JP2009539011A - タングステンブロンズ構造材の使用及び遮熱コーティングを施されたタービン構成部品 - Google Patents

Abstract

遮熱コーティングとして用いられるタングステンブロンズ構造セラミック材料について記述する。遮熱コーティングはガスタービン構成部品に適用することが可能である。

Description

本発明は、タングステンブロンズ構造材の使用及び遮熱コーティングを施されたタービン構成部品に関する。

遮熱コーティング（ＴＢＣ）系は、タービン動翼及び静翼の第１列及び第２列、並びに、ガスタービンの高温ガス経路に曝される燃焼室構成部品に手軽に用いられてきた。典型的には、イットリアで安定化したジルコニア遮熱コーティングが、高温セクションに広範囲に亘って施され、熱機械的衝撃、高温酸化及び高温腐食劣化に対する保護を与える。

当初、ＴＢＣ実施の主たる動因は被覆構成部品の寿命延長であったが、進歩したガスタービンでは、ガスタービンの効率及び出力の増大を可能にするため、ますますＴＢＣが利用されるようになっている。効率及び出力を向上させる方策の１つは、高温ガス経路内にある構成部品の冷却空気の消費を減少させる、即ち、これらの構成部品を、より高温で稼動可能にすることである。加熱温度を上昇させ、冷却流を減少させる方向に進むと、進歩したガスタービンの長期に亘る効率及び性能の目標を実現するための、より高温で、安定性がより高く、遮熱性により優れた高性能を有するＴＢＣに対する要求が、絶えず発生する。

今日のＴＢＣは、２層系、即ち、外側の隔離セラミック層と、その下側に位置する、金属構成部品の表面に直接設けられた耐酸化性金属層（ボンドコート）とを、含有することが多い。ボンドコートは、セラミックコーティングと基材とを物理的及び化学的に結合し、成長が遅い接着性の保護アルミナスケールを形成することによって、耐酸化耐腐食材として働く。表面セラミック層は、ａ）エンジン稼動温度の上昇、ｂ）高温及び高応力に曝された場合の金属構成部品の寿命延長、並びに、ｃ）金属構成部品冷却の要求の緩和、を通じて、性能、効率及び耐久性に利点を与える。セラミック層の厚さ及び厚さ全体に及ぶ熱流束次第で、基材温度を数百度低下させることが可能である。

ＴＢＣの開発及び受容は、加工技術に密接にリンクしている。これに関して、セラミック表面コートは、現在のところ、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）又は電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）法を用いて付着させられている。両方のコーティングとも同じ化学組成を有しているが、それらの微細構造は、それらの隔離特性及び性能がそうであるように、基本的に互いに異なっている。

稼動温度の所望の上昇は、セラミックＴＢＣ系の優れた温度性能を、その低熱伝導性による優れた熱隔離挙動と共に活用することによって、かなりの程度、達成される。ＴＢＣの隔離性の向上は、ＴＢＣの厚さの増大、ＴＢＣ微細構造（例えば、多孔性）の変更、又は、バルク熱伝導性の低い材料の使用によって実現可能である。

本発明の目的は、より高い稼動温度を可能にするタービン構成部品を提供することにある。本発明のもう１つの目的は、新しい種類の潜在的能力を有するＴＢＣ組成を探究することにある。

第１の目的は、請求項１に記載のタービン構成部品によって解決される。第２の目的は、請求項１２に記載のタングステンブロンズ構造材の使用によって解決される。従属請求項では、本発明の更なる展開が定義される。

本発明のタービン構成部品は、遮熱コーティングを有してなる。遮熱コーティングは、タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材を含んでなる。

本発明では、バルク熱伝導性の低いタングステンブロンズ構造セラミックコーティング材を用いて、ＴＢＣの遮熱性を向上させることが提案される。典型的に、これらの構造は、熱的、物理的及び機械的特性に優れている。大型で複雑な単位セルと、高原子質量と相俟った強力な異方性原子結合との、組み合わせは、熱伝導性を低下させるための理想的な候補になる。熱的機械的特性は別として、新規のＴＢＣは、稼動温度範囲に亘って優れた相安定性とタービンセクションの極限環境における向上した耐焼結性とを示す。更に、それらは、従来の又は新しいボンドコート及び超合金材料にも適合する。

タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材は、式：ＡＯ−Ｂ_vＯ_w−Ｃ_yＯ_zを有しており、ここで、Ａは２価又は１価カチオンを表わし、Ｂは２価又は３価カチオンを表わし、Ｃは４価又は５価カチオンを表わす。この一般式によって表わされる材料において、酸化物の特性は、Ａ、Ｂ及びＣ各イオンの性質と、これらのイオンの原子価状態によって決まる。Ａ、Ｂ又はＣイオンを置換すると、構造内に酸素空孔を生じさせたり抑制したりすることが可能で、かくして、材料のバルク特性を変えられる。

この一般式において、Ａは、Ｂａ（バリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｌｉ（リチウム）、Ｎａ（ナトリウム）及びＫ（カリウム）からなる元素の群から選択することもできるし、これらの元素の混合物とすることも可能である。Ｂは、希土類ランタニド、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）及びＩｎ（インジウム）からなる元素の群から選択することもできるし、これらの元素の混合物とすることも可能である。Ｃは、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ｔｈ（トリウム）、Ｎｂ（ニオブ）及びＴａ（タンタル）からなる元素の群から選択することもできるし、これらの元素の混合物とすることも可能である。

タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材に特に適した材料は、式：ＢａＯ−ＲＥ₂Ｏ₃−ｘＴｉＯ₂で表わされ、ここで、ＲＥは希土類ランタニドカチオンを表わす。ｘの値は、２及び５を含めて２〜５の範囲内とすることが可能である。特に、希土類ランタニドカチオンは、ネオジウム（Ｎｄ）とすることが可能であり、従って、このタングステンブロンズ構造セラミックコーティング材は、式：ＢａＮｄ₂Ｔｉ₄Ｏ₁₂で表わすことが可能である。

ＢａＯ−ＲＥ₂Ｏ₃−ｘＴｉＯ₂の場合、Ｂａ及び／又はＲＥ及び／又はＴｉに１つ以上のドーパントを添加して、格子欠陥を生じさせることにより、タングステンブロンズ構造セラミックのバルク特性を改善することが可能である。Ｂａに適したドーパントは、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｌｉ、Ｎａ及びＫである。ＲＥに適したドーパントは、例えば、他の希土類ランタニド、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｙ、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎである。Ｔｉに適したドーパントは、例えば、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｔｈ、Ｎｂ及びＴａである。

本発明のタービン構成部品は、更に、タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材の下に位置する耐酸化性金属層を含むことができる。適切な耐酸化性金属層は、例えば、ＭＣｒＡｌＸ層であるが、ここで、Ｍは、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）及びＮｉ（ニッケル）からなる群から選択され、Ｙは、Ｙ（イットリウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｈｆ（ハフニウム）及び希土類元素からなる群から選択される少なくとも１つの元素を表わしている。

本発明のもう１つの側面によれば、タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材の新規の使用法が示される。この材料は、遮熱コーティングとして用いられる。本発明を支持する概念は、極めてＫの含有率が低い材料であるタングステンブロンズ構造を有するセラミックの有する、マイクロ波の損失が少ないという有利な固有の特性を利用し、且つ、これらのセラミックのバルク特性を改善することにある。

バルク特性の改善は、多価カチオンのイオン置換によって可能であり、その結果、耐焼結性が向上するとともに、熱伝導性が更に低下する。使用されるタングステンブロンズ構造セラミックコーティング材は、従って、式：ＡＯ−Ｂ_vＯ_w−Ｃ_yＯ_zを有することが可能であり、ここで、Ｏは酸素を表わし、Ａは２価又は１価カチオンを表わし、Ｂは２価又は３価カチオンを表わし、Ｃは４価又は５価カチオンを表わす。Ａは、Ｂａ（バリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｌｉ（リチウム）、Ｎａ（ナトリウム）及びＫ（カリウム）からなる元素の群から選択することもできるし、これらの元素の混合物とすることも可能である。Ｂは、希土類ランタニド、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）及びＩｎ（インジウム）からなる元素の群から選択することもできるし、これらの元素の混合物とすることも可能である。Ｃは、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ｔｈ（トリウム）、Ｎｂ（ニオブ）及びＴａ（タンタル）からなる元素の群から選択することもできるし、これらの元素の混合物とすることも可能である。

