JPH09316622A

JPH09316622A - ガスタービン部材及びその遮熱コーティング方法

Info

Publication number: JPH09316622A
Application number: JP8156068A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Ikeda; 一昭池田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 1997-12-09

Abstract

(57)【要約】【課題】最適な溶射条件及び溶射材料を同時に構築し、
より緻密で且つ密着強度を高めた遮熱コーティング層を
形成して高温酸化に伴う界面剥離等に対する耐久性を改
善する。【解決手段】ガスタービン部材は、金属基材１と、この
金属基材１上にＭＣｒＡｌＹ系のボンドコート３及びＺ
ｒＯ₂−Ｙ₂Ｏ₃系のトップコート４で構成した遮熱コ
ーティング層２とを備える。ボンドコート３は、トップ
コート４よりも小さい２％以下の気孔率および金属基材
１に対する密着強度が１００ＭＰａ以上の特性をもつ。
このボンドコート３を、溶射速度を４５０〜９００ｍ／
ｓとした高速ガス炎溶射法を使用し、２０〜５０μｍの
粉末粒径を有するＭＣｒＡｌＹ系材料を用いて、金属基
材１上に皮膜厚さ０．０２〜０．２０ｍｍで一体に形成
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ジェットエンジ
ン又は発電用ガスタービンの動翼、静翼、燃焼器等のガ
スタービン部材及びその遮熱コーティング方法に係り、
特にボンドコート及びトップコートの溶射条件及び溶射
材料等の工夫に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ジェットエンジン又は発電用ガ
スタービンは、コンプレッサからの圧縮空気をジェット
用燃料又はＬＮＧ等で燃焼させ、その燃焼ガスを作動媒
体として回転エネルギーに変換しているため、その構成
部材である動翼や静翼、燃焼器等を、１０００℃以上の
高温環境下で使用可能なガスタービン部材、例えばＮｉ
基やＣｏ基超合金で形成している。

【０００３】このようなガスタービン部材には、冷却空
気に対する温度上昇を防止する構造のほか、その外側表
面に遮熱コーティングによる保護皮膜（溶射皮膜）が形
成されている。この保護皮膜は、通常、ボンドコート及
びトップコートの２層の皮膜構造を有し、大気圧プラズ
マ放射法を用いて形成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たガスタービン部材に形成される保護皮膜にあっては、
大気圧プラズマ溶射法に起因して、その遮熱特性を長時
間、発揮させることが困難となる場合があった。

【０００５】例えば、大気圧プラズマ溶射法による遮熱
コーティングを実施しているため、保護皮膜の気孔率が
１０％以上と高く、皮膜自体の積層密着強度が弱く、特
に皮膜中の気孔を介して酸化が進行し、動翼、静翼、燃
焼器等の基材（母材）と溶射皮膜との界面で剥離が生
じ、溶射皮膜が脱落しやすい等の耐久性の面で問題があ
った。

【０００６】このような問題を解決する方法としては、
構成材料の変更が想至されるが、これらの構成材料は高
温下で使用される材料としては最先端のものであるた
め、材料変更のみの改善策では実用上、殆ど困難であっ
た。また、遮熱コーティングにおいては、従来の溶射法
をそのまま用いて溶射材料のみを変更しても殆ど意味を
なさない。

【０００７】この発明は、上述した従来の課題を解決す
るためになされたもので、最適な溶射条件及び溶射材料
を同時に構築し、より緻密で且つ密着強度を高めた遮熱
コーティング層を形成して高温酸化に伴う界面剥離等に
対する耐久性を改善することを、目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するため、所望の気孔率及び密着強度を達成可能な
溶射速度及び溶射材料について鋭意研究を続けた。一般
に、図１に示すように、溶射速度が高くなる程、気孔率
が減少し、接着力（密着強度）が高くなることが知られ
ている。例えば、従来の大気圧プラズマ溶射法の場合に
は、最大溶射速度が３００〜３５０ｍ／ｓであり、この
条件で形成される溶射皮膜中の気孔率は約１５％であっ
た。

【０００９】この点を踏まえ、本発明者は、所望の気孔
率を５％以下、望ましくは２％以下と考え、各種実験等
を行った結果、この気孔率を達成させる溶射速度として
４５０〜９００ｍ／ｓが最適であるとの知見を得た。即
ち、気孔率を５％以下にするには４５０ｍ／ｓ以上必要
であると共に、９００ｍ／ｓを超えると気孔率が０．２
５％以下となるが、基材表面に対する圧縮残留応力が強
くなって良好な皮膜が形成されないためである。

