(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＣｒＡｌＹを主成分とする結合層（１２）が金属基材（１１）に付けられ、結合層（１２）がＡｌ拡散層（１４）でオーバーアルミナイズされることによって被覆され、Ａｌ拡散層（１４）がアブレーション処理を受け、外側に重ねられた層（１４．２）がＡｌ拡散層（１４）から除去され、イットリア部分安定化ジルコニアのセラミック遮熱コーティング（１３）が残ったＡｌ拡散層に付けられ、ここでセラミック遮熱コーティング（１３）は大気プラズマ溶射によって残りのＡｌ拡散層（１４）に付けられる、金属基材（１１）の腐食および浸食による高温劣化に耐性を有する保護層を付けるための方法であって、
付けられた結合層（１２）がオーバーアルミナイズの前に研磨処理を受け、結合層（１２）において表面粗さがＲａ≦２μｍとなり、
Ａｌ拡散層（１４）がアブレーション処理の後研磨処理を受け、残りのＡｌ拡散層（１４）において表面粗さがＲａ≦２μｍとなるようにすることを特徴とする、方法。
【請求項２】
結合層（１２）が溶射法によって金属基材（１１）に付けられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
金属基材（１１）の機械的性質に影響を与えるために、結合層（１２）のオーバーアルミナイズの後、Ａｌ拡散層（１４）の摩耗の前に、熱処理が実施されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
オーバーアルミナイズの間、Ａｌ拡散層（１４）の内部にＡｌ含有量が約２０重量％である内部拡散領域（１４．１）が形成され、内部拡散領域（１４．１）の上にＡｌ含有量が約３０重量％である外側に重ねられた層（１４．２）が形成され、Ａｌ拡散層（１４）の外側に重ねられた層（１４．２）が拡散領域（１４．１）上に形成され、Ａｌ拡散層（１４）の外側に重ねられた層（１４．２）が、残りのＡｌ拡散層（１４）の表面のＡｌ含有量が１８重量％よりも大きく、かつ３０重量％未満の量になるまでアブレーション処理によって除去されることを特徴とする、請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプレアンブルに記載される特徴を有する、金属基材に保護層を付けるための方法、およびガスタービンの高温領域で使用するためのこの種の保護層で被覆された構成部品、およびこの種の構成部品を備えるガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
上述のような方法は、例えば欧州特許出願第１６３７６２２号により知られている。
【０００３】
現行のガスタービンにおいて、高温ガス領域内の表面はほぼ全体に被覆を備える。場合によっては、後部タービン列のブレードは除外される場合がある。この目的で使用される遮熱コーティング（ＴＢＣ）は、冷却された構成部品の材料温度を下げるように働く。このようにして、構成部品の寿命を延ばすことができ、冷却用空気を節約することができ、またはガスタービンを高い入力温度で運転することができる。
【０００４】
遮熱コーティング系は、基材（金属基材）に拡散接合された金属結合層と結合層の上のセラミック層とで常に形成される。このセラミック層は熱伝導性が低く、熱流に対して実際の障壁を提供し、腐食および浸食による高温劣化から金属基材を保護する。遮熱コーティングに関して一般的に認められるセラミック材料は、約７重量％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である（イットリアで部分的に安定化されたジルコニアの国際的な頭字語はＹＰＳＺである）。
【０００５】
遮熱コーティングは利用方法に応じて２つの異なるカテゴリーに分類することができる。
【０００６】
第一のカテゴリーは、電子ビーム物理的気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ法）により気相堆積された遮熱コーティングからなる。特定の堆積条件が維持されるとき、これらの遮熱コーティングはカラム状の、耐歪性構造を有し、その結果熱サイクル疲労（ＴＣＦ）に対して特に良好な耐性を与える。遮熱コーティングを付ける際付随する方法において、遮熱コーティングは、その形成の間、およびその後のアルミナ−ジルコニア混合物の形成を通じた供給の間、結合層により形成される純アルミナ層（熱成長酸化物、ＴＧＯ）に化学的に結合される。一方では、この方法は結合層上の酸化物成長に関する特定の要求を課すが、他方ではこれは特に強い結合を保証する。
【０００７】
