JP2013522475A - γ／γ’転移温度の高い金属ボンドコート及び部品 - Google Patents
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Abstract
局所応力の減少をもたらす、高温におけるγ／γ’層を安定化されたニッケル基コーティングにおける新しい添加物。
Description
本発明は、γ相及びγ’相を有する金属ボンドコート及び部品に関する。
ガスタービン中の高温ガス通路用の部品は、Ｎｉ基材料又はＣｏ基材料から作られている。これら材料は、強度に対して最適化されており、高温における酸化及び／又は腐食には耐性がない。したがって、これら種類の材料はＭＣｒＡｌＹコーティングによって酸化に対して保護されなければならず、このＭＣｒＡＩＹコーティングは同様に、熱遮蔽コーティング（ＴＢＣ）システム用のボンドコートとして使用することができる。ＴＢＳシステムにおいて、ＭＣｒＡＩＹコーティングは一方の面でガスアタックに対して必要とされ、他方の面でＴＢＣを基板に接着させるために必要とされる。このようなシステムを酸化に対して改良することによって、向上した寿命特性を伴うボンドコートの施工温度の向上をもたらす。
高温腐食／酸化に対して材料を保護するために、ＭＣｒＡｌＹオーバーレイコーティングが、主に低圧プラズマスプレー（ＬＰＰＳ）、エアプラズマスプレー（ＡＰＳ）、電子ビーム物理的蒸気堆積（ＥＢＰＶＤ）、コールドスプレー（ＣＳ）、又は高速オキシフューエル（ＨＶＯＦ）プロセスによってコーティングされる。ＭＣｒＡＩＹコーティングは、ニッケル及び／又はコバルト、クロム、アルミニウム、シリコン、ルテニウム、並びにイットリウムのようなレアアース元素に基づいている。ボンドコート温度の上昇に伴い、これらコーティングは機能しなくなり、熱遮蔽コーティングの破砕をもたらす場合がある。したがって、施工温度の上昇に伴い、改良されたコーティングが酸化アタックに耐えるように必要とされる。また、この種のコーティングは、熱力学的特性を満たさなければならない。これら要求は、ボンドコートの最適化された組成によってのみ達成することができる。
したがって、本発明の目的は上述の問題を解決することである。
この課題は、特許請求の範囲に記載の金属コーティングによって解決される。
従属請求項には、適宜に互いに組み合わせてさらなる利点を生み出すことができるさらなる改良が開示されている。
図面及び記載は本発明の実施形態に過ぎない。
図２は、ターボマシンのロータブレード１２０又はガイドベーン１３０の斜視図を示しており、このロータブレード１２０又はガイドベーン１３０は、長手軸１２１に沿って延在している。
ターボマシンは飛行機のガスタービン又は電気を生成するための発電所、蒸気タービン、若しくはコンプレッサとすることができる。
ブレード又はベーン１２０、１３０は、長手軸１２１に沿って連続して、固定領域４００、隣接するブレード若しくはベーンプラットフォーム４０３、及びメインブレード若しくはベーン部分４０６、並びにブレード先端部若しくはベーン先端部４１５を有している。
ガイドベーン１３０として、ベーン１３０はそのベーン先端部４１５に（図視されていない）更なるプラットフォームを有することができる。
ブレード又はベーンの根部１８３は、ロータブレード１２０、１３０をシャフト又は（図視されない）ディスクに固定するために使用されるものであり、固定領域４００中に形成されている。
ブレード又はベーンの根部１８３は、例えばハンマーヘッドの形状に設計されている。クリスマスツリー状又は鳥の尾羽の根状のような別の構成も可能である。
ブレード又はベーン１２０、１３０は、メインブレード又はベーン部分４０６を流過する媒体のための先端縁４０９及び後端縁４１２を有している。
従来のブレード又はベーン１２０、１３０の場合には、一例として固体金属材料、特に超合金がブレード又はベーン１２０、１３０のすべての領域４００、４０３、４０６において使用される。
この種の超合金が、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、又は特許文献５から知られている。
ブレード又はベーン１２０、１３０はこの場合、鋳造プロセスによって、また一方向性凝固によって、鍛造プロセスによって、フライス加工プロセスによって、又はこれらプロセスの組み合わせによって製造することができる。
単結晶構造を有するワークピースが機械用の部品として使用され、作動中にはこれら部品は高い機械的、熱的、および／または化学的ストレスにさらされる。
この種の単結晶のワークピースは、例えば溶融物から一方向性凝固によって製造される。これは鋳造プロセスを含み、鋳造プロセス中に液体金属合金は固化して単結晶構造、すなわち単結晶ワークピースを形成するか、一方向に固化する。
