JP2007262447A - 耐酸化膜及びその形成方法、遮熱コーティング、耐熱部材、及びガスタービン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 耐熱金属を有する基材上に、溶射又は蒸着によりMCrAlY合金(但し、MはCo及びNiのうちの少なくとも1種の元素を表す)を主として含有するMCrAlY層を形成し、次いで前記MCrAlY層において、前記基材と反対側の面から、該MCrAlY層の厚さ方向の一部にアルミニウムを拡散する。
【選択図】 図1
Description
また、トップコートには、遮熱及び熱衝撃の緩和を目的とし、熱伝導率が低く、輻射率の高い安定化されたジルコニアが主に使用され、特にY2O3:ZrO2=8:92(質量比)のイットリア安定化ジルコニア(以下、「8YSZ」と表記する)はセラミックスの中では機械的特性が優れているので最も一般的に使用されている。
この耐酸化膜の形成方法によれば、形成された耐酸化膜において、前記拡散浸透工程によりアルミニウム又はアルミニウム及びシリコンを拡散した部分は耐酸化性が向上する。また、耐酸化膜においてアルミニウム又はアルミニウム及びシリコンが拡散していない部分においては、MCrAlY層の延性及び靱性が維持される。
拡散層の厚さを前記範囲とすることにより、耐酸化性向上効果並びに延性及び靱性が両立した耐酸化膜を形成することができる。
この耐酸化膜は、アルミニウム又はアルミニウム及びシリコンが拡散した部分を有しているので、優れた耐酸化性を有する。また、アルミニウム又はアルミニウム及びシリコンが拡散していない部分は、MCrAlY合金と同等の延性及び靱性を有している。
耐酸化性と延性及び靱性とを両立させる観点から、前記拡散層の厚さは、耐酸化膜の厚さの1%以上90%以下とすることが好ましい。
この遮熱コーティングは、前記耐酸化膜が優れた耐酸化性並びに延性及び靱性を有するボンドコートとして基材とトップコートとを結合しているので、長時間使用してもボンドコート中にTGOが生成しにくく、またボンドコートの基材追従性が良いので、剥離や亀裂を生じにくく、長時間信頼性を有する。
この耐熱部材は、長時間高温で使用しても、優れた遮熱効果と耐剥離性を維持する。従って、この耐熱部材は耐久性に優れ、長寿命である。
ガスタービンの動翼や静翼、あるいは燃焼器の内筒や尾筒などの高温部品を本発明の耐熱部材とすることにより、ガスタービンにおける作動流体の温度を高められるので、ガスタービン効率を向上させることができる。また、ガスタービンで使用される冷却用空気流量を低減できるので、ガスタービンの性能が向上する。
(第1の実施形態)
図1から図3は、本発明の実施形態により形成される耐熱部材の概略部分断面図である。
本発明において基材21に用いられる耐熱金属としては、耐熱部材に通常用いられる耐熱合金を採用することができ、特にニッケル基又はコバルト基の耐熱合金を好適に採用することができる。例えば、INCO社のNi基耐熱合金IN738LCは、本発明において基材21の材料として用いることができる。IN738LCの主要化学成分は次のとおりである。
Ni-16Cr-8.5Co-1.75Mo-2.6W-1.75Ta-0.9Nb-3.4Ti-3.4Al (質量%)
アルミニウムの拡散層22aにおけるアルミニウム濃度は、耐酸化性の向上効果並びに延性及び靱性の維持を両立させる観点から、20原子%以上80原子%以下程度が好ましい。
耐酸化性の向上効果並びに延性及び靱性の維持を両立させる観点から、アルミニウム及びシリコンの拡散層22aにおけるアルミニウム濃度は20原子%以上80原子%以下程度が好ましく、シリコン濃度は2原子%以上50原子%以下程度が好ましい。
