JPH11311103A - 高温部品、ガスタービン用高温部品およびこれらの製造方法 - Google Patents
高温部品、ガスタービン用高温部品およびこれらの製造方法Info
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- JPH11311103A JPH11311103A JP10117616A JP11761698A JPH11311103A JP H11311103 A JPH11311103 A JP H11311103A JP 10117616 A JP10117616 A JP 10117616A JP 11761698 A JP11761698 A JP 11761698A JP H11311103 A JPH11311103 A JP H11311103A
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L59/00—Thermal insulation in general
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】晒される環境に応じて遮熱コーティングの遮熱
特性を制御できる高温部品およびその製造方法を提供す
る。また、ガスタービンの熱効率および寿命を向上させ
て、信頼性に優れたガスタービン用高温部品およびその
製造方法を提供する。 【解決手段】強度を有する基材と、この基材表面に被覆
された遮熱コーティングとから構成される高温部品にお
いて、この高温部品が晒される環境に、前記遮熱コーテ
ィングの遮熱特性を制御し、基材の表面温度を均一化し
たことを特徴とする。
特性を制御できる高温部品およびその製造方法を提供す
る。また、ガスタービンの熱効率および寿命を向上させ
て、信頼性に優れたガスタービン用高温部品およびその
製造方法を提供する。 【解決手段】強度を有する基材と、この基材表面に被覆
された遮熱コーティングとから構成される高温部品にお
いて、この高温部品が晒される環境に、前記遮熱コーテ
ィングの遮熱特性を制御し、基材の表面温度を均一化し
たことを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンおよ
びジェットエンジンなどの高温腐食または酸化性雰囲気
で使用される高温部品に関する技術であり、特に、金属
基材表面に遮熱コーティング（ＴＢＣ）を施して、特に
遮熱特性を向上させた高温部品、ガスタービン用高温部
品およびこれらの製造方法に関するものである。
びジェットエンジンなどの高温腐食または酸化性雰囲気
で使用される高温部品に関する技術であり、特に、金属
基材表面に遮熱コーティング（ＴＢＣ）を施して、特に
遮熱特性を向上させた高温部品、ガスタービン用高温部
品およびこれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンおよびジェットエンジンな
どの原動機においては、熱効率の向上を目指し、高温化
（作動ガス温度の上昇）のための研究開発が精力的に行
われている。材料面からみれば、この高温化は構成材料
をより高温の過酷な使用環境に強いる方向にある。した
がって、ガスタービン部品のなかでも、特に動翼、静翼
および燃焼器などの燃焼ガスに直接接する部品は、高温
環境での使用に耐え得るように、冷却特性向上策と材料
の耐熱温度向上策との大きく２つの観点から検討がなさ
れている。
どの原動機においては、熱効率の向上を目指し、高温化
（作動ガス温度の上昇）のための研究開発が精力的に行
われている。材料面からみれば、この高温化は構成材料
をより高温の過酷な使用環境に強いる方向にある。した
がって、ガスタービン部品のなかでも、特に動翼、静翼
および燃焼器などの燃焼ガスに直接接する部品は、高温
環境での使用に耐え得るように、冷却特性向上策と材料
の耐熱温度向上策との大きく２つの観点から検討がなさ
れている。
【０００３】まず、構成材料の温度を下げるための冷却
特性向上策の検討について説明する。
特性向上策の検討について説明する。
【０００４】冷却特性を向上させるためには、原理的
に、熱容量の高いガスを使用するか、または冷却用ガス
流量を増加させるのが効果的である。ところが、単に熱
容量の高いガスを使用する方法または冷却用ガス流量を
増加させる方法では、燃焼ガスの温度低下につながり、
逆に熱効率は低下する場合が多い。そこで、燃焼ガス温
度を低下させることなく冷却性能を向上させる方法とし
て、材料と冷却ガスとの間の熱伝達率を増大する方法や
材料と冷却ガスとの接触面積を増大する方法がなされて
いる。
に、熱容量の高いガスを使用するか、または冷却用ガス
流量を増加させるのが効果的である。ところが、単に熱
容量の高いガスを使用する方法または冷却用ガス流量を
増加させる方法では、燃焼ガスの温度低下につながり、
逆に熱効率は低下する場合が多い。そこで、燃焼ガス温
度を低下させることなく冷却性能を向上させる方法とし
て、材料と冷却ガスとの間の熱伝達率を増大する方法や
材料と冷却ガスとの接触面積を増大する方法がなされて
いる。
【０００５】材料と冷却ガスとの間の熱伝達率を増大す
る方法としては、フィルム冷却またはインピンジ冷却が
代表として挙げられる。また、材料と冷却ガスとの接触
面積を増大する方法としては、翼冷却流路のリターンフ
ロー構造に代表されるなど、必要に応じて効率的に徐熱
する方法がなされている。ところが、これらの方法はい
ずれの場合も機器構造の大型化および部品構造の複雑化
につながるため、機器の製造コストの上昇およびシステ
ムの複雑化を招いてしまう。
る方法としては、フィルム冷却またはインピンジ冷却が
代表として挙げられる。また、材料と冷却ガスとの接触
面積を増大する方法としては、翼冷却流路のリターンフ
ロー構造に代表されるなど、必要に応じて効率的に徐熱
する方法がなされている。ところが、これらの方法はい
ずれの場合も機器構造の大型化および部品構造の複雑化
につながるため、機器の製造コストの上昇およびシステ
ムの複雑化を招いてしまう。
【０００６】次に、材料の耐熱温度向上策の検討につい
て説明する。
て説明する。
【０００７】従来より、耐熱性の構造材料として、Ｎｉ
基、Ｃｏ基またはＦｅ基のいずれか１つを主成分とし
て、一方向凝固または単結晶化させた超合金の開発が継
続されている。一方、ＮｂおよびＭｏ系などの元素を添
加して、耐酸化性に優れた金属間化合物の開発により、
さらに、高温強度を向上させる試みもある。しかしなが
ら、一方向凝固または単結晶化させた超合金では、超合
金の融点から考えてもせいぜい１０００℃が使用限界温
度である。また、ＮｂおよびＭｏ系などの元素を添加し
て耐酸化性を向上させたものでは、加工性が悪く、かつ
コストが高いという欠点を有していた。
基、Ｃｏ基またはＦｅ基のいずれか１つを主成分とし
て、一方向凝固または単結晶化させた超合金の開発が継
続されている。一方、ＮｂおよびＭｏ系などの元素を添
加して、耐酸化性に優れた金属間化合物の開発により、
さらに、高温強度を向上させる試みもある。しかしなが
ら、一方向凝固または単結晶化させた超合金では、超合
金の融点から考えてもせいぜい１０００℃が使用限界温
度である。また、ＮｂおよびＭｏ系などの元素を添加し
て耐酸化性を向上させたものでは、加工性が悪く、かつ
コストが高いという欠点を有していた。
【０００８】さらに、融点が高くかつ耐酸化性および耐
食性に優れたセラミック材料を高温部品に適用すること
により、高温部品の耐熱性を向上させる方法が開発され
ている。実際、ＳｉＣおよびＳｉ３Ｎ４をベースとした
セラミックを適用する試みもあるが、セラミックは金属
材料に比べると靭性が劣り、加工性も悪くかつコストが
高いという欠点を有する。このため、セラミックを高温
部品の構造材料として幅広く適用するためには、高温強
度およびコストなどの面で多くの課題が残されていた。
食性に優れたセラミック材料を高温部品に適用すること
により、高温部品の耐熱性を向上させる方法が開発され
ている。実際、ＳｉＣおよびＳｉ３Ｎ４をベースとした
セラミックを適用する試みもあるが、セラミックは金属
材料に比べると靭性が劣り、加工性も悪くかつコストが
高いという欠点を有する。このため、セラミックを高温
部品の構造材料として幅広く適用するためには、高温強
度およびコストなどの面で多くの課題が残されていた。
【０００９】一方、靭性に優れる金属材料を高温部品の
基材として用い、この金属基材の表面に遮熱コーティン
グ（ＴＢＣ；Thermal Barrier Coating ）を施して、高
温部品の耐熱性を向上させる方法がある。この遮熱コー
ティングは、低熱伝導率の酸化物系セラミック層であ
り、この遮熱コーティングを金属基材表面に形成するこ
とで熱を遮断し、金属基材の温度上昇を防止するもので
ある。
基材として用い、この金属基材の表面に遮熱コーティン
グ（ＴＢＣ；Thermal Barrier Coating ）を施して、高
温部品の耐熱性を向上させる方法がある。この遮熱コー
ティングは、低熱伝導率の酸化物系セラミック層であ
り、この遮熱コーティングを金属基材表面に形成するこ
とで熱を遮断し、金属基材の温度上昇を防止するもので
ある。
【００１０】例えば、特開昭62-211387 号公報等に掲載
されているように、金属基材の表面に数百μｍの遮熱セ
ラミック層を形成し、金属基材表面の温度上昇を数十℃
低減できるという方法が提案されている。この方法によ
り、金属基材の温度上昇を抑制でき、ガスタービンの高
温化が可能となる。すなわち、遮熱コーティングでは、
定性的には、遮熱セラミック層の厚さが大きいほど遮熱
性能に優れ、より金属基材の温度を低減できる。また、
遮熱コーティングを施すことにより、燃焼ガス側から冷
却空気側に向かっての熱流速が小さくなり、冷却ガス流
量も低減できるという長所を有する。
されているように、金属基材の表面に数百μｍの遮熱セ
ラミック層を形成し、金属基材表面の温度上昇を数十℃
低減できるという方法が提案されている。この方法によ
り、金属基材の温度上昇を抑制でき、ガスタービンの高
温化が可能となる。すなわち、遮熱コーティングでは、
定性的には、遮熱セラミック層の厚さが大きいほど遮熱
性能に優れ、より金属基材の温度を低減できる。また、
遮熱コーティングを施すことにより、燃焼ガス側から冷
却空気側に向かっての熱流速が小さくなり、冷却ガス流
量も低減できるという長所を有する。
【００１１】ところが、コーティングされた遮熱セラミ
ック層は割れや基材からの剥離が最大の問題となるた
め、従来から剥離低減を目指した種々の検討がなされて
いる。
ック層は割れや基材からの剥離が最大の問題となるた
め、従来から剥離低減を目指した種々の検討がなされて
いる。
【００１２】剥離低減を目指した遮熱コーティングは、
二層構造のものが代表的であり、この二層構造は金属基
材表面に被覆したＭＣｒＡｌＹ合金層（ＭはＦｅ、Ｃｏ
またはＮｉ）とこのＭＣｒＡｌＹ合金層の表面に熱伝導
性の低い酸化物系セラミック層とを被覆して形成され
る。なお、酸化物系セラミック層としてジルコニア系の
セラミックが用いられている。
二層構造のものが代表的であり、この二層構造は金属基
材表面に被覆したＭＣｒＡｌＹ合金層（ＭはＦｅ、Ｃｏ
またはＮｉ）とこのＭＣｒＡｌＹ合金層の表面に熱伝導
性の低い酸化物系セラミック層とを被覆して形成され
る。なお、酸化物系セラミック層としてジルコニア系の
セラミックが用いられている。
【００１３】二層構造の遮熱コーティングは通常溶射法
により形成されるが、大気中でコーティングを施した場
合には、遮熱コーティング層が多孔質となってしまう、
金属基材との密着性に乏しい、または耐食性および耐酸
化性に劣るなどの欠点を有していた。これらの欠点を改
善するために、近年、実質的に空気を含まない減圧の不
活性ガス雰囲気中でプラズマ溶射する方法（一般的に
は、減圧プラズマ溶射法と呼ばれている）が開発され、
遮熱コーティングの耐久性が飛躍的に向上した。
により形成されるが、大気中でコーティングを施した場
