JP2003138368A - 遮熱コーティング - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】発電用ガスタービンエンジンのように過酷な熱
的・化学的環境に暴露される合金部品用の遮熱セラミッ
ク層。 【解決手段】好ましい遮熱層は、稠密縦裂を用いて形成
され、４重量％未満の好ましい量のイットリアと約１重
量％のハフニアで部分的に安定化したジルコニアからな
る。このセラミック層は、その下の超合金部品をエロー
ジョン、チッピング及びハンドリングから保護する一方
この保護層のコストが低下するように最適化されてい
る。この遮熱コーティングを製造する別の方法では電子
ビーム物理蒸着を使用する。
的・化学的環境に暴露される合金部品用の遮熱セラミッ
ク層。 【解決手段】好ましい遮熱層は、稠密縦裂を用いて形成
され、４重量％未満の好ましい量のイットリアと約１重
量％のハフニアで部分的に安定化したジルコニアからな
る。このセラミック層は、その下の超合金部品をエロー
ジョン、チッピング及びハンドリングから保護する一方
この保護層のコストが低下するように最適化されてい
る。この遮熱コーティングを製造する別の方法では電子
ビーム物理蒸着を使用する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発電用ガスタービ
ンエンジンの作用部品のように高温ガス環境及び過酷な
作動条件に暴露される合金部品の保護コーティングに関
する。特に、本発明は、ガスタービンエンジン用の新型
遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）及び当該新規ＴＢＣコ
ーティングの金属基材への施工方法に関する。当該コー
ティングは遮熱セラミック層からなり、その組成及び堆
積法は、耐剥離性を従来のコーティングと同等以上に保
ったまま、タービン部品の耐エロージョン性を大幅に向
上させる。好ましいコーティング組成物は稠密縦裂蒸着
法を用いて施工される。
ンエンジンの作用部品のように高温ガス環境及び過酷な
作動条件に暴露される合金部品の保護コーティングに関
する。特に、本発明は、ガスタービンエンジン用の新型
遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）及び当該新規ＴＢＣコ
ーティングの金属基材への施工方法に関する。当該コー
ティングは遮熱セラミック層からなり、その組成及び堆
積法は、耐剥離性を従来のコーティングと同等以上に保
ったまま、タービン部品の耐エロージョン性を大幅に向
上させる。好ましいコーティング組成物は稠密縦裂蒸着
法を用いて施工される。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンハードウェア部品が暴露さ
れる作動条件は熱的・化学的に過酷なおそれがある。そ
のため、タービン部品、燃焼器部品及びオグメンタ部品
の製造に使用される金属基材の表面は、必然的に極めて
過酷な高温ガス環境下で平均以上の機械的強度、耐久性
及び耐エロージョン性を示す必要がある。本明細書で用
いる「エロージョン」という用語は、ある表面（特に金
属表面）に、その表面から他の粒子を放出させる（潰食
する）のに十分な高エネルギーの汚染粒子が衝突して基
材の劣化及び割れを起こす過程をいう。
れる作動条件は熱的・化学的に過酷なおそれがある。そ
のため、タービン部品、燃焼器部品及びオグメンタ部品
の製造に使用される金属基材の表面は、必然的に極めて
過酷な高温ガス環境下で平均以上の機械的強度、耐久性
及び耐エロージョン性を示す必要がある。本明細書で用
いる「エロージョン」という用語は、ある表面（特に金
属表面）に、その表面から他の粒子を放出させる（潰食
する）のに十分な高エネルギーの汚染粒子が衝突して基
材の劣化及び割れを起こす過程をいう。
【０００３】近年、主要タービン部品の基材に施工され
るコーティングに鉄基、ニッケル基及びコバルト基超合
金を導入してガスタービン系に耐熱合金を利用すること
により顕著な効果が得られている。有効な表面コーティ
ングの目的は二つある。第一に、コーティングは下層の
母材を酸化、腐食及び劣化から守る密着保護層を形成し
なければならない。第二に、コーティングは基材に対し
て低い熱伝導性を有していなければならない。超合金組
