JP2002538302A

JP2002538302A - 耐高温侵食性で摩耗性の複合断熱被覆

Info

Publication number: JP2002538302A
Application number: JP2000602502A
Authority: JP
Inventors: メリル，ゲアリー，ビイ; モリソン，ジェイ，エイ
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2002-11-12
Also published as: DE60021178D1; WO2000052307A1; DE60021178T2; AU3383800A; EP1165941A1; US6235370B1; KR20010102448A; EP1165941B1

Abstract

(57)【要約】複合断熱被覆システムは、金属製のハニカム構造（２）に、リン酸塩の結合母材内の中空で高い熱膨張率のセラミック球体（６）を充填したものである。複合断熱被覆システムは、現在の断熱被覆システムを超える厚さ（Ｔ）にして、高い耐高温保護を与えることが可能である。優れた耐侵食性及び摩耗性も得られる。複合断熱被覆は、リングシールセグメント、静翼セグメントのシュラウド、移行部及び燃焼器のような燃焼タービンに有用である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】

本発明は、耐高温侵食性で摩耗性の複合被覆に関し、さらに詳細には、燃焼タ
ービンのリングシールセグメント、静翼セグメントのシュラウド、移行部及び燃
焼器のような用途への断熱被覆のような被覆の使用に関する。

【０００２】

【背景情報】

燃焼タービンの金属部品は非常に高い温度で作動されるため、断熱被覆（ＴＢ
Ｃ）を必要とする場合が多い。従来のＴＢＣは通常、ジルコニアの薄い層より成
る。多くの用途において、これらの被覆は耐侵食性及び磨耗性でなければならな
い。例えば、タービン動翼の先端部と非常に厳密な公差で嵌合するタービンのリ
ングシールセグメントは、耐侵食性を備えると共に、タービン動翼の損傷を減ら
すために優先的に摩耗しなければならない。

【０００３】従来のＴＢＣは、その下の金属基体に対する十分な接着性を得るために、例え
ば０．５ｍｍ未満の比較的薄い層になっている。この厚さは、被覆と金属基体の
間の熱膨張率のミスマッチによる制約を受ける。しかしながら、このように薄い
層では被覆の熱伝達特性に制約があり、最適の耐侵食性及び摩耗性が得られない
。

【０００４】本発明は、上記の点に鑑み、かつ従来技術の他の問題点に対処するために開発
されたものである。

【０００５】

【発明の概要】

本発明は、リングシールセグメントなどのようなガスタービン部品に使用可能
であり、耐高温性及び断熱性と／または摩耗性を備えた複合被覆システムを提供
する。好ましい複合材料は、金属の基層または基体、金属製のハニカム構造、及
びセラミックの充填材料より成る。セラミック充填材料は、リン酸塩の母材内の
中空のセラミックより成る球体であり、これにより耐高温性と優れた断熱性が得
られる。その結果得られるシステムは、コンプライアンス性を有し、セラミック
と金属基体の材料間の異なる熱ひずみを吸収する。ハニカム／セラミック複合材
は、オプションとして、セラミックの上部層を備えており、この層が金属製のハ
ニカム体を保護し断熱する。

【０００６】本発明の複合材は、断熱性に優れているだけでなく、正しく調製されれば卓越
した摩耗性を有する。ハニカム構造は、セラミック材料とその下の金属基体／部
品の間に良好な接着性を与える。処理の間、セラミックをハニカム構造のセル内
に浸透させることにより、このハニカム体は、セラミックと金属の間の接着性を
向上させる機械的拘束力をさらに増加させる。複合材は、例えば２ｍｍまたはそ
れ以上のオーダーの比較的厚い断熱被覆の使用を可能にし、金属製高温部分のガ
スタービン部品に対して非常に良好な耐高温保護を与える。

【０００７】この材料システムは、適切な摩耗性だけでなく、優れた耐侵食性を有する。例
えば、リングシールセグメント上のセラミックは、リングシールセグメントと動
翼先端部が擦れ合う時、動翼の金属に対して優先的に摩耗する必要がある。この
特性により、動翼先端部の間隙を狭くしてエンジン効率を改善することが可能と
なり、その際、同様な状況下で従来のＴＢＣ被覆が与えた損傷を動翼先端部に与
えることがない。

