JP6106431B2 - 環境バリアコーティングシステムのための連続する繊維強化メッシュのボンドコート - Google Patents

Description

本開示はガスタービンブレードに関し、詳細にはガスタービンブレードのための耐クリープコーティングシステムに関する。

燃焼タービンとも称されてよいガスタービンは、ガスを加速させてそのガスを燃焼室に押し込む内燃エンジンであり、燃焼室では、ガスの体積を増大させるために熱が加えられる。次いで、膨張したガスはタービンの方に誘導され、膨張したガスにより生成されたエネルギーが抽出される。ガスタービンには多くの実用的用途があり、これらには、ジェットエンジンとして使用されること、および、工業用発電システムで使用されることが含まれる。

ガスタービン内でガスを加速させることおよびガスを誘導することは、しばしば、回転ブレードを使用して実現される。エネルギーを抽出することは、通常、膨張ガスを燃焼室からガスタービンブレードの方に押し込み、タービンブレードを通るように膨張ガスをガスタービンから出すときの力によりガスタービンブレードを回転させることにより、実現される。外に出るガスが高温であることから、ガスタービンブレードは非常に厳しい運転条件に耐え得るように構成されなければならない。多くのシステムでは、複雑なタービンブレード冷却システムが採用されている。ガスタービンブレードは一般的に金属から構成されるが、このようなブレードで現在使用されているのは、セラミックおよびセラミック母相複合材料などのより進歩した材料である。ガスタービンブレードを構成するのにこのような進歩した材料または単純な金属を使用する場合、ブレードに保護性を追加して耐熱性を向上させるために、コーティングが使用され得る。

米国特許出願公開第２００８／００４４６６３号公報

環境バリアコーティングシステムのための連続する繊維強化メッシュのボンドコートを提供する。

表面と、表面に付着されるボンド層とを有するガスタービンブレードが開示される。多孔性基材がボンド層に付着され得、さらに、１つまたは複数の保護層がボンド層に付着され得、結果として、クリープを防止したり軽減したりするために、多孔性基材はボンド層と保護層との間に埋め込まれる。

クリープを軽減および防止するための方法が開示される。ボンド層がガスタービンブレードの表面に付着され得、多孔性基材がボンド層に付着され得る。１つまたは複数の保護層がボンド層に付着され得、その結果、ボンド層と保護層との間に多孔性基材が埋め込まれる。

上記の概説、さらには以下の詳細な説明は、図面と併せて読むことにより良く理解される。特許請求される主題を説明するために、種々の実施形態を示す例が図面に示されるが、本発明は開示されるこれらの特定のシステムおよび方法のみに限定されない。

本主題のこれらのおよび別の特徴、態様、および、利点が、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと、より良く理解される。

ブレード表面に付着されるコーティングの非限定的な例を示す図である。 ブレード表面に付着されるコーティングの非限定的な別の例と、起こり得るクリープ現象とを示す図である。 ガスタービンブレード上のボンドコートに付着され得るかまたはボンドコート内に埋め込まれ得る繊維メッシュの非限定的な例を示す図である。 ガスタービンブレード上のボンドコートに付着され得るかまたはボンドコート内に埋め込まれ得る繊維メッシュの非限定的な別の例を示す図である。 耐クリープ性を向上させるためにブレードに付着される繊維メッシュの非限定的な例を示す図である。 耐クリープ性を向上させるためにブレードに付着される繊維メッシュの非限定的な別の例を示す図である。 ガスタービンブレード上のボンドコートに付着され得るかまたはボンドコート内に埋め込まれ得る繊維メッシュの非限定的な例を示す図である。 ガスタービンブレード上のボンドコートに付着され得るかまたはボンドコート内に埋め込まれ得る繊維メッシュの非限定的な別の例と、付着される環境バリアコーティング（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ（ＥＢＣ））層とを示す図である。 ガスタービンブレード上のボンドコートに付着され得るかまたはボンドコート内に埋め込まれ得る繊維メッシュの非限定的な例を示す図である。 ガスタービンブレード上のボンドコートに付着され得るかまたはボンドコート内に埋め込まれ得る繊維メッシュの非限定的な別の例と、付着されるＥＢＣ層とを示す図である。

