JP2010241611A - パイロクロア相と酸化物とを有するセラミック粉末、セラミック層及び層組織 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】x≒2、y≒2、z≒7の経験式AxByOzを有するパイロクロア相及びr>0、s>0の二次酸化物CrOs、特に0.5重量%〜10重量%の割合の二次酸化物を含有して成るセラミック粉末、特に少なくとも1つのパイロクロア相と少なくとも1つの二次酸化物とから成るセラミック粉末。
【選択図】図1
Description
金属基体が被覆によって侵食性高温ガス流から保護される。この意味では、最近の部材は、大抵の場合、複数の被覆を有し、被覆はそれぞれ特殊な役目を果たす。こうして多層組織が設けられている。ガスタービンの出力及び効率が動作温度の上昇に伴って増大するので、被覆系の改良によってガスタービンの一層高い性能を達成することが再三再四試みられてきた。
一般に言えば、一般的なパイロクロア構造A2B2O7の化学量論組成からの逸脱は、常に起こり得ることである。
二次酸化物CrOsは、この場合、意図的に粉末に添加され、従って、二次酸化物の測定技術的検出限界よりもかなり上であり、即ち、二次酸化物の検出限界の少なくとも2倍の値を有する。
二次酸化物の最大割合は、好ましくは8重量%、特に最大6重量%、全く特別には5重量%〜7重量%である。
同様に、二次酸化物の最大割合は好ましくは3重量%、特に最大2重量%、全く特別には1.5重量%〜2.5重量%である。
特に、セラミック粉末は少なくとも1つのパイロクロア相と少なくとも1つの二次酸化物とから成る。
この二次酸化物は酸化ハフニウム又は酸化ジルコニウムを構成することができる。
ハフニウム酸塩がパイロクロア相として使用される場合、好ましくは酸化ジルコニウムが使用される。
ハフニウム酸塩がパイロクロア相に使用される場合、好ましくは酸化ジルコニウムが使用される。
ハフニウム酸ガドリニウム、特にGd2Hf2O7は、好ましくは、酸化ジルコニウムを特に5重量%〜7重量%、特に6重量%以下、の割合で含有して成る。
0.05重量%以下の酸化ケイ素、0.1重量%以下の酸化カルシウム、0.1重量%以下の酸化マグネシウム、0.1重量%以下の酸化鉄、0.1重量%以下の酸化アルミニウム、及び0.08重量%以下の酸化チタン。
被覆時、又は、その後に高温のもとで使用されるとき、これらの焼結助剤は、密な安定した層をもたらす。その他の焼結助剤は使用しないことが好ましい。
好ましくは、特にNiCoCrAlX型の金属結合層7が、直接基材4上に存在し、この結合層は、好ましくは、11〜13重量%のコバルト、20〜22重量%のクロム、10.5〜11.5重量%のアルミニウム、0.3〜0.5重量%のイットリウム、1.5〜2.5重量%のレニウム、及び残部ニッケルを含有してなるか、又は、好ましくは、24〜26重量%のコバルト、16〜18重量%のクロム、9.5〜11重量%のアルミニウム、0.3〜0.5重量%のイットリウム、1〜1.8重量%のレニウム、及び残部ニッケルを含有してなる、特に、これらからなる、のいずれかである。
酸化ジルコニウムは、好ましくはプラズマ溶射層として被着され、好ましくは柱状構造として電子ビーム蒸着(EBPVD)によって被着することもできる。
層13は、好ましくは、高温ガスに直接曝される最外層となる。
層13は、主としてパイロクロア相から成っている。即ち、層13は、少なくとも90重量%の、好ましくはGd2Hf2O7又はGd2Zr2O7のいずれかから成る、パイロクロア相から成っている。
内側層10及び外側層13の合計層厚は、好ましくは300μm、又は好ましくは450μmである。最大合計層厚は、有利には最大600μmであり、好ましくは最大800μmである。
同様に、内側層10の層厚が合計層厚の10%〜20%であると有利である。
同様に、内側層10の層厚が合計層厚の20%〜50%又は20%〜40%であると有利である。
合計層厚に占める内側層10の割合が20%〜30%であるとき、同様に有利な結果が達成される。
内側層10の層厚は、好ましくは、合計層厚の30%〜50%である。
同様に、内側層10の層厚が合計層厚の30%〜40%であると有利である。
同様に、内側層10の層厚が合計層厚の40%〜50%であることが好ましい。
翼130は、静翼130として、その翼端415に他のプラットホーム(図示せず)を有することができる。
翼付根183は、例えばハンマ頭部形に形成されている。他に、クリスマスツリー形又はダブテール形付根としての形成が可能である。
翼120、130は、翼板406を通流する媒体用に前縁409と後縁412とを有する。
そのような超合金は、例えば欧州特許第1204776号明細書、欧州特許第1306454号明細書、欧州特許出願公開第1319729号明細書、国際公開第99/67435号パンフレット又は国際公開第00/44949号パンフレットにより公知である。
その場合、翼120、130は鋳造法によって、方向性凝固によって、鍛造法によって、フライス加工法によって、又はそれらの組合せによって作製することができる。
このような単結晶工作物の作製は、溶融体から、例えば方向性凝固によって行われる。これらは、液状金属合金が凝固されて、単結晶構造を形成する、即ち、単結晶工作物を形成する、つまり方向性を持って凝固される鋳造法である。
この場合、樹枝状結晶が熱流束に沿って整列し、柱状結晶質粒状構造(柱状。即ち、工作物の全長にわたって延びる粒子。ここでは、一般的用語法により、方向性凝固されたという。)又は単結晶構造のいずれかを形成する。即ち、工作物全体が単一の結晶から成る。この方法では、球状(多結晶)凝固への移行を避けねばならない。というのも、非方向性成長によって不可避的に横方向及び縦方向粒界が生じ、これが、方向性凝固部材又は単結晶部材の良好な特性を無にするからである。
