JP2002348681A - 改良プラズマ溶射熱ボンドコート系 - Google Patents
改良プラズマ溶射熱ボンドコート系Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来よりも薄いボンドコートを用いて、耐環
境性や耐剥離性に悪影響を与えずに従来の被覆法よりも
低コストで高性能な遮熱コーティング系を形成する方
法。 【解決手段】 コーティング系（２０）はセラミック層
（２６）とセラミック層を部品表面に密着させる耐環境
性β−ＮｉＡｌボンドコート（２４）とからなる。熱処
理時にβ−ＮｉＡｌ表面に薄い酸化アルミニウムスケー
ル（２８）が生成する。セラミック層（２６）の下に追
加の拡散アルミナイド層を形成してもよい。β−ＮｉＡ
ｌは、ニッケル及びアルミニウム以外に、ハフニウム、
クロム、ジルコニウム等の合金元素を含有し得る。β−
ＮｉＡｌ粉体は、粒度２０〜５０μｍの粉体として供給
される。大気プラズマ溶射技術を用いてβ−ＮｉＡｌ粉
体を堆積し、表面粗さを４００マイクロインチ以上とす
る。
境性や耐剥離性に悪影響を与えずに従来の被覆法よりも
低コストで高性能な遮熱コーティング系を形成する方
法。 【解決手段】 コーティング系（２０）はセラミック層
（２６）とセラミック層を部品表面に密着させる耐環境
性β−ＮｉＡｌボンドコート（２４）とからなる。熱処
理時にβ−ＮｉＡｌ表面に薄い酸化アルミニウムスケー
ル（２８）が生成する。セラミック層（２６）の下に追
加の拡散アルミナイド層を形成してもよい。β−ＮｉＡ
ｌは、ニッケル及びアルミニウム以外に、ハフニウム、
クロム、ジルコニウム等の合金元素を含有し得る。β−
ＮｉＡｌ粉体は、粒度２０〜５０μｍの粉体として供給
される。大気プラズマ溶射技術を用いてβ−ＮｉＡｌ粉
体を堆積し、表面粗さを４００マイクロインチ以上とす
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンエン
ジンの部品のような高温に暴露される部品のための保護
コーティングに関する。具体的には、本発明はＮｉＡｌ
ボンドコートとセラミックトップコートを利用した遮熱
コーティング系を大気プラズマ溶射法を用いて形成する
ための方法に関する。
ジンの部品のような高温に暴露される部品のための保護
コーティングに関する。具体的には、本発明はＮｉＡｌ
ボンドコートとセラミックトップコートを利用した遮熱
コーティング系を大気プラズマ溶射法を用いて形成する
ための方法に関する。
【０００２】
【発明の技術的背景】ガスタービンエンジンではその効
率を向上させるべく運転温度を高めることが絶えず求め
られている。しかし、運転温度の上昇に伴ってエンジン
部品の高温耐久性を向上させる必要がある。ニッケル基
及びコバルト基超合金の組成を通して高温性能は著しく
進歩したが、タービン、燃焼器、オグメンタなど、ガス
タービンエンジンの幾つかのセクションに位置する部品
の製造には、かかる合金だけでは不十分なことが多い。
一般的な解決策は、かかる部品の使用温度をできるだけ
下げるとともに環境保護皮膜を施して高温で腐食性の酸
化性ガスに起因する劣化を防止するため、かかる部品を
高温の燃焼ガスから熱的に遮蔽することである。かかる
目的のため、高温部品の露出面に形成した遮熱コーティ
ング（ＴＢＣ）系が多用されている。
率を向上させるべく運転温度を高めることが絶えず求め
られている。しかし、運転温度の上昇に伴ってエンジン
部品の高温耐久性を向上させる必要がある。ニッケル基
及びコバルト基超合金の組成を通して高温性能は著しく
進歩したが、タービン、燃焼器、オグメンタなど、ガス
タービンエンジンの幾つかのセクションに位置する部品
の製造には、かかる合金だけでは不十分なことが多い。
一般的な解決策は、かかる部品の使用温度をできるだけ
下げるとともに環境保護皮膜を施して高温で腐食性の酸
化性ガスに起因する劣化を防止するため、かかる部品を
高温の燃焼ガスから熱的に遮蔽することである。かかる
目的のため、高温部品の露出面に形成した遮熱コーティ
ング（ＴＢＣ）系が多用されている。
【０００３】遮熱コーティング系は、それを有効なもの
とするには、低い熱伝導性を有し、部品に強く密着し、
かつ幾多の加熱冷却サイクルを通して密着性を保持しな
ければならない。また、その下の基材を環境損傷から保
護しなければならない。基材への密着性は遮熱コーティ
ングとして通例使用されるセラミック材料のような熱伝
導性の低い材料とタービンエンジン部品の製造に通例使
用される超合金材料との間に熱膨張率の差があるため、
技術的難問である。上記の諸条件を満足し得る遮熱コー
ティング系には、概して、部品表面に中間層として金属
ボンドコートを施工する必要があり、金属ボンドコート
は基材材料の熱膨張率と遮熱層として使用されるセラミ
ック材料の熱膨張率との中間にある熱膨張率を有し得る
が、本来はタービン環境にみられる酸化性で腐食性の高
温燃焼ガスから環境保護をもたらすべく処方される。か
かるコーティングは密着性熱成長酸化物（ＴＧＯ）層を
生じ、その上面に堆積されるＴＢＣの密着を補助する。
とするには、低い熱伝導性を有し、部品に強く密着し、
かつ幾多の加熱冷却サイクルを通して密着性を保持しな
ければならない。また、その下の基材を環境損傷から保
護しなければならない。基材への密着性は遮熱コーティ
ングとして通例使用されるセラミック材料のような熱伝
導性の低い材料とタービンエンジン部品の製造に通例使
用される超合金材料との間に熱膨張率の差があるため、
技術的難問である。上記の諸条件を満足し得る遮熱コー
ティング系には、概して、部品表面に中間層として金属
ボンドコートを施工する必要があり、金属ボンドコート
は基材材料の熱膨張率と遮熱層として使用されるセラミ
ック材料の熱膨張率との中間にある熱膨張率を有し得る
が、本来はタービン環境にみられる酸化性で腐食性の高
温燃焼ガスから環境保護をもたらすべく処方される。か
かるコーティングは密着性熱成長酸化物（ＴＧＯ）層を
生じ、その上面に堆積されるＴＢＣの密着を補助する。
【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、具体的にはイットリア（Ｙ2Ｏ3）、
マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ2 ）、スカンジ
ア（Ｓｃ2Ｏ3）その他の酸化物で安定化したジルコニア
（ＺｒＯ2 ）がある。これらの材料はプラズマ溶射、フ
レーム溶射及び物理蒸着法で容易に施工できるので、当
技術分野で広く使用されている。熱サイクル暴露時のセ
ラミック層の剥離耐性を高めるため、ガスタービンエン
ジンの高温部に用いられる遮熱コーティング系は物理蒸
着（ＰＶＤ）技術、特に電子ビーム蒸着（ＥＢ−ＰＶ
Ｄ）法で通例施工され、これは歪み耐性をもつと考えら
れている耐剥離性の柱状結晶粒組織をセラミック層に生
じる。こうした高温表面部にセラミック層を施工するに
はＰＶＤ法が好ましい。内部冷却流体用供給路と外表面
とを連絡する冷却穴では厚さをスムースに移行させるこ
とが必要とされるからである。表面に開いた冷却穴の数
が多くなく、ＰＶＤ法で効率的かつ経済的に施工し得る
ものよりも厚いコーティングでの熱的保護が必要とされ
る領域では大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法が用いられ
る。ＡＰＳセラミックコーティングには、通例、二層間
