(57)【要約】複合断熱被覆層システムは、基体の一部の上の第１の複合断熱被覆層と、基体の端縁部上の第２の付着断熱被覆層とを含む。第１の複合被覆層は比較的厚く、好ましくは、高い熱膨張率を有するセラミック中空球体がリン酸塩結合母材内に含まれる削磨性ハネカム金属構造を有するもろい漸変断熱材を含む。端縁部の第２の付着被覆層は比較的薄く、好ましくは、ＺｒＯ２及びＹ２Ｏ３より成る電子ビーム物理的蒸着断熱被覆層より成る。もろい漸変絶縁層は現在の断熱被覆層を超える厚さに製造できるため、大きな熱的保護が得られる。優れた耐侵食性及び削磨性も得られる。複合断熱被覆層システムは、リングシールセグメント、静翼セグメントのシュラウド、移行部及び燃焼器のような燃焼タービンのコンポーネントに有用である。
2004507620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基体と、
基体の一部の上の第１の複合断熱被覆層と、
第１の複合断熱被覆層の周面に隣接して基体の少なくとも端縁部上に付着された第２の断熱被覆層とより成る断熱被覆層システム。
【請求項２】
第１の複合断熱被覆層は金属基体の凹部に埋め込まれている請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項３】
第１の複合断熱被覆層は、その厚みの約１０乃至約８０％の深さ基体に埋め込まれている請求項２の断熱被覆層システム。
【請求項４】
第１の複合断熱被覆層は、その厚みの約２０乃至約５０％の深さ基体に埋め込まれている請求項２の断熱被覆層システム。
【請求項５】
第１の複合断熱被覆層の厚さは約１乃至約６ｍｍである請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項６】
第１の複合断熱被覆層の厚さは約２乃至約４ｍｍである請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項７】
第２の付着断熱被覆層の厚さは第１の複合断熱被覆層の厚さより小さい請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項８】
第２の付着断熱被覆層の厚さは約０．２乃至約１ｍｍである請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項９】
第２の付着断熱被覆層の厚さは約０．３乃至約０．７ｍｍである請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項１０】
第１の複合断熱被覆層の周面領域の厚さは第１の複合断熱被覆層の残部の厚さより小さい請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項１１】
周面領域は下層の金属基体により画定される平面から約５乃至約１０度テイパーしている請求項１０の断熱被覆層システム。
【請求項１２】
第１の複合断熱被覆層は、開いたセルを有するハネカムを備えた金属支持構造より成る請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項１３】
ハネカムの少なくとも一部の上の酸化物表面被覆層をさらに備えた請求項１２の断熱被覆層システム。
【請求項１４】
ハネカムにはセラミック母材が少なくとも部分的に充填されている請求項１３の断熱被覆層システム。
【請求項１５】
第２の付着断熱被覆層はＺｒＯ２及びＹ２Ｏ３より成る請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項１６】
第２の付着断熱被覆層は電子ビーム物理的蒸着被覆層である請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項１７】
金属基体は燃焼タービンの部品を構成する請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項１８】
金属基体はリングシールセグメント、燃焼器、移行部、内側プラットフォームまたは外側プラットフォームである請求項１７の断熱被覆層システム。
【請求項１９】
複合断熱被覆層システムを形成する方法であって、
金属基体の一部を第１の複合断熱被覆層で覆い、
第１の複合断熱被覆層の周面に隣接する基体の少なくとも端縁部上に第２の断熱被覆層を付着させるステップより成る複合断熱被覆層システムの形成方法。
【請求項２０】
