TWI588116B - 渦輪構件 - Google Patents

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妻鹿雅彦
堀江茂□
谷川秀次
水流靖彦
越敬三
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Description

渦輪構件
本發明是關於渦輪構件。
本發明是在2014年11月11日，根據日本申請之特願2014-228812號主張優先權，將其內容援用於此。
燃氣渦輪中，為謀求其效率提升的目的而有設定升高使用的氣體溫度的場合。如以上的燃氣渦輪的渦輪構件(動葉片、靜葉片等)會暴露於高溫的氣體。因此，在渦輪構件的表面，施以隔熱塗層(Thermal Barrier Coating；TBC)。該隔熱塗層是將熱傳導率低的陶瓷系材料等的熱噴塗材熱噴塗於被熱噴塗物的渦輪構件的表面所形成。藉以上的隔熱塗層包覆渦輪構件，提升渦輪構件的隔熱性及持久性。
上述隔熱塗層會因燃燒氣體包含的各種微粒子，產生所謂的腐蝕而變薄。
專利文獻1中，揭示有一邊維持著低的熱傳導率，並改善隔熱層之抗蝕性的技術。具體提出一種具有從約 1.0117到約1.0148的區域的氧化鋯晶格的c/a比，並包含以氧化釔單獨以外之穩定量的金屬氧化物穩定劑穩定成正方晶相的含氧化鋯陶瓷組成物，其空隙率從約0.1到0.25(換言之為氣孔率10~25%)，作為隔熱塗層。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2005-232590號公報
如上述專利文獻1記載的隔熱塗層中，抗蝕性與熱傳導率是成為權衡的關係已為人知。這是由於隔熱塗層的氣孔率降低而密緻形成時，雖提升抗蝕性，但是密緻地形成反而會導致熱傳導率上升。
上述隔熱塗層的熱循環耐久性在氣孔率越是降低時成為越低的傾向已為人知。熱循環耐久性降低時，有隔熱塗層的剝離等產生的可能性。
亦即，上述隔熱塗層為提升抗蝕性而降低氣孔率時，熱傳導率上升會使得隔熱性能降低。為補充該熱傳導率的上升量而增加隔熱塗層的厚度時，則會因熱循環耐久性降低而導致強度不足，隔熱塗層變得容易剝離。
本發明以提供一種充分的隔熱性能，及可一 邊確保強度並提升抗蝕性的隔熱塗層及渦輪構件為目的。
根據本發明的第一樣態，隔熱塗層是由黏合塗層與外塗層所構成。黏合塗層是設置作為層疊於母材上的金屬結合層。上塗層是層疊於上述黏合塗層之上包含氧化鋯系陶瓷。上述外塗層的氣孔率為9%以下。
一般，上塗層的熱循環耐久性會因為陶瓷的氣孔率的降低而降低。因此，使用於隔熱塗層的陶瓷的氣孔率為大於10%的區域。但是，本發明的發明人致力於研究的結果，可得知在與如以超過800℃的高溫的燃燒氣體作動的燃氣渦輪同等的條件，氣孔率為9%的區域中，氣孔率雖是降低但熱循環耐久性仍會上升。亦即，設氣孔率9%以下，可提升熱循環耐久性，因此，藉著氣孔率的降低可一邊提升抗蝕性，並以熱循環耐久性提升的量增加上塗層的厚度，可抑制隔熱性能的降低。
其結果，可一邊確保足夠的隔熱性能及強度並提升抗蝕性。
根據本發明的第二樣態，隔熱塗層也可設成第一樣態的氣孔率為6%以下。
藉如上述的構成，比氣孔率為9%的場合，更能提升抗蝕性，並可提高熱循環耐久性進而增加上塗層的厚度。因此，可延長因腐蝕使得上塗層磨損導致母材暴露於高溫的時間。換言之，可藉上塗層來延長獲得足夠之隔熱效果 的持續時間。其結果，可增長維護的間隔，可減輕使用人的負擔。
