KR20220054422A - 세라믹스 코팅, 터빈 부재 및 가스 터빈 - Google Patents

세라믹스 코팅, 터빈 부재 및 가스 터빈 Download PDF

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다이지 도리고에
마사히코 메가
히로키 고무로
소스케 가와스미
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미츠비시 파워 가부시키가이샤
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Abstract

본 개시의 적어도 일 실시형태에 따른 세라믹스 코팅은, 기재 상에 형성되는 본드 코트층과, 본드 코트층 상에 형성되는 세라믹스 층을 구비한다. 세라믹스 층은, 본드 코트층과의 계면과 접하는 제 1 영역과, 제 1 영역보다 계면으로부터 먼 제 2 영역을 갖는다. 세라믹스 층의 두께방향을 따른 단면에 있어서, 세라믹스 층 내의 2개 이상의 균열이 교차하는 균열 교차점의 단위 면적당의 수는, 제 2 영역보다 제 1 영역이 많다.

Description

세라믹스 코팅, 터빈 부재 및 가스 터빈
본 개시는 세라믹스 코팅, 터빈 부재 및 가스 터빈에 관한 것이다.
본 원은 2020년 3월 30일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제 2020-059326 호에 근거하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
가스 터빈에서는, 그 효율을 향상시키기 위해, 사용하는 가스의 온도를 높게 설정하고 있다. 이와 같은 고온의 가스에 노출되는 동익이나 정익과 같은 터빈 부재에는, 그 표면에 차열 코팅(Thermal　Barrier　Coating: TBC)이 실시되어 있다. 차열 코팅이란, 피용사물인 터빈 부재의 표면에, 용사에 의해 열전도율이 작은 용사재(예를 들면, 열전도율이 작은 세라믹스계 재료)를 피복한 것이다. 차열 코팅이 표면에 형성되는 것에 의해, 고온 및 고압의 환경하에 노출되는 고온 부재의 온도가 낮아져 내구성이 향상된다(특허문헌 1 참조).
일본 특허 제 5602156 호 공보
가스 터빈은 일반적으로 기동·정지가 비교적 많이 반복되기 때문에, 차열 코팅(세라믹스 코팅)에는, 차열성 등의 외에, 열 사이클 내구성이 요구된다.
본 개시의 적어도 일 실시형태는, 상술의 사정을 감안하여, 차열 코팅에 있어서의 열 사이클 내구성을 향상하는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 개시의 적어도 일 실시형태에 따른 세라믹스 코팅은,
기재 상에 형성되는 본드 코트층과,
상기 본드 코트층 상에 형성되는 세라믹스 층을 구비하고,
상기 세라믹스 층은 상기 본드 코트층과의 계면과 접하는 제 1 영역과, 상기 제 1 영역보다 상기 계면으로부터 먼 제 2 영역을 가지며,
상기 세라믹스 층의 두께방향을 따른 단면에 있어서, 상기 세라믹스 층 내의 2개 이상의 균열이 교차하는 균열 교차점의 단위 면적당의 수는, 상기 제 2 영역보다 상기 제 1 영역이 많다.
(2) 본 개시의 적어도 일 실시형태에 따른 터빈 부재는, 상기 (1)의 구성의 세라믹스 코팅을 갖는다.
(3) 본 개시의 적어도 일 실시형태에 따른 가스 터빈은, 상기 (2)의 구성의 터빈 부재를 갖는다.
본 개시의 적어도 일 실시형태에 의하면, 세라믹스 코팅에 있어서의 열 사이클 내구성을 향상할 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 따른 세라믹스 코팅을 구비하는 터빈 부재의 단면의 모식도이다.
도 2는 다른 실시형태에 따른 세라믹스 코팅을 구비하는 터빈 부재의 단면의 모식도이다.
도 3은 터빈 부재에 있어서의 계면 근방의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 4는 균열 교차점의 단위 면적당의 수가 15,000개/㎟ 이상 35,000개/㎟ 이하인 경우의 세라믹스 층의 단면을 도시하는 도면의 일 예이다.
도 5는 균열 교차점의 단위 면적당의 수가 15,000개/㎟ 미만인 경우의 세라믹스 층의 단면을 도시하는 도면의 일 예이다.
도 6은 시험편의 열 사이클 내구성의 예를 나타내는 막대 그래프이다.
도 7은 또 다른 실시형태에 따른 세라믹스 코팅을 구비하는 터빈 부재의 단면의 모식도이다.
도 8은 가스 터빈 동익의 사시도이다.
도 9는 가스 터빈 정익의 사시도이다.
도 10은 분할환의 사시도이다.
