JP2011501793A - 高温ガスを供給されるターボ機関の構成要素 - Google Patents

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Abstract

開示されているのは、高温ガスを供給されるターボ機関用の構成要素であって、構造材料としてニッケル基鍛錬用合金を有し、かつ鉄・クロム・アルミニウム・イットリウム合金群から成る高温ガス側の内張りを有する構成要素、および当該構成要素を有するターボ機関である。

Description

本発明は、請求項１のおいて書きに記載の、高温ガスを供給されるターボ機関の構成要素と、当該構成要素を有するターボ機関に関する。
高温ガスを供給されるターボ機関の構成要素、たとえば燃焼室の内張り、タービン吸い込みケーシング、高温ガス路、タービン翼列などは、極度の熱負荷と機械的負荷の下で、その機能性を維持しなくてはならない。当該構成要素は常に、酸化と腐食とに曝されており、温度はしばしば１０００度を超える。同時に、圧縮された冷却空気は、限定的にしか利用できない。
高い熱負荷に曝されてはいるが、極度の機械的負荷には曝されていない、高温ガスを供給される構成要素は、タービン翼列を除いて、従来的には、固溶強化されたニッケル基鍛錬用合金から製造される。この種の合金は、高い耐熱性で優れている。しかしながら、ニッケル基鍛錬用合金は、中程度の酸化力が不利になっている。この不利を減少させるために、高温ガスを供給される構成要素にはたいてい、セラミックのベースに高温ガス側のコーティングが備わっている。しかしそのようなセラミックコーティングは、製造にも塗布にもコストがかかる。
本発明の課題は、従来のセラミックコーティングに対して改良された高温ガス側の内張りを有し、高温ガスを供給されるターボ機関の構成要素および当該構成要素を有するターボ機関を提供することである。
この課題は、請求項１の特徴を有する高温ガスを供給される構成要素、および請求項７の特徴を有するターボ機関によって解決される。
本発明に係る高温ガスを供給されるターボ機関の構成要素は、構造材料として、また支持構造として、固溶強化されたニッケル基鍛錬用合金と、鉄・クロム・アルミニウム・イットリウム合金群から成る高温ガス側の内張りとを備える。
鉄・クロム・アルミニウム・イットリウム合金、略してＦｅＣｒＡｌＹ合金は、非常に良好な耐酸性を持っている。酸化基準の観点からの温度境界は、およそ１２００度になる。従って、構造材料の耐久年数が酸化によって極端に短縮されることなく、高温ガスを供給される構成要素の駆動温度と安定性を上げることができる。ＦｅＣｒＡｌＹ合金の耐熱性は、中程度であると言える。ニッケル基鍛錬用合金、略してＮｉ基合金は中程度の耐酸性を示しており、ＦｅＣｒＡｌＹ合金は中程度の耐熱性を備えているが、これら２つの合金の中程度の材料特性は、本発明に係る組み合わせと、それぞれ別の合金の非常に良好な耐酸性と耐熱性による高温ガスを供給される構成要素の本発明に係る構造とによって、取り除かれる。言い換えれば、本発明に係る高温ガスを供給される構成要素の駆動温度と安定性とは、合金のそれぞれ優れた特性が適用されることによって改善される。
実施例では、高温ガス側の内張りは、アルクロム・イットリウム・ハフニウム合金から成る。特に、活性要素であるイットリウムやハフニウムによって、高温ガス側の内張りの周期的な耐酸性を高めることができる。
好ましくは、ＦｅＣｒＡｌＹ合金はベース要素として鉄を備えており、１６％から２４％のクロム、３％から９％のアルミニウム、０．０２％から０．２％のイットリウム、０．１％までのハフニウム、０．１％までのジルコニウム、０．１％までの希土類属の金属、特にランタニドから成る。
高温ガス側の内張りの塗布は、高温はんだ、溶接、あるいは被覆特に圧延被覆によって行われ得る。
実施例では、高温ガスを供給される構成要素の構造材料は、高温ガス側の内張りと冷却空気側のコーティングとの間にサンドイッチ状に設けられており、当該冷却空気側のコーティングは、好ましくはニッケル・コバルト・鉄・クロム・アルミニウム・イットリウム合金（ＭＣｒＡｌＹ合金）群の合金から成る。
本発明に係るターボ機関は、少なくとも１つの高温ガスを供給される構成要素を備えており、当該構成要素は固溶強化されたニッケル基鍛錬用合金から成る構造材料を備え、当該構造材料は、鉄・クロム・アルミニウム・イットリウム合金群から成る高温ガス側の内張りを備えている。
本発明の、その他の有利な実施例は、さらなる従属請求項の対象である。
以下に、本発明の好ましい実施例が詳述される。
本発明に係る、高温ガスを供給されるターボ機関特にガスタービンの構成要素は、固溶強化されたニッケル基もしくはＮｉ基鍛錬用合金と、耐酸性のあるフェライト系鉄基合金特にＦｅＣｒＡｌＹ合金とから成る複合材料として実施される。このときＮｉ基鍛錬用合金は、構成要素の支持構造もしくは構造材料を形作り、ＦｅＣｒＡｌＹ合金は高温ガス側の内張りとして構造材料に塗布されている。本発明の意味における「高温ガス側」とは、高温ガスに対向する構成要素の内面の内張りを塗布することである。それに対応して、本発明の意味における「冷却空気側」とは、冷却空気に対向する構成要素の外面にコーティングが施されることである。
例として挙げられる高温ガスを供給されるガスタービンの構成要素は、いわゆる「Ｙ管」である。当該Ｙ管は、燃焼室とタービン翼列との間の高温ガス導路であり、燃焼室から第１のタービン段に高温ガスを供給する。さらなる高温ガスを供給される構成要素は、たとえば燃焼室の内張りやタービン吸い込みケーシングである。
ＦｅＣｒＡｌＹ合金群の、好ましい材料は、アルミニウム・クロム・イットリウム・ハフニウム合金、略してアルクロムＹＨｆ合金である。
ＦｅＣｒＡｌＹ合金の周期的な耐酸性を高めるために、活性要素であるイットリウム（Ｙ）とハフニウム（Ｈｆ）の他に、たとえばジルコニウム（Ｚｒ）のようなさらなる活性要素が加えられてよい。
特に、ベース要素として鉄（Ｆｅ）を備えており、１６％から２４％のクロム（Ｃｒ）、３％から９％のアルミニウム（Ａｌ）、０．０２％から０．２％のイットリウム（Ｙ）、０．１％までのハフニウム（Ｈｆ）、０．１％までのジルコニウム（Ｚｒ）、０．１％までの希土類属（ＳＥ）の金属から成るＦｅＣｒＡｌＹ合金が、好ましい。希土類属からは特に、たとえばセリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）といった、ランタニドもしくはランタノイド（Ｌａ）を挙げることができる。
構造材料への、ＦｅＣｒＡｌＹ合金の塗布は、従来の高温はんだ方式、溶接方式、あるいは被覆方式もしくは圧延被覆方式によって行われる。構造材料と内張りとの間での相互拡散を防ぐために、たとえばアルミニウム・酸素・窒素システムに基づいた拡散バリアが使用されてよい。内張りとしてのＦｅＣｒＡｌＹ合金の適用は、構成要素の高温ガス側に限定されず、高温ガスを供給される構成要素をサンドイッチ状に構成することも同様に想定され得る。その際、固溶強化されたＮｉ基鍛錬用合金から成る構造材料は、高温ガス側の内張りと冷却空気側のコーティングとの間に、それぞれ上述のＦｅＣｒＡｌＹ合金を基礎として設けられている支持構造の核となる。
開示されているのは、高温ガスを供給されるターボ機関用の構成要素であって、構造材料としてニッケル基鍛錬用合金を有し、かつ鉄・クロム・アルミニウム・イットリウム合金群から成る高温ガス側の内張りを有する構成要素、および当該構成要素を有するターボ機関である。

