JP2009519398A - ブレードを被覆するための方法およびガスタービンのブレード - Google Patents

Abstract

ガスタービンの中空の内部冷却ブレード（１）を被覆するための方法が提供され、この方法では、ＭＣｒＡｌＹ系接着層（６）と、酸化ジルコニウムのセラミック断熱層（９）とを含む外側被覆（５）が、ブレード（１）の外側でブレード（１）の母材（３）に塗布され、Ｃｒ拡散層（７）を含む内側被覆（４）が、ブレード（１）の内側でブレード（１）の母材（３）に塗布される。それによってＭＣｒＡｌＹ系接着層（６）が、完成したブレード（１）に塗布される。同時に、内側被覆（４）とともに、Ｃｒ拡散層（７）もまた、化学蒸着によって外側被覆（５）のＭＣｒＡｌＹ系接着層（６）に塗布される。その後、Ａｌ拡散層（８）および外側脆性Ａｌ蓄積層が、化学蒸着によって、Ｃｒ拡散層（７）で被覆された接着層（６）に塗布される。その後で、外側脆性Ａｌ蓄積層が研磨処理によって除去され、セラミック断熱層（９）がＡｌ拡散層（８）に塗布される。

Description

本発明は、請求項１の導入項の特徴を有するガスタービンの中空の冷却ブレードを被覆するための方法およびガスタービン用のこのタイプのブレードに関する。

最近のガスタービンでは、高温ガス区間におけるほとんどすべての表面は、表面を高温酸化および高温腐食から保護するために被覆を備える。多くの事例での例外が、依然としてアレイの後方にあるタービンブレードである。酸化クロム形成および酸化アルミニウム形成の拡散層および被着層が広く採用されるようになっている。後者の場合、ＭＣｒＡｌＹ被着層（Ｍ＝Ｎｉ、Ｃｏ）は、固定されたガスタービンで最も広く用いられている。

同時に、利用できる材料が耐えることができるレベルで材料の温度を維持するために、冷却ブレード、すなわち、中空のブレードがますます製造されている。通常、冷却は、圧縮空気で実現され、この圧縮空気は、冷却されるべきブレードの環境での圧力に応じて、ガスタービンシステムの圧縮機の特定の段階から取られる。冷却空気の温度は、ブレードへの入口での約４５０℃とブレードからの出口での約８００℃との間である。高い応力が加えられた冷却ブレードの場合では、粒界の上で酸化による腐食を防止するために内側被膜がますます用いられており、この内側被膜は、割れを生じさせるという影響を及ぼすことがある。ブレードの中の内側被膜の使用を通じて、熱機械疲労（ＴＭＦ）耐用年数が著しく延ばされうる。

したがって、プロセス技術の理由で、アリタイゼーション（alitization）によって製造されたＡｌ拡散層は、今までのところほとんど独占的に用いられている。内側被膜にあるようなＡｌ拡散層の欠点は、Ａｌ拡散層の脆性および高温腐食の源へのその比較的低い耐性に見出されるべきであり、この源は冷却空気の汚染物として存在することができる。クロムめっきをすることによって製造されるＣｒ拡散層が高温の酸化および腐食に対して保護するために用いられてよいということも指摘されている。

断熱層システムは、ガスタービンのブレードなど冷却構成部品に用いられる。常に、ガスタービンの中の断熱層システムは、母材に接着された金属接着層拡散から成り、この母材の上には、低い熱伝導のセラミック層が塗布され、このセラミック層は、熱の流れに対する実際のバリアに相当する。

接着層として、ＭＣｒＡｌＹタイプの拡散層または被着層のいずれかが、原則的に用いられることができる。接着層の最も重要な特性は、その表面に最も純粋な可能な酸化アルミニウムを形成する能力であり、この能力の結果として、断熱層システムの周期的で静的な接着が確実にされる。