도 11은 일 실시형태에 따른 가스 터빈의 부분 단면 구조를 모식적으로 도시하는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 개시의 몇 가지의 실시형태에 대해 설명한다. 단, 실시형태로서 기재되어 있거나 또는 도면에 도시되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 본 개시의 범위를 이것으로 한정하는 취지는 아니며, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
예를 들면, "어느 방향으로", "어느 방향을 따라서", "평행", "직교", "중심", "동심" 혹은 "동축" 등의 상대적 혹은 절대적인 배치를 나타내는 표현은, 엄밀하게 그와 같은 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능이 얻어지는 정도의 각도나 거리를 갖고서 상대적으로 변위하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들면, "동일", "동일하다" 및 "균질" 등의 사물이 동일한 상태인 것을 나타내는 표현은, 엄밀하게 동일한 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능이 얻어지는 정도의 차이가 존재하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들면, 사각형상이나 원통형상 등의 형상을 나타내는 표현은, 기하학적으로 엄밀한 의미에서의 사각형상이나 원통형상 등의 형상을 나타낼 뿐만 아니라, 동일한 효과가 얻어지는 범위에서, 요철부나 면취부 등을 포함하는 형상도 나타내는 것으로 한다.
한편, 하나의 구성 요소를 "마련하다", "갖추다", "구비하다", "포함하다" 또는, "갖는다"라는 표현은, 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.
(세라믹스 코팅(10))
도 1은 일 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)을 구비하는 터빈 부재(3)의 단면의 모식도이다. 도 2는 다른 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)을 구비하는 터빈 부재(3)의 단면의 모식도이다. 도 7은 또 다른 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)을 구비하는 터빈 부재(3)의 단면의 모식도이다.
이하에서 설명하는 몇 가지의 실시형태에서는, 세라믹스 코팅(10)의 일 예로서, 터빈 부재(3)의 차열을 위한 차열 코팅에 대해 설명한다.
도 1, 도 2 및 도 7에 도시하는 바와 같이, 몇 가지의 실시형태에서는, 후술하는 가스 터빈(6)의 동익(4)이나 정익(5) 등의 터빈 부재(3)의 내열 기재(모재)(11) 상에, 금속 결합층(본드 코트층)(12)과, 차열 코팅으로서의 세라믹스 층(15)이 순서대로 형성된다. 즉, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 몇 가지의 실시형태에서는, 세라믹스 코팅(10)은 차열 코팅(Thermal　Barrier　Coating: TBC) 층이며, 세라믹스 층(15)을 포함하고 있다.
본드 코트층(12)은 MCrAlY 합금(M은 Ni, Co, Fe 등의 금속 원소 또는 이들 중 2종류 이상의 조합을 나타냄) 등으로 구성된다.
몇 가지의 실시형태에 있어서의 세라믹스 층(15)은 ZrO2계의 재료, 예를 들면, Y2O3이며 부분 안정화 또는 완전 안정화된 ZrO2인 YSZ(이트리아 안정화 산화 지르코니아)로 구성되어 있으면 좋다.
(균열 교차점(33)의 다소와 박리 균열의 진전 억제 효과의 관계에 대해)
도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 몇 가지의 실시형태에서는, 세라믹스 층(15)은 본드 코트층(12)과의 계면(17)과 접하는 제 1 영역(151)과, 제 1 영역(151)보다 계면(17)으로부터 먼 제 2 영역(152)을 갖는다.
도 2에 도시한 다른 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)에서는, 세라믹스 층(15)은 제 2 영역(152)보다 계면(17)으로부터 먼 제 3 영역(153)을 갖는다.
몇 가지의 실시형태에서는, 세라믹스 층(15)의 두께방향을 따른 단면에 있어서, 세라믹스 층(15) 내의 2개 이상의 균열이 교차하는 균열 교차점(33)(도 3 참조)의 단위 면적당의 수는, 제 2 영역(152)보다 제 1 영역(151)이 많다. 이것은, 이하에서 상술하는 바와 같이, 세라믹스 층(15)에 있어서의 박리 균열의 진전을 억제하기 위해서이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시하는 터빈 부재(3)에 있어서의 계면(17) 근방의 단면을 모식적으로 도시한 도면이다. 또한, 도 3에서는 후술하는 스플랫(30)의 형상을 타원형으로 본떠서 나타내고 있다. 그 때문에, 이웃하는 타원끼리의 사이에 간극이 존재하고 있지만, 실제로는 이 간극은 거의 존재하지 않도록 할 수도 있다.
내열 기재(11)와 세라믹스 층(15)은 선팽창 계수가 상이하기 때문에, 온도의 변화에 의해 내열 기재(11) 및 세라믹스 층(15)에는 열응력이 작용한다. 그 때문에, 내열 기재(11) 및 세라믹스 층(15)의 가열과 냉각이 반복되면, 주로 세라믹스 층(15)에 있어서의 계면(17) 근방에 있어서, 계면(17)을 따르는 방향으로 균열이 연장되는 횡균열(박리 균열)(37)이 생길 우려가 있다. 즉, 제 2 영역(152)보다 제 1 영역(151)에서 박리 균열(37)이 생기기 쉽다. 이 박리 균열(37)의 길이가 길어지면, 세라믹스 층(15)이 내열 기재(11)로부터 박리되어 탈락할 우려가 있다. 또한, 도 3에서는, 박리 균열(37)을 굵은 실선으로 모식적으로 나타내고 있다.
