JPH03503184A - 金属対象物、特に保護被覆を有するガスタービン翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 金属対象物、特に保護被覆を を有するガスタービン翼 本発明は金属対象物、特にガスタービン装置の構造部材、例えば請求項１の上位 概念に記載した形式の翼に関する。特にガスタービンにおける加熱ガスで強く負 荷される多くの構造部材は、熱的、機械的及び侵食的負荷の他に強烈な腐食作用 をこうむる。燃料及び空気中の不純物に起因する塩から形成される被膜は、若干 のガス状物質と共に高温腐食による腐食損傷の原因となる。腐食励起ｅＩＪ質は 極めて多種多様であり得る。燃料の種類及び起源によってまた他方では燃焼用空 気の組成によって、種々の化学的メカニズムで生じる種々のタイプの作用が決定 される。燃料では天然ガス及び石油中の種々異なる硫黄含有量、重油中のバナジ ウム成分、炉口ガス中の重金属及び石炭ガス中の重金属及び塩化物が影響を及ぼ す可能性がある。燃焼用空気の組成ではこれに含まれる液状及び固体のエーロゾ ルが決定的役割を果たすが、この場合燃焼用空気中には装置の位置に応じてそれ ぞれ重金属、アルカリ類及び／又は塩化物が含まれている可能性がある。

種々の被覆層、加熱ガスで強く負荷される各構成部材用の多重被覆もまた、文献 から種々の用途のものが多数公知である。特にドイツ連邦共和国特許第２８２６ ９１０号明ｗＢｓからは、金属対象物に段階をつけた被覆を設けることが公知で ある。この場合量も内側の層は主としてクロムを含む拡散層である。上記の段階 をつけられた被覆は一般に金属対象物を熱腐食に対して保護するものであり、こ の場合温度約９２５℃での腐食実験が記載されている。

ドイツ連邦共和国特許第２８２６９０９号明細書からは、この種の負荷をこうむ る金属対象物用の他の二重層が公知であるが、この場合内側の部分層は、アルミ ニウム、クロム及びイツトリウムの各元素成分を含む。米国特許第３６４９２２ ５号明細書にも、高温腐食を阻止する二重層が記載されている。多くの公知二重 層においては一般に薄い下層はそれ自体外部からの攻撃に対して保ｆｉｌｉとし て作用せず、上層の安定性及び接着性を改善する役目をするにすぎない。

公知の層系は構造部材を極めて高い温度での酸化及び腐食に対して保護するもの ではあるが、徹底的な研究によれば、これらの公知層は温度６００〜８００℃で の別種の腐食作用に対しては同様の保護作用を有していないことを示す。すなわ ち図示した第１図から明らかなように、この間に明らかにされた研究によれば、 高温腐食には２種の異なる攻撃パターンがある。

第１図は、すでに記載した約８５０℃の範囲での高温腐食（以後ＨＴＫＴと記す ）（この腐食に対しては公知の保護層が施される）の他に、約７００°Ｃの範囲 で最大である別の強烈な腐食メカニズムが存在することを示している。第１図は 温度に対する腐食率を示すグラフ図である。

ガスタービン装置の特定の運転方法、特にタービンを部分負荷範囲で比較的長時 間運転する場合、７００°Ｃでの腐食メカニズム（以後ＨＴＫＩ［と記す）が構 造部材の耐用時間に決定的な作用を及ぼす。すなわち部分負荷運転でのこの種の 腐食が一層高い温度での攻撃に対しては適している保護層を徐々に破壊し、その 結果引続いての全９荷運転でまた再度の一層高い温度で、構造部材は保護される ことなく、先の別様の攻撃メカニズムに曝されることを示す。

従って本発明の課題は、金属対象物を公知の２様の攻撃メカニズム、ＨＴＫＩ及 びＨＴＫＩＩに対して抵抗力のあるものとなし、それにより構造部材の耐用時間 を高める保護層の組み合わせを提供することにある。

この課題を解決するため、請求項１の特徴部に記載した被覆を有する金属対象物 を提案する。これによれば構造部材はまず、その厚さ又は組成の故に温度６００ 〜８００°Ｃでの攻撃メカニズムに対して大きな抵抗力を有する層を施されてい る。更に第２の被覆層を施すが、これは特に８００〜９００°Ｃでの攻撃に対し て抵抗力を有する。この構造は、加熱ガスで強く負荷される構造部材は一般に内 部で冷却されており、その結果温度は構造部材の最も外側の層から内部に向かっ て低下するという認識から出発する。

従ってまず更に内側部分にある層は低い温度での攻撃メカニズムに曝されるが、 外側層は高温での腐食に対して保護されねばならない。

更に注意すべきことは、個々の範囲の温度負荷が異なる限り基本的に構造部材は 全体的に２層を備えている必要はないことである。従って本発明はまた当然二重 被覆を金属対象物の部分範囲で含むにすぎない、しかしこの提案された層配列は 、たとえ通常の支配的な攻撃メカニズムが構造部材の種々の箇所で異なりまた必 ずしも明らかでないとしてもあらゆる場合に構造部材の耐用時間を高めるという 利点を有する０例えば構造部材の特に良好に冷却された部分範囲が全負荷運転時 にも主として７００°Ｃ前後の温度範囲にある場合には、この種のタイプの攻撃 に対して最適化されていない最も外側の保護層は徐々に破壊されるが、その下に ある層は引続き保護する。

