JP5615970B2 - ガンマ／ガンマプライム転移温度の高い金属ボンドコート又は合金、及び部品 - Google Patents

Description

本発明は、ガンマ相及びガンマプライム相を有する金属ボンドコート及び部品に関する。

ガスタービン中の高温ガス通路用の部品は、Ｎｉ基材料又はＣｏ基材料から作られている。これら材料は、強度に対して最適化されており、高温における酸化及び／又は腐食には耐性がない。したがって、これら種類の材料はＭＣｒＡｌＹコーティングによって酸化に対して保護されなければならず、このＭＣｒＡＩＹコーティングは同様に、熱遮蔽コーティング（ＴＢＣ）システム用のボンドコートとして使用することができる。ＴＢＳシステムにおいて、ＭＣｒＡＩＹコーティングは一方の面でガスアタックに対して必要とされ、他方の面でＴＢＣを基板に接着させるために必要とされる。このようなシステムを酸化に対して改良することによって、向上した寿命特性を伴うボンドコートの施工温度の向上をもたらす。

高温腐食／酸化に対して材料を保護するために、ＭＣｒＡｌＹオーバーレイコーティングが、主に低圧プラズマスプレー（ＬＰＰＳ）、エアプラズマスプレー（ＡＰＳ）、電子ビーム物理的蒸気堆積（ＥＢＰＶＤ）、コールドスプレー（ＣＳ）、又は高速オキシフューエル（ＨＶＯＦ）プロセスによってコーティングされる。ＭＣｒＡＩＹコーティングは、ニッケル及び／又はコバルト、クロム、アルミニウム、シリコン、ルテニウム、並びにイットリウムのようなレアアース元素に基づいている。ボンドコート温度の上昇に伴い、これらコーティングは機能しなくなり、熱遮蔽コーティングの破砕をもたらす場合がある。したがって、施工温度の上昇に伴い、改良されたコーティングが酸化アタックに耐えるように必要とされる。また、この種のコーティングは、熱力学的特性を満たさなければならない。これら要求は、ボンドコートの最適化された組成によってのみ達成することができる。

欧州特許第１２０４７７６号明細書、 欧州特許出願第１３０６４５４号明細書 欧州特許出願第１３１９７２９号明細書 国際出願第９９／６７４３５号パンフレット 国際出願第００／４４９４９号パンフレット 米国特許出願第６，０２４，７９２号明細書 欧州特許出願第０８９２０９０号明細書 欧州特許第０４８６４８９号明細書 欧州特許第０７８８０１７号明細書 欧州特許第０４１２３９７号明細書

したがって、本発明の目的は上述の問題を解決することである。

この課題は、請求項１に係る金属コーティングと、請求項１８による部品とによって解決される。

従属請求項には、適宜に互いに組み合わせてさらなる利点を生み出すことができるさらなる改良が開示されている。

合金中のガンマ相、ガンマプライム相、及びベータ相の比を示す図である。 合金中のガンマ相、ガンマプライム相、及びベータ相の比を示す図である。 タービンブレードを示す図である。 ガスタービンを示す図である。 超合金のリストである。

図面及び記載は本発明の実施形態に過ぎない。

図３は、ターボマシンのロータブレード１２０又はガイドベーン１３０の斜視図を示しており、このロータブレード１２０又はガイドベーン１３０は、長手軸１２１に沿って延在している。

ターボマシンは飛行機のガスタービン又は電気を生成するための発電所、蒸気タービン、若しくはコンプレッサとすることができる。

ブレード又はベーン１２０、１３０は、長手軸１２１に沿って連続して、固定領域４００、隣接するブレード若しくはベーンプラットフォーム４０３、及びメインブレード若しくはベーン部分４０６、並びにブレード先端部若しくはベーン先端部４１５を有している。
ガイドベーン１３０として、ベーン１３０はそのベーン先端部４１５に（図視されていない）更なるプラットフォームを有することができる。

