DE112017002453T5

DE112017002453T5 - Beschichtungsstruktur, Turbinenteil mit derselben und Verfahren zur Herstellung der Beschichtungsstruktur

Info

Publication number: DE112017002453T5
Application number: DE112017002453.6T
Authority: DE
Inventors: Takayuki Kurimura; Mineaki Matsumoto; Shuji TANIGAWA; Yoshifumi Tsuji
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2019-02-28
Also published as: JP6067166B1; CN109071367A; CN109071367B; WO2017195518A1; US11407688B2; US20190119172A1; KR102202166B1; JP2017202966A; KR20180134382A

Abstract

Bereitgestellt werden eine Beschichtungsstruktur, ein Turbinenteil mit derselben und ein Verfahren zur Herstellung der Beschichtungsstruktur. Die Beschichtungsstruktur ist auf einer Oberfläche eines Basisabschnitts bereitgestellt, der einen keramischen Matrixverbundwerkstoff umfasst. Die Beschichtungsstruktur ist auf die Oberfläche des Basisabschnitts geschichtet und umfasst eine Haftüberzugsschicht, die aus einem Seltenerdsilicat gebildet ist, und eine Decküberzugsschicht, die auf die Haftüberzugsschicht geschichtet ist. Die in der Haftüberzugsschicht vorhandene Restspannung ist eine Druckeigenspannung. Der Sauerstoffpermeabilitätskoeffizient der Haftüberzugsschicht ist nicht größer als 10^-9 kg•m^-1•s^-1 bei einer Temperatur von nicht weniger als 1200 °C und einem höheren Sauerstoffpartialdruck von nicht weniger als 0,02 MPa. Die Haftüberzugsschicht kann Carbonitrid-Teilchen oder Carbonitrid-Whisker enthalten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtungsstruktur, ein Turbinenteil mit derselben und ein Verfahren zur Herstellung der Beschichtungsstruktur.
Stand der Technik
Flug- und industrielle Gasturbinen und Flugobjekte umfassen einen Abschnitt, dessen Temperatur nicht geringer als 1000 °C wird. Für den Abschnitt (Hochtemperaturabschnitt), dessen Temperatur nicht geringer als 1000 °C wird, wurde die Verwendung eines Abschnitts untersucht, der aus einem keramischen Matrixverbundwerkstoff (CMC) hergestellt wird. Als Struktur zur Verbesserung der Dampfkorrosionsbeständigkeit und der Wärmeabschirmungseigenschaft wurde eine Struktur untersucht, bei der eine Umweltsperrschicht (EBC) oder eine Wärmesperrschicht (TBC) auf einer Oberfläche des keramischen Matrixverbundwerkstoffs ausgebildet ist.
Als eine Beschichtungsstruktur, die auf einer Oberfläche eines Basismaterials bereitgestellt ist, das einen keramischen Matrixverbundwerkstoff enthält, beschreibt Patentdokument 1 eine Beschichtungsstruktur mit einem ersten Schutzfilm, der mindestens einen von einem Umweltsperrschichtfilm und einem Wärmesperrschichtfilm, der auf der Oberfläche des Basismaterials bereitgestellt ist, umfasst, und einem zweiten Schutzfilm, der einen auf dem ersten Schutzfilm bereitgestellten Aluminiumoxidfilm umfasst. Ferner beschreibt Patentdokument 1, dass, wenn der TBC-Film für den ersten Schutzfilm der Beschichtungsstruktur verwendet wird, die Beschichtungsstruktur eine Struktur ist, in der ein Haftüberzugsfilm und ein Keramikfilm geschichtet sind.
Liste der Dokumente des Stands der Technik
Patentdokumente
Patentdokument 1: JP 2015-113255 A
Kurzdarstellung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
In Patentdokument 1 ist der Haftüberzugsfilm aus einer MCrAlY-Legierung gebildet (wobei M Co, Ni oder eine Kombination davon ist). Wenn jedoch eine Legierung für den Haftüberzugsfilm, wie vorstehend beschrieben, verwendet wird, besteht ein Problem, bei dem die Wärmebeständigkeit nicht verbessert werden kann.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beschichtungsstruktur mit einer hohen Wärmebeständigkeit, ein Turbinenteil mit derselben und ein Verfahren zur Herstellung der Beschichtungsstruktur bereitzustellen.
Lösung des Problems
Die vorliegende Erfindung ist eine Beschichtungsstruktur, die auf einer Oberfläche eines Basisabschnitts bereitgestellt ist, der einen keramischen Matrixverbundwerkstoff umfasst. Die Beschichtungsstruktur umfasst eine Haftüberzugsschicht, die aus einem Seltenerdsilicat gebildet ist, wobei die Haftüberzugsschicht auf die Oberfläche des Basisabschnitts geschichtet ist, und eine Decküberzugsschicht, die auf die Haftüberzugsschicht geschichtet ist. In der Haftüberzugsschicht ist die Restspannung eine Druckeigenspannung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Haftüberzugsschicht kompakt hergestellt werden, und es ist unwahrscheinlich, dass sie reißt. Daher können die Luftdichtigkeit und die Oxidationsbeständigkeit erhöht werden. Daher kann der Basisabschnitt selbst in einer Umgebung mit höherer Temperatur geschützt werden.
