JP2008088554A - 多孔質摩耗性皮膜及びその設層方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シュラウドとバケット先端との最小運転クリアランスを確立するための多孔質摩耗性皮膜の提供。
【解決手段】 本発明の多孔質摩耗性皮膜（１０）は、基材（１２）に設層し得る１層以上の摩耗性層（１３）を含み、摩耗性層（１３）は粗くカットした粉末片（１６）を含有する。かかる多孔質摩耗皮膜（１０）は、粗くカットした粉末片（１６）を含む粗くカットした摩耗性粉末（１５）を選択し、粗くカットした摩耗性粉末（１５）を含有する１層以上の摩耗性層（１３）を基材（１２）に設層し、粗くカットした摩耗性粉末（１５）によって１層以上の摩耗性層（１３）に多孔性（２０）を生じさせることによって形成し得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は広義には摩耗性皮膜に関し、さらに具体的には基材に設層した多孔質摩耗性皮膜に関する。

ガスタービンエンジンにおいて最大エンジン効率（及び相当する最大発電）を達成するには、バケットがタービンケース又は「シュラウド」内で最小限の干渉でしかも膨張する作動流体から得られるエネルギー量に対してできるだけ高い効率で回転することが重要である。典型的には、最高作動効率はシュラウドとバケット先端間のクリアランスを最小閾値に保つことによって達成できる。最小クリアランスの維持によってバケット先端からの高温ガスの望ましくない「漏れ」を防止できるが、クリアランスが増大すると漏れの問題を生じ、タービンの全体効率が大幅に低下する。しかし、バケット先端がシュラウドの特定の位置で擦れ、バケット先端が浸食されると、バケット先端の浸食によってバケット先端とシュラウドの他の位置とのクリアランスが増大してしまい、この場合も望ましくない漏れを起こす結果となってしまう。

タービンの回転に伴って、特に高い作動温度で影響される場合に、タービン部品に作用する遠心力でバケットがシュラウドに向かって外側方向に膨張する可能性があるので、効率の有意な損失を伴わずに適切なクリアランスを維持するのは一段と困難になる。したがって、予想最高作動温度でのシュラウドとバケット先端との最小有効運転クリアランスを確立することが重要である。

定常状態温度条件でシュラウドとバケット先端との最小（つまり最適）運転クリアランスを確立するためにタービンシュラウドに摩耗性皮膜が設けられている。特に、シュラウド内でバケットが高速回転する際にバケット先端にほとんど又は全く損傷を生じさせることなく、バケットの先端によって簡単に摩耗される材料を用いてバケットに面したシュラウド表面に皮膜が設けられている。最初、ガスタービンが停止して部品が周囲温度にあるときは、バケット先端と皮膜の間にはクリアランスが存在する。その後、通常運転時に、回転部品及び静止部品における遠心力と温度変化によって必然的にバケット先端が幾分半径方向に伸長するためクリアランスは減少し、バケット先端がシュラウドの皮膜と接触して皮膜の一部を摩滅し、最小運転クリアランスが確立される。摩耗性皮膜を設けるとクリアランスを低減し、接触が起こったとしても犠牲となる部材がバケット先端ではなく摩耗性皮膜となるように担保できる。
米国特許第６８８７５２８号明細書 米国特許出願公開第２００５／０００３１７２号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１１０２４８号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１１０２４７号明細書

摩耗性皮膜は有効なクリアランス低減手段ではあるが、全体として局部的な擦れに良く耐える（即ち、皮膜の大規模又は広範な剥離を起こさずに局部的な擦れに耐える）皮膜があれば望ましい。これは皮膜の多孔性を増大させることによって達成できる。現在、皮膜多孔性は、皮膜にポリマー成分を配合し、皮膜設層後にポリマー成分を焼失（脱脂）して多孔性を残すことによって達成している。摩耗性皮膜に多孔性を生成させるための一段と効率的で効果的な手段があれば望ましい。

本発明は、基材に設層し得る１層以上の摩耗性層を含む多孔質摩耗性皮膜であって、上記１層以上の摩耗性層が粗くカットした粉末片を含有する、多孔質摩耗性皮膜を提供する。

また、本発明は、多孔質摩耗性皮膜の設層方法であって、粗くカットした粉末片を含む粗くカットした摩耗性粉末を選択し、粗くカットした摩耗性粉末を含有する１層以上の摩耗性層を基材に設層し、粗くカットした摩耗性粉末によって１層以上の摩耗性層に多孔性を生じさせる工程を含んでなる方法を提供する。

