JP6612096B2 - アブレイダブルシール、及びアブレイダブルシールを形成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、アブレイダブルシールを製造する方法に関する。より具体的には、本発明は、アブレイダブル特性及びアブレイディング特性を有するアブレイダブルシールを形成する方法に関する。

ガスタービンのシステムなどの多くのシステムは、熱的、機械的、及び化学的に厳しい環境にさらされる。例えば、ガスタービンの圧縮機部分において、大気は、このプロセス中で大気圧の１０〜２５倍に圧縮され、約８００°Ｆ乃至約１２５０°Ｆに断熱的に加熱される。この加熱され圧縮された空気は、燃焼器の中に向けられ、そこでこの空気は燃料と混合される。この燃料は点火され、燃焼プロセスが約３０００°Ｆを超えてとても高い温度までガスを加熱する。これらの高温ガスは、タービンを通過し、そこで回転タービンディスクに固定されたエーロフォイルは、エネルギーを抽出してタービンのファン及び圧縮器並びに排気システムを駆動して、そこでこのガスは、発電機ロータを回転させるのに十分なエネルギーを供給して電気を発生させる。密封、及び正確に向けられた高温ガスの流れは、動作効率をもたらす。タービンシールにおけるそのような密封、及び正確に向けられた流れを実現することは、製造が困難で、費用がかかり得る。

動作中、タービンのケーシング（シュラウド）は、回転ブレードに対して固定されたままである。典型的には、最高の効率は、シュラウドとブレード先端との間で最小の閾値の隙間を維持することによって実現することができ、それによってバケットの先端を越えての高温ガスの不要な「漏れ」を防ぐ。隙間の増大は、漏れの問題へ導き、ガスタービンエンジンの全体効率のかなりの減少を引き起こす。

タービンブレード先端における過度の磨滅を防ぎつつ効率を改善するために隙間のギャップを最小にする試みがなされている。例えば、いくつかの従来のタービンエンジンは、リングシールセグメント上の遮熱皮膜（ＴＢＣ）を含む。典型的には、セラミック材料が、それらの高温性能及び低い熱伝導性のために、ＴＢＣ材料として利用される。知られているアブレイダブル皮膜システムは、タービンブレードへの損傷を防ぐために、タービンブレードによって接触されたときに皮膜の一部が摩耗するように設計されているＴＢＣを利用する。また、ＴＢＣによって、下に横たわるタービン構成要素は、華氏２０００度よりも高くなり得る動作中に存在する高温ガスから隔離される。ＴＢＣは、それよりもかなり低い温度で下に横たわるタービン構成要素の温度を維持する。

効率をかなり大きく損失することなく十分な隙間を維持するという要望は、ブレード先端とシュラウドとの間の隙間がシュラウドの全周にわたって不均一であり得るということによってより困難となされている。不均一さは、機械加工中の機械加工公差、スタックアップ公差、及び様々な熱質量及び熱応答による不均一な拡張を含むいくつかの要因によって引き起こされる。そのような不均一さは、タービンブレードの長さの変化となると共に、アブレイダブル皮膜へのそれの作用となり、その結果、アブレイダブル皮膜の不均一な摩耗となる。知られているシステムは、タービンブレード先端への損傷を防ぎつつ、ブレード先端の不均一さについてのギャップ及び設計を最小にする。

アブレイダブル皮膜に関して別の共通な問題は、タービンエンジン動作温度に長期間暴露された後の焼結によって皮膜が劣化することである。アブレイダブル皮膜の焼結は、タービンブレードの先端によって接触されるときにせん断するアブレイダブル皮膜の能力をかなり減少させる。高温動作の場合、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、不安定になり、且つ皮膜の腐食特性及びアブレイダブル特性は減少させられる。

従って、不均一なブレード長さに対処し、下に横たわる基板にとって十分な断熱を与え、動作条件下でアブレイダブル皮膜の摩耗を可能にし、基板に付着したままで長期間の信頼性及び改善された動作効率を与えるアブレイダブル皮膜の必要性が存在する。アブレイダブルシール、及び上記の欠点の１つ以上に苦しまされないアブレイダブルシールを形成する方法は、技術的に望ましいものである。

米国特許第８０６１９７８号公報

一実施形態では、アブレイダブルシールは、金属基板と、金属基板上の多層セラミック皮膜とを有する。多層セラミック皮膜は、金属基板上に堆積されたベース層と、第１の層に重なるアブレイダブル層と、第２の層に重なるアブレイディング層とを含む。アブレイディング層は、アブレイディング材料から形成されている。

