JP2001525015A - タービン囲い板用のレーザセグメント化された熱防壁被覆材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 囲い板の基板を被覆する接合層と接合層を被覆するセグメント化された形態部を有する厚いセラミック安定化ジルコニア層とを含む被覆材を備えたタービン囲い板。セグメント化された形態部はセラミック層の外面から被覆材の全厚のほとんどを通り内部へと延びるが下部の基板を貫通しないスロットあるいは溝のアレイにより区画される。セグメント化された形態部はレーザによりセラミック層に穴空けされる複数の溝を有する。各溝は互いに離間される一連の穴をレーザにより穴空けすることにより形成され、溝は完全にセグメント化された部分と一部セグメント化された部分とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】 タービン囲い板用のレーザセグメント化された熱防壁被覆材 （クロスリファレンス） 本願は１９９７年５月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／０４６，４ ０９号の権利を主張するものである。 （政府の権利） 本発明は米国陸軍から授与されたＤＡＡＪ０２−８９−Ｃ−００３６、米国海 軍から授与されたＮＯＯＯ１９−８９−Ｃ−０１６３、及び米国空軍から授与さ れたＦ３３６５７−８９−Ｃ−２０１３の契約の下で米国政府と共になされた。 米国政府は本発明の幾つかの権利を有するものである。 （技術分野） 本発明は絶縁性で耐摩耗性のセラミック被覆材、特にタービン囲い板のセラミ ック被覆材、セグメント化されたセラミック被覆のタービン囲い板、及びセラミ ック被覆材を通してレーザにより格子パターン状に溝を作る方法に関する。 （背景技術） タービンの囲い板との接触による羽根の先端部の摩耗のためあるいは羽根先端 部の摩耗や囲い板の摩耗を避けるための設計のため、羽根先端部と囲い板との間 の隙間間が大きくなるにつれ高圧タービンの効率が急速に低下することは、当業 者には周知である。タービン羽根の先端部とタービン囲い板との間を通過する高 圧空気は無効となるので、システムの損失となる。別の損失はタービン囲い板を 冷却するためにコン プレッサのブリードエアを使用することにある。絶縁囲い板技術により羽根先端 部の間隙がタービン寿命駆動期間にわたり小さくできれば、低い動作温度でのパ ワー出力が大きくなり、燃費が良くなり使用寿命も延び囲い板の冷却条件も緩く できるので、タービンの総合性能が増加するであろう。 このためガスタービン業界では耐摩耗性のタービン囲い板を開発し、羽根先端 部とタービン囲い板との間の間隙を減少させ、これにより生じる漏れ損失を低減 すべく努力がなされて来た。主にイットリウムにより安定化されたジルコニアの ようなセラミック材料でタービン囲い板を被覆する各種技術が開発された。これ ら技術の利点はエンジン作動中セラミック被覆材の厚さを横切っての熱勾配が険 しいため、セラミック被覆材が割れ易くなることである。この割れのため、密封 効果及びセラミック被覆材の絶縁特性が大きく劣化され、囲い板が変形して羽根 先端部と囲い板との間の隙間に変動が生じ、性能が低下し修理費が高価となるこ とになる。 本願の譲渡人に譲渡され参考のためここに与えられる、“耐摩耗性で、歪に強 いセラミックで被覆したタービン囲い板を製造する方法”と題したストラングマ ンによる米国特許第４，９１４，７９４号には、割れ問題の解決法が提供されて いる。ストラングマンは超合金金属の囲い板基板に溝により分離された格子状の 傾斜段差を含み、耐摩耗性セラミックで被覆された囲い板構造体を開示する。薄 い接合層が傾斜段差に付けられ、それに続き十分に大きな散布角でプラズマ散布 され内部に深い／浅い間隙を形成する安定化ジルコニア層が与え られる。浅い間隙により、歪に強くなり割れを避けることができる。