の機械的接着を向上させるのに十分な表面粗さをもつボ
ンドコートが必要とされる。
が使用されており、具体的にはイットリア（Ｙ2Ｏ3）、
マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ2 ）、スカンジ
ア（Ｓｃ2Ｏ3）その他の酸化物で安定化したジルコニア
（ＺｒＯ2 ）がある。これらの材料はプラズマ溶射、フ
レーム溶射及び物理蒸着法で容易に施工できるので、当
技術分野で広く使用されている。熱サイクル暴露時のセ
ラミック層の剥離耐性を高めるため、ガスタービンエン
ジンの高温部に用いられる遮熱コーティング系は物理蒸
着（ＰＶＤ）技術、特に電子ビーム蒸着（ＥＢ−ＰＶ
Ｄ）法で通例施工され、これは歪み耐性をもつと考えら
れている耐剥離性の柱状結晶粒組織をセラミック層に生
じる。こうした高温表面部にセラミック層を施工するに
はＰＶＤ法が好ましい。内部冷却流体用供給路と外表面
とを連絡する冷却穴では厚さをスムースに移行させるこ
とが必要とされるからである。表面に開いた冷却穴の数
が多くなく、ＰＶＤ法で効率的かつ経済的に施工し得る
ものよりも厚いコーティングでの熱的保護が必要とされ
る領域では大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法が用いられ
る。ＡＰＳセラミックコーティングには、通例、二層間
の機械的接着を向上させるのに十分な表面粗さをもつボ
ンドコートが必要とされる。
【０００５】ボンドコートは、界面にＴＧＯを生成させ
て部品へのセラミック層の密着性を高めるため、通例耐
酸化性アルミニウム含有合金から形成される。ボンドコ
ートは、遮熱コーティング系の耐剥離性の向上に決定的
な重要性をもつ。従来技術のボンドコートの具体例に
は、ＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又は
ニッケルである）、ニッケルアルミナイドや白金アルミ
ナイドボンドコートのような拡散コーティング、及び耐
酸化性アルミニウム基金属間化合物であるベータ相Ｎｉ
Ａｌがある。ＭＣｒＡｌＹボンドコートは通例大気プラ
ズマ溶射（ＡＰＳ）法で施工されるが、ベータ相ＮｉＡ
ｌは通例減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）法又は高速ガス
フレーム溶射（ＨＶＯＦ）法で施工される。ＬＰＰＳボ
ンドコートは平滑であり、密着性の高い滑らかな連続Ｔ
ＧＯ層を成長し、このＴＧＯ層はセラミック層をボンド
コートに化学的に結合するとともに、ボンドコート及び
その下の基材を酸化及び高温腐食から保護する。
て部品へのセラミック層の密着性を高めるため、通例耐
酸化性アルミニウム含有合金から形成される。ボンドコ
ートは、遮熱コーティング系の耐剥離性の向上に決定的
な重要性をもつ。従来技術のボンドコートの具体例に
は、ＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又は
ニッケルである）、ニッケルアルミナイドや白金アルミ
ナイドボンドコートのような拡散コーティング、及び耐
酸化性アルミニウム基金属間化合物であるベータ相Ｎｉ
Ａｌがある。ＭＣｒＡｌＹボンドコートは通例大気プラ
ズマ溶射（ＡＰＳ）法で施工されるが、ベータ相ＮｉＡ
ｌは通例減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）法又は高速ガス
フレーム溶射（ＨＶＯＦ）法で施工される。ＬＰＰＳボ
ンドコートは平滑であり、密着性の高い滑らかな連続Ｔ
ＧＯ層を成長し、このＴＧＯ層はセラミック層をボンド
コートに化学的に結合するとともに、ボンドコート及び
その下の基材を酸化及び高温腐食から保護する。
【０００６】ボンドコート材料は薄い密着性アルミナス
ケールの生成によって酸化及び腐食に耐えるように合金
化され、アルミナスケールにはさらにクロミアその他の
反応性酸化物又は元素を添加し得る。ただし、かかる薄
いアルミナスケール又はクロミア添加アルミナスケール
を耐環境コーティングとして単独（すなわち、セラミッ
クトップコートなし）で使用すると、高温腐食環境によ
って悪影響を受けるが、迅速に再生される。しかし、代
替スケールの再生は耐環境コーティングから次第にアル
ミニウムを消尽させる。また、耐環境コーティング又は
ＴＢＣ用ボンドコートとして用いた場合、アルミニウム
は超合金基材内への相互拡散の結果ボンドコートから失
われる。結局、ボンドコート中のアルミニウム濃度が減
少して保護アルミナスケールはそれ以上生成しなくなる
か及び／又はＴＧＯ中の応力が著しく増大してボンドコ
ートとセラミック層との界面で剥離を生じかねない。
ケールの生成によって酸化及び腐食に耐えるように合金
化され、アルミナスケールにはさらにクロミアその他の
反応性酸化物又は元素を添加し得る。ただし、かかる薄
いアルミナスケール又はクロミア添加アルミナスケール
を耐環境コーティングとして単独（すなわち、セラミッ
クトップコートなし）で使用すると、高温腐食環境によ
って悪影響を受けるが、迅速に再生される。しかし、代
替スケールの再生は耐環境コーティングから次第にアル
ミニウムを消尽させる。また、耐環境コーティング又は
ＴＢＣ用ボンドコートとして用いた場合、アルミニウム
は超合金基材内への相互拡散の結果ボンドコートから失
われる。結局、ボンドコート中のアルミニウム濃度が減
少して保護アルミナスケールはそれ以上生成しなくなる
か及び／又はＴＧＯ中の応力が著しく増大してボンドコ
ートとセラミック層との界面で剥離を生じかねない。
【０００７】アルミニウムの消尽に加え、ボンドコート
表面に望ましいアルミナスケールを生成するボンドコー
トの能力は、例えば拡散アルミナイドコーティング形成
時又は高温暴露時のように超合金からボンドコート内へ
の元素の拡散によって妨げられることがある。ボンドコ
ート内部でのかかる元素の酸化は、ボンドコート中のア
ルミニウムが酸化及び相互拡散によって消尽すると、熱
力学的に促進されることがある。ＴＧＯ中に導入され高
レベルのニッケル、クロム、チタン、タンタル、タング
ステン及びモリブデンのような元素は、酸化物スケール
の成長速度を増大させ、セラミック層の密着に有害とな
りかねない非密着性スケールをボンドコート表面に生成
するおそれがある。かかる問題に対処するための一つの
方法は、例えば、Ｎａｇａｒａｊ他の米国特許第５９７
５８５２号にみられるように、ＬＰＰＳのような方法を
用いて超合金部品の表面にモノリシックなベータ相Ｎｉ
Ａｌ層を追加することであり、酸化物層はβ−ＮｉＡｌ
層の表面に直接に生成する。比較的微細な粉体を用いる
ＬＰＰＳは比較的滑らかな表面を生じるので、β−Ｎｉ
Ａｌ層の施工後、例えば電解研磨、蒸気ホーニング又は
軽いブラスト加工によって被覆表面を表面粗さＲaが約
５０マイクロインチ（約１．２マイクロメートル）を超
えるように処理する。部品の実用寿命を向上させるた
め、かかる層は厚くなければならない。次いで、柱状結
晶粒を有するセラミックトップコートを物理蒸着（ＰＶ
Ｄ）法で施工する。ただし、ボンドコートとＡＰＳセラ
ミックトップコートと機械的接着を高めるため表面仕上
げを粗くするためボンドコートを意図的に溶射すること
が多い。
表面に望ましいアルミナスケールを生成するボンドコー
トの能力は、例えば拡散アルミナイドコーティング形成
時又は高温暴露時のように超合金からボンドコート内へ
の元素の拡散によって妨げられることがある。ボンドコ
