JP2009542455A - 高間隙率を有する層状断熱層および構成部品 - Google Patents

Abstract

最先端技術によるセラミック断熱層は、熱応力および機械的応力に耐えないことがよくある。本発明のセラミック断熱層（１０）は、異なる多孔率を有する２つのセラミック断熱層（１１、１３）を備え、内側セラミック断熱層（１１）でする高い多孔率を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１に記載の高間隙率を有する層状断熱層と、請求項１６に記載の構成部品とに関する。

米国特許第４２９９８６５号明細書には、２０容量％〜３３容量％の非常に高い間隙率を有する外側層と、緻密な内側セラミック断熱層とを備える２層セラミック断熱層が開示されている。

欧州特許第０８１６５２６号明細書には、２０容量％〜３５容量％の間隙率を有する単一層のみを備える断熱層組織が開示されている。

米国特許第４９３６７４５号明細書には、２０容量％〜３５容量％の間隙率を有する単一のセラミック層が開示されている。

米国特許出願公開第２００４／０１２６５９９Ａ１号明細書には、異なる微細構造を有する２層断熱層が開示されている。

断熱層は、実質的に機能層であり、基材を、例えば過度の熱から保護するように意図されている。基材は、十分に高い機械強度を有する。断熱層も、熱応力および／または機械的応力に曝されて、亀裂により機能しなくなる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、熱応力および機械的応力により良好に耐えることが可能な断熱層および構成部品を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の断熱層と請求項１６に記載の構成部品とにより達成される。

典型的な実施形態を図に示す。

図１において、断熱層組織１の一例を示す。
断熱層組織１は、コバルト基またはニッケル基であり、かつガスタービン１００（図４）用の構成部品１２０、１３０（図５）、１５５（図６）である、金属基材４を備える。金属基材４は、超合金（図３）からなる。

ＭＣｒＡｌＸ型の金属結合層７を、この基材４に好適に塗布する。動作中、またはさらに別のコーティング層１０を形成する前に、熱成長酸化物層（ＴＧＯ）（図示せず）は、この金属結合層７の上に形成される。

少なくとも２層のセラミック断熱層１０を、金属結合層７に塗布する。
セラミック断熱層１０は、高温媒体、特にガスタービン１００の高温ガス通路に面する外側セラミック断熱層１３と、内側セラミック断熱層１１とを有する。内側セラミック断熱層１１は、セラミックＴＧＯではない。

特に内側セラミック断熱層１１は、外側セラミック断熱層１３と同じ化学組成を有する。

外側セラミック層１３は、内側セラミック層１１よりも高い間隙率を有する。内側セラミック層１１と外側セラミック層１３の間隙率の範囲は、重ならず、同じ値ではない。

ある優位な例では、内側セラミック断熱層１１は５容量％〜１１容量％、特に９容量％〜１１容量％の間隙率を有し、外側セラミック断熱層１３は２０容量％〜２７容量％、特に２１容量％〜２７容量％、さらに特に２３容量％〜２７容量％の間隙率を有する。内側セラミック断熱層１１の間隙率の最大値は、外側セラミック断熱層１３の間隙率の最小値よりもはるかに小さいことが明らかである。

図２において、優位な断熱層１０の別の例を示す。中間セラミック断熱層１２は、高温媒体、特にガスタービン１００の高温ガス通路に面する外側セラミック断熱層１３と内側セラミック断熱層１１との間に存在する。

内側セラミック断熱層１１は、セラミックＴＧＯではない。特に、内側セラミック断熱層１１は、中間セラミック断熱層１２および外側セラミック断熱層１３と同じ化学組成を有する。

ある優位な例では、内側セラミック断熱層１１は５容量％〜１１容量％、特に９容量％〜１１容量％の間隙率を有し、外側セラミック断熱層１３は２０容量％〜２７容量％、特に２３容量％〜２７容量％の間隙率を有する。中間セラミック断熱層１２の間隙率は、外側セラミック断熱層１３の間隙率よりも低い。特に、中間セラミック断熱層１２の間隙率は、内側セラミック断熱層１１の範囲と外側セラミック断熱層１３の範囲との間にある。より優位に、この層１２の間隙率は、内側セラミック断熱層１１の間隙率の値と外側セラミック断熱層１３の間隙率の値との間で徐々に変化する。

