(57)【要約】【課題】効率と性能に優れたタービンを提供する。【解決手段】セラミック基複合材部品、タービンシステム、および組立工程が開示される。セラミック基複合材（ＣＭＣ）部品は、ＣＭＣ材料部と、ＣＭＣ材料部上の耐環境被膜（ＥＢＣ）と、ＥＢＣの上に形成される硬質耐摩耗被膜とを含む。タービンシステムは、硬質耐摩耗被膜を有する回転ＣＭＣ部品と、静止タービン部品とを備える。静止タービン部品は、炭化ケイ素材料によって切り込まれるように配置される摩耗性被膜を有する。組立工程は、回転ＣＭＣ部品を静止タービン部品から所定の距離に位置づける工程と、回転ＣＭＣ部品を回転させる工程とを含む。回転ＣＭＣ部品上の硬質耐摩耗被膜は静止タービン部品上の摩耗性被膜に切り込む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基複合材材料部（１０２）と、
前記セラミック基複合材材料部（１０２）の上に形成される耐環境被膜（１０４）と、
前記耐環境被膜（１０４）の上に形成される硬質耐摩耗被膜（１０６）と、
を含むセラミック基複合材部品（１０１）。
【請求項２】
前記硬質耐摩耗被膜（１０６）は炭化ケイ素をさらに含む、請求項１に記載のセラミック基複合材部品（１０１）。
【請求項３】
前記硬質耐摩耗被膜（１０６）は最外層である、請求項１に記載のセラミック基複合材部品（１０１）。
【請求項４】
前記硬質耐摩耗被膜（１０６）は前記部品の外表面を被覆する、請求項１に記載のセラミック基複合材部品（１０１）。
【請求項５】
前記硬質耐摩耗被膜（１０６）は物理蒸着法によって形成される、請求項１に記載のセラミック基複合材部品（１０１）。
【請求項６】
前記硬質耐摩耗被膜（１０６）は化学蒸着法によって形成される、請求項１に記載のセラミック基複合材部品（１０１）。
【請求項７】
タービンディスク（１０７）に取り付けられたセラミック基複合材の回転動翼（１０１）であって、セラミック基複合材材料部（１０２）と、前記セラミック基複合材材料部（１０２）の上に形成される耐環境被膜（１０４）と、前記耐環境被膜（１０４）の上に形成される硬質耐摩耗被膜（１０６）とを含む、セラミック基複合材の回転動翼（１０１）と、
静止タービンシュラウド（１２０）であって、前記セラミック基複合材の回転動翼（１０１）の前記硬質耐摩耗被膜（１０６）によって切り込まれるように配置される摩耗性被膜（１２２）を有する静止タービンシュラウド（１２０）と、
を備えたタービンシステム（１００）。
【請求項８】
前記静止タービンシュラウド（１２０）は前記回転動翼（１０７）の外周部を形成する、請求項７に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項９】
前記セラミック基複合材の回転動翼（１０１）が前記タービンディスク（１０７）に対して放射状に複数個取り付けられている、請求項７に記載のタービンシステム（１００）。
【請求項１０】
セラミック基複合材の回転部品（１０１）を静止タービン部品（１２０）から所定の距離（１０５）に位置づける工程であって、前記静止タービン部品（１２０）は摩耗性被膜（１２２）を有し、かつ前記回転部品（１０１）は耐環境被膜（１０４）の上に形成される硬質耐摩耗被膜（１０６）を有する、工程と、
前記セラミック基複合材の回転部品（１０１）を回転させる工程とを含み、
前記セラミック基複合材の回転部品（１０１）上の前記硬質耐摩耗被膜（１０６）は前記静止タービン部品（１２０）上の前記摩耗性被膜（１２２）に切り込む、
組立工程。
【請求項１１】
出力過渡状態によって前記セラミック基複合材の回転部品（１０１）は前記摩耗性被膜（１２２）と接触する、請求項１０に記載の組立工程。
【請求項１２】
