JP2014177702A - アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム耐性コーティング及びアルミノケイ酸カルシウムマグネシウム耐性コーティングの形成方法 - Google Patents
アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム耐性コーティング及びアルミノケイ酸カルシウムマグネシウム耐性コーティングの形成方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）浸透耐性コーティングの形成方法、及びＣＭＡＳ浸透耐性コーティングを開示する。
【解決手段】該方法は、ドーパントを有する遮熱コーティングを用意するステップと、遮熱コーティングをアルミノケイ酸カルシウムマグネシウム及びガスタービン作動条件に暴露するステップとを含む。その暴露によって、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性層が形成される。コーティングは、希土類元素、非希土類元素の溶質及びそれらの組合せからなる群から選択されるドーパントを含む遮熱コーティング組成物を含む。さらに又は或いは、コーティングは、遮熱コーティングと、遮熱コーティングの外表面上に位置する不透過性バリア層又は水洗性犠牲層とを含む。
【選択図】図１
【解決手段】該方法は、ドーパントを有する遮熱コーティングを用意するステップと、遮熱コーティングをアルミノケイ酸カルシウムマグネシウム及びガスタービン作動条件に暴露するステップとを含む。その暴露によって、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性層が形成される。コーティングは、希土類元素、非希土類元素の溶質及びそれらの組合せからなる群から選択されるドーパントを含む遮熱コーティング組成物を含む。さらに又は或いは、コーティングは、遮熱コーティングと、遮熱コーティングの外表面上に位置する不透過性バリア層又は水洗性犠牲層とを含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、遮熱コーティング及び遮熱コーティングの形成方法に関する。より具体的には、本発明は、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）耐性遮熱コーティング及びＣＭＡＳ耐性遮熱コーティングの形成方法に関する。
ガスタービンは、効率及び性能向上のため増大する作動温度に継続的に暴露される。増大する温度に耐えることができるように、ガスタービン部品は、遮熱コーティング（ＴＢＣ）で被覆される。ＴＢＣは、低い熱伝導率のコーティング及び極めて低い熱伝導率のコーティングを、ガスタービン部品にもたらす。
ＴＢＣは、ガスタービンの作動中に損傷及び／又は劣化する場合がある。ＴＢＣが損傷及び／又は劣化すると、ガスタービン部品が、その部品に損傷を与える温度に暴露されるおそれがある。しばしば、ＴＢＣの損傷及び／又は劣化は、ガスタービンの大気条件及び作動条件に起因して生じる。
例えば、ガスタービンの作動温度が高いと、大気中の砂／灰粒子などの環境に取り込まれた汚染物質が、高温のＴＢＣ表面上で溶融し、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）ガラス堆積物を形成する。ＣＭＡＳガラスは、ＴＢＣに浸透し、耐歪み性の喪失及びＴＢＣの不具合をもたらす。
上記の欠点がない遮熱コーティング及び遮熱コーティングの形成方法が、当技術分野では望ましいであろう。
例示的な一実施形態では、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性コーティングの形成方法は、ドーパントを有する遮熱コーティングを用意するステップと、遮熱コーティングを、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム及びガスタービンの作動条件に暴露するステップとを含む。この暴露によって、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性層が形成される。