根據本發明的第三樣態，隔熱塗層也可以將第一樣態的上塗層朝著與層疊方向交叉的方向延伸之層狀缺陷的缺陷密度設在250條/mm2以下。
藉如上述的構成，可藉著氣孔率的降低與層狀缺陷的降低，確保足夠的強度。因此，增加上塗層的厚度可確保足夠的隔熱性能，並可進一步提升抗蝕性。
根據本發明的第四樣態，隔熱塗層也可以將第三樣態的上述上塗層的上述層狀缺陷的缺陷密度設在225條/mm2以下。
由於可降低層狀缺陷的缺陷密度，所以可提升強度。因此，可確保足夠的隔熱性能，並可進一步提升抗蝕性。
根據本發明的第五樣態，隔熱塗層也可以將第四樣態的上述上塗層的上述層狀缺陷的平均長度設在33.8μm以下。
由於可減少層狀缺陷的平均長度，所以可提升強度。因此，可確保足夠的隔熱性能，並可進一步提升抗蝕性。
根據本發明的第六樣態，隔熱塗層也可以將第四或第五樣態的上述上塗層的上述層狀缺陷的缺陷密度設在106條/mm2以下。
由於可進一步降低層狀缺陷的缺陷密度，所以可提升強度。因此，可確保足夠的隔熱性能，並可進一步提升抗蝕性。
根據本發明的第七樣態，隔熱塗層也可以將第六樣態的上述上塗層的上述層狀缺陷的平均長度設在31.7μm以下。
由於可減少層狀缺陷的平均長度，所以可謀求強度進一步提升。因此，可確保足夠的隔熱性能，並可進一步提升抗蝕性。
根據本發明的第八樣態，隔熱塗層也可以將第四至第七樣態中的任一樣態的上述氣孔率設在8.4%以下。
藉氣孔率的降低，可謀求強度提升。因此，可確保足夠的隔熱性能，並可進一步提升抗蝕性。
根據本發明的第九樣態，隔熱塗層也可以將第八樣態的上述氣孔率設在7.0%以下。
藉氣孔率的降低，可謀求強度進一步提升。因此，可確保足夠的隔熱性能，並可進一步提升抗蝕性。
根據本發明的第十樣態，隔熱塗層之第三至第九樣態中的任一樣態的上述上塗層也可以是由ZrO2-8wt%Y2O3所構成。
藉如上述的構成，可容易獲得抗蝕性、隔熱性能優異的上塗層。
根據本發明的第十一樣態，隔熱塗層之第三至第九樣態中的任一樣態的上述上塗層也可以是由ZrO2-16wt%Yb2O3所構成。
藉如上述的構成，可容易獲得抗蝕性、隔熱性能優異 的上塗層。
根據本發明的第十二樣態，渦輪構件在表面具有第一或第十一樣態的隔熱塗層。
藉如上述的構成，可抑制跨長期間曝露於高溫受到損傷。並可延長維護週期，可降低使燃氣渦輪作動停止的頻度。
藉上述隔熱塗層及渦輪構件，不致降低熱循環即可提升抗蝕性。
1‧‧‧燃氣渦輪
2‧‧‧壓縮機
3‧‧‧燃燒器
4‧‧‧渦輪主體
5‧‧‧轉子
6‧‧‧殼體
7‧‧‧動葉片
8‧‧‧靜葉片
10‧‧‧母材
11‧‧‧隔熱塗層
12‧‧‧黏合塗層
13‧‧‧上塗層
30‧‧‧熱循環試驗裝置
31‧‧‧試件
32‧‧‧試件支架
33‧‧‧主體部
40‧‧‧縱裂痕
71‧‧‧動葉片主體
72‧‧‧平台
73‧‧‧葉根
74‧‧‧遮板
第1圖為本發明第一實施形態之燃氣渦輪的概略構成圖。
第2圖是表示本發明第一實施形態的動葉片之概略構成的透視圖。
第3圖是表示本發明第一實施形態之動葉片的主要部放大的剖視圖。
第4圖是表示本發明第一實施形態的渦輪之形成方法的流程圖。
第5圖是表示對應上塗層的氣孔率之減損深度的圖表。
第6圖是表示對應上塗層的氣孔率之熱傳導率的圖 表。
第7圖是表示對應上塗層的氣孔率之熱循環耐久性的圖表。
第8圖是表示本發明第一實施形態之熱循環試驗裝置的構成的部份剖視圖。
第9圖為模式表示藉第8圖表示的裝置提供熱循環試驗之試件的溫度變化的圖表。
第10圖是表示供第9圖的熱循環試驗之試件的溫度測量點的圖。