ＭＣｒＡｌＹ層は、ＮｉＣｏＣｒ（「γ」）マトリックスの中でアルミニウム蓄積物（aluminum reserve）として金属間β相ＮｉＣｏＡｌ（intermetallic β-phase NiCoAl）を含む。しかしながら、このβ相ＮｉＣｏＡｌはまた、脆化効果を有し、その結果、実際に実現されてよいＡｌ含量は１２重量％より低い。酸化耐性のさらなる増加を実現するためには、アリタイゼーションによってＡｌ拡散層を有するＭＣｒＡｌＹ層を被覆することが可能である。脆化の危険性のために、これはほとんどの場合、比較的低いアルミニウムの含量を有する最初の層に制限される。

ＭＣｒＡｌＹ層の中でＡｌ含量を増加させるためには、アリタイジング（alitizing）が約２０％のＡｌ含量を有するＡｌ拡散層まで続けられ、この拡散層の上に約３０％の蓄積Ａｌ層（built-up Al layer）が（さらなるアリタイゼーションによって）製造されることが特許文献１で提案されている。蓄積Ａｌ層は極めて脆性のβ−ＮｉＡｌ相を含む。研磨処理によって、例えば、硬化粒子でのブラスト処理によって、外側蓄積Ａｌ層はＡｌ拡散層に至るまで除去され、この結果として残った拡散層の中のＡｌ含量は、少なくとも１８％であり、また３０％以下である。
独国特許出願第１０ ２００４ ０４５ ０４９．８号明細書

本発明は、熱機械疲労による割れる内側被膜の傾向が低減し、外側被覆の塗布が容易にされるように問題のタイプの被覆方法を改善するという課題に基づいている。

本発明によると、この課題は、請求項１の特徴付けられた特徴によって議論されているタイプの方法で実現される。本発明の有利な実施形態が従属項に記載されている。この方法により製造されるブレードは請求項４の目的である。

脆性の傾向があるアリタイズされた（alitized）層を、内側被膜としてクロムめっきをされた層と置き換えることによって、より延性を有するＣｒ拡散層が、クラックが形成する傾向を低減させ、したがって高い熱応力が加えられるブレードのいわゆる熱機械疲労耐用年数を改善する。改善された機械的特性に加えて、高温腐食への耐性の著しい増加がまた実現され、この耐性は、硫黄汚染冷却空気の場合、内側被膜の作動温度の範囲においてで重要である。さらに、ＭＣｒＡｌＹ外側被覆のアリタイゼーションが内側被膜方法によって実現された表面でクロムの濃縮によってより容易に行われるという点においてプロセス技術に関する利点がある。アリタイゼーションの方法の所要時間がまた低減することができる。

本発明の一例の実施形態を図面に基づいてより詳細に以下で説明する。

ガスタービンのブレード１は、中空であり、その内部に冷却チャネルを有する。ガスタービンシステムの圧縮機の適した段階から得られる圧縮空気は、冷却チャネル２を貫流する。

ブレード１の壁は、ニッケルまたはコバルトに基づく高耐熱性合金の母材３から成る。母材３は、内側、すなわち、冷却チャネル２に面する側に内側被覆４を備え、外側に外側被覆５を備えており、これらの製造を以下で説明する。

被覆の製造の開始状態は、仕上げ加工されたブレード１である。第１のステップでは、ＭＣｒＡｌＹ合金の接着層６が、外側被覆５の底層として働くためにブレード１の外側に塗布される。塗布が減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）プロセスによってまたは高粘度酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射プロセスによって実行される。このように、極めて高密度の高品質の層が得られる。

第２のステップでは、全体のブレード１は化学蒸着（ＣＶＤ）によってクロムめっきをされる。この方法では、高温反応性Ｃｒ含有ガスがブレード１に接触される。高温で、このガスは、母材３およびＭＣｒＡｌＹ接着層６上でＣｒの内側拡散、ならびにＮｉの外側拡散を引き起こす。このステップの間中、Ｃｒ拡散層７が、外側被覆５の接着層６の上に中間層として、同時に内側被膜４として形成される。

