JP2015059084A

JP2015059084A - 耐熱コンポーネントを熱露出コンポーネントの表面上に固定する方法

Info

Publication number: JP2015059084A
Application number: JP2014191086A
Authority: JP
Inventors: シュテューアミヒャエル; Stuer Michael; エスケールマチュー; Matthieu Esquerre; ボスマンハンス−ペーター; Hans-Peter Dr Bossmann
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2015-03-30
Also published as: EP2851151B1; CN104446593A; US20150083787A1; RU2014137316A; KR20150032802A; IN2014DE02658A; CA2864230A1; EP2851151A1

Abstract

【課題】本発明は、熱露出コンポーネント（４）を耐熱コンポーネント（１）の表面に固定する方法において、周縁境界エッジ（７）によって制限される耐熱コンポーネント（１）の表面の少なくとも一部を、熱露出コンポーネント（４）の表面に、溶融ハンダ（３）を用いてろう付けするステップによる方法に関するものである。
【解決手段】第１の代替例は、周縁境界エッジ（７）を具えるエッジ領域を少なくとも除いて、耐熱コンポーネント（１）の表面を金属化するステップと、金属化表面（２）を、熱露出コンポーネント（４）の表面に対してろう付けするステップと、を含み、耐熱コンポーネント（１）の少なくとも表面は、濡れ性に関する物理化学的な特性を有するセラミック材料から成り、セラミック材料は、溶融ハンダ（３）による濡れ性がない、および／または、濡れ性に関する物理化学的な特性を有する金属または金属合金が、金属化ステップのために用いられ、金属化ステップは、溶融ハンダ（３）による濡れ性がある。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱露出コンポーネントを耐熱コンポーネントの表面に固定する方法において、周縁境界エッジによって制限される耐熱コンポーネントの表面の少なくとも一部を、熱露出コンポーネントの表面に、溶融ハンダを用いてろう付けするステップによる方法に関するものである。

現在の遮熱コーティング（ＴＢＣ）は、高度に進歩したガス・タービンにおける適用限界に達することがありうる。なぜなら、プロセス・パラメータから微細構造を制御する能力が限定されているため、および、熱プラズマ噴霧に適している材料の選択肢が減少しているためである。これらの限界を克服する１つの方法は、ＴＢＣコーティングから離れて、異なる固定技術を用いて、熱露出コンポーネントの表面に固定可能ないわゆるセラミックタイルに置換することである。

ＵＳ７１９８８６０Ｂ２には、ガス・タービン・コンポーネントの熱露出表面に結合される多数のセラミックタイルを有するガス・タービン・コンポーネント用のセラミックタイル絶縁が開示されている。個々のセラミックタイルの第１層は、セラミック材料であるガス・タービン・コンポーネントの表面に結合される。個々のタイルの第２層は、第１層の上に結合される。

セラミックタイルは、おそらく、各タイルの裏、基板の表面、または、その両方に接着剤を適用することによって結合される。個々のタイルの各々は、基板の表面上へ押圧され、永久的な結合は、１２００℃までの高い温度で乾燥および焼成することによって達成される。タイルは、結合ジョイントに対向する表面全体にわたり基板に結合される。

ＥＰ０３９６０２６Ａ１には、セラミックおよび金属から作成される部分がハンダ付けによって互いに結合される構成が開示され、膨張要素が、セラミック材料と金属材料との間に配置され、前記膨張要素は、前記両材料に一体的に結合され、膨張要素は、ハンダ付けによって両材料に結合され、膨張要素は、金属材料上にワンピースで成形され、セラミック材料にハンダ付けによって結合される。この文献は、一方では金属部分に、他方ではセラミック部分に接続される膨張要素を使用する。

ＵＳ４６９０７９３Ａには、プラズマ粒子を囲むための新規な真空容器を備えた核融合炉が開示され、プラズマ粒子に露出される炉壁は、パイル構造を有する。複数の耐熱セラミックタイルは、冷却手段を有する金属ベースの本体にろう付け材料により冶金学的に結合される。セラミックタイルは、好ましくは、高密度の焼結炭化ケイ素から成り、わずかな酸化ベリリウムを結晶粒の境界間に含む。これは、本願の請求項１に近い。