【００１０】そこで、本発明者は、従来の溶射法の制約
を超えた溶射速度を実現可能な方法として、研究を重ね
た結果、高速ガス炎溶射法と、水素燃料を用いた溶射法
とに着目すると共に、これら溶射法を使用したときの最
適な溶射材料（組成、粉末粒径等）について更に各種実
験を行った結果、以下の知見を得て本発明を完成するに
至った。

【００１１】即ち、この発明の最大の特徴は、ガスター
ビン部品用の金属基材と、この金属基材上に遮熱コーテ
ィング層とを備え、この遮熱コーティング層をボンドコ
ート及びトップコートで構成したガスタービン部材にお
いて、上記ボンドコートは、ＭＣｒＡｌＹ系の組成を有
し且つ上記トップコートよりも小さい気孔率を有するこ
とにある。

【００１２】請求項２記載の発明では、前記ボンドコー
トは、重量％でＣｒを１１．００以上乃至３２．００以
下、Ａｌを５．００以上乃至１４．００以下、Ｙを０．
２０以上乃至１．９０以下、およびＯ₂を１．００以下
とし、Ｎｉを残部又はＣｏを１７．００以上乃至３８．
００以下とし、不可避的不純物を含むＭＣｒＡｌＹ系の
組成を有している。この組成は、上記溶射速度の利点を
活用しつつ、耐酸化性向上を重点とし、以下の理由で各
元素毎に成分範囲（重量％）を設定した。

【００１３】「Ｃｒ」は、耐酸化性向上のための必須元
素であり１１％よりも小さいと、例えばガスタービン環
境中で殆ど効果がなく、３２％を超えると過剰品質とな
るため、「１１．００％以上乃至３２．００％以下」の
範囲に設定した。

【００１４】「Ａｌ」は、金属基材に拡散してＣｒと同
様に耐酸化性を向上させる性質を有するが、５％よりも
小さいと拡散量が少なく、１４％を超えると大気中の酸
素と結合してＡｌ₂Ｏ₃となって逆に皮膜強度を低下さ
せると共に耐酸化性を低下させるため、「５．００％以
上乃至１４．００％以下」の範囲に設定した。

【００１５】「Ｙ」は、０．２０％よりも小さいとＹ₂
Ｏ₃として安定な酸化物を形成しないし、１．９０％を
超えると必要以上の酸化物を形成して基材との線膨脹係
数を損ねることになるため、「０．２０％以上乃至１．
９０％以下」の範囲に設定した。「Ｏ₂」は、酸化物量
を示す量でありこの定量値が１．００％を超えると皮膜
が脆弱となるため、「１．００％以下」の範囲に設定し
た。

【００１６】「Ｃｏ」は、１７．００％よりも小さいと
耐酸化性に問題があり、３８．００％を超えると過剰品
質となるため、「１７．００％以上乃至３８．００％以
下」の範囲に設定した。

【００１７】請求項３記載の発明では、前記ボンドコー
トは、２％以下の気孔率を有している。この気孔率のボ
ンドコートにより、溶射皮膜及び母材の界面での母材酸
化を抑制できる。

【００１８】請求項４記載の発明では、前記ボンドコー
トは、前記金属基材に対する密着強度が１００ＭＰａ以
上である。

【００１９】請求項５記載の発明では、前記トップコー
トは、ＺｒＯ₂−Ｙ₂Ｏ₃系の組成を有し且つ５％以下
の気孔率を有している。

【００２０】請求項６記載の発明では、前記ボンドコー
トは、厚さが０．０２ｍｍ以上乃至０．２０ｍｍ以下で
あり、前記トップコートは、厚さが０．１０ｍｍ以上乃
至０．５０ｍｍ以下である。

【００２１】請求項７記載の発明に係るガスタービン部
材の遮熱コーティング方法は、溶射速度を４５０ｍ／ｓ
以上乃至９００ｍ／ｓ以下とした溶射法を使用して、ガ
スタービン部品用の金属基材上に遮熱コーティング層の
ボンドコートを一体に形成することを特徴とする。

【００２２】請求項８記載の発明では、前記ボンドコー
トの溶射材料として、重量％でＣｒを１１．００以上乃
至３２．００以下、Ａｌを５．００以上乃至１４．００
以下、Ｙを０．２０以上乃至１．９０以下、およびＯ₂
を１．００以下とし、Ｎｉを残部又はＣｏを１７．００
以上乃至３８．００以下とし、不可避的不純物を含む組
成を有するＭＣｒＡｌＹ系材料を用いている。