前記セラミック基複合材の回転部品（１０１）による前記切り込みは前記摩耗性被膜（１２２）内に溝（２０１）を形成する、請求項１０に記載の組立工程。
【請求項１３】
前記工程は慣らし期間をさらに含む、請求項１０に記載の組立工程。
【請求項１４】
前記慣らし期間は約１００時間以下である、請求項１３に記載の組立工程。
【請求項１５】
前記慣らし期間は約１００時間以上である、請求項１３に記載の組立工程。
【請求項１６】
前記硬質耐摩耗被膜（１０６）は高温への所定の暴露後に揮発する、請求項１０に記載の組立工程。
【請求項１７】
前記高温は少なくとも１，５００°Ｆを含む、請求項１６に記載の組立工程。
【請求項１８】
前記高温は少なくとも２，９００°Ｆを含む、請求項１６に記載の組立工程。
【請求項１９】
前記硬質耐摩耗被膜（１０６）の前記揮発によって前記耐環境被膜（１０４）が露出する、請求項１６に記載の組立工程。
【請求項２０】
前記耐環境被膜（１０４）の硬度は前記硬質耐摩耗被膜（１０６）の硬度より小さい、請求項１０に記載の組立工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製造される部品および製造される部品の使用工程に関し、特にセラミック基複合材（ＣＭＣ）部品上に形成される耐摩耗被膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは効率と性能の向上を目指して常に改良されている。改良の対象には、より高温ならびにより厳しい条件下で運転できる能力が含まれる。そのような改良では、かかる温度および条件から部品を保護するために材料の改良および／またはコーティングが必要になることが多い。改良を導入すると新たな課題が浮上する。
【０００３】
性能と効率の向上を実現する改良の１つは、タービン動翼の先端とタービンシュラウド間の隙間を最小限にすることである。しかし、隙間を最小限にすると、ある出力過渡状態において動翼の先端とシュラウドとの間に摩擦（擦れ）が発生する。こうした摩擦は、ガスタービンのＣＭＣ動翼の先端に施される耐環境被膜（ＥＢＣ）を損傷することがある。
【０００４】
タービン動翼のＥＢＣが損傷されると、その下のＣＭＣが高温の燃焼ガスにさらされて揮発しやすくなる。動翼のＥＢＣを厚くすると動翼の重量が増し、タービンの効率と性能の低下を招く。また、摩擦を減らすために隙間を広げても効率と性能が同様に低下する。
【０００５】
この分野では、上記の欠点をもたない、製造される部品および製造される部品の使用工程が望まれている。
【発明の概要】
【０００６】
ある例示的実施形態において、セラミック基複合材（ＣＭＣ）部品は、ＣＭＣ材料部と、前記ＣＭＣ材料部の上に形成される耐環境被膜と、前記耐環境被膜の上に形成される硬質耐摩耗被膜とを含む。
【０００７】
別の例示的実施形態において、タービンシステムは、ＣＭＣ材料部と、前記ＣＭＣ材料部の上に形成される耐環境被膜（ＥＢＣ）と、前記ＥＢＣの上に形成される硬質耐摩耗被膜とを有する回転ＣＭＣ部品を含む。前記タービンシステムは、前記回転ＣＭＣ部品の前記硬質耐摩耗被膜によって切り込まれるように前記回転ＣＭＣ部品に隣接して配置される摩耗性被膜を有する静止タービン部品を、さらに含む。
【０００８】
さらに別の例示的実施形態において、組立工程は、回転ＣＭＣ部品を静止タービン部品から所定の距離に位置づける工程を含み、前記静止タービン部品は摩耗性材料を含む。前記組立工程は、前記回転ＣＭＣ部品を回転させる工程をさらに含み、前記回転ＣＭＣ部品上の硬質耐摩耗被膜は前記静止タービン部品の摩耗性材料に切り込む。
【０００９】
本発明の他の特徴や利点は、別途詳述する好適な実施形態および添付の図面を参照することによって明らかになるであろう。添付の図面では本発明の原理を例示している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】タービン動翼の斜視図である。