別の例示的な実施形態では、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性遮熱コーティングは、ドーパントを含む遮熱コーティング組成物を含む。ドーパントは、希土類元素、非希土類元素の溶質及びそれらの組合せからなる群から選択される。
別の例示的な実施形態では、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性遮熱コーティングは、遮熱コーティングと、遮熱コーティングの外表面上に位置する不透過性バリア層又は水洗性犠牲層とを含む。
本発明の他の特徴及び利点は、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から、例えば本発明の原則を例示する添付の図を併せて参照することにより、明らかになろう。
可能な限り、図を通して、同じ部分を表すのに同じ参照番号を使用する。
例示的なアルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）耐性コーティング、及びアルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）耐性コーティングの形成方法を提供する。本開示の実施形態は、本明細書に開示の１以上の特徴を利用しない方法に比して、熱伝導率の低減、ＣＭＡＳ耐性の増大、結晶化速度及び／又は結晶化温度のシフト、水洗可能なＣＭＡＳ浸透耐性犠牲層を形成し、ジプサイド形成の増大、融点の上昇、表面の湿れ性の低減、ＣＭＡＳ粘度の増大又はこれらの組合せが達成される。
図１は、ＣＭＡＳ浸透耐性層２０１の形成方法１０１を示す図である。一実施形態では、ＣＭＡＳ浸透耐性層２０１は、ＣＭＡＳに加えて環境汚染物質にも耐性がある。環境汚染物質には、限定されるものではないが、砂、埃、灰セメント、粉塵、酸化生成物、燃料源由来の不純物、空気源由来の不純物、又はその組合せが挙げられる。一実施形態では、遮熱コーティング（ＴＢＣ）１１０は、基材１１１上に形成され、ドーパント１１２及び任意の適切なＴＢＣ組成物１０８を含む。
適切なＴＢＣ組成物１０８には、限定されるものではないが、ドーパント１１２が包含されることによって生じるもの又は生じないものとして、低熱伝導率（低いＫ）を有する組成物、極めて低い熱伝導率（極めて低いＫ）を有する組成物、及び低いＫと極めて低いＫとの間の熱伝導率を有する組成物が挙げられる。本明細書で使用される場合、「低いＫ」は、熱伝導率が７ＹＳＺの約７０％であることを指す。本明細書で使用される場合、「極めて低いＫ」は、熱伝導率が７ＹＳＺの約５０％であることを指す。熱伝導率が３０％低下すると、複合サイクルの効率が０．１％増大し、熱伝導率が５０％低下すると、複合サイクルの効率が０．２％増大する。一実施形態では、ＴＢＣ組成物１０８は、例えば、約１０．５×１０-6／℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有するＹＳＺを含む。一実施形態では、ＴＢＣ組成物１０８は、例えば、約７×１０-6／℃のＣＴＥを有するＡｌ2Ｏ3を含む。一実施形態では、ＴＢＣ組成物１０８は、例えば、約１２．８×１０-6／℃のＣＴＥを有するＭｇＯを含む。一実施形態では、ＴＢＣ組成物１０８は、例えば、ＹＳＺのＣＴＥに近いＣＴＥを有するＭｇＯ及びＡｌ2Ｏ3を含む。ＴＢＣ１１０の熱伝導率が低下すると、システム効率が増大し、基材１１１の予想寿命が延長する。
方法１０１によれば、ドープされたＴＢＣ１１０は、ＣＭＡＳ１１４に暴露され（ステップ１０３）、例えば発電システム又はタービンエンジンなどのタービンシステム（示さず）の作動温度又は他の条件に暴露される。適切な作動温度及び／又は材料の表面温度は、限定されるものではないが、約１１００℃以上、約１２００℃以上、約１３００℃以上、約１４００℃以上、約１６００℃以上、約１１００℃〜約１６００℃、約１２００℃〜約１６００℃、約１３００℃〜約１４００℃、約１４００℃〜約１６００℃、約１１００℃〜約１４００℃、約１２００℃〜約１４００℃、又はその任意の適切な組合せ、部分的組合せ、範囲もしくは部分範囲を含む。適切な作動期間は、限定されるものではないが、約１０００時間、約５０００時間、約１００００時間、約１５０００時間、約２００００時間、約２５０００時間、又はその任意の適切な組合せ、部分的組合せ、範囲もしくは部分範囲を含む。
