JP2000119868A - 断熱皮膜系およびその製法 - Google Patents

断熱皮膜系およびその製法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 断熱皮膜系ならびにガスタービンエンジンの
超合金タービン、燃焼器およびオーグメンター部品など
のような苛酷な熱環境で使用するように設計された物品
上にかかる皮膜系を形成するための方法。 【解決手段】 この皮膜系は、断熱皮膜系を形成しよう
とする部品の表面に浸炭されたゾーンを含んでいる。次
に浸炭された表面の上にアルミニウムに富んだボンディ
ングコートを形成した後このボンディングコートを酸化
して酸化アルミニウム層を形成する。次いで、その酸化
物層の上に断熱セラミック層を化学的に接合されるよう
に形成する。本発明においては、部品の表面を適当に浸
炭することで、部品の超合金基材中に存在する耐火金属
を固定する炭化物を形成することによりこれらの金属が
ボンディングコート‐酸化物層界面に及ぼす悪影響を防
ぐのに役立つ。この浸炭されたゾーンの利点は、部品が
タンタル、タングステン、モリブデン、レニウム、チタ
ン、クロム、ハフニウムおよびジルコニウムなどのよう
な耐火金属の１種以上を比較的高レベルで含有する超合
金である場合に特に顕著である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンエンジン
の苛酷な熱環境のような高温にさらされる部品用の断熱
皮膜系に係る。特に、本発明は、断熱セラミック層を設
けるアルミニウムに富んだボンディングコートの下に浸
炭された領域を有する断熱皮膜系に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンの効率を上げるた
めにより高い作動温度が常に求められている。しかし、
作動温度が上昇すると、それに対応してエンジンの部品
の高温耐久性が増大しなければならない。ニッケル基超
合金およびコバルト基超合金の使用により高温性能は大
幅に進歩しているが、このような合金単独ではガスター
ビンエンジンのある部分に配置される部品、たとえばタ
ービン、燃焼器およびオーグメンターなどの機械的特性
が適切に保持されないことが多い。一般的な解決策は、
その実際の使用温度を最低に抑えるためにそのような部
品を熱的に遮断することである。このために、高温で使
用される部品の露出表面に形成された断熱皮膜（ＴＢ
Ｃ）が広く利用されている。
【０００３】断熱皮膜が効力を発揮するためには、その
皮膜は熱伝導率が低くなくてはならず、物品に対して強
く密着しなければならず、そして多数の加熱・冷却サイ
クルを通じて接着していなければならない。後者の要件
が特に求められるのは、熱伝導率の低い材料とタービン
エンジン部品を形成するのに通常用いられている超合金
材料との熱膨張係数の違いのためである。上記の要件を
満たすことができる断熱皮膜系では、通常、部品表面に
金属のボンディングコートを設けた後部品を熱的に遮断
する役割を果たす密着したセラミック層を設ける必要が
ある。セラミック層と部品との密着性を促進し、かつ下
にある超合金の酸化を防止するために、通常ボンディン
グコートは、ＭＣｒＡｌＹ（ここで、Ｍは鉄、コバルト
および／またはニッケルである）などのような耐酸化性
のアルミニウム含有合金から形成されるか、またはアル
ミ化ニッケルやアルミ化白金などのような耐酸化性のア
ルミニウム基金属間化合物で形成される。
【０００４】セラミック層として、各種のセラミック材
料が使用されており、特にイットリア（Ｙ2 Ｏ3 ）、マ
グネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ2 ）、スカンジア
（Ｓｃ2 Ｏ3 ）その他の酸化物で安定化されたジルコニ
ア（ＺｒＯ2 ）が用いられている。これら特定の材料
は、プラズマ溶射、火炎溶射および蒸着技術によって容
易に析出させることができ、輻射熱の吸収を最小限にす
