KR20090005063A - 비화학양론 입자들을 포함하는 매트릭스 및 층 시스템 - Google Patents

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KR20090005063A
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얀 슈타인바흐
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

종래 기술에 따른 보호 층들은 희생 재료로서 소모되는 보호 산화물 층을 형성하는 정의된 엘리먼트의 소모에 의해 보호 기능을 달성한다. 일단 상기 재료가 소모되면, 보호 기능은 유지될 수 없다. 본 발명은 소모 가능한 재료의 유지 방출 저장소를 포함하는 입자들(1)을 사용하는 것을 특징으로 한다. 이런 목적을 위해, 상기 재료는 슈퍼화학양론적 형태로 제공된다.

Description

비화학양론 입자들을 포함하는 매트릭스 및 층 시스템{MATRIX AND LAYER SYSTEM COMPRISING NON-STOICHIOMETRIC PARTICLES}
본 발명은 청구항 제 1 항에 따른 매트릭스 및 제 22 항에 따른 층 시스템에 관한 것이다.
고온 애플리케이션들, 예를들어 가스 터빈들의 터빈 블레이드들 및 내연 챔버 벽들에 대한 구성요소들은 산화 및 부식에 대한 보호 층들을 가진다. 상기 보호 층들은 예를들어 MCrAlX 타입의 합금으로 구성되고, 보호 알루미늄 산화물 층은 이 MCrAlX 층 상에 형성된다. 이 경우, MCrAlX 합금의 알루미늄은 MCrAlX 층의 표면상에 확산하여, MCrAlX 합금은 엘리먼트 알루미늄이 소모된다. 그러나, 소모를 방지하기 위하여 시작부터 MCrAlX 합금에서 알루미늄의 예방적 강화 부분은 MCrAlX 층의 보다 빈약한 기계적 특성들을 유도한다.
게다가, 압축기 블레이드들은 부식 및 침식에 대해 보호 층들을 구비하는 것으로 알려졌다. 제조시, 이들 보호층들은 금속을 가진 무기질 접합제를 가지며, 그러므로 갈바니 전기 희생 엘리먼트는 구성요소의 기판에 전기 도전적으로 접속된다. 상기 보호 층의 적당한 구성물은 EP 0 142 418 B1에 공지되었다. 여기에서도, 금속이 조만간 소모되어, 보호 기능이 더 이상 수행되지 않는 문제가 있다.
Al로 구성된 싸여진 분말 입자들은 US 6,635,362에 공지되었다.
EP 0 933 448 B1은 알루미나이드(aluminide)로 구성된 층 내의 산화물 입자들을 개시한다.
WO 2002/066706 A2는 화학양론적 합금들로 구성된 싸여진 입자들을 가진 매트릭스를 도시한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 보다 긴 보호 작용을 가진 매트릭스 및 층 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제 1 항에 따른 매트릭스 및 청구항 제 22 항에 따른 층 시스템에 의해 달성된다.
각각의 종속항들은 목표된 바와 같이 서로 바람직하게 결합될 수 있는 추가 바람직한 조치들을 리스트한다.
도 1, 2 및 3은 본 발명에 따른 층들 또는 기판을 도시한다.
도 4는 가스 터빈을 도시한다.
도 5는 터빈 블레이드를 투시도로 도시한다.
도 6은 내연 챔버를 투시도로 도시한다.
하나의 화합물은 적어도 두 개 또는 다수의 화학적 엘리먼트들로 구성되고 특정 화학양론을 가진다. 합금(금속 화합물)은 적어도 두 개의 금속 엘리먼트들로 구성된다. 입자(1)(도 1, 2 및 3)는 비화학양론적 비율로 층(16)(도 1 및 2) 또는 기판(13)(도 3)의 매트릭스에 적어도 하나의 금속(Me)을 가진 화합물로 구성된다. 금속(Me)으로 화합물을 형성하는 적어도 하나의 추가 화학 엘리먼트(Z)는 매트릭스 재료의 구성물이거나 매트릭스 재료에 포함되지 않은 화학 엘리먼트일 수 있다. 입자(1)의 재료인 화합물은 특히 비금속을 가진 금속(Me)의 화합물이다, 즉 세라믹(비산화물 또는 산화물 세라믹, 옥시니트라이드, 질화물, 붕소화물 또는 탄화물)이고 바람직하게 산화물, 바람직하게 알루미늄 산화물 및/또는 크롬 산화물이다. 입자(1)는 또한 바람직하게 질화물이다. 입자(1)는 바람직하게 금속 산화물 및/또는 금속 질화물로 구성된다.
