JP4644324B2 - 断熱被覆の製造のための高温噴霧方法の使用 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、断熱被覆の製造のための高温噴霧方法及びこの種の断熱被覆を有する機械部品に関する。更に、この種の機械部品の使用に関する。
【0002】
【従来の技術】
プラズマ噴霧被覆の製造方法はDE−C23 28 395から知られ、その特許では、ケイ酸ジルコニウムZrSiO4(又はZrO2・SiO2)を噴霧する。この材料は非常に耐熱性(“耐火性”)であり、原材料として、即ち鉱物ジルコンからの砂として天然に存在する。開示された方法では、正方晶系の安定な酸化ジルコニウムZrO2とアモルファス二酸化ケイ素SiO2の混合物から実質的になる噴霧被覆が生じる。酸化ジルコニウムの正方晶系型は、通常、外界温度で存在する単斜晶系型と比較して保護被覆の開発のために十分適している。これらの被覆は、高温での浸食と摩損に対し保護を与える。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
更に、例えばガスタービンでのガイド翼の被覆として、断熱被覆の製造のために、ZrO2を使用することは公知である。本発明の目的は、ZrO2よりも経済的であるジルコンの断熱被覆が製造できるように、高温噴霧方法を使用することである。このことに関し、この種の断熱被覆の伝熱性は、ZrO2の公知の被覆の伝熱性より900℃までは良い(大気圧及び室温で伝熱性指数約0.6−1.0W/m.K)ことが、適切な方法で達成できる。この目的は、高温噴霧方法の使用によって満たされ、高温噴霧方法によって、Zrの大部分は酸化型ZrO2に変換される。
【0004】
【課題を解決するための手段】
高温噴霧方法の本発明による使用は、粉末形態の材料からの断熱被覆用の層の製造に関する。この材料は、最低80モル%のケイ酸ジルコニウムZrSiO4 からなり、その粉末粒子の大部分は、10〜100μmの範囲の直径を有する。噴霧の間、還元条件下、2000℃超の温度で、気体流中で粒子は少なくとも部分的に融解している。方法のパラメーター、とりわけ熱付与媒質、特にプラズマ又は火炎中の粒子の滞留時間、熱付与媒質の温度、及び粒子に転移される運動量は、粒子から形成される層はラメラ要素をもつ構造を有するように選択される。気体又は気体混合物が、ケイ素を含有する気体の遊離のための還元手段として使用される。
【0005】
本発明の方法を用いて製造された断熱被覆での測定では、圧力0.02mbarで以下の伝熱性指数が得られた。出発材料として二酸化ランタンを含有するZrSiO4−4.5モル%Nd2O3の場合、室温で約0.22W/m.K及び800℃で約0.31W/m.K(大気圧、室温で、伝熱性指数0.6W/m.K);出発材料としてZrSiO4−4.5モル%Dy2O3の場合、室温で約0.18W/m.K及び800℃で約0.24W/m.K。
【0006】
【発明の実施の形態】
噴霧法を行うための図1に示されたデバイス3は、電極30a、30bから形成されるノズル34、直流電流Iのための接続部301、302、プラズマ気体40のアルゴンArと水素H2のための供給ライン32、及び噴霧される材料10(ZrSiO4)(粉末粒子1の形態のノズル34中にしたたり落ちる)のための供給ライン31を有する。電気非伝導体である材料のキャプ30cによって、空洞部4の背部閉鎖が形成される。空洞部内でプラズマ41が産生され、高温気体流42としてノズル34から出現する。気体流42は、ノズル34の出口開口部からある距離に位置する基体2に向けられている。それは、それに沿って供給粉末粒子1を引き、Arの割合に依存して速度120〜250m/秒まで粉末粒子を加速し、粉末粒子を2000℃超の温度まで加熱し、少なくともSiO2が液体相を通過するようにする。温度はH2割合によって影響される。H2割合が高いほど温度も高い。
【0007】
プラズマ気体の場合、H2とArの割合は比較的広い限界内で変わりうる。体積関係(H2/Ar)は、標準条件下、0.01〜0.5の値を有すべきである。他の気体、例えばHeもプラズマ気体の成分として使用できる。
【0008】