예를 들면 세라믹스 층(15)을 용사에 의해 형성하는 경우, 용사 재료가 본드 코트층(12) 상에 충돌하여 편평화되고 고화되는 것이 반복되는 것에 의해, 편평화된 입자(스플랫)(30)가 적층되어 용사 피막, 즉 세라믹스 층(15)이 생성된다.
또한, 일반적으로 세라믹스 층(15)에는 미소한 균열(31)이 복수 존재한다. 이 미소한 균열(31)은, 용사 재료가 본드 코트층(12) 상에 충돌하여 편평화되고 고화되는 과정에서 스플랫(30)에 생긴 균열이나, 인접하는 스플랫(30)끼리의 경계가 잔류된 것 등을 포함하고 있다. 이들 미소한 균열(31)이 2개 이상이 교차하도록 존재하는 일도 있으며, 이하의 설명에서는, 이들 미소한 균열(31)이 2개 이상이 교차하는 교차점을 균열 교차점(33)이라 칭한다.
또한, 상술한 미소한 균열(31)의 길이는, 대체로 5㎛ 내지 100㎛ 정도이다.
상술한 바와 같이, 균열 교차점(33)에서는 2개 이상의 균열(31)이 교차하므로, 균열 교차점(33)을 중심으로 하여 균열(31)은 3방향 이상으로 연장되게 된다. 즉, 단위 체적당의 균열 교차점(33)의 수가 비교적 많은 영역에서는, 비교적 작은 균열(31)이 그물코 형상으로 존재하는 경향이 있다. 또한, 단위 체적당의 균열 교차점(33)의 수가 많을수록, 예를 들면 세라믹스 코팅(10)의 두께방향을 따른 단면에 나타나는 균열 교차점(33)의 단위 면적 당의 수가 많아지는 경향이 있다.
열응력의 영향을 받아 상술한 박리 균열(37)이 생기고, 박리 균열(37)에 의한 균열이 균열 교차점(33)이나 균열 교차점(33)에 이어지는 균열(31)에 도달하면, 균열 교차점(33)에서 교차되어 있는 복수의 균열(31)을 따라서 박리 균열(37)에 의한 균열을 진전시키는 에너지가 전달되고 분산된다. 이에 의해, 박리 균열(37)에 의한 균열의 진전이 억제되게 된다.
따라서, 도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태에 의하면, 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수가 제 2 영역(152)보다 제 1 영역(151)이 많으므로, 제 1 영역(151)에서는, 제 2 영역(152)보다 박리 균열(37)에 의한 균열의 진전이 억제된다. 그 때문에, 제 2 영역(152)보다 박리 균열(37)이 생기기 쉬운 제 1 영역(151)에서, 박리 균열(37)에 의한 균열의 진전을 효과적으로 억제할 수 있어서, 세라믹스 코팅(10)에 있어서의 열 사이클 내구성을 향상할 수 있다.
(균열 교차점(33)의 수에 대해)
도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태에서는, 제 1 영역(151)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수는 15,000개/㎟ 이상 35,000개/㎟ 이하여도 좋다.
발명자들이 예의 검토한 결과, 제 1 영역(151)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수가 15,000개/㎟ 미만이면, 세라믹스 코팅(10)의 열 사이클 내구성을 향상하는 효과가 거의 얻어지지 않는 것이 판명되었다. 또한, 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수가 35,000개/㎟를 초과하면, 제 1 영역(151)의 강도가 저하할 우려가 있는 것이 판명되었다.
따라서, 제 1 영역(151)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수를 상기의 범위 내로 하는 것에 의해, 세라믹스 층(15)의 강도 저하를 억제하면서, 박리 균열(37)의 진전을 억제할 수 있다.
도 4는 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수가 15,000개/㎟ 이상 35,000개/㎟ 이하인 경우의 세라믹스 층(15)의 단면을 도시하는 도면의 일 예이다.
도 5는 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수가 15,000개/㎟ 미만인 경우의 세라믹스 층(15)의 단면을 도시하는 도면의 일 예이다.
도 4 및 도 5에서는, 본드 코트층(12)의 일부와, 세라믹스 층(15)에 있어서의 제 1 영역(151)의 일부가 도시되어 있다.
도 4 및 도 5에 있어서, 파선으로 둘러싼 직사각형의 영역(141) 내에 존재하는 균열 교차점(33)의 위치에 흑색 동그라미를 부여하고 있다. 또한, 도 4 및 도 5에 있어서, 실선으로 둘러싸인 흰색의 영역은 기공(143)이다.
도 4에 도시하는 예에서는, 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수는 약 26, 300개/㎟이다. 또한, 도 5에 도시하는 예에서는, 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수는 약 11,100개/㎟이다.
또한, 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수는, 다음과 같이 하여 구한다.
