特許 6397172 層状配列、高温ガス経路構成部品、および層状配列を形成するプロセス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6397172

(24)【登録日】2018年9月7日

(45)【発行日】2018年9月26日

(54)【発明の名称】層状配列、高温ガス経路構成部品、および層状配列を形成するプロセス

(51)【国際特許分類】

   B32B 18/00 20060101AFI20180913BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20180913BHJP

   F01D 5/28 20060101ALI20180913BHJP

   F01D 9/02 20060101ALI20180913BHJP

   F01D 9/04 20060101ALI20180913BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20180913BHJP

   C04B 37/02 20060101ALI20180913BHJP

   B32B 3/10 20060101ALI20180913BHJP

   B32B 15/04 20060101ALI20180913BHJP

【ＦＩ】

   B32B18/00 A

   F02C7/00 C

   F01D5/28

   F01D9/02 102

   F01D9/04

   F01D25/00 L

   C04B37/02 A

   B32B3/10

   B32B15/04 B

【請求項の数】17

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-199097(P2013-199097)

(22)【出願日】2013年9月26日

(65)【公開番号】特開2014-69574(P2014-69574A)

(43)【公開日】2014年4月21日

【審査請求日】2016年9月16日

(31)【優先権主張番号】13/630,708

(32)【優先日】2012年9月28日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】シューツァン・ジェイムズ・ツァン

(72)【発明者】

【氏名】ハイピン・ワン

【審査官】 小石 真弓

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０３６６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０３２１６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２４６８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１６７９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−００９７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０２６０３６４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１６６５６５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０６７６７６５９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００９−２２８６０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５１８２７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ３２Ｂ １／００−４３／００

Ｃ０４Ｂ ３７／０２

Ｆ０１Ｄ ５／００−２５／００

Ｆ０２Ｃ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

層状配列を有する高温ガス経路構成部品であって、前記層状配列が、
基板層と、
セラミック・マトリックス複合材料層と、
前記基板層と前記セラミック・マトリックス複合材料層との間の非金属スペーサであって、複数のポケットを画定するように構成された非金属スペーサと、
を備え、
前記複数のポケットは、前記基板層よりも大きな断熱性を有する物質を含み、
前記基板層、前記セラミック・マトリックス複合材料層および前記非金属スペーサは、完全に囲まれた前記複数のポケットを形成して、各ポケット内への流れが防止され、
前記高温ガス経路構成部品は、タービンの高温ガス経路に沿う構成部品であり、
前記物質は、繊維、燃料、冷却液、液体、ゲル、蒸気、またはそれらの組み合わせを含み、
前記物質は前記層状配列内の前記複数のポケット内に補足されている、
高温ガス経路構成部品。

【請求項2】

前記基板層はニッケル系超合金である、請求項１に記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項3】

前記非金属スペーサはセラミックを含む、請求項１または２に記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項4】

前記非金属スペーサは遮熱コーティングを含む、請求項１から３のいずれかに記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項5】

前記非金属スペーサはイットリア安定化ジルコニアを含む、請求項１から４のいずれかに記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項6】

前記層状配列はタービン・ノズルの側壁である、請求項１から５のいずれかに記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項7】

前記層状配列は翼表面である、請求項１から５のいずれかに記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項8】

前記層状配列はタービン・シュラウドである、請求項１から５のいずれかに記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項9】

前記非金属スペーサには前記層状配列に沿って延びる尾根部分が含まれる、請求項１から８のいずれかに記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項10】

前記非金属スペーサには交差する尾根部分が含まれる、請求項１から９のいずれかに記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項11】

前記物質は熱的に絶縁性の物質である、請求項１から１０のいずれかに記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項12】

前記非金属スペーサは前記基板層および前記セラミック・マトリックス複合材料層の一方または両方に機械的に固定される、請求項１から１１のいずれかに記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項13】

前記非金属スペーサは前記基板層または前記セラミック・マトリックス複合材料層に接合される、請求項１から１２のいずれかに記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項14】

