[发明专利]热障涂层构件及其制作方法、使用该构件的燃气轮机零件

说明书

本发明涉及燃气轮机的转子叶片、定子叶片、燃烧器等高温零件，热障涂层构件及其制作方法。

近年来，在发电用燃气轮机领域，为了要求有效利用能源，以提高燃气轮机效率的研究开发正在积极进行。一般地说，燃烧器出口气体温度越高，相应地可提高该燃气轮机的发电效率，这一点是众所周知的。因此，作为提高燃气轮机效率的措施，谋求燃气轮机入口温度的提高被看作是很重要的。具体地说，对于燃气轮机的转子叶片、定子叶片、燃烧器等高温零件，以降低材料温度和提高耐热温度为目标的各种研究，讨论正在进行之中。

例如，作为降低材料温度的措施，为人所知的有在结构方面进行各种改进。例如采用薄膜冷却结构，阻隔来自于燃烧气体的热量；或采用喷射冷却结构，提高冷却特性；或采用回流结构，增大转子叶片以及定子叶片的冷却截面积。

另外，作为提高耐热温度的措施，可在材料方面进行各种改进。例如为提高高温强度，采用Ni、Co或Fe的超合金的高温材料的研制正在进行之中。但是，这种高温材料受到如下限制：在高温合金的特性方面，可以看到软化和再结晶等因素引起合金强度降低，在大约900～950℃以上的温度范围内几乎不能使用。

于是，作为其的改善措施，使用热障涂层(TBC：Thermal BarrierCoating)的技术正在受到关注。这种TBC就是在由高温合金(超合金)加工而成的金属基材上，涂覆氧化锆等热传导率低、化学性能稳定的隔热陶瓷层。一个用这种TBC形成的热障涂层构件的例子如图8所示。

图8所示的热障涂层构件采用具有以下部分的结构：以Ni、Co或Fe为主要成份的高温合金金属基材1；由涂覆在该基材1上的耐蚀，耐氧化性优良的MCrAlY(M是Ni、Co及Fe中的至少一种)合金形成的中间层2；在该中间层2上以稳定化氧化锆为主要成份的陶瓷层3。通过该陶瓷层3可抑制金属基材1温度的上升。其中：中间层2可保护金属基材1，并提高它与陶瓷层3的结合力。

据报道(如特开昭62-211387号公报等)：利用这样的热障涂层构件，例如厚度数100μm的隔热陶瓷层，可使金属基材的表面温度降低50～100℃。因此，如果把该热障涂层构件用在燃气轮机高温零件上，则可提高燃气轮机的运行气体温度而不会使金属基材温度上升，同时可进一步降低从燃烧气体一侧向冷却气体一侧流动的热流束，因此，这种热障涂层构件具有以下优点：除抑制金属基材的温度上升外，还可减少金属基材用冷却气体的流量。

但是，以前例子的热障涂层构件，在材料特性方面，陶瓷层的开裂和剥离等损伤现象很容易发生，此时隔热功能下降。金属基材温度上升，结果，在最坏的情况下有可能发生金属基体溶融、破坏这样的严重事件。在机器运转方面，这种事件的发生决不是所希望的。

于是，为防止这样的事态发生，各种改善措施被提了出来。这些措施着眼于产生陶瓷层开裂或剥离的主要原因，例如金属基材和陶瓷层之间的热膨胀系数差、中间层的氧化，腐蚀等。

例如，作为解决热膨胀差的措施，降低热应力的方法被提了出来，如在金属基材上涂覆陶瓷层后实施热处理。藉此可把压缩残余应力附加到热膨胀系数较小的陶瓷层上。此时陶瓷层在压缩残余应力场下使用，因而可降低起因于上述热膨胀系数差的开裂和剥离的发生。

另外，作为解决中间层氧化，腐蚀的措施，提高中间层耐蚀性的方法被提了出来。例如在中间层表面事先形成以Al为主要成份的氧化物层，以抑制氧侵入中间层内。在这种情况下，通过氧化物层可防止中间层内氧化，腐蚀的进行，起因于中间层氧化，腐蚀的陶瓷层的剥离可得到抑制。

但是，除了上述产生开裂和剥离等现象的主要原因外，往往由陶瓷层保护膜本身的反应烧结引起开裂的发生。关于它的解决办法，以前几乎没有注意和研究过。而且陶瓷层一般以采用热传导率低、化学性能稳定的Y₂O₃、MgO、CaO等来稳定的氧化锆(ZrO₂)为主要成份，从降低热传导率的角度来考虑，把它作为含有大量气孔(多孔性)的结构，所以，当该陶瓷层产生反应烧结而变为气孔少的致密层时，产生热传导率增加、耐热性变差这样的问题也就可想而知了。

本发明对这样的问题进行了考虑，目的在于有效利用热障涂层的优点，这种热障涂层在金属基材上通过中间层形成以稳定化氧化锆为主要成份的陶瓷层，同时使由陶瓷层的反应烧结引起的裂纹降低，并抑制隔热性能的下降。