ート内部でのかかる元素の酸化は、ボンドコート中のア
ルミニウムが酸化及び相互拡散によって消尽すると、熱
力学的に促進されることがある。ＴＧＯ中に導入され高
レベルのニッケル、クロム、チタン、タンタル、タング
ステン及びモリブデンのような元素は、酸化物スケール
の成長速度を増大させ、セラミック層の密着に有害とな
りかねない非密着性スケールをボンドコート表面に生成
するおそれがある。かかる問題に対処するための一つの
方法は、例えば、Ｎａｇａｒａｊ他の米国特許第５９７
５８５２号にみられるように、ＬＰＰＳのような方法を
用いて超合金部品の表面にモノリシックなベータ相Ｎｉ
Ａｌ層を追加することであり、酸化物層はβ−ＮｉＡｌ
層の表面に直接に生成する。比較的微細な粉体を用いる
ＬＰＰＳは比較的滑らかな表面を生じるので、β−Ｎｉ
Ａｌ層の施工後、例えば電解研磨、蒸気ホーニング又は
軽いブラスト加工によって被覆表面を表面粗さＲaが約
５０マイクロインチ（約１．２マイクロメートル）を超
えるように処理する。部品の実用寿命を向上させるた
め、かかる層は厚くなければならない。次いで、柱状結
晶粒を有するセラミックトップコートを物理蒸着（ＰＶ
Ｄ）法で施工する。ただし、ボンドコートとＡＰＳセラ
ミックトップコートと機械的接着を高めるため表面仕上
げを粗くするためボンドコートを意図的に溶射すること
が多い。
【０００８】ＬＰＰＳとは対照的に、アルミニウムを含
有するＡＰＳボンドコートは空気存在下高温で施工され
るので、本質的に内包酸化物を生じ、暴露時に生成する
スケールは滑らかでも連続したものでもなくなる。その
結果、ＡＰＳボンドコートを用いた遮熱コーティング系
はＬＰＰＳボンドコートを用いた系の高温（例えば１０
００℃以上）酸化耐性を有していなかった。さらに、非
ベータ相ＮｉＡｌ系ＡＰＳボンドコートへの溶射セラミ
ック層の付着には、ボンドコートの表面粗さＲ aが約２
００〜約５００マイクロインチでＡＰＳセラミックトッ
プコートが実質的に機械的接着によってボンドコートに
結合することが必要とされる。
有するＡＰＳボンドコートは空気存在下高温で施工され
るので、本質的に内包酸化物を生じ、暴露時に生成する
スケールは滑らかでも連続したものでもなくなる。その
結果、ＡＰＳボンドコートを用いた遮熱コーティング系
はＬＰＰＳボンドコートを用いた系の高温（例えば１０
００℃以上）酸化耐性を有していなかった。さらに、非
ベータ相ＮｉＡｌ系ＡＰＳボンドコートへの溶射セラミ
ック層の付着には、ボンドコートの表面粗さＲ aが約２
００〜約５００マイクロインチでＡＰＳセラミックトッ
プコートが実質的に機械的接着によってボンドコートに
結合することが必要とされる。
【０００９】ＡＰＳボンドコートは、溶射時の表面粗さ
が大きく、設備費が安く、施工及びマスキングが容易で
あるため、往々にして好まれる。その結果、パックセメ
ンテーション又は非接触式蒸気（気相）法でボンドコー
ト表面にアルミニウムを拡散させるオーバーコートアル
ミナイジングを始め、ＡＰＳボンドコートの耐酸化性を
向上させるための様々な方策が提案されている。しか
し、結果はばらつきがみられ、追加段階により製造コス
トが増大する。さらに、拡散アルミナイド及びＬＰＰＳ
ボンドコートの耐酸化性をさらに向上させるため様々な
上層コーティングが提案されているが（例えば、Ｎａｇ
ａｒａｊ他の米国特許第５９７５８５２号）、かかる技
術では耐歪み性ＰＶＤセラミックトップコートをボンド
コートに付着させることができるように減圧プラズマ溶
射法が用いられてきた。
が大きく、設備費が安く、施工及びマスキングが容易で
あるため、往々にして好まれる。その結果、パックセメ
ンテーション又は非接触式蒸気（気相）法でボンドコー
ト表面にアルミニウムを拡散させるオーバーコートアル
ミナイジングを始め、ＡＰＳボンドコートの耐酸化性を
向上させるための様々な方策が提案されている。しか
し、結果はばらつきがみられ、追加段階により製造コス
トが増大する。さらに、拡散アルミナイド及びＬＰＰＳ
ボンドコートの耐酸化性をさらに向上させるため様々な
上層コーティングが提案されているが（例えば、Ｎａｇ
ａｒａｊ他の米国特許第５９７５８５２号）、かかる技
術では耐歪み性ＰＶＤセラミックトップコートをボンド
コートに付着させることができるように減圧プラズマ溶
射法が用いられてきた。
【００１０】高温でのコーティングの施工にＡＰＳが用
いられてきたが、従来技術の示すところでは、かかる高
温はＡＰＳ作業中に生成する酸化物量が大きいことを必
然的に意味する。ＡＰＳでの施工は粗い表面仕上げを生
じるので、ＰＶＤ法で信頼できるＴＢＣを施工するのに
必要とされる平滑で連続した付着促進性酸化物スケール
の生成を妨げる。
いられてきたが、従来技術の示すところでは、かかる高
温はＡＰＳ作業中に生成する酸化物量が大きいことを必
然的に意味する。ＡＰＳでの施工は粗い表面仕上げを生
じるので、ＰＶＤ法で信頼できるＴＢＣを施工するのに
必要とされる平滑で連続した付着促進性酸化物スケール
の生成を妨げる。
【００１１】そこで、現在用いられている大気プラズマ
溶射ＭＣｒＡｌＹボンドコートや減圧プラズマ溶射Ｎｉ
Ａｌボンドコートよりも薄いボンドコートを用いて、遮
熱コーティング系の耐環境性や耐剥離性に悪影響を与え
ずに、従来の被覆法よりも高性能かつ低コストでタービ
ン部品を製造できる方法が必要とされている。かかる方
法は、部品の耐久性を改善するとともに遮熱コーティン
グ系の実用寿命を延ばすべきである。
溶射ＭＣｒＡｌＹボンドコートや減圧プラズマ溶射Ｎｉ
Ａｌボンドコートよりも薄いボンドコートを用いて、遮
熱コーティング系の耐環境性や耐剥離性に悪影響を与え
ずに、従来の被覆法よりも高性能かつ低コストでタービ
ン部品を製造できる方法が必要とされている。かかる方
法は、部品の耐久性を改善するとともに遮熱コーティン
グ系の実用寿命を延ばすべきである。
【００１２】
【発明の概要】本発明は、概括すれば、ガスタービンエ
ンジンの高温ガス経路部品のような苛酷な熱環境に暴露
される製品に遮熱コーティング系を形成するための方法
を提供する。かかるコーティング系は一般にセラミック
層と、セラミック層を部品表面に密着させる耐環境性ベ
ータ相ニッケルアルミニウム金属間化合物（β−ＮｉＡ
ｌ）ボンドコートとからなる。熱処理時にβ−ＮｉＡｌ
表面に薄い酸化アルミニウムスケールが生成する。
ンジンの高温ガス経路部品のような苛酷な熱環境に暴露
される製品に遮熱コーティング系を形成するための方法
を提供する。かかるコーティング系は一般にセラミック
層と、セラミック層を部品表面に密着させる耐環境性ベ
ータ相ニッケルアルミニウム金属間化合物（β−ＮｉＡ
ｌ）ボンドコートとからなる。熱処理時にβ−ＮｉＡｌ
表面に薄い酸化アルミニウムスケールが生成する。
【００１３】本発明の別の実施形態では、β−ＮｉＡｌ
ボンドコートの堆積に先立って部品表面に追加の拡散ア
ルミナイド層を形成するか、β−ＮｉＡｌボンドコート
の堆積直後に拡散アルミナイド層を形成するか、その両
方を行って、拡散アルミナイドでセラミック層を部品表
面に密着させる。β−ＮｉＡｌボンドコートの施工は、
性能条件を満足させる各種技術の組合せによって実施し
得る。例えば、比較的微細な粉体を使用したＨＶＯＦを
用いれば基材に隣接した第１の緻密な副層を形成するこ
とができ、一方、比較的粗い粉体を用いてＡＰＳを使用
すれば粗い外表面層を形成することができ、後で施工さ
