JP2005061400A - 焼結の低減及び耐衝撃性の向上のための遮熱コーティング並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 遮熱コーティングの焼結を防ぐための有効な焼結抑制剤を提供する。
【解決手段】 安定剤で少なくとも部分的に安定化されたジルコニア母材及び五価酸化物ドーパントを含む組成物を開示する。高温ガスタービンで使用するための被覆物品も開示する。被覆物品は、イットリア安定化ジルコニア及び五価酸化物ドーパントを含み得る。五価酸化物ドーパントは、遮熱コーティングの焼結を低減させることができる。
【選択図】 図３

Description

本願発明の一実施形態は遮熱コーティングに関する。さらに具体的には、本発明の一実施形態は、ガスタービンエンジンのガス流路環境で使用される、遮熱コーティングを有する物品に関する。特に、一実施形態は遮熱コーティングとして作用する被覆タービン動翼を含むガスタービンシステムに関する。

材料の最高温度に暴露されるガスタービンエンジンの部品を保護するため遮熱コーティング（ＴＢＣ）系を使用できる。ＴＢＣ系は、通常、超合金基材上に堆積させたボンドコートと、ボンドコート上に堆積させたセラミックＴＢＣとを含む。ＴＢＣは、高温燃焼ガスの熱に対する断熱材として作用する。ボンドコートはＴＢＣを基材に結合し、基材の酸化及び腐食を抑制する。

現在使用されているＴＢＣの１種はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であり、これは製造時及び稼働時にＴＢＣを加熱冷却した際に本来起こる相変化からジルコニアを安定化するため約３〜約１２重量％のイットリア（酸化イットリウム）を添加したジルコニア（酸化ジルコニウム）である。ＹＳＺは、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢＰＶＤ）のような物理気相成長法で堆積させる。この製膜法では、ＹＳＺの結晶粒は、基材及びボンドコートから略外方に向かって垂直に延びる柱状組織をなして生成する。

ＴＢＣ系が有効であるためには、低い熱伝導率を有し、想定される使用条件下で結合物品に強く密着していなければならない。密着性を向上させ、ＴＢＣ系の実用寿命を延ばすため、耐酸化性ボンドコートが通常使用される。ボンドコートは、通例、ＭＣｒＡｌＸ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルのような遷移金属であり、Ｘはイットリウム又は他の希土類元素である）のようなオーバーレイコートの形態を有する。ボンドコートは、白金アルミナイドからなる単純アルミナイドのような拡散皮膜でもある。拡散アルミナイドボンドコートの顕著な例には、白金の金属間化合物（例えば、ＮｉＰｔＡｌ）がある。拡散ボンドコートを設ける場合、拡散ボンドコートの直下に相互拡散領域が生じる。通例、この領域は拡散領域と呼ばれる。

セラミックＴＢＣの高温暴露時、及びその通常稼働時のような以後の高温暴露時に、上述のタイプのボンドコートは酸化し、下方の構造を突発的酸化から保護する強固に密着したアルミナスケールを生成する。

ＴＢＣ系の柱状組織は、コーティングの密着性及び低い熱伝導率の維持に特に重要である。柱状晶間の空隙に加え、柱状組織中の亜結晶粒の内部には微細気孔も存在する。微細気孔は、時には柱状晶と実質的に直交するように配列することがある。

稼働時にＹＳＺが周期的に高温に付されると、焼結により、大結晶粒の柱状晶間気孔及び亜結晶粒の微細気孔が徐々につぶれていくという問題が生じる。結果として、ＹＳＺが熱膨張ひずみに順応する能力は徐々に低下し、ＹＳＺの熱伝導率は徐々に約２０％以上も増大する。

ＹＳＺに焼結抑制剤を添加すると、遮熱コーティングの使用時に柱状結晶粒間の空隙が焼結によってつぶれる傾向が低減することが認められている。多数の焼結抑制剤が提唱されている。しかし、これらの焼結抑制剤は様々な欠点を有しており、さらに有効な焼結抑制剤に対するニーズが存在する。