【図２】タービンシステムの概略図である。
【図３】回転部分の静止部分に対する干渉パターンを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図中、同じ要素には同じ参照番号を付している。
【００１２】
例示的なセラミック基複合材部品、タービンシステム、および組立工程について以下に説明する。本開示の実施形態は、本明細書に開示する特徴をまったく使用しない方法や製品に比べ、耐環境被膜（ＥＢＣ）材料の使用量が少なく、ＥＢＣの損傷を軽減し、修理回数を減らし、セラミック基複合材（ＣＭＣ）の揮発を低減し、先端のクリアランスを減少させ、タービン効率を向上させ、あるいはそれらの組み合わせを実現する。
【００１３】
図１を参照する。一実施形態において、回転ＣＭＣ部品１０１は、ＣＭＣ材料部１０２と、ＣＭＣ材料部１０２の上に形成されるＥＢＣ１０４と、ＥＢＣ１０４の上に形成される硬質耐摩耗被膜１０６とを含む。回転ＣＭＣ部品１０１は、ブレードまたは動翼など（ただし、これには限定されない）、揮発および／または擦れ摩耗を受けうる任意の適切な部品である。動翼はシュラウドなしの動翼でもいいし、シュラウド付きの動翼でもよい。硬質耐摩耗被膜１０６は炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＳｉＯ2、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、またはその組み合わせなどの材料だが、これには限定されない。ＣＭＣ材料部１０２の例として、炭素繊維強化カーボン（Ｃ／Ｃ）、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／ＳｉＣ）、炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素（ＳｉＣ／ＳｉＣ）、およびアルミナ繊維強化アルミナ（Ａｌ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3）などがあるが、これには限定されない。ＣＭＣにより、伸び率、破壊靱性、耐熱衝撃性、動荷重容量、および異方性属性がモノリシックなセラミック構造に比べて向上している。ただし、耐環境被膜がないとＣＭＣはガスタービンの運転中に揮発しうる。
【００１４】
例えば、水蒸気は１５００°Ｆを超える温度においてＣＭＣ材料部１０２と化学反応を起こす。水蒸気はＣＭＣ材料部１０２中のケイ素および炭素と反応して水酸化ケイ素（ＳｉＯＨ）と二酸化炭素（ＣＯ2）をそれぞれ生成する。水蒸気とＣＭＣ材料部１０２との反応によって生成したＳｉＯＨとＣＯ2は、気体としてゆっくり放出される、すなわち揮発する。１５００°Ｆを超える温度で何時間も運転すると、ＣＭＣ材料部１０２は外側から内側に向けて消失する。
【００１５】
ＥＢＣ１０４は水蒸気や熱、ならびにＣＭＣ材料部１０２の揮発もしくは劣化を生じうるその他の燃焼ガスからＣＭＣ材料部１０２を保護する。一実施形態において、ＥＢＣ１０４は水蒸気とＣＭＣ材料部１０２との化学反応の発生を低減もしくは防止する。ＥＢＣ１０４は、高温の燃焼ガスからＣＭＣ材料部１０２を保護する任意の適切な材料でありうる。適切なＥＢＣ材料には、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム（ＢＳＡＳ）、ムライト、イットリア安定化ジルコニア、およびその組み合わせなどがあるが、これには限定されない。
【００１６】
