JP2009515048A - ガスタービンの高温気体部内の部品用の断熱保護層 - Google Patents

Abstract

ガスタービンの高温気体部内の部品用の断熱保護層が開示される。前記保護層は、接着層、拡散層、及び、前記部品の高温耐熱ベース金属に付けられるセラミック層からなる。前記接着層は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙを含有する金属合金［ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｎｉ、Ｃｏ）］を含み、前記拡散層は、前記接着層をカロライジングすることによって形成され、前記セラミック層は、イットリウム酸化物を用いて部分的に安定化されたＺｒＯ_２からなる。大きな原子直径を有し、Ｒｅ、Ｗ、Ｓｉ、Ｈｆ、及び／又はＴａを含む群から選択される１つ又は複数の化学金属元素は、合金化され、前記接着層の材料になる。前記接着層は、付着後に以下の化学組成を有する：Ｃｏが１５から３０％、Ｃｒが１５から２５％、Ａｌが６から１３％、Ｙが０．２から０．７％、Ｒｅが５％まで、Ｗが５％まで、Ｓｉが３％まで、Ｈｆが３％まで、Ｔａが５％まで、残部がＮｉからなる。

Description

本発明は、請求項１の序節の特徴を有するガスタービンの高温気体部内の部品用の断熱保護層に関連する。

最近のガスタービンでは、高温気体部の表面のほとんど全ては、コーティングが提供されている。多くの場合の例外は、依然としてアレイの後方のタービンブレードである。この断熱層は、冷却された部品の材料の温度を低下させるように機能する。結果として、それらの耐用年数が延長されることができ、冷却空気が削減されることができ、または、ガスタービンがより高い入り口温度で動作されることができる。通常、ガスタービンの断熱層システムは、その上に乏しい熱伝導率を有するセラミック層が付けられたベース材料に結合される金属結合層の拡散からなり、それは、熱流量に対する事実上の障壁に相当し、高温腐食及び高温浸食に対するその部品の金属ベースを保護する。

断熱層用のセラミック材料として、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ_２、ジルコニア）は、広く受け入れられるようになっており、それは、通常、約７重量％のイットリウムで部分的に安定化される（国際的な略語：Ｙｔｔｒｉａ Ｐａｒｔｉａｌｌｙ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａを表す“ＹＰＳＺ”）。
この断熱層は、それらがどのように付けられるかによって２つの基本分類に分けられる。
−所望の層の厚さ及び応力分布に依存し、セラミック層内に約１０−２５体積％の気孔率が生成される熱溶射層（通常、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）工程）。結合層（未加工の溶射された）への結合は、機械的な連結（メカニカルインターロッキング）によって達成される。
−特定の体積条件が観察された場合に、円柱状の構造体または円柱状の延長耐性構造体（columnar elongation-tolerant structure）を有する、ＥＢ−ＰＶＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｐｌａｓｍａ Ｖａｐｏｒ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）工程によって堆積される層。この層は、純粋なアルミニウム酸化物の層上のＡｌ／Ｚｒ混合酸化物の形成によって化学的に結合され、それは、適用工程及びそれに続く実施工程（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｇｒｏｗｎ Ｏｘｉｄｅ：ＴＧＯ）中に結合層によって形成される。これは、結合層上の酸化物の成長に非常に厳しい要求を与える。

結合層として、拡散層またはクラッド層の何れかは、原則として使用することができる。

結合層における要求のリストは、複雑であり、考慮しなければならない以下の点を含む。
−低い静的及び周期的酸化速度、
−ＴＧＯ（ＥＢ−ＰＶＤの場合）としての最も純粋な考えられるアルミニウム酸化物層の形成、
−高温腐食に対する十分な抵抗性、
−低い延性−脆性遷移温度、
−高いクリープ抵抗、
−ベース材料と同様の物理特性、良好な化学的適合性、
−良好な接着性、
−ベース材料との最小の長期相互拡散、
−再現可能な品質における堆積の低コスト。

