異なるクロムおよびアルミニウム含量を有するＭＣｒＡｌＸ層
本発明は、耐酸化性および熱機械強度の両方を改善するために、ニッケルおよびコバルトだけでなくＣｒ、Ａｌ、およびＹの含量も著しく異なっている、二重ＭＣｒＡｌＸ層に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なるクロムおよびアルミニウム含量を有する二重ＭＣｒＡｌＸ層に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの高温ガス経路では、ＮｉおよびＣｏをベースにした材料が使用されている。しかしながら、可能な限り最高強度に最適化したため、これらの材料はしばしば、高温ガス中での酸化および高温腐食に対して十分な耐性を持たない。したがって、この材料は、適切な保護コーティングを使用して、高温ガスによる侵襲から保護されなければならない。タービン入口温度を上昇させるために、酸化ジルコニウムのセラミック層も、断熱のため極めて高い熱応力にさらされる構成要素にさらに付着させる。前記層の下に位置付けられた金属層は、セラミック熱障壁コーティングの結合層として、およびベース材料の酸化防止層として働く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許第１２０４７７６号明細書
【特許文献２】欧州特許第１３０６４５４号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第１３１９７２９号明細書
【特許文献４】国際公開第９９／６７４３５号パンフレット
【特許文献５】国際公開第００／４４９４９号パンフレット
【特許文献６】米国特許出願公開第６，０２４，７９２号明細書
【特許文献７】欧州特許出願公開第０８９２０９０号明細書
【特許文献８】欧州特許第０４８６４８９号明細書
【特許文献９】欧州特許第０７８６０１７号明細書
【特許文献１０】欧州特許第０４１２３９７号明細書
【特許文献１１】欧州特許出願公開第１３０６４５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この問題を解決するために、溶射プロセスあるいはＥＢ−ＰＶＤプロセスを用いて、最高温度の構成要素に上述のように保護コーティングを付着させる。このコーティングは一般に、Ｎｉおよび／またはＣｏに加えてクロム、アルミニウム、ケイ素、レニウム、またはイットリウムなどの希土類元素も含有するいわゆるＭＣｒＡｌＸカバー層からなる。しかしながら、保護層における表面温度のさらなる上昇によって、損傷が生じ、層の破壊または熱障壁コーティングのスポーリングをもたらす可能性がある。したがって、層表面の温度が上昇するので、これら困難な条件下で十分に高い耐熱機械性と併せて改善された耐酸化性を有する保護層を、開発することが必要である。これは、保護層の非常にバランスのとれた化学組成によってのみ、実現することができる。ここで、元素Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌが特に重要である。これら元素も拡散によってベース材料と相互に作用するという事実も、考慮に入れなければならない。原材料、特に特殊合金元素の価格上昇により、組成がコストに対して最適化されていることを確実にすることがさらに必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、上述の課題を解決することである。この目的は、請求項１および２に記載の層構造によって達成される。
【０００６】
従属請求項は、さらなる利点を得るために望みに応じて互いに組み合わせることができる、さらなる有利な分量を列挙する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】層構造の例示的な実施形態を示す図である。
【図２】層構造の例示的な実施形態を示す図である。
【図３】ガスタービンを示す図である。
【図４】タービンブレードまたはベーンを示す斜視図である。
【図５】燃焼チャンバを示す斜視図である。
【図６】超合金を示すリストである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面およびそれらの説明は、本発明の単なる例示的な実施形態を示す。
【０００９】
図１は、第１の実施例を示す。構成要素１、１２０、１３０、１５５は、基材４を有する。
【００１０】
特に、高温で適用されるガスタービン１００（図３）の場合、基材４は、特に図６による超合金を有する。
【００１１】
金属保護層１３が基材４上に存在する。
【００１２】
本発明によれば、金属保護層１３は、化学組成が異なる２つのＭＣｒＡｌＸ層７、１０を含み、その外層１０は、好ましくはより高いクロム含量を有している。
【００１３】
外層１０のアルミニウム含量も、同様に好ましくは、下層７のアルミニウム含量よりも高い。
【００１４】
２層７、１０のクロム含量の差は、好ましくは（絶対項に見られる）少なくとも重量で１％（｜Ｃｒ（７）−Ｃｒ（１０）｜≧重量で１％）である。
【００１５】
２層７、１０のアルミニウム含量の差は、好ましくは（絶対項に見られる）少なくとも重量で１％（｜Ａｌ（７）−Ａｌ（１０）｜≧重量で１％）であり、非常に好ましくは少なくとも重量で２％である。
【００１６】
保護層１３は、好ましくは、２つの異なるＭＣｒＡｌＸ層７、１０のみからなる。
【００１７】
本発明は、今日まで使用されてきた層と比較すると、今日まで使用されてきたＭＣｒＡｌＸ層よりも良好な耐酸化性を有しかつ同時に等しく良好な熱機械的を挙動する、金属保護層１３を提案する。これは、ベース材料との最適化された拡散相互作用に関して種々の要件を満たしかつセラミックとの相境界に最適化されたＴＧＯ層も形成する、複層構造を使用して実現される。この目的は、使用される２種のＭＣｒＡｌＸ合金が異なる化学組成を有するという事実により達成される。
【００１８】
内層７のクロム含量は、外層１０のクロム含量よりも多く、外層１０のアルミニウム含量は、内層７のアルミニウム含量よりも多い。
【００１９】
同じことが、イットリウム（Ｙ）を含む層構造７、１０に好ましく適用される。比較的高いイットリウム含量は、少なくとも重量で０．１５％（｜Ｙ（７）−Ｙ（１０）｜≧重量で０．１５％）の差（絶対項に見られる）を意味する。
【００２０】
ベース材料（基材４）近くに位置付けられた内層７は、好ましくは、使用された粉末またはインゴットの化学組成物中に下記の基本組成、すなわち重量で約３８％から約６６．６％のＮｉおよび重量で８％から２２％のＣｏを有する。この基本組成は、重量で２１％から２９％という高いＣｒ含量にも関わらず、α−Ｃｒ相が少ししかまたは全く生成されずかつ層の良好な延性が保たれるという効果を発揮する。比較的高いＣｒおよびＹ含量は、ベース材料中の硫黄のゲッターとして働き、ＴＧＯの損傷を防止することが意図される。重量で４％から９％という比較的低いＡｌ含量は、下層７の延性挙動を促進させるが、ベース材料（基材）とのわずかな程度の相互拡散ももたらす。一方、この含量は、十分なＡｌが拡散後に存在するので、熱障壁コーティング１６の耐用寿命に及ぼす有益な影響を発揮するのに十分高いままである。生じる相は、新しくかつ動作上応力を受ける状態での主な合金化構成成分のこの濃度を考えると、γ（ガンマ）、γ’、及びβ（ベータ）である。
【００２１】
イットリウム含量は、好ましくは、重量で０．４％から０．９％よりも高くあるべきで、同様に、硫黄に関してゲッター作用を示すべきである。さらに、イットリウムは重なり合う外層１０内に拡散することも可能であるべきである。適切な場合、層は、相互拡散をさらに遅延させるため、重量で１％までのＲｅを含有することもできる。
【００２２】
重なり合う外部ＭＣｒＡｌＸ層１０は、製造公差の範囲内で、好ましくは第１の層７の厚さと同じ厚さを有する。
【００２３】
