JP2000094574A - 多層断熱被覆システム及びその形成方法 - Google Patents

多層断熱被覆システム及びその形成方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 基材と結合被膜との間の元素の相互拡散を抑
える断熱被覆システム及びオーバーレイ被覆システムを
提供する。 【解決手段】 本発明は、複合金属／金属酸化物結合被
膜層を有する多層被覆システムに関する。この被覆シス
テムは、ガスタービンに使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に、複合金属／
金属酸化物結合被覆層を有する多層被覆（コーティン
グ）システムに関する。本発明の被覆システムは、ガス
タービンに用いることができる。
【０００２】
【発明の背景】ガスタービン用としての、超合金（スー
パーアロイ）、ＭＣｒＡｌＹ結合被膜、及びオーバーレ
イ被膜は、耐酸化性及び耐腐食性を得るために、例えば
アルミニウム又はクロムのような元素を含む場合が多
い。これら元素のうち１又は２以上は、基材上に、酸化
及び腐食が更に拡がらないようにするための遮断層とし
て働く熱成長酸化物（ＴＧＯ）層を形成する。時間の経
過につれて、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆのような合金元素
が、基材から熱成長酸化物層中に拡散する。かかる不純
物は熱成長酸化物層を劣化させ、その保護能力を低下さ
せる。また、結合被膜から基材への拡散によりアルミニ
ウムが相当失われる場合があり、それにより保護層の維
持に必要なアルミニウムの蓄えが減る。
【０００３】当該技術分野では、被覆システムの寿命を
伸ばすために基材と結合被膜との間の元素の相互拡散を
減少させる断熱被覆システム及び断熱オーバーレイ被覆
システムが要望されている。本発明は、これらの目的及
び他の重要な目的を達成するものである。
【０００４】
【発明の概要】本発明は一般に、断熱被覆層、高密度金
属結合被覆層、複合金属/金属酸化物結合被覆層、及び
基材を有する多層断熱被覆システムに関する。これらの
断熱被覆システムは、製造時及び／又は使用時に形成さ
れる熱成長酸化物層を更に有する。
【０００５】また、本発明は一般に、高密度金属結合被
覆層、複合金属/金属酸化物結合被覆層、及び基材を有
するオーバーレイ被覆システムに関する。
【０００６】また、本発明は、多層断熱被覆システムを
形成する方法であって、複合金属／金属酸化物結合被覆
層を基材上に被着させる工程と、高密度金属結合被覆層
を複合金属／金属酸化物結合被覆層上に被着させる工程
と、断熱被覆層を高密度金属結合被覆層上に被着させる
工程とを有することを特徴とする方法に関する。本方法
は、多層断熱被覆システムを加熱して断熱被覆層と高密
度金属結合被覆層との間に熱成長酸化物層を生じさせる
工程を更に有する。
【０００７】また、本発明は、多層オーバーレイ被覆シ
ステムを形成する方法であって、複合金属／金属酸化物
結合被覆層を基材上に被着させる工程と、高密度金属結
合被覆層を複合金属／金属酸化物結合被覆層上に被着さ
せる工程とを有することを特徴とする方法に関する。
【０００８】本発明のこれらの特徴及び他の特徴は、以
下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明は全体として、動翼、静
翼、燃焼器及び移行部を含む（なお、これらには限定さ
れない）高温の、即ちホットセクションであるタービン
用途のための多層断熱被覆システムに関する。
【００１０】溶射ＭＣｒＡｌＹ結合被膜又はオーバーレ
イ被膜を成膜する従来の方法は、処理上のパラメータを
調節することにより、周囲雰囲気を例えばアルゴンで遮
蔽して制御することにより、或いは低圧又は真空室内で
溶射を行うことにより、被膜層中の酸化物の量を最小限
に抑えることである。空気プラズマ溶射ＭＣｒＡｌＹ結
合被膜と、意図的に発生させた酸化物とを組合せると、
基材とＭＣｒＡｌＹ被膜との間に化学的拡散遮断層とし
て働く層が得られる。別の減圧プラズマ溶射（ＬＰＰ
Ｓ）又は高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）結合被覆層を空気プ
