(57)【要約】      （修正有）【課題】耐環境コーティングのクリープ劣化を阻止し、食い止めるための複合ボンドコートしたガスタービン翼を提供する。【解決手段】ガスタービン翼は、その表面に塗布されるボンドコート１２０を含むことができる。ボンドコートは、シリコンおよび反応物質を含むことができる。反応物質は、接着層で生成された熱成長酸化物と反応することができて、クリープを防止し、食い止めることができる。１つまたは複数の保護層を接着層に塗布することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面と、
前記表面に塗布される接着層であって、シリコンと、前記接着層で生成された熱成長酸化物と化学的に反応する反応物質とを含む接着層と、
前記接着層に塗布される保護層と
を含むガスタービン翼。
【請求項２】
前記反応物質がチタンを含む、請求項１記載のガスタービン翼。
【請求項３】
前記チタンが前記熱成長酸化物と反応して、二酸化チタンを生成する、請求項２記載のガスタービン翼。
【請求項４】
前記二酸化チタンが前記熱成長酸化物の粘性を増加させる、請求項３記載のガスタービン翼。
【請求項５】
前記チタンが前記熱成長酸化物内の二酸化シリコンと反応して、二酸化チタンを生成する、請求項２記載のガスタービン翼。
【請求項６】
前記反応物質が一酸化チタンを含む、請求項１記載のガスタービン翼。
【請求項７】
少なくとも１つの追加の保護層をさらに含む、請求項１記載のガスタービン翼。
【請求項８】
前記保護層が耐環境コーティングを含む、請求項１記載のガスタービン翼。
【請求項９】
前記接着層が、大気プラズマ溶射、化学蒸着、プラズマ強化化学蒸着、浸漬コーティング、および電気泳動溶着の１つを使用して塗布される、請求項１記載のガスタービン翼。
【請求項１０】
前記保護層が、大気プラズマ溶射、化学蒸着、プラズマ強化化学蒸着、浸漬コーティング、および電気泳動溶着の１つを使用して塗布される、請求項１記載のガスタービン翼。
【請求項１１】
接着層をガスタービン翼の表面に塗布するステップであって、前記接着層が、シリコンと、前記接着層で生成された熱成長酸化物と反応する反応物質とを含むステップと、
前記接着層に保護層を塗布するステップと
を含む方法。
【請求項１２】
前記反応物質がチタンを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記チタンが前記熱成長酸化物と反応して、二酸化チタンを生成する、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記二酸化チタンが前記熱成長酸化物の粘性を増加させる、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記チタンが前記熱成長酸化物内の二酸化シリコンと反応して、二酸化チタンを生成する、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記反応物質が一酸化チタンを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１つの追加の保護層を塗布するステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
前記保護層が耐環境コーティングを含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
前記接着層が、大気プラズマ溶射、化学蒸着、プラズマ強化化学蒸着、浸漬コーティング、および電気泳動溶着の１つを使用して塗布される、請求項１１記載の方法。
【請求項２０】
前記保護層が、大気プラズマ溶射、化学蒸着、プラズマ強化化学蒸着、浸漬コーティング、および電気泳動溶着の１つを使用して塗布される、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ガスタービン翼に関し、特にガスタービン翼用の耐クリープ性コーティングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、燃焼タービンと呼ばれることもあるが、ガスを加速させる内燃機関エンジンであり、熱を加えてガスの体積を増加させる燃焼室内にガスを押し込む。次いで膨張したガスがタービンの方に向かい、膨張したガスによって生成されたエネルギーを抽出する。ガスタービンは、ジェットエンジンとしての使用および産業発電システムでの使用など、多くの実用的用途を有する。
【０００３】