好ましくは重量で約２０％というより少ないＣｒ含量と、好ましくは重量で１１．５％というＡｌ含量との組合せでは、この基本組成によって優れたＡｌ２Ｏ３上層形成がもたらされ、これは、重量で０．２％〜０．４％という低含量のＳｉおよび重量で０．１％〜０．２％という低含量のＹによって、形成および接着に関してさらに支援される。低Ｙ含量は、イットリウムの内部酸化を回避し、酸化の初期段階ではＭＣｒＡｌＸ上にアルミン酸イットリウムを形成しない。これは、比較的小さな層成長をもたらし、したがってアルミニウムの低消費量をもたらす。層１０は、γ、βの相組成を実質的に有し、熱的に安定であり、脆弱な相が回避され、したがってＭＣｒＡｌＸ層１０の良好な延性特性が得られる。
【００２４】
ＭＣｒＡｌＸ層７、１０は、好ましくはＮｉＣｏＣｒＡｌＹ層である。
【００２５】
保護層１３は、一方を他方の上に配置した２層を有し、層７は、好ましくは下記の組成、即ち
Ｎｉと、
重量で８％〜２２％、好ましくは１９％〜２１％、非常に好ましくは２０％のＣｏと、
重量で２１％〜２９％、好ましくは２３％〜２５％、非常に好ましくは２４％のＣｒと、
重量で４％〜９％、好ましくは６％〜８％、非常に好ましくは７％のＡｌと、
重量で０．４％〜０．９％、好ましくは０．４％〜０．６％、非常に好ましくは０．５％のＹと、
重量で０％〜１．０％、好ましくは０％のＲｅと、
を有し、上記リスト（Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙ、Ｒｅ）は、好ましくは最終的なものであり、
外層１０は、好ましくは下記の組成、即ち：
Ｃｏと、
重量で２９％〜３９％、好ましくは３４％〜３６％、非常に好ましくは３５％のＮｉと、
重量で１７％〜２４％、好ましくは１９％〜２１％、非常に好ましくは２０％のＣｒと、
重量で９％〜１４％、好ましくは１１％〜１２％、非常に好ましくは１１．５％のＡｌ と、
重量で０．０５％〜０．５％、好ましくは０．１％〜０．２％とのＹと、
任意選択で、重量で０．１％〜１．１％、好ましくは０．２％〜０．４％、非常に好ましくは０．３％のＳｉと、
を有し、上記リスト（Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙ、Ｓｉ）は、好ましくは最終的なものである。
【００２６】
重量で０．３％のパーセンテージまでの、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｐ、およびその他の微量な元素などの別の元素は、相互作用によって良好な特性をもたらしてもよい。
【００２７】
図３は、例として、ガスタービン１００の部分縦断面図を示す。
【００２８】
内部に、ガスタービン１００は、回転軸１０２の回りを回転することができるように取り付けられかつタービンロータとも呼ばれる、シャフトを有するロータ１０３を有する。
【００２９】
吸気ハウジング１０４、コンプレッサ１０５、例えば複数の同軸状に配置されたバーナ１０７を有するトロイダル燃焼チャンバ１１０、特に環状燃焼チャンバ、タービン１０８、および排ガスハウジング１０９が、ロータ１０３に沿って互いに続く。
【００３０】
環状燃焼チャンバ１１０は、例えば環状高温ガス通路１１１と連通しており、そこでは例として、４個の連続したタービンステージ１１２がタービン１０８を形成している。
【００３１】
各タービンステージ１１２は、例えば２個のブレードまたはベーン環から形成される。作動媒体１１３の流動方向でわかるように、高温ガス通路１１１では、ガイドベーンの列１１５の後に、ロータブレード１２０から形成された列１２５が続く。
【００３２】
ガイドベーン１３０は、ステータ１４３の内部ハウジング１３８に固定され、一方、列１２５のロータブレード１２０は、例えばタービンディスク１３３を用いてロータ１０３に嵌合される。
【００３３】
ジェネレータ（図示せず）は、ロータ１０３に結合されている。
【００３４】
ガスタービン１００が作動している間、コンプレッサ１０５は吸気ハウジング１０４を通して空気１３５を吸引し、その空気を圧縮する。コンプレッサ１０５のタービン側端部に供給された圧縮空気は、バーナ１０７に移動し、そこで燃料と混合される。次いでこの混合物を燃焼チャンバ１１０内で燃やし、作動媒体１１３を形成する。そこから、作動媒体１１３は、ガイドベーン１３０およびロータブレード１２０を通過して高温ガス通路１１１に沿って流動する。作動媒体１１３は、ロータブレード１２０で膨脹し、その運動量を、ロータブレード１２０がロータ１０３を駆動させかつ後者が次いでそこに結合されたジェネレータを駆動させるように伝達する。
【００３５】
ガスタービン１００が作動している間、高温作動媒体１１３に曝される構成要素は、熱応力にさらされる。第１のタービンステージ１１２のガイドベーン１３０およびロータブレード１２０は、作動媒体１１３の流動方向からわかるように、環状燃焼チャンバ１１０の内側を覆う熱遮蔽要素と共に、最も高い熱応力にさらされる。
【００３６】
そこで広がる温度に耐えることができるように、これらの要素を冷却剤で冷却してもよい。
【００３７】
構成要素の基材は、同様に方向性構造を有してもよく、即ち基材は単結晶の形（ＳＸ構造）をとり、または縦方向に配向した粒（ＤＳ構造）のみ有する。
【００３８】
例として、鉄ベース、ニッケルベース、またはコバルトベースの超合金が、構成要素、特にタービンブレードまたはベーン１２０、１３０、および燃焼チャンバ１１０の構成要素の材料として使用される。
【００３９】
このタイプの超合金は、例えば、欧州特許第１２０４７７６号明細書、欧州特許第１３０６４５４号明細書、欧州特許出願公開第１３１９７２９号明細書、国際公開第９９／６７４３５号パンフレット、または国際公開第００／４４９４９号パンフレットで知られている。
【００４０】
ガイドベーン１３０は、タービン１０８の内部ハウジング１３８に面するガイドベーンルート（図示せず）と、このガイドベーンルートとは反対側の端部にあるガイドベーンヘッドとを有する。ガイドベーンヘッドはロータ１０３に面し、ステータ１４３の固定環１４０に固定されている。
【００４１】
図４は、縦軸１２１に沿って延びる、ターボマシンのロータブレード１２０またはガイドベーン１３０の斜視図を示す。
【００４２】
ターボマシンは、航空機のもしくは電気を発生させる発電所のガスタービン、水蒸気タービン、またはコンプレッサであってもよい。
【００４３】
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、縦軸１２１に沿って連続して、固定領域４００、隣接するブレードまたはベーンのプラットフォーム４０３、および主ブレードまたはベーン部４０６、およびブレードまたはベーン先端４１５を有する。
【００４４】
ガイドベーン１３０として、ベーン１３０は、そのベーン先端４１５に別のプラットフォーム（図示せず）を有していてもよい。
【００４５】
ロータブレード１２０、１３０をシャフトまたはディスク（図示せず）に固定するのに使用される、ブレードまたはベーンルート１８３は、固定領域４００内に形成される。
【００４６】
ブレードまたはベーンルート１８３は、例えばハンマーヘッドの形状に設計される。モミの木または蟻型ルートなどのその他の構成が可能である。
【００４７】
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、主ブレードまたはベーン部４０６を過ぎて流れる媒体用の、前縁４０９および後縁４１２を有する。
【００４８】
従来のブレードまたはベーン１２０、１３０の場合、例として固体金属材料、特に超合金が、ブレードまたはベーン１２０、１３０の全ての領域４００、４０３、４０６で使用される。
【００４９】
このタイプの超合金は、例えば欧州特許第１２０４７７６号明細書、欧州特許出願公開第１３０６４５４号明細書、欧州特許出願公開第１３１９７２９号明細書、国際公開第９９／６７４３５号パンフレット、または国際公開第００／４４９４９号パンフレットにより知られている。
【００５０】
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、この場合、鋳造プロセスによって、方向性凝固を用いて、鍛造プロセスによって、ミリングプロセスによって、またはこれらの組合せによって製造してもよい。
【００５１】
