JP2012180550A

JP2012180550A - 遮熱コーティングの補修方法

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Publication number: JP2012180550A
Application number: JP2011043297A
Authority: JP
Inventors: Hidetsugu Tanigawa; 秀次谷川; Naotoshi Okaya; 尚俊岡矢; Masahiko Mega; 雅彦妻鹿; Kazutaka Mori; 一剛森
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: JP5773688B2

Abstract

【課題】ペースト材を用いた場合であっても、遮熱性及び熱サイクル耐久性に優れた補修皮膜を形成する遮熱コーティングの補修方法を提供することを目的とする。
【解決手段】遮熱コーティングの補修方法は、耐熱合金基材上に金属結合層とセラミックス層３とが順に形成された部材の前記セラミックス層３の損傷部分に、バインダー材とセラミックスと所定温度以下の加熱により分解され気化する樹脂とを含むペースト材を塗布し、前記所定温度で熱処理して補修皮膜６を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンの動静翼や燃焼器などの高温環境で使用される部材に施された遮熱コーティングの補修方法に関するものである。

ガスタービンなどの発電装置は、高温環境で使用される。そのため、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は、耐熱部材で構成される。更に、この耐熱部材の基材上に、遮熱コーティング（ＴｈｅｒｍａｌＢａｒｒｉｅｒＣｏａｔｉｎｇ，ＴＢＣ）を形成して、耐熱部材を高温から保護することが行われている。

ＴＢＣは、基材側から金属結合層（アンダーコート層）とセラミックス層（トップコート層）を積層した構成とされる。
金属結合層は、耐酸化性に優れたＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ：Ｃｏ及びＮｉのうち少なくとも１種の元素を表す）を主として含有し、基板上に溶射施工される。金属結合層は、基材への耐食機能、及び、基材とセラミックス層とを結合する結合剤としての機能を備える。

セラミックス層は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）系セラミックス粉末材料を用いて、金属結合層上に溶射施工される。ＺｒＯ_２系セラミックス粉末材料としては、希土類元素で安定化された部分安定化ジルコニア、パイロクロア構造を有する希土類元素とジルコニアとの混合粉末などが挙げられる。セラミックス層は高い遮熱性が要求されるため、気孔を含有させたポーラスな組織とされる。

ＴＢＣのセラミックス層が部分的に損傷した場合、ＴＢＣの補修が行われる。一般的な補修方法としては、部材全面にわたりセラミックス層及び金属結合層を剥離させ、部材を表面処理した後、新しい金属結合層及びセラミックス層を順に形成させる。この方法では、部材全面での補修が必要になることから、工期が長期間となる上、補修コストが高いという問題がある。そのため、ＴＢＣを部分的に補修する方法が求められている。

ＴＢＣを部分的に補修する方法として、損傷部にセラミックス粒子を溶射して補修皮膜を形成する手法や、セラミックス粒子とバインダー材とを混合させて調製したペースト材を損傷部分に塗布して補修皮膜を形成する手法がある（特許文献１）。

特開２０１０−５０５号公報（段落［０００９］及び［００１０］）

セラミックス粒子とバインダー材とを混合したペースト材を塗布することで形成した補修皮膜は、気孔を含まない。そのため、ペースト材を用いて補修した場合、周囲の健全部と比べて補修部の遮熱性及び熱サイクル耐久性が著しく劣るという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ペースト材を用いた場合であっても、遮熱性及び熱サイクル耐久性に優れた補修皮膜を形成する遮熱コーティングの補修方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、耐熱合金基材上に金属結合層とセラミックス層とが順に形成された部材の前記セラミックス層の損傷部分に、バインダー材とセラミックスと所定温度以下の加熱により分解され気化する樹脂とを含むペースト材を塗布し、前記所定温度で熱処理して補修皮膜を形成する遮熱コーティングの補修方法を提供する。

上記発明によれば、ペースト材に樹脂を含有させることで、該樹脂が後の熱処理によって熱分解し、それによって生じた分解生成物が気化され、内部に気孔を有する補修皮膜を形成することができる。このような補修皮膜は遮熱性に優れたものとなるとともに、熱膨張時の応力が気孔の隙間により緩和されるため熱サイクル耐久性も向上する。