前記非金属スペーサの熱伝導度は前記基板層の熱伝導度の１／３よりも小さい、請求項１から１３のいずれかに記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項15】

前記基板層は少なくとも１０ミル厚であり、
前記セラミック・マトリックス複合材料層は少なくとも２０ミル厚であり、
前記非金属スペーサは最大厚さ寸法が少なくとも３０ミルである、
請求項１から１４のいずれかに記載の高温ガス経路構成部品。

【請求項16】

ニッケル系超合金層と、
セラミック・マトリックス複合材料層と、
前記ニッケル系超合金層と前記セラミック・マトリックス複合材料層との間のセラミック・スペーサであって、複数のポケットを画定するように構成されたセラミック・スペーサと、
を備える、高温ガス経路構成部品であって、
前記セラミック・スペーサは、前記ニッケル系超合金層および前記セラミック・マトリックス複合材料層の一方または両方に機械的に固定され、
前記セラミック・スペーサは、前記ニッケル系超合金層または前記セラミック・マトリックス複合材料層に接合され、
前記複数のポケットは、前記ニッケル系超合金層よりも大きな断熱性を有する物質を含み、
前記ニッケル系超合金層、前記セラミック・マトリックス複合材料層および前記セラミック・スペーサは、完全に囲まれた前記複数のポケットを形成して、各ポケット内への流れが防止され、
前記高温ガス経路構成部品は、タービンの高温ガス経路に沿う構成部品であり、
前記物質は、繊維、燃料、冷却液、液体、ゲル、蒸気、またはそれらの組み合わせを含み、
前記物質は前記層状配列内の前記複数のポケット内に補足されている、
高温ガス経路構成部品。

【請求項17】

層状配列を含む高温ガス経路構成部品を形成するプロセスであって、
前記層状配列の基板層とセラミック・マトリックス複合材料層との間に非金属スペーサを固定するステップを含み、
前記非金属スペーサは、複数のポケットを画定するように構成され、
前記複数のポケットは、前記基板層よりも大きな断熱性を有する物質を含み、
前記基板層、前記セラミック・マトリックス複合材料層および前記非金属スペーサは、完全に囲まれた前記複数のポケットを形成して、各ポケット内への流れが防止され、
前記高温ガス経路構成部品は、タービンの高温ガス経路に沿う構成部品であり、
前記物質は、繊維、燃料、冷却液、液体、ゲル、蒸気、またはそれらの組み合わせを含み、
前記物質は前記層状配列内の前記複数のポケット内に補足されている、
プロセス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、製造構成部品および製造構成部品を形成するプロセスに関する。より具体的には、本発明は、層状配列と層状配列内にセラミック・マトリックス複合材料層を有する構成部品とに関する。

【背景技術】

【0002】

セラミック・マトリックス複合材料は高温度耐性を有することが知られている。しかし、このようなセラミック・マトリックス複合材料を用いる構成部品は、応力抵抗が低くて望ましくない可能性がある。対照的に、金属構成部品は応力抵抗が高い可能性がある。しかし、金属構成部品は高温にさらされると（たとえばタービンの高温ガス経路に沿って）、このような応力抵抗はこのような高温時には低下する。

【0003】

異なる材料を有する層状の構成部品は問題があることが知られている。このような問題は、異なる特性を有する材料が直接接触する場合により大きい。たとえば、熱膨張、熱伝導度、および他の特性の係数に差があると、これらの層の間の界面が剥離しおよび／または望ましくない特徴部を形成する可能性があり、その結果、このような層状の構成部品の用途が限定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許第８，０４７，７７３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前記欠点の１または複数を被ることがない層状配列、高温ガス経路構成部品、および層状配列を形成するプロセスがあれば、当該技術分野において望ましいであろう。

【課題を解決するための手段】

【0006】

典型的な実施形態においては、層状配列が、基板層と、セラミック・マトリックス複合材料層と、基板層とセラミック・マトリックス複合材料層との間の非金属スペーサであって、１または複数のポケットを画定するように構成された非金属スペーサと、を備えている。