１種または複数の単結晶構造を有する製造中の加工物は、動作中に高い機械的応力、熱応力、および／または化学的応力に曝される機械の構成要素として使用される。このタイプの単結晶加工物は、例えば、融解物からの方向性凝固によって製造される。この製造では、液体金属合金を凝固させて単結晶構造、即ち単結晶加工物を形成し、または方向性凝固させる、鋳造プロセスが行われる。
【００５２】
この場合、樹状結晶は、熱流の方向に沿って配向し、柱状結晶粒構造（即ち、加工物の全長に沿って流れ、かつここで、通常使用される言語によれば、方向性凝固されたと呼ばれる粒）または単結晶構造を（即ち加工物全体は、１個の単結晶からなる）を形成する。これらのプロセスでは、無指向性成長により必然的に横方向および縦方向の粒界が形成され、これが方向性凝固または単結晶構成要素の好ましい特性を打ち消すので、球状（多結晶質）凝固への遷移は回避される必要がある。
【００５３】
文脈が、概括的に方向性凝固ミクロ構造に言及する場合、これは、いかなる粒界も持たずまたは最大でも小角粒界を有する単結晶と、縦方向に走る粒界を有するがいかなる横方向粒界も持たない柱状結晶構造との両方を意味すると理解される。この第２の形の結晶構造、方向性凝固ミクロ構造（方向性凝固構造）とも言われる。
【００５４】
このタイプのプロセスは、米国特許出願公開第６，０２４，７９２号明細書および欧州特許出願公開第０８９２０９０号明細書により知られている。
【００５５】
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、同様に、例えば腐食または酸化から保護するコーティングを有してもよい（ＭＣｒＡｌＸ； Ｍは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択された少なくとも１種の元素であり、Ｘは、活性元素であり、イットリウム（Ｙ）および／またはケイ素および／または少なくとも１種の希土類元素、またはハフニウム（Ｈｆ）を表す。）。このタイプの合金は、合金の化学組成に関して本開示の部分を形成することが意図される欧州特許第０４８６４８９号明細書、欧州特許第０７８６０１７号明細書、欧州特許第０４１２３９７号明細書、または欧州特許出願公開第１３０６４５４号明細書により知られている。
【００５６】
密度は、好ましくは理論密度の９５％である。
【００５７】
保護酸化アルミニウム層（ＴＧＯ＝熱的に成長させた酸化物層）は、ＭＣｒＡｌＸ層上に形成される（中間層としてまたは最外層として）。
【００５８】
層は、好ましくは組成Ｃｏ−３０Ｎｉ−２８Ｃｒ−８Ａｌ−０．６Ｙ−０．７ＳｉまたはＣｏ−２８Ｎｉ−２４Ｃｒ−１０Ａｌ−０．６Ｙを有する。これらのコバルトベースの保護コーティングに加え、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などのニッケルベースの保護層を使用することも好ましい。
【００５９】
好ましくは最外層であり例えばＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２からなる熱障壁コーティング、即ち不安定であり、酸化イットリウムおよび／または酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムによって部分的に安定化しまたは完全に安定化された熱障壁コーティングは、ＭＣｒＡｌＸ上に存在することも可能である。
【００６０】
熱障壁コーティングは、ＭＣｒＡｌＸ層全体を覆う。柱状粒は、例えば電子ビーム物理気相成長（ＥＢ−ＰＶＤ）などの適切なコーティングプロセスにより、熱障壁コーティングで生成される。
【００６１】
その他のコーティングプロセス、例えば大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ、またはＣＶＤなどが可能である。熱障壁コーティングは、耐熱衝撃性を改善するために、多孔質でありまたは微小亀裂もしくは巨視的亀裂を有する粒を含んでいてもよい。したがって、熱障壁コーティングは、好ましくはＭＣｒＡｌＸ層よりも多孔質である。
【００６２】
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、その形が中空であっても中実であってもよい。ブレードまたはベーン１２０、１３０が冷却される場合、これらは中空であり、フィルム冷却孔４１８（破線で示される。）を有していてもよい。
【００６３】
図５は、ガスタービン１００の燃焼チャンバ１１０を示す。燃焼チャンバ１１０は、例えば環状燃焼チャンバとして知られているものとして構成されており、回転軸１０２の周りに円周方向に配置された、炎１５６を発生させる多数のバーナ１０７は、共通燃焼チャンバスペース１５４に向かって開放されている。このため、燃焼チャンバ１１０は全体的に、回転軸１２０の周りに位置決めされた環状構成のものである。
【００６４】
比較的高い効率を実現するために、燃焼チャンバ１１０は、約１０００℃から１６００℃という作動媒体Ｍの比較的高い温度に対して設計される。材料には好ましくないこれら動作パラメータを有する場合であっても、比較的長い耐用寿命を可能にするために、燃焼チャンバ壁１５３が設けられ、作動媒体Ｍに面するその側には熱遮蔽要素１５５から形成された内層を備えている。
【００６５】
さらに、燃焼チャンバ１１０の内部は高温なので、熱遮蔽要素１５５および／またはその保持要素のために冷却システムを設けてもよい。次いで熱遮蔽要素１５５は、例えば中空であり、燃焼チャンバスペース１５４に向かって開放される冷却孔（図示せず）を有していてもよい。
【００６６】
作動媒体の側では、合金製の各熱遮蔽要素１５５は、特に耐熱性の高い保護層（ＭＣｒＡｌＸ層および／またはセラミックコーティング）を備えており、または高温に耐えることができる材料（中実セラミックブリック）から形成される。
【００６７】
これらの保護層は、タービンブレードまたはベーンに類似していてもよく、即ち、例えばＭＣｒＡｌＸであり： Ｍは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択された少なくとも１種の元素であり、Ｘは、活性元素でありかつイットリウム（Ｙ）および／またはケイ素および／または少なくとも１種の希土類元素またはハフニウム（Ｈｆ）を表す。このタイプの合金は、欧州特許第０４８６４８９号明細書、欧州特許第０７８６０１７号明細書、欧州特許第０４１２３９７号明細書、または欧州特許出願公開第１３０６４５４号明細書により知られている。
【００６８】
例えば、例えばＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２からなる、即ち不安定であり、酸化イットリウムおよび／または酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムにより部分的に安定化しまたは完全に安定化したものからなる、セラミック熱障壁コーティングを、ＭＣｒＡｌＸ上に存在させることも可能である。
【００６９】
柱状粒は、例えば電子ビーム物理気相成長（ＥＢ−ＰＶＤ）などの適切なコーティングプロセスによって、熱障壁コーティングで生成される。
【００７０】
その他のコーティングプロセス、例えば大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ、またはＣＶＤが可能である。熱障壁コーティングは、耐熱衝撃性を改善するために、多孔質でありまたは微小亀裂もしくは巨視的亀裂を有する粒を含んでいてもよい。
【００７１】
改修は、使用した後に、保護層をタービンブレードもしくはベーン１２０、１３０または熱遮蔽要素１５５から除去しなければならない可能性があることを意味する（例えば、サンドブラスト法によって）。次いで腐食および／または酸化層および生成物を除去する。適切な場合、タービンブレードもしくはベーン１２０、１３０のまたは熱遮蔽要素１５５の亀裂も修復される。この後、タービンブレードもしくはベーン１２０、１３０または熱遮蔽要素１５５を再度コーティングし、その後、タービンブレードもしくはベーン１２０、１３０または熱遮蔽要素１５５を再使用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ 構成要素
４ 基材
７ ＭＣｒＡｌＸ層