ガスタービン内でガスを加速させ、配向するには、回転する翼を使用して達成されることが多い。エネルギーの抽出は典型的には、膨張したガスを燃焼室からタービン翼に向かって押し出すことで達成され、タービン翼は、タービン翼を通ってガスタービンを出る膨張したガスの力によって回転する。排出ガスが高温であるため、タービン翼は厳しい作動状態に耐えるように作製されねばならない。多くのシステムで、複雑なタービン翼冷却システムが採用されている。タービン翼は一般に金属から作製されるが、そのような翼用に現在では、セラミックおよびセラミック母材複合材料などの、もっと先進的な材料が使用されている。そのような先進的な材料または単純な金属をガスタービン翼の作製に使用する場合、翼をさらに保護し高い耐熱性を与えるために、コーティングが塗布されることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７９２７７１４号明細書
【発明の概要】
【０００５】
ガスタービン翼は、その表面に塗布されるボンドコートを含むことができる。ボンドコートは、シリコンおよび反応物質を含むことができる。反応物質は、接着層で生成された熱成長酸化物（ＴＧＯ）と反応することができて、クリープを防止し、食い止めることができる。１つまたは複数の保護層を接着層に塗布することができる。
【０００６】
クリープを軽減し、防止するための方法を開示する。シリコンおよび反応物質を含む接着層は、ガスタービン翼の表面に塗布され得る。反応物質が、接着層で生成された熱成長酸化物と反応して、クリープを防止し、食い止めることができる。１つまたは複数の保護層を接着層に塗布することができる。
【０００７】
上述の要約ならびに以下の詳細な説明は、図面と併せて読めば、より十分に理解される。特許請求された主題事項を図示する目的で、様々な実施形態を示す図面例を示しているが、本発明は、開示されている特定のシステムおよび方法に限定されない。
【０００８】
本主題のこれらならびに他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面に関連して読めば、より十分に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】翼表面に塗布されたコーティングの非限定的な例の図である。
【図２】翼表面に塗布されたコーティングおよびその結果として生じることがあるクリーピングの別の非限定的な例の図である。
【図３】チタン粒子を含むボンドコートを含む翼表面に塗布されたコーティングの非限定的な例の図である。
【図４】チタン粒子を含むボンドコートを含む翼表面に塗布されたコーティングの別の非限定的な例の図である。
【図５】チタン粒子を含むボンドコートを含む翼表面に塗布されたコーティングの別の非限定的な例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
一実施形態では、耐環境コーティング（ＥＢＣ：ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｃｏａｔｉｎｇ）を、セラミック母材複合材料（ＣＭＣ：ｃｅｒａｍｉｃ  ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）から作製されたガスタービン翼に塗布することができる。ＥＢＣは、ガスタービンの作動中に、翼に接触することがある高温ガス、水蒸気および酸素などの環境物体の影響から翼を保護する働きをすることができる。ＥＢＣはシリコンをベースとすることができ、ＥＢＣを、様々な材料のいくつかの層として塗布することができる。本開示の実施形態では、各層の材料は、セラミック材料を含む任意の材料であってよく、そのような材料を任意の手段または方法を使用して塗布することができ、その手段または方法には、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、反応イオン植込み、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、浸漬コーティング、および電気泳動溶着（ＥＰＤ）が含まれる。
【００１１】
図１は、ＣＭＣ翼に塗布可能な例示的なコーティングを図示している。そのような翼の基材１１０は、ボンドコートとして機能し、ＥＢＣ層を基材１１０に接着する助けをすることができる接着層１２０で被覆することができる。一実施形態では、接着層１２０はシリコンボンドコートであってよい。ＥＢＣ層１４０は接着層１２０上に塗布することができる。追加のＥＢＣ層１５０、１６０および１７０がＥＢＣ層１４０全体にさらに塗布されてもよい。任意の数のＥＢＣ層を、任意の手段および方法を使用して、本明細書に開示される基材１１０および任意の他の翼または表面に塗布することができ、任意の材料が、接着層１２０、ＥＢＣ層１４０、１５０、１６０および１７０を含む、本明細書で開示される任意の翼、接着層、およびＥＢＣ層に対して、ならびに基材１１０に対して使用可能である。そのような実施形態のすべてが、本開示の範囲内であると考えられる。
【００１２】