【０００８】本発明は、リングシールセグメント、移行部、燃焼器、静翼プラットフォーム
などと共に用いるための耐久性を備えた、低コストの断熱被覆システムを提供す
る。この被覆は従来のＴＢＣと比較して厚さを大きくできるため、基体の金属部
品の耐高温保護が改善される。セラミック被覆を金属基体に接着するために金属
製ハニカム構造を用いるが、これにより、ベースとなる金属とセラミックの間の
コンプライアンスが増加し、局部的な応力が最小限に抑えられ、部品の寿命が延
びる。被覆システムは、ろう付け、裏込め(back-filling)及び熱処理のような単
純なステップで適用できるため、従来のジルコニア系ＴＢＣ被覆の電子ビームに
よる物理的蒸着法及びそれに匹敵する空気プラズマ溶射法と比べて格段に低いコ
ストで形成することが可能である。

【０００９】本発明の１つの側面は、金属の基体と、金属の基体に固定された金属支持構造
と、一部が少なくとも金属支持構造の内部にあり、セラミック母材内の中空のセ
ラミック粒子より成るセラミック充填材料とより成る複合断熱被覆を提供するこ
とである。

【００１０】本発明の別の側面は、複合断熱被覆の製造方法を提供することである。この方
法は、金属支持構造を金属の基体に固定し、金属支持構造の空所を、中空セラミ
ック粒子と結合材料より成るセラミック充填材料で少なくとも部分的に充填し、
セラミック充填材料を加熱して中空セラミック粒子を連結するセラミック母材を
形成するステップを含む。

【００１１】本発明の上記及び他の局面は、以下の説明からより明らかになるであろう。

【００１２】

【実施例の詳細な説明】

図１は、本発明の複合断熱被覆の一部を略示する平面図である。この複合断熱
被覆は、開いたセルを有するハニカム体より成る金属支持構造２を有する。セラ
ミック母材４の中に中空のセラミック粒子が含まれるセラミック充填材料は、ハ
ニカム体２のセルを充填する。図１に示す支持構造２はハニカム形であるが、開
いたセルを有する他の幾何学的形状を本発明に従って使用することも可能である
。

【００１３】ハニカム体２のセルは、好ましくは、約１ｍｍ乃至約７ｍｍの幅を有する。ハ
ニカム体２の壁厚は、好ましくは約０．１ｍｍ乃至約０．５ｍｍである。ハニカ
ム体２は、例えば、ＰＭ２０００のような鉄系酸化物分散強化（ＯＤＳ）合金、
またはニモニック(Nimonic)１１５またはインコネル(Inconel)７０６のような耐
高温ニッケル超合金である少なくとも１つの金属より成るのが好ましい。ＰＭ２
０００は、約２０重量パーセントのＣｒ、５．５重量パーセントのＡｌ、０．５
重量パーセントのＴｉ、０．５重量パーセントのＹ₂Ｏ₃と、残りのＦｅより成る
。ニモニック１１５は、約１５重量パーセントのＣｒ、１５重量パーセントのＣ
ｏ、５重量パーセントＡｌ、４重量パーセントのＭｏ、４重量パーセントＴｉ、
１重量パーセントのＦｅ、０．２重量パーセントのＣ、０．０４重量パーセント
Ｚｒと、残りのＮｉより成る。インコネル７０６は、約３７．５重量パーセント
のＦｅ、１６重量パーセントのＣｒ、２．９重量パーセントのＣｏ、１．７５重
量パーセントのＴｉ、０．２重量パーセントのＡｌ、０．０３重量パーセントの
Ｃと、残りのＮｉより成る。

【００１４】ハニカム体２の壁は、好ましくは、厚さ約０．００５乃至約５ミクロンの酸化
物表面被覆を有する。酸化物表面被覆は、アルミナ、チタニア、イットリアのよ
うな金属酸化物、及びハニカム体の材料組成物に関連がある他の安定な酸化物よ
り成る。

【００１５】セラミック充填材料のセラミック母材４は、好ましくは、リン酸一アルミニウ
ム、リン酸イットリウム、リン酸ランタン、リン酸ホウ素及び他の耐熱性リン酸
塩またはリン酸塩でない結合材等より成る。セラミック母材４はまた、ムライト
、アルミナ、セリア、ジルコニア等のセラミック充填剤粉末も含むことがある。
オプションとしてのセラミック充填剤粉末は、好ましくは、平均粒径が約１乃至
１００ミクロンである。

【００１６】図１に示すように、中空セラミック粒子６は好ましくは球形であり、ジルコニ
ア、アルミナ、ムライト、セリア、ＹＡＧ等より成る。その中空のセラミック球
体６は、平均粒径が約０．２乃至１．５ｍｍであるのが好ましい。