第１の複合断熱被覆層は金属基体の凹部に埋め込まれ、第２の付着断熱被覆層より厚い請求項１４の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、削耗性断熱被覆層に関し、さらに詳細には、タービンリングセグメントのような燃焼タービンのコンポーネントへのかかる被覆層の使用に関する。
【０００２】
【背景情報】
燃焼タービンの金属コンポーネントの動作温度は非常に高いため、しばしば断熱被覆層（ＴＢＣ）の使用を必要とする。従来のＴＢＣは通常、ジルコニアの薄い層より成る。多くの用途において、これらの被覆層は耐侵食性と共に削耗性を備えなければならない。例えば、タービン翼先端部に厳密な公差で嵌合するタービンリングシールセグメントは、耐侵食性を備え、タービン翼の損傷を減少するために優先的に摩耗または削耗しなければならない。
【０００３】
下層の金属への十分な接着性を与えるために、従来のＴＢＣは、例えば０．５ｍｍ未満の比較的薄い層として形成される。この厚みは、被覆層と金属基体との間の熱膨張率のミスマッチによる制約を受ける。しかしながら、このように薄い層は被覆層の熱伝達特性を制限し、最適な耐侵食性及び削耗性を与えない。
【０００４】
改良型ガスタービンの効率改善目標は、広範囲の現在の技術の改良だけでなく幾つかの重要な技術におけるブレイクスルーをあてにしている。かかる重要な問題の１つは、回転翼先端部のクリアランスを厳密に制御することにある。これには、タービン熱シールドまたはタービン外側シールとしても知られるタービンリングセグメントが回転翼先端部との機械的摩擦を吸収できなければならない。
【０００５】
閉ループ蒸気冷却型タービンのリングセグメントでは、この摩擦の目的のためにリングセグメントの表面上に約０．１インチの断熱被覆層を設ける必要がある。最も最近の最新型ガスタービンでは、第１段のリングセグメントにおける高温スポットガス温度は２、８００ＥＦである。かかる高熱負荷の下では、ＴＢＣ表面温度は２、４００ＥＦになることが予想される。ＴＢＣの最高表面温度は２、１００ＥＦという制約があるため、従来の削耗性ＴＢＣを使用することができない。
【０００６】
電子ビーム物理的蒸着断熱被覆層（ＥＢ−ＰＶＤ　ＴＣＢ）は、かかる高い表面温度に対する１つの解決法である。しかしながら、ＥＢ−ＰＶＤ　ＴＣＢは、削耗性が十分でなく、従来のタービンリングセグメントに使用しても満足な結果が得られるとは考えられない。
【０００７】
充填ハネカム構造より成るもろい漸変絶縁体（ＦＧＩ）は、タービンリングセグメントに削耗性を与えるための１つの方法として提案されている。ＦＧＩ材料は、本願の一部として引用する米国特許出願第０９／２６１、７２１号に記載されている。ＦＧＩを有効な削耗性材料として使用するのは、受け入れ可能な削耗性を得るために被覆層の巨視的多孔度を制御できるからである。この被覆層は、中空セラミックの球がリン酸アルミニウム母材内に包まれたものより成る。このセラミック被覆層を金属基体に接着できるようにするには、金属基体にろう付けされた耐高温性ハネカム合金を使用する。ハネカムはＦＧＩ充填材の機械的固定手段として働き、化学的接合のための大きな表面積を提供する。しかしながら、タービンリングセグメントのようなＦＧＩハネカム被覆層の実用的な用途に関する重要な問題の１つは、リングセグメントの端縁部及び隅部が高温ガスの対流に曝されることである。端縁部及び隅部を充填ハネカムで包もうとすると、製造上大きな問題点が発生する。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みて、また従来技術の他の問題点を解消するために考案されたものである。
【０００９】
【発明の概要】
本発明は、リングシールセグメントなどのようなガスタービンコンポーネントに利用できる耐高温性で断熱性及び／または削耗性を有する複合被覆層システムを提供する。この被覆層システムは、コンポーネントの一部を覆う第１の複合断熱被覆層と、コンポーネントの端縁部を覆う第２の付着断熱被覆層とを含む。
【００１０】
好ましい第１の複合断熱被覆層は、金属基層または基体、金属ハネカム構造及びセラミック充填材より成る複合材を含む。セラミック充填材は、好ましくは、耐高温性及び優れた断熱性を与えるためにリン酸塩の母材内に設けた中空のセラミック球体より成る。その結果得られるシステムはコンプライアンス性を有し、セラミックと金属基体材料との間の種々の熱的ひずみを吸収する。ハネカム／セラミック複合材は、金属ハネカムを保護し断熱するために、オプションとしてのセラミック層を上に設けることができる。
【００１１】
