JP2008050699A - 皮膜系を有する構成部材 - Google Patents

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Abstract

【課題】構成部材上に直接設けられた付着層と付着層上に形成された断熱層とを備えた皮膜系を有する構成部材において、構成部材の基礎材料と付着層との間の内部拡散を最小限に抑え、しかも付着層の最適付着のために必要な両者間の混合度合いを確保すると共に構成部材の基礎材料の特性を阻害しないようにする。
【解決手段】付着層３が、22〜36重量％のCr、15〜30重量％のNi、最大55ppmのAl及びベースとしてのFeを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも、構成部材上に直接設けられた付着層と付着層上に形成された断熱層とを備える皮膜系を有する構成部材に関する。
高温及び腐食条件に曝される構成部材は、損傷から保護し、それにともなってより長い寿命を保証するため、特殊な皮膜が設けられなければならない。今日においては、特に蒸気タービン又はガスタービンの構成部材に対しては複数の重なり合うように取り付けられた層からなる皮膜系が使用される。その際しばしば、少なくとも、構成部材上に直接設けられた付着層及びこの付着層上に形成された断熱層が問題となる。
付着層は多くの場合、一般的な組成MCrAlYを有し、そこでMは鉄、コバルト及びニッケルを含む群の元素の少なくとも１つを表し、Yはイットリウム、又はスカンジウム及び希土類元素を含む群からの別の等価な元素である。付着層の課題は、一方では腐食や酸化からの保護、他方では構成部材に対する断熱層の強固な付着を保証することにある。
断熱層はそれと反対にしばしば、酸化ジルコニウムを含み得るセラミック材料からなる。その強固な熱絶縁に対する能力で初めて1000℃を超える温度領域における構成部材の使用を可能にする。
相応する保護層及び層系は文献に開示されている（例えば特許文献１参照）。既知の付着層においては、550℃を超える温度領域において構成部材の基礎材料の合金と付着層の構成要素との間に内部拡散現象が生じることがあり、これによって望ましくない相形成が生じる可能性がある。その結果基礎材料特性を阻害する事態に至り、それが構成部材の寿命を下げる。それにもかかわらず、基礎材料の特性を阻害しない、付着層と基礎材料との間の最低の内部拡散が望ましい。何故なら、これによって基礎材料と付着層との間の付着が著しく改善されるからである。さらに、このようにして表面近くの領域における基礎材料の酸化及び腐食の作用を改善することができる。
欧州特許出願公開第1541713 A1号明細書
本発明の課題は、構成部材の基礎材料と付着層の構成要素との間の合金構成要素の内部拡散を最小限に抑え、まさに構成部材に対する付着層の最適の付着のために必要な混合の度合いが得られ、同時に基礎材料特性が阻害されないような皮膜系を持った構成部材を提供することにある。
この課題は本発明に従えば、付着層が、22〜36重量％のCr、15〜30重量％のNi、最大55ppmのAl及びベースとしてのFeを含むことによって解決される。従って、とりわけ鉄、クロム、ニッケルを含み、ごくわずかの量でのみアルミニウムを含む付着層が用いられる。
本発明に従う構成部材の利点は、付着層が基体の構成要素と付着層の構成要素との間の内部拡散を最小限に抑える阻止層として形成されることにある。その際その阻止層が、望ましくない相及び混合組織が形成されず、しかし他方で基礎材料に対する付着層の最適付着を可能にする内部拡散のある特定の限度を許容するように計らう。さらに、構成部材の基礎材料の特性は阻害されないままに保持される。
本発明の有利な実施形態に従えば、付着層はさらに加えて１〜３重量％のSiを含むことができる。さらに、付着層は加えてCe、Y及びHfの少なくとも１つを含むことも可能である。これらのすべての添加物は付着層の耐酸化性の改善につながる。
別の実施形態に従えば、付着層は25重量％のCr及び20重量％のNiを含むことができる。30重量％のCr及び30重量％のNiを持った付着層を備えることも同じように可能である。
付着層は構成部材と付着層との間の内部拡散を最小限に抑える阻止層として形成されるのが有利である。このようにして、望ましくない相及び混合組織が基礎材料中に生じないことが保障される。
本発明の別の実施形態に従えば、付着層は多層に形成されるように行われる。この場合、構成部材上に直接設けられる第１の層は、第１の層の上に形成される別の層に対する阻止層として働く。このことは、第１の層が構成部材の構成要素と前述の別の層の構成要素との間の内部拡散を最小限に抑えることによって行われる。
断熱層がセラミックス、例えば酸化ジルコニウムをベースとするセラミックスから構成されると、温度、腐食及び酸化に対する高い耐性を持った本発明に従う構成部材を得ることができることが判明した。
さらに試験の結果、本発明に従う構成部材は例えばタービン羽根のようなタービンの部分として有利であることが判明した。この場合、高い負荷を受ける構成部材の特に優れた長寿命が得られる。