Der Sauerstoffpermeabilitätskoeffizient der Haftüberzugsschicht ist vorzugsweise nicht größer als 10^-9 kg•m^-1•s^-1 bei nicht weniger als 1200 °C und einem höheren Sauerstoffpartialdruck von nicht weniger als 0,02 MPa. In diesem Fall kann die Luftdichtigkeit der Haftüberzugsschicht erhöht werden und die tolerierbare Temperatur kann erhöht werden. Daher kann der Basisabschnitt sogar in einer Umgebung mit höherer Temperatur geschützt werden.
Hierin beträgt das Kristallverhältnis der Haftüberzugsschicht vorzugsweise 90 % bis 100 %. In diesem Fall kann das Auftreten von Rissbildung und Trennung aufgrund einer Volumenänderung mit Kristallisation in einer Verwendungsumgebung der Haftüberzugsschicht unterdrückt und die Luftdichtigkeit kann erhöht werden.
Es ist bevorzugt, dass die Haftüberzugsschicht geschichtet ist, ohne dass ein anderes Material zwischen der Haftüberzugsschicht und der Oberfläche des Basisabschnitts angeordnet ist. Somit kann eine Schichtstruktur einfach hergestellt werden.
Es ist bevorzugt, dass die Restspannung der Haftüberzugsschicht kleiner als diejenige der Decküberzugsschicht ist. Wenn die Restspannung der Haftüberzugsschicht verringert wird, kann das Auftreten von Rissbildung und dergleichen in der Haftüberzugsschicht unterdrückt werden, und die Luftdichtigkeit kann erhöht werden.
Die Korngröße in der Haftüberzugsschicht beträgt vorzugsweise von 0,01 µm bis 10 µm. In diesem Fall kann die Struktur der Haftüberzugsschicht kompliziert sein, die Erzeugung eines Risses, der eine Vorderfläche mit einer Rückfläche der Haftüberzugsschicht verbindet, kann unterdrückt werden, und die Luftdichtigkeit kann erhöht werden.
In der Haftüberzugsschicht ist bevorzugt, dass ein dispergiertes Material, das Silicium oder Titan enthält, in dem Seltenerdsilicat dispergiert ist. In diesem Fall kann die Zähigkeit und die Kriechbeständigkeit der Haftüberzugsschicht erhöht werden. Aufgrund von Siliciumoxid oder Titanoxid, das durch Oxidation dispergierter Teilchen erzeugt wird, wird eine selbstheilende Funktion des Schließens eines Risses exprimiert.
Ferner ist es bevorzugt, dass es sich bei dem dispergierten Material um Teilchen handelt. In diesem Fall kann die Haftüberzugsschicht einfach hergestellt werden.
Es ist bevorzugt, dass es sich bei dem dispergierten Material um Whiskers handelt. In diesem Fall kann die Zähigkeit wirksam erhöht werden.
Es ist bevorzugt, dass das dispergierte Material Stickstoff enthält. Die Oxidationsbeständigkeit eines Nitrids ist höher als diejenige eines Carbids. Daher kann die Wirkung des dispergierten Materials für einen ausgedehnten Zeitraum gehalten werden.
Die vorliegende Erfindung ist ein Turbinenteil. Das Turbinenteil umfasst eine beliebige vorstehend beschriebene Beschichtungsstruktur und den Basisabschnitt, der die Beschichtungsstruktur auf einer Oberfläche davon aufweist. Daher kann das Turbinenteil in einer Umgebung mit höherer Temperatur verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtungsstruktur, umfassend die Schritte des Bildens eines Films auf einer Oberfläche eines Basisabschnitts, der einen keramischen Matrixverbundwerkstoff aus einem Seltenerdsilicat enthält, durch ein Aerosolabscheidungsverfahren, um eine Haftüberzugsschicht zu bilden; des Bildens einer Decküberzugsschicht auf einer Oberfläche der Haftüberzugsschicht durch thermisches Spritzen; und des Durchführens einer Wärmebehandlung für einen geschichteten Körper, der die Haftüberzugsschicht und die Decküberzugsschicht umfasst, nach dem Bilden der Haftüberzugsschicht und der Decküberzugsschicht. Durch das Verfahren kann eine Beschichtungsstruktur hergestellt werden, die in der Lage ist, die Wärmebeständigkeit zu erhöhen und ein Grundmaterial selbst in einer Umgebung mit höherer Temperatur zu schützen.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Wärmebeständigkeit erhöht werden und ein Grundmaterial kann selbst in einer Umgebung mit höherer Temperatur geschützt werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines Turbinenabschnitts gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
3 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines Turbinenelements mit einer Beschichtungsstruktur gemäß der Ausführungsform schematisch veranschaulicht.
4 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines Turbinenelements mit einer Beschichtungsstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform schematisch veranschaulicht.
5 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines Turbinenelements mit einer Beschichtungsstruktur gemäß noch einer anderen Ausführungsform schematisch veranschaulicht.
6 ist ein Blockdiagramm eines Teilherstellungssystems zur Herstellung eines Turbinenelements einer Ausführungsform.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenteils gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.