一実施形態では、環境バリアコーティング（ＥＢＣ）が、セラミック母相複合材料（ＣＭＣ）から構成されるガスタービンブレードに付着され得る。ＥＢＣは、ガスタービンの運転中にブレードに接触する可能性がある、高温ガス、水蒸気および酸素などの、環境物質の影響からブレードを保護するのを補助することができる。ＥＢＣはシリコンベースであってよく、種々の材料の複数の層として付着され得る。本開示の実施形態では、各層内の材料は任意の材料であってよく、これらの材料は、大気プラズマ溶射（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙ（ＡＰＳ））、化学蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ））、プラズマ強化ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ））、浸漬被覆、および、電気泳動蒸着（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｐｈｏｎｅｔｉｃ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＥＰＤ））を含めた、任意の手段または方法を使用して付着され得る。

図１は、ＣＭＣブレードに付着され得る例示のコーティングを示す。ブレード１１０はボンド層１２０で被覆され得、ボンド層１２０はボンドコートとして機能してＥＢＣ層をブレード１１０に接着するのを補助することができる。一実施形態では、ボンド層１２０はシリコンボンドコートであってよい。ＥＢＣ層１４０がボンド層１２０上に付着され得る。追加のＥＢＣ層１５０、１６０および１７０がＥＢＣ層１４０の上にさらに付着され得る。任意の手段および方法を使用して任意の数のＥＢＣ層がブレード１１０および本明細書で開示される任意の別のブレードまたは表面に付着され得、ボンド層１２０、ＥＢＣ層１４０、１５０、１６０および１７０、および、ブレード１１０を含む本明細書で開示されるこれらの任意のブレード、ボンド層およびＥＢＣ層には、任意の材料が使用され得る。これらのすべての実施形態が本開示の範囲内にあることが企図される。

中にブレード１１０が構成され得るガスタービン環境では、高温ガスがボンド層１２０を酸化させる可能性があり、さらには、それらのガスにより温度が上昇することによりボンド層１２０が溶解する可能性がある。ボンド層１２０は、溶解したり酸化したりすると、粘性流体層１３０を形成する場合があり、この粘性流体層１３０は粘性ガラス層である場合がある。一部の実施形態では、粘性流体層１３０は熱膨張酸化物（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｇｒｏｗｎ ｏｘｉｄｅ（ＴＧＯ））で構成されてよい。図２に示されるように、粘性流体層１３０は、ブレード１１０に加えられる遠心荷重による、さらには、層１４０、１５０、１６０および１７０などの外側のＥＢＣ層との熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合による、剪断応力を受けて、移動する可能性がある。このような移動は「クリープ」と称され得る。ＥＢＣ層１４０、１５０、１６０および１７０のクリープは、特に層１４０、１５０、１６０および１７０内に亀裂が発生したりする場合に、ブレード１１０の使用可能な寿命を制限する可能性がある。

クリープを防止または軽減するために、一実施形態では、ボンドコーティングが、クリープを防止または軽減するための繊維メッシュなどの多孔性基材で強化され得る。メッシュを使用する一実施形態では、使用されるメッシュは、二次元内で交差する繊維を使用して編み込まれてよく、または、一方向繊維で構成されてもよい。メッシュの繊維を構成する材料は、セラミック繊維を含めた任意の材料であってよい。一部の実施形態では、メッシュのための材料は、クリープに抵抗するメッシュの能力を向上させるように選択され得る。例えば、本明細書で開示される任意の繊維メッシュの繊維は、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシウム酸化物、ムル石およびスピネルなどの単一酸化物、炭化ケイ素、炭化ホウ素および炭化チタンなどの炭化物、窒化シリコンおよび窒化ホウ素などの窒化物、ニッケルアルミナイド、チタニウムアルミナイドおよび二ケイ化モリブデンなどの金属間化合物、または、これらの任意の組合せ、から作られてよい。アルミナ繊維、ムル石およびイットリウムアルミニウムガーネット（ｙｔｔｒｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｇａｒｎｅｔ（ＹＡＧ））繊維などの、単一結晶の形態の酸化物繊維は２４００Ｆ（１３１６℃）超において優れた耐クリープ性を有することから、一部の実施形態ではこれらのタイプの繊維が使用され得る。これらの繊維のうちのいずれか、または、適用されているブレードの運転条件下で溶解したり酸化したりせずかつ高温時にその接着特性を維持できるような別の任意の繊維が、本明細書で開示される任意の実施形態で使用され得、これらのすべての実施形態が本開示の範囲内にあることが企図される。

