JP2013543073A - 間隔を空けて配置された柱を備える柱状構造を有しているタービンの羽根用の断熱層 - Google Patents

Abstract

断熱層を製造すべく金属製の基材（１）にセラミック層を付着させるために、前記セラミックを柱状構造にて付着させるステップを含んでいるプロセスであって、前記付着が、空間によって互いに隔てられたセラミック柱（５）を製造すべく、穴が空けられた格子を基材（１）の表面に平行に配置し、該格子を通して実行されることを特徴とするプロセス。好ましくは、このプロセスが、前記空間に等方性のセラミック層（７）を付着させる後続のステップをさらに含む。

Description

本発明の分野は、ターボ機械の分野であり、さらに詳しくは、高温に曝されるターボ機械の構成部品の分野である。

ターボ機械は、航空の分野において推進に使用されるとき、１つの同じ軸を中心にして回転させられる１つ以上の圧縮機（通常は、ファンを備えている）に連通した外気取り入れ口を備えている。この空気の主たる流れが、圧縮された後に前記軸の周囲に環状に位置する燃焼室にもたらされ、燃料と混合されて下流の１つ以上のタービンに高温ガスをもたらし、これらの高温ガスがタービンにおいて膨張させられ、タービンロータが圧縮機のロータを駆動する。エンジンは、可能な限り高くなるように求められるタービンの入り口におけるエンジンガスの温度にて動作する。なぜならば、この温度がターボ機械の性能を左右するからである。この目的のため、高温部分の材料は、これらの動作条件に耐えるように選択され、タービンノズルまたは回転するタービンの羽根などの高温ガスが通過する構成部品の壁に、冷却手段が設けられる。さらに、ニッケルまたはコバルト系の超合金で製作されるこれらの羽根の金属構造ゆえに、これらをこれらの温度のエンジンガスの構成要素によって引き起こされる浸食および腐食から保護することも必要である。

これらの部品をこれらの極端な条件に耐えることができるようにするために考えられる保護のうちの１つは、断熱層と称されるコーティングを、これらの部品の外面に付着させることである。断熱層は、一般に、金属層の表面に付着させられた約１００ミクロンのセラミック層で構成される。セラミックと金属製の基材との間に配置される数十ミクロンのアルミニウム製の補助層が、これら２つの構成要素の間の接続をもたらし、下層の金属の酸化に対する保護をさらにもたらすことによって、断熱層を完成させる。通常は気相アルミニウム化プロセス（本出願の出願人が用いるこのプロセスの一変種は、ＡＰＶＳと称される）によって成膜されるこのアルミニウムの補助層は、金属の相互拡散によって基材に固定され、表面に保護用の酸化物層を形成する。この技法の実施の例が、本出願の出願人による仏国特許出願第２９２８６６４号に記載されている。

セラミックで製作される実際の断熱層に関しては、その用途に応じて、いくつかのやり方で製造することが可能である。断熱層について、おおまかに２種類の構造を区別することができ、すなわち互いに並列して基材の表面に対して垂直に延びる柱の構造である柱状バリアと、基材の表面を覆って一様な層にて広がる層状または等方性バリアとを区別することができる。

最初の構造は、通常は、荷電タングステンフィラメントによって放射される電子ビームによってターゲットアノードが高真空のもとで衝突させるＥＢＰＶＤ（電子ビーム物理蒸着）と称されるプロセスによって製造される。電子ビームが、ターゲットからの分子を気相に変化させる。次いで、これらの分子が固体の形態に凝結し、保護すべき部品をアノード材料の薄い層で覆う。これらの断熱層は、熱サイクルに対する良好な耐性を特徴とするが、比較的高い熱伝導率も特徴とする。

等方性バリアは、通常は、ＡＰＳ（大気プラズマ溶射）方式の熱溶射プロセスを使用してプラズマによって成膜され、あるいはゾルゲル法によって成膜される。ゾルゲル法は、溶液中の分子前駆体の単純な重合によって室温に近い温度で溶融段階を経ることなくガラス質の材料を得ることを可能にする。これらの前駆体は、多数の金属について存在しており、大部分は標準的な溶媒に可溶である。ゾルという名称で呼ばれるこの液相において、化学反応が、溶媒が残るゲルという名称で知られる三次元の無機網目構造の形成に寄与する。ゲルから材料を得るプロセスは、ポリマー網目構造から溶媒を除去することからなる乾燥段階を経る。このようなバリアの利点は、このようなバリアが呈する多孔性である。

