JP7002443B2 - ガスタービンのコンプレッサー構成部品用の輪郭追従保護層 - Google Patents

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Description

本発明は、腐食に晒されるサブストレート（腐食負荷サブストレート）のための多層コーティング系に関する。
ガスタービンの構成部品は、腐食媒体に晒される。これらの構成部品を腐食から保護するためにコーティングが適用される。したがって、アルミニウム粒子を含んだ高温ラッカーが、ガスタービンの、特に定置ガスタービンのコンプレッサー構成部品のために使用される。しかしながら、このタイプのコーティングは低い全体硬度（約５０ＨＶ）を有する。結局、耐食性（例えば粒子腐食又は衝撃腐食に対する）も比較的低い。低い全体硬度は、とりわけコーティング内の柔らかいアルミニウム粒子に起因する。低い耐食性のために、特定の時間間隔後に、構成部品が腐食のために試験される必要があり、必要ならば、コーティングをはがし、テストし、同じコーティングで再びコーティングされる必要がある。このプロセスは多くの時間を必要とし、労働集約的である。
ゆえに、ガスタービンの構成部品の耐食性を改善することを目的とする。
この目的は、請求項１，７の特徴を有するコーティング系及び請求項１２の特徴を有するガスタービンのコンプレッサー構成部品によって達成される。本発明の更なる有利な実施形態は、付加的な独立請求項、従属請求項、図面及び例示の実施形態から明らかとなる。
本発明の第１の特徴は、表面を有し腐食に晒されるサブストレートのためのコーティング系に関し、当該コーティング系は少なくとも、第一層、第二層及び第三層を有する。
－サブストレートの表面と第二層の間に配置された第一層は、接着促進層として設計され、
－第二層は、柱状構造を有する延性のある金属層であり、及び
－サブストレートから離れて面する第二層の側面に配置された第三層は、少なくとも２０ＧＰａの硬度を有するセラミック酸化物層（ceramic oxide layer）である。
従来のコーティングに比べて、本発明に従うコーティング系は、少ないメンテナンスを必要とし、メンテナンス及び修理間隔がより大きく選択できるため、有利である。結局、当該系を維持するために、少なめのコストと少なめの時間が必要となるので、当該系は経済的により有効である。増大した耐食性に加えて、本発明に従うコーティングは、アルミニウム粒子を含んだ高温ラッカーと少なくとも同様の腐食疲労クラッキング特性を有する。
単位ＧＰａでの硬度の表示は、コーティングが物の侵入とは反対に与える圧力を指す。
接着促進層としての第一層の形成は、コーティング系のベース材料と第二層の間のより高い接着を保証する。コーティング系の第一層は好ましくはクロム又は窒化クロムを有する。
第二層は、有利には陰極性により犠牲アノードとしてのその機能によってサブストレートを保護する。第二層の延性は有利には、その層内にクラックを生じさせることなく、振動性負荷の際の伸長を阻む機能を有する。第二層の柱状構造は有利には、第三層によって生じる残留応力を保証するよう機能する。第二層の柱状構造は好ましくは、アルミニウム含有合金、例えばアルミニウム及びクロムを有する合金から成る。
本発明に従うコーティング系の第三層は好ましくは、酸化アルミニウム及び／又は酸化クロム及び／又は固溶体構造の酸化アルミニウム／クロムを有する。それは、完全にこれらの酸化物から成ってもよい。酸化物のおかげで、第三層は酸化に対して耐性を有し、というのもそれが既に少なくとも１つの酸化物から成り、ゆえに高温で使用できるからである。第三層は非常に密な構造を有する。第三層は、とりわけ、有利には第二層のための腐食保護として作用する。さらに、第三層は、そのセラミックの性質によって絶縁作用を有し、その結果有利にはガルバニ効果が防止される。さらに、第三層はベース材料より著しく硬く、ゆえに有利には下にある層及びベース材料のために、腐食に対する、特に衝撃腐食及び粒子腐食に対する保護として作用する。第三層の硬度は好ましくは約２５ＧＰａである。
３つの層が適用されるサブストレートは好ましくは、ガスタービンのコンプレッサー構成部品の構成部分である。サブストレートが定置ガスタービンのコンプレッサー構成部品の構成部分であることが特に好ましい。例えば、コンプレッサー構成部品はコンプレッサーブレードである。