図３は、本開示の一実施形態による繊維メッシュ状の繊維構造の形態である多孔性基材を示す。分かり易いように繊維メッシュの繊維のみが示される図３では、繊維３００は一方向の構成であってよく、ここでは繊維全体が互いに実質的に平行である。

図４は、本開示の別の実施形態による繊維メッシュである繊維の別の構成を示す。分かり易いように繊維メッシュの繊維のみが示される図４では、繊維４００は図に見られるように二次元内で互いに編み込まれてよい。いずれの構成でも、これらの繊維は、単独のＥＢＣ層より優れた耐酸化性および耐クリープ性を有することができ、また、これらの繊維は、高温用途（例えば、２４００Ｆ（１３１６℃）以上）において周りを囲むボンドコート材料を定位置で保持することができる「バックボーン」または基材を形成することができる。

図５は、ボンドコート層の中に付着されるかまたはボンドコートに付着される繊維メッシュを備える構成のガスタービンブレードの側面図を示す。ブレード５１０はボンド層５２０で被覆され得る。一方向繊維メッシュ５４０がボンド層５２０内に全体的または部分的に埋め込まれてよい。ＥＢＣ層５３０がボンド層５２０および繊維メッシュ５４０の上に付着されてよい。説明上分かり易いように、図５では単一のＥＢＣ層が示されることに留意されたい。しかし、ＥＢＣ層５３０は任意の数であってよく、ガスタービンブレードに付着され得る任意のタイプの複数のＥＢＣ層あるいは任意の別の複数の層またはコーティングの組合せであってよい。これらのすべての実施形態が本開示の範囲内にあることが企図される。

特定の運転条件では、ボンド層５２０とＥＢＣ層５３０との間に粘性流体層５５０が形成される可能性がある。繊維メッシュ５４０は、粘性流体層５５０がクリープするのを防止するような、粘性流体層５５０のための機械的バリアまたは物理的制限を形成することにより、これらの層の間でのクリープを防止したりおよび／またはそのようなクリープに抵抗したりすることができる。繊維メッシュ５４０の繊維は、粘性流体層５５０を固定するように、さらにはその上にＥＢＣ層５３０が着座するための粗い表面を提供するように、機能することができ、それにより、クリープによりＥＢＣ層５３０が移動することを完全に防止するかおよび／またはそのようないかなる移動も軽減することができる。図５に示されるように、繊維メッシュ５４０は、繊維メッシュ５４０の繊維が起こり得る任意のクリープの予想される方向に対して垂直となるように、付着され得る。

一部の酸化物繊維は、ボンド層５２０などのボンドコート内において、高温時（例えば、２１００Ｆ（１１４９℃）超）に粒度が過度に膨張することにより機械的強さを劣化させる可能性があるが、繊維がその完全性を維持できるくらいに応力を低く維持することができることに留意されたい。しかし、図５の実施形態および別の実施形態では、繊維メッシュ５４０の繊維が破断しても、その破断した繊維の部片が、粘性流体層５５０などの、粘性流体層（例えば、ＴＧＯ）のための「短い繊維」の補強材として機能することができる。

図６は、ボンドコート層の中に付着されるかまたはボンドコート層に付着される繊維メッシュを備える構成のガスタービンブレードの側面図を示す。ブレード６１０はボンド層６２０で被覆され得る。二次元に編み込まれる繊維メッシュ６４０がボンド層６２０内に全体的または部分的に埋め込まれてよい。ＥＢＣ層６３０がボンド層６２０および繊維メッシュ６４０の上に付着され得る。説明上分かり易いように、図６では単一のＥＢＣ層が示されることに留意されたい。しかし、ＥＢＣ層６３０は任意の数であってよく、ガスタービンブレードに付着され得る任意のタイプの複数のＥＢＣ層あるいは任意の別の複数の層またはコーティングの組合せであってよい。これらのすべての実施形態が本開示の範囲内にあることが企図される。

特定の運転条件では、ボンド層６２０とＥＢＣ層６３０との間に粘性流体層６５０が形成される可能性がある。繊維メッシュ６４０は、粘性流体層６５０がクリープするのを防止するような、粘性流体層６５０のための機械的バリアまたは物理的制限を形成することにより、これらの層の間でのクリープを防止したりおよび／またはそのようなクリープに抵抗したりすることができる。繊維メッシュ６４０の繊維は、粘性流体層６５０を固定するように、さらにはその上にＥＢＣ層６３０が着座するための粗い表面に提供するように、機能することができ、それにより、クリープによりＥＢＣ層６３０が移動することを完全に防止するかおよび／またはそのようないかなる移動も軽減することができる。図６に示されるように、繊維メッシュ６４０は、繊維メッシュ６４０内で一方向に方向付けられる繊維が起こり得る任意のクリープの予想される方向に対して垂直となるように、付着され得る。ここでもやはり、図６の実施形態において繊維メッシュ６４０の繊維が破断しても、その破断した繊維の部片が、粘性流体層６５０などの、粘性流体層（例えば、ＴＧＯ）のための「短い繊維」の補強材として機能することができる。