合には、遮熱コーティング層が多孔質となってしまう、
金属基材との密着性に乏しい、または耐食性および耐酸
化性に劣るなどの欠点を有していた。これらの欠点を改
善するために、近年、実質的に空気を含まない減圧の不
活性ガス雰囲気中でプラズマ溶射する方法（一般的に
は、減圧プラズマ溶射法と呼ばれている）が開発され、
遮熱コーティングの耐久性が飛躍的に向上した。
【００１４】また遮熱セラミック層を形成する材料に関
しても、種々検討がなされている。
しても、種々検討がなされている。
【００１５】具体的には、ジルコニア（ＺｒＯ２）は１
２００℃付近で相変態を起こすため、このジルコニアを
安定化させる添加剤を加えて相安定化および熱サイクル
特性の向上を図っている。
２００℃付近で相変態を起こすため、このジルコニアを
安定化させる添加剤を加えて相安定化および熱サイクル
特性の向上を図っている。
【００１６】さらに、遮熱セラミック層を形成する際に
電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ法）を用いて、柱
状組織を有する遮熱コーティング層を形成し、構造面か
ら改良を加えてガスタービンの寿命を向上させるという
方法も検討されている。
電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ法）を用いて、柱
状組織を有する遮熱コーティング層を形成し、構造面か
ら改良を加えてガスタービンの寿命を向上させるという
方法も検討されている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たこれらの遮熱コーティングは一般的に熱伝導率が低い
ジルコニア系セラミックを用い、遮熱性能を制御する試
みはほとんどなされておらず、優れた遮熱性能を有する
遮熱コーティングを得ることができなかった。
たこれらの遮熱コーティングは一般的に熱伝導率が低い
ジルコニア系セラミックを用い、遮熱性能を制御する試
みはほとんどなされておらず、優れた遮熱性能を有する
遮熱コーティングを得ることができなかった。
【００１８】また、高温の燃焼ガスに晒される、例え
ば、ガスタービン動翼、静翼および燃焼器において、当
然部位により温度負荷条件が異なる。しかし、その温度
負荷条件により適正な遮熱性能になるような制御はほと
んどなされておらず、せいぜい遮熱セラミック層の厚さ
を変える程度であった。このため、遮熱セラミック層の
厚さはどの部位においても均一であることから部位によ
る遮熱特性が同じであり、強度部材である金属基材の表
面温度は部位によりかなり異なる傾向にあった。
ば、ガスタービン動翼、静翼および燃焼器において、当
然部位により温度負荷条件が異なる。しかし、その温度
負荷条件により適正な遮熱性能になるような制御はほと
んどなされておらず、せいぜい遮熱セラミック層の厚さ
を変える程度であった。このため、遮熱セラミック層の
厚さはどの部位においても均一であることから部位によ
る遮熱特性が同じであり、強度部材である金属基材の表
面温度は部位によりかなり異なる傾向にあった。
【００１９】このように遮熱特性が考慮されていないた
め、冷却媒体を多く必要としたり、また、相対的に板厚
方向の温度勾配が大きく、燃焼ガスおよび冷却ガスなど
のガスだまりにより、局所的に高温となるホットスポッ
トが存在するなどの問題があり、金属基材寿命、ガスタ
ービンの熱効率および信頼性という面から、改善が必要
であった。
め、冷却媒体を多く必要としたり、また、相対的に板厚
方向の温度勾配が大きく、燃焼ガスおよび冷却ガスなど
のガスだまりにより、局所的に高温となるホットスポッ
トが存在するなどの問題があり、金属基材寿命、ガスタ
ービンの熱効率および信頼性という面から、改善が必要
であった。
【００２０】本発明は、このような課題を解決するため
になされたものであり、晒される環境に応じて遮熱コー
ティングの遮熱性能を制御して、基材の表面温度を均一
化し、遮熱特性を向上させた高温部品およびその製造方
法を提供するものである。
になされたものであり、晒される環境に応じて遮熱コー
ティングの遮熱性能を制御して、基材の表面温度を均一
化し、遮熱特性を向上させた高温部品およびその製造方
法を提供するものである。
【００２１】また、燃焼ガス雰囲気で使用するガスター
ビンの遮熱コーティングにおいて、金属基材の表面温度
を均一化し、ガスタービンにおける熱効率の向上、長寿
命化および信頼性の向上を図ったガスタービン用高温部
品およびその製造方法を提供するものである。
ビンの遮熱コーティングにおいて、金属基材の表面温度
を均一化し、ガスタービンにおける熱効率の向上、長寿
命化および信頼性の向上を図ったガスタービン用高温部
品およびその製造方法を提供するものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の高温部品
は、強度を有する基材と、この基材表面に被覆された遮
熱コーティングとから構成される高温部品において、こ
の高温部品が晒される環境に応じて、前記遮熱コーティ
ングの遮熱特性を制御し、基材の表面温度を均一化した
ことを特徴とする。
は、強度を有する基材と、この基材表面に被覆された遮
熱コーティングとから構成される高温部品において、こ
の高温部品が晒される環境に応じて、前記遮熱コーティ
ングの遮熱特性を制御し、基材の表面温度を均一化した
ことを特徴とする。
【００２３】本発明によれば、遮熱コーティングの遮熱
特性を高温部品の部位により変化させることで、基材の
表面温度を均一化することができる。このため、部位に
よる基材の表面温度差が少ないため、基材の寿命が向上
し、高温部品の信頼性を確保することができる。また、
高温部品としては、例えば、高温環境に晒されるジェッ
トエンジンまたはロケットの機体外壁などが該当する。
特性を高温部品の部位により変化させることで、基材の
表面温度を均一化することができる。このため、部位に
よる基材の表面温度差が少ないため、基材の寿命が向上
し、高温部品の信頼性を確保することができる。また、
高温部品としては、例えば、高温環境に晒されるジェッ
トエンジンまたはロケットの機体外壁などが該当する。
【００２４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の高
温部品において、基材の表面温度は、部位による差が１
００℃以内であることを特徴とする。
温部品において、基材の表面温度は、部位による差が１
００℃以内であることを特徴とする。
【００２５】本発明によれば、基材表面温度の部位によ
る差を１００℃以内とすると良く、この温度範囲内にあ
れば、基材の寿命を向上させることができる。
る差を１００℃以内とすると良く、この温度範囲内にあ
れば、基材の寿命を向上させることができる。
【００２６】請求項３記載の発明は、請求項１記載の高
温部品において、遮熱コーティングの遮熱特性は、遮熱
セラミック層の厚さまたは気孔率を部位により変化させ
て制御したことを特徴とする。
温部品において、遮熱コーティングの遮熱特性は、遮熱
セラミック層の厚さまたは気孔率を部位により変化させ
て制御したことを特徴とする。
【００２７】本発明によれば、遮熱セラミック層の厚さ
を大きくまたは気孔率を大きくすることで、遮熱コーテ
ィングの遮熱特性を向上させることができる。
を大きくまたは気孔率を大きくすることで、遮熱コーテ
ィングの遮熱特性を向上させることができる。
【００２８】請求項４記載のガスタービン用高温部品
は、Ｎｉ基、Ｃｏ基またはＦｅ基の少なくとも一種類を
主成分とした耐熱合金からなる金属基材と、この金属基
材の表面に被覆された遮熱コーティングとから構成され
るガスタービン用高温部品において、このガスタービン
用高温部品が晒される環境に応じて、前記遮熱コーティ
ングの遮熱特性を制御し、金属基材の表面温度を均一化
したことを特徴とする。
は、Ｎｉ基、Ｃｏ基またはＦｅ基の少なくとも一種類を
主成分とした耐熱合金からなる金属基材と、この金属基
材の表面に被覆された遮熱コーティングとから構成され
るガスタービン用高温部品において、このガスタービン
用高温部品が晒される環境に応じて、前記遮熱コーティ
ングの遮熱特性を制御し、金属基材の表面温度を均一化
したことを特徴とする。
【００２９】金属基材は、従来より強度を確保するため
に種々開発がなされており、Ｎｉ基、Ｃｏ基またはＦｅ
基などの一種類を主成分として、一方向凝固および単結
晶化させた超合金などが種々開発されている。この強度
を有する金属基材に遮熱性を確保するために遮熱コーテ
ィング層を設け、高温環境においても強度を有する高温
部品を得ることができる。
に種々開発がなされており、Ｎｉ基、Ｃｏ基またはＦｅ
基などの一種類を主成分として、一方向凝固および単結
晶化させた超合金などが種々開発されている。この強度
を有する金属基材に遮熱性を確保するために遮熱コーテ
ィング層を設け、高温環境においても強度を有する高温
部品を得ることができる。
【００３０】本発明によれば、晒される温度環境に応じ
て、遮熱コーティングの遮熱特性を高温部品の部位によ
り変化させることで、金属基材の表面温度を均一化する
ことができる。このため、金属基材の表面温度の均一化
により、冷却媒体を低減できることからガスタービン用
高温部品の性能を向上することできる。また、板厚方向
の温度勾配を低減できることからガスタービン用高温部
品の長寿命化を図れる。さらに、燃焼ガスと冷却ガスと
のガスだまりとなるホットスポットを低減することがで
きることから、ガスタービン用高温部品の信頼性向上を
図れる。
て、遮熱コーティングの遮熱特性を高温部品の部位によ
り変化させることで、金属基材の表面温度を均一化する
ことができる。このため、金属基材の表面温度の均一化
により、冷却媒体を低減できることからガスタービン用
高温部品の性能を向上することできる。また、板厚方向
の温度勾配を低減できることからガスタービン用高温部
品の長寿命化を図れる。さらに、燃焼ガスと冷却ガスと
のガスだまりとなるホットスポットを低減することがで
きることから、ガスタービン用高温部品の信頼性向上を
図れる。
【００３１】請求項５記載の発明は、請求項４記載のガ
スタービン用高温部品において、ガスタービン用高温部
品は、動翼または静翼などのガスタービン部品であるこ
とを特徴とする。
スタービン用高温部品において、ガスタービン用高温部
品は、動翼または静翼などのガスタービン部品であるこ
とを特徴とする。
【００３２】動翼または静翼などのガスタービン部品
は、特に、高温蒸気に晒される部品であるが、本発明に
おいて、これらの部品の遮熱特性を向上させることによ
り、高温においても信頼性を有するガスタービン用高温
部品を得ることができる。
は、特に、高温蒸気に晒される部品であるが、本発明に
おいて、これらの部品の遮熱特性を向上させることによ
り、高温においても信頼性を有するガスタービン用高温
部品を得ることができる。
【００３３】請求項６記載の発明は、請求項４記載のガ
スタービン用高温部品において、金属基材の表面温度
は、部位による差が１００℃以内であることを特徴とす
る。
スタービン用高温部品において、金属基材の表面温度
は、部位による差が１００℃以内であることを特徴とす
る。
【００３４】本発明によれば、基材表面温度の部位によ
る差を１００℃以内とすると良く、この温度範囲内にあ
れば、基材の長寿命化を図れる。
る差を１００℃以内とすると良く、この温度範囲内にあ
れば、基材の長寿命化を図れる。
【００３５】請求項７記載の発明は、請求項４記載のガ
スタービン用高温部品において、遮熱コーティングの遮
熱特性は、遮熱セラミック層の厚さを部位により変化さ
せて制御したことを特徴とする。
スタービン用高温部品において、遮熱コーティングの遮
熱特性は、遮熱セラミック層の厚さを部位により変化さ
せて制御したことを特徴とする。
【００３６】本発明によれば、遮熱セラミック層の厚さ
を変えることにより、温度場を決める遮熱セラミック層
の熱抵抗を制御することができる。