るよう赤外線を反射するので、業界で広く利用されてい
る。セラミック層を熱サイクルにかけたときのスポーリ
ングに対する耐性を増大するために、従来、セラミック
層の気孔、微細亀裂および分断の存在の結果として歪許
容度の高められたセラミック層が提案されている。ガス
タービンエンジンの高温領域に用いられる断熱皮膜系
は、通常、スポーリングを起こす有害な応力を引き起こ
すことなく成長することができる柱状の結晶粒組織を生
成する物理蒸着（ＰＶＤ）技術によって析出されてい
る。
【０００５】ボンディングコートも、断熱皮膜系のスポ
ーリング耐性を促進するのに重大である。上に述べたよ
うに、ボンディングコートはその下にある超合金基材に
対して酸化障壁を提供する。従来のボンディングコート
材料は拡散アルミ化物や前記ＭＣｒＡｌＹ合金などのよ
うにアルミニウムを含有しており、そのため、そのよう
なボンディングコートは酸化により強く密着した連続し
た酸化アルミニウム層（アルミナスケール）に成長する
ことができる。この酸化物層はセラミック層をボンディ
ングコートに化学的に接合し、そのボンディングコート
およびその下にある基材を酸化および高温腐食から保護
する。
【０００６】ボンディングコート材料は特別に合金化さ
れて耐酸化性とされているが、酸化は高温で時間が経過
すると必然的に発生し、そのためアルミニウムがボンデ
ィングコートから次第に消耗される。さらに、アルミニ
ウムは超合金基材中に拡散する結果としてもボンディン
グコートから失われる。最終的に、ボンディングコート
内のアルミニウムのレベルはそれ以上酸化アルミニウム
の成長がなくなる程までに消耗され、この時点でボンデ
ィングコートと酸化物層との間の界面でスポーリングが
起こり得る。ボンディングコートが所望の酸化アルミニ
ウム層を形成する能力は、アルミニウムの消耗に加え
て、拡散アルミ化物皮膜の形成中または高温曝露中など
のように超合金からボンディングコートへの元素の拡散
によっても妨害され得る。ボンディングコート内部での
そのような元素の酸化は、ボンディングコート内のアル
ミニウムが酸化および相互拡散によって消耗されるにつ
れて優先して起こるようになり得る。
【０００７】以上のことから明らかなように、断熱皮膜
の実用寿命は断熱セラミック層を定着させるのに使用さ
れるボンディングコートに依存しており、この断熱セラ
ミック層は高温で時間が経過するとアルミニウムの消耗
および超合金基材との相互拡散の結果として劣化する傾
向がある。一旦セラミック層のスポーリングが起こる
と、その部品は相当な費用をかけて新装または廃棄しな
ければならない。したがって、断熱皮膜系の実用寿命を
さらに向上させることができれば望ましいであろう。
【０００８】
【発明の目的】本発明の目的は、ガスタービンエンジン
の超合金部品のように苛酷な熱環境で使用するように設
計された物品用の改良された断熱皮膜系とプロセスを提
供することである。本発明のもうひとつの目的は、本皮
膜系が、物品の表面に形成されたアルミニウムに富んだ
ボンディングコートと、そのボンディングコートの上の
断熱セラミック層とを含むことである。
【０００９】本発明のさらなる目的は、本皮膜系が物品
からボンディングコートへの元素の拡散を抑制すること
である。本発明のさらに別の目的は、本皮膜系が物品の
表面に浸炭されたゾーンを含み、耐火金属が物品からボ
ンディングコート中へ拡散するのを抑制するようにその
耐火金属の炭化物が物品表面に形成されることである。
【００１０】
【発明の概要】本発明は、概して、ガスタービンエンジ
ンの超合金タービン、燃焼器およびオーグメンター部品
のように過酷な熱環境で使用するように設計された物品
用の断熱皮膜系およびそのような物品上にそのような皮
膜系を形成する方法を提供する。本方法は、特に、断熱
セラミック層を含む断熱皮膜系の耐スポーリング性を増
大させることを目的としている。
【００１１】本発明によれば、アルミニウムの消耗に加
えて、アルミニウムに富んだボンディングコートがその