以下に本発明を図面に示す２つの実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に従う構成部材１の第１の実施例の概略断面図を示し、タービン羽根120、130（図３参照）を対象とすることができる。構成部材１は基体２からなり、この基体はここではニッケルベース合金からなっている。この基体２上に平面状に付着層３が設けられ、この付着層は22〜36重量％のCr、15〜30重量％のNi、最大50ppmのAl及びベースのFeからなっている。付着層３はまたそれに加えてSi、Ce、Y及びHfの少なくとも１つを含むことができ、その際特に含有量が1〜3重量％のSiが有利である。付着層３上にはさらに断熱層４が平面状に形成され、この断熱層はこの場合酸化ジルコニウムベースのセラミックスを含んでいる。付着層３は、基体の構成要素と付着層の構成要素との間の内部拡散を最小限に抑える阻止層として形成されている。その際この付着層は、基体内に望ましくない相及び混合組織が形成されず、他方基礎材料に対し付着層の最適付着が可能な内部拡散のある特定の限度を許容するように計らう。
本発明に従う構成部材１を製造するために、第１のステップにおいて付着層３が従来技術で知られた皮膜形成法を用いて基体２上に平面状に設けられ、その際例えばAPS（Atmospheric Plasma Spray）、HVOF（High Velocity Oxy-Fuel）及びLPPS（Low Pressure Plasma Spray）が適している。次いで第２のステップにおいて断熱層が外側皮膜として平面状に付着層上に設けられる。これに関しても既に述べた従来技術で知られた方法が適している。
図２は本発明に従う構成部材１の第２の実施例を概略断面で示す。ここではガスタービン１００のタービンブレード１２０、１３０が対象となっており、このタービンブレードはニッケル超合金からなる基体２を有する。基体２の表面上には複数層の付着層３が形成され、その際第１の層５は基体２上に直接配置されている。別の層６は第１の層５上に設けられている。第１の層５は、この層が基体２の構成要素と別の層６の構成要素との間の内部拡散を最小限に抑えることによって、別の層６に対する阻止層として作用する。第１の層５は、22〜36重量％のCr、15〜30重量％のNi、最大50ppmのAl、1〜3重量％のSi及びベースとしてのFeからなる組成を持っている。別の層６はセラミックスからなり酸化ジルコニウムを含む断熱層４により平面状に被覆されている。
本発明に従う構成部材１を製造するため、まず構成部材１の基体２上に平面状に付着層３の第１の層５が設けられる。そのため、従来技術で知られ既に上述した皮膜形成法が用いられ得る。同じようにしてまず第１の層５上に別の層６が、そしてこの別の層６の上に再び断熱層４が皮膜形成法を用いて設けられる。
既に上述のように、本発明に従う構成部材はタービン羽根であってよい。
上述の両例において、付着層３は好ましくは理論的密度の95％以上の密度を有する。
図３は、流体エンジンのこのような回転羽根１２０又は案内羽根１３０を透視図で示し、それらは長手軸１２１に沿って延びている。
流体エンジンは、航空機のガスタービン又は発電所の発電のためのガスタービン、蒸気タービン又はコンプレッサであってよい。
羽根１２０、１３０は、長手軸１２１に沿って順次、固定領域４００、それに隣接する羽根基台４０３並びに羽根ブレード４０６及び羽根先端部４１５を有する。
案内羽根としては、羽根１３０がその羽根先端部４１５に別の基台（図示せず）を備えることができる。
固定領域４００には羽根脚部１８３が形成され、この羽根脚部は軸又は板（図示せず）に羽根１２０、１３０を固定するために用いられる。羽根脚部１８３は例えばハンマ頭部として形を仕上げられている。他の形態としてモミの木状脚部又はツバメのしっぽ状脚部も可能である。
羽根１２０、１３０は、羽根ブレード４０６の傍を流過する媒体に対し流入辺４０９及び流出辺４１２を有する。
従来の羽根１２０、１３０では、羽根１２０、１３０のすべての領域４００、４０３、４０６において例えば中実の金属材料、特に超合金が使用される。
そのような超合金は、例えば欧州特許第1204776 B1号明細書、欧州特許出願公開第1306454 A1号明細書、欧州特許出願公開第1319729 A1号明細書、国際特許出願公開99/67435号パンフレット又は国際特許出願公開00/44949号パンフレットから知られている。これらの刊行物には、合金の化学的組成に関して開示されている。
羽根１２０、１３０は、この際鋳造法によって、方向性の凝固をも用いて、鍛造法によって、フライス加工法によって、又はこれらの組み合わせによって製造することができる。
単結晶性の構造を有する材料は、運転中高い機械的、熱的、或いは化学的負荷にさらされる機械に対する構成部材として使用される。
そのような単結晶性の材料の製造は、例えば融体からの方向性の凝固によって行われる。その際流動性の金属合金が単結晶性の構造に、即ち単結晶性の材料に、又は方向性をもって凝固する鋳造法が問題になる。
