JP2000096216A

JP2000096216A - 断熱皮膜系を形成する方法

Info

Publication number: JP2000096216A
Application number: JP11123358A
Authority: JP
Inventors: David Vincent Rigney; デイヴィッド・ヴィンセント・リグニー; Antonio Frank Maricocchi; アントニオ・フランク・マリコッキ; David John Wortman; デイヴィッド・ジョン・ワートマン; Robert W Bruce; ロバート・ウィリアム・ブルース; Joseph David Rigne; ジョセフ・デイヴィッド・リグニー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2000-04-04
Also published as: SG77257A1; EP0969117A2; EP0969117A3; US6447854B1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】ガスタービンエンジンの高温に曝される部品の
スポーリングに対する抵抗性および低い熱伝導性を示す
断熱皮膜を形成する方法を提供する。【解決手段】部品１２の表面上にボンディングコートを
形成し、それから２５０〜３００μｍの粒度を有する研
摩材媒体でボンディングコートをグリットブラストす
る。部品１２はそれから所望されるセラミックス材料の
インゴット１６を収容しているコーティングチャンバ１
０内に支持され、酸素含有ガスが少くとも０．００６mb
arの酸素分圧を有し、部品１２の表面を１１００℃に予
熱し、イットリアー安定化ジルコニアであるセラミック
ス材料は電子ビームにより約２３．５〜２９．２グラム
１分の速度で蒸発される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】本発明はガスタービンエンジンの敵性熱
環境のような高温に曝される部品に対する断熱皮膜に係
わる。より詳しくは、本発明はスポーリングに対する改
善された抵抗性および低い熱伝導性を示す断熱皮膜系を
形成する方法に係わる。

【０００２】

【発明の背景】効率の増大のためにガスタービンエンジ
ンのより高い運転温度が引き続き求められている。しか
し、運転温度の上昇と共に、これに応じてエンジンの部
品の高温耐久性が増大しなければならない。ニッケルお
よびコバルト−基超合金の調製を介して高温性能の著し
い進歩が達成されているが、しかしこのような合金のみ
では例えばタービン、燃焼器およびオーグメンタのよう
なガスタービンエンジンの高温部分に置かれる部品を形
成するのはしばしば不十分である。これらの部品の運転
温度を最小にするめたにはこれらを熱的に絶縁すること
が共通の解決策である。この目的のために、高温部品の
露出表面上に形成された断熱皮膜（Thermal barrier co
ating : TBC）が広く使用されている。

【０００３】効果的であるためには、断熱皮膜は低い熱
伝導率を有し、部品に強く接着することができ、そして
多くの加熱および冷却サイクルを通じて接着されたまま
でなければならない。この後者の要件は特に過酷であ
り、これは低い熱伝導率を有する材料とタービンエンジ
ン部品を形成するのに使用される超合金材料との間の熱
膨張率の差のためである。この理由から、断熱皮膜は一
般に超合金部品の表面上に金属性のボンディングコート
を付着させて使用している。次いでこのボンディングコ
ートの上に熱絶縁性層（ＴＢＣ）を付着させ、これらが
一緒になって断熱皮膜系の術語で呼ばれるものを形成し
ている。金属性ボンディングコートは典型的には拡散ア
ルミニウム化物あるいは酸化−抵抗性合金例えばＭＣｒ
ＡｌＹ（ここに、Ｍは鉄、コバルトおよび／またはニッ
ケルである）であり、絶縁層の部品への接着を促進する
一方でまたその下層にある超合金の酸化を抑制する。

【０００４】種々のセラミック材料がＴＢＣとして使用
されており、特にイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、マグネシア
（ＭｇＯ）またはその他の酸化物で安定化されたジルコ
ニア（ＺｒＯ₂）が使用されている。これらの特定の材
料はプラズマ溶射、火炎溶射および蒸着技術によって容
易に付着できるので当業界で広く使用されている。断熱
皮膜系の引き続く挑戦は熱サイクルにかけられたときに
スポーリングを受け難いより接着性のセラミック層の形
成である。この目的のために従来技術では種々のの皮膜
系を提案しており、セラミック層の多孔、ミクロ割れお
よび分裂の存在の結果歪み耐性の向上したセラミック層
がかなり強調されている。この分裂はセラミック層が柱
状結晶粒界、または部品の表面に垂直に配向されたひ
び、を有していることを示しており、これは電子ビーム
物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）法によって得られる。当業界に
知られているように、柱状結晶構造を有する断熱皮膜は
熱サイクル試験で見られるようなスポーリングに至る損
傷性の応力を引き起こすことなく下層の基材と共に膨張
することができる。