さらに、本発明は、多孔質摩耗性皮膜の設層方法であって、粗くカットした粉末片を含む粗くカットした摩耗性粉末を選択し、粗くカットした粉末を含有する付着摩耗性層を基材に設層し、粗くカットした摩耗性粉末を含有するパターン化摩耗性層を付着摩耗性層に設層し、パターン化摩耗性層を付着摩耗性層に付着させ、その付着性を粗くカットした摩耗性粉末の凸凹によって促進し、粗くカットした摩耗性粉末片によって付着摩耗性層及びパターン化摩耗性層に多孔性（２０）を生じさせる工程を含んでなる方法を提供する。

各図において同じ要素には同じ参照番号を用いる。

図１に多孔質摩耗性皮膜１０を示す。皮膜１０は、耐環境性皮膜（ＥＢＣ＝environmental barrier coat）が設けられたタービンシュラウドのような基材１２に１以上の層として設けられる。一実施形態では、皮膜１０は付着摩耗性層１３及びパターン化摩耗性層１４として設けられる。以下、皮膜１０の設層法について説明するが、まず皮膜１０を構成する粉末１５（図２に示す）の選択について説明する。

図２を参照すると、粉末１５は比較的大きくて、粗くカットされた粉末片１６を含むように選択される。この選択法は、約９０μｍ辺の正方形開口を有する篩で摩耗性粉末１５を篩い分けすることを含む。次に、この開口を通過した粉末１５を約４４μｍ辺の正方形開口を有する篩で篩い分ける。この開口を通過した粉末１５を捨て、通過できなかった粉末１５を選択する。したがって、直径約４４〜９０μｍの粉末片１６が使用される。これに対して、従来の慣用粉末１５では８μｍ（セラミック）及び１６μｍ（金属）のような粉末片を含む微粉末が用いられる。

粉末片１６が大きく粗いので、層１４及び１３に施工された粉末１５は比較的大きな開口ボイド１８を含むようになる。一実施形態では、これらのボイド１８は、後述の熱処理後も、８体積％以上（代表的範囲８〜１２％）の比較的大きな皮膜多孔率２０を与える。所望の多孔性２０を生成することに加えて、粉末片１６の粗さは付着層１３にある程度の表面粗さ（凹凸）２２を生じさせてパターン化層１４との付着性を高める。一実施形態では、粉末１５はセラミック組成物を含むが、セラミック組成物は、具体的にはイットリア安定化ジルコニア、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム、又は０．７５モルのＢａＯと０．２５モルのＳｒＯと１モルのＡｌ２ Ｏ３ と２モルのＳｉＯ２ とを含有する組成物である。

粉末１５を選択したら、皮膜１０を設層ることができる。図３を参照すると、一実施形態では、大気プラズマ溶射２４のような溶射法又は物理蒸着（ＰＶＤ）法によって付着層１３を基材１２に施工又は「フラッシュコーティング」する（図では部分的に設層されている）。一実施形態では、所望のレベルの多孔性を集団で生成するように選択された粒径を含む粗大粒子に対して大気プラズマ溶射のパラメータを較正、最適化する。図４を参照すると、一実施形態ではパターン化マスク２８上への粉末１５のプラズマ溶射の一連の複数回のパスによって、パターン化層１４を付着層１３に設層するとともに、パターン化層１４においてリッジ２６のパターンを形成する（図では部分的に形成されている）。この場合も、所望のレベルの多孔性を集団で生成するように選択された粒径を含む粗大粒子に対して大気プラズマ溶射のパラメータを最適化する。上述の通り、付着層１３の表面粗さ２２によってパターン化層１４の付着性が促進・強化される。

設層した付着層１３とパターン化層１４並びに各層における粉末片１６同士の付着性を機械的及び化学的にさらに強化するため、層１３及び１４を熱処理する。この熱処理は一実施形態では空気炉で実施されるが、プラズマトーチを使用してもよい。粉末片１６を部分的に溶融するのに十分な温度に加熱して、各粉末片１６を隣接粉末片１６と機械的及び化学的に結合させ（それに伴って層１３と層１４との結合が強化される）、タービン作動時の耐浸食性を高める。ただし、温度（１２５０〜１３００℃）は、粉末片１６を完全に溶融し、ボイド１８が溶融粉末片１６で埋まって多孔率が減少するほど高くはない。このように、適度な熱処理と粒度との組合せによって溶融を不完全な状態に維持して半溶融粉末片１６間のボイド１８を維持する。所望の多孔性２０を生じさせるために皮膜１０から完全に焼失させなければならないものは存在しないので、粉末片１６の一体性が実質的に保存され、所望の多孔性２０が効率的かつ効果的に生成する。