Claims (8)

  1. 高温ガスを供給されるターボ機関の構成要素であって、構造材料として固溶強化されたニッケル基鍛錬用合金を有する構成要素において、該構成要素が、鉄・クロム・アルミニウム・イットリウム合金群から成る高温ガス側の内張りを備えることを特徴とする高温ガスを供給される構成要素。
  2. 前記高温ガス側の内張りが、アルクロム・イットリウム・ハフニウム合金であることを特徴とする請求項１に記載の高温ガスを供給される構成要素。
  3. 前記鉄・クロム・アルミニウム・イットリウム合金は、ベース要素としての鉄と、１６％から２４％のクロムと、３％から９％のアルミニウムと、０．０２％から０．２％のイットリウムと、０．１％までのハフニウムと、０．１％までのジルコニウムと、０．１％までの希土類属の金属、特にランタニドとを備えることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の高温ガスを供給される構成要素。
  4. 前記高温ガス側の内張りは、高温はんだ、溶接、あるいは被覆によって塗布されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の高温ガスを供給される構成要素。
  5. 基礎材料と内張りとの間で、拡散バリアが使用されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の高温ガスを供給される構成要素。
  6. 前記構造材料に、冷却空気側のコーティングが塗布されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の高温ガスを供給される構成要素。
  7. 前記冷却空気側のコーティングが、ＭＣｒＡｌＹ合金群の合金であることを特徴とする請求項６に記載の高温ガスを供給される構成要素。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の高温ガスを供給される構成要素を有するターボ機関。
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