ドープされたＴＢＣ１１０中のドーパント１１２は、ＣＭＡＳ１１４及び作動温度に暴露されると、ＣＭＡＳ浸透耐性層２０１を形成する（ステップ１０５）。一実施形態では、ＣＭＡＳ浸透耐性層２０１は、ＣＭＡＳ溶融物２１４と遮熱コーティング１１０との間に形成される不透過性バリア層などの高密度シーラント反応層である。不透過性バリア層は、ＣＭＡＳ１１４がＴＢＣ１１０に移入するのを抑止する。一実施形態では、不透過性バリア層は、限定されるものではないが、ＳｉＯxＮy（１４２０℃を超える融点を有する）、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＴｉＯ2及びそれらの組合せなどの酸化物を含む。一実施形態では、不透過性バリア層は、限定されるものではないが、炭化物、窒化物、ケイ化物及びそれらの組合せなどの非酸化物を含む。
図２によって表される通り、一実施形態では、ドーパント１１２は、組成物２０２（プソイドウォラストナイトガラス組成物など）を迅速結晶化組成物２０４（アパタイトなど）に結晶化する困難をシフトすることによって（ステップ２０３）、ＣＭＡＳ浸透耐性層２０１を形成する。本明細書で使用される場合、用語「シフト」及びその文法的変異は、特定相の所定の結晶化をもたらす相互作用を指す。例えば、本開示によるシフト（ステップ２０３）は、ＣＭＡＳ１１４が、ウォラストナイト、プソイドウォラストナイト、メリライト、ピロキセン、フォルステライト、トリジマイト、クリストバライト、ペリクレース、ランキナイト、石灰、スピネル、アノーサイト、コーディエライト、ムライト、メルウィナイト、又はその組合せとして結晶化する可能性を増減させることができる。さらに又は或いは、本開示によるシフト（ステップ２０３）は、ＣＭＡＳ１１４の液相温度を、例えば約１１００℃以上、約１２００℃以上、約１３００℃以上、約１４００℃以上、約１１００℃〜約１４００℃、約１２００℃〜約１４００℃、約１３００℃〜約１４００℃、及び／又は作動温度を超えるまでもしくは作動温度未満まで増大又は低下することができる。一実施形態では、ＭｇＯにより、ジプサイド［Ｃａ（Ｍｇ，Ａｌ）（Ｓｉ，Ａｌ）2Ｏ6］が形成されることによってシフト２０３が容易になる。一実施形態では、Ｍｇ濃度を増大すると、ＭｇＡｌ2Ｏ4スピネルが形成されることによってシフト２０３が容易になる。一実施形態では、α−Ａｌ2Ｏ3を溶解させると、アノーサイトプレートレット（ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）が形成されることによってシフト２０３が容易になる。
ドーパント１１２は、シフト（ステップ２０３）を可能にする任意の適切な希土類材料であり、例えばＴＢＣ１１０中のドーパント１１２は、限定されるものではないが、Ｔｉ、Ａｌ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｓｍ、及びその適切な組合せなどの希土類元素からなる群から選択される。適切な一実施形態では、ドーパント１１２は、約１Ｗ／ｍｋ、約０．１Ｗ／ｍｋ〜約１Ｗ／ｍｋ、約０．５Ｗ／ｍｋ〜約１Ｗ／ｍｋ、約０．５Ｗ／ｍｋ〜約０．７５Ｗ／ｍｋ、約０．７５Ｗ／ｍｋ〜約１Ｗ／ｍｋ、又はその任意の適切な組合せ、部分的組合せ、範囲もしくは部分範囲の熱伝導率を有する。一実施形態では、ＴＢＣ１１０中のドーパント１１２は、限定されるものではないが、ＩｎＦｅＺｎＯ4、ミッシュメタル酸化物、酸化物（Ｙｂ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、ＴｉＯ2及びＡｌ2Ｏ3など）でドープされたジルコニア（ＺｒＯ2）、及びその適切な組合せなどの、ＴＢＣ１１０の形成に組み込むのに適した任意の溶質である。
ドーパント１１２の濃度により、ＣＭＡＳ浸透耐性層２０１を形成する（ステップ１０５）速度が制御される。例えば、一実施形態では、ドーパント１１２の濃度は、重量で約３０％〜約６０％、約５０％〜約８０％、約６０％〜約８５％、約４５％〜約６５％、約５０％〜約６０％、約４５％〜約５５％、約５５％〜約６５％、又はその任意の適切な組合せもしくは部分的組合せである。ドーパント１１２の濃度を増大すると、ドーパント１１２の組成に関わらず、ＣＭＡＳ浸透耐性層２０１の形成が促進される。