従って、本発明のアルミニウム拡散浸透処理及びアルミニウム・シリコン拡散浸透処理において、拡散層22aの厚さは、前記放物線則に従って処理条件を選定することにより、上述の範囲となるように制御することができる。
トップコート24,34,44としては、例えば、ジルコニア系セラミックス又は複合酸化物系セラミックスを採用することができる。
ジルコニア系セラミックスとしては、希土類酸化物を安定化剤として添加したジルコニアが挙げられ、例えば、ZrO2・8%Y2O3、ZrO2・16%Yb2O3、及びZrO2・15.5%Er2O3が挙げられる(但し、百分率で表された数字は、ジルコニア及び希土類酸化物の総量に対する希土類酸化物の質量比を表す)。ZrO2・8%Y2O3は、遮熱コーティングのトップコートとして広く用いられている材料である。ZrO2・16%Yb2O3及びZrO2・15.5%Er2O3は、高温における結晶安定性を向上する効果を有する。
気孔率が1%未満では、緻密であるためヤング率が高くなり、熱応力が高くなった場合に剥離が生じやすくなる。また、気孔率が30%を超えると、ボンドコート22との密着性が不足し、耐久性が低下する場合がある。
溶射電流は、例えば、通常の600(A)から400(A)に低下することにより気孔率を5%程度から8%程度にまで増加できる。また、電流を増加することにより気孔率を低下することもできる。
プラズマガス流は、例えば、通常のAr/H2量である35/7.4(l/min)から37.3/5.1(l/min)に水素流量割合を増加することにより、気孔率を5%程度から8%程度にまで増加できる。また、水素量を増加すると、気孔率を低下することができる。
溶射距離は、例えば、通常の150mmから210mmに増加させることにより、気孔率を5%程度から8%にまで増加できる。また、溶射距離を短くすることにより、気孔率を低下させることも可能である。更に、これらの組み合わせにより、気孔率を1%程度から最大30%程度の気孔率まで可変することができる。
耐熱金属からなる基材21やボンドコート22に比して熱膨張係数の小さいセラミックスからなるトップコート34は、タービンの発停等に伴う熱サイクルが印加された際に、基材21やボンドコート22との熱膨張係数の差による応力が作用するが、トップコート34に作用する応力を、縦割れ34Cがその幅を拡大又は縮小することにより緩和するようになっている。
従って、熱サイクルに伴う膨張収縮による応力はトップコート34自体にはほとんど作用せず、トップコート34の剥離が極めて起こり難くなり、熱サイクル耐久性に優れた遮熱コーティング35が得られる。
トップコートに生じた亀裂は、従来の構成の遮熱コーティングにおいては、トップコートに剥離を生じさせる原因となっていたが、本発明よるトップコート34に導入された縦割れ34Cは、剥離の原因とはならない。これは、縦割れ34Cと、熱サイクルにより生じたトップコートの亀裂とでは、その周辺の結晶構造が異なることによる。すなわち、熱サイクルにより生じる亀裂は、例えばトップコートがジルコニア系セラミックスである場合は、高温中でZrO2の結晶相がt’相(準安定正方晶相)からt相(正方晶相)及びC相(立方晶)へ変化し、遮熱コーティング材の温度が低下した場合に高温相で安定であるt相が温度の低下によりm相(単斜晶相)及びC相(立方晶)となり、m相が生成される際に体積変化が生じるために形成されるものである。この体積変化により形成された亀裂の周辺部には、m相が観測される。従って、熱サイクルによりm相とt相との相転移が繰り返されるため、亀裂は徐々に進展し、最終的にはトップコートを剥離させる。
これに対して、本発明によりトップコート34に導入される縦割れにおいては、その周辺部にm相がほとんど存在しないため、熱サイクル中にトップコート34内で相転移に伴う体積変化がほとんどなく、熱サイクルに伴う温度変化により縦割れ34Cが進展することはほとんどない。従って、この縦割れ34Cの導入によりトップコート34の寿命が短くなることはないものと考えられる。
