JP2001521989A - 被膜形成方法及びこの方法を実施するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 表面（２）に開口している冷却孔（４）を備えたガスタービンの羽根（１）に被膜を形成するための被膜形成方法において、被膜形成を行っている間、流体（６）を冷却孔（４）から流出させて、冷却孔（４）が被膜材料で塞がれるのを阻止する。この発明は、またこの被膜形成方法を実施するための被膜形成装置に関する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 この発明は、表面と、この表面に開口部で開口する孔とを備えた構造部材に被
膜を形成する方法に関する。さらに、この発明はこの被膜形成方法を実施するた
めの装置に関する。

【０００２】 ヨーロッパ特許出願公開公報第０２５３７５４号明細書に、被膜の形成方法が
記載されている。この方法は、その表面に冷却孔が開口しているタービンの羽根
に被膜を形成するものである。この冷却孔を表面被膜の形成によって塞がないよ
うに、各冷却孔を被膜形成の前に栓で閉塞している。このような栓は被膜材料が
冷却孔の開口に侵入するのを阻止する。

【０００３】 この発明の課題は、孔の開口部を塞いだり或いは許容できない程に狭めたりす
るのを回避する被膜形成方法を提供することである。さらに、この発明の課題は
、このような被膜形成方法を実施するための装置を提供することである。

【０００４】 この発明によれば、被膜形成方法に向けられた課題は、表面と、この表面に開
口部で開口する孔を備えた構造部材に被膜を形成する方法において、被膜材料を
その表面に形成し、同時に流体を、孔を通して開口部から導出し、その際この流
体をその導出の前に、特に１００〜９００℃の間の温度、好ましくは４００〜７
００℃の間の温度に予め加熱することによって解決される。

【０００５】 このような被膜形成方法によって、孔を被膜形成の際に被膜材料で塞いだり或
いはその開口部を不所望に狭めたりすることが阻止できる。これは、開口部から
流出する流体が被膜材料を少なくとも部分的に押しのけることにより行われる。
即ち、多量の被膜材料が開口部に達することがない。この流体が開口部から流出
する時の圧力を適当に設定することにより、どの程度被膜材料を流体により押し
のけるかを制御することができる。それ故、孔の開口部の範囲に堆積する被膜材
料の量、即ちそこに形成される層厚を制御することが可能である。さらに、流体
を予め加熱することにより、流体によって冷却孔の開口部の回りに局所的に低温
の部分が生じたり、全体としてガスタービンの羽根が冷却されたりすることを回
避することができる。予め加熱されてない流体は、ガスタービンの羽根の、この
ような、少なくとも局所的な冷却により被膜における膜構造の欠陥につながるこ
とがある。通常、ガスタービンの羽根は、膜質を良くするために、被膜形成の際
に高温に保持される。

【０００６】 この開口部は表面に対して小さい断面積を、特に表面の面積の２％より小さい
断面積を持つようにするのがよい。小さな孔は被膜形成の際に容易に詰まること
がある。表面に小さな孔開口部を持つこのような構造部材においても、もはや孔
の閉塞の危険なく、被膜形成を行うことが可能となる。

【０００７】 構造部材として、熱機関の高温ガスの衝流を受ける構造部分が使用される。さ
らに、構造部材としてはタービンの羽根、特にガスタービンの羽根が使用され、
その孔は冷却孔である。ガスタービンの羽根は、しばしば、内部冷却構造を持ち
、これにより冷却媒体ガスを導入して冷却する。その場合、冷却孔も高温ガスの
衝流を受ける表面に開口している。この冷却孔から流出する冷却ガスは羽根板の
表面に沿って流れ、いわゆるフィルム冷却或いは非常に微小な孔の場合には羽根
板の吹出し冷却媒体として作用する。ガスタービンの羽根に加わる強い腐食作用
及び熱負荷に対処するため、この羽根は、そのために、しばしば被膜を備えてい
る。その場合、耐酸化性或いは耐食性保護膜並びにまた熱絶縁膜或いはこれらの
膜の組合せが１つの層システムとして設けられる。さらに、この熱絶縁膜を結着
する中間膜が設けられることもある。

