[發明專利]隔熱涂層用材料、隔熱涂層、渦輪部材及燃氣輪機

有效

• 申請號: 200980141180.2
• 申請日: 2009-11-27
• 公開（公告）號: CN102187013A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 鳥越泰治;永野一郎;岡田郁生;塚越敬三;高橋孝二;岡島芳史;霞總司;伊藤榮作;森一剛
• 申請（專利權）人: 三菱重工業株式會社
• 主分類號: C23C26/00
• 分類號: C23C26/00;C23C4/10;F01D5/28
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 雒運樸

技術領域

本發明涉及一種耐久性優異的隔熱涂層用材料，尤其是涉及作為隔熱涂層的外涂層使用的陶瓷層。

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℃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，形成隔熱涂層(Thermal?Barrier?Coating，TBC)保護耐熱金屬基材免受高溫損害。隔熱涂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ZrO₂系的材料。尤其是用Y₂O₃部分穩定化或完全穩定化的ZrO₂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℃的溫度。另外，由于近年來環境對策的關系，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℃，設想渦輪葉的表面溫度也達到1300℃的高溫。

在通過具備含有上述YSZ的陶瓷層的隔熱涂層材料包覆燃氣輪機的動葉、靜葉等時，在超過1500℃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，YSZ在超過1200℃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涂層，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[0006]、[0027]～[0030])

專利文獻2：日本特開2001-348655號公報(權利要求4及5、段落[0010]、[0011]、[0015])

專利文獻3：日本特開2003-129210號公報(權利要求1、段落[0013]、[0015])

專利文獻4：日本特開2007-270245號公報(權利要求2、段落[0028]、[0029])

發明內容

對于渦輪葉的隔熱涂層，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。

本發明的目的在于，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涂層用材料。另外，其目的還在于，提供一種具有使用該隔熱涂層用材料形成的陶瓷層的熱循環耐久性優異的隔熱涂層、以及具備該隔熱涂層的渦輪用部材及燃氣輪機。

即，本發明的第1方案為一種隔熱涂層用材料，其以含有作為穩定劑的Yb₂O₃和Sm₂O₃的ZrO₂為主，前述穩定劑的含量為2mol％以上7mol％以下，前述Sm₂O₃的含量為0.1mol％以上2.5mol％以下。

前述Sm₂O₃的含量更優選1.0mol％以上2.0mol％以下。

由于Yb(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ZrO₂，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Yb和Sm(釤)，從而晶格失配被導入而使晶體結構復雜。由此容易產生熱散射，實現降低熱傳導率的效果。