上記発明の一態様において、前記セラミックスが、溶射済セラミックス粒子を含んでも良い。

遮熱コーティングのセラミックス層は、セラミックスを金属結合層上に溶射することにより製膜される。セラミックスは溶射前後で変色する。上記発明の一態様によれば、ペースト材に添加するセラミックスとして、一度溶融・噴射させて生成した溶射済セラミックス粉末を使用する。それにより、補修皮膜の色合いをセラミックス層の健全部の色合いとなじませることができるため、外観上美しい補修部となる。

本発明によれば、ペースト材に樹脂を含ませることで遮熱性及び熱サイクル耐久性に優れた補修皮膜を形成することができる。また、溶射済セラミックス粉末をペースト材に配合することで、より健全部に馴染む外観を有する補修部とすることができる。

第１実施形態における被補修部材の部分断面図である。補修部にペースト材を塗布したときのセラミックス層の断面図である。補修部を熱処理した後のセラミックス層の断面図である。実施例１の補修部のＴＢＣ断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。実施例２の補修部のＴＢＣ断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。実施例３の補修部のＴＢＣ断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。実施例４の補修部のＴＢＣ断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。実施例５の補修部のＴＢＣ断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。比較例の補修部のＴＢＣ断面ミクロ組織の顕微鏡写真である。

以下に、本発明に係る補修方法の一実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１に、本実施形態における被補修部材の部分断面図を示す。被補修部材は、母材１上に、金属結合層２とセラミックス層３とからなるＴＢＣが積層された構成とされ、セラミックス層の一部が損傷している。損傷とは、セラミックス層の一部が剥離し、金属結合層が露出されているものを含む。本実施形態では、半径２０ｍｍ以下の損傷部４を主な補修対象とする。

母材１は、ＩＮ７３８ＬＣなどのＮｉ基耐熱合金などとされる。
金属結合層２は、母材１上に低圧プラズマ溶射法などにより形成される。金属結合層２は、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１種の元素を示す）などとされ、一般的に、０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の厚さとされる。

セラミックス層３は、金属結合層２上に大気プラズマ溶射法（ＡＰＳ）によって形成される。セラミックス層３としては、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＹｂＳＺ（イッテルビア安定化ジルコニア）、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）、ＳｍＹｂＺｒ_２Ｏ_７などが挙げられる。セラミックス層３は、一般的に、厚さ０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、気孔率１体積％以上３０体積％以下とされる。

本実施形態に係る補修方法は、ペースト材調製工程と、前処理工程と、ペースト材塗布工程と、熱処理工程と、を備えている。

（１）ペースト材調製工程
ペースト材はバインダー材とセラミックスと樹脂とを含む。バインダー材としては、一般的な遮熱コーティング補修用のペースト材に含まれる既知の結合剤を用いることができる。

セラミックスは、セラミックス粉末とされ、中実セラミックス粒子、中空セラミックス粒子、または中実セラミックス粒子及び中空セラミックス粒子の混合物であって良い。セラミックスは、セラミックス層３と同一または異なる組成の粉末を使用することができ、好ましくは同一の粉末が使用される。セラミックス粒子は、１〜１２５μｍの粒度分布を有する。

樹脂は、所定温度以下による加熱で熱分解され、且つ、熱分解により生成された分解生成物が気化されるものとされる。所定温度とは、少なくとも後の熱処理工程における熱処理温度以下とされる。例えば、所定温度は８００℃とされる。樹脂は、ポリエステル、アクリル樹脂などの熱可塑性樹脂粉末とされると良い。樹脂粉末は、１〜１００μｍの粒度分布を有する。

ペースト材調製工程では、まず、バインダー材のスラリーを調製する。例えば、ポリカルボン酸などの分散剤を使用し、アルミナ微粒子（０．１μｍ〜１μｍ）をボールミルなどの分散体を用いて均一に分散させてスラリーとする。なお、これにジルコニアの粗粒子（５μｍ〜１０μｍ）をアルミナ微粒子の１〜３倍（重量）添加して混合したものをスラリーとしても良い。例えば、スラリーは、シリカマトリックスと適当な溶剤を混合して調製されても良い。