예를 들면, 세라믹스 층(15)의 단면을 연마하여 전자 현미경으로 관찰되는 상을 촬영한다. 본 명세서에서는, 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수를 구할 때에, 관찰 배율을 1000배로 하여, 상이한 3개소의 상을 촬영한다. 그리고, 촬영에 의해 얻어진 상이한 3개소의 조직의 사진(예를 들면, 도 4)의 각각에 있어서, 도 4에 도시하는 바와 같은 균열 교차점(33)의 수를 계측하는 영역(141)을 설정하고, 예를 들면 육안으로 보아 각 영역(141) 내의 균열 교차점(33)의 수를 계측한다. 그리고, 상이한 3개소의 조직의 사진에 있어서의 영역(141) 내의 균열 교차점(33)의 수를 영역(141)의 면적으로 나누는 것에 의해, 상이한 3개소의 조직의 사진의 각각에 대한 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수를 구한다. 이와 같이 하여 구한 3개소의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수의 평균값을, 그 조직에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수로 한다.
도 6은 시험편의 열 사이클 내구성의 예를 나타내는 막대 그래프이다. 도 6에 있어서, 종축은 본드 코트층 상에 형성된 세라믹스 층에 박리가 생길 때까지의 사이클 수를 나타낸다. 시험에 이용된 시험편(A) 내지 시험편(C)은 각각, 본드 코트층 상에, 본드 코트층과, 세라믹스 층이 순서대로 형성된 시험편이다.
시험편(A)은 도 5에 도시한 단면도에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수와 동등(약 11,000개/㎟)의 조직을 갖는 세라믹스 층이 형성된 시험편이다.
시험편(A)에서는, 세라믹스 층에 박리가 생길 때까지의 사이클 수가 실질적으로 박리가 생기지 않는다고 판정되는 횟수를 초과하고 있다.
시험편(B)은 시험편(A)과 마찬가지로, 도 5에 도시한 단면도에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수와 동등(약 11,000개/㎟)의 조직을 갖는 세라믹스 층이 형성된 시험편이다. 시험편(B)에서는, 차열성의 향상을 도모하기 위해 시험편(A)보다 세라믹스 층의 두께가 두꺼우며, 그 두께는 시험편(A)의 1.2 내지 2배 정도이다.
시험편(B)에서는, 세라믹스 층이 조기에 박리되었다.
즉, 차열성의 향상을 도모하기 위해 세라믹스 층의 두께를 단순히 두껍게 하는 것 만으로는, 세라믹스 층의 열 사이클 내구성이 저하된다.
시험편(C)은 도 4에 도시한 단면도에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수와 동등(약 25,000개/㎟)한 조직을 갖는 세라믹스 층이 형성된 시험편이다. 시험편(C)에서는, 차열성의 향상을 도모하기 위해, 시험편(A)보다 세라믹스 층의 두께가 두꺼우며, 그 두께는 시험편(A)의 1.2배 내지 2배 정도이다.
시험편(C)에서는, 세라믹스 층에 박리가 생길 때까지의 사이클 수가 실질적으로 박리가 생기지 않는다고 판정되는 횟수를 초과하고 있다.
즉, 차열성의 향상을 도모하기 위해 세라믹스 층의 두께를 두껍게 하여도, 세라믹스 층에 있어서의 균열 교차점(33)의 수를 늘리는 것에 의해, 세라믹스 층의 열 사이클 내구성을 개선할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태에서는, 제 1 영역(151)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수는, 제 2 영역(152)에 있어서의 균열 교차점의 단위 면적당의 수의 1.2배 이상 3배 이하여도 좋다.
발명자들이 예의 검토한 결과, 제 1 영역(151)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수가 제 2 영역(152)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수의 1.2배 미만이면, 세라믹스 코팅(10)의 열 사이클 내구성을 향상하는 효과가 약해질 우려가 있는 것이 판명되었다. 또한, 제 1 영역(151)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수가 제 2 영역(152)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수의 3배를 초과하면, 제 1 영역(151)의 강도가 저하할 우려가 있는 것이 판명되었다.
따라서, 도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태에 의하면, 세라믹스 층(15)의 강도 저하를 억제하면서, 박리 균열(37)의 진전을 억제할 수 있다.
(제 1 영역(151)의 두께에 대해)
도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태에서는, 제 1 영역의 두께(t1)는, 20㎛ 이상이어도 좋다.
발명자들이 예의 검토한 결과, 제 1 영역(151)의 두께가 20㎛ 미만이면, 제 2 영역(152)에도 박리 균열(37)이 생겨, 열 사이클 내구성이 저하할 우려가 있다.
따라서, 도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태에 의하면, 세라믹스 코팅(10)의 열 사이클 내구성을 향상할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태에서는, 제 1 영역(151)의 두께는, 제 1 영역(151)과 제 2 영역(152)의 두께의 합의 3% 이상이면 된다.
발명자들이 예의 검토한 결과, 제 1 영역(151)의 두께(t1)가 제 1 영역(151)의 두께(t1)와 제 2 영역(152)의 두께(t2)의 합(t1＋t2)의 3% 미만이면, 세라믹스 코팅(10)의 열 사이클 내구성을 향상하는 효과가 거의 얻어지지 않는 것이 판명되었다.
따라서, 도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태에 의하면, 차열성을 확보하면서, 박리 균열(37)의 진전을 억제할 수 있다.
또한, 세라믹스 층(15)의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 0.1mm 이상 1mm 이하 등으로 된다.