れるＴＢＣの密着に有益となり得る。ＨＶＯＦ技術は微
粉を酸化せずに融解するので、滑らかで緻密な副層を生
じる。かかる副層は、５０ミクロン未満の微粉で生じた
１２５Ｒaの表面仕上げを有する。なお、本明細書中で
用いるミクロン単位の粉体粒度は粉体の粒径をいう。
ボンドコートの堆積に先立って部品表面に追加の拡散ア
ルミナイド層を形成するか、β−ＮｉＡｌボンドコート
の堆積直後に拡散アルミナイド層を形成するか、その両
方を行って、拡散アルミナイドでセラミック層を部品表
面に密着させる。β−ＮｉＡｌボンドコートの施工は、
性能条件を満足させる各種技術の組合せによって実施し
得る。例えば、比較的微細な粉体を使用したＨＶＯＦを
用いれば基材に隣接した第１の緻密な副層を形成するこ
とができ、一方、比較的粗い粉体を用いてＡＰＳを使用
すれば粗い外表面層を形成することができ、後で施工さ
れるＴＢＣの密着に有益となり得る。ＨＶＯＦ技術は微
粉を酸化せずに融解するので、滑らかで緻密な副層を生
じる。かかる副層は、５０ミクロン未満の微粉で生じた
１２５Ｒaの表面仕上げを有する。なお、本明細書中で
用いるミクロン単位の粉体粒度は粉体の粒径をいう。
【００１４】本発明によれば、β−ＮｉＡｌはその耐環
境性を向上させるためニッケル及びアルミニウム以外の
合金元素を含有し得る。かかる元素としてはクロム及び
ジルコニウムが挙げられるが、これらはＡＰＳによる施
工時にβ−ＮｉＡｌの耐酸化性を高める。また、ニッケ
ルの一部を置換するためコバルトを導入してもよい。β
−ＮｉＡｌは、約１５〜３３重量％のアルミニウムと残
部のＮｉ、Ｃｏ又はそれらの組合せ及び不可避不純物か
らなる公称組成を有する。本明細書中では、「不可避不
純物」という用語は、その性質及び／又は量の点で本組
成物の有利な特徴に悪影響を及ぼさない少量の不純物及
び不可避元素を包括的に意味する。β−ＮｉＡｌのクロ
ム含量は０〜約２０重量％の範囲内にあり、β−ＮｉＡ
ｌのジルコニウム含量は約０．１〜約２．４重量％の範
囲内にあり、またβ−ＮｉＡｌのハフニウム含量は約
０．１〜約１．７重量％の範囲内である。ジルコニウム
及びハフニウムは、ＴＧＯとも呼ばれる界面酸化物層の
密着性を向上させ、もってＴＢＣの寿命を延ばす。
境性を向上させるためニッケル及びアルミニウム以外の
合金元素を含有し得る。かかる元素としてはクロム及び
ジルコニウムが挙げられるが、これらはＡＰＳによる施
工時にβ−ＮｉＡｌの耐酸化性を高める。また、ニッケ
ルの一部を置換するためコバルトを導入してもよい。β
−ＮｉＡｌは、約１５〜３３重量％のアルミニウムと残
部のＮｉ、Ｃｏ又はそれらの組合せ及び不可避不純物か
らなる公称組成を有する。本明細書中では、「不可避不
純物」という用語は、その性質及び／又は量の点で本組
成物の有利な特徴に悪影響を及ぼさない少量の不純物及
び不可避元素を包括的に意味する。β−ＮｉＡｌのクロ
ム含量は０〜約２０重量％の範囲内にあり、β−ＮｉＡ
ｌのジルコニウム含量は約０．１〜約２．４重量％の範
囲内にあり、またβ−ＮｉＡｌのハフニウム含量は約
０．１〜約１．７重量％の範囲内である。ジルコニウム
及びハフニウムは、ＴＧＯとも呼ばれる界面酸化物層の
密着性を向上させ、もってＴＢＣの寿命を延ばす。
【００１５】本発明によれば、ベータ層ニッケルアルミ
ニウムボンドコートの少なくとも一部は大気プラズマ溶
射法（ＡＰＳ）を用いて堆積される。β−ＮｉＡｌ層の
厚さは約１〜約２０ミルの範囲内にある。β−ＮｉＡｌ
の厚さが約１ミル未満であると、β−ＮｉＡｌ層から利
用し得るアルミニウムの量が不十分となって部品の予想
寿命期間を通して部品表面を環境損傷から保護すること
ができなくなるおそれがある。適切な組成のβ−ＮｉＡ
ｌ粉体は、普通の方法でガスアトマイゼーションによっ
て生成される。次に、粉体を大気プラズマ技術で２５０
０°Ｆ以上に加熱して半溶融状態で部品表面に施工す
る。ＡＰＳ用のβ−ＮｉＡｌ粉体は好ましくは２０〜８
０ミクロンの範囲内にある。施工後、基材（通例はニッ
ケル基超合金）とβ−ＮｉＡｌコーティングとの冶金的
結合を強固にするため、ボンドコートを１８００〜２１
００°Ｆの範囲内の温度で約１〜約４時間熱処理しても
よい。拡散アルミナイドを施工する場合、拡散アルミナ
イドの熱処理はβ−ＮｉＡｌの熱処理と同時に行うこと
ができる。
ニウムボンドコートの少なくとも一部は大気プラズマ溶
射法（ＡＰＳ）を用いて堆積される。β−ＮｉＡｌ層の
厚さは約１〜約２０ミルの範囲内にある。β−ＮｉＡｌ
の厚さが約１ミル未満であると、β−ＮｉＡｌ層から利
用し得るアルミニウムの量が不十分となって部品の予想
寿命期間を通して部品表面を環境損傷から保護すること
ができなくなるおそれがある。適切な組成のβ−ＮｉＡ
ｌ粉体は、普通の方法でガスアトマイゼーションによっ
て生成される。次に、粉体を大気プラズマ技術で２５０
０°Ｆ以上に加熱して半溶融状態で部品表面に施工す
る。ＡＰＳ用のβ−ＮｉＡｌ粉体は好ましくは２０〜８
０ミクロンの範囲内にある。施工後、基材（通例はニッ
ケル基超合金）とβ−ＮｉＡｌコーティングとの冶金的
結合を強固にするため、ボンドコートを１８００〜２１
００°Ｆの範囲内の温度で約１〜約４時間熱処理しても
よい。拡散アルミナイドを施工する場合、拡散アルミナ
イドの熱処理はβ−ＮｉＡｌの熱処理と同時に行うこと
ができる。
【００１６】ベータ層ＮｉＡｌの堆積にＬＰＰＳではな
くＡＰＳを使用する利点は、ＡＰＳでは下の基材が極度
の高温に暴露されないことである。ＬＰＰＳに必要な高
温では、ＬＰＰＳを用いて多数のエンジン部品を被覆す
るのは不可能もしくは極めて困難である。さらに、ＡＰ
ＳはＬＰＰＳよりも本質的に安価なボンドコート施工方
法である。ＬＰＰＳプロセスの諸段階にはかなりの時間
を費やし、そのため生産性が落ちる。各チャンバー装填
材料について、真空を確立し、次いで所定分圧の不活性
ガスを再度満たした後、溶射を行い、次いで真空中で冷
却して取出す必要がある。ＡＰＳを使用すれば、一度に
多数の部品を処理できる環状配列でエンジン部品を被覆
できる。従来技術は、ＭＣｒＡｌＹのようなコーティン
グ材料の使用は空気に暴露されると施工前に高レベルの
酸化が起こることを明らかに示しており、このことはＡ
ＰＳでの施工時にコーティング材料が遭遇する熱及び環
境条件にβ−ＮｉＡｌが特に適していることを示唆して
いるともいえる。
くＡＰＳを使用する利点は、ＡＰＳでは下の基材が極度
の高温に暴露されないことである。ＬＰＰＳに必要な高
温では、ＬＰＰＳを用いて多数のエンジン部品を被覆す
るのは不可能もしくは極めて困難である。さらに、ＡＰ
ＳはＬＰＰＳよりも本質的に安価なボンドコート施工方
法である。ＬＰＰＳプロセスの諸段階にはかなりの時間
を費やし、そのため生産性が落ちる。各チャンバー装填
材料について、真空を確立し、次いで所定分圧の不活性
ガスを再度満たした後、溶射を行い、次いで真空中で冷
却して取出す必要がある。ＡＰＳを使用すれば、一度に
多数の部品を処理できる環状配列でエンジン部品を被覆
できる。従来技術は、ＭＣｒＡｌＹのようなコーティン
グ材料の使用は空気に暴露されると施工前に高レベルの
酸化が起こることを明らかに示しており、このことはＡ
ＰＳでの施工時にコーティング材料が遭遇する熱及び環
境条件にβ−ＮｉＡｌが特に適していることを示唆して
いるともいえる。
【００１７】従来技術でＡＰＳに起因するとされていた
制限の一つは、基材への堆積に先立って溶融ニッケルア
ルミニウムコーティング粒子が大気中に入る際の高温で