を変えることにより、温度場を決める遮熱セラミック層
の熱抵抗を制御することができる。
【００３７】請求項８記載の発明は、請求項５記載のガ
スタービン用高温部品において、相対的に温度が高くな
る動翼または静翼の前縁まわりまたは後縁まわりの少な
くとも一方の遮熱セラミック層の厚さを、他の部位より
も厚くしたことを特徴とする。
スタービン用高温部品において、相対的に温度が高くな
る動翼または静翼の前縁まわりまたは後縁まわりの少な
くとも一方の遮熱セラミック層の厚さを、他の部位より
も厚くしたことを特徴とする。
【００３８】本発明において、動翼または静翼における
温度が高温となる前縁まわりまたは後縁まわりの遮熱セ
ラミック層の厚さを大きくすることで、金属基材の表面
温度を均一化することができる。
温度が高温となる前縁まわりまたは後縁まわりの遮熱セ
ラミック層の厚さを大きくすることで、金属基材の表面
温度を均一化することができる。
【００３９】請求項９記載の発明は、請求項５記載のガ
スタービン用高温部品において、相対的に温度が高くな
る動翼または静翼の背側の遮熱セラミック層の厚さを相
対的に温度が低くなる腹側の遮熱セラミック層の厚さよ
り大きくしたことを特徴とする。
スタービン用高温部品において、相対的に温度が高くな
る動翼または静翼の背側の遮熱セラミック層の厚さを相
対的に温度が低くなる腹側の遮熱セラミック層の厚さよ
り大きくしたことを特徴とする。
【００４０】本発明において、動翼または静翼における
温度が高温となる背側または腹側の遮熱セラミック層の
厚さを大きくすることで、金属基材の表面温度を効果的
に均一化することができる。
温度が高温となる背側または腹側の遮熱セラミック層の
厚さを大きくすることで、金属基材の表面温度を効果的
に均一化することができる。
【００４１】請求項１０記載の発明は、請求項８または
９記載のガスタービン用高温部品において、遮熱コーテ
ィング層の厚さを、厚い側で０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ
以下とし、また薄い側で０ｍｍを超え０．５ｍｍ以下と
し、かついずれの場合も厚い側よりも薄い側の遮熱コー
ティング層の厚さを薄くしたことを特徴とする。
９記載のガスタービン用高温部品において、遮熱コーテ
ィング層の厚さを、厚い側で０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ
以下とし、また薄い側で０ｍｍを超え０．５ｍｍ以下と
し、かついずれの場合も厚い側よりも薄い側の遮熱コー
ティング層の厚さを薄くしたことを特徴とする。
【００４２】本発明において、上記のように厚さを規定
することで、金属基材の温度を均一化することができ
る。
することで、金属基材の温度を均一化することができ
る。
【００４３】請求項１１記載の発明は、請求項４記載の
ガスタービン用高温部品において、遮熱コーティングの
遮熱特性は、遮熱セラミック層の気孔率を部位により変
化させて制御したことを特徴とする。
ガスタービン用高温部品において、遮熱コーティングの
遮熱特性は、遮熱セラミック層の気孔率を部位により変
化させて制御したことを特徴とする。
【００４４】本発明によれば、気孔、つまり空間が大き
な熱抵抗を有するために、遮熱セラミック層を構成する
材料の気孔率を変えることにより、温度場を決める遮熱
セラミック層の熱抵抗を制御することができる。すなわ
ち、晒される温度環境に応じてこの遮熱セラミック層の
気孔率を変えることで、金属基材の表面温度を均一化す
ることができる。
な熱抵抗を有するために、遮熱セラミック層を構成する
材料の気孔率を変えることにより、温度場を決める遮熱
セラミック層の熱抵抗を制御することができる。すなわ
ち、晒される温度環境に応じてこの遮熱セラミック層の
気孔率を変えることで、金属基材の表面温度を均一化す
ることができる。
【００４５】請求項１２記載の発明は、請求項５記載の
ガスタービン用高温部品において、相対的に温度が高く
なる前縁まわり、または後縁まわりの少なくとも一方の
遮熱コーティング層の気孔率を他の部位より大きくする
ことで金属基材の表面温度を均一化したことを特徴とす
る。
ガスタービン用高温部品において、相対的に温度が高く
なる前縁まわり、または後縁まわりの少なくとも一方の
遮熱コーティング層の気孔率を他の部位より大きくする
ことで金属基材の表面温度を均一化したことを特徴とす
る。
【００４６】遮熱セラミック層の厚さを大きくする程、
または気孔率を大きくする程、熱抵抗は大きくなり遮熱
機能は向上する傾向にある。ガスタービン動翼および静
翼において、他の部位より温度環境が厳しい傾向にある
前縁まわり、または後縁まわりの遮熱セラミック層の熱
抵抗を大きくすれば、金属基材の表面温度を均一化する
ことができる。
または気孔率を大きくする程、熱抵抗は大きくなり遮熱
機能は向上する傾向にある。ガスタービン動翼および静
翼において、他の部位より温度環境が厳しい傾向にある
前縁まわり、または後縁まわりの遮熱セラミック層の熱
抵抗を大きくすれば、金属基材の表面温度を均一化する
ことができる。
【００４７】請求項１３記載の発明は、請求項５記載の
ガスタービン用高温部品において、相対的に温度が高く
なる背側の気孔率を腹側より大きくすることで金属基材
の表面温度を均一化したことを特徴とする。
ガスタービン用高温部品において、相対的に温度が高く
なる背側の気孔率を腹側より大きくすることで金属基材
の表面温度を均一化したことを特徴とする。
【００４８】本発明におけるガスタービン動翼および静
翼において、腹側より温度環境が厳しい傾向にある背側
の遮熱セラミック層の熱抵抗を大きくすれば、金属基材
表面温度を均一化することができる。
翼において、腹側より温度環境が厳しい傾向にある背側
の遮熱セラミック層の熱抵抗を大きくすれば、金属基材
表面温度を均一化することができる。
【００４９】請求項１４記載の発明は、請求項１２また
は１３記載のガスタービン用高温部品において、遮熱セ
ラミック層の気孔率を、大きい側で１０％以上４０％以
下とし、小さい側で２％以上２０％以下としたことを特
徴とする。
は１３記載のガスタービン用高温部品において、遮熱セ
ラミック層の気孔率を、大きい側で１０％以上４０％以
下とし、小さい側で２％以上２０％以下としたことを特
徴とする。
【００５０】本発明において、上記のように気孔率を規
定することで、金属基材の表面温度を均一化することが
できる。
定することで、金属基材の表面温度を均一化することが
できる。
【００５１】請求項１５記載の発明は、請求項５記載の
ガスタービン用高温部品において、遮熱セラミック層の
材料として、ＺｒＯ２を主成分とし、ＭｇＯ、ＣａＯ、
Ｙ２Ｏ３またはＣｅＯ２のうちの少なくとも一つ以上を
添加した酸化物系セラミックを用いたことを特徴とす
る。
ガスタービン用高温部品において、遮熱セラミック層の
材料として、ＺｒＯ２を主成分とし、ＭｇＯ、ＣａＯ、
Ｙ２Ｏ３またはＣｅＯ２のうちの少なくとも一つ以上を
添加した酸化物系セラミックを用いたことを特徴とす
る。
【００５２】遮熱セラミック層の材料として、ＺｒＯ２
を主成分としているが、このＺｒＯ２は１２００℃の温
度を超えると結晶変態を起こすため、従来、ＺｒＯ２に
Ｙ２Ｏ３を８％程度添加して部分安定化させた酸化物系
セラミックが用いられていた。本発明においても、この
ＺｒＯ２にＹ２Ｏ３を８％程度添加した材料を用いてい
るが、Ｙ２Ｏ３のほかに、ＭｇＯ、ＣａＯ、またはＣｅ
Ｏ２を添加した材料を用いて良い。
を主成分としているが、このＺｒＯ２は１２００℃の温
度を超えると結晶変態を起こすため、従来、ＺｒＯ２に
Ｙ２Ｏ３を８％程度添加して部分安定化させた酸化物系
セラミックが用いられていた。本発明においても、この
ＺｒＯ２にＹ２Ｏ３を８％程度添加した材料を用いてい
るが、Ｙ２Ｏ３のほかに、ＭｇＯ、ＣａＯ、またはＣｅ
Ｏ２を添加した材料を用いて良い。
【００５３】請求項１６記載の発明は、請求項１５記載
のガスタービン用高温部品において、酸化物系セラミッ
クの主成分として、Ａｌ２０３、ＨｆＯ２、ＴｈＯ２ま
たはＢｅＯのうちの１つを用いたことを特徴とする。
のガスタービン用高温部品において、酸化物系セラミッ
クの主成分として、Ａｌ２０３、ＨｆＯ２、ＴｈＯ２ま
たはＢｅＯのうちの１つを用いたことを特徴とする。
【００５４】本発明におては、遮熱セラミック層の材料
として、ＺｒＯ２を主成分とするかわりに、ＺｒＯ２よ
りも融点の高いＨｆＯ２、ＴｈＯ２またはＢｅＯを用い
ても良い。また、コストを低減できるＡｌ２０３を用い
ても良い。
として、ＺｒＯ２を主成分とするかわりに、ＺｒＯ２よ
りも融点の高いＨｆＯ２、ＴｈＯ２またはＢｅＯを用い
ても良い。また、コストを低減できるＡｌ２０３を用い
ても良い。
【００５５】請求項１７記載の高温部品の製造方法は、
基材表面に遮熱セラミック層を形成して高温部品を製造
する際、部位により遮熱セラミック層の厚さまたは気孔
率を変化させて高温部品を形成したことを特徴とする。
基材表面に遮熱セラミック層を形成して高温部品を製造
する際、部位により遮熱セラミック層の厚さまたは気孔
率を変化させて高温部品を形成したことを特徴とする。
【００５６】本発明においては、遮熱セラミック層の厚
さまたは気孔率を変化させることにより遮熱セラミック
層の熱抵抗を制御できる高温部品を得ることができる。
さまたは気孔率を変化させることにより遮熱セラミック
層の熱抵抗を制御できる高温部品を得ることができる。
【００５７】請求項１８記載のガスタービン用高温部品
の製造方法は、Ｎｉ基、Ｃｏ基またはＦｅ基の少なくと
も一種類を主成分とした耐熱合金からなる金属基材の表
面に遮熱セラミック層を形成してガスタービン用高温部
品を製造する際、部位により遮熱セラミック層の厚さま
たは気孔率を変化させてガスタービン用高温部品を形成
したことを特徴とする。
の製造方法は、Ｎｉ基、Ｃｏ基またはＦｅ基の少なくと
も一種類を主成分とした耐熱合金からなる金属基材の表
面に遮熱セラミック層を形成してガスタービン用高温部
品を製造する際、部位により遮熱セラミック層の厚さま
たは気孔率を変化させてガスタービン用高温部品を形成
したことを特徴とする。
【００５８】本発明においても、遮熱セラミック層の厚
さまたは気孔率を変化させて、遮熱特性を向上させたガ
スタービン用高温部品を得ることができる。
さまたは気孔率を変化させて、遮熱特性を向上させたガ
スタービン用高温部品を得ることができる。
【００５９】請求項１９記載の発明は、請求項１８記載
のガスタービン用高温部品の製造方法において、遮熱セ
ラミック層は、プラズマなどの高温熱源で溶融した遮熱
セラミックの原料粉末を高速で金属基材に吹き付けて形
成したことを特徴とする。
のガスタービン用高温部品の製造方法において、遮熱セ
ラミック層は、プラズマなどの高温熱源で溶融した遮熱
セラミックの原料粉末を高速で金属基材に吹き付けて形
成したことを特徴とする。
【００６０】本発明においては、溶射法を用いて金属基
材の表面に遮熱セラミック層を形成している。溶射法に
よれば、原料粉末を高速で金属基材に吹き付けているこ
とから、遮熱セラミック層に適度な気孔が形成されるた
め、遮熱セラミック層のもろさを改善することができ
る。
材の表面に遮熱セラミック層を形成している。溶射法に
よれば、原料粉末を高速で金属基材に吹き付けているこ
とから、遮熱セラミック層に適度な気孔が形成されるた
め、遮熱セラミック層のもろさを改善することができ
る。
【００６１】請求項２０記載の発明は、請求項１９記載
のガスタービン用高温部品の製造方法において、原料粉
末の供給量、原料粉末の粘度、溶射ガンの移動速度、溶
射ガンの角度、溶射距離および溶射出力を最適化して、
１パスあたりに形成する皮膜厚さである成膜速度を変
え、部位により遮熱セラミック層の厚さまたは気孔率を
変化させることを特徴とする。
のガスタービン用高温部品の製造方法において、原料粉
末の供給量、原料粉末の粘度、溶射ガンの移動速度、溶
