JP2009514698A - パイロクロア相を有する二層構造耐熱保護組織 - Google Patents
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Abstract
Description
金属基体は被覆によって侵食性高温ガスから保護される。この意味では、最近の部品は通常、それぞれ特別な目的を果たす複数の被覆を有する。従って、組織は、通常、多層組織である。
ガスタービンの効率及び出力が運転温度の上昇と共に増大するので、ガスタービンの性能を、層組織の改良によって、より高めることが、常に、試みられている。
直接、この基材4上に、特にNiCoCrAlX型の金属結合層7が存在していることが好ましい。この金属結合層7は、好適には、(11〜13)重量%のコバルト、特に12重量%のCo、(20〜22)重量%のクロム、特に21重量%のCr、(10.5〜11.5)重量%のアルミニウム、特に11重量%のAl、(0.3〜0.5)重量%のイットリウム、特に0.4重量%のY、(1.5〜2.5)重量%のレニウム、特に2.0重量%のRe、及び残部ニッケルから成り、
或いは、好適には、(24〜26)重量%のコバルト、特に25重量%のCo、(16〜18)重量%のクロム、特に17重量%のCr、(9.5〜10.5)重量%のアルミニウム、特に10重量%のAl、(0.3〜0.5)重量%のイットリウム、特に0.4重量%のY、(1.0〜2.0)重量%のレニウム、特に1.5重量%のRe、及び残部ニッケルから成り、
或いは、好適には、29〜31重量%のニッケル、特に30重量%のニッケル、27〜29重量%のクロム、特に28重量%のクロム、7〜9重量%のアルミニウム、特に8重量%のアルミニウム、0.5〜0.7重量%のイットリウム、特に0.6重量%のイットリウム、0.6〜0.8重量%の珪素、特に0.7重量%の珪素、及び残部コバルトから成り、
或いは、好適には、27〜29重量%のニッケル、特に28重量%のニッケル、23〜25重量%のクロム、特に24重量%のクロム、9〜11重量%のアルミニウム、特に10重量%のアルミニウム、0.3〜0.7重量%のイットリウム、特に0.6重量%のイットリウム、及び残部コバルトから成っている。
金属結合層7上に又は酸化アルミニウム層(図示せず)上に、一般に、内側セラミックス層10、好適には、完全に又は部分的に安定化された酸化ジルコニウム層が存在している。好適には、イットリウム安定化酸化ジルコニウム、好ましくは6〜8重量%のイットリウムを有するものが利用されている。酸化カルシウム、酸化セリウム及び/又は酸化ハフニウムも、酸化ジルコニウムを安定化するために、同様に利用できる。
好適には、酸化ジルコニウムは、プラズマ溶射層として設けられるが、電子ビーム蒸着法(EBPVD)によって柱状結晶組織として設けられるのも好ましい。
安定化酸化ジルコニウム層10上に、主としてパイロクロア相から成る、Gd2Hf2O7又はGd2Zr2O7から成るパイロクロア相を少なくとも80重量%含んでなる、外側セラミックス層13が設けられる。
内側セラミックス層10は、好適には、40〜60μm、特に50μm±10%の厚さを有する。
内側層10及び外側層13の合計厚さは、好適には300μm、又は好適には400μmである。最大合計厚さは、好適には800μm、又は好適には最大600μmである。
内側層10の層厚が合計厚さの10%〜20%であることも有利である。
また、内側層10の層厚が合計厚さの20%〜50%又は20%〜40%であることも有利である。
合計厚さに対する内側層10の割合が20〜30%であるときも、同様に有利な結果が得られる。
好適には、内側層10の層厚は合計厚さの30%〜50%である。
好適には、内側層10の層厚が合計厚さの30%〜40%であることも有利である。
同様に、内側層10の層厚が合計厚さの40%〜50%であることも有利である。
翼120、130は、翼形部406に沿って流れる媒体に対して入口縁(前縁)409と出口縁(後縁)412を有する。
かかる超合金は、例えば欧州特許出願公告第1204776号明細書、欧州特許第1306454号明細書、欧州特許出願公開第1319729号明細書、国際公開第99/67435号パンフレット又は国際公開第00/44949号パンフレットに記載されている。これらの文献は、合金の化学組成に関する本発明の開示の一部である。
この場合、翼120、130は、鋳造法によって作ることができるが、又は方向性凝固によって、又は鍛造法によって、又は切削加工によって、又はこれらの組合せによっても作ることができる。
かかる単結晶部材の製造は、例えば融解物からの方向性凝固によって行われる。それは、液状金属合金が、単結晶構造に、即ち、単結晶部材に凝固されるか、又は方向性凝固される鋳造法である。そのデンドライト(樹枝状)結晶は、熱流束に沿って方向づけられ、柱状結晶粒構造(柱状(Columnar)構造、即ち、部材の全長に亘って延び、ここでは一般的な用語に従って、一方向凝固と呼ばれる結晶粒)を形成するか、又は単結晶組織を形成する、即ち、部材全体が単結晶から成っている。これらの方法において、球状(多角結晶)凝固への移行は避けねばならない。何故ならば、無指向性成長によって必然的に、一方向凝固部品又は単結晶部品の有利な特性を無に帰する横方向粒界及び縦方向粒界が、形成されるからである。
従って、一般に一方向凝固構造に言及するとき、それは、粒界が存在しないか、たかだか小角粒界(Kleinwinkelkorngrenzen)しか存在しない単結晶と、縦方向に延びる粒界が存在するが横方向に延びる粒界が存在しない柱状結晶粒構造とを、意味する。後者の結晶構造の場合、一方向凝固組織(directionally solidified structures)とも呼ばれる。
かかる方法は米国特許第6024792号明細書及び欧州特許出願公開第0892090号明細書によって知られており、これらの文献は、本発明の開示の一部である。
適切な被覆法、例えば電子ビーム蒸着法(EB−PVD)、によって、断熱層内に柱状粒子が生じる。
燃焼室110は、例えば、いわゆる環状燃焼室として設計され、そこでは、回転軸線102を中心として円周方向に配置された、火炎156を発生する複数のバーナ107が、共通燃焼室空間154に開口している。そのために、燃焼室110は、全体として、回転軸線102の周りに配置された環状構造物として設計されている。
合金から成る各熱シールド要素155は、その作動媒体側に特に耐熱性の保護層(MCrAlX層及び/又はセラミックス層)を備えているか、又は耐火性材料(中実セラミックスレンガ)で作られている。