一方ストラ ングマンの発明では、基板面は内部に作る溝を吸収するに十分な厚さを有する必 要がある。厚いセラミック被覆材を有する薄い金属タービン囲い板の場合、金属 基板に十分に深い溝を作り十分に浅い間隙をジルコニア層に設けることは実用的 ではない。 本願の譲渡人に譲渡され参考ためここに示され、“歪に強いセラミックで被覆 した密封体”と題したシエンレによる米国特許第５，３５２，５４０号には、ア レイ状の溝をレーザ加工して密封体の高温セラミック固形潤滑面層を形成する方 法が提供されている。一方薄いＴＢＣ層で被覆された薄いタービン囲い板に適用 されるとき、それほど満足できる結果は得られなかった。特に薄い基板の場合、 溝の深さを正確に制御して基板に接触せず歪を解放するに十分な深さにする必要 がある。シエンレのレーザ加工法では溝の深さに対し所定の制御レベルが得られ ない。またレーザ加工により生じる安定化ジルコニア蒸気はレーザの背部の溝に 充填する傾向にある。この後方充填減少を補償するため、溝は過度に広く作らね ばならず、このため囲い板の密封効果が失われてしまう。 （発明の開示） 本発明の一目的は薄い金属タービン囲い板上の厚いセラミック熱防壁被覆材に 対しセグメント化された形態部を形成する方法を提供することにある。 本発明の別の目的は歪に強く厚いセラミック熱防壁被覆材を備えた薄い金属の タービン囲い板を提供することにある。 本発明の更に別の目的は低廉で歪に強いセラミック熱防壁被覆材を提供するこ とにある。 本発明によればこれら目的は、囲い板の基板を被覆する接合層と接合層を被覆 するセグメント化された形態部を有する厚いセラミック安定化ジルコニア層とを 含む被覆材を備えたタービン囲い板を提供することにより達成される。セグメン ト化された形態部はセラミック層の外面から被覆材の全厚のほとんどを通り内部 へと延びるが下部の基板を貫通しないスロットあるいは溝のアレイにより区画さ れる。セグメント化された形態部はレーザによりセラミック層に穴空けされる複 数の溝を有する。各溝は互いに離間される一連の穴をレーザにより穴空けするこ とにより形成され、溝は完全にセグメント化された部分と一部セグメント化され た部分とを有している。 （図面の簡単な説明） 図１は本発明によるレーザによりセグメント化された厚い熱防壁被覆材を備え るタービン囲い板の斜視図、図２は図１のタービン囲い板の切断図である。 （発明を実施するための最良の形態） 図面を参照するに、本発明に関するター ビン囲い板全体は参照番号１０で示されている。タービン囲い板１０は薄い金属 リングとしての基板１２を有し、基板１２の内面は接合被覆層１４で被覆され、 接合被覆層１４自体は厚いセラミック熱防壁被覆層１６で被覆されている。金属 リングである基板１２は厚さが好ましくは０．０１０インチ（０．２５ｍｍ） より大きく、基板１２は高いニッケル、コバルトあるいは鉄を主成分とする高温 構造金属あるいは合金で作られ、タービン囲い板及び他のガスタービンエンジン 構成部品も上記金属あるいは合金で作れる。好ましくは基板１２はＨａｓｔａｌ １ｏｙ２５あるいはＭａｒ−Ｍ５０９である。 接合被覆層１４は基板１２の内面上に形成される。接合被覆層１４は通常ＭＣ ｒＡ１Ｙ合金で作られる。このような合金は１０〜３５％のクロム、５〜１５％ のアルミニウム、０．０１〜１％のイットリウムあるいはハフニウムあるいはラ ンタンの広い配合を有し、残りはＭである。Ｍは鉄、コバルト、ニッケル及びそ の混合物の群から選択される。ＴａやＳｉのような少量の他の元素も存在できる 。これら合金は当業者には周知であり、参考のためここに示す米国特許第４，８ ８０，６１４号、第４，４０５，６５９号、第４，４０１，６９６号及び第４， ３２１，３１１号に説明されている。接合層１６は好ましくは３１重量％のクロ ム、１１重量％のアルミニウム、０．