(57)【要約】  層における凹部の利用を手段として、層に通じるインターフェース内の剥離を防止する。
2015536406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材（４）と、
表面（４２）を有する最外層（１０）と、
少なくとも前記最外層（１０）内の少なくとも１つの孔（１３）と、
を少なくとも備える層構造（２５）であって、
前記孔（１３）周囲付近に、または、前記孔（１３）の境界線（４５）に直接隣接して、少なくとも１つ、特に１つのみの閉じられずに延在する凹部（５１）が、前記最外層（１０）の前記表面（４２）上に存在し、前記凹部（５１）は湾曲し、かつ前記凹部（５１）の両端（５４、５７）が互い向き合うことを特徴とする層構造。
【請求項２】
前記凹部（５１）の前記両端（５４、５７）は、前記孔（１３）のレベルで中央に配置されることを特徴とする請求項１に記載の層構造。
【請求項３】
流れ方向（５４）に見た際に、前記凹部（５１）は、前記表面（４２）上で、下流領域（５７）において前記孔（１３）の開口を閉じないことを特徴とする請求項１に記載の層構造。
【請求項４】
前記凹部（５１）は、前記孔（１３）の前記境界線（４５）で終端し、前記孔（１３）と合併することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項または複数項に記載の層構造。
【請求項５】
前記凹部（５１）は、前記孔（１３）の前記境界線（４５）で終端しないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項または複数項に記載の層構造。
【請求項６】
前記凹部（５１）は、前記最外層（１０）に厚みの少なくとも７０％、特に少なくとも９０％を越えて延在し、特に、前記最外層（１０）内のみに配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項または複数項に記載の層構造。
【請求項７】
前記最外層（１０）は、セラミック層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項または複数項に記載の層構造。
【請求項８】
前記孔（１３）は、前記表面（４２）にディフューザー（１９）を有し、前記ディフューザー（１９）は、前記凹部によって取り囲まれないことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項または複数項に記載の層構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、層構造における孔周辺の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
層構造は、高温で作動する部品に特に使用される。これらは、特に、金属基材、金属結合層、及び、セラミック熱障壁層を有するタービン翼または羽根である。
【０００３】
さらに、特にガスタービン部品は、内側または別の場所の部品を冷却するため、または、過度な高温ガスに対して外側の部品を保護するために、冷却孔から流出する冷却媒体によって冷却される。
【０００４】
このタイプの孔は、基材の最終的な被覆後に作られることが多く、この場合、次いで、孔がその内側面の傷または亀裂成長の始点になり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第１  ２０４  ７７６号明細書
【特許文献２】欧州特許第１  ３０６  ４５４号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第１  ３１９  ７２９  号明細書
【特許文献４】国際公報第９９／６７４３５号
【特許文献５】国際公報第００／４４９４９号
【特許文献６】米国特許６，０２４，７９２号明細書
【特許文献７】欧州特許出願公開第０  ８９２  ０９０号明細書
【特許文献８】欧州特許第０  ４８６  ４８９号明細書
【特許文献９】欧州特許第０  ７８６  ０１７号明細書
【特許文献１０】欧州特許第０  ４１２  ３９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の課題は上述の問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１に記載の孔周辺の１つまたは複数の凹部によって達成される。
【０００８】
従属項は、所望であればさらに利点を実現するために互いに組み合せ可能な、さらに有利な手段を記載したものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】先行技術の冷却孔を示す図である。
