隔熱塗層用材料、隔熱塗層、渦輪部材及燃氣輪機的製作方法
2023-10-24 23:46:52 1
專利名稱：隔熱塗層用材料、隔熱塗層、渦輪部材及燃氣輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種耐久性優異的隔熱塗層用材料，尤其是涉及作為隔熱塗層的外塗層使用的陶瓷層。
背景技術：
近年來，作為節能對策之一，正在研究提高火力發電的熱效率。為了使發電用燃氣輪機的發電效率提高，升高氣體入口溫度是有效的，該溫度有時也設為1500°C左右。為了實現這樣的發電裝置的高溫化，需要將構成燃氣輪機的靜葉、動葉、或者燃燒器的壁材等用耐熱部材構成。但渦輪葉的材料是耐熱金屬，即便如此也不能耐受這樣的高溫。因此，形成隔熱塗層(Thermal Barrier Coating, TBC)保護耐熱金屬基材免受高溫損害。隔熱塗層通過金屬結合層在耐熱金屬的基材上，利用噴鍍等成膜方法層疊含有氧化物陶瓷的陶瓷層而形成。作為陶瓷層，使用系的材料。尤其是用IO3部分穩定化或完全穩定化的即YSZ(釔穩定化氧化鋯)，在陶瓷材料中具有比較低的熱傳導率和比較高的熱膨脹率，所以被廣泛使用。
然而，根據燃氣輪機的種類，可以考慮使渦輪的入口溫度升高到超過1500°C的溫度。另外，由於近年來環境對策的關係，開發熱效率更高的燃氣輪機正在進行，可考慮渦輪的入口溫度也達到1700°C，設想渦輪葉的表面溫度也達到1300°C的高溫。
在通過具備含有上述YSZ的陶瓷層的隔熱塗層材料包覆燃氣輪機的動葉、靜葉等時，在超過1500°C的嚴酷運轉條件下，燃氣輪機的運轉中，有可能上述陶瓷層的一部分剝離，耐熱性受損。另外，在超過1200°C的溫度下產生脫穩定化現象，耐久性會大幅降低。
作為在高溫環境下的結晶穩定性優異、具有高熱耐久性的隔熱塗層，例如，開發了添加Yb2O3的ZrO2 (專利文獻1)、添加Dy2O3的ZrO2 (專利文獻2)、添加Er2O3的ZrO2 (專利文獻3)、SmYbZr2O7 (專利文獻4)。
專利文獻 專利文獻1 日本特開2003-160852號公報(權利要求1、段落 、 ) 專利文獻2:日本特開2001-348655號公報(權利要求4及5、段落 、 、 ) 專利文獻3 日本特開2003-129210號公報(權利要求1、段落 、 ) 專利文獻4 日本特開2007-270245號公報(權利要求2、段落 、 )
發明內容
對於渦輪葉的隔熱塗層，進一步要求高的熱循環耐久性、高溫結晶穩定性及高隔熱性。但是，兼顧這些是非常困難的。
本發明的目的在於，提供一種與YSZ相比高溫結晶穩定性更優異、具有高韌性且具有高隔熱效果的隔熱塗層用材料。另外，其目的還在於，提供一種具有使用該隔熱塗層用材料形成的陶瓷層的熱循環耐久性優異的隔熱塗層、以及具備該隔熱塗層的渦輪用部材及燃氣輪機。
S卩，本發明的第1方案為一種隔熱塗層用材料，其以含有作為穩定劑的％203和 Sm2O3的^O2為主，前述穩定劑的含量為2mol %以上7mol %以下，前述Sm2O3的含量為 0. Imol % 以上 2. 5mol% 以下。
前述Sm2O3的含量更優選1. Omol %以上2. Omol %以下。
由於％(鐿)與Y(釔)相比粒子半徑小，所以在高溫下具備優異的結晶穩定性。 含有Yb2O3作為穩定劑的&02，與YSZ相比難以引起伴隨溫度變化的相變，也可以抑制相變引起的應力的發生。
通過Zr (鋯)含有原子量不同的％和Sm(釤)，從而晶格失配被導入而使晶體結構複雜。由此容易產生熱散射，實現降低熱傳導率的效果。
隔熱塗層用材料中的穩定劑的含量(Yb2O3和Sm2O3總計)不足2mol%時，容易發生向單斜晶相的相變，因此穩定劑的含量優選2mol%以上。另一方面，穩定劑的含量多於7mol%時，往往準穩定的正方晶相減少。因此，破壞韌性降低，所以穩定劑的含量優選 ^iol %以下。
Sm2O3的含量少於0. Imol %時，無法得到所期望的熱傳導率，所以Sm2O3的含量優選 0. Imol %以上。另一方面，Sm2O3的含量多於2. 5mol %時，雖然熱傳導率降低，但無法得到高的破壞韌性值。因此，Sm2O3的含量優選2. 5mol %以下 第1方案所述的隔熱塗層用材料，由於以上述範圍的量含有Yb2O3和Sm2O3作為穩定劑，所以不僅具有在高溫下的結晶穩定性，而且可以兼顧高韌性和低熱傳導性。因此，可以製成熱循環耐久性優異的隔熱塗層。
第2方案所述的隔熱塗層，優選在耐熱合金基材上具備金屬結合層、和在該金屬結合層上形成的含有上述的隔熱塗層用材料的陶瓷層。
含有上述隔熱塗層用材料的陶瓷層，高溫結晶穩定性優異，具有高韌性。因此，成為熱循環耐久性優異的隔熱塗層。
本發明的另外的方案為一種具備上述隔熱塗層的渦輪部材、及具備該渦輪部材的燃氣輪機。