ある。こうした高温は、ＡＰＳを使用すると溶射プロセ
ス中に酸化が起こって被覆部品の寿命期間内に多大な剥
離を起こすことを一般に意味していた。しかし、真に化
学量論的なβ−ＮｉＡｌでは液化に約２９８０°Ｆ（１
６３８℃）の温度が必要とされるが、これは他の合金で
は通常激しい酸化を引起こす温度である。しかし、実際
には、β−ＮｉＡｌではＭＣｒＡｌＹのようなボンドコ
ートに比べて酸化レベルが極めて低いことが今回判明し
た。
制限の一つは、基材への堆積に先立って溶融ニッケルア
ルミニウムコーティング粒子が大気中に入る際の高温で
ある。こうした高温は、ＡＰＳを使用すると溶射プロセ
ス中に酸化が起こって被覆部品の寿命期間内に多大な剥
離を起こすことを一般に意味していた。しかし、真に化
学量論的なβ−ＮｉＡｌでは液化に約２９８０°Ｆ（１
６３８℃）の温度が必要とされるが、これは他の合金で
は通常激しい酸化を引起こす温度である。しかし、実際
には、β−ＮｉＡｌではＭＣｒＡｌＹのようなボンドコ
ートに比べて酸化レベルが極めて低いことが今回判明し
た。
【００１８】ＬＰＰＳに対してＡＰＳが有する上述の利
点に加えて、本発明ではＬＰＰＳ技術で達成し得たもの
よりも薄いβ−ＮｉＡｌコーティングを使用することが
できるようになる。例えば、米国特許第５９７５８５２
号には、例えばＬＰＰＳなどでの施工に必要とされるＮ
ｉＡｌの厚さは最低１２５ミクロン（約０．００５イン
チ）である旨開示されている。本発明で施工することが
できる従来よりも薄いコーティングは、冷却開口をもつ
大形部品の処理を可能にする。かかる開口は、ＬＰＰＳ
技術では完全に塞がれてしまうが、ＡＰＳ法を用いれば
塞がれることはない。
点に加えて、本発明ではＬＰＰＳ技術で達成し得たもの
よりも薄いβ−ＮｉＡｌコーティングを使用することが
できるようになる。例えば、米国特許第５９７５８５２
号には、例えばＬＰＰＳなどでの施工に必要とされるＮ
ｉＡｌの厚さは最低１２５ミクロン（約０．００５イン
チ）である旨開示されている。本発明で施工することが
できる従来よりも薄いコーティングは、冷却開口をもつ
大形部品の処理を可能にする。かかる開口は、ＬＰＰＳ
技術では完全に塞がれてしまうが、ＡＰＳ法を用いれば
塞がれることはない。
【００１９】また、ＡＰＳ法で生じる表面粗さは、ＡＰ
Ｓのような安価な溶射技術を用いてのセラミックコーテ
ィングの施工を可能にする。ＡＰＳ技術を用いてセラミ
ックトップコートを施工して密着性セラミックトップコ
ートを得るには、β−ＮｉＡｌボンドコートは４００マ
イクロインチ以上の表面粗さ（Ｒa）を有していなけれ
ばならない。つまり、表面仕上げの滑らかさが約４００
マイクロインチ以下であってはならない。周知の大気プ
ラズマ溶射パラメータに粒径の大きな粒子を用いると、
かかる比較的粗い表面とすることができる。β−ＮｉＡ
ｌボンドコート上にＡＰＳ技術を用いてセラミックコー
ティングを施工することのもう一つの利点は、膜厚の厚
いセラミックボンドコートを迅速かつ原価効率よく施工
できることである。
Ｓのような安価な溶射技術を用いてのセラミックコーテ
ィングの施工を可能にする。ＡＰＳ技術を用いてセラミ
ックトップコートを施工して密着性セラミックトップコ
ートを得るには、β−ＮｉＡｌボンドコートは４００マ
イクロインチ以上の表面粗さ（Ｒa）を有していなけれ
ばならない。つまり、表面仕上げの滑らかさが約４００
マイクロインチ以下であってはならない。周知の大気プ
ラズマ溶射パラメータに粒径の大きな粒子を用いると、
かかる比較的粗い表面とすることができる。β−ＮｉＡ
ｌボンドコート上にＡＰＳ技術を用いてセラミックコー
ティングを施工することのもう一つの利点は、膜厚の厚
いセラミックボンドコートを迅速かつ原価効率よく施工
できることである。
【００２０】かかる表面粗さは、β−ＮｉＡｌとセラミ
ックトップコートとの良好な機械的接着を生じるために
必要である。良好な機械的接着が生じなければ、エンジ
ン部品の使用中に剥離が起こり易くなる。任意には、蒸
着技術を用いて白金アルミナイド層のような拡散アルミ
ナイドを施工してもよい。拡散アルミナイドは、β−Ｎ
ｉＡｌの堆積に先立って基材に直接施工してもよいし、
或いはセラミック遮熱層の堆積に先立ってβ−ＮｉＡｌ
ボンドコート上に施工してもよい。基材への拡散アルミ
ナイドの施工は当技術分野で公知の方法で行われる。β
−ＮｉＡｌの下に拡散アルミナイド層を施工することの
利点の一つは、かかる層の施工によって、正常な摩耗で
過度の剥離が起きたときに部品からの残りの遮熱コーテ
ィング系の剥離作業が容易になることである。
ックトップコートとの良好な機械的接着を生じるために
必要である。良好な機械的接着が生じなければ、エンジ
ン部品の使用中に剥離が起こり易くなる。任意には、蒸
着技術を用いて白金アルミナイド層のような拡散アルミ
ナイドを施工してもよい。拡散アルミナイドは、β−Ｎ
ｉＡｌの堆積に先立って基材に直接施工してもよいし、
或いはセラミック遮熱層の堆積に先立ってβ−ＮｉＡｌ
ボンドコート上に施工してもよい。基材への拡散アルミ
ナイドの施工は当技術分野で公知の方法で行われる。β
−ＮｉＡｌの下に拡散アルミナイド層を施工することの
利点の一つは、かかる層の施工によって、正常な摩耗で
過度の剥離が起きたときに部品からの残りの遮熱コーテ
ィング系の剥離作業が容易になることである。
【００２１】任意には、白金アルミナイド層のような拡
散アルミナイドをβ−ＮｉＡｌ層に施工してもよい。ベ
ータ相ＮｉＡｌの表面に一貫した拡散アルミナイドコー
ティングを生じさせるには、白金、ニッケル又はその両
者からなるフラッシュ層をベータ相ＮｉＡｌ層に直接施
工しなければならない。ベータ相ＮｉＡｌ層は安定なア
ルミニウムリッチ金属間化合物であるので、β−ＮｉＡ
ｌ層上での一様な拡散アルミナイド層の形成には、好ま
しくは、電気めっきで施工したニッケルフラッシュ層と
白金フラッシュ層の双方を使用する。これらのフラッシ
ュ層は極めて薄く０．８ミクロン未満であり、通例０．
２ミルである。上記２つのフラッシュ層を共に施工する
場合、拡散層が適当な組成となるように最初に白金を施
工すべきである。任意には、次いで追加の拡散アルミナ
イド層を施工し得る。β−ＮｉＡｌは、β−ＮｉＡｌ層
上に施工された金属層と基材との間の拡散障壁としても
作用し、ベータ相ＮｉＡｌの上の層での拡散は主に施工
された拡散アルミナイド層に限られる。
散アルミナイドをβ−ＮｉＡｌ層に施工してもよい。ベ
ータ相ＮｉＡｌの表面に一貫した拡散アルミナイドコー
ティングを生じさせるには、白金、ニッケル又はその両
者からなるフラッシュ層をベータ相ＮｉＡｌ層に直接施
工しなければならない。ベータ相ＮｉＡｌ層は安定なア
ルミニウムリッチ金属間化合物であるので、β−ＮｉＡ
ｌ層上での一様な拡散アルミナイド層の形成には、好ま
しくは、電気めっきで施工したニッケルフラッシュ層と
白金フラッシュ層の双方を使用する。これらのフラッシ
ュ層は極めて薄く０．８ミクロン未満であり、通例０．
２ミルである。上記２つのフラッシュ層を共に施工する
場合、拡散層が適当な組成となるように最初に白金を施
工すべきである。任意には、次いで追加の拡散アルミナ
イド層を施工し得る。β−ＮｉＡｌは、β−ＮｉＡｌ層
上に施工された金属層と基材との間の拡散障壁としても
作用し、ベータ相ＮｉＡｌの上の層での拡散は主に施工
された拡散アルミナイド層に限られる。
【００２２】任意には、拡散アルミナイド層は上述の通