【０００８】 このような被膜は、通常、ガスタービンの羽根の点検間隔を決定する要素であ
る。このようなガスタービンの羽根の被膜を、基本部材をその寿命の点で充分に
利用するために時おり更新することは、しばしば経済的に有意義である。特にガ
スタービンの羽根の被膜を更新する際に、冷却系の効果を、被膜形成の間に表面
に開口している冷却孔を塞ぐことによって阻害してはならないと言う問題が生ず
る。被膜形成の間に、即ちまた、例えば上記の層システムの個々の膜に対しても
、冷却孔を通して流体を押しつけることによって、冷却孔が塞がれたり或いは許
容できない程度に狭められたりすることを阻止することができる。

【０００９】 熱絶縁膜としては、特に酸化ジルコニウムをベースとする熱絶縁膜を形成する
のがよい。

【００１０】 さらに、耐酸化性及び／又は耐食性保護膜としては、特にＭＣｒＡｌＹ膜を形
成するのがよい。この膜は、鉄、コバルト、ニッケルの群の少なくとも１つの金
属（Ｍ）と、クロム（Ｃｒ）と、アルミニウム（Ａｌ）と、イットリウム（Ｙ）
及び／又はハフニウム及び／又は希土類、特にスカンジウム、ランタン或いはセ
リウムの群の１つの金属を含む。耐酸化性及び／又は耐食性保護膜は付加的にレ
ニウムを、特に１〜１５ｗｔ％の濃度で含むことができる。

【００１１】 被膜形成はＰＶＤ（物理蒸着法）法で行うのがよい。さらに、この被膜形成を
ガスジェットスパッタリング（ＧＳ−ＰＶＤ）法で行ってもよい。この方法では
、被膜材料はイオンビームのイオン衝撃によって固体複合物からはじき出され、
このイオンビームによって表面にまで運ばれ、表面に析出する。ガスジェットス
パッタリングではガス、特にアルゴンのような不活性ガスが陽極でイオン化され
、陰極に向かって加速される。陰極には固体の形で被膜材料が存在している。イ
オンの衝突によりこの固体から被膜材料がはじき出され、イオン化されたアルゴ
ンにより構造部材の表面にまで運ばれ、そこに析出する。

【００１２】 この被膜形成は、ガスジェットスパッタリングにより室内で行うのがよい。こ
の場合、この室内には室内圧が設定され、しかもこの室内圧に対して０．０２〜
０．２ヘクトパスカルだけ高い圧力で流体が開口部から導出される。このガスジ
ェットスパッタリングのために、流出する流体の上述のような値の、室内圧に対
する過圧は、被膜材料の孔開口部の範囲の堆積を制御するのに特に適した圧力で
あることが実証されている。

【００１３】 被膜形成はまた、熱溶射により行ってもよい。さらに、この被膜形成は、イオ
ンビームにより被膜材料を表面にまで導くプラズマ溶射によって、特に真空或い
は低圧プラズマ溶射により行うこともできる。プラズマ溶射においては、陰極、
通常タングステン陰極と、陽極、通常水冷のリング状銅陽極との間にアークを形
成し、これにより流入するプラズマガスをイオン化してプラズマを発生する。こ
のプラズマの中にキャリアガスにより高速で被膜材料を霧状に送り込み、溶融さ
せ、プラズマにより被覆される構造部材の表面にまで運び、そこに析出させる。
例えばイオンビームの速度に関係して、イオンビームの衝突位置、いわゆるスポ
ットにはスポット圧が生ずる。