射ガンの角度、溶射距離および溶射出力を最適化して、
１パスあたりに形成する皮膜厚さである成膜速度を変
え、部位により遮熱セラミック層の厚さまたは気孔率を
変化させることを特徴とする。
【００６２】本発明においては、溶射法により遮熱セラ
ミック層を形成する場合に、原料粉末の供給量および粒
度、溶射ガンの移動速度および角度、溶射距離、出力を
変えることで、遮熱セラミック層の成膜速度を変化させ
ることができることから、遮熱セラミック層の厚さまた
は気孔率を変えることができる。すなわち、部位により
意図的にこれらの条件を変えることにより、部位により
遮熱セラミック層の厚さおよび気孔率が変化した遮熱セ
ラミック層を形成することができる。
ミック層を形成する場合に、原料粉末の供給量および粒
度、溶射ガンの移動速度および角度、溶射距離、出力を
変えることで、遮熱セラミック層の成膜速度を変化させ
ることができることから、遮熱セラミック層の厚さまた
は気孔率を変えることができる。すなわち、部位により
意図的にこれらの条件を変えることにより、部位により
遮熱セラミック層の厚さおよび気孔率が変化した遮熱セ
ラミック層を形成することができる。
【００６３】請求項２１記載の発明は、請求項１８記載
のガスタービン用高温部品の製造方法において、金属基
材の表面に遮熱セラミック層を形成する際、ターゲット
材料を電子ビームなどの高温熱源を用いて加熱し蒸発さ
せ、得られた蒸気を金属基材の表面に堆積させて遮熱セ
ラミック層を形成したことを特徴とする。
のガスタービン用高温部品の製造方法において、金属基
材の表面に遮熱セラミック層を形成する際、ターゲット
材料を電子ビームなどの高温熱源を用いて加熱し蒸発さ
せ、得られた蒸気を金属基材の表面に堆積させて遮熱セ
ラミック層を形成したことを特徴とする。
【００６４】本発明においては、物理蒸着法を用いて金
属基材の表面に遮熱セラミック層を形成している。物理
蒸着法によれば、金属基材の表面に堆積された遮熱セラ
ミック層がたての結晶成長により形成されているため、
金属基材と遮熱セラミック層とが剥離し難くなる。
属基材の表面に遮熱セラミック層を形成している。物理
蒸着法によれば、金属基材の表面に堆積された遮熱セラ
ミック層がたての結晶成長により形成されているため、
金属基材と遮熱セラミック層とが剥離し難くなる。
【００６５】請求項２２記載の発明は、請求項１９また
は２１記載のガスタービン用高温部品の製造方法におい
て、隙間率の異なる板状の板に遮熱セラミックの原料粉
末を通過させて成膜速度を変化させたことを特徴とす
る。
は２１記載のガスタービン用高温部品の製造方法におい
て、隙間率の異なる板状の板に遮熱セラミックの原料粉
末を通過させて成膜速度を変化させたことを特徴とす
る。
【００６６】本発明において、溶射法または物理蒸着法
により遮熱セラミック層を形成する場合、隙間率の異な
る板状の板、例えば、メッシュの異なる網を通して皮膜
形成すれば、遮熱セラミック層の成膜速度を変えること
ができる。すなわち、部位により意図的に隙間率を変え
れば、部位により遮熱セラミック層の厚さまたは気孔率
が変化した遮熱セラミック層を形成することができる。
により遮熱セラミック層を形成する場合、隙間率の異な
る板状の板、例えば、メッシュの異なる網を通して皮膜
形成すれば、遮熱セラミック層の成膜速度を変えること
ができる。すなわち、部位により意図的に隙間率を変え
れば、部位により遮熱セラミック層の厚さまたは気孔率
が変化した遮熱セラミック層を形成することができる。
【００６７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図１〜図８を参照して説明する。
て、図１〜図８を参照して説明する。
【００６８】本実施形態においては、遮熱コーティング
を施したガスタービン動翼およびその製造方法について
説明する。
を施したガスタービン動翼およびその製造方法について
説明する。
【００６９】図１は、本発明による遮熱コーティングを
施したガスタービン動翼の断面を示す模式図である。
施したガスタービン動翼の断面を示す模式図である。
【００７０】図１に示すように、ガスタービン動翼１
は、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅをベースとした高温強度に優
れた超合金の動翼基材２上に、耐食性および耐酸化性に
優れたＭＣｒＡｌＹ合金層３（ＭはＣｒ、ＣｏまたはＮ
ｉ）を形成し、このＭＣｒＡｌＹ合金層３上に低熱伝導
率で化学的に安定なＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４を
形成して、ＭＣｒＡｌＹ合金層３とＹ２Ｏ３部分安定化
ＺｒＯ２層４とにより、遮熱コーティング層を構成して
いる。
は、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅをベースとした高温強度に優
れた超合金の動翼基材２上に、耐食性および耐酸化性に
優れたＭＣｒＡｌＹ合金層３（ＭはＣｒ、ＣｏまたはＮ
ｉ）を形成し、このＭＣｒＡｌＹ合金層３上に低熱伝導
率で化学的に安定なＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４を
形成して、ＭＣｒＡｌＹ合金層３とＹ２Ｏ３部分安定化
ＺｒＯ２層４とにより、遮熱コーティング層を構成して
いる。
【００７１】特に、相対的に晒される燃焼ガス温度条件
が厳しい、図１に示すガスタービン動翼１の前縁まわり
５の遮熱コーティングおよび後縁まわり６の遮熱コーテ
ィングは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の厚さとし、
他の部位よりＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４の厚さを
大きくした。また気孔率についても、１０％以上４０％
以下の範囲として他の部位より大きくして遮熱性能を強
化し、動翼基材２の表面温度差が１００℃以内となる構
成とした。
が厳しい、図１に示すガスタービン動翼１の前縁まわり
５の遮熱コーティングおよび後縁まわり６の遮熱コーテ
ィングは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の厚さとし、
他の部位よりＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４の厚さを
大きくした。また気孔率についても、１０％以上４０％
以下の範囲として他の部位より大きくして遮熱性能を強
化し、動翼基材２の表面温度差が１００℃以内となる構
成とした。
【００７２】図２は、ガスタービン動翼における遮熱コ
ーティングの熱抵抗と動翼基材の表面温度との関係を示
す図である。
ーティングの熱抵抗と動翼基材の表面温度との関係を示
す図である。
【００７３】図２に示すように、遮熱コーティングの熱
抵抗を大きくすると、強度部材としての動翼基材の表面
温度を低くすることができ、遮熱性能を向上させること
ができる。一方、この遮熱コーティングの熱抵抗は、遮
熱コーティングの厚さまたは遮熱コーティングを構成す
る材料の熱伝導率などにより変化させることができる。
特に、材料の熱伝導率は材料特有の物性ではあるが、断
熱効果が大きい気孔、つまり空間を設けることにより、
熱伝導率の絶対値を変えることができる。
抵抗を大きくすると、強度部材としての動翼基材の表面
温度を低くすることができ、遮熱性能を向上させること
ができる。一方、この遮熱コーティングの熱抵抗は、遮
熱コーティングの厚さまたは遮熱コーティングを構成す
る材料の熱伝導率などにより変化させることができる。
特に、材料の熱伝導率は材料特有の物性ではあるが、断
熱効果が大きい気孔、つまり空間を設けることにより、
熱伝導率の絶対値を変えることができる。
【００７４】図３は、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の
気孔率と熱伝導率との関係を示す図である。
気孔率と熱伝導率との関係を示す図である。
【００７５】図３に示すように、Ｙ２Ｏ３部分安定化Ｚ
ｒＯ２層の気孔率は、熱伝導性に大きく影響を及ぼすこ
とが明らかであり、気孔率を大きくするほど熱伝導率が
小さくなる傾向にある。
ｒＯ２層の気孔率は、熱伝導性に大きく影響を及ぼすこ
とが明らかであり、気孔率を大きくするほど熱伝導率が
小さくなる傾向にある。
【００７６】また、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の材
料組成を変えることで熱伝導率の絶対値を変えることも
できる。
料組成を変えることで熱伝導率の絶対値を変えることも
できる。
【００７７】図４は、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層に
おいて、Ｙ２Ｏ３の組成比率と熱伝導率との関係を示す
図である。
おいて、Ｙ２Ｏ３の組成比率と熱伝導率との関係を示す
図である。
【００７８】図４に示すように、Ｙ２Ｏ３部分安定化Ｚ
ｒＯ２層におけるＹ２Ｏ３の組成比率が熱伝導率に大き
く影響するのは明らかであり、Ｙ２Ｏ３の組成比率を小
さくするほど熱伝導率は小さくできる傾向にある。
ｒＯ２層におけるＹ２Ｏ３の組成比率が熱伝導率に大き
く影響するのは明らかであり、Ｙ２Ｏ３の組成比率を小
さくするほど熱伝導率は小さくできる傾向にある。
【００７９】次に、遮熱コーティングを施したガスター
ビン動翼１の製造方法を、以下に説明する。
ビン動翼１の製造方法を、以下に説明する。
【００８０】まず、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅをベースとし
た高温強度に優れた超合金の動翼基材２に対し、プラズ
マまたは燃焼ガスなどの高温熱源中にＭＣｒＡｌＹ合金
粉末（ＭはＣｒ、ＣｏまたはＮｉ）を導入して、溶融し
たＭＣｒＡｌＹ合金粒子を高速で動翼基材２上に吹き付
け、ＭＣｒＡｌＹ合金層３を形成した。
た高温強度に優れた超合金の動翼基材２に対し、プラズ
マまたは燃焼ガスなどの高温熱源中にＭＣｒＡｌＹ合金
粉末（ＭはＣｒ、ＣｏまたはＮｉ）を導入して、溶融し
たＭＣｒＡｌＹ合金粒子を高速で動翼基材２上に吹き付
け、ＭＣｒＡｌＹ合金層３を形成した。
【００８１】その後、プラズマまたは燃焼ガスなどの高
温熱源中にＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２粉末を導入し
て、溶融したＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２粒子をＭＣｒ
ＡｌＹ合金層３上に高速で吹き付けて、Ｙ２Ｏ３部分安
定化ＺｒＯ２層４を形成した。
温熱源中にＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２粉末を導入し
て、溶融したＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２粒子をＭＣｒ
ＡｌＹ合金層３上に高速で吹き付けて、Ｙ２Ｏ３部分安
定化ＺｒＯ２層４を形成した。
【００８２】前縁まわりの遮熱コーティング５および後
縁まわりの遮熱コーティング６のＹ２Ｏ３部分安定化Ｚ
ｒＯ２層４を形成する際には、原料粉末の供給量、原料
粉末の粒度、溶射ガンの移動速度、溶射ガンの角度、溶
射距離、溶射出力などの溶射プロセスパラメータを変え
て、他の部位よりも厚さおよび気孔率を大きくして、相
対的に遮熱性能を強化した。なお、成膜速度に関して
は、隙間率の異なる板状の板であるメッシュの異なる網
に溶射材料を通して、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４
を形成した。
縁まわりの遮熱コーティング６のＹ２Ｏ３部分安定化Ｚ
ｒＯ２層４を形成する際には、原料粉末の供給量、原料
粉末の粒度、溶射ガンの移動速度、溶射ガンの角度、溶
射距離、溶射出力などの溶射プロセスパラメータを変え