その際樹枝状の結晶が熱の流れに沿って整列され、柱状結晶性の微細構造（コルムナール（kolumnar）、即ち加工物の全長にわたって延び、ここでは一般的な言語の使い方に従って、方向性をもって凝固されていると称される微細構造）又は単結晶性の構造を形成する、即ち全加工物が単一の結晶からなる。これらの方法においては、球状（多結晶）の凝固への移行を避けなければならない。何故なら、方向性のない成長によって必然的に横方向及び縦方向の粒界が形成され、この粒界が方向性をもって凝固した、又は単結晶性の構成部材の良好な特性を無に帰せしめるからである。
一般に方向性をもって凝固した組織が問題になる場合には、従って、粒界を持たない、又はたかだか小角の粒界を持つ単結晶、並びに縦方向に延びる粒界は持つが横方向の粒界は持たない柱状結晶構造をいう。この二番目に挙げられた結晶構造については、方向性をもって凝固した組織（方向性をもって凝固した構造）をもいう。
そのような方法は、米国特許第6024792号明細書及び欧州特許出願公開第0892090 A1号明細書から知られている。これらの刊行物には凝固方法に関して開示されている。
同じように、羽根１２０、１３０は腐食又は酸化に対する皮膜を持つことができる。
腐食保護層（中間層として又は最外層として）上には、保護酸化層（TGO＝thermal grown oxide layer）、特に酸化アルミニウム層が形成される。
腐食保護層上にはさらに断熱層が存在することができ、この層は最外層であるのが有利であり、例えばZrO2、Y2O3-ZrO2からなり、即ちこの層は部分的又は完全に酸化イットリウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウムの少なくとも１つによって安定化されてはいない。断熱層は全腐食保護層を覆う。例えば電子ビーム蒸着（EB-PVD）のような適切な皮膜形成法によって、柱状の微細構造が断熱層内に作られる。
他の皮膜形成法、例えば大気プラズマ溶射（APS）、LPPS、VPS又はCVDが可能である。断熱層は、多孔性、ミクロ又はマクロの隙間を持った微細構造を熱衝撃安定性の改善のため備えることができる。断熱層はしたがって腐食保護層より多孔性であるのが有利である。
羽根１２０、１３０は中空状又は中実に作り上げることができる。羽根が冷却されるべき場合には、羽根は中空であり、また場合によってはなお膜冷却孔４１８（破線で示されている）を有する。
図４には蒸気タービン３００、３０３が示され、回転軸３０６に沿って延びるタービン軸３０９を有する。
蒸気タービンは高圧部分タービン３００と中圧部分タービン３０３とを備え、それぞれ内部ケーシング３１２及びこの内部ケーシングを囲む外部ケーシンング３１５を有する。高圧部分タービン３００は例えばポット状構造様式に作り上げられている。中圧部分タービン３０３は例えば複流式に作り上げられている。中圧部分タービン３０３は単流式に作り上げられることも同じように可能である。
回転軸３０６に沿って、高圧部分タービン３００と中圧部分タービン３０３との間に軸受３１８が配置されており、その際タービン軸３０９は軸受３１８において軸受領域３２１を有する。タービン軸３０９は、高圧部分タービン３００と並ぶ別の軸受３２４上に置かれている。この軸受３２４の領域において高圧部分タービン３００は軸封部３４５を有する。タービン軸３０９は中圧部分タービン３０３の外部ケーシンング３１５に対して２つの別の軸封部３４５によって封密されている。高圧の蒸気流入領域３４８と蒸気流出領域３５１との間において、高圧部分タービン３００内のタービン軸３０９は高圧回転ブレード３５７を有する。この高圧回転ブレード３５７は、所属の詳細は示されていない回転羽根と第１のブレード領域３６０を示す。
中圧部分タービン３０３は中心の蒸気流入領域３３３を有する。蒸気流入領域３３３に所属して、タービン軸３０９は放射対称の軸遮蔽部であるカバープレートを、一方では蒸気流を中圧部分タービン３０３の両流に分割するために、並びに熱い蒸気がタービン軸３０９と直接接触するのを阻止するために備えている。タービン軸３０９は中圧部分タービン３０３において、中圧回転羽根３５４を持つた第２のブレード領域３６６を有する。第２のブレード領域３６６を通して流れる熱い蒸気は、中圧部分タービン３０３から流出接続部３６９を通り流れ技術的に後置されている図示されていない低圧部分タービンへ流れる。
タービン軸３０９は、例えば２つの部分タービン軸３０９a及び３０９bから構成され、それらは軸受３１８の領域において互いに強固に結合されている。各部分タービン軸３０９a、３０９bは、中心孔として回転軸３０６に沿って形成された冷却導管を有する。冷却導管は、放射方向の孔を有する流入導管を介して蒸気流出領域３５１と結合されている。中圧部分タービン３０３において、冷却導管は軸遮蔽部の下方の詳細には示されていない空所と結ばれている。流入導管は放射状の孔として作り上げられ、それによって「冷たい」蒸気が高圧部分タービン３００から中心孔へ流れ込むことができる。特に放射状に向けられた孔としても形成された流出導管を介して、蒸気は軸受領域３２１を通り抜けて中圧部分タービン３０３に達し、そこで蒸気流入領域３３３におけるタービン軸３０９の外被表面３３０に達する。冷却導管を通流する蒸気は、蒸気流入領域３３３へ流れ込む中間過熱された蒸気より著しく低い温度を持ち、その結果中圧部分タービン３０３の第１の回転羽根列３４２及びこの回転羽根列３４２の領域における外被表面３３０の有効な冷却が保証される。