입자(1)는 다수의 타입의 산화물들, 즉 산화물들, 옥시니트라이들, 질화물들, 붕소화물들 또는 탄화물들을 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 화학양론적 화합물 MeaZb-y(y>0), Mea+xZb(x>0) 또는 Mea+xZb-y(x>0, y>0)은 MeaZb 대신 사용된다, 즉 예를들어 (Z = 질소 N) AlN1-y(y>0) 또는 AlN1+x(x>0) 또는 Al1+xN1-y(x>0, y>0)는 AlN 대신 사용된다.
입자(1)에 대한 화합물은 이와 같이 합금의 비화학양론적 구성물인 합금으로 구성될 수 있다. 따라서, 예를들어, 합금 Ni1-yAl(y>0) 또는 NiAl1+x(x>0)는 NiAl 대신 사용된다.
심지어 하위 화학양론적 화합물들은 바람직할 수 있다.
바람직하게, 입자(1)는 하나의 금속 엘리먼트(Me)만을 가진다. 바람직하게, 입자(1)는 두 개의 금속 엘리먼트들(Me)을 가진다. 화합물, 합금 또는 실리콘 체인들의 금속 엘리먼트(Me)는 특히 알루미늄(Al)이다. 금속 엘리먼트는 이와 같이 크롬(Cr)이다. 게다가, 크롬/알루미늄 합금(Al-Cr)은 입자(1)에 대한 화합물을 형성하기 위하여 사용될 수 있다.
이와 같이, 예를들어 Si-Me-0-C 재료(실리콘 체인들) 같은 유기 재료(R-Me-C-R)는 입자(1)(Me=Al), C=탄소, R=탄소 체인에 사용될 수 있다. R-Me-C-R 재료는 특히 폴리실록산 수지로부터 형성된다. 폴리실록산 수지들은 적어도 하나의 금속 엘리먼트를 가진 구조식 R-SiO1.5의 폴리머-세라믹 선구체들이고, 상기 경우 R은 -CH3, -CH, -CH2, -C6Hs, 등일 수 있다. 상기 재료는 교차 결합된 열적, 무기 구성물들(Si-O-Si 체인들) 및 서로 인접하여 제공된 주로 R로 구성된 유기 결사슬이다. 추후, 선구체들은 Ar,N, 또는 공기에서의 열처리 또는 600℃ 및 1200℃ 사이의 온도에서의 진공 분위기를 통하여 세라믹 처리된다. 이런 경우, 폴리머 네트워크는 분해되고 폴리실록산 선구체들로부터 시작하여 선구체로부터 열적 중간 스테이지들을 통하여 결정질 상들, 즉 Si-Al(=Me)-O-C 네트워크가 얻어지는 상들로 재구성된다. 이와 같이, 금속 엘리먼트(Me)을 가진 폴리실란(Si-Si), 폴리카브로실란(Si-C), 폴리실라잔(Si-N) 또는 폴리바로실라잔(Si-B-C-N) 타입의 선구체들은 또한 사용될 수 있다. 여기서, 금속 엘리먼트(Me)는 비화학양론적 비율로 제공되지 않는다. 금속 엘리먼트(Me)가 화합물로부터 쉽게 떨어질 수 있는 능력을 화합물이 가지는 것은 충분하다.
입자(1)는 소결된 분말 입자 또는 분말 그레인일 수 있다. 입자(1)의 직경은 마이크로, 서브마이크로(<1㎛) 또는 나노범위(≤500㎛)일 수 있다. 직경은 다면체의 가장 큰 횡단 길이인 것으로 이해될 수 있다.
입자들(1)은 바람직하게 다른 재료로 구성된 케이싱을 가지지 않는다.
도 1은 층(16)의 본 발명에 따른 매트릭스를 도시한다. 층(16)은 상기 층(16)이 배열된 기판(13)으로 구성된 구성요소(10) 또는 층 시스템(10)의 일부이다. 기판(13)은 예를들어 니켈-, 코발트- 또는 철 바탕 초합금으로 구성된 스팀 또는 가스 터빈들(100)(도 5)의 고온들을 위한 구성요소이다.
상기 층 시스템들(10)은 터빈 블레이드들(120,130)(도 4 및 5), 열 차단 엘리먼트들(155)(도 6), 또는 하우징 부품들(138)(도 4)에 사용된다. 층(16)은 입자들(1)이 다른 방식(예를들어, 기울기를 가짐)으로 균질하게 로컬적으로 분산되는 매트릭스 재료로 구성된 매트릭스를 가진다. 따라서 입자(1)는 매트릭스(층, 기판)의 이차 상을 형성한다. 이 경우, 층(16) 또는 기판(13) 내 입자들(1)의 로컬 농도 기울기는 제공될 수 있다. 따라서, 예를들어, 기판(13)의 표면(31)에서 시작하여, 입자들(1)의 농도는 층(16) 표면(34)의 방향으로 증가한다. 이 경우, 다수의 층들(16,19)은 또한 형성되고 사용될 수 있고, 입자들(1)은 하나 또는 그 이상의 층들에 제공된다.