第２の付着断熱被覆層は、コンポーネントの端縁部を覆い、例えば、ＺｒＯ２−８ｗｔ％Ｙ２Ｏ３のようなジルコニアとイットリアの組み合わせより成るのが好ましい。端縁部の付着断熱被覆層は、好ましくは、電子ビーム物理的蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）法により施される。ＥＢ−ＰＶＤによるセラミックは、好ましくは、柱状の微細構造を有し、この構造は優れたひずみ許容性を与える。機械的負荷または熱サイクルの下で、ＥＢ−ＰＶＤによるセラミックの柱状組織は、ひずみサイクルがコンポーネントに加えられると互いに離れるだけでなく近づく方向に移動することができる。
【００１２】
本発明の被覆層システムは、改善された断熱特性だけでなく優れた削耗性を示す。第１の複合被覆層のハネカム構造は、セラミック材料と下層の金属基体／コンポーネントの間に良好な接着性を与える。処理時にハネカムのセル内にセラミックを浸透させることにより、ハネカムはセラミックと金属との間の接着性を向上させる機械的固着をさらに強固にする。この複合物により、例えば２ｍｍまたはそれ以上のオーダーの比較的厚い断熱被覆層がガスタービンの金属製高温部品に非常に大きい耐高温性を与えることができる。
【００１３】
この被覆層システムは、適切な削耗性を与えるだけでなく、優れた耐侵食性を有する。例えば、リングシールセグメント上のセラミックは、リングシールセグメントと翼先端部が摩擦する場合に翼の金属に対して優先的に摩耗しなければならない。この性質は、翼先端部のクリアランスを制限し、同様な状況では従来のＴＢＣ被覆層による生じる翼先端部の損傷を発生させることなくエンジン効率の改善を可能にする。
【００１４】
本発明は、リングシールセグメント、移行部、燃焼器、静翼プラットフォームなどに使用可能な高い耐久性と低コストの断熱被覆層システムを提供する。
【００１５】
本発明は、１つの局面において、金属基体と、基体の一部の上の第１の複合断熱被覆層と、第１の複合断熱被覆層の周面に隣接して基体の少なくとも端縁部上に付着された第２の断熱被覆層とより成る断熱被覆層システムを提供する。
【００１６】
本発明は、別の局面において、金属基体の一部を第１の複合断熱被覆層で覆い、第１の複合断熱被覆層の周面に隣接する基体の少なくとも端縁部上に第２の断熱被覆層を付着させるステップより成る複合断熱被覆層システムの形成方法を提供する。
【００１７】
本発明の上記及び他の特徴は、以下の説明を読めばより明らかになるであろう。
【００１８】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図１及び２は、従来型タービンリングセグメントに使用される本発明の断熱被覆層システムを示す。タービンリングセグメント１は、前方端縁部２及び後方端縁部３を有する。タービンリングセグメント１内における公知の態様の蒸気の流れは、図１に示すように、流入する蒸気を表す矢印Ｓｉと流出する蒸気を表すＳｏとで表される。タービンリングセグメント１の表面近くには、乱流冷却孔が設けられている。
【００１９】
図１及び２に示すように、タービンリングセグメント１は、動作時に非常に高い温度に曝される基体５を有する。本発明によると、基体５の一部の上には第１の複合断熱被覆層６が設けられている。第２の付着断熱被覆層８は、基体５の端縁部上であって第１の複合断熱被覆層６の周面近くに設けられている。第１の複合断熱被覆層６は比較的厚く、タービンリングセグメント１の摩耗または削耗領域上に提供される。第２の付着断熱被覆層８は比較的薄く、タービンリングセグメント１の摩擦のない表面に設けられる。
【００２０】
好ましい実施例における第１の複合断熱被覆層６は、米国特許出願第０９／２６１、７２１号に記載されたような削耗性を有するＦＧＩ充填ハネカム複合材より成る。ＦＧＩ層は、好ましくは、コンポーネントの摩擦の可能性のある表面上にろう付けされる。ＦＧＩ被覆層６のハネカムは基体５内に埋め込まれており、優れたろう付け強度のような利点を提供する。
【００２１】
第２の付着断熱被覆層８は、好ましくは、ジルコニアとイットリアのようなＥＢ−ＰＶＤセラミックより成り、セラミックの重量％の大部分はジルコニアである。例えば、セラミックは、好ましくは、１乃至２０重量％のＹ２Ｏ３と、残りのＺｒＯ２及び少量のドーパント及び不純物より成る。特に好ましいＥＢ−ＰＶＤ　ＴＢＣの組成は、ＺｒＯ２−８ｗｔ％Ｙ２Ｏ３である。
【００２２】
図３は、図２のタービンリングセグメント１の左端縁部の拡大断面図である。第１の複合断熱被覆層６は厚さがＴ１であり、基体５の深さＴ２の凹部領域に埋め込まれている。この埋め込み深さＴ２は通常、厚さＴ１の約１０乃至約８０％であり、好ましくは、約２０乃至約５０％である。第２の付着断熱被覆層８は厚さがＴ３であり、基体５の凹部のない端縁部領域に設けられている。厚さＴ３は厚さＴ１の約５乃至約５０％であり、好ましくは約１０乃至約３０％である。