Beschreibung von Ausführungsformen
Die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Die Ausführungsformen, die nachstehend beschrieben werden, können bei Bedarf miteinander kombiniert werden. Ferner dürfen einige Elementarbestandteile in einigen Fällen nicht verwendet werden. Außerdem schließen die Bestandteilelemente in den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen jene ein, die leicht von einem Fachmann ersetzt werden können, oder jene, die im Wesentlichen gleich sind. In einer Ausführungsform wird ein Turbinenteil einer Gasturbine als ein Beispiel beschrieben. Jedoch können eine Beschichtungsstruktur der Ausführungsform und ein heißes Teil mit der Beschichtungsstruktur auch für Teile für andere Anwendungen verwendet werden. Beispielsweise können die Beschichtungsstruktur der Ausführungsform und das heiße Teil mit der Beschichtungsstruktur für einen Teil eines Flugobjekts verwendet werden.
1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Gasturbine 1 gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. Die Gasturbine 1 umfasst einen Kompressor 2 zum Komprimieren von Verbrennungsluft, eine Brennkammer 3 zum Sprühen eines Brennstoffs zu einer Druckluft, die von dem Kompressor 2 zugeführt wird, und Verbrennen des Brennstoffs, um ein Verbrennungsgas FG zu erzeugen, und einen Turbinenabschnitt 4, der dazu konfiguriert ist, durch das aus der Brennkammer 3 zugeführte Verbrennungsgas FG angetrieben zu werden, einen Stromgenerator 6 und eine Drehwelle 5, die in dem Kompressor 2, dem Turbinenabschnitt 4 und dem Stromgenerator 6 angeordnet ist.
2 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des Turbinenabschnitts 4 veranschaulicht. Der Turbinenabschnitt 4 umfasst eine Turbinenleitschaufel 7, die um die Drehwelle 5 angeordnet ist, eine Turbinenlaufschaufel 8, die um die Drehwelle 5 angeordnet ist, und ein Ringsegment 9, das außerhalb der Turbinenlaufschaufel 8 in einer radialen Richtung in Bezug auf die Drehwelle 5 angeordnet ist.
Das Ringsegment 9 wird durch ein Gehäuse 10 gestützt. Das Ringsegment 9 ist ein ringförmiges Element und umfasst eine Mehrzahl von Segmenten, die in einer Umfangsrichtung der Drehwelle 5 angeordnet sind. Ein Spalt ist zwischen dem Ringsegment 9 und einem Spitzenende der Turbinenlaufschaufel 8 bereitgestellt.
In der folgenden Beschreibung wird ein Element für die Gasturbine 1 in geeigneter Weise als ein Turbinenelement 20 bezeichnet. Das Turbinenelement 20 ist ein heißes Teil (heißes Element), das in einer Hochtemperaturumgebung verwendet wird. Das Turbinenelement 20 kann ein Element für den Turbinenabschnitt 4 oder ein Element für die Brennkammer 3 sein. Bei dem Turbinenelement 20 kann es sich um die Turbinenleitschaufel 7, die Turbinenlaufschaufel 8 oder das Ringsegment 9 handeln.
3 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel des Turbinenelements 20 schematisch veranschaulicht. Wie in 3 veranschaulicht, umfasst das Turbinenelement (heiße Teil) 20 einen Basisabschnitt (Substrat) 22 und eine Beschichtungsstruktur, die auf einer Oberfläche des Basisabschnitts 22 ausgebildet ist.
Der Basisabschnitt 22 ist aus einem keramischen Matrixverbundwerkstoff (CMC) gebildet. Der keramische Matrixverbundwerkstoff (nachstehend als CMC bezeichnet) ist ein Material, in dem anorganische Teilchen, Metallteilchen, Whisker, kurze Fasern und lange Fasern mit Keramiken zusammengesetzt sind, um die Festigkeit zu erhöhen. Als CMC kann Siliciumcarbid (SiC) verwendet werden. CMC besitzt eine geringere spezifische Dichte und eine höhere Wärmebeständigkeit als diejenigen einer Superlegierung auf Nickelbasis.
Die Beschichtungsstruktur umfasst eine Haftüberzugsschicht 24, die auf einer Oberfläche 40 des Basisabschnitts 22 bereitgestellt ist, und eine Decküberzugsschicht 26, die auf der Haftüberzugsschicht 24 bereitgestellt ist. Die Haftüberzugsschicht 24 umfasst eine Rückoberfläche 42B in Kontakt mit dem Basisabschnitt 22 und eine Oberfläche 42S, die einer der Rückoberfläche 42B gegenüberliegenden Seite zugewandt ist. Die Decküberzugsschicht 26 umfasst eine Rückoberfläche 44B in Kontakt mit der Haftüberzugsschicht 24 und eine Oberfläche 44S, die einer der Rückoberfläche 44B gegenüberliegenden Seite zugewandt ist.
Die Haftüberzugsschicht 24 ist auf die Oberfläche 40 des Basisabschnitts 22 geschichtet. Die Haftüberzugsschicht 24 kann durch ein Aerosolabscheidungsverfahren, wie nachstehend beschrieben, gebildet werden. Die Haftüberzugsschicht 24 ist aus einem Grundmaterial 30 gebildet. Das Grundmaterial 30 ist aus einem Seltenerdsilicat gebildet. Das Seltenerdsilicat ist eine Siliciumverbindung, die ein Seltenerdelement wie Yttrium (Y), Scandium (Sc), Cer (Ce), Neodym (Nd) und Ytterbium (Yb) enthält. Beispiele des Seltenerdsilicats, das ein Seltenerdelement (Ln: Y, Sc, Ge, Nd, Yb, Lu usw.) enthält, schließen Ln₂Si₂O₇, Ln₂SiO₅ und eine Mischphase von Ln₂Si₂O₇ und Ln₂SiO₅ ein. Eine Mehrzahl von Seltenerdelementen kann als Ln in Kombination verwendet werden, wie (Y, Yb)₂Si₂O₇.