りβ−ＮｉＡｌ層の上下両方に施工し得る。かかるプロ
セスは、保護アルミナスケール形成の初期アルミニウム
源として機能する拡散アルミナイドをβ−ＮｉＡｌ層の
上に有することの利点を保持したまま、被覆部品からの
コーティングの剥離作業を容易にする。
りβ−ＮｉＡｌ層の上下両方に施工し得る。かかるプロ
セスは、保護アルミナスケール形成の初期アルミニウム
源として機能する拡散アルミナイドをβ−ＮｉＡｌ層の
上に有することの利点を保持したまま、被覆部品からの
コーティングの剥離作業を容易にする。
【００２３】ＴＢＣ系における最終段階は、β−ＮｉＡ
ｌ層の表面又は（任意には）拡散アルミナイド層の表面
にセラミックトップコートをプラズマ溶射で施工するこ
とである。トップコートは、イットリア安定化ジルコニ
ア、イットリア非安定化ジルコニア、セリア（Ｃｅ
Ｏ2 ）又はスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）で安定化したジルコ
ニアなど、当業者に公知のセラミック材料からなる。セ
ラミックトップコートは約３〜約２０重量％のイットリ
アで安定化したジルコニアである。
ｌ層の表面又は（任意には）拡散アルミナイド層の表面
にセラミックトップコートをプラズマ溶射で施工するこ
とである。トップコートは、イットリア安定化ジルコニ
ア、イットリア非安定化ジルコニア、セリア（Ｃｅ
Ｏ2 ）又はスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）で安定化したジルコ
ニアなど、当業者に公知のセラミック材料からなる。セ
ラミックトップコートは約３〜約２０重量％のイットリ
アで安定化したジルコニアである。
【００２４】本発明の利点の一つは、β−ＮｉＡｌを大
気プラズマ溶射技術を用いてニッケル基超合金基材上の
耐環境性ボンドコートとして施工できることである。か
かる堆積ボンドコートは、ＬＰＰＳ法よりも薄い層とし
て有効に施工できる。
気プラズマ溶射技術を用いてニッケル基超合金基材上の
耐環境性ボンドコートとして施工できることである。か
かる堆積ボンドコートは、ＬＰＰＳ法よりも薄い層とし
て有効に施工できる。
【００２５】本発明のもう一つの利点は、他のβ−Ｎｉ
Ａｌ施工法よりも低コストで迅速に、しかも有効な保護
アルミナスケールを形成しながらβ−ＮｉＡｌを施工で
きることである。
Ａｌ施工法よりも低コストで迅速に、しかも有効な保護
アルミナスケールを形成しながらβ−ＮｉＡｌを施工で
きることである。
【００２６】本発明のさらに別の利点は、大気プラズマ
溶射で形成したβ−ＮｉＡｌスケールは粗い表面仕上げ
を与えることである。粗い表面仕上げはＰＶＤ法でのセ
ラミックトップコートの施工には適さないが、大気プラ
ズマ溶射技術又は同等の溶射技術のような溶射技術での
セラミックトップコートの施工には、それ以上表面処理
せずに溶射したままの状態で適している。
溶射で形成したβ−ＮｉＡｌスケールは粗い表面仕上げ
を与えることである。粗い表面仕上げはＰＶＤ法でのセ
ラミックトップコートの施工には適さないが、大気プラ
ズマ溶射技術又は同等の溶射技術のような溶射技術での
セラミックトップコートの施工には、それ以上表面処理
せずに溶射したままの状態で適している。
【００２７】本発明のその他の特徴及び利点は、本発明
の原理を例示した添付図面と併せて好ましい実施形態に
関する以下の詳細な説明から明らかとなろう。
の原理を例示した添付図面と併せて好ましい実施形態に
関する以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明を添付の図面を参照
しながら具体例によって説明する。
しながら具体例によって説明する。
【００２９】本発明は、比較的高温で特徴づけられる環
境下で動作し、苛酷な熱応力及び熱サイクルに暴露され
る部品全般に適用可能である。かかる部品の格好の例と
して、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノ
ズル及びブレード、シュラウド、燃焼器ライナ、スプラ
ッシュ板並びにオグメンタハードウェアがある。通例、
これらの部品は冷却流体源と通じた冷却穴をもつように
製造され、さもなければ作動時に使用できないような使
用温度にかかる部品を暴露できるようになる。タービン
作動時の高温から保護するための他の技術と併用する
と、これらの部品はその融解温度に近い温度或いはそれ
を超える温度で使用することができることもある。エン
ジンのタービン部は図１に示す高圧タービンブレード１
０のような複数の高圧タービンブレードを含んでいる。
エンジンは、流体がブレードに当ってブレードを回転さ
せ、その結果ブレードが装着されたロータが回転するこ
とで駆動される。ブレード１０は概して翼形部１２を含
んでおり、翼形部に流体が衝突する。流体は、エンジン
の燃焼部での燃料の燃焼で生じた高温燃焼ガスである。
そのため翼形部に高温燃焼ガスが当たると、翼形部は酸
化、腐食及びエロージョンによる攻撃を受ける。翼形部
１２は、ブレード１０の根元部１６に形成されたダブテ
ール部１４によってタービンディスク（図示せず）に装
着される。ディスク自体はタービン軸に取付けられる。
翼形部１２内には冷却通路１８が存在し、エンジンの圧
縮機からの抽気を流して、ブレード１０から熱を伝達し
てブレードを冷却する。高温燃焼ガスの作用から翼形部
基材をさらに保護するため、ブレードの少なくとも翼形
部には遮熱コーティング系も施工される。本発明の利点
を図１に示す高圧タービンブレード１０に関して説明す
るが、本発明の教示内容は部品を環境から保護するため
の耐環境コーティング系又は遮熱コーティング系を使用
し得る部品全般に適用し得る。
境下で動作し、苛酷な熱応力及び熱サイクルに暴露され
る部品全般に適用可能である。かかる部品の格好の例と
して、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノ
ズル及びブレード、シュラウド、燃焼器ライナ、スプラ
ッシュ板並びにオグメンタハードウェアがある。通例、
これらの部品は冷却流体源と通じた冷却穴をもつように
製造され、さもなければ作動時に使用できないような使
用温度にかかる部品を暴露できるようになる。タービン
作動時の高温から保護するための他の技術と併用する
と、これらの部品はその融解温度に近い温度或いはそれ
を超える温度で使用することができることもある。エン
ジンのタービン部は図１に示す高圧タービンブレード１
０のような複数の高圧タービンブレードを含んでいる。
エンジンは、流体がブレードに当ってブレードを回転さ
せ、その結果ブレードが装着されたロータが回転するこ
とで駆動される。ブレード１０は概して翼形部１２を含
んでおり、翼形部に流体が衝突する。流体は、エンジン
の燃焼部での燃料の燃焼で生じた高温燃焼ガスである。
そのため翼形部に高温燃焼ガスが当たると、翼形部は酸
化、腐食及びエロージョンによる攻撃を受ける。翼形部
１２は、ブレード１０の根元部１６に形成されたダブテ
ール部１４によってタービンディスク（図示せず）に装
着される。ディスク自体はタービン軸に取付けられる。
翼形部１２内には冷却通路１８が存在し、エンジンの圧
縮機からの抽気を流して、ブレード１０から熱を伝達し
てブレードを冷却する。高温燃焼ガスの作用から翼形部
基材をさらに保護するため、ブレードの少なくとも翼形
部には遮熱コーティング系も施工される。本発明の利点
