(57)【要約】セラミックス断熱層（１７）を備えたガスタービン翼（１）に関する。この断熱層は、１０〜９５重量％アルミン酸塩マグネシウムと、５〜９０重量％酸化マグネシウムと、０〜２０重量％酸化アルミニウムとから成り、スピネル型構造の前記アルミン酸塩マグネシウムからなる母材の中に、酸化マグネシウムからなる粒子（２３）が埋設されている。これによって、セラミックス断熱層（１７）の熱膨張係数を、ガスタービン翼（１）の金属製本体（５）に特に良好に適合させられる。同時に、セラミックス断熱層（１７）は３容積％より大きな多孔率を有している。これによって、十分に小さな熱伝導率が保証される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス断熱層（１７）を備えたガスタービン翼（１）において、前記断熱層（１７）が１０〜９５重量％アルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）と、５〜９０重量％酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、０〜２０重量％酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と残り通常の不純物とを含み、スピネル型構造の前記アルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）からなる母材の中に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から成り、平均直径０．１〜１０μｍの粒子（２３）が埋設され、かつ前記断熱層（１７）が３容積％より大きな多孔率を有することを特徴とするガスタービン翼。
【請求項２】
粒子（２３）が０．１〜２μｍの平均直径を有することを特徴とする請求項１記載のガスタービン翼。
【請求項３】
断熱層（１７）が５５〜８０重量％酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含むことを特徴とする請求項１記載のガスタービン翼。
【請求項４】
断熱層（１７）が、ＣａＯ、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2およびＦｅ2Ｏ3の酸化物群から、少なくとも１つの酸化物を追加的に含むことを特徴とする請求項１記載のガスタービン翼。
【請求項５】
ガスタービン翼（１）がニッケル基或いはコバルト基耐熱合金からなる本体（１５）を有し、該本体（１５）上にセラミックス断熱層（１７）が設けられ、該層（１７）は本体（１５）に隣接する第１層領域（３１）と、該領域（３１）の上に設けられた第１層領域（３１）と異なった第２層領域（３３）とからなることを特徴とする請求項１記載のガスタービン翼。
【請求項６】
本体（１５）が、耐熱合金上に設けられた金属防食膜（１５ａ）を有することを特徴とする請求項５記載のガスタービン翼。
【請求項７】
第１層領域（３１）が、１０〜９５重量％アルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）と、５〜９０重量％酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、０〜２０重量％酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とから成り、第２層領域（３３）が、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）安定二酸化ジルコン（ＺｒＯ2）からなることを特徴とする請求項５記載のガスタービン翼。
【請求項８】
第１層領域（３１）が、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）安定二酸化ジルコン（ＺｒＯ2）から成り、第２層領域（３３）が、１０〜９５重量％アルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）と、５〜９０重量％酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、０〜２０重量％酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とからなることを特徴とする請求項５記載のガスタービン翼。
【請求項９】
第１層領域（３１）および第２層領域（３３）が、１０〜９５重量％アルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）と、５〜９０重量％酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、０〜２０重量％酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とから成り、第１層領域（３１）が第２層領域（３３）より小さな多孔率を有することを特徴とする請求項５記載のガスタービン翼。