一般に方向性凝固組織というとき、それは、粒界を有しないか又はせいぜい小角粒界を有する単結晶と、縦方向に延びる粒界を有するが横方向粒界を持たない柱状結晶構造も意味している。後者の結晶構造は方向性凝固組織(directionally solidified structures)とも称される。
このような方法は、米国特許第6024792号明細書、欧州特許出願公開第0892090号明細書により公知である。
好適な被覆法、例えば電子ビーム蒸着(EB‐PVD)、によって、断熱層内に柱状粒子が生成される。
燃焼室110は、例えば所謂環状燃焼室として形成されており、そこでは、回転軸線102を中心として円周方向に配置された、火炎156を発生する複数のバーナ107が、共通燃焼室空間154に開口している。このために、燃焼室110は、全体として、回転軸線102の周りに配置された環状構造体として設計されている。
これらの保護層はタービン翼と類似させることができる、つまり、例えばMCrAlXを意味する:Mは鉄(Fe)、コバルト(Co)及びニッケル(Ni)からなる群から選ばれる少なくとも1つの元素、Xは活性元素であり、イットリウム(Y)及び/又はケイ素及び/又は少なくとも1つの希土類元素、或いはハフニウム(Hf)である。このような合金は、欧州特許第0486489号明細書、欧州特許第0786017号明細書、欧州特許第0412397号明細書又は欧州特許出願公開第1306454号明細書により公知である。
ガスタービン100は、内部に、軸101を備えて回転軸線102の周りで回転可能に支承されるロータ103を有し、このロータはタービンロータとも称される。
ロータ103に沿って、順に、吸込ケーシング104、圧縮機105、同軸に配置される複数のバーナ107を備えた例えば円環体状の燃焼室110、特に環状燃焼室、タービン108、そして排気ケーシング109が続く。
環状燃焼室110は、例えば環状の高温ガス通路111と連通している。そこでは、例えば、直列接続された4つのタービン段112がタービン108を形成する。各タービン段112は、例えば2つの翼輪で形成されている。作動媒体113の流れ方向に見て、高温ガス通路111内で、静翼列115に動翼120で形成される列125が続く。
そこでの温度に耐えるために、それらは、冷却材によって冷却することができる。
同様に、部材の基材は配向構造を有することができる。即ち、基材は単結晶(SX構造)であるか、又は縦配向粒子(DS構造)のみから成る。
部材用、特にタービン翼120、130及び燃焼室110の部材用、の材料として、例えば鉄基、ニッケル基又はコバルト基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号明細書、欧州特許第1306454号明細書、欧州特許出願公開第1319729号明細書、国際公開第99/67435号パンフレット又は国際公開第00/44949号パンフレットにより公知である。
4 基材
7 結合層
10 内側セラミック層
13 外側セラミック層
Claims (43)
- x≒2、y≒2、z≒7の経験式AxByOzを有するパイロクロア相及びr>0、s>0の二次酸化物CrOs、特に0.5重量%〜10重量%の割合の二次酸化物を含有して成るセラミック粉末、特に少なくとも1つのパイロクロア相と少なくとも1つの二次酸化物とから成るセラミック粉末。
- Aがガドリニウム(Gd)である請求項1記載のセラミック粉末。
- Bがハフニウム(Hf)である請求項1又は2記載のセラミック粉末。
- Bがジルコニウム(Zr)である請求項1、2又は3記載のセラミック粉末。
- C≠Bである請求項1、2、3又は4記載のセラミック粉末。
- C=Bである請求項1、2、3又は4記載のセラミック粉末。
- Cがハフニウム(Hf)である請求項1、2、3、4、5又は6記載のセラミック粉末。
- Cがジルコニウム(Zr)である請求項1、2、3、4、5又は6記載のセラミック粉末。
- 最大3重量%、特に最大2重量%、全く特別には1.5重量%〜2.5重量%の二次酸化物を含有してなる請求項1、5、6、7又は8記載のセラミック粉末。
- 最大8重量%、特に最大6重量%、全く特別には5重量%〜7重量%の二次酸化物を含有してなる請求項1、5、6、7又は8記載のセラミック粉末。
- 二次酸化物が酸化ハフニウム(HfO2)である請求項1、7又は9記載のセラミック粉末。
- 二次酸化物が酸化ジルコニウム(ZrO2)である請求項1、8又は10記載のセラミック粉末。
- 焼結助剤として、0.05重量%以下の酸化ケイ素、0.1重量%以下の酸化カルシウム、0.1重量%以下の酸化マグネシウム、0.1重量%以下の酸化鉄、0.1重量%以下の酸化アルミニウム及び0.08重量%以下の酸化チタンを含有してなる請求項1〜12のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末。
- 少なくとも92重量%、特に少なくとも94重量%のパイロクロア相を含有してなる請求項1、2、3又は4記載のセラミック粉末。
- ただ1つのパイロクロア相を含有してなる請求項1〜14のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末。
- ただ2つだけのパイロクロア相を含有してなる請求項1〜14のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末。