を図１に示す高圧タービンブレード１０に関して説明す
るが、本発明の教示内容は部品を環境から保護するため
の耐環境コーティング系又は遮熱コーティング系を使用
し得る部品全般に適用し得る。
【００３０】図２に、本発明に係る遮熱コーティング系
２０を示す。図示した通り、コーティング系２０は、基
材２２に結合したβ−ＮｉＡｌ層２４（基本的に化学量
論量のニッケルとアルミニウムからなる）と、β−Ｎｉ
Ａｌ層に結合したセラミック層２６とを含み、β−Ｎｉ
Ａｌ上に薄いアルミナスケール２６が存在する。好まし
い組成では、β−ＮｉＡｌは０〜約２０重量％のクロム
及び約０．１〜約３重量％のジルコニウムを含む。さら
に好ましい組成では、β−ＮｉＡｌは約２〜約１４重量
％のクロム及び約０．５〜約２．４重量％のジルコニウ
ムを含む。β−ＮｉＡｌの最も好ましい組成は、約１２
重量％のクロム及び約１重量％のジルコニウムを含む。
本発明によれば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ又はそれらの組合せ
を主成分とする超合金のような耐熱材料である。本発明
の新規な特徴は、ＡＰＳ装置はマスキングを施し易く、
現場から送還された部品にパッチ補修作業に容易に適応
できることである。β−ＮｉＡｌボンドコート層２４
は、従来技術で用いられてきたＬＰＰＳ法ではなく大気
プラズマ溶射（ＡＰＳ）法を用いて形成することができ
る。β−ＮｉＡｌボンドコート層の厚さの好ましい範囲
は、約０．００２〜約０．００７インチである。β−Ｎ
ｉＡｌ層２４の厚さは最低約１ミル（０．００１イン
チ）である。約１ミル未満の厚さでは、β−ＮｉＡｌの
量が足りなくなり、部品の寿命期間を通して保護アルミ
ナスケールの形成に必要なだけ貯蔵できなくなる。厚さ
が約７ミル（０．００７インチ）を超えると脆性β−Ｎ
ｉＡｌ層が薄肉β−ＮｉＡｌ層よりもチッピングを起こ
し易くなるので、０．００２〜０．００７インチの範囲
内のβ−ＮｉＡｌ層を形成するのが好ましい。さらに、
厚肉β−ＮｉＡｌ層は翼形部品の重量を増大させ、その
空力効率が下がり、エンジン性能に悪影響を与える。ボ
ンドコート２４として用いるβ−ＮｉＡｌは、従来技術
のボンドコートやその超合金基材でみられるような他の
元素との相互作用及び相互拡散を起こしにくい。これは
金属間化合物の規則的構造によるものであり、そのため
本質的に拡散障壁として作用する。
２０を示す。図示した通り、コーティング系２０は、基
材２２に結合したβ−ＮｉＡｌ層２４（基本的に化学量
論量のニッケルとアルミニウムからなる）と、β−Ｎｉ
Ａｌ層に結合したセラミック層２６とを含み、β−Ｎｉ
Ａｌ上に薄いアルミナスケール２６が存在する。好まし
い組成では、β−ＮｉＡｌは０〜約２０重量％のクロム
及び約０．１〜約３重量％のジルコニウムを含む。さら
に好ましい組成では、β−ＮｉＡｌは約２〜約１４重量
％のクロム及び約０．５〜約２．４重量％のジルコニウ
ムを含む。β−ＮｉＡｌの最も好ましい組成は、約１２
重量％のクロム及び約１重量％のジルコニウムを含む。
本発明によれば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ又はそれらの組合せ
を主成分とする超合金のような耐熱材料である。本発明
の新規な特徴は、ＡＰＳ装置はマスキングを施し易く、
現場から送還された部品にパッチ補修作業に容易に適応
できることである。β−ＮｉＡｌボンドコート層２４
は、従来技術で用いられてきたＬＰＰＳ法ではなく大気
プラズマ溶射（ＡＰＳ）法を用いて形成することができ
る。β−ＮｉＡｌボンドコート層の厚さの好ましい範囲
は、約０．００２〜約０．００７インチである。β−Ｎ
ｉＡｌ層２４の厚さは最低約１ミル（０．００１イン
チ）である。約１ミル未満の厚さでは、β−ＮｉＡｌの
量が足りなくなり、部品の寿命期間を通して保護アルミ
ナスケールの形成に必要なだけ貯蔵できなくなる。厚さ
が約７ミル（０．００７インチ）を超えると脆性β−Ｎ
ｉＡｌ層が薄肉β−ＮｉＡｌ層よりもチッピングを起こ
し易くなるので、０．００２〜０．００７インチの範囲
内のβ−ＮｉＡｌ層を形成するのが好ましい。さらに、
厚肉β−ＮｉＡｌ層は翼形部品の重量を増大させ、その
空力効率が下がり、エンジン性能に悪影響を与える。ボ
ンドコート２４として用いるβ−ＮｉＡｌは、従来技術
のボンドコートやその超合金基材でみられるような他の
元素との相互作用及び相互拡散を起こしにくい。これは
金属間化合物の規則的構造によるものであり、そのため
本質的に拡散障壁として作用する。
【００３１】ＡＰＳ堆積プロセス及び後段での熱処理の
際に、β−ＮｉＡｌ層上に薄い酸化アルミニウム層が生
成する。β−ＮｉＡｌボンドコート２４とセラミック層
２６の間には、任意の層として、当技術分野で周知の組
成の白金又はニッケル含有拡散アルミナイド層を施工し
得る。別法として、任意層たる拡散アルミナイド層を基
材２２とβ−ＮｉＡｌボンドコート２４の間に施工して
もよい。
際に、β−ＮｉＡｌ層上に薄い酸化アルミニウム層が生
成する。β−ＮｉＡｌボンドコート２４とセラミック層
２６の間には、任意の層として、当技術分野で周知の組
成の白金又はニッケル含有拡散アルミナイド層を施工し
得る。別法として、任意層たる拡散アルミナイド層を基
材２２とβ−ＮｉＡｌボンドコート２４の間に施工して
もよい。
【００３２】セラミック層２６は、当技術分野で公知の
技術を用いてプラズマ溶射技術で施工するのが好まし
い。セラミック層２６として好ましい材料は、約３〜約
２０重量％、好ましくは６〜８重量％、最も好ましくは
約７重量％のイットリアを含有するイットリア安定化ジ
ルコニア（ＹＳＺ）であるが、非安定化ジルコニア或い
はセリア（ＣｅＯ2 ）又はスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）のよ
うな他の遷移金属酸化物で安定化したジルコニアなど、
他のセラミック材料を使用することもできる。セラミッ
ク層２６は、下の基材２２及びブレード１０に所要の熱
的保護を与えるのに十分な厚さ、一般に約０．００４〜
０．０３０インチ、好ましくは約０．００５〜０．０１
５インチ程度の厚さに堆積させる。
技術を用いてプラズマ溶射技術で施工するのが好まし
い。セラミック層２６として好ましい材料は、約３〜約
２０重量％、好ましくは６〜８重量％、最も好ましくは
約７重量％のイットリアを含有するイットリア安定化ジ
ルコニア（ＹＳＺ）であるが、非安定化ジルコニア或い
はセリア（ＣｅＯ2 ）又はスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）のよ
うな他の遷移金属酸化物で安定化したジルコニアなど、
他のセラミック材料を使用することもできる。セラミッ
ク層２６は、下の基材２２及びブレード１０に所要の熱
的保護を与えるのに十分な厚さ、一般に約０．００４〜
０．０３０インチ、好ましくは約０．００５〜０．０１
５インチ程度の厚さに堆積させる。
【００３３】従来技術のボンドコートと同様に、β−Ｎ
ｉＡｌボンドコート２４の表面は高温で酸化して薄いア
ルミナスケール２８を生じ、これにセラミック層２６が
結合される。β−ＮｉＡｌボンドコート２４は酸化物層
２８形成のための元素供給源となり、セラミック層へと
浸透しかねない腐食性燃焼ガス生成物との相互作用でア
ルミナスケールが悪影響を受けたときのスケールの再生
に寄与する。
ｉＡｌボンドコート２４の表面は高温で酸化して薄いア