根據所述構成的渦輪部材，可以製成具備優異的高溫結晶穩定性和熱循環耐久性的渦輪部材。由此，還可構成可靠性更優異的燃氣輪機。
上述組成的隔熱塗層用材料，在高溫下的結晶穩定性優異，具有高的破壞韌性和低的熱傳導率。由此，可以製成熱循環耐久性優異、具備高隔熱效果的隔熱塗層。
圖1是應用了本實施方式涉及的隔熱塗層用材料的渦輪部材的剖面的示意圖。
圖2是表示實施例中的燒結體中的Sm2O3含量和破壞韌性值的關係的圖。
圖3是表示實施例中的燒結體中的Sm203含量和熱傳導率的關係的圖。
具體實施例方式以下對本發明的實施方式進行說明。
圖1是應用了本實施方式涉及的隔熱塗層用材料的渦輪部材的部分剖面示意圖。 在渦輪動葉等的耐熱合金基材11上按順序形成金屬結合層12和陶瓷層13作為隔熱塗層。
金屬結合層12為MCrAIY合金(M表示Ni、CoJe等金屬元素或它們中的2種以上的組合)等。
本實施方式涉及的構成陶瓷層13的隔熱塗層用材料，包含含有作為穩定劑的 Yb2O3和Sm2O3的ZrO20穩定劑的含量設為2mol %以上7mol %以下，且Sm2O3的含量設為 0. Imol %以上2. 5mol%以下。Sm2O3的含量更優選1. Omol %以上2. Omol %以下。
本實施方式的隔熱塗層用材料，作為穩定劑含有包含粒子半徑比Y小且高溫下的穩定性高的％的％203。由此，得到高的破壞韌性值，成為熱循環耐久性優異的隔熱塗層。
本實施方式的隔熱塗層用材料，通過含有與ττ相比原子量更大的％和Sm，晶格失配被導入而晶體結構變複雜。因此，容易產生熱散射，實現熱傳導率降低這樣的效果。其結果成為熱傳導率低的陶瓷層。
上述陶瓷層13，為了在提高隔熱性的同時，使楊氏模量降低且提高隔熱塗層的熱循環耐久性，通常導入10%左右的氣孔。
上述陶瓷層13通過大氣壓等離子體噴鍍、電子束物理蒸鍍等成膜。應用大氣壓等離子體噴鍍時，本實施方式的隔熱塗層用材料利用噴霧乾燥法等進行噴鍍粉末。
[實施例] 以下通過實施例對本實施方式的隔熱塗層用材料及隔熱塗層進行詳細說明。
(實施例1) 將表1示出的各組成的燒結體用常壓燒結法在燒結溫度1600°C、燒結時間5小時的條件下製作。原料粉末使用Yb203、Sm2O3> &02。
各組成的燒結體的破壞韌性值基於JIS R 1607進行測定。熱傳導率基於JIS R 1611規定的雷射閃光法進行測定。對1300°C、1000小時加熱處理前後的燒結體的構造相用粉末X射線衍射進行鑑定。
(比較例1) 使用添加了 IO3 :8mol %的，在與實施例1同樣的條件下製作燒結體。
與實施例1同樣，測定燒結體的破壞韌性、及熱傳導率。另外，與實施例1 一樣對加熱處理前後的構造相進行測定。
表1示出實施例1和比較例1的組成、各自的燒結體的特性。
成膜後的構造相均是準穩定正方晶相。試料編號1 4(Yb2O3 4. 45 2. 3mol%、 Sm2O3 :0. 05 2. 2mol% )的燒結體在加熱處理後的構造相中未確認到變化。另一方面，比較例和試料編號5及6 (Yb2O3 0. 1及0. 05mol %、Sm2O3 :4. 4及4. 45mol % )的燒結體通過加熱處理產生相變，構造相為立方晶相+單斜晶相。
[表 1]
權利要求
1.一種隔熱塗層用材料，以含有作為穩定劑的％203和Sm2O3的^O2為主， 所述穩定劑的含量為2mol %以上7mol %以下，所述Sm2O3的含量為0. Imol %以上2. 5mol %以下。
2.一種隔熱塗層，其在耐熱合金基材上具備金屬結合層、和在該金屬結合層上形成的含有權利要求1所述的隔熱塗層用材料的陶瓷層。
3.一種渦輪部材，其具備權利要求2所述的隔熱塗層
4.一種燃氣輪機，其具備權利要求3所述的渦輪部材。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種與YSZ相比高溫結晶穩定性優異、具有高韌性且具有高隔熱效果的隔熱塗層用材料。另外，提供一種具有使用該隔熱塗層用材料形成的陶瓷層的熱循環耐久性優異的隔熱塗層、以及具備該隔熱塗層的渦輪用部材及燃氣輪機。隔熱塗層用材料以含有作為穩定劑的Yb2O3和Sm2O3的ZrO2為主，所述穩定劑的含量為2mol％以上7mol％以下，所述Sm2O3的含量為0.1mol％以上2.5mol％以下。
文檔編號C23C26/00GK102187013SQ200980141180
公開日2011年9月14日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年3月30日
發明者鳥越泰治, 永野一郎, 岡田鬱生, 塚越敬三, 高橋孝二, 岡島芳史, 霞總司, 伊藤榮作, 森一剛 申請人:三菱重工業株式會社