次に、スラリーに樹脂及びセラミックスを混合し、ペースト材とする。樹脂は、ペースト材中に１重量％以上１０重量％以下で含まれるように添加すると良い。

（２）前処理工程
前処理工程では、まず、損傷部及びその周辺のセラミックス層を適宜除去し、健全部と補修部を画定する。次に、補修部の表面を鋭利な破面のない滑らかな形状となるようグラインダ研磨などにより磨いた後、アイスブラストまたはグリッドブラストなどによりブラスト処理する。

（３）ペースト材塗布工程及び熱処理工程
上記で調製したペースト材を補修部に塗布した後、該補修部を大気雰囲気にて熱処理して補修皮膜を形成させる。熱処理時の温度は、ペースト材を焼結可能で、且つ、使用した樹脂粉末の熱分解温度以上とする。熱処理は、例えば、５００℃〜１０００℃で１〜１０時間行う。
図２に、補修部にペースト材５を塗布したときのセラミックス層３の断面図を示す。図３に、補修部を熱処理して補修皮膜６を形成した後のセラミックス層３の断面図を示す。補修部を熱処理することでペースト材５が焼結されるとともに、ペースト材５中に含まれる樹脂が熱分解して消失する。この結果、ペースト材５中の樹脂が存在していた部分が気孔７となる。

上記工程で補修された補修部は、補修皮膜に気孔が形成されるため、遮熱性が向上する。補修皮膜６の気孔率は、健全部の気孔率と同等以上であるとよい。また、気孔７を含む補修皮膜６では、気孔７の隙間により補修皮膜６の変形度が増すため、熱膨張時の応力がより緩和され、熱サイクル耐久性も向上する。

（第２実施形態）
本実施形態は、ペースト材に混合するセラミックス粒子に溶射済セラミックス粉末を使用する。それ以外の工程は、第１実施形態と同様とする。
セラミックス粉末を配合したペースト材を用いてＴＢＣのセラミックス層を補修した場合、補修皮膜が健全部と異なる色に仕上がる。これは、健全部のセラミックス層が溶射によって形成されていることに起因する。そこで、本実施形態では、ペースト材に混合するセラミックスとして溶射済セラミックス粉末を使用する。

溶射済セラミックス粉末は、セラミックス粉末を溶射ガンに充填し溶融させた後に噴射して形成し、回収したものとされる。回収された溶射済セラミックス粉末は、溶射前のセラミックス粒子よりも粒径が小さく、より健全部に近い色合いとなる。溶射済セラミックス粉末をペースト材に配合することにより、溶射前のセラミックス粒子を用いた場合と比較して補修皮膜の遮熱性及び熱サイクル耐久性が低下することはない。

本実施形態によれば、溶射済セラミックス粉末をペースト材に含ませることで、補修皮膜としたときの色合いが健全部の色合いと馴染み、外観上美しくなる。

（実施例１）
被補修部材は、母材上に金属結合層／セラミックス層からなるＴＢＣが積層された部材とした。母材は、ＩＮ７３８ＬＣからなる。母材上に積層された金属結合層は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹからなる。金属結合層上に積層されたセラミックス層は、イットリア部分安定化ジルコニアからなり、大気プラズマ溶射法によって形成されている。金属結合層及びセラミックス層の厚さは、それぞれ０．１ｍｍ及び０．５ｍｍとした。
セラミックス層を一部除去し補修部（半径２０ｍｍ程度）を画定し、該補修部に前処理を施した。

バインダー材として、ポリカルボン酸（量：粉に対し１ｗｔ％、製造メーカ：花王
製品名：ポイズ５３２Ａ）を使用してアルミナ微粒子（０．１μｍ〜１μｍ）をボールミルにより均一に分散させ、これにジルコニアの粗粒子（５μｍ〜１０μｍ）をアルミナ微粒子の３倍（重量）添加して混合したスラリーを調製した。
樹脂としては、ポリエステル粉末（スルザーメテコ社製、ＳｕｌｚｅｒＭｅｔｅｃｏ２３９５、ＺｒＯ_２７．５Ｙ_２Ｏ_３０．７ＢＮ４．５Ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ、ポリエステル平均粒径３０μｍ）を使用した。
セラミックスとしては、イットリア安定化ジルコニアの中空粒子（平均粒径５７μｍ）を使用した。