층(16)의 매트릭스는 바람직하게 금속을 기초로 한다. 예를들어, 층(16)은 MCrAlX 타입의 합금이고, 입자들(1)은 알루미늄 화합물로 구성된다. 입자들(1)은 전체 층(16)에 분산되거나 로컬적으로 층(16)의 외부 표면(22) 근처에 배열될 수 있다(도 2).
연장된 보호 작용 동작은 예를들어 MCrAlX 층에 의해 기술된다. 상기 추가로 기술된 바와 같이, MCrAlX 합금의 보호 기능은, 비록 알루미늄 산화물이 매트릭스 재료에서 알루미늄을 소모시키지만, 알루미늄이 알루미늄 산화물을 형성하는 경우 발생한다. 고온에서, 알루미늄은 입자들(1) 상태에서 벗어나 층(16)의 매트릭스로 서서히 확산하고 따라서 산화의 결과로서 소모된 알루미늄을 가진 매트릭스 재료를 다시 충전하여, MCrAlX 합금의 본래 구성물은, 알루미늄이 입자(1)에 더 이상 포함되지 않을 때까지 거의 변화하지 않거나 전혀 변화하지 않는다. 이에 의해 달성되는 것은 보호 층(16)의 유용한 수명이 상당히 연장되는 것이다.
입자들(1)은 두 개의 다른 방식으로 매트릭스에서 분산하여 방출된다. 상기 입자들은 니켈 바탕 재료들의 경우 감마 상의 원자들인 매트릭스 재료의 원자들에 의해 침투되거나, 비금속 세라믹 형성 본딩 파트너는 입자를 안쪽으로 분산하고 금속 엘리먼트는 매트릭스에 녹는다.
니켈 바탕 재료들의 경우, 금속 엘리먼트, 바람직하게 알루미늄은 감마 상에 녹는다. 후자의 예에서, 대응 세라믹 구성물의 화학양론적 코어(core)는 남아있고, 입자 경화로 인해,
Figure 112008074049994-PCT00001
' 상과 영구적 합체 작용을 가진다.
이들 입자들(1)은 초합금을 강화하기 위해 사용될 수 있다. 바람직하게 파라미터들(1)의 크기는 초합금의
Figure 112008074049994-PCT00002
' 상의 최적 크기에 대응한다. 그 다음 비용융 입자들(1)은 바람직하게 융해 금속에 미리 제공되고 융해 금속과 함께 주조된다. 장치 타입 및 초합금의 2차 상의 동작 타입과 관련하여, 종래 기술이 참조된다. 그 다음 입자들(1)은 다음 기능들, 즉 기계적 특성들을 개선시키고 비상 운용 특성을 개선하는 기능을 가진다.
화학양론은 층(16)의 매트릭스 재료의 결정 구조의 확산으로 인해 상기 화학양론 부분이 느리게 용해하고, 적당한 경우 매트릭스 재료에 침전물들을 형성하고 그러므로 특정 시간 까지 예를들어 MCrAlX 층의 보호 기능이 여전히 제공되기 때문에 특정 시간 후에만 입자(1) 재료의 확산이 매트릭스 내로 직접 확산하게 하도록 선택될 수 있다.
입자들(1)이 기판(13)상에 제공된 층(16)에 배열되는지 무관하게, 기판(13)내 입자들(1)의 존재시 추가 보호 기능은 얻어진다: 층 시스템(10)이 사용되는 동안, 층(16)(MCrAlX 또는 MCrAlX + 외부 세라믹 층)이 영역(37)에서 박편화되어, 기판(13)의 표면(31) 부분이 보호되지 않는(도 3) 것이 발생할 수 있다. 그러나, 표면 근처 영역에서, 입자들(1)은 높은 농도로 바람직하게 배열된다(도 2). 보다 긴 시간(t) 동안 고온들(T)에서 층 시스템(10)의 추가 사용으로 인해, 기판(13)의 표면(31)은 영역(37)에서 부식되고, 그 결과 입자들(1)은 방출된다. 입자(1)의 반응은 기판(13)의 영역(37)에서 보호 기능을 발생시킨다. 가스 터빈 블레이드들을 위하여 사용되는 초합금들의 경우, 입자(1)는 알루미늄이고, 그러므로 보호 층(40)은 입자(1)의 알루미늄의 산화로 인해 발생된 알루미늄 산화물로 형성된다.
