JP2006083469A - 保護層を被着するための方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明の課題は、ＭＣｒＡｌＹ層のＡｌ含有量を高めることによって、脆化を生じることなく接着層としての単一ＭＣｒＡｌＹ層の耐酸化性を改善する方法を明示することである。
【解決手段】 基材金属層（１）を高温腐食および高温エロージョンから保護するために、基材金属層（１）上にＭＣｒＡｌＹ系の接着層（３）が被着される。この接着層（３）はアリタイジングによってＡｌ拡散層（４）で被覆される。この拡散層（４）が研磨処理を施され、アリタイジングによって生成される拡散層（４）の外側構成層（４，２）が研磨処理によって除去される。このように処理された拡散層（４）上に、酸化イットリウムで部分安定化された酸化ジルコニウムからなるセラミック断熱層（２）が被着される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温腐食および高温エロージョンに対して耐性を有する保護層を基材金属層上に被着するための方法であって、この基材金属層上にＭＣｒＡｌＹ系の接着層が被着され、この接着層がアリタイジングによってＡｌ拡散層で被覆され、この拡散層上に、酸化イットリウムで部分安定化された酸化ジルコニウムからなるセラミック断熱層が被着されるものに関する。
最近のガスタービンでは、高温ガス領域内の表面はほぼ完全に被覆が備えられる。その際に利用される断熱層は冷却された部材の材料温度を下げるのに役立つ。これによりその寿命を延長し、冷却用空気を減らし、または機械を一層高い入口温度で運転することができる。断熱層系は拡散によって素材（基材金属）と結合された金属接着層とその上にある劣熱伝導性のセラミック層とで常に構成されており、このセラミック層は熱流に対する本来の障壁となり、基材金属を高温腐食および高温エロージョンから保護する。
断熱層用セラミック材料として普及した酸化ジルコニウムは約７重量％の酸化イットリウムで部分安定化されている（国際略号：“ＹＰＳＺ”イットリア部分安定化ジルコニア）。断熱層は各被着法に従って２つの主要等級に分類される。溶射（大抵は雰囲気プラズマで、ＡＰＳ）された層の場合、所要の層厚および応力分布に依存して約１０〜２５体積％の多孔率が調整される。粗く射出された接着層の結合は機械的接合によって行われる。
電子ビームを用いた物理蒸着プロセス（ＥＢ‐ＰＶＤ法）によって蒸着された断熱層は特定の析出条件を守ると柱状（カラム状）の伸びを許容する構造を有する。この方法では、被着中および引き続く動作時に接着層によって形成される純酸化アルミニウム層上にＡｌ／Ｚｒ混合酸化物（熱成長酸化物、ＴＧＯ）を形成することによって層は化学的に結合されている。この方法は接着層上での酸化物成長に特別な条件を要求する。接着層として基本的に拡散層も支持層も利用することができる。
接着層に要求されるのは以下の複雑な条件である。つまり、僅かな静的周期的酸化速度、極力純粋な酸化アルミニウム層をＴＧＯとして（ＥＢ‐ＰＶＤ法で製造された層の場合）形成すること、高温腐食に対する十分な耐性、低い延性脆性遷移温度、高いクリープ強さ、良好な付着、素材との最少の長時間相互拡散、そして再現可能な品質で接着層の経済的被着。
定置ガスタービンにおける特別な条件に対してＭＣｒＡｌＹ系（Ｍ＝Ｎｉ、Ｃｏ）の特殊合金からなる金属支持層は化学的、物理的前提条件を満たすための最良の可能性を提供する。支持層の性質はレニウム、タンタル等の特殊な高融点元素を合金することによってまたはアリタイジングによってさらに改善することができる。ＭＣｒＡｌＹ層はＮｉＣｏＣｒ（“ｙ”）マトリックス中に金属間β相ＮｉＣｏＡｌを予備アルミニウムとして含んでいる。しかしながらこの相は脆化作用も有し、ＭＣｒＡｌＹ層中に実際に実現可能なＡｌ含有量は１２重量％未満である。耐酸化性をさらに高めるために、ＭＣｒＡｌＹ層をＡｌ拡散層で被覆してそのＡｌ含有量を高めることが知られている（特許文献１）。しかしながらこの方法は脆化の虞のゆえにこれまでは一般に低アルミニウム出発層に限定されてきた。
国際公開第９６／３４１２９号パンフレット
本発明の課題は、ＭＣｒＡｌＹ層のＡｌ含有量を高めることによって、脆化を生じることなく接着層としての単一ＭＣｒＡｌＹ層の耐酸化性を改善する方法を明示することである。
この課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る方法は、高温腐食および高温エロージョンに対して耐性を有する保護層を基材金属層（１）上に被着するための方法であって、この基材金属層（１）上にＭＣｒＡｌＹ系の接着層（３）が被着され、この接着層（３）がアリタイジングによってＡｌ拡散層（４）で被覆され、この拡散層（４）上に、酸化イットリウムで部分安定化された酸化ジルコニウムからなるセラミック断熱層（２）が被着されるものにおいて、拡散層（４）が研磨処理を施され、アリタイジングによって生成される拡散層（４）の外側構成層（４，２）が研磨処理によって除去されることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明に係る方法は、請求項１に記載の方法において、Ａｌ含有量約２０％の本来の拡散域（４，１）とＡｌ含有量約３０％の外側構成層（４，２）とを備えた拡散層（４）がアリタイジングによって生成され、拡散層（４）の本来の拡散域（４，１）の上方にある外側構成層（４，２）は、研磨処理によって、残存拡散層（４）の表面でＡｌ含有量が少なくとも１８％、最大３０％となるまで除去されることを特徴とするものである。
さらに、請求項３に記載の発明に係る方法は、請求項１又は２に記載の方法において、研磨処理された拡散層（４）が精密平滑化を施されることを特徴とするものである。