成が複雑化するにつれて、（特に増大したガスタービン
作動温度で）必要とされる高レベルの強度と、十分な耐
食性・耐酸化性とを同時に得るのは次第に難しくなって
いる。ガスタービン燃焼温度を高める趨勢にあることか
ら、酸化、腐食及び劣化の問題はさらに難しさを増して
いる。そのため、最近の遮熱コーティングの改良にもか
かわらず、大半の合金部品は典型的なガスタービン環境
で遭遇する長期運用暴露及び繰返サイクルに耐えること
ができないので、さらに効果的で劣化の少ない耐熱コー
ティングに対するニーズは依然として存在する。
るコーティングに鉄基、ニッケル基及びコバルト基超合
金を導入してガスタービン系に耐熱合金を利用すること
により顕著な効果が得られている。有効な表面コーティ
ングの目的は二つある。第一に、コーティングは下層の
母材を酸化、腐食及び劣化から守る密着保護層を形成し
なければならない。第二に、コーティングは基材に対し
て低い熱伝導性を有していなければならない。超合金組
成が複雑化するにつれて、（特に増大したガスタービン
作動温度で）必要とされる高レベルの強度と、十分な耐
食性・耐酸化性とを同時に得るのは次第に難しくなって
いる。ガスタービン燃焼温度を高める趨勢にあることか
ら、酸化、腐食及び劣化の問題はさらに難しさを増して
いる。そのため、最近の遮熱コーティングの改良にもか
かわらず、大半の合金部品は典型的なガスタービン環境
で遭遇する長期運用暴露及び繰返サイクルに耐えること
ができないので、さらに効果的で劣化の少ない耐熱コー
ティングに対するニーズは依然として存在する。
【０００４】ガスタービン部品用の従来公知のコーティ
ングの多くはアルミナイド及びセラミック成分を含んで
いる。通例、セラミックコーティングは、ＭＣｒＡｌＹ
（Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケル。）のような耐
酸化性合金、或いは耐酸化性金属間化合物を形成する拡
散アルミナイド又は白金アルミナイドからなるボンドコ
ーティングと共に用いられている。高温用途において、
こうした従来技術のボンドコーティングは、セラミック
層に化学的に結合して最終ボンドコーティングを生成す
る酸化物層（「スケール」ともいう。）を形成する。
ングの多くはアルミナイド及びセラミック成分を含んで
いる。通例、セラミックコーティングは、ＭＣｒＡｌＹ
（Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケル。）のような耐
酸化性合金、或いは耐酸化性金属間化合物を形成する拡
散アルミナイド又は白金アルミナイドからなるボンドコ
ーティングと共に用いられている。高温用途において、
こうした従来技術のボンドコーティングは、セラミック
層に化学的に結合して最終ボンドコーティングを生成す
る酸化物層（「スケール」ともいう。）を形成する。
【０００５】従前、イットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア
（ＭｇＯ）その他の酸化物で部分的又は完全に安定化し
たジルコニア（ＺｒＯ2）をセラミック層の主成分とし
て使用することも知られている。イットリア安定化ジル
コニア（以下「ＹＳＺ」という。）は、好ましい熱サイ
クル疲労特性を示すので、熱ボンドコーティング用のセ
ラミック層として多用される。すなわち、ＹＳＺは、ガ
スタービンの始動及び停止時の温度上昇又は下降の際の
応力及び疲労に耐える能力が他の公知のコーティングに
比べはるかに優れている。典型的には、ＹＳＺの金属基
材への堆積は、大気プラズマ溶射（「ＡＰＳ」）や低圧
プラズマ溶射（「ＬＰＰＳ」）のような公知の方法、並
びに電子ビーム物理蒸着（「ＥＢＰＶＤ」）のような物
理蒸着（「ＰＶＤ」）技術で行われる。特に、ＥＢＰＶ
Ｄで堆積したＹＳＺは、剥落を招くような有害な応力を
起こさずに基材の膨張・収縮を可能にする応力耐性柱状
結晶粒組織をもつことを特徴とする。かかる系の応力耐
性は文献に記載されている。
（ＭｇＯ）その他の酸化物で部分的又は完全に安定化し
たジルコニア（ＺｒＯ2）をセラミック層の主成分とし
て使用することも知られている。イットリア安定化ジル
コニア（以下「ＹＳＺ」という。）は、好ましい熱サイ
クル疲労特性を示すので、熱ボンドコーティング用のセ
ラミック層として多用される。すなわち、ＹＳＺは、ガ
