JP2016537505A

JP2016537505A - 異なる微細構造を有する二重セラミック層

Info

Publication number: JP2016537505A
Application number: JP2016525522A
Authority: JP
Inventors: イェンス・デュスターヘフト; クラウス・ホイザー; マティアス・リヒター; ヴェルナー・シュタム
Original assignee: シーメンスアクティエンゲゼルシャフト
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2016-12-01
Also published as: RU2016119103A; EP3033439A1; EP2865781A1; KR20160058887A; CN105658836A; US20160251971A1; RU2657884C2; WO2015058866A1

Abstract

本発明は、高い断熱性および高い耐腐食性を共に確保するための、高多孔性のクラックを有さない下方層と、垂直方向クラックを有する最外遮熱層とを有する二重遮熱セラミック層の使用に関する。

Description

本発明は、それぞれに異なる微細構造が存在する二重構造を有するセラミック層に関する。

セラミック層は、特にタービン翼の遮熱層として使用され、ある多孔率を有する。

コーティングの最中に後の処理によりクラックが形成される垂直方向に区画された遮熱層が、同様に知られている。

しかし、より高い断熱性を実現するために多孔率を高めると、一般的にプラズマ溶射される遮熱層の耐腐食性が低下するという問題が存在する。

ＥＰ１２０４７７６Ｂ１ＥＰ１３０６４５４ＥＰ１３１９７２９Ａ１ＷＯ９９／６７４３５ＷＯ００／４４９４９米国特許第６，０２４，７９２号ＥＰ０８９２０９０Ａ１ＥＰ０４８６４８９Ｂ１ＥＰ０７８６０１７Ｂ１ＥＰ０４１２３９７Ｂ１ＥＰ１３０６４５４Ａ１

したがって、本発明の目的は、上述の問題を解消することである。

この目的は、請求項１に記載される遮熱層システムにより達成される。

従属請求項は、さらなる利点を達成するために任意の方法で相互に組み合わされ得るさらなる有利な手段を列挙している。

その利点は、優れた断熱および優れた耐腐食性である。

本発明の一実施例を示す図である。本発明の一実施例を示す図である。本発明の一実施例を示す図である。本発明の一実施例を示す図である。超合金の一覧表である。タービン翼を示す図である。

本説明およびこれらの図面は、単に本発明の実施例を示すに過ぎない。

図１および図２〜図４はいずれも、少なくとも１つの金属基材４を有する層システム１’、１’’、．．．を示す。金属基材４は、とりわけ図５に示すようなコバルトベース超合金またはニッケルベース超合金を特に含む。

金属結合層７が、好ましくは基材４に対して、非常に特に好ましくは基材４に対して直接的に塗布されている（図１〜図４）。この金属結合層７は、好ましくはＮｉＣｏＣｒＡｌ（Ｘ）タイプの合金を含み、その表面には、保護酸化アルミニウム層（図示せず）が、さらなるコーティングまたはさらなる作業（ＴＧＯ）の最中に形成される。

二重最外セラミック遮熱層１５’の下方セラミック層１０’（図１）は、基材４または金属結合層７に対して塗布される。

多孔率は、好ましくは体積パーセントで示される。

ＡＰＳプロセスが、好ましくは図１に示すように下方セラミック層１０’に対して使用され、二重最外セラミック遮熱層１５’の下方セラミック層１０’は、好ましくは（１２＋／−４）％の多孔率を有する。

下方セラミック層１０’は、好ましくは最大で１ｍｍの層厚さを有する。下方セラミック層１０’の最小厚さは、少なくとも１００μｍであり、非常に特に好ましくは少なくとも１５０μｍである（図１〜図４）。図１〜図４における最外セラミック層１３は、二重セラミック遮熱層１５’、１５’’、．．．の下方層１０’、．．．１０^ＩＶに比べて高密度であり、およびクラックが垂直方向に延在する層を有し、すなわち多孔率は、好ましくは＜８％未満である。最外セラミック層１３の最小層厚さは、３０μｍであり、特に少なくとも５０μｍである（図１〜図４）。最外セラミック層１３の最大層厚さは、５００μｍ以下であり、特に３００μｍ以下である（図１〜図４）。

