专利名称：具有陶瓷可磨耗涂层的燃气涡轮机用护罩的制作方法
技术领域：
本发明涉及在火力发电或复合发电厂等中使用的燃气涡轮机用的护罩，特别是， 涉及用于燃气涡轮机的动叶片和静止体的间隙调整的具有陶瓷可磨耗涂层的燃气涡轮机 用护罩。
背景技术：
发电厂中使用的燃气涡轮机的功效率影响使涡轮机叶片旋转以产生动力(转矩) 的流体的量。如何使从涡轮机的静止部与旋转部(动叶片)的间隙漏出的流体减少的间隙 调整技术左右着涡轮机的性能。间隙调整技术要求即使在静止部与旋转部接触的情况下， 静止部和旋转部中的任何一个也都没有损伤、只有密封材料磨损而减薄(耐磨性)的功能。 其结果是，通过在静止部和旋转部的间隙处设置密封材料，可以使间隙非常接近于零，使从 间隙漏出的流体接近于零，可以大大提高效率。在用于燃气涡轮机的情况下，特别是，对于 初级动叶片与静止体(初级护罩)的间隙调整，工作温度达到800°C以上，需要氧化损伤少 的陶瓷。关于陶瓷可磨耗涂层，例如，在专利文献1中，提出了进行由陶瓷构成的可磨耗涂 层的施工的方法。作为在基体材料上进行具有预定的网格图案的可磨耗陶瓷覆膜施工的方 法，提出了 在基体材料上进行大气中等离子喷涂初始结合涂层的工序和进行高密度垂直 方向龟裂隔热覆膜施工的工序，对所述初始结合涂层及所述隔热覆膜进行热处理的工序， 在所述隔热覆膜上进行具有预定网格图案的可磨耗陶瓷覆膜施工的工序，对所述可磨耗陶 瓷覆膜施加热处理的工序。在这种方法中，基体材料上的结合层和高密度垂直方向龟裂隔热覆膜是隔热涂层 (TBC)，在其表面上，将多孔质的陶瓷可磨耗覆膜形成网格图案的状态。陶瓷可磨耗覆膜设 置在护罩的热气体通过面上，与M基耐热合金制造的动叶片的前端部相对。作为在基体材料上进行具有网格图案的可磨耗陶瓷覆膜施工的方法，提出了利用 掩蔽材料进行喷涂的方法、利用低输出的小型枪一边描绘网格图案一边进行喷涂的方法。 在利用掩蔽材料的方法中，本发明人等研究的结果判明在多孔质陶瓷喷涂中，由于掩蔽材 料的影响，不能获得均勻的多孔质膜，特别是，不能充分确保截面形状为山形的喷涂覆膜的 端部的贴紧性。在对于可磨耗陶瓷覆膜的与M基耐热合金的磨耗部件试验的研究结果中，也发 现在截面形状为山形的喷涂覆膜的情况下，喷涂覆膜的一部分会损伤脱落。另一方面，还判明在不是这种形状的、平滑平面的可磨耗陶瓷覆膜中，在磨耗时 的摩擦热不发散，并且在磨耗中产生的磨耗粉也不能排出，产生M基耐热合金的烧熔，不 能发挥可磨耗特性。因此，对于陶瓷可磨耗涂层，有必要确保可磨耗特性和长期耐久性两个方面，在本 公知的例子中，在确保长期耐久性方面存在问题。例如，在专利文献2中，提出了一种利用氧化钆氧化锆覆膜的等离子喷涂，覆膜垂直方法的具有微裂纹(1英寸4 50个，间隔为6. 4 0. 5mm)的可磨耗覆膜。在这种情 况下，其特征在于，利用特定的喷涂条件，形成微裂纹，获得可磨耗覆膜，不需要进行机械加 工、热处理等。对于微裂纹、裂纹槽的宽度，没有明确的记载，但是，很难认为其宽度达到毫 米数量级。本发明人等对于与M基耐热合金的磨耗部件试验的研究结果判明专利文献 1的高密度垂直方向龟裂隔热覆膜的效果是足够的，但是，磨耗时的摩擦热不发散，并且，磨 耗产生的磨耗粉也不能排出，产生M基耐热合金的烧熔，不能发挥可磨耗特性。例如，在专利文献3中，作为隔热喷涂层的形成方法，提出了在基体材料上形成隔 热性优异的陶瓷粉末的致密的喷涂层，在其上喷涂隔热性优异的陶瓷粉末和规定量的Si3N4 粉末的混合粉末，形成气孔率高的喷涂层的隔热喷涂层的形成方法。在这种情况下，详细记 载了多孔质陶瓷层的形成方法，但是，由于是以陶瓷隔热喷涂层的形成作为目标，所以，对 陶瓷可磨耗覆膜没有提出确保必要的可磨耗特性和长期耐久性的措施。[现有技术文献][专利文献][专利文献1]日本专利申请特开2006-36632号公报[专利文献1]日本专利申请特开2006-104577号公报[专利文献3]日本专利申请特开平6-57396号公报