【0007】

別の典型的な実施形態においては、タービンの高温ガス経路構成部品が、ニッケル系超合金層と、セラミック・マトリックス複合材料層と、ニッケル系超合金層とセラミック・マトリックス複合材料層との間のセラミック・スペーサとを備えている。セラミック・スペーサは、基板層およびセラミック・マトリックス複合材料層の一方または両方に機械的に固定され、またセラミック・スペーサは、基板層またはセラミック・マトリックス複合材料層に接合されている。

【0008】

別の典型的な実施形態においては、層状配列を形成するプロセスには、層状配列の基板層とセラミック・マトリックス複合材料層との間に非金属スペーサを固定することが含まれている。

【0009】

本発明の他の特徴および利点は、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明を添付図面とともに参照することによって明らかとなる。添付図面では、一例として、本発明の原理を例示する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】開示内容の実施形態による典型的な層状配列の側面図である。

【図2】開示内容の実施形態による典型的な層状配列の斜視図である。

【図3】開示内容の実施形態による層状の側壁を有する典型的なタービン・ノズルの斜視図である。

【図4】開示内容の実施形態による層状表面を有する典型的な翼の断面図である。

【図5】開示内容の実施形態による層状配列を有する典型的なタービン・シュラウドの側面図である。

【図6】図５に示す典型的なタービン・シュラウドのラインＡ−Ａに沿った断面図である。

【図7】開示内容の実施形態による層状配列を有する典型的なタービン・シュラウドの切り欠き斜視図である。

【図8】開示内容による複数の尾根部分を有する典型的な非金属スペーサの斜視図である。

【図9】開示内容による複数の尾根部分を有する典型的な非金属スペーサの斜視図である。

【図10】開示内容による複数の交差する尾根部分を有する典型的な非金属スペーサの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

可能な限り、図面の全体に渡って同じ参照番号を用いて同じ部品を表わしている。

【0012】

開示内容による典型的な層状配列、高温ガス経路構成部品、および層状配列を形成するプロセスが提供される。本開示の実施形態によって、たとえば、セラミック・マトリックス複合材料と金属層とが直接接触する層状の構成部品を用いる場合と比べて、構成部品をより高温でおよび／またはより長時間用いることが可能になり、セラミック・マトリックス複合材料および金属または金属基板の積極的な特質を層状の構成部品において用いることが可能になり、タービン効率を増加させることが可能になり、タービン部品（たとえば、高温ガス経路構成部品）の使用／耐久性を拡張することが可能になり、タービン品質を増加させることが可能になり、タービン内の燃焼温度を高くすることが可能になり、構成部品の層の間の温度勾配を高くすることが可能になり、またはそれらの組み合わせが可能になる。

【0013】

図１および２に層状配列１００を示す。層状配列１００は、基板層１０２と、セラミック・マトリックス複合材料層１０４と、基板層１０２とセラミック・マトリックス複合材料層１０４との間の１または複数の非金属スペーサ１０６とを備えている。一実施形態においては、タービン部品１０１の一部が、層状配列１００を備え、タービン部品１０１の表面１１１を画定している。たとえば、高温ガス経路１０９（図１を参照）、タービン・ノズル３００（図３を参照）の側壁３０２（図３を参照）、翼４００（図４を参照）の翼表面４０２（図４を参照）、タービン・シュラウド５００（図５を参照）、またはそれらの組み合わせである。それに加えてまたはその代わりに、層状配列１００は、応力を受ける構成部品（たとえば、タービン・ケース）とともに用いることができる。