第11圖為本發明第一實施形態之變形例相當於第3圖剖視圖。
第12圖是表示對應上塗層的氣孔率之減損深度的圖表。
第13圖是表示對應上塗層的氣孔率之熱傳導率的圖表。
第14圖是表示對應上塗層的氣孔率之熱循環耐久性的圖表。
第15A圖為第一實施例的氣孔率8.4%且層狀缺陷密度225條/mm2的場合的剖面照片。
第15B是描述第15A圖之層狀缺陷的圖面。
第16A圖為第二實施例的氣孔率7.0%且層狀缺陷密度196條/mm2時的剖面照片。
第16B是描述第16A圖之層狀缺陷的圖面。
第17A圖為比較例的氣孔率12.9%且層狀缺陷密度556條/mm2時的剖面照片。
第17B是描述第17A圖之層狀缺陷的圖面。
根據圖示說明本發明第一實施形態相關之隔熱塗層及渦輪構件。
第1圖為本發明第一實施形態之燃氣渦輪的概略構成圖。
如第1圖表示，該第一實施形態的燃氣渦輪1具備：壓縮機2、燃燒器3、渦輪主體4及轉子5。
壓縮機2是將進入內部的多量的空氣壓縮。
燃燒器3是在壓縮機2所壓縮的壓縮空氣A混合燃料後燃燒。
渦輪主體4將從燃燒器3導入的燃燒氣體G的熱能轉換成旋轉能。該渦輪主體4將燃燒氣體G噴入設置在轉子5的動葉片將燃燒氣體G的熱能轉換成機械式旋轉能來產生動力。在渦輪主體4除了轉子5側的複數動葉片7之外，在渦輪主體4的殼體6設有複數靜葉片8。渦輪主體4中，該等動葉片7與靜葉片8是交替排列在轉子5的軸向。
轉子5是將渦輪主體4旋轉的動力的一部份傳達至壓縮機2使壓縮機2旋轉。
以下，該第一實施形態中，以渦輪主體4的動葉片7作為本發明之渦輪構件的一例說明。
第2圖是表示本發明第一實施形態的動葉片之概略構成的透視圖。
如第2圖表示，動葉片7具備：動葉片主體71、平台72、葉根73及遮板74。動葉片主體71是配置在渦輪主體4的殼體6內的燃燒氣體G流路內。平台72是設置在動葉片主體71的基端側。該平台72是在動葉片主體71的基端側區隔出燃燒氣體G的流路。葉根73是形成從平台72朝向與動葉片主體71的相反側突出。遮板74是設置在動葉片主體71的前端。該遮板74是在動葉片主體71的前端側區隔出燃燒氣體G的流路。
第3圖是表示本發明第一實施形態之動葉片的主要部放大的剖視圖。
如第3圖表示，動葉片7是由母材10及隔熱塗層11所構成。
母材10是由Ni(鎳)基合金等的耐熱合金所構成。
隔熱塗層11是形成包覆母材10的表面。該隔熱塗層11具備黏合塗層12及上塗層13。
黏合塗層12是抑制上塗層13從母材10剝離。該黏合塗層12為抗蝕性及抗酸性優異的金屬結合層。黏合塗層12是例如以MCrAlY合金的金屬熱噴塗粉作為熱噴塗材朝著母材10的表面熱噴塗所形成。在此，構成黏合塗層12的MCrAlY合金的「M」是表示金屬元素。該金屬元素「M」是例如NiCo(鎳-鈷)、Ni(鎳)、Co(鈷)等單獨的金屬元素，或該等之中的兩種以上的組合所成。
上塗層13是層疊於在黏合塗層12的表面。 該上塗層13是將含陶瓷的熱噴塗材熱噴塗在黏合塗層12的表面所形成。該第一時施形態的上塗層13是形成為其氣孔率(每單位體積的氣孔的佔有率)在9%以下，較佳為在6%以下。形成上塗層13時所使用的熱噴塗材，可使用氧化鋯系陶瓷。作為氧化鋯系陶瓷，舉例有氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)，及氧化鐿(Yb2O3)部份穩定的氧化鋯(ZrO2)的氧化鐿穩定氧化鋯(YbSZ等)。