发明内容
本发明的目的是提供一种用于能够降低从间隙漏出的流体、提高涡轮机效率的间 隙调整部件的具有陶瓷可磨耗涂层的燃气涡轮机用护罩。本发明的燃气涡轮机用护罩，将陶瓷可磨耗涂层配置在面对燃气涡轮机动叶片的 护罩的热气体通过面上，所述陶瓷可磨耗涂层是通过在基体材料上喷涂结合层，在所述结 合层上喷涂隔热陶瓷层，在所述隔热陶瓷层上喷涂可磨耗陶瓷层，在所述可磨耗陶瓷层上 通过机械加工形成狭槽而获得的。根据本发明，由于确保可磨耗特性、长期耐久性，所以，通过适用于与燃气涡轮机 动叶片对抗的护罩，可以在长时间内使间隙近乎为零，使从间隙漏出的流体接近于零，可以 在长时间内大幅度地提高效率。
图1是本发明的可磨耗涂层的实施方式的一个例子。
图2是公知例的可磨耗涂层的实施方式的一个例子。
图3表示本发明的多孔质化陶瓷的气孔率与硬度(RC15Y)的关系。
图4是用于可磨耗性评价的高温磨耗试验的概略图。 图5是燃气涡轮机护罩的示意图。 图6是本发明的具有可磨耗涂层的护罩的示意图。 图7是通过高速旋转进行的可磨耗特性试验装置的结构图。 图8是发电用燃气涡轮机的主要部分的剖面模式图。
具体实施例方式下面，详细地对本发明进行说明。在本发明中利用燃气涡轮机用陶瓷可磨耗涂层的形成方法获得的陶瓷可磨耗涂 层的截面形态的一个例子示于图1。所述陶瓷可磨耗涂层成为在基体材料1上具有结合层2、在该结合层上具有隔热 陶瓷层3、在陶瓷隔热层上具有带狭槽5的陶瓷可磨耗层4的结构。图2 (a) (b)表示专利文 献1(特开2006-36632号公报)的可磨耗涂层的形成方法。在图2(a)中，表示利用掩蔽材 料进行喷涂，描绘网格图案的陶瓷可磨耗层的形成方法，在图2(b)中，表示通过用小型枪 进行喷涂来描绘形成网格图案的方法。在这些公知的方法中，所描绘的网格图案的陶瓷可 磨耗层的截面形状与本发明呈矩形形状的情况相对，均为山形。对于本发明应当具备的条件，1.在暴露于燃气涡轮机的燃烧气体中的护罩温度下 的可磨耗特性，以及，2.起动停止的热应力(反复加热、冷却)，3.对于在高温下长时间暴露 的耐久性进行研究，找到了满足任何必要条件的陶瓷可磨耗涂层。关于暴露于燃气涡轮机的燃烧气体中的护罩温度下的可磨耗特性，暴露在燃烧气 体中的护罩温度为800 1000°C左右，利用系陶瓷确保足够的耐热性。但是，在陶瓷 和动叶片(M基耐热合金)中，如果不将陶瓷多孔质化使其硬度足够低的话，则动叶片材料 会磨耗损伤而减薄。陶瓷层即使在高温下硬度也几乎不会降低，Ni基耐热合金在500°C以 上，硬度的降低变大，变成室温下的硬度的大约1/10。从而，陶瓷可磨耗层的硬度变成非常 重要的参数，为了使硬度降低，需要多孔质化的陶瓷。多孔质化的陶瓷的形成方法是通过 ZrO2系粉末和聚酯粉末的混合粉末的喷涂来进行的。通过改变混合粉末的比例，可以调整 ZrO2系陶瓷的气孔率(由截面组织观察结果的陶瓷部分的面积率计算出来)。图3表示本 发明的多孔质化陶瓷的气孔率与硬度(RC15Y)的关系。可以知it，在气孔率为9%、11%的情 况下，RC15Y为91、89，比较硬，在气孔率为20%、30%的情况下，RC15Y为幻、77，变得非常小。另一方面，考虑到了耐热性的&02系陶瓷层，其热传导率小，进而，为了确保可磨 耗特性，通过多孔质化，热传导率进一步变小。结果预测，由磨耗产生的摩擦热被蓄热，磨耗 滑动部的温度变高，根据情况的不同，局部地达到熔融温度(约1300°C )，Ni基耐热合金的 硬度降低，或者，导致多孔质陶瓷层的烧结引起的致密化(硬度增加)，在磨耗滑动部产生 烧熔，可磨耗特性受到损伤，动叶片前端大幅度地减薄损伤。