【図２】先行技術の冷却孔を示す図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態を示す図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態を示す図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態を示す図である。
【図６】タービン翼または羽根を示す図である。
【図７】燃焼室を示す図である。
【図８】超合金のリストを示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書及び図は、本発明の単なる例示的な実施形態を示す。
【００１１】
図１は、ここでは特にフィルム冷却孔の形状である孔１３を有する層１０の表面４２（図２）の平面図を示す。表面４２上に孔１３周辺の輪郭４５がある。フィルム冷却孔１３は、対称または非対称断面を有する放射状の内径１６を有し得る。燃焼室ブリック１５５（図９）またはタービン翼または羽根１２０、１３０（図８）への適用または箇所に応じて、フィルム冷却孔１３はディフューザー１９と共に形成される。ディフューザー１９は、孔１３（図２）の底部分１６の拡張部を構成する。
【００１２】
図２は、層構造２５を通過する断面を示す。層構造２５は、基材４を備える。基材４は、好ましくは、金属であり、特に、ニッケル基またはコバルト基超合金から成る。この点において、使用例は、図８に示すような合金で作られる。最外表面４２を有するセラミック外層１０は、基材４に直接、または、金属結合層７に適用される。
【００１３】
表面４２上にディフューザー１９を有し得る孔１３は、層構造２５を通して、すなわち、層７、１０、及び基材４を通して連続的に存在する。
【００１４】
図３は、ディフューザー１９または孔１３を平面図において示す。４８は、インターフェースに沿って亀裂が始まり得るところの、セラミック層と基材または接着促進層との間のインターフェースのおけるポイントを示す。
【００１５】
従って、溢れ出る方向６０において孔１３の上流が始まる湾曲した凹部５１があり、特に、孔１３またはディフューザー１９のレベルで略中央でその両端５４、５７が互いに対向する。ディフューザー１９は、凹部５１によって取り囲まれない。
【００１６】
凹部５１は、好ましくは、舌状またはＯ字状に湾曲している。溢れ出る方向６０に見た際に、凹部５１の両端５４、５７も、溢れ出る方向６０に見た際に凹部５１の端部を表す。
【００１７】
この場合では、凹部５１は、円、楕円、または湾曲しており、孔１３にもディフューザー１９（図３）にも接触しないか、または、図５に示すようにこの孔１３と接触し、合併し得、例えば、凹部５１は、孔１３によってのみ遮断される、または、孔１３の開口から短い距離６０’、６０”離間する。これに関連して、短いとは、凹部５１の長さの１０％以下を意味する。
【００１８】
図４は、図２を通過する、または、図５も通過する断面を示し、そこで、符号４８はセラミック層と基材４または接着促進層７との間のインターフェースの領域を示し、領域は、流れ方向において見た際に領域４８の下流に位置する孔１３及び凹部５１で始まる。従って、凹部５１は孔１３の上を延在する。
【００１９】
冷却気孔１３から開始するＴＢＣ１０の剥離の場合には、ＴＢＣは凹部５１までのみ裂け、亀裂は、流れ方向に見た際に凹部を超えて伝搬することはない。
【００２０】
従って、凹部５１は、最外層１０の厚みを大きく越えて延在する。
【００２１】
図６は、縦軸１２１に沿って延在するターボ機械の回転翼１２０またはガイド羽根１３０の斜視図を示す。
【００２２】
ターボ機械は、航空機または発電用の動力装置のガスタービン、蒸気タービン、または、コンプレッサーであり得る。
【００２３】
翼または羽根１２０、１３０は、縦軸１２１に沿って連続して、固定領域４００、隣接する翼または羽根プラットフォーム４０３、及び、主翼または羽根部４０６或いは羽根端または羽根端４１５を有する。ガイド羽根１３０のように、羽根１３０は、その羽根端４１５にさらなるプラットフォーム（図示せず）を有し得る。
【００２４】
シャフトまたはディスク（図示せず）に回転翼１２０、１３０を固定するための使用される翼または羽根基部１８３は、固定領域４００において形成される。
【００２５】
翼または羽根基部１８３は、例えば、ハンマーの頭部形状に設計される。モミの木やありつぎの基部などの他の形状が可能である。翼または羽根１２０、１３０は、主翼または羽根部４０６を流れ過ぎる媒体のための先端縁４０９及び後縁４１２を有する。
【００２６】
一般的な翼または羽根１２０、１３０の場合、例えば、固体金属材、特に、超合金が、翼または羽根１２０、１３０の全ての領域４００、４０３、４０６において使用される。このタイプの超合金は、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、または、特許文献５から既知である。翼または羽根１２０、１３０は、この場合、鋳造工程によって、方向性凝固によって、鍛造工程によって、製粉工程によって、または、これらの組み合わせによって製造され得る。
