説明

溶射粉末の製造方法、タービン部材及びガスタービン

【課題】比較的簡易な作業にて、所望の粒径の粉末を効率良く製造することができる溶射粉末の製造方法を提供することにある。
【解決手段】溶射粉末の原料及び水並びに分散剤を混合してなるスラリー13の固形分濃度を60重量%以上86重量%以下に調整し、スラリー13を噴霧乾燥装置10の円盤状のアトマイザ12に供給し、アトマイザ12の回転速度を調整して、アトマイザ12からスラリー13が突出する突出速度を30m/秒以上110m/秒以下にし、スラリー13が噴霧乾燥器10内で乾燥して溶射粉末本体22を形成し、これを熱処理し所望の粒径分布の溶射粉末を得ようにする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、溶射粉末の製造方法、タービン部材及びガスタービンに関し、詳細には耐久性に優れる遮熱コーティングのトップコーティングとして用いられる溶射粉末の製造方法、タービン部材及び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、ガス入口温度を上昇させることが有効であり、その温度は1500℃程度とされる場合もある。そして、このように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。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、この耐熱金属の基材上に金属結合層を介して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を積層した遮熱コーティング(Thermal Barrier Coating,TBC)を形成して、耐熱金属基材を高温から保護することが行われている。セラミックス層としてはZrO2系の材料、特にY23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。
【0003】
ガスタービンの種類によっては、タービンの入口温度が1500℃を越える温度に上昇することが考えられている。上記YSZからなるセラミックス層を備えた遮熱コーティングによりガスタービンの動翼や静翼などを被覆した場合、1500℃を超える過酷な運転条件の下ではガスタービンの運転中に上記セラミックス層の一部が剥離し、耐熱性が損なわれるおそれがあった。また、近年環境対策の関係から、より熱効率の高いガスタービンの開発が進められており、タービンの入口温度が1600℃〜1700℃に達すると考えられ、タービン翼の表面温度は1300℃もの高温になることが予想される。従って、遮熱コーティングには、更に高い耐熱性及び遮熱性が要求される状況にある。
【0004】
上記YSZからなるセラミックス層の剥離の問題は、高温環境下におけるYSZの結晶安定性が十分でなく、また大きな熱応力に対して十分な耐久性を有していないことによるものである。そのため、高温環境下での結晶安定性に優れ、高い熱耐久性を有するセラミックス層として、例えば、Yb23添加ZrO2(特許文献1)、Dy23添加ZrO2(特許文献2)、Er23添加ZrO2(特許文献3)、SmYbZrO7(特許文献4)などが開発されている。
【0005】
特許文献5に開示されるように、セラミックス層は、平均粒径10〜100μmの粒子を用い、溶射法により成膜することが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2003−160852号公報(請求項1、段落[0006]、[0027]〜[0030])
【特許文献2】特開2001−348655号公報(請求項4及び5、段落[0010]〜[0011]、[0015])
【特許文献3】特開2003−129210号公報(請求項1、段落[0013]、[0015])
【特許文献4】特開2007−270245号公報(請求項2、段落[0028]〜[0029]
【特許文献5】特開2005−105417号公報(請求項2、段落[0063])
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、所望の粒径の溶射粉末は、一般的に、最終工程にてふるいによる分級作業を行うことで得られている。このような溶射粉末の製造方法では、製造時間の増加により製造効率が低下し、製造コストの増加を招いていた。
【0008】
以上のことから、本発明は前述した課題を解決するために為されたものであって、比較的簡易な作業にて、所望の粒径の粉末を効率良く製造することができる溶射粉末の製造方法、タービン部材及び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】
【0009】
上述した課題を解決する第1の発明に係る溶射粉末の製造方法は、
溶射粉末の原料及び水並びに分散剤を混合してなるスラリーの固形分濃度を60重量%以上86重量%以下に調整し、
前記スラリーを噴霧乾燥装置の円盤状のアトマイザに供給し、
前記アトマイザの回転速度を調整して、前記アトマイザから前記スラリーが突出する突出速度を30m/秒以上110m/秒以下にし、
前記スラリーが前記噴霧乾燥器内で乾燥して溶射粉末本体を形成し、これを熱処理し所望の粒径分布の溶射粉末を得た