ルミナスケール２８を生じ、これにセラミック層２６が
結合される。β−ＮｉＡｌボンドコート２４は酸化物層
２８形成のための元素供給源となり、セラミック層へと
浸透しかねない腐食性燃焼ガス生成物との相互作用でア
ルミナスケールが悪影響を受けたときのスケールの再生
に寄与する。
【００３４】任意実施形態では、β−ＮｉＡｌボンドコ
ート上に拡散アルミナイドコーティングを施工してもよ
い。これは酸化物スケール形成のためのアルミニウム供
給源を与える。かかる拡散アルミナイドは、β−ＮｉＡ
ｌコーティング上にＰｔ、Ｎｉ又はその両者からなる薄
層を堆積することによって施工できる。かかる層は、物
理蒸着、電着、スパッタリング、陰極アーク蒸着、レー
ザ蒸着その他均一な薄層を生ずる公知の方法で施工し得
る。次いで、この堆積層を含む部品を当技術分野で周知
の気相アルミナイジングプロセスに付せば、拡散アルミ
ナイド層が形成される。拡散アルミナイド層と基材の間
に位置する金属間β−ＮｉＡｌボンドコートは、基材か
ら拡散アルミナイド層中への元素の拡散を大幅に低減又
は防止する拡散障壁として作用する。β−ＮｉＡｌコー
ティングへの拡散アルミナイド層の施工はその他の既存
技術で行うこともできる。
ート上に拡散アルミナイドコーティングを施工してもよ
い。これは酸化物スケール形成のためのアルミニウム供
給源を与える。かかる拡散アルミナイドは、β−ＮｉＡ
ｌコーティング上にＰｔ、Ｎｉ又はその両者からなる薄
層を堆積することによって施工できる。かかる層は、物
理蒸着、電着、スパッタリング、陰極アーク蒸着、レー
ザ蒸着その他均一な薄層を生ずる公知の方法で施工し得
る。次いで、この堆積層を含む部品を当技術分野で周知
の気相アルミナイジングプロセスに付せば、拡散アルミ
ナイド層が形成される。拡散アルミナイド層と基材の間
に位置する金属間β−ＮｉＡｌボンドコートは、基材か
ら拡散アルミナイド層中への元素の拡散を大幅に低減又
は防止する拡散障壁として作用する。β−ＮｉＡｌコー
ティングへの拡散アルミナイド層の施工はその他の既存
技術で行うこともできる。
【００３５】以上、本発明を特定の実施例及び実施形態
に関して説明してきたが、本発明の技術的範囲内でその
他の変更及び修正が可能であることは当業者には明らか
であろう。これらの実施例及び実施形態は、請求項に記
載された本発明の技術的範囲の典型例として例示したも
のであり、本発明の技術的範囲を限定するものではな
い。
に関して説明してきたが、本発明の技術的範囲内でその
他の変更及び修正が可能であることは当業者には明らか
であろう。これらの実施例及び実施形態は、請求項に記
載された本発明の技術的範囲の典型例として例示したも
のであり、本発明の技術的範囲を限定するものではな
い。
【図１】高圧タービンブレードの斜視図である。
【図２】図１のブレードの矢視２−２断面図であり、本
発明に係るブレードの遮熱コーティングを示す。
発明に係るブレードの遮熱コーティングを示す。
１０ 高圧タービンブレード １２ 翼形部 １４ ダブテール部 １６ 根元部 １８ 冷却通路 ２０ 遮熱コーティング系 ２２ 基材 ２４ β−ＮｉＡｌ層 ２６ セラミック層 ２８ アルミナスケール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｄ (72)発明者 ジョセフ・デビッド・リグネー アメリカ合衆国、オハイオ州、ミルフォー ド、ディアヘイヴン・コート、1097番 (72)発明者 マイケル・ジェームズ・バイマー アメリカ合衆国、オハイオ州、ラブラン ド、マイアミ・トレイルズ・ドライブ、 6607番 (72)発明者 バンガロール・アスワサ・ナガラージ アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、トラバース・コート、5196番 (72)発明者 ヤク−チウ・ラウ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ボール ストン・レイク、ブルー・スプルース・レ ーン、22番 Ｆターム(参考） 3G002 EA05 EA06 EA08 4K031 AA02 AB03 AB04 AB08 CB21 CB26 CB27 CB37 CB41 CB42 DA01 4K044 AA02 BA01 BA06 BA10 BA11 BA12 BB02 BC11 CA12 CA13 CA18
Claims (13)
- 【請求項１】 超合金部品の表面に遮熱コーティング系
（２０）を形成する方法であって、当該方法が（ａ）１
５〜３３重量％のアルミニウムと残部のＮｉ及び不可避
不純物とからなるβ−ＮｉＡｌ合金粉体を準備する段
階、（ｂ）超合金部品の表面にβ−ＮｉＡｌ合金粉体を
大気プラズマ溶射して連続β−ＮｉＡｌ薄層（２４）を
形成することにより、該表面にβ−ＮｉＡｌ合金粉体を
ボンドコートとして大気プラズマ溶射する段階、及び
（ｃ）β−ＮｉＡｌボンドコート上にセラミックトップ
コート（２６）を溶射する段階を含んでなる方法。 - 【請求項２】 セラミックトップコート（２６）を堆積
する段階が、ジルコニアコーティングを堆積することを
含む、請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 β−ＮｉＡｌボンドコートを堆積する段
階が、実質的に化学量論的なコーティングを生じるよう
に実質的に５０原子％のニッケルと５０原子％のアルミ
ニウムとを堆積してβ−ＮｉＡｌコーティング（２４）
を形成することを含む、請求項１記載の方法。 - 【請求項４】 β−ＮｉＡｌボンドコートを堆積する段
階が、反応性元素をさらに含むβ−ＮｉＡｌコーティン
グ（２４）を堆積することを含む、請求項１記載の方
法。 - 【請求項５】 β−ＮｉＡｌボンドコートを堆積する段
階が、ランタニド系列元素をさらに含むβ−ＮｉＡｌコ
ーティング（２４）を堆積することを含む、請求項１記
載の方法。 - 【請求項６】 前記反応性元素がＹ、Ｚｒ、Ｈｆ及びこ
れらの組合せからなる群から選択される、請求項４記載
の方法。 - 【請求項７】 β−ＮｉＡｌボンドコートを堆積する段
階が、酸素ゲッター元素を含むβ−ＮｉＡｌコーティン
グ（２４）を堆積することを含む、請求項１記載の方
法。 - 【請求項８】 酸素ゲッター元素がＣｒ、Ｔａ、Ｎｂ、
Ｔｉ及びＷからなる群から選択される、請求項７記載の
方法。 - 【請求項９】 β−ＮｉＡｌ合金粉体を準備する段階
が、０〜約２０重量％のＣｒ、約０．１〜約３重量％の
Ｚｒ及び約０．１〜約３．０重量％のＨｆを含有するβ
−ＮｉＡｌを準備することをさらに含む、請求項１記載
の方法。 - 【請求項１０】 β−ＮｉＡｌ合金粉体が約２〜約１４
重量％のＣｒ及び約０．５〜約２．４重量％のＺｒを含
む、請求項１記載の方法。 - 【請求項１１】 セラミックトップコートを溶射する段
階に先立って、β−ＮｉＡｌボンドコート上にアルミナ
イドコーティングの層を設ける段階をさらに含む、請求
項１記載の方法。 - 【請求項１２】 アルミナイドコーティングの層を設け
る段階が、まずＰｔ層を電気めっきした後Ｐｔ上にＮｉ
層を電気めっきすることを含む、請求項１１記載の方
法。 - 【請求項１３】 Ｐｔ層を電気めっきした後、部品を熱
処理して拡散アルミナイドコーティングを生成させる追
加段階をさらに含む、請求項１２記載の方法。
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