て、他の部位よりも厚さおよび気孔率を大きくして、相
対的に遮熱性能を強化した。なお、成膜速度に関して
は、隙間率の異なる板状の板であるメッシュの異なる網
に溶射材料を通して、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４
を形成した。
【００８３】具体的には、原料粉末の供給量は１〜３０
ｃｍ３／ｍｉｎの範囲とし、原料粉末の粒度は１〜２０
０μｍ、溶射ガンの移動速度は１００〜１０００ｍｍ／
ｓｅｃ、溶射ガンの角度は３０〜９０°、溶射距離は５
０〜３００ｍｍおよび溶射出力は２０〜１００ｋＷの範
囲とした。
ｃｍ３／ｍｉｎの範囲とし、原料粉末の粒度は１〜２０
０μｍ、溶射ガンの移動速度は１００〜１０００ｍｍ／
ｓｅｃ、溶射ガンの角度は３０〜９０°、溶射距離は５
０〜３００ｍｍおよび溶射出力は２０〜１００ｋＷの範
囲とした。
【００８４】図５は、溶射法を用いてＹ２Ｏ３部分安定
化ＺｒＯ２層を形成する場合に、成膜速度に及ぼす各種
溶射プロセスパラメータの効果を示す図である。
化ＺｒＯ２層を形成する場合に、成膜速度に及ぼす各種
溶射プロセスパラメータの効果を示す図である。
【００８５】図５に示すように、溶射プロセスパラメー
タとして、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２の原料粉末量
Ａ、溶射ガンの移動速度Ｂ、溶射ガンの角度Ｃ、溶射距
離Ｄおよび溶射出力Ｅを変えることにより、成膜速度を
大きく変化させることができる。 通常、動翼基材と遮
熱コーティング層との剥離を防止するための溶射プロセ
スパラメータが設定され、具体的には、点線ａに示す値
で各パラメータが設定されている。
タとして、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２の原料粉末量
Ａ、溶射ガンの移動速度Ｂ、溶射ガンの角度Ｃ、溶射距
離Ｄおよび溶射出力Ｅを変えることにより、成膜速度を
大きく変化させることができる。 通常、動翼基材と遮
熱コーティング層との剥離を防止するための溶射プロセ
スパラメータが設定され、具体的には、点線ａに示す値
で各パラメータが設定されている。
【００８６】ガスタービン動翼１に遮熱コーティングを
溶射施工する際、この溶射プロセスパラメータを変える
ことで、１パスあたりに形成するＹ２Ｏ３部分安定化Ｚ
ｒＯ２層の厚さである成膜速度を制御できる。このこと
から、同じパス数の溶射を繰り返した場合においても所
定の膜厚分布を有するＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の
形成が可能である。すなわち、溶射する部位と連動して
溶射プロセスパラメータを制御すれば成膜速度が変化す
るために、結果として、前縁まわり５および後縁まわり
６のＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の厚さが大きいガス
タービン動翼１を製造できる。ここで、前縁まわり５お
よび後縁まわり６のＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の厚
さは、製造上の制約と耐久性から、０．１ｍｍ以上１．
０ｍｍ以下の範囲内とするのが望ましい。
溶射施工する際、この溶射プロセスパラメータを変える
ことで、１パスあたりに形成するＹ２Ｏ３部分安定化Ｚ
ｒＯ２層の厚さである成膜速度を制御できる。このこと
から、同じパス数の溶射を繰り返した場合においても所
定の膜厚分布を有するＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の
形成が可能である。すなわち、溶射する部位と連動して
溶射プロセスパラメータを制御すれば成膜速度が変化す
るために、結果として、前縁まわり５および後縁まわり
６のＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の厚さが大きいガス
タービン動翼１を製造できる。ここで、前縁まわり５お
よび後縁まわり６のＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の厚
さは、製造上の制約と耐久性から、０．１ｍｍ以上１．
０ｍｍ以下の範囲内とするのが望ましい。
【００８７】図６は、溶射法により網を介して動翼基材
上にＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層を形成する場合に、
網のメッシュ粗さと成膜速度との関係を示した図であ
る。
上にＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層を形成する場合に、
網のメッシュ粗さと成膜速度との関係を示した図であ
る。
【００８８】図６に示すように、網のメッシュ粗さを粗
くすることにより、時間あたりのＹ２Ｏ３部分安定化Ｚ
ｒＯ２層４の形成厚さである成膜速度は速くなる。この
ため、タービン動翼１に遮熱コーティングを溶射施工す
る際に、この網のメッシュ粗さを変えることでＹ２Ｏ３
部分安定化ＺｒＯ２層４の成膜速度が制御できるため、
同じパス数の溶射を繰り返した場合においても、所定の
膜厚分布を有するＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４を形
成することができる。すなわち、溶射する部位と連動し
て網のメッシュ粗さを変えれば成膜速度が変化するため
に、結果として、前縁まわり５および後縁まわり６のＹ
２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４の厚さを大きくしたガス
タービン動翼１を製造することができる。
くすることにより、時間あたりのＹ２Ｏ３部分安定化Ｚ
ｒＯ２層４の形成厚さである成膜速度は速くなる。この
ため、タービン動翼１に遮熱コーティングを溶射施工す
る際に、この網のメッシュ粗さを変えることでＹ２Ｏ３
部分安定化ＺｒＯ２層４の成膜速度が制御できるため、
同じパス数の溶射を繰り返した場合においても、所定の
膜厚分布を有するＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４を形
成することができる。すなわち、溶射する部位と連動し
て網のメッシュ粗さを変えれば成膜速度が変化するため
に、結果として、前縁まわり５および後縁まわり６のＹ
２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４の厚さを大きくしたガス
タービン動翼１を製造することができる。
【００８９】図７は、溶射法を用いてＹ２Ｏ３部分安定
化ＺｒＯ２層を形成する場合、気孔率に及ぼす各種溶射
プロセスパラメータの効果を示したものである。
化ＺｒＯ２層を形成する場合、気孔率に及ぼす各種溶射
プロセスパラメータの効果を示したものである。
【００９０】図７に示すように、溶射プロセスパラメー
タとしてＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２の原料粉末量Ａ、
粉末粒度Ｆ、溶射ガンの移動速度Ｂ、溶射ガンの角度
Ｃ、溶射距離Ｄを変えることにより、Ｙ２Ｏ３部分安定
化ＺｒＯ２中の気孔率を大きく変化させることができ
る。ガスタービン動翼１に遮熱コーティングを溶射施工
する際、この溶射プロセスパラメータを変えることでＹ
２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層中の気孔率を制御できる。
このため、部位により異なる気孔率を有するＹ２Ｏ３部
分安定化ＺｒＯ２層の形成が可能である。すなわち、溶
射する部位と連動して溶射プロセスパラメータを制御す
れば気孔率が変化し、結果として、前縁まわりおよび後
縁まわりのＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の気孔率を大
きくすることで、遮熱性能が強化されたガスタービン動
翼１を製造できる。ここで、気孔率を大きくすると強度
が低下する傾向にあるので、気孔率は１０％以上４０％
以下の範囲内とするのが望ましい。
タとしてＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２の原料粉末量Ａ、
粉末粒度Ｆ、溶射ガンの移動速度Ｂ、溶射ガンの角度
Ｃ、溶射距離Ｄを変えることにより、Ｙ２Ｏ３部分安定
化ＺｒＯ２中の気孔率を大きく変化させることができ
る。ガスタービン動翼１に遮熱コーティングを溶射施工
する際、この溶射プロセスパラメータを変えることでＹ
２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層中の気孔率を制御できる。
このため、部位により異なる気孔率を有するＹ２Ｏ３部
分安定化ＺｒＯ２層の形成が可能である。すなわち、溶
射する部位と連動して溶射プロセスパラメータを制御す
れば気孔率が変化し、結果として、前縁まわりおよび後
縁まわりのＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の気孔率を大
きくすることで、遮熱性能が強化されたガスタービン動
翼１を製造できる。ここで、気孔率を大きくすると強度
が低下する傾向にあるので、気孔率は１０％以上４０％
以下の範囲内とするのが望ましい。
【００９１】なお、ガスタービン動翼１のＭＣｒＡｌＹ
合金層３（ＭはＣｒ、ＣｏまたはＮｉ）上にＹ２Ｏ３部
分安定化ＺｒＯ２層４を形成する際、Ｙ２Ｏ３部分安定
化ＺｒＯ２製のターゲットを電子ビームなどの高温熱源
により加熱蒸発させ、得られた蒸気を堆積させる物理蒸
着法を用いてもよい。
合金層３（ＭはＣｒ、ＣｏまたはＮｉ）上にＹ２Ｏ３部
分安定化ＺｒＯ２層４を形成する際、Ｙ２Ｏ３部分安定
化ＺｒＯ２製のターゲットを電子ビームなどの高温熱源
により加熱蒸発させ、得られた蒸気を堆積させる物理蒸
着法を用いてもよい。
【００９２】図８は、網のメッシュを介して物理蒸着法
を用いてＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層を形成する場合
に、網のメッシュ粗さと膜成長速度との関係を示したも
のである。
を用いてＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層を形成する場合
に、網のメッシュ粗さと膜成長速度との関係を示したも
のである。
【００９３】図８に示すように、網のメッシュ粗さを粗
くすることにより、膜成長速度は速くなる。このため、
ガスタービン動翼１に遮熱コーティングを施工する際、
この網のメッシュ粗さを変えることでＹ２Ｏ３部分安定
化ＺｒＯ２層４の膜成長速度が制御できるため、所定の
膜厚分布を有するＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４を物
理蒸着法により形成できる。すなわち、予めメッシュの
異なる網で覆った状態で物理蒸着を施せば部位により膜
成長速度が異なるために、結果として、前縁まわり５お
よび後縁まわり６のＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４の
厚さを大きくしたガスタービン動翼１を製造することが
できる。
くすることにより、膜成長速度は速くなる。このため、
ガスタービン動翼１に遮熱コーティングを施工する際、
この網のメッシュ粗さを変えることでＹ２Ｏ３部分安定
化ＺｒＯ２層４の膜成長速度が制御できるため、所定の
膜厚分布を有するＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４を物
理蒸着法により形成できる。すなわち、予めメッシュの
異なる網で覆った状態で物理蒸着を施せば部位により膜
成長速度が異なるために、結果として、前縁まわり５お
よび後縁まわり６のＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層４の