Die Restspannung der Haftüberzugsschicht 24 ist eine Druckeigenspannung. Der Sauerstoffpermeabilitätskoeffizient der Haftüberzugsschicht 24 ist vorzugsweise nicht größer als 10^-9 kg•m^-1•s^-1 bei nicht weniger als 1200 °C und einem Sauerstoffpartialdruck auf einer Oberflächenseite (einem höheren Sauerstoffpartialdruck) von nicht weniger als 0,02 MPa, beispielsweise bei nicht weniger als 1200 °C und einem Sauerstoffpartialdruck auf einer Oberflächenseite (einem höheren Sauerstoffpartialdruck) von 0,02 MPa. Der Sauerstoffpermeabilitätskoeffizient kann durch eine Gasdurchlässigkeitsmessvorrichtung gemessen werden, wie in einem Dokument (Y. Ogura et al., „Oxygen permeability of Y2SiO5", Materials Transactions, 42 (6), S. 1124 bis 1130 (2001)), beschrieben.
Die Decküberzugsschicht 26 ist auf die Haftüberzugsschicht 24 geschichtet. Die Decküberzugsschicht 26 kann auf der Haftüberzugsschicht 24 durch thermisches Spritzen gebildet werden. Für die Decküberzugsschicht 26 kann ein Seltenerdsilicat als ein Grundmaterial verwendet werden. Für die Decküberzugsschicht 26 kann ein ZrO₂-basiertes Material verwendet werden. Insbesondere kann die Decküberzugsschicht 26 durch Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid enthalten, welche ZrO₂ ist, das teilweise oder vollständig mit Y₂O₃ stabilisiert ist.
In der Beschichtungsstruktur sind die Haftüberzugsschicht 24 und die Decküberzugsschicht 26 wie vorstehend beschrieben geschichtet. Die Beschichtungsstruktur ist eine Schichtstruktur, welche die Haftüberzugsschicht 24 und die Decküberzugsschicht 26 umfasst. Daher besitzt die Beschichtungsstruktur eine Funktion von mindestens einem von einem Umweltsperrschicht-(EBC-)Film und einem Wärmesperrschicht-(TBC-)Film. Entsprechend weist die Beschichtungsstruktur eine hohe Wärmebeständigkeit, eine hohe Luftdichtigkeit und eine hohe Oxidationsbeständigkeit auf und kann den Basisabschnitt 22 schützen.
In der Beschichtungsstruktur enthält die Haftüberzugsschicht 24 ein Seltenerdsilicat als Grundmaterial, und die Restspannung der Haftüberzugsschicht 24 ist eine Druckeigenspannung. Daher reißt die Haftüberzugsschicht 24 mit geringer Wahrscheinlichkeit, weist eine hohe Luftdichtigkeit und eine hohe Oxidationsbeständigkeit auf und kann den Basisabschnitt 22 schützen. Wenn das Substrat 22 durch ein thermisches Spritzverfahren mit der Beschichtungsstruktur beschichtet wird, wird ein Film in einer Kühlstufe geschrumpft, und der Film weist eine Zugeigenspannung auf. Da andererseits ein Aerosolabscheidungsverfahren bei Raumtemperatur durchgeführt wird, wird die Temperatur nach der Bildung eines Films nicht verändert, die Restspannung ist keine Zugeigenspannung und ist eine Nullspannung (in einem Spannungszustand nahe 0), die keine Druckspannung erreicht. Wenn die Restspannung eine Druckeigenspannung ist, wie vorstehend beschrieben, ist es unwahrscheinlich, dass die Beschichtungsstruktur bricht. Die durch das Aerosolabscheidungsverfahren gebildete Haftüberzugsschicht 24 weist eine Nullspannung auf. Wenn die Decküberzugsschicht 26 beispielsweise durch ein thermisches Spritzverfahren gebildet wird, wird die Decküberzugsschicht 26 in einer Kühlstufe geschrumpft. Infolgedessen wird eine Zugeigenspannung in einer Deckschicht erzeugt, jedoch wird eine der Zugeigenspannung entsprechende Druckspannung in der Haftüberzugsschicht erzeugt. Daher ist in der Beschichtungsstruktur die Restspannung eine Druckeigenspannung.
In der Beschichtungsstruktur enthält die Haftüberzugsschicht 24 ein Seltenerdsilicat als das Grundmaterial und der Sauerstoffpermeabilitätskoeffizient ist nicht größer als 10^-9 kg•m^-1•s^-1 bei nicht weniger als 1200 °C, die Luftdichtigkeit der Haftüberzugsschicht 24 kann erhöht werden und die tolerierbare Temperatur kann erhöht werden.
Wenn die Beschichtungsstruktur eine Struktur ist, in der die Haftüberzugsschicht 24 ohne ein anderes Material geschichtet ist, das zwischen der Haftüberzugsschicht 24 und der Oberfläche des Basisabschnitts 22 angeordnet ist, kann die Schichtstruktur einfach sein. Da für die Haftüberzugsschicht 24 ein Seltenerdsilicat verwendet wird, kann der lineare Ausdehnungskoeffizient der Haftüberzugsschicht 24 nahe demjenigen des Basisabschnitts 22 ausgelegt werden. Daher kann eine Teilkonzentration einer Last aufgrund einer Änderung der Temperatur während der Verwendung unterdrückt werden.