【０００５】ジルコニア−ベースの断熱皮膜、特に柱状
結晶構造を有し約１２５マイクロメートル（約０．００
５インチ）程度あるいはそれ以上の厚さを有するイット
リア−安定化ジルコニア（ＹＳＺ）皮膜はその望ましい
熱及び接着特性のため当業界で広く用いられている。Ｅ
ＢＰＶＤ技術でこれらの皮膜を生成する方法は一般に
０．００５mbarあるいはそれ以下の圧力に維持されたコ
ーティングチャンバ内に部品を懸垂させることを要す
る。例えば米国特許４，００６，２６８および５，７１
６，７２０におけるように、より高い圧力も報告されて
いるが、電子ビームガンおよびバフリングチャンバの運
転特性のために断熱皮膜の付着時には、０．００５mbar
の圧力上限が当業者に固執されている。例えば、約０．
００５mbarより高い圧力では電子ビームの制御がより困
難となるためこれより高い圧力は回避されており、０．
０１０mbarより高いコーティングチャンバ圧力では不規
則な動作が報告されている。また、０．００５mbarより
高い圧力で作動されるとガンフィラメントの寿命が低下
しあるいはガンが汚染されると信じられている。

【０００６】ＥＢＰＶＤによって付着されるＹＳＺはタ
ービンエンジン部品を保護するための大いに成功された
皮膜系であるが、断熱皮膜のスポーリング抵抗を改善し
そしてその熱伝導率を更に減少させることへの努力が続
いている。従って、改善されたスポーリング抵抗および
減少された熱伝導率を示す断熱皮膜系がかかる皮膜系を
付着する方法を改善することによって従来の材料で製造
できるならば望ましいことであろう。

【０００７】

【発明の要約】本発明はガスタービンエンジンのタービ
ン、燃焼器およびオーグメンタ諸部品における場合のよ
うに、スポーリングを促進する敵性環境を受ける物品上
に断熱皮膜系を生成する方法である。断熱皮膜系は金属
性ボンディングコートおよび柱状結晶構造を有するイッ
トリア−安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のようなセラミッ
ク断熱皮膜からなる。本発明によれば、ボンディングコ
ートが調製され、次いでセラミック断熱皮膜のスポーリ
ング抵抗を顕著に改善しそして熱伝導率を減少する諸プ
ロセスパラメータを使用して電子ビーム物理蒸着（ＥＢ
ＰＶＤ）によってセラミックが付着される。

【０００８】本発明の方法は、一般に例えばエーロフォ
イルのような部品の表面上にボンディングコートを形成
し、次いで約２５０乃至約３００μｍ（例えば約５４メ
ッシュ）の粒度を有する研摩材媒体によって６０psi よ
り大きい圧力でボンディングコートをグリットブラスト
することを要する。この部品を次いでセラミック材料の
インゴットを含有するコーティングチャンバ内に支持す
る。本発明にとってより重要なことは酸素含有ガスによ
って０．０１０mbarより大きい絶対圧力をコーティング
チャンバ内に確立し、その後でセラミック材料を電子ビ
ームで融解しそして蒸発させ、その結果この蒸気を部品
の表面上に付着させて表面上にセラミック材料の層を形
成する。

【０００９】本発明によれば、コーティングチャンバ内
の好ましい圧力は約０．０１２乃至０．０１５mbarであ
り、酸素含有ガスは少なくとも０．００６mbar（５０
％）の酸素分圧を有する。最後に、本発明によれば、セ
ラミック材料は好ましくはセラミックの各源（例えば、
インゴット）について約２３．５乃至約２９．２グラム
／分の速度で蒸発される。これは各セラミック源の蒸発
速度であり、これは重要であって、全ての源の合わせた
蒸発速度ではない。驚くべきことに、これらの条件下で
は、セラミック皮膜材料はボンディングコートに強固に
接着した多孔質の断熱層を形成するように付着される。
さらにより驚くべきことは、セラミック皮膜は従来の条
件、即ち、本発明の方法により使用されるよりもより低
いチャンバ圧力、より粗い研摩材グリット、より低い酸
素分圧および／またはより低い蒸発速度で付着された断
熱皮膜よりも著しくよりスポーリング抵抗性であり、そ
してチャンバ圧力が本発明にとって最も重大なパラメー
タであろう。同じく予想外なのは、皮膜の付着速度がチ
ャンバ圧力に依存しており、圧力が高いほどより高い付
着速度およびより効率的なセラミック材料の使用、即
ち、消費された単位長のインゴット（蒸発された容積）
についてのタービン部品上へのより多いセラミックの付
着となる。従って、本発明の方法は得られるＴＢＣのス
ポーリング抵抗を改善するだけでなく、その製造エコノ
ミーをも改善する。

【００１０】本発明のその他の目的及び利点は以下の詳
細な記載から更に良く認識されよう。本発明の上記およ
びその他の利点は添付の図面に関連して以下の記載を理
解すれば更に明らかとなろう。

【００１１】

【発明の詳細な記述】本発明は一般には高温で特徴付け
られる環境内で運転されることを意図されている金属部
品上に断熱皮膜を付着する方法に指向されている。かか
る部品の中で特に注目される例はガスタービンエンジン
の高圧および低圧タービンノズルおよび翼、シュラウ
ド、燃焼器ライナおよびオーグメンタハードウエアを含
む。本発明の利点はガスタービンエンジンのタービン翼
に関して以下に記載されるが、本発明の教示は敵性熱環
境から部品を絶縁するために断熱皮膜が使用できる如何
なる部品にも一般に適用できる。