一実施形態では、ＴＢＣ１１０は、複数層を含む。複数層の１以上は、ドーパント１１２を含む。一実施形態では、ドーパント１１２は、複数層の少なくとも２つと同じ組成及び／又は濃度を有する。一実施形態では、ドーパント１１２は、複数層の少なくとも２つとは異なる組成及び／又は濃度を有する。
一実施形態では、方法１０１中に、基材１１１から最も遠位にある層の外面１１６は、ＣＭＡＳ１１４に暴露される（ステップ１０３）。ＣＭＡＳ浸透耐性層２０１の形成（ステップ１０５）は、外面１１６上で実施される。ＣＭＡＳ浸透耐性層２０１の形成（ステップ１０５）は、外面１１６と基材１１１の間の１以上の層が、ＣＭＡＳ１１４に暴露されるのを防止する。
図１に示す通り、一実施形態では、ＣＭＡＳ１１４は、ＣＭＡＳ浸透耐性層２０１上にわたってＣＭＡＳ溶融物２１４を形成する。ＣＭＡＳ溶融物２１４は、ＣＭＡＳ浸透耐性層２０１に浸透することができず、したがって、ＣＭＡＳ浸透耐性層２０１は、ＣＭＡＳ１１４がＴＢＣ１１０に移入するのを防止する。
一実施形態では、図３を参照すると、材料を犠牲にする（ステップ３０５）。例えば、一実施形態では、外面１１６及びＣＭＡＳ浸透耐性層２０１を除去して、下層３０１をＣＭＡＳ１１４に暴露する。下層３０１のドーパント１１２は、ＣＭＡＳ浸透耐性犠牲層３０３の次の層として働く追加の層を形成する。さらに又は或いは、一実施形態では、ＴＢＣ１１０がドーパント１１２を含むか含まないかに関わらず、水洗性犠牲層（示さず）を、ＴＢＣ１１０の外面１１６に施工する。水洗性犠牲層は、適切な材料が外面１１６中に浸潤することによって形成される。一実施形態では、適切な材料は、限定されるものではないが、ＭｇＯ、マグネシア、クロミア、カルシア及びそれらの組合せを含む。ＭｇＳＯ4が形成されると、水洗ステップ中に外面１１６から灰堆積物を除去することができる。例えば、一実施形態では、ＭｇＳＯ4は以下の反応によって形成される。
Ｖ2Ｏ5＋３ＭｇＯ→Ｍｇ3（ＶＯ4）2
Ｍｇ3（ＶＯ4）2＋ＳＯ3→Ｍｇ2Ｖ2Ｏ7＋ＭｇＳＯ4
当業者に理解される通り、一般に、方法１０１は、ＣＭＡＳ１１４の組成に依存して変わる。一実施形態では、ＣＭＡＳ１１４の組成は、制御され、予測され、モニタされ、又はそれらが組み合わされる。方法１０１で使用されるＣＭＡＳ１１４、ＴＢＣ１１０、ドーパント１１２又は他の材料の組成に応じて、ＣＭＡＳ１１４の融点を増減させることができ、ＣＭＡＳ１１４の結晶化速度を増減させることができ（例えば、結晶化温度を増減させることによって）、ＣＭＡＳ１１４の水和性を増減させることができ、又はそれらが組み合わされる。
Ｍｇ3（ＶＯ4）2＋ＳＯ3→Ｍｇ2Ｖ2Ｏ7＋ＭｇＳＯ4
当業者に理解される通り、一般に、方法１０１は、ＣＭＡＳ１１４の組成に依存して変わる。一実施形態では、ＣＭＡＳ１１４の組成は、制御され、予測され、モニタされ、又はそれらが組み合わされる。方法１０１で使用されるＣＭＡＳ１１４、ＴＢＣ１１０、ドーパント１１２又は他の材料の組成に応じて、ＣＭＡＳ１１４の融点を増減させることができ、ＣＭＡＳ１１４の結晶化速度を増減させることができ（例えば、結晶化温度を増減させることによって）、ＣＭＡＳ１１４の水和性を増減させることができ、又はそれらが組み合わされる。
ＣＭＡＳ１１４に適した組成物には、限定されるものではないが、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ及びそれらの組合せなどの、酸化物を含む環境汚染物質組成物が挙げられる。特定の実施形態では、ＣＭＡＳ１１４の組成物は、以下の表１に示すもの、並びに以下に示したものに基づく組合せ、部分的組合せ、範囲及び部分範囲から選択される。
１０１ 層２０１の形成方法
１０３ 暴露ステップ
１０５ 層２０１を形成するステップ
１０８ ＴＢＣ組成物
１１０ 遮熱コーティング（ＴＢＣ）
１１１ 基材
１１２ ドーパント
１１４ ＣＭＡＳ
１１６ 外面
２０１ ＣＭＡＳ浸透耐性層
２０２ 組成物
２０３ シフトステップ
２０４ 迅速結晶化組成物
２１４ ＣＭＡＳ溶融物
３０１ 下層
３０３ 犠牲層
３０５ 犠牲層を形成するステップ
１０３ 暴露ステップ
１０５ 層２０１を形成するステップ
１０８ ＴＢＣ組成物
１１０ 遮熱コーティング（ＴＢＣ）