ことを特徴とする。
【0010】
上述した課題を解決する第2の発明に係る溶射粉末の製造方法は、
第1の発明に係る溶射粉末の製造方法であって、
前記スラリーの固形分濃度を70重量%以上に調整する
ことを特徴とする。
【0011】
上述した課題を解決する第3の発明に係る溶射粉末の製造方法は、
第1又は第2の発明に係る溶射粉末の製造方法であって、
前記スラリーの突出速度を42m/秒以上にする
ことを特徴とする。
【0012】
上述した課題を解決する第4の発明に係るタービン部材は、
第1乃至第3の発明の何れか1つに係る溶射粉末の製造方法で得られた溶射粉末により形成された遮熱コーティングを備える
ことを特徴とする。
【0013】
上述した課題を解決する第5の発明に係るガスタービンは、
第4の発明に係るタービン部材を備える
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、スラリーの固形分濃度の調整、及びアトマイザの回転速度の調整自体が比較的簡易な作業であり、分級作業を行う必要が無く、噴霧乾燥装置により所望の粒径の溶射粉末を効率良く得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】遮熱コーティングを備えるタービン部材の断面図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る溶射粉末の製造方法のフローを示す図である。
【図3】溶射粉末の製造方法で用いられる噴霧乾燥装置の一例を示す概略図である。
【図4】噴霧乾燥装置が具備するアトマイザの説明図であって、図4(a)にその平面を示し、図4(b)にその側面を示す。
【図5】溶射粉末の製造方法で用いられるスラリーの固形分濃度と回収率との関係を示すグラフである。
【図6】溶射粉末の製造方法で用いられるスラリーのアトマイザからの突出速度と回収率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本発明に係る溶射粉末の製造方法の一実施形態について図1〜図6を参照して具体的に説明する。
【0017】
本実施形態に係る溶射粉末の製造方法で得られた溶射粉末により形成した遮熱コーティングは、図1に示すように、ガスタービンの動翼等を構成する耐熱性合金基材(母材)1の上に、耐食性及び耐酸化性に優れた金属結合層2を積層し、さらにその上に、強度及び靭性に優れたセラミックス層3を積層した構成となっている。
【0018】
金属結合層2は、耐熱性合金基材1とセラミックス層3との熱膨張係数の差を小さくして熱応力を緩和する機能を有しており、セラミックス層3が耐熱性合金基材1から剥離するのを防いでいる。金属結合層2は、従来と同様に、MCrAlY合金(Mは、Ni,Co,Fe等の金属元素またはこれらのうち2種類以上の組合せ)により構成される。
【0019】
セラミックス層3は、YbSZ(イッテルビア安定化ジルコニア)、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SmYbZr27、DySZ(ジスプロシア安定化ジルコニア)、ErSZ(エルビア安定化ジルコニア)等で構成される。
【0020】
金属結合層2は大気圧プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法、低圧プラズマ溶射法または電子ビーム物理蒸着法により形成される。セラミックス層3は大気圧プラズマ溶射法により形成される。大気圧プラズマ溶射法で使用される溶射粉末(溶射粒子)は、積算粒度10%粒径が30μm以上150μm以下の粒度分布を有するものである。
【0021】
上述した粒度分布を有する溶射粉末は、図2に示す手順にて製造される。図2に示すように、最初に、溶射粉末を構成する各種原料(溶射粉末の原料)を、スラリー作製時の各種方法に応じて目的の組成となるように秤量する(ステップS1)。続いて、ステップS1で秤量した各種原料を用いて、混練(固相混合)、共沈法、溶融法のいずれかの方法にてスラリー(粉末、水及び分散剤の混合物)を作製する。スラリーの固形分濃度は、60重量%以上86重量%以下、好適には70重量%以上86重量%以下、更に好適には80重量%以上86重量%以下になるように調整される。固形分濃度は、スラリー(粉末と水と分散剤)中における粉末の割合を重量%にて表される。
【0022】
混練は、ステップS1にて秤量した粉末、分散剤、純水、及びボールをポット(容器)に投入し、ボールミルで1時間以上混練し、均一なスラリーを作製する方法である(ステップS2−1)。
【0023】
共沈法では、ステップS1にて秤量した金属塩溶液にアンモニア等の中和剤を添加して沈殿物を形成し、これを熱処理した後に粉砕することにより粉末を得る。例えば、8重量%のY23安定化ジルコニア粉末を共沈法にて得る場合には、YCl3及びZrOCl2溶液(酸性)にアンモニア水を加えて中性にする。このとき、沈澱物(Zr,Y)OHが形成される。この沈澱物をろ取し熱処理を行い粉砕することにより粉末を得る。これを混練法と同様に、分散剤及び純水を混合してスラリーを作製する方法である(ステップS2−2)。
【0024】