【００１２】本発明を例示するため、電子ビーム物理蒸
着（ＥＢＰＶＤ）被覆装置のコーティングチャンバ１０
が図１に示されている。コーティングチャンバ１０内に
はガスタービンエンジンのタービン翼１２が支持されて
いる。この図に示されているタイプのコーティングチャ
ンバは典型的には約１×１０^-3トル（約０．００１mba
r）あるいはそれより低い真空レベルに維持することが
できる。付着プロセスの間にチャンバ１０を排気するた
めに当業界に知られたタイプの真空ポンプ１４が使用さ
れる。

【００１３】一般に慣用とされているように、翼１２は
ニッケル基またはコバルト基超合金から形成しうる。各
翼１２はガスタービンエンジンの運転中に熱い燃焼ガス
が向けられそのためその表面が敵性の熱的および化学的
環境にさらされるエーロフォイルセクションを含んでい
る。このために、翼１２の表面上にはその超合金基材を
保護するために断熱皮膜系が接着して形成されている。
一般に当業界で典型的になされているように、この皮膜
系は金属性ボンディングコートとその上に形成されるセ
ラミック皮膜から成っている。ボンディングコートは好
ましくは酸化抵抗性の金属組成物であって、その下にあ
る超合金基材を酸化から保護し、セラミック皮膜を基材
に対してより強固に接着させる。適当なボンディングコ
ート材料は金属間白金および／またはニッケルアルミニ
ウム化物相を含む拡散アルミニウム化物、およびＭＣｒ
ＡｌＹ合金例えばＮｉＣｒＡｌＹを含む。拡散アルミニ
ウム化物ボンディングコートに対する厚さは少なくとも
約２５マイクロメータであり、適当な範囲は約５０乃至
７５マイクロメータである。ＭＣｒＡｌＹボンディング
コートに対する代表的な厚さの範囲は約２５乃至３７５
マイクロメータである。

【００１４】ボンディングコートの付着に続いて、セラ
ミック皮膜の付着のために研摩材グリットブラストによ
りボンディングコートの表面が調製される。従来は、ボ
ンディングコート表面を清浄にして狭く平行した柱状Ｐ
ＶＤセラミック皮膜に必要とされる平滑な表面仕上げを
生成するために研摩材媒体として８０メッシュあるいは
それより微細なアルミナ粒子でグリットブラストするこ
とが好ましいとされていた。しかし、本発明によれば、
予期せぬことにより粗い研摩材媒体がセラミック皮膜の
ボンディングコートへの付着を促進することが分かっ
た。約２５０乃至約３００マイクロメータの粒度が適
し、好ましい粒度は約５４メッシュ（約２７５μｍ）で
ある。研摩材媒体はこの目的に使用される標準装置から
約７乃至約１０インチ（約１７．５乃至約２５．４セン
チメータ）の隔離距離で約６０ｐｓｉまたはそれ以上の
圧力のもとで放出されるのが好ましい。その後、高温に
おいてボンディングコート上にアルミナスケールが形成
されてセラミック皮膜の接着が促進される。しばしば熱
的に成長された酸化物あるいは（ＴＧＯ）と呼ばれるこ
のアルミナスケールはセラミック皮膜の付着中に高温に
曝されることによるかあるいはこの目的のために特に行
われる高温処理によるかしてアルミニウム含有ボンディ
ングコートの酸化から発現される。

【００１５】最後に、皮膜のスポーリング抵抗および熱
伝導率に予想外に顕著な影響を与えることが決定された
条件下でＥＢＰＶＤによってセラミック皮膜を付着す
る。図１に示されそして当業界に周知のように、電子ビ
ームガン１８からの適当な数の電子ビームによって１つ
またはそれ以上のインゴット１６を融解しそして蒸発さ
せて形成された蒸気からセラミック皮膜を付着する。好
ましいセラミック皮膜材料はイットリアで部分的にまた
は完全に安定化されたジルコニア（ＺｒＯ₂）（例え
ば、３％−２０％、好ましくは４％−８％Ｙ₂Ｏ₃）であ
るが、しかしマグネシア、セリア、カルシア、スカンジ
アあるいはその他の酸化物で安定化されたイットリアを
使用することができる。翼１２は好ましくは当業界に知
られているタイプの回転可能なサポート２０に固定さ
れ、そしてインゴット１６はそれらの上端が翼１２に隣
接するようにチャンバ１０内に置かれる。ガン１８によ
って放出される電子ビームはインゴット１６の上端に向
けて指向され、これによりインゴット１６の表面が融解
されてセラミック材料の融解プールが形成される。電子
ビームによるセラミック材料の強烈な加熱はセラミック
材料の分子を蒸発させて、上方に走行させ、次いで翼１
２の表面上に付着させる。蒸発されたセラミック材料お
よびインゴット１６の融解表面からの放射によって提供
される熱を捕捉するために必要とされることがあれば、
追加の加熱を提供するために翼１２の上にヒータ（図示
されていない）を位置づけることができる。このように
して、翼１２は約９２５℃乃至約１１４０℃の適当な付
着温度に持って行かれる。安定な翼温度はセラミック層
にたいする望ましい柱状結晶構造を促進し、この構造で
は各結晶粒の長手軸は各翼１２の表面に略垂直である。

