具有隔热涂层的燃气轮机用高温部件的制作方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供具有使耐热性提高的隔热涂层的燃气轮机用高温部件。本发明的燃气轮机用高温部件具有隔热涂层和冷却结构，其最主要的特征在于，在隔热涂层的合金底层和隔热陶瓷层中，设置有从基材侧向表面侧连通的微细通路，使对部件进行冷却的冷却剂的一部分通过这些微细通路向部件外部流出。通过采用这样的结构，能够期待由发散冷却效果带来的提高高温部件的耐热温度的效果。
【专利说明】具有隔热涂层的燃气轮机用高温部件
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有耐热性优异的隔热涂层的燃气轮机的动静叶片、燃烧器、围带(shroud)等燃气轮机用高温部件。
【背景技术】
[0002]燃气轮机以提高效率为目的，运转温度逐年升高。为了应对运转温度的高温化，燃气轮机高温部件使用耐热性优异的材料，而且采用了利用空气或蒸气等流体冷却剂对暴露于燃烧气体的表面的相反面进行冷却的结构。另外，出于使温度环境缓和的目的，对表面实施由低导热性的陶瓷构成的隔热涂层(Thermal Barrier Coating:以下称为TBC)。虽然也根据使用条件而不同，但是，一般通过应用TBC，基材温度能够降低50~100°C。例如，日本特开昭62-211387号公报(专利文献I)等中公开了:相对于基材，隔着MCrAH合金层，具有由导热性低且耐热性优异的部分稳定氧化锆构成的隔热层的TBC。在此，M表示选自铁(Fe)、Ni和Co中的至少I种，Cr表示铬，Al表示铝，Y表示钇。
[0003]这样的具有TBC和冷却结构的燃气轮机高温部件显示出优异的耐热性，但是，为了进一步提高燃气轮机的性能，希望采用冷却效率更高的发散冷却(transpirationcooling)方式。发散冷却是从部件的整个表面通过微细流路(一般是多孔体)使微量的冷却介质均匀地从高温部件的表面渗出，从而高效率地进行冷却的方法。例如，日本特开平10-231704号公报(专利文献2)、日本特开2010-65634号公报(专利文献3)中公开了在多孔金属上形成多孔陶瓷层采用发散冷却的燃气轮机高温部件。另外，日本特开2005-350341号公报(专利文献4)中，公开了在铸造时使多孔陶瓷与耐热合金基材一体化的结构中，采用发散冷却结构的燃气轮机高温部件。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开昭62-211387号公报
[0007]专利文献2:日本特开平10-231704号公报
[0008]专利文献3:日本特开2010-65634号公报
[0009]专利文献4:日本特开2005-350341号公报
【发明内容】
[0010]发明要解决的技术问题
[0011]在上述现有技术中，虽然在一部分采用了 TBC的隔热陶瓷层，但是在任一公知例中，相当于TBC的合金底层的层不是膜而是用多孔金属代替，或者相当于合金底层的层被省略。这是因为难以 使用以往的合金底层的成膜方法形成作为冷却介质的流路的微细通路。在TBC中，隔热陶瓷层承担遮挡来自燃烧气体的热的作用，能够期待将表观的热传导抑制得较低、并使热应力缓和的效果，因此，采用了多孔陶瓷层。另一方面，合金底层承担确保陶瓷层与基材的密合、并且保护基材不受燃烧气体的氧化和腐蚀的作用，采用了更致密的组织。因此，为了实现将TBC与发散冷却组合的高温部件，需要与以往不同的具有冷却介质流路的合金底层。
[0012]因此，本发明的目的在于实现具有适合于发散冷却的微细的冷却介质流路的合金底层，提供具备使用该合金底层的发散冷却功能和隔热涂层，耐热性优异的燃气轮机用高温部件。
[0013]用于解决技术问题的手段
[0014]本发明鉴于上述技术问题，提供一种燃气轮机用高温部件，该燃气轮机用高温部件在暴露于高温的燃烧气体的基材表面上具有隔热涂层，该隔热涂层设置有合金底层，并进一步在该合金底层的表面上设置有隔热陶瓷层，并且该燃气轮机用高温部件具有使用流体冷却剂的冷却结构，该燃气轮机用高温部件的最主要的特征在于:在合金底层和隔热陶瓷层中，设置有从基材侧向表面侧连通的微细通路，使对部件进行冷却的冷却剂的一部分通过这些微细通路向部件外部流出。