固定ガスタービンにおける特別な要求において、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｎｉ、Ｃｏ）に基づく結合層またはクラッド層は、化学的及び機械的条件を満たすための最良の可能性を提供する。ＭＣｒＡｌＹ層は、ＮｉＣｏＣｒ（“γ”）マトリクス内のアルミニウム貯蔵部として金属間のβ相のＮｉＣｏＡｌを含有する。しかしながら、実際に実現されることができるＡｌ含有量が１２重量％以下であるので、γ相のＮｉＣｏＡｌは、脆化効果も有する。酸化抵抗のさらなる増加を達成するために、Ａｌ拡散層でＭＣｒＡｌＹ層を被覆することが可能である。脆化の危険性のために、これは、ほとんどの場合、比較的低いアルミニウム含有量（Ａｌ≦８％）を有する開始層に限定される。

アリタイズされた（alitized）ＭＣｒＡｌＹ層の構造体は、内部の，広範に損傷されていないγ，β−混合相、Ａｌ含有量が２０％までに上る拡散領域、及び、約３０％のＡｌ含有量を有する外部のβ−ＮｉＡｌ相からなる。ＮｉＡｌ相は、脆性及び割れ感受性に関してこの層システムの弱点に相当する。

酸化特性及び機械特性に加えて、ベース材料とＭＣｒＡｌＹ層との間の（内部）拡散現象は、特定の場合には、ＭＣｒＡｌＹ層とアリタイズ層（alitized layer）との間の拡散現象であるが、使用温度が増加するにつれて、耐用寿命の点でますます非常に重要になっている。極端な場合、ＭＣｒＡｌＹ層におけるアルミニウムの拡散ベースの損失は、酸化物形成によって引き起こされる損失を超える場合がある。局所的な損失が未使用の材料の供給よりも多い非対称拡散を通して、欠陥及び微細孔が形成され、極端な場合、この層が剥離されることがある。

本発明は、問題となる一般的なタイプの断熱保護層の場合における上述の欠点を回避し、アリタイズ層の酸化特性またはこの層システムの延性及びクリープ抵抗に否定的な影響を与えることなく拡散を減速させるという課題に基づく。

この課題は、請求項１に記載の特徴によって、問題となっているタイプの断熱保護層の場合において本発明によって達成される。本発明の有利な実施形態は、請求項２及び３の対象である。

示された濃度において、好ましくはＲｅであるが、Ｗ、Ｓｉ、Ｈｆ及び／又はＴａの添加によって特別に構成されるＮｉＣｏＣｒＡｌＹ結合層の修正を介して拡散が減速されることができることが見られる。断熱保護層の耐用寿命、特にＥＢ−ＰＶＤによって堆積された層の耐用寿命は、ベース材料に対する耐拡散性と組み立てられたアリタイズ層に対する耐拡散性とによって大幅に延長される。例えば、異物及び侵食による衝撃の結果として断熱保護層の初期故障の場合には、比較的長い期間の“非常動作”が可能である。

断熱保護層は、以下の方法で形成される。ガスタービンのブレードなどの、高温気体部内の冷却された部品のベース金属上に、結合層が熱溶射などの工程によって付けられる。このために、以下の化学組成を有する合金化される前の噴霧状の粉末が使用される：Ｃｏが１５−３０重量％、Ｃｒが１５−２５重量％、Ａｌが６−１３重量％、Ｙが０．２−０．７重量％、残部がＮｉ。さらに、この粉末は、５重量％までのＲｅ、５重量％までのＷ、３重量％までのＳｉ、３重量％までのＨｆ、及び、５重量％までのＴａの１つ又はそれ以上を含む。従って、使用される粉末は、好ましくは、以下の化学組成を有する：Ｃｏが２５重量％、Ｃｒが２１重量％、Ａｌが８重量％、Ｙが０．５重量％、Ｒｅが１．５重量％、残部がＮｉ。付着後、結合層は、使用された粉末の化学組成を有する。

