JP4681851B2 - 耐食性ガスタービン用セラミック部品 - Google Patents
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(1)ガスタービンの燃焼ガスと直接接触する部位に用いられるガスタービン用セラミック部品であって、窒化珪素を主成分とするセラミック基体上に、中間層を介して、周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウムを主成分とする表面耐食層が積層された耐食性窒化珪素セラミックスからなり、前記中間層が、周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶60〜85質量%および周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウム結晶15〜30質量%の混合物を主成分とする応力緩和層、および周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶を主成分とするクラック進展防止層により構成され、これらの各層がこの順に前記セラミック基体上に積層されていることを特徴とする耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(2)ガスタービンの燃焼ガスと直接接触する部位に用いられるガスタービン用セラミック部品であって、窒化珪素を主成分とするセラミック基体上に、中間層を介して、周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウムを主成分とする表面耐食層が積層された耐食性窒化珪素セラミックスからなり、前記中間層が、周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶を主成分とする密着促進層、周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶60〜85質量%および周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウム結晶15〜30質量%の混合物を主成分とする応力緩和層、および周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶を主成分とするクラック進展防止層により構成され、これらの各層がこの順に前記セラミック基体上に積層されていることを特徴とする耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(3)前記中間層を構成するクラック進展防止層と前記表面耐食層との間に、周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶60〜85質量%および周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウム結晶15〜30質量%の混合物を主成分とする応力緩和層、および周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶を主成分とするクラック進展防止層が、この順でさらに積層されていることを特徴とする(1)または(2)記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(4)前記中間層を構成するクラック進展防止層と前記表面耐食層との間に、前記表面耐食層と同様の成分の耐食層、および周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶を主成分とするクラック進展防止層が、この順でさらに積層されていることを特徴とする(1)または(2)記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(5)前記クラック進展防止層を構成するダイシリケート結晶がEr2Si2O7、Yb2Si2O7およびLu2Si2O7から選ばれる少なくとも1種からなる(1)〜(4)のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(6)前記クラック進展防止層が前記セラミック基体と略同一の熱膨張係数を有している(1)〜(5)のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(7)前記クラック進展防止層の厚みが5〜200μmである(1)〜(6)のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(8)前記表面耐食層の厚みが5〜200μmである(1)〜(7)のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(9)前記応力緩和層の厚みが5〜200μmである(1)〜(8)のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(10)前記密着促進層の厚みが5〜200μmである(2)〜(9)のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(11)前記表面耐食層が柱状結晶を有し、該柱状結晶の長軸が前記セラミック基体の表面に略垂直である(1)〜(10)のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(12)前記表面耐食層は、AlおよびSiの含有量の合計が1質量%以下であり、気孔率が1〜30%である(1)〜(11)のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(13)前記表面耐食層がクラックを有する(1)〜(12)のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(14)前記表面耐食層上には、該表面耐食層のクラックを覆い隠すためのクラック被覆層が積層されている(13)記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
(15)燃焼器ライナ、トランジションダクト、静翼、動翼またはロータである(1)〜(14)のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
セラミック基体2は、窒化珪素を主成分とする窒化珪素質焼結体であり、窒化珪素成分の他、必要に応じて他の成分が含まれていてもよい。他の成分としては、例えば周期律表第3a族元素の酸化物、ダイシリケートやモノシリケートなどのシリケート化合物、アルミナ、シリカ、マグネシアなどが挙げられる。