【００２７】
単結晶構造を有するワークピースは、作動中に高い機械的、温度的、かつ／または化学的ストレスにさらされる機械の構成部品として使用される。このタイプの単結晶ワークピースは、例えば、熔解物からの方向性凝固によって製造される。これは、液体金属合金が凝固され、例えば単結晶ワークピースの単結晶構造を形成する直悦鋳造工程を含む、または、指向的に凝固される。この場合、樹枝状結晶が熱流の方向に沿って配向され、円柱状の結晶粒構造（すなわち、ワークピースの全長を越え、本明細書では、習慣的に使用される言語に従って、一方向に凝固した、と称される粒）か、例えば、ワークピース全体が単結晶から成る、単結晶構造のいずれかを形成する。これらの工程において、非指向性成長は、必ず縦横粒界を形成する。一方向に凝固した、または、単結晶部品の好ましい特性を無効にするため、球状の（多結晶の）凝固は、避けられなければならない。本明細書で大まかに一方向に凝固した微細構造と言う場合、なにも結晶粒界を有さない、または、あっても小さな角度の結晶粒界を有する単結晶と、縦方向に延在する結晶粒界を有するが、横方向の結晶粒界は一切有さない柱状結晶との両方を意味することが理解されるべきである。結晶構造のこの第２の形状は、一方向に凝固した微細構造（一方向に凝固した構造）とも説明される。このタイプの工程は、特許文献６及び特許文献７から既知である。
【００２８】
翼または羽根１２０、１３０は、腐食または酸化に対して保護する被覆、（例えば、ＭＣｒＡＬＸ；Ｍは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）から成る群から選択される少なくとも１つの元素であり、Ｘは、活性元素であり、イットリウム（Ｙ）及び／またはシリコン及び／または少なくとも１つのレア・アース元素、またはハフニウム（Ｈｆ）を表す）を同様に有し得る。このタイプの超合金は、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、または、特許文献２から既知である。密度は、好ましくは、理論密度の９５％である。保護酸化アルミニウム層（ＴＧＯ＝熱成長酸化層）は、（中間層または最外層として）ＭＣｒＡＬＸ層上に形成される。
【００２９】
層は、好ましくは、Ｃｏ−３０Ｎｉ−２８Ｃｒ−８Ａｌ−０．６Ｙ−０．７Ｓｉ、または、Ｃｏ−２８Ｎｉ−２４Ｃｒ−１０Ａｌ−０．６Ｙの組成を有する。これらのコバルト基の保護被覆に加えて、Ｎｉ−１０Ｃｒ−１２Ａｌ−０．６Ｙ−３Ｒｅ、または、Ｎｉ−１２Ｃｏ−２１Ｃｒ−１１Ａｌ−０．４Ｙ−２Ｒｅ、または、Ｎｉ−２５Ｃｏ−１７Ｃｒ−１０Ａｌ−０．４Ｙ−１．５Ｒｅなどのニッケル基保護層を使用することが好ましい。
【００３０】
好ましくは最外層であり、例えば、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２から成る、すなわち、酸化イットリウム及び／または酸化カルシウム及び／または酸化マグネシウムによって非安定化、部分的に安定化、または、完全に安定化した熱障壁層がＭＣｒＡＬＸ層上に存在することも可能である。熱障壁層は、ＭＣｒＡＬＸ層全体を覆う。柱状結晶粒は、例えば、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）などの適切なコーティング工程によって熱障壁層内で製造される。例えば、大気中プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ、または、ＣＶＤなどの他のコーティング工程が可能である。熱障壁層は、多孔性である、または、マイクロ亀裂またはマクロ亀裂を有し得、これにより、熱衝撃への耐性を改善する。従って、熱障壁層は、好ましくは、ＭＣｒＡＬＸ層より多孔質である。
【００３１】
改修は、それらが使用された後で、保護層が構成部品１２０、１３０から（例えば、サンドブラストによって）除去される必要があり得ることを意味する。次いで、腐食及び／または酸化層及び製品が除去される。適切な場合、構成部品１２０、１３０の亀裂も修復される。これに次いで、構成部品１２０、１３０が再利用可能でなった後の構成部品１２０、１３０が再コーティングされる。
【００３２】
翼または羽根１２０、１３０は、中空または中実の形状であり得る。翼または羽根１２０、１３０が冷却されるべきである場合、それは中空であり、また、フィルム冷却孔４１８（破線で示される）を有し得る。
【００３３】