図７は、ボンドコート層の中に付着されるかまたはボンドコート層に付着される一方向繊維メッシュを備える構成のガスタービンブレードの斜視図である。ブレード７１０は付着されるボンド層７２０を有することができ、繊維メッシュ７４０がボンド層７２０の中に埋め込まれ得るかまたはボンド層７２０に付着され得る。繊維メッシュ７４０が予想されるクリープ方向に対して垂直となるように方向付けら得ることに留意されたい。図８は、ＥＢＣ層７３０が付着された、層およびブレード７１０の部分的に透明な拡大図を含めた、図７の実施形態の斜視図である。

図９は、ボンドコート層の中に付着されるかまたはボンドコート層に付着される編み込まれた繊維メッシュを備える構成のガスタービンブレードの斜視図である。ブレード９１０は付着されるボンド層９２０を有することができ、繊維メッシュ９４０がボンド層９２０の中に埋め込まれ得るかまたはボンド層９２０に付着され得る。繊維メッシュ９４０が、繊維メッシュ９４０の繊維の少なくとも一部が予想されるクリープ方向に対して垂直となるように、方向付けられ得ることに留意されたい。図１０は、ＥＢＣ層９３０が付着された、層およびブレード９１０の部分的に透明な拡大図を含めた、図９の実施形態の斜視図である。

本明細書で企図される実施形態を使用することにより、ボンド層およびＥＢＣ層の化学組成を変化させることなくボンド層およびＥＢＣ層の微小構造を変化させる機械的バリアを定位置に挿入することができる。この機械的バリアは、メッシュ、スクリーン、ラチス、または別の多孔性基材の形態であってよい。一部の実施形態では、同様にクリープを軽減および防止するために、連続的な繊維ではなく、セラミック要素などの、任意の材料の個別の不連続な要素がボンド層に埋め込まれてよい。これらの個別の不連続な要素は単一の方向にも複数の方向にも方向付けられてもよく、または、配列が不規則となるように不規則的に分布されてもよい。

開示される繊維メッシュを使用することにより、粘性流体層が生成されることを原因してボンドコート層上のＥＢＣ層がクリープすることを完全に防止するかおよび／またはそのようないかなるクリープも軽減することができる。したがって、コストをほとんど増大させることなく、ガスタービン内で使用されるブレードの寿命を延ばすことができる。一部の実施形態では、一方向繊維、２方向に編み込まれる繊維、および、２方向以上の方向に編み込まれる繊維を有するような繊維メッシュを含めて、任意のタイプの繊維メッシュが使用され得ることに留意されたい。本明細書で開示されるいかなる繊維メッシュの繊維も、任意の手段または方法により任意のパターンに編み込まれ得る。一部の実施形態では、使用される繊維は連続するセラミック繊維である。さらに、このような繊維メッシュがガスタービンブレードのボンド被覆表面の全体に付着されてもよく、または別法として、運転温度が最も高くなりやすい区間などの、クリープが最も起こりやすいガスタービンブレードの区間に付着されてもよいことにも留意されたい。これらのすべての実施形態が本開示の範囲内にあることが企図される。

ここに記載される説明は、最良の形態を含めた本明細書に含まれる主題を開示するために、さらには、任意のデバイスまたはシステムを製造および使用することならびに採用される任意の方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施するのを可能にするために、複数の例を使用する。特許を受けることができる本開示の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者には思い付く別の例を含むことができる。このような別の例は、特許請求の範囲の文字通りの意味と違わない構造的要素を有する場合には、または、特許請求の範囲の文字通りの意味とほぼ違わない等価の構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあることが意図される。

