル３，４，Ｃ４より処理時間が短くても、皮膜強度が高い。
【００７２】
よって、皮膜１８に対して、拡散熱処理を施すことで皮膜強度を高めることができる。しかも、拡散熱処理の温度を高くした方が短い処理時間でも高い皮膜強度を得ることができる。
【００７３】
また、コーティング材としてＴ７００を用いたサンプル２〜５は、コーティング材としてＴ８００を用いたＣ２，Ｃ４，Ｃ５よりも割れひずみが大きく、皮膜強度が高い。これは、母材をＮｉ基合金で形成している関係で、同じくＮｉを主成分とするＴ７００を用いたサンプル２〜５（Ｔ７００）の方が、Ｃｏを主成分とするＴ８００を用いたＣ２，Ｃ４，Ｃ５よりも、母材と皮膜との密着性が高まっているためであると考えられる。
【００７４】
次に、上記実施例の研磨に伴う耐磨耗性の変化について説明する。
【００７５】
ここでは、上記実施例と同様、ＩＮ７３８ＬＣ製の母材に、コーティング材としてのＴ７００を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）して皮膜を形成し、これに８５０℃で１０時間の拡散熱処理を施し、この皮膜を研磨していないサンプル１０、この皮膜の表面粗さが８μｍＲａになるまで研磨したサンプル１１、この皮膜の表面粗さが５μｍＲａになるまで研磨したサンプル１２、この皮膜の表面粗さが３μｍＲａになるまで研磨したサンプル１３、この皮膜の表面粗さが１μｍＲａになるまで研磨したサンプル１４の耐磨耗性を調べた。さらに、サンプル１０〜１４の比較対象として、ＩＮ７３８ＬＣ製の母材１７に、コーティング材としてのＴ８００を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）して皮膜を形成し、これに８５０℃で１０時間の拡散熱処理を施し、この皮膜を研磨していないサンプルＣ１０、この皮膜の表面粗さが８μｍＲａになるまで研磨したサンプルＣ１１、この皮膜の表面粗さが５μｍＲａになるまで研磨したサンプルＣ１２、この皮膜の表面粗さが３μｍＲａになるまで研磨したサンプルＣ１３、この皮膜の表面粗さが１μｍＲａになるまで研磨したサンプルＣ１４の耐磨耗性も調べた。
【００７６】
ここでは、高温フレッチング磨耗試験を行い、そのときの磨耗量を調べることで、サンプルの耐磨耗性を得た。この高温フレッチング磨耗試験では、同一の２つのサンプルのコンタクト面相互を接触させ、所定の面圧を維持した状態で、一方のサンプルに対して他方のサンプルを微小な相対往復すべり運動、つまりフレッチング運動させて、そのときの磨耗量を調べる。なお、具体的な試験条件は、以下の通りである。
【００７７】
温度：９００℃
面圧：４ｋｇｆ／ｍｍ２
周波数：２０Ｈｚ
相対往復移動量：０．４ｍｍ
時間：２００時間（累積摺動距離：約３．３ｋｍ）
【００７８】
図５に示すように、皮膜の表面粗さＲａが小さくなるほど磨耗量が小さく、耐磨耗性が高まる。なお、この試験では、Ｔ８００で形成された皮膜の表面粗さが５μｍＲａになるまで研磨したサンプルＣ１２を基準とし、このサンプルＣ１２の磨耗量よりも２０％以上磨耗量が少なく耐磨耗性がよいものに対して「◎」を付し、このサンプルＣ１２の磨耗量と同等の磨耗量のものに対して「○」を付し、このサンプルＣ１２の磨耗量よりも２０％以上磨耗量が多く耐磨耗性が悪いものに対して「×」を付している。
【００７９】
また、Ｔ７００で形成された皮膜の表面粗さが５μｍＲａ以下であるサンプル１２，１３，１４は、いずれも、基準のサンプル１２と同等以上の耐磨耗性を示す。よって、皮膜１８の表面であるコンタクト面１９は、その表面粗さが５μｍＲａ以下にすることで耐磨耗性を高めることができる。
【符号の説明】
【００８０】
１０：タービンロータ、１２：動翼、１３：動翼本体、１６：シュラウド、１７：母材、１８：皮膜、１９：コンタクト面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン動翼本体の先端に設けられているシュラウドの表面のうち、タービンロータの回転方向で隣接するシュラウド相互のコンタクト面の形成方法において、
３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるコーティング材を、前記シュラウドの母材の表面上で前記コンタクト面が形成される皮膜形成面に溶射して皮膜を形成する皮膜形成工程と、
前記皮膜に対して拡散熱処理を施す熱処理工程と、
前記拡散熱処理が施された前記皮膜の表面を研磨して、前記コンタクト面を形成する研磨工程と、
を有することを特徴とするコンタクト面の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載のコンタクト面の形成方法において、
前記熱処理工程では、８５０℃以上の温度で前記拡散熱処理を行う、
ことを特徴とするコンタクト面の形成方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のコンタクト面の形成方法において、
前記熱処理工程では、前記拡散熱処理を２．５時間以上行う、
ことを特徴とするコンタクト面の形成方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のコンタクト面の形成方法において、
前記研磨工程では、前記皮膜の表面粗さが５μｍＲａ以下になるまで、該皮膜の表面を研磨する