表面に酸化アルミニウム層を形成し維持する能力は、超
合金基材からボンディングコート中への耐火金属の拡散
によって妨害されることがある。ボンディングコート中
に拡散した耐火金属はアルミニウムの拡散を遅くし、酸
化アルミニウムの成長速度を速くする。アルミニウムが
酸化によりボンディングコートから消耗されると共に、
タンタル、タングステン、モリブデン、レニウム、ジル
コニウム、クロム、チタンおよびハフニウムなどのよう
な耐火金属はボンディングコートを通ってそのボンディ
ングコート表面に拡散しやすくなる。その表面では、耐
火金属は、ボンディングコートに対して、そしてセラミ
ック層の密着性に対して有害な嵩高くて非接着性の酸化
物を迅速に形成する。ある種の単結晶超合金は、比較的
高含量の耐火金属のために、特に耐火金属がボンディン
グコート中へ拡散し易い。
【００１２】以上のことに基づき、本発明の断熱皮膜系
は、断熱皮膜系を形成しようとする部品表面に、浸炭さ
れたゾーンを含んでいる。次に、浸炭された表面上に、
アルミニウムに富んだ適切なボンディングコートを形成
した後、ボンディングコートの酸化により酸化アルミニ
ウム層を形成する。次いでこの酸化物層の上に化学的に
接合されるように断熱セラミック層を形成する。本発明
によると、部品の表面を適当に浸炭することで、部品の
下層の超合金基材中に存在する耐火金属を固定する炭化
物を形成するのに役立つ。この浸炭されたゾーンの利点
は、部品が１種以上の耐火金属、たとえばタンタル、タ
ングステン、モリブデン、レニウム、チタン、クロム、
ハフニウムおよびジルコニウムを比較的高レベル、たと
えば２重量％以上含有する超合金である場合に特に顕著
である。
【００１３】本発明によると、浸炭プロセスは、厚さが
約１００μｍ以下、好ましくは約２５〜約５０μｍ程度
の浸炭されたゾーンが得られるように実施しなければな
らない。また、この浸炭されたゾーンは１種以上の耐火
金属の炭化物を約２５〜約７５容量％含有するのが好ま
しい。以上のようにして形成された断熱皮膜系は耐スポ
ーリング性が高まっており、したがって従来の断熱皮膜
系より５倍も長い実用寿命を示すことができる。
【００１４】耐火金属の炭化物を固定するという利点に
加えて、本発明によって提供される浸炭された表面は、
皮膜系のセラミック層の熱膨張係数により近くなるよう
に、部品基材の熱膨張係数を下げる。それ故に、部品の
浸炭された表面は熱で誘導される応力がより低くなる結
果として、セラミック層との適合性が良くなっている。
最後に、部品表面の浸炭により、その表面に炭化物のサ
ブミクロン析出物が形成され、これら析出物はイオウそ
の他の有害なトランプ元素を捕捉する。その結果とし
て、セラミック層の密着性に悪影響を及ぼすこれらの元
素のボンディングコート‐酸化物スケール界面への偏析
が防止される。
【００１５】本発明の他の目的と利点は以下の詳細な説
明から理解されるであろう。
【００１６】
【発明の詳細な記述】以下、例示として添付の図面を参
照して本発明を説明する。本発明は、比較的高い温度を
特徴とする環境内で作動し、したがって厳しい熱応力と
熱サイクルにさらされる部品に対して広く適用可能であ
る。そのような部品の重要な例としては、ガスタービン
エンジンの低圧および高圧のタービンノズル並びにブレ
ード、シュラウド、燃焼器ライナーおよびオーグメンタ
ーハードウェアがある。高圧タービンブレード１０の一
例を図１に示す。ブレード１０は通常翼１２を含んでお
り、この翼１２にはガスタービンエンジンの作動中に高
温の燃焼ガスがぶつかり、したがってその表面は酸化、
腐食および侵食による厳しい攻撃にさらされる。翼１２
は、ブレード１０の根部１６に形成したばち形溝１４に
よってタービンディスク（図示してない）に固定され
る。翼１２には冷却用通路１８が存在しており、その中
を通ってブリード空気が流されてブレード１０からの熱
を伝達する。図１に示した高圧タービンブレード１０に
関連して本発明の利点を説明するが、本発明の教示は部