第２図は二重層が運転時間に及ぼす影響をグラフ図で例示的に示すものである０ 、このグラフ図には消耗度が運転時間と対比して記されており、構造部材の異な る部分範囲における異種の温度負荷に対する典型的な消耗曲線を示すものである 。

最後に第３図は内部を冷却された構造部材における腐食保護層上の断熱層の作用 を示すものである。このグラフ図は構造部材及び保護層の内部及び外部の２増の 典型的な温度分布を示すものである。

本発明の有利な実施態様は請求項２ないし１０に記載されている。

請求項２に示すように第１被覆層としては、金属対象物上に施されたクロム含有 量５０％以上の拡散層が通している。この種の拡散層それ自体は従来の技術水準 から、特にドイツ連邦共和国特許第２８２６９１０号明細書から公知である。し かしＨＴＫＩに対する第２の被覆層と組み合わせた場合のＨＴＫＩＩに関するそ の有利な作用は知られていなかった。鉄又はマンガンを例えば１０〜３０％（以 後すべて重量％を表す）付加することによって、この種の拡散層の厚さを０．１ ３０ｍｎ１以上に増すことができ、この鉄又はマンガンの増加分で可能な層厚も 上昇し、これは当然ＨＴＫ■条件下における態様時間を高める。

拡散層としての第１被覆層の代わりに請求項３に示すように例えば低圧プラズマ スプレー法により施すことのできる被覆層を備えていてもよい。この層はクロム ３０〜５５％、有利には約４０％、及び希土類、イツトリウム、スカンジウム、 ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ケイ素の群から選択される少な くとも１種の元素０．５〜２％、有利には約１％を含んでいるべきである。アル ミニウムが存在する場合には一般に僅少量で、すなわち５％未満、有利には３％ 未満であるべきである。この層の残りの成分は鉄、コバルト、ニッケルの元素の １つ又は混合物からなるが、その際製造条件により不純物が入り込む可能性があ る。

第１被覆層としてコバルトを使用せずに、鉄及びニッケルの元素の１つ又は混合 物のみを使用した場合、同様に良好な作用を得るには請求項４に基づきクロム含 有量を一層少なく、すなわち１５〜５０％に、有利には約２０〜３０％の間で選 択することができる。

請求項５は、第２被覆層がＭＣｒＡＩＹ型に属すべきであることを示すものであ る。この種の層は基本的には従来の技術水準から、例えばドイツ連邦共和国特許 第２８２６９１０号明細書から公知である。しかしこの種の被覆層がＨＴＫＩに 対して最適であるだけでなく、更にその下に存在するＨＴＫＩＩに対して最適化 された層と組み合わせて使用するという認識は、従来の技術水準からは予測する ことができない、しかしこの組み合わせこそが局部的に温度が異なる場合にも金 属対象物に長い耐用時間をもたらす。

本発明によれば第２被覆層は以下の組成を有しているべきである。

クロム１５〜４０％、有利には約２０〜３０％；アルミニウム３〜１５％、有利 には約７〜１２％；希土類、イツトリウム、タンタル、ハフニウム、スカンジウ ム、ジルコニウム、ニオブ、レニウム、ケイ素の群から選択される少なくとも１ 種の元素０，２〜３％、有利には約０．７％；コバルト、ニッケルからの元素の 少なくとも１種並びに製造条件によって生じる不純物　　残り。

請求項６では、第２被覆層をプラズマスプレー、特に低圧プラズマスプレーによ って施すことが提案されている。ドイツ連邦共和国特許第２８２６９１０号明細 書にもすでに記載されているように原理的には種々の被覆法を考慮することがで きるが、低圧プラズマスプレーは一層厚いＮ厚の特に接着性でかつ酸化物を含ま ない層を生せしめる。これにより外側の被覆層は内側の被覆層よりも厚いｉ厚を 有することが可能となる。

種々異なるすべての被覆層を拡散により金属対象物とまた各層相瓦間で結合させ る従来の技術水準とは異なり、本発明により最適化された層及びその安定性にと っては、各層間の拡散現象を拡散障壁層によって阻止することが重要である。こ れは請求項７の対象である。一定の条件に対して極めて精緻に最適化されている 層の場合、例えばクロム又はアルミニウムのような個々の成分の濃度が拡散によ って均衡化することは好ましくない。それというのもこの場合個々の層の特殊な 性質が失われる可能性があるからである。この場合拡散障壁層は耐用時間を明ら かに高めることができる。この層は例えば窒化チタン又は炭化チタンからなって いてもよい。

特に内部を冷却された金属対象物の場合、特に高温に対する保護の可能性は、そ の温度を金属層にまで到達させないことにある。

これは金属対象物の外側に施された断熱層によって達成することができる。これ らの層は、その下に存在する金属層が、これが曝される温度を有するにすぎない ように作用する。断熱層の起こり得る剥落を阻止するには、請求項９に示すよう に、断熱層を施す前に第２の被覆層をその表面で酸化することが有利である。