ガスタービン動翼の物理的要件の一部には、過激な環境での運転がある。ガスタービン動翼が暴露される条件の１つは、タービン動翼を横切って流れる小粒子の浸食効果である。かかる小粒子は、ガスタービン内部の燃焼過程の一部で生じることがある。ガスタービン動翼が暴露される別の条件は、ガス流中に侵入する異物である。

要望されているのは、従来技術に存在した問題の少なくとも一部を回避するＴＢＣである。

本発明の目的の一つは、遮熱コーティングの焼結を防ぐための有効な焼結抑制剤を提供することである。

ガスタービンエンジンの部品を開示する。部品はタービン動翼又はタービン静翼に該当し得る。部品は、基材として役立つ本体を含む。基材上には、ボンドコートのような遮熱コーティング系が接している。ボンドコートは、白金などの金属である金属下層を適宜含む。ボンドコートは、アルミニウムなどの金属である金属上層も含む。

一実施形態では、ボンドコートは、ボンドコート由来の材料と基材由来の材料との相互拡散の結果である拡散領域を含む。一実施形態では、基材上に金属上層を堆積させるプロセスは高温で実施されるので、堆積プロセス時に金属上層の材料が基材の材料と相互拡散して拡散領域を形成する。

タービン動翼の構造は、ボンドコート表面とその上のアルミナスケール上に接するセラミック遮熱コーティングによって完成する。セラミック遮熱コーティングは、約１〜約４モル％の濃度で１種以上の五価酸化物ドーパントを含有するイットリア安定化ジルコニアを含む。

ボンドコートは、適宜金属下層（存在する場合）、金属上層及びアルミナスケールを含む。一実施形態では、ボンドコートは、基材上にアルミニウム含有金属上層を堆積させ、アルミニウム含有金属上層を基材と相互拡散させることで形成された拡散アルミナイドボンドコートである。一実施形態では、ボンドコートは単純な拡散アルミナイドである。一実施形態では、ボンドコートは、金属下層のような別の層を含むより複雑な拡散アルミナイドである。一実施形態では、金属下層は白金層である。

一実施形態では、ボンドコート全体が白金−アルミナイド拡散アルミナイドを含む。この実施形態では、先ず最初に白金含有金属下層を基材の表面上に堆積させる。一実施形態では、白金の代わりに、又は白金に加えて他の金属を使用して金属下層を形成する。

金属下層（存在する場合）の形成後、適宜実施可能な方法で、基材及び金属下層（存在する場合）上に金属上層を堆積させる。一実施形態では、ボンドコート中のアルミニウムの酸化によってボンドコート表面にアルミナスケールが生成する。

セラミック遮熱コーティングは、電子ビーム物理気相成長（ＥＢＰＶＤ）のような物理気相成長法などの方法、又はプラズマ溶射法で堆積させる。一実施形態では、セラミック遮熱コーティングは１種以上の五価酸化物ドーパントを添加したＹＳＺセラミック母材である。

その例には、「第三の」酸化物の添加で改質したＹＳＺがある。一実施形態では、「第三の」酸化物には、酸化バナジウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、これらの組合せなどから選択される五価酸化物が含まれる。

一実施形態では、「第三の」酸化物には、１種以上の五価酸化物に加えて、酸化ランタン、これらの組合せなどから選択される三価酸化物が含まれる。一実施形態では、「第三の」酸化物には、酸化イッテルビウム、酸化ガドリニウム、酸化ネオジム、これらの組合せなどから選択されるものが含まれる。各々の列挙された実施形態では、「第三の」酸化物はＹＳＺと共に堆積させる。

ＰＶＤ法で形成した場合、遮熱コーティングは一般に基部でボンドコート及びアルミナスケールに堆積したセラミック材料の複数の柱状結晶粒を含む。遮熱コーティングの若干の部位には、遮熱コーティングの断熱性を増大させる空隙が存在する。

製造方法の実施に当っては、基材上に適宜ボンドコートを形成する。加えて、ボンドコートを形成する前に適宜白金層を形成してもよい。アルミナスケールを生成させるため、ボンドコートを熱処理に付してもよい。遮熱コーティングは、電子ビーム物理気相成長（ＥＢＰＶＤ）及びプラズマ溶射から選択される堆積方法で形成される。