１０ ＭＣｒＡｌＸ層
１３ 保護層
１６ 熱障壁コーティング
１００ ガスタービン
１０２ 回転軸
１０３ ロータ
１０４ 吸気ハウジング
１０５ コンプレッサ
１０７ バーナ
１０８ タービン
１０９ 排ガスハウジング
１１０ 燃焼チャンバ
１１１ 環状高温ガス通路
１１２ タービンステージ
１１３ 作動媒体
１１５ ガイドベーンの列
１２０ ロータブレード
１２１ 縦軸
１２５ 列
１３０ ガイドベーン
１３３ タービンディスク
１３５ 空気
１３８ 内部ハウジング
１４０ 固定環
１４３ ステータ
１５３ 燃焼チャンバ壁
１５４ 共通燃焼チャンバスペース
１５５ 熱遮蔽要素
１５６ 炎
１８３ ブレードまたはベーンルート
４００ 固定領域
４０３ プラットフォーム
４０６ 主ブレードまたはベーン部
４０９ 前縁
４１２ 後縁
４１５ ブレードまたはベーン先端
４１８ フィルム冷却孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なるクロムおよびアルミニウム含量を有する二重ＭＣｒＡｌＸ層に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの高温ガス経路では、ＮｉおよびＣｏをベースにした材料が使用されている。しかしながら、可能な限り最高強度に最適化したため、これらの材料はしばしば、高温ガス中での酸化および高温腐食に対して十分な耐性を持たない。したがって、この材料は、適切な保護コーティングを使用して、高温ガスによる侵襲から保護されなければならない。タービン入口温度を上昇させるために、酸化ジルコニウムのセラミック層も、断熱のため極めて高い熱応力にさらされる構成要素にさらに付着させる。前記層の下に位置付けられた金属層は、セラミック熱障壁コーティングの結合層として、およびベース材料の酸化防止層として働く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許第１２０４７７６号明細書
【特許文献２】欧州特許第１３０６４５４号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第１３１９７２９号明細書
【特許文献４】国際公開第９９／６７４３５号パンフレット
【特許文献５】国際公開第００／４４９４９号パンフレット
【特許文献６】米国特許出願公開第６，０２４，７９２号明細書
【特許文献７】欧州特許出願公開第０８９２０９０号明細書
【特許文献８】欧州特許第０４８６４８９号明細書
【特許文献９】欧州特許第０７８６０１７号明細書
【特許文献１０】欧州特許第０４１２３９７号明細書
【特許文献１１】欧州特許出願公開第１３０６４５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この問題を解決するために、溶射プロセスあるいはＥＢ−ＰＶＤプロセスを用いて、最高温度の構成要素に上述のように保護コーティングを付着させる。このコーティングは一般に、Ｎｉおよび／またはＣｏに加えてクロム、アルミニウム、ケイ素、レニウム、またはイットリウムなどの希土類元素も含有するいわゆるＭＣｒＡｌＸカバー層からなる。しかしながら、保護層における表面温度のさらなる上昇によって、損傷が生じ、層の破壊または熱障壁コーティングのスポーリングをもたらす可能性がある。したがって、層表面の温度が上昇するので、これら困難な条件下で十分に高い耐熱機械性と併せて改善された耐酸化性を有する保護層を、開発することが必要である。これは、保護層の非常にバランスのとれた化学組成によってのみ、実現することができる。ここで、元素Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌが特に重要である。これら元素も拡散によってベース材料と相互に作用するという事実も、考慮に入れなければならない。原材料、特に特殊合金元素の価格上昇により、組成がコストに対して最適化されていることを確実にすることがさらに必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、上述の課題を解決することである。この目的は、請求項１および２に記載の層構造によって達成される。
【０００６】
従属請求項は、さらなる利点を得るために望みに応じて互いに組み合わせることができる、さらなる有利な分量を列挙する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】層構造の例示的な実施形態を示す図である。
【図２】層構造の例示的な実施形態を示す図である。
【図３】ガスタービンを示す図である。
【図４】タービンブレードまたはベーンを示す斜視図である。
【図５】燃焼チャンバを示す斜視図である。
【図６】超合金を示すリストである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面およびそれらの説明は、本発明の単なる例示的な実施形態を示す。
【０００９】
図１は、第１の実施例を示す。構成要素１、１２０、１３０、１５５は、基材４を有する。
【００１０】
特に、高温で適用されるガスタービン１００（図３）の場合、基材４は、特に図６による超合金を有する。
【００１１】
金属保護層１３が基材４上に存在する。
【００１２】
本発明によれば、金属保護層１３は、化学組成が異なる２つのＭＣｒＡｌＸ層７、１０を含み、その外層１０は、好ましくはより高いクロム含量を有している。
【００１３】
外層１０のアルミニウム含量も、同様に好ましくは、下層７のアルミニウム含量よりも高い。
【００１４】
２層７、１０のクロム含量の差は、好ましくは（絶対項に見られる）少なくとも重量で１％（｜Ｃｒ（７）−Ｃｒ（１０）｜≧重量で１％）である。
【００１５】
２層７、１０のアルミニウム含量の差は、好ましくは（絶対項に見られる）少なくとも重量で１％（｜Ａｌ（７）−Ａｌ（１０）｜≧重量で１％）であり、非常に好ましくは少なくとも重量で２％である。
【００１６】
保護層１３は、好ましくは、２つの異なるＭＣｒＡｌＸ層７、１０のみからなる。
【００１７】
本発明は、今日まで使用されてきた層と比較すると、今日まで使用されてきたＭＣｒＡｌＸ層よりも良好な耐酸化性を有しかつ同時に等しく良好な熱機械的を挙動する、金属保護層１３を提案する。これは、ベース材料との最適化された拡散相互作用に関して種々の要件を満たしかつセラミックとの相境界に最適化されたＴＧＯ層も形成する、複層構造を使用して実現される。この目的は、使用される２種のＭＣｒＡｌＸ合金が異なる化学組成を有するという事実により達成される。
【００１８】
内層７のクロム含量は、外層１０のクロム含量よりも多く、外層１０のアルミニウム含量は、内層７のアルミニウム含量よりも多い。
【００１９】
同じことが、イットリウム（Ｙ）を含む層構造７、１０に好ましく適用される。比較的高いイットリウム含量は、少なくとも重量で０．１５％（｜Ｙ（７）−Ｙ（１０）｜≧重量で０．１５％）の差（絶対項に見られる）を意味する。
【００２０】
ベース材料（基材４）近くに位置付けられた内層７は、好ましくは、使用された粉末またはインゴットの化学組成物中に下記の基本組成、すなわち重量で約３８％から約６６．６％のＮｉおよび重量で８％から２２％のＣｏを有する。この基本組成は、重量で２１％から２９％という高いＣｒ含量にも関わらず、α−Ｃｒ相が少ししかまたは全く生成されずかつ層の良好な延性が保たれるという効果を発揮する。比較的高いＣｒおよびＹ含量は、ベース材料中の硫黄のゲッターとして働き、ＴＧＯの損傷を防止することが意図される。重量で４％から９％という比較的低いＡｌ含量は、下層７の延性挙動を促進させるが、ベース材料（基材）とのわずかな程度の相互拡散ももたらす。一方、この含量は、十分なＡｌが拡散後に存在するので、熱障壁コーティング１６の耐用寿命に及ぼす有益な影響を発揮するのに十分高いままである。生じる相は、新しくかつ動作上応力を受ける状態での主な合金化構成成分のこの濃度を考えると、γ（ガンマ）、γ’、及びβ（ベータ）である。
【００２１】