【００２３】
第１の複合断熱被覆層６の厚さＴ１は、好ましくは、約１乃至約６ｍｍの範囲であり、さらに好ましくは約２乃至約４ｍｍである。凹部または埋め込み深さＴ２は、好ましくは約０．５乃至約３ｍｍ、さらに好ましくは約０．７乃至約２ｍｍである。第２の付着断熱被覆層８の厚さＴ３は、好ましくは約０．２乃至約１ｍｍ、さらに好ましくは約０．３乃至約０．７ｍｍである。
【００２４】
図３に最も良く示すように、ＦＧＩ複合断熱被覆層６の周面領域はテイパー付きであり、付着層により覆われる端縁部を提供する。この被覆層６は、ＦＧＩ被覆層６が適用される下層の基体５の面から約５乃至約１０度の角度Ａでテイパーするのが好ましい。
【００２５】
一例として、従来の第１段リングセグメントに用いるＴＢＣシステムは、以下の寸法によると設計目的を満足できる。即ち、ＦＧＩ充填ハネカムの厚さＴ１は０．１２インチ；基体内に埋め込まれるハネカムの厚さＴ２は０．０４インチ；テイパー角度Ａは７°；ＥＢ−ＰＶＤ　ＴＢＣの組成はＺｒＯ２−８ｗｔ％Ｙ２Ｏ３；及びＥＢ−ＰＶＤ　ＴＢＣの厚さＴ３は０．０２インチである。
【００２６】
図４は、本発明の被覆層システムに使用可能なＦＧＩ複合断熱被覆層の一部の概略的平面図である。この複合断熱被覆層は、開いたセルのあるハネカムより成る金属支持構造１２を有する。セラミック母材１４の内部にセラミック粒子１６が閉じ込められるセラミック充填材は、ハネカム１２のセルを充填している。ハネカム支持構造１２を図４に示すが、開いたセルを含む他の幾何学的構造も本発明により使用可能である。
【００２７】
ハネカム１２のセルの好ましい幅は約１乃至７ｍｍである。ハネカム１２の壁厚は、好ましくは、約０．１乃至約０．５ｍｍである。ハネカム１２は、好ましくは、例えば、ＰＭ２０００のような鉄系酸化物分散強化（ＯＤＳ）合金またはＮｉｍｏｎｉｃ　１１５またはＩｎｃｏｎｅｌ　７０６のような耐高温ニッケル超合金である少なくとも１つの金属より成る。ＰＭ２０００は、約２０重量パーセントのＣｒ、５．５重量パーセントＡｌ、０．５重量パーセントＴｉ、０．５重量パーセントのＹ２Ｏ３と残りのＦｅより成る。Ｎｉｍｏｎｉｃ　１１５は、約１５重量パーセントのＣｒ、１５重量パーセントのＣｏ、５重量パーセントのＡｌ、４重量パーセントのＭｏ、４重量パーセントのＴｉ、１重量パーセントのＦｅ、０．２重量パーセントのＣ、０．０４重量パーセントのＺｒと残りのＮｉより成る。Ｉｎｃｏｎｅｌ　７０６は、約３７．５重量パーセントのＦｅ、１６重量パーセントのＣｒ、２．９重量パーセントのＣｏ、１．７５重量パーセントのＴｉ、０．２重量パーセントＡｌ、０．０３重量パーセントのＣと残りのＮｉより成る。
【００２８】
ハネカム１２の壁部は、好ましくは、厚さ約０．００５乃至５ミクロンの酸化物表面被覆を有する。酸化物表面被覆は、アルミナ、チタニア、イットリア及びハネカム材料の組成に関連する他の安定な酸化物のような金属酸化物より成る。
【００２９】
セラミック充填材のセラミック母材１４は、好ましくは、モノアルミナムホスフェート、リン酸イットリウム、リン酸ランタン、リン酸ホウ素及び他の耐熱性リン酸塩のような少なくとも１つのリン酸塩またはリン酸塩でない結合剤などより成る。セラミック母材１４はまた、ムライト、アルミナ、セリア、ジルコニアのようなセラミック充填材粉末を含むことができる。オプションとして用いるセラミック充填材粉末の好ましい平均粒径は、約１乃至約１００ミクロンである。
【００３０】
図４に示すように、中空のセラミック粒子１６は球形であるのが好ましく、ジルコニア、アルミナ、ムライト、セリア、ＹＡＧなどより成る。中空のセラミック球体１６の好ましい平均サイズは、約０．２乃至１．５ｍｍである。
【００３１】
図５は、本発明の一実施例による被覆層システムに使用可能な複合断熱被覆層を示す一部が概略的な側断面図である。ハネカム支持構造１２、セラミック母材１４及び中空のセラミック球体１６は、例えば、ニッケル系超合金、コバルト系超合金、鉄系超合金、ＯＤＳ超合金のような合金または金属間材料である金属基体５に固着されている。ろう付け材２０により複合被覆層を基体５に固着するのが好ましい。ろう付け材２０は、ＡＭＳ４７３８またはＭＢＦ１００のような材料より成る。図５の実施例では、ろう付け材２０により複合断熱被覆層を基体５に固定するが、被覆層を基体に固定する他の任意適当な手段を用いることができる。好ましい実施例における金属基体５は、リングシールセグメントのような燃焼タービンのコンポーネントである。
【００３２】