別の実施形態では、タービンシステムは、複数の回転構成要素と、アブレイダブルシールとを有する。アブレイダブルシールは、金属基板と、金属基板上の多層セラミック皮膜とを含む。多層セラミック皮膜は、ボンドコート上に堆積されたベース層と、第１の層に重なるアブレイダブル層と、第２の層に重なるアブレイディング層とを含む。アブレイディング層は、アブレイディング材料から形成されている。回転構成要素及びアブレイダブルシールが、アブレイダブルシールを回転構成要素に接触させるように配置及び配設されている。

別の実施形態は、アブレイダブルシールを形成する方法である。方法は、金属基板上の多層セラミック皮膜を堆積することを含む。多層セラミック皮膜は、ボンドコート上に堆積されたベース層と、第１の層に重なるアブレイダブル層と、第２の層に重なるアブレイディング層とを備える。アブレイディング層は、アブレイディング材料から形成されている。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例によって示す添付図面を併せて参照することによって好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになろう。

本開示の一実施形態によるアブレイダブルシールを有する例示的なタービン構成を示す図である。 本開示の一実施形態による多層を基板上に配置させた例示的なシール構成を示す図である。 本開示の一実施形態によるアブレイダブルシールによってもたらされる回転構成要素の摩耗を示す図である。 様々なＹＳＺ安定化層についての比較上の腐食速度を示す腐食データを示す図である。 様々なＹＳＺ安定化層についての比較上の腐食速度を示す腐食データを示す図である。

可能な限り、同じ部分を表すために同じ参照番号が図面全体を通じて使用される。

アブレイダブルシール、及びアブレイダブル特性及びアブレイディング特性を有するアブレイダブルシールを製造するプロセスが提供される。本明細書に開示された特徴の１つ以上を含むことができない同様の概念に比べて、本開示の各実施形態は、不均一なブレード長さを有するシステムを含むタービンシステムに密封をもたらす。加えて、本開示によるアブレイダブルシールは、断熱特性を維持し、アブレイダブル皮膜の摩耗を可能にし、タービンシステムの動作状態中に基板に付着したままであり、ガスタービンの長期間の信頼性及び改善された動作効率をたらす。

図１は、回転の中心軸の方向に見られるガスタービンシステム１００のタービンセクションの概略断面図を示す。ガスタービンシステム１００は、ロータ１０３を囲むタービンシュラウドなどの固定構成要素１０１を含む。固定構成要素１０１は、回転構成要素に対して固定された位置のままである任意の適切な構成要素である。

アブレイダブルシール１０５は、固定構成要素１０１上に配設される。回転構成要素１０７は、ロータ１０３に取り付けられる。回転構成要素１０７は、適切なタービンバケット又はタービンブレードである。用語「ブレード」及び「バケット」は、本明細書中で相互交換可能に使用される。回転構成要素１０７は、ロータ１０３の回転中にアブレイダブルシール１０５に接触している又はほぼ接触している。

図２は、一実施形態によるアブレイダブルシール１０５の断面概略図を示す。アブレイダブルシール１０５は、金属基板２０３上の多層セラミック皮膜２０１で構成されている。本明細書に用いられるとき、用語「金属の」は、金属、合金、複合金属、金属間材料、又はそれらの任意の組み合わせを包含することが意図されている。一実施形態では、基板２０３は、ステンレス鋼を含む又はステンレス鋼である。別の実施形態では、基板２０３は、ニッケル基合金を含む又はニッケル基合金である。他の適切な合金は、コバルト基合金、クロム基合金、炭素鋼、及びそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。適切な金属としては、チタン、アルミニウム、及びこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。一実施形態では、金属基板２０３は、固定構成要素１０１の内面に配設され、この内面は、ロータ１０３に向いている面である。しかし、金属基板２０３は、それに限定されず、他の適切な表面を含む。図２に示された実施形態では、アブレイダブルシール１０５は、多層セラミック皮膜２０１と金属基板との間のボンド皮膜２０５を含む。ボンド皮膜２０５は、例えば、ＭＣｒＡｌＹを含み、ただしＭは、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、若しくはそれらのいくつかの組み合わせ、又はベータＮｉＡｌの金属間である。ボンド皮膜２０５は、ＣｏＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、及びレニウム含有バージョン、及び他の適切な材料などの粉末などの材料から形成することができるが、それらに限定されない。