この場合、デンドライト結晶は熱流の方向に沿って方向付けられ、柱状結晶粒構造（すなわち、ワークピースの全長を超え、通例使用される言葉によればここで一方向性凝固として参照される結晶粒）又は単結晶構造（すなわち、ワークピース全体が１つの単結晶から成る）のいずれかを形成する。これらプロセスにおいては、方向性の無い成長が横方向及び縦方向の結晶粒界を不可避に形成し、これが一方向性凝固した部品又は単結晶の部品の好ましい特性を無効にするので、球状の（多結晶の）凝固への転移が回避される必要がある。
ここで一方向性凝固したマイクロ構造として一般的な用語で参照している場合には、これは、全く結晶粒界を持たないか、又は少なくとも小角の結晶粒界しか持たない単結晶と、長手方向に走る結晶粒界は有するが横方向の結晶粒界は全く有しない柱状小構造との両方を意味するとして理解されなければならない。結晶構造のこの第２の形態もまた、一方向性凝固したマイクロ構造（一方向性凝固構造）として記載されている。
このタイプのプロセスは、特許文献６及び特許文献７から知られている。
ブレード又はベーン１２０、１３０は同様に腐食又は酸化に対して保護するコーティング、例えばＭＣｒＡｌＸ（Ｍは鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）から成るグループから選択された少なくとも１つ、Ｘは活性な元素であり、イットリウム（Ｙ）及び／又はケイ素及び／又は少なくとも１つのレアアース元素、又はハフニウム（Ｈｆ）を表す。このタイプの合金は、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献２から既知であり、合金の化学組成に関する本願の開示の一部を形成するよう意図されている。
密度は好ましくは９５％の理論密度である。
酸化アルミニウムの保護層（ＴＧＯ：熱成長した酸化層）は、（中間層又は最外層としての）ＭＣｒＡｌＸ層状に形成される。
また、好ましくはＭＣｒＡＩＸ上に存在する、例えばＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２からなる、すなわち不安定化された、酸化イットリウム及び／又は酸化カルシウム及び／又は酸化マグネシウム及び／又は１つ以上のレアアース元素（ランタン、ガドリニウム、イットリウム等）によって部分的に安定化された又は完全に安定化された）熱遮蔽コーティングがＭＣｒＡＩＸ上に存在することも可能である。
熱遮蔽コーティングは、ＭＣｒＡＩＸ層全体を覆う。柱状結晶粒は、好適なコーティングプロセス、例えば電子ビーム物理的蒸気堆積（ＥＢ−ＰＶＤ）によって熱遮蔽コーティング中に生成される。
別のコーティングプロセス、例えば大気プラズマスプレー（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ、ソルーションプレカーソルプラズマスプレー（ＳＰＰＳ）、又はＣＶＤが考えられる。熱遮蔽コーティングは、その熱ショックに対する耐性を改善するためのマイクロクラックを有する多孔質結晶粒を含むことができる。従って熱遮蔽コーティングは、好ましくはＭＣｒＡＩＸ層よりも多孔質である。
ブレード又はベーン１２０、１３０は、中空又は中実な形状とすることができる。ブレード又はベーン１２０、１３０が冷却される場合には、ブレード又はベーン１２０、１３０は中空であり、（破線で示す）フィルム−冷却孔４１８をも有することができる。
図３は、例示の方法によって、ガスタービン１００の長手方向部分断面図を示す。
内部に、ガスタービン１００はロータ１０３を有し、ロータ１０３は、ロータ１０３が回転軸１０２の周りに回転できるように取り付けられており、シャフト１０１を有し、タービンロータとも称される。
吸気ハウジング１０４、コンプレッサ１０５、複数の同軸に配置されたバーナ１０７を有する例えばトロイダル型燃焼チャンバ１１０、特に環状燃焼チャンバ、タービン１０８、及び排気ガスハウジング１０９が、ロータ１０３に沿って互いに連続している。
環状燃焼チャンバ１１０は、例えば環状高温ガス通路１１１と連通状態にあり、この環状高温ガス通路１１１において、例によれば４つの連続する段落（ｔｕｒｂｉｎｅ ｓｔａｇｅ）１１２がタービン１０８を形成している。
段落１１２それぞれは、例えば２つのブレード又はベーン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、高温ガス通路１１１においてガイドベーン１１５の列に続いてロータブレード１２０から形成された列１２５がある。
ガイドベーン１３０は固定子１４３の内部ハウジング１３８に固定されており、一方で列１２５のロータブレード１２０は、例えばタービン円板１３３の手段によってロータ１０３に嵌合している。
（図視されない）発電機はロータ１０３に結合している。