それが付けられた後、結合層は被覆され、または、その表面はアリタイズされ、Ａｌ含有量を増加するためにＡｌ拡散層を生成する。この被覆は、この表面をアリタイズすること（アリタイゼーション）によって実現され、すなわち、高温で、反応性のＡｌ含有ガスが、通常アルミニウムハロゲン化物（ＡｌＸ_２）であるが、Ｎｉの外方拡散と関連してＡｌの内方拡散を引き起こすことによって実現される。

この表面がこのような方法でアリタイズされると、内部拡散領域は、広範に損傷されていない結合層上の拡散層内に形成され、その上部に、脆弱なβ−ＮｉＡｌ相の外側の組み立てられた層が形成される。独国特許出願１０−２００４−０４５０４９．８（未だ公開されていない）に記載の工程によれば、この外側の層は、コランダム、シリコンカーバイド、金属ワイヤーなどの硬い粒子、または、周知の研削剤または研磨剤を用いてそれを粉砕（ブラスティング）することによって拡散層の内部拡散領域まで除去される。この磨耗処理は、残っている拡散層の表面が１８％超で３０％未満のＡｌ含有量を有するまで続けられる。

以前に引用された工程の１つの後に、イットリウム酸化物安定化ジルコニウム酸化物のセラミック層は、最終的な工程として適用される。

Claims (3)

1. ガスタービンの高温気体部内の部品用の断熱保護層であって、
   前記断熱保護層は、結合層、拡散層及びセラミック層からなり、前記部品の高温耐熱ベース金属に付けられ、
   前記結合層は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙを含有する金属合金［ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｎｉ、Ｃｏ）］からなり、
   前記拡散層は、前記結合層のアリタイゼーションによって形成され、
   前記セラミック層は、部分的にイットリウム酸化物で安定化されるＺｒＯ_２からなり、
   Ｒｅ、Ｗ、Ｓｉ、Ｈｆ、及び／又はＴａからなる群から選択される大きな原子直径を有する１つ又は複数の化学金属元素は、前記下塗層の材料に合金として添加され、前記下塗層は、付けられた後に、以下の化学組成を有することを特徴とする断熱保護層：
   Ｃｏ：１５−３０％、
   Ｃｒ：１５−２５％、
   Ａｌ：６−１３％、
   Ｙ ：０．２−０．７％、
   Ｒｅ：５％まで、
   Ｗ ：５％まで、
   Ｓｉ：３％まで、
   Ｈｆ：３％まで、
   Ｔａ：５％まで、
   残部：Ｎｉ。
2. 請求項１に記載の断熱保護層であって、
   Ｒｅが前記結合層の材料に合金として添加され、前記結合層は、付着後に、以下の化学組成を有することを特徴とする断熱保護層：
   Ｃｏ：２５％、
   Ｃｒ：２１％、
   Ａｌ：８％、
   Ｙ ：０．５％、
   Ｒｅ：１．５％、
   残部：Ｎｉ。
3. 請求項１または２に記載の断熱保護層であって、
   −前記ベース金属上の前記ＭＣｒＡｌＹ層の表面は、アリタイズされ、
   −前記表面がアリタイズされたＭＣｒＡｌＹ層は、内部の、広範に損傷されていないγ，β−混合相、約２０％のＡｌ含有量を有する内部拡散領域からなる拡散層、及び、約３０％のＡｌ含有量を有するβ−ＮｉＡｌ相からなる外部の組み立てられた層からなる構造体を有し、
   −前記β−ＮｉＡｌ相からなる外部の組み立てられた層は、磨耗処理によって前記拡散層の内部拡散領域まで基本的に除去され、
   −残っている前記拡散層の表面は、１８％超で３０％未満のＡｌ含有量を有することを特徴とする断熱保護層。