縦割れ34Cの延在方向のより好ましい範囲は、トップコート34の膜面の法線方向に対して±20°以下の範囲である。
ピッチが5%未満であると、下地のボンドコート22と接着面積が小さくなり、密着力が不足して剥離しやすくなる場合がある。間隔が100%を超えると、亀裂先端での剥離方向への特異応力が増大して剥離を誘発する場合がある。
溶射法により縦割れ34Cを備えたトップコート34を形成する場合、溶射距離(溶射ガンと基材21上のボンドコート22との距離)を従来ジルコニア層の成膜に用いられていた溶射距離の1/4程度から2/3程度にまで近づけるか、あるいは、溶射距離は従来と同程度とし、溶射ガンに入力する電力を従来用いられていた電力の2倍程度から25倍程度にまで高めることによりトップコート34に縦割れ34Cを導入することができる。すなわち、溶射によりボンドコート22を有する基材21に飛来する溶融又は半溶融状態の粒子の温度を高くすることで、基材21上で急冷凝固される際の温度勾配を大きくし、凝固時の収縮により縦割れ34Cを導入することができる。この方法によれば、溶射距離及び/又は溶射ガンへの入力電力を調整することで、容易に縦割れ34Cの間隔や頻度(縦割れ34Cの面積密度)を制御することができ、所望の特性を備えたトップコート34を形成することができる。これにより、優れた耐剥離性、熱サイクル耐久性を備えた遮熱コーティング35を容易に形成することができる。
電子ビーム物理蒸着法により縦割れ34Cを備えたトップコート34を形成する場合、例えば、アルデンヌ社製電子ビーム蒸着装置(例えば、TUBA150)を用いて、所定のトップコート34原料からなるインゴットをターゲット材料に用い、電子ビーム出力50kW、雰囲気10−4torrの減圧環境、耐熱基材温度1,000℃の代表的条件で、縦割れ34Cを備えたトップコート34を容易に形成することができる。
柱状晶44Lは、ボンドコート22表面上で核生成した結晶が優先結晶成長方向に、単結晶状態で成長したもので、耐熱金属からなる基材21に歪が作用した場合にも、柱状晶44Lの結晶が互いに分離することから、トップコート44及びこれを含む遮熱コーティング45は高い耐久性を示す。
基材上に厚さ約100μmのCoNiCrAlY層をプラズマ溶射法で形成したものを供試体として、アルミニウム拡散浸透処理、及びアルミニウム・シリコン共拡散浸透処理の効果を調べた。前記CoNiCrAlY層に拡散浸透処理を施さない供試体を供試体1、第1の実施形態で例示したアルミニウム拡散浸透処理を施し、厚さ約50μmの拡散層を形成した供試体を供試体2、第1の実施形態で例示したアルミニウム・シリコン拡散浸透処理を施し、厚さ約50μmの拡散層を形成した供試体を供試体3とした。
それぞれの供試体を、大気中、1000℃で3000時間加熱し、CoNiCrAlY層が酸化して形成された酸化スケールの厚さを測定した。供試体1から供試体3における酸化スケールの厚さは、それぞれ12μm、6μm、及び4μmであった。
本発明のアルミニウム拡散浸透処理及びアルミニウム・シリコン共拡散浸透処理を施した供試体2及び供試体3は、拡散浸透処理を施さなかった供試体1と比べ、酸化スケールの厚さが小さく、CoNiCrAlY層の耐酸化性が優れていることが分かった。また、アルミニウム・シリコン共拡散浸透処理を施した供試体3は、酸化スケールの厚さが最も小さく、CoNiCrAlY層の耐酸化性が特に優れていることが分かった。一般的に、TBC(Thermal Barrier Coating)のセラミックスを有するトップコートの剥離にはボンドコートの酸化特性が大きな影響を及ぼすことが知られている。従って、この酸化スケールが厚く成長すると、トップコートが剥離しやすくなる。本願のAl拡散浸透処理、もしくは、Al−Si共拡散浸透処理を行ったボンドコートの場合、通常のボンドコート単体よりも酸化物生成速度が遅く、トップコートを有するTBCの剥離寿命は長寿命となるので、本発明により熱サイクル耐久性に優れ、長寿命である遮熱コーティングを提供することができる。