とりわけ有利なタングステンブロンズ構造セラミックコーティング材は、式：ＢａＯ−ＲＥ₂Ｏ₃−ｘＴｉＯ₂で表わされ、ここで、ＲＥは希土類ランタニドカチオンを表わしている。ｘの値は、値２及び５を含めて２〜５の範囲内とすることが可能である。特に、使用されるタングステンブロンズ構造セラミックコーティング材は、式：ＢａＮｄ₂Ｔｉ₄Ｏ₁₂である。

ＢａＯ−ＲＥ₂Ｏ₃−ｘＴｉＯ₂の場合、Ｂａ及び／又はＲＥ及び／又はＴｉに、１つ以上のドーパントを添加して、格子欠陥を生じさせることにより、タングステンブロンズ構造セラミックのバルク特性を改善することが可能である。Ｂａに適したドーパントは、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｌｉ、Ｎａ及びＫである。ＲＥに適したドーパントは、例えば、他の希土類ランタニド、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｙ、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎである。Ｔｉに適したドーパントは、例えば、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｔｈ、Ｎｂ及びＴａである。

ＴＢＣの温度安定性が高くなるのに加えて熱隔離性が改善されることによって、進歩したガスタービンの長期にわたる効率及び性能目標を実現することが可能になり、費用効率のよい、効率が良く、環境に優しい電力発生のための解決法が得られる。

更なる特徴、特性及び利点については、本発明の実施態様に関する以下の説明及び添付の図面から明らかになるであろう。

上述のように、本発明によれば、低バルク熱伝導性のタングステンブロンズ構造セラミックコーティング材を用いることによってＴＢＣの熱隔離性を改善することが示唆される。これらの材料は、一般式：ＡＯ−Ｂ_vＯ_w−Ｃ_yＯ_zを有しており、この酸化物の特性は、Ａ、Ｂ及びＣ各イオンの性質とイオンの原子価状態とによって決まる。Ａ、Ｂ又はＣ各イオンを置換すると、構造内に酸素空孔を生じさせたり抑制したりすることが可能であり、その結果として、材料のバルク特性を変えることが可能となる。

本発明において用いられる典型的なタングステンブロンズ構造セラミックコーティング材は、ＢａＯ−ＲＥ₂Ｏ₃−ｘＴｉＯ₂であり（ｘ＝２〜５）、ここで、ＲＥは、希土類ランタニドカチオン、即ち、Ｌａ（ランタン）からＬｕ（ルテチウム）まで、典型的には、Ｌａ（ランタン）、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）等、のカチオンを表わしている。換言すれば、一般式に関して、Ａは、この例では、Ｂａによって置換され、ＢはＲＥによって置換され、ＣはＴｉによって置換されている。

これらのセラミックの特性は、その結晶構造、化学量論及び面組成に強く依存する。結晶構造、例えばＢａＯ−ＲＥ₂Ｏ₃−ｘＴｉＯ₂の結晶構造、は、ＴｉＯ₂の含有率が変わると変化する。ｘ＝４及びｘ＝５の化合物、例えばＢａＲＥＴｉ₄及びＢａＲＥＴｉ₅は、（複雑なペロブスカイト型構造と同様の）いくつかの傾斜した酸素八面体と、バリウム及び希土類のような重イオンによって部分的に占められた、異なる種類の空孔とを、有する構造を示す。対照的に、より低い、例えばｘ＝２及びｘ＝３といった、Ｔｉ含有率を有する化合物の結晶構造は、中間バリウム層と整列した酸素八面体の層を示す。

Ａサイトを２価又は１価カチオンで部分的又は完全に置換すると（例えば、大きいＢａイオンを、より小さい２価カチオン又は１価カチオンに置換すると）、系内において、原子がより無秩序となるために、フォノンの散乱が増大する。２価カチオンは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等を含み、１価カチオンは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等を含む。部分的置換は、例えばドーピングによって、実施可能である。

Ｂサイトは、典型的には、ＬａからＬｕまでの、典型的には、Ｌａ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ等の、希土類ランタニドカチオンを表わす。Ｂサイトを２価又は３価カチオンで部分的又は完全に置換すると、系内において、原子がより無秩序となり、空孔濃度が増すので、フォノンの散乱が増大する。２価カチオンは、Ｃｏ、Ｍｎ等を含み、３価カチオンは、同類のランタニドカチオン、又はＳｃ、Ｙ、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎから選ばれる１つを含む。部分的置換は、例えばドーピングによって、実施可能である。