[0015]发明效果
[0016]本发明中，在TBC的合金底层和隔热陶瓷层内设置从基材侧向表面侧连通的微细通路，使对部件进行冷却的冷却剂的一部分通过这些微细通路向部件外部流出，由此，TBC、特别是合金底层被高效率地冷却。另外，冷却剂从高温部件的整个表面均匀地渗出，由此，能够期待均匀并且高效率的膜冷却效果。通过这些效果，具有以下优点:即使在由于与燃烧气体温度的高温化相伴的部件温度上升，现有技术难以应用的严酷的条件下，也能够使用。另外，使用具有本发明的隔热涂层和冷却结构的燃气轮机用高温部件的燃气轮机，具有能够在更高温度下运转，并能够提高效率的优点。
【专利附图】
【附图说明】
`[0017]图1是表示具有本发明的隔热涂层和冷却结构的燃气轮机用高温部件的结构的截面示意图。
[0018]图2是表示燃气轮机的结构的截面示意图。
【具体实施方式】
[0019]以下，使用附图对本发明进行详细说明。
[0020]本发明，如图1所示，是在基材I上设置有合金底层2，并进一步在该合金底层2上设置有隔热陶瓷层3的结构。在基材I中，设置有多个冷却孔4，该冷却孔4从基材I的冷却介质通路向设置有合金底层2的表面贯通基材I。合金底层2的特征在于，具有以下结构:叠层有多个大致球形的合金粉末颗粒5，存在从基材I侧起连通至涂层表面的颗粒间的间隙6。另外，在合金底层2上设置有隔热陶瓷层3，隔热陶瓷层3具有多条纵向裂缝7。从基材I的冷却介质通路通过冷却孔4到达合金底层2的流体冷却剂8，通过合金底层内的颗粒间的间隙6，在合金底层2内扩散的同时向表面侧流动，到达隔热陶瓷层3，通过隔热陶瓷层内的纵向裂缝7，从隔热陶瓷层3的表面流出。
[0021]基材I能够使用镍基、钴基或铁基的耐热合金。合金底层2能够使用镍基、钴基或铁基的耐热合金，优选使用MCrAH合金，其中M为Fe、Ni和Co中的任一种或多种。MCrAH合金抗氧化性优异，因此优选。[0022]另外，合金底层2具有以下结构:叠层有多个大致球形的合金颗粒5，存在从基板I侧起连通至合金底层2表面的颗粒间的间隙6。为了形成这样的结构的膜，例如优选使用由气体雾化法制造的大致球形的合金粉末作为原料，使合金粉末与基材表面高速碰撞而叠层的方法。具体而言，例如能够使用等离子体喷涂法、高速火焰喷涂(HVOF)法、冷喷涂法等方法。其中，最优选使用冷喷涂法。
[0023]为了形成作为本发明特征的、具有存在从基材I侧起连通至涂层表面的颗粒间的间隙6的结构的合金底层2，在电弧喷涂或火焰喷涂那样，使合金粉末颗粒在高温下熔融并与基材碰撞而叠层的方法中，熔融的粉末颗粒在与基材碰撞时较大地扁平而叠层，因此，容易形成不连通的气孔(所谓的闭气孔)。另外，在大气中被加热至熔融的温度的合金粉末中，在表面会产生氧化物，该氧化物会混入膜内而使膜的抗氧化性降低。另外，还会产生颗粒之间的结合由于氧化物而受到妨碍，膜的强度降低的问题。
[0024]因此，在形成本发明的隔热涂层的合金底层2时，优选不使作为原料使用的大致球形的合金粉末熔融、氧化，以维持原本的接近球形的形状的状态叠层。作为这样的方法，优选能够在更低温度进行成膜的冷喷涂法。但是，即使在低温下，当颗粒速度变得过快时，在与基材碰撞时也会产生粉末颗粒的扁平，膜变得致密，连通气孔减少，因此，不能形成本发明的合金底层2，因此，需要适当调整成膜条件。此外，通过同样地适当调整成膜条件，也能够使用等离子体喷涂法、高速火焰喷涂(HVOF)法等。
[0025]使用上述成膜法形成的本发明的具有从基材侧向表面侧连通的颗粒间的间隙6的合金底层2的连通间隙的膜内体积分率优选为30~70%的范围。当间隙的体积分率小于30%时，流通的冷却介质量少，不能充分得到发散冷却的效果。另一方面，当间隙的体积分率增加时冷却效果提高，但是膜强度降低，当间隙的体积分率超过70%时，在使用过程中容易发生涂层的损伤。更优选间隙的体积分率为40~60%的范围。
[0026]另外，本发明的隔热涂层，优选对合金底层2和隔热陶瓷层3均在成膜后实施热处理。在合金底层2中，利用由热处理引起的固相扩散使颗粒间的结合加强，由此能够提高膜强度。另外，在隔热陶瓷层3中，能够期待促进纵向`裂缝的开口，使冷却介质的流通变得顺利。为了防止合金底层2的氧化，热处理方法优选在真空中进行。热处理条件虽然也依赖于涂层和基材材料，但是大致优选在1000°C以上保持2h以上。此外，作为隔热陶瓷层3，优选为具有多条纵向裂缝7的结构，但是也能够使用通过多个气孔被赋予透气性的多孔结构。