この場合に、最外セラミック層１３の多孔率などの区画された層の多孔率は、先行技術のそれに対応する。

図２は、層システム１’’を有するさらなる実施例を示す。図１とは対照的に、セラミック遮熱層１５’’の下方層１０’’は、（１５＋／−４）％の多孔率を有する。

図２の下方セラミック層１０’’は、同様に好ましくは最大で１．５ｍｍの層厚さを有し、特に＞１ｍｍ〜１．５ｍｍを有し、（２０＋／−５）％の多孔率を有する。最外セラミック層１３の最小層厚さは、３０μｍであり、特に少なくとも５０μｍである。

図２の下方セラミック層１０’’の多孔率は、同様に好ましくは（２５＋／−５）％までさらに上昇させることが可能であり、この場合には好ましくは＞１．５ｍｍの層厚さが形成される。

最外セラミック層１３の最小層厚さは、３０μｍであり、特に少なくとも５０μｍである。

図３は、本発明による層システム１’’’のさらなる実施例を示す。

遮熱層１５’’’の下方セラミック層１０’’’は、好ましくは１５％超の多孔率を有し、ＡＰＳプロセスにより形成されたものである。しかし、これらの孔は、セラミック粉末を溶射することによって、好ましくはポリマーによって形成されたものである。これにより、孔の特徴的な微細構造が得られる。

下方セラミック層１０’’’は、好ましくは数ミリメートルの層厚さを有することが可能であり、特に≧２ｍｍの層厚さを有し得る。最外セラミック層１３の最小層厚さは、３０μｍであり、特に少なくとも５０μｍである。

図４は、本発明によるさらなる層システム１^ＩＶを示す。二重セラミック遮熱層１５^ＩＶの下方セラミック層１０^ＩＶは、サスペンションプラズマ溶射（ＳＰＳ）プロセスにより形成されたものであり、４％の特定の多孔率および最大で＜８％のクラックを有する延性円柱状構造体を有する。

図４の最外層１３は、図１〜図３の最小層厚さ、構造、および最大層厚さを有して構成される。

最外セラミック遮熱層１５’、．．．１５^ＩＶのための可能な材料は、酸化イットリウムであり、部分的に安定化した酸化ジルコニウムまたは完全に安定化した酸化ジルコニウムからなる遮熱層である。

同様に、ジルコニウム酸ガドリニウム、ハフニウム酸ガドリニウム、ジルコニウム酸ランタンなどのパイロクロアを使用することが可能である。この場合に、下方セラミック層１０’、１０’’、．．．および最外層１３の材料は、使用条件および生産能力に応じて変更され得る。

二重最外セラミック層１５は、好ましくは層システム１’、１’’．．．の最外層である。

図６は、長手方向軸１２１に沿って延在するターボマシンの回転翼羽根１２０または案内羽根１３０の斜視図を示す。

ターボマシンは、航空機もしくは発電用の発電所のガスタービン、蒸気タービン、または圧縮機であり得る。

羽根１２０、１３０は、長手方向軸１２１に沿って連続して、固定領域４００、これに隣接する羽根プラットフォーム４０３、ならびに羽根リーフ４０６および羽根先端部４１５を有する。案内羽根１３０として、羽根１３０は、その羽根先端部４１５にさらなるプラットフォーム（図示せず）を有することが可能である。

固定領域４００には、シャフトまたはディスク（図示せず）に回転翼羽根１２０、１３０を固定する役割を果たす羽根フット１８３が存在する。羽根フット１８３は、例えばハンマーヘッドとして構成される。クリスマスツリー型フットまたはスワローテール型フットのような他の構成も可能である。羽根１２０、１３０は、羽根リーフ４０６を流れ去る媒体のための前縁４０９および後縁４１２を有する。

従来的な羽根１２０、１３０の場合に、羽根１２０、１３０の全ての領域４００、４０３、４０６が、例えば塊状金属材料、特に超合金から作製される。かかる超合金は、例えばＥＰ１２０４７７６Ｂ１、ＥＰ１３０６４５４、ＥＰ１３１９７２９Ａ１、ＷＯ９９／６７４３５、またはＷＯ００／４４９４９などから知られている。羽根１２０、１３０は、方向性凝固によるものを含む鋳造プロセス、鍛造プロセス、圧延プロセス、またはそれらの組合せによって作製されたものであることが可能である。