【００１６】従来技術では、コーティングプロセスを遂
行するために高々０．０１０mbarより典型的には０．０
０５mbarの真空がチャンバ１０内に引かれるであろう
が、その理由はこれより高い圧力は電子ビームガン１８
の不規則な動作を引き起こして電子ビームを制御困難に
することが知られており、より劣る皮膜が得られると推
定されるためである。しかしながら、本発明によれば、
図１に示されるようなコーティングチャンバは、より高
い圧力で作動されており、これにより驚くべきことに改
善されたスポーリングおよび衝撃抵抗を有するセラミッ
クコーティングがもたらされ、並びに従来技術で達成さ
れるよりもより高いインゴット蒸発速度に関連して皮膜
付着速度が促進される。更に、従来技術の実施では、コ
ーティングチャンバ１０内に酸素ガスを流してコーティ
ングプロセスが行われている。しかし、本発明によれ
ば、５０％（例えば、約０．００６mbar）を超える酸素
分圧を達成する酸素−アルゴン混合物を流すと得られる
セラミック皮膜のスポーリング抵抗を促進することも決
定されている。

【００１７】本発明に至るまでの予備的な調査の間に、
ルネＮ５超合金（公称重量％組成：７．５Ｃｏ，７．０
Ｃｒ，１．５Ｍｏ，５．０Ｗ，３．０Ｒｅ，６．５Ｔ
ａ，６．２Ａｌ，０．１５Ｈｆ，０．０５Ｃ，０．００
４Ｂ，０．０１Ｙ，残部Ｎｉ）から形成された試験供試
体について従来（基線）コーティングパラメータを評価
した。白金メッキし次いで蒸気相でアルミニウム化して
この供試体上にＰｔＡｌボンディングコートを形成し、
３６、５４または８０メッシュのアルミナ研摩材媒体を
それぞれ４０、７０および６０ｐｓｉ（それぞれ約０．
２８、０．４１および０．４８ＭＰａ）で放出してこれ
らの表面を調製した。異なる放出圧力は供試体各々に対
して同様な表面粗さまたはテクスチャー（約５０乃至６
０μインチＲａ）を得るのに役だった。供試体は次いで
以下のパラメータを使用してＥＢＰＶＤによってＹＳＺ
で被覆された。コーティング温度約１０００℃；コーテ
ィング圧力約０．０１２mbar；直径約６．３５ｃｍの２
つのインゴットを使用したインゴット供給速度約２．１
ｍｍ／分（インゴット毎に約２４．６グラム／分の蒸発
速度、二つ合わせた蒸発速度約４９．２ｇ／分をもたら
す）。次いで供試体に２０７５°Ｆ（約１１３５℃）
で、一時間サイクルで、炉サイクル試験（furnace cycl
e testing : FCT ）を行ない、皮膜表面積の１０％がス
ポーリングされた時点で、供試体を試験からはずした。
平均して、３６メッシュ研摩材媒体でボンディングコー
トが表面処理された供試体は４９３サイクルの平均ＦＣ
Ｔ寿命を示したのに対して、５４および８０メッシュ媒
体で処理されたものはそれぞれ約５９３および５４０サ
イクルのＦＣＴ寿命を示した。

【００１８】上記の見込みのもてる結果に基づいて、次
いでインコネル６０１超合金（公称重量％組成：２３Ｃ
ｒ，１．４Ａｌ，０．５Ｍｎ，０．０５Ｃ，０．２５Ｓ
ｉ，残部Ｎｉ）から形成された試験供試体に対して種々
のコーティングパラメータを評価するために第二の調査
を遂行した。コーティングパラメータには、予熱温度約
９００℃乃至約１１００℃、コーティング温度約１００
０℃乃至約１１５０℃、部品回転速度約６乃至約６０ｒ
ｐｍ、直径約６．３５ｃｍの２つのインゴットのそれぞ
れに対するインゴット供給速度約１．３乃至約２．５ｍ
ｍ／分（インゴット毎の蒸発速度は約１５．２乃至約２
９．２グラム／分に等しく、二つ合わせたインゴット蒸
発速度は約３０．３乃至約５８．５ｇ／分）、およびコ
ーティングチャンバ圧力約０．００１乃至約０．０１９
５mbar、が含まれる。全ての供試体は約２５乃至約７５
マイクロメートルの範囲の厚さを有する拡散アルミニウ
ム化物ボンディングコートを与えられている。ボンディ
ングコートは約６０ｐｓｉ（約０．４１ＭＰａ）の圧力
で放出される８０メッシュのアルミナ研摩材媒体で表面
調製されている。