スタービンの始動及び停止時の温度上昇又は下降の際の
応力及び疲労に耐える能力が他の公知のコーティングに
比べはるかに優れている。典型的には、ＹＳＺの金属基
材への堆積は、大気プラズマ溶射（「ＡＰＳ」）や低圧
プラズマ溶射（「ＬＰＰＳ」）のような公知の方法、並
びに電子ビーム物理蒸着（「ＥＢＰＶＤ」）のような物
理蒸着（「ＰＶＤ」）技術で行われる。特に、ＥＢＰＶ
Ｄで堆積したＹＳＺは、剥落を招くような有害な応力を
起こさずに基材の膨張・収縮を可能にする応力耐性柱状
結晶粒組織をもつことを特徴とする。かかる系の応力耐
性は文献に記載されている。
【０００６】イットリアでの安定化は、有害な体積膨張
と最終的なコーティング破壊とを招く１０００℃付近で
の正方晶相から単斜晶相へのジルコニアの相変態を防
ぐ。１９８０年代中頃、ＮＡＳＡのＳｔｅｐｈａｎ Ｓ
ｔｅｃｕｒａは、７重量％のイットリアで安定化したジ
ルコニア（「７ＹＳＺ」）が超合金基材上での耐剥離性
に最良の組成であると結論付けた（米国特許第４４８５
１５１号参照）。Ｓｔｅｃｕｒａは、コーティングを大
気プラズマ溶射で施工するときは６〜８重量％のイット
リアで安定化したジルコニア（「６−８ＹＳＺ」）が最
適であると結論付けている。
と最終的なコーティング破壊とを招く１０００℃付近で
の正方晶相から単斜晶相へのジルコニアの相変態を防
ぐ。１９８０年代中頃、ＮＡＳＡのＳｔｅｐｈａｎ Ｓ
ｔｅｃｕｒａは、７重量％のイットリアで安定化したジ
ルコニア（「７ＹＳＺ」）が超合金基材上での耐剥離性
に最良の組成であると結論付けた（米国特許第４４８５
１５１号参照）。Ｓｔｅｃｕｒａは、コーティングを大
気プラズマ溶射で施工するときは６〜８重量％のイット
リアで安定化したジルコニア（「６−８ＹＳＺ」）が最
適であると結論付けている。
【０００７】そこで、１９８０年代中後期以降、少なく
とも６〜８重量％のイットリアでジルコニアを「部分的
に安定化する」ことが当技術分野の慣行であった。Ｓｔ
ｅｃｕｒａの米国特許第４４８５１５１号では、コーテ
ィング材料の立方晶相と正方晶相と単斜晶相の最適混合
物を提供すべくジルコニアは「部分的に」のみ安定化さ
れていると記載されているので、これよりも少ない量の
イットリアを用いることは教示されていない。そのた
め、当業者は伝統的にＳｔｅｃｕｒａの推奨した６〜８
％程度のイットリアが、ガスタービンエンジンの厳しい
作動条件下で十分な耐剥離性を示すことができる妥当な
コーティングを与える有効量の下限であると考えてい
た。
とも６〜８重量％のイットリアでジルコニアを「部分的
に安定化する」ことが当技術分野の慣行であった。Ｓｔ
ｅｃｕｒａの米国特許第４４８５１５１号では、コーテ
ィング材料の立方晶相と正方晶相と単斜晶相の最適混合
物を提供すべくジルコニアは「部分的に」のみ安定化さ
れていると記載されているので、これよりも少ない量の
イットリアを用いることは教示されていない。そのた
め、当業者は伝統的にＳｔｅｃｕｒａの推奨した６〜８
％程度のイットリアが、ガスタービンエンジンの厳しい
作動条件下で十分な耐剥離性を示すことができる妥当な
コーティングを与える有効量の下限であると考えてい
た。
【０００８】最近、過酷な熱的環境で使用するためのイ
ットリア安定化ジルコニアからなる改良遮熱セラミック
層がＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社によって開発
された。このセラミックは、単斜晶相が存在する柱状結
晶粒組織を特徴とする。本願出願人に譲渡された米国特
許第５９８１０８８号には、ジルコニアの安定化に約２
〜５重量％のイットリアを用いて、電子ビーム物理蒸着
（「ＥＢＰＶＰ」）法で基材にコーティングを施工する
ことが開示されている。米国特許第５９８１０８８号に
記載されたセラミックコーティングは、数多くの熱サイ
クルに耐える必要のある航空機用エンジン部品に特に有
益であることが判明している。
ットリア安定化ジルコニアからなる改良遮熱セラミック
層がＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社によって開発
された。このセラミックは、単斜晶相が存在する柱状結
晶粒組織を特徴とする。本願出願人に譲渡された米国特
許第５９８１０８８号には、ジルコニアの安定化に約２