接著，針對將上述隔熱塗層11形成於母材10的表面之渦輪構件的形成方法的一例說明。
第4圖是表示本發明第一實施形態的渦輪之形成方法的流程圖。
如第4圖表示，首先，作為母材形成步驟S1是將母材10形成為目的的渦流構件，例如動葉片7的形狀。該第1實施形態的母材10是使用上述的Ni基合金形成。
接著，作為隔熱塗層方法S2，依序進行：黏合塗層層疊步驟S21；上塗層層疊步驟S22；及表面調整步驟S23。
在黏合塗層層疊步驟S21中，在母材10的表面形成黏合塗層12。在該第1實施形態的黏合塗層層疊步驟S21中，例如藉低壓電漿熱噴塗法在母材10的表面熱噴塗MCrAlY合金的金屬熱噴塗粉。
上塗層層疊步驟S22中，在黏合塗層12上層疊上塗層13。在該第1實施形態的上塗層層疊步驟S22中，例如藉空氣中電漿熱噴塗法(Atmospheric pressure Plasma Spray：APS)在黏合塗層12上熱噴塗作為熱噴塗材的YSZ的粉末。
在此，上塗層層疊步驟S22是以上塗層13的氣孔率在9%以下，並以成為6%以下更佳。如上述，上塗層13的氣孔率在9%以下，並以成為6%以下更佳的方法，可舉例如設噴射於上述熱噴塗材的熱噴塗裝置的噴嘴的前端(未圖示)與母材的距離，當氣孔率比9%高時成為更短的方法。例如，即使增加熱噴塗裝置的熱噴塗電流等仍可使得上塗層13的氣孔率較低。並且，氣孔率為9%以下，並以成為6%以下更佳的場合，也可以藉著控制上述熱噴塗距離與熱噴塗電流的雙方獲得期待的氣孔率。
表面調整步驟S23是調整隔熱塗層11的表面的狀態。具體是在表面調整步驟S23中，稍微切削上塗層13的表面來調整隔熱塗層11的膜厚，或使得表面更為平滑。藉此表面調整步驟S23，例如，可降低對動葉片7的熱傳達率。該第一實施形態的表面調整步驟S23是將上塗層13切削數10μm，藉以表面平滑並調整膜厚。
第5圖是表示對應上塗層的氣孔率之減損深度的圖表。第6圖是表示對應上塗層的氣孔率之熱傳導率的圖表。第7圖是表示對應上塗層的氣孔率之熱循環耐久性的圖表。
如第5圖表示，上述的上塗層13在氣孔率(%)為9%以下的區域中，比氣孔率9%大的區域(尤其是從10%到15%左右的區域)，更大幅地降低減損深度(mm)。 亦即，在氣孔率9%以下的區域中提升抗蝕性。在此，耗損深度是對上塗層13，以一定的條件進行腐蝕試驗時上塗層13耗損的深度。在此，一定的條件是至少不使試驗溫度、腐蝕劑速度、腐蝕劑的種類、腐蝕劑的供應量及腐蝕劑衝突角度變化之一定值的試驗條件。
腐蝕試驗中，與動葉片7同樣在母材10的表面使用形成有隔熱塗層的試件。
如第6圖表示，上塗層13的氣孔率(%)越是降低，則熱傳導率越上升。這是意味著上塗層13具有一定厚度的場合，氣孔率越降低則隔熱性越是降低。尤其是在氣孔率為9%以下的區域中，與氣孔率高於9%的區域比較，熱傳導率大為地上升。
至今為止，雖認為上塗層13的熱循環耐久性是伴隨著上塗層13的氣孔率(%)的降低而降低。但是，此次，以和燃燒氣體如超過800℃的高溫環境作動的燃氣渦輪相同條件進行試驗的結果，如第7圖表示，獲得在氣孔率為9%以下的區域中，熱循環耐久性轉變為上升的知識。該熱循環耐久性的上升在氣孔率6%以下時更趨於明顯。亦即，在使用非常高溫的燃燒氣體G的燃氣渦輪的環境中，氣孔率8%以下，更理想為6%以下時，僅熱循環耐久性的上升量來增加上塗層13的厚度即可獲得足夠的強度。因此，僅此厚度的增加量可進一步提升上塗層13的隔熱性。
第8圖是表示本發明第一實施形態之熱循環 試驗裝置的構成的部份剖視圖。