【００１７】図２は、本発明の一実施例による複合断熱被覆の一部を略示する側断面図であ
る。ハニカム支持構造２、セラミック母材４及び中空セラミック粒子６は金属の
基体８に固定されるが、この金属の基体は、ニッケル系超合金、コバルト系超合
金、鉄系超合金、ＯＤＳ合金または電子化合物材料のような合金より成る。複合
被覆を基体８に固定するために、ろう付け材１０を使用するのが好ましい。ろう
付け材１０は、ＡＭＳ４７３８またはＭＢＦ１００等の材料より成る。図２の実
施例では、ろう付け材１０により複合断熱被覆を基体８に固定するが、被覆を基
体に固定する他の任意適当な手段を用いることが可能である。好ましい実施例に
おいて、金属の基体８は、リングシールセグメント等のような燃焼タービンの部
品を構成する。

【００１８】多くの用途において、金属支持構造及びセラミック充填材料を含む複合断熱被
覆の厚さＴは、好ましくは約１乃至６ｍｍ、さらに好ましくは２乃至４ｍｍであ
る。しかしながら、この厚さは、それぞれの用途の特定の熱伝達条件に応じて変
更することが可能である。

【００１９】図２に示す実施例では、セラミック充填材料４、６は、ハニカム体２のセルを
実質的に充填している。図３に示す別の実施例では、セラミック充填材料をさら
に付加して、ハニカム体２を覆う上部層１２とする。図３に示す実施例の上部層
１２は、ハニカム体２のセルを充填するセラミック充填材料４、６とほぼ同じ組
成を有する。この上部層１２の組成を変えることも可能である。上部層１２の厚
さは、好ましくは、約０．５乃至約２ｍｍであり、その下のハニカム体の厚さに
ほぼ比例する。

【００２０】図４は、中間層１４を基体８とセラミック充填材料４、６の間に設けた本発明
の別の実施例を示す。この実施例において、中間層１４は、空所または断熱繊維
材等のような低密度の充填材料より成る。この中間層は基体材料に対する断熱性
を増加し、被覆のコンプライアンス性の増加にも寄与する。中間層１４の厚さは
、好ましくは、約０．５乃至約１．５ｍｍの範囲内である。

【００２１】本発明によると、複合断熱被覆は、従来の薄いＡＰＳ断熱被覆に匹敵する熱束
（１−２ｘ１０⁶Ｗ／ｍ²）内で機能することができる。しかしながら、その利点
は、従来のＴＢＣと比較すると厚さを増加できるため、これらの熱束をオーダー
の大きさで減少できる点にある。冷却条件がそれに応じて減少するため、エンジ
ンの熱力学的効率が改善される。

【００２２】複合断熱被覆は、好ましくは、耐粒子侵食性を有するが、この特性は熱溶射に
より適用される従来のＴＢＣに匹敵するかそれよりも優れたものである。本発明
のシステムのベースライン版につき測定した侵食速度は、下記のように、熱溶射
で適用される従来のＴＢＣ及び従来の摩耗性被覆と比べると低い。

【００２３】表１裏込めされたハニカム断熱被覆の定常侵食速度テスト条件粒径２７ミクロン粒子タイプＡｌ₂Ｏ₃ 衝撃速度９００フィート／秒衝突角度１５° テスト温度２３５０°Ｆテスト結果本発明従来のＴＢＣ従来の摩耗性被覆３．２４．６−８．６５０−６０ｇ／ｋｇ − 標的喪失量（ｇ）／侵食性媒体衝撃量（ｋｇ）本発明は、タービンの動翼先端部のシール及び他の耐高温シールに使用する摩
耗性被覆として有用である。ベースライン版の摩耗性の目安を、体積摩耗比（Ｖ
ＷＲ）に基づき以下に示す。摩耗性は、熱溶射により適用される従来の摩耗性被
覆に匹敵する。本発明により得られる利点として、基体への金属学的結合及びハ
ニカムによるコンプライアンス性により得られる機械的健全性、及び、例えば従
来の被覆よりも１０倍以上優れた耐侵食性がある。

【００２４】表２本発明と従来の摩耗性被覆のＶＷＲ摩耗性比較動翼接触条件本発明従来の摩耗性被覆（ＡＰＳ−ＹＳＺ）動翼先端部未処理２２．５動翼先端部ＣＢＮ被覆１５−４０２５０ ^＊ＶＷＲ＝シール摩耗体積／動翼先端摩耗体積注：本発明のベースライン版は、摩耗性については最適化されていなかった
。