【００１４】 イオンビームが表面に衝突する位置に、２００〜６００ヘクトパスカルのスポ
ット圧が発生するようにし、流体をこのスポット圧の２０％〜１２０％の圧力で
、特にスポット圧より低い圧力で開口部から流出させるのがよい。さらに、この
被膜形成を室内圧が形成された室内で行い、その際流体をこの室内圧より１０〜
４０％、特に凡そ２０％だけ高い圧力で開口部から流出させるのがよい。

【００１５】 この流体としては、不活性ガス、特にアルゴンを使用する。不活性ガスの使用
により、被膜に時として生ずる流体の化学的な影響を阻止することができる。

【００１６】 この発明によれば、装置に関する課題は、表面に開口する冷却孔を備えたガス
タービンの羽根の被膜形成方法を実施するための装置において、ガスタービンの
羽根に流体的に接続可能な不活性ガス容器を設けることによって解決される。

【００１７】 図面に基づき、この発明の実施例を詳細に説明する。なお、図面の各図におい
て同一の記号明細書は同一の部分を示す。

【００１８】 図１には、ガスジェットスパッタリングを実施するための被膜形成装置１５の
基本的構造が模式的にかつ尺度を無視して示されている。被膜形成装置１５は容
器２３を有し、この中に真空ポンプ１８によって１ヘクトパスカル以下、特に凡
そ０．５ヘクトパスカルの真空を作ることが可能である。容器２３の内部に、円
筒状の断面を持つ中空陰極２４が配置されている。大きな構造部材に被膜を形成
するために、このような数個の中空陰極、即ち矩形状の断面を持つ線形の中空陰
極を、長軸に沿って配列して使用する。台形状に開口している中空陰極もまた使
用することができる。この中空陰極２４の内部に棒状の陽極２５が配置され、こ
の陽極は直流電源２６を介して中空陰極２４に接続されている。この直流電源２
６は、例えば４００〜８００Ｖの直流電圧を発生する。中空陰極２４は固体複合
体１４の中に被膜材料５Ａ、５Ｂを持っている。この固体複合体は中空円筒とし
て形成するか、或いは例えば中空陰極２４の内壁を塞ぐ個々の板から構成する。
中空陰極２４はガス入口２７を持つ外側容器を持ち、この入口は図示してないガ
ス供給源に接続され、これを介して不活性ガス２８、特にアルゴンが陰極２４内
に導入される。ガス入口２７に対向して、中空陰極２４はガス出口２９を持って
いる。これを通して不活性ガス２８が中空陰極２４から流出する。位置的にガス
出口２９の上方において、構造部材１、この場合ガスタービンの羽根がホルダー
装置３０に保持されている。ホルダー装置３０は補助電圧源３１を介して中空陰
極２４に接続可能である。中空陰極２４とホルダー装置３０との間で、それぞれ
、構造部材１に印加された直流電圧により、構造部材１の表面浄化をイオン化さ
れた不活性ガス原子によって行う。ホルダー装置３０は、好ましくは図示しない
駆動装置を備え、これによりその長軸１Ａを中心とする構造部材１の連続回転運
動が行われる。位置的に構造部材１の上方には、熱輻射及び／又は対流により構
造部材を加熱するための加熱装置３２が配置されている。この加熱装置３２は、
必要に応じて構造部材１の側面に同一位置レベルで配置できることも自明である
。同様に、位置的に逆の配置或いは水平配置の全ての機器構成も可能である。ガ
スタービンの羽根１はホルダー装置３０を介して不活性ガス容器、特にアルゴン
の容器に接続されている。弁１３Ａの開口を介して、アルゴンはガスタービンの
羽根１に導かれる。ガスタービンの羽根１は、その表面２に開口する冷却孔４（
図３参照）を持っている。この冷却孔４からアルゴンが被膜形成の間に流出し、
これにより冷却孔４が塞がれたり、或いは許容できない程に狭められたりするの
を阻止する。