H2とArの場合、流れの体積がそれぞれ約5−20と20−60標準L/分が選択される。電流Iは400−1000A、好ましくは500−700Aの範囲である。ノズル34と被覆される基体2の距離は50−150mmである。
【0009】
図2で、ArとH2を有する高温気体流42(図1)中の粒子1の飛行を示す。最初の固体状態後、粒子1は状態1′を通過する。状態1′では、粒子は表面で液化している。完全に融解した粒子1″は基体2に入射する。粒子は、変形条件下、ラメラ要素21に固化する。この種の多数の要素21は層20を形成し、層は基体2又は既に産生された層を覆う。水素H2は、加熱された粒子1′に対し還元媒質として作用し(矢43)、結果としてケイ素、特に一酸化ケイ素SiOを含有する気体を遊離させる(矢44)。更に、ケイ素含有気体の高温遊離も、気体流42の高温の結果として起る。最後に、基体2への入射後、ケイ素を含有する更なる分解産物が遊離できる(矢45)。このように産生された被覆の調査によると、ZrとSiの原子比は1.1超である(最初のジルコンでは1)。アモルファスSiO2相を有する成分は見出されなかったか、又はこれらの成分は僅かで、約6重量%未満であった。ZrSiO4の割合は10%未満であった。ケイ素Siは部分的にZrO2に溶解している。単斜晶系ZrO2の割合の場合に、10%未満の値が測定できた。ZrO2は、主に立方晶系型及び/又は正方晶系型に安定化されて存在した。立方晶系型及び/又は正方晶系型は、単斜晶系よりも噴霧被覆の機械的性質のためにかなり好ましい。ZrO2の安定化は、例えば酸化ランタニド(酸化希土類)、Y2O3又はSc2O3の添加から生じる。
【0010】
ZrO2の安定化のために、Y2O3又はSc2O3及び/又は酸化ランタニド、特にNd2O3、Yb2O3及び/又はDy2O3の更なる粒子も、適用される材料に加えることができる。これらの酸化ランタニド又はY2O3又はSc2O3それぞれの割合の場合、3−10モル%を選択することが好ましい。これらの添加物により、単斜晶系結晶構造を有するZrO2の割合が減少する。噴霧被覆の熱的機械的耐久性はそれによって改良される。
【0011】
噴霧される材料は非常にコンパクトな粉末粒子1からなることができる。図3参照。それらの直径の大部分は10〜100μmの範囲の値であるべきである。図4に示すように、粉末粒子1はまた多孔性であるように形成されることができる。これらの多孔性粒子1から、Siに特に乏しい噴霧被覆が得られる。この種の粒子1は、非常に細かくすり砕かれた粉末から得ることができ、それは、ノズルから噴射されたスラリーの形態で噴霧乾燥される。ボール様団塊は、多数の粒子11によってこのようにして生じ、最終的に炉で焼結する。高温プラズマでの噴霧粉末の前処理は、酸化ランタニド又はY2O3又はSc2O3がそれぞれ加えられたとき、流れ挙動の改良や均一性の改良などの利点をもたらす。
【0012】
図5は、ラメラ要素21をもつ、ジルコンから産生された被覆の構造を示し、図面は検査(電子顕微鏡画像)に基づいて作製された。この製図家の図面では、境界線だけを示す。これらは部分的に弱くしか、又は全く認識できなかった。境界線に沿って、可視できる、部分的にクラスター中の孔は画かれていない。ラメラ要素21に加えて、多数の非ラメラ要素21′も観察できる。矢42′は気体流42の方向を示す。
【0013】
断熱被覆は層複合材料の一部を形成する。図6参照。被覆は接着体5を介し基体2と結合する。接着体5は、金属合金、特に式MCrAlX(式中、M=Ni、Co、NiCo、CoNi又はFe、及びX=Y、Hf、Pt、Pa、Re、Si又は後者の任意の組み合わせ)からなる。断熱被覆は多層に構築され、層は、酸化ジルコニウム(層25として示す)とケイ酸ジルコニウム(ジルコン)(層20)を用いて交互に製造するのが好ましい。
【0014】
図6の例で、断熱被覆は2つの層25と20だけからなる。図6で示したのとは異なり、部分的又は完全に安定化されたZrO2は外層20のために供給されるのが好ましく、外層20は熱的機械的高安定性を有すべきである。内層25はできるだけ低い伝熱性指数を有すべきである。この種の組み合わせは、通常の被覆と比較してより薄い被覆を可能し、ガスタービンの燃焼室のために使用される。