如第8圖表示，熱循環試驗裝置30是在配設於主體部33上的試件支架32上，配置在母材10上形成有隔熱塗層11的試件31使得隔熱塗層11成為外側，對此試片31從CO2雷射裝置34照射雷射光L而將試片31從隔熱塗層11側加熱。與藉著CO2雷射裝置34加熱的同時，藉著從貫穿主體部33配置在與主體部33內部之試件31內面側相對的位置的冷卻氣體噴嘴35的前端吐出的氣流F將試件31從其內面側冷卻。
根據以上構成的熱循環試驗裝置，可容易在試件31內部形成溫度梯度，可進行運用於燃氣渦輪構件等的高溫零組件時之使用環境的實際評估。
第9圖為模式表示藉第8圖表示的裝置提供熱循環試驗之試件的溫度變化的圖表。第10圖是表示供第9圖的熱循環試驗之試件的溫度測量點的圖。第9圖表示的曲線A~C是分別對應第10圖表示的試件31的溫度測量點A~C。
如第9圖表示，可藉著第8圖表示的熱循環試驗裝置加熱依試件31的隔熱塗層11表面(A)、隔熱塗層11與母材10的邊界面(B)、母材10的內面側(C)的順序降低溫度。因此，例如，設隔熱塗層11的表面(A)為1200℃以上的高溫，並設隔熱塗層11與母材10的邊界面的溫度為800~900℃，可設成與實機燃氣渦輪相同的溫度條件。熱循環試驗裝置進行的溫度加熱與溫度梯度，藉 CO2雷射裝置34的輸出與氣流F的調整，可容易獲得期待的溫度條件。
在此，上述第7圖表示的圖表中，縱軸表示的熱循環耐久性試驗溫度(℃)是在進行1000循環的反覆加熱時，在隔熱塗層11產生剝離的溫度。該第一實施形態的熱循環試驗是進行設最高表面溫度(隔熱塗層11表面的最高溫度)為1300℃，設最高界面溫度(隔熱塗層11與母材10的邊界面的最高溫度)為950℃的反覆加熱。此時，加熱時間3分鐘、冷卻時間3分鐘地反覆進行(冷卻時的表面溫度設定成為100℃以下)。
因此，根據上述第一實施形態的隔熱塗層11，設上塗層13的氣孔率為9%以下，可提升熱循環耐久性。因此，可藉氣孔率的降低一邊提升抗蝕性，並僅以熱循環耐久性提升的量來增加上塗層13的厚度，可抑制隔熱性能的降低。其結果，可一邊確保足夠的隔熱性能及強度並提升抗蝕性。
另外，設氣孔率為6%以下的場合，比氣孔率9%的場合更可提升上塗層13的抗蝕性，並提升熱循環耐久性而可進一步增加上塗層13的厚度。因此，可延長因腐蝕而磨損上塗層13使得母材10暴露於高溫的時間。換言之，可藉著上塗層13延長獲得足夠隔熱效果的持續時間。其結果，可增長維護的間隔，減輕使用人的負擔。
此外，根據上述第一實施形態之渦輪構件的動葉片7，可抑制長期間暴露於高溫造成的損傷。並且， 由於可延長維護週期，可降低使燃氣渦輪作動停止的頻度。
(第一實施形態)
本發明不限於上述第一實施形態，在不脫離本發明的宗旨的範圍內，包含施加於上述第一實施形態的種種的變更。亦即，第一實施形態舉例的具體的形狀與構成等亦僅為其一例，可適當加以變更。
黏合塗層12或上塗層13也可以上述第一實施形態之外的方法形成。例如，也可以使用減壓電漿熱噴塗作為空氣中電漿熱噴塗以外的電熱噴塗，也可以使用火焰熱噴塗、高速火焰熱噴塗作為燃氣式熱噴塗。並且，也可以熱噴塗法以外的方法形成，例如使用電子束物理蒸鍍法。
並且，上述的構成是以動葉片作為渦輪構件的一例已作說明，但其他的渦輪構件，例如，也可將本發明運用於構成燃氣渦輪1的靜葉片8或燃燒器3的噴嘴或筒體等的構件。
在上述第一實施形態中形成上塗層13時，雖使得熱噴塗距離逐漸縮短，但此時，也可形成如第11圖表示的所謂縱裂痕。如上述形成縱裂痕的場合，上塗層13的楊氏模量變小而使得熱應力降低，可進一步提升熱循環耐久性。