金属支持構造及びセラミック充填材を含む複合断熱被覆層の厚さＴ１は、多くの用途において、好ましくは約１乃至約６ｍｍ、さらに好ましくは約２乃至約４ｍｍである。しかしながら、厚さＴ１は各用途の特定の熱伝達条件に応じて変更可能である。
【００３３】
図５の実施例において、セラミック充填材１４、１６はハネカム１２のセルを実質的に充填する。図６に示す別の実施例では、セラミック充填材をさらにハネカム１２を覆う上層として使用する。図６の実施例における上層２２は、ハネカム１２のセルを充填したセラミック充填材１４、１６と実質的に同一組成である。あるいは、上層２２を異なる組成にしてもよい。上層２２の厚さは、好ましくは、約０．５乃至約２ｍｍであり、その下層のハネカムの厚さにほぼ比例する。
【００３４】
図７は、基体５とセラミック充填材１４との間に中間層２４を設けた本発明の別の実施例を示す。この実施例において、中間層２４を空所または繊維質断熱材のような低密度充填材により構成することができる。中間層は基体材料に対する断熱性をさらに増加させ、また被覆層のコンプライアンス性の増加に寄与する場合もある。中間層２４の厚さは、好ましくは、約０．５乃至約１．５ｍｍである。
【００３５】
本発明によると、ＦＧＩ複合断熱被覆層は、従来の薄いＡＰＳ断熱被覆層（１−２ｘ１０６Ｗ／ｍ２）に匹敵する熱束での動作能力を有する。しかしながら、その利点は、従来のＴＢＣと比べて厚くすることができるため、これらの熱束を１つのオーダーだけ減少できることにある。したがって、これに応じて冷却条件が緩和され、エンジンの熱力学的効率が改善される。
【００３６】
ＦＧＩ複合断熱被覆層は、好ましくは、溶射による従来のＴＢＣに匹敵するかそれよりも優れた耐粒子侵食性を有する。ＦＧＩのベースラインタイプの侵食率の測定値を、溶射による従来のＴＢＣ及び従来の削耗性被覆層と比較した結果を以下に示す。
【００３７】
表　　１
バックフィルハネカム断熱被覆層の定常状態における侵食率
テスト条件
粒径　　　　　　　２７ミクロン
粒子の種類　　　　Ａｌ２Ｏ３
衝撃速度　　　　　９００フィート／秒
衝突角度　　　　　１５Ｅ
テスト温度　　　　２３００ＥＦ
テスト結果
ＦＧＩ　　　　従来のＴＢＣ　　　　従来の削耗性被覆
３．２　　　４．６−８．６　　　　　５０−６０
ｇ／ｋｇ（摩耗グラム数／被衝撃侵食性媒体のキログラム数）
【００３８】
以下において、ＦＧＩベースラインタイプの削耗性の指標を体積摩耗率（ＶＷＲ）で示す。この削耗性は、溶射による従来の削耗性被覆のものに匹敵する。ＦＧＩの利点は、基体への金属学的結合及びハネカムに起因するコンプライアンス性による機械的一体性と、例えば従来の被覆より１０倍以上良好な優れた耐侵食性である。
【００３９】
表　２
ＦＧＩと従来の削耗性被覆の削耗性のＶＷＲ比較
接触翼条件　　　　　　ＦＧＩ　　　従来の削耗性被覆（ＡＰＳ−ＹＳＺ）
未処理の翼先端部　　　　２　　　　　　　　　　２．５
ＣＢＮ被覆翼先端部　　１５−４０　　　　　　　２５０
＊ＶＷＲ＝シール摩耗体積／翼先端部摩耗体積
注釈：ＦＧＩのベースラインタイプは削耗性については最適化されていなかった。
【００４０】
本発明の好ましい実施例によると、ＦＧＩハネカムは、鉄系ＯＤＳ合金のためのコバルト系ろう付け材であるＭＢＦ１００またはニッケル超合金のためのＮｉｃｒｏｂｒａｚｅ　１３５のような従来の耐高温性ろう付けフォイルまたは粉末を用いて金属基体の表面にろう付けすることができる。ＭＢＦ１００は、約２１重量パーセントのＣｒ、４．５重量パーセントのＷ、２．１５重量パーセントのＢ、１．６重量パーセントのＳｉと残りがＣｏより成る。Ｎｉｃｒｏｂｒａｚｅ　１３５は、約３．５重量パーセントのＳｉ、１．９重量パーセントのＢ、０．０６重量パーセントのＣと残りがＮｉより成る。ろう付けは、真空炉中において約９００乃至約１２００ＥＣの温度で約１５乃至約１２０分間行うのが好ましい。
【００４１】
ハネカムは、金属基体の表面にろう付けした後、部分的に酸化させてハネカムの表面上に酸化物皮膜を形成することによりセラミック充填材の接合を助けるようにするのが好ましい。ハネカム表面の部分酸化は、空気中におけるろう付け後の熱処理によるかまたは真空度が約１０−４トルに制御されておればろう付けサイクル中に行うことができる。
【００４２】