ラズマ溶射（ＡＰＳ）拡散遮断層上に付加すると、成長
の遅い密着性酸化物層生成のためのプラットホームとな
る。
【００１１】図１、図２及び図３を参照すると、本発明
の多層断熱被覆システムは、断熱被覆層１０、熱により
成長した酸化物層（以下、「熱成長酸化物層」という）
１８、高密度金属結合被覆層１２、複合金属／金属酸化
物結合被覆層１４及び基材１６を有している。
【００１２】断熱被覆層１０は一般に、当業者に知られ
た方法、例えば空気プラズマ溶射法又は物理的蒸着法に
より被着された８％イットリウム安定化ジルコニア層で
ある。しかしながら、断熱被覆層１０をマグネシア安定
化ジルコニア、酸化セリウム（セリア）安定化ジルコニ
ア、酸化スカンジウム（スカンジア）安定化ジルコニア
又は熱伝導率の低い他のセラミックで構成してもよい。
断熱被覆層１０は典型的には厚さが約５〜２０ミルの状
態で存在する。
【００１３】熱成長酸化物層１８（図１には示さず）
は、製造と使用の際の両方又は何れか一方において熱に
当たっている間に生じ、典型的には酸化アルミニウムで
構成される。熱成長酸化物層１８は、構成部品の使用
中、高温酸化環境へ露されるため、連続的に成長する。
この成長量は、厚さ０乃至１５ミクロンであることが観
察されている。しかしながら、より典型的な厚さは、０
乃至１０ミクロンである。ＥＢ−ＰＶＤ ＴＢＣセラミ
ックトップコートの場合、熱成長酸化物層１８は、被覆
工程自体の間に成長を開始し、柱状断熱被覆層１０を成
長させるための酸化物表面を提供する。これに関与する
温度は、断熱被膜蒸着のたの現行の工業的手法及びエン
ジン作動状態に関連する温度及び時間と両立する温度で
ある。一般的に言って、実質的な熱成長断熱被覆層１８
の形成に必要な温度は１４００°Ｆ（７６０℃）を越え
る。
【００１４】高密度金属結合被覆層１２は一般に、当業
者に知られた方法、例えば高速酸素燃料又は減圧プラズ
マ溶射法により被着されたＭＣｒＡｌＹ合金である。Ｍ
ＣｒＡｌＹの典型的な形態は、Ｍがニッケルとコバルト
の両方又は何れか一方、Ｙはイットリウムであり、さら
に、レニウム、白金、タングステン及び他の遷移金属を
含む追加の合金元素を上記配合物に添加した数多くの設
計変更例がある。ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ及びＣｏＮｉＣｒ
ＡｌＹは、最も一般的なものである。大抵の産業用ガス
タービン用としての高密度金属結合被覆層、即ちＭＣｒ
ＡｌＹ層１２の厚さは一般に約４〜１０ミルである。た
だし、もし方法上の特別の制約により厚い被膜が必要で
あり、それに応じて金属接合被覆層１２が厚いものにな
るのであれば話は別である。航空用としてのＭＣｒＡｌ
Ｙは一般にこれよりも薄く、厚さは約２〜５ミルである
と考えられる。
【００１５】本発明の好ましい実施形態では、密なＭＣ
ｒＡｌＹ層１２は、接合被膜の全厚（両方の層）の５０
〜９０％を占め、複合金属／金属酸化物層１４は被膜厚
さの１０〜５０％を占める。より好ましくは、ＭＣｒＡ
ｌＹ層１２は、結合被膜の全厚（両方の層）の７０％を
占め、複合金属／金属酸化物層１４は被膜厚さの残りの
３０％を占める。
【００１６】複合金属／金属酸化物層１４は拡散遮断層
として働く。好ましくは、この層は、当業者に知られた
方法、例えば空気プラズマ溶射法を用いて被着される
が、この空気プラズマ溶射法は、拡散遮断層として働く
金属／金属酸化物層１４の層状構造を生じさせるように
実施可能である。この複合金属／金属酸化物層１４は、
製造可能な又は市販されている任意のＭＣｒＡｌＹから
形成できる。
【００１７】本発明の複合金属／金属酸化物層１４の構
造は、ＭＣｒＡｌＹ粒子を現場で酸化させることによっ
て形成されるが、この現場での酸化は、溶融ＭＣｒＡｌ
Ｙ液滴の表面と空気中の酸素との反応にる空気プラズマ
溶射中に起こる。しかしながら、複合金属／金属酸化物
層１４を形成する他の手段も実施可能である。例えば、
本発明の目的は、セラミック（アルミナ）とＭＣｒＡｌ
Ｙの溶射による同時被着を行うことにより（かかる方法
では、両方の粉末を同時に又は順次、プラズマ溶射ガン
中に送り込んで交互の層を作る）、或いは溶射ガンによ
る薄層の被着とその後の（溶射ガンのパス間での）酸化