イットリウム含量は、好ましくは、重量で０．４％から０．９％よりも高くあるべきで、同様に、硫黄に関してゲッター作用を示すべきである。さらに、イットリウムは重なり合う外層１０内に拡散することも可能であるべきである。適切な場合、層は、相互拡散をさらに遅延させるため、重量で１％までのＲｅを含有することもできる。
【００２２】
重なり合う外部ＭＣｒＡｌＸ層１０は、製造公差の範囲内で、好ましくは第１の層７の厚さと同じ厚さを有する。
【００２３】
好ましくは重量で約２０％というより少ないＣｒ含量と、好ましくは重量で１１．５％というＡｌ含量との組合せでは、この基本組成によって優れたＡｌ２Ｏ３上層形成がもたらされ、これは、重量で０．２％〜０．４％という低含量のＳｉおよび重量で０．１％〜０．２％という低含量のＹによって、形成および接着に関してさらに支援される。低Ｙ含量は、イットリウムの内部酸化を回避し、酸化の初期段階ではＭＣｒＡｌＸ上にアルミン酸イットリウムを形成しない。これは、比較的小さな層成長をもたらし、したがってアルミニウムの低消費量をもたらす。層１０は、γ、βの相組成を実質的に有し、熱的に安定であり、脆弱な相が回避され、したがってＭＣｒＡｌＸ層１０の良好な延性特性が得られる。
【００２４】
ＭＣｒＡｌＸ層７、１０は、好ましくはＮｉＣｏＣｒＡｌＹ層である。
【００２５】
保護層１３は、一方を他方の上に配置した２層を有し、層７は、好ましくは下記の組成、即ち
Ｎｉと、
重量で８％〜２２％、好ましくは１９％〜２１％、非常に好ましくは２０％のＣｏと、
重量で２１％〜２９％、好ましくは２３％〜２５％、非常に好ましくは２４％のＣｒと、
重量で４％〜９％、好ましくは６％〜８％、非常に好ましくは７％のＡｌと、
重量で０．４％〜０．９％、好ましくは０．４％〜０．６％、非常に好ましくは０．５％のＹと、
重量で０％〜１．０％、好ましくは０％のＲｅと、
を有し、上記リスト（Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙ、Ｒｅ）は、好ましくは最終的なものであり、
外層１０は、好ましくは下記の組成、即ち：
Ｃｏと、
重量で２９％〜３９％、好ましくは３４％〜３６％、非常に好ましくは３５％のＮｉと、
重量で１７％〜２４％、好ましくは１９％〜２１％、非常に好ましくは２０％のＣｒと、
重量で９％〜１４％、好ましくは１１％〜１２％、非常に好ましくは１１．５％のＡｌ と、
重量で０．０５％〜０．５％、好ましくは０．１％〜０．２％とのＹと、
任意選択で、重量で０．１％〜１．１％、好ましくは０．２％〜０．４％、非常に好ましくは０．３％のＳｉと、
を有し、上記リスト（Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙ、Ｓｉ）は、好ましくは最終的なものである。
【００２６】
重量で０．３％のパーセンテージまでの、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｐ、およびその他の微量な元素などの別の元素は、相互作用によって良好な特性をもたらしてもよい。
【００２７】
図３は、例として、ガスタービン１００の部分縦断面図を示す。
【００２８】
内部に、ガスタービン１００は、回転軸１０２の回りを回転することができるように取り付けられかつタービンロータとも呼ばれる、シャフトを有するロータ１０３を有する。
【００２９】
吸気ハウジング１０４、コンプレッサ１０５、例えば複数の同軸状に配置されたバーナ１０７を有するトロイダル燃焼チャンバ１１０、特に環状燃焼チャンバ、タービン１０８、および排ガスハウジング１０９が、ロータ１０３に沿って互いに続く。
【００３０】
環状燃焼チャンバ１１０は、例えば環状高温ガス通路１１１と連通しており、そこでは例として、４個の連続したタービンステージ１１２がタービン１０８を形成している。
【００３１】
各タービンステージ１１２は、例えば２個のブレードまたはベーン環から形成される。作動媒体１１３の流動方向でわかるように、高温ガス通路１１１では、ガイドベーンの列１１５の後に、ロータブレード１２０から形成された列１２５が続く。
【００３２】
ガイドベーン１３０は、ステータ１４３の内部ハウジング１３８に固定され、一方、列１２５のロータブレード１２０は、例えばタービンディスク１３３を用いてロータ１０３に嵌合される。
【００３３】
ジェネレータ（図示せず）は、ロータ１０３に結合されている。
【００３４】
ガスタービン１００が作動している間、コンプレッサ１０５は吸気ハウジング１０４を通して空気１３５を吸引し、その空気を圧縮する。コンプレッサ１０５のタービン側端部に供給された圧縮空気は、バーナ１０７に移動し、そこで燃料と混合される。次いでこの混合物を燃焼チャンバ１１０内で燃やし、作動媒体１１３を形成する。そこから、作動媒体１１３は、ガイドベーン１３０およびロータブレード１２０を通過して高温ガス通路１１１に沿って流動する。作動媒体１１３は、ロータブレード１２０で膨脹し、その運動量を、ロータブレード１２０がロータ１０３を駆動させかつ後者が次いでそこに結合されたジェネレータを駆動させるように伝達する。
【００３５】
ガスタービン１００が作動している間、高温作動媒体１１３に曝される構成要素は、熱応力にさらされる。第１のタービンステージ１１２のガイドベーン１３０およびロータブレード１２０は、作動媒体１１３の流動方向からわかるように、環状燃焼チャンバ１１０の内側を覆う熱遮蔽要素と共に、最も高い熱応力にさらされる。
【００３６】
そこで広がる温度に耐えることができるように、これらの要素を冷却剤で冷却してもよい。
【００３７】
構成要素の基材は、同様に方向性構造を有してもよく、即ち基材は単結晶の形（ＳＸ構造）をとり、または縦方向に配向した粒（ＤＳ構造）のみ有する。
【００３８】
例として、鉄ベース、ニッケルベース、またはコバルトベースの超合金が、構成要素、特にタービンブレードまたはベーン１２０、１３０、および燃焼チャンバ１１０の構成要素の材料として使用される。
【００３９】
このタイプの超合金は、例えば、欧州特許第１２０４７７６号明細書、欧州特許第１３０６４５４号明細書、欧州特許出願公開第１３１９７２９号明細書、国際公開第９９／６７４３５号パンフレット、または国際公開第００／４４９４９号パンフレットで知られている。
【００４０】
ガイドベーン１３０は、タービン１０８の内部ハウジング１３８に面するガイドベーンルート（図示せず）と、このガイドベーンルートとは反対側の端部にあるガイドベーンヘッドとを有する。ガイドベーンヘッドはロータ１０３に面し、ステータ１４３の固定環１４０に固定されている。
【００４１】
図４は、縦軸１２１に沿って延びる、ターボマシンのロータブレード１２０またはガイドベーン１３０の斜視図を示す。
【００４２】
ターボマシンは、航空機のもしくは電気を発生させる発電所のガスタービン、水蒸気タービン、またはコンプレッサであってもよい。
【００４３】
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、縦軸１２１に沿って連続して、固定領域４００、隣接するブレードまたはベーンのプラットフォーム４０３、および主ブレードまたはベーン部４０６、およびブレードまたはベーン先端４１５を有する。
【００４４】
ガイドベーン１３０として、ベーン１３０は、そのベーン先端４１５に別のプラットフォーム（図示せず）を有していてもよい。
【００４５】
ロータブレード１２０、１３０をシャフトまたはディスク（図示せず）に固定するのに使用される、ブレードまたはベーンルート１８３は、固定領域４００内に形成される。
【００４６】
ブレードまたはベーンルート１８３は、例えばハンマーヘッドの形状に設計される。モミの木または蟻型ルートなどのその他の構成が可能である。
【００４７】
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、主ブレードまたはベーン部４０６を過ぎて流れる媒体用の、前縁４０９および後縁４１２を有する。
【００４８】
従来のブレードまたはベーン１２０、１３０の場合、例として固体金属材料、特に超合金が、ブレードまたはベーン１２０、１３０の全ての領域４００、４０３、４０６で使用される。
【００４９】