【００１９】各供試体上へのセラミック皮膜の付着は図
１に示されているのと同様な２つのコーティングチャン
バで行った。供試体は約９００℃乃至約１１００℃に予
熱され、その後コーティングプロセスは供試体を上記に
示したコーティング温度に持っていった。予測されたと
おり、ガンの動作は試験した圧力範囲にわたって著しく
変化した。より低い圧力（例えば、０．００１mbar）で
は、集束効果はより緩やかであって制御が容易であり、
インゴットの上端に形成された融解セラミックプール
の”スピッティング（吐出）”を起こすことなく高い蒸
発速度が維持できることが観察された。０．０１５およ
び０．０１９５mbarの圧力では、集束変化はづっと臨界
的となり、小さな集束変化によって蒸発速度に著しい変
化を生じた。高いインゴット供給速度（例えば、インゴ
ット毎に２．５ｍｍ／分、２つのインゴットを使用した
ときは５８．５ｇ／分の二つ合わせた蒸発速度に等し
い）はより鋭敏な集束調整を要し、融解物はよりスピッ
ティングおよび激しいガス噴出を受けやすくなった。イ
ンゴット毎に２．１ｍｍ／分（インゴット毎に約２４．
６ｇ／分）の供給速度はスピッティングを実験に受け入
れうるレベルまで減少した。

【００２０】上記のコーティングパラメータで加工され
た供試体に対して行われたＦＣＴ試験の結果が以下の表
Ｉに要約されている。予熱温度および回転速度は表Ｉに
示されていない。一般に、１１００℃の予熱温度は積極
的な影響を持つが、回転速度はコーティング結果に何ら
の影響も持たないようであった。表Ｉチャンハ゛コーティンク゛インコ゛ット全皮膜厚さ圧力温度供給速度供給速度 /使用インコ゛ットmm(mbar) (℃) (mm/分) (g/分) (μm/mm) 0.000959 1013 1.32 30.9 2.92 0.000975 1112 2.02 47.3 4.57 0.007815 1054 2.25 52.6 4.45 0.007877 1137 2.27 53.1 3.91 0.007898 1090 2.10 49.2 4.60 0.01423 1032 1.33 31.1 4.85 0.0143 1099 1.33 31.1 6.53 0.0195 1138 2.28 53.4 6.99 上記の結果は付着効率（消費された単位長のインゴット
あたりに付着された皮膜の量によって示される）がより
高いコーティングチャンバ圧力と共に実質的に上昇して
いることを実証している。このような結果は予想外であ
り、当業界で従来使用されている圧力より高い、例え
ば、０．００５mbarより高い付着チャンバ圧力を使用す
る効果について更に調査を開始する基礎をなしている。

【００２１】インコネル６０１およびルネＮ５超合金か
ら形成された試験供試体についてその後の試験を行っ
た。この段階の試験を通して１１００℃の予熱温度およ
び６ｒｐｍのコーティング回転速度を使用した。評価し
た試験パラメータは、コーティング温度１０００乃至１
１５０℃、直径約６．３５ｃｍの２つのインゴットを使
用したインゴット供給速度約１．３、１．７または２．
１ｍｍ／分（インゴット毎の蒸発速度約１５．２、１
９．９または２４．６ｇ／分、二つ合わせた蒸発速度約
３０．３、３９．８または４９．２ｇ／分）、分圧０％
乃至１００％（残部アルゴン）およびコーティングチャ
ンバ圧力約０．００１乃至約０．０１５mbarであった。
全てのルネＮ５供試体は約１．３乃至３ミル（約３３乃
至７６マイクロメータ）の厚さを有する白金アルミニウ
ム化物（ＰｔＡｌ）ボンディングコートを施され、一方
インコネル６０１供試体は約０．９乃至２．５ミル（約
２３乃至６４マイクロメータ）の厚さを有する拡散アル
ミニウム化物ボンディングコートを施された。ボンディ
ングコートは約７０ｐｓｉ（約０．４８ＭＰａ）の圧力
で放出される５４メッシュのアルミナ研摩材媒体かある
いは約６０ｐｓｉ（約０．４１ＭＰａ）で放出される８
０メッシュのアルミナ研摩材媒体のいずれかで表面を調
製され、ここでも異なる圧力は全ての供試体に対して同
様な表面粗さまたはテクスチャーを得るのに役だってい
る。供試体は次いで約１９５０°Ｆ（約１０６６℃）で
２時間真空熱処理された。

【００２２】コーティングプロセスは各実験において等
しい質量のインゴットが蒸発するように制御された。コ
ーティング中、異なるパラメータで”スピッティング”
に著しい差は認められなかった。セラミック皮膜の付着
に続いて、プロセスが原因で生じたスポーリングが４つ
の供試体に認められ、その中の３つは０．００１mbarの
圧力で被覆されており、その４番目は低温（約９５０
℃）で系中に酸素を流さないで被覆されていた。残りの
供試体のあるものは皮膜厚さを調べられ、他の供試体は
約２０７５°Ｆ（約１１３５℃）で１時間のサイクルで
炉サイクル試験を受けた。