厚さを大きくしたガスタービン動翼１を製造することが
できる。
【００９４】本実施形態によれば、ガスタービン動翼に
おける遮熱コーティングの熱抵抗を変えることで容易に
遮熱性能を制御できることが明らかである。このことか
ら、晒される燃焼ガス条件に応じて遮熱コーティングの
熱抵抗を制御することで、動翼基材の表面温度を均一化
することができる。すなわち、相対的に晒される燃焼ガ
ス温度条件が厳しい前縁まわりおよび後縁まわりの遮熱
コーティングは、他の部位に比べ相対的に遮熱コーティ
ングの熱抵抗を大きくすることにより、動翼基材の表面
温度を均一化することができる。遮熱コーティングの熱
抵抗は、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の厚さを大きく
すること、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の気孔率を大
きくすること、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層における
Ｙ２Ｏ３の組成比率を小さくすることにより、大きくす
ることができる。
おける遮熱コーティングの熱抵抗を変えることで容易に
遮熱性能を制御できることが明らかである。このことか
ら、晒される燃焼ガス条件に応じて遮熱コーティングの
熱抵抗を制御することで、動翼基材の表面温度を均一化
することができる。すなわち、相対的に晒される燃焼ガ
ス温度条件が厳しい前縁まわりおよび後縁まわりの遮熱
コーティングは、他の部位に比べ相対的に遮熱コーティ
ングの熱抵抗を大きくすることにより、動翼基材の表面
温度を均一化することができる。遮熱コーティングの熱
抵抗は、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の厚さを大きく
すること、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の気孔率を大
きくすること、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層における
Ｙ２Ｏ３の組成比率を小さくすることにより、大きくす
ることができる。
【００９５】特に、本実施形態によれば、晒される燃焼
ガス温度条件が厳しい前縁まわりや後縁まわりの遮熱性
能が強化された遮熱コーティングで構成されているた
め、動翼基材の表面温度を均一化できる。このために、
晒される燃焼ガス温度条件に応じて遮熱性能を制御する
ために、必要以上の冷却を行う必要がなく、その結果、
冷却媒体の絶対量が低減でき、ガスタービンの効率が向
上できる。
ガス温度条件が厳しい前縁まわりや後縁まわりの遮熱性
能が強化された遮熱コーティングで構成されているた
め、動翼基材の表面温度を均一化できる。このために、
晒される燃焼ガス温度条件に応じて遮熱性能を制御する
ために、必要以上の冷却を行う必要がなく、その結果、
冷却媒体の絶対量が低減でき、ガスタービンの効率が向
上できる。
【００９６】また、晒される燃焼ガス温度条件に応じて
遮熱性能を制御するために、燃焼ガス温度条件が厳しい
部位での動翼基材表面温度が低減するとともに、動翼基
材の板厚方向の温度勾配も低減するために、動翼基材の
熱応力を低減できる。その結果、ガスタービンを長寿命
化できる。
遮熱性能を制御するために、燃焼ガス温度条件が厳しい
部位での動翼基材表面温度が低減するとともに、動翼基
材の板厚方向の温度勾配も低減するために、動翼基材の
熱応力を低減できる。その結果、ガスタービンを長寿命
化できる。
【００９７】さらに、晒される燃焼ガス温度条件に応じ
て遮熱性能を制御するために、燃焼ガスおよび冷却ガス
などのガスだまりにより生じる局部的に高温となるホッ
トスポットを低減することができる。その結果、遮熱コ
ーティングの剥離にもつながるＭＣｒＡｌＹ層および基
材の急激な酸化および大きな熱応力の発生を低減するこ
とができる。
て遮熱性能を制御するために、燃焼ガスおよび冷却ガス
などのガスだまりにより生じる局部的に高温となるホッ
トスポットを低減することができる。その結果、遮熱コ
ーティングの剥離にもつながるＭＣｒＡｌＹ層および基
材の急激な酸化および大きな熱応力の発生を低減するこ
とができる。
【００９８】なお、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２以外に
も、遮熱コーティング材料として有効な低熱伝導率の化
学的にも安定な酸化物系セラミックスとして、Ａｌ２Ｏ
３、ＨｆＯ２、ＴｈＯ２およびＢｅＯなどがある。熱伝
導率は材料特有の物性であることから、これらの酸化物
系セラミックの熱伝導率は大幅に異なる。したがって、
溶射する部位と連動して溶射材料を制御すれば、結果と
して、前縁まわりおよび後縁まわりの遮熱性能を強化し
た遮熱コーティングを施したガスタービン動翼を製造で
きる。
も、遮熱コーティング材料として有効な低熱伝導率の化
学的にも安定な酸化物系セラミックスとして、Ａｌ２Ｏ
３、ＨｆＯ２、ＴｈＯ２およびＢｅＯなどがある。熱伝
導率は材料特有の物性であることから、これらの酸化物
系セラミックの熱伝導率は大幅に異なる。したがって、
溶射する部位と連動して溶射材料を制御すれば、結果と
して、前縁まわりおよび後縁まわりの遮熱性能を強化し
た遮熱コーティングを施したガスタービン動翼を製造で
きる。
【００９９】その他の実施形態（図９） 本実施形態においては、遮熱コーティングを施したガス
タービン静翼およびその製造方法について説明する。
タービン静翼およびその製造方法について説明する。
【０１００】図９は、本発明による遮熱コーティングを
施したガスタービン静翼の断面を示す模式図である。
施したガスタービン静翼の断面を示す模式図である。
【０１０１】図９に示すように、ガスタービン静翼７
は、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅをベースとした高温強度に優
れた超合金の静翼基材８上に、耐食性および耐酸化性に
優れたＭＣｒＡｌＹ合金層９（ＭはＣｒ、ＣｏまたはＮ
ｉ）を形成し、このＭＣｒＡｌＹ合金層９上に低熱伝導
率で化学的に安定なＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０
を形成して、ＭＣｒＡｌＹ合金層９とＹ２Ｏ３部分安定
化ＺｒＯ２層１０とにより、遮熱コーティング層を構成
している。
は、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅをベースとした高温強度に優
れた超合金の静翼基材８上に、耐食性および耐酸化性に
優れたＭＣｒＡｌＹ合金層９（ＭはＣｒ、ＣｏまたはＮ
ｉ）を形成し、このＭＣｒＡｌＹ合金層９上に低熱伝導
率で化学的に安定なＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０
を形成して、ＭＣｒＡｌＹ合金層９とＹ２Ｏ３部分安定
化ＺｒＯ２層１０とにより、遮熱コーティング層を構成
している。
【０１０２】特に、相対的に晒される燃焼ガス温度条件
が厳しい、図９に示すガスタービン静翼７の背側１１お
よび腹側１２の遮熱コーティングは、０．１ｍｍ以上
１．０ｍｍ以下の厚さとし、他の部位よりＹ２Ｏ３部分
安定化ＺｒＯ２層４の厚さを大きくした。また気孔率に
ついても、１０％以上４０％以下の範囲として他の部位
より大きくして遮熱性能を強化し、静翼基材８の表面温
度差が１００℃以内となる構成とした。
が厳しい、図９に示すガスタービン静翼７の背側１１お
よび腹側１２の遮熱コーティングは、０．１ｍｍ以上
１．０ｍｍ以下の厚さとし、他の部位よりＹ２Ｏ３部分
安定化ＺｒＯ２層４の厚さを大きくした。また気孔率に
ついても、１０％以上４０％以下の範囲として他の部位
より大きくして遮熱性能を強化し、静翼基材８の表面温
度差が１００℃以内となる構成とした。
【０１０３】次に、遮熱コーティングを施したガスター
ビン静翼７の製造方法を、以下に説明する。
ビン静翼７の製造方法を、以下に説明する。
【０１０４】まず、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅをベースとし
た高温強度に優れた超合金の静翼基材８に対し、プラズ
マまたは燃焼ガスなどの高温熱源中にＭＣｒＡｌＹ合金
粉末（ＭはＣｒ、ＣｏまたはＮｉ）を導入して、溶融し
たＭＣｒＡｌＹ合金粒子を高速で静翼基材８上に吹き付
け、ＭＣｒＡｌＹ合金層９を形成した。
た高温強度に優れた超合金の静翼基材８に対し、プラズ
マまたは燃焼ガスなどの高温熱源中にＭＣｒＡｌＹ合金
粉末（ＭはＣｒ、ＣｏまたはＮｉ）を導入して、溶融し
たＭＣｒＡｌＹ合金粒子を高速で静翼基材８上に吹き付
け、ＭＣｒＡｌＹ合金層９を形成した。
【０１０５】その後、プラズマまたは燃焼ガスなどの高
温熱源中にＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２粉末を導入し
て、溶融したＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２粒子をＭＣｒ
ＡｌＹ合金層９上に高速で吹き付けて、Ｙ２Ｏ３部分安
定化ＺｒＯ２層１０を形成した。背側１１および腹側１
２の遮熱コーティングのＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層
１０を形成する際には、原料粉末の供給量、原料粉末の
粒度、溶射ガンの移動速度、溶射ガンの角度、溶射距
離、溶射出力などの溶射プロセスパラメータを変えて、
他の部位よりも厚さおよび気孔率を大きくして、相対的
に遮熱性能を強化した。なお、成膜速度に関しては、隙
間率の異なる板状の板であるメッシュの異なる網に溶射
材料を通して、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０を形
成した。
温熱源中にＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２粉末を導入し
て、溶融したＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２粒子をＭＣｒ
ＡｌＹ合金層９上に高速で吹き付けて、Ｙ２Ｏ３部分安
定化ＺｒＯ２層１０を形成した。背側１１および腹側１
２の遮熱コーティングのＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層
１０を形成する際には、原料粉末の供給量、原料粉末の
粒度、溶射ガンの移動速度、溶射ガンの角度、溶射距
離、溶射出力などの溶射プロセスパラメータを変えて、
他の部位よりも厚さおよび気孔率を大きくして、相対的
に遮熱性能を強化した。なお、成膜速度に関しては、隙
間率の異なる板状の板であるメッシュの異なる網に溶射
材料を通して、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０を形
成した。
【０１０６】具体的には、原料粉末の供給量は１〜３０
ｃｍ３／ｍｉｎの範囲とし、原料粉末の粒度は１〜２０
０μｍ、溶射ガンの移動速度は１００〜１０００ｍｍ／
ｓｅｃ、溶射ガンの角度は３０〜９０°、溶射距離は５
０〜３００ｍｍおよび溶射出力は２０〜１００ｋＷの範
囲とした。
ｃｍ３／ｍｉｎの範囲とし、原料粉末の粒度は１〜２０
０μｍ、溶射ガンの移動速度は１００〜１０００ｍｍ／
ｓｅｃ、溶射ガンの角度は３０〜９０°、溶射距離は５
０〜３００ｍｍおよび溶射出力は２０〜１００ｋＷの範
囲とした。
【０１０７】ガスタービン静翼７を製造する際には、前
述したガスタービン動翼１と同じように、図５に示すよ
うに、溶射プロセスパラメータとして、Ｙ２Ｏ３部分安
定化ＺｒＯ２の原料粉末量、粉末粒度、ガンの移動速
度、ガンの角度、溶射距離、出力を変えることにより、
成膜速度を大きく変化させることができる。したがっ