熱処理を交互に行うことにより拡散遮断層が交互になっ
た金属層とセラミック層（これら層は、連続であった
り、途切れていたりする）で構成されるようにすること
によって、達成できる。
【００１８】「基材」１６という用語は、断熱被覆シス
テムが被着される金属構成要素をいう。これは代表的に
は、ニッケル系又はコバルト系超合金、例えばインコ・
アロイズ・インターナショナル・インコーポレイテッド
によって製造されたＩＮ７３８である。より詳細には、
ガスタービンシステムでは、基材１６は、燃焼器、移行
部、静翼、動翼及びシールセグメントを含む高温ガスの
経路となる構成要素である。
【００１９】図２及び図３は、ＭＣｒＡｌＹ結合被膜層
１２と超合金基材１６との間に本発明の複合金属／金属
酸化物層１４を用いた場合に得られる利点を説明するも
のである。図２の被覆システムは、複合金属／金属酸化
物層１４を含み、図３の被覆システムはこれを有してい
ない。両方の被覆システムは、２５００時間にわたり空
気中において高温環境に露されたものである。
【００２０】具体的には、図２は、熱結合被膜の破損後
における超合金基材１６、金属／金属酸化物層１４、Ｍ
ＣｒＡｌＹ結合被膜層１２、熱成長酸化物層１８及び少
量の残留断熱被覆層１０を示している。図３は、熱結合
被膜の破損後における超合金基材１６、ＭＣｒＡｌＹ結
合被膜層１２、熱成長酸化物層１８及び少量の残留断熱
結合被膜層１０を示している。ＭＣｒＡｌＹ結合被膜層
１２中に見える相は、βニッケルアルミナイド２２（Ｎ
ｉＡｌ）である。。βニッケルアルミナイド２２は、密
で粒界をもたない熱成長酸化物層１８（Ａｌ2 Ｏ3 ）の
形成にあずかるアルミニウム源であり、この酸化物層１
８は使用中に形成され、良好な耐酸化性を得る上で必要
である。アルミニウムは、熱成長酸化物層１８の形成中
及び基材１６の材料中へのアルミニウムの拡散により消
費される。
【００２１】比較すると、図２中に存在しているβニッ
ケルアルミナイド２２（複合金属／金属酸化物中間層１
４を含む）は、図３中に存在しているβニッケルアルミ
ナイド２２よりも実質的に多いことが容易に分かる。ま
た、図２では、酸化によりＭＣｒＡｌＹ結合被膜中には
βニッケルアルミナイドの存在しない区域２０が一つし
かないことが明らかである。これとは対照的に、図３
は、ＭＣｒＡｌＹ結合被膜内に、図中、一つは相互拡散
に起因して超合金から成る基材１６に隣接して、もう一
つは酸化に起因して熱成長酸化物層１８に隣接位置す
る、２つのβニッケルアルミナイド不存在区域２０を示
している。本発明の原理によって理由付けする意図はな
いが、図２中のβニッケルアルミナイド２２の保持量が
多いことの理由は、複合金属／金属酸化物層１４中のア
ルミニウム酸化物粒子が超合金基材１６中へのアルミニ
ウムの拡散に対して物理的障壁として働くことにあると
考えられる。かくして、複合金属／金属酸化物層１４が
存在すると、ＭＣｒＡｌＹ結合被膜層１２中にβニッケ
ルアルミナイド２２が保持される。その結果、被膜寿命
が長くなることが予想される。
【００２２】空気プラズマ溶射結合被膜は、減圧プラズ
マ溶射結合被膜に対して性能が劣ることが歴史的に判明
している。拡散遮断層として働く空気プラズマ溶射結合
被膜と、緻密で接着性のある保護アルミニウム層の形成
を促進する高密度減圧プラズマ溶射又は高速酸素燃料結
合被膜の組合せは、現在の単層結合被覆システムよりも
優れている。表面改質、例えばアルミ化、白金アルミ
化、又は他の表面改質法を用いると減圧プラズマ溶射被
膜の酸化を一段と向上させることができる。
【００２３】多層断熱被膜に関する本発明の教示は、一
つの例外、即ち多層オーバーレイ被膜システムでは断熱
被覆層（１）が存在していないことを除き、多層オーバ
ーレイ被膜システムと同一である。他の全ての点に関し
て本発明はそのまま当てはまる。
【００２４】当業者であれば、上記の説明から本明細書
及び図面に記載した実施形態に加え、本発明の種々の設
計変更例を想到できよう。また、かかる設計変更例は、
特許請求の範囲の記載に基づいて定められる本発明の範
囲に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】断熱被覆層、高密度金属結合被覆層（ＭＣｒＡ