したがって、等方性バリアは、望まれる目標である低い熱伝導率を特徴とするが、熱サイクルに対する耐性が不充分である。また、ゾルゲル法によって得られたバリアは、耐食性があまり優れていない。

最後に、本出願の出願人によるいくつかの特許（欧州特許出願公開１６４５６５４号明細書および欧州特許出願公開第１４７１１６２号明細書）に記載のプロセスを用いてプラズマによって得られ、寿命の耐食性との間の容認可能な妥協を呈する多数の裂け目を有する断熱層も知られている。

しかしながら、これらのバリアのいずれも、充分に高性能ではなく、これら２つの領域において性能をさらに改善することが必要である。

仏国特許出願公開第２９２８６６４号明細書 欧州特許出願公開第１６４５６５４号明細書 欧州特許出願公開第１４７１１６２号明細書

本発明の目的は、先行技術の欠点の一部を有さず、特に低い熱伝導率を良好な寿命と組み合わせて有している断熱層を製造するためのプロセスを提案することによって、これらの欠点を克服することにある。

上記の目的のため、本発明の１つの主題は、断熱層を製造すべく金属製の基材にセラミック層を付着させるために、前記セラミックを柱状構造にて付着させるステップを含んでいるプロセスであって、前記付着が、ある間隔によって互いに隔てられた少なくとも２つのセラミック柱を製造すべく、穴が空けられた格子を基材の表面に平行に配置し、該格子を通して実行されることを特徴とするプロセスである。

このようにして製造される柱は、バリアの機械的強度および耐食性を保証するために充分であり、さらには最も最適な材料で満たされる空間を間に残している。このようにして、本発明は、断熱層の構成に高い柔軟性を生み出す。

好都合には、穴の幅が、１０〜３００ミクロンの間である。

好ましくは、穴の間の間隔が、１０〜１００ミクロンの間である。

一特定の実施の形態においては、このプロセスが、前記間隔に等方性のセラミック層を付着させる後続のステップをさらに含む。

間隔における付着物の等方性の構造が、基材の方向の流れからの酸化ガスの進入に対するバリアの良好な不浸透性を保証する。

好都合には、第２の付着が、柱を備えた基材のゾルゲル形式の溶液への浸漬被覆の作業によって実行される。

このようにして、高い多孔性を有し、したがって熱伝導率が低い等方性の構造を有するセラミックが得られる。

好ましくは、等方性の付着が、柱の高さに実質的に等しい厚さが得られるまで、一連の前記ゾルゲル溶液における浸漬被覆および取り出しの作業と、２つの浸漬被覆および取り出しの作業の間に実行される乾燥作業とによって実行される。

この構成において、柱が、良好な機械的強度および等方性の層の保護の両方を保証する。

好都合には、このプロセスが、熱処理の最終ステップをさらに含む。

さらに本発明は、金属製の基材に付着させられた断熱層であって、前記基材の表面に対して垂直に延びかつある間隔にて互いに離れているセラミック柱を備えており、前記間隔が、等方性のセラミック層で満たされていることを特徴とする断熱層に関する。

好都合には、柱が、１０〜３００ミクロンの間の最大幅を有する。

好ましくは、間隔が、１０〜１００ミクロンの間の幅を有する。

一特定の実施の形態においては、等方性の層が、多孔性のセラミックで作られる。

最後に、本発明は、上述のとおりの断熱層を備えるターボ機械のタービンの羽根、および少なくとも１枚のそのような羽根を備えるターボ機械に関する。

添付の概略図を参照しつつ、あくまでも説明の目的で、本発明を限定するものではない例として提示される本発明の実施の形態についての以下の詳細な解説の説明において、本発明がより良く理解され、本発明の他の目的、詳細、特徴、および利点が、さらに明確に明らかになるであろう。

タービンの羽根のための断熱層の物理的な構成の概略図である。 本発明の一実施の形態によるプロセスの第１のステップの実行後の断熱層の概略の断面図である。 本発明の一実施の形態によるプロセスの第２のステップを実行するための４つの段階を示している。 本発明によるプロセスの終了時の断熱層の概略の断面図である。