〜５重量％のイットリアを用いて、電子ビーム物理蒸着
（「ＥＢＰＶＰ」）法で基材にコーティングを施工する
ことが開示されている。米国特許第５９８１０８８号に
記載されたセラミックコーティングは、数多くの熱サイ
クルに耐える必要のある航空機用エンジン部品に特に有
益であることが判明している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】以上まとめた近年のコ
ーティングの開発にもかかわらず、発電用ガスタービン
エンジン部品の高温環境に暴露される合金部品に保護コ
ーティングを形成するのに最適な改良ジルコニア系コー
ティングに対するニーズは当技術分野に依然として存在
する。また、高温で激しい化学的条件に暴露される主要
タービン部品にかかるコーティングを施工するための改
良法に対するニーズも存在する。つまり、Ｓｔｅｃｕｒ
ａの教示したもののような従来系と同等の耐剥離性を保
ったまま、極めて高温の炭化水素排気ガスに暴露された
ときに強い耐薬品性と耐エロージョン性を有する改良イ
ットリア安定化ジルコニアに対するニーズが依然として
存在する。
ーティングの開発にもかかわらず、発電用ガスタービン
エンジン部品の高温環境に暴露される合金部品に保護コ
ーティングを形成するのに最適な改良ジルコニア系コー
ティングに対するニーズは当技術分野に依然として存在
する。また、高温で激しい化学的条件に暴露される主要
タービン部品にかかるコーティングを施工するための改
良法に対するニーズも存在する。つまり、Ｓｔｅｃｕｒ
ａの教示したもののような従来系と同等の耐剥離性を保
ったまま、極めて高温の炭化水素排気ガスに暴露された
ときに強い耐薬品性と耐エロージョン性を有する改良イ
ットリア安定化ジルコニアに対するニーズが依然として
存在する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、過酷な熱的環
境用に設計された合金部品表面の遮熱コーティング系の
ための新規遮熱セラミック層を提供することによって上
記ニーズを満足する。コーティングに適した部品は、ガ
スタービンエンジンの高温ガス流路内にあるノズル、バ
ケット、シュラウド、翼形部その他の燃焼ハードウェア
である。本発明のコーティングは、その熱伝導率が金属
基材の熱伝導率よりも一桁低いので、合金の表面温度を
低下させる傾向がある。熱勾配が存在するときに金属へ
の熱流束を低下させるには薄いセラミック層が必要なだ
けである（５〜４０ミル）。金属の表面温度は、セラミ
ックコーティングの表面温度よりも４００°Ｆ低くなり
得る。セラミック層は、ガス温度が１０００℃を超える
場合及び／又はガスタービンの始動と停止の繰返しのた
め厳しい熱サイクル疲労応力が存在する場合に特に適し
ている。
境用に設計された合金部品表面の遮熱コーティング系の
ための新規遮熱セラミック層を提供することによって上
記ニーズを満足する。コーティングに適した部品は、ガ
スタービンエンジンの高温ガス流路内にあるノズル、バ
ケット、シュラウド、翼形部その他の燃焼ハードウェア
である。本発明のコーティングは、その熱伝導率が金属
基材の熱伝導率よりも一桁低いので、合金の表面温度を
低下させる傾向がある。熱勾配が存在するときに金属へ
の熱流束を低下させるには薄いセラミック層が必要なだ
けである（５〜４０ミル）。金属の表面温度は、セラミ
ックコーティングの表面温度よりも４００°Ｆ低くなり
得る。セラミック層は、ガス温度が１０００℃を超える
場合及び／又はガスタービンの始動と停止の繰返しのた
め厳しい熱サイクル疲労応力が存在する場合に特に適し
ている。
【００１１】驚くべきことに、今回、本発明の改良遮熱
セラミック層が、Ｓｔｅｃｕｒａの予測した量よりもず
っと少ない量、すなわち約４重量％のイットリアで部分
的に安定化したジルコニア（以下、「４ＹＳＺ」とい
う。）で形成できることが判明した。また、イットリア
安定化ジルコニアが稠密縦裂（「ＤＶＣ」）蒸着法を用
いて施工できることも今回初めて判明した。ＤＶＣ法を
用いると、イットリアは、繰返し熱サイクル時の体積変
化に抵抗する正方晶結晶組織へとセラミックを変態させ
る。この安定化変態は、機械的応力が加わった際のジル
コニアの靱性も高める。好ましくは、ＤＶＣプロセスを
用いて形成したジルコニアは固溶体として０〜１％のハ