[0027]以下，对实施例进行说明。
[0028](实施例1)
[0029]作为基体，准备燃气轮机I级动叶片，该动叶片由镍基耐热合金IN738 (16%Cr_8.5%Co-3.4%T1-3.4%Al-2.6%ff-l.7%Mo_l.7%Ta_0.9%Nb_0.1%C_0.05%Zr-0.01%B-其余部分为Ni，重量％)制成，在内部具有冷却空气通路。在动叶片中，通过放电加工，加工有从基体表面贯通至内部冷却通路的多个冷却孔。另外，作为原料粉末，准备利用气体雾化法制造的大致球状的平均粒径约40 μ m的CoNiCrAH合金粉末(Co-32%N1-21%Cr-8%Al_0.5%Y,重量％)。使用冷喷涂装置，使原料粉末在动叶片的燃烧气体通路表面成膜。就成膜条件而言，工作气体使用氮气，使用气体压力3MPa、气体温度800°C、粉末供给量20g/min、成膜距离15mm的条件，实施成膜直至合金底层2的厚度成为约0.3mm。然后，在设置有合金底层2的基材I上，使用氧化乾部分稳定氧化错(Zr02-8wt%Y203)粉末，在大气中利用等离子体喷涂(等离子体功率约IOOkW)设置厚度约0.6mm、气孔率约8%的具有纵向裂缝的隔热陶瓷层3。作为此时的成膜条件，预热温度为约800°C，喷枪的移动速度为30m/min，喷涂距离为90mm，热通量为约0.4MW/m2。进一步，对形成隔热陶瓷层3后的动叶片，在真空中实施1120°C X2h、840 °C X24h的热处理。
[0030]将这样制造的动叶片切断确认截面组织时，如图1所示，合金底层2呈现多个大致球形的合金颗粒5叠层，且存在从基材I侧起连通至合金底层2表面的颗粒间的间隙6的组织。根据相对密度测定气孔的体积分率时，为约50%。
[0031]将通过上述步骤制造的试验叶片安装在燃气轮机中，进行I年的试验运转。此时，在叶片的冷却空气入口设置节流孔，与以往设计相比使冷却空气量减少30%。试验运转后的使用本发明的TBC的动叶片，在外观和切断调查中，都基本没有看到损伤。另一方面，为了比较，同时减少冷却空气量进行运转的设置有现有技术的TBC的动叶片中，在外观上，部分地看到TBC的剥离，另外，在截面调查中，在剥离部以外看到了合金底层的氧化损伤。根据这些结果，确认了设置有本发明的TBC的燃气轮机高温部件具有优异的耐热性。
[0032](实施例2)
[0033]图2是发电用燃气轮机主要部分的截面示意图。燃气轮机在燃气轮机汽缸48的内部具备:位于中心的旋转轴(转子)49 ;和燃气轮机部44，该燃气轮机部44具有设置在旋转轴49周围的动叶片46和被支撑在汽缸48侧的静叶片45、和燃气轮机围带47。燃气轮机具有:与该燃气轮机部44连结，吸入大气，得到燃烧用和冷却介质用的压缩空气的压缩机50 ;和燃烧器40。燃烧器40具有将从压缩机50供给的压缩空气与供给的燃料(未图示)混合喷射的燃烧器喷嘴41，使该混合气体在燃烧器火焰筒42内燃烧产生高温高压的燃烧气体,将该燃烧气体通过过渡段(transition piece)(尾筒)43供给燃气轮机44,由此使转子49高速旋转。从压缩机50 喷出的压缩空气的一部分，被用作燃烧器40的火焰筒42、过渡段43和燃气轮机静叶片45、燃气轮机动叶片46的内部冷却空气。燃烧器40中产生的高温高压的燃烧气体，经过过渡段43由燃气轮机静叶片45整流，向动叶片46喷射对燃气轮机部44进行旋转驱动。虽然未图示，但是一般构成为通过与旋转轴49的端部结合的发电机进行发电。