図９は、ガスタービンの燃焼室１１０を示す。燃焼室１１０は、例えば、火１５６を生成し、回転軸１０２の周囲に配置される多数の燃焼器１０７が一般的な燃焼室空間１５４内に開いた状態の、環状燃焼室として既知のもののように構成される。このため、燃焼室１１０全体は、回転軸１０２に周囲に配置される環状の構造からなる。
【００３４】
相対的に高い効率を得るために、燃焼室１１０は、約１０００℃〜１６００℃の作動媒体Ｍの相対的に高い温度用に設計される。材料にとって好ましくないこれらの作動パラメータの状態でも相対的に長い耐用年数を可能にするために、燃焼室壁１５３には、熱遮蔽要素１５５から形成される内層が作動媒体Ｍに面する側面上に設けられる。
【００３５】
作動媒体側面上において、超合金から作られる各熱遮蔽要素１５５には、特に熱耐性保護層（ＭＣｒＡＬＸ層及び／またはセラミック被覆）が装備される、または、高温に耐えら得る材料（中実セラミックブロック）から作られる。これらの保護層は、タービン翼または羽根と同様であり得る。すなわち、例えば、例えば、ＭＣｒＡＬＸ：  Ｍは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）から成る群から選択される少なくとも１つの元素であり、Ｘは、活性元素であり、イットリウム（Ｙ）及び／またはシリコン及び／または少なくとも１つのレア・アース元素、またはハフニウム（Ｈｆ）を表す。このタイプの超合金は、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、または、特許文献２から既知である。
【００３６】
例えば、セラミック障壁層は、例えばＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２から成り、すなわち、酸化イットリウム及び／または酸化カルシウム及び／または酸化マグネシウムによって非安定化、部分的に安定化、または、完全に安定化され、また、ＭＣｒＡＬＸ層上に存在し得る。柱状結晶粒は、例えば電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）などの適切なコーティング工程によって熱障壁層内で製造される。例えば、大気中プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ、または、ＣＶＤなどの他のコーティング工程が考えられる。熱障壁層は、熱衝撃への耐性を改善するために、多孔性である、または、マイクロ亀裂またはマクロ亀裂を有する結晶粒を含み得る。
【００３７】
改修は、それらが使用された後で、保護層が熱遮蔽要素１５５から（例えば、サンドブラストによって）除去される必要があり得ることを意味する。
【００３８】
次いで、腐食及び／または酸化層及び製品が除去される。適切な場合、熱遮蔽要素１５５の亀裂も修復される。これに次いで、熱遮蔽要素１５５が再利用可能でなった後の熱遮蔽要素１５５が再コーティングされる。
【００３９】
燃焼室１１０の内部の高温のため、冷却構造が、熱遮蔽要素１５５及び／またはそれらの保持要素にも設けられ得る。熱遮蔽要素１５５は、例えば、中空であり得、かつ、燃焼室空間１５４内に開いた冷却孔（図示せず）をも有し得る。
【００４０】
図１０は、ガスタービン１００を通過する部分的な縦断面図を例示的に示す。その内部において、ガスタービン１００は、シャフト１０２を有し、タービンローターとも称される、回転軸１０２の周りを回転可能なように設置されたローター１０３を有する。吸気筐体１０４、コンプレッサー１０５、例えばトロイダル燃焼室１１０、特に環状燃焼室、同軸に配置された複数の燃焼器１０７、タービン１０８、及び、排出ガス筐体１０９が、ローター１０３に沿って連続して位置する。環状燃焼室１１０は、例えば、環状高温ガスダクト１１１と連通する。例示的に、４つの連続したタービン段１１２がタービン１０８を形成する。各タービン段１１２は、例えば、２つの翼または羽根リングから形成される。作動媒体の流れ方向に見た際に、高温ガスダクト１１１内で、ガイド羽根列１１５の後に、タービン翼１２０から形成される列１２５が位置する。
【００４１】
ガイド羽根１３０は、固定子１４３の内側筐体１３８に固定され、列１２５のローター翼１２０は、例えば、タービンディスク１３３によってローター１０３上に篏合される。
【００４２】
発電機（図示せず）は、ローター１０３に結合される。
【００４３】
ガスタービン１００が作動中に、空気１３５が吸気筐体１０４に引き込まれ、コンプレッサー１０５におって圧縮される。コンプレッサー１０５のタービン端部に供給された圧縮された空気は、燃料と混合される燃焼器１０７に送られる。混合物は、次いで、燃焼室１１０内で燃やされ作動媒体１１３を形成する。そこから、高温ガスダクト１１１に沿って作動媒体はガイド羽根１３０及びローター翼１２０を通り過ぎて流れる。作動媒体１１３は、ローター翼１２０で拡張され、その推進力を伝達し、これにより、ローター翼１２０はローター１０３を駆動し、今度はローター１０３がそれに結合された発電機を駆動する。