【００１９】 図２は、表面２を備えたガスタービンの羽根１の、縦断面の断片を示す。表面
２には、ＭＣｒＡｌＹからなる耐酸化性もしくは耐食性の保護膜９を形成する被
膜材料５Ｂが付着している。この耐酸化性もしくは耐食性の保護膜９の上に、被
膜材料５Ａがセラミックの熱絶縁膜８として形成されている。

【００２０】 図３は、ガスタービンの羽根１の表面２において、開口部３で開口している冷
却孔４の縦断面を示す。冷却孔４は、その軸４Ｂに沿って表面２に対して斜めに
走り、この図からは分からないが、平面において紙面に対して垂直に台形状に広
がっている。開口部３の縦断面は、開口部３の第一の側面３Ｂと、この側面に対
向する第二の側面３Ｃとを示している。この第一の側面３Ｂは表面に対して平坦
な角度になっている。これにより、このようなガスタービンの羽根１を図示しな
いガスタービン設備において使用するとき、冷却孔４を通して流出する冷却ガス
がフィルムを形成して表面２に沿って流れることになる。台形状に広がった開口
部３は、その場合、冷却ガスを扇形に広げる働きをする。

【００２１】 図３の実施例においては、ガスタービンの羽根１にプラズマ溶射により被膜を
形成する。その場合、ただ模式的にのみ示すプラズマ発射銃３５からイオン化さ
れたアルゴンのイオンビーム１１が出る。このイオンビーム１１は、被膜材料５
を道連れにする。被膜材料５は表面２上の位置１２、即ちスポットに当たり、そ
こに堆積する。この位置１２には、特にイオンビーム１１の速度に関係してスポ
ット圧が発生する。被膜材料５は孔４の壁４Ａにも衝突し、孔４への侵入深さが
増すに従い減少する膜厚を持って孔壁４Ａに堆積する。被膜材料５が開口部３を
余りに狭めたり或いは全く塞いだりするのを回避するために、流体６、この場合
アルゴンを冷却孔４から流出させる。これにより流出する流体６が被膜材料５の
少なくとも一部を押しのけ、従って被膜材料５が開口部３に不所望に厚く堆積す
るのを阻止する。それ故、開口部３が許容できない程に狭められたりするのを回
避できる。開口部３が許容できない程に狭まると、通流可能な冷却ガスの流量が
減少するので冷却能力が減少する。その上、特に開口部３の側面３Ｂに被膜材料
５が許容できない程に厚く堆積すれば、冷却ガスの流出角度もまた広がり、これ
によりフィルム冷却の効果が減少する。開口部３の許容できない狭窄を回避する
ことにより、冷却系の性能をガスタービンの羽根１の被膜形成後にも維持できる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】 被覆される構造部材を配置した被膜形成装置の模式的断面図。

【図２】 ガスタービンの羽根の被膜の縦断面図。

【図３】 被膜形成中のガスタービンの羽根の表面における冷却孔の縦断面図。

【符号明細書の説明】

１ 構造部材（ガスタービンの羽根） １Ａ 構造部材の長軸 ２ 構造部材の表面 ３ 構造部材の表面における開口部 ３Ｂ 開口部の側面 ３Ｃ 開口部の側面 ４ 構造部材の表面に開口する孔 ５Ａ 被膜材料 ５Ｂ 被膜材料 ６ 流体 ７ 開口部の断面積 ８ 熱絶縁膜 ９ 耐酸もしくは耐食保護膜 １０ 被膜形成室 １１ イオンビーム １２ スポット １３ 不活性ガス容器 １３Ａ 弁 １４ 固体複合体 １５ 被膜形成装置 ２３ 被膜形成装置の容器 ２４ 中空陰極 ２５ 陽極 ２６ 直流電源 ２７ ガス入口 ２８ 不活性ガス ２９ ガス出口 ３０ ホルダー装置 ３１ 補助電源 ３２ 加熱装置 ３５ イオン発射銃