【００２３】請求項９記載の発明では、前記ボンドコー
トの溶射材料として、２０μｍ以上乃至５０μｍ以下の
粉末粒径を有するＭＣｒＡｌＹ系材料を用いている。
「粉末粒径」は、正規分布曲線で２５〜４０μｍをピー
ク値として最大粒径を５０μｍとし、最小粒径を２０μ
ｍとする「２０μｍ以上乃至５０μｍ以下」の範囲に設
定した。これは、５０μｍを超えると溶射皮膜中の未溶
融粒子として残存する割合が高くなり、２０μｍより小
さいと溶射中に溶融気化して皮膜形成に至らないためで
ある。

【００２４】請求項１０記載の発明では、前記溶射法と
して、高速ガス炎溶射法を、また請求項１１記載の発明
では、前記溶射法として、水素燃料を使用した溶射法を
夫々用いている。「高速ガス炎溶射法」としては、例え
ばプロピレンや水素の混合ガスを燃料とし、超音速溶射
装置で加工物表面に皮膜を形成させるダイヤモンドジェ
ット法等が望ましい。

【００２５】請求項１２記載の発明に係るガスタービン
部材の遮熱コーティング方法は、ガスタービン部品用の
金属基材上に遮熱コーティング層のボンドコートを一体
に形成し、その後、溶射速度を３５０ｍ／ｓ以上乃至９
００ｍ／ｓ以下とした溶射法を使用して、上記ボンドコ
ート上に上記遮熱コーティング層のトップコートを一体
に形成することを特徴とする。

【００２６】請求項１３記載の発明では、前記トップコ
ートの溶射材料として、５μｍ以上乃至７５μｍ以下の
粉末粒径を有するＺｒＯ₂−Ｙ₂Ｏ₃系材料を用いてい
る。

【００２７】請求項１４記載の発明に係るガスタービン
部材の遮熱コーティング方法は、溶射速度を４５０ｍ／
ｓ以上乃至９００ｍ／ｓ以下とした溶射法を使用して、
ガスタービン部材用の金属基材上に遮熱コーティング層
のボンドコートを一体に形成し、その後、溶射速度を３
５０ｍ／ｓ以上乃至９００ｍ／ｓ以下とした溶射法を使
用して、上記ボンドコート上に上記遮熱コーティング層
のトップコートを一体に形成することを特徴とする。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施形態を図
２に基づいて説明する。

【００２９】図２は、本発明に係るガスタービン部材の
模式的な断面構造を説明するものである。図２に示すガ
スタービン部材は、Ｎｉ基又はＣｏ基等の超耐熱合金か
ら成るガスタービン部品用の金属基材１上に遮熱コーテ
ィング層２を被覆したものである。遮熱コーティング層
２は、ＭＣｒＡｌＹ系のボンドコート３及びＺｒＯ₂−
Ｙ₂Ｏ₃系のトップコート４で形成される。

【００３０】ボンドコート３は、上述したＭＣｒＡｌＹ
系の溶射材料、粉末粒径（２０〜５０μｍ）及び溶射速
度（４５０〜９００ｍ／ｓ）の条件下でダイヤモンドジ
ェット法等の高速ガス炎溶射法（以下、「ＨＶＯＦ」と
呼ぶ）を用いて金属基材１上に０．０２〜０．２０ｍｍ
の皮膜厚さで一体に形成したため、２％以下の気孔率及
び１００ＭＰａ以上の密着強度を達成している。

【００３１】トップコート４は、上述したＺｒＯ₂−Ｙ
₂Ｏ₃系の溶射材料、粉末粒径（５〜７５μｍ）及び溶
射速度（３５０〜９００ｍ／ｓ）の条件下でＨＶＯＦを
用いてボンドコート３上に０．１０〜０．５０ｍｍの皮
膜厚さで一体に形成したため、５％以下の気孔率を達成
している。この気孔率に関しては、ボンドコート３の方
がトップコート４よりも小さい。

【００３２】なお、この実施形態では溶射法としてＨＶ
ＯＦを用いてあるが、この発明はこれに限定されるもの
ではなく、水素燃料を用いた溶射法でもよい。また、ト
ップコートに関しては、必ずしもこれら溶射法に限定さ
れるものではなく、従来の大気圧プラズマ溶射法を用い
てもよい。

【００３３】

【実施例】次に、この発明の実施例を表及び図面を参照
して説明する。この実施例では、ガスタービン部品用の
金属基材としてＮｉ基超耐熱合金を使用し、この金属基
材上の遮熱コーティング層（ボンドコート、トップコー
ト）の皮膜形成状況（気孔率、密着強度）、耐酸化性及
び剥離特性を調べた。