図１を参照する。一実施形態において、硬質耐摩耗被膜１０６は１層以上のＥＢＣ１０４の上に形成され、回転ＣＭＣ部品１０１の最外層を形成する。硬質耐摩耗被膜１０６は、摩擦（擦れ）事象中に摩耗を受ける、回転ＣＭＣ部品１０１の任意の適切な部分の上に形成される。回転ＣＭＣ部品１０１の適切な部分には、先端部１０３、台部との境界面、エーロフォイル（翼など）とシュラウドとの接触点、エーロフォイルとシュラウドレールとの接触点、またはその組み合わせなどがあるが、これには限定されない。さらに、硬質耐摩耗被膜１０６は強い摩擦中にＥＢＣ１０４の損失を低減もしくは防止する任意の適切な厚さに形成される。適切な厚さには、約０．１ｍｉｌから約４ｍｉｌの間、約０．５ｍｉｌから約３ｍｉｌの間、約１ｍｉｌから約２．５ｍｉｌの間、またはその任意の組み合わせ、部分的な組み合わせ、範囲、もしくは部分的な範囲が含まれるが、それには限定されない。例えば、一実施形態において、硬質耐摩耗被膜１０６は先端部１０３の全幅および全長にわたって伸びている。別の例において、硬質耐摩耗被膜１０６は先端部１０３の一端を囲み、そこから回転ＣＭＣ部品１０１の放射状に伸びる表面に至るまで形成され、厳しい条件に対して保護を強化している。
【００１７】
硬質耐摩耗被膜１０６は任意の適切な堆積処理によってＥＢＣ１０４の上に形成される。例えば、１つの適切な堆積処理は物理蒸着法（ＰＶＤ）である。ＰＶＤは気化した硬質耐摩耗被膜１０６を回転ＣＭＣ部品１０１のＥＢＣ１０４上に凝縮させることにより、高硬度の薄い硬質耐摩耗被膜１０６を形成する。他の適切な堆積処理には、化学蒸着法（ＣＶＤ）、大気プラズマ溶射法（ＡＰＳ）、粉末または溶棒を用いたフレーム溶射法、スラリコーティング法、ゾル・ゲル法、電気泳動堆積法、テープ成形法、またはその組み合わせなどがあるが、これには限定されない。一実施形態において、硬質耐摩耗被膜１０６としてＳｉＣが用いられる。ＳｉＣはその熱膨張係数がＣＭＣ材料部１０２およびＥＢＣ１０４のいずれともかなり近いため、付着性に優れている。ＥＢＣ１０４はＣＭＣ材料部１０２上に形成してＣＭＣ材料部１０２と接触してもよい。硬質耐摩耗被膜１０６はＥＢＣ１０４上に形成してＥＢＣ１０４と接触してもよい。
【００１８】
図２を参照する。一実施形態において、タービンシステム１００は、回転部材１０７（例えばタービンディスク）に取り付けられた回転ＣＭＣ部品１０１（例えばタービン動翼）を備えている。ＣＭＣ部品１０１と回転部材１０７は中心点１３１（例えば回転軸）から外に向かって伸びている。別の実施形態において、回転部材１０７の周囲には回転ＣＭＣ部品１０１が複数設けられ、中心点１３１から外に向かって伸びている。一実施形態において、静止タービン部品１２０は回転部材１０７を囲む外周部を形成する。このときＣＭＣ部品１０１は回転部材１０７と静止タービン部品１２０の間にある。静止タービン部品１２０の中心は中心点１３１にあり、回転部材１０７と共通の中心点を共有する。回転ＣＭＣ部品１０１の先端部１０３は理想的には静止タービン部品１２０に対してシールを形成する。
【００１９】
静止タービン部品１２０上の摩耗性被膜１２２は、回転ＣＭＣ部品１０１に切り込まれるように配置される。摩耗性被膜１２２は静止タービン部品１２０材料および運転温度に基づく任意の適切な被膜である。低めの温度（約２２００°Ｆ以下）にある金属製静止タービン部品１２０に適した摩耗性被膜１２２には、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＣｏＣｒＡｌＹ、ＦｅＣｒＡｌＹ、またはその組み合わせなど、一般式ＭＣｒＡｌＹをもつ摩耗性金属が含まれるが、これには限定されない。一実施形態において、上記摩耗性金属は大気プラズマ溶射法、溶線式アークおよびフレーム溶射法、高速オキシ燃料法（ＨＶＯＦ）、またはその組み合わせによって形成される。
【００２０】