【0014】

図１および２を参照して、基板層１０２、セラミック・マトリックス複合材料層１０４、および非金属スペーサ１０６には、所望の特性に基づいて任意の好適な寸法が含まれている。たとえば、基板層１０２に対する好適な基板厚さ１０３は、少なくとも約１０ミル、少なくとも約１５ミル、少なくとも約２０ミル、約１０ミル〜約３０ミル、約１５ミル〜約２５ミル、約１０ミル〜約２０ミル、約２０ミル〜約３０ミル、約２０ミル、またはその任意の好適な組み合わせ、部分組み合わせ、範囲、もしくは部分範囲である。セラミック・マトリックス複合材料層１０４に対する好適なセラミック・マトリックス複合材料厚さ１０５は、少なくとも約２０ミル、少なくとも約３０ミル、少なくとも約４０ミル、約３０ミル〜約５０ミル、約３０ミル〜約４０ミル、約４０ミル〜約５０ミル、約３５ミル〜約４５ミル、約４０ミル、またはその任意の好適な組み合わせ、部分組み合わせ、範囲、もしくは部分範囲である。以下でより詳細に説明するように、非金属スペーサ１０６の寸法は非金属スペーサ１０６の形状に依存する。

【0015】

基板層１０２は任意の好適な材料である。好適な材料としては、これらに限定されないが、ニッケル系合金および超合金、クロム系合金および超合金、コバルト系合金および超合金、鉄系合金および超合金、またはそれらの組み合わせが挙げられる。一実施形態においては、基板層１０２の応力抵抗特性は、セラミック・マトリックス複合材料層１０４および／または他の同様のセラミック・マトリックス複合材料のそれを上回っている。

【0016】

セラミック・マトリックス複合材料層１０４は、所望の応用例に対する特性を与える任意の好適な材料である。特性は、たとえば高温ガス経路１０９に沿っての温度耐性であり、タービン部品の温度は１，０００℃を超える。セラミック・マトリックス複合材料層１０４に対する好適な材料としては、これらに限定されないが、炭素、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ムライト（Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₄）、またはそれらの組み合わせが挙げられる。セラミック・マトリックス複合材料層１０４の繊維強化材は、炭素、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ムライト（Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₄）、またはそれらの組み合わせを用いる。

【0017】

非金属スペーサ１０６によって、セラミック・マトリックス複合材料層１０４の任意の好適な部分または全部が基板層１０２から分離されている。一実施形態においては、非金属スペーサ１０６を、基板層１０２およびセラミック・マトリックス複合材料層１０４の一方または両方に機械的に固定すること（たとえば、図６に示すように）を、突出する特徴部６０２（セラミック・マトリックス複合材料層１０４および／または基板層１０２上）と溝６０４（セラミック・マトリックス複合材料層１０４および／または基板層１０２上）とを噛み合わせることによって行なう。それに加えてまたはその代わりに、非金属スペーサ１０６は、基板層１０２またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４に接合されている。

【0018】

非金属スペーサ１０６の寸法および形状は、基板層１０２およびセラミック・マトリックス複合材料層１０４の構成に依存する。図５に示すように、一実施形態においては、複数の非金属スペーサ１０６の寸法は、位置決めに基づいて一貫していない。他の実施形態においては、図３に示すように、非金属スペーサ１０６の寸法は実質的に一定である。それに加えてまたはその代わりに、いくつかの実施形態においては、非金属スペーサ１０６を個別のスペーサ・ボディ１０８として配列する。スペーサ・ボディ１０８は、スペーサ・コーティング１１０から延び（図２に示す通り）、基板層１０２から延び（図７に示す通り）、および／またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４から延びる。

【0019】

図８〜１０に示すように、いくつかの実施形態においては、非金属スペーサ１０６は、配列１００（図１を参照）に沿って延びる１または複数の尾根部分８０２として配列されている。尾根部分８０２には、プラトー８０４（図８を参照）、ピーク９０２（図９を参照）、交差する尾根部分１００２（図１０を参照）、またはそれらの組み合わせが含まれている。図１に示すように、一実施形態においては、スペーサ厚さ１０７（スペーサ・ボディ１０８と、もしあればスペーサ・コーティング１１０との厚さ）は、少なくとも約３５ミル、少なくとも約４０ミル、少なくとも約４５ミル、約３５ミル〜約５５ミル、約３５ミル〜約４５ミル、約４５ミル〜約５５ミル、約４０ミル〜約５０ミル、約４５ミル、またはその任意の好適な組み合わせ、部分組み合わせ、範囲、もしくは部分範囲である。