第３のステップでは、Ｃｒ拡散層７とともに被覆された接着層６は、高温反応性Ａｌ含有ガスに露出される点で化学蒸着によってアリタイゼーション（alitization）を受ける。さらなるアリタイゼーションのこの変形態様では、上述の特許文献１に記載されているように、蓄積Ａｌ層８がＡｌ拡散層自体の上に製造され、この蓄積層は極めて脆性なβ−ＮｉＡｌ相を含有する。

母材３の材料特性を最適化するために、第４のステップは、好ましくは、時効硬化に続く溶体化処理の形態でのブレード１の熱処理である。

第５のステップでは、上述の特許文献１に記載されているように、極めて脆性なβ−ＮｉＡｌ相が研磨処理、例えば硬い粒子でのブラスト処理によって除去され、その結果、実際のＡｌ拡散層８だけが後に残る。

第６の最後のステップでは、断熱層９が電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）によってクロムめっきされ、アリタイジングされたＭＣｒＡｌＹ接着層６に塗布される。断熱層９は、約７％の酸化イットリウムで部分的に安定化された酸化ジルコニウムから成る。

さらなるアリタイゼーションの方法は別として、上述の個々の被覆プロセスは被覆技術において一般に知られており、したがって、それらを詳細に説明する必要はない。個々の方法ステップを正しく実施することは本発明の方法の成功に非常に重要である。

ガスタービンブレードの縦断面図である。 図１のＺ部の詳細を示す図である（正確な縮尺ではない）。

符号の説明

１ ブレード
２ 冷却チャネル
３ 母材
４ 内側被覆
５ 外側被覆
６ 接着層
７ Ｃｒ拡散層
８ Ａｌ拡散層
９ 断熱層

Claims (4)

1. ガスタービンの中空の内部冷却ブレード（１）を被覆するための方法であって、
   前記ブレード（１）の母材（３）の上にＭＣｒＡｌＹ系接着層（６）と、酸化ジルコニウムのセラミック断熱層（９）とから成る外側被覆（５）が前記ブレード（１）の外側表面に塗布され、Ｃｒ拡散層（７）から成る内側被覆（４）が前記ブレード（１）の内側に塗布される方法において、
   前記ＭＣｒＡｌＹ系接着層（６）が前記仕上げ加工されたブレード（１）に塗布される段階と、
   同時に、前記内側被覆（４）が化学蒸着によって塗布され、前記Ｃｒ拡散層（７）が前記外側被覆（５）の前記ＭＣｒＡｌＹ系接着層（６）に同時に塗布される段落と、
   Ａｌ拡散層（８）および外側脆性蓄積Ａｌ層が前記Ｃｒ拡散層（７）で被覆された前記接着層（６）に化学蒸着によって塗布される段階と、
   前記外側脆性蓄積Ａｌ層が研磨処理によって除去される段階と、
   次いで前記セラミック断熱層（９）が前記Ａｌ拡散層（８）に塗布される段階と、
   を備えていることを特徴とする方法。
2. 前記ブレード（１）が前記脆性蓄積Ａｌ層の前記研磨処理の前に溶体化熱処理を受ける段階を備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記接着層（６）がプラズマ溶射または高粘度溶射によって被着層として塗布されていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. ガスタービンの中空の冷却ブレードであって、
   前記ブレードに対して、前記ブレード（１）の母材（３）の上に、ＭＣｒＡｌＹ系接着層（６）と、酸化ジルコニウムのセラミック断熱層（９）とから成る外側被覆（５）が前記ブレード（１）の外側表面に塗布され、前記ブレードに対して、Ｃｒ拡散層（７）から成る内側被覆（４）が前記ブレード（１）の内側表面に塗布される冷却ブレードにおいて、
   Ｃｒ拡散層（７）、次いでＡｌ拡散層（８）、最後に前記セラミック断熱層（９）が前記外側被覆（５）の前記ＭＣｒＡｌＹ系接着層（６）に塗布されることを特徴とするブレード。

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