中間層7を構成する密着促進層3、応力緩和層4およびクラック進展防止層5の材料としては、これらの熱膨張係数α2,α3,α4が上記式(I),(II),(III)を満足するものであり、高温安定性、耐食性などに優れる点で、RE2Si2O7で表される周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶(REは周期律表第3a族元素を示す)を構成成分とする。ここで、周期律表第3a族元素とは、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuから選ばれる少なくとも1種である。周期律表第3a族元素のダイシリケートは、高温の水蒸気に対する耐食性も高く、高融点でもあり、たとえ表面耐食層6にピンホールやクラックが存在しても、セラミック基体2に対するその影響を小さくすることができ、中間層として有効である。
表面耐食層6は、周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウムを主成分とする。酸化ジルコニウム結晶における周期律表第3a族元素の含有量は、酸化ジルコニウムを安定化させ、水蒸気に対する耐食性に大きな影響を与えない範囲であればよく、好ましくは3〜15モル%、より好ましくは5〜12モル%であるのがよい。
AlおよびSiの含有量が合計で1質量%を越えると、高温水蒸気中における耐腐食性が低下するおそれがある。
次に、耐食性窒化珪素セラミックス1の製造方法について説明する。
まず、平均粒径0.2〜0.6μm程度の窒化珪素粉末に、酸化ルテチウム、二酸化ケイ素等の焼結助剤や、必要に応じて他の成分を混合し、さらにバインダー、溶媒等を添加し混合してスラリーを得る。ついで、得られたスラリーを乾燥した後、プレス成形などの方法で成形し、1800〜1900℃で5〜10時間焼成することによりセラミック基体2を得る。
図3は、本実施形態のガスタービン用セラミック部品を構成する耐食性窒化珪素セラミックスの他の形態を示す断面図である。図3に示すように、この耐食性窒化珪素セラミックス11は、セラミック基体2上に、中間層17を介して、表面耐食層6が積層されたものである。中間層17は、応力緩和層4およびクラック進展防止層5により構成され、これらの各層がこの順にセラミック基体2上に積層されている。すなわち、この耐食性窒化珪素セラミックス11は、前述した耐食性窒化珪素セラミックス1から、密着促進層3を除いた形態である。これにより、製造工程が簡略化され、コストダウンを図ることができる。
(試料No.1〜19)
以下の手順で、図2に示すような形態の試料No.1〜19の試験片を作製した。
<セラミック基体>
平均粒径0.5μmの窒化珪素粉末に、焼結助剤として酸化ルテチウム3モル量%と二酸化珪素6モル%を加えて1900℃で10時間焼成することにより窒化珪素焼結体(セラミック基体)を得た。ついで、このセラミック基体を縦4mm、横40mm、厚み3mmの形状に加工した。このセラミック基体の熱膨張係数α0は3.5×10-6/℃であった。
上記で得られたセラミック基体の熱膨張係数により近いEr2Si2O7、Yb2Si2O7およびLu2Si2O7のいずれか1種類の粉末からなるスラリーを作製し、このスラリーをスプレーガンでセラミック基体の表面に吹き付けて塗布し、乾燥した後、温度1650℃で1時間の熱処理を行って、表1に示す厚みおよび熱膨張係数α1を有する密着促進層を形成した。
セラミック基体の熱膨張係数α0と表面耐食層の熱膨張係数α4の中間の熱膨張係数を持つEr2Si2O7、Yb2Si2O7およびLu2Si2O7のいずれか1種類の粉末と、Yで安定化された酸化ジルコニウム粉末の混合粉末からなるスラリーを作製し、このスラリーをスプレーガンで密着促進層の表面に吹き付けて塗布し、乾燥した後、温度1630℃で1時間の熱処理を行って、表1に示す厚みおよび熱膨張係数α2を有する応力緩和層を形成した。なお、焼成後の応力緩和層における酸化ジルコニウムとダイシリケートの含有量は、それぞれ酸化ジルコニウムが20質量%、ダイシリケートが80質量%であった。
Er2Si2O7、Yb2Si2O7およびLu2Si2O7のいずれか1種類の粉末からなるスラリーを作製し、このスラリーをスプレーガンで応力緩和層の表面に吹き付けて塗布し、乾燥した後、温度1600℃で1時間の熱処理を行って、表1に示す厚みおよび熱膨張係数α3を有するクラック進展防止層を形成した。
純度99.9%のジルコニア粉末と、表1に示す安定化剤の粉末とを含有するスラリーを作製し、このスラリーをスプレーガンでクラック進展防止層の表面に吹き付けて塗布し、乾燥した後、温度1600℃で1時間の熱処理を行って、厚み15μmの表面耐食層を形成した。
密着促進層、応力緩和層およびクラック進展防止層の材料であるスラリーに、ムライトまたはコーディエライトの粉末を含有させた他は、上記の試料No.1〜19と同様にして、セラミック基体を作製し、このセラミック基体上に密着促進層、応力緩和層および表面耐食層を形成し、試料No. 20,21の試験片を得た。なお、焼成後の応力緩和層における酸化ジルコニウムとダイシリケートの含有量は、それぞれ酸化ジルコニウムが20質量%、ダイシリケートが60質量%であり、ムライトまたはコーディエライトの含有量は20質量%であった。
密着促進層を設けていない他は、各層を試料No.2と同じ材料で同じ厚みに形成して、図3に示すような形態の試料No.25の試験片を得た。
図4に示すように、クラック進展防止層5と表面耐食層6との間に、さらに応力緩和層4’およびクラック進展防止層5’を形成した他は、各層を試料No.2と同じ材料で同じ厚みに形成して試料No.26の試験片を得た。応力緩和層4’は、応力緩和層4と同じ材料で同じ厚みに形成し、クラック進展防止層5’は、クラック進展防止層5と同じ材料で同じ厚みに形成した。
図5に示すように、クラック進展防止層5と表面耐食層6との間に、さらに耐食層6’およびクラック進展防止層5’を形成した他は、各層を試料No.2と同じ材料で同じ厚みに形成して試料No.27の試験片を得た。耐食層6’は、表面耐食層6と同じ材料で同じ厚みに形成し、クラック進展防止層5’は、クラック進展防止層5と同じ材料で同じ厚みに形成した。
図6に示すように、表面耐食層6の表面にクラック被覆層8を形成した他は、各層を試料No.2と同じ材料で同じ厚みに形成して試料No.28の試験片を得た。クラック被覆層8は、表2に示す材料を用い、EB−PVD法で形成した柱状結晶からなり、該柱状結晶の長軸がセラミック基体2の表面に略垂直であった。
クラック進展防止層を形成していない他は、上記の試料No.1〜19と同様にして、セラミック基体を作製し、このセラミック基体上に密着促進層、応力緩和層および表面耐食層を形成し、試料No.22〜24の試験片を得た。