In der Beschichtungsstruktur wird ein Seltenerdsilicat sowohl für die Haftüberzugsschicht 24 als auch für die Decküberzugsschicht 26 verwendet. Daher können Eigenschaften des Basisabschnitts 22, der Haftüberzugsschicht 24 und der Decküberzugsschicht 26, wie beispielsweise der lineare Ausdehnungskoeffizient bei einer Mehrzahl unterschiedlicher Temperaturen, einander ähnlich gemacht werden. Ferner kann eine Teilkonzentration einer Last aufgrund einer Änderung der Temperatur während der Verwendung unterdrückt werden.
In der Beschichtungsstruktur beträgt das Kristallverhältnis der Haftüberzugsschicht 24 vorzugsweise von 90 % bis 10 %. Wenn das Kristallverhältnis der Haftüberzugsschicht 24 in der Beschichtungsstruktur in den vorstehend genannten Bereich fällt, kann das Auftreten von Rissbildung in der Haftüberzugsschicht 24 unterdrückt werden, und die Luftdichtigkeit kann erhöht werden. In der Beschichtungsstruktur beträgt das Kristallverhältnis der Haftüberzugsschicht 24 vorzugsweise von 90 % bis 10 % nach der Bildung der Haftüberzugsschicht 24 und der Decküberzugsschicht 26 vor einer Wärmebehandlung während der Herstellung. Wenn die Haftüberzugsschicht 24 in der Beschichtungsstruktur durch das Aerosolabscheidungsverfahren gebildet wird, kann das Kristallverhältnis vor der Wärmebehandlung erhöht werden. Somit kann die Wärmebehandlung einfach gemacht werden, und das Kristallverhältnis der Haftüberzugsschicht 24 in der Beschichtungsstruktur kann erhöht werden.
In der Beschichtungsstruktur beträgt die Korngröße in der Haftüberzugsschicht 24 vorzugsweise von 0,01 µm bis 10 µm. Wenn die Korngröße in der Haftüberzugsschicht 24 in den vorstehend genannten Bereich fällt, kann die Struktur der Haftüberzugsschicht 24 kompliziert sein, die Erzeugung eines Risses, der eine Vorderoberfläche mit einer Rückoberfläche der Haftüberzugsschicht 24 verbindet, kann unterdrückt werden, und die Luftdichtigkeit kann erhöht werden.
In der Beschichtungsstruktur ist bevorzugt, dass die Restspannung der Haftüberzugsschicht 24 kleiner als diejenige der Decküberzugsschicht 26 ist. Wenn die Restspannung der Haftüberzugsschicht 24 in der Beschichtungsstruktur verringert wird, kann das Auftreten von Rissbildung und dergleichen in der Haftüberzugsschicht 24 unterdrückt werden, und die Luftdichtigkeit kann erhöht werden.
In der Ausführungsform ist eine Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Beschichtungsstruktur und dem Basisabschnitt klein, und die Beschichtungsstruktur weist eine hohe Adhäsion auf. Daher wird ein Seltenerdsilicat für die Grundmaterialien (Matrices) der Decküberzugsschicht und der Haftüberzugsschicht verwendet. Jedoch können Zirkon (ZrSiO₄) oder HfSiO₄, bei denen eine Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Beschichtungsstruktur und dem Basisabschnitt klein ist und die Adhäsion hoch ist, verwendet werden.
4 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines Turbinenelements mit einer Beschichtungsstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform schematisch veranschaulicht. Bei einem Turbinenelement 20a wird eine ausführliche Beschreibung der gleichen Struktur wie derjenigen des Turbinenelements 20 ausgelassen. Punkte, die für das Turbinenelement 20a spezifisch sind, werden nachstehend besonders beschrieben. Das in 4 veranschaulichte Turbinenelement 20a umfasst den Basisabschnitt 22 und eine Beschichtungsstruktur. Die Beschichtungsstruktur umfasst eine Haftüberzugsschicht 24a und die Decküberzugsschicht 26.
Die Haftüberzugsschicht 24a umfasst das Grundmaterial 30 und Teilchen 32. Das Grundmaterial 30 ist ein Seltenerdsilicat, welches das gleiche wie das Grundmaterial für die Haftüberzugsschicht 24 ist. Die Teilchen 32 sind in dem Grundmaterial 30 dispergiert. Die Teilchen 32 weisen eine Struktur auf, bei welcher der Durchmesser kleiner als die Dicke der Haftüberzugsschicht 24a ist. Der Teilchendurchmesser der Teilchen 32 beträgt vorzugsweise von 0,01 µm bis 10 µm, beispielsweise 1 µm. Die Teilchen 32 sind aus einer Siliciumverbindung (Si-Verbindung) oder einer Titanverbindung gebildet. Die Siliciumverbindung enthält verschiedene Verbindungen, die Stickstoff und Sauerstoff enthalten. Die Titanverbindung umfasst ein Carbid aus Titan (Titancarbid), ein Nitrid aus Titan (Titannitrid) und ein Carbonitrid aus Titan (Titancarbonitrid).