对于这种摩擦热的产生、蓄热， 降低陶瓷可磨耗层与动叶片的接触面积、降低摩擦热产生面积，并且进行散热是有效的。具 体地说，在陶瓷可磨耗层上形成狭槽、进行散热变得很重要。本发明人等，实施了高温下的可磨耗特性评价。图4(a)表示高温磨耗试验的概略图。试验对一直达到燃气涡轮机的护罩温度的 可磨耗特性进行了评价。在与旋转侧的环状材料10对抗的棒料11的表面上设置陶瓷可磨 耗层，利用加热器12加热到规定的温度之后，开始进行试验。将环状材料设想为动叶片，将 棒料设想为护罩，均采用M基耐热合金。陶瓷可磨耗涂层的结构，如图1所示，依次喷涂结合层(0. 1mm)、隔热陶瓷层 (0. 5mm)、在其上喷涂陶瓷可磨耗层。喷涂结束之后，通过机械加工，在陶瓷可磨耗层上形成 狭槽。狭槽大体上贯通陶瓷可磨耗层。在本试验中，环状材料10 (外径Φ25πιπι)的转速为 6000rpm，依次增加棒料11 (10X 10X40mm)的压入负荷，一直压入到陶瓷可磨耗层厚度的80%。其结果是，在可磨耗特性差的情况下，环状材料与陶瓷可磨耗层烧熔。在可磨耗特 性良好的情况下，完全没有发现环状材料与陶瓷可磨耗层的烧熔，陶瓷可磨耗层被棒料切 削。如图4(b)所示，可磨耗性为环状材料10的板厚(d)与在棒料11表面的陶瓷可磨 耗层形成的槽宽⑶之比(d/D)。在可磨耗特性良好的情况下，d/D接近于1。试验在室温、 400°C、60(TC、80(rC各个温度下实施。在本试验中，调整陶瓷可磨耗层的气孔率，制作陶瓷 可磨耗层的洛氏表面硬度(HR15Y)为92、89、83、77四个等级的陶瓷可磨耗层。在这种情况 下，在陶瓷可磨耗层上，进行狭缝间隔为2. 8mm、狭槽宽度为0. 8mm的狭缝加工，形成矩形截 面。滑动方向与狭槽成直角。陶瓷可磨耗层的厚度为1mm。其结果示于表1。[表 1]表 1部件磨耗试验结果1(矩形宽度2.8mm,陶瓷可磨耗层厚度1mm)
权利要求
1.一种燃气涡轮机用护罩，其特征在于，在面对燃气涡轮机动叶片的护罩的热气体通 过面上配置有陶瓷可磨耗涂层，所述陶瓷可磨耗涂层以如下方式获得，在基体材料上喷涂结合层，在所述结合层上喷涂隔热陶瓷层，在所述隔热陶瓷层上喷 涂可磨耗陶瓷层，在所述可磨耗陶瓷层上通过机械加工形成狭槽。
2.如权利要求1所述的燃气涡轮机用护罩，其特征在于，由所述狭槽分割的可磨耗陶 瓷层的截面形状为矩形，狭槽宽度为0. 5 2mm。
3.如权利要求1所述的燃气涡轮机用护罩，其特征在于，喷涂到所述隔热陶瓷层上的 可磨耗陶瓷层的硬度为洛氏表面硬度(HR15Y)为80士3。
4.一种燃气涡轮机，其特征在于，所述燃气涡轮机配备有如权利要求1-3中任何一项 所述的燃气涡轮机用护罩。
5.一种陶瓷可磨耗涂层的形成方法，所述陶瓷可磨耗涂层配置在与燃气涡轮机动叶片 面对的护罩的热气体通过面上，其中，在基体材料上喷涂结合层，在所述结合层上喷涂隔热陶瓷层，在所述隔热陶瓷层上喷 涂可磨耗陶瓷层，在所述可磨耗陶瓷层上通过机械加工形成狭槽。
全文摘要
本发明提供一种燃气涡轮机用护罩，所述燃气涡轮机用护罩具有陶瓷可磨耗涂层，所述陶瓷可磨耗涂层用于能够减少从间隙漏出的流体、提高涡涡轮机效率的间隙调整部件。根据本发明，燃气涡轮机用陶瓷可磨耗涂层由结合层、隔热陶瓷层、多孔质陶瓷可磨耗层(硬度RC15Y80±3)构成，通过机械加工在多孔质陶瓷可磨耗层上设置狭槽，将由狭槽分割的陶瓷可磨耗层的矩形截面的宽度设定在2～7mm的范围内。
文档编号F01D11/14GK102135020SQ201110026219
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者儿岛庆享, 土井裕之, 市川国弘, 有川秀行, 目幡辉, 粕谷忠 申请人:株式会社日立制作所