ＪＰ２００２３７３９５５Ａには、パワー・モジュール基板が開示され、セラミック基材基両面に形成された金属化パターン層を介して、一方の表面上にヒートシンク・プレートが、他方の表面上に、回路が形成されたまたは形成される銅板が、金属ろう付け材料を用いて結合されている。セラミック基材は、セラミック基材の外周端部から両表面の内側まで延在する非結合領域を有する。

ＪＰ１９８５０２０７１６２Ａには、金属化表面層を有するセラミックと金属部品とをろう付け充填材を用いて結合する方法が開示され、金属層のエッジ部分に対向する金属部分に、凹面部分が形成される。ろう付け充填材は、金属層と金属部分との間に配置される。

ＪＰ２００８３１１２９６Ａには、金属層や回路層それぞれの配置領域の外周縁を含む外側に該外周縁に沿って形成された粗面部を備えたセラミック基板が開示されている。平滑部は、配置領域において粗面部によって囲まれ、粗面部よりも平滑である。

ＵＳ７１９８８６０Ｂ２ＥＰ０３９６０２６Ａ１ＵＳ４６９０７９３ＡＪＰ２００２３７３９５５ＡＪＰ１９８５０２０７１６２ＡＪＰ２００８３１１２９６Ａ

本発明の目的は、周縁境界エッジによって各々制限される、好ましくはプレート状セラミックタイルの形状の耐熱コンポーネントを、熱露出コンポーネントの表面に、溶融ハンダを用いて固定する強化された方法を提供することにあり、この方法により、耐熱コンポーネントを、確実かつ永続的な方法で、特に熱応力なく、表面に固定することができる。

この目的は、独立請求項１、２および５の特徴全体によって達成される。本発明は、従属請求項において、および、特に好適実施形態を参照する以下の説明において開示される特徴によって有利に変更可能である。

発明者は、セラミックタイル内のセラミック耐熱コンポーネントと、タービン羽根のような熱露出コンポーネントの金属面と、の間のジョイントについて集中的な調査を行い、この調査によって、個々のセラミックタイルのエッジが金属基板に結合されない場合、セラミックタイルは熱に露出された条件下で応力がないままであることが判明した。逆の場合、すなわち、セラミックタイルがエッジまで金属面に完全に結合されている場合、大きい応力が生じ、個々のタイルの層間剥離が発生しうる。

上述したような、個々のセラミックタイルが熱露出コンポーネントの金属面から層間剥離するのを回避するために、本発明では、エッジを、好ましくは、セラミックタイルの周縁境界エッジの少なくとも一部を、熱露出コンポーネントの表面に結合するのを回避するという代替方法が提案される。本発明の方法の背景となる技術的課題は、製造中の寸法公差を与えず、セラミックタイルと熱露出コンポーネントとの間の欠陥がなく、適切な結合を保証するロバストな方法を探究することにあった。

セラミックタイルのような耐熱コンポーネントを熱露出コンポーネントの表面に固定する第１の代替方法は、周縁境界エッジによって制限されるセラミックタイルの表面の少なくとも一部を、熱露出コンポーネントの表面に溶融ハンダを用いてろう付けすることによる方法であって、セラミックタイルの周縁境界エッジを具えるエッジ領域を少なくとも除いて、セラミックタイルの表面を金属化するステップによって特徴付けられるものである。金属化ステップの後、セラミックタイルの金属化表面は、熱露出コンポーネントの表面にろう付けされ、セラミックタイルの周縁境界エッジは、はんだジョイントすなわちろう付けジョイントから除外されて残る。

ろう付け中の溶融ハンダが、セラミックタイルの周縁境界エッジに沿うセラミック表面領域をカバーせず、従って、濡らさないことを確実にするために、特に濡れ性に関する物理化学的特性を考慮して、溶融ハンダが、セラミックタイルのセラミック表面を濡らす親和性を有さないように、セラミックタイルのセラミック材料およびハンダ材料の両方は選択される。

耐熱コンポーネントのセラミック表面が金属化されない限り、この種の表面を濡らさないハンダ材料としてろう付け金属合金を用いることが提案される。それゆえ、ろう付け領域すなわちはんだ領域は、ジョイント領域に対応し、金属化プロセスによって形状およびサイズが定義され、金属化プロセス中に、金属層は、本発明で要求されるように、セラミックタイルの表面の所定領域でコーティングされる。