ことを特徴とするコンタクト面の形成方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のコンタクト面の形成方法において、
前記皮膜形成工程では、高速フレーム溶射法又は減圧プラズマ溶射法で前記コーティング材を前記皮膜形成面に溶射する、
ことを特徴とするコンタクト面の形成方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載のコンタクト面の形成方法において、
前記シュラウドの母材は、Ｎｉ基合金で形成されている、
ことを特徴とするコンタクト面の形成方法。
【請求項７】
タービン動翼本体の先端に設けられているシュラウドに、タービンロータの回転方向で隣接する他のシュラウドと接触するコンタクト面が形成されているタービン動翼において、
前記シュラウドの母材の表面上で前記コンタクト面が形成される皮膜形成面に、３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるコーティング材による皮膜が形成され、
前記皮膜の表面は、前記コンタクト面を成し、表面粗さが５μｍＲａ以下である、
ことを特徴とするタービン動翼。
【請求項８】
請求項７に記載のタービン動翼において、
前記シュラウドの母材は、Ｎｉ基合金で形成されている、
ことを特徴とするタービン動翼。
【請求項９】
請求項７又は８に記載のタービン動翼を有するタービンロータと、
前記タービンロータを回転可能に支持するケーシングと、
を備えていることを特徴とするガスタービン。
【請求項１】
タービン動翼本体の先端に設けられているシュラウドの表面のうち、タービンロータの回転方向で隣接するシュラウド相互のコンタクト面の形成方法において、
３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるコーティング材を、前記シュラウドの母材の表面上で前記コンタクト面が形成される皮膜形成面に溶射して皮膜を形成する皮膜形成工程と、
前記皮膜に対して拡散熱処理を施す熱処理工程と、
前記拡散熱処理が施された前記皮膜の表面を研磨して、前記コンタクト面を形成する研磨工程と、
を有することを特徴とするコンタクト面の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載のコンタクト面の形成方法において、
前記熱処理工程では、８５０℃以上の温度で前記拡散熱処理を行う、
ことを特徴とするコンタクト面の形成方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のコンタクト面の形成方法において、
前記熱処理工程では、前記拡散熱処理を２．５時間以上行う、
ことを特徴とするコンタクト面の形成方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のコンタクト面の形成方法において、
前記研磨工程では、前記皮膜の表面粗さが５μｍＲａ以下になるまで、該皮膜の表面を研磨する
ことを特徴とするコンタクト面の形成方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のコンタクト面の形成方法において、
前記皮膜形成工程では、高速フレーム溶射法又は減圧プラズマ溶射法で前記コーティング材を前記皮膜形成面に溶射する、
ことを特徴とするコンタクト面の形成方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載のコンタクト面の形成方法において、
前記シュラウドの母材は、Ｎｉ基合金で形成されている、
ことを特徴とするコンタクト面の形成方法。
【請求項７】
タービン動翼本体の先端に設けられているシュラウドに、タービンロータの回転方向で隣接する他のシュラウドと接触するコンタクト面が形成されているタービン動翼において、
前記シュラウドの母材の表面上で前記コンタクト面が形成される皮膜形成面に、３２．５ｗｔ％のＭｏと、１５．５ｗｔ％のＣｒと、３．４ｗｔ％以下のＳｉとを含有し、１．５ｗｔ％以下のＣｏと、１．５ｗｔ％以下のＦｅと、０．０８ｗｔ％以下のＣとを含有することを許容し、残部がＮｉ及び不可避的不純物であるコーティング材による皮膜が形成され、
前記皮膜の表面は、前記コンタクト面を成し、表面粗さが５μｍＲａ以下である、
ことを特徴とするタービン動翼。
【請求項８】
請求項７に記載のタービン動翼において、
前記シュラウドの母材は、Ｎｉ基合金で形成されている、
ことを特徴とするタービン動翼。
【請求項９】
請求項７又は８に記載のタービン動翼を有するタービンロータと、
前記タービンロータを回転可能に支持するケーシングと、
を備えていることを特徴とするガスタービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１９２３（Ｐ２０１３−１９２３Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３２２１２（Ｐ２０１１−１３２２１２）
【出願日】平成２３年６月１４日（２０１１．６．１４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１４日（２０１１．６．１４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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