ボンドコート２０５に重なる場合、多層セラミック皮膜２０１は、ベース層２０７を含む。ベース層２０７は、遮熱皮膜材料を含む。遮熱皮膜材料は、例えば、イットリアで一部安定化されたアルミノケイ酸バリウムストロンチウム又はジルコニアを含む。一実施形態では、ベース層２０７は、約１０重量％未満のイットリア、又は約６重量％〜約８重量％のイットリア、又は約７重量％〜約８重量％のイットリアを含有する。イットリアは適切な安定剤として開示されているが、エルビア、ガドリニア、ネオジミア、イッテルビア、ランタナ、及び／又はジスプロシアなどの他の安定剤が同様に利用されてもよい。６から８重量％のイットリア（例えば、約１０重量％未満のＹＳＺ）を有するＹＳＺの部分的な安定化は、より大量のイットリアを含有するＹＳＺ ＴＢＣよりも高温熱サイクルを受けるときに、より付着する且つ耐破砕性の層という結果になる。さらに、一部安定化されたＹＳＺ（例えば、約１０重量％未満のＹＳＺ）は、完全に安定化されたＹＳＺ（例えば、約２０重量％のＹＳＺ）よりも耐腐食性がある。ベース層２０７は、焼結及び破砕に耐性がある付着性の皮膜を供給している。一実施形態では、ベース層２０７は、本明細書中では稠密縦割れ（ＤＶＣ）と呼ばれているミクロ組織を含む。熱溶射ＤＶＣ ＴＢＣが開示されている。例えば、米国特許第５０７３４３３号、同第５５２０５１６号、同第５８３０５８６号、同第５８９７９２１号、同第５９８９３４３号及び同第６０４７５３９号にあり、これらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。ベース層のための適切な厚さは、約７５ｍｉｌ未満、約１ｍｉｌ〜約７５ｍｉｌ、又は約５ｍｉｌ〜約５０ｍｉｌを含む。

やはり図２に示すように、多層セラミック皮膜２０１は、ベース層２０７に重なるアブレイダブル層２０９を含む。アブレイダブル層２０９は、セラミック遮熱皮膜材料を含み、回転構成要素１０７に接触したときに、アブレイダブル層２０９の腐食及び／又は摩耗を可能にするために十分に低い硬さを有する。ベース層２０７と同様に、アブレイダブル層２０９の遮熱皮膜材料は、部分的又は完全にイットリア、マグネシア、カルシア、又は他の安定剤で安定化された、例えば、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム又はジルコニアを含む。一実施形態では、アブレイダブル層２０９は、安定剤としてイットリアを含むと共に、１５重量％以上のイットリア且つ約２２重量％のイットリアまで、又は約１８％〜約２０％のイットリアを含む。一実施形態では、アブレイダブル層２０９はＹｂ₄Ｚｒ₃Ｏ₁₂を含む。同様に、エルビア、ガドリニア、ネオジミア、イッテルビア、ランタナ、及び／又はジスプロシアなどの他の安定剤が使用されてもよい。一実施形態では、アブレイダブル層２０９は、稠密縦割れを有するイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）又はＹｂ₄Ｚｒ₃Ｏ₁₂を備える。アブレイディング層２１１にとって適切な厚さは、約２５ｍｉｌ〜約７５ｍｉｌ、約４０ｍｉｌ〜約６０ｍｉｌ、又は約５０ｍｉｌを含む。加えて、アブレイダブル層２０９は、耐熱性であり、ガスタービン動作状態で摩耗性及び熱伝導性の特性を保持する。完全に安定化されたＹＳＺ（例えば、約２０重量％のイットリアを含むジルコニア）は、低い熱伝導性材料を提供し、例えば、部分的に安定化されたＹＳＺ（例えば、約８重量％のイットリアを有するＹＳＺ）に対して２０〜３０％、又は２５〜３０％、又は約３０％低い熱伝導性を提供すると共に、回転構成要素１０７と接触したときにより大きい摩耗性を有する。一実施形態では、アブレイダブル層２０９は、ＤＶＣミクロ組織を含む。本明細書に用いられる「アブレイダブル」及び「摩耗性」によって、回転構成要素にほとんど又は全く損傷を与えずに回転構成要素１０７と接触したときに摩擦経路を形成する摩耗又は腐食の特性を有する材料が意味される。

一実施形態では、アブレイダブル層２０９は、幾何学パターンに堆積される。幾何学パターンは、シール特性及び摩耗特性を与えるように配置される。「幾何学パターン」によって、アブレイダブル層２０９が堆積され、下に横たわる層から隆起又は突出した部分が、上から見るときに繰り返され且つ目に見えるパターンを形成していることが意味される。幾何学パターンは、ダイヤモンド、嶺、六角形、楕円、円形、三角形、四角形、又は他の適切な幾何学パターンなどのパターンを含むことができるが、これに限定されない。一実施形態では、幾何学パターンの隆起又は突出した部分が、約０．０６５インチ以下、又は約０．０３５インチ以下、又は約０．０１５インチ以下の距離にわたって下に横たわる層の上に延びる。