입자들(1)은 층(16)(MCrAlX) 또는 기판(13)에 제공될 수 있다. 이와 같이 입자들이 층(16) 및 기판(13) 모두에 배열되는 것은 가능하다.
이와 같이, 층(16)은 압축 블레이드의 부식 및/또는 침식에 대한 보호 층을 구성할 수 있고 - 층(16)에서 입자들(1)은 바람직하게 특허 EP 0 142 418 B1에 따른 화학 구성물을 가져서, 충분한 희생 재료가 매우 오랜 시간 기간 동안 이용될 수 있음 -, 이에 따라 목표된 보호 기능은 달성된다. 이 경우, 알루미늄 함유 화합물은 입자로 사용된다.
압축기에서 공기의 압축 동안, 특정 환경들하에서 공기중에 포함된 다른 엘리먼트들과 관련하여 압축 블레이드들에 부식 및 침식을 유발할 수 있는 전해질을 형성하는 수분은 발생한다.
부식 및/또는 침식을 방지하기 위하여, 압축기 블레이드들은 일반적으로 코팅이 제공된다. 이 경우, 여기서 분산되는 예를들어 알루미늄 입자들 같은 금속 입자들을 가진 예를들어 인산염 경계 기본 매트릭스를 포함하는 코팅들(16)은 고려된다. 이런 종류의 코팅의 보호 작용에서, 기본 코팅에 내장된 금속 임자들은 압축기 블레이드의 (불활성) 금속 및 전해질과 함께, 금속 입자들이 희생 애노드들로서 공지된 것을 형성하는 갈바니 전기 전지를 형성한다. 그 다음 산화 또는 부식은 희생 애노드들에서 발생하고, 즉 압축기 블레이드의 금속이 아닌 금속 입자들에서 발생한다.
코팅의 인산염 경계 기본 매트릭스는 유리 세라믹 특성들을 가지며, 열적으로 안정하고 부식에 내성을 가지며 기계적 작용들, 예를들어 마손 및 침식을 보호한다.
금속 입자들 외에, 코팅은 충전재들 같은 추가 입자들을 포함할 수 있다. 착색제 입자들은 예로서 이런 접합부에서 언급될 수 있다.
인산염 경계 코팅들 외에, 추가 타입의 코팅들(16)은 고려될 수 있다. EP 0 142 418 B1, EP 0 905 279 A1 및 EP 0 995 816 A1은 크롬산염/인산염 바탕 코팅들을 기술한다. EP 1 096 040 A2는 인산염/붕산염 바탕 코팅(16)을 기술하고 EP 0 933 446 B1은 인산염/과망간산염 바탕 코팅을 기술한다. 이들 층들은 또한 본 발명에 따른 매트릭스를 가질 수 있다.
입자들(1)은 실제로 임의의 코팅 방법, 즉 열적 플라즈마 스프레잉(APS, VPS, LPPS), 냉 가스 스프레잉, HVOF 또는 전해질 코팅 방법에 의해 함께 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 층(16)의 사용의 다른 실시예를 도시한다. 층 시스템(10)은 기판(13), 및 층(16) 상의 매트릭스상에 추가 층(19)을 가진 본 발명에 따른 층(16)으로 구성된다. 이것은 예를들어 고온 애플리케이션들에 대한 층 시스템(10)이고, 상기 기판(13)은 상기된 바와 같이 다시 초합금이고, 층(16)은 MCrAlX 타입의 매트릭스를 가진다. 그 다음 층(19)은 세라믹 열 절연층이고, 보호 알루미늄 산화물 층(TGO)은 층(16) 및 층(19) 사이에 형성된다. 본 발명에 따른 입자들(1)은 예를들어 층들(16 및 19) 사이의 인터페이스 근처에 집중된다.
이와 같이 입자들(1)을 가진 재료로 구성되고, 즉 코팅으로 제공되는 대신 고형 재료로 제공되는 구성요소는 고안될 수 있다.
도 4는 예를들어 길이방향 부분 섹션에서 가스 터빈(100)을 도시한다. 가스 터빈(100)은 회전(102)축을 중심으로 회전 가능하게 장착되고 샤프트(101)를 가진 회전자(103)를 그 내부에 가지며, 상기 회전자는 터빈 회전자로 표시된다. 회전자(103)를 따라 연속적으로 다수의 동축으로 배열된 버너들(107)을 가진 토로이달(toroidal) 내연 챔버(110), 특히 환형 내연 챔버, 터빈(108) 및 배기 가스 하우징(109)이 배열된다. 환형 내연 챔버(110)는 예를들어 환형 핫 가스 도관(111)과 도통한다. 예를들어 직렬로 접속된 4개의 터빈 스테이지들(112)은 터빈(108)을 형성한다. 각각의 터빈 스테이지(112)는 예를들어 두 개의 블레이드 링들로부터 형성된다. 작업 매체(113)의 흐름 방향으로 도시된 바와 같이, 이동 블레이드들(120)로부터 형성된 로우(125)는 핫 가스 도관(111)의 가이드 베인(vane) 로우(115)를 따른다.