(기공률에 대해)
도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태에서는, 제 1 영역(151)의 기공률은 제 2 영역(152)의 기공률보다 작으면 좋다.
박리 균열(37)이 기공(143)에 도달하면, 기공(143)의 크기의 분만큼 박리 균열(37)이 진전한 것과 동일하게 된다. 또한, 박리 균열(37)이 기공(143)에 도달하여도, 상기 기공(143)에 박리 균열(37) 이외의 균열(31)이 복수 접속되어 있지 않으면, 박리 균열(37)을 진전시키는 에너지를 분산할 수 없다.
따라서, 도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태에 의하면, 제 1 영역(151)의 기공률이 제 2 영역(152)의 기공률보다 작으므로, 제 1 영역(151)에서는, 제 2 영역(152)보다 박리 균열(37)의 진전이 억제된다.
또한, 기공률은 세라믹스 층(15)의 단면에 있어서의 기공(143)의 면적의 비율로서 정의되며, 기공(143)의 면적을 단면의 면적으로 나눈 값을 백분율로 나타낸 값이다. 구체적으로는, 다음과 같이 하여 기공률을 구한다. 예를 들면, 세라믹스 층(15)의 단면을 연마하여 광학 현미경이나 전자 현미경으로 관찰되는 상을 촬영한다. 본 명세서에서는, 기공률을 구할 때에, 관찰 배율을 100배로 하여, 상이한 3개소의 상을 촬영한다. 관찰 시야 1개소당의 면적은 약 0.5 평방 밀리미터이다. 그리고, 촬영에 의해 얻어진 상이한 3개소의 조직의 사진(예를 들면, 도 4)의 각각 대해 2치화 처리를 실행하는 것에 의해, 기공부(공극부)와 피막부를 따로 따로 추출 가능하게 한다. 그리고, 상이한 3개소의 상을 2치화한 화상의 각각으로부터 기공부의 면적과 피막부의 면적을 산출하고, 기공부의 면적을 기공부와 피막부의 면적의 합, 즉 단면의 면적으로 나누어 기공률을 각각 산출한다. 또는, 2치화한 화상의 각각으로부터 기공부의 면적과 단면의 면적을 산출하고, 기공부의 면적을 단면의 면적으로 나누어 기공률을 각각 산출한다. 이와 같이 하여 구한 3개소의 기공률의 평균값을, 그 조직의 기공률로 한다.
도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태에서는, 제 1 영역(151)의 기공률은 3% 이상 40% 이하여도 좋다.
발명자들이 예의 검토한 결과, 제 1 영역(151)의 기공률을 3% 미만으로 하기 위해서는, 예를 들면 화학 증착법에 의한 코팅과 같이, 챔버를 구비하는 대대적인 장치가 필요하게 된다. 또한, 제 1 영역(151)의 기공률을 10%를 초과하면, 세라믹스 층(15)과 본드 코트층(12)의 밀착성이 불충분하게 될 우려가 있다.
따라서, 도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태에 의하면, 내구성이 높은 세라믹스 코팅(10)이 비교적 용이하게 얻어진다.
(제 3 영역(153)에 대해)
도 2에 도시한 다른 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)에서는, 상술한 바와 같이, 세라믹스 층(15)은 제 2 영역(152)보다 계면(17)으로부터 먼 제 3 영역(153)을 갖는다. 도 2에 도시한 다른 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)에서는, 제 3 영역(153)의 기공률은 제 2 영역(152)의 기공률보다 작으면 좋다.
도 2에 도시한 다른 실시형태에 의하면, 제 2 영역(152)에 의해 세라믹스 코팅의 차열성을 확보하면서, 제 2 영역(152)의 기공률보다 작고 치밀한 조직을 갖는 제 3 영역(153)에 의해 예를 들면, 연소 가스에 포함되는 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다. 이에 의해, 세라믹스 코팅(10)의 열화를 억제하여 세라믹스 코팅(10)의 내구성을 향상할 수 있다.
(또 다른 실시형태에 대해)
상술한 바와 같이, 도 7에 도시하는 또 다른 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)은, 본드 코트층(12) 상에 형성되는 세라믹스 층(15)을 구비한다. 도 7에 도시하는 또 다른 실시형태에서는, 세라믹스 층(15)의 두께방향을 따른 단면에 있어서, 본드 코트층(12)과의 계면(17)으로부터 적어도 100㎛ 이내의 영역(기재측 영역)(154)에서 2개 이상의 균열(31)이 교차하는 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수는 15,000개/㎟ 이상 35,000개/㎟ 이하여도 좋다.
상술한 도 1 및 도 2에 도시하는 몇 가지의 실시형태와 마찬가지로, 기재측 영역(154)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수가 15,000개/㎟ 미만이면, 세라믹스 코팅(10)의 열 사이클 내구성을 향상하는 효과가 거의 얻어지지 않는다. 또한, 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수가 35,000개/㎟를 초과하면, 기재측 영역(154)의 강도가 저하할 우려가 있다.