ブレード又はベーンの根部１８３は、ロータブレード１２０、１３０をシャフト又は（図視されない）ディスクに固定するために使用されるものであり、固定領域４００中に形成されている。
ブレード又はベーンの根部１８３は、例えばハンマーヘッドの形状に設計されている。クリスマスツリー状又は鳥の尾羽の根状のような別の構成も可能である。
ブレード又はベーン１２０、１３０は、メインブレード又はベーン部分４０６を流過する媒体のための先端縁４０９及び後端縁４１２を有している。

従来のブレード又はベーン１２０、１３０の場合には、一例として固体金属材料、特に超合金がブレード又はベーン１２０、１３０のすべての領域４００、４０３、４０６において使用される。

この種の超合金が、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、又は特許文献５から知られている。
ブレード又はベーン１２０、１３０はこの場合、鋳造プロセスによって、また一方向性凝固によって、鍛造プロセスによって、フライス加工プロセスによって、又はこれらプロセスの組み合わせによって製造することができる。

単結晶構造を有するワークピースが機械用の部品として使用され、作動中にはこれら部品は高い機械的、熱的、および／または化学的ストレスにさらされる。
この種の単結晶のワークピースは、例えば溶融物から一方向性凝固によって製造される。これは鋳造プロセスを含み、鋳造プロセス中に液体金属合金は固化して単結晶構造、すなわち単結晶ワークピースを形成するか、一方向に固化する。
この場合、デンドライト結晶は熱流の方向に沿って方向付けられ、柱状結晶粒構造（すなわち、ワークピースの全長を超え、通例使用される言葉によればここで一方向性凝固として参照される結晶粒）又は単結晶構造（すなわち、ワークピース全体が１つの単結晶から成る）のいずれかを形成する。これらプロセスにおいては、方向性の無い成長が横方向及び縦方向の結晶粒界を不可避に形成し、これが一方向性凝固した部品又は単結晶の部品の好ましい特性を無効にするので、球状の（多結晶の）凝固への転移が回避される必要がある。
ここで一方向性凝固したマイクロ構造として一般的な用語で参照している場合には、これは、全く結晶粒界を持たないか、又は少なくとも小角の結晶粒界しか持たない単結晶と、長手方向に走る結晶粒界は有するが横方向の結晶粒界は全く有しない柱状小構造との両方を意味するとして理解されなければならない。結晶構造のこの第２の形態もまた、一方向性凝固したマイクロ構造（一方向性凝固構造）として記載されている。
このタイプのプロセスは、特許文献６及び特許文献７から知られている。

ブレード又はベーン１２０、１３０は同様に腐食又は酸化に対して保護するコーティング、例えばＭＣｒＡｌＸ（Ｍは鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）から成るグループから選択された少なくとも１つ、Ｘは活性な元素であり、イットリウム（Ｙ）及び／又はケイ素及び／又は少なくとも１つのレアアース元素、又はハフニウム（Ｈｆ）を表す。このタイプの合金は、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献２から既知であり、合金の化学組成に関する本願の開示の一部を形成するよう意図されている。
密度は好ましくは９５％の理論密度である。
酸化アルミニウムの保護層（ＴＧＯ：熱成長した酸化層）は、（中間層又は災害層としての）ＭＣｒＡｌＸ層状に形成される。
また、好ましくはＭＣｒＡＩＸ上に存在する、例えばＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２からなる、すなわち不安定化された、酸化イットリウム及び／又は酸化カルシウム及び／又は酸化マグネシウム及び／又は１つ以上のレアアース元素（ランタン、ガドリニウム、イットリウム等）によって部分的に安定化された又は完全に安定化された）熱遮蔽コーティングがＭＣｒＡＩＸ上に存在することも可能である。
熱遮蔽コーティングは、ＭＣｒＡＩＸ層全体を覆う。柱状結晶粒は、好適なコーティングプロセス、例えば電子ビーム物理的蒸気堆積（ＥＢ−ＰＶＤ）によって熱遮蔽コーティング中に生成される。
別のコーティングプロセス、例えば大気プラズマスプレー（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ、ソルーションプレカーソルプラズマスプレー（ＳＰＰＳ）、又はＣＶＤが考えられる。熱遮蔽コーティングは、その熱ショックに対する耐性を改善するためのマイクロクラックを有する多孔質結晶粒を含むことができる。従って熱遮蔽コーティングは、好ましくはＭＣｒＡＩＸ層よりも多孔質である。