【００２５】本発明の好ましい実施例によると、ハニカム体は、鉄系ＯＤＳ合金用のコバル
ト系ろう付け材であるＭＢＦ１００、またはニッケル系超合金用のＮｉｃｒｏｂ
ｒａｚｅ１３５のような従来の耐高温ろう付けフォイルまたは粉末を用いて、金
属の基体の表面にろう付けすることができる。ＭＢＦ１００は、約２１重量パー
セントのＣｒ、４．５重量パーセントのＷ、２．１５重量パーセントのＢ、１．
６重量パーセントのＳｉと、残りのＣｏより成る。Ｎｉｃｒｏｂｒａｚｅ１３５
は、約３．５重量パーセントのＳｉ、１．９重量パーセントのＢ、０．０６重量
パーセントのＣと、残りのＮｉより成る。ろう付けは、好ましくは、真空炉内に
おいて、約９００乃至約１２００℃の温度で、約１５乃至約１２０分の時間をか
けて行う。

【００２６】ハニカム体を金属の基体表面にろう付けした後、好ましくは、部分的に酸化さ
せてハニカム体の表面上に酸化物被覆を形成させ、セラミック充填材料を接合し
易くする。ハニカム体の表面の部分的酸化は、ろう付け後空気中で熱処理するか
、または真空が約１０^-4トルに制御される場合はろう付けサイクルの間に行うこ
とができる。

【００２７】その後、ハニカム体のセルの少なくとも一部に、中空セラミック粒子と結合材
料より成る流動性セラミック充填材料を充填し、次いで流動性セラミック充填材
料を加熱して、中空セラミック粒子が埋め込まれたセラミック母材を形成させる
。流動性セラミック充填材料は、好ましくは、中空セラミック粒子と、母材を形
成する結合材料が溶剤に分散されたものである。リン酸塩の結合材溶液を形成す
るために用いる溶剤は、水である。この溶剤は、好ましくは、約３０乃至約６０
重量パーセントの流動性セラミック材料を含む。流動性セラミック充填材料は、
溶剤を用いずに、粉末のものを使用してもよい。流動性セラミック充填材料のハ
ニカムの開いたセルへの充填は、好ましくは、攪拌と、押し棒による手動充填の
併用により、ハニカムセル内へ押し込んで、完全に充填するようにする。真空溶
浸、計量ドクターブレーディング及び同様な高体積製造方法のような他の充填方
法を用いてもよい。

【００２８】ハニカム支持構造のセルに流動性セラミック充填材料を充填した後、その材料
を乾燥させて溶剤を実質的に除去する。適当な乾燥温度は、約６０乃至約１２０
℃の範囲内である。

【００２９】充填を行い、その後、オプションとして乾燥させた後、流動性セラミック充填
材料を、好ましくは、約７００乃至約９００℃の温度で約６０乃至約２４０分間
焼成することにより加熱する。焼成温度及び時間パラメータは、好ましくは、中
空セラミック粒子を埋め込んだ所望のセラミック母材が形成されるように制御す
る。焼成後、セラミック母材は、好ましくは、相互接続された骨格構造が中空セ
ラミック粒子を結合するものとなる。その結果得られるセラミック母材は、好ま
しくは、酸化物の充填剤粒子がリン酸アルミニウムによる橋絡結合のネットワー
クで結合されたものである。

【００３０】好ましい方法によると、リン酸一アルミニウム溶液を含むリン酸塩系セラミッ
ク充填材と、セラミック充填剤粉末（ムライト、アルミナ、セリアまたはジルコ
ニアのような）及び好ましいサイズが約０．２乃至約１．５ｍｍの範囲にある中
空セラミック粒子の球体より成る、流動性を持った生の塊を、基体の基部と接触
するまでハニカム体内に適用する。次いで、成形された生のシステムを、残留す
る水を除去するために乾燥した後、焼成して、ハニカム体のセルを充填する耐熱
性の断熱セラミック充填材が形成されるようにする。セラミック充填材料は、最
高約１１００℃またはそれより高い温度において、断熱保護被覆、摩耗性被覆及
び耐侵食性被覆として機能する。裏込めされるセラミック充填材料と同じ組成の
リン酸塩系上部層のようなセラミック上部層、または空気プラズマ溶射またはＰ
ＶＤのような別のセラミック被覆を、オプションとして適用してもよい。