[0034]本实施例中，除了动叶片45以外，进一步在静叶片46和第一级的燃气轮机围带47的燃烧气体通路表面，利用实施例1中记载的方法设置有上述实施例1中记载的本发明的TBC0具体而言，在各部件的燃烧气体通路表面，通过放电加工，加工有从基体表面贯通至内部冷却通路的多个冷却孔。另外，作为原料粉末，准备利用气体雾化法制造的大致球状的平均粒径为约 50 μ m 的 NiCoCrAlY 合金粉末(N1-23%Co-17%Cr_12.5%Α1_0.5%Υ,重量 ％)。使用冷喷涂装置，使原料粉末在各部件的燃烧气体通路表面成膜。就成膜条件而言，工作气体使用氮气，使用气体压力3MPa、气体温度900°C、粉末供给量15g/min、成膜距离20mm的条件，实施成膜直至合金底层2的厚度成为约0.3_。然后，在设置有合金底层2的基材I上，使用氧化乾部分稳定氧化错(Zr02-8wt%Y203)粉末，在大气中利用等离子体喷涂(等离子体功率约50kW)设置厚度约0.3mm的具有透气性的多孔隔热陶瓷层。作为此时的成膜条件，预热温度为约150°C，喷枪的移动速度为45m/min，喷涂距离为100mm。另外，对形成隔热陶瓷层后的各部件，按照作为各个部件的基材使用的合金的热处理条件，在真空中实施热处理。
[0035]此外，在本实施例中，采用了仅在由3级构成的燃气轮机部44的动叶片45、静叶片46、围带47的各第一级设置有本发明的TBC的结构，但是也能够进一步应用于其后的第二级、第三级。另外，也能够应用于由其他级数构成的燃气轮机，例如由2级、4级构成的燃气轮机的所有级或所选择的级。
[0036]在以上结构的本实施例的燃气轮机中，对于设置有本发明的TBC的部件，使冷却空气减少约30%进行运转。在运转2年后，观察各部件时，在设置有本实施例的TBC的燃气轮机部件中，TBC几乎没有看到损伤，是健全的。另一方面，由于减少了冷却空气，燃气轮机的效率提高。另外，具备该燃气轮机的燃气轮机复合发电站的发电效率也提高。
[0037]根据以上结果可知，本实施例的燃气轮机，由于其优异的高温部件的耐热性，能够在高温下运转，经济性和稳定运用性优异。
[0038]符号说明
[0039]I 基材
[0040]2 合金底层
[0041]3 隔热陶瓷层
[0042]4 冷却孔
[0043]5 合金粉末颗粒
[0044]6 颗粒间的 间隙
[0045]7 裂缝
[0046]8 流体冷却剂
[0047]40燃烧器
[0048]41燃烧器喷嘴
[0049]42燃烧器火焰筒
[0050]43过渡段
[0051]44燃气轮机
[0052]45燃气轮机动叶片
[0053]46燃气轮机静叶片
[0054]47燃气轮机围带
[0055]48燃气轮机汽缸
[0056]49燃气轮机转子
[0057]50压缩机
【权利要求】
1.一种燃气轮机用高温部件，其在暴露于高温的燃烧气体的基材表面上具有隔热涂层，该隔热涂层设置有合金底层，并进一步在该合金底层的表面上设置有隔热陶瓷层，所述燃气轮机用高温部件的特征在于: 在所述合金底层和隔热陶瓷层中，设置有从基材侧向表面侧连通的微细通路，使对部件进行冷却的冷却剂的一部分通过这些微细通路向部件外部流出。
2.如权利要求1所述的燃气轮机用高温部件，其特征在于: 所述基材由Ni基、Co基或Fe基的耐热合金构成。
3.如权利要求1所述的燃气轮机用高温部件，其特征在于: 所述合金底层由MCrAH合金构成，其中M为选自Fe、Ni和Co中的至少I种。
4.如权利要求1所述的燃气轮机用高温部件，其特征在于: 所述合金底层具有粒径的范围为5~100 μ m的合金粉末颗粒的叠层组织，并且，由叠层颗粒间的间隙形成的连通的微细通路的膜内体积分率为30~70%。
5.如权利要求1所述的燃气轮机用高温部件，其特征在于: 所述合金底层由以下方法形成:将合金粉末颗粒利用合金的熔点以下的温度的工作气体进行加速，使该合金粉末颗粒不伴随熔融地高速地与基材表面碰撞。
6.如权利要求1所述的燃气轮机用高温部件，其特征在于: 所述隔热陶瓷层为部分稳定氧化锆。`
7.如权利要求1所述的燃气轮机用高温部件，其特征在于: 所述隔热陶瓷层的微细通路由裂缝形成。
8.如权利要求1所述的燃气轮机用高温部件，其特征在于: 所述隔热陶瓷层的微细通路由气孔形成。
9.一种燃气轮机，其特征在于: 具备权利要求1~8中任一项所述的燃气轮机用高温部件。
10.一种燃气轮机复合发电站，其特征在于: 具备权利要求9所述的燃气轮机。
【文档编号】F01D5/18GK103774134SQ201310508420
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2012年10月24日
【发明者】有川秀行, 儿岛庆享, 粕谷忠, 目幡辉, 市川国弘, 远藤宏之, 远藤孝夫 申请人:株式会社日立制作所