１１０ タービンブレード基材
１２０ ボンドコート
１３０ 熱膨張酸化物（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｇｒｏｗｎ ｏｘｉｄｅ（ＴＧＯ））
１４０ 環境バリアコーティング（ＥＢＣ）層
１５０ ＥＢＣ層
１６０ ＥＢＣ層
１７０ ＥＢＣ層
３００ 一方向繊維メッシュ
４００ 二方向繊維メッシュ
５１０ タービンブレード基材
５２０ ボンドコート
５３０ ＥＢＣ層
５４０ 一方向繊維メッシュ
５５０ ＴＧＯ
６１０ タービンブレード基材
６２０ ボンドコート
６３０ ＥＢＣ層
６４０ 繊維メッシュ
６５０ ＴＧＯ
７１０ タービンブレード基材
７２０ ボンドコート
７３０ ＥＢＣ層
７４０ 一方向繊維メッシュ
９１０ タービンブレード基材
９２０ ボンドコート
９３０ ＥＢＣ層
９４０ 二方向繊維メッシュ

Claims (19)

1. 層間のクリープが低減した被覆ガスタービンブレードであって、
   表面と、
   前記表面に付着されるボンド層と、
   前記ボンド層に付着される多孔性基材であって、繊維メッシュを含む多孔性基材と、
   前記ボンド層に付着された保護基材であって、前記ボンド層と保護層との間に繊維メッシュが埋め込まれた保護層と
   を含むガスタービンブレード。
2. 前記保護層が少なくとも１つの環境バリアコーティングを含む、請求項１記載のガスタービンブレード。
3. 前記繊維メッシュの少なくとも一部の繊維が予想されるクリープ方向に対して垂直に方向付けられる、請求項１又は請求項２記載のガスタービンブレード。
4. 前記繊維メッシュが、単一酸化物、炭化物、窒化物、金属間化合物及びそれらの組合せのうちの１種以上の材料からなる繊維を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービンブレード。
5. 前記多孔性基材が酸化物繊維の単一結晶からなる繊維のメッシュを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービンブレード。
6. 前記多孔性基材が、編み込まれた繊維のメッシュを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のガスタービンブレード。
7. 前記多孔性基材が連続セラミック繊維のメッシュを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のガスタービンブレード。
8. 前記繊維メッシュが前記表面の第１の区間に付着され、前記表面の第２の区間には付着されない、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のガスタービンブレード。
9. 前記多孔性基材が前記表面の全体に付着される、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のガスタービンブレード。
10. 層間のクリープが低減した被覆ガスタービンブレードの製造方法であって、
    ガスタービンブレードの表面にボンド層を付着させるステップと、
    前記ボンド層に、繊維メッシュを含む多孔性基材を付着させるステップと、
    前記ボンド層と保護層との間に繊維メッシュが埋め込まれるように、前記ボンド層に保護層を付着させるステップと
    を含む方法。
11. 前記保護層が少なくとも１つの環境バリアコーティングを含む、請求項１０記載の方法。
12. 前記多孔性基材が一方向繊維のメッシュを含む、請求項１０又は請求項１１記載の方法。
13. 前記多孔性基材が、編み込まれた繊維のメッシュを含む、請求項１０又は請求項１１記載の方法。
14. 前記多孔性基材が連続セラミック繊維のメッシュを含む、請求項１０又は請求項１１記載の方法。
15. 前記ボンド層に前記多孔性基材を付着させるステップが、前記繊維メッシュの少なくとも一部の繊維が予想されるクリープ方向に対して垂直になるように方向付けられるように、前記ボンド層に繊維メッシュを付着させるステップを含む、請求項１０乃至請求項１４のいずれか１項記載の方法。
16. 前記多孔性基材が、単一酸化物、炭化物、窒化物、金属間化合物及びそれらの組合せのうちの１種以上の材料からなる繊維を含む繊維メッシュを含む、請求項１０乃至請求項１５のいずれか１項記載の方法。
17. 前記多孔性基材が、酸化物繊維の単一結晶から作られる繊維を含む繊維メッシュを含む、請求項１０乃至請求項１５のいずれか１項記載の方法。
18. 前記ボンド層に前記多孔性基材を付着させるステップが、前記ボンド層によって覆われる前記表面の第１の区間に前記多孔性基材を付着させ、前記ボンド層によって覆われる前記表面の第２の区間に前記多孔性基材を付着させないステップを含む、請求項１０乃至請求項１７のいずれか１項記載の方法。
19. 前記ボンド層に前記多孔性基材を付着させるステップが、前記ボンド層によって覆われる前記表面の全体に前記多孔性基材を付着させるステップを含む、請求項１０乃至請求項１７のいずれか１項記載の方法。