このタイプの超合金は、例えば欧州特許第１２０４７７６号明細書、欧州特許出願公開第１３０６４５４号明細書、欧州特許出願公開第１３１９７２９号明細書、国際公開第９９／６７４３５号パンフレット、または国際公開第００／４４９４９号パンフレットにより知られている。
【００５０】
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、この場合、鋳造プロセスによって、方向性凝固を用いて、鍛造プロセスによって、ミリングプロセスによって、またはこれらの組合せによって製造してもよい。
【００５１】
１種または複数の単結晶構造を有する製造中の加工物は、動作中に高い機械的応力、熱応力、および／または化学的応力に曝される機械の構成要素として使用される。このタイプの単結晶加工物は、例えば、融解物からの方向性凝固によって製造される。この製造では、液体金属合金を凝固させて単結晶構造、即ち単結晶加工物を形成し、または方向性凝固させる、鋳造プロセスが行われる。
【００５２】
この場合、樹状結晶は、熱流の方向に沿って配向し、柱状結晶粒構造（即ち、加工物の全長に沿って流れ、かつここで、通常使用される言語によれば、方向性凝固されたと呼ばれる粒）または単結晶構造を（即ち加工物全体は、１個の単結晶からなる）を形成する。これらのプロセスでは、無指向性成長により必然的に横方向および縦方向の粒界が形成され、これが方向性凝固または単結晶構成要素の好ましい特性を打ち消すので、球状（多結晶質）凝固への遷移は回避される必要がある。
【００５３】
文脈が、概括的に方向性凝固ミクロ構造に言及する場合、これは、いかなる粒界も持たずまたは最大でも小角粒界を有する単結晶と、縦方向に走る粒界を有するがいかなる横方向粒界も持たない柱状結晶構造との両方を意味すると理解される。この第２の形の結晶構造、方向性凝固ミクロ構造（方向性凝固構造）とも言われる。
【００５４】
このタイプのプロセスは、米国特許出願公開第６，０２４，７９２号明細書および欧州特許出願公開第０８９２０９０号明細書により知られている。
【００５５】
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、同様に、例えば腐食または酸化から保護するコーティングを有してもよい（ＭＣｒＡｌＸ； Ｍは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択された少なくとも１種の元素であり、Ｘは、活性元素であり、イットリウム（Ｙ）および／またはケイ素および／または少なくとも１種の希土類元素、またはハフニウム（Ｈｆ）を表す。）。このタイプの合金は、合金の化学組成に関して本開示の部分を形成することが意図される欧州特許第０４８６４８９号明細書、欧州特許第０７８６０１７号明細書、欧州特許第０４１２３９７号明細書、または欧州特許出願公開第１３０６４５４号明細書により知られている。
【００５６】
密度は、好ましくは理論密度の９５％である。
【００５７】
保護酸化アルミニウム層（ＴＧＯ＝熱的に成長させた酸化物層）は、ＭＣｒＡｌＸ層上に形成される（中間層としてまたは最外層として）。
【００５８】
層は、好ましくは組成Ｃｏ−３０Ｎｉ−２８Ｃｒ−８Ａｌ−０．６Ｙ−０．７ＳｉまたはＣｏ−２８Ｎｉ−２４Ｃｒ−１０Ａｌ−０．６Ｙを有する。これらのコバルトベースの保護コーティングに加え、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などのニッケルベースの保護層を使用することも好ましい。
【００５９】
好ましくは最外層であり例えばＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２からなる熱障壁コーティング、即ち不安定であり、酸化イットリウムおよび／または酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムによって部分的に安定化しまたは完全に安定化された熱障壁コーティングは、ＭＣｒＡｌＸ上に存在することも可能である。
【００６０】
熱障壁コーティングは、ＭＣｒＡｌＸ層全体を覆う。柱状粒は、例えば電子ビーム物理気相成長（ＥＢ−ＰＶＤ）などの適切なコーティングプロセスにより、熱障壁コーティングで生成される。
【００６１】
その他のコーティングプロセス、例えば大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ、またはＣＶＤなどが可能である。熱障壁コーティングは、耐熱衝撃性を改善するために、多孔質でありまたは微小亀裂もしくは巨視的亀裂を有する粒を含んでいてもよい。したがって、熱障壁コーティングは、好ましくはＭＣｒＡｌＸ層よりも多孔質である。
【００６２】
ブレードまたはベーン１２０、１３０は、その形が中空であっても中実であってもよい。ブレードまたはベーン１２０、１３０が冷却される場合、これらは中空であり、フィルム冷却孔４１８（破線で示される。）を有していてもよい。
【００６３】
図５は、ガスタービン１００の燃焼チャンバ１１０を示す。燃焼チャンバ１１０は、例えば環状燃焼チャンバとして知られているものとして構成されており、回転軸１０２の周りに円周方向に配置された、炎１５６を発生させる多数のバーナ１０７は、共通燃焼チャンバスペース１５４に向かって開放されている。このため、燃焼チャンバ１１０は全体的に、回転軸１２０の周りに位置決めされた環状構成のものである。
【００６４】
比較的高い効率を実現するために、燃焼チャンバ１１０は、約１０００℃から１６００℃という作動媒体Ｍの比較的高い温度に対して設計される。材料には好ましくないこれら動作パラメータを有する場合であっても、比較的長い耐用寿命を可能にするために、燃焼チャンバ壁１５３が設けられ、作動媒体Ｍに面するその側には熱遮蔽要素１５５から形成された内層を備えている。
【００６５】
さらに、燃焼チャンバ１１０の内部は高温なので、熱遮蔽要素１５５および／またはその保持要素のために冷却システムを設けてもよい。次いで熱遮蔽要素１５５は、例えば中空であり、燃焼チャンバスペース１５４に向かって開放される冷却孔（図示せず）を有していてもよい。
【００６６】
作動媒体の側では、合金製の各熱遮蔽要素１５５は、特に耐熱性の高い保護層（ＭＣｒＡｌＸ層および／またはセラミックコーティング）を備えており、または高温に耐えることができる材料（中実セラミックブリック）から形成される。
【００６７】
これらの保護層は、タービンブレードまたはベーンに類似していてもよく、即ち、例えばＭＣｒＡｌＸであり： Ｍは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択された少なくとも１種の元素であり、Ｘは、活性元素でありかつイットリウム（Ｙ）および／またはケイ素および／または少なくとも１種の希土類元素またはハフニウム（Ｈｆ）を表す。このタイプの合金は、欧州特許第０４８６４８９号明細書、欧州特許第０７８６０１７号明細書、欧州特許第０４１２３９７号明細書、または欧州特許出願公開第１３０６４５４号明細書により知られている。
【００６８】
例えば、例えばＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２からなる、即ち不安定であり、酸化イットリウムおよび／または酸化カルシウムおよび／または酸化マグネシウムにより部分的に安定化しまたは完全に安定化したものからなる、セラミック熱障壁コーティングを、ＭＣｒＡｌＸ上に存在させることも可能である。
【００６９】
柱状粒は、例えば電子ビーム物理気相成長（ＥＢ−ＰＶＤ）などの適切なコーティングプロセスによって、熱障壁コーティングで生成される。
【００７０】
その他のコーティングプロセス、例えば大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ、またはＣＶＤが可能である。熱障壁コーティングは、耐熱衝撃性を改善するために、多孔質でありまたは微小亀裂もしくは巨視的亀裂を有する粒を含んでいてもよい。
【００７１】