高めの温度（約２２００°Ｆ以下）にある金属製静止タービン部品１２０に適した摩耗性被膜１２２には、安定剤としてイットリアを用いる部分安定化ジルコニア（７または８ＹＳＺ）などの摩耗性セラミックが含まれるが、これには限定されない。一実施形態において、低温用途向けの摩耗性金属および／または高温用途向けの摩耗性セラミックは、使用当初はポリエステル成分を含有する。このポリエステル成分は大気中で加熱されて燃え尽き、多孔表面が後に残る。この多孔表面により、摩耗性被膜１２２は摩擦事象において回転するＣＭＣ部品１０１に引きずられやすい。一実施形態において、摩耗性金属被膜と摩耗性セラミック被膜の少なくとも一方は固形潤滑剤として窒化ホウ素をさらに含む。
【００２１】
セラミック製静止タービン部品１２０に適した摩耗性被膜１２２にはケイ酸塩があるが、これには限定されない。例えば、一実施形態において、低めの温度（約２２００°Ｆ以下）で運転されるセラミック製静止タービン部品１２０に適した摩耗性被膜１２２はアルミノケイ酸バリウムストロンチウム（ＢＳＡＳ）である。別の例として、一実施形態において、高めの温度（約２２０１°Ｆ以下）で運転されるセラミック製静止タービン部品１２０に適した摩耗性被膜１２２には、Ｙｂ2Ｏ3Ｓｉ2Ｏ7など希土類元素の含有量が多いケイ酸塩がある。
【００２２】
一実施形態において、ケイ酸塩の摩耗性被膜１２２は使用中にポリエステル成分を含有する。このポリエステル成分は大気中で加熱されて燃え尽き、多孔表面が後に残る。これはコンプライアンスに寄与する。一実施形態において、ケイ酸塩の摩耗性被膜１２２は大気プラズマ溶射法、スラリコーティング法、ゾル・ゲル法、電気泳動堆積法、テープ成形法、またはその組み合わせによって形成される。
【００２３】
図３を参照する。一実施形態において、組立工程２００は回転部材１０７を静止タービン部品１２０から所定の距離１０５に位置づける工程を含む。回転部材１０７は中心点１３１を中心にして回転してＣＭＣ部品１０１を回転させる。所定の距離１０５は出力過渡状態において変動し、先端部１０３と静止タービン部品１２０の摩耗性被膜１２２とが接触する。硬質耐摩耗被膜１０６は摩耗性被膜１２２に切り込んで溝２０１を形成し、さらなる出力過渡状態において接触を減らす。一実施形態において、回転方向２０３は時計回りである。別の実施形態において、回転方向２０３は反時計回りである（図示なし）。
【００２４】
再び図１を参照する。一実施形態において、硬質耐摩耗被膜１０６の硬度値はＥＢＣ１０４の硬度値より大きい。硬度値は、ある材料が損傷を受けずに接触に耐える能力を表す。例えば、ＥＢＣ１０４より硬度値が大きい硬質耐摩耗被膜１０６は、ＥＢＣ１０４に比べて強い摩擦に耐えることができる。
【００２５】
一実施形態において、硬度値がより大きい硬質耐摩耗被膜１０６がＥＢＣ１０４の上に形成される。これは、エネルギーの過渡状態において回転するＣＭＣ部品１０１と静止タービン部品１２０とが接触したときに、ＥＢＣ１０４が損傷するのを防止するためである。一実施形態において硬質耐摩耗被膜１０６はＳｉＣであり、このＳｉＣのヌープ値（硬度）は２４８０である。一方、ＥＢＣ１０４のヌープ値は２４８０より小さい。一実施形態において、ＥＢＣ１０４のヌープ値は約５００と１８００の間である。これはＥＢＣ１０４の構造による。構造因子には、層数、各層の厚さ、層の組成、適用工程、および実施する熱処理などがある。
【００２６】
例えば一実施形態において、ＥＢＣ１０４は先端部１０３と摩耗性被膜１２２との間の約１０ｍｉｌまでの接触に対してのみ無傷を保つことができる。ガスタービンの回転パーツは静止パーツに対して１０ｍｉｌを超えて接触する。接触が１０ｍｉｌを超えるとＥＢＣ１０４の構造および機能が劣化し、場合によっては基材が環境の侵食を受けることになる。ＥＢＣ１０４の保護のため、ＥＢＣ１０４の上に硬質耐摩耗被膜１０６が形成され、強い摩擦を受けた際のＥＢＣ１０４の損傷を低減もしくは防止する。