て、ガスタービン静翼７に遮熱コーティングを溶射施工
する際、この溶射プロセスパラメータを変えることでＹ
２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０の成膜速度を制御でき
る。このため、同じパス数の溶射を繰り返した場合も所
定の膜厚分布を有するＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１
０を形成することができる。すなわち、溶射する部位と
連動して溶射プロセスパラメータを制御すれば成膜速度
が変化するために、結果として、腹側１２に比べ背側１
１のＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の厚さを大きくした
ガスタービン静翼７を製造することができる。
述したガスタービン動翼１と同じように、図５に示すよ
うに、溶射プロセスパラメータとして、Ｙ２Ｏ３部分安
定化ＺｒＯ２の原料粉末量、粉末粒度、ガンの移動速
度、ガンの角度、溶射距離、出力を変えることにより、
成膜速度を大きく変化させることができる。したがっ
て、ガスタービン静翼７に遮熱コーティングを溶射施工
する際、この溶射プロセスパラメータを変えることでＹ
２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０の成膜速度を制御でき
る。このため、同じパス数の溶射を繰り返した場合も所
定の膜厚分布を有するＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１
０を形成することができる。すなわち、溶射する部位と
連動して溶射プロセスパラメータを制御すれば成膜速度
が変化するために、結果として、腹側１２に比べ背側１
１のＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層の厚さを大きくした
ガスタービン静翼７を製造することができる。
【０１０８】また図６に示したように、溶射法で網のメ
ッシュ粗さを変えることにより、成膜速度は大きく変化
することができる。したがって、ガスタービン静翼７に
遮熱コーティングを溶射施工する際、この網のメッシュ
粗さを変えることでＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０
の成膜速度を制御できる。このため、同じパス数の溶射
を繰り返した場合も所定の膜厚分布を有するＹ２Ｏ３部
分安定化ＺｒＯ２層１０を形成することができる。すな
わち、溶射する部位と連動して網のメッシュ粗さを変え
れば成膜速度が変化するため、結果として、腹側１２に
比べ背側１１のＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０の厚
さを大きくしたガスタービン静翼７を製造することがで
きる。
ッシュ粗さを変えることにより、成膜速度は大きく変化
することができる。したがって、ガスタービン静翼７に
遮熱コーティングを溶射施工する際、この網のメッシュ
粗さを変えることでＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０
の成膜速度を制御できる。このため、同じパス数の溶射
を繰り返した場合も所定の膜厚分布を有するＹ２Ｏ３部
分安定化ＺｒＯ２層１０を形成することができる。すな
わち、溶射する部位と連動して網のメッシュ粗さを変え
れば成膜速度が変化するため、結果として、腹側１２に
比べ背側１１のＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０の厚
さを大きくしたガスタービン静翼７を製造することがで
きる。
【０１０９】また図７に示したように、溶射プロセスパ
ラメータとして、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２の原料粉
末量、粉末粒度、ガンの移動速度、ガンの角度、溶射距
離、出力を変えることにより、Ｙ２Ｏ３部分安定化Ｚｒ
Ｏ２中の気孔率を大きく変化させることができる。ガス
タービン静翼７に遮熱コーティングを溶射施工する際、
この溶射プロセスパラメータを変えることでＹ２Ｏ３部
分安定化ＺｒＯ２層１０中の気孔率を制御できる。この
ため、部位により異なる気孔率を有するＹ２Ｏ３部分安
定化ＺｒＯ２層１０を形成できる。すなわち、溶射する
部位と連動して溶射プロセスパラメータを制御すれば気
孔率が変化し、結果として、腹側１２に比べ背側１１の
Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０の気孔率を大きくす
ることで遮熱性能を強化したガスタービン静翼７を製造
できる。
ラメータとして、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２の原料粉
末量、粉末粒度、ガンの移動速度、ガンの角度、溶射距
離、出力を変えることにより、Ｙ２Ｏ３部分安定化Ｚｒ
Ｏ２中の気孔率を大きく変化させることができる。ガス
タービン静翼７に遮熱コーティングを溶射施工する際、
この溶射プロセスパラメータを変えることでＹ２Ｏ３部
分安定化ＺｒＯ２層１０中の気孔率を制御できる。この
ため、部位により異なる気孔率を有するＹ２Ｏ３部分安
定化ＺｒＯ２層１０を形成できる。すなわち、溶射する
部位と連動して溶射プロセスパラメータを制御すれば気
孔率が変化し、結果として、腹側１２に比べ背側１１の
Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０の気孔率を大きくす
ることで遮熱性能を強化したガスタービン静翼７を製造
できる。
【０１１０】図８に示したように、物理蒸着法で網のメ
ッシュ粗さを変えることにより、膜成長速度は大きく変
化させることができる。したがって、ガスタービン静翼
７に遮熱コーティングを施工する際、この網のメッシュ
粗さを変えることでＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０
の膜成長速度を制御できる。このため、所定の膜厚分布
を有するＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０を物理蒸着
法により形成できる。すなわち、予めメッシュの異なる
網で覆った状態で物理蒸着を施せば、部位により膜成長
速度が異なるために、結果として、腹側１２に比べ背側
１１のＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０の厚さを大き
くしたガスタービン静翼７を製造することができる。
ッシュ粗さを変えることにより、膜成長速度は大きく変
化させることができる。したがって、ガスタービン静翼
７に遮熱コーティングを施工する際、この網のメッシュ
粗さを変えることでＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０
の膜成長速度を制御できる。このため、所定の膜厚分布
を有するＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０を物理蒸着
法により形成できる。すなわち、予めメッシュの異なる
網で覆った状態で物理蒸着を施せば、部位により膜成長
速度が異なるために、結果として、腹側１２に比べ背側
１１のＹ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０の厚さを大き
くしたガスタービン静翼７を製造することができる。
【０１１１】本実施形態におけるガスタービン静翼７に
おいても、遮熱コーティングの熱抵抗を変えることで容
易に遮熱性能を制御できる。このため、晒される燃焼ガ
ス条件に応じて遮熱コーティングの熱抵抗を制御すれ
ば、静翼基材８の表面温度を均一化することができる。
すなわち、相対的に晒される燃焼ガス温度条件が厳しい
背側１１の遮熱コーティングは、腹側１２の遮熱コーテ
ィングより熱抵抗を大きくすることで、静翼基材８の表
面温度を均一化することができる。遮熱コーティングの
熱抵抗は、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０の厚さを
大きくすること、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０の
気孔率を大きくすること、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２
の組成比率を小さくすることにより、大きくすることが
できる。
おいても、遮熱コーティングの熱抵抗を変えることで容
易に遮熱性能を制御できる。このため、晒される燃焼ガ
ス条件に応じて遮熱コーティングの熱抵抗を制御すれ
ば、静翼基材８の表面温度を均一化することができる。
すなわち、相対的に晒される燃焼ガス温度条件が厳しい
背側１１の遮熱コーティングは、腹側１２の遮熱コーテ
ィングより熱抵抗を大きくすることで、静翼基材８の表
面温度を均一化することができる。遮熱コーティングの
熱抵抗は、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０の厚さを
大きくすること、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層１０の
気孔率を大きくすること、Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２
の組成比率を小さくすることにより、大きくすることが
できる。
【０１１２】また、本実施形態によれば、晒される燃焼
ガス温度条件が厳しい背側１１の遮熱性能が強化された
遮熱コーティングで構成されており、静翼基材８の表面
温度を均一化できる。これにより、晒される燃焼ガス温
度条件に応じて遮熱性能を制御するために、必要以上の
冷却を行う必要がなく、その結果、冷却媒体の絶対量が
低減でき、ガスタービンの効率を向上させることができ
る。
ガス温度条件が厳しい背側１１の遮熱性能が強化された
遮熱コーティングで構成されており、静翼基材８の表面
温度を均一化できる。これにより、晒される燃焼ガス温
度条件に応じて遮熱性能を制御するために、必要以上の
冷却を行う必要がなく、その結果、冷却媒体の絶対量が
低減でき、ガスタービンの効率を向上させることができ
る。
【０１１３】また、晒される燃焼ガス温度条件に応じて
遮熱性能を制御するために、燃焼ガス温度条件が厳しい
部位での静翼基材８の表面温度が低減するとともに、静
翼基材８の板厚方向の温度勾配も低減するため、静翼基
材８の熱応力が低減できる。その結果、ガスタービンを
長寿命化できる。
遮熱性能を制御するために、燃焼ガス温度条件が厳しい
部位での静翼基材８の表面温度が低減するとともに、静
翼基材８の板厚方向の温度勾配も低減するため、静翼基
材８の熱応力が低減できる。その結果、ガスタービンを
長寿命化できる。
【０１１４】さらに、晒される燃焼ガス温度条件に応じ
て遮熱性能を制御するために、ホットスポットが低減で
きる。このため、遮熱コーティングの剥離にもつながる
ＭＣｒＡｌＹ層９および静翼基材８の急激な酸化および
大きな熱応力の発生を低減することができる。
て遮熱性能を制御するために、ホットスポットが低減で
きる。このため、遮熱コーティングの剥離にもつながる
ＭＣｒＡｌＹ層９および静翼基材８の急激な酸化および
大きな熱応力の発生を低減することができる。
【０１１５】なお、本実施形態においてはガスタービン
動翼１およびガスタービン静翼７に遮熱コーティングを
施した場合について説明したが、高温環境に晒されるジ
ェットエンジンまたはロケットの機体外壁などの高温部
品にも適用できる。
動翼１およびガスタービン静翼７に遮熱コーティングを
施した場合について説明したが、高温環境に晒されるジ
ェットエンジンまたはロケットの機体外壁などの高温部
品にも適用できる。
【０１１６】
【発明の効果】以上で説明したように、本発明による高