改修は、使用した後に、保護層をタービンブレードもしくはベーン１２０、１３０または熱遮蔽要素１５５から除去しなければならない可能性があることを意味する（例えば、サンドブラスト法によって）。次いで腐食および／または酸化層および生成物を除去する。適切な場合、タービンブレードもしくはベーン１２０、１３０のまたは熱遮蔽要素１５５の亀裂も修復される。この後、タービンブレードもしくはベーン１２０、１３０または熱遮蔽要素１５５を再度コーティングし、その後、タービンブレードもしくはベーン１２０、１３０または熱遮蔽要素１５５を再使用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ 構成要素
４ 基材
７ ＭＣｒＡｌＸ層
１０ ＭＣｒＡｌＸ層
１３ 保護層
１６ 熱障壁コーティング
１００ ガスタービン
１０２ 回転軸
１０３ ロータ
１０４ 吸気ハウジング
１０５ コンプレッサ
１０７ バーナ
１０８ タービン
１０９ 排ガスハウジング
１１０ 燃焼チャンバ
１１１ 環状高温ガス通路
１１２ タービンステージ
１１３ 作動媒体
１１５ ガイドベーンの列
１２０ ロータブレード
１２１ 縦軸
１２５ 列
１３０ ガイドベーン
１３３ タービンディスク
１３５ 空気
１３８ 内部ハウジング
１４０ 固定環
１４３ ステータ
１５３ 燃焼チャンバ壁
１５４ 共通燃焼チャンバスペース
１５５ 熱遮蔽要素
１５６ 炎
１８３ ブレードまたはベーンルート
４００ 固定領域
４０３ プラットフォーム
４０６ 主ブレードまたはベーン部
４０９ 前縁
４１２ 後縁
４１５ ブレードまたはベーン先端
４１８ フィルム冷却孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材（４）と、
二重ＭＣｒＡｌＸ層（１３）と
を有する層構造（１、１２０、１３０、１５５）であって、
前記二重ＭＣｒＡｌＸ層（１３）が外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）および内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）を有し、
前記外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）のクロム含量が、前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）のクロム含量よりも低く、
前記外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）のアルミニウム含量が、前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）のアルミニウム含量よりも高く、
前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）が、
重量で８％〜２２％、好ましくは１９％〜２１％のＣｏと、
重量で２１％〜２９％、好ましくは２３％〜２５％のＣｒと、
重量で４％〜９％、好ましくは６％〜８％のＡｌと、
重量で０．４％〜０．９％、好ましくは０．４％〜０．６％Ｙと、
重量で０％〜１．０％、好ましくは０％Ｒｅと、
Ｎｉと、
を含有し、
特に残分がニッケル（Ｎｉ）である、層構造。
【請求項２】
基材（４）と、
二重ＭＣｒＡｌＸ層（１３）と、
を有する層構造（１、１２０、１３０、１５５）であって、
前記二重ＭＣｒＡｌＸ層（１３）は、外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）および内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）を有し、
Ｘは、少なくともイットリウム（Ｙ）を表し、
前記外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）のイットリウム含量が、前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）のイットリウム含量よりも少なく、
前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）が、
重量で８％〜２２％、好ましくは１９％〜２１％のＣｏと、
重量で２１％〜２９％、好ましくは２３％〜２５％のＣｒと、
重量で４％〜９％、好ましくは６％〜８％のＡｌと、
重量で０．４％〜０．９％、好ましくは０．４％〜０．６％Ｙと、
重量で０％〜１．０％、好ましくは０％のＲｅと、
Ｎｉと、
を含有し、
特に残分がニッケル（Ｎｉ）である、層構造。
【請求項３】
前記外部ＭＣｒＡｌＸ保護層（１０）が、下記の組成、即ち：
重量で２９％〜３９％、好ましくは３４％〜３６％のＮｉと、
重量で１７％〜２４％、好ましくは１９％〜２１％のＣｒと、
重量で９％〜１４％、好ましくは１１％〜１２％のＡｌと、
重量で０．０５％〜０．５％、好ましくは０．１％〜０．２％のＹと、
任意選択で、重量で０．１％〜１．１％、好ましくは０．２％〜０．４％のＳｉと、
Ｃｏと
を有し、
好ましくは残分がＣｏである、請求項１または２に記載の層構造。
【請求項４】
外部ＮｉＣｏＣｒＡｌＸ層（１０）が、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびリン（Ｐ）からなる群からの少なくとも１種の元素を含有し、
特にその少なくとも重量で０．０５％を含有し、
特に重量で０．３％のパーセンテージまで含有する、請求項１、２、または３に記載の層構造。
【請求項５】
前記ＭＣｒＡｌＸ層（１３）が２層（７、１０）のみからなる、請求項１、２、３、または４に記載の層構造。
【請求項６】
前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）が、前記外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）と同じ層厚を有する、請求項１、２、３、４、または５に記載の層構造。
【請求項７】
前記外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）が、前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）よりも著しく薄い、請求項１、２、３、４、または５に記載の層構造。
【請求項８】
前記ＭＣｒＡｌＸ層（７、１０）が、ＮｉＣｏＣｒＡｌＸ層（７、１０）を有し、
特にそれからなり、ここで、ＸがＹ、又はＲｅである、請求項１、２、３、４、５、６、または７に記載の層構造。
【請求項９】
外層（１０）内のケイ素（Ｓｉ）の割合が、重量で０．２％から重量で０．４％である、請求項３に記載の層構造。
【請求項１０】
外層（１０）内のケイ素（Ｓｉ）の割合が、重量０．７％から重量１．０％である、請求項３に記載の層構造。
【請求項１１】
外層（１０）がケイ素（Ｓｉ）を含有しない、請求項１または３に記載の層構造。
【請求項１２】
外層（１０）のＹ含量が重量で０．０５％から重量で０．４％未満であり、
特に重量で０．１％から重量で０．２％である、請求項２に記載の層構造。
【請求項１３】
内層（７）のＹ含量が、重量で０．４％超から重量で０．９％であり、特に重量で０．６％までである、請求項２に記載の層構造。
【請求項１４】
外部セラミック熱障壁コーティング（１６）が、二重ＭＣｒＡｌＸ層（１３）上に存在する、請求項１、２、３、または４に記載の層構造。
【請求項１５】
基材（４）、
二重ＭＣｒＡｌＸ層（７、１０）、
ＭＣｒＡｌＸ層（７、１０）上のセラミック熱障壁コーティング（１６）、および
任意選択で、外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）上のＴＧＯ層
からなる、請求項１から１４の一項または複数項に記載の層構造。
【請求項１６】
基材（４）、
二重ＭＣｒＡｌＸ層（７、１０）、および
任意選択で、外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）上のＴＧＯ層
からなる、請求項１から１５の一項または複数項に記載の層構造。
【請求項１７】
Ｘがイットリウムである、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１３、１４、１５、または１６に記載の層構造。