その後、ハネカムのセルに、中空セラミック粒子及び結合剤より成る流動性セラミック充填材を少なくとも部分的に充填した後、流動性セラミック充填材を加熱して中空セラミック粒子が埋め込まれた相互接続セラミック母材を形成する。流動性セラミック充填材は、好ましくは、中空セラミック粒子と溶剤に分散されたマトリックス形成結合剤とより成る。リン酸塩結合剤溶液の形成に用いる溶媒は水である。この溶剤は、好ましくは、約３０乃至約６０重量パーセントの流動性セラミック材より成る。あるいは、流動性セラミック充填材を溶剤なしの粉末として提供することも可能である。流動性セラミック充填材を、好ましくは、攪拌と、完全な充填を行うべくハネカムセルに強制的に充填するための押し棒を用いた手による突き固めとの組み合わせにより、ハネカムの開いたセル内に詰め込むのが好ましい。真空浸透、計量ドクターブレーディング及び他の同様な高体積発生法のような別の詰め込み法を用いることができる。
【００４３】
ハネカム支持構造のセルに流動性セラミック充填材を充填した後、その材料を乾燥させて溶剤を実質的に除去する。適当な乾燥温度は約６０乃至１２０ＥＣである。
【００４４】
充填ステップ及びオプションとしての乾燥ステップの後、流動性セラミック充填材を、好ましくは、約７００乃至約９００ＥＣの温度で約６０乃至約２４０分間焼成することにより加熱する。焼成温度及び時間のパラメータは、好ましくは、中空セラミック粒子を埋め込んだ所望の相互接続セラミック母材を形成するように制御する。焼成を行うと、セラミック母材は、好ましくは、相互接続された骨格構造が中空セラミック粒子を一緒に結合したものとなる。その結果得られるセラミック母材は、好ましくは、酸化物充填材粒子がリン酸アルミニウムの橋絡結合ネットワークにより接合されたものである。
【００４５】
好ましい方法において、モノアルミナムホスフェート溶液、ムライト、アルミナ、セリアまたはジルコニアのようなセラミック充填材粉末及び好ましい粒径範囲が約０．２乃至約１．５ｍｍの中空セラミック球体を含むリン酸塩系セラミック充填材の流動性を有する生の混合物をハネカムに適用して基体のベースと接触させる。生の成型された混合物をその後乾燥させて残留水を除去し、それに続いて焼成してハネカムのセルを充填する耐熱性及び断熱性を備えたセラミック充填材を形成する。セラミック充填材は、最高約１１００ＥＣまたはそれ以上の温度において耐熱保護被覆層、削磨性被覆層及び耐侵食性被覆層として働く。バックフィルしたハネカムセラミック充填材と同一組成のリン酸塩系上層または空気プラズマ溶射またはＰＶＤのような別のセラミック被覆層のようなセラミックの上層をオプションとして適用してもよい。
【００４６】
リン酸塩の結合剤は、基体のベース及びハネカムの壁部上の両方で酸化物スケールに接合する。熱膨張率のミスマッチにより、セラミック表面の一部に割れが発生することがあるが、ハネカムへの接合及び機械的固着強度はセラミック充填材をハネカムの六角セル内に保持するに十分な大きさである。セル間の固着は、機械的固着をさらに強固にするためにハネカムセルの壁部に孔を形成することによっても達成できる。さらに、ハネカムは、基体表面に垂直でない角度で形成することにより複合物の熱的挙動を改善し、機械的接着性を増加させることができる。
【００４７】
基体ベースへの接合性を改善するために、セラミック充填材を付着させる前にアルミナまたはムライトのようなプラズマ溶射被覆を金属材料に適用することができる。オプションとして、焼成後に被覆を所望の厚さに切削仕上げしてもよい。被覆にリン酸塩の接合充填材をバックフィルし、滑らかな仕上げが必要であれば調質すればよい。
【００４８】
以下の例は、本発明の種々の特徴を明示するものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
【００４９】
例
以下に示す特定の組み合わせの材料、即ち、基体材料であるＸ−４５コバルト系超合金；ハネカム（壁厚１２５ミクロン、深さ４ｍｍ、セルサイズ３．５６ｍｍ）のＦＧＩ材であるＰＭ２０００；ろう付けフォイル材であるＭＢＦ１００；モノアルミナムホスフェートの５０％水溶液；ＫＣＭ７３焼結ムライト粉末（粒径２５ミクロン）及びアルミナの中空球体（バルク密度１．６ｇ／ｃｃ、球径０．３乃至１．２ｍｍ）を用いると、ＦＧＩ複合被覆層を製造できる。ハネカムは、確立された真空ろう付け法により基体表面にろう付けする。ＭＢＦ１００ろう付けフォイルを形に切り取って、ハネカムの直ぐ下に正確に配置した後、基体上に位置決めする。次いで、ハネカム／フォイル組立体を空気中で基体に抵抗ろう付けすることによりハネカムを定位置に仮付けする。基体へハネカムを仮付けすることにより、ろう付けサイクルの間ハネカムがスプリングバックして基体表面から離れるのを防止する。その後、表３に示すスケジュールに従って真空ろう付けを行う。
【００５０】
表　３
ランプ速度　　　　温度　　　　　　時間
４ＥＣ／分　　　　１０６６ＥＣ　　１０分間保持
４ＥＣ／分　　　　１１９５ＥＣ　　１５分間保持
炉冷却　　　　　　１０３８ＥＣ
