(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの高熱ガスを通すガス集合管が、燃焼室とタービン羽根の入口フランジとの間に設けられ、ガス集合管が、内側に取付けられて高温腐食及び酸化に耐える層を有する高熱及び耐腐食性のベース金属Ｍからなるものにおいて、
ガス集合管（１）のベース金属（９）の内側及び外側に、高温腐食及び高温酸化に耐える層（４）が取付けられることを特徴とする、ガスタービンの高熱ガスを通すガス集合管。
【請求項２】
ベース金属Ｍが、ニッケルベースの合金からなることを特徴とする、請求項１に記載の高熱ガスを通すガス集合管。
【請求項３】
高温腐食及び高温酸化に耐える層（４）が、３１％のＣｒ、１１％のＡｌ及び０．６％のＹの成分を持つＭＣｒＡｌＹ合金からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の高熱ガスを通すガス集合管。
【請求項４】
内側円すい（１３）のベース金属（９）が、追加的に片側の熱障壁層（８）によって被覆されていることを特徴とする、請求項１ないし３の１つに記載の高熱ガスを通すガス集合管。
【請求項５】
熱障壁層（８）が、ＭＣｒＡｌＹ合金からなりかつＡ層（１０）及びＢ層（１１）によって形成される２層の層と、セラミックカバー層（１２）からなることを特徴とする、請求項４に記載の高熱ガスを通すガス集合管。
【請求項６】
Ａ層（１０）が、延性であり、Ｂ層（１１）より少ないＣｒ及びＡｌの含有量を有することを特徴とする、請求項５に記載の高熱を通すガス集合管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内側に取付けられた高温腐食−及び酸化層を有する高熱及び耐腐食性のベース金属Ｍ（基板）からなる燃焼室とタービン羽根の入口フランジとの間の、ガスタービンの高熱ガスを通すガス集合管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン装置において双腕ガス集合管又はＹ管は、高熱動作中に燃焼室ハウジングとタービン羽根の入口管片との間において、温度、圧力及び腐食によって極端な負荷及び高められた消耗にさらされる。
【０００３】
燃焼空気は、圧縮機において高い圧力に圧縮され、その際、主要な部分は、両方の燃焼室において燃焼のために、それよりわずかな割合は、熱い金属部分の冷却のために利用される。
【０００４】
燃焼室内において空気の主要なＯ２−成分は、炭素支持体の燃焼によって酸化させられ、窒素は、排気ガス中に無用のものとして残り、かつ高い圧力における燃焼過程によって追加的に高温にされ、かつ燃焼室からＹ管に流れ、かつここからタービン内にタービン入口羽根に向かって流れ、かつこれらのタービン入口羽根を高速回転させる。
【０００５】
集合−又はＹ管は、鉄−ニッケル−ベースの材料からなる。これは、高い圧力により、かつとくに高められた温度により作用を受け、その際、酸素は、金属表面を酸化する。
【０００６】
アルミニウム、クロム等のようなＮｉ−ベース合金の合金元素は、固体の酸化物層を形成することによってそれ以上の酸化を減少する。
【０００７】
しかしこの不活性の酸化物層は、窒素の浸透を阻止しないので、時間の経過中に窒素は、前記の合金元素とともに窒化物又は窒化炭素を形成することができ、それらの形成は、ガスの高い圧力によって熱力学的に促進される。
【０００８】
その結果、酸化物層の下において合金成分及びＮ２の溶解度に応じて、ＡＩＮ（窒化物）及び／又はＣｒ−窒化炭素を形成することができる。
【０００９】
このことは、一方において金属におけるアルミニウム濃度の拘束に至るので、酸化抵抗が低下し、かつ金属をもろくするようになるＡＩＮ−針及び／又はＣｒ−窒化炭素を形成する。
【００１０】