得られた試料No.1〜28の試験片を用いて熱衝撃性試験を行った。熱衝撃性試験は、1300℃までの昇温と300℃までの降温を繰り返す熱サイクル試験を1000サイクル行い、表面耐食層に剥離が見られるか否かを顕微鏡を用いて観察した。剥離の観察は100サイクル毎に実施した。結果を表1に示す。
2 セラミック基体
3 密着促進層
4 応力緩和層
5 クラック進展防止層
6 表面耐食層
7 中間層
8 クラック被覆層
50 圧縮機
51 圧縮機ロータ
52 動翼
53 ハウジング
54 静翼
55 吸気筒
60 燃焼器
61 燃焼器ライナ
62 燃料ノズル
63 トランジションダクト
70 タービン
71 タービンロータ
72 タービン動翼
73 ハウジング
74 タービン静翼
81 ハウジング
82 排気筒
83,84 回転軸
Claims (15)
- ガスタービンの燃焼ガスと直接接触する部位に用いられるガスタービン用セラミック部品であって、
窒化珪素を主成分とするセラミック基体上に、中間層を介して、周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウムを主成分とする表面耐食層が積層された耐食性窒化珪素セラミックスからなり、前記中間層が、周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶60〜85質量%および周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウム結晶15〜30質量%の混合物を主成分とする応力緩和層、および周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶を主成分とするクラック進展防止層により構成され、これらの各層がこの順に前記セラミック基体上に積層されていることを特徴とする耐食性ガスタービン用セラミック部品。 - ガスタービンの燃焼ガスと直接接触する部位に用いられるガスタービン用セラミック部品であって、
窒化珪素を主成分とするセラミック基体上に、中間層を介して、周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウムを主成分とする表面耐食層が積層された耐食性窒化珪素セラミックスからなり、前記中間層が、周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶を主成分とする密着促進層、周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶60〜85質量%および周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウム結晶15〜30質量%の混合物を主成分とする応力緩和層、および周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶を主成分とするクラック進展防止層により構成され、これらの各層がこの順に前記セラミック基体上に積層されていることを特徴とする耐食性ガスタービン用セラミック部品。 - 前記中間層を構成するクラック進展防止層と前記表面耐食層との間に、周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶60〜85質量%および周期律表第3a族元素で安定化された酸化ジルコニウム結晶15〜30質量%の混合物を主成分とする応力緩和層、および周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶を主成分とするクラック進展防止層が、この順でさらに積層されていることを特徴とする請求項1または2記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
- 前記中間層を構成するクラック進展防止層と前記表面耐食層との間に、前記表面耐食層と同様の成分の耐食層、および周期律表第3a族元素のダイシリケート結晶を主成分とするクラック進展防止層が、この順でさらに積層されていることを特徴とする請求項1または2記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
- 前記クラック進展防止層を構成するダイシリケート結晶がEr2Si2O7、Yb2Si2O7およびLu2Si2O7から選ばれる少なくとも1種からなる請求項1〜4のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
- 前記クラック進展防止層が前記セラミック基体と略同一の熱膨張係数を有している請求項1〜5のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
- 前記クラック進展防止層の厚みが5〜200μmである請求項1〜6のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
- 前記表面耐食層の厚みが5〜200μmである請求項1〜7のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
- 前記応力緩和層の厚みが5〜200μmである請求項1〜8のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
- 前記密着促進層の厚みが5〜200μmである請求項2〜9のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
- 前記表面耐食層が柱状結晶を有し、該柱状結晶の長軸が前記セラミック基体の表面に略垂直である請求項1〜10のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
- 前記表面耐食層は、AlおよびSiの含有量の合計が1質量%以下であり、気孔率が1〜30%である請求項1〜11のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
- 前記表面耐食層がクラックを有する請求項1〜12のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
- 前記表面耐食層上には、該表面耐食層のクラックを覆い隠すためのクラック被覆層が積層されている請求項13記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
- 燃焼器ライナ、トランジションダクト、静翼、動翼またはロータである請求項1〜14のいずれかに記載の耐食性ガスタービン用セラミック部品。
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