温部品、ガスタービン用高温部品およびこれらの製造方
法によれば、晒される環境に応じて遮熱コーティングの
遮熱特性を制御することができる高温部品を得られるた
め、特に、この高温部品を燃焼ガス雰囲気で使用するガ
スタービンなどの高温の酸化腐食雰囲気で使用するガス
タービン用高温部品として適用することで、熱効率、ガ
スタービンの寿命および信頼性に優れたガスタービン用
高温部品を得ることができる。
温部品、ガスタービン用高温部品およびこれらの製造方
法によれば、晒される環境に応じて遮熱コーティングの
遮熱特性を制御することができる高温部品を得られるた
め、特に、この高温部品を燃焼ガス雰囲気で使用するガ
スタービンなどの高温の酸化腐食雰囲気で使用するガス
タービン用高温部品として適用することで、熱効率、ガ
スタービンの寿命および信頼性に優れたガスタービン用
高温部品を得ることができる。
【図１】本発明の実施形態における、遮熱コーティング
を施したガスタービン動翼の断面を示す模式図。
を施したガスタービン動翼の断面を示す模式図。
【図２】本発明の実施形態における、遮熱コーティング
の熱抵抗と動翼基材表面温度との関係を示す図。
の熱抵抗と動翼基材表面温度との関係を示す図。
【図３】本発明の実施形態における、Ｙ２Ｏ３部分安定
化ＺｒＯ２層の気孔率と熱伝導率との関係を示す図。
化ＺｒＯ２層の気孔率と熱伝導率との関係を示す図。
【図４】本発明の実施形態における、Ｙ２Ｏ３部分安定
化ＺｒＯ２層の組成比率が熱伝導率に及ぼす影響を示す
図。
化ＺｒＯ２層の組成比率が熱伝導率に及ぼす影響を示す
図。
【図５】本発明の実施形態における、溶射法による成膜
速度に及ぼす各種溶射プロセスパラメータの影響を示す
図。
速度に及ぼす各種溶射プロセスパラメータの影響を示す
図。
【図６】本発明の実施形態における、溶射法による網の
メッシュ粗さと成膜速度との関係を示す図。
メッシュ粗さと成膜速度との関係を示す図。
【図７】本発明の実施形態における、溶射法による気孔
率に及ぼす各種溶射プロセスパラメータの影響を示す
図。
率に及ぼす各種溶射プロセスパラメータの影響を示す
図。
【図８】本発明の実施形態における、物理蒸着法による
網のメッシュ粗さと成膜速度との関係を示す図。
網のメッシュ粗さと成膜速度との関係を示す図。
【図９】本発明のその他の実施形態における、遮熱コー
ティングを施したガスタービン動翼の断面を示す模式
図。
ティングを施したガスタービン動翼の断面を示す模式
図。
１ ガスタービン動翼 ２ 動翼基材 ３ ＭＣｒＡｌＹ合金層 ４ Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層 ５ 前縁まわり ６ 後縁まわり ７ ガスタービン静翼 ８ 静翼基材 ９ ＭＣｒＡｌＹ合金層 １０ Ｙ２Ｏ３部分安定化ＺｒＯ２層 １１ 背側 １２ 腹側 Ａ 原料粉末量 Ｂ 溶射ガンの移動速度 Ｃ 溶射ガンの角度 Ｄ 溶射距離 Ｅ 溶射出力 Ｆ 粉末粒度
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 昌行 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 齋藤 正弘 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 和田 国彦 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 古閑 昭紀 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 東芝アイテック株式会社内
Claims (22)
- 【請求項１】 強度を有する基材と、この基材表面に被
覆された遮熱コーティングとから構成される高温部品に
おいて、この高温部品が晒される環境に応じて、前記遮
熱コーティングの遮熱特性を制御し、基材の表面温度を
均一化したことを特徴とする高温部品。 - 【請求項２】 請求項１記載の高温部品において、基材
の表面温度は、部位による差が１００℃以内であること
を特徴とする高温部品。 - 【請求項３】 請求項１記載の高温部品において、遮熱
コーティングの遮熱特性は、遮熱セラミック層の厚さま
たは気孔率を部位により変化させて制御したことを特徴
とする高温部品。 - 【請求項４】 Ｎｉ基、Ｃｏ基またはＦｅ基の少なくと
も一種類を主成分とした耐熱合金からなる金属基材と、
この金属基材の表面に被覆された遮熱コーティングとか
ら構成されるガスタービン用高温部品において、このガ
スタービン用高温部品が晒される環境に応じて、前記遮
熱コーティングの遮熱特性を制御し、金属基材の表面温
度を均一化したことを特徴とするガスタービン用高温部
品。 - 【請求項５】 請求項４記載のガスタービン用高温部品
において、ガスタービン用高温部品は、動翼または静翼
などのガスタービン部品であることを特徴とするガスタ
ービン用高温部品。 - 【請求項６】 請求項４記載のガスタービン用高温部品
において、金属基材の表面温度は、部位による差が１０
０℃以内であることを特徴とするガスタービン用高温部
品。 - 【請求項７】 請求項４記載のガスタービン用高温部品
において、遮熱コーティングの遮熱特性は、遮熱セラミ
ック層の厚さを部位により変化させて制御したことを特
徴とするガスタービン用高温部品。 - 【請求項８】 請求項５記載のガスタービン用高温部品
において、相対的に温度が高くなる動翼または静翼の前
縁まわりまたは後縁まわりの少なくとも一方の遮熱セラ
ミック層の厚さを、他の部位よりも厚くしたことを特徴
とするガスタービン用高温部品。 - 【請求項９】 請求項５記載のガスタービン用高温部品
において、相対的に温度が高くなる動翼または静翼の背
側の遮熱セラミック層の厚さを相対的に温度が低くなる
腹側の遮熱セラミック層の厚さより大きくしたことを特
徴とするガスタービン用高温部品。 - 【請求項１０】 請求項８または９記載のガスタービン
用高温部品において、遮熱コーティング層の厚さを、厚
い側で０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とし、また薄い側
で０ｍｍを超え０．５ｍｍ以下とし、かついずれの場合
も厚い側よりも薄い側の遮熱コーティング層の厚さを薄
くしたことを特徴とするガスタービン用高温部品。 - 【請求項１１】 請求項４記載のガスタービン用高温部
品において、遮熱コーティングの遮熱特性は、遮熱セラ
ミック層の気孔率を部位により変化させて制御したこと
を特徴とするガスタービン用高温部品。 - 【請求項１２】 請求項５記載のガスタービン用高温部
品において、相対的に温度が高くなる前縁まわり、また
は後縁まわりの少なくとも一方の遮熱コーティング層の
気孔率を他の部位より大きくすることで金属基材の表面
温度を均一化したことを特徴とするガスタービン用高温
部品。 - 【請求項１３】 請求項５記載のガスタービン用高温部
品において、相対的に温度が高くなる背側の気孔率を腹
側より大きくすることで金属基材の表面温度を均一化し
たことを特徴とするガスタービン用高温部品。 - 【請求項１４】 請求項１２または１３記載のガスター
ビン用高温部品において、遮熱セラミック層の気孔率
を、大きい側で１０％以上４０％以下とし、小さい側で
２％以上２０％以下としたことを特徴とするガスタービ
ン用高温部品。 - 【請求項１５】 請求項５記載のガスタービン用高温部
品において、遮熱セラミック層の材料として、ＺｒＯ２
を主成分とし、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３またはＣｅＯ
２のうちの少なくとも一つ以上を添加した酸化物系セラ
ミックを用いたことを特徴とするガスタービン用高温部
品。 - 【請求項１６】 請求項１５記載のガスタービン用高温
部品において、酸化物系セラミックの主成分として、Ａ
ｌ２０３、ＨｆＯ２、ＴｈＯ２またはＢｅＯのうちの１
つを用いたことを特徴とするガスタービン用高温部品。 - 【請求項１７】 基材表面に遮熱セラミック層を形成し
て高温部品を製造する際、部位により遮熱セラミック層
の厚さまたは気孔率を変化させて高温部品を形成したこ
とを特徴とする高温部品の製造方法。 - 【請求項１８】 Ｎｉ基、Ｃｏ基またはＦｅ基の少なく
とも一種類を主成分とした耐熱合金からなる金属基材の
表面に遮熱セラミック層を形成してガスタービン用高温
部品を製造する際、部位により遮熱セラミック層の厚さ
または気孔率を変化させてガスタービン用高温部品を形
成したことを特徴とするガスタービン用高温部品の製造
方法。 - 【請求項１９】 請求項１８記載のガスタービン用高温
部品の製造方法において、遮熱セラミック層は、プラズ
マなどの高温熱源で溶融した遮熱セラミックの原料粉末
を高速で金属基材に吹き付けて形成したことを特徴とす
るガスタービン用高温部品の製造方法。 - 【請求項２０】 請求項１９記載のガスタービン用高温
部品の製造方法において、原料粉末の供給量、原料粉末
の粘度、溶射ガンの移動速度、溶射ガンの角度、溶射距
離および溶射出力を最適化して、１パスあたりに形成す
る皮膜厚さである成膜速度を変え、部位により遮熱セラ
ミック層の厚さまたは気孔率を変化させることを特徴と
するガスタービン用高温部品の製造方法。 - 【請求項２１】 請求項１８記載のガスタービン用高温
部品の製造方法において、金属基材の表面に遮熱セラミ
ック層を形成する際、ターゲット材料を電子ビームなど
の高温熱源を用いて加熱し蒸発させ、得られた蒸気を金
属基材の表面に堆積させて遮熱セラミック層を形成した
ことを特徴とするガスタービン用高温部品の製造方法。 - 【請求項２２】 請求項１９または２１記載のガスター
ビン用高温部品の製造方法において、隙間率の異なる板
状の板に遮熱セラミックの原料粉末を通過させて成膜速
度を変化させたことを特徴とするガスタービン用高温部
品の製造方法。
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP10117616A JPH11311103A (ja) | 1998-04-27 | 1998-04-27 | 高温部品、ガスタービン用高温部品およびこれらの製造方法 |
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| CH00777/99A CH694164A5 (de) | 1998-04-27 | 1999-04-27 | Hochtemperatur-Komponente, insbesondere für eine Gasturbine, und Verfahren zu deren Herstellung. |
| US09/300,399 US6398503B1 (en) | 1998-04-27 | 1999-04-27 | High temperature component, gas turbine high temperature component and manufacturing method thereof |
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|---|---|---|---|
| JP10117616A JPH11311103A (ja) | 1998-04-27 | 1998-04-27 | 高温部品、ガスタービン用高温部品およびこれらの製造方法 |
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|---|---|
| JPH11311103A true JPH11311103A (ja) | 1999-11-09 |
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ID=14716175
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