多層セラミック皮膜は、アブレイダブル層２０９に重なるアブレイディング層２１１を含む。アブレイディング層２１１は、遮熱皮膜材料を含む。一実施形態では、アブレイディング層２１１は、アブレイディング層２１１に接触することになる回転構成要素を摩耗するのに十分な硬さを有する。「摩耗すること」によって、本明細書中に利用されるとき、回転構成要素１０７と接触されるときに回転構成要素１０７を摩耗又は磨滅する特性を材料が有することを意味する。ベース層２０７と同様に、アブレイディング層２１１の遮熱皮膜材料は、例えば、イットリアで一部安定化されたアルミノケイ酸バリウムストロンチウム又はジルコニアを含む。一実施形態では、アブレイディング層２１１は、約１０重量％未満のイットリア、又は約７重量％〜約８重量％のイットリアを含む。イットリアが適切な安定剤として開示されているが、同様に、エルビア、ガドリニア、ネオジミア、イッテルビア、ランタナ、及び／又はジスプロシアなどの他の安定剤が、利用されてもよい。アブレイディング層２１１は、回転構成要素１０７と固定構成要素１０１との間のギャップを最小にするように構成され、タービン構成要素が異なる拡張状態に特にある間、例えばウォームリスタート中に、長さの不均一さにより層に作用する回転構成要素を選択的に摩耗させる。磨滅の量及び速度は、回転構成要素１０７の不均一さの量に依存する。アブレイディング皮膜の厚さは、アブレイディング特性を与えるのに十分な厚さであり、アブレイダブル層２０９を露出するまで腐食を可能にする。アブレイディング層２１１の適切な厚さは、１０ｍｉｌ未満、約１ｍｉｌ〜約１０ｍｉｌ、又は約１ｍｉｌ〜約５ｍｉｌを含む。一実施形態では、アブレイディング層２１１は、ＤＶＣミクロ組織を含む。一実施形態では、アブレイディング層２１１は、多孔質構造を含む。一実施形態では、アブレイディング層２１１は、ベース層２０７と同じ材料を含む。別の実施形態では、アブレイディング層２１１は、ベース層２０７とは異なる材料を含む。

図３は、ガスタービンの起動などでアブレイダブルシール１０５を利用する方法を示す。図３に見られるように、回転構成要素１０７は、アブレイディング層２１１でアブレイダブルシール１０５に接触する先端領域３０１を含む。回転構成要素１０７がアブレイディング層２１１に接触するとき、回転構成要素１０７の先端領域３０１は摩耗される。加えて、アブレイディング層２１１は、アブレイダブルシール１０５から腐食される。さらに回転すると、回転構成要素１０７は、アブレイダブル層２０９にさらに接触し、アブレイダブル層２０９内のシール経路を摩耗する。先端領域３０１の摩耗は、ブレード長さがより均一になるようにブレードの長さを変える。ブレード長さの均一性がより良くなると、回転構成要素１０７とアブレイダブルシール１０５との間のギャップは小さくなるか、又はギャップが全くなくなる結果となる。

ベース層２０７、アブレイダブル層２０９、及びアブレイディング層２１１の堆積は、ＴＢＣ材料を堆積させるための知られた任意の適切な堆積プロセスによって行うことができる。適切なプロセスは、熱溶射（例えば、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、及び高速酸素フレーム（ＨＶＯＦ）溶射）、及び電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）などの物理蒸着（ＰＶＤ）法による堆積を含む。ベース層２０７、アブレイダブル層２０９、及びアブレイディング層２１１を堆積するのに特に適したプロセスの１つは、米国特許第５０７３４３３号に開示されている。このプロセスの結果として、ベース層２０７、アブレイダブル層２０９、及びアブレイディング層２１１の各々は、縦割れを含み、好ましくは表面のリニアインチあたり２５個以上の割れを含み、割れの少なくとも一部が外側層を完全に通じて下に横たわる層との境界まで延びる。