가이드 베인들(130)은 이 경우 고정자(143)의 내부 하우징(138)에 고정되는 반면, 로우(125)의 이동 블레이드들(120)은 예를들어 터빈 디스크(133)에 의해 회전자(103) 상에 장착된다. 발전기 또는 작업 머신(도시되지 않음)은 회전자(103)에 결합된다.
가스 터빈(100)이 동작할 때, 공기(135)는 압축기(105)에 의해 흡입 하우징(104)을 통하여 흡입되고 압축된다. 압축기(105)의 터빈측 단부에 제공된 압축된 공기는 버너들(107)로 루틴되고 연료와 혼합된다. 그 다음 혼합물은 태워지고, 동시에 내연 챔버(110) 내에 작동 매체(113)를 형성한다. 작동 매체(113)는 내연 챔버로부터 핫 가스 도관(111)을 따라 가이드 베인들(130) 및 이동 블레이드들(120)을 지나 흐른다. 이동 블레이드들(120)에서, 작동 매체(113)는 펄스를 전송하기 위해 팽창하고, 그 결과 이동 블레이드들(120)은 회전자(103)를 구동하고 회전자는 상기 회전자에 결합된 작동 머신을 구동시킨다.
핫 작동 매체(113)에 노출된 구성요소들은 가스 터빈(100)이 동작하는 동안 열적 로드들에 영향을 받는다. 작동 매체(113)의 흐름 방향으로 도시된 바와 같이 제 1 터빈 스테이지(112)의 가이드 베인들(130) 및 이동 블레이드들(120)은 환형 내연 챔버(110)와 정렬하는 열 차폐 엘리먼트들 외에 가장 높은 열적 로드를 겪는다. 여기에 나타난 온도들을 견디기 위하여, 상기 구성요소들은 냉각제에 의해 냉각될 수 있다. 구성요소들의 기판들은 이와 같이 지향성 구조를 가지며, 즉 모노결정질(SX 구조)이거나 길이방향으로만 지향된 그레인들(DS 구조)을 가진다.
상기 구성요소들, 특히 터빈 블레이드(120,130) 및 내연 챔버(110)의 구성요소들에 사용되는 재료는 예를들어 철-, 니켈- 또는 코발트 바탕 초합금들이다. 상기 초합금들은 예를들어 EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 또는 WO 00/44949로부터 공지되었고; 이들 공개물들은 합금들의 화학 구성물과 관련하여 상기 개시물의 일부이다.
가이드 베인(130)은 터빈(108)의 내부 하우징(138)과 면하는 가이드 베인 홈(도시되지 않음) 및 가이드 베인 홈과 반대편에 놓이는 가이드 베인 헤드를 가진다. 가이드 베인 헤드는 회전자(103)와 면하고 고정자(143)의 고정링(140)에 고정된다.
도 5는 길이방향 축들(121)을 따라 연장하는 터보머신의 이동 블레이드(120) 또는 가이드 베인(130)의 투시도를 도시한다.
터보머신은 항공기의 가스 터빈 또는 전기 발생을 위한 발전소의 가스 터빈, 스팀 터빈 또는 압축기일 수 있다.
블레이드(120,130)는 길이방향 축(121)을 따라 연속적으로 고정 영역(400), 고정 영역과 인접한 블레이드 플랫폼(403) 및 또한 블레이드 리프(leaf)(406) 및 블레이드 팁(415)을 가진다. 가이드 베인(130)으로서, 블레이드(130)는 블레이드 팁(415)에 추가 플랫폼을 가질 수 있다(도시되지 않음).
고정 영역(400)에서, 블레이드 루트(183)는 형성되고, 이동 블레이드들(120,130)을 샤프트 또는 디스크(도시되지 않음)에 고정하기 위하여 사용한다. 블레이드 루트(183)는 예를들어 햄머 헤드로서 구성된다. 파인트리(pinetree) 또는 열장이음 루트로서 다른 구성들은 가능하다.
블레이드(120,130)는 블레이드 리프(406)를 지나 흐르는 매체에 대해 선행 에지(409) 및 후행 에지(412)를 가진다.