(第二實施形態)
接著，根據圖示說明本發明第二實施形態的隔熱塗層及渦輪構件。此第二實施形態是在第一實施形態加上層狀缺陷的條件的點不同。因此，對於第一實施形態相同的部份賦予相同符號說明，並省略重複的說明。
第二實施形態的燃氣渦輪1具備：壓縮機2、燃燒器3、渦輪主體4及轉子5。動葉片7具備：動葉片主體71、平台72、葉根73及遮板74。
動葉片7是由母材10及隔熱塗層11所構成。隔熱塗層11具備：黏合塗層12及上塗層13。
接著，針對在木材10的表面形成第二實施形態的隔熱塗層11的渦輪構件的形成方法說明。該第二實施形態之渦輪構件的形成方法的說明是援用第一實施形態的第4圖說明。
如第4圖表示，首先，作為母材形成步驟S1，將母材10形成為目的的渦輪構件，例如動葉片7的形狀。該第二實施形態的母材10是與第一實施形態同樣，使用上述的Ni(鎳)基合金所形成。
其次，依序進行黏合塗層層疊步驟S21、上塗層層疊步驟S22及表面調整步驟S23作為隔熱塗層方法S2。
黏合塗層層疊步驟S21是在母材10的表面形成黏合塗層12。該第二實施形態的黏合塗層層疊步驟S21是例如藉低壓電漿熱噴塗法將MCrAlY合金的金屬熱噴塗 粉熱噴塗於母材10的表面。
上塗層層疊步驟S22是在黏合塗層12上層疊上塗層13。該第二實施形態的上塗層層疊步驟S22是例如藉空氣中電漿熱噴塗法(Atmospheric pressure Plasma Spray：APS)在黏合塗層12上熱噴塗作為熱噴塗材的YSZ(氧化釔穩定氧化鋯)的粉末。該第二實施形態的YSZ可使用部份穩定鋯的ZrO2-8wt%Y2O3，或是ZrO2-16wt%Yb2O3。
在此，上塗層層疊步驟S22是設上塗層13的層狀缺陷密度為250條/mm2以下。本實施形態中，層狀缺陷密度是在225條/mm2以下，更理想為在196條/mm2。
上塗層層疊步驟S22是設上塗層13的氣孔率為9%以下。本實施形態是設氣孔率為8.4%以下，並以成為7.0%以下更佳。
設上塗層13的氣孔率為9%以下，且上塗層13的層狀缺陷密度為250條/mm2以下的方法，可舉例如增加熱噴塗裝置之熱噴塗電流的方法。此時，與第一實施形態同樣，也可將噴射上述熱噴塗材的熱噴塗裝置的噴嘴的前端(未圖示)與母材10的距離(換言之，熱噴塗距離)設成比層狀缺陷密度高於250條/mm2的場合更短。
表面調整步驟S23是調整隔熱塗層11的表面的狀態。具體而言，在表面調整步驟S23是僅稍微削除上塗層13的表面調整隔熱塗層11的膜厚，或使得表面更為 平滑。藉此表面調整步驟S23，例如可降低對動葉片7的熱傳達率。該第二實施形態的表面調整步驟S23是與第一實施形態同樣，將上塗層13削去10μm，使表面平滑並調整膜厚。
第12圖是表示對應上塗層的氣孔率之減損深度的圖表。第13圖是表示對應上塗層的氣孔率之熱傳導率的圖表。第14圖是表示對應上塗層的氣孔率之熱循環耐久性的圖表。
該第二實施形態是在第12圖至第14圖中，氣孔率是表示「4.5%」、「6.5%」、「7.0%」、「8.4%」、「11.4%」、「12.9%」、「14.9%」的場合。
在此，氣孔率為8.4%的場合，層狀缺陷密度(條/mm2)為225條/mm2，層狀缺陷平均長度為33.8μm。氣孔率為7.0%的場合，層狀缺陷密度(條/mm2)為196條/mm2，層狀缺陷平均長度為31.7μm。
並且，氣孔率為12.9%的場合，層狀缺陷密度(條/mm2)為556條/mm2，層狀缺陷平均長度為37.9μm。