Wenn die Teilchen 32 in der Haftüberzugsschicht 24a dispergiert sind, können die Kriechfestigkeit und die Bruchzähigkeit der Beschichtungsstruktur verbessert werden. Wenn beispielsweise die Teilchen 32 in der Beschichtungsstruktur dispergiert sind, kann ein Fremdmaterial in dem Grundmaterial 30 dispergiert sein, und eine Kriechverformung kann unterdrückt werden. Selbst wenn das Grundmaterial 30 reißt, kann ein Riss in der Beschichtungsstruktur an einer Position in Kontakt mit den Teilchen 32 gestoppt werden. Wenn die Verbindung in einer Oberfläche der Teilchen zu einem Oxid wird, wird eine Selbstheilungsfunktion zum Schließen eines Risses exprimiert. Somit kann die Erzeugung eines Risses, der von der Oberfläche der Haftüberzugsschicht 24 zu der Rückoberfläche reicht, unterdrückt werden.
Es ist bevorzugt, dass die Teilchen 32 Stickstoff enthalten. Beispiele einer Siliciumverbindung, die Stickstoff enthält, schließen SiCNO, Si₃N₄, Sialon (Si₃N₄-Al₂O₃) und Si₂N₂O ein. Da die Teilchen 32 Stickstoff enthalten, kann Sauerstoff von den Teilchen 32 während des Eindringens von Sauerstoff in die Haftüberzugsschicht 24a gesammelt werden. In der Haftüberzugsschicht 24a wird die Oxidationsbeständigkeit aufgrund des Vorhandenseins von Stickstoff in den Teilchen 32 verbessert. Die Rissableitung, die Sauerstoffsammlung und eine Rissheilungswirkung können für einen ausgedehnten Zeitraum gehalten werden. Ferner können das Eindringen von Sauerstoff in die Haftüberzugsschicht 24a und das Gelangen von Sauerstoff zu dem Basisabschnitt 22 mit hoher Wahrscheinlichkeit unterdrückt werden.
5 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines Turbinenelements mit einer Beschichtungsstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform schematisch veranschaulicht. Bei einem Turbinenelement 20b wird eine ausführliche Beschreibung der gleichen Struktur wie derjenigen des Turbinenelements 20 ausgelassen. Punkte, die für das Turbinenelement 20b spezifisch sind, werden nachstehend besonders beschrieben. Das in 5 veranschaulichte Turbinenelement 20b umfasst den Basisabschnitt 22 und eine Beschichtungsstruktur. Die Beschichtungsstruktur umfasst eine Haftüberzugsschicht 24b und die Decküberzugsschicht 26.
Die Haftüberzugsschicht 24b umfasst das Grundmaterial 30 und Whisker 32a. Das Grundmaterial 30 ist ein Seltenerdsilicat, welches das gleiche wie das Grundmaterial für die Haftüberzugsschicht 24b ist. Die Whisker 32a weisen eine einkristalline faserige (stabförmige) Struktur auf. Die Whisker 32a können aus dem gleichen Material wie demjenigen für die Teilchen gebildet sein. Beispielsweise besitzen die Whisker 32a eine Länge von 5 µm bis 20 µm und eine Querschnittsbreite von etwa 100 nm.
Wenn die Whisker 32a in der Haftüberzugsschicht 24b dispergiert sind, kann die Zähigkeit der Beschichtungsstruktur im Vergleich zu einem Fall verbessert werden, in dem die Teilchen 32 dispergiert sind. Das heißt, wenn faserige Whisker 32a angeordnet sind, kann ein Bereich, in dem die Whisker 32a angeordnet sind, in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Basisabschnitts 22 betrachtet, relativ zu der Menge der Whisker 32a, die in dem Grundmaterial 30 gemischt sind, erhöht werden. Somit kann die Erzeugung eines Risses, der von der Oberfläche der Haftüberzugsschicht 24b zu der Rückoberfläche reicht, unterdrückt werden.
In der Haftüberzugsschicht 24b ist bevorzugt, dass die Menge an Whiskern 32a, deren axiale Richtung der Faserform eine Richtung entlang der Oberfläche des Substrats 22 ist, größer ist als diejenige der Whisker 32a, deren axiale Richtung der Faserform eine Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats 22 ist.
Die Struktur der granulösen Substanz, die in dem Grundmaterial 30 der Haftüberzugsschicht 24a oder 24b dispergiert ist, ist nicht auf die Teilchen 32 und die Whisker 32a beschränkt. Beispielsweise kann eine Faserstruktur, die sich von den Whiskern 32a unterscheidet, als granulöse Substanz verwendet werden. Wenn die Faserstruktur verwendet wird, kann das Fortschreiten der Rissbildung wirksam gestoppt werden, und die Zähigkeit kann erhöht werden.
6 ist ein Blockdiagramm eines Teilherstellungssystems zur Herstellung eines Turbinenelements der Ausführungsform. Durch ein in 6 veranschaulichtes Teilherstellungssystem 100 wird ein Turbinenteil hergestellt. Das Teilherstellungssystem 100 umfasst eine Basisabschnitt-Herstellungsvorrichtung 102, eine Haftüberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 104, eine Decküberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 106, eine Wärmebehandlungsvorrichtung 108 und eine Materialherstellungsvorrichtung 110. Das Teilherstellungssystem 100 ist ein Beschichtungsstruktur-Herstellungssystem, bei dem die Haftüberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 104, die Decküberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 106, die Wärmebehandlungsvorrichtung 108 und die Materialherstellungsvorrichtung 110 kombiniert sind.
