JP4909368B2 - 回転機械用の部品及びその製造方法、蒸気タービン並びに圧縮機 - Google Patents
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Description
しかしながら、上述のようなステライト肉盛の技術では、基材を溶融するために基材の変形が他の方法よりも大きくなる点や、セラミックコーティング等に比べて硬さが低いため、数ミリオーダーで厚膜化しないと、エロージョン摩耗からの基材保護効果が発現し難いという問題がある。
即ち、本発明に係る回転機械用の部品は、基材の表面上に、少なくともセラミック硬質皮膜が形成されてなり、該セラミック硬質皮膜が、TiN、CrN、TiAlN、TiC、TiCN、ZrNの内の少なくとも1種以上からなるとともに、前記セラミック硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの密度が1000個/mm2以内とされており、且つ、平均粒径が1μm以下のドロップレットの密度が550個/mm2以内とされており、前記基材と前記セラミック硬質皮膜との間には、Cr又はTiからなる中間層が形成されてなり、さらに、前記セラミック硬質皮膜の膜厚が5〜15μmの範囲とされているとともに、該セラミック硬質皮膜の膜厚が前記中間層の膜厚よりも大きくされていることを特徴とする。
また、セラミック硬質皮膜を上記材料から構成することにより、耐摩耗性、耐ドレンエロージョン性を向上できる。
また、中間層を設けることにより、セラミック硬質皮膜に発生する内部応力が緩和され、密着性が向上する。また、中間層をCr又はTiから構成することにより、セラミック硬質皮膜に発生する内部応力がより効果的に緩和され、さらに密着性が向上する。
また、各皮膜の膜厚が上記範囲とされることで、耐摩耗性、耐ドレンエロージョン性を向上できる。
係る構成の回転機械用の部品によれば、各皮膜の膜厚が上記範囲とされることで、耐摩耗性、耐ドレンエロージョン性を向上できる。
係る構成の蒸気タービンによれば、上記構成の蒸気タービンブレードが備えられてなる構成なので、水蒸気と直接接触する環境下における耐ドレンエロージョン性に優れたものとなる。
係る構成の圧縮機によれば、上記構成のインペラが備えられてなる構成なので、水蒸気と直接接触する環境下における耐ドレンエロージョン性に優れたものとなる。
また、本発明の回転機械用の部品の製造方法によれば、上記方法とすることにより、耐ドレンエロージョン性に優れ、安価で高寿命な回転機械用の部品を、高い生産効率で製造することが可能となる。
また、本発明の蒸気タービン並びに圧縮機によれば、上記構成の回転機械用の部品が、それぞれ、蒸気タービンブレード又はインペラとして備えられてなるものなので、水蒸気と直接接触する環境下における耐ドレンエロージョン性が向上し、安価で高寿命なものとなる。
図1〜図6は、本発明に係る蒸気タービンブレード(回転機械用の部品)の第1の実施形態を説明する模式図であり、図1は蒸気タービンブレードが用いられる蒸気タービンの一例を示す模式図、図2は蒸気タービンブレードを示す斜視図、図3は基材上に中間層及びセラミック硬質皮膜が順次積層された構造を示す断面図、図4はセラミック硬質皮膜の表面においてドロップレットの欠落及びドレンエロージョンを抑制する作用を説明する模式図、図5はセラミック硬質皮膜の表面を示す顕微鏡写真図、図6はセラミック硬質皮膜を形成する際に用いられる成膜装置の一例を示す概略図である。また、図7は本発明に係る蒸気タービンブレードの第2の実施形態を説明する模式図、図8は第3の実施形態を説明する模式図である。
なお、以下の説明において参照する各図面は、蒸気タービンブレード(回転機械用の部品)を説明するための図面であって、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の寸法関係とは異なっていることがある。
以下、本発明に係る回転機械用の部品である蒸気タービンブレードの第1の実施形態について詳述する。