溶融法では、ステップS1にて秤量した粉末を混合し、これにアーク放電により溶融した後、冷却してインゴットを作製する。例えば、8重量%のY23安定化ジルコニア粉末を溶融法にて得る場合には、8重量%のY23と92重量%のZrO2を混合した粉をアーク放電で溶融した後、冷却し、YSZのインゴットを作製する。そして、インゴットを粉砕し、混練法と同様に、分散剤及び純水を混合してスラリーを作製する方法である(ステップS2−3)。
【0025】
上述したステップS2−1、S2−2、S2−3で得られたスラリーを用いてスプレードライにより溶射粉末本体を作製する(ステップS3)。
【0026】
ここで、スプレードライに用いられる噴霧乾燥装置について図3を参照して説明する。噴霧乾燥装置10は、図3に示すように、乾燥室11、ガス供給管17、ガス排出管19、捕集器21を具備する。ガス供給管17は、乾燥室11の側壁部における天井部近傍に連通して設けられる。これにより、系外からガス16が乾燥室11内へ供給される。ガス排出管19は、乾燥室11の側壁部の略中央部分に連通して設けられる。これにより、乾燥室11内にて旋回したガス18が系外へ排出される。捕集器21は、乾燥室11の底部の略中央部分に連通する連通管20に接続して設けられる。また、乾燥室11の内部には詳細につき後述するアトマイザ12が設けられており、アトマイザ12により乾燥室11内にて乾燥室11の中央部分を中心とする旋回流を生成している。これにより、アトマイザ12からスラリー13が突出すると、乾燥室11内にて旋回するガス18と共に旋回しながら下降していく。このとき、スラリー13の水分が乾燥していき、溶射粉末本体22が造粒される。そして、溶射粉末本体22が捕集器21内に溜まる。乾燥室11としては、直径D1が1m以上であり、乾燥室11の天井部から捕集器21の底板部までの高さH1が数m〜十数m程度であり、ガス供給管17からガス排出管19までの高さH2がH1の1/1.5〜1/4程度のものが挙げられる。
【0027】
乾燥室11の天井部の略中央部分にはアトマイザ12が設けられ、アトマイザ12には、上述したステップで作製されたスラリー13を供給するスラリー供給管14が連通して設けられる。スラリー供給管14の途中には、スラリーを送給するポンプ15が設けられる。
【0028】
アトマイザ12は、図4(a)及び図4(b)に示すように、円盤状であって、天井板とこれに対向して設けられる底板の輪郭部近傍に複数の縦板12aが所定の間隔(スリット)12bで隣接して設けられたものである。アトマイザ12としては、その直径d1が50mm以上150mm以下、好適には50mmであり、高さh1が5mm〜20mm、好適には10mmであるものが挙げられる。アトマイザ12には、供給口(図示せず)を通じて内部へスラリー13が供給される。アトマイザ12は、図示しない制御装置によりその回転速度、言い換えると、アトマイザ12からのスラリー13の突出速度が30m/秒以上110m/秒以下、好適には42m/秒以上になるように制御されている。これにより、スラリー13は、アトマイザ12から突出し、乾燥室11内にて旋回しながら下降していき、連通管20を通じて捕集器21にて、積算粒度10%粒径が30μm以上150μm以下の粒度分布を有する溶射粉末本体22が捕集される。そして、捕集した溶射粉末本体22をさやに入れ、厚みを5cm以下として炉内に入れ、1300〜1600℃で1〜10時間の条件で熱処理する。これにより、焼結と同時に固融が行なわれる。熱処理により、やわらかい塊になるので、乳鉢中に乳棒などでやわらかくたたくことで塊は割れ、溶射粉末が得られる。なお、この作業を行っても、溶射粉末は、積算粒度10%粒径が30μm以上150μm以下の粒度分布を有するものであって、粉末が粉砕されて粒径が小さくなることは無い。
【0029】
したがって、本実施形態に係る溶射粉末の製造方法によれば、溶射粉末の原料及び水並びに分散剤を混合してなるスラリー13の固形分濃度を60重量%以上86重量%以下に調整し、スラリー13を噴霧乾燥装置10の円盤状のアトマイザ12に供給し、アトマイザ12の回転速度を調整して、アトマイザ12からスラリー13が突出する突出速度を30m/秒以上110m/秒以下にし、スラリー13が噴霧乾燥器10内で乾燥して溶射粉末本体22を形成し、これを焼結し、積算粒度10%粒径が30μm以上150μm以下となる粒度分布を有する溶射粉末、すなわち、所望の粒径の溶射粉末を得ることができる。よって、分級作業を行う必要が無く、噴霧乾燥装置10により所望の粒径の溶射粉末を効率良く得ることができる。また、スラリー13の固形分濃度の調整、およびアトマイザ12の回転速度の調整自体が比較的簡易な作業である。
【実施例】
【0030】
本発明に係る溶射粉末の製造方法の効果を確認するために行った確認試験を以下に説明するが、本発明は以下に説明する確認試験のみに限定されるものではない。
【0031】
[確認試験1]
本試験にて、アトマイザからのスラリーの突出速度を63m/秒(アトマイザの回転速度を12000rpm)とした場合における、スラリーの固形分濃度wt%(重量%)と回収率との関係について評価試験を行った。この評価試験結果を図5に示す。
【0032】