６重量％のイットリウム、残りがニッケル の配合のＮｉＣｒＡｌＹで作られ、好ましくは空気プラズマ散布処理法、低圧（ 真空）プラズマ散布法、あるいは不活性ガス（例えばアルゴン）で囲まれた空気 プラズマ散布法により被覆される。接合被覆層１４の厚さは好ましくは約０．０ ０４インチ（約０．１０ｍｍ）である。プラズマ散布環境は基板温度及び被覆寿 命条件にしたがって選択される。ＮｉＣｒＡｌＹ層１４はニッケルを主成分とす る金属面１２及びその上に蒸着されるセラミックＴＢＣ被覆層に対し高い接着力 を 有している。 セラミック層１６は好ましくは約０．０３５インチ（約０．８９ｍｍ）の厚さ にまで空気プラズマ散布ガンによりＮｉＣｒＡｌＹ接合層１４の表面に形成され る。セラミック層１６は好ましくはイットリウムにより安定化されたジルコニア で作られ、その配合は公称的には８重量％のイットリウムを含み、大量の単斜晶 の形成を禁止している。セラミック層１６の散布したままの面は粗いので、加工 して平滑な面にし十分な摩擦及び密封特性を得る必要がある。セラミック層１６ の散布されたままの面の粗さは機械加工及び／あるいは研磨により除去され、セ ラミック層１６の厚さは最終厚さ約０．０３０インチ（約０．７６ｍｍ）の約０ ．００２インチ（約０．０５ｍｍ）にされる。 アレイ状の溝２０が自動パルス二酸化炭素レーザを用いてセラミック層１６の 外面１８に切り込まれて、近接離間された一連のテーパ穴２２が形成される。こ の場合テーパ穴の中心間の距離Ｄ₃は０．００６インチ（約０．１５ｍｍ）であ る。最終厚さ０．０３０インチ（約０．７６ｍｍ）のセラミック層の場合、レー ザはパルス幅が４００マイクロ秒、周波数が２７８Ｈｚ、電力設定が１１２ワッ ト、焦点長が２．５インチ（約６３．５ｍｍ）、空気圧が５０ｐｓｉ、及び処理 速度が分当たり１００インチ（約２５４ｃｍ）の条件下で動作する必要がある。 重要なことはこの分離で各テーパ穴２２を穴空けすると、気化されたイットリウ ム安定化ジルコニアが穴の頂部から多く噴し出し、従って予め穴空けされた穴の 壁部上への好ましくない蒸着及び溝間の連結が最少に抑えられる。点線２４で示 される外面１８に最も近い各テーパ穴２２の一部は最終的には先行穴へと突破し 、連続し十分にセグメント化された領域３０及びその下部の一部セグメント化さ れた領域３２が形成される。 図２を参照するに、外面１８での各穴２２の直径Ｄ₁は深さＤ₂(セラミック層 １６の厚さの７０〜１００％の範囲内にする必要がある)の穴を作るに必要なレ ーザパワーにより決定されるが、Ｄ₁の最大値は０．０１０インチ（約０．２５ ｍｍ）にする必要がある。穴２２は外面１８に対し直角に±１０度内で穴空けさ れ、穴間の公称離間距離Ｄ₃は、十分にセグメント化された領域３０の深さＤ₄が セラミック層１６の厚さの少なくとも３０％となるように設定される。最大５％ の溝の長さに対しＤ₂及びＤ₄は小さな値が許される。また間隙の全長が溝の長さ の５％を越えなければ、連続する一連の欠け穴欠け（ｍｉｓｓｉｎｇ ｈｏｌｅ ｓ）の間隙は許される。 穴２２を空けると、セラミック層１６に３個の領域が形成される。これら領域 は十分にセグメント化された領域３０、一部セグメント化された領域３２及びセ グメント化されない領域３４である。十分にセグメント化された領域３０は好ま しくは、セラミック層１６の厚さの少なくとも３０％に相当する深さＤ₄を有す る必要がある。十分にセグメント化された領域３０の下部にある一部セグメント 化された領域３２は、残りの穴の底部から形成されるスチッチワークのミクロ構 造を有している。好ましくは両領域３０、３２の組み合わせた深さＤ₂はセラミ ック層１６の厚さの７０〜１００％の間にする必要がある。最後に領域３４はセ グメント化されておらず、セラミック層１６の厚さの０〜３０％の間の厚さを有 する必要がある。 十分にセグメント化された溝付き領域３０により、セラミック層１６のこの部 分は被覆層の平面上では殆どゼロの有効弾性係数を有する。