ｌＹ）、複合金属／金属酸化物結合被覆層、及び基材か
ら成る本発明の多層断熱被覆システムを示す横断面図で
ある。
【図２】熱へ露らした結果熱結合被膜が破損した後にお
ける断熱被覆層、熱成長酸化物層、高密度金属結合被覆
層（ＭＣｒＡｌＹ）、複合金属／金属酸化物結合被覆
層、及び基材から成る本発明の多層断熱被覆システムの
横断面図である。
【図３】熱へ露らした結果熱結合被膜が破損した後にお
ける断熱被覆層、熱成長酸化物層、高密度金属結合被覆
層（ＭＣｒＡｌＹ）、及び基材から成っていて、複合金
属／金属酸化物結合被覆層は含まれていない技術の現状
レベルの多層断熱被覆システムの横断面図である。
【符号の説明】
１０ 断熱被覆層 １２ 高密度金属結合被覆層（ＭＣｒＡｌＹ） １４ 複合金属／金属酸化物結合被覆層 １６ 基材 １８ 熱成長酸化物層 ２０ βニッケルアルミナイド不存在区域 ２２ βニッケルアルミナイド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ステェファン エム サボル アメリカ合衆国 フロリダ州 32835 オ ーランド サドル・リッジ・ドライブ 1306 (72)発明者 ケリー エム スローン アメリカ合衆国 フロリダ州 32750 ロ ングウッド チャールズ・ストリート 150 (72)発明者 スチーブン ジェイ バンス アメリカ合衆国 フロリダ州 32826 オ ーランド コラルブルック・グローブ 4014

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 断熱被覆層、高密度金属結合被覆層、複
    合金属／金属酸化物結合被覆層、及び基材を有する多層
    断熱被覆システム。
  2. 【請求項２】 断熱被覆層と高密度金属結合被覆層との
    間に熱成長酸化物層を分散させたことを特徴とする請求
    項１記載の多層断熱被覆システム。
  3. 【請求項３】 断熱被覆層は、低熱伝導性セラミック層
    から成ることを特徴とする請求項１記載の多層断熱被覆
    システム。
  4. 【請求項４】 低熱伝導性セラミック層は、イットリ
    ア、スカンジア、マグネシア、セリア、又はこれらの組
    合せうち少なくとも１つで安定化したジルコニアを含む
    ことを特徴とする請求項３記載の多層断熱被覆システ
    ム。
  5. 【請求項５】 高密度金属結合被覆層は、ＭＣｒＡｌＹ
    合金を含み、ここで、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ又はこれ
    らの組合せのうち少なくとも１つであることを特徴とす
    る請求項１記載の多層断熱被覆システム。
  6. 【請求項６】 複合金属／金属酸化物結合被覆層は、Ｍ
    ＣｒＡｌＹ及び酸化アルミニウムを含むことを特徴とす
    る請求項１記載の多層断熱被覆システム。
  7. 【請求項７】 基材は、コバルト系超合金を含むことを
    特徴とする請求項１記載の多層断熱被覆システム。
  8. 【請求項８】 基材は、ニッケル系超合金を含むことを
    特徴とする請求項１記載の多層断熱被覆システム。
  9. 【請求項９】 熱成長酸化物層は、酸化アルミニウムを
    含むことを特徴とする請求項２記載の多層断熱被覆シス
    テム。
  10. 【請求項１０】 多層断熱被覆システムを形成する方法
    であって、複合金属／金属酸化物結合被覆層を基材上に
    被着させる工程と、高密度金属結合被覆層を複合金属／
    金属酸化物結合被覆層上に被着させる工程と、断熱被覆
    層を高密度金属結合被覆層上に被着させる工程とを有す
    ることを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】 多層断熱被覆システムを加熱して断熱
    被覆層と高密度金属結合被覆層との間に熱成長酸化物層
    を形成させる工程を更に有することを特徴とする請求項
    １０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 複合金属／金属酸化物結合被覆層は、
    空気プラズマ溶射法により基材上に被着されることを特
    徴とする請求項１０記載の方法。