第15A圖為第一實施例的氣孔率8.4%且層狀缺陷密度225條/mm2的場合的剖面照片。第15B是描述第15A圖之層狀缺陷的圖面。第16A圖為第二實施例的氣孔率7.0%且層狀缺陷密度196條/mm2時的剖面照片。第16B是描述第16A圖之層狀缺陷的圖面。第17A圖為比較例的氣孔率12.9%且層狀缺陷密度556條/mm2時的剖面照片。第17B是描述第17A圖之層狀缺陷的圖面。
形成於上塗層13的層狀缺陷是與氣孔不同。層狀缺陷是主要形成朝著與上塗層13的層疊方向交叉的橫向延伸的細微的龜裂。層狀缺陷是形成在上塗層13的全區域。該等層狀缺陷的每單位面積的條數為「層狀缺陷密度」，該等層狀缺陷朝橫向的長度的平均值為「層狀缺陷平均長度」。
如第12圖表示，上述上塗層13在氣孔率(%)為9%以下的氣孔率8.4%、6.5%、7.0%、4.5%的場合，減損深度比氣孔率11.4%、12.9%、14.9%的場合大幅地降低。這是由於熱噴塗粒子之熔融狀態的改善，並加上氣孔率的降低，提高熱噴塗粒子間的密接力，使得包覆膜中的細微剝離方向(橫向)的裂痕(層狀缺陷)降至極低位準的效果。
亦即，氣孔率在9%以下，具體是在8.4%以下的區域中提升抗蝕性。減損深度是與第一實施形態同樣，對上塗層13以一定的條件進行腐蝕試驗時上塗層13減損的深度。一定的條件是至少不使試驗溫度、腐蝕劑速度、腐蝕劑的種類、腐蝕劑的供應量及腐蝕劑衝突角度變化之一定值的試驗條件。腐蝕試驗中，與動葉片7同樣在母材10的表面使用形成有隔熱塗層的試件。
本腐蝕試驗是以模擬實機的高溫、高速腐蝕試驗裝置進行評估。這是以三菱重工技報Vol.52 No.2(2015)表示的特殊裝置。此高溫、高速腐蝕試驗裝置是可重現極接近於實機之燃氣渦輪的隔熱塗層(TBC； Thermal Barrier Coating)的動作環境，如非本裝置在正確進行隔熱塗層的評估上困難。一般，腐蝕試驗多是在室溫下進行，且即使在高溫環境下亦多數不能獲得如本裝置的高速的氣流。
如第13圖表示，上塗層13也是如第一實施形態說明，氣孔率(%)越是降低，熱傳導率越是上升。這是意味著設上塗層13為一定厚度的場合，氣孔率降低，且層狀缺陷密度越是降低則隔熱性越低。
氣孔率9%以下之8.4%、7.0%、6.5%、4.5%的分別的場合，比高於氣孔率8.4的場合(比層狀缺陷密度225條/mm2高，且比層狀缺陷平均長度33.8μm長的場合)的比較例，熱傳導率更大為上升。這是由於熱噴塗中之粒子的熔融，氣孔率的降低及熱噴塗包覆膜特有的橫向缺陷的層狀缺陷變得極少的原因。
至今為止，雖認為上塗層13的熱循環耐久性是伴隨著上塗層13的氣孔率(%)的降低而降低。但是，此次，以和燃燒氣體超過800℃，並以和實機同樣的100m/s以上的氣流的高溫環境作動的燃氣渦輪相同條件進行試驗的結果，如第14圖表示，獲得在氣孔率為8.4%以下(層狀缺陷密度225條/mm2以下，層狀缺陷平均長度33.8μm以下)的場合，熱循環耐久性轉變為上升的知識。
該熱循環耐久性的上升在設氣孔率7.0%(層狀缺陷密度196條/mm2以下，層狀缺陷平均長度31.7μm以下)時更趨於明顯。亦即，在使用非常高溫的燃燒氣體G 的燃氣渦輪的環境中，氣孔率8.4%以下，更理想為7.0%以下時，層狀缺陷密度變低，且層狀缺陷平均長度變短，可提升熱循環耐久性。因此，即使僅以此熱循環耐久性的上升量增加上塗層13的厚度仍可獲得足夠的強度。
這是由於熱噴塗中的粒子的熔融，氣孔率的降低與層狀缺陷變得極少的原因。