本発明の第１の実施例の概略断面図である。 本発明の第２の実施例の概略断面図である。 本発明が適用される流体エンジンの一例の回転羽根、案内羽根の透視図である。 本発明が適用される蒸気タービンの一例の縦断面図である。
符号の説明
１ 構成部材
２ 基体
３ 付着層
４ 断熱層
５ 付着層の第１の層
６ 付着層の第２の層
１２０、１３０ タービン羽根
１２１ 長手軸
１８３ 羽根脚部
４００ 固定領域
４０３ 羽根基台
４０６ 羽根ブレード
４０９ 流入辺
４１２ 流出辺
４１５ 羽根先端部
４１８ 膜冷却孔

Claims (18)

  1. 少なくとも、構成部材（１）上に直接設けられた付着層（３）及び特に付着層（３）上に形成された断熱層（４）を備えた皮膜系を有する構成部材において、付着層（３）が、22〜36重量％のCr、15〜30重量％のNi、最大55ppmのAl及びベースとしてのFeを含むことを特徴とする皮膜系を有する構成部材。
  2. 付着層（３）がさらに1〜3重量％のSiを含むことを特徴とする請求項１記載の構成部材。
  3. 付着層（３）がさらにCe、Y及びHfの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の構成部材。
  4. 付着層（３）がクロム（Cr）、ニッケル（Ni）、鉄（Fe）及び選択的にアルミニウム（Al）からなることを特徴とする請求項１記載の構成部材。
  5. 付着層（３）がクロム（Cr）、ニッケル（Ni）、シリコン（Si）、鉄（Fe）及び選択的にアルミニウム（Al）からなることを特徴とする請求項１記載の構成部材。
  6. 付着層（３）がクロム（Cr）、ニッケル（Ni）、シリコン（Si）、残り鉄（Fe）、並びに選択的にアルミニウム（Al）、及びセリウム（Ce）、イットリウム（Y）、ハフニウム（Hf）の群の少なくとも１つの元素からなることを特徴とする請求項３記載の構成部材。
  7. 付着層（３）がクロム（Cr）、ニッケル（Ni）、残り鉄（Fe）、並びに選択的にアルミニウム（Al）、及びセリウム（Ce）、イットリウム（Y）、ハフニウム（Hf）の群の少なくとも１つの元素からなることを特徴とする請求項３記載の構成部材。
  8. 付着層（３）が25重量％のCr及び20重量％のNiを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の構成部材。
  9. 付着層（３）が30重量％のCr及び30重量％のNiを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の構成部材。
  10. 付着層（３）が、構成部材（１）と付着層（３）との間の内部拡散を最小限に抑える阻止層として形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の構成部材。
  11. 付着層（３）が多層に形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の構成部材。
  12. 構成部材上に設けられた付着層（３）の第１の層（５）が、第１の層（５）上に形成された少なくとも１つの別の層（６）に対する阻止層として働き、第１の層（５）が構成部材（１）と別の層（６）との間の内部拡散を最小限に抑えるようになっていることを特徴とする請求項１１記載の構成部材。
  13. 断熱層（４）がセラミックスを含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の構成部材。
  14. 断熱層（４）がセラミックスからなることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の構成部材。
  15. 構成部材が基板（２）、付着層（３）及び断熱層からなることを特徴とする請求項１３又は１４記載の構成部材。
  16. セラミックスが酸化ジルコニウムをベースとすることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１つに記載の構成部材。
  17. 構成部材（１）がタービン（１００）の部分であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１つに記載の構成部材。
  18. 構成部材（１）がタービン羽根（１２０、１３０）であることを特徴とする請求項１７記載の構成部材。
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