上記その他の実施形態は、以下の詳細な説明に記載される。

実施形態の実施方法の理解を図るべく、添付図面を参照して、上記の各種実施形態についてさらに詳しく説明する。添付の図面を用いて、追加の具体例及び細部に関して実施形態を記載し説明するが、これらの図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれていない典型的な実施形態のみを示し、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

以下の説明には「第一の」、「第二の」などの用語が含まれるが、これらはもっぱら説明のために用いるものにすぎず、限定的なものではない。以下の詳細な説明では添付の図面が参照されるが、これらは説明の一部をなす。これらの図面は、例示のため、本発明を実施し得る特定の実施形態を示す。図面では、一部の同じ番号は複数の図を通じて実質的に類似した部品を表す。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分詳細に記載する。複数の実施形態の技術的範囲から逸脱せずに、他の実施形態を用いることができ、構造上の変更を行い得る。さらに、組成について記載する場合、モル％、体積％などの用語で修飾されない百分率で組成が記載されているときは、その百分率は重量パーセントを示す。

図１は、タービン動翼又はタービン静翼のようなガスタービンエンジンの部品を示しており、この例ではタービン動翼１００を示す。タービン動翼１００はあらゆる実用可能な材料から形成されている。タービン動翼１００は、排ガスの流れを衝突させる翼形部分１１０を含む。タービン静翼又はノズルは、付属する翼形部分に関しては類似の外観を有するが、通例は翼形を支持するための他の末端構造物を含む。タービン動翼１００は、翼形１１０から下方に延在してタービンディスクのスロットと係合するダブテール１１２によってタービンディスク（図示せず）に取り付けられる。翼形１１０がダブテール１１２に接合された区域から、プラットホーム１１４が長手方向に沿って外方に延在する。

図２は、タービン動翼１００の一部のコンピューター画像断面図である。タービン動翼１００は、図２では図１の翼形部分１１０として示すが、図２では番号２００で示す。タービン動翼２００は、基材表面２１８をもつ基材２１６として役立つ本体を有する。基材表面２１８には、保護皮膜２２２（この場合にはボンドコート２２２と呼ぶ）を含む遮熱コーティング系２２０が接していて、基材２１６内部にも拡がっている。ボンドコート２２２は薄くて略平坦であり、基材２１６の表面２１８に沿って結合している。一実施形態では、ボンドコート２２２は約０．０００５〜約０．１０インチの厚さを有する。

一実施形態では、ボンドコート２２２は、白金などの金属である金属下層２２４を適宜含む。ボンドコート２２２は、アルミニウムなどの金属である金属上層２２６も含む。一実施形態では、ボンドコート２２２は、ボンドコート２２２由来の材料と基材２１６由来の材料との相互拡散の結果である拡散領域２２８を含む。一実施形態では、基材表面２１８上に金属上層２２６を堆積させるプロセスは高温で実施されるので、堆積プロセス時に金属上層２２６の材料が基材２１６の材料と相互拡散して拡散領域２２８を形成する。図２に破線で示す拡散領域２２８は、遮熱コーティング系の一部であるが、基材２１６内部にまで拡がる。

一実施形態では、ボンドコート２２２は、基材２１６の表面２１８から遠い側に外側を向いたボンドコート表面２３０を有する。一実施形態では、ボンドコート２２０中のアルミニウムの酸化により、アルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ₂Ｏ₃）スケール２３２のようなセラミック界面がこのボンドコート表面２３０に生成する。

タービン動翼２００の構造は、ボンドコート表面２３０とその上のアルミナスケール２３２上に接するセラミック遮熱コーティング２３４によって完成する。セラミック遮熱コーティング２３４は、１種以上の五価酸化物ドーパントを約１〜約４モル％の濃度で含有するイットリア安定化ジルコニアを含む。一実施形態では、五価酸化物ドーパントは約１．３〜約１．９モル％の濃度で存在する。一実施形態では、五価酸化物ドーパントは約１．４〜約１．８モル％の濃度で存在する。一実施形態では、五価酸化物ドーパントは約１．６モル％の濃度で存在する。