【００３１】リン酸塩の結合材は、基体の基部及びハニカム体の壁上の両方において、酸化
物のスケールに接合する。膨脹係数のミスマッチによりセラミックの表面に割れ
が多少生じることがあるが、ハニカム体への接合及び機械的固定は、セラミック
充填材料をハニカム体の六角形のセル内に保持するに十分なものである。セル間
の結合は、ハニカム体のセルの壁に孔を形成して機械的な結合をさらに強固にす
ることにより得られる。また、ハニカム体を基体の表面に垂直でない角度に形成
することにより、複合物の温度挙動を改善し、機械的接着性を増加することがで
きる。

【００３２】基体の基部への接合性を改善するために、アルミナまたはムライトのようなプ
ラズマ溶射被覆を、セラミック充填材料を付着する前に金属材料に適用してもよ
い。この被覆は、焼成後、オプションとして機械加工により所望の厚さに仕上げ
てもよい。被覆は、リン酸塩接合充填剤を裏込めし、滑らかな仕上げが必要であ
れば、そうしてもよい。

【００３３】下記の例は、本発明の種々の局面を説明するものであり、本発明の範囲を限定
する意図はない。

【００３４】例以下の材料の特定の組合わせにより、被覆システムを製造することができる：
基体の材料としてＸ−４５コバルト系超合金、ハニカム体（壁厚２５ミクロン、
深さ４ｍｍ、セルサイズ３．５６ｍｍ）としてＰＭ２０００、ろう付けフォイル
としてＭＢＦ１００、リン酸一アルミニウムの５０％水溶液、ＫＣＭ７３の焼結
ムライト粉末（粒径２５ミクロン）及び中空の球体（バルク密度１．６ｇ／ｃｃ
、球体直径０．３乃至１．２ｍｍ）としてアルミナである。ハニカム体は、標準
の真空ろう付け法により基体の表面にろう付けされる。ＭＢＦ１００のろう付け
フォイルを、ハニカム体の形状に切断してその下に正確に整列させた後、基体の
上に配置する。次いで、ハニカム体／フォイル組立体を、空気中で基体に抵抗ろ
う付けすることにより、ハニカム体を定位置に固定する。基体へのハニカム体へ
の固定により、ハニカム体がろう付けサイクルの間、基体の表面から撥ねかえる
ことがない。その後、真空ろう付けを表３のスケジュールに従って行う。

【００３５】表３ランプ速度温度（＋／−４℃）時間４℃／分１０６６℃ １０分間保持４℃／分１１９５℃ １５分間保持炉を冷却１０３８℃ N₂ガスによる強制冷却９３℃ プロセスの次の段階は、球体をハニカム体のセルに結合するためのスラリーの
調製である。スラリーは、４９．３重量パーセントのリン酸塩一アルミニウム水
溶液と、５０．７重量パーセントのＫＣＭ７３ムライト粉末とより成る。これら
２つの成分を、粉末が水溶液中に完全に分散されるまで、不活性の容器中で混合
する。その後、この溶液を最小２４時間放置して、金属不純物を粉末から分離さ
せる。

【００３６】その後、ろう付けされたハニカム体の表面にスラリーを適用して、セルの壁の
表面が微粉で覆われるようにする。これは、約２０ｐｓｉの圧力で空気スプレー
ガンを用いて行う。微紛の被覆は、セラミックの中空球体を閉じ込める弱い接着
剤として働く。プロセスの次の段階は、球体を湿ったハニカム体のセル体に適用
することである。セルの体積の約３分の１乃至半分を充填するに十分な球体を用
意する。球体の適用は、必ずしも計量プロセスである必要はない。胡椒ビン方式
を、個々のセルに入る量に普通の注意を払いながら行うことができる。球体を正
しい量だけ適用した後、剛毛の突き固めブラシによりセル内に押し込み、部分的
に充填したセル内にギャップやエアポケットが残らないようにする。突き固め完
了後、充填セルが球体が十分に詰まった状態で完全に充填されるまで上記プロセ
スを繰り返す。スラリーの吹き付け及び球体の充填は、球体が充填されるまで１
回または２回繰り返す必要がある。球体が充填されると、飽和状態のスラリーの
被覆を適用し、残りの空間がスラリーの浸透作用により充填されるようにする。
必要に応じて、スラリーとの接触を回避するために、基体の一部にマスクを施し
てもよい。

【００３７】湿式充填作業を完了した後、湿った状態の生の固まりを、周囲温度で、２４乃
至４８時間、空気中に放置して乾燥させる。その後、空気中で以下の熱処理を施
すことにより、上述した本発明の耐熱性接合体を形成する。

【００３８】表４開始温度ランプ速度保持温度休止時間（℃）（℃／分）（℃）（時）８０ − ８０４８８０１１３０１１３０１８００４８００１０周囲温度 − 焼成後、裏込めしたハニカム体の表面を特定の公差になるよう、ダイアモンド
研磨媒体及び潤滑材として水を用いて機械加工することができる。