第２のカテゴリーは溶射された（通常大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）による）遮熱コーティングを含む。これらの遮熱コーティングは、所望の層厚みおよび応力分布に依存して約１０体積％〜２５体積％の間の細孔率を有する。この場合、セラミック層が機械的に結合層に結合される事実に起因して、溶射時に、界面、およびその結果接着力を最大にするために、結合層は意図的に粗い状態となっている。特定の化学結合が、長期の供給の後にのみ、ＴＧＯ形成により与えられる。この応用方法は比較的簡単であり、その結果コーティングのコストは比較的好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許出願第１６３７６２２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、請求項１のプレアンブルに記載される方法を、方法が簡単に実施できるようにしたままで、保護層において熱疲労に対して良好な耐性が実現されるように、さらに発展させることを目的とする。この目的は請求項１の特徴部に記載される特徴を通じて達成される。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、ガスタービンの高温ガス領域で使用される構成部品を提供することであり、構成部品は腐食および浸食による高温劣化に耐性を有する保護層で被覆され、またこの種の構成部品を有するガスタービンを提供することであり、保護層は簡単な方法で構成部品上に製造することができ、熱疲労に対して良好な抵抗を有する。この目的は請求項７に記載される構成部品によって、および請求項８に記載されるガスタービンによって達成される。
【００１１】
本発明のさらなる発展形態が各従属項に規定される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
結合層（好ましくは定置ガスタービン内）に関しては、溶射されたＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｎｉ，Ｃｏ）を主成分とする下塗りが使用される。ＭＣｒＡｌＹ層はアルミニウムがＮｉＣｏＣｒ（「Ｙ」）マトリックス内に保持されるとき金属間β相ＮｉＣｏＡｌを含む。しかしこれは脆化の効果も有するので、実際にＭＣｒＡｌＹ層内で実現され得るＡｌ含有量は１２重量％以下となる。
【００１３】
酸化に対する耐性をさらに強めるために、ＭＣｒＡｌＹ被覆はＡｌ拡散層でオーバーアルミナイズされる。脆化のリスクがあるので、これは低アルミニウム（Ａｌ≦８％）の開始層に大きく制限される。
【００１４】
オーバーアルミナイズされたＭＣｒＡｌＹ層の構造は、内部の、実質的に変化がない、混合されたＹ、β相、すなわち拡散領域、その内部でＡｌ含有量が約２０％まで増加する、かつ外側の、Ａｌ比率が約３０％であるβ−ＮｉＡｌ相を含む。この外側のβ−ＮｉＡｌ相は、層システムにおける脆性およびクラック形成に対する感度に関して特定の欠点を示す。したがって、オーバーアルミナイズされた被覆は外側のβ−ＮｉＡｌ相が拡散領域に至るまで除去されるようにアブレーション処理を受ける。このことは、アルミニウムの活性にも好ましい効果を有し、その結果ＴＧＯ形成性能を向上させる。
【００１５】
その際、粗い結合層を存在させる必要なしにセラミック層の良好な結合を実現することができ、とりわけ低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）または例えば高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）または真空プラズマ溶射などの溶射を用いてＭＣｒＡｌＹ層を付けることを可能にする。高速フレーム溶射は、より経済的であり、かつ滑らかな表面を生成する傾向がある。
【００１６】
本発明の第１の局面によれば、金属基材に対する腐食および浸食による高温劣化に耐性を有する保護層を付けるための方法が提供され、ここでＭＣｒＡｌＹを主成分とする結合層が金属基材に付けられ、結合層がＡｌ拡散層でオーバーアルミナイズされることによって被覆され、Ａｌ拡散層がアブレーション処理を受け、外側に重ねられた層がＡｌ拡散層から除去され、イットリア部分安定化ジルコニアのセラミック遮熱コーティングが残ったＡｌ拡散層に付けられる。本発明による方法は、セラミック遮熱コーティングが大気プラズマ溶射によって残りのＡｌ拡散層に付けられることを特徴としている。
【００１７】
本発明による方法の実施形態によれば、オーバーアルミナイズされる前に、付けられた結合層は研磨処理を受ける。研磨処理によって２μｍ以下の表面粗さＲａが結合層に生成される。
【００１８】
本発明による方法の他の実施形態によれば、結合層は例えば高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）または真空プラズマ溶射などの溶射または気相からの堆積によって金属基材に付けられる。
【００１９】
本発明の方法のさらなる実施形態によれば、Ａｌ拡散層はアブレーション処理の後研磨処理を受け、残りのＡｌ拡散層に２μｍ以下の表面粗さＲａが生成される。
【００２０】
本発明の方法のさらに他の実施形態によれば、結合層のオーバーアルミナイズの後、Ａｌ拡散層のアブレーション処理の前に、金属基材の機械的性質に影響を及ぼすために熱処理が実施される。
【００２１】
本発明の方法のさらに他の実施形態によれば、オーバーアルミナイズの間、Ａｌ含有量が約２０重量％の内部拡散領域がＡｌ拡散層の中に形成され、Ａｌ含有量が約３０重量％の外側に重ねられた層が拡散領域上に形成され、Ａｌ拡散層の外側に重ねられた層は、残りのＡｌ拡散層表面のＡｌ含有量が１８重量％よりも大きく、かつ３０重量％未満になるまで、アブレーション処理によって除去される。
【００２２】
本発明の第２の局面によれば、ガスタービンの高温ガス領域で使用するための構成部品が提供され、構成部品は、考えられ得る組み合わせの本発明の上述の実施形態の１つ、または２つ以上、または全てによる方法で付けられた、腐食および浸食による高温劣化に耐性を有する保護層を少なくとも部分的に備える表面を有する。