基材材料
再び図１について説明する。一実施形態では、部品は、ガスタービン動翼１００又は静翼（若しくは「ノズル」（時には静翼をこう呼ぶ））のようなガスタービンエンジンの部品を包含する。一実施形態では、部品は単結晶基材を含む。一実施形態では、部品は選択的配向の多結晶体又はランダムな配向の多結晶体である。一実施形態では、部品は基材２１６（図２）用のニッケル基超合金で作られている。本明細書で使用する「ニッケル基」とは、組成にニッケルが他の元素より多く存在することを意味する。

ニッケル基超合金は、通例、γ′相又は関連する相の析出で強化された組成を有する。一実施形態では、ニッケル基合金は、重量％で表して約４〜約２０％のコバルト、約１〜約１０％のクロム、約５〜約７％のアルミニウム、０〜約２％のモリブデン、約３〜約８％のタングステン、約４〜約１２％のタンタル、０〜約２％のチタン、０〜約８％のレニウム、０〜約６％のルテニウム、０〜約１％のニオブ、０〜約０．１％の炭素、０〜約０．０１％のホウ素、０〜約０．１％のイットリウム、０〜約１．５％のハフニウム、及び残部のニッケルと不可避不純物からなる組成を有する。

一実施形態では、基材２１６用の合金組成物はＲｅｎｅ′Ｎ５であり、これは重量％で表して約７．５％のコバルト、約７％のクロム、約６．２％のアルミニウム、約６．５％のタンタル、約５％のタングステン、約１．５％のモリブデン、約３％のレニウム、約０．０５％の炭素、約０．００４％のホウ素、約０．１５％のハフニウム、約０．０１％以下のイットリウム、及び残部のニッケルと不可避不純物からなる公称組成を有する。

一実施形態では、基材２１６用の合金組成物はＲｅｎｅ′Ｎ６であり、これは重量％で表して約１２．５％のコバルト、約４．２％のクロム、約１．４％のモリブデン、約５．７５％のタングステン、約５．４％のレニウム、約７．２％のタンタル、約５．７５％のアルミニウム、約０．１５％のハフニウム、約０．０５％の炭素、約０．００４％のホウ素、約０．０１％のイットリウム、及び残部のニッケルと不可避不純物からなる公称組成を有する。

一実施形態では、基材２１６用の合金組成物はＲｅｎｅ′１４２であり、これは重量％で表して約１２％のコバルト、約６．８％のクロム、約１．５％のモリブデン、約４．９％のタングステン、約６．４％のタンタル、約６．２％のアルミニウム、約２．８％のレニウム、約１．５％のハフニウム、約０．１％の炭素、約０．０１５％のホウ素、及び残部のニッケルと不可避不純物からなる公称組成を有する。

一実施形態では、基材２１６用の合金組成物はＣＭＳＸ−４であり、これは重量％で表して約９．６０％のコバルト、約６．６％のクロム、約０．６０％のモリブデン、約６．４％のタングステン、約３．０％のレニウム、約６．５％のタンタル、約５．６％のアルミニウム、約１．０％のチタン、約０．１０％のハフニウム、約０．１％の炭素、約０．０１５％のホウ素、及び残部のニッケルと不可避不純物からなる公称組成を有する。

一実施形態では、基材２１６用の合金組成物はＣＭＳＸ−１０であり、これは重量％で表して約７．００％のコバルト、約２．６５％のクロム、約０．６０％のモリブデン、約６．４０％のタングステン、約５．５０％のレニウム、約７．５％のタンタル、約５．８０％のアルミニウム、約０．８０％のチタン、約０．０６％のハフニウム、約０．４％のニオブ、及び残部のニッケルと不可避不純物からなる公称組成を有する。