１１１ 基材
１１２ ドーパント
１１４ ＣＭＡＳ
１１６ 外面
２０１ ＣＭＡＳ浸透耐性層
２０２ 組成物
２０３ シフトステップ
２０４ 迅速結晶化組成物
２１４ ＣＭＡＳ溶融物
３０１ 下層
３０３ 犠牲層
３０５ 犠牲層を形成するステップ
Claims (20)
- アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性層の形成方法であって、
ドーパントを含む遮熱コーティングを用意するステップと、
遮熱コーティングを、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム及びガスタービンの作動条件に暴露するステップと
を含み、その暴露によって、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性層が形成される、方法。 - アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性層と共に高密度シーラント反応層を形成するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
- アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性層と共に遮熱コーティングの外面を形成するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
- ドーパントが希土類元素を含む、請求項１記載の方法。
- ドーパントが非希土類元素の溶質を含む、請求項１記載の方法。
- アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性層が、結晶化アパタイトを含む、請求項１記載の方法。
- アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性層と共に不透過性バリア層をさらに含む、請求項１記載の方法。
- 不透過性バリア層が、ＳｉＯｘＮｙ、Ｔａ2Ｏ5、ＨｆＯ2、ＴｉＯ2及びそれらの組合せからなる群から選択される酸化物を含む、請求項７記載の方法。
- 不透過性バリア層が、炭化物、窒化物、ケイ化物及びそれらの組合せからなる群から選択される非酸化物を含む、請求項７記載の方法。
- アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性層と共に水洗性犠牲層を形成するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
- 水洗性犠牲層が、マグネシア、クロミア、カルシア、又はその組合せを含む、請求項１０記載の方法。
- 水洗性犠牲層から灰堆積物を形成するステップをさらに含む、請求項１０記載の方法。
- 水洗ステップを用いて灰堆積物を除去するステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
- 水洗性犠牲層中のＭｇＯからジプサイドを形成するステップをさらに含む、請求項１０記載の方法。
- ジプサイドが、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム溶融物の結晶化を容易にする、請求項１４記載の方法。
- 遮熱コーティングが、複数層をさらに含む、請求項１記載の方法。
- 複数層のそれぞれが、異なるドーパントを含む、請求項１６記載の方法。
- ガスタービン作動条件が、温度約１６００℃、約２４０００時間を含む、請求項１記載の方法。
- 希土類元素、非希土類元素の溶質及びそれらの組合せからなる群から選択されるドーパント
を含む遮熱コーティング組成物
を含む、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性遮熱コーティング。 - 遮熱コーティングと、
遮熱コーティングの外表面上に位置する不透過性バリア層又は水洗性犠牲層と
を含む、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム浸透耐性遮熱コーティング。
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