【００３４】（実施例１）実施例１では、この発明に係
るガスタービン部材の皮膜形成状況を検討した。まず、
同一の溶射条件で溶射材料（ＭＣｒＡｌＹ系のボンドコ
ート材料）を変えたときの皮膜形成状況を表１〜表３に
基づいて説明する。

【００３５】表１は、ＨＶＯＦを用いた溶射試験の施工
条件（溶射条件）を、表２は、試験対象の３種の溶射材
料（粉末Ａ、Ｂ、Ｃ）の組成及びその平均粉末粒径を、
表３は、所定の光学顕微鏡写真による気孔率測定法を用
いた皮膜の気孔率（％）の試験結果を説明するものであ
る。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】この結果、同一の溶射条件であっても、溶
射材料の条件、主に平均粒径の違い等で皮膜の気孔率が
異なること、特に粉末Ｃで気孔率が最も小さいこと（溶
射距離が１８０ｍｍのときに２％以下）、また粉末Ｂの
場合には平均粒径が本発明の２０〜５０ｍｍから逸脱し
て７５ｍｍと大きいため、殆ど皮膜が形成されないこと
が確認された。

【００４０】次に、同一の溶射材料で溶射条件（溶射速
度）を変えたときの皮膜形成状況を表４、図３及び図４
に基づいて説明する。溶射材料としては、上記で最も良
好な皮膜形成が得られた粉末Ｃを使用し、溶射速度とし
ては、比較のため、本発明の溶射法（５００、７５０、
９００ｍ／ｓ）と従来の大気圧プラズマ溶射法（３０
０、４００ｍ／ｓ）とを用いた。溶射距離は、上記粉末
Ｃで気孔率２％以下を達成した１８０ｍｍとした。

【００４１】表４は、上記と同じ測定法を用いた皮膜の
気孔率（％）及び所定の密着強さ試験法を用いた密着強
度（ＭＰａ）の試験結果を示すものであり、図３及び図
４は、試験片の断面粒子構造を示す光学顕微鏡写真であ
る。この内、図３は、本発明（表４中の７５０ｍ／ｓの
溶射速度の場合）の試験片を、図４は比較例（表４中の
３００ｍ／ｓの溶射速度の場合）の試験片を説明するも
のである。

【００４２】

【表４】

【００４３】上記の結果、同一の溶射材料であっても、
溶射速度の違いで皮膜の気孔率が著しく改善され、密着
強度が従来の２倍以上高くなることが確認された（実施例２）実施例２では、この発明のガスタービン部
材の耐酸化性及び剥離特性を検討した。試験法として
は、試験対象を室温〜９００℃で繰り返し加熱して耐酸
化性及び剥離特性を調べる所定の熱サイクル試験法を用
いた。

【００４４】表５は、この耐酸化性及び剥離特性の試験
結果を説明するものである。試験対象としては、上記実
施例１のＨＶＯＦを用いた溶射法でＭＣｒＡｌＹ系の上
記粉末Ｃによるボンドコートを厚さ０．１５ｍｍの条件
で金属基材上に溶射施工し、そのボンドコート上に所定
のＺｒＯ₂−Ｙ₂Ｏ₃系の組成で平均粒径が７０ｍｍの
粉末によるトップコート（気孔率が３．５％）を溶射し
た本発明の遮熱コーティング試験片と、上記と同じ粉末
を従来の大気圧プラズマ溶射法で作製した比較例の試験
片とを使用した。

【００４５】

【表５】

【００４６】この結果、表５に示すように、本発明の試
験片は、従来のものよりも耐酸化性及び耐剥離性により
一層優れていることが確認された。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、遮熱コーティング層として、トップコートよりも小
さい気孔率を有するＭＣｒＡｌＹ系のボンドコートを形
成することを必須とし、特に溶射速度を４５０〜９００
ｍ／ｓとした溶射法（例えば、高速ガス炎溶射法又は水
素燃料を使用した溶射法）を使用し、粉末粒径が２０〜
５０μｍの条件で溶射皮膜を形成したため、最適な溶射
条件及び溶射材料を構築できると共に、従来と比べてよ
り一層緻密で且つ密着強度を高めた遮熱コーティング層
を形成でき、その結果、高温酸化に伴う界面剥離等に対
する耐久性を各段に改善できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶射速度に対する気孔率及び接着力の関係を説
明する概略特性図。