Ｃサイトは、この場合、典型的には、Ｔｉ⁴⁺である。しかしながら、Ｃサイトを４価又は５価カチオンで部分的又は完全に置換すると、系内において、原子がより無秩序となり、空孔濃度が増すので、フォノンの散乱が増大する。４価カチオンは、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ及びＴｈを含み、５価カチオンは、Ｎｂ又はＴａを含む。部分的置換は、例えばドーピングによって、実施可能である。

より高い空孔濃度を生じさせると、空孔対又はクラスタの形成によって「原子レベルの細孔」を生じる可能性がある。文献から知られているように、ナノ細孔の形成は伝導性を顕著に低下させる可能性がある。原子レベルの細孔は、この伝導性の低下に更に貢献する可能性がある。もう１つの利点は、クラスタの拡散係数の低下であり、これによって、材料に固有の耐焼結性が向上する。

一般式における元素の１又はそれ以上の置換により、系の組み合わせを数多く得ることが可能である。ＴＢＣの最終選択は、バルク特性の最適な組み合わせ及びコーティングを付着させる工程能力にも基づくことになる。

本発明において遮熱コーティングとしての使用を示唆される材料は、極めて低い誘電率熱係数（ＴＣε）と高い品質因子（Ｑ因子）を有する、高誘電性のマイクロ波セラミックとして広く用いられてきた。上述の化合物は、Ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｃｉｅｎｃｅ、２００４においてＣ．Ｌｅｖｉが述べたような、Ｋの含有率が少ないＴＢＣ化合物に関してクラークの半古典的熱伝導性モデルによって確立された、選択律に合致している。典型的に、これらの構造は、熱的、物理的及び機械的特性に優れている。

上述のタングステンブロンズ構造セラミックコーティング材の特定の実施例として、組成ＢａＮｄ₂Ｔｉ₄Ｏ₁₂のサンプルが作成され、その熱伝導率及び拡散率が温度の関数として調べられた。測定結果を図１に示す。図１に描かれた温度は、０℃から１，２００℃に亘る。その結果が図１に示されている。この図から分かるように、描かれた温度範囲全体において、ワット／ｍ及びケルビン単位で測定された熱伝導率は３Ｗ／（ｍＫ）未満である。更に、熱伝導率だけが温度上昇につれてわずかに高くなる。更に、（ｍｍ²／秒単位で測定した）この材料の熱拡散率は、０℃における最高値の場合で約０．７ｍｍ²／秒以下である。描かれた温度範囲全体に亘って、熱拡散率は、１，２００℃における約０．５５ｍｍ²／秒まで、低下する。この結果から明らかなように、この材料は、遮熱コーティングとして用いるのに、極めて適している。

ここで述べてきた材料は、とりわけ、ガスタービンの高温ガス経路内にあるタービン動翼及び静翼又は燃焼室構成部品のような、タービン構成部品に対する遮熱コーティングとして用いることが可能である。この場合、こうしたタービン構成部品は、上述のタングステンブロンズ構造セラミックコーティングで被覆される。タービン構成部品には、遮熱コーティングとしてタングステンブロンズ構造セラミック材料を適用する前に、ボンドコート、例えば、ＭＣｒＡｌＸ層、を設けることが可能である。ＭＣｒＡｌＸにおいて、Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ又はＮｉを表わす。Ｘは、Ｙ、Ｓｉ、Ｈｆ及び希土類元素からなる元素の群から選択される活性元素又はそれらの元素の混合物である。このような合金は、例えば、欧州特許第０４８６４８９Ｂ１号、欧州特許第０７８６０１７Ｂ１号、欧州特許第０４１２３９７Ｂ１号又は欧州特許第１３０６４５４Ａ１号によって知られており、合金の化学組成に関するこれらの開示を本明細書の一部をなすものとする。