  13. 【請求項１３】 複合金属／金属酸化物結合被覆層は、
    ＭＣｒＡｌＹ及び酸化アルミニウムを含むことを特徴と
    する請求項１０記載の方法。
  14. 【請求項１４】 高密度金属結合被覆層は、高速酸素燃
    料法又は減圧プラズマ溶射法により複合金属／金属酸化
    物結合被覆層上に被着されることを特徴とする請求項１
    ０記載の方法。
  15. 【請求項１５】 高密度金属結合被覆層は、ＭＣｒＡｌ
    Ｙ合金を含み、ここで、Ｍは、ニッケル、コバルト又は
    これらの組合せのうち少なくとも１つであることを特徴
    とする請求項１０記載の方法。
  16. 【請求項１６】 断熱被覆層は、空気プラズマ溶射法又
    は物理的蒸着法により高密度金属結合被覆層上に被着さ
    れることを特徴とする請求項１０記載の方法。
  17. 【請求項１７】 断熱被覆層は、イットリウム安定化ジ
    ルコニアを含むことを特徴とする請求項１０記載の方
    法。
  18. 【請求項１８】 熱成長酸化物層は、酸化アルミニウム
    を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
  19. 【請求項１９】 基材は、コバルト系超合金を含むこと
    を特徴とする請求項１０記載の方法。
  20. 【請求項２０】 基材は、ニッケル系超合金を含むこと
    を特徴とする請求項１０記載の方法。
  21. 【請求項２１】 複合金属／金属酸化物結合被覆層は、
    ＭＣｒＡｌＹ及びセラミック相を含むことを特徴とする
    請求項１０記載の方法。
  22. 【請求項２２】 複合金属／金属酸化物結合被覆層は、
    高速酸素燃料法により被着されることを特徴とする請求
    項１０記載の方法。
  23. 【請求項２３】 高密度金属結合被覆層、複合金属及び
    酸化物結合被覆層、及び基材を有する多層オーバーレイ
    被覆システム。
  24. 【請求項２４】 高密度金属結合被覆層は、ＭＣｒＡｌ
    Ｙ合金を含み、ここで、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ又はこ
    れらの組合せのうち少なくとも１つであることを特徴と
    する請求項２３記載の多層オーバーレイ被覆システム。
  25. 【請求項２５】 複合金属／金属酸化物結合被覆層は、
    ＭＣｒＡｌＹ及び酸化アルミニウムを含むことを特徴と
    する請求項２３記載の多層オーバーレイ被覆システム。
  26. 【請求項２６】 基材は、コバルト系超合金を含むこと
    を特徴とする請求項２３記載の多層オーバーレイ被覆シ
    ステム。
  27. 【請求項２７】 基材は、ニッケル系超合金を含むこと
    を特徴とする請求項２３記載の多層オーバーレイ被覆シ
    ステム。
  28. 【請求項２８】 多層オーバーレイ被覆システムを形成
    する方法であって、複合金属／金属酸化物結合被覆層を
    基材上に被着させる工程と、高密度金属結合被覆層を複
    合金属／金属酸化物結合被覆層上に被着させる工程とを
    有することを特徴とする方法。
  29. 【請求項２９】 複合金属／金属酸化物結合被覆層は、
    空気プラズマ溶射法により基材上に被着されることを特
    徴とする請求項２８記載の方法。
  30. 【請求項３０】 高密度金属結合被覆層は、高速酸素燃
    料法又は減圧プラズマ溶射法により複合金属／金属酸化
    物結合被覆層上に被着されることを特徴とする請求項２
    ８記載の方法。
  31. 【請求項３１】 高密度金属結合被覆層は、ＭＣｒＡｌ
    Ｙ合金を含み、ここで、Ｍは、ニッケル、コバルト又は
    これらの組合せのうち少なくとも１つであることを特徴
    とする請求項２８記載の方法。
  32. 【請求項３２】 基材は、コバルト系超合金を含むこと
    を特徴とする請求項２８記載の方法。
  33. 【請求項３３】 基材は、ニッケル系超合金を含むこと
    を特徴とする請求項２８記載の方法。
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