【図２】この発明に係るガスタービン部材の要部構成を
説明する概略断面図。

【図３】本発明（試験片）の断面の粒子構造を示す光学
顕微鏡写真。

【図４】従来の比較例（試験片）の断面の粒子構造を示
す光学顕微鏡写真。

【符号の説明】

１金属基材２遮熱コーティング層３ボンドコート４トップコート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービン部品用の金属基材と、この
金属基材上に遮熱コーティング層とを備え、この遮熱コ
ーティング層をボンドコート及びトップコートで構成し
たガスタービン部材において、上記ボンドコートは、Ｍ
ＣｒＡｌＹ系の組成を有し且つ上記トップコートよりも
小さい気孔率を有することを特徴とするガスタービン部
材。
【請求項２】前記ボンドコートは、重量％でＣｒを１
１．００以上乃至３２．００以下、Ａｌを５．００以上
乃至１４．００以下、Ｙを０．２０以上乃至１．９０以
下、およびＯ₂を１．００以下とし、Ｎｉを残部又はＣ
ｏを１７．００以上乃至３８．００以下とし、不可避的
不純物を含むＭＣｒＡｌＹ系の組成を有する請求項１記
載のガスタービン部材。
【請求項３】前記ボンドコートは、２％以下の気孔率
を有する請求項１又は２記載のガスタービン部材。
【請求項４】前記ボンドコートは、前記金属基材に対
する密着強度が１００ＭＰａ以上である請求項１乃至３
のいずれか１項記載のガスタービン部材。
【請求項５】前記トップコートは、ＺｒＯ₂−Ｙ₂Ｏ
₃系の組成を有し且つ５％以下の気孔率を有する請求項
１乃至４のいずれか１項記載のガスタービン部材。
【請求項６】前記ボンドコートは、厚さが０．０２ｍ
ｍ以上乃至０．２０ｍｍ以下であり、前記トップコート
は、厚さが０．１０ｍｍ以上乃至０．５０ｍｍ以下であ
る請求項１乃至５のいずれか１項記載のガスタービン部
材。
【請求項７】溶射速度を４５０ｍ／ｓ以上乃至９００
ｍ／ｓ以下とした溶射法を使用して、ガスタービン部品
用の金属基材上に遮熱コーティング層のボンドコートを
一体に形成することを特徴とするガスタービン部材の遮
熱コーティング方法。
【請求項８】前記ボンドコートの溶射材料として、重
量％でＣｒを１１．００以上乃至３２．００以下、Ａｌ
を５．００以上乃至１４．００以下、Ｙを０．２０以上
乃至１．９０以下、およびＯ₂を１．００以下とし、Ｎ
ｉを残部又はＣｏを１７．００以上乃至３８．００以下
とし、不可避的不純物を含む組成を有するＭＣｒＡｌＹ
系材料を用いた請求項７記載のガスタービン部材の遮熱
コーティング方法。
【請求項９】前記ボンドコートの溶射材料として、２
０μｍ以上乃至５０μｍ以下の粉末粒径を有するＭＣｒ
ＡｌＹ系材料を用いた請求項７又は８記載のガスタービ
ン部材の遮熱コーティング方法。
【請求項１０】前記溶射法として、高速ガス炎溶射法
を用いた請求項７乃至９のいずれか１項記載のガスター
ビン部材の遮熱コーティング方法。
【請求項１１】前記溶射法として、水素燃料を使用し
た溶射法を用いた請求項７乃至９のいずれか１項記載の
ガスタービン部材の遮熱コーティング方法。
【請求項１２】ガスタービン部品用の金属基材上に遮
熱コーティング層のボンドコートを一体に形成し、その
後、溶射速度を３５０ｍ／ｓ以上乃至９００ｍ／ｓ以下
とした溶射法を使用して、上記ボンドコート上に上記遮
熱コーティング層のトップコートを一体に形成すること
を特徴とするガスタービン部材の遮熱コーティング方
法。
【請求項１３】前記トップコートの溶射材料として、
５μｍ以上乃至７５μｍ以下の粉末粒径を有するＺｒＯ
₂−Ｙ₂Ｏ₃系材料を用いた請求項１２記載のガスター
ビン部材の遮熱コーティング方法。
【請求項１４】溶射速度を４５０ｍ／ｓ以上乃至９０
０ｍ／ｓ以下とした溶射法を使用して、ガスタービン部
材用の金属基材上に遮熱コーティング層のボンドコート
を一体に形成し、その後、溶射速度を３５０ｍ／ｓ以上
乃至９００ｍ／ｓ以下とした溶射法を使用して、上記ボ
ンドコート上に上記遮熱コーティング層のトップコート
を一体に形成することを特徴とするガスタービン部材の
遮熱コーティング方法。