本発明に係る蒸気タービンブレードは、例えば、図1に示す蒸気タービン40において、動翼(図中における蒸気タービンブレード10を参照)として用いられる回転機械用の部品である。蒸気タービン40は、作動流体である蒸気が、タービン41に取り付けられた蒸気タービンブレード10(動翼)に噴射されて駆動されるものであり、このような蒸気タービン40においては、蒸気タービンブレード10が直接蒸気と接触するような構成とされている。
そして、本発明に係る蒸気タービンブレード10は、図3の断面図に示すように、基材1の表面1a上に、耐ドレンエロージョン性を向上させるためのセラミック硬質皮膜が形成された構成とされている。
蒸気タービンブレード10は、図3の断面図に示すように、基材1の表面1a上に中間層2及びセラミック硬質皮膜3が積層されている。また、蒸気タービンブレード10においては、セラミック硬質皮膜3の表面3aに存在するドロップレット4(図4を参照)の密度が1000個/mm2以内とされ、且つ、平均粒径が1μm以下のドロップレット4の密度が550個/mm2以内とされている。
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード10を構成する基材1、セラミック硬質皮膜3並びに中間層2の材質について詳述する。
基材1としては、例えば、SUS410J1をはじめとするステンレス鋼等、この分野において一般に用いられている材料を何ら制限無く用いることができ、適宜選択することが可能である。
セラミック硬質皮膜3の材質としては、皮膜としての高い密着性や耐ドレンエロージョン性を備えるものであれば如何なるものでも採用することが可能であるが、窒化物又は炭化物からなることが好ましい。また、セラミック硬質皮膜3は、窒化物又は炭化物のなかでも、例えば、TiN、CrN、TiAlN、TiC、TiCN、ZrNの内の少なくとも1種以上からなる皮膜であることがより好ましい。セラミック硬質皮膜3を上記材質から構成することにより、耐摩耗性、耐ドレンエロージョン性に優れるセラミック硬質皮膜3を得ることが可能となる。
中間層2の材質としては、Cr又はTiからなることが好ましい。このような材質で中間層2を構成することにより、セラミック硬質皮膜3に発生する内部応力がより効果的に緩和され、基材1とセラミック硬質皮膜3との間の密着性がさらに向上する。
なお、中間層2の成膜方法としては、詳細を後述するセラミック硬質皮膜3の成膜方法と同じ方法を、何ら制限無く採用することができる。
図3に示すような、本実施形態の蒸気タービンブレード10においては、セラミック硬質皮膜3の膜厚が5〜15μmの範囲とされていることが好ましい。セラミック硬質皮膜3の膜厚が5μm未満だと、耐ドレンエロージョン性が低下する虞があり、また、膜厚が15μmを超えると生産性が低下する。
また、本実施形態では、セラミック硬質皮膜3の膜厚が中間層2の膜厚よりも大きく構成されるとともに、セラミック硬質皮膜3と中間層2との合計の膜厚が5〜20μmの範囲とされていることが、優れた耐ドレンエロージョン性と高い密着性の両方が得られる点から、より好ましい。
本発明の蒸気タービンブレードでは、セラミック硬質皮膜3の表面3aに存在するドロップレット4の密度を1000個/mm2以内に規定し、且つ、平均粒径が1μm以下のドロップレット4の密度を550個/mm2以内、より好ましくは500個/mm2以内に規定する(図5の顕微鏡写真図も参照)。
また、セラミック硬質皮膜3の表面3aに存在する平均粒径が1μm以下のドロップレット4の密度を550個/mm2以内とすることにより、図4(a)〜(c)の模式図に示すように、粒径が100〜200μmのドレン50がドロップレット4に衝突した際の、ドロップレット4に作用する単位面積あたりの応力が緩和されると考えられる。これにより、ドロップレット4がセラミック硬質皮膜3の表面3aから欠落するのが抑制される。従って、セラミック硬質皮膜3の表面3aにおける侵食の起点が減少し、耐ドレンエロージョン性が低下するのを防止することができる。