品をその環境から保護するのに環境皮膜を使用できるい
かなる部品にも広く適用可能である。
【００１７】図２に、本発明による断熱皮膜系２０を示
す。図示したように、皮膜系２０は、典型的にはブレー
ド１０のベース材料である基材２２を覆うボンディング
コート２４を含んでいる。本発明において基材２２（し
たがってブレード１０）に適した材料としては方向性凝
固させた等軸単結晶のニッケル基およびコバルト基超合
金がある。本発明は、１種以上の耐火金属を含有する単
結晶超合金の場合に特に有利である。注目すべき一例
は、米国特許出願第０８／２７０，５２８号に開示され
ているルネ(Rene)Ｎ５といわれる単結晶ニッケル基超合
金である。この超合金は公称で、約７％（％は重量％）
のクロム、約１．５％のモリブデン、約５％のタングス
テン、約３％のレニウム、約６．５％のタンタルおよび
約０．１５％のハフニウム、ならびに他の重要な各種合
金化成分を含有している。以下に述べるように、本発明
は、比較的低いレベル、たとえば０．５重量％以下の炭
素を含有する超合金で特に有利である。
【００１８】ガスタービンエンジンの部品向けの断熱皮
膜系で典型的なように、ボンディングコート２４は拡散
アルミ化物、アルミ化白金または業界で公知のタイプの
ＭＣｒＡｌＹ合金のようなアルミニウムに富んだ合金で
ある。酸化アルミニウムスケール（図示してない）はボ
ンディングコート２４で自然に発生し、ボンディングコ
ート２４の強制酸化によってより迅速に成長することが
できる。この酸化物スケールは、ボンディングコート２
４と基材２２のさらなる酸化を抑制するので、下層の基
材２２に対する環境保護を提供する。図示したように、
本発明の皮膜系２０は、ボンディングコート２４の表面
にある酸化物スケールによってボンディングコート２４
と化学的に接合される断熱セラミック層２６も含んでい
る。歪耐性の柱状結晶粒組織を得るために、セラミック
層２６は、業界で公知の技術を用いた物理蒸着によって
析出させるのが好ましいが、空気プラズマ溶射技術も使
用することができる。セラミック層２６に好ましい材料
はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であり、好ま
しい組成はイットリアが約６〜約８重量％であるが、他
のセラミック材料、たとえばイットリア、非安定化ジル
コニア、もしくはマグネシア、セリア、スカンジアその
他の酸化物で安定化されたジルコニアも使用できる。セ
ラミック層２６は、下層の基材２２とブレード１０に必
要とされる熱的保護を提供するのに充分な厚さ、通常は
約７５〜約３００μｍの程度の厚さで析出される。
【００１９】本発明において、皮膜系２０はさらに、基
材２２の表面、すなわち基材とボンディングコート２４
との界面に浸炭されたゾーン２８も含んでいる。この浸
炭されたゾーン２８は超合金基材２２内の耐火金属を固
定するのに役立ち、したがってボンディングコート２４
は、従来技術のボンディングコートとその超合金基材で
観察される元素の相互作用と相互拡散をし難くする。本
発明は、浸炭されたゾーン２８が、耐火金属が炭化物と
して、たとえばＭＣ、Ｍ6 ＣまたはＭ23Ｃ6 として確実
に固定されるのに充分な炭素を基材２２の表面に提供す
るよう意図されているので、比較的低レベル、たとえば
０．５重量％以下の炭素を含有する超合金に特に有利で
ある。
【００２０】耐火金属に対する望ましい効果に加えて、
本発明の重要な一面は、基材２２とボンディングコート
２４との界面における基材２２の熱膨張係数を下げるの
に充分な容量の炭化物を含有するように浸炭されたゾー
ン２８を形成することである。そうすることで、基材２
２とセラミック層２６との間の熱的に誘導される応力の
レベルが低下されるか、または漸変される。その結果、
皮膜系２０がよりスポーリング耐性になる。最後に、浸
炭されたゾーン２８は、イオウその他の有害なトランプ
元素を捕捉するサブミクロンの炭化物析出物で構成され
る、ボンディングコート２４との非粘着性界面を提供す