本発明では、上述した方法の代替として、セラミックタイルの周縁境界エッジを具える少なくともエッジ領域を、濡れ性に関する物理化学的性質を有する距離層によってコーティングし、距離層が溶融ハンダによって濡らされないことが提案される。この場合、溶融ハンダがセラミックタイルのセラミック表面を濡らすための高い親和性を有し、セラミックタイルと熱露出コンポーネントの金属面との間の直接のはんだジョイントを、金属化ステップを必要とせずに形成することができるように、タイルのセラミック材料およびハンダ材料は選択される。距離層が、セラミックタイルのエッジ領域をカバーし、距離層によって、セラミックタイルの周縁境界エッジを具える少なくともエッジ領域を溶融ハンダが濡らすのを防止することは重要である。

ろう付けステップは、１２００℃までのプロセス温度で、保護空気下で、すなわち、酸素なしまたは減少した量の酸素で実行されるので、距離層は、いかなる損傷も負わない。ろう付けステップの後、周縁境界エッジを具える少なくともエッジ領域をカバーしている距離層が空気雰囲気下で酸化の方法で燃焼される付加的な燃焼ステップが続く。

好ましくは、距離層は、耐熱コンポーネントの周縁境界エッジの少なくとも一部を、好ましくは、全体を具えるエッジ領域に適用される炭素またはポリマーフィルム層として実現され、耐熱コンポーネントは、好ましくはセラミックタイルのようなプレート状コンポーネントの形状である。炭素またはポリマーフィルムは、保護空気下でろう付けプロセスに耐えることができるので、溶融ハンダが、セラミックタイルのエッジ領域をカバーすることはありえない。ろう付けステップの後、炭素またはポリマーフィルムは、空気中で酸化の方法で燃焼可能であり、熱露出コンポーネントの金属面とともにフリー・ギャップを包囲するフリー・スタンディング・エッジを確実にする。フリー・ギャップは、燃焼された距離層の厚さのギャップ寸法を有する。

セラミックタイルを熱露出コンポーネントの表面に固定するための第３の本発明の代替方法は、セラミックタイルの接触面および／または熱露出コンポーネントの表面を構造化するステップであって、この両方の表面を接触させた後に、周縁境界エッジを具えるセラミックタイルのエッジ領域が熱露出コンポーネントの表面に接触しないように構造化するステップを提供する。このような場合、両表面は、濡れ性に関する物理化学的性質を有するので、両表面は、溶融ハンダによる濡れ性がある。

ろう付けによって結合される２つの表面のうちの少なくとも１つを適切に構造化するステップのため、ろう付けステップの後、セラミックタイルの周縁境界エッジは、熱露出コンポーネントの表面とともにフリー・ギャップを包囲する。構造化ステップの好適実施形態の１つは、図３に示されている。

第３の代替方法を、上述した第１および第２の代替方法に組み合わせることも可能である。

好適なハンダ材料すなわちろう付け材料は、上述した本発明の第１の方法の場合、熱露出コンポーネントの表面およびセラミックタイルの金属化表面である金属面上の良好なぬれ特性を有するろう付け金属合金である。

好適実施形態において、上述した耐熱コンポーネントは、モノリシックセラミックまたは多層構造を有するセラミックまたはセラミック・マトリックス・コンポジットとすることができるセラミックタイルである。セラミックタイルは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下のプレート厚を有し、好ましくは６ｍｍのプレート厚を有し、０．５ｃｍ^２以上１０ｃｍ^２以下のプレート表面サイズを有する。「耐熱コンポーネント」との用語は、セラミックタイルに限定されるものではなく、むしろ、熱露出コンポーネントの表面上に適用可能なすべてのセラミック体、特に、燃焼室またはガス・タービンまたは蒸気タービン装置のタービンの金属コンポーネントが考えられる。

以下、本発明は、図面を参照して、例示的な実施形態に基づいてさらに詳細に説明される。

セラミックタイルと金属基板との間の金属層を用いたジョイントによる断面図である。セラミックタイルと金属基板との間の距離層を用いたジョイントによる断面図である。構造化セラミックタイルと金属基板との間のジョイントの断面図である。

図１は、タイル形状のセラミック材料から作製された耐熱コンポーネント１と、金属面を与える熱露出コンポーネント４と、の間のジョイントの断面図を示す。熱露出コンポーネント４は、好ましくは、ガスまたは蒸気タービン装置の金属コンポーネント、例えば、燃焼室の燃焼ライナー、翼、羽根、または、タービンの熱シールド要素である。