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面（２）と、この表面（２）に開口部（３）で開口する孔（
   ４）とを備えた構造部材（１）に被膜を形成する方法において、 被膜材料（５Ａ、５Ｂ）を表面（２）に形成し、同時に流体（６）を孔（ ４）
   を通して開口部（３）から導出し、この流体（６）をその導出前に、特に１００
   〜９００℃の間の温度に予め加熱する被膜形成方法。
2. 【請求項２】開口部（３）が表面（２）に対して小さい断面積（７）、特に
   表面の面積の２％より小さい断面積（７）を持っている請求項１に記載の被膜形
   成方法。
3. 【請求項３】構造部材（１）が熱機関の高温ガスの衝流を受ける構造部材で
   ある請求項１又は２に記載の被膜形成方法。
4. 【請求項４】構造部材（１）がタービンの羽根、特にガスタービンの羽根で
   あり、孔（４）が冷却孔である請求項３に記載の被膜形成方法。
5. 【請求項５】構造部材（１）が燃焼室ライニングの熱遮蔽である請求項３に
   記載の被膜形成方法。
6. 【請求項６】鉄、コバルト、ニッケルの群の少なくとも１つの金属（Ｍ）と
   、クロム（Ｃｒ）と、アルミニウム（Ａｌ）と、イットリウム及び／又はハフニ
   ウム及び／又は希土類、特にスカンジウム、ランタン或いはセリウムの群の１つ
   の金属（Ｙ）とを含むＭＣｒＡｌＹからなる耐酸化性及び／又は耐食性保護被膜
   （９）を形成する請求項１ないし５の１つに記載の被膜形成方法。
7. 【請求項７】特に酸化ジルコニウムをベースとする熱絶縁膜（８）を形成す
   る請求項１ないし６の１つに記載の被膜形成方法。
8. 【請求項８】被膜形成をＰＶＤ（物理蒸着）法により行う請求項１ないし７
   の１つに記載の被膜形成方法。
9. 【請求項９】被膜形成をガスジェットスパッタリング（ＧＳ−ＰＶＤ）法に
   より行い、その際被膜材料（５）をイオン衝撃により固体複合体（１４）からは
   じき出し、表面（２）に析出させる請求項８に記載の被膜形成方法。
10. 【請求項１０】被膜形成を、室内圧が設定された被膜形成室（１０）内で行
    い、その際流体（６）をこの室内圧に対して０．０２〜０．３ヘクトパスカルだ
    け高い圧力で開口部（３）から導出する請求項９に記載の被膜形成方法。
11. 【請求項１１】被膜形成を熱溶射により行う請求項１から７の１つに記載の
    被膜形成方法。
12. 【請求項１２】熱溶射としてプラズマ溶射、特に真空或いは低圧プラズマ溶
    射を適用し、その際イオンビーム（１１）により被膜材料（５）を表面（２）に
    まで導く請求項１１に記載の被膜形成方法。
13. 【請求項１３】表面（２）においてイオンビーム（１１）が衝突する位置（
    １２）にスポット圧、特に２００〜６００ヘクトパスカルのスポット圧を発生さ
    せ、その際流体（６）をこのスポット圧の２０〜１２０％の圧力で、特にこのス
    ポット圧より低い圧力で導出する請求項１２に記載の被膜形成方法。
14. 【請求項１４】被膜形成を室内圧の形成される室内で行い、流体（６）をこ
    の室内圧より１０〜４０％だけ、特に凡そ２０％だけ高い圧力で開口部から導出
    する請求項１２に記載の被膜形成方法。
15. 【請求項１５】流体（６）として不活性ガス、特にアルゴンを使用する請求
    項１ないし１４の１つに記載の被膜形成方法。
16. 【請求項１６】表面（２）に開口する孔（４）を備えたガスタービンの羽根
    （１）に被膜を形成するための上記請求項１ないし１５の１つに記載の方法を実
    施する被膜形成装置（１５）において、ガスタービンの羽根（１）と流体的に接
    続可能である不活性ガス容器（１３）が設けられている被膜形成装置。