本発明により構造部材を被覆することによって請求項１０に示されている通り、 全層厚を０．３閣以上にすることができる。

本発明の一実施例を第４図に略示する。構造部材ｌは第１金属被覆層２を有して おり、これはＨＴＫＩＩに対して最適であるか又はその厚さの故に抵抗性を有す る。この上にＨＴＫ　Ｉに対して安定な第２被覆層３が存在する。必要な場合に は基材１と第１被覆Ｎ２との間に及び／又は第１被覆Ｎ２と第２被覆層３との間 に拡散障壁層４．５が存在していてもよく、これらの障壁層は拡散による個々の 元素の濃度均衡化を阻止する。最後に特に高い温度から保護するための断熱Ｊ！ ６を全面的に外側に施すこともできる。

本発明による多重被覆は特に、個々の、例えば冷却された構造部材に局部的に異 なる温度が生じる（例えば時として全負荷で又は時には部分負荷でのみ運転され る装置におけるように）ガスタービンの翼及び部材に対して適している。通常ニ ッケルをベースとする合金からなるこれらの構造部材上に本発明により、構造部 材の特に翼の耐用時間を著しく延長する厚い多重保護層を施すことができる。特 殊な場合には上記の被覆法を、それがなお経済的に好ましいものである限り、他 の同種の又は異種の被覆法で補ってもよい。

瀉 贋 国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．ニッケルをベースとする基材（１）からなり、この基材が高温耐食性を改善 するために少なくとも２つの上下に施された被覆層（２、３）を備えている形式 の金属対象物、特にガスタービン翼において、 ａ）被覆層の第１層（２）が、６００〜８００℃の温度での腐食（ＨＴＫＩＩ） に対して効果的保護を生ぜしめる厚さ及び／又は組成を有し、 ｂ）この第１被覆層（２）の上に、８００〜９００℃の温度での耐食性（ＨＴＫ Ｉ）に関して最適化された第２被覆層（３）が存在することを特徴とする金属対 象物。
2. ２．第１被覆層（２）が基材上に施された厚さ０．１３０ｍｍ以上の拡散層であ り、これが主としてクロムかちなり、また付加的に鉄、マンガンから選択される 少なくとも１種の元素を少なくとも１０％（重量％）、有利には鉄約２０〜３０ ％を含むことを特徴とする請求項１記載の金属対象物。
3. ３．第１被覆層（２）が、有利には低圧プラズマスプレー法により施された以下 の組成（重量％）： クロム３０〜５５％、有利には約４０％；アルミニウム５％未満、有利には３％ 未満；希土類、イットリウム、スカンジウム、ハフニウム、ジルコニウム、ニオ ブ、タンタル、ケイ素の群から選択される少なくとも１種の元素０．５〜２％、 有利には約１％；鉄、コバルト、ニツケルから選択される少なくとも１種の元素 並びに製造条件で生じる不純物残り を有する被覆層であることを特徴とする請求項１記載の金属対象物。
4. ４．第１被覆層（２）が以下の組成（重量％）：クロム１５〜５０％、有利には 約２０〜３０％；アルミニウム５％未満、有利には３％未満；希土類、イツトリ ウム、スカンジウム、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、ケイ素の 鮮から選択される少なくとも１種の元素０．５〜２％、有利には約１％；鉄、ニ ッケルから選択される少なくとも１種の元素並びに製造条件で生じる不純物残り を有する被覆層であることを特徴とする請求項１記載の金属対象物。
5. ５．第２被覆層（３）が以下の組成（重量％）：クロム１５〜４０％、有利には 約２０〜３０％；アルミニウム３〜１５％、有声には約７〜１２％；希土類、イ ットリウム、タンタル、ハフニウム、スカンジウム、ジルコニウム、ニオブ、レ ニウム、ケイ素の群から選択され少なくとも１種の元素、０．２〜３％、有利に は約０．７％；コバルト、ニッケルから選択される少なくとも１種の元素並びに 製造条件で生じる不純物残り を有する被覆層であることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の金属対 象物。
6. ６．少なくとも第２被覆層をプラズマスプレー法、特に低圧プラズマスプレー法 により施すことを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の金属対象物。
7. ７．基材（１）と第１被覆層（２）との間及び／又は第１被覆層（２）と第２被 覆層（３）との間に、例えば窒化チタンからなる拡散障壁層（４又は５）が、異 なる材料組成間での拡散現象を阻止するために存在することを特徴とする請求項 １ないし６の１つに記載の金属対象物。
8. ８．第２被覆層（３）上に付加的に、有利には酸化イットリウム添加物を有する 酸化ジルコニウムからなる熱伝導率の小さいセラミック断熱層（６）が存在する ことを特徴とする請求項１ないし７の１つに記載の金属対象物。
9. ９．第２被覆層（３）がその断熱層（６）に対する表面で予め酸化されているこ とを特徴とする請求項８記載の金属対象物。
10. １０．各被覆層の全層厚が０．３ｍｍよりも大きいことを特徴とする請求項１な いし９の１つに記載の金属対象物。