本発明により形成された遮熱コーティングは、産業用ガスタービンの動翼や静翼、あるいは燃焼器の内筒や尾筒などの高温部品に適用して有用である。また、産業用ガスタービンに限らず、自動車やジェット機などのエンジンの高温部品の遮熱コーティングとして適用することができる。これらの部材に本発明の遮熱コーティングを被覆することで、熱サイクル耐久性に優れるガスタービン部材や高温部品を構成することができる。
本発明の耐熱部材は、ガスタービンに限らず、ディーゼルエンジンのピストンクラウンや、ジェットエンジン部品等にも適用可能である。
22 ボンドコート
22a 拡散層
24 トップコート
24P 気孔
25 遮熱コーティング
34 トップコート
34C 縦割れ
35 遮熱コーティング
44 トップコート
44L 柱状晶
45 遮熱コーティング
140 動翼(タービン部材)
141 タブテイル
142 プラットフォーム
143 翼部
150 静翼(タービン部材)
151 内シュラウド
152 外シュラウド
153 翼部
154 冷却孔
155 スリット
160 ガスタービン
161 圧縮機
162 タービン
163 燃焼器
164 主軸
165 回転軸
Claims (9)
- 耐熱金属を有する基材上に、溶射又は蒸着によりMCrAlY合金(但し、MはCo及びNiのうちの少なくとも1種の元素を表す)を主として含有するMCrAlY層を形成する工程と、
前記MCrAlY層において、前記基材と反対側の面から、該MCrAlY層の厚さ方向の一部にアルミニウムを拡散する拡散浸透工程とを有する耐酸化膜の形成方法。 - 耐熱金属を有する基材上に、溶射又は蒸着によりMCrAlY合金(但し、MはCo及びNiのうちの少なくとも1種の元素を表す)を主として含有するMCrAlY層を形成する工程と、
前記MCrAlY層において、前記基材と反対側の面から、該MCrAlY層の厚さ方向の一部にアルミニウム及びシリコンを拡散する拡散浸透工程とを有する耐酸化膜の形成方法。 - 前記拡散浸透工程において、アルミニウム又はアルミニウム及びシリコンが拡散した層の厚さを、前記MCrAlY層の厚さの1%以上90%以下とする、請求項1又は2に記載の耐酸化膜の形成方法。
- 耐熱金属を有する基材上に形成される、MCrAlY合金(但し、MはCo及びNiのうちの少なくとも1種の元素を表す)を主として含有する耐酸化膜であって、
前記基材と反対側の面から、その厚さ方向の一部にアルミニウムが拡散された拡散層を有する耐酸化膜。 - 耐熱金属を有する基材上に形成される、MCrAlY合金(但し、MはCo及びNiのうちの少なくとも1種の元素を表す)を主として含有する耐酸化膜であって、
前記基材と反対側の面から、その厚さ方向の一部にアルミニウム及びシリコンが拡散された拡散層を有する耐酸化膜。 - 前記拡散層の厚さが耐酸化膜の厚さの1%以上90%以下である、請求項4又は5に記載の耐酸化膜。
- 請求項4から請求項6のいずれかに記載の耐酸化膜と、
該耐酸化膜の前記拡散層側に設けられた、セラミックスを有するトップコートとを備えた遮熱コーティング。 - 耐熱金属を有する基材と、
前記拡散層と反対側の面を前記基材側に配して設けられた請求項7に記載の遮熱コーティングとを備えた耐熱部材。 - 請求項8に記載の耐熱部材を備えたガスタービン。
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