また、セラミック硬質皮膜3の表面3aの耐ドレンエロージョン性については、例えば、キャビテーション・エロージョン試験によって評価することができる。この場合、例えば、時間を6Hr程度として試験を行った後のエロージョン量(重量減少量)を測定することで評価が可能である。
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード(回転機械用の部品)10の製造方法について、主に図6を参照しながら詳述する。図6は、基材1の表面1a上に、中間層2並びにセラミック硬質皮膜3を形成する際に用いられる成膜装置の一例を示す模式図である。
本実施形態では、図3に示すような蒸気タービンブレード10の積層構造に備えられるセラミック硬質皮膜3を、図6に示すような成膜装置60を用いて成膜する方法を例に挙げて説明する。
また、図示例のように、通常、ルツボ63と基板1の間にはシャッター71が設けられ、不要なコーティング材料64の付着を防止できる構成とされており、さらに、基板1に、ルツボ63対して負の電圧(バイアス電圧)を印加するための直流バイアス電源を接続した構成とされている。またさらに、成膜装置60には、真空容器61内の残留ガス成分等を計測するための質量分析計72が設けられている。
まず、真空容器61内に、13Crステンレス鋼(SUS410J1)からなる基板1を配置し、真空容器61内を5×10−5torr以下まで真空排気して減圧する。
次いで、基板1をヒータ67によって450〜550℃の温度まで加熱し、この温度で30分以上保持することで基板1を灼熱する。
溶融パワーP1を上記範囲としたうえで、集束パワーP2をこのような範囲とし、これらP1、P2を精密に制御することにより、本発明で規定するドロップレットの粒径及び密度を達成することが可能となる。
また、集束パワーP2は、上記範囲が好ましいが、この集束パワーP2が上記範囲を越える場合には、膜表面にドロップフィレットの大きな粒ができてしまう虞があり、集束パワーP2が上記範囲を下回ると、溶融パワーP1を精密に集束させるのが困難になる。
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード11について、図7を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、第1の実施形態の蒸気タービンブレード10と同様の構成には共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード11は、基材1とセラミック硬質皮膜31との間に中間層が設けられていない点で、第1の実施形態の蒸気タービンブレード10とは異なる構成とされている。
本実施形態の蒸気タービンブレード11によれば、上記構成により、上記第1の実施形態の蒸気タービンブレード10と同様に、耐ドレンエロージョン性が向上する効果が得られる。
以下に、本実施形態の蒸気タービンブレード12について、図8を参照しながら詳述する。なお、以下の説明において、第1及び第2の実施形態の蒸気タービンブレード10、11と同様の構成には共通の符号を付与するとともに、その詳しい説明を省略する。
本実施形態の蒸気タービンブレード12は、基材1とセラミック硬質皮膜3との間に形成される中間層21が、CrN又はTiNからなる構成とされている点で、上記第1の実施形態の蒸気タービンブレード10とは異なる。
また、中間層21及びセラミック硬質皮膜3の膜厚についても、上記第1の実施形態と同様、セラミック硬質皮膜3の膜厚が中間層21の膜厚よりも大きな寸法とされているとともに、セラミック硬質皮膜3と中間層21との合計の膜厚が5〜20μmの範囲とされていることが好ましい。セラミック硬質皮膜3と中間膜21の厚さが上記関係とされ、且つ、上記範囲の厚さとされることで、上記第1の実施形態と同様、セラミック硬質皮膜3の表面3aに存在するドロップレット4の粒径及び密度を、適正な範囲で容易に制御できる。また、上記構成の積層膜とすることで、中間層21の残留応力も緩和され、基材1上に形成された皮膜全体の内部応力が、同一厚さの単層皮膜に比べて小さくなる。