통상적인 블레이드들(120,130)에서, 예를들어 고형 금속 재료들, 특히 초합금들은 블레이드(120,130)의 모든 영역들(400,403,406)에 사용된다. 상기 초합금들은 예를들어 EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 또는 WO 00/44949로부터 공지되었고; 이들 공개물들은 합금의 화학 구성물과 관련하여 개시물의 일부이다. 블레이드(120,130)는 이 경우 주조 방법, 또한 지향성 고형화, 단조 방법, 밀링 방법 또는 이들의 결합에 의해 제조될 수 있다.
모노결정 구조 또는 구조들을 가진 제품은 동작 동안 높은 기계적, 열적 및/또는 화학적 로드들에 노출되는 머신들에 대한 구성요소들로서 사용된다. 이런 타입의 모노결정 제품들의 제조는 예를들어 용융으로부터 지향성 고형화에 의해 수행 된다. 주조 방법들은 채택되고, 여기서 액체 금속 합금은 모노결정 구조로 고형화되고 즉 모노결정 제품, 또는 지향성으로 고형화된다. 이 경우, 모수석 결정들은 열적 흐름을 따라 지향되고 컬럼형 결정 그레인 구조(지향성으로 고형화되는 바와 같이 일반적인 언어학적 관례에 따라 제품의 전체 길이 상에서 연장하고 여기서 표시된 그레인들인 컬럼임) 또는 전체 제품이 단일 결정으로 구성되는 모노결정 구조를 형성한다. 이들 방법들에서, 구형(다결정질) 고형화로의 전이는 방지되는데, 그 이유는 무방향성 성장으로 인해, 횡 및 종 방향 그레인 경계들이 필수적으로 형성되어 지향성 고형화 또는 모노결정질 구성요소의 우수한 특성들을 무효화하기 때문이다.
지향성 고형화 구조들을 일반적으로 참조할 때, 이것은 그레인 경계들을 가지지 않거나, 기껏 낮은 각도의 그레인 경계들을 가진 모노결정들, 및 횡방향 그레인 경계들이 아닌 종방향으로 진행하는 그레인 경계들을 가진 컬럼형 결정 구조들 모두를 의미한다. 두번째에 언급된 결정 구조들은 지향성 고형화 구조라 한다. 상기 방법들은 US 6,024,792 및 EP 0 892 090 A1에서 공지되었고; 이들 공개물들은 고형화 방법과 관련하여 상기 개시물의 일부이다.
블레이드들(120,130)은 부식 또는 산화에 대한 코팅들을 가질 수 있다(예를들어, MCrAlX; M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)의 그룹 중 적어도 하나의 엘리먼트이고, X는 활성 엘리먼트이고 이트륨(Y) 및/또는 실리콘 및/또는 적어도 하나의 희토류 엘리먼트, 또는 하프늄(Hf)를 나타낸다). 상기 합금들은 합금의 화학 구성물에 관련하여 이 개시물의 일부인 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 또는 EP 1 306 454 A1에 공지되었다. 바람직하게 밀도는 이론적 밀도의 95%에 놓인다. 보호 알루미늄 산화물 층(TGO = 열적 성장 산화물 층)은 MCrAlX 층(중간 층 또는 최외부 층으로서)상에 형성된다.
MCrAlX상에, 열적 절연 층이 제공될 수 있고, 바람직하게 최외부 층이고, 예를들어 ZrO2, Y2O3-ZrO2로 구성되고, 즉 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물에 의해 안정화되지 않거나 부분적으로 또는 완전히 안정화된다. 열적 절연 층은 전체 MCrAlX 층을 커버한다. 컬럼형 그레인들은 예를들어 전자 빔 증발(EB-PVD) 같은 적당한 코팅 방법들에 의해 열 절연층에 생성된다.
다른 코팅 방법들은 고안될 수 있고, 예를들어 대기 플라즈마 스프레잉(APS), LPPS, VPS 또는 CVD일 수 있다.
열적 절연층은 보다 우수한 열적 쇼크 내성을 위하여 다공성 마이크로크랙 또는 매크로 크랙 민감 그레인들을 가질 수 있다. 그러므로 열적 절연층은 바람직하게 MCrAlX 층보다 더 다공성이다.
블레이드(120,130)는 중공 또는 고형 설계일 수 있다. 만약 블레이드(120,130)가 냉각되면, 블레이드는 중공 설계이고, 만약 적당하면 필름 냉각 홀들(418)(점선으로 표시됨)을 가진다.