ブレード又はベーン１２０、１３０は、中空又は中実な形状とすることができる。ブレード又はベーン１２０、１３０が冷却される場合には、ブレード又はベーン１２０、１３０は中空であり、（破線で示す）フィルム−冷却孔４１８をも有することができる。

図４は、例示の方法によって、ガスタービン１００の長手方向部分断面図を示す。
内部に、ガスタービン１００はロータ１０３を有し、ロータ１０３は、ロータ１０３が回転軸１０２の周りに回転できるように取り付けられており、シャフト１０１を有し、タービンロータとも称される。
吸気ハウジング１０４、コンプレッサ１０５、複数の同軸に配置されたバーナ１０７を有する例えばトロイダル型燃焼チャンバ１１０、特に環状燃焼チャンバ、タービン１０８、及び排気ガスハウジング１０９が、ロータ１０３に沿って互いに連続している。
環状燃焼チャンバ１１０は、例えば環状高温ガス通路１１１と連通状態にあり、この環状高温ガス通路１１１において、例によれば４つの連続する段落（ｔｕｒｂｉｎｅ ｓｔａｇｅ）１１２がタービン１０８を形成している。
段落１１２それぞれは、例えば２つのブレード又はベーンリングから形成されている。作動媒体１１３の流れの方向に見ると、高温ガス通路１１１においてガイドベーン１１５の列に続いてロータブレード１２０から形成された列１２５がある。

ガイドベーン１３０は固定子１４３の内部ハウジング１３８に固定されており、一方で列１２５のロータブレード１２０は、例えばタービン円板１３３の手段によってロータ１０３に嵌合している。（図視されない）発電機はロータ１０３に結合している。

ガスタービン１００が作動している間は、コンプレッサ１０５が吸入ハウジング１０４を通じて空気１３５を吸入し、それを圧縮する。コンプレッサ１０５のタービン側端部に供給された、圧縮された空気はバーナ１０７に受け渡され、そこで燃料と混合される。この混合物は次いで燃焼チャンバ１１０内で燃焼されて作動媒体１１３を形成する。そこから作動媒体１１３は、高温ガス通路１１１に沿ってガイドベーン１３０及びロータブレード１２０を通過して流れる。作動媒体１１３はロータブレード１２０において膨張し、その運動量を移動させ、それによってロータブレード１２０がロータ１０３を駆動し、ロータ１０３が続いてロータ１０３に結合した発電機を駆動する。

ガスタービン１００が作動している間には、高温の作動媒体１１３に触れている部品に熱応力がかかる。作動媒体１１３の流れの方向に見ると、第１のタービン段１１２のガイドベーン１３０及びロータブレード１２０は、環状燃焼チャンバ１１０の内側を覆う熱遮蔽煉瓦とともに、最も大きな熱応力にさらされる。
そこで広がる温度に耐えるために、それらは冷媒によって冷却することができる。
部品の基板は、同様に一方向構造を有することができ、すなわち、部品の基板は、単結晶形状（ＳＸ構造）にあるか、長手方向に方向付けられた結晶粒のみを有する（ＤＳ構造）。
例示の方法によれば、鉄基、ニッケル基、又はコバルト基の超合金が部品、特にタービンブレード又はベーン１２０、１３０及び燃焼チャンバ１１０の部品用材料として使用されている。
このタイプの超合金は、例えば特許文献１特許文献２、特許文献３、特許文献４、又は特許文献５から知られている。