以上、例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々な変更をなし、ある構成要素を均等物で置き換え得ることができることは当業者には明らかである。さらに、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、ある状況又は材料を本発明の教示内容に適合させるため数多くの変更をなすことができる。したがって、本発明は発明の最良の実施の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。さらに、特記しない限り、本明細書で用いる「第１」、「第２」などの用語は順序や重要性を表すものではなく、ある構成要素を他の構成要素と区別するために用いる。

多孔質摩耗性皮膜の概略断面図。 図１の部分２の概略断面図。 設層時の多孔質摩耗性皮膜の付着層の概略断面図。 設層時の多孔質摩耗性皮膜のパターン化層の概略断面図。

符号の説明

１０ 多孔質摩耗性皮膜
１２ 基材
１３ 付着摩耗性層
１４ パターン化摩耗性層
１５ 粉末
１６ 粒子
１８ ボイド
２０ 皮膜細孔
２２ 表面粗さ
２４ 大気プラズマ溶射
２６ リッジ
２８ パターン化マスク

Claims (10)

1. 基材（１２）に設層し得る１層以上の摩耗性層（１３）を含む多孔質摩耗性皮膜（１０）であって、上記１層以上の摩耗性層（１３）が粗くカットした粉末片（１６）を含有する、多孔質摩耗性皮膜（１０）。
2. 前記１層以上の摩耗性層が、イットリア安定化ジルコニア、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム、及び０．７５モルのＢａＯと０．２５モルのＳｒＯと１モルのＡｌ２ Ｏ３ と２モルのＳｉＯ２ とを含有する組成物から選択される１種類以上のセラミック組成物を含む、請求項１記載の摩耗性皮膜（１０）。
3. 前記１層以上の摩耗性層が、基材（１２）に設層し得る付着摩耗性層（１３）と該付着摩耗性層（１３）に付着できるパターン化摩耗性層（１４）であり、パターン化摩耗性層（１４）が１以上のリッジを画成する、請求項１記載の摩耗性皮膜（１０）。
4. 前記１層以上の摩耗性層（１３）の多孔率（２０）が８体積％以上である、請求項１記載の摩耗性皮膜（１０）。
5. 多孔質摩耗性皮膜（１０）の設層方法であって、
   粗くカットした粉末片（１６）を含む粗くカットした摩耗性粉末（１５）を選択し、
   粗くカットした摩耗性粉末（１５）を含有する１層以上の摩耗性層（１３）を基材（１２）に設層し、
   粗くカットした摩耗性粉末（１５）によって１層以上の摩耗性層（１３）に多孔性（２０）を生じさせる
   工程を含んでなる方法。
6. 多孔質摩耗性皮膜（１０）の設層方法であって、
   粗くカットした粉末片（１６）を含む粗くカットした摩耗性粉末（１５）を選択し、
   粗くカットした粉末（１５）を含有する付着摩耗性層（１３）を基材（１２）に設層し、
   粗くカットした摩耗性粉末（１５）を含有するパターン化摩耗性層（１４）を付着摩耗性層（１３）に設層し、
   付着摩耗性層（１３）にパターン化摩耗性層（１４）を付着させ、その付着性を粗くカットした摩耗性粉末（１５）の凸凹（２２）によって促進し、
   粗くカットした摩耗性粉末片（１６）によって付着摩耗性層（１３）及びパターン化摩耗性層（１４）に多孔性（２０）を生じさせる
   工程を含んでなる方法。
7. さらに、パターン化マスク（２８）によってパターン化摩耗性層（１４）におけるリッジ（２６）の摩耗性パターンを形成することを含む、請求項６記載の方法。
8. 付着摩耗性層（１３）の設層工程が、大気プラズマ溶射（２４）を用いた設層を含んでおり、パターン化摩耗性層（１４）の設層が、パターン化マスク（２８）上への大気プラズマ溶射（２４）の一連の複数回のパスを含む、請求項６記載の方法。
9. さらに、付着性の向上によって付着摩耗性層（１３）及びパターン化摩耗性層（１４）を耐浸食性にするため付着摩耗性層（１３）及びパターン化摩耗性層（１４）を熱処理する工程を含み、上記熱処理の温度が、粗くカットした摩耗性粉末片（１６）が完全には溶融されずに所望の多孔性（２０）が保持されるように選択される、請求項６記載の方法。
10. 前記選択工程で、多孔率（２０）が８体積％以上となる粗さをもつ粗くカットした粉末（１５）を選択する、請求項６記載の方法。

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