中間セラミック断熱層１２は、１５０μｍ以下、特に７５μｍの層厚の優位な値を有する。

特に、図１および２中の例の内側セラミック断熱層１１は、１００μｍ〜１５０μｍ、特に１２５μｍの厚さを有する。

図１および２中の例の外側セラミック断熱層１３は、１５０μｍ〜２ｍｍ、特に１ｍｍ〜２ｍｍの厚さを有する。

セラミックコーティング１１、１２、１３用の材料は、要望どおりに、選択することが可能であり、特にイットリア安定化ジルコニア（Ｙ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂）を用いる。コーティング１１、１２、１３用に異なる材料を用いることも可能である。

特に、内側、中間及び外側セラミック断熱層は、プラズマ溶射により形成される。

これは、一般に、内側、中間または外側セラミック断熱層の形態はＥＢ−ＰＶＤ層のような柱状構造ではなく、板状の粒状組織を有することを意味する。

特に、断熱層１０は、内側セラミック断熱層１１および外側セラミック断熱層１３である２つの層からなる。

さらに特に、断熱層１０ は、内側セラミック断熱層１１、中間セラミック断熱層１２および外側セラミック断熱層１３である３つの層からなる。

図４は、例として、ガスタービン１００の部分縦断面を示す。ガスタービン１００は、内部において、軸１０１を有してタービンロータとも呼ばれる、回転軸線１０２の周りで回転可能なように取付けられるロータ１０３を備える。吸引ケーシング１０４、圧縮機１０５、同軸に配置された複数のバーナ１０７を有する、例えばトロイダル燃焼室１１０、特に環状燃焼室、タービン１０８、および排気ケーシング１０９が、順にロータ１０３に沿って配置される。環状燃焼室１１０は、例えば環状の高温ガス通路１１１に連通しており、そこで、例えば４つの連続したタービン段１１２がタービン１０８を構成する。各タービン段１１２は、例えば２つの動翼または静翼輪により構成される。作動媒体１１３の流れ方向から見て、高温ガス通路１１１において、静翼１１５の列の後に、動翼１２０により構成される列１２５が続く。

静翼１３０は、ステータ１４３の内部ケーシング１３８に固定され、 また列１２５の動翼１２０は、例えばタービンディスク１３３により、ロータ１０３に取付けられている。発電機（図示せず）が、ロータ１０３に取付けられている。

ガスタービン１００の動作中に、圧縮機１０５は、吸引ケーシング１０４を通して空気１３５を吸い込み圧縮する。圧縮機１０５のタービン側の端部に供給された圧縮空気は、バーナ１０７を通過し、ここで燃料と混合される。混合気は燃焼室１１０で燃焼されることにより、作動媒体１１３を形成する。そこから、作動媒体１１３は高温ガス通路１１１に沿って流れ、静翼１３０および動翼１２０を通過する。作動媒体１１３は動翼１２０で膨張することにより、その運動量を伝達するので、動翼１２０はロータ１０３を駆動し、次にロータ１０３は、それに連結された発電機を駆動する。

ガスタービン１００の動作中に、高温の作動媒体１１３に曝される構成部品は、熱応力を受ける。作動媒体１１３の流れ方向から見て、最初のタービン段１１２の静翼１３０および動翼１２０は、環状燃焼室１１０の内張りされる断熱レンガとともに、最も高い熱応力を受ける。そこでの温度に耐えることが可能なように、それらは冷却剤により冷却される。構成部品の基材も、方向性構造、すなわち単結晶構造（ＳＸ構造）あるいは縦方向のみの配向粒子（ＤＳ構造）を有してもよい。一例として、鉄基、ニッケル基またはコバルト基の超合金を、構成部品用の材料、特に動翼または静翼１２０、１３０および燃焼室１１０の構成部品用の材料として用いる。

この種の超合金は、例えば、該合金の化学組成に関する開示の一部を構成する、欧州特許第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ＷＯ９９／６７４３５号明細書または国際公開第ＷＯ００／４４９４９号明細書において公知である。

静翼１３０は、タービン１０８の内部ケーシング１３８に面する案内翼付根（ここでは図示せず）と、案内翼付根とは反対側にある案内翼端とを有する。案内翼端は、ロータ１０３に面しており、ステータ１４３の固定輪１４０に固定されている。