可獲得氣孔率的降低、層狀缺陷的降低對於膜厚的增加極為有效，膜厚即使在熱傳導率上升量以上大幅地增加，仍具有足夠的耐久性及對於抗蝕性極為有效的知識。
因此，根據第二實施形態，設上塗層13的氣孔率為9%以下，且層狀缺陷密度為225條/mm2以下，可提升上塗層13的隔熱性。並設氣孔率為8.4%以下，更理想為7.0%，設層狀缺陷密度為225條/mm2，更理想為196條/mm2以下時，可提升隔熱性。
並且，設氣孔率為8.4%以下，更理想為7.0%，設層狀平均長度為33.8μm以下，更理想為31.7μm以下時，可提升隔熱性。
另外，可藉著氣孔率的降低、層狀缺陷的降低，使得膜厚增加。其結果，因氣孔率的降低、層狀缺陷導致的熱傳導率，即使膜厚大幅地增加仍可確保足夠的耐久性。
除抗蝕性的改善並增加上塗層13的膜厚可改善熱傳導性。因此，可藉著該等抗蝕性、熱傳導性雙方的效果，可長期間提升可靠度。
[產業上的可利用性]
本發明可運用於隔熱塗層及渦輪構件。根據運用本發明的隔熱塗層及渦輪構件，可不致降低熱循環耐久性來提升抗蝕性。
7‧‧‧動葉片
10‧‧‧母材
11‧‧‧隔熱塗層
12‧‧‧黏合塗層
13‧‧‧上塗層

Claims (13)

  1. 一種渦輪構件，係由黏合塗層與外塗層所構成，上述黏合塗層是層疊於母材上的金屬結合層，上述上塗層是層疊於上述黏合塗層之上包含氧化鋯系陶瓷，上述外塗層為其氣孔率在9%以下，與其層疊方向交叉的方向延伸之層狀缺陷的缺陷密度為250條/mm2以下，表面具備ZrO2-8wt%Y2O3所構成的隔熱塗層，以超過800℃的燃燒氣體作動的燃氣渦輪。
  2. 一種渦輪構件，係由黏合塗層與外塗層所構成，上述黏合塗層是層疊於母材上的金屬結合層，上述上塗層是層疊於上述黏合塗層之上包含氧化鋯系陶瓷，上述外塗層為其氣孔率在9%以下，與其層疊方向交叉的方向延伸之層狀缺陷的缺陷密度為250條/mm2以下，表面具備ZrO2-16wt%Y2O3所構成的隔熱塗層，以超過800℃的燃燒氣體作動的燃氣渦輪。
  3. 如申請專利範圍第1項記載的渦輪構件，其中，上述氣孔率為6%以下。
  4. 如申請專利範圍第1項記載的渦輪構件，其中，上述上塗層為上述層狀缺陷的缺陷密度在225條/mm2以下。
  5. 如申請專利範圍第2項記載的渦輪構件，其中，上述上塗層為上述層狀缺陷的缺陷密度在225條/mm2以 下。
  6. 如申請專利範圍第4項記載的渦輪構件，其中，上述上塗層為上述層狀缺陷的平均長度在33.8μm以下。
  7. 如申請專利範圍第5項記載的渦輪構件，其中，上述上塗層為上述層狀缺陷的平均長度在33.8μm以下。
  8. 如申請專利範圍第4項記載的渦輪構件，其中，上述上塗層為上述層狀缺陷的缺陷密度在196條/mm2以下。
  9. 如申請專利範圍第5項記載的渦輪構件，其中，上述上塗層為上述層狀缺陷的缺陷密度在196條/mm2以下。
  10. 如申請專利範圍第8項記載的渦輪構件，其中，上述上塗層為上述層狀缺陷的平均長度在31.7μm以下。
  11. 如申請專利範圍第9項記載的渦輪構件，其中，上述上塗層為上述層狀缺陷的平均長度在31.7μm以下。
  12. 如申請專利範圍第4項至第11項中任一項記載的渦輪構件，其中，上述氣孔率為8.4%以下。
  13. 如申請專利範圍第12項記載的隔熱塗層，其中，上述氣孔率為7.0%以下。
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