一実施形態では、基材２１６用の合金組成物はＰＷＡ１４８０であり、これは重量％で表して約５．００％のコバルト、約１０．０％のクロム、約４．００％のタングステン、約１２．０％のタンタル、約５．００％のアルミニウム、約１．５％のチタン、及び残部のニッケルと不可避不純物からなる公称組成を有する。

一実施形態では、基材２１６用の合金組成物はＰＷＡ１４８４であり、これは重量％で表して約１０．００％のコバルト、約５．００％のクロム、約２．００％のモリブデン、約６．００％のタングステン、約３．００％のレニウム、約８．７０％のタンタル、約５．６０％のアルミニウム、約０．１０％のハフニウム、及び残部のニッケルと不可避不純物からなる公称組成を有する。

一実施形態では、基材２１６用の合金組成物はＭＸ−４であり、米国特許第５４８２７８９号に記載の通り、これは重量％で表して約０．４〜約６．５％のルテニウム、約４．５〜約５．７５％のレニウム、約５．８〜約１０．７％のタンタル、約４．２５〜約１７．０％のコバルト、０〜約０．０５％のハフニウム、０〜約０．０６％の炭素、０〜約０．０１％のホウ素、０〜約０．０２％のイットリウム、約０．９〜約２．０％のモリブデン、約１．２５〜約６．０％のクロム、０〜約１．０％のニオブ、約５．０〜約６．６％のアルミニウム、０〜約１．０％のチタン、約３．０〜約７．５％のタングステン、及び残部のニッケルと不可避不純物からなり、モリブデンとクロムとニオブの和は約２．１５〜約９．０％であり、アルミニウムとチタンとタングステンの和は約８．０〜約１５．１％である公称組成を有する。

上述の実施形態の使用はここに列挙した合金に限定されることはなく、さらに広範な応用可能性を有する。

ボンドコート材料
ボンドコート２２２は、適宜金属下層２２４（存在する場合）、金属上層２２６及びアルミナスケール２３２を含む。

一実施形態では、ボンドコート２２２は、基材２１６上にアルミニウム含有金属上層２２６を堆積させ、アルミニウム含有金属上層２２６を基材２１６と相互拡散させることで形成された拡散アルミナイドボンドコートである。一実施形態では、ボンドコート２２２は単純な拡散アルミナイドである。一実施形態では、ボンドコート２２２は、金属下層２２４のような別の層を含むより複雑な拡散アルミナイドである。一実施形態では、金属下層２２４は白金層である。

ボンドコート２２２が単純な拡散アルミナイドであろうが複雑な拡散アルミナイドであろうが、アルミニウム含有金属上層２２６には、ボンドコート２２２を改質する他の元素をドープし得る。一実施形態では、ボンドコート２２２はＭＣｒＡｌＸ皮膜として知られるオーバーレイコートを含む。「ＭＣｒＡｌＸ」という用語は、遮熱コーティング系に環境皮膜又はボンドコートとして使用し得る様々な種類のオーバーレイボンドコートを表す短縮形の技術用語である。上記その他の表現形式中、Ｍはニッケル、コバルト、鉄及びこれらの組合せをいう。これらの保護皮膜の一部では、クロムが省略されることもある。Ｘは、ハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、タンタル、レニウム、ルテニウム、パラジウム、白金、ケイ素、チタン、ホウ素、炭素及びこれらの組合せのような元素を表す。具体的な組成物は当技術分野で公知である。ＭＣｒＡｌＸ組成物の若干の例には、例えばＮｉＡｌＣｒＺｒ及びＮｉＡｌＺｒがあるが、このリストは限定的なものではない。

一実施形態では、ボンドコート２２２全体が白金−アルミナイド拡散アルミナイドを含む。この実施形態では、先ず最初に白金含有金属下層２２４を基材２１６の表面２１８上に堆積させる。一実施形態では、白金含有金属下層２２４を電着で堆積させる。一実施形態では、電着は、白金含有溶液を電着タンクに入れ、溶液から基材２１６の表面２１８上に白金を析出させることで実施される。実用可能な白金含有水溶液は約４〜２０グラム／リットルの白金濃度を有するＰｔ(ＮＨ₃)₄ＨＰＯ₄であり、電圧／電流源は対向する物品表面１平方フィート当たり約１／２〜１０アンペアで動作させる。一実施形態では、白金金属下層２２４を１９０〜２００°Ｆの温度で１〜４時間かけて堆積させる。一実施形態では、白金金属下層２２４は約０．００００４〜約０．０００２４インチの厚さ範囲で形成される。一実施形態では、白金金属下層２２４は厚さ約０．０００２インチである。