基材１１０が構成され得るガスタービン環境では、高温ガスが、そのようなガスが原因の温度上昇によって、接着層１２０を酸化させ、融解させることがある。融解および酸化により、接着層１２０は、粘性ガラス層であってよい粘性流体層１３０を形成することがある。いくつかの実施形態では、粘性流体層１３０は、熱成長酸化物（ＴＧＯ：ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｇｒｏｗｎ  ｏｘｉｄｅ）から構成されることがある。図２に示すように、粘性流体層１３０は、基材１１０に加えられる遠心性負荷、および層１４０、１５０、１６０および１７０などの外側ＥＢＣ層に対する熱膨張係数（ＣＴＥ：ｃｏ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）のミスマッチによって生じるせん断応力下で移動することがある。そのような移動は「クリープ」として知られている現象の影響として言及されることがある。材料科学では、クリープは、剛体材料が応力の影響下でゆっくりと移動し、または永久に変形する傾向である。特に、任意のＥＢＣ層１４０、１５０、１６０および１７０に亀裂が生じる場合には、ＥＢＣ層１４０、１５０、１６０および１７０のクリープが、基材１１０の使用可能寿命を制限することがある。
【００１３】
一実施形態では、チタン（Ｔｉ）、一酸化チタン（ＴｉＯ）、またはチタンおよび一酸化チタンの組合せなどの反応構成要素が、接着層用に使用され得る組成物内でシリコンと共に含まれ得る。図３は、そのような実施形態の例を図示している。チタンの代わりに、またはチタンに加えて、ジルコニウム、ハフニウム、ラザホージウムおよびバナジウムなどの他の反応物質を接着層で使用してもよいことに留意されたい。いくつかの実施形態では、チタンは、接着層で最も反応的であり得る。チタンは、シリコンと比較して酸素に対して高い親和性を有することができ、したがって、本明細書で説明されるＴＧＯの形成を減少させ、食い止めることができる。チタンはまた、ガンマおよびガンマ相内で固溶体補強剤として機能することもできる。チタンの融解点が高いことによっても、ほとんどの作動状態において、液相輸送を防止することになろう。
【００１４】
接着層３２０を、翼３１０に塗布することができる。ＥＢＣ層３４０を、接着層３２０全体に塗布することができる。接着層３２０は、少なくとも部分的にシリコンから構成され、例えば、チタン、一酸化チタン、またはチタンおよび一酸化チタンの組合せから構成することができるチタンナノ粒子３８０など、酸化物のイオンと反応する粒子を含むことができる。ナノ粒子は、本明細書で開示される接着層に含まれる任意の粒子用に使用することができて、より大きな反応表面面積を提供する。しかし、他の型の粒子が、本開示の範囲内であると考えられる。
【００１５】
ＴＧＯが生成されると、接着層３２０内のチタン粒子の原子が、生成されたＴＧＯ内に存在する酸素原子と結合することができる。一実施形態では、チタン粒子３８０は一酸化チタン（ＴｉＯ）の形態のチタンを含むことができ、一酸化チタン（ＴｉＯ）は、非常に反応的で不定比であることが知られている。低温度では、水蒸気またはガスへの露出により、あるいは他の任意の仕組みを介して、酸化が接着層３２０で生じることがある。図４は、ＴＧＯ層３３０が形成された実施形態の例を図示している。この実施形態では、接着層３２０のシリコンのみが、生成された酸化物のイオンと反応してＴＧＯ層３３０を形成するというのではなく、チタンナノ粒子３８０もまた、酸化物のイオンと反応することができ、接着層３２０の反応に対して競合反応を樹立する。一実施形態では、チタンナノ粒子３８０の分子および／または原子が、酸化物のイオンの酸素原子と結合して、二酸化チタン（ＴｉＯ2）３９０を生成することができ、それにより、酸化によるシリカとしてのシリコンの損失を減少させ、接着層３２０の有効な寿命を延長することができる。この実施形態では、チタンナノ粒子３８０の原子および／またはそこに含まれる一酸化チタンの分子がＴＧＯ層３３０のイオンと結合することにより、生成されるＴＧＯの量を減少させることもでき、それにより、ＴＧＯ層３３０を生成する接着層３２０の酸化に起因して生じることがある、クリープの量を減少させることができる。加えて、一酸化チタンが非常に反応的であるので、チタンナノ粒子３８０に含有される一酸化チタンは、チタンナノ粒子３８０内のチタン元素（Ｔｉ）を活性化させるほどの高い温度になる前に、ＴＧＯ層３３０に存在する可能性がある二酸化シリコンから酸素を除去することができる。
【００１６】
さらに高い温度で、チタンナノ粒子３８０は接着層３２０の酸化を食い止めることもでき、それにより、クリープの影響を食い止めることができる。一実施形態では、タービン翼で十分な高温が得られるとすぐに、チタンナノ粒子３８０内のチタン元素は、接着層３２０の酸化によって生成されたＴＧＯ層３３０内の二酸化シリコン（ＳｉＯ2）と反応することができて、二酸化シリコンの１つまたは両方の酸素原子を除去し、一実施形態では、二酸化シリコンの酸素原子を取り、結合して二酸化チタン（ＴｉＯ2）３９０を生成する。二酸化シリコンの酸素原子の両方を除去することにより、チタンナノ粒子３８０の原子は、二酸化シリコンをシリコン元素に還元することができる。この工程で、ＴＧＯ層３３０の主要構成要素、二酸化シリコンを除去することができるので、この実施形態では、ＴＧＯ層３３０の生成が食い止められ、したがって、クリープの影響を減少させ、軽減することができる。
