JP2002544381A - 断熱被覆 - Google Patents

断熱被覆

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Abstract

(57)【要約】 燃焼タービンの高温ガス通路用部品のための、ジルコニア−スカンディア系断熱被覆。六方晶Ｚｒ3Ｓｃ4Ｏ12構造を有するスカンジウム酸ジルコニウムの層は、超合金基材上に直接に、または基材上に形成した接合被覆層の上に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、断熱被覆の分野に関し、さらに詳細には、燃焼タービンエンジンの
高温ガス通路のような非常に高い温度環境で使用する断熱被覆の分野に関する。
【０００２】
【発明の背景】
燃焼タービンの部品の耐蝕性及び機械的耐久性を向上させるために、セラミッ
クの被覆を用いることは周知である。燃焼タービン及びコンバインドサイクル発
電所の効率のさらなる向上に対する要求により、これらシステム設計者はシステ
ムの燃焼部分の燃焼温度をますます高い値に設計するようになっている。ニッケ
ル及びコバルト系超合金材料は、現在、燃焼器移行部分、タービンの回転翼及び
静翼のような高温ガス通路内の部品に用いられているが、これらの超合金材料で
も、動作環境からの何らかの断熱保護がなければ長期間の運転に耐えることがで
きない。
【０００３】 超合金金属部品に断熱セラミック材料を被覆することにより燃焼タービンの動
作環境の高温に耐える能力を改善することが、当該技術分野で知られている。例
えば、１９９３年１月１２日付けでLauへ付与された米国特許第５，１８０，２
８５号及び１９８６年３月１８日付けでSpengler, et alへ付与された米国特許
第４，５７６，８７４号を参照されたい。現在常用されている断熱被覆の１つと
して、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の上部被覆層があるが、この上
部被覆層は、超合金基材に、しばしば、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍは、ニッケル、コバル
ト、鉄またはそれらの混合物）のような中間接合被覆層を介して適用されている
。しかしながら、このＹＳＺを被覆した超合金部品も、燃焼温度が１４００℃を
越える場合もある最新式で高効率のエンジンの動作温度には長期間耐えることは
できない。
【０００４】 従って、本発明の目的は、最新式燃焼タービンシステムの高温ガス通路部品に
用いる改良型断熱被覆を提供することにある。本発明の別の目的は、最新式燃料
タービンエンジンの高温で高腐蝕性の環境内で長期間動作可能な燃料タービン部
品を提供することにある。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、上記及び他の目的を達成するために、超合金基材と、基材上の接合
被覆層と、接合被覆層上の、六方晶Ｚｒ3Ｓｃ4Ｏ12構造を有するセラミック断熱
層とより成る、高温環境で動作可能な部品を提供する。
【０００６】
【好ましい実施例の説明】
従来技術のイットリア安定化ジルコニア断熱被覆は、数世代に亘る航空機エン
ジン及び陸用燃焼タービンの高温ガス通路用内部冷却式金属部品に対して適切な
断熱保護を提供しているが、次世代及びその先の世代の陸用エンジンにおいて予
想されるガス通路温度は、ＹＳＺ系の能力を超えるものと予想される。詳説する
と、これらのエンジンで予想される高温は、ＹＳＺの相及び微細組織に不安定性
を生ぜしめ、供用期間中のセラミック層の加速劣化及びセラミック上部層の加速
破壊を惹き起こすことが予想される。
【０００７】 イットリア安定化ジルコニア断熱層は、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）または電
子ビーム物理的蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）により適用される。液体または気体の急冷
により、主として準安定「非変態性」正方相より成り、立方晶及び単斜晶ジルコ
ニアを少量含む被覆が得られる。非変態性正方相（Ｔ´）の維持は、長寿命の被
覆を得るための必要条件である。約２０００°Ｆ（約１１００℃）より高い温度
に加熱すると、拡散プロセスにより、準安定非変態性のＴ´相が分離して、熱力
学的に安定な変態性正方相及び立方相になるが、この分離は時間と温度に依存す
る。温度が増加するにつれて、この分離が生じる傾向が増加する。その後の熱サ
イクルにより、変態性の正方相は、単斜晶（Ｍ）ジルコニアへ相変化する。Ｔ´
からＭへのこの平衡移動は、その後の熱サイクルを受ける毎に生じる。この変態
と共に体積及び形状の有意な変化が生じるがこれはモル体積で４％の増加、９度
のせん断ひずみである。これらの変化により局所的に非常に大きなひずみが発生
し、加速熱疲労による破損が生じる。
【０００８】 ＹＳＺは高温で焼結されやすいが、焼結を行うと、熱抵抗が減少するか、熱伝