この機構は、Ｙ管の燃焼室内において行なわれるだけでなく、冷却空気を加えられる外側表面においても行なわれ、この外側表面は、常に前記のガス金属反応を行なうことができないように、大幅に冷却できるわけではない。
【００１１】
高温腐食防止としてガス集合管の内側全体は、単層ＭＣｒＡｌＹ−層によって覆われており、この層は、高められたクロム−及びＡｌ含有量の点で傑出している。その際、３１％のＣｒ、１１％のＡｌ及び０．６％のＹを含むニッケルベースの噴射粉末が利用される。
【００１２】
ＨＫＯ−層は、イットリウムに関連して高められたＣｒ−及びＡｌ含有量によって、酸化及び打込みに対する大きな抵抗ポテンシャルを、したがって増加した高温腐食−及び酸化抵抗を生じる。
【００１３】
追加的な腐食−及び熱保護として、ガス集合管の内側円すいの高熱ガスを加えられる表面において、熱障壁層（ＴＢＣ＝Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ）が取付けられる。
【００１４】
熱障壁層は、固着層、及び層システムの熱障壁を引起こすセラミックカバー層からなるプラズマ噴射被覆システムである。
【００１５】
固着層（ボンドコート）は、カバー層の固着の他に、材料の高温腐食／−酸化を避けるために使われる。両方の機能を最適に果たすことができるようにするために、この固着層は、２層のＭＣｒＡｌＹ−層、いわゆる固着層Ａ及びＢからなる。
【００１６】
固着層Ａは、長期的に基板における最適な固着を保証するために、低下したクロム−及びアルミニウム−含有量を有する延性のＭＣｒＡｌＹ−層である。
【００１７】
固着層Ｂは、高められたクロム−及びＡアルミニウム−含有量を有するＭＣｒＡｌＹ−層である。それにより高められた高温腐食−及び−酸化抵抗の他に、基礎材料の打込みが避けられる。
【００１８】
カバー層（トップコート）は、ＺｒＯ２−Ｙ２−Ｏ３−セラミックからなり、かつその小さな熱伝導度に基づいてこの層の熱障壁を引起こす。
【００１９】
平均的及び高い温度において大きな腐食耐性を必要とし、直接燃焼室からの高熱排気ガスに接触し、かつ大体においてニッケル、クロム、コバルト、アルミニウム及び希土類の添加物を含む、ガスタービン構成部分のための合金からなる高温−及び腐食耐性を有する保護被覆は、たくさんの組成において開発されており、かつ市販されている。
【００２０】
ＰＣＴ第ＷＯ８９／０７１５９号明細書によれば、金属物体、とくにガスタービン羽根のための多重保護層が公知である。２つの異なった腐食機構が存在し、これらの腐食機構がこのような物体の寿命にとって意味があるという知識にしたがって、上下に配置された２つの保護層が示され、これらの保護層のうち内側のものは、６００°Ｃないし８００°Ｃの温度における腐食の作用を防止し、かつ外側のものは、８００°Ｃないし９００°Ｃの温度における作用に対して最適化されている。追加的にいちばん外のカバー層として、なお熱障壁層が存在することができる。第１のカバー層として、５０％より多くのクロム含有量及び１０％より多くの鉄及び／又はマンガンの含有量を有する拡散層が、かつ第１のカバー層として、例えばほぼ３０％のクロム、ほぼ７％のアルミニウム及びほぼ０．７％のイットリウムを含むＭＣｒＡｌＹ−層が有利であり、この層は、減少した圧力におけるプラズマ噴射によって取付けられる。
【００２１】
ＰＣＴ第ＷＯ９１／０２１０８号明細書によれば、とくにガスタービン構成部分のための保護被覆が公知であり、この保護被覆は、６００ないしほぼ１１５０°Ｃの温度範囲において良好な腐食特性を有する。保護被覆は、（重量％において）：２５−４０％のニッケル、２８−３２％のクロム、７−９％のアルミニウム、１−２％のけい素、０．３−１％のイットリウム；残りコバルト、少なくとも５％；及び不可避の不純物を含んでいる。種々の選択成分を追加することができる。レニウムの添加によって、保護被覆の特性をさらに改善することができる。この効果は、すでにわずかな添加の際に生じる。４−１０％のレニウムの範囲が有利である。