一実施形態では、白金の代わりに、又は白金に加えて他の金属を使用して金属下層２２４を形成する。かかる金属及びその組合せは当技術分野で公知である。

金属下層２２４（存在する場合）の形成後、適宜実施可能な方法で、基材２１６及び金属下層２２４（存在する場合）上に金属上層２２６を堆積させる。一実施形態では、化学気相成長（ＣＶＤ）を用いて金属上層２２６を形成する。その方法では、塩化水素のようなハロゲン化水素活性剤ガスをアルミニウム金属又はアルミニウム合金に接触させて対応するハロゲン化アルミニウムガスを生成させる。同じ技術で変性元素のハロゲン化が生成される。ハロゲン化アルミニウム（又はハロゲン化アルミニウムと変性元素のハロゲン化物（使用する場合）の混合物）を基材２１６上に位置する白金含有金属下層２２４に接触させれば、その上にアルミニウムが蒸着する。一実施形態では、蒸着は約１８２５〜約１９７５°Ｆのような高温で行われるので、蒸着アルミニウム原子は４〜２０時間のサイクル時に基材２１６内に相互拡散する。

一実施形態では、ボンドコート表面２３０におけるボンドコート２２０中のアルミニウムの酸化により、このボンドコート表面２３０にアルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ₂Ｏ₃）スケール２３２が生成する。金属上層が複合アルミニウム化合物である場合、それに相応した変性「アルミナ」スケール２３２がスケール２３２を形成する。

遮熱コーティング
セラミック遮熱コーティング２３４は、電子ビーム物理気相成長（ＥＢＰＶＤ）のような物理気相成長法などの方法、又はプラズマ溶射法で堆積させる。一実施形態では、セラミック遮熱コーティング２３４は約０．００３〜約０．０１０インチの厚さを有する。一実施形態では、セラミック遮熱コーティング２３４は約０．００５インチの厚さを有する。

一実施形態では、セラミック遮熱コーティング２３４はＹＳＺであり、これは約３〜約１２重量％のイットリアを含む酸化ジルコニウムである。一実施形態では、セラミック遮熱コーティング２３４は約４〜約８重量％の酸化イットリウムを含む。さらに、１種以上の五価酸化物ドーパントが添加される。

その例には、「第三の」酸化物の添加で変性したＹＳＺがある。一実施形態では、「第三の」酸化物には、酸化タンタル、酸化ニオブ、これらの組合せなどから選択される五価酸化物が含まれる。

一実施形態では、「第三の」酸化物には、１種以上の五価酸化物に加えて、酸化ランタンなどの三価酸化物も含まれる。一実施形態では、「第三の」酸化物には、酸化イッテルビウム、酸化ガドリニウム、酸化ネオジム、これらの組合せなどから選択されるものが含まれる。各々の列挙された実施形態では、「第三の」酸化物は五価酸化物及びＹＳＺと共に堆積させる。

一実施形態では、セラミック遮熱コーティング２３４は、１種以上の五価酸化物を添加したドープトジルコニアのセラミック母材を含む。一実施形態では、ジルコニアセラミック母材はカルシア及び１種以上の五価酸化物の添加で少なくとも部分的に安定化されている。一実施形態では、ジルコニアセラミック母材はマグネシア及び１種以上の五価酸化物の添加で少なくとも部分的に安定化されている。一実施形態では、ジルコニアセラミック母材はセリア及び１種以上の五価酸化物の添加で少なくとも部分的に安定化されている。一実施形態では、ジルコニアセラミック母材は上述の安定剤の２種以上の組合せ及び１種以上の五価酸化物の添加で少なくとも部分的に安定化されている。