導率が増加することが知られている。この変化は、粗い結晶粒の高熱伝導率材料
を形成させる、付着させたままの「スプラット(splats)」の細かい結晶粒構造の
焼結またはＥＢ−ＰＶＤの柱状構造の焼結に起因する。発明者の最近の研究によ
ると、次世代タービンで予想される温度におけるＹＳＺの焼結速度は受け入れ難
いものであることがわかっている。かかる状態の下では、断熱被覆を介する熱流
が増加し、ＹＳＺの下の接合被覆が急速に酸化して、ＹＳＺ系断熱被覆システム
の使用寿命をさらに減少させる。加えて、断熱被覆のひずみコンプライアンスが
減少して、被覆と、基材及び（または接合被覆層の間の熱的ミスマッチによる歪
みを吸収する能力が減少する。このような応力状態の増加は、被覆の早期破損の
原因ともなる。
【０００９】 発明者等は、ジルコニア−スカンディア系の断熱被覆システムが、従来技術の
ＹＳＺ系システムと比較すると、優れた高温性能を提供することを発見している
。ＺｒＯ2−Ｓｃ2Ｏ3相状態図である添付図面から、Ｚｒ3Ｓｃ4Ｏ12の結晶構造
を有する六方相、スカンジウム酸ジルコニウムは、ＺｒＯ2が約５８−７５モル
重量パーセントで形成されることがわかる。他の公開データによると、Ｚｒ3Ｓ
ｃ4Ｏ12の結晶構造は約６０−７２モル重量パーセントで形成され、六方相の範
囲の限界は温度により幾分異なる。スカンジウム酸ジルコニウムは、周囲温度か
ら２５００°Ｆ（約１４００℃）を超える温度へかけての単一相材料である。こ
れらの温度は、次世代タービンエンジンにおいて予想される動作温度を超えてい
る。スカンジウム酸ジルコニウムは、これらの温度で安定な有意な組成範囲を有
する。この安定性の範囲は、被覆の付着または供用期間中の選択的な腐蝕により
組成にわずかな変化が生じても、相は不安定性にならないことを意味する。スカ
ンジウム酸ジルコニウムは相変化を受けないため、最新式の燃焼タービンエンジ
ンの部品に適用しても、従来技術の被覆の相変化に付随する局部的応力及び歪み
を受けず、このため長い動作寿命を得ることができる。
【００１０】 スカンジウム酸ジルコニウムは、ＡＰＳ及びＥＢ−ＰＶＤのような公知の方法
により超合金基材に適用することができる。発明者等は、厚さ５−３０ミルのス
カンジウム酸ジルコニウムの層が有意な性能を付与することを発見した。用途に
よっては、例えば５−６５ミルの大きい厚さのスカンジウム酸ジルコニウム層が
必要な場合がある。スカンジウム酸ジルコニウムは超合金基材上に直接適用でき
るが、スカンジウム酸ジルコニウムを付着させる前に超合金基材を熱処理しても
よい。基材を熱処理すると超合金基材の薄い表面層が酸化され、基材とその上の
酸化物との間の接着性が改善される。別法として、耐酸化性接合被覆層、例えば
ＭＣｒＡｌＹの層もしくはアルミニウム化合物の拡散層を、スカンジウム酸ジル
コニウム層の付着前に基材上に形成してもよい。
【００１１】 スカンジウム酸ジルコニウムは、酸素拡散性が比較的低いため、ＹＳＺよりは
焼結に耐える能力が高い。これとは対照的に、ＹＳＺは三価のイットリウムが四
価のジルコニウムに置換されるため、高い酸素空格子点濃度を有する。これらの
空格子点は主として酸素イオンのサイト上にあるが、それらの存在により全ての
核種の拡散が容易になり、それにより焼結が比較的容易になる。
【００１２】 スカンジウム酸ジルコニウムの他の特性により、タービン部品用断熱被覆とし
て使用できるという別の利点が得られる。スカンジウム酸ジルコニウムは、完全
に安定化された立方晶ジルコニアより約２オーダー低い酸素透過性を有すると報
告されている。この特性により、接着層への酸素の透過が減少し、望ましくない
酸化が減少する。また、スカンディア安定化ジルコニアは、スカンディアが溶融
バナジン酸塩溶液により選択的に浸出されないため、硫酸塩及びバンジン酸塩に
よる高温腐蝕に対して格段に高い耐性を有することが報告されている。この特性
により、燃料不純物に対する高い耐腐蝕性が得られるはずである。スカンディア
のモル重量パーセントが高ければ高いほど、かかる腐蝕に対する被覆の耐性が大
きいが、その理由は相変化が起こる前に反応するためのスカンディアの量が多い
からである。従って、本発明の１つの実施例では、ＺｒＯ2のモル重量パーセン
トが６０−６５パーセントの六方晶Ｚｒ3Ｓｃ4Ｏ12構造を有するスカンジウム酸
ジルコニウムが使用される。逆に、この被覆の価格はスカンディアの量が多けれ
ば多いほど増加するため、本発明の別の実施例では、ＺｒＯ2のモル重量パーセ
ントが７０−７５パーセントの六方晶Ｚｒ3Ｓｃ4Ｏ12構造を有するスカンジウム
酸ジルコニウムを用いる。
【００１３】 本発明の他の局面、目的及び利点は、本明細書及び図面の内容及び頭書の特許
請求の範囲を検討すれば明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、ＺｒＯ2−Ｓｃ2Ｏ3相状態図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年２月１４日（２００１．２．１４）