ガスタービン１００が作動している間は、コンプレッサ１０５が吸入ハウジング１０４を通じて空気１３５を吸入し、それを圧縮する。コンプレッサ１０５のタービン側端部に供給された、圧縮された空気はバーナ１０７に受け渡され、そこで燃料と混合される。この混合物は次いで燃焼チャンバ１１０内で燃焼されて作動媒体１１３を形成する。そこから作動媒体１１３は、高温ガス通路１１１に沿ってガイドベーン１３０及びロータブレード１２０を通過して流れる。作動媒体１１３はロータブレード１２０において膨張し、その運動量を移動させ、それによってロータブレード１２０がロータ１０３を駆動し、ロータ１０３が続いてロータ１０３に結合した発電機を駆動する。
ガスタービン１００が作動している間には、高温の作動媒体１１３に触れている部品に熱応力がかかる。作動媒体１１３の流れの方向に見ると、第１のタービン段１１２のガイドベーン１３０及びロータブレード１２０は、環状燃焼チャンバ１１０の内側を覆う熱遮蔽煉瓦とともに、最も大きな熱応力にさらされる。
そこで広がる温度に耐えるために、それらは冷媒によって冷却することができる。
部品の基板は、同様に一方向構造を有することができ、すなわち、部品の基板は、単結晶形状（ＳＸ構造）にあるか、長手方向に方向付けられた結晶粒のみを有する（ＤＳ構造）。
例示の方法によれば、鉄基、ニッケル基、又はコバルト基の超合金が部品、特にタービンブレード又はベーン１２０、１３０及び燃焼チャンバ１１０の部品用材料として使用されている。
このタイプの超合金は、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、又は特許文献５から知られている。
ガイドベーン１３０は、タービン１０８の内部ハウジング１３８に面する（図視されない）ガイドベーン根部と、このガイドベーン根部から対向方向の端部におけるガイドベーンヘッドとを有する。ガイドベーンヘッドはロータ１０３に面し、固定子１４３の固定リング１４０に固定されている。
新しい修正されたコーティングが開発され、このコーティングは上述の要求を満たしている。このコーティングは、良好な長寿命を有するとともに、許容できる機械的特性及び改良された酸化耐性を有している。これは、ニッケル基合金又はコーティングへの鉄（Ｆｅ）及び任意にタンタル（Ｔａ）の添加に基づくが、レニウム（Ｒｅ）を含まない（リストにはすべての元素が記載されているわけではない）。
このコーティングまたは合金は良好な長寿命を有するとともに、許容できる機械的特性及び改良された酸化耐性を有している。これは、γ相及びγ’相の混合相成分の形成に基づいている。２４％〜２６％のＣｏ、１５％〜２１％のＣｒ、９％〜１１．５％のＡｌ、０．５％〜２％のＲｅ、０．０５％〜０．７％のＹ、及びニッケルを有するβ‐コーティングから既知であるように、この存在するγ’‐システムにおけるＡｌの開放は、このβ‐コーティングにおけるよりもゆっくりである。
このシステムの提案される２相構造を得るための非常に好ましい相組成は、Ｎｉ−１４．４Ｃｒ−６Ｔａ−７．７５Ａｌ−２．７Ｆｅ−０．３Ｙ（リストにはすべての元素が記載されているわけではない）である。好ましくは、合金又はコーティングはＮｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｆｅ、及び任意にＹ及び／又はＴａからなる。
相組成は温度とともに変化し、それが図１に示されている。
レニウム（Ｒｅ）の代わりに、タンタル（Ｔａ）及び鉄（Ｆｅ）を含むＮｉＣｏＣｒＡｌＹ組成物は、γ／γ’転移温度を上昇させる。タンタル（Ｔａ）元素は、もし添加されたとすると、高温におけるγ’の安定度を増加させる。またタンタルは、ボンドコートの施工温度より高い、γ’相の高い転移温度を安定化させる。鉄（Ｆｅ）の添加は、＞１１００℃である高温におけるコーティング中の少量のβ相形成を防止する。
また、α‐クロムの量も少量である。施工中に、解放されたＡｌ（この解放されたＡｌはＴＧＯを形成する）は、γ’の形成を助長するＴｉ又はＴａのような他の元素によって置換される。このことによって、時間の経過に伴う残りのＡｌの開放が減少し、さらに高いγ／γ’転移温度が、施工温度範囲におけるボンドコートの膨張係数におけるピークを低く抑える。これによってシステムにおける応力が減少する。
ボンドコートは、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、及び任意にタンタル（Ｔａ）及び／又はイットリウム（Ｙ）を添加されたニッケル基超合金、特にこれら元素からなるニッケル基超合金である。コバルトは、高温におけるβ相を安定化し、したがってこの組成においては好ましくはない。
１００ ガスタービン
１０２ 回転軸
１０３ ロータ
１０４ 吸入ハウジング
１０５ コンプレッサ
１０７ バーナ
１０８ タービン
１０９ 排気ガスハウジング
１１０ 燃焼チャンバ
１１１ 高温ガス通路
１１２ 第１のタービン段
１１３ 作動媒体
１１５ ガイドベーン
１２０ タービンブレード
１２１ 長手軸
１２５ 列
１３０ ガイドベーン
１３３ タービン円板
１３５ 空気
１３８ 内部ハウジング
１４０ 固定リング
１４３ 固定子
１８３ 根部
４００ 領域
