JP2003524075A - 複合断熱層システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、表面に断熱層を有する構成体を開示する。断熱層は低温領域と高温領域を有する。低温領域は構成体と高温領域の間に位置する。低温領域は全部又は大部分がＹＳＺ又はガラス−金属組成材料からなる。高温領域は、全部又は大部分が、１２００℃を超える温度で安定相を備えている材料からなる。構成体は、１２００℃を超える温度で使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、高温での使用に好適な断熱層を有する構成体を開示する。ガスタービ
ンの構成体は、この種の構成体の公知例の一つを表す。

【０００２】 現在、据え付けの、及び、空輸用のガスタービンの効率を増加させるために、関
連するエンジンのガス温度を上げるための努力が成されている。このような目的
のために、タービンの構成体は断熱層を備えており、その断熱層は一般的にＹＳ
Ｚ、つまり部分的にＹ_２Ｏ_３で安定化した酸化ジルコニウムからなる。基板と断
熱層の間にある、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）から作製した接着
仲介層は、主に基板を酸化から守り、且つ、基板の上に熱溶射されたＹＳＺセラ
ミック層の接着性を向上させる。代替品として、アルミニド層は、接着性仲介層
として使用できる。これは、基板の表面にアルミを拡散することにより作製する
ことができる。

【０００３】 断熱層システムを使うことにより、現在、長期の運転期間に渡ってタービン構成
体の表面温度を１２００℃にまですることは実現可能である。１３００℃を超え
るまで更に温度を上昇させることは望ましいが、現在利用可能な断熱層システム
では実現不可能である。従って、部分安定化酸化ジルコニウムに置き換わる新し
い解決策が広く求められている。

【０００４】 本発明の目的は、１２００℃を超える温度で好適に使用できる断熱層を製造する
ことにある。

【０００５】 本発明の目的は、請求項１の特徴を備えた断熱層により達成される。好ましい実
施の形態は従属項に記載している。

【０００６】 請求項に記載の構成体はその表面に断熱材を備えている。断熱層は、高温領域と
低温領域を有する。低温領域は、実質の構成体と高温領域の間に位置する。低温
領域は、全部又は大部分がＺｒＯ_２、又は、ガラス−金属組成材料からなる。高
温領域は全部又は大部分が０℃から少なくとも１２００℃以上の温度で、安定相
を備えている材料からなる。本発明において、安定相とは所定の温度間隔内で熱
膨張係数の急激な変化を伴う相変化が起こらないことを意味する。

【０００７】 本発明を改良した実施形態においては、断熱層が接着仲介層上に配置される。

【０００８】 低温層は、接触層として下記に述べるような層によって形成される。その層は、
ＹＳＺ又はガラス−金属組成材料からなる。

【０００９】 断熱層が塗布される表面の粗さにより、断熱層において機械的ひずみが生まれる
ことが示されている。この機械的ひずみは日常的に起こるものであり、かなりの
範囲で断熱層に発生する欠陥の原因となる。よって接触層に用いる材料を選ぶ際
、機械的ひずみを小さくするために大きな熱膨張係数が保証されている方が好ま
しい。確実に機械的ひずみを小さくするためには、少なくとも低温領域において
、断熱層の熱膨張係数を１０×１０^−６Ｋ^−１以上にすべきである。

【００１０】 上述の所望の効果を達成するために、特に、接触層の厚みは５０μｍ以上、好ま
しくは１００μｍ以上にする。

【００１１】 接触層が過度の高温に曝されないようにするために、低熱伝導率の高温領域は、
低温領域の上方に配置する。この領域の厚みは低温領域が十分に高温から守られ
るように選択する。

【００１２】 高温領域は、下記に述べるカバー層のような層として備えることもできる。

【００１３】 原則として、本来、相安定性と低熱伝導率の基準を満たすあらゆる材料は、カバ
ー層及び／又は高温領域の材料として考えることができる。関連性のある例とし
ては、完全安定化立方晶の酸化ジルコニウム、Ｌａ_２Ｚｒ_２Ｏ_７又はＮｄ_２Ｈｆ _２ Ｏ_７等のペロブスカイト構造又はパイロクロア構造の酸化物、又は、これらの
化合物のドープされた変異体も挙げられる。例として挙げた化合物は、目標の１
２００℃を超える運転温度における所望の安定相と、所望の低熱伝導率を備えて
いる。