【0015】
図7の例は、多数の層20、25(全てほぼ等しい厚さ(約100μm)を示す。層20、25はまた、異なる厚さをもつことができる。図8参照。厚いベース被覆25′、約300μm;次いで2枚の薄い被覆20′、25、各場合に20−40μm;最後に別の厚い被覆20。
【0016】
図9の例では、移行被覆250を、ベース被覆25とカバー被覆20の間に配置する。この被覆250の場合、ベース被覆25の組成からカバー被覆20の組成への移行を形成する連続的に変化する組成が提供される。
【0017】
図10の例では、ベース被覆25はジルコンを用いて製造される。セラミックカバー被覆205は、移行被覆250のように、連続的に変化する組成を有する。
【0018】
プラズマ噴霧による代わりに、ジルコン断熱被覆はまた、熱付与媒質が火炎によって形成される他の高温噴霧法によっても製造できる。
記載された断熱被覆は、ガスタービン又はディーゼル式機関で使用される機械部品で使用できるので好ましい。これらの使用では、断熱被覆は各場合に、高温燃焼気体に対する保護として役立つ。
【0019】
【発明の効果】
本発明により、機械部品に適用でき、経済的なジルコンによる断熱被覆ができる高温噴霧方法の使用が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 プラズマ噴霧方法を行うデバイスの模式図。
【図2】 基体に噴霧されているときの粉末粒子の飛行の模式図。
【図3】 粉末粒子の断面図。
【図4】 粉末粒子の断面図。
【図5】 本発明により製造した断熱被覆の層の形態的模式図。
【図6】 多層の断熱被覆の断面図。
【図7】 多層の断熱被覆の断面図。
【図8】 多層の断熱被覆の断面図。
【図9】 多層の断熱被覆の断面図。
【図10】 多層の断熱被覆の断面図。
【符号の説明】
1…粉末粒子、2…基体、3…デバイス、4…空洞部、5…接着体、10…材料、11…焼結粒子、20…層(外層、断熱被覆)、20′…断熱被覆、21…ラメラ要素、25…層、25′…断熱被覆、30a…電極、30b…電極、31…供給ライン、32…供給ライン、34…ノズル、40…プラズマ気体、41…プラズマ、42…気体流、301…接続部、302…接続部、I…直流電流。
Claims (19)
- 最低80モル%のケイ酸ジルコニウムZrSiO4からなる粉末形態の材料(10)から形成される断熱被覆用の層(20)の製造のための高温噴霧方法の使用であって、材料の粉末粒子(1)の大部分は10〜100μmの範囲の直径を有し、該粒子は、還元条件下、2000℃超の温度で、気体流(42)中で少なくとも部分的に融解している該方法の使用であって、
粒子から形成される層(20)はラメラ要素(21)をもつ構造を有し、気体又は気体混合物がケイ素を含有する気体の遊離のための還元手段として使用されるように、
方法上のパラメーターとして熱付与媒質中の粒子の滞留時間、熱付与媒質の温度、及び粒子に転移する運動量が選択される
ことを特徴とする該方法の使用。 - 請求項1に記載の高温噴霧方法の使用において、
前記材料(10)は鉱物ジルコンからなるものであり、
前記熱付与媒質は、プラズマ(41)又は火炎であり、
前記還元手段として使用される前記気体又は気体混合物は水素である
ことを特徴とする高温噴霧方法の使用。 - 請求項1に記載の高温噴霧方法の使用において、
ケイ素含有気体の高温遊離は熱付与媒質の高温の結果として起る
ことを特徴とする高温噴霧方法の使用。 - 請求項1に記載の高温噴霧方法の使用において、
前記材料(10)はコンパクトな粉末粒子(1)又は多孔性に形成される粉末粒子からなるものである
ことを特徴とする高温噴霧方法の使用。 - 請求項4に記載の高温噴霧方法の使用において、
前記材料(10)はホモゲナイズされた形態で使用され、次いで高温プラズマで処理されるものである
ことを特徴とする高温噴霧方法の使用。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の高温噴霧方法の使用において、
