JP2008050699A6 - 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
【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。
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
2 基体
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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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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