これらの保護層はタービン翼の保護層に類似していてもよい、即ち、例えばMCrAlXである。ここで、Mは鉄(Fe)、コバルト(Co)及びニッケル(Ni)からなる群から選ばれる少なくとも1つの元素、Xは活性元素であり、イットリウム(Y)及び/又は珪素及び/又は少なくとも1つの希土類元素、或いはハフニウム(Hf)である。かかる合金は、欧州特許出願公告第0486489号明細書、欧州特許出願公告第0786017号明細書、欧州特許出願公告第0412397号明細書又は欧州特許出願公開第1306454号明細書で知られおり、これらの文献は、合金の化学組成に関して、本発明の開示の一部を構成する。
ガスタービン100は、その内部に、回転軸線102の回りに回転可能に支承され、軸101を有する、タービンロータとも呼ばれる、ロータ103を有している。
このロータ103に沿って順に、吸込み室104、圧縮機105、同軸的に配置された複数のバーナ107を有するトーラス状燃焼室、特に環状燃焼室110、タービン108及び排気室109が続いている。
環状燃焼室110は例えば環状の高温ガス通路111に連通している。そこでは、例えば、直列接続された4つのタービン段112がタービン108を形成している。
そこでの温度に耐えるために、それらの部品は冷却剤によって冷却されてもよい。
部品の基材は、同様に方向性組織からなるものであっても、即ち、単結晶(SX組織)であっても又は縦方向結晶粒組織(DS組織)だけからなるものであってもよい。
7 金属結合層
10 内側セラミックス層
13 外側セラミックス層
Claims (21)
- 基材(4)と、NiCoCrAlX合金から成る金属結合層(7)と、金属結合層(7)上の、特に安定化酸化ジルコニウム層上の、取り分けイットリウム安定化酸化ジルコニウム層上の、内側セラミックス層(10)とを有する層組織であって、内側セラミックス層(10)上に外側セラミックス層(13)が存在し、該外側セラミックス層(13)が、少なくとも80重量%、特に100重量%までのパイロクロア相Gd2Zr2O7からなることを特徴とする層組織。
- Gd2Zr2O7の代わりにGd2Hf2O7が存在していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計厚さの10〜50%の層厚を、有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計厚さの10〜40%の層厚を、有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計厚さの10〜30%の層厚を、有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計厚さの10〜20%の層厚を、有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計厚さの20〜50%の層厚を、有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計厚さの20〜40%の層厚を、有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計厚さの20〜30%の層厚を、有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計厚さの30〜50%の層厚を有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計厚さの30〜40%の層厚を、有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)が、内側層(10)及び外側層(13)の合計厚さの40〜50%の層厚を、有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)が、40〜60μm、特に50μmの層厚を、有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 金属結合層(7)が、重量%表示で、11〜13%、特に12%のコバルト、20〜22%、特に21%のクロム、10.5〜11.5%、特に11%のアルミニウム、0.3〜0.5%、特に0.4%のイットリウム、1.5〜2.5%、特に2.0%のレニウム、及び残部ニッケルの、組成を有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 金属結合層(7)が、重量%表示で、24〜26%、特に25%のコバルト、16〜18%、特に17%のクロム、9.5〜10.5%、特に10%のアルミニウム、0.3〜0.5%、特に0.4%のイットリウム、1.0〜2.0%、特に1.5%のレニウム及び残部ニッケルの、組成を有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 金属結合層(7)が、重量%表示で、29〜31%、特に30%のニッケル、27〜29%、特に28%のクロム、7〜9%、特に8%のアルミニウム、0.5〜0.7%、特に0.6%のイットリウム、0.6〜0.8%、特に0.7%の珪素及び残部コバルトの、組成を有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 金属結合層(7)が、重量%表示で、27〜29%、特に28%のニッケル、23〜25%、特に24%のクロム、9〜11%、特に10%のアルミニウム、0.3〜0.7%、特に0.6%のイットリウム及び残部コバルトの、組成を有していることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- イットリウム安定化酸化ジルコニウム層が6〜8重量%のイットリウムを含んでいることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)及び外側層(13)の合計厚さが300μmであることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 内側層(10)及び外側層(13)の合計厚さが400μmであることを特徴とする請求項1に記載の層組織。
- 合計厚さが、最大800μm、特に最大600μmであることを特徴とする請求項1、19又は20に記載の層組織。
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