도 6은 가스 터빈(100)의 내연 챔버(110)를 도시한다. 내연 챔버(110)는 예를들어 환형 내연 챔버로서 공지된 것으로서 구성되고, 여기서 원주 방향으로 회전축(102) 주변에 배열된 다수의 버너들(107)은 공통 내연 챔버 공간(154) 내로 돌출 하고 플레임들(flame)(156)을 생성한다. 이런 목적을 위하여, 내연 챔버(110)는 회전축(102) 주변에 배치된 환형 구조로서 전체적으로 구성된다.
비교적 높은 효율성을 달성하기 위하여, 내연 챔버(110)는 약 1000℃ 내지 1600℃의 작동 매체(M)의 비교적 높은 온도를 위하여 설계된다. 재료들에 바람직하지 않은 이들 동작 파라미터들의 경우에도 가능한 한 비교적 긴 동작 시간을 형성하기 위하여, 내연 챔버 벽(153)은 작동 매체(M)와 면하는 측면상에 제공되고 내부 라이닝은 열 차폐 엘리먼트들(155)로부터 형성된다.
게다가, 내연 챔버(110) 안쪽 고온으로 인해, 냉각 시스템은 열 차폐 엘리먼트들(155) 또는 홀딩 엘리먼트들을 위해 제공될 수 있다. 그 다음 열 차폐 엘리먼트들(155)은 중공이고, 만약 적당하면 내연 챔버 공간(154)으로 돌출하는 냉각 홀들(도시되지 않음)을 가진다.
합금으로 구성된 각각 열 차폐 엘리먼트(155)에는 특히 열 내성 보호 층(MCrAlX 층 및/또는 세라믹 코팅)이 작동 매체 측면에 장착되거나 고온(고형 세라믹 브릭(brick))에 대한 내성 재료로 제조된다. 이들 보호 층들은 터빈 블레이드들의 층과 일치할 수 있다, 즉 예를들어 MCrAlX: M은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 그룹 중 적어도 하나이고, X는 활성 엘리먼트이고 이트륨(Y) 및/또는 실리콘 및/또는 희토류 엘리먼트, 또는 하프늄(Hf)을 나타낸다. 상기 합금들은 합금의 화학 구성물과 관련하여 개시물의 일부인 EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 또는 EP 1 306 454 A1으로부터 공지된다.
MCrAlX 상에, 예를들어 세라믹 열적 절연층이 제공되고 상기 열적 절연층은 예를들어 ZrO2, Y2O3, ZrO2로 구성되고, 즉 이트륨 산화물 및/또는 칼슘 산화물 및/또는 마그네슘 산화물에 의해 안정화되지 않거나 부분적으로 또는 완전히 안정화된다. 컬럼형 그레인들은 예를들어 전자 빔 증발(EB-PVD) 같은 적당한 코팅 방법들에 의해 절연 층에 생성된다. 다른 코팅 방법들은 고안될 수 있고, 예를들어 대기 플라즈마 스프레잉(APS), LPPS, VPS 또는 CVD일 수 있다. 열적 절연층은 보다 우수한 열적 충격 내성을 위한 다공성 마이크로크랙 또는 마이크로크랙 민감 그레인들을 가질 수 있다.
일신(refurbishment)은 사용된 후 터빈 블레이드들(120,130) 또는 열 차폐 엘리먼트(155)가 적당할 때 보호 층들이 제거되어야(예를들어 샌드블래스팅에 의해) 하는 것을 의미한다. 부식 및/또는 산화 층들 또는 제품들의 제거는 수행된다. 만약 적당하다면, 터빈 블레이드(120,130) 또는 열 차폐 엘리먼트(155)의 크랙들은 또한 수리된다. 이것은 터빈 블레이드들(120,130) 및 열 차폐 엘리먼트들(155)의 재코팅 및 터빈 블레이드들(120,130) 또는 열 차폐 엘리먼트들(155)의 갱생 사용 후 이루어진다.

Claims (34)

  1. 적어도 하나의 금속 엘리먼트(Me)를 가진 매트릭스 재료를 구비한 구성요소(10,120,130,138,155) 또는 층(16)에 대한 입자들(1)을 가진 매트릭스로서,
    상기 입자(1)는 매트릭스 재료의 금속 엘리먼트(Me) 및 적어도 하나의 비금속, 특히 질소, 산소, 탄소, 붕소 또는 이들의 혼합물들로 구성된 화합물을 포함하고, 상기 화합물의 금속 엘리먼트(Me)는 비화학양론적 부분을 가지며, 특히 입자(1)는 상기 화합물로 구성되는,
    매트릭스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 화합물의 적어도 하나의 금속 엘리먼트(Me)는 화학양론적 부분을 가지는,
    매트릭스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 입자(1)는 단지 하나의 금속 엘리먼트(Me)를 가지는,
    매트릭스.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 입자(1)는 단지 두 개의 금속 엘리먼트들(Me)을 가지는,
    매트릭스.