フニア（ＨｆＯ2）を含有する。
セラミック層が、Ｓｔｅｃｕｒａの予測した量よりもず
っと少ない量、すなわち約４重量％のイットリアで部分
的に安定化したジルコニア（以下、「４ＹＳＺ」とい
う。）で形成できることが判明した。また、イットリア
安定化ジルコニアが稠密縦裂（「ＤＶＣ」）蒸着法を用
いて施工できることも今回初めて判明した。ＤＶＣ法を
用いると、イットリアは、繰返し熱サイクル時の体積変
化に抵抗する正方晶結晶組織へとセラミックを変態させ
る。この安定化変態は、機械的応力が加わった際のジル
コニアの靱性も高める。好ましくは、ＤＶＣプロセスを
用いて形成したジルコニアは固溶体として０〜１％のハ
フニア（ＨｆＯ2）を含有する。
【００１２】本発明のセラミック層を組み込んだ遮熱コ
ーティング系は増大した耐エロージョン性、耐チッピン
グ性及び長期サイクル寿命を示すことが判明した。ま
た、このセラミック層は、ジルコニアの安定化に用いる
イットリアの量が少ないのではるかに安価でもある。本
発明のその他の目的及び利点は以下の詳細な説明から明
らかとなろう。
ーティング系は増大した耐エロージョン性、耐チッピン
グ性及び長期サイクル寿命を示すことが判明した。ま
た、このセラミック層は、ジルコニアの安定化に用いる
イットリアの量が少ないのではるかに安価でもある。本
発明のその他の目的及び利点は以下の詳細な説明から明
らかとなろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】上述の通り、本発明の遮熱コーテ
ィングは、熱的及び化学的に過酷な環境から保護しなけ
ればならない各種合金部品（いわゆる「超合金」）に施
工し得る。かかるな部品の例としては、ほとんどのガス
タービンエンジンにみられるノズル、バケット、シュラ
ウド、翼形部その他のハードウェアがある。本発明の優
れた効果は特にガスタービンエンジン部品に適用し得る
が、本発明の教示内容は部品をその環境から熱的・化学
的に遮断するためにコーティングを使用し得る部品に遍
く適用し得る。
ィングは、熱的及び化学的に過酷な環境から保護しなけ
ればならない各種合金部品（いわゆる「超合金」）に施
工し得る。かかるな部品の例としては、ほとんどのガス
タービンエンジンにみられるノズル、バケット、シュラ
ウド、翼形部その他のハードウェアがある。本発明の優
れた効果は特にガスタービンエンジン部品に適用し得る
が、本発明の教示内容は部品をその環境から熱的・化学
的に遮断するためにコーティングを使用し得る部品に遍
く適用し得る。
【００１４】高圧タービンブレードは、稠密縦裂蒸着法
を用いて本発明のコーティングを施工し得る基材のよい
例である。通例、タービンブレードは翼形部とプラット
フォームを有しており、ガスタービンの作動時にはこれ
らに向かって高温燃焼ガスが流れる。そのため、翼形部
の表面は酸化、腐食及びエロージョンによる作用を受け
る。翼形部は通常ブレードの根元部に形成されたダブテ
ールでタービンディスクに装着される。
を用いて本発明のコーティングを施工し得る基材のよい
例である。通例、タービンブレードは翼形部とプラット
フォームを有しており、ガスタービンの作動時にはこれ
らに向かって高温燃焼ガスが流れる。そのため、翼形部
の表面は酸化、腐食及びエロージョンによる作用を受け
る。翼形部は通常ブレードの根元部に形成されたダブテ
ールでタービンディスクに装着される。
【００１５】図１に、ＤＶＣ技術を用いて基材に施工し
た本発明の遮熱コーティングを示す。コーティング１０
は、合金基材１６を覆うボンドコーティング１４の上に
遮熱セラミック層１２を有しており、合金基材１６は通
例タービンブレードの母材をなす。基材に適した材料と
しては、鉄基、ニッケル基及びコバルト基超合金があ
る。上述の通り、ボンドコーティングは耐酸化性でなけ
ればならず、通例、コートブレードの高温暴露時にボン
ドコーティングの表面にアルミナ層１８を形成する。ア
ルミナ層はその下の超合金基材１６を保護するのに役立
つとともに、セラミック層が接着する表面を与える。
た本発明の遮熱コーティングを示す。コーティング１０
は、合金基材１６を覆うボンドコーティング１４の上に
遮熱セラミック層１２を有しており、合金基材１６は通
例タービンブレードの母材をなす。基材に適した材料と
しては、鉄基、ニッケル基及びコバルト基超合金があ