따라서, 기재측 영역(154)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수를 15,000개/㎟ 이상 35,000개/㎟ 이하로 하는 것에 의해, 세라믹스 층(15)의 강도 저하를 억제하면서, 박리 균열(37)의 진전을 억제할 수 있다.
도 7에 도시하는 또 다른 실시형태에서는, 기재측 영역(154)에 있어서의 기공률은 3% 이상 40% 이하여도 좋다.
상술한 바와 같이, 기재측 영역(154)의 기공률을 3% 미만으로 하기 위해서는, 예를 들면 화학 증착법에 의한 코팅과 같이, 챔버를 구비하는 대대적인 장치가 필요하게 된다. 또한, 기재측 영역(154)의 기공률을 40%를 초과하면, 세라믹스 층(15)과 본드 코트층(12)의 밀착성이 불충분하게 될 우려가 있다.
따라서, 도 7에 도시하는 또 다른 실시형태에 의하면, 내구성이 높은 세라믹스 코팅(10)이 비교적 용이하게 얻어진다.
(터빈 부재 및 가스 터빈)
상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)은, 산업용 가스 터빈의 동익이나 정익, 혹은 연소기 내통이나 미통, 분할환 등의 고온 부품에 적용하여도 유용하다. 또한, 산업용 가스 터빈으로 한정되지 않으며, 자동차나 제트기 등의 엔진의 고온 부품의 차열 코팅막에도 적용할 수 있다. 이들 부재에 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅을 마련하는 것에 의해, 내식성 및 열 사이클 내구성이 뛰어난 가스 터빈 날개나 고온 부품을 구성할 수 있다.
도 8 내지 도 10은 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)을 적용 가능한 터빈 부재(3)의 구성예를 도시하는 사시도이다. 도 11은 일 실시형태에 따른 가스 터빈(6)의 부분 단면 구조를 모식적으로 도시하는 도면이다. 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)을 적용 가능한 터빈 부재의 구성예로서, 도 8에 도시하는 가스 터빈 동익(4)이나, 도 9에 도시하는 가스 터빈 정익(5), 도 10에 도시하는 분할환(7), 및 도 11에 도시하는 가스 터빈(6)의 연소기(8)를 들 수 있다. 도 8에 도시하는 가스 터빈 동익(4)은 디스크 측에 고정되는 도브테일(41), 플랫폼(42), 날개부(43) 등을 구비하여 구성되어 있다. 또한, 도 9에 도시하는 가스 터빈 정익(5)은, 내측 슈라우드(51), 외측 슈라우드(52), 날개부(53) 등을 구비하여 구성되어 있으며, 날개부(53)에는 시일 핀 냉각 구멍(54), 슬릿(55) 등이 형성되어 있다.
도 10에 도시하는 분할환(7)은, 환상의 부재를 둘레방향으로 분할한 부재이며, 가스 터빈 동익(4)의 외측에 복수 배치되며, 터빈(62)의 케이싱에 보지된다. 도 10에 도시하는 분할환(7)에는 냉각 구멍(71)이 형성되어 있다. 도 11에 도시하는 가스 터빈(6)이 구비하는 연소기(8)는, 라이너로서 내통(81)과 미통(82)을 갖는다.
다음에, 상술한 터빈 부재(3)를 적용 가능한 가스 터빈(6)에 대해 도 11을 참조하여 이하에 설명한다. 도 11은 일 실시형태에 따른 가스 터빈(6)의 부분 단면 구조를 모식적으로 도시하는 도면이다. 이 가스 터빈(6)은, 서로 직결된 압축기(61)와 터빈(62)을 구비한다. 압축기(61)는 예를 들면, 축류 압축기로서 구성되어 있으며, 대기 또는 소정의 가스를 흡입구로부터 작동 유체로서 흡입하여 승압시킨다. 이 압축기(61)의 토출구에는, 연소기(8)가 접속되어 있으며, 압축기(61)로부터 토출된 작동 유체는, 연소기(8)에 의해 소정의 터빈 입구 온도까지 가열된다. 그리고 소정 온도까지 승온된 작동 유체가 터빈(62)에 공급되도록 되어 있다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 터빈(62)의 케이싱 내부에는, 상술한 가스 터빈 정익(5)이 복수단 마련되어 있다. 또한, 상술한 가스 터빈 동익(4)이 각 정익(5)과 1조의 단을 형성하도록 주축(64)에 장착되어 있다. 주축(64)의 일단은, 압축기(61)의 회전축(65)에 접속되어 있으며, 그 외단에는, 도시하지 않은 발전기의 회전축이 접속되어 있다.
이와 같은 구성에 의해, 연소기(8)로부터 터빈(62)의 케이싱 내에 고온·고압의 작동 유체를 공급하면, 케이싱 내에서 작동 유체가 팽창되는 것에 의해, 주축(64)이 회전하고, 이 가스 터빈(6)과 접속된 도시하지 않은 발전기가 구동된다. 즉, 케이싱에 고정된 각 정익(5)에 의해 압력 강하되고, 이에 의해 발생한 운동에너지는, 주축(64)에 장착된 각 동익(4)을 거쳐서 회전 토크로 변환된다. 그리고, 발생한 회전 토크는 주축(64)에 전달되고, 발전기가 구동된다.