ガイドベーン１３０は、タービン１０８の内部ハウジング１３８に面する（図視されない）ガイドベーン根部と、このガイドベーン根部から対向方向の端部におけるガイドベーンヘッドとを有する。ガイドベーンヘッドはロータ１０３に面し、固定子１４３の固定リング１４０に固定されている。

新しい修正されたコーティングが開発され、このコーティングは上述の要求を満たしている。このコーティングは、良好な長寿命を有するとともに、許容できる機械的特性及び改良された酸化耐性を有している。これは、ニッケル基合金中にタンタル（Ｔａ）が存在することによるが、好ましくはレニウム（Ｒｅ）を含まない。タンタル（Ｔａ）は、高いガンマ／ガンマプライム転移温度を有する３元システム（ガンマプライム／ガンマ／ベータ）の形成を安定化する（図２参照）。タンタル（Ｔａ）が、ボンドコート施工温度より高いガンマプライムの高い転移温度を安定化させるので、これは局部応力をも同様に減少させる。

したがって、コーティング中のハフニウム（Ｈｆ）、シリコン（Ｓｉ）、又はジルコニウム（Ｚｒ）の必要はない。

非常に良好な結果は、上昇したガンマプライム転移温度を有する提案された３相システムを得るための以下の元素組成：
Ｎｉ−２３Ｃｏ−１７Ｃｒ−１０Ａｌ−２Ｔａ−０．３Ｙ
を示している。

タンタル（Ｔａ）の代わりにレニウム（Ｒｅ）を含有する組成（Ｎｉ−２５Ｃｏ−１７Ｃｒ−１０Ａｌ−１．５Ｒｅ−Ｙ）は、タンタルが添加されていないので低いガンマプライム／ガンマ転移温度を有する（図１参照）。

ボンドコートは、好ましくはこれら元素からなる、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、及び任意にイットリウム（Ｙ）を添加された好ましくはニッケル（Ｎｉ）基超合金である。
非常に好ましくは、それはＭ＝Ｎｉ、ＣｏであるＭＣｒＡｌＹ合金である。
好ましくは、合金はモリブデン（Ｍｏ）及び／又はタングステン（Ｗ）、及び／又はコロンビウム（Ｎｂ）を含まない。

Claims (9)

1. γ相とγ’相とβ相とを含むニッケル基の金属コーティングであって、
   ０．１ｗｔ％〜７ｗｔ％のタンタル（Ｔａ）を含み、
   少なくとも１ｗｔ％のコバルト（Ｃｏ）を含み、
   １２ｗｔ％〜２２ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）を含み、
   ５ｗｔ％〜１５ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）を含み、
   少なくとも０．１ｗｔ％のイットリウム（Ｙ）を含み、
   シリコン（Ｓｉ）を含まず、及び／又はハフニウム（Ｈｆ）を含まず、及び／又はジルコニウム（Ｚｒ）を含まず、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）及びイットリウム（Ｙ）から成ることを特徴とする金属コーティング。
2. 前記金属コーティングが、１５ｗｔ％〜１９ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属コーティング。
3. 前記金属コーティングが、８ｗｔ％〜１２ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属コーティング。
4. タンタルの量が１ｗｔ％〜７ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の金属コーティング。
5. コバルト（Ｃｏ）の量が、１５ｗｔ％〜３０ｗｔ％の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の金属コーティング。
6. コバルト（Ｃｏ）の量が、１８ｗｔ％〜２７ｗｔ％の範囲にあることを特徴とする請求項5に記載の金属コーティング。
7. コバルト（Ｃｏ）の量が、２１ｗｔ％〜２４ｗｔ％の範囲にあることを特徴とする請求項6に記載の金属コーティング。
8. イットリウム（Ｙ）の量が、０．１ｗｔ％〜０．７ｗｔ％の範囲にあることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属コーティング。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の金属コーティングを含む部品。