【００２３】
本発明の第３の局面によれば、高温ガス領域を有し、内部に配置された本発明の第２の局面による構成成分を備えたガスタービン、が提供される。
【００２４】
構成部品上に保護層を形成するための本発明による方法を用いることで、保護層は熱疲労に対して良好な耐性を有し、それにもかかわらず簡単な方法で形成することができる。
【００２５】
最後に、本発明は結合層とセラミック層との間を化学的に結合することの利点と、ＡＰＳ法の好ましいコストとを組み合わせた遮熱コーティングの考えを提供する。このようにして、ＴＣＦ挙動を従来のＡＰＳ層の挙動に対して向上することができる。したがって、熱疲労に対する耐性が向上された遮熱コーティングを簡単な方法で作ることができ、その結果ＥＢ−ＰＶＤ法と比較してコストが低い。
【００２６】
本発明が請求項を明示的に参照することによる特徴の組み合わせによって与えられない実施形態にも拡張されることは明らかであり、本発明の開示された特徴は技術的に意味がある場合において如何様にも他のものと組み合わせることができる。
【００２７】
以下では、本発明が好ましい実施形態を参照して、また添付の図面を参照して記述される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態によるガスタービンの構成部品の領域の断面図を示す。構成部品は高温ガス領域に配置され、保護層を備える。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は本発明の実施形態によるガスタービン１の構成部品１０の領域を示す断面図であり、構成部品１０は高温ガス領域に配置され、保護層１２−１４を備える。
【００３０】
腐食および浸食による高温劣化からの保護のために、構成部品１０、例えば、高温ガスに接触する、ガスタービン１のタービンブレードまたは他の構成部品は、その全体または部分に高温腐食および浸食に耐性を有するセラミック遮熱コーティングを備えた表面を有する金属基材１１（基材）を含む。セラミック遮熱コーティング１３は約７重量％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で形成される（イットリアで部分的に安定化されたジルコニアの国際的な頭字語はＹＰＳＺである）。
【００３１】
金属基材１１に対する遮熱コーティング１３の接着性を向上するために、下塗りまたは結合層１２が最初にこの金属基材１１（その表面）に付けられる。結合層１２は、ＭＣｒＡｌＹ（例えばＬＣＯ２２）に基づく特別な合金を含む。ここで文字ＭはＮｉまたはＣｏまたはそれらの組み合わせを表す。結合層１２は低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）またはこの場合において好ましい、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）によって付けることができる。
【００３２】
付けられた結合層１２はその後研磨処理（例えば精密仕上げ）を受け、それによって結合層１２上に２μｍ以下の表面粗さが形成される。
【００３３】
結合層１２のＡｌ含有量を増加させるために、この結合層１２はその後Ａｌ拡散層１４でオーバーアルミナイズすることによって被覆される。オーバーアルミナイズは反応性Ａｌ含有ガス（場合によってはＡｌハロゲン化物（ＡｌＸ２）である）がＡｌの内部への拡散および同時にＮｉの外側への拡散を引き起こす処理、例えば高温における化学気相蒸着（ＣＶＤ）を用いて実施されてよい。
【００３４】
オーバーアルミナイズはほぼ変化のない結合層１２上のＡｌ拡散層１４の内部にＡｌ含有量が約２０重量％である内部拡散領域１４．１を生じさせ、その上にＡｌ含有量が約３０重量％の脆性のβ−ＮｉＡｌ相を含む外側に重ねられた層４．２を生じさせる。
【００３５】
結合層１２のオーバーアルミナイズの後、金属基材１１の機械的性質に影響を与え、または調整するために熱処理が行われてよい。
【００３６】
続いて、外側に重ねられた層１４．２は、例えば硬い粒子（例えばコランダム、炭化ケイ素、カットメタルワイヤなど）でのブラスト処理、または他の既知の研削媒体または研磨媒体での処理などのアブレーション処理によって、Ａｌ拡散層１４の内部拡散領域１４．１に至るまで取り除かれる。アブレーション処理は、残りのＡｌ拡散層１４（拡散領域１４．１）の表面が約１８重量％よりも大きく、かつ約３０重量％未満のＡｌ含有量を有するようになるまで実施される。
【００３７】
摩耗の後、Ａｌ拡散層１４は研磨処理（例えば精密仕上げ）を受け、残りのＡｌ拡散層１４（拡散領域１４．１）において表面粗さがＲａ≦２μｍとなるようにされる。
【００３８】
その後セラミック遮熱コーティング（ＹＰＳＺセラミック層）１３が、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）により、上述したように製造された残りのＡｌ拡散層１４の表面に付けられる。従来の結合層に関するＡＰＳ法と同じパラメータを使用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  ガスタービン
１０  構成部品
１１  金属基材
１２  結合層
１３  遮熱コーティング
１４  Ａｌ拡散層
１４．１  内部拡散領域
１４．２  外側に重ねられた層
【図１】
0005878629.tif 000002