【請求項１０】
セラミックス断熱層（１７）が、２容積％より小さい多孔率を有するセラミックス基礎層（４１）の上に設けられたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン翼。
【請求項１１】
セラミックス断熱層（１７）における多孔率が、外に向けて段階的に増加することを特徴とする請求項１記載のガスタービン翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセラミックス断熱層を備えたガスタービン翼に関する。
【０００２】
国際公開第０１／００５３９号パンフレットに、高温下で利用するセラミックス断熱材料が開示されている。その材料は、熱膨張係数が金属に合うよう調製され、その結果、このセラミックス材料を金属製本体上に層の形で設けた際、熱膨張係数の相違による熱応力は非常に小さくなる。そのため、セラミックス材料は、１０〜９５重量％アルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）と、５〜９０重量％酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、０〜２０重量％酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなる。また、アルミン酸塩マグネシウム母材内に、酸化マグネシウムからなる粒子が埋設されている。アルミン酸塩マグネシウムは均質母材として存在する。該母材は、中間に自由空間が存在するアルミン酸塩マグネシウム圧縮焼結粒子からではなく、無孔均質アルミン酸塩マグネシウムからなる。この組織において、アルミン酸塩マグネシウムは、酸化マグネシウムを包囲する包皮が、サーマルスプレイの過程中でも有効なので、十分に熱的に安定している。かくして、酸化マグネシウムの範囲はサーマルスプレイ中も封じ込まれたままであり、酸化マグネシウムは昇華も蒸発もしない。セラミックス部品の利用は高温燃料電池でも見られ、そこでは、気体漏洩を回避すべく、特に緻密な無孔セラミックス層を採用せねばならない。
【０００３】
国際公開第９８／２６１１０号パンフレットは、特にガスタービン翼において高温下で利用する断熱層を開示している。この種ガスタービン翼は特に高温に曝され、同時に大きな熱的負荷を受ける。従って、このガスタービン翼は通常、特に大きな耐熱性を有するニッケル基又はコバルト基耐熱合金で作られている。また、ガスタービン翼は内部冷却系を介し冷却空気で冷却される。更に、ガスタービン翼は保護膜系で保護されている。この保護膜系は金属防食膜から成り、その上にセラミックス断熱層が設けられている。その代表的な金属防食膜は例えばＭＣｒＡｌＹ合金からなる層であり、該層は、本体の腐食を防止するだけでなく、セラミックス断熱層に対し付着媒介作用をする。しかしこの層は、熱的交番荷重を受ける際に特に問題がある。即ち、セラミックス断熱層は、金属製の本体又は防食膜と異なる熱膨張係数を有し、このため熱応力が生ずる。これは、剥離によるセラミックス断熱層の損傷がガスタービン翼の寿命を決定するので、寿命を顕著に制限する。二酸化ジルコン基の通常の断熱層は、一般に酸化イットリウムで相を安定化した二酸化ジルコンから成っている。この断熱層は、場合により、三元酸化物であるかパイロクロア型組織或いはペロブスカイト型組織を有する新たなセラミックスで置き換えられる。代表的には、セラミックス断熱層は雰囲気内プラズマスプレイや電子ビーム蒸着で設けられる。
【０００４】
本発明の課題は、特に長い寿命を有するセラミックス断熱層付きガスタービン翼を提供することにある。
【０００５】
この課題は、本発明に従い、セラミックス断熱層を備えたガスタービン翼において、前記断熱層が１０〜９５重量％のアルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）と、５〜９０重量％の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、０〜２０重量％の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と、残り通常の不純物とを含み、スピネル型構造アルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）からなる母材中に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から成り平均直径０．１〜１０μｍの粒子が埋設され、前記断熱層が３容積％以上の多孔率を有することで解決される。
【０００６】
そのガスタービン翼は動翼としても静翼としても形成できる。
【０００７】