Y2O3、Sc2O3及び酸化ランタニドのうちの少なくとも一つを施用する材料(10)と更に混合し、これらの酸化ランタニド又はY2O3又はSc2O3の割合はそれぞれ3−10モル%である
ことを特徴とする高温噴霧方法の使用。 - 請求項6に記載の高温噴霧方法の使用において、
前記酸化ランタニドは、Nd2O3、Yb2O3及びDy2O3のうちの少なくとも一つである
ことを特徴とする高温噴霧方法の使用。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の高温噴霧方法の使用において、
ノズル(34)を有する電極(30a,30b)から形成される空洞部(4)、直流電流(I)の接続部(301、302)、及び気体流を形成するプラズマ気体(40)と噴霧する材料(10)のための供給ライン(32、31)を有する該方法を行うデバイス(3)でもって、断熱被覆の一層(20)は、プラズマ噴霧を適用される
ことを特徴とする高温噴霧方法の使用。 - 請求項8に記載の高温噴霧方法の使用において、
前記プラズマ気体(40)はH2とArの混合物であり、標準条件下のその体積比は0.01−0.05H2/Arであり、電流(I)は400−1000Aの範囲であり、被覆されるべき基体(2)からのノズル(34)の距離(a)は50−150mmである
ことを特徴とする高温噴霧方法の使用。 - 請求項9に記載の高温噴霧方法の使用において、
前記電流(I)は500−700Aの範囲である
ことを特徴とする高温噴霧方法の使用。 - 請求項9又は10に記載の高温噴霧方法の使用において、
H 2 とArの流れの体積はそれぞれ5−20と20−60標準L/分である
ことを特徴とする高温噴霧方法の使用。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の高温噴霧方法を用いて、少なくとも部分的に製造される層(20、25)を有する1層以上の断熱被覆を有する機械部品において、
このように製造された層(20)のSiに対するZrの原子比は1.1を超えるものであり、
前記層(20)には、アモルファスSiO2相を有する構成物は存在しないか、又は6重量%未満であり、ZrSiO4の割合は10重量%未満であり、単斜晶系ZrO2の割合は10重量%未満であり、ZrO2は、立方晶系型及び正方晶系型のうちの少なくとも一つで主に安定化されて存在し、SiはそのZrO2に部分的に溶解するものである、
ことを特徴とする機械部品。 - 請求項12に記載の高温噴霧方法を用いる機械部品において、
前記断熱被覆(20、25)は層複合材料の部分を形成するとともに接着体(5)を介し基体(2)に結合し、前記接着体は金属合金からなり、
前記前記金属合金は、MCrAlX(式中、M=Ni、Co、NiCo、CoNi又はFe。及びX=Y、Hf、Pt、Pa、Re、Si、又はこれらの任意の組み合わせ)からなる
ことを特徴とする機械部品。 - 請求項12に記載の高温噴霧方法を用いる機械部品において、
外層(20)は好ましくは部分的又は完全に安定化されたZrO 2 からなることを特徴とする機械部品。 - 請求項12に記載の高温噴霧方法を用いる機械部品において、
標準圧力で、最大900℃で、前記断熱被覆の伝熱性指数は0.8W/m.K未満である
ことを特徴とする機械部品。 - 請求項15に記載の高温噴霧方法を用いる機械部品において、
前記断熱被覆の前記伝熱性指数は0.6W/m.K未満である
ことを特徴とする機械部品。 - 請求項12〜16のいずれか一項に記載の高温噴霧方法を用いる機械部品において、
前記断熱被覆(20、25、20′、25′)は2つ以上の層から形成され、その層は、ケイ酸ジルコニウム及び酸化ジルコニウムを用いて製造される
ことを特徴とする機械部品。 - 請求項17に記載の機械部品において、
前記ケイ酸ジルコニウム及び酸化ジルコニウムを用いて製造される前記層は、交互に配置されるように製造される
ことを特徴とする機械部品。 - ガスタービン又はディーゼル式機関における請求項12〜18のいずれか1項に記載の機械部品の使用であって、
各場合の断熱被覆は高温燃焼気体に対する保護として提供される
該機械部品の使用。
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