また、上述のような中間層21を成膜する方法としても、第1の実施形態におけるセラミック硬質皮膜3と同様の成膜方法を、何ら制限無く適用することが可能である。
本発明においては、上述の蒸気タービンブレードと同様のセラミック硬質皮膜を基材の表面上に形成することにより、例えば、化学プラント等で用いられ、各種気体を圧縮するコンプレッサポンプ(圧縮機)に備えられるインペラや、ロータ等の回転機械用の部品を構成することが可能となる。
例えば、上述のようなコンプレッサポンプのインペラ表面にセラミック硬質皮膜を形成する方法としてHCD法を採用し、上記同様の条件で基材の表面上にセラミック硬質皮膜を形成することにより、該セラミック硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの粒径及び密度を、上記同様の適正範囲に制御することが可能となる。
図9〜図12は、本発明の実施例について説明する模式図であり、図9はセラミック硬質皮膜の表面におけるドロップレットの粒径及び個数の測定方法を示す顕微鏡写真図、図10はセラミック硬質皮膜の表面におけるドロップレットの個数測定結果を示すグラフ、図11は耐ドレンエロージョン性評価のための試験装置を示す概略図、図12は耐ドレンエロージョン性の評価結果を示すグラフである。
まず、基材1として、13Crステンレス鋼(SUS410J1)からなる基材を準備した。そして、図6に示すような成膜装置60を使用し、以下の手順で、基材1の表面1a上に、中間層及びセラミック硬質皮膜を順次成膜した。
まず、基板1を真空容器61内に配置し、真空容器61内を5×10−5torr以下まで真空排気して減圧した。次に、基板1を、ヒータ67によって450〜550℃の温度まで加熱し、この温度で30分以上保持して基板1を灼熱状態とした。
また、ルツボ63には、中間層2の成膜時は、該中間層2の材料となるコーティング材料64としてCrを収容し、その上のセラミック硬質皮膜3の成膜時は、該セラミック硬質皮膜3の材料となるコーティング材料としてTiを収容した。
次に、溶融パワーP1を定格出力に戻してシャッター71を開放し、基板1の表面1a上にコーティング材料64(この場合はCr)を蒸着、堆積させることにより、まず、Crからなる中間層2を成膜した。
また、成膜前のプラズマガン65及びコーティング材料64の溶解安定化のため、出力P1を標準値の5〜20%増しとして数分間の動作を行い、真空容器61に接続された質量分析計72により、H2O並びにO2の各分圧の時間変化を測定した。
上記実施例1〜4と同様、13Crステンレス鋼(SUS410J1)からなる基材を準備し、下記表2に示す各条件で、以下の手順で、基材上に中間層及び硬質皮膜を順次成膜した。
まず、比較例1として、HCD法により、下記表2に示す各成膜条件で基材上に中間層及び硬質皮膜を順次成膜し、試験片を作製した。これは、上述した特許文献1(特公平8−30264号公報)において開示されている条件と同様の成膜条件である。
また、比較例2〜4として、AIP法により、下記表2に示す各成膜条件で基材上に中間層及び硬質皮膜を順次成膜し、各試験片を作製した。AIP法は、工具等に適用されている硬質皮膜の成膜方法の一つであり、特に、密着力に優れた皮膜を成膜することができる方法である(AIP法による成膜方法については、特許第3633837号の段落0059〜0065等も参照)。また、比較例2〜4の試験片を作製する際は、成膜条件としては、通常の工具等において適用されているTiNの成膜条件と同様の条件とし、バイアス電圧を変更して成膜処理することにより、3種類の試験片とした。
上記手順によって作製した実施例1〜4及び比較例1〜4の試験片について、以下に説明するような項目の各種評価試験を実施し、結果を下記表3に示した。