３容積％以上の多孔率は、セラミックス断熱層内に３％以上の容積比で空洞が存在することを意味する。かかる多孔率は、ガスタービン翼のセラミックス断熱層に対して実際に不可欠である。これは、そのようにしてしか、ガスタービン翼の冷却形本体を防護するために役立つ小さな熱伝導率が得られないからである。好適には、空洞の容積比は４０％以下である。上述のように、セラミックス断熱層の上述した材料、即ちアルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）母材における酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、金属熱膨張係数に合わせるために、特に良好に適用される。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる粒子は、熱膨張係数を増大させる。従来、酸化マグネシウムは高温下におけるサーマルスプレイ時にセラミックス断熱層に対し不適とされていた。スピネル型構造アルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）からなる母材でも、酸化マグネシウムの安定化がアルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）からなる緻密な空洞のない母材によってしか行えないとされていた。しかしそのような緻密な無孔組織は、上述したようにガスタービン翼の採用に不適なので、この材料は、ガスタービン翼のセラミックス断熱材として考慮されなかった。しかし本発明の考えに応じて、サーマルスプレイの通常の過程において、上述した形式の多孔性セラミックス断熱層が形成できる。この結果、セラミックス断熱層の熱膨張係数を、ガスタービン翼の金属製本体に特に良好に適合させることができる。
【０００８】
Ａ）  好適には、ＭｇＯ粒子は０．１〜２μｍの平均直径を有する。この粒径はセラミックス材料の吹付け性に特に有利に作用する。
【０００９】
Ｂ）  断熱層の材料が５５〜８０重量％酸化マグネシウムを含むとよい。この材料は、酸化マグネシウムの量に応じ、１０００℃において１１〜１２×１０-6Ｋ-1の熱膨張係数を示す。この材料の熱膨張係数は、金属製本体のそれに特に良好に適合する。
【００１０】
Ｃ）  断熱層は、酸化カルシウム、酸化シリコン、酸化ジルコンおよび酸化鉄の酸化物群からの少なくとも１つの酸化物を追加的に含む。その材料は、添加物として材料特性に良好に作用する。
【００１１】
Ｄ）  好適には、ガスタービン翼はニッケル基又はコバルト基耐熱合金からなる本体を有し、該本体上にセラミックス断熱層が設けられ、その際本体に隣接する第１層領域が設けられ、該領域の上に、第１層領域と異なる第２層領域が設けられる。
【００１２】
Ｅ）  更に好適には、本体は、耐熱合金上に設けられた金属防食膜を備える。
【００１３】
Ｆ）  上述の第１層領域が１０〜９５重量％のアルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）と、５〜９０重量％の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、０〜２０重量％の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、そして第２層領域が酸化イットリウム安定二酸化ジルコンからなるとよい。第１と第２層領域の組成は逆にしてもよい。即ち第１層領域が酸化イットリウム安定二酸化ジルコン、第２層領域が１０〜９５重量％のアルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）と、５〜９０重量％の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、０〜２０重量％の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とからなる。この層系では、通常の二酸化ジルコンの信頼できる特性を、アルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる新しいセラミックス材料の熱膨張係数についての特に良好な特性と組み合わせ得る。
【００１４】
Ｇ）  第１層領域と第２層領域は、好適には１０〜９５重量％のアルミン酸塩マグネシウム（ＭｇＡｌ2Ｏ4）と、５〜９０重量％の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、０〜２０重量％の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とから成り、その際第１層領域が第２層領域より小さな多孔率を有する。従って必要な多孔性は、特に外側に位置する第２層領域で達成され、第１層領域に緻密な組織が存在し、該組織が、その下側に位置する金属製本体を高温ガスによる腐食作用から良好に防護する。