図１を参照すると、図の左方を向いた矢印によって表わされる高温ガスの流れに置かれるタービンの羽根の表面に付着させられた断熱層の構成が、断面にて示されている。羽根を構成する金属（典型的には、ニッケルまたはコバルト系の超合金）が、基材１を形成し、基材１上に、アルミニウムで作られる補助層２が、基材１とセラミック層３との間に挟まれて成膜されている。アルミニウムの補助層の役割は、セラミック層を保持するとともに、大きく膨張する基材１とあまり膨張しないセラミック３との間に存在する膨張の相違（反対向きの２つの矢印によって表わされている）を吸収できるように特定の弾性を集合体に提供することにある。

ここに示されているセラミック３は、柱状構造のセラミックであり、柱の間に割れ目が出現することによって横方向の変位を可能にし、良好な寿命をもたらす。これにより、アルミニウムがターボ機械の流れを循環するガスによって運ばれる酸素に接触し、結果としてバリアの熱伝導率を平均化し、バリアの損傷を緩やかなものにする。

次に、図２を参照すると、本発明によるプロセスの第１のステップの実行後の断熱層の製造の進行を見て取ることができる。被覆されるべき基材１の上方に、ＥＢＰＶＤプロセスまたは柱状の付着物の製造を可能にする任意の他のプロセス（例えば、Ｓｕｌｚｅｒ社によって実行され、ＬＰＰＳ−ＴＦという名称で知られているきわめて低い圧力のもとでのＡＰＳプロセスなど）によって実行される気相の付着物を通過させるように一様な間隔の穴１１で形成された格子１０が配置される。格子が、柱の形態または互いに間隔を空けて位置する柱５のグループの形態でのセラミックの付着を可能にするマスクを形成する。間隔は、一方では、後にコラム間の付着物の形成を実行できるように充分に大きく、他方では、断熱層の全体としての機械的強度を保証するために充分に狭い。典型的には、柱または柱５のグループは、１０〜３００ミクロンの間の厚さおよび１〜数十ミクロンの間のさまざまな間隔６を有する。

この第１のステップの終わりにおいて、断熱層は、基材１および補助層２がセラミックで作られた柱５の集合に表層された状態にある。これらの柱は、通常どおり、付着させられる粒子が徐々に凝集することによってもたらされる上方に向かって太くなる形状を有している。これらの柱の間に、本発明によるプロセスの第２のステップにおいて満たされる空の空間が存在している。

図３が、３ａ〜３ｄと称される４つの図にて、この第２のステップの実行を示している。各々の図が、以下の各段階に相当する。

１−段階３ａ：セラミック製の柱５を備えた基材が、特に等方性の断熱層を製造するためのプロセスにおいて使用されるイットリア化ジルコニアの前駆体ベースのゾルゲル式の溶液２０において浸漬被覆される。溶液の粘度は、柱５の間の間隔６に進入して間隔６を完全に満たすことができるように充分に流動的であり、かつ部品を取り出す際に部品に付着したままであるように充分に粘着性であるような粘度である。

２−段階３ｂ：被覆すべき部品が、柱５の間の間隔６が正しく満たされるように充分に長く溶液２０に沈められたままにされる。

３−段階３ｃ：次いで、所望の厚さの膜を一様かつ良好な付着にて断熱層の表面に形成できるよう、制御された速度で部品が溶液２０から取り出される。

４−段階３ｄ：柱５に間に捕捉されたままの溶液２０を凝固させるように乾燥が行なわれる。乾燥および溶媒の除去後に、柱の間に捕まったままのセラミックの薄い層が得られる。第４の段階において付着するセラミックの厚さがきわめて小さいため、浸漬被覆として知られる作業を複数回実行する必要があり、すなわち形成された３ｄにおける各層の乾燥の後に、４つの作業を繰り返す必要がある。

図４が、図３の４つの作業の繰り返しの後に得られた結果を示している。基材１およびその補助層２が、一様な間隔の柱５で構成され、柱５の間にセラミックが等方性の形態７で付着させられている断熱層３で覆われている。この等方性の層には、多数の気泡が捕捉されており、高い多孔性をもたらすとともに、断熱層に熱の伝導に対する良好な抵抗ももたらしている。