スラリーにポリエステル粉末とセラミックス中空粒子を混ぜ合わせてペースト材を調製した。配合比は、スラリー５０重量％、ポリエステル粉末２〜３重量％、セラミックス中空粒子４７〜４８重量％とした。

ペースト材を補修部に塗布し、８５０℃で８時間真空中にて熱拡散処理した。

（実施例２）
被補修部材は、実施例１と同様とした。

バインダー材は、実施例１と同様とした。
樹脂としては、架橋ポリメタクリル酸メチル粉末（積水化成品工業株式会社製、ＭＢＸ−５、平均粒径５μｍ）を使用した。

スラリーに架橋ポリメタクリル酸メチル粉末を混ぜ合わせてペースト材を調製した。本実施例では樹脂粉末とともにセラミックスを添加していないが、予めスラリー中にジルコニアの粗粒子が含まれているため、実質的にセラミックスが含まれたペースト材となる。配合比は、スラリー９５〜９８重量％、架橋ポリメタクリル酸メチル粉末２〜５重量％、とした。

ペースト材を補修部に塗布し、大気炉で５００℃、２時間熱処理した。

（実施例３）
被補修部材は、実施例１と同様とした。

バインダー材及び樹脂は、実施例２と同様とした。
セラミックスとしては、イットリア安定化ジルコニアの中空粒子（平均粒径５０μｍ）を使用した。

スラリーに架橋ポリメタクリル酸メチル粉末とセラミックス中空粒子を混ぜ合わせてペースト材を調製した。配合比は、スラリー３０〜５０重量％、架橋ポリメタクリル酸メチル粉末２〜５重量％、セラミックス中空粒子４５〜６８重量％とした。

（実施例４）
スラリーに添加するセラミックスが異なる以外は、実施例３と同様とした。
セラミックスとしては、イットリア安定化ジルコニアの中実粒子（造粒焼結粉：平均粒径６５μｍ）を使用した。

（実施例５）
スラリーに添加するセラミックスが異なる以外は、実施例３と同様とした。
セラミックスとしては、イットリア安定化ジルコニアの中空粒子（平均粒径５０μｍ）とイットリア安定化ジルコニアの中実粒子（造粒焼結粉：平均粒径６５μｍ）を１：１の重量比で混合したものを使用した。

（比較例）
被補修部材は、実施例１と同様とした。
配合比をスラリー１００重量％としたペースト材を金属結合層上に塗布し、大気炉で５００℃で２時間熱処理した。

図４〜図８に、実施例１〜実施例５の部分補修部のＴＢＣ断面ミクロ組織の顕微鏡写真を示す。図４が実施例１、図５が実施例２、図６が実施例３、図７が実施例４、図８が実施例５である。図４の紙面左上側がセラミックス層の健全部８、右上側がセラミックス層の補修部９である。図４によれば、セラミックス中空粒子に由来する気孔１０（大きさ１０μｍ程度）、及び樹脂に由来する気孔１１（大きさ３０μｍ程度）を観察することができた。補修皮膜の気孔率は２０％程度であった。

また、図６及び図８でもセラミックス中空粒子に由来する気孔１０、及び樹脂に由来する気孔１１を観察することができた。また、図５及び図７では樹脂に由来する気孔１１（大きさ３０μｍ程度）を観察することができた。

図９に、比較例の部分補修部のＴＢＣ断面ミクロ組織の顕微鏡写真を示す。図９によれば、補修皮膜中に気孔は存在しなかった。

１母材
２金属結合層
３セラミックス層
４損傷部
５ペースト材
６補修皮膜
７気孔
８健全部
９補修部
１０気孔（中空セラミックス由来）
１１気孔（樹脂由来）

Claims

耐熱合金基材上に金属結合層とセラミックス層とが順に形成された部材の前記セラミックス層の損傷部分に、バインダー材とセラミックスと所定温度以下の加熱により分解され気化する樹脂とを含むペースト材を塗布し、前記所定温度で熱処理して補修皮膜を形成する遮熱コーティングの補修方法。
前記セラミックスが、溶射済セラミックス粒子を含む請求項１に記載の遮熱コーティングの補修方法。