図２には、実例として、ガスタービン１００の部分縦断面が示されている。ガスタービン１００は、回転軸１０２の周りを回転できるように取り付けられ、シャフト１０１を備えており、タービンロータとも呼ばれる、ロータ１０３を、その内部に備えている。
吸気ハウジング１０４、コンプレッサ１０５、複数の同軸配置バーナ１０７を備えた、例えば環状体の、燃焼室１１０、特に環状燃焼室、タービン１０８、及び、排気ハウジング１０９が、ロータ１０３に沿って順次後続する。環状燃焼室１１０は、例えば環状の、高温ガス流路１１１と通じており、そこでは、一例として挙げれば、４つの連続タービン段１１２がタービン１０８を形成している。
各タービン段１１２は、例えば、２つの動翼リング又は静翼リングから形成されている。作動媒体１１３の流れの方向に見ると、高温ガス流路１１１において案内翼の列１１５に動翼１２０から形成された列１２５が後続する。

案内翼１３０は、ステータ１４３の内部ハウジング１３８に固定されているが、列１２５をなす動翼１２０は、例えばタービンディスク１３３によって、ロータ１０３に取り付けられている。
発電機（図示せず）はロータ１０３に結合されている。

ガスタービン１００の稼動中、コンプレッサ１０５は吸気ハウジング１０４を通して空気を吸い込み、これを圧縮する。コンプレッサ１０５のタービン側末端部で生じる圧縮空気はバーナ１０７に送られ、燃料と混合される。次に、混合空気は燃焼室１１０で燃焼されて、作動媒体１１３を生じる。作動媒体１１３は、そこから高温ガス流路１１１に沿って流れ、案内翼１３０及び動翼１２０を通過する。作動媒体１１３は、動翼１２０で膨張して、その運動量を伝達し、動翼１２０がロータ１０３を駆動し、ロータが更にそれに結合された発電機を駆動することになる。

ガスタービン１００の稼動中、高温作動媒体１１３に曝される構成部品は、熱応力を受ける。作動媒体１１３の流れの方向に見て、第１のタービン段１１２の案内翼１３０及び動翼１２０は、環状燃焼室１１０の内張りである遮熱レンガと共に最高の熱応力を受ける。
そこに広がる温度に耐えることができるようにするため、それらは冷媒によって冷却することが可能である。構成部品の基材は同様に方向性構造を備えることが可能である、即ち、単結晶形態であるか（ＳＸ構造）、又は、縦方向にのみ配向した結晶粒を備えている（ＤＳ構造）。
一例を挙げれば、鉄基、ニッケル基又はコバルト基の超合金が、構成部品、とりわけ、動翼又は静翼１２０、１３０及び燃焼室１１０の構成部品、の材料として使用される。
このタイプの超合金は、例えば、欧州特許第１２０４７７６Ｂ１号、欧州特許第１３０６４５４号、欧州特許第１３１９７２９Ａ１号、国際公開第９９／６７４３５号又は国際公開第００／４４９４９号によって知られており、これらの文献は、合金の化学組成に関して本開示の一部をなしている。

案内翼１３０は、タービン１０８の内部ハウジング１３８に面した案内翼付根（ここには示されていない）と案内翼付根から反対側の端部にある案内翼ヘッドを備えている。案内翼ヘッドは、ロータ１０３と向かい合っており、ステータ１４３の固定リング１４０に固定されている。

図３には、縦軸１２１に沿って延びるタービンマシンの動翼１２０又は案内翼１３０の透視図が示されている。

タービンマシンは、航空機の若しくは電気を発生する発電所のガスタービン、蒸気タービン又はコンプレッサであってよい。

動翼又は静翼１２０、１３０は、縦軸１２１に沿って連続して、固定領域４００、隣接する動翼又は静翼プラットフォーム４０３、及び、動翼又は静翼本体部分４０６、並びに、動翼又は静翼先端４１５を備えている。
案内翼１３０として、静翼１３０はその静翼先端４１５にもう１つのプラットフォーム（図示せず）を備えることが可能である。

動翼又は静翼１２０、１３０をシャフト又はディスク（図示せず）に固定するために用いられる動翼又は静翼付根１８３が、固定領域４００に形成されている。
動翼又は静翼付根１８３は、例えばハンマーヘッド形状に、設計される。クリスマスツリー又はダブテールといった他の形状も可能である。
動翼又は静翼１２０、１３０は、動翼又は静翼本体部分４０６を通過して流れる作動媒体のための前縁４０９及び後縁４１２を備えている。
従来の動翼又は静翼１２０、１３０の場合、一例を挙げれば、動翼又は静翼１２０、１３０の全ての領域４００、４０３、４０６に、固体金属材料、とりわけ超合金、が用いられている。