さらにまた、請求項４に記載の発明に係る方法は、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法において、接着層（３）のアリタイジングが、中空部材の冷却通路の内部被覆と同時に１方法ステップにおいて行われることを特徴とするものである。
アリタイズドＭＣｒＡｌＹ層の構造は、内側の殆ど変化のないｙ／β混合相と、Ａｌ含有量を約２０％に高めた拡散域と、約３０％のＡｌ成分を有するβ‐ＮｉＡｌ相の外側層とからなる。この外側層は脆性および亀裂感度に関して層系の弱点である。本発明によれば外側層は研磨処理によって拡散域に至るまで除去され、これにより残存層の表面でＡｌ含有量は１８〜３０％以下に調整される。外側層の除去はコランダム、炭化ケイ素、縮小された金属線および類似の材料等の通常の媒体を噴射することによって行うことができる。
単一ＭＣｒＡｌＹ層中のＡｌ含有量をアリタイジングによって高めることによって、接着層として役立つこの層の耐酸化性が改善される。アリタイジングによってアリタイズド層の表面に引き起こされる脆化は研磨後処理によって回避され、しかし少なくとも最小にされる。
特に電子ビームによって蒸着される断熱層の寿命はアリタイズド層のアルミニウム含有量増によってかなり延長される。例えば異物混入またはエロージョンによって断熱層の機能不全が早まる場合、比較的長い「非常動作」が可能である。他方で、格別脆性なβ‐ＮｉＡｌ相を除去することによって亀裂開始の虞が最小にされる。
部材の接着層および内側冷却通路のアリタイジングを同時に行うことができ、噴射用に僅かな超過費用が生じるにすぎない。
本発明に係る方法は、断熱層、特にＥＢ‐ＰＶＤ法で製造される断熱層で被覆されるあらゆる翼に、場合によっては別の、高温ガスを付加されるタービン部材に応用可能である。
本発明の１実施例が図面に示してあり、以下で詳しく説明される。
図２によるガスタービン翼１０は中空に構成され、内部に冷却通路１１を有する。
基材金属層１はガスタービンの翼１０用素材、または高温ガスと接触する別のガスタービン部材用の素材とすることもでき、高温腐食および高温エロージョンから保護するためにセラミック断熱層２を備えている。断熱層２は約７重量％［酸化イットリウム］で部分安定化された酸化ジルコニウムからなる。
基材金属層１の素材上での断熱層２の付着を改善するためにまず素材上に、接着層３として役立つ支持層が被着される。この接着層３はＭＣｒＡｌＹ系の特殊合金からなる。文字Ｍはこの場合ＮｉまたはＣｏである。接着層の被着は電子ビームを用いて物理蒸着プロセス（ＥＢ‐ＰＶＤ法）によって、または主に低圧プラズマ溶射法（ＬＰＰＳ法）によって行われる。
接着層３中のＡｌ含有量を高めるために接着層はＡｌ拡散層４で被覆される。この被覆はアリタイジングによって、すなわち反応性Ａｌ含有ガス、一般にＡｌハロゲン化物（ＡｌＸ２）が、高められた温度においてＮｉの外方拡散と結び付いてＡｌの内方拡散を引き起こす処理によって行われる。
同時に、反応性Ａｌ含有ガス（ＡｌＸ２）の相応する案内によってガスタービン翼１０の冷却通路１１の内部被覆を行うことができる。
アリタイジングによって、殆ど変化のない接着層３上で拡散層４の内部に内側拡散域４，１、そしてその上に脆性β‐ＮｉＡｌ相からなる外側構成層４，２が生じる。
外側構成層４，２はコランダム、炭化ケイ素、金属線または別の公知の研削材または研磨材等の硬質粒子を噴射することによって拡散層４の内側拡散域４，１に至るまで除去される。
研磨処理は、残存拡散層４の表面が１８％超〜３０％以下のＡｌ含有量を有することになるまで行われる。
噴射された拡散層４は、研磨処理後、主に精密平滑化を施される。
上記方法ステップに続いて、電子ビームによる物理蒸着プロセスによって断熱層２が被着される。
１つの被覆を備えた基材金属の縮尺どおりではない略断面図である。 ガスタービン翼の縦断面図である。
符号の説明
１ 基材金属層
２ セラミック断熱層
３ 接着層
４ 拡散層
４，１ 内側拡散域
４，２ 外側構成層
１０ ガスタービン翼
１１ 冷却通路

Claims (4)

  1. 高温腐食および高温エロージョンに対して耐性を有する保護層を基材金属層（１）上に被着するための方法であって、この基材金属層（１）上にＭＣｒＡｌＹ系の接着層（３）が被着され、この接着層（３）がアリタイジングによってＡｌ拡散層（４）で被覆され、この拡散層（４）上に、酸化イットリウムで部分安定化された酸化ジルコニウムからなるセラミック断熱層（２）が被着されるものにおいて、拡散層（４）が研磨処理を施され、アリタイジングによって生成される拡散層（４）の外側構成層（４，２）が研磨処理によって除去されることを特徴とする方法。
  2. Ａｌ含有量約２０％の本来の拡散域（４，１）とＡｌ含有量約３０％の外側構成層（４，２）とを備えた拡散層（４）がアリタイジングによって生成され、拡散層（４）の本来の拡散域（４，１）の上方にある外側構成層（４，２）は、研磨処理によって、残存拡散層（４）の表面でＡｌ含有量が少なくとも１８％、最大３０％となるまで除去されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 研磨処理された拡散層（４）が精密平滑化を施されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 接着層（３）のアリタイジングが、中空部材の冷却通路の内部被覆と同時に１方法ステップにおいて行われることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
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