次に、本発明による断熱層を製造するためのプロセスの手順を説明する。

保護すべき羽根の材料を構成する基材が、最初にアルミニウムまたは断熱層の補助層を構成することができる任意の他の金属で作られた補助層で覆われる。これが、保護すべき部品の上方に、穴１１が空けられた格子１０を、セラミックの柱またはセラミックの柱のグループの形成を可能にする距離に配置することによって、例えば電子ビーム物理蒸着によってセラミック層を付着させる設備に配置される。穴１１を通じて付着が行なわれ、基材１に、この基材に対して垂直な成長によって、セラミックが付着させられる。格子１０の中実部分によって生み出されるマスクゆえに、付着は、基材１の表面に分離して分布した柱５に沿って生じ、これらの柱５の間に、プロセスの次のステップにおいて満たされる空の間隔６が残る。次いで、保護すべき部品が、柱を付着させるための設備から取り出され、多孔質部分を付着させるための第２の設備に移される。

プロセスの第２のステップは、上述の４つの段階を含むゾルゲル形式の溶液における一連の浸漬被覆の作業で構成される。これらの作業の各々において、間隔６が、間隔６を完全に満たす層７が形成されるまで相次ぐ浸漬被覆にて積み上がる多孔質セラミックの薄い層で満たされる。

断熱層の製造は、セラミックを安定化させ、所望の結晶構造を獲得させる従来からの熱処理によって完了する。

最終的に、一方では良好な機械的強度と部品を通過するガスによる浸食に対する良好な耐性とを保証する一連の柱５を備え、他方では基材の方向の熱伝導に対する良好な抵抗を保証する高い多孔性および等方性の層を備える混成断熱層が得られる。これは、エンジンを循環する流れからのガスによる酸化に対して基材１および補助層２を保護する。さらに、柱の存在が、基材の膨張の際に、ガスからの酸素が基材の金属に到達して基材の金属を傷めることを可能にしかねない割れの発生の恐れなく、断熱層が基材の表面を覆って長手方向に広がることを可能にする。

低い熱伝導率と、良好な耐食性と、熱機械的な応力への良好な適応とを組み合わせる断熱層を有するという目的が、このようにして達成される。

断熱層の製造の第１のステップを、ＥＢＰＶＤプロセスを使用して説明したが、熱溶射などの他の公知の付着のプロセスによっても好都合に実行することが可能であり、格子によって形成されるマスクの存在が、このステップにおいて所望の柱状構造を生成するために充分である。

Claims (12)

1. 断熱層を製造すべく金属製の基材（１）にセラミック層を付着させるために、前記セラミックを柱状構造にて付着させるステップを含んでいるプロセスにして、前記付着が、ある間隔（６）によって互いに隔てられた少なくとも２つのセラミック柱（５）を製造すべく、穴（１１）が空けられた格子（１０）を基材（１）の表面に平行に配置し、該格子を通して実行されるプロセスであって、前記間隔においてセラミックの等方性の層を付着する後続のステップをさらに含むことを特徴とする、プロセス。
2. 穴（１１）の幅が、１０〜３００ミクロンの間である、請求項１に記載のプロセス。
3. 穴（１１）の間の間隔が、１０〜１００ミクロンの間である、請求項１または２に記載のプロセス。
4. 第２の付着が、柱（５）を備えた基材（１）のゾルゲル形式の溶液（２０）への浸漬被覆の作業によって実行される、請求項１から３のいずれか一項に記載のプロセス。
5. 等方性の付着が、柱（５）の高さに実質的に等しい厚さが得られるまで、一連の前記ゾルゲル溶液における浸漬被覆および取り出しの作業と、２つの浸漬被覆および取り出しの作業の間に実行される乾燥作業とによって実行される、請求項４に記載のプロセス。
6. 熱処理の最終ステップをさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のプロセス。
7. 金属製の基材に付着させられた断熱層であって、
   前記基材の表面に対して垂直に延びかつある間隔（６）にて互いに離れているセラミック柱（５）を備えており、前記間隔が、等方性のセラミック層（７）で満たされていることを特徴とする、断熱層。
8. 柱（５）が、１０〜３００ミクロンの間の最大幅を有している、請求項７に記載の断熱層。
9. 間隔（６）が、１０〜１００ミクロンの間の幅を有している、請求項７または８に記載の断熱層。
10. 等方性の層（７）が、多孔質セラミックで作られている、請求項７から９のいずれか一項に記載の断熱層。
11. 請求項７から１０のいずれか一項に記載の断熱層を備えているターボ機械のタービンの羽根。
12. 請求項１１に記載の羽根を少なくとも１枚備えているターボ機械。

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