る。上述の通り、ボンドコーティングは耐酸化性でなけ
ればならず、通例、コートブレードの高温暴露時にボン
ドコーティングの表面にアルミナ層１８を形成する。ア
ルミナ層はその下の超合金基材１６を保護するのに役立
つとともに、セラミック層が接着する表面を与える。
【００１６】本発明では、セラミック層１２として好ま
しい材料は約４重量％のイットリアで部分的に安定化し
たジルコニアからなる。ジルコニアは固溶体として０〜
１％のハフニア（ＨｆＯ2）も含有する。セラミック層
は好ましくは稠密縦裂（「ＤＶＣ」）法で施工される。
ＤＶＣを用いると、イットリアは、熱サイクル時に体積
変化に有効に抵抗する正方晶組織へとセラミックを変態
させる。かかる安定化変態は、例えば始動及び停止時に
タービンブレードに機械的応力が加わるときのジルコニ
アの靱性を高める。
しい材料は約４重量％のイットリアで部分的に安定化し
たジルコニアからなる。ジルコニアは固溶体として０〜
１％のハフニア（ＨｆＯ2）も含有する。セラミック層
は好ましくは稠密縦裂（「ＤＶＣ」）法で施工される。
ＤＶＣを用いると、イットリアは、熱サイクル時に体積
変化に有効に抵抗する正方晶組織へとセラミックを変態
させる。かかる安定化変態は、例えば始動及び停止時に
タービンブレードに機械的応力が加わるときのジルコニ
アの靱性を高める。
【００１７】ボンドコーティング１４は、ＭＣｒＡｌＹ
（ただし、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルであ
る。）のような耐酸化性合金、或いは耐酸化性金属間化
合物を形成する拡散アルミナイド又は白金アルミナイド
から形成される。かかるボンドコーティングは当技術分
野で公知であり、通例約０．００３〜約０．０２５イン
チの範囲内の厚さである。
（ただし、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルであ
る。）のような耐酸化性合金、或いは耐酸化性金属間化
合物を形成する拡散アルミナイド又は白金アルミナイド
から形成される。かかるボンドコーティングは当技術分
野で公知であり、通例約０．００３〜約０．０２５イン
チの範囲内の厚さである。
【００１８】好ましいＤＶＣ系は高密度溶射法であり、
基材の予熱及びワークディスタンスを厳密に制御して熱
膨張係数及び室温冷却時の縦裂を調節・制御する。縦裂
は金属基材表面に垂直で、熱サイクル時の応力コンプラ
イアンスを与える。こうして亀裂は温度変化に伴って膨
張・収縮できるようになり、剥落を招きかねない有害な
応力が避けられる。従前、ＤＶＣ遮熱コーティング法は
発電部品に使われてはいるが、本発明のイットリア安定
化ジルコニアコーティングには使用されてはいなかっ
た。
基材の予熱及びワークディスタンスを厳密に制御して熱
膨張係数及び室温冷却時の縦裂を調節・制御する。縦裂
は金属基材表面に垂直で、熱サイクル時の応力コンプラ
イアンスを与える。こうして亀裂は温度変化に伴って膨
張・収縮できるようになり、剥落を招きかねない有害な
応力が避けられる。従前、ＤＶＣ遮熱コーティング法は
発電部品に使われてはいるが、本発明のイットリア安定
化ジルコニアコーティングには使用されてはいなかっ
た。
【００１９】別法として、ＹＳＺのインゴットを気化さ
せて部品表面に物理的に堆積又は凝縮させる電子ビーム
法を用いてＥＢＰＶＤ遮熱コーティングを金属基材に施
工することもできる。ＥＢＰＶＤでも応力に順応する同
様の柱状ミクロ組織が得られ、優れた表面仕上げを有す
るが、通例、ＥＢＰＶＤでは好ましいＤＶＣ法と同レベ
ルの耐エロージョン性が得られない。
せて部品表面に物理的に堆積又は凝縮させる電子ビーム
法を用いてＥＢＰＶＤ遮熱コーティングを金属基材に施
工することもできる。ＥＢＰＶＤでも応力に順応する同
様の柱状ミクロ組織が得られ、優れた表面仕上げを有す
るが、通例、ＥＢＰＶＤでは好ましいＤＶＣ法と同レベ
ルの耐エロージョン性が得られない。
【００２０】本発明のセラミック層を含む遮熱コーティ
ング系は従来のＴＢＣ系に比べ性能、コスト及び製造の
面で数々の利点を有する。特に、上述の通り、ＴＢＣコ
ーティングは向上した耐エロージョン性及び歩留りを呈
する。本セラミック層は、また、イットリアの必要量が
少なく、それでも耐剥離性は従来のコーティング系と同
等以上であるので、格段に安価である。本セラミック層