【００２３】全ての供試体に対する平均の皮膜厚さは約
１２５マイクロメートルであった。ボンディングコート
の表面処理を５４メッシュの研摩材で行った供試体は全
体の平均よりも１．９％大きな平均皮膜厚さを有してお
り、一方ボンディングコートの表面処理を８０メッシュ
の研摩材で行ったものは全体の平均よりも２．７％少な
い平均皮膜厚さを有していた。全ての供試体は同じコー
ティング条件に曝されているので、皮膜厚さにおけるこ
れらの差は結果的には皮膜内の多孔度の差にあると勘案
され、これは予想外であったがしかし内部の皮膜応力の
減少および熱伝導率の低下に有益であった。コーティン
グ温度および酸素分圧は皮膜厚さに顕著な影響を与えな
かった。対照的に、全体のコーティングチャンバ圧力お
よびインゴット供給（蒸発）速度を基準にして比較する
と顕著な相関関係があった。全体のコーティングチャン
バ圧力を増大すると（０．００１mbarから０．０１５mb
ar）皮膜厚さが増大されたのに対して、供給速度を増す
と（インゴット毎に１．３ｍｍ／分から２．１ｍｍ／
分、あるいはインゴット毎に１５．２ｇ／分から２４．
６ｇ／分）チャンバ圧に拘わりなく、使用されたインゴ
ットの量についてより低い付着速度となった。これらの
関連は図２に表されており、ＥＢＰＶＤプロセス自体の
実質的な経済効果をもつ相互作用を実証している。特
に、付着時間を減少することができ、付着効率（インゴ
ットの単位消費量あたりのセラミック付着量）がより高
いコーティング圧力と共に改善された。

【００２４】供試体の金属組織的調査によれば使用した
ＥＢＰＶＤプロセスから予測されるように、全てのセラ
ミック皮膜が柱状ミクロ組織を持ってることが示され
た。しかしながら、結晶粒の特定の構造はコーティング
圧力に依存しているようである。シダ様または羽毛様の
柱状結晶粒は高い全体のコーティングチャンバ圧力
（０．０１５mbar）で付着された皮膜により頻繁に関連
していたのに対して、スパイク様および分岐様柱状結晶
粒はより高い酸素分圧レベル（１００％酸素流）で付着
された皮膜に対して観察される傾向がより大きかった。

【００２５】ＦＣＴ計画では２００を超える供試体に対
して約３ヶ月の期間にわたり毎日一時間サイクル２０回
を完結することを要した。皮膜表面積の１０％がスポー
リングを受けたら供試体を試験から外した。このＦＣＴ
試験の結果を以下の表IIに表記した。表IIチャンハ゛コーティンク゛インコ゛ットＯ₂ ＦＣＴ寿命圧力温度供給速度分圧５４メッシュ８０メッシュ(mbar) (℃) (mm/分) (％) (サイクル) (サイクル) 0.001 1000 1.3 0 225 420 0.001 1000 2.1 0 493 420 0.001 1075 1.7 50 593 487 0.001 1150 1.3 100 480 506 0.001 1150 2.1 100 646 520 0.008 1000 1.7 50 500 493 0.008 1075 1.3 50 753 446 0.008 1075 1.7 0 480 333 0.008 1075 1.7 50 686 566 0.008 1075 1.7 50 526 420 0.008 1075 1.7 100 486 533 0.008 1075 2.1 50 700 386 0.008 1150 1.7 50 693 573 0.015 1000 1.3 100 660 446 0.015 1000 2.1 100 673 466 0.015 1075 1.7 50 646 440 0.015 1150 1.3 0 433 406 0.015 1150 2.1 0 560 486 上記の結果はＦＣＴ寿命に関して使用された全体のコー
ティングチャンバ圧力、蒸発速度、酸素分圧およびグリ
ット媒体の間における強い相関関係を実証している。ボ
ンディングコートの表面処理に基づいて分析すると、８
０メッシュ媒体で処理された供試体に対する４６３サイ
クルに比較して、５４メッシュ媒体で処理された供試体
は５６９サイクルの平均ＦＣＴ寿命を示した。０．００
１mbarの圧力および”０％”の酸素条件で得られた結果
を除くと、ＦＣＴ寿命とボンディングコート表面調製と
の間に更により一貫性のある相関関係が実証されてお
り、５４メッシュおよび８０メッシュの供試体に対して
それぞれ６３２および４７７サイクルの平均ＦＣＴ寿命
がもたらされている。この分析に基づけば、５４メッシ
ュのグリットによる表面調製技術は８０メッシュで処理
された供試体に対してほぼ３２％のＦＣＴ寿命の改善を
示した。更に、”０％”酸素での供試体を排除すると、
０．００１mbarで被覆された供試体に対する平均寿命が
５７３サイクルであるのに比べて、５４メッシュ媒体で
グリットブラストされそして０．０１５mbarで被覆され
た供試体に対する平均のＦＣＴ寿命は６６０サイクルで
あった（約１５％の改善）。最後に、図３はインゴット
供給速度１．３−２．１ｍｍ／分（インゴット毎の蒸発
速度１５．２−２４．６ｇ／分、合わせた蒸発速度３
０．３−４９．２ｇ／分）に関連して酸素分圧がＦＣＴ
寿命に与えた強い影響を示している。