図４及び図５は、様々なＹＳＺ安定化層についての比較上の腐食速度を示す腐食データを示す。図４に示すように、稠密縦割れ（ＤＶＣ）を有する８重量％のＹＳＺ（８ＹＳＺ）の腐食は、２０重量％のイットリア安定化ジルコニア及びＹｂ₄Ｚｒ₃Ｏ₁₂（ＹｂＺｉｒｃ）より実質的に低い。図５は、同等の温度での腐食速度を示しており、８ＹＳＺは、２０ＹＳＺ及びＹｂ₄Ｚｒ₃Ｏ₁₂に比べてより高い温度にさらされたときに実質的に腐食し始める。図示のように、本開示による構成における８ＹＳＺと２０ＹＳＺ（又はＹｂ₄Ｚｒ₃Ｏ₁₂）の組み合わせは、アブレイダブル層２０９における摩耗性（すなわち、腐食）、並びに高い温度安定性を有するアブレイディング層２１１の望ましいアブレイディング特性を与える。

１つ以上の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱しない範囲内で本発明に様々な変更がなされてもよく、本発明の要素が均等物で置き換えられてもよいことが当業者には理解されよう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱しない範囲内で、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるため数多くの修正がなされてもよい。従って、この本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。加えて、詳細の説明の中で認識された全ての数値は、正確な値と概略値が共にあたかも明示的に特定されるかのように解釈されるものとする。

１００ ガスタービンシステム
１０１ 固定構成要素
１０３ ロータ
１０５ アブレイダブルシール
１０７ 回転構成要素、
２０１ 多層セラミック皮膜
２０３ 金属基板、基板
２０５ ボンド皮膜、ボンドコート
２０７ ベース層
２０９ アブレイダブル層
２１１ アブレイディング層
３０１ 先端領域

Claims (18)

1. 金属基板と、
   金属基板上の多層セラミック皮膜と
   を備えるアブレイダブルシールであって、多層セラミック皮膜が、
   金属基板上に堆積されたベース層と、
   ベース層の上に配置され、遮熱材料を含むアブレイダブル層と、
   アブレイダブル層の上に配置されるアブレイディング層と
   を備えており、
   アブレイディング層が、該アブレイディング層に接触することになる回転構成要素を摩耗するのに十分な硬さを有するアブレイディング材料から形成されている、アブレイダブルシール。
2. 基板と多層セラミック皮膜との間のボンドコートをさらに備える、請求項１記載のアブレイダブルシール。
3. ボンドコートが、ＭＣｒＡｌＸオーバーレイ皮膜である、請求項２記載のアブレイダブルシール。
4. ベース層は、セリア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、及びそれらの混合物からなる群から選択される材料のセラミック層を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のアブレイダブルシール。
5. ベース層が、約７〜約８重量％のイットリアを含むイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のアブレイダブルシール。
6. ベース層が、稠密縦割れを有するミクロ組織を備える、請求項１乃至５のいずれかに記載のアブレイダブルシール。
7. アブレイダブル層が、約１８〜約２０重量％のイットリアを含むイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を備える、請求項１乃至６のいずれかに記載のアブレイダブルシール。
8. アブレイダブル層が、稠密縦割れを有するミクロ組織を備える、請求項１乃至７のいずれかに記載のアブレイダブルシール。
9. アブレイダブル層が、Ｙｂ_４Ｚｒ_３Ｏ_１２を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のアブレイダブルシール。
10. アブレイディング層が、縦割れを有する、請求項１乃至９のいずれかに記載のアブレイダブルシール。
11. アブレイダブル層が、幾何学パターンに配置される、請求項１乃至１０のいずれかに記載のアブレイダブルシール。
12. 幾何学パターンが、ダイヤモンドパターンである、請求項１１に記載のアブレイダブルシール。
13. アブレイダブル層が、幾何学パターンに堆積され、
    幾何学パターンが嶺パターンである、請求項１１に記載のアブレイダブルシール。
14. アブレイディング材料が、約７〜約８重量％のイットリアを含むイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）である、請求項１乃至１３のいずれかに記載のアブレイダブルシール。
15. ベース層及びアブレイディング層が、同じ材料から形成される、請求項１乃至１４のいずれかに記載のアブレイダブルシール。
16. 複数の回転構成要素と、
    請求項１乃至１５のいずれかに記載のアブレイダブルシールと、
    を備えるタービンシステムであって、
    回転構成要素及びアブレイダブルシールが、アブレイダブルシールを回転構成要素に接触させるように配置及び配設されている、タービンシステム。
17. 請求項１乃至１５のいずれかに記載のアブレイダブルシールを形成する方法であって、
    金属基板上に多層セラミック皮膜を堆積することを含む、方法。
18. 請求項１６に記載のタービンシステムを製造する方法であって、
    金属基板上に多層セラミック皮膜を堆積することを含む、方法。