【００３９】１次元の熱伝達モデルを用いる本発明のシステムの熱モデルは、従来の薄いＡ
ＰＳタイプの被覆に対する厚いハニカム型被覆の利点を示している。セラミック
充填材と金属製ハニカム体の相対的体積比率から導き出した、２．５Ｗ／ｍＫの
伝達率を、裏込めしたハニカム体に用いる。図５は、本発明のシステムによると
、従来のＴＢＣ被覆と比べて冷却用空気が相対的に減少することを示している。
使用した（図示の）熱伝達条件は、最新式のガスタービンの動作条件を表わす。
これらの曲線は、広い範囲の高温側熱伝達条件（燃焼器から静翼への高温タービ
ン部品の範囲にまたがる）について、本発明のシステムは性能を有意に改善する
（冷却空気が３０％から９０％節約される）ことを示している。これらの利点は
、上部被覆の有無に拘わらず可能である。しかしながら、上部被覆の厚さを合理
的な値にすると、熱伝達条件の低い範囲のところで性能が実質的に大きく改善さ
れる。

【００４０】本発明の被覆システムは、金属の基体のためのＡＰＳ及びＥＢＰＶＤのような
従来の断熱被覆の特異な代替物となる。ハニカム体は、セラミックを厚い層とし
て保持するに必要な機械的支持を提供する。このシステムの構成要素である、ハ
ニカム体、ろう付け材及びセラミックは全て、比較的低コストのものであり、高
コストの製造技術を必要としないため、このプロセスは比較的低コストである。

【００４１】本発明のシステムは、陸用ガスタービンの金属部品に対して大きな温度保護を
与える、摩耗性及び耐侵食性のセラミック断熱被覆を提供する。このシステムは
、金属部品上の１３００℃またはそれよりも高いガス通路温度での使用が可能で
あり、陸用タービンのリングシールセグメント等が少ない冷却空気及び長い寿命
で作動できるようにする。セラミックの充填材料は優れた耐粒子侵食性を与える
が、例えば、動翼先端部とリングシールセグメントが擦り合うように金属とセラ
ミックが擦り合う場合に優先的に摩耗する。金属のハニカム体によりセラミック
を金属基体に固定するため、セラミック充填材料と基体の熱機械的性質による局
部的負荷を減少させるコンプライアンス性がこのシステムから得られる。材料の
この組合わせにより、耐高温性及び許容温度降下の点で新規であり、耐久性及び
摩耗性に優れた断熱材料が得られる。

【００４２】本発明の被覆システムは、金属の寿命を延ばす耐高温保護を必要とする燃焼タ
ービンの実質的に任意の金属表面に適用することができる。非常に厚い表面被覆
の形成が可能になるため、非常に高いガス通路温度が可能となり、部品を冷却す
る空気の量が大きく減少する。リングシールセグメント、移行部及び燃焼器だけ
でなく、本発明のシステムは、静翼セグメントの内側及び外側シュラウドのよう
な部品の平らな高温ガス接触表面に適用することができる。

【００４３】本発明の特定の実施例を例示の目的で説明したが、当業者にとっては頭書の特
許請求の範囲に記載された本発明から逸脱することなく、本発明の詳細事項に対
する多数の変形例及び設計変更が可能であることが明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施例による複合断熱被覆の一部を概略的に示す平面図で
ある。