【００２６】これらの結果の統計的な分析によれば、Ｆ
ＣＴ寿命（２０７５°Ｆ、一時間サイクル）を決定する
最も重要なファクタは酸素分圧、インゴット蒸発速度お
よび全体のコーティングチャンバ圧力であり、圧力が単
一では最大のファクタであることを証明している。これ
らのパラメータに基づいてＦＣＴ寿命データを分析する
と以下の回帰方程式が与えられた。ＦＣＴ寿命＝１３０９．７＋３０２３６（ｐ）−１４０
７（Ｒ）＋８．１５（Ｏ）−１３３１８（Ｐ）（Ｒ）＋
４８４（Ｒ）²−０．０６６（Ｏ）² ここに、上記式中、”ＦＣＴ寿命”は時間単位で表さ
れ、”Ｐ”はmbar単位で表される全体のコーティングチ
ャンバ圧力であり、”Ｒ”は６．３５ｃｍ直径の各イン
ゴット（セラミック源）に対してのｍｍ／分単位で表さ
れるインゴット蒸発速度であり、そして”Ｏ”は全体の
コーティングチャンバ圧力の％として表される酸素分圧
である。

【００２７】この式に対する適合度（Ｒ²）は７４％で
あり、Ｒ²は調節されて６０％とされた。この分析は、
インゴット毎の好ましい蒸発速度６．３５−７．９ｃｍ
³／分（インゴット毎の蒸発速度約２３．５−２９．２
ｇ／分に等しく、合わせた蒸発速度は約４７．０−５
８．５ｇ／分）を使用すると、ＦＣＴ寿命に対するパラ
メータは酸素分圧約６０％より正確には約６１．４％お
よび全体のコーティングチャンバ圧力約０．０１２mbar
より正確には約０．０１１７mbarであり、そして約８７
８サイクルの平均（Xbar）ＦＣＴ寿命をもたらすと予測
される。

【００２８】本発明のコーティングプロセスパラメータ
が皮膜の侵食および衝撃抵抗に及ぼす影響も評価した。
使用中、ガスタービンエンジン部品上の断熱皮膜はガス
タービンエンジンの空気取り入れを通じて高速ガス流に
入りあるいはエンジン内の上流で発生される様々な大き
さの硬い粒子による衝撃からの損傷に耐える必要があ
る。この衝撃の結果は侵食摩耗（一般に比較的に小さな
粒子に伴う）または比較的に大きな粒子からの衝撃スポ
ーリングでありうる。

【００２９】高温（２２５０°Ｆ、１２３２℃）および
高ガス速度（マッハ０．３）での皮膜の相対的な性能を
測定するために開発された試験を侵食および衝撃抵抗を
評価するためにアルミナ粉末を射出できるように修正し
た。それぞれ侵食および衝撃抵抗を評価するために約５
０μｍおよび約５６０μｍの平均粒度を有するアルミナ
粉末を使用した。直径０．２５インチ（約６．３５ｍ
ｍ）のピン供試体をルネＮ５から形成し、次いでＰｔＡ
ｌボンディングコートおよび５ミル（１２５μｍ）厚の
ＥＢＰＶＤ断熱皮膜で被覆した。これらの供試体は実験
中約５００ｒｐｍの速度で回転させた。侵食抵抗は断熱
皮膜がその下にあるボンディングコートまで貫通破断さ
れるのに要した侵食物のグラム数として測定した。

【００３０】この断熱皮膜は、絶対圧力が０．００６か
または０．０１２mbarに維持されているコーティングチ
ャンバ内で、インゴット毎の供給速度を約１．７かまた
は２．１ｍｍ／分（インゴット毎の蒸発速度が２０かま
たは２４．６ｇ／分、あるいは合わせた蒸発速度が４０
かまたは４９．２ｇ／分）、そして酸素分圧を約１００
％かまたは５０％として、処理した。侵食条件下では、
０．０１２mbarで付着された断熱皮膜は０．００６mbar
で付着されたものよりも約１０％大きな侵食抵抗を示し
た。衝撃条件下では、０．０１２mbarで付着された断熱
皮膜はより低い圧力で処理された供試体の約１．３倍の
平均スポーリング寿命を示した。従って、これらの実験
は本発明の範囲内の圧力で形成された断熱皮膜は従来の
コーティング圧力で付着された皮膜に比べてより優れた
侵食および衝撃抵抗を示すことを証明している。