図５は、縦軸線１２１に沿って伸びる、流体機械の動翼１２０または静翼１３０の斜視図を示す。

流体機械は、飛行機のガスタービン、発電用プラントのガスタービン、蒸気タービン、または圧縮機であってもよい。

動翼または静翼１２０、１３０は、縦軸線１２１に沿って順に、取付部４００、隣接する動翼または静翼プラットホーム４０３、主動翼または静翼板４０６、および動翼または静翼端４１５を有する。静翼１３０として、静翼１３０は、その静翼端４１５においてさらに別のプラットフォーム（図示せず）を有してもよい。

回転翼１２０、１３０を軸またはディスク（図示せず）に固定するために用いる、動翼または静翼付根１８３を、取付領域４００に形成される。動翼または静翼付根１８３は、例えばハンマーヘッド状に設計される。クリスマスツリー形またはあり継ぎ根などその他の構成が可能である。動翼または静翼１２０、１３０は、主動翼または静翼部４０６を通過する媒体用の前縁４０９および後縁４１２を有する。

従来の動翼または静翼１２０、１３０の場合、一例として中実の金属材料、特に超合金を、動翼または静翼１２０、１３０のすべての領域４００、４０３、４０６に用いている。

この種の超合金は、例えば、該合金の化学組成に関する開示の一部を構成する、欧州特許第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ＷＯ９９／６７４３５号明細書または国際公開第ＷＯ００／４４９４９号明細書において公知である。この場合、動翼または静翼１２０、１３０は、鋳造工程により、また方向性凝固により、鍛造工程により、フライス工程のより、またはそれらの組合せにより製造される。

１つまたは複数の単結晶構造を有する工作物を、動作中に高い機械的応力、熱応力および／または化学的応力に曝される、機械用の構成部品として用いる。この種の単結晶工作物は、例えば溶融物からの方向性凝固により、製造される。これは、液体金属合金を凝固して単結晶構造すなわち単結晶工作物を形成する、あるいは一方向に凝固する、凝固工程を含む。この場合、樹枝状結晶は、熱流の方向に配向し、柱状結晶粒構造（すなわち工作物の全長を通過する粒子であり、ここでは習慣的に用いる専門用語に従い方向性凝固という）、または単結晶構造のいずれかを形成する。すなわち、全工作物は１つの単結晶からなる。これらの工程において、非方向性成長は不可避的に横方向および縦方向粒界を形成して、これにより方向性凝固または単結晶構成部品の有利な特性を打ち消すために、球状（多結晶）凝固への遷移を避ける必要がある。

一般に、一方向に凝固する微細構造に言及する場合、これは、粒界を持たないあるいはせいぜい小さな角度の粒界のみを有する単結晶と、縦方向に走る粒界を有するが横方向粒界は持たない柱状結晶構造との両方の意味として理解されるべきである。結晶構造のこの第２の形状は、一方向に凝固する微細構造（一方向凝固構造）としても記載される。この種の工程は、本凝固工程に関する開示の一部を構成する、米国特許第６０２４７９２号明細書および欧州特許出願公開第０８９２０９０号明細書において公知である。

動翼または静翼１２０、１３０も、腐食や酸化から保護するコーティング、例えばＭＣｒＡｌＸ（Ｍは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）から成るグループから選択される少なくとも１つの元素、Ｘは活性元素であり、イットリウム（Ｙ）および／またはケイ素および／または少なくとも１つの希土類元素、またはハフニウム（Ｈｆ）を表す）を有してもよい。この種の超合金は、例えば、該合金の化学組成に関する本開示の一部を構成するように意図された、欧州特許第０４８６４８９明細書、欧州特許第０７８６０１７号明細書、欧州特許第０４１２３９７号明細書または欧州特許出願公開第１３０６４５４号明細書において公知である。密度は、好適に、理論密度の９５％である。保護アルミナ層（ＴＧＯ＝熱成長酸化物層）は、（中間層または最外側層として）ＭＣｒＡｌＸ層上に形成される。

例えばＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂からなる断熱層、すなわち、好適な最外層である、酸化イットリウムおよび／または酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムにより非安定、部分的に安定、あるいは完全に安定化した断熱層が、ＭＣｒＡｌＸ上に存在することも可能である。断熱層は、全ＭＣｒＡｌＸ層を覆う。電子ビーム物理蒸着析出（ＥＢ−ＰＶＤ）などの好適なコーティング工程により、柱状粒を断熱層中に生成する。大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳまたはＣＶＤなど他のコーティング工程も考えられる。断熱層は、熱衝撃に対する抵抗を高めるマイクロクラック、またはマクロクラックを有する多孔質粒を含んでもよい。これにより、好適に断熱層はＭＣｒＡｌＸ層よりもより多孔質になる。

動翼または静翼１２０、１３０は、中空または中実状でもよい。動翼または静翼１２０、１３０を冷却すべきときには、動翼または静翼１２０、１３０は中空であり、膜冷却用孔４１８（破線で示す）を有してもよい。

図６は、ガスタービン１００の燃焼室１１０を示す。例えば、回転軸線１０２の回りに円周方向に配置される多数のバーナ１０７が、共通燃焼室空間１５４中に開口されて火炎１５６を発生する、環状燃焼室と呼ばれるように、燃焼室１１０を構成する。この目的のために、燃焼室１１０全体が、回転軸線１０２のまわりに位置する環状構成である。

比較的高い効率を達成するために、燃焼室１１０は、比較的高温である約１０００℃〜約１６００℃の作動媒体Ｍ用に設計されている。
材料にとっては不向きであるこれらの動作パラメータでも比較的長い使用寿命を可能にするために、作動媒体Ｍに面する側に遮熱要素１５５からなる内張りを有する、燃焼室壁１５３を設ける。

燃焼室１１０の内部の高温のために、遮熱要素１５５および／またはそれらの保持要素用として冷却システムを設けてもよい。その場合、遮熱要素１５５は、例えば中空であり、適切であれば燃焼室空間１５４中に開口する冷却孔（図示せず）を設ける。

合金からなる各遮熱要素１５５を、特に耐熱保護層（ＭＣｒＡｌＸ層および／またはセラミックコーティング）を有する作動媒体側に設ける、あるいは高耐熱材料（中実のセラミックレンガ）により構成する。これらの保護層は動翼または静翼に用いられるものと同様でもよい、即ち、例えばＭＣｒＡｌＸで表されるものでもよい。ここでＭは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）から成るグループから選択される少なくとも１つの元素、Ｘは活性元素であり、イットリウム（Ｙ）および／またはケイ素および／または少なくとも１つの希土類元素、またはハフニウム（Ｈｆ）を表す。この種の超合金は、例えば、該合金の化学組成に関する本開示の一部を構成するように意図される、欧州特許第４８６４８９号明細書、欧州特許第０７８６０１７号明細書、欧州特許第０４１２３９７号明細書または欧州特許出願公開第１３０６４５４号明細書において公知である。

例えばＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂からなるセラミック断熱層、すなわち、酸化イットリウムおよび／または酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムにより非安定、部分的に安定、あるいは完全に安定化したセラミック断熱層が、ＭＣｒＡｌＸ上に存在することも可能である。電子ビーム物理蒸着析出（ＥＢ−ＰＶＤ）などの好適なコーティング工程により、柱状粒を断熱層中に生成する。大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳまたはＣＶＤなど他のコーティング工程も考えられる。断熱層は、熱衝撃に対する抵抗を高めるマイクロクラック、またはマクロクラックを有する多孔質粒を含んでもよい。

磨き直しとは、動翼または静翼１２０、１３０、遮熱要素１５５から、それらの使用後に保護層を、（例えば、サンドブラストにより）除去する必要がある場合を意味する。その後、腐食および／または酸化層および生成物を除去する。動翼または静翼１２０、１３０または遮熱要素１５５に亀裂があれば、適切に修理する。その後、動翼または静翼１２０、１３０または遮熱要素１５５の再コーティングが行われて、動翼または静翼１２０、１３０または遮熱要素１５５が再利用される。

断熱層の一例を示す。 断熱層の他の例を示す。 断熱層用基材の超合金を一覧表にして示す。 ガスタービンを示す。 動翼または静翼を示す。 燃焼室を示す。

Claims (22)