【請求項１】
基材（４）と、
二重ＭＣｒＡｌＸ層（１３）と
を有する層構造（１、１２０、１３０、１５５）であって、
前記二重ＭＣｒＡｌＸ層（１３）が外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）および内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）を有し、
前記外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）のクロム含量が、前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）のクロム含量よりも低く、
前記外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）のアルミニウム含量が、前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）のアルミニウム含量よりも高く、
前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）が、
重量で８％〜２２％、好ましくは１９％〜２１％のＣｏと、
重量で２１％〜２９％、好ましくは２３％〜２５％のＣｒと、
重量で４％〜９％、好ましくは６％〜８％のＡｌと、
重量で０．４％〜０．９％、好ましくは０．４％〜０．６％Ｙと、
重量で０％〜１．０％、好ましくは０％Ｒｅと、
Ｎｉと、
を含有し、
特に残分がニッケル（Ｎｉ）である、層構造。
【請求項２】
基材（４）と、
二重ＭＣｒＡｌＸ層（１３）と、
を有する層構造（１、１２０、１３０、１５５）であって、
前記二重ＭＣｒＡｌＸ層（１３）は、外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）および内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）を有し、
Ｘは、少なくともイットリウム（Ｙ）を表し、
前記外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）のイットリウム含量が、前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）のイットリウム含量よりも少なく、
前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）が、
重量で８％〜２２％、好ましくは１９％〜２１％のＣｏと、
重量で２１％〜２９％、好ましくは２３％〜２５％のＣｒと、
重量で４％〜９％、好ましくは６％〜８％のＡｌと、
重量で０．４％〜０．９％、好ましくは０．４％〜０．６％Ｙと、
重量で０％〜１．０％、好ましくは０％のＲｅと、
Ｎｉと、
を含有し、
特に残分がニッケル（Ｎｉ）である、層構造。
【請求項３】
前記外部ＭＣｒＡｌＸ保護層（１０）が、下記の組成、即ち：
重量で２９％〜３９％、好ましくは３４％〜３６％のＮｉと、
重量で１７％〜２４％、好ましくは１９％〜２１％のＣｒと、
重量で９％〜１４％、好ましくは１１％〜１２％のＡｌと、
重量で０．０５％〜０．５％、好ましくは０．１％〜０．２％のＹと、
任意選択で、重量で０．１％〜１．１％、好ましくは０．２％〜０．４％のＳｉと、
Ｃｏと
を有し、
好ましくは残分がＣｏである、請求項１または２に記載の層構造。
【請求項４】
外部ＮｉＣｏＣｒＡｌＸ層（１０）が、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびリン（Ｐ）からなる群からの少なくとも１種の元素を含有し、
特にその少なくとも重量で０．０５％を含有し、
特に重量で０．３％のパーセンテージまで含有する、請求項１、２、または３に記載の層構造。
【請求項５】
前記ＭＣｒＡｌＸ層（１３）が２層（７、１０）のみからなる、請求項１、２、３、または４に記載の層構造。
【請求項６】
前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）が、前記外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）と同じ層厚を有する、請求項１、２、３、４、または５に記載の層構造。
【請求項７】
前記外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）が、前記内部ＭＣｒＡｌＸ層（７）よりも著しく薄い、請求項１、２、３、４、または５に記載の層構造。
【請求項８】
前記ＭＣｒＡｌＸ層（７、１０）が、ＮｉＣｏＣｒＡｌＸ層（７、１０）を有し、
特にそれからなり、ここで、ＸがＹ、又はＲｅである、請求項１、２、３、４、５、６、または７に記載の層構造。
【請求項９】
外層（１０）内のケイ素（Ｓｉ）の割合が、重量で０．２％から重量で０．４％である、請求項３に記載の層構造。
【請求項１０】
外層（１０）内のケイ素（Ｓｉ）の割合が、重量０．７％から重量１．０％である、請求項３に記載の層構造。
【請求項１１】
外層（１０）がケイ素（Ｓｉ）を含有しない、請求項１または３に記載の層構造。
【請求項１２】
外層（１０）のＹ含量が重量で０．０５％から重量で０．４％未満であり、
特に重量で０．１％から重量で０．２％である、請求項２に記載の層構造。
【請求項１３】
内層（７）のＹ含量が、重量で０．４％超から重量で０．９％であり、特に重量で０．６％までである、請求項２に記載の層構造。
【請求項１４】
外部セラミック熱障壁コーティング（１６）が、二重ＭＣｒＡｌＸ層（１３）上に存在する、請求項１、２、３、または４に記載の層構造。
【請求項１５】
基材（４）、
二重ＭＣｒＡｌＸ層（７、１０）、
ＭＣｒＡｌＸ層（７、１０）上のセラミック熱障壁コーティング（１６）、および
任意選択で、外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）上のＴＧＯ層
からなる、請求項１から１４の一項または複数項に記載の層構造。
【請求項１６】
基材（４）、
二重ＭＣｒＡｌＸ層（７、１０）、および
任意選択で、外部ＭＣｒＡｌＸ層（１０）上のＴＧＯ層
からなる、請求項１から１５の一項または複数項に記載の層構造。
【請求項１７】
Ｘがイットリウムである、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１３、１４、１５、または１６に記載の層構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１２−５１４６９２（Ｐ２０１２−５１４６９２Ａ）
【公表日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４４８２７（Ｐ２０１１−５４４８２７）
【出願日】平成２１年１２月１４日（２００９．１２．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０６７０９７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０７９０４９
【国際公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【出願人】（５０８００８８６５）シーメンス アクティエンゲゼルシャフト (99)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１４日（２００９．１２．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０６７０９７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０７９０４９
【国際公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【出願人】（５０８００８８６５）シーメンス アクティエンゲゼルシャフト (99)
【Ｆターム（参考）】
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