一実施形態では、ジルコニアセラミック母材は、約４〜約８重量％のイットリアを含有するＹＳＺ（４〜８ＹＳＺと表すことがある）を含む。この実施形態では、４〜８ＹＳＺ母材は約１〜約４モル％の濃度で五価酸化物ドーパントを含む。一実施形態では、４〜８ＹＳＺ母材は約１．６モル％の濃度で五価酸化物ドーパントを含む。

一実施形態では、五価酸化物はタンタラ（Ｔａ₂Ｏ₅）を含む。一実施形態では、五価酸化物は過半量のタンタラを含んでおり、併せてニオビア又は酸化ニオブのような１種以上の他の五価酸化物を含む。代替実施形態では、五価酸化物はセラミック母材中に酸化タンタルを非化学量論的固溶体として含む。別の代替実施形態では、五価酸化物はセラミック母材中に過半量の酸化タンタルを非化学量論的固溶体として含んでおり、併せてニオビア又は酸化ニオブのような１種以上の他の五価酸化物を含む。一実施形態では、五価酸化物は約１〜約４モル％のタンタラを含む。一実施形態では、五価酸化物は約１．３〜約１．９モル％のタンタラを含む。一実施形態では、五価酸化物は約１．４〜約１．８モル％のタンタラを含む。一実施形態では、五価酸化物は７ＹＳＺセラミック母材中に約１．６モル％のタンタラを含む。

一実施形態では、五価酸化物はニオビア（Ｎｂ₂Ｏ₅）を含む。一実施形態では、五価酸化物は過半量のニオビアを含んでおり、併せてタンタラ又は酸化タンタルのような１種以上の他の五価酸化物を含む。代替実施形態では、五価酸化物はセラミック母材中に酸化ニオフを非化学量論的固溶体として含む。別の代替実施形態では、五価酸化物はセラミック母材中に過半量の酸化ニオブを非化学量論的固溶体として含んでおり、併せてタンタラ又は酸化タンタルのような１種以上の他の五価酸化物を含む。

一実施形態では、五価酸化物は約１〜約４モル％のニオビアを含む。一実施形態では、五価酸化物は約１．２〜約１．８モル％のニオビアを含む。一実施形態では、五価酸化物は７ＹＳＺセラミック母材中に約１．６モル％のニオビアを含む。

遮熱コーティング２３４は、本明細書に記載した様々なセラミック母材実施形態の１つを含み得る。一実施形態では、遮熱コーティング２３４中のイットリアは約７％の量で存在する。五価酸化物はＴａ₂Ｏ₅（酸化タンタル）、Ｎｂ₂Ｏ₅（酸化ニオブ）及びこれらの組合せから選択され、約１〜約４モル％の量で存在する。一実施形態では、五価酸化物はＴａ₂Ｏ₅（酸化タンタル）、Ｎｂ₂Ｏ₅（酸化ニオブ）及びこれらの組合せから選択され、約１．３〜約３モル％存在する。一実施形態では、五価酸化物はＴａ₂Ｏ₅（酸化タンタル）、Ｎｂ₂Ｏ₅（酸化ニオブ）及びこれらの組合せ、Ｔａ₂Ｏ₅（酸化タンタル）、Ｎｂ₂Ｏ₅（酸化ニオブ）及びこれらの組合せから選択され、約１．５〜約２モル％存在する。一実施形態では、五価酸化物はＴａ₂Ｏ₅（酸化タンタル）、Ｎｂ₂Ｏ₅（酸化ニオブ）及びこれらの組合せから選択され、約１．６モル％存在する。

図２に略示されている通り、ＰＶＤ法で形成した場合、遮熱コーティング２３４は一般に基部でボンドコート２２２及びアルミナスケール２３２に堆積したセラミック材料の複数の柱状結晶粒２３６を含む。柱状結晶粒２３６は結晶粒表面２３８を有する。遮熱コーティング２３４の若干の部位には、結晶粒２３６間及びその対向した結晶粒表面２３８間に空隙２４０（図２では例示のためにそのサイズを誇張してある）が存在する。