ドロップレットの粒径及び数量(密度)は、図9(a)、(b)の顕微鏡写真図に示すように、試験片の表面を、走査型電子顕微鏡を用いて300倍(視野0.42mm×0.316mm)で任意の視野で撮影し、これをA4サイズに拡大した後、カウントして各任意の視野における平均を求めて計測した。また、この際、「1μm以下」、「1μm超5μm以下」、「5μm超10μm以下」、「10μm超」の4水準で各々ドロップレットの数量をカウントし、その平均を求めて1mm2あたりの数量に換算することによって密度(個/mm2)を求め、結果を図10のグラフ及び下記表1に示した。
各試験片の表面に形成された皮膜の耐ドレンエロージョン性については、ASTM G32−77に準じ、キャビテーション・エロージョン試験によって評価した。
図11(a)に、キャビテーション・エロージョン試験に用いた各実施例及び比較例の試験片Aの形状並びに寸法値を示す。図11(a)に示すように、各試験片Aにおける皮膜の形成範囲は、15.9mmの平面部と、ネジ部を除く7mmの周方向とした。
図11(b)に、本実施例で用いたキャビテーション・エロージョン試験装置80のフローシート図を示す。本実施例においては、超音波発信器86にて振動子81を発振させ,Ti−6Al−4V合金製拡大ホーン82によって振幅を拡大させて、ホーン先端に取付けた試験片Aを振動させる方法で評価試験を行った。この際、試験片Aの先端を2〜3mm程度、試験片液85に浸漬しながら振動させて気泡を発生させ、この、気泡が崩壊する際の衝撃圧力や液ジェットにより、エロージョンを発生させた。また、この際の試験環境としては、イオン交換水(室温)を用いて、繰返し速度:18.5KHz、試験片A先端の振幅:25μmで、最長6hまで実施する条件とした。
そして、上記手順のキャビテーション・エロージョン試験を行った後、試験片Aの重量減少量(エロージョン量)を電子天秤(精度:0.1mg)によって測定し、この結果を図12のグラフ及び下記表3に示した。
表3に示すように、本発明で規定する条件でセラミック硬質皮膜を形成し、該セラミック硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの粒径及び密度が本発明で規定する範囲とされた実施例1〜4の試験片は、セラミック硬質皮膜の表面における粒径dが1μm以下のドロップレットの平均密度が550個/mm2以内であった(図9(a)に示す顕微鏡写真図を参照)。また、セラミック硬質皮膜の表面における全てのドロップレットの密度も、各実施例において1000個/mm2以内であり、エロージョン量が少なく、耐ドレンエロージョン性に優れることが確認された。
Claims (5)
- 基材の表面上に、少なくともセラミック硬質皮膜が形成されてなり、該セラミック硬質皮膜が、TiN、CrN、TiAlN、TiC、TiCN、ZrNの内の少なくとも1種以上からなるとともに、前記セラミック硬質皮膜の表面に存在するドロップレットの密度が1000個/mm2以内とされており、且つ、平均粒径が1μm以下のドロップレットの密度が550個/mm2以内とされており、前記基材と前記セラミック硬質皮膜との間には、Cr又はTiからなる中間層が形成されてなり、さらに、前記セラミック硬質皮膜の膜厚が5〜15μmの範囲とされているとともに、該セラミック硬質皮膜の膜厚が前記中間層の膜厚よりも大きくされていることを特徴とする回転機械用の部品。
- 前記セラミック硬質皮膜と前記中間層との合計の膜厚が5〜20μmの範囲とされていることを特徴する請求項1に記載の回転機械用の部品。
- 請求項1又は請求項2に記載の回転機械用の部品を製造する方法であって、基材の表面上に、少なくとも、イオンプレーティング法、又はスパッタリング法によってセラミック硬質皮膜を形成することを特徴とする回転機械用の部品の製造方法。
- 請求項1又は請求項2に記載の回転機械用の部品が蒸気タービンブレードであり、該蒸気タービンブレードが備えられてなることを特徴とする蒸気タービン。
- 請求項1又は請求項2に記載の回転機械用の部品がインペラであり、該インペラが備えられてなることを特徴とする圧縮機。
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