일반적으로, 가스 터빈 동익에 이용되는 재료는, 내열 합금(예를 들면 IN738LC=인코사의 시판 합금 재료)이며, 가스 터빈 정익에 이용되는 재료는, 마찬가지로 내열 합금(예를 들면 IN939=인코사의 시판의 합금 재료)이다. 즉, 터빈 날개를 구성하는 재료는, 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 차열 코팅에 있어서 내열 기재(11)로서 채용 가능한 내열 합금이 사용되어 있다. 따라서, 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)을, 이들 터빈 날개에 적용하면, 차열 효과와, 내식성 및 내구성이 뛰어난 터빈 날개를 얻을 수 있으므로, 보다 높은 온도 환경에서 사용할 수 있어서, 장수명의 터빈 날개를 실현할 수 있다. 또한, 보다 높은 온도 환경에서 적용 가능한 것은, 작동 유체의 온도를 높일 수 있는 것을 의미하며, 이에 의해, 가스 터빈 효율을 향상시키는 것도 가능해진다.
이와 같이, 몇 가지의 실시형태에 따른 터빈 부재(3)는 상술한 몇 가지의 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)을 가지므로, 세라믹스 코팅(10)에 있어서의 열 사이클 내구성을 향상할 수 있어서, 터빈 부재(3)의 내구성을 향상할 수 있다.
또한, 몇 가지의 실시형태에 따른 가스 터빈(6)은, 상기 터빈 부재(3)를 가지므로, 가스 터빈(6)에 있어서의 터빈 부재(3)의 내구성을 향상할 수 있다.
본 개시는 상술한 실시형태로 한정되는 일은 없으며, 상술한 실시형태에 변형을 가한 형태나, 이들 형태를 적절히 조합한 형태도 포함한다.
(1) 본 개시의 적어도 일 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)은, 기재(내열 기재(11)) 상에 형성되는 본드 코트층(12)과, 본드 코트층(12) 상에 형성되는 세라믹스 층(15)을 구비한다. 세라믹스 층(15)은 본드 코트층(12)과의 계면(17)과 접하는 제 1 영역(151)과, 제 1 영역(151)보다 계면(17)으로부터 먼 제 2 영역(152)을 갖는다. 세라믹스 층(15)의 두께방향을 따른 단면에 있어서, 세라믹스 층(15)내의 2개 이상의 균열(31)이 교차하는 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수는, 제 2 영역(152)보다 제 1 영역(151)이 많다.
상기 (1)의 구성에 의하면, 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수가 제 2 영역(152)보다 제 1 영역(151)이 많으므로, 상술한 바와 같이, 제 1 영역(151)에서는, 제 2 영역(152)보다 박리 균열(37)의 진전이 억제된다. 그 때문에, 제 2 영역(152)보다 박리 균열(37)이 생기기 쉬운 제 1 영역(151)에 있어서, 박리 균열(37)의 진전을 효과적으로 억제할 수 있어서, 세라믹스 코팅(10)에 있어서의 열 사이클 내구성을 향상할 수 있다.
(2) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1)의 구성에 있어서, 제 1 영역(151)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수는 15,000개/㎟ 이상 35,000개/㎟ 이하이다.
상기 (2)의 구성에 의하면, 세라믹스 층(15)의 강도 저하를 억제하면서, 박리 균열(37)의 진전을 억제할 수 있다.
(3) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (2)의 구성에 있어서, 제 1 영역(151)의 두께는 30㎛ 이상이다.
상기 (3)의 구성에 의하면, 열 사이클 내구성을 향상할 수 있다.
(4) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 구성에 있어서, 제 1 영역(151)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수는, 제 2 영역(152)에 있어서의 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수의 1.2배 이상 3배 이하이다.
상기 (4)의 구성에 의하면, 세라믹스 층의 강도 저하를 억제하면서, 박리 균열(37)의 진전을 억제할 수 있다.
(5) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 구성에 있어서, 제 1 영역(151)의 기공률은 제 2 영역(152)의 기공률보다 작다.
상기 (5)의 구성에 의하면, 제 1 영역(151)의 기공률이 제 2 영역(152)의 기공률보다 작으므로, 제 1 영역(151)에서는, 제 2 영역(152)보다 박리 균열(37)의 진전이 억제된다.
(6) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (5)의 구성에 있어서, 제 1 영역(151)의 기공률은 3% 이상 40% 이하이다.
상기 (6)의 구성에 의하면, 내구성이 높은 세라믹스 코팅(10)이 비교적 용이하게 얻어진다.
(7) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (5) 또는 (6)의 구성에 있어서, 제 1 영역(151)의 두께(t1)는, 제 1 영역(151)과 제 2 영역(152)의 두께의 합(t1＋t2)의 3% 이상이다.
상기 (7)의 구성에 의하면, 차열성을 확보하면서, 박리 균열(37)의 진전을 억제할 수 있다.