Durch die Basisabschnitt-Herstellungsvorrichtung 102 wird ein Basisabschnitt des Turbinenabschnitts hergestellt. Ein Verfahren zum Bilden eines Basisabschnitts durch die Basisabschnitt-Herstellungsvorrichtung 102 ist nicht besonders beschränkt. Durch die Basisabschnitt-Herstellungsvorrichtung 102 wird beispielsweise eine Form, die der Struktur des Basisabschnitts entspricht, mit einem Material gefüllt, und das Material wird gebrannt, um einen Basisabschnitt herzustellen.
Durch die Haftüberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 104 wird eine Haftüberzugsschicht auf einer Oberfläche des Basisabschnitts gebildet. Durch die Haftüberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 104 wird ein Material, das ein Seltenerdsilicat enthält, welches ein Material für die Haftüberzugsschicht als Grundmaterial ist, durch ein Aerosolabscheidungsverfahren (AD-Verfahren) auf die Oberfläche des Basisabschnitts aufgebracht. Insbesondere werden feine Teilchen und ultrafeine Teilchen, die das Material für die Haftüberzugsschicht sind, mit einem Gas gemischt, um ein Aerosol zu bilden, und das Aerosol wird auf die Oberfläche des Basisabschnitts unter Vakuum gesprüht, um die Haftüberzugsschicht zu bilden. Somit wird durch die Haftüberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 104 eine Schicht aus dem Seltenerdsilicat als das Grundmaterial als die Haftüberzugsschicht auf der Oberfläche des Basisabschnitts gebildet.
Eine Decküberzugsschicht wird auf einer Oberfläche der Haftüberzugsschicht durch die Decküberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 106 gebildet. Durch die Decküberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 106 wird ein Seltenerdsilicat, welches ein Material für die Decküberzugsschicht ist, auf die Oberfläche der Haftüberzugsschicht durch thermisches Spritzen aufgetragen. Somit wird durch die Decküberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 106 eine Schicht aus dem Seltenerdsilicat als die Decküberzugsschicht auf der Oberfläche der Haftüberzugsschicht gebildet.
Durch die Wärmebehandlungsvorrichtung 108 wird eine Struktur, welche die Haftüberzugsschicht auf der Oberfläche des Basisabschnitts und die Decküberzugsschicht umfasst, einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 108 ist ein Heizofen. In der Wärmebehandlungsvorrichtung 108 wird die Struktur für eine vorher festgelegte Zeit (von mehreren Stunden bis mehreren zehn Stunden) auf einer vorher festgelegten Temperatur, beispielsweise von 700 °C bis 1000 °C, gehalten. Somit wird eine Behandlung zum Ändern der Eigenschaften der Struktur durchgeführt.
Durch die Materialherstellungsvorrichtung 110 werden die Materialien für die Haftüberzugsschicht und die Decküberzugsschicht hergestellt. In der Materialherstellungsvorrichtung 110 werden Seltenerdsilicate zu einem Zustand verarbeitet, der in der Lage ist, durch die Haftüberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 104 bzw. die Decküberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 106 aufgetragen zu werden. Wenn ein Material, das durch Mischen von feinen Substanzen wie Teilchen und Whiskern in dem Grundmaterial des Seltenerdsilicats erhalten wird, für die Haftüberzugsschicht verwendet wird, wird das Material, das durch Mischen der feinen Substanzen in dem Grundmaterial des Seltenerdsilicats erhalten wird, durch die Materialherstellungsvorrichtung 110 hergestellt.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenteils gemäß der Ausführungsform veranschaulicht. Ein Teil der Schritte in dem Verfahren zur Herstellung eines Turbinenteils ist ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtungsstruktur. Das in 7 veranschaulichte Verfahren kann realisiert werden, indem jeder Schritt durch das Teilherstellungssystem 100 ausgeführt wird.
In dem Teilherstellungssystem 100 wird ein Basisabschnitt durch die Basisabschnitt-Herstellungsvorrichtung 102 hergestellt (Schritt S12). In dem Teilherstellungssystem 100 wird nach der Herstellung des Basisabschnitts durch die Haftüberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 104 eine Haftüberzugsschicht auf einer Oberfläche des Basisabschnitts durch ein Aerosolabscheidungsverfahren gebildet (Schritt S14). In dem Teilherstellungssystem 100 wird nach dem Bilden der Haftüberzugsschicht durch die Decküberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 106 eine Decküberzugsschicht auf einer Oberfläche der Haftüberzugsschicht durch thermisches Spritzen gebildet (Schritt S16). In dem Teilherstellungssystem 100 wird nach dem Bilden der Decküberzugsschicht die gebildete Struktur einer Wärmebehandlung unterzogen (Schritt S18).
In dem Teilherstellungssystem 100 werden die vorstehend erwähnten Schritte durchgeführt. Somit kann eine Struktur gebildet werden, welche die Materialien in kompakter Anordnung umfasst und wenige oder keine Risse aufweist, durch die ein Gas hindurchströmt. Die Struktur kann eine Struktur mit niedriger Sauerstoffdurchlässigkeit sein. Wenn das Material für die Haftüberzugsschicht ein Seltenerdsilicat oder Zirkon ist, kann die Haftüberzugsschicht auf der Oberfläche des Basisteils gebildet werden, und die Wärmebeständigkeit kann im Vergleich zu einem Fall der Verwendung einer Legierung, die in einen engen Kontakt mit der Decküberzugsschicht gebracht werden soll, erhöht werden.