- 混晶をパイロクロア相として含有してなる請求項1〜16のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末。
- ただ1つの二次酸化物CrOsを含有してなる請求項1〜17のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末。
- ただ2つだけの二次酸化物CrOs及びC'r'Os'を含有してなる請求項1〜18のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末。
- 単数又は複数の二次酸化物が、単に酸化物として、存在する請求項1〜19のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末。
- 単数又は複数の二次酸化物が、完全に混晶として、存在する請求項1〜19のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末。
- 単数又は複数の二次酸化物が、酸化物としても混晶としても、存在する請求項1〜19のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末。
- パイロクロア相A2B2O7、酸化物、特に二次酸化物CrOs、及び焼結助剤から成る請求項1〜22のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末。
- 請求項13記載の焼結助剤を含まず、パイロクロア相及び二次酸化物CrOsから成る請求項1〜22のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末。
- 請求項1〜24のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末から、特に請求項1〜24のいずれか1つ又は複数に記載のセラミック粉末のみから、製造されたセラミック層(13)。
- 基材(4)及び請求項25記載のセラミック層(13)、特に最外層(13)を構成するセラミック層、を含有してなる層組織。
- 金属結合層(7)、特にNiCoCrAlX合金を含有してなる金属結合層(7)、特にそれからなる金属結合層(7)を、含有して成る請求項26記載の層組織。
- 特に金属結合層(7)上の内側セラミック層(10)、特に安定化酸化ジルコニウム層、特にイットリウム安定化酸化ジルコニウム層、を含有して成り、セラミック層(13)が内側セラミック層(10)上に存在する請求項26又は27記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計層厚の10%〜50%、特に10%〜40%、の層厚を、有する請求項28記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計層厚の10%〜30%の層厚を、有する請求項28記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計層厚の20%〜40%の層厚を、有する請求項28記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計層厚の50%〜90%、特に60%〜90%、の層厚を、有する請求項28記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計層厚の70%〜90%の層厚を、有する請求項28記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計層厚の60%〜80%の層厚を、有する請求項28記載の層組織。
- 内側層(10)が、100μm〜200μm、特に150μm±50μm、の層厚を、有する請求項28〜34のいずれか1つ又は複数に記載の層組織。
- 金属結合層(7)が、重量%表示で、11%〜13%のコバルト、20%〜22%のクロム、10.5%〜11.5%のアルミニウム、0.3%〜0.5%のイットリウム、1.5%〜2.5%のレニウム及び残部ニッケルの組成を有する、特にそれらから成る、請求項27記載の層組織。
- 金属結合層(7)が、重量%表示で、24%〜26%のコバルト、16%〜18%のクロム、9.5%〜11%のアルミニウム、0.3%〜0.5%のイットリウム、1%〜1.8%のレニウム及び残部ニッケルの組成を有する、特にそれらから成る、請求項27記載の層組織。
- イットリウム安定化酸化ジルコニウム層が6重量%〜8重量%のイットリウムを含有してなる請求項28記載の層組織。
- 内側層(10)及び外側層(13)の合計層厚が少なくとも300μm、特に300μm、である請求項28〜35のいずれか1つ又は複数に記載の層組織。
- 内側層(10)及び外側層(13)の合計層厚が少なくとも450μm、特に450μm、である請求項28〜35のいずれか1つ又は複数に記載の層組織。
- 合計層厚が最大600μm、特に最大800μm、である請求項28〜35のいずれか1つ又は複数に記載の層組織。
- 基材(4)、金属層(7)、内側セラミック層(10)及び外側セラミック層(13)から成る請求項26〜41のいずれか1つ又は複数に記載の層組織。
- 基材(4)、金属層(7)、金属層(7)上の酸化物層、内側セラミック層(10)及び外側セラミック層(13)から成る請求項26〜42のいずれか1つ又は複数に記載の層組織。
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