(8) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (5) 내지 (7) 중 어느 하나의 구성에 있어서, 세라믹스 층(15)은 제 2 영역(152)보다 계면(17)으로부터 먼 제 3 영역(153)을 갖는다. 제 3 영역(153)의 기공률은 제 2 영역(152)의 기공률보다 작다.
상기 (8)의 구성에 의하면, 제 2 영역(152)에 의해 세라믹스 코팅(10)의 차열성을 확보하면서, 제 3 영역(153)에 의해 부식성 물질의 침투를 억제할 수 있다.
(9) 본 개시의 적어도 일 실시형태에 따른 세라믹스 코팅(10)은, 기재 상에 형성되는 본드 코트층(12)과, 본드 코트층(12) 상에 형성되는 세라믹스 층(15)을 구비한다. 세라믹스 층(15)의 두께방향을 따른 단면에 있어서, 본드 코트층(12)과의 계면(17)으로부터 적어도 100㎛ 이내의 영역(기재측 영역)(154)에 있어서, 2개 이상의 균열(31)이 교차하는 균열 교차점(33)의 단위 면적당의 수는 15,000개/㎟ 이상 35,000개/㎟ 이하이다.
상기 (9)의 구성에 의하면, 세라믹스 층(15)의 강도 저하를 억제하면서, 박리 균열(37)의 진전을 억제할 수 있다.
(10) 몇 가지의 실시형태에서는, 상기 (9)의 구성에 있어서, 상기 영역(기재측 영역)(154)에 있어서의 기공률은 3% 이상 40% 이하이다.
상기 (10)의 구성에 의하면, 내구성이 높은 세라믹스 코팅(10)이 비교적 용이하게 얻어진다.
(11) 본 개시의 적어도 일 실시형태에 따른 터빈 부재(3)는 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나의 구성의 세라믹스 코팅(10)을 갖는다.
상기 (11)의 구성에 의하면, 세라믹스 코팅(10)에 있어서의 열 사이클 내구성을 향상할 수 있어서, 터빈 부재(3)의 내구성을 향상할 수 있다.
(12) 본 개시의 적어도 일 실시형태에 따른 가스 터빈(6)은, 상기 (11)의 구성의 터빈 부재(3)를 갖는다.
상기 (12)의 구성에 의하면, 가스 터빈(6)에 있어서의 터빈 부재(3)의 내구성을 향상할 수 있다.
3: 터빈 부재
6: 가스 터빈
10: 세라믹스 코팅
11: 내열 기재(모재)
12: 금속 결합층(본드 코트층)
15: 세라믹스 층
17: 계면
31: 균열
33: 균열 교차점
37: 횡균열(박리 균열)
151: 제 1 영역
152: 제 2 영역
153: 제 3 영역

Claims (12)

  1. 기재 상에 형성되는 본드 코트층과,
    상기 본드 코트층 상에 형성되는 세라믹스 층을 구비하고,
    상기 세라믹스 층은, 상기 본드 코트층과의 계면과 접하는 제 1 영역과, 상기 제 1 영역보다 상기 계면으로부터 먼 제 2 영역을 가지며,
    상기 세라믹스 층의 두께방향을 따른 단면에 있어서, 상기 세라믹스 층 내의 2개 이상의 균열이 교차하는 균열 교차점의 단위 면적당의 수는, 상기 제 2 영역보다 상기 제 1 영역이 많은
    세라믹스 코팅.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영역에 있어서의 상기 균열 교차점의 단위 면적당의 수는 15,000개/㎟ 이상 35,000개/㎟ 이하인
    세라믹스 코팅.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 영역의 두께는 20㎛ 이상인
    세라믹스 코팅.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 영역에 있어서의 상기 균열 교차점의 단위 면적당의 수는, 상기 제 2 영역에 있어서의 상기 균열 교차점의 단위 면적당의 수의 1.2배 이상 3배 이하인
    세라믹스 코팅.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 영역의 기공률은 상기 제 2 영역의 기공률보다 작은
    세라믹스 코팅.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 영역의 기공률은 3% 이상 40% 이하인
    세라믹스 코팅.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 영역의 두께는, 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역의 두께의 합의 3% 이상인
    세라믹스 코팅.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹스 층은, 상기 제 2 영역보다 상기 계면으로부터 먼 제 3 영역을 가지며,
    상기 제 3 영역의 기공률은 상기 제 2 영역의 기공률보다 작은
    세라믹스 코팅.
  9. 기재 상에 형성되는 본드 코트층과,
    상기 본드 코트층 상에 형성되는 세라믹스 층을 구비하고,
    상기 세라믹스 층의 두께방향을 따른 단면에 있어서, 상기 본드 코트층과의 계면으로부터 적어도 100㎛ 이내의 영역에 있어서, 2개 이상의 균열이 교차하는 균열 교차점의 단위 면적당의 수는 15,000개/㎟ 이상 35,000개/㎟ 이하인
    세라믹스 코팅.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 영역에 있어서의 기공률은 3% 이상 40% 이하인
    세라믹스 코팅.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 세라믹스 코팅을 갖는
    터빈 부재.
  12. 제 11 항에 기재된 터빈 부재를 갖는
    가스 터빈.
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