【００１４】 上記の層は、例えば、ＬＰＰＳ（低圧プラズマ溶射）、ＡＰＳ（大気プラズマス
溶射）、及び、ＥＢ−ＰＶＤ（電子ビーム物理蒸着）等で塗布される。しかしな
がら、同様に他の方法でも塗布は可能である。

【００１５】 材料を選択する際、極端な周期的温度変化によるストレスに耐えられる能力、と
いう意味の熱循環能を確保することもまた特に重要である。異種材料の熱膨張係
数の違いにより、しばしば層システム内で熱循環早期における欠陥が起こる。層
を加熱・冷却する間に熱的ストレスは起こり、その構造にダメージを与え、欠陥
を誘発する。基板材料や接着仲介層を使用することにより、熱膨張係数は１４×
１０^−６Ｋ^−１に達し、セラミックの系としては大きい。現在使用されている断
熱層用材料であるＹＳＺの熱膨張係数は１０．４×１０^−６Ｋ^−１である。この
ように、基板材料は断熱層（場合によっては接着仲介層を含んでもよい）が塗布
された材料として定義づけられる。

【００１６】 断熱層を同一の熱伝導率且つ同一の厚みにすると、表面温度の上昇により接着仲
介層と基板材料の界面の温度上昇も起こる。断熱層システムが存在すれば、この
温度上昇によって接着部にダメージを与えることにもなる。本発明の断熱層シス
テムを使用すれば、低温領域において、また高温領域においても低熱伝導率が選
択される。高温領域の熱伝導率が高くなればなるほど、この領域の厚みを厚くし
なければならない。低温領域の材料（接触層）は限られた熱安定性しか有してい
ないため、良好な断熱性が特に高温領域（カバー層）により達成されなければな
らない。

【００１７】 １２００℃を超える温度では、従来から使用されているＹＳＺは、層のダメージ
を引き起こす相変化が起こる。この問題は、本発明に従い、高温層を設けること
で解決される。よって、所望の温度、可能であれば融点まで材料の相安定性が保
証されていることが重要である。

【００１８】 これまで、全ての所望の物性を望ましい範囲にまで満足する材料は見つかってい
ない。しかしながら、一つ、又は、２つの要求を満たす材料はある。よって、本
発明はその考えに基づき、層システム中に様々なセラミック材料を複合させてな
る。このように、接着剤仲介層と接している材料は、材料の熱循環能を保証する
、熱膨張係数とダメージに対する耐性を備えており、一方、層の表面材料は、相
安定性等のように１２００℃を超える温度に耐えるために必要な物性を備えてい
る。

【００１９】 本発明のアイデアは以下のようにして実行される。 １）複合的層システム（複層） 断熱層は接触層とカバー層からなる。接触層は接着仲介層とカバー層の間に配置
される。 ２）段階層 断熱層は濃度勾配を持っている。二つの材料の比率は断熱層内で連続的に変化す
る。 １）と２）の組み合わせも可能である。

【００２０】 実施例 １．ＹＳＺとＬａ_２Ｚｒ_２Ｏ_７から作製した断熱層 プラズマ溶射法に好適な、ＹＳＺ粉末とＬａ_２Ｚｒ_２Ｏ_７粉末（接着仲介層）は
工業的に利用可能である。Ｌａ_２Ｚｒ_２Ｏ_７粉末は、Ｌａ（ＮＯ_３）_３とＺｒ（
ＮＯ_３）_２の水溶液をスプレー乾燥し、引き続いて１４００℃で焼成する事によ
り作製される。最終的に、ニッケルをベースとする合金からなる基板に、ＬＰＰ
Ｓを行なうことにより、接着仲介層が塗布される。厚み０．０５〜０．２ｍｍの
ＹＳＺの層が最初にＥＢ−ＰＶＤによって、接触層として接着仲介層に塗布され
る。次に、ＥＢ−ＰＶＤによってパイロクロア層がカバー層として、厚み０．１
ｍｍで塗布される。

【００２１】 ２．ガラス−金属複合物と立方晶酸化ジルコニウムから作製される段階層型断熱
層 立方晶酸化ジルコニウム粉末と接着仲介層の粉末は工業的に利用可能である。ガ
ラス−金属複合物用の粉末は、超微細ガラス粉末と接着仲介層の粉末を混合し、
すりつぶすことにより作製される。