４０３ 領域
４０６ ベーン部分
４０９ 先端縁
４１２ 後端縁
４１５ ベーン先端部
４１８ フィルム−冷却孔
１０２ 回転軸
１０３ ロータ
１０４ 吸入ハウジング
１０５ コンプレッサ
１０７ バーナ
１０８ タービン
１０９ 排気ガスハウジング
１１０ 燃焼チャンバ
１１１ 高温ガス通路
１１２ 第１のタービン段
１１３ 作動媒体
１１５ ガイドベーン
１２０ タービンブレード
１２１ 長手軸
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１３０ ガイドベーン
１３３ タービン円板
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１３８ 内部ハウジング
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４０６ ベーン部分
４０９ 先端縁
４１２ 後端縁
４１５ ベーン先端部
４１８ フィルム−冷却孔
Claims (20)
- γ相及びγ’相を含むニッケル基の金属コーティング又は合金であって、
鉄と、任意にタンタル（Ｔａ）とを含むことを特徴とするコーティング又は合金。 - タンタルの量が少なくとも１重量％であることを特徴とする請求項１に記載のコーティング又は合金。
- タンタルの量が４重量％〜８重量％、特に５重量％〜７重量％、さらに特に６重量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載のコーティング又は合金。
- 鉄（Ｆｅ）の量が０．５重量％〜５重量％、特に１重量％〜４重量％、さらに特に２．７重量％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコーティング又は合金。
- コバルト（Ｃｏ）の量が少なくとも１重量％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコーティング又は合金。
- コバルト（Ｃｏ）の量が１５重量％〜３０重量％の範囲にあることを特徴とする請求項５に記載のコーティング又は合金。
- コバルト（Ｃｏ）を含まないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコーティング又は合金。
- クロム（Ｃｒ）の量が少なくとも１重量％であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のコーティング又は合金。
- アルミニウム（Ａｌ）の量が少なくとも１重量％であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のコーティング又は合金。
- クロム（Ｃｒ）の量が、１２重量％〜１６重量％、特に１４．４重量％であることを特徴とする請求項８に記載のコーティング又は合金。
- アルミニウム（Ａｌ）の量が７重量％〜８重量％、特に７．７５重量％であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のコーティング又は合金。
- イットリウム（Ｙ）の量が０．１重量％〜０．７重量％、特に０．３重量％であることを特徴とする請求項１〜１１の一項以上に記載のコーティング又は合金。
- レニウム（Ｒｅ）を含まないことを特徴とする請求項１〜１１の一項以上に記載のコーティング又は合金。
- ０．１重量％〜２重量％のレニウム（Ｒｅ）を含むことを特徴とする請求項１〜１２の一項以上に記載のコーティング又は合金。
- Ｍ＝ニッケル（Ｎｉ）及び／又はコバルト（Ｃｏ）であるＭＣｒＡｌＹであることを特徴とする請求項１〜１４の一項以上に記載のコーティング又は合金。
- レニウム（Ｒｅ）を含み、鉄（Ｆｅ）を含まない、及び又はタンタル（Ｔａ）を含まない、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金又はコーティングに比べて、高いγ／γ’転移温度を有することを特徴とする請求項１〜１５の一項以上に記載のコーティング又は合金。
- ケイ素（Ｓｉ）及び／又はチタン（Ｔｉ）及び／又はハフニウム（Ｈｆ） 及び／又はジルコニウム（Ｚｒ）を含まないことを特徴とする請求項１〜１６の一項以上に記載のコーティング又は合金。
- ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、及び任意にタンタル（Ｔａ）及び／又はイットリウム（Ｙ）から成ることを特徴とする請求項１〜１７の一項以上に記載のコーティング又は合金。
- 請求項１〜１８のいずれか一項に記載の金属コーティングを含むことを特徴とする部品。
- 前記金属コーティングが請求項１〜１８のいずれか一項に記載の合金から成ることを特徴とする請求項１９に記載の部品。
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