このタイプの超合金は、例えば、欧州特許第１２０４７７６Ｂ１号、欧州特許第１３０６４５４号、欧州特許第１３１９７２９Ａ１号、国際公開第９９／６７４３５号又は国際公開第００／４４９４９号によって知られており、これらの文献は、合金の化学組成に関して本開示の一部をなしている。
この場合、動翼又は静翼１２０、１３０は、鋳造法によって、更に、方向性凝固、鍛造法、フライス加工法、又は、それらの組み合わせによっても、製造することが可能である。

１つ又は複数の単結晶構造を備えた工作物が、稼動時に、高度の、機械的、熱的及び／又は化学的応力に曝される機械の構成部品として、用いられる。このタイプの単結晶工作物は、例えば溶融物からの方向性凝固によって製造される。これには、液体金属合金が凝固して、単結晶構造即ち単結晶工作物を形成するか、又は、方向性凝固する鋳造法が必要になる。
この場合、樹枝状結晶が熱流方向に沿って配向させられて、柱状結晶粒構造（即ち、工作物の全長にわたって延び、慣習的に用いられる用語に従って本明細書では「方向性凝固した」と称される結晶粒）を形成するか、又は、単結晶構造を形成する、即ち、工作物全体が単一の単結晶から構成される。これらのプロセスにおいて、球状（多結晶）凝固への移行は回避する必要がある。というのは、無方向性成長は不可避的に横方向及び縦方向の結晶粒界を形成し、この結果、方向性凝固構成部品又は単結晶構成部品の望ましい特性が台無しになるからである。
本文において一般的用語で凝固した微細構造という場合、これは、結晶粒界がないか、せいぜい、小角結晶粒界を備える単結晶と、縦方向に延びる結晶粒界はあるが横方向の結晶粒界はない柱状結晶構造の両方を意味するものと理解すべきである。結晶構造のこの第２の形態は、方向性凝固微細構造（方向性凝固構造）とも呼ばれる。
このタイプのプロセスは、米国特許第６，０２４，７９２号及び欧州特許第０８９２０９０Ａ１号によって知られており、これらの文献は、凝固プロセスに関して本開示の一部をなしている。

動翼又は静翼１２０、１３０は、同様に、腐食又は酸化から防護するコーティング、例えばＭＣｒＡｌＸ層、を有することが可能である（Ｍは、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）及びＮｉ（ニッケル）からなる群から選択される少なくとも１つの元素であり、Ｘは活性元素であり、イットリウム（Ｙ）及び／又はシリコン及び／又は少なくとも１つの希土類元素、又は、ハフニウム（Ｈｆ）を表わす。）。このタイプの合金は、欧州特許第０４８６４８９Ｂ１号、欧州特許第０７８６０１７Ｂ１号、欧州特許第０４１２３９７Ｂ１号又は欧州特許第１３０６４５４Ａ１号によって知られており、これらの文献は、合金の化学組成に関して本開示の一部をなす。
密度は、理論上の密度の９５％が望ましい。保護アルミニウム酸化物層（ＴＧＯ＝熱成長酸化物層）が（中間層又は最外部層として）ＭＣｒＡｌＸ層の上に形成される。

例えばＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂からなる、即ち、イットリウム酸化物及び／又はカルシウム酸化物及び／又はマグネシウム酸化物によって安定化されていない、部分的に安定化された、又は、完全に安定化された、遮熱コーティングが、最外層が望ましいが、ＭＣｒＡｌＸ上に存在してもよい。遮断コーティングは、ＭＣｒＡｌＸ層全体を被覆してもよい。
例えば電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）等の適切なコーティング手段によって、遮熱コーティングに柱状結晶粒が生じる。
他のコーティング法、例えば、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ又はＣＶＤも考えられる。遮熱コーティングは、その耐熱衝撃性を改善するため、マイクロクラック又はマクロクラックを有する多孔性結晶粒を含んでいてもよい。従って、遮熱コーティングはＭＣｒＡｌＸ層より多孔性であることが望ましい。