【００２２】
被覆は、プラズマ噴射又は蒸着（ＰＶＤ）によって取付けることができ、かつニッケルベースの又はコバルトベースの超合金からなるガスタービン羽根に、とくに適している。とくに例えば１２００°Ｃ以上の高い入口温度を有するガスタービンにおける別のガスタービン羽根も、このような保護被覆を備えることができる。
【００２３】
ＰＣＴ第ＷＯ９６／３４１２８号明細書によれば、ニッケル−又はコバルト−合金が公知であり、この合金上に、ガスタービンの燃焼室からの高熱ガスによる高められた温度−及び腐食の作用に対する保護層が取付けられる。
【００２４】
３層の保護層は、保護すべきベース金属に対向するＭＣｒＡｌＹ−組成からなる第１の結合層、及び外側の酸化物層に対向する第２の係止層からなる。
【００２５】
ＰＣＴ第ＷＯ９６／３４１２９号明細書によれば、ニッケル−又はコバルト合金をベースにした金属基板が公知であり、この基板上に、高い温度、腐食及び浸食に対する保護システムが取付けられる。
【００２６】
保護システムは、Ｎｉ−基板に対する結合層からなる中間層、及びジルコン−酸化物−ベースの外側セラミック層に対する係止層から構成されている。その際、外側セラミック層は、熱障壁層として使われる。
【００２７】
ドイツ連邦共和国特許第４２４２０９９号明細書によれば、装置部分の被覆を有する装置、とくにガスタービン装置が公知である。
【００２８】
ここにおいて動作に関して熱いガスに接触するガスタービンシステム及び類似の装置における部品は、被覆を備え、この被覆は、腐食防止作用及び触媒作用を有する。その際、６００°Ｃ以上の温度範囲にある部品は、酸化触媒的に作用する被覆を備え、かつ３５０°Ｃないし６００°Ｃの間の温度範囲にある部品は、還元触媒的に作用する層を備えている。第１のような被覆に対して、ＬａＭｎ−ベースのペロブスカイト−又はスピネル構造を有する混合酸化物が利用され、第２のような被覆に対して、ＬａＣｕ−ベースの同じ構造の混合酸化物が利用される。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ガス集合管の熱い内側表面及び冷却される外側表面におけるガス金属反応を阻止するか、又はこれらの部分の寿命がかなり延長されるまで遅らせることにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決は、請求項１に従って、ガス集合管のベース金属の内側及び外側に、高温腐食及び高温酸化に耐える層が取付けられることによって行われる。従属請求項は、高熱ガスを通すガス集合管の有利な構成に関する。
【００３１】
それ故に本発明によれば、燃焼室ハウジングとタービンの間において高熱ガスを通すガス集合−又はＹ管の表面は、内側から及び外側から、高温腐食−及び酸化層を備え、この層は、単層のＭＣｒＡｌＹ−層からなるので、ガス集合管の金属と窒素のガス金属反応は阻止され、又はかなりの程度まで遅らされる。その際、ベース金属Ｍは、鉄−ニッケル−又は鉄−クロム−合金（Ｍ＝Ｎｉ又はＣｒ）からなることができる。
【００３２】
それ故に３１％のＣｒ、１１％のＡｌ、０．６％のＹ及び残りニッケルの含有量を有する高温腐食−及び酸化層は、酸化及び窒化に対する保護層における大きな抵抗ポテンシャルが、したがって高められた高温腐食−及び酸化抵抗が存在するように、多くのＣｒ−及びＡｌ−含有量を有する。
【００３３】
完全なＹ管の被覆−内側及び外側−は、手動で、又はプログラム制御されたＭＣｒＡｌＹ−プラズマ被覆として、６０＋／−４０μｍの層厚に行なわれる。
【００３４】
ガス集合管の内側円すいは、ガスタービンへの移行部において、追加的に片側の熱障壁層によって被覆される。この熱障壁層は、周知のように２層のＭＣｒＡｌＹ−層−層Ａ及びＢ−及びセラミックカバー層からなる。