【図２】図２は、本発明の一実施例による複合断熱被覆の一部を概略的に示す側面図で
ある。

【図３】図３は、本発明の別の実施例による複合断熱被覆の一部を概略的に示す側面図
である。

【図４】図４は、本発明のさらに別の実施例による複合断熱被覆の一部を概略的に示す
側面図である。

【図５】図５は、本発明の複合断熱被覆材料の優れた熱伝達特性を従来の断熱被覆材料
と比較して説明するグラフである。

【手続補正書】

【提出日】平成１４年１月２３日（２００２．１．２３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【０００４】断熱被覆の一例が英国特許出願第２１３０２４４ A号に記載されている
が、その被覆は、低い熱伝導率を有する、好ましくは中空の酸化物粒子と結合剤とより成る複合材料を緻密化し、粉末を高温で等圧圧縮することにより部品の表面に接合したものである。この出願はまた、ＭＣｒＡｌＹタイプの合金より成る金属中間層の使用について言及している。米国特許第４，４０５，２８４号は、多層断熱ライナーを有する断熱被覆に関するものであり、この断熱ライナーはタービンケーシングの壁に直接接触する金属接合被覆と、接合被覆に接合されたセラミック断熱層と、好ましくは、セラミック層に接合される多孔質で、主として金属の上部層とより成る摩耗性被覆とより成る。この特許は、金属のハネカム体により断熱層のタービンケーシングの壁への固着が可能であり、その場合、接合被覆、セラミック層及び上部層はハネカム体のセル内に位置することを記載している。この特許はまた、接合被覆とセラミック層とがハネカム体のセルの一部またはその全体を充填することを記載している。摩耗性断熱被覆の別の例が、米国特許第４，８６７，６３９号に記載されている。この特許は、比較的低い融点を有する磨き仕上げ可能なセラミック材料を用いる摩耗性被覆を記載している。この特許では、予め製造したハネカム体からシュラウド上にろう付けする代わりに、金属繊維フェルト状構造またはセラミック母材がシュラウドに、その軟質セラミック相がシュラウドの孔部に含浸されるように接合される。タービン運転時、熱膨張により動翼が接触して軟質セラミックをさらに変形させる。軟質セラミックは、回転する動翼がシュラウドと擦り合うと溶融状態となり、再び固化すると、摩耗した表面がさらに滑らかになるように設計されている。あるいは、この特許は、軟質セラミック相を、高融点の硬質セラミックまたは金属合金より成るハネカム体シュラウドのライニングに充填または含浸すると、軟質セラミックがタービンを通る高温ガスにより浸食されないことを記載している。本発明は、上記の点に鑑み、断熱被覆から得られる利点をさらに増加させるた
めに開発されたものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｆ０２Ｃ 7/00 ＣＤ 7/28 7/28 ＡＦ２３Ｒ 3/42 Ｆ２３Ｒ 3/42 Ｃ (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者モリソン，ジェイ，エイアメリカ合衆国フロリダ州 32765 オビエドターンベリー・ドライブ 2423 Ｆターム(参考） 3G002 EA05 EA06 EA08 HA04 HA09 HA13 4K044 AA02 AA06 AB10 BA12 BA13 BA17 BA18 BC01 BC02 BC11 BC12 CA11 CA13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属の基体と、基体に固定された金属支持構造と、少なくとも一部が金属支持構造の内部にあり、セラミック母材内の中空セラミ
ック粒子より成るセラミック充填材料とより成る複合断熱被覆。
【請求項２】金属支持構造は、開いたセルを有するハニカム体より成る請
求項１の複合断熱被覆。
【請求項３】ハニカム体は、鉄系合金またはニッケル系合金より成る請求
項２の複合断熱被覆。
【請求項４】ハニカム体の少なくも一部の上方に酸化物の表面被覆をさら
に有する請求項２の複合断熱被覆。
【請求項５】酸化物の表面被覆は、チタン、アルミニウム及びイットリウ
ムより成る群から選択した少なくも１つの金属の酸化物より成る請求項４の複合
断熱被覆。
【請求項６】酸化物の表面被覆は、約０．００５乃至約５ミクロンの厚さ
を有する請求項４の複合断熱被覆。
【請求項７】中空のセラミック粒子はほぼ球形である請求項１の複合断熱
被覆。
【請求項８】中空のセラミック粒子は、ジルコニア、アルミナ、ムライト
及びセリアより成る群から選択した少なくとも１つの材料より成る請求項７の複
合断熱被覆。
【請求項９】中空のセラミック粒子の平均粒径は、約０．２乃至約１．５
ｍｍである請求項７の複合断熱被覆。
【請求項１０】セラミック母材は、リン酸一アルミニウム、リン酸イット
リウム、リン酸ランタン及びリン酸ホウ素よりなる群から選択した少なくとも１