動翼又は静翼１２０、１３０は、中空又は中実の形態をとることが可能である。動翼又は静翼１２０、１３０を冷却すべき場合、中空とするが、フィルム冷却孔４１８（点線で表示された）を備えることも可能である。

図４には、ガスタービン１００の燃焼室１１０が示されている。燃焼室１１０は、例えば、環状燃焼室として既知のものとして設計されるが、そこでは、回転軸１０２のまわりに円周方向に配置された多数のバーナ１０７が共通燃焼室スペース１５４内に開いていて、火炎１５６を発生する。この目的のため、燃焼室１１０全体が回転軸１０２のまわりに位置する環状構造を有している。

比較的高い効率を実現するため、燃焼室１１０は、約１，０００℃〜１，６００℃の比較的高温の作動媒体Ｍに合わせて設計される。材料にとって好ましくないこれらの作動パラメータの場合でも比較的長寿命を可能にするため、燃焼室壁面１５３には、その作動媒体Ｍに面した側に、遮熱要素１５５から形成された内張りが施されている。

燃焼室１１０の内部が高温であるので、遮熱要素１５５及び／又はその保持要素のために冷却システムを設けることも可能である。従って、遮熱要素１５５は、例えば中空であり、適合する場合には、燃焼室スペース１５４内に開いた冷却孔（図示せず）も備える。

合金から造られた各遮熱要素１５５は、特に耐熱性保護層（ＭＣｒＡｌＸ層及び／又はセラミックコーティング）を備えた作動媒体側に設けられるか、耐高温性材料（中実レンガ）から製造される。
これらの保護層は、タービン動翼又は静翼に用いられるものと同様、即ち、例えばＭＣｒＡｌＸ、であってよい。Ｍは、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）及びＮｉ（ニッケル）からなる群から選択される少なくとも１つの元素であり、Ｘは活性元素であって、イットリウム（Ｙ）及び／又はシリコン及び／又は少なくとも１つの希土類元素、又は、ハフニウム（Ｈｆ）を表わす。このタイプの合金は、欧州特許第０４８６４８９Ｂ１号、欧州特許第０７８６０１７Ｂ１号、欧州特許第０４１２３９７Ｂ１号又は欧州特許第１３０６４５４Ａ１号によって知られており、これらの文献は、合金の化学組成に関して本開示の一部をなす。

例えばＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂からなる、即ち、イットリウム酸化物及び／又はカルシウム酸化物及び／又はマグネシウム酸化物によって安定化されていない、部分的に安定化された、又は、完全に安定化された、セラミック遮熱コーティングがＭＣｒＡｌＸ上に存在してもよい。
例えば、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）のような適切なコーティング法によって、遮熱コーティング中に柱状結晶粒が生じる。
例えば、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ又はＣＶＤといった他のコーティング法も考えられる。遮熱コーティングは、その耐熱衝撃性を改善するため、マイクロクラック又はマクロクラックを有する多孔性結晶粒を有していてもよい。

修理調整には、使用後に、動翼及び静翼１２０、１３０、遮熱要素１５５から保護層を（例えばサンドブラストによって）除去しなければならない可能性があるということになる。次に、腐食及び／又は酸化層及び製品が除去される。適切であれば、動翼若しくは静翼１２０、１３０、又は遮熱要素１５５の亀裂も修理される。これに引き続いて、動翼又は静翼１２０、１３０、遮熱要素１５５の再被覆が施され、その後、動翼又は静翼１２０、１３０又は遮熱要素１５５の再使用が可能になる。

温度の関数として組成ＢａＮｄ₂Ｔｉ₄Ｏ₁₂の熱伝導率及び拡散率を示す図である。 ガスタービン示す図である。 動翼を示す図である。 燃焼室を示す図である。

符号の説明

１００ ガスタービン
１０１ シャフト
１０２ 回転軸
１０３ ロータ
１０４ 吸気ハウジング
１０５ コンプレッサ
１０７ バーナ
１０８ タービン
１０９ 排気ハウジング
１１０ 燃焼室
１１１ ガス流路
１１２ タービン段
１１３ 作動媒体
１１５ 案内翼の列
１２０ 動翼
１２１ 縦軸
１２５ 動翼の列
１３０ 案内翼
１３３ タービンディスク
１３８ 内部ハウジング
１４０ 固定リング
１４３ ステータ
１５３ 燃焼室壁面
１５５ 遮熱要素
１８３ 動翼又は静翼付根
４００ 固定領域
４０３ 動翼又は静翼プラットフォーム
４０６ 動翼又は静翼本体部分
４０９ 前縁
４１２ 後縁
４１５ 動翼又は静翼先端
４１８ フィルム冷却孔