単結晶構造を有する加工物が、作業中に高い機械応力、熱応力、および／または化学的ストレスにさらされるマシンのための構成要素として使用される。かかる単結晶加工物の製造は、例えば溶融物からの方向性凝固によって実行される。これは、液体金属合金が凝固して単結晶構造体を、すなわち単結晶加工物をまたは指向的に形成する鋳造プロセスを伴う。この場合には、樹枝状結晶が、熱流に沿って配列され、柱状結晶粒構造物（すなわち加工物の全長にわたり延在し、およびここでは一般的な言語使用に合わせて方向性凝固されたと呼ばれる粒子）か、または単結晶構造物、すなわち加工物全体が単結晶から構成されるもののいずれかを形成する。これらのプロセスでは、横方向および長手方向の粒界が非方向性成長によって必ず形成され、これらが方向性凝固構成要素または単結晶構成要素の優れた特性を無効化してしまうため、球状晶子（多結晶）凝固への移行は回避されなければならない。方向性凝固した微細構造が一般的に参照される場合に、これは、粒界を有さないまたはせいぜい低角度粒界を有する単結晶と、さらには長手方向に延在する粒界を有するが横方向粒界は有さない柱状結晶構造物の両方を包含する。２番目に述べたこれらの結晶構造物は、方向性凝固微細構造とも呼ばれる。かかるプロセスは、米国特許第６，０２４，７９２号およびＥＰ０８９２０９０Ａ１から知られている。

同様に、羽根１２０、１３０は、例えばＭＣｒＡｌＸなどの、腐食または酸化から保護するためのコーティングを有することが可能である（Ｍは鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）の群からの少なくとも１つの元素であり、Ｘは活性元素でありイットリウム（Ｙ）および／またはケイ素および／または希土類の中の少なくとも１つの元素もしくはハフニウム（Ｈｆ）である）。かかる合金は、ＥＰ０４８６４８９Ｂ１、ＥＰ０７８６０１７Ｂ１、ＥＰ０４１２３９７Ｂ１、またはＥＰ１３０６４５４Ａ１から知られている。密度は、好ましくは理論密度の９５％である。保護酸化アルミニウム層（ＴＧＯ＝熱成長酸化物層）が、ＭＣｒＡｌＸ層上に形成される（中間層としてまたは最外層として）。

層組成は、好ましくはＣｏ−３０Ｎｉ−２８Ｃｒ−８Ａｌ−０、６Ｙ−０．７Ｓｉ、またはＣｏ−２８Ｎｉ−２４Ｃｒ−１０Ａｌ−０．６Ｙを含む。これらのコバルトベース保護コーティングとは別個に、Ｎｉ−１０Ｃｒ−１２Ａｌ−０．６Ｙ−３ＲｅまたはＮｉ−１２Ｃｏ−２１Ｃｒ−１１Ａｌ−０．４Ｙ−２ＲｅまたはＮｉ−２５Ｃｏ−１７Ｃｒ−１０Ａｌ−０．４Ｙ−１．５Ｒｅなどのニッケルベース保護層を使用することもまた好ましい。

遮熱層が、ＭＣｒＡｌＸ上にさらに存在することが可能であり、好ましくは最外層であり、例えばＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２から構成され、すなわち、酸化イットリウムおよび／または酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムにより安定化されない、部分的に安定化される、または完全に安定化される。遮熱層は、ＭＣｒＡｌＸ層全体を覆う。柱状粒子が、例えば電子ビーム蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）などの適切な処理プロセスにより遮熱層に形成される。例えば、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ、またはＣＶＤなどの他のコーティングプロセスが考えられる。遮熱層は、より優れた耐熱衝撃性のために多孔性であるか、マイクロクラックを有するか、またはマクロクラックを有する粒子を有することが可能である。したがって、遮熱層は、好ましくはＭＣｒＡｌＸ層よりも高い多孔性を有する。

再研磨は、構成要素１２０、１３０が、使用後に保護層を除去されなければならない（例えばサンドブラストにより）ことを意味する。この後に、腐食層および／または酸化層あるいは腐食生成物および／または酸化生成物の除去が続く。構成要素１２０、１３０中のクラックもまた、任意に修復される。この後に、構成要素１２０、１３０の再コーティングおよび構成要素１２０、１３０の再利用が続く。

羽根１２０、１３０は、中空または中実であることが可能である。羽根１２０、１３０が冷却されることとなる場合には、羽根１２０、１３０は、中空であり、任意にはフィルム冷却穴４１８（破線で示す）を有する。