1. 構成部品の基材（４）にもっとも近接しており、かつ５容量％〜１１容量％、特に９容量％〜１１容量％の間隙率を有する内側セラミック断熱層（１１）と、
   ２０容量％〜２７容量％、特に２１容量％〜２７容量％、さらに特に２３容量％〜２７容量％の間隙率を有する外側セラミック断熱層（１３）と、
   を有する少なくとも２つの層（１１、１２、１３）を備える、構成部品（１、１２０、１３０、１３８、１５５）用の断熱層（１０）。
2. 中間セラミック断熱層（１２）は、内側セラミック断熱層（１１）と外側セラミック断熱層（１３）との間に存在する請求項１に記載の断熱層。
3. 中間セラミック断熱層（１２）の間隙率が、最小値から最大値に徐々に変化する請求項２に記載の断熱層。
4. 中間セラミック断熱層（１２）の間隙率は、内側セラミック層（１１）の最大値と外側セラミック層（１３）の最小値との間である請求項２または３に記載の断熱層。
5. 中間セラミック断熱層（１２）の間隙率は、内側セラミック断熱層（１１）の間隙率から外側セラミック断熱層（１２）の間隙率へ、特に（９容量％〜１１容量％）から（２０容量％〜２７容量％）へ、特に（９容量％〜１１容量％）から（２１容量％〜２７容量％）へ、特に（９容量％〜１１容量％）から（２３容量％〜２７容量％）に増加する請求項２、３または４に記載の断熱層。
6. 中間セラミック断熱層（１２）の間隙率は、（９容量％〜１１容量％）〜（２０容量％〜２７容量％）、特に（９容量％〜１１容量％）〜（２３容量％〜２７容量％）の一定値を有する請求項２または４に記載の断熱層。
7. 内側セラミック断熱層（１１）の層厚は、１００μｍ〜１５０μｍ、特に１２５μｍである先行請求項のいずれかに記載の断熱層。
8. 中間セラミック断熱層（１２）の層厚は、１５０μｍ以下、特に７５μｍ以下である先行請求項のいずれかに記載の断熱層。
9. 外側セラミック断熱層（１３）の層厚は、１５０μｍ〜２０００μｍ、特に１ｍｍ〜２ｍｍである先行請求項のいずれかに記載の断熱層。
10. セラミック断熱層（１１、１２、１３）は、イットリウム安定化ジルコニア（Ｙ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂）からなる先行請求項のいずれかに記載の断熱層。
11. 内側セラミック断熱層（１１）は、プラズマ溶射により形成される先行請求項のいずれかに記載の断熱層。
12. 中間セラミック断熱層（１２）は、プラズマ溶射により形成される先行請求項のいずれかに記載の断熱層。
13. 最外セラミック断熱層（１３）は、プラズマ溶射により形成される先行請求項のいずれかに記載の断熱層。
14. 断熱層（１０）は、２つの層（１１、１３）からなる先行請求項のいずれかに記載の断熱層。
15. 断熱層（１０）は３つの層（１１、１２、１３）からなる先行請求項のいずれかに記載の断熱層。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の基材（４）上の断熱層（１０）を有する構成部品。
17. 基材上の中間金属層（７）は、重量％表示で、Ｎｉ−１２Ｃｏ−２ｌＣｒ−１１Ａ１−０．４Ｙ−Ｒｅからなる請求項１６に記載の構成部品。
18. 基材（４）上の中間金属層（７）は、重量％表示で、Ｎｉ−２５Ｃｏ−１７Ｃｒ−１０Ａ１−０．５Ｙ−Ｒｅからなる請求項１６に記載の構成部品。
19. 基材（４）上の中間金属層（７）は、重量％表示で、Ｃｏ−３０Ｎｉ−２８Ｃｒ−８Ａ１−０．６Ｙ−０．７Ｓｉからなる請求項１６に記載の構成部品。
20. 基材（４）はニッケル基である請求項１６、１７、１８または１９に記載の構成部品。
21. 基材（４）はコバルト基である請求項１６、１７、１８または１９に記載の構成部品。
22. 動翼（１２０）、静翼（１３０）、断熱要素（１５５）またはケーシング（１５８）、特にタービン（１００）である、請求項１６〜２１のいずれかに記載の構成部品は、

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