【００４４】
ガスタービン１００が作動中に、高温の作動媒体１１３にさらされる構成部品は、熱緊張下にある。第１のタービン段１１２のガイド羽根１３０及ローター翼１２０は、作動媒体１１３の流れ方向に見た際に、環状燃焼室１１０にを並ぶ熱遮蔽要素と一緒に最も高い熱緊張下にある。そこの温度に耐えることを可能にするために、それらは冷却剤によって冷却され得る。構成部品の基材は、同様に、方向性構造を有し得る。すなわち、それらは単結晶形状（ＳＸ構造）であるか、単に縦方向に配向された結晶粒（ＤＳ構造）を有し得る。例示的に、鉄基、ニッケル基、または、コバルト基の超合金が、これらの構成部品、特にタービン翼または羽根１２０、１３０及び燃焼室１１０の構成部品の材料として使用される。このタイプの超合金は、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、または、特許文献５から既知である。
【００４５】
翼または羽根１２０、１３０は、腐食に対する被覆保護を同様に有し得る。（ＭＣｒＡＬＸ；  Ｍは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）から成る群から選択される少なくとも１つの元素であり、Ｘは、活性元素であり、イットリウム（Ｙ）及び／またはシリコン及び／または少なくとも１つのレア・アース元素、またはハフニウム（Ｈｆ）を表す）このタイプの超合金は、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、または、特許文献２から既知である。
【００４６】
熱障壁層は、例えばＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２から成り、すなわち、酸化イットリウム及び／または酸化カルシウム及び／または酸化マグネシウムによって非安定化、部分的に安定化、または、完全に安定化され、また、ＭＣｒＡＬＸ層上に存在し得る。柱状結晶粒は、例えば電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）などの適切なコーティング工程によって熱障壁層内で製造される。ガイド羽根１３０は、タービン１０８の内側筐体１３８に面するガイド羽根基部（図示せず）と、ガイド羽根基部から反対端に位置するガイド羽根頭部と、を有する。ガイド羽根頭部は、ローター１０３に面し、固定子１４３の固定リング１４０に固定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年8月19日(2015.8.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材（４）と、
表面（４２）を有する最外層（１０）と、
少なくとも前記最外層（１０）内の少なくとも１つの孔（１３）と、
を少なくとも備える層構造（２５）であって、
前記孔（１３）周囲付近に、または、前記孔（１３）の境界線（４５）に直接隣接して、少なくとも１つの閉じられずに延在する凹部（５１）が、前記最外層（１０）の前記表面（４２）上に存在し、前記凹部（５１）は湾曲し、かつ前記凹部（５１）の両端（５４、５７）が互い向き合うことを特徴とする層構造。
【請求項２】
前記凹部（５１）の前記両端（５４、５７）は、前記孔（１３）のレベルで中央に配置されることを特徴とする請求項１に記載の層構造。
【請求項３】
流れ方向（５４）に見た際に、前記凹部（５１）は、前記表面（４２）上で、下流領域（５７）において前記孔（１３）の開口を閉じないことを特徴とする請求項１に記載の層構造。
【請求項４】
前記凹部（５１）は、前記孔（１３）の前記境界線（４５）で終端し、前記孔（１３）と合併することを特徴とする請求項１に記載の層構造。
【請求項５】
前記凹部（５１）は、前記孔（１３）の前記境界線（４５）で終端しないことを特徴とする請求項１に記載の層構造。
【請求項６】
前記凹部（５１）は、前記最外層（１０）に厚みの少なくとも７０％を越えて延在することを特徴とする請求項１に記載の層構造。
【請求項７】
前記最外層（１０）は、セラミック層であることを特徴とする請求項１に記載の層構造。
【請求項８】
前記孔（１３）は、前記表面（４２）にディフューザー（１９）を有し、前記ディフューザー（１９）は、前記凹部によって取り囲まれないことを特徴とする請求項１に記載の層構造。
【国際調査報告】
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2015536406.tif 000012
2015536406.tif 000013
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