つのリン酸塩より成る請求項１の複合断熱被覆。
【請求項１１】セラミック母材はさらに、ムライト、アルミナ、セリア及
びジルコニアより成る群から選択した少なくとも１つのセラミック充填剤粉末を
有する請求項１０の複合断熱被覆。
【請求項１２】セラミック充填剤粉末の平均粒径は、約１乃至１００ミク
ロンである請求項１１の複合断熱被覆。
【請求項１３】金属の基体は、ニッケル系超合金、コバルト系超合金、鉄
系超合金、酸化物分散強化合金及び電子化合物より成る群から選択した少なくと
も１つの合金より成る請求項１の複合断熱被覆。
【請求項１４】金属の基体は、燃焼タービンの部品を構成する請求項１の
複合断熱被覆。
【請求項１５】金属の基体は、リングシールセグメント、燃焼器、移行部
、内側プラットフォームまたは外側プラットフォームを構成する請求項１４の複
合断熱被覆。
【請求項１６】金属支持構造は、ろう付けにより金属の基体に固定されて
いる請求項１の複合断熱被覆。
【請求項１７】金属支持構造とセラミック充填材料の全厚は、約１乃至約
６ｍｍである請求項１の複合断熱被覆。
【請求項１８】金属支持構造とセラミック充填材料の全厚は、約２乃至約
４ｍｍである請求項１の複合断熱被覆。
【請求項１９】金属支持構造は開いたセルを有するハニカム体より成り、
セラミック充填材料はハニカム体のセルを実質的に充填する請求項１の複合断熱
被覆。
【請求項２０】金属支持構造は開いたセルを有するハニカム体より成り、
セラミック充填材料はハニカム体のセルを部分的に充填する請求項１の複合断熱
被覆。
【請求項２１】ハニカム体のセルの内部にあって、金属の基体とセラミッ
ク充填材料とを分離する材料より成る少なくとも１つの中間層をさらに有する請
求項２０の複合断熱被覆。
【請求項２２】少なくとも１つの中間層の厚さは、約０．５乃至約１．５
ｍｍである請求項２１の複合断熱被覆。
【請求項２３】金属支持構造は開いたセルを有するハニカム体より成り、
セラミック充填材料はハニカム体のセルから延びて上部層を形成する請求項１の
複合断熱被覆。
【請求項２４】上部層の厚さは、約０．５乃至約２ｍｍである請求項２３
の複合断熱被覆。
【請求項２５】金属支持構造とセラミック充填材料の少なくとも一部を覆
う少なくとも１つのセラミック上部層をさらに有する請求項１の複合断熱被覆。
【請求項２６】少なくとも約１３００℃の温度で機能を発揮できる請求項
１の複合断熱被覆。
【請求項２７】複合断熱被覆を形成する方法であって、開いたセルを有する金属支持構造を金属の基体に固定し、金属支持構造のセルの少なくとも一部を、中空セラミック粒子と結合材料とよ
り成る流動性のセラミック充填材料で充填し、流動性のセラミック充填材料を加熱して中空セラミック粒子を連結するセラミ
ック母材を形成するステップより成る複合断熱被覆形成方法。
【請求項２８】金属支持構造はハニカム体より成る請求項２７の方法。
【請求項２９】ハニカム体の少なくとも一部の上方に酸化物の表面被覆を
形成するステップをさらに含む請求項２８の方法。
【請求項３０】セラミック母材はさらに、少なくとも１つのセラミック充
填剤粉末を有する請求項２７の方法。
【請求項３１】金属支持構造をろう付けにより金属の基体に固定するステ
ップをさらに含む請求項２７の方法。
【請求項３２】金属支持構造はハニカム体より成り、セラミック充填材料
はハニカム体のセルを実質的に充填する請求項２７の方法。
【請求項３３】金属支持構造ハニカム体より成り、セラミック充填材料は
ハニカム体のセルを部分的に充填する請求項２７の方法。
【請求項３４】ハニカム体のセルの内部にあって、金属の基体とセラミッ
ク充填材料とを分離する材料より成る少なくとも１つの中間層をさらに有する請
求項３３の方法。
【請求項３５】金属支持構造とセラミック充填材料の少なくとも一部を覆
う少なくとも１つのセラミック層を提供するステップをさらに含む請求項２７の
方法。
【請求項３６】流動性のセラミック充填材料は、溶剤に分散された中空セ
ラミック粒子と結合材料より成る請求項２７の方法。
【請求項３７】溶剤は水より成る請求項３６の方法。
【請求項３８】溶剤は、約３０乃至約６０重量パーセントの流動性のセラ
ミック充填材料より成る請求項３６の方法。
【請求項３９】流動性のセラミック充填材料を、加熱する前に、乾燥させ
るステップをさらに含む請求項２７の方法。
【請求項４０】流動性のセラミック充填材料は、約７００乃至約９００℃
の温度で、約６０乃至２４０分焼成することにより加熱される請求項２７の方法
。
【請求項４１】流動性のセラミック充填材料は、中空セラミック粒子を連
結するセラミック母材を形成するに十分な温度で、十分な時間の間加熱される請
求項２７の方法。
【請求項４２】セラミック母材は、相互に連結された骨格構造を形成する
請求項４１の方法。
【請求項４３】セラミック母材は、少なくとも１つのリン酸塩より成る請
求項４１の方法。