本発明の第２の特徴は、本発明に従うコーティング系を有するガスタービンのコンプレッサー構成部品に関する。言い換えれば、ガスタービンの本発明に従うコンプレッサー構成部品は、表面を有し腐食に晒されるサブストレートのためのコーティング系を有し、当該コーティング系は、少なくとも第一層、第二層及び第三層を有し、サブストレートの表面と第二層の間に配置された第一層は接着促進層として設計され、第二層は、柱状構造を有する延性のある金属層であり、サブストレートから離れて面する第二層のその側面に配置された第三層は、少なくとも２０ＧＰａの硬度を有するセラミック酸化物層である。この場合、ガスタービンは好ましくは定置ガスタービンである。
本発明の第３の特徴は、本発明に従うコーティング系に対応する３つの層を有する、腐食に晒されるサブストレートのためのコーティング系を製造するための方法に関し、層の全ての物質は物理蒸着法（ＰＶＤ）によって適用される。本方法は、従来の層の適用の間に実行されなければならなない熱処理が必要とされないので、有利である。さらに、ＰＶＤにより適用される層は、良好な空力的特性をもたらす有利な表面粗さを有する。さらには、層の厚さは１０μｍにまでなり、ゆえにコーティングされた構成部品は正確な輪郭を備えて再現できるので、すなわち、付加的なマスキングが必要でないので、ＰＶＤ法はコーティングに有利である。
コーティング系の層は、好ましくは陰極アーク蒸着によって及び／又はスパッタリングによって適用・塗布される。言い換えれば、それら層は、前述した方法のうちの１つ又は両方法の組み合わせによって適用される。
図面に則して本発明をより詳細に説明する。
コーティング系の実施形態を示す図である。 図１に示される実施形態の電子顕微鏡画像を示す図である。 本発明に従う方法の実施形態のフローチャートを示す図である。
図１に示される実施形態では、コーティング系１が、表面２ａを有するサブストレート２、第一層３、第二層４及び第三層５を有する。サブストレート２は少なくとも１つの金属を有し、合金であってもよい。腐食条件下では、サブストレート２は腐食の影響を受けやすい。
第一層３は表面２ａの上に配置され、約１００ｎｍの厚さを有する。それは好ましくはクロム又は窒化クロムから成るが、接着促進層としてのその特性において、それは他の金属を有してもよく、又は例えばタイプＭＣｒＡｌＹの異なる組成を有してもよい。
第二層４は第一層３の上に配置され、０．５～５．０μｍ、好ましくは１．０～３．０μｍの範囲の厚さを有する。第二層４は、アルミニウム合金から成る柱状構造を有する延性のある金属層である。例えば、第二層４は、アルミニウム及びクロムを有する合金から成るが、それに代えて合金は更なる金属又はクロム以外の金属を含んでもよい。
第三層５は第二層４の上に配置され、０．５～１０．０μｍ、好ましくは１．０～５．０μｍの範囲の厚さを有する。第三層５は、非常に密な構造を有する硬い酸化セラミックである。第三層５の材料は、酸化クロムと酸化アルミニウムの混合物、好ましくは酸化アルミニウム／クロムの固溶体化合物と付加的なＡｌ－Ｃｒ金属間化合物の混合物である。別な酸化物及び他の化合物又は元素が第三層５に存在してもよい。第三層５は、それが既に酸化物から成るので、腐食に対して耐性がある。結局、第三層５は、サブストレート２及び他の層を腐食から保護する。セラミック成分は、第三層５に、一般的に２５ＧＰａにもなる高い硬度を与える。ゆえに第三層５は、サブストレート２及び他の層よりもかなり硬い。高い硬度は、腐食に対して、特に衝撃腐食及び粒子腐食に対して有効になる。
コーティング系の厚さは全体として２０μｍにもなる。この場合、個々の層、特に第二層４及び第三層５は、上で示したものよりも高い厚さを有してもよい。図２に示される埋め込み化合物６は、金属組織調査のために第三層５に適用される。埋め込み層は無機酸化物を有する。図２は、コーティング系１の走査型電子顕微鏡画像の描写であり、第一層３がその小さい厚さのために殆ど見えない。
サブストレート２は好ましくは、コンプレッサー構成部品に、好ましくは定置ガスタービンのコンプレッサーブレードに属する。しかしながら、それは定置ガスタービンの又は別なガスタービンの別な構成部品に属してもよい。
前述したコーティング系１を製造するために、図３の図解について本方法の１つの実施形態では、表面２ａを有するサブストレート２が第１ステップＳ１で設けられる。第２ステップＳ２では、第一層３の物質が物理蒸着法（ＰＶＤ）によって適用される。第３ステップＳ３では、第二層４の物質が同様にＰＶＤによって適用される。第４ステップＤ４では、第三層５の物質が同様にＰＶＤによって適用される。
この場合、陰極アーク蒸着がＰＶＤの好ましい方法として実行される。同様に好ましい方法がスパッタリングである。同様に、２つの方法が互いに組み合わせられると好ましい。選択的に及び／又は前述した方法と組み合わせて使用できる別な可能な使用できる方法は、熱蒸着、電子ビーム蒸着、レーザービーム蒸着又はアーク蒸着である。
当業者に自明な本発明の改変及び変更は特許請求項の保護の範囲に含まれる。