窒素ガスによる
強制冷却　　　　　　　９３ＥＣ
【００５１】
このプロセスの次の段階は、球体をハネカムセルへ接合するためのスラリーの調製である。スラリーは、４９．３重量パーセントのモノアルミナムホスフェート水溶液と、５０．７重量パーセントのＫＣＭムライト粉末とより成る。これら２つの成分を、粉末が水溶液中で完全に分散するまで不活性容器中で混合する。その後、この溶液を最小限２４時間放置して粉末から金属不純物を溶解する。
【００５２】
次いで、スラリーをろう付けしたハネカムの表面に適用して、セル壁部の表面上にダスト被覆層を形成する。この適用は、空気スプレーガンを用い約２０ｐｓｉの圧力で行う。ダスト被覆層は、セラミック中空球体を閉じ込めるための弱い接着剤として働く。このプロセスの次の段階は、湿潤化したハネカムセルへの球体の適用である。セル体積の約３分の１乃至半分を充填するに十分な球体を投与する。球体の適用は必ずしも計量プロセスである必要はない。唐辛子ポット法（ｐｅｐｐｅｒ ｐｏｔ ａｐｐｒｏａｃｈ）を、合理的な注意を払い且つ個々のセルに適用される量を考慮しながら行うことができる。正確な量の球体を適用した後、剛毛付き突き固めブラシにより球体をセルに詰め込んで、部分的に詰め込んだセル内にギャップまたは空気ポケットが残らないようにする。突き固めを完了した後、上述のプロセスをセルが湿った球体で完全に充填されるまで繰り返す。球体を充填するためにスラリーのスプレー及び球体の詰め込みを一度または二度繰り返す必要がある。球体が充填されると、スラリーの飽和被覆材を適用して残りの空間が充填されスラリーが浸透するようにする。必要とあれば、基体の一部をマスキングしてスラリーに接触しないようにする。
【００５３】
湿った充填作業が完了した後、湿った生の混合物を周囲温度の空気中に２４乃至４８時間の間放置することにより乾燥させる。その後、空気中で以下に示す熱処理を行って本発明の耐熱性のある接合本体を形成する。
【００５４】
表　４
開始温度（ＥＣ）ランプ速度（ＥＣ／分）　保持温度（ＥＣ）　滞留時間（時）
８０　　　　　　　−　　　　　　　　　　８０　　　　　　　４８
８０　　　　　　　１　　　　　　　　　１３０　　　　　　　　１
１３０　　　　　　　１　　　　　　　　　８００　　　　　　　　４
８００　　　　　　１０　　　　　　　　　周囲温度　　　　　　　−
【００５５】
焼成後、バックフィル済みハネカムの表面を、ダイアモンド研削材及び潤滑材としての水を用いて特定の公差になるように機械加工することができる。例えば、ＦＧＩを図３に示すように所望の厚さＴ１及びテイパー角Ａを有するように機械加工する。その後、ＥＢ−ＰＶＤ層を当該技術分野で標準のＥＢ−ＰＶＤ法により所望の厚さに付着させる。
【００５６】
一次元の熱伝達モデルを用いた本発明のシステムの熱的モデリングにより、厚いハネカム型被覆層は従来の薄いＡＰＳ被覆層と比べて優れた点を有することが判明している。セラミック充填材及び金属ハネカムの相対的な体積比から得られる導電率２．５Ｗ／ｍＫをバックフィル済みハネカムに用いる。広い範囲の高温熱伝達条件（燃焼器から静翼までの高温タービンコンポーネントの範囲にまたがる）では、本発明のシステムは有意な性能上の利点（冷却空気が３０％乃至９０％強節約される）を提供する。これらの利点は上層の被覆の存否に拘らず得ることができる。しかしながら、上層被覆の厚さを合理的な大きさにすると、この利点は熱伝達条件の低い範囲で実質的に増加する。
【００５７】
本発明の被覆層システムは、金属に非破壊性を付与するために熱的保護を必要とする燃焼タービンの実質的に任意の金属表面に使用可能である。このシステムでは削磨性表面被覆層を非常に厚くできるため、ガス通路を非常に高温にし、コンポーネントの冷却空気量を非常に減少させることが可能になる。リングシールセグメント、移行部及び燃焼器だけでなく、このシステムは静翼セグメントの内側及び外側シュラウドのような高温ガスが流れる平坦な表面に適用することができる。
【００５８】
本発明を特定の実施例について説明したが、当業者にとっては、本発明の種々の変形例及び設計変更が頭書の特許請求の範囲に示された本発明の範囲から逸脱することなく想到されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例による断熱被覆層システムを含む閉ループ蒸気冷却型タービンリングセグメントの一部概略断面図である。
【図２】図２は、図１の線Ａ−Ａに沿う一部概略断面図である。
【図３】図３は、図２の左端縁部の拡大断面図であり、断熱被覆層システムを詳細に示す。