熱露出コンポーネント４の耐熱性を強化するために、セラミックタイル１は、熱露出コンポーネント４の金属面に結合される。セラミックタイル１内の重大な熱応力を回避するために、セラミックタイル１のエッジ７は、フリーであり、両方のコンポーネント１、４間の結合ジョイントから除外されている。周縁境界エッジ７と熱露出コンポーネント４の金属面との間のギャップｇを実現するために、セラミックタイル１を、熱露出コンポーネント４に対向する表面で結合する前に、第１のステップにおいて金属化する。周縁境界エッジ７を具えるエッジ領域が金属化から除外され、周縁境界エッジ７に沿ったリム領域ｒがセラミック表面として残るように金属化を実行する。金属化の後、金属層２は、熱露出コンポーネント４の金属面に対向するセラミックタイル１の表面の一部をカバーする。

次のステップにおいて、熱露出コンポーネント４の金属面を、溶融ハンダ３を用いて、金属化表面２上にろう付けする。溶融ハンダ３は、金属化面２の表面のみを濡らし、周縁境界エッジ７を具えるエッジ領域のセラミックタイル１のリム領域ｒにおけるフリー・セラミック面を濡らすことはできない。

ろう付けステップの後、周縁境界エッジ７付近のギャップｇは、セラミックタイル１と熱露出コンポーネント４との間に残る。

図２は、セラミックタイル１の周縁境界エッジ７を具えるエッジ領域と熱露出コンポーネント４との間のギャップｇを作成するための代替実施形態を示す。

図２の場合、周縁境界エッジ７を具えるエッジ領域は、最初、距離層６でコーティングされ、距離層６は、溶融ハンダがセラミックタイル１のセラミック表面全体に延在するのを防止するための物理的障壁として作用する。好ましくは炭素またはポリマー材料である距離層６によって、溶融ハンダは、周縁境界エッジ７を具えるエッジ領域を濡らすことが確実にできなくなる。溶融ハンダが、熱露出コンポーネント４の金属面と同様にセラミックタイル１のセラミック表面を十分に濡らすことができるように、セラミックタイル１のセラミック表面の濡れ性および溶融ハンダ材料は選択される。ろう付けプロセスは保護空気条件下で実行されるので、距離層６は、損傷なくろう付けステップを終えることができる。図２は、ろう付けステップ後の結果を示す。距離層６を取り除くために、空気条件下のさらなる燃焼プロセスが必要であり、燃焼プロセスでは、エッジ領域と熱露出コンポーネント４の金属面との間にフリー・ギャップを作成するための酸化プロセスによって距離層６を燃焼する。

図３ａおよび図３ｂは、セラミックタイル１の形状の耐熱コンポーネントを、熱露出コンポーネント４の金属面上にろう付けによって固定するためのさらなる代替方法を示す。ろう付けされる表面同士が平面形状である図１および図２の実施形態と異なり、セラミックタイル１の表面は、波状に構造化され、周縁境界エッジ７は、セラミックタイル１の構造化面の波の頂点８に対して凹状に配置されている。

さらに、溶融ハンダ５が、熱露出コンポーネント４の金属面と同様に、セラミックタイル１のセラミック構造化面をも濡らすように、ろう付け材料すなわちハンダ材料５は選択される。ハンダ材料５の層厚および表面寸法は、タイル１の構造化セラミック表面の凹部容積に対応するので、溶融ハンダ材料５は、セラミックタイル１および熱露出コンポーネント４の、互いに接触している両表面によって包囲される空間９に充填される。

図３ｂは、空間９が完全にハンダ材料５で充填された、ろう付けステップ後のジョイントを示す。さらに、ハンダ材料５は、周縁境界エッジ７を具えるエッジ領域と熱露出コンポーネント４の金属面との間のギャップｇ内には存在しない。

図３ａおよび図３ｂに示されるセラミックタイル１の表面を構造化することの代わりに、あるいは、これと組み合わせて熱露出コンポーネント４の金属面を構造化することも可能である。さらに、図３ａおよび図３ｂのような表面の構造化を、図１および図２に示した実施形態に適用することも考えられる。