Daher kann durch das Verfahren zur Herstellung einer Beschichtungsstruktur eine Beschichtungsstruktur hergestellt werden, die eine Haftüberzugsschicht mit hoher Wärmebeständigkeit und hoher Luftdichtigkeit und eine Decküberzugsschicht mit hoher Wärmebeständigkeit aufweist und in der Lage ist, die Übertragung von feuchtem Wwasserdampf zu unterdrücken.
In der Ausführungsform wird, da die Anwendung einfach ist, die Decküberzugsschicht durch thermisches Spritzen durch die Decküberzugsschicht-Bildungsvorrichtung 106 gebildet. Jedoch kann die Decküberzugsschicht durch ein anderes Verfahren als thermisches Spritzen gebildet werden.
Bezugszeichenliste

1: Gasturbine
2: Kompressor
3: Brennkammer
4: Turbinenabschnitt
5: Drehwelle
6: Stromgenerator
7: Turbinenleitschaufel
8: Turbinenlaufschaufel
9: Ringsegment
10: Gehäuse
20: Turbinenelement
22: Substrat (Basisabschnitt)
24: Haftüberzugsschicht
26: Decküberzugsschicht
100: Teilherstellungssystem
102: Basisabschnitt-Herstellungsvorrichtung
104: Haftüberzugsschicht-Bildungsvorrichtung
106: Decküberzugsschicht-Bildungsvorrichtung
108: Wärmebehandlungsvorrichtung
110: Materialherstellungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015113255 A [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Y. Ogura et al., „Oxygen permeability of Y₂SiO₅“, Materials Transactions, 42 (6), S. 1124 bis 1130 (2001) [0030]

Claims

Beschichtungsstruktur, die auf einer Oberfläche eines Basisabschnitts bereitgestellt ist, der einen keramischen Matrixverbundwerkstoff umfasst, umfassend eine Haftüberzugsschicht, die aus einem Seltenerdsilicat gebildet ist, wobei die Haftüberzugsschicht auf die Oberfläche des Basisabschnitts geschichtet ist, und eine auf die Haftüberzugsschicht geschichtete Decküberzugsschicht, wobei die Haftüberzugsschicht eine Druckeigenspannung als Restspannung und einen Sauerstoffpermeabilitätskoeffizienten von nicht mehr als 10^-9 kg•m^-1•s^-1 bei nicht weniger als 1200 °C und einem höheren Sauerstoffpartialdruck von nicht weniger als 0,02 MPa aufweist.
Beschichtungsstruktur nach Anspruch 1, wobei die Haftüberzugsschicht ein Kristallverhältnis von 90 % bis 100 % aufweist.
Beschichtungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Haftüberzugsschicht ohne ein weiteres Material, das zwischen der Haftüberzugsschicht und der Oberfläche des Basisabschnitts angeordnet ist, geschichtet ist.
Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Restspannung der Haftüberzugsschicht geringer ist als diejenige der Decküberzugsschicht.
Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Haftüberzugsschicht eine Korngröße von 0,01 µm bis 10 µm aufweist.
Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Seltenerdsilicat der Haftüberzugsschicht ein dispergiertes Material, das Silicium oder Titan enthält, dispergiert ist.
Beschichtungsstruktur nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem dispergierten Material um Teilchen handelt.
Beschichtungsstruktur nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem dispergierten Material um Whisker handelt.
Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das dispergierte Material Stickstoff enthält.
Turbinenteil, umfassend die Beschichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und den Basisabschnitt, der die Beschichtungsstruktur auf der Oberfläche enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Beschichtungsstruktur, umfassend die Schritte Bilden eines Films auf einer Oberfläche eines Basisabschnitts, der einen keramischen Matrixverbundwerkstoff aus einem Seltenerdsilicat enthält, durch ein Aerosolabscheidungsverfahren, um eine Haftüberzugsschicht zu bilden; Bilden einer Decküberzugsschicht auf einer Oberfläche der Haftüberzugsschicht durch thermisches Spritzen; und Durchführen einer Wärmebehandlung für einen geschichteten Körper, der die Haftüberzugsschicht und die Decküberzugsschicht umfasst, nach dem Bilden der Haftüberzugsschicht und der Decküberzugsschicht.
Verfahren zur Herstellung einer Beschichtungsstruktur, umfassend die Schritte Bilden eines Films auf einer Oberfläche eines Basisabschnitts, der einen keramischen Matrixverbundwerkstoff aus ZrSiO₄ oder HfSiO₄ enthält, durch ein Aerosolabscheidungsverfahren, um eine Haftüberzugsschicht zu bilden; Bilden einer Decküberzugsschicht auf einer Oberfläche der Haftüberzugsschicht durch thermisches Spritzen; und Durchführen einer Wärmebehandlung für einen geschichteten Körper, der die Haftüberzugsschicht und die Decküberzugsschicht umfasst, nach dem Bilden der Haftüberzugsschicht und der Decküberzugsschicht.
Verfahren zur Herstellung einer Beschichtungsstruktur nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Schritt des Bildens der Haftüberzugsschicht einen Schritt des Dispergierens eines dispergierten Materials, das Silicium oder Titan enthält, umfasst.