  5. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 금속 엘리먼트(Me)는 알루미늄(Al)인,
    매트릭스.
  6. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 금속 엘리먼트(Me)는 크롬(Cr)인,
    매트릭스.
  7. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 입자(1)는 알루미늄(Al) 및 크롬(Cr)을 가지는,
    매트릭스.
  8. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 입자(1)는 산화물(Me-O)을 가지는,
    매트릭스.
  9. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 입자(1)는 질화물(Me-N)을 가지는,
    매트릭스.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 있어서, 상기 입자(1)는 붕소화물(Me-B)을 가지는,
    매트릭스.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 있어서, 상기 입자(1)는 탄화물(Me-C)을 가지는,
    매트릭스.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 입자(1)는 알루미늄 질화물(Al-N)을 가지는,
    매트릭스.
  13. 제 1 항, 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 입자(1)는 알루미늄 옥시니트라이드(Al-N-0)를 가지는,
    매트릭스.
  14. 제 1 항 내지 제 8 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 있어서, 상기 입자(1)는 알루미늄 산화물 및/또는 클롬 산화물을 가지는,
    매트릭스.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 있어서, 입자(1) 화합물은 금속-유기체 화합물(R-C-Me-R)을 가지며, 특히 Si-0-C-Me 화합물을 가지는,
    매트릭스.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 있어서, 상기 입자(1)는 그레인 형태인,
    매트릭스.
  17. 제 1 항 또는 제 16 항에 있어서, 상기 입자(1)의 직경은 ≤1㎛, 특히 ≤500nm인,
    매트릭스.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 있어서, 상기 추가 엘리먼트(Z)는 매트릭스 재료의 구성물이 아닌,
    매트릭스.
  19. 제 1 항 내지 제 17 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 있어서, 추가 엘리먼트(Z)는 매트릭스 재료의 구성물인,
    매트릭스.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 있어서, 상기 화합물은 합금을 가지는,
    매트릭스.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 있어서, 상기 입자(1)는 다른 재료로 구성된 케이싱을 가지지 않는,
    매트릭스.
  22. 기판(13) 및/또는 상기 기판(13)상에 배열되고 제 1 항 내지 제 21 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 따른 매트릭스를 가진 적어도 하나의 층(16,19)을 가진,
    층 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서, 추가 층(19)은 층(16) 상에 배열되는,
    층 시스템.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 층(16)은 금속인,
    층 시스템.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서, 상기 층(16)은 MCrAlX 타입의 합금인,
    층 시스템.
  26. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 층(16)은 세라믹 또는 유리 세라믹이고, 상기 기판(13)은 금속인,
    층 시스템.
  27. 제 22 항, 제 23 항, 제 24 항, 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서, 상기 입자들(1)의 농도 기울기는 층(16) 및/또는 기판(13) 내에 제공되는,
    층 시스템.
  28. 제 22 항, 제 23 항, 제 24 항, 제 25 항, 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서, 상기 기판(13)만이 제 1 항 내지 제 21 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 따른 매트릭스를 가지는,
    층 시스템.
  29. 제 22 항, 제 23 항, 제 24 항, 제 25 항, 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서, 상기 층(16) 만이 제 1 항 내지 제 21 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 따른 매트릭스를 가지는,
    층 시스템.
  30. 제 22 항, 제 26 항, 제 27 항 또는 제 28 항에 있어서, 상기 기판(13)은 니켈 바탕인,
    층 시스템.
  31. 제 22 항, 제 23 항, 제 24 항, 제 25 항, 제 27 항 또는 제 29 항에 있어서, 상기 층(16)은 니켈 바탕인,
    층 시스템.
  32. 제 1 항 내지 제 31 항 중 한 항 또는 그 이상의 항에 있어서, 상기 기판(13)은 코발트-, 니켈- 또는 철 바탕 초합금이고, 특히 MCrAlX로 구성된 매트릭스를 가진 층(16)은 상기 기판상에 제공되고, 상기 층(16) 상에 특히 지르코늄 산화물 재료로 구성된 세라믹 열적 절연층이 제공되는,
    층 시스템.
  33. 제 22 항 또는 제 32 항에 있어서, 상기 층 시스템(10)은 구성요소, 특히 터빈 블레이드(120,130), 열 차폐 엘리먼트(155) 또는 특히 가스 터빈(100) 또는 스팀 터빈인 터빈의 하우징 부품(138)에 사용되는,
    층 시스템.
  34. 제 22 항 또는 제 32 항에 있어서, 상기 층 시스템(10)은 특히 가스 터 빈(100)의 압축기 블레이드에 사용되는,
    층 시스템.
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