Claims (20)

1. タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材を含んでなる遮熱コーティングを施されたタービン構成部品。
2. タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材が、式：ＡＯ−Ｂ_vＯ_w−Ｃ_yＯ_z（ここで、Ｏは酸素を表わし、Ａは２価又は１価のカチオンを表わし、Ｂは２価又は３価のカチオンを表わし、Ｃは４価又は５価のカチオンを表わす。）を、有する請求項１に記載のタービン構成部品。
3. Ａが、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｌｉ、Ｎａ及びＫからなる元素の群から選択されるか又はそれらの混合物である、請求項２に記載のタービン構成部品。
4. Ｂが、希土類ランタニド、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｙ、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎからなる元素の群から選択されるか又はそれらの混合物である、請求項２又は３に記載のタービン構成部品。
5. Ｃが、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｔｈ、Ｎｂ及びＴａからなる元素の群から選択されるか又はそれらの混合物である、請求項２〜４のいずれか１項に記載のタービン構成部品。
6. タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材が、式：ＢａＯ−ＲＥ₂Ｏ₃−ｘＴｉＯ₂（ここで、ＲＥは、希土類ランタニドカチオンを表わす。）によって表わされる、請求項２〜５のいずれか１項に記載のタービン構成部品。
7. ｘが２〜５の範囲内にある、請求項６に記載のタービン構成部品。
8. タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材がＢａＮｄ₂Ｔｉ₄Ｏ₁₂である、請求項７に記載のタービン構成部品。
9. タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材がドープされている、請求項６〜８のいずれか１項に記載のタービン構成部品。
10. 耐酸化性金属層が、タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材に位置している、請求項１〜９のいずれか１項に記載のタービン構成部品。
11. 耐酸化性金属層がＭＣｒＡｌＸ層である（ここで、Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる元素の群から選択されるか又はそれらの混合物であり；Ｘは、Ｙ、Ｓｉ、Ｈｆ及び希土類元素からなる元素の群から選択されるか又はそれらの混合物である。）、請求項１０に記載のタービン構成部品。
12. 遮熱コーティングとしてのタングステンブロンズ構造セラミック材の使用。
13. 使用されるタングステンブロンズ構造セラミックコーティング材が、式：ＡＯ−Ｂ_vＯ_w−Ｃ_yＯ_z（ここで、Ｏは酸素を表わし、Ａは２価又は１価のカチオンを表わし、Ｂは２価又は３価のカチオンを表わし、Ｃは４価又は５価のカチオンを表わす。）を、有する、請求項１２に記載のタングステンブロンズ構造材の使用。
14. Ａが、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｌｉ、Ｎａ及びＫからなる元素の群から選択されるか又はそれらの混合物である、請求項１３に記載のタングステンブロンズ構造材の使用。
15. Ｂが、希土類ランタニド、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｙ、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎからなる元素の群から選択されるか又はそれらの混合物である、請求項１３又は１４に記載のタングステンブロンズ構造材の使用。
16. Ｃが、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｔｈ、Ｎｂ及びＴａからなる元素の群から選択されるか又はそれらの混合物である、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載のタングステンブロンズ構造材の使用。
17. タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材が、式：ＢａＯ−ＲＥ₂Ｏ₃−ｘＴｉＯ₂（ここで、ＲＥは、希土類ランタニドカチオンを表わす。）によって表わされる、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載のタングステンブロンズ構造材の使用。
18. ｘが２〜５の範囲内にある、請求項１７に記載のタングステンブロンズ構造材の使用。
19. タングステンブロンズ構造セラミックコーティング材がＢａＮｄ₂Ｔｉ₄Ｏ₁₂である、請求項１８に記載のタングステンブロンズ構造材の使用。
20. タングステンブロンズ構造セラミック材がドープされている、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載のタングステンブロンズ構造材の使用。

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