【００３１】最後に、本発明のコーティングプロセスパ
ラメータが熱伝導率に及ぼす影響も評価した。約０．５
×０．５×０．０２５インチ（１２．７×１２．７×
０．６３５ｍｍ）の寸法を有する試験供試体をルネＮ５
基材から機械加工して形成し、表面処理して約６０μｍ
Ｒａの表面粗さを得、それから５ミル（１２５μｍ）厚
のＥＢＰＶＤ断熱皮膜で被覆した。熱伝導率は皮膜密
度、熱拡散率および比熱の積から計算した。皮膜密度お
よび熱拡散率は皮膜のミクロ組織（例えば、多孔度のレ
ベル）の関数であり、比熱は主に組成に依存している。
皮膜の嵩密度は重量増加と容積から計算された。比熱お
よび熱拡散率はそれぞれ示差走査熱量測定およびレーザ
ー閃光技術を使用して測定され、これらの測定は共にＡ
ＳＴＭ標準に従って行われた。

【００３２】これらの断熱皮膜は、それぞれ、インゴッ
ト毎の供給速度約１．７または２．１ｍｍ／分（インゴ
ット毎の蒸発速度約２０または２４．６ｇ／分、合わせ
た蒸発速度４０または４９．２ｇ／分）、絶対圧力０．
００６または０．０１５mbar、そして酸素分圧約１００
％または５０％に維持されたコーティングチャンバ内で
処理された。０．００６および０．０１５mbarによる供
試体に対する１１００℃での平均の熱伝導率の値はそれ
ぞれ１．２８４および１．０３６Ｗ／ｍＫであり、これ
は本発明の範囲内の圧力で付着された皮膜が従来のコー
ティング圧力で付着された皮膜に比べて著しくより低い
熱伝導率を示すことを実証している。この結果、本発明
に従って形成された断熱皮膜は付着される部品に対して
より良好な熱絶縁性を提供できる。

【００３３】以上本発明は好ましい実施の態様に関して
記載されたが、当業者にはその他の態様も採用できるこ
とは明らかである。従って、本発明の範囲は特許請求の
範囲によってのみ制限されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って断熱皮膜系のセラミック層を付
着するのに使用される電子ビーム物理蒸着装置の略図を
示している。

【図２】ＴＢＣの厚さとコーティングチャンバ圧力およ
びインゴット供給（蒸発）速度との相関関係を示すグラ
フである。

【図３】インゴット供給（蒸発）速度に関連してＦＣＴ
寿命に対する全体圧力の％Ｏ₂ の強い相関関係を示すグ
ラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アントニオ・フランク・マリコッキアメリカ合衆国、オハイオ州、ラブランド、サイテイション・コート、101番 (72)発明者デイヴィッド・ジョン・ワートマンアメリカ合衆国、オハイオ州、ハミルトン、リバティー・ウッズ・コート、5614番 (72)発明者ロバート・ウィリアム・ブルースアメリカ合衆国、オハイオ州、ラブランド、ウッドクレスト・ドライブ、221番 (72)発明者ジョセフ・デイヴィッド・リグニーアメリカ合衆国、オハイオ州、ミルフォード、ディアーヘイブン・コート、1097番

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素含有ガスでコーティングチャンバ
（１０）内に０．０１０mbarより大きい絶対圧力を確立
し、セラミック材料の少なくとも一つの塊状体（１６）
上に電子ビームを集束させてセラミック材料を蒸発させ
てセラミック材料の蒸気を生成させ、この蒸気をコーテ
ィングチャンバ（１０）内の部品（１２）の表面上に付
着させてこの表面上に前記セラミック材料の層を形成す
る工程を含む、部品上にセラミック層を形成する方法。
【請求項２】部品（１２）の表面上にセラミック材料
の層を形成する前に、部品（１２）の表面上にボンディ
ングコートを形成する工程を更に含む、請求項１記載の
方法。
【請求項３】部品（１２）の表面を約２５０乃至約３
００μｍの粒度を有する研摩材媒体によって６０psi よ
り大きい圧力でグリットブラストする工程を更に含む、
請求項１記載の方法。
【請求項４】セラミック材料がイットリア−安定化ジ
ルコニアである、請求項１記載の方法。
【請求項５】コーティングチャンバ（１０）内の絶対
圧力が少なくとも０．０１２mbarである、請求項１記載
の方法。
【請求項６】酸素含有ガスが少なくとも０．００６mb
arの酸素分圧を有する、請求項１記載の方法。
【請求項７】部品（１２）の表面は蒸発工程の間に蒸
気が表面上に付着されるときに約９２５乃至約１１４０
℃の温度にある、請求項１記載の方法。
【請求項８】セラミック材料は塊状体（１６）につい
て約２３．５乃至約２９．２グラム／分の速度で蒸発さ
れる、請求項１記載の方法。
【請求項９】部品（１２）の表面上にセラミック材料
の層を付着する前に、部品（１２）の表面を約１１００
℃の温度に予熱する工程を更に含む、請求項１記載の方
法。
【請求項１０】部品（１２）がエーロフォイルであ
る、請求項１記載の方法。