１耐熱コンポーネント
２金属層
３溶融ハンダ
４熱露出コンポーネント
５溶融ハンダ
６距離層
７周縁境界エッジ
８波の頂点
９空間
ｇギャップ
ｒリム領域

Claims

耐熱コンポーネント（１）を熱露出コンポーネント（４）の表面に固定する方法において、
周縁境界エッジ（７）によって制限される前記耐熱コンポーネント（１）の表面の少なくとも一部を、前記熱露出コンポーネント（４）の前記表面に、溶融ハンダ（３）を用いてろう付けするステップによる方法であって、前記方法は、
前記周縁境界エッジ（７）を具えるエッジ領域を少なくとも除いて、前記耐熱コンポーネント（１）の前記表面を金属化するステップと、
前記金属化表面（２）を、前記熱露出コンポーネント（４）の前記表面に対してろう付けするステップと、
を含み、
前記耐熱コンポーネント（１）の少なくとも前記表面は、濡れ性に関する物理化学的な特性を有するセラミック材料から成り、前記セラミック材料は、前記溶融ハンダ（３）による濡れ性がない、
および／または、
濡れ性に関する物理化学的な特性を有する金属または金属合金が、金属化ステップのために用いられ、前記金属化ステップは、前記溶融ハンダ（３）による濡れ性がある、
方法。
熱露出コンポーネント（４）を耐熱コンポーネント（１）の表面に固定する方法において、
周縁境界エッジ（７）によって制限される前記耐熱コンポーネント（１）の表面の少なくとも一部を、前記熱露出コンポーネント（４）の前記表面に、溶融ハンダ（５）を用いてろう付けするステップによる方法であって、前記方法は、
前記耐熱コンポーネント（１）の前記周縁境界エッジ（７）を具える少なくともエッジ領域を、濡れ性に関する物理化学的な特性を有する距離層（６）によってコーティングするステップと、
濡れ性に関する物理化学的な特性を有する、前記耐熱コンポーネント（１）の前記表面を、前記熱露出コンポーネント（４）の前記表面に対してろう付けするステップと、
を含み、
前記距離層（６）は、前記溶融ハンダ（５）による濡れ性がなく、
前記表面は、前記溶融ハンダ（５）による濡れ性がある、
方法。
ろう付けステップは、保護空気下で、すなわち、酸素なし、または、減少した量の酸素で実施され、
ろう付けステップの後、前記周縁境界エッジ（７）を具える少なくとも前記エッジ領域をカバーしている前記距離層（６）が空気雰囲気下で燃焼される燃焼ステップが続く、
請求項２に記載の方法。
前記耐熱コンポーネント（１）の少なくとも前記表面は、セラミック材料から成り、
前記距離層（６）は、炭素またはポリマー材料から成り、
前記溶融ハンダ（５）は、金属または金属合金から成る、
請求項２または３に記載の方法。
耐熱コンポーネント（１）を熱露出コンポーネント（４）の表面に固定する方法において、
周縁境界エッジ（７）によって制限される前記耐熱コンポーネント（１）の接触面を、前記熱露出コンポーネント（４）の前記表面に溶融ハンダ（５）を用いてろう付けするステップによる方法であって、または、請求項４〜６のいずれかに記載の方法であって、前記方法は、
前記耐熱コンポーネント（１）の前記接触面および／または前記熱露出コンポーネント（４）の前記表面を構造化するステップであって、両方の表面を接触させた後に、前記周縁境界エッジ（７）を具える前記耐熱コンポーネント（１）のエッジ領域が前記熱露出コンポーネント（４）の前記表面に接触しないように構造化するステップと、
各々濡れ性に関する物理化学的な特性を有する、前記表面をろう付けするステップと、
を含み、
前記表面は、前記溶融ハンダ（５）による濡れ性がある。
構造化ステップは、ろう付けステップの後、前記耐熱コンポーネント（１）の前記周縁境界エッジが、前記熱露出コンポーネント（４）の前記表面とともにフリー・ギャップ（ｇ）を包囲するように実行される、
請求項５に記載の方法。
前記溶融ハンダ（３、５）は、ろう付け金属合金である、
請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
前記熱露出コンポーネント（４）の前記表面は、濡れ性に関する物理化学的な特性を有する金属材料であり、前記金属材料は、前記溶融ハンダ（３、５）による濡れ性がある、
請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
前記耐熱コンポーネント（１）は、セラミック材料のプレート状コンポーネントであり、
１ｍｍ以上１０ｍｍ以下のプレート厚を、好ましくは６ｍｍのプレート厚を有し、
０．５ｃｍ^２以上１０ｃｍ^２以下のプレート表面サイズを有する、
請求項１〜８のいずれかに記載の方法。