【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】
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｆ０１Ｄ 5/28 Ｆ０１Ｄ 5/28 Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｄ (72)発明者 サボル，ステファン，エム アメリカ合衆国 フロリダ州 32835 オ ーランド サドル・リッジ・ドライブ 1306 (72)発明者 ゴージェン，ジョン，ジイ アメリカ合衆国 フロリダ州 32765 オ ビエド ウィラ・レイク・ロード 1018 Ｆターム(参考） 3G002 EA05 4K029 AA02 BA50 BC02 BC10 BD03 CA01 DB21 EA01 4K031 AA08 AB03 AB04 AB08 BA05 CB22 CB26 CB27 CB42 DA04 4K044 AA09 AB10 BA02 BA06 BA10 BA12 BB03 BC05 BC11 CA04 CA11 CA13

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高温環境で動作可能な部品であって、 超合金基材と、 超合金基材上の接合被覆層と、 接合被覆層上の、六方晶Ｚｒ3Ｓｃ4Ｏ12構造を有するセラミック断熱層とより
    成る部品。
  2. 【請求項２】 セラミック断熱層の厚さは、５乃至６５ミルである請求項１
    の部品。
  3. 【請求項３】 セラミック断熱層は、ＺｒＯ2のモル重量パーセントが６０
    −６５パーセントである請求項１の部品。
  4. 【請求項４】 セラミック断熱層は、ＺｒＯ2のモル重量パーセントが７０
    −７５パーセントである請求項１の部品。
  5. 【請求項５】 接合被覆層は、アルミニウム化合物拡散被覆層である請求項
    １の部品。
  6. 【請求項６】 接合被覆層は、ＭＣｒＡｌＹより成る請求項１の部品。
  7. 【請求項７】 基材は、熱処理された超合金基材である請求項１の部品。
  8. 【請求項８】 高温環境で動作可能な部品であって、 超合金基材と、 超合金基材上の、六方晶Ｚｒ3Ｓｃ4Ｏ12構造を有するセラミック断熱層とより
    成る部品。
  9. 【請求項９】 セラミック断熱層の厚さは、５乃至６５ミルである請求項８
    の部品。
  10. 【請求項１０】 セラミック断熱層は、ＺｒＯ2のモル重量パーセントが６
    ０−６５パーセントである請求項８の部品。
  11. 【請求項１１】 セラミック断熱層は、ＺｒＯ2のモル重量パーセントが７
    ０−７５パーセントである請求項８の部品。
  12. 【請求項１２】 基材は、熱処理された超合金基材である請求項８の部品。
  13. 【請求項１３】 超合金基材で形成された部品のための断熱被覆であって、 超合金基材上の接合被覆層と、 接合被覆層上の、六方晶Ｚｒ3Ｓｃ4Ｏ12構造を有するセラミック断熱層とより
    成る断熱被覆。
  14. 【請求項１４】 セラミック断熱層の厚さは、５乃至６５ミルである請求項
    １３の部品。
  15. 【請求項１５】 セラミック断熱層は、ＺｒＯ2のモル重量パーセントが６
    ０−６５パーセントである請求項１３の部品。
  16. 【請求項１６】 セラミック断熱層は、ＺｒＯ2のモル重量パーセントが７
    ０−７５パーセントである請求項１３の部品。
  17. 【請求項１７】 タービン部品の製造方法であって、 超合金基材を用意し、 超合金基材の少なくとも一部をセラミック断熱層で被覆するステップより成る
    方法。
  18. 【請求項１８】 被覆ステップの前に、超合金基材の少なくとも一部の上に
    接合被覆層を形成するステップをさらに含み、被覆ステップはさらに、接合被覆
    層の上にセラミック断熱層を付着させるステップを含む請求項１７の方法。
  19. 【請求項１９】 被覆ステップの前に、超合金基材の表面を酸化するために
    該超合金基材を熱処理するステップをさらに含む請求項１７の方法。
  20. 【請求項２０】 スカンジウム酸ジルコウムの層を５乃至６５ミルの厚さに
    形成するステップをさらに含む請求項１７の方法。
  21. 【請求項２１】 被覆ステップはさらに、超合金基材の少なくとも一部に、
    ＺｒＯ2のモル重量パーセントが６０−６５パーセントであるセラミック断熱層
    を被覆するステップを含む請求項１７の方法。
  22. 【請求項２２】 被覆ステップはさらに、超合金基材の少なくとも一部に、
    ＺｒＯ2のモル重量パーセントが７０−７５パーセントであるセラミック断熱層
    を被覆するステップを含む請求項１７の方法。
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