【００３５】
固着基礎層Ａは、ガス集合管の基礎材料におけるこの層の固着を保証するために、低下したクロム−及びアルミニウム含有量を有する延性のＭＣｒＡｌＹ−層である。
【００３６】
固着基礎層Ｂは、組成について高温腐食−及び酸化物層に相当する。
【００３７】
熱障壁層は、ジルコンベースのセラミックカバー層（トップコート）によって補われ、このカバー層は、その小さな熱伝導能力に基づいて、熱障壁を引起こす。熱障壁層は、６０／６０／２５０μｍの層厚から構成される。
【００３８】
ガス集合管は、追加的に両方の入口開口に、磨耗防止層を備える。
【００３９】
【発明の実施の形態】
概略的な図面により本発明の実施例を説明する。
【００４０】
図１は、図示しない両方の燃焼室からの高熱ガスのために上側範囲に配置された入口開口２を有するガス集合−又はＹ管１の多次元的な図を示している。
【００４１】
ガス集合管１は、外側及び内側において、高温腐食−及び酸化層４によって被覆されている。
【００４２】
高熱ガス（矢印参照）は、両方の燃焼室から入口開口２を通ってガス集合管１内に流れ、下側ガス集合空間３において集められ、かつガス集合導管１からタービンの方向に出て、その際、ガス集合管１は、外側フランジ５及び内側フランジ６によって、タービンの対向フランジに接続される。
【００４３】
図２は、高温腐食−及び酸化−（ＨＫＯ）−層を有するＹ管の壁の断面を示している。ベース金属９の両側に、６μｍの厚さのＨＫＯ−層４が取付けられている。
【００４４】
図３は、ガス集合管１の断面を示しており、このガス集合管は、図示しない燃焼室ハウジングと後続のタービンの管に配置されている。
【００４５】
熱いかつ腐食性の排気ガスは、燃焼室の混合管から出て、かつ入口開口２を通ってガス集合管１内に流れ、このガス集合管は、図示しないハウジング内において、燃焼室ハウジングのフランジとタービンのフランジとの間に配置されている。
【００４６】
両側においてＨＫＯ−層４によって被覆されたガス集合管９のベース金属９は、外側において冷却媒体によって冷却される。
【００４７】
圧縮された高熱ガスは、タービン内に流れ、かつ回転羽根を有するタービン羽根車を回転させる前に、下側ガス集合空間３内においてフランジ５と６の間に集められる。
【００４８】
ガス集合管１の入口開口２は、ガス入口範囲に追加的に磨耗防止層７を備えている。
【００４９】
内側円すい１３は、フランジの範囲においてＨＫＯ−層４の代わりに、追加的に熱障壁層８によって被覆されている。
【００５０】
図４に相応して、熱障壁層８は、２層（Ａ及びＢ）のＭＣｒＡｌＹ−層からなり、その際、Ａ−層（１０）は、ベース金属９に対する固着基礎層として、かつＢ−層（１１）は、セラミック層１２に対する固着基礎層として作用する。
【００５１】
内側円すいのこの範囲において、基板／ベース金属９は、一方の側においてＨＫＯ−層４により、他方の側において熱障壁層８によって保護される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガス集合管の多次元的な図である。
【図２】両側のＨＫＯ−層を有するＹ管の断面図である。
【図３】両方の入口開口のうちの一方の範囲におけるガス集合管の断面図である。
【図４】熱障壁層の断面図である。
【符号の説明】
１  ガス集合管
２  入口開口
３  ガス集合空間
４  高温腐食−及び酸化層
８  熱障壁層
９  ベース金属
１０  Ａ−層
１１  Ｂ−層
１２  カバー層
１３  内側円すい
【図１】
0003823282.tif 000002
【図２】
0003823282.tif 000003
【図３】
0003823282.tif 000004
【図４】
0003823282.tif 000005