る。このイオウその他の有害なトランプ元素は、さもな
くば、ボンディングコート２４とその酸化物スケールと
の間の界面に偏析し、そこでセラミック層２６のスポー
リングを引き起こすかまたは促進する。
【００２１】本発明において、基材２２の表面は、上記
した利点を達成する浸炭されたゾーン２８を形成するよ
うに適切に加工しなければならない。特に、耐火金属は
反応して、浸炭されたゾーン２８の約２５〜約７５容量
％を構成する炭化物を形成し、少なくとも約２５μｍの
深さまで、しかし好ましくは基材２２の機械的性質を大
きく損なうのを避けるために約１００μｍの深さを超え
ないように伸びる浸炭されたゾーン２８を与える。適切
な浸炭プロセスでは、最初に、たとえば約６０psig（約
４バール）で２４０グリット酸化アルミニウム粒子など
で、基材２２をグリットブラストする。次に、浸炭ガス
として約１：１０の比の水素ガスとメタンの混合物を用
いて標準的な浸炭炉で基材２２を浸炭することができる
が、一酸化炭素と二酸化炭素の混合物を用いることもで
きる。鋼鉄に対して典型的な技術などの従来の浸炭技術
とは異なり、本発明の浸炭プロセスは、約０．５気圧
（約０．５バール）未満の圧力で実施するのが好まし
い。次に、基材２２を少なくとも約９００℃、高くとも
約１２００℃、好ましくは約１０８０℃（約１９７５°
Ｆ）の温度に約１〜４時間加熱する。次いで、基材２２
を炉の浸炭ガス雰囲気中で室温まで放冷する。取り出し
た後、通常の加工を実施して皮膜系２０のボンディング
コート２４、酸化物スケールおよびセラミック層２６を
形成することができる。
【００２２】注目すべきことに、本発明の浸炭プロセス
に好ましい圧力、温度および時間はシェファー(Schaeff
er) の米国特許第５，３３４，２６３号に開示されてい
るものと異なっている。また、シェファー(Schaeffer)
の教示した浸炭プロセスの意図は、セラミック断熱皮膜
なしに環境皮膜として使用される拡散アルミ化物皮膜の
下の二次反応ゾーン（ＳＲＺ）の形成を抑制することに
関連している。したがって、本発明が対面し解決した問
題はシェファー(Schaeffer) のものとは大きく異なって
いる。最後に、シェファー(Schaeffer) の教示は、本明
細書に開示し図２に示したタイプの断熱皮膜系の耐スポ
ーリング性を促進するのに必要とされる炭化物の適切な
分布を確保するものではない。したがって、当業者は、
シェファー(Schaeffer) の教示を本発明の主題に適用す
ることを動機付けられないであろう。
【００２３】好ましい具体例に関して本発明を説明して
来たが、当業者にはその他の形態も明らかである。した
がって、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限
定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】高圧タービンブレードの透視図である。
【図２】図１のブレードの２−２線に沿った断面図であ
り、本発明に従ってブレード上に設けた断熱皮膜を示
す。
【符号の説明】
１０ 部品 ２０ 断熱皮膜系 ２２ 超合金 ２４ アルミニウムに富んだボンディングコート ２６ セラミック層 ２８ 浸炭されたゾーン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケヴィン・スウェイン・オハラ アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ボ ックスフォード、ワイルドメドウ・ロー ド、９番 Ｆターム(参考） 3G002 EA05 EA06 EA08 4K044 AA06 BA12 BA13 BA18 BB04 BC11 CA12 CA13

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 モリブデン、タングステン、レニウム、
    タンタル、チタン、クロム、ハフニウムおよびジルコニ