【0020】

図８〜１０を再び参照して、一実施形態においては、非金属スペーサ１０６によってポケット８０６が画定されている。ポケット８０６は、物質１１２（図１を参照）を収容することができる。物質１１２は、たとえば空気および／または任意の他の好適な物質であって、基板層１０２および／またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４よりも大きな断熱が可能な物質である。好適な物質としては、これらに限定されないが、停滞空気、流動空気、繊維、燃料、冷却液（停滞および／または流動）、液体、ゲル、蒸気、またはそれらの組み合わせが挙げられる。一実施形態においては、非金属スペーサ１０６およびポケット８０６は、基板層１０２およびセラミック・マトリックス複合材料層１０４によって完全に囲まれており、その結果、ポケット８０６内への流れが防止されている。あるいは、非金属スペーサ１０６およびポケット８０６は完全には囲まれておらず、その結果、ポケット８０６の１または複数内への流れおよびそこから出る流れが可能になっている。

【0021】

非金属スペーサ１０６は、任意の好適な材料であって、セラミック・マトリックス複合材料層１０４と基板層１０２との間の熱伝達を低減することができ、また基板層１０２からセラミック・マトリックス複合材料層１０４への応力の影響を低減することができる材料である。非金属スペーサ１０６に対する好適な材料としては、これらに限定されないが、セラミックス、イットリア安定化ジルコニア、ジルコン酸ガドリニウム、希土類ジルコン酸塩、遮熱コーティング、またはそれらの組み合わせが挙げられる。たとえば、好適な材料の熱伝導度は、少なくとも基板層１０２を下回る所定の量であり、たとえば、基板層１０２の熱伝導度の約１／１０〜約１／３、基板層１０２の熱伝導度の約１／３〜約１／２、基板層１０２の熱伝導度の約１／４〜約１／２、基板層１０２の熱伝導度の約１／４〜約１／３、基板層１０２の熱伝導度の約１／１０〜約１／３、約１／２、約１／４、約１／３、約１／１０、またはその任意の好適な組み合わせ、部分組み合わせ、範囲、もしくは部分範囲である。

【0022】

非金属スペーサ１０６、個別のスペーサ・ボディ１０８、スペーサ・コーティング１１０、またはそれらの組み合わせは、基板層１０２および／またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４に対して成長および／または付加される。一実施形態においては、このような付加は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、大気プラズマ・スプレー（ＡＰＳ）、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）、静電スプレー・アシスト蒸着（ＥＳＡＶＤ）、ダイレクト蒸着、他の好適なスプレー技術、またはそれらの組み合わせである。さらなる実施形態においては、非金属スペーサ１０６を、基板層１０２を機械加工した後および／またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４を形成した／硬くした後に配置することによって、基板層１０２および／またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４の幾何学的特徴を補完する。たとえば、この実施形態においては、非金属スペーサ１０６内のポケット８０６は、少なくとも部分的に、基板層１０２および／またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４の非平面特徴部によって画定される。別の実施形態においては、非金属スペーサ１０６が付加されるのは、既存の層を剥がした後である。既存の層は、たとえば、長時間使用後の非金属スペーサ１０６、基板層１０２、セラミック・マトリックス複合材料層１０４、またはそれらの組み合わせである。

【0023】

本発明を、好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者であれば分かるように、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変形を施しても良く、またその要素の代わりに均等物を用いても良い。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの変更を施しても良い。したがって本発明は、本発明を行なうために考えられたベスト・モードとして開示された特定の実施形態には限定されず、本発明には、添付の請求項の範囲に含まれるすべての実施形態が含まれることが意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】