【００２７】
タービン動翼の一般的な稼動条件の１つに、約２，０００°Ｆから約３，０００°Ｆの温度範囲における水蒸気や燃焼ガスがある。これらの条件下において硬質耐摩耗被膜１０６は次第に揮発し、ＥＢＣ１０４が露出する。最小限の厚さの硬質耐摩耗被膜１０６を形成することで、回転ＣＭＣ部品１０１上のＥＢＣ１０４と静止タービン部品１２０の摩耗性被膜１２２との間の隙間が最小限に抑えられる。この隙間を狭めると、回転ＣＭＣ部品１０１と静止タービン部品１２０の間の空気流量が抑えられるため、システム効率が向上する。
【００２８】
犠牲硬質耐摩耗被膜１０６が運転条件下で揮発するのに要する時間は、一種の慣らし期間である。一実施形態において、慣らし期間は約１００時間以下である。一実施形態において、慣らし期間は約１００時間以上である。硬質耐摩耗被膜１０６が先端部１０３においてＥＢＣ１０４上に残留している慣らし期間は十分に長いため、強い摩擦を引き起こす出力過渡状態において硬質耐摩耗被膜１０６は存在し、摩耗する。
【００２９】
一実施形態において、慣らし期間は所定時間にわたる所定の定速度回転を含む。一実施形態において、慣らし期間は回転速度の所定の１回の変動もしくは一連の変動を含む。所定速度の回転または回転速度の変動は、慣らし期間中に出力過渡状態を誘起するように設定される。慣らし期間中に組立工程２００の出力過渡状態が発生すると、硬質耐摩耗被膜１０６は摩耗性材料１２２に接触して摩耗性材料１２２に切り込む。硬質耐摩耗被膜１０６による切り込みは摩耗性材料１２２中に溝２０１を形成する。
【００３０】
慣らし期間を通し、硬質耐摩耗被膜１０６は静止摩耗性材料１２２と先端部１０３との間に溝２０１を形成しながら徐々に揮発する。慣らし期間では、静止部品と先端部１０３との間の、ガスが漏れうる溝２０１が、ＥＢＣ１０４を損傷することなく最小限に抑えられる。ガスの漏洩が最小で済む要因は、硬質耐摩耗被膜１０６の切り込み特性とその薄さにある。溝２０１と先端部１０３の間に生じる隙間を最小限にすることで、タービンシステム１００の効率が向上する。さらに、硬質耐摩耗被膜１０６の切り込みによって静止摩耗性材料１２２に形成される溝２０１により、硬質耐摩耗被膜１０６の揮発後の摩擦によるＥＢＣ１０４の損傷が低減される。ＥＢＣ１０４が損傷しなければ、ＣＭＣ材料部１０２はそれだけ多く揮発から保護されることになる。
【００３１】
これまで好適な実施形態を参照しながら本発明について説明してきた。しかし、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素に対してさまざまな変更を加えうる、あるいは均等物で代用しうることは当業者には理解されるだろう。また、ある特定の状況もしくは材料に適用するため、本発明の本質的範囲を逸脱することなく本発明の開示に対して多くの改変を行いうる。したがって、本発明は、本発明の実施において予測される最良の形態として開示される実施形態に限定されるものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲に収まるあらゆる実施形態を含むものである。
【符号の説明】
【００３２】
１００  タービンシステム
１０１  回転ＣＭＣ部品、ＣＭＣ部品
１０２  ＣＭＣ材料部
１０３  先端部
１０４  ＥＢＣ（耐環境被膜）
１０５  距離
１０６  硬質耐摩耗被膜
１０７  回転部材
１２０  静止タービン部品
１２２  摩耗性被膜、摩耗性材料
１３１  中心点
２００  組立工程
２０１  溝
２０３  回転方向
【図１】
2015067535.tif 000003
【図２】
2015067535.tif 000004
【図３】
2015067535.tif 000005