この状態は特にこの 領域がセラミック面層１８が熱く基板が冷たい場合のエンジン始動中に最も熱膨 張を受けるので、好ましい。一部セグメント化された領域３２は、セグメント化 されない領域３４を有する境界部で十分にセグメント化された領域３０を有する 境界部でのゼロからその最大値まで、面内モジュラスを変化させる。高いモジュ ラスの領域３４は熱応力が比較的低い場合である。エンジン作動中のレーザ熱後 処理中で生じる次の熱サイクルで、セラミック基板の熱膨張の不一致及び熱歪（ 応力）により、接合被覆層１４の頂部まで領域３２内に微細な亀裂が広がる。こ の結果セラミック層１６が十分にセグメント化され領域３２、３４の面内モジュ ラスが低下されるので、望ましい。 これら領域は次第に変化されるので、ＴＢＣ層を横切っての熱膨張の大きな差 が吸収されるという望ましい効果が得られる。ＴＢＣは高い熱抵抗を有している ので、その厚さを経ての温度勾配が急激となり、その外面で最も高温となり金属 囲い板との隣接部では最低温度となる。溝がない場合、高温部分は囲い板に最も 近い相対的に低温の部分より一層大きく 膨張し、熱平衡しようとする作用が生じる。この作用により、セラミック層に亀 裂が生じ割れてしまう。次第に変化する領域のため、面の近傍の最高温度層は最 も障害なく膨張し、このため熱平衡作用およびそれに伴う損傷作用が防止される 。 レーザは２本の直交する方向に複数の列をなす溝２０を切り、溝が等間隔で離 間され均一な格子状外観となるように設計される。レーザにより加工された溝２ ０の深さ及び領域３１〜３３の相対深さは金属基板１２の厚さ及びＴＢＣ層の全 厚により変更可能である。溝を形成する処理を行うと、外面１８にこの溝形成作 業からの屑が付着する。この屑は、所定の厚さまで研磨し空気力学的に平滑な面 にすることにより除去する必要がある。 従って金属囲い板ではなく薄い金属タービン囲い板のＴＢＣ被覆層にレーザに より溝を切る方法が提供され、これによりＴＢＣ層の高温面と金属囲い板との間 の熱膨張の大きな差を吸収する暫定効果が被覆層に生じる。 本発明の一利点は“耐摩耗性で、歪に強いセラミックで被覆したタービン囲い 板を製造する方法”と題したストラングマンによる米国特許第４，９１４，７９ ４号に説明される発明に比べコストが低くなることにある。この利点の理由とし て、（１）溝及び／あるいは傾斜段差パターンを加工して超合金基板にすること により伴うコストが除去でき、（２）超合金材料があまり必要となくなるので全 体の部品はより軽量となり、（３）溝をセラミック層に切る作業が溝を基板に機 械加工する作業より迅速にでき、（４）セラミック層は基板の溝を充填する必要 がないのでセラミック層の厚さを薄くできることが挙げられる。 以上タービン囲い板に関して説明したが、本発明は燃焼器及びライナのような ガスタービンエンジン内の他の構造体に、またガスタービンエンジンに関連しな い構造体にも応用可能である。 上述した発明の各種変更例は当業者には明らかであろう。従って本発明の好ま しい実施態様の上述した詳細な説明は当然一例であり本発明の範囲及び精神を制 限するものではないと考えるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．金属基板と、基板上の接合層と、接合層の上のセラミック層とを備え、セラ ミック層はセラミック層の外面から接合層へ向かって伸びる複数の溝を有してな る装置。 ２．各穴の外面での直径は最大０．０１０インチ（約０．２５ｍｍ）である請求 項１の装置。 ３．金属基板と、基板上の接合層と、接合層の上のセラミック層とを備え、セラ ミック層は接合層上の一部セグメント化された領域と一部セグメント化された領 域の上の完全にセグメント化された領域とを有してなる装置。 ４．セラミック層は更に接合層と一部セグメント化された領域との間にセグメン ト化されない領域を有してなる請求項３の装置。