【００１７】
二酸化チタン３９０は、凝集粒子または材料の大きな断片を作製するための核形成点を提供することができ、凝集粒子または材料の大きな断片は、ＴＧＯ層３３０の粘性が増加することにより、ＴＧＯ層３３０上に機械的制約をもたらす働きをすることもでき、それによって、ＴＧＯ層３３０の移動を妨害することによりクリープを減少させることができる。そのような凝集粒子は、機械的および化学的手段（例えば、混乱転位雲を有するドーパントの相互作用などのコットレル大気）を介して、ＴＧＯ層３３０の輸送の流れに逆行することができる。二酸化チタン３９０はまた、熱サイクル中に、ＴＧＯ層３３０内のＴＧＯに対して部分的な結晶化点核を形成する役目をすることもできる。
【００１８】
図５は、本開示の別の実施形態を図示しており、図５では、すべてのチタン３８０が、酸化によって生成された酸素原子と反応して、チタン３８０を二酸化チタン３９０に変換してしまっている。すべてのチタン３８０が二酸化チタン３９０に変換された後に、ＴＧＯ生成が継続している場合でも、二酸化チタン３９０の分子が比較的大きい（すなわち、二酸化チタン分子は比較的大きな原子半径を有する）ので、そのような分子は、小さい分子と比較すると、ＴＧＯ層３３０の流れをさらに阻止することができる。これらのより大きい二酸化チタン分子は、ＴＧＯ層３３０の粘性が増加することにより、ＴＧＯ層３３０上に機械的制約として働くことができ、それによって、ＴＧＯ層３３０の移動を妨害することによりクリープを減少させることができる。図４で分かるように、すべてのチタン３８０が二酸化チタン３９０に変換されてしまう前に、ＴＧＯ層３３０の粘性もまた増加することに留意されたい。二酸化チタン３９０の任意の分子もまた、クリープを形成し、クリープの原因となることがある任意のＴＧＯに対して、機械的バリアまたは物理的制約として働くことができる。さらに、二酸化チタンは耐浸食性があり、高い融解点を有するので、二酸化チタン３９０の有利な効果は長期持続性があり、比較的耐久性がある場合がある。
【００１９】
したがって、いくつかの実施形態では、チタン粒子をシリコンベースの接着層に加えることにより、低温度での酸化によるシリコンの消費を減少させ、高温度での酸化による二酸化シリコンの生成を食い止め、それによりクリープの原因となり得る生成されたＴＧＯの量を削減し、形成する可能性のある任意のＴＧＯに対する機械的バリアまたは物理的制約をもたらすという利点の、いずれかまたはすべてを提供することができる。ここに開示された実施形態は、実施が簡単で、費用効果が高いものでありながら、ＥＢＣ層、したがって一般にガスタービン翼の寿命を延ばすことができる。
【００２０】
ここに記載された説明では、最良の形態を含みながら、本明細書に含まれる主題を開示し、かつまたどの当業者でも、任意の装置またはシステムを作製し、使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含む、本発明の実施ができるように、複数の例を使用している。本開示の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い当たる他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言とは異ならない構造的要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言と実質的ではない相違を有する均等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあると意図するものである。
【符号の説明】
【００２１】
１１０  タービン翼基材
１２０  ボンドコート
１３０  熱成長酸化物（ＴＧＯ：ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｇｒｏｗｎ  ｏｘｉｄｅ）
１４０  耐環境コーティング（ＥＢＣ：ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｃｏａｔｉｎｇ）層
１５０  ＥＢＣ層
１６０  ＥＢＣ層
１７０  ＥＢＣ層
３１０  タービン翼基材
３２０  ボンドコート
３３０  ＴＧＯ
３４０  ＥＢＣ層
３８０  チタンナノ粒子
３９０  二酸化チタン分子
【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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【外国語明細書】
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