は、さらに、高温ガス環境暴露時に従来技術のセラミッ
クコーティングよりも耐チッピング性及び取扱い耐性に
優れる。
ング系は従来のＴＢＣ系に比べ性能、コスト及び製造の
面で数々の利点を有する。特に、上述の通り、ＴＢＣコ
ーティングは向上した耐エロージョン性及び歩留りを呈
する。本セラミック層は、また、イットリアの必要量が
少なく、それでも耐剥離性は従来のコーティング系と同
等以上であるので、格段に安価である。本セラミック層
は、さらに、高温ガス環境暴露時に従来技術のセラミッ
クコーティングよりも耐チッピング性及び取扱い耐性に
優れる。
【００２１】現時点で最も実用的で好ましい実施形態と
思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、
本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、
逆に、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨及び技術
的範囲に属する様々な変更及び均等物を包含する。
思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、
本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、
逆に、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨及び技術
的範囲に属する様々な変更及び均等物を包含する。
【図１】高圧ガスタービンブレード等の金属基材の断面
図であり、本発明に係る稠密縦裂蒸着法（「ＤＶＣ」）
を用いてブレードに施工した遮熱コーティングを示す。
図であり、本発明に係る稠密縦裂蒸着法（「ＤＶＣ」）
を用いてブレードに施工した遮熱コーティングを示す。
１０ 遮熱コーティング
１２ 遮熱セラミック層
１４ ボンドコーティング
１６ 合金基材
１８ アルミナ層
フロントページの続き
(72)発明者 ロバート・ダブリュー・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
Ｆターム(参考） 4K031 AA02 AA08 AB02 AB03 AB08
AB09 CB14 CB22 CB26 CB27
CB42 DA08 EA02 EA11
4K044 AA02 AB10 BA01 BA02 BA06
BA10 BA12 BB03 BC11 BC12
CA11
Claims (8)
- 【請求項１】 ガスタービンエンジンの金属部品用の遮
熱コーティング系であって、約１〜６重量％のイットリ
アと０〜１重量％のハフニアと残部のジルコニアからな
り、稠密縦裂蒸着法で形成された遮熱セラミック層を含
んでなる遮熱コーティング系。 - 【請求項２】 遮熱層をガスタービンエンジンの金属部
品に密着させるボンドコーティングをさらに含む、請求
項１記載の遮熱コーティング系。 - 【請求項３】 ボンドコーティングが、ＭＣｒＡｌＹ
（ただし、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルであ
る。）の耐酸化性合金又は拡散アルミナイドもしくは白
金アルミナイドから形成されている、請求項１記載の遮
熱コーティング系。 - 【請求項４】 ガスタービンエンジンの金属部品が超合
金材料からなる、請求項１記載の遮熱コーティング。 - 【請求項５】 遮熱セラミックコーティングの厚さが約
５〜１００ミルである、請求項１記載の遮熱コーティン
グ。 - 【請求項６】 ボンドコーティングが、ＭＣｒＡｌＹ、
拡散アルミナイド及びＮｉＡｌからなる群から選択され
る材料から形成されている、請求項１記載の遮熱コーテ
ィング。 - 【請求項７】 イットリア安定化ジルコニアが部分的に
のみ安定化されている、請求項１記載の遮熱コーティン
グ系。 - 【請求項８】 ガスタービンエンジンの金属基材部品、
約１〜６重量％のイットリアと約１重量％のハフニアを
有するイットリア安定化ジルコニアからなり、稠密縦裂
法で堆積した遮熱セラミック層、及び遮熱層を基材に密
着させるボンドコーティングを含んでなる遮熱コーティ
ング系。
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