【００１５】
Ｈ）  セラミックス断熱層は、好適には２容積％より小さい多孔率を有するセラミックス基礎層上に設けられる。該基礎層は、セラミックス断熱層と同じ化学的組成を有するが、場合により、金属製本体上に実際上完全に密に設けられる。従って、セラミックス断熱層の上述の多孔性は、そのセラミックス基礎層に関係しない。これに伴い、良好な断熱特性と腐食作用に対する遮蔽作用とが特に良好に組み合わされる。
【００１６】
Ｉ）  セラミックス断熱層における多孔率は、好適には外側に向けて段階的に増加する。即ち、従来は小さな多孔率と大きな多孔率とを組み合わせた所定の層系が挙げられていたが、いまや、緻密な組織から高い多孔性の組織への段階的な移行を提案する。
【００１７】
上述したＡ）〜Ｉ）の実施態様は相互に組み合わせ得る。
【００１８】
以下図示の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号を付している。
【００１９】
図１はガスタービン翼１を示す。該翼１は翼形部（羽根）３と、翼台座５と、翼脚７とを有する。この翼１はまた、冷却のための冷却空気１１が通る内部空間９を備える。ガスタービン翼１は、ニッケル基又はコバルト基耐熱合金の本体１５を備える。この本体１５は外側金属防食膜１５ａも有する。該膜１５ａは腐食防止と、セラミックス断熱層の結合に役立つ。このセラミックス断熱層１７は、外側金属防食膜１５ａ上に設ける。
【００２０】
ガスタービン翼１の使用中、羽根３は極めて高温のガスで洗流される。そのため、ガスタービン翼１を冷却空気１１で強く冷却する必要がある。また、ガスタービン翼１をセラミックス断熱層１７により高温ガスから熱的に防護せねばならない。翼台座５はロータ円板（図示せず）を高温ガスから遮蔽すべく用いる。かかるロータ円板に翼脚７も係合し、ガスタービン翼１は翼脚７でガスタービンロータに固定される。
【００２１】
図２は、セラミックス断熱層１７の金属組織を概略的に示す。スピネル型構造アルミン酸塩マグネシウムからなる母材２１内に、酸化マグネシウムの粒子２３を埋設している。この組成は、特に通常のセラミックス断熱層に比べて高い熱膨張係数を生じ、この結果その断熱層１７の熱膨張係数は、本体１５の熱膨張係数に良好に適合する。これに伴い熱応力が小さくなり、その結果、特に熱的交番荷重を受ける際、セラミックス断熱層１７の寿命、従ってガスタービン翼１の寿命が著しく延びる。セラミックス断熱層１７は、新たにかなり大きな多孔性をもって作られる。該多孔性は、セラミックス断熱層１７内に空洞２５を封じ込んだことを意味する。多孔率は３容積％、特に５容積％より大きい。この多孔性によって初めて、セラミックス断熱層１７に対し十分に小さな熱伝導率が得られる。
【００２２】
図３は、ガスタービン翼１の本体１５上に設けたセラミックス断熱層１７を断面図で示す。ここでセラミックス断熱層１７は２つの層領域からなっている。本体１５、即ち防食膜１５ａに隣接する第１層領域３１と、この第１層領域３１上に設けられた第２層領域３３とからなる。両層領域３１、３３は化学的並びに組織的に互いに異なる。特に、第１層領域３１は上述したアルミン酸塩マグネシウム／酸化マグネシウム混合物から成り、第２層領域３３は通常の酸化イットリウム安定二酸化ジルコンセラミックスから成っている。またその逆の組成でもよい。更に、第１層領域３１は小さな又は著しく小さな多孔率で設けられ、第２層領域３３は高い多孔率を有する。この結果、小さな熱伝導率と腐食性ガスに対する大きな遮蔽性とを組み合わせ得る。
【００２３】
図４は、ガスタービン翼１の本体１５上に設けたセラミックス断熱層１７の異なる実施例を示す。空洞２５は、本体１５から外に向かいその平均直径が増大している。この段階的組織、即ち段階づけた組織により、一方では熱伝導率について良好な特性、他方では腐食性ガスに対する遮蔽作用が得られる。
【００２４】
図５では、セラミックス断熱層１７をセラミックス基礎層４１上に設けている。この基礎層４１は、セラミックス断熱層１７と化学的並びに組織的に異なっている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ガスタービン翼の斜視図。
【図２】セラミックス断熱層の金属組織の概略図。
【図３】ガスタービン翼の本体上におけるセラミックス断熱層の断面図。
【図４】セラミックス断熱層の異なった実施例の図3に相当した図。
【図５】セラミックス断熱層の更に異なった実施例の図3に相当した図。
【符号の説明】
【００２６】
１  ガスタービン翼、１５  ガスタービン翼本体、１５ａ  防食膜、１７  セラミックス断熱層、２３  粒子、３１  第１層領域、３３  第２層領域、４１  セラミックス基礎層
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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