１ コーティング系
２ 腐食に晒されるサブストレート
２ａ 表面
３ 第一層
４ 第二層
５ 第三層

Claims (12)

  1. －ガスタービンのコンプレッサー構成部品の腐食に晒されるサブストレートを有するコーティング系であって、当該腐食に晒されるサブストレートは上記サブストレート上に少なくとも、第一層、第二層及び第三層を有し、
    －前記第一層がサブストレートの表面と直接接触するように前記表面と前記第二層の間に配置された前記第一層は、前記腐食に晒されるサブストレートと前記第二層の間の単一の接着促進層として設計され、前記第一層はクロム又は窒化クロムを有し、
    －前記第一層と直接接触する前記第二層は、柱状構造を有する延性のあるアルミニウム合金の金属層であり、及び
    －前記腐食に晒されるサブストレートから離れて面する前記第二層の表面に配置された前記第三層は、少なくとも２０ＧＰａの硬度を有するセラミック酸化物層である、ことを特徴とするコーティング系。
  2. 前記第三層は、酸化アルミニウム及び／又は酸化クロム及び／又は固溶体構造の酸化アルミニウム／クロムを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のコーティング系。
  3. 前記第三層の硬度は約２５ＧＰａである、ことを特徴とする請求項１に記載のコーティング系。
  4. 前記ガスタービンは、定置ガスタービンである、ことを特徴とする請求項１に記載のコーティング系。
  5. 請求項１に記載のコーティング系を製造するための方法であって、
    前記第一層、前記第二層及び前記第三層の物質が物理蒸着法によって適用されることを特徴とする方法。
  6. 前記第一層、前記第二層及び前記第三層の物質は、陰極アーク蒸着によって及び／又はスパッタリングによって適用される、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 表面を有し腐食に晒されるサブストレートのためのコーティング系であって、当該コーティング系は上記サブストレート上に少なくとも、第一層、第二層及び第三層を有し、
    －前記サブストレートの表面と前記第二層の間に直接配置された前記第一層は、クロム又は窒化クロムを有する単一の接着促進層として設計され、
    －前記第二層は、柱状構造を有する延性のあるアルミニウム合金の金属層であり、前記腐食に晒されるサブストレートよりもイオン化傾向が高く、前記第二層は、前記腐食に晒されるサブストレートに対して犠牲アノードとして作用することで前記腐食に晒されるサブストレートを保護するように構成され、及び
    －前記サブストレートから離れて面する前記第二層の表面に配置された前記第三層は、少なくとも２０ＧＰａの硬度を有するセラミック酸化物層である、ことを特徴とするコーティング系。
  8. 前記第三層は、前記第二層を腐食から保護するように構成されている、ことを特徴とする請求項７に記載のコーティング系。
  9. 前記第三層は、酸化アルミニウム及び酸化クロムの固溶体化合物と付加的なアルミニウム－クロム金属間化合物から成る、ことを特徴とする請求項７に記載のコーティング系。
  10. 前記第一層は、約１００ｎｍの厚さを有し、前記第二層は、約０．５μｍ～５．０μｍの第二の厚さを有し、前記第三層は、約０．５μｍ～１０．０μｍの第三の厚さを有する、ことを特徴とする請求項７に記載のコーティング系。
  11. 前記第二層は、前記腐食に晒されるサブストレートよりもイオン化傾向が高く、犠牲アノードとして作用することで前記腐食に晒されるサブストレートを保護する、ことを特徴とする請求項１に記載のコーティング系。
  12. －ガスタービンのコンプレッサー構成部品であって、当該コンプレッサー構成部品は、表面を有する腐食に晒されるサブストレート、及び上記サブストレート上に第一層、第二層及び第三層を有するコーティング系を有し、
    －前記第一層が前記表面と直接接触するように前記表面と前記第二層の間に配置された前記第一層は、前記腐食に晒されるサブストレートと前記第二層の間の単一の接着促進層として設計され、前記第一層はクロム又は窒化クロムを有し、
    －前記第一層と直接接触する前記第二層は、柱状構造を有する延性のあるアルミニウム合金の金属層であり、及び
    －前記腐食に晒されるサブストレートから離れて面する前記第二層の表面に配置された前記第三層は、少なくとも２０ＧＰａの硬度を有するセラミック酸化物層である、ことを特徴とするコンプレッサー構成部品。
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