【００２２】 接着仲介層は、最初にＬＰＰＳにより塗布される。

【００２３】 段階層型断熱層のプラズマ溶射の際には、ガラス−金属粉末とＺｒＯ_２粉末は異
なるポンプユニットからプラズマキャノンに補給される。最初はほとんどガラス
−金属粉末が供給される。溶射の進行に伴って、ガラス−金属粉末の比率を連続
的に減少させ、一方、立方晶酸化ジルコニウムの供給量はガラス−金属粉末と同
じ比率にまで増加させる。

【００２４】 この方法によれば、段階層型断熱層は、総厚みが約０．３ｍｍになる。

【００２５】 ３．ＹＳＺとタンタルがドープされたＹＳＺ（Ｔａ−ＹＳＺ）からなる複層と段
階層の複合層 プラズマ溶射に好適なＹＳＺ粉末とＭＣｒＡｌＹ粉末（接着仲介層粉末）は工業
的に入手可能である。

【００２６】 Ｔａ−ＹＳＺは下式の様な固体反応を経由して作製される。 Ｔａ_２Ｏ_５ ＋ ＹＳＺ → ＹＳＺ^＊Ｔａ_２Ｏ_５

【００２７】 出発原料の粉末をエタノール存在下、ボールミル中ですりつぶし、その後、１４
００℃で焼成する。１４００℃で起こる反応終了後、スプレー乾燥で、流動的な
粉体を製造することができる。

【００２８】 接着仲介層を基板に塗布した後、ＹＳＺ層が厚み約０．０５〜０．１になるよう
に溶射される。 次に、２）で述べた、ＹＳＺとＴａ−ＹＳＺからなる段階層が
厚み０．１ｍｍ以上になるよう塗布される。最終的に、純粋なＴａ−ＹＳＺから
作られるカバー層が厚み０．０５〜０．１ｍｍになるよう塗布される。３つの層
は全てＡＰＳによって塗布される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デトレフ シュトゥーファー ドイツ国 82382 ニーダーツィーア タ ウベンフォルスト ９ Ｆターム(参考） 4K031 AA02 AB02 AB08 CB42 DA04 4K044 AB10 BA01 BA02 BA10 BA12 BB02 BC11 CA11 CA13

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に断熱層を有する構成体であって、前記断熱層は高温領域と
   低温領域を備えており、低温領域は構成体と高温領域の間に位置し、その全部又
   は大部分がＹＳＺ若しくはガラス−金属組成材料からなり、高温領域はその全部
   又は大部分が、０℃から１２００℃以上の温度で安定相を備えている材料からな
   ることを特徴とする構成体。
2. 【請求項２】 前記低温領域の熱膨張係数が、前記高温領域の熱膨張係数よりも
   大きいことを特徴とする請求項１に記載の構成体。
3. 【請求項３】 前記断熱層が接着仲介層上に位置することを特徴とする請求項１
   又は２に記載の構成体。
4. 【請求項４】 前記低温領域がＹＳＺ又はガラス−金属組成材料からなる層によ
   って形成されることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の構成体。
5. 【請求項５】 前記低温領域が、厚み５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上
   の層によって形成されることを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の構成
   体。
6. 【請求項６】 前記高温領域が層によって形成されることを特徴とする請求項１
   、２、３、４又は５に記載の構成体。
7. 【請求項７】 前記高温領域が、少なくとも大部分が、完全に安定化された立方
   晶の酸化ジルコニウム、Ｌａ_２Ｚｒ_２Ｏ_７又はＮｄ_２Ｈｆ_２Ｏ_７等の完全に安定
   なペロブスカイト構造又はパイロクロア構造の酸化物、又は、前記酸化物のドー
   プされた変異体からなる層によって形成されることを特徴とする請求項１、２、
   ３、４、５又は６に記載の構成体。
8. 【請求項８】 前記断熱層が段階層からなることを特徴とする請求項１、２、３
   、４、５、６又は７に記載の構成体。
9. 【請求項９】 前記高温領域が厚み０．１ｍｍ以上であることを特徴とする請求
   項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載の構成体。
10. 【請求項１０】 前記高温領域が、１３００℃以上の温度において安定相を備え
    ている材料から完全に又は大部分がなることを特徴とする請求項１、２、３、４
    、５、６、７、８又は９に記載の構成体。
11. 【請求項１１】 高温領域の断熱性が、低温領域の断熱性より高いことを特徴と
    する請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０に記載の構成体。
12. 【請求項１２】 請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又は１１に
    記載の構成体の、１２００℃を超える温度での使用。