１’ 層システム
１’’ 層システム
１’’’ 層システム
１^ＩＶ層システム
４金属基材
７金属結合層
１０’ 下方セラミック層
１０’’ 下方セラミック層
１０’’’ 下方セラミック層
１０^ＩＶ下方セラミック層
１３最外セラミック層
１５’ 二重最外セラミック遮熱層
１５’’ 最外セラミック遮熱層
１５’’’ 最外セラミック遮熱層
１５^ＩＶ二重最外セラミック遮熱層
１２０回転翼羽根
１３０案内羽根
１２１長手方向軸
１８３羽根フット
４００固定領域
４０３羽根プラットフォーム
４０６羽根リーフ
４０９前縁
４１２後縁
４１５羽根先端部
４１８フィルム冷却穴

Claims

層システム（１’、１’’、１’’’、１^ＩＶ）であって、
下方セラミック層（１０’、１０’’、．．．）、および
最外セラミック層（１３）
を有する二重最外セラミック層（１５’、１５’’、．．．）を有し、
前記下方セラミック層（１０’、１０’’、．．．）は、少なくとも５％の、特に少なくとも８％の、非常に特に好ましくは少なくとも１０％の多孔率を有し、垂直方向クラックを殆ど全くまたは全く、特に貫通する垂直方向クラックを全く有さず、
前記最外セラミック層（１３）は、前記下方セラミック層（１０’、１０’’、．．．）の層厚さの４０％以下の、特に２０％以下の、非常に特に好ましくは１０％以下の層厚さを有する、層システム。
前記最外セラミック層（１３）は、３０μｍの、特に４０μｍの、非常に特に好ましくは５０μｍの最小層厚さを有する、請求項１に記載の層システム。
前記最外セラミック層（１３）は、５００μｍの、特に３００μｍの最大層厚さを有する、請求項１および２のいずれか一項または両方に記載の層システム。
前記二重セラミック層（１５’）の前記下方セラミック層（１０’）は、（１２＋／−４）％の多孔率を有し、特に最大で１ｍｍの層厚さを有する、請求項１から３のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記二重セラミック層（１５’’）の前記下方セラミック層（１０’’）は、（１５＋／−４）％の多孔率を有し、特に最大で１ｍｍの層厚さを有する、請求項１から３のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記二重セラミック層（１５’’）の前記下方セラミック層（１０’’）は、（２０＋／−５）％の多孔率を有し、特に最大で１．５ｍｍの、特に＞１ｍｍ〜１．５ｍｍの層厚さを有する、請求項１から３のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記セラミック層（１５’’）の前記下方セラミック層（１０’’）は、（２５＋／−５）％の多孔率を有し、特に＞１．５ｍｍの層厚さを有する、請求項１から３のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記下方セラミック層（１０’’’）は、＞１５％の多孔率を有する、請求項１から３のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記遮熱層（１５^ＩＶ）の前記下方セラミック層（１０^ＩＶ）は、延性柱状構造体を有する、請求項１から３のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記二重セラミック遮熱層（１５’、．．．）の前記下方セラミック層（１０’、．．．）は、ＡＰＳプロセスにより形成されたものである、請求項１から９のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記二重セラミック遮熱層（１５’、１５’’、１５’’’）の前記下方セラミック層（１０’、１０’’、１０’’’）は、ポリマーを含むセラミックパウダーを溶射することにより形成されたものである、請求項１から１０のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記二重セラミック遮熱層（１５^ＩＶ）の前記下方セラミック層（１０^ＩＶ）は、サスペンションプラズマ溶射（ＳＰＳ）により形成されたものである、請求項１から９のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記下方セラミック層（１０’、１０’’、．．．）の、および前記最外セラミック層（１３）の材料は、部分的に安定化した、もしくは完全に安定化した酸化ジルコニウムおよび／またはパイロクロアの中から選択される、請求項１から１２のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記二重セラミック層（１５’、１５’’、．．．）は、前記最外層である、請求項１から１３のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記下方セラミック層（１０’、１０’’、．．．）は、少なくとも１００μｍの、特に１５０μｍの最小厚さを有する、請求項１から１４のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記最外セラミック層（１３）は、高密度であり、特に８％未満の多孔率を有する、請求項１から１５のいずれか一項または複数に記載の層システム。
前記最外セラミック層（１３）は、垂直方向に貫通して延在するクラックを有する、請求項１から１６のいずれか一項または複数に記載の層システム。