【図４】図４は、本発明の一実施例による複合断熱被覆層の一部概略平面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施例による複合断熱被覆層の一部概略側面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施例による複合断熱被覆層の一部概略側断面図である。
【図７】図７は、本発明のさらに別の実施例による複合断熱被覆層の一部概略側断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年10月29日(2002.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基体と、
基体の一部の上の第１のセラミック複合断熱被覆層と、
第１のセラミック複合断熱被覆層の周面に隣接して基体の少なくとも端縁部上に付着された第２のセラミック断熱被覆層とより成る断熱被覆層システム。
【請求項２】
第１の複合断熱被覆層は金属基体の凹部に埋め込まれている請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項３】
第１の複合断熱被覆層は、その厚みの約１０乃至約８０％の深さ基体に埋め込まれている請求項２の断熱被覆層システム。
【請求項４】
第１の複合断熱被覆層は、その厚みの約２０乃至約５０％の深さ基体に埋め込まれている請求項２の断熱被覆層システム。
【請求項５】
第１の複合断熱被覆層の厚さは約１乃至約６ｍｍである請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項６】
第１の複合断熱被覆層の厚さは約２乃至約４ｍｍである請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項７】
第２の付着断熱被覆層の厚さは第１の複合断熱被覆層の厚さより小さい請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項８】
第２の付着断熱被覆層の厚さは約０．２乃至約１ｍｍである請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項９】
第２の付着断熱被覆層の厚さは約０．３乃至約０．７ｍｍである請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項１０】
第１の複合断熱被覆層の周面領域の厚さは第１の複合断熱被覆層の残部の厚さより小さい請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項１１】
周面領域は下層の金属基体により画定される平面から約５乃至約１０度テイパーしている請求項１０の断熱被覆層システム。
【請求項１２】
第１の複合断熱被覆層は、開いたセルを有するハネカムを備えた金属支持構造より成る請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項１３】
ハネカムの少なくとも一部の上の酸化物表面被覆層をさらに備えた請求項１２の断熱被覆層システム。
【請求項１４】
ハネカムにはセラミック母材が少なくとも部分的に充填されている請求項１３の断熱被覆層システム。
【請求項１５】
第２の付着断熱被覆層はＺｒＯ２及びＹ２Ｏ３より成る請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項１６】
第２の付着断熱被覆層は電子ビーム物理的蒸着被覆層である請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項１７】
金属基体は燃焼タービンの部品を構成する請求項１の断熱被覆層システム。
【請求項１８】
金属基体はリングシールセグメント、燃焼器、移行部、内側プラットフォームまたは外側プラットフォームである請求項１７の断熱被覆層システム。
【請求項１９】
複合断熱被覆層システムを形成する方法であって、
金属基体の一部を第１の複合断熱被覆層で覆い、
第１の複合断熱被覆層の周面に隣接する基体の少なくとも端縁部上に第２の断熱被覆層を付着させるステップより成る複合断熱被覆層システムの形成方法。
【請求項２０】
第１の複合断熱被覆層は金属基体の凹部に埋め込まれ、第２の付着断熱被覆層より厚い請求項１４の方法。
【国際調査報告】
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2004507620.tif 000025
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