    ウムより成る群の中から選択される少なくとも１種の耐
    火金属を含有する超合金（２２）で形成され、表面に断
    熱皮膜系（２０）を有する部品（１０）であって、断熱
    皮膜系（２０）が、 厚さ約１００μｍまでであって約２５〜約７５容量％の
    炭化物を含有する浸炭されたゾーン（２８）を特徴とし
    ており、前記少なくとも１種の耐火金属の炭化物を含有
    している、部品（１０）上にある浸炭された表面と、 浸炭された表面上にあるアルミニウムに富んだボンディ
    ングコート（２４）と、 ボンディングコート（２４）上にある酸化アルミニウム
    層と、および酸化アルミニウム層上にあるセラミック層
    （２６）とからなっている、前記部品（１０）。
  2. 【請求項２】 ボンディングコート（２４）が拡散アル
    ミ化合金である、請求項１記載の部品（１０）。
  3. 【請求項３】 ボンディングコート（２４）が拡散アル
    ミ化白金合金である、請求項１記載の部品（１０）。
  4. 【請求項４】 ボンディングコート（２４）がＭＣｒＡ
    ｌＹ合金（ここで、Ｍは鉄、コバルトおよび／またはニ
    ッケルである）である、請求項１記載の部品（１０）。
  5. 【請求項５】 超合金（２２）が約１．５重量％のモリ
    ブデン、約５重量％のタングステン、約３重量％のレニ
    ウム、約６．５重量％のタンタル、約７重量％のクロ
    ム、約０．１５重量％のハフニウムおよび０．５重量％
    以下の炭素を含有する、請求項１記載の部品（１０）。
  6. 【請求項６】 表面に断熱皮膜系（２０）を有する部品
    （１０）であって、断熱皮膜系（２０）が、 モリブデン、タングステン、レニウム、タンタル、チタ
    ン、クロム、ハフニウムおよびジルコニウムより成る群
    の中から選択される少なくとも１種の耐火金属を少なく
    とも２重量％含有する超合金基材（２２）と、 厚さ約１００μｍまでの浸炭されたゾーン（２８）およ
    び約２５〜約７５容量％の少なくとも１種の耐火金属の
    炭化物を特徴とする、基材（２２）上にある浸炭された
    表面と、 浸炭された表面上にあるアルミニウムに富んだボンディ
    ングコート（２４）と、 ボンディングコート（２４）上にある酸化アルミニウム
    層と、および酸化アルミニウム層上にあるセラミック層
    （２６）とからなっている、前記部品（１０）。
  7. 【請求項７】 部品（１０）の表面に断熱皮膜系（２
    ０）を形成する方法であって、 約９００℃〜約１２００℃の温度、約０．５気圧未満の
    圧力で約１〜約４時間かけて部品（１０）の表面を浸炭
    して、厚さが約１００μｍまでであって約２５〜約７５
    容量％の炭化物を含有する浸炭されたゾーン（２８）を
    生成させ、 その表面上にアルミニウムに富んだボンディングコート
    （２４）を形成し、 そのボンディングコート（２４）上に酸化アルミニウム
    層を形成し、次いでその酸化アルミニウム層上にセラミ
    ック層（２６）を形成することからなる方法。
  8. 【請求項８】 浸炭工程で、耐火金属の少なくとも１種
    の炭化物が存在することを特徴とする浸炭されたゾーン
    （２８）が生成する、請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 ボンディングコート（２４）が拡散アル
    ミ化合金またはＭＣｒＡｌＹ合金（ここで、Ｍは鉄、コ
    バルトおよび／またはニッケルである）である、請求項
    ７記載の方法。
  10. 【請求項１０】 部品（１０）が、少なくとも１種の耐
    火金属を少なくとも約２重量％と０．５重量％以下の炭
    素を含有する超合金で形成されている、請求項７記載の
    方法。
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