よって、固形分濃度を60wt%以上86wt%以下に調整することにより、回収率が50%以上となり、また好適には固形分濃度を70wt%以上86wt%以下に調整することにより回収率が70%以上となり、溶射粉末を効率良く製造できることが分かった。すなわち、スラリーの固形分濃度を所定の範囲に調整することにより、所望の粒径分布の溶射粉末を得ることができることが分かった。なお、スラリーの固形分濃度を86wt%より高くすると、スラリーがアトマイザへ適切に供給できなくなるためこれを上限値としている。
【0033】
[確認試験2]
本試験にて、スラリーの固形分濃度を85wt%(重量%)とし、アトマイザの直径を50mmとした場合における、アトマイザからのスラリーの突出速度(アトマイザの回転速度)と回収率との関係について評価試験を行った。この評価試験結果を図6に示す。なお、図6に示すアトマイザからのスラリー突出速度とアトマイザの回転速度(送り速度)の関係は、表1に示すようになる。
【0034】
【表1】

【0035】
よって、アトマイザの回転速度を調整してアトマイザからのスラリーの突出速度を30m/秒以上110m/秒以下にすることにより、回収率が10%以上となり、また好適にはアトマイザの回転速度を調整してアトマイザからのスラリーの突出速度を42m/秒以上110m/秒以下にすることにより回収率が70%以上となり、更に好適にはアトマイザの回転速度を調整してアトマイザからのスラリーの突出速度を63m/秒以上110m/秒以下にすることにより回収率が90%以上となり、溶射粉末を効率良く製造できることが分かった。すなわち、アトマイザの回転速度を調整してアトマイザからのスラリーの突出速度を所定の範囲にすることにより、所望の粒径分布の溶射粉末を得ることができることが分かった。なお、アトマイザの回転速度を調整してアトマイザからのスラリーの突出速度を110m/秒より速くすると、アトマイザから突出するスラリーは小さな粒となる。アトマイザからのスラリーの突出速度を30m/秒より遅くすると乾燥室の側壁部に付きやすくなる。その結果、積算粒度10%粒径が30μm以上150μm以下の粒子の回収率が低下する。そのためこれらをそれぞれ上限値、下限値としている。
【0036】
上述した構成の遮熱コーティングは、産業用ガスタービンの動翼や静翼、分割環、燃焼器等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等のエンジンの高温部品の遮熱コーティングに適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【0037】
本発明に係る溶射粉末の製造方法、タービン部材及びガスタービンは、スラリーの固形分濃度の調整、およびアトマイザの回転速度の調整自体が比較的簡易な作業であり、分級作業を行う必要が無く、噴霧乾燥装置により所望の粒径の溶射粉末を効率良く得ることができるため、ガスタービンなどの高温部品を製造する産業にとって有用である。
【符号の説明】
【0038】
1 耐熱性合金基材
2 金属結合層
3 セラミック層
10 噴霧乾燥装置
11 乾燥室
12 アトマイザ
13 スラリー
14 スラリー供給管
15 ポンプ
16 ガス
17 ガス供給管
18 旋回したガス
19 ガス排出管
20 連通管
21 捕集器
22 溶射粉末本体

【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶射粉末の原料及び水並びに分散剤を混合してなるスラリーの固形分濃度を60重量%以上86重量%以下に調整し、
前記スラリーを噴霧乾燥装置の円盤状のアトマイザに供給し、
前記アトマイザの回転速度を調整して、前記アトマイザから前記スラリーが突出する突出速度を30m/秒以上110m/秒以下にし、
前記スラリーが前記噴霧乾燥器内で乾燥して溶射粉末本体を形成し、これを熱処理し所望の粒径分布の溶射粉末を得た
ことを特徴とする溶射粉末の製造方法。
【請求項2】
請求項1に記載の溶射粉末の製造方法であって、
前記スラリーの固形分濃度を70重量%以上に調整する
ことを特徴とする溶射粉末の製造方法。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載の溶射粉末の製造方法であって、
前記スラリーの突出速度を42m/秒以上にする
ことを特徴とする溶射粉末の製造方法。
【請求項4】
請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の溶射粉末の製造方法で得られた溶射粉末により形成された遮熱コーティングを備える
ことを特徴とするタービン部材。
【請求項5】
請求項4に記載のタービン部材を備える
ことを特徴とするガスタービン。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2011−213520(P2011−213520A)
【公開日】平成23年10月27日(2011.10.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−81961(P2010−81961)
【出願日】平成22年3月31日(2010.3.31)
【出願人】(000006208)三菱重工業株式会社 (10,378)
【Fターム(参考)】