一実施形態では、セラミック遮熱コーティング２３４はＥＢＰＶＤで形成されるが、これは亜結晶粒２４２を生成する。亜結晶粒２４２は、若干の柱状結晶粒２３６特定部分に略示されている。図２では、亜結晶粒２４２は亜結晶粒界及び亜結晶粒本体を含む。亜結晶粒界は対角線として略示されている。亜結晶粒本体は２本の対角線間の空間として略示されている。

対応する空隙２４０及び亜結晶粒２４２を有する柱状結晶粒２３６を含む遮熱コーティング２３４の形態は、遮熱コーティング２３４の機能性に有益である。空隙２４０は、基材２１６、アルミナスケール２３２を含むボンドコート２２２、及び遮熱コーティング２３４が損傷性の大きい形態学的変化を受けずに膨張収縮することを可能にする。遮熱コーティング２３４はセラミック材料であるから、それは一般に低い延性を有するので、蓄積した応力が破壊を引き起こし易い。しかし、空隙２４０が存在すると、遮熱コーティング２３４中の面内応力は１つの柱状結晶粒２３６又は多くても１群をなす若干の柱状結晶粒２３６を横切って生じるにすぎない。即ち、すべての柱状結晶粒２３６は面内応力を有するが、長い距離にわたって応力が蓄積しないので、面内応力の大きさは比較的低い。その結果、柱状結晶粒２３６及び空隙２４０を有する遮熱コーティング２３４は使用時の面内過大応力による破壊を受けにくい。さらに、空隙２４０は空気で満たされていて、この空気は結晶粒２３６の間に比較的停滞している場合に有効な断熱材となり、遮熱コーティング２３４がその主たる役割を果たすのを助ける。

図３は、方法の実施形態のブロック図である。方法３００は、遮熱コーティングを形成すること、及び適宜ボンドコートを形成することを含む。

３１０では、基材上に適宜ボンドコートを形成する。

３１２では、ボンドコートを形成する前に適宜白金層を形成する。

３１４では、複数の実施形態に従って本明細書に記載した通り、ボンドコートに適宜熱処理を施して「アルミナ」スケール２３２を生成させる。

３２０では、ＥＢＰＶＤ及びプラズマ溶射から選択される堆積方法で遮熱コーティングを形成する。

実施例１
ＥＢ−ＰＶＤ技術を用いて、基材上に皮膜を形成した。皮膜は、約１．６モル％のＴａ₂Ｏ₅を含む７ＹＳＺであった。ＴＢＣを設けた後、耐焼結性に関する計量値を求めるため熱サイクリング（ＴＣ）を行った。皮膜を空気中で約１２００℃に約２時間加熱した。熱サイクルの後、被覆基材の熱伝導率はＴＣ前の約１．５８Ｗ／ｍ ＫからＴＣ後の約１．６４Ｗ／ｍ Ｋに変化したことが認められた。熱伝導率の評価は、当技術分野で公知のレーザーフラッシュ法で行った。

実施例２
ＥＢ−ＰＶＤ技術を用いて、基材上に皮膜を形成する。皮膜は、約１〜約４モル％の濃度で五価酸化物ドーパントを含む４〜８ＹＳＺである。基材上に皮膜を形成した後、基材上の皮膜を空気中で約１２００℃に約２時間暴露して耐焼結性に関する計量値を求める。皮膜の熱処理後、皮膜の熱伝導率は約２〜約１０％増大した。一実施形態では、皮膜の熱伝導率は約１０％を超えて増大したが、約２０％には達しなかった。

実施例３
ＥＢ−ＰＶＤ技術を用いて、基材上に皮膜を形成する。皮膜は、約１．２〜約２．２モル％の濃度で五価酸化物ドーパントを含む７ＹＳＺである。基材上に皮膜を形成した後、基材上の皮膜を空気中で約１２００℃に約２時間暴露して耐焼結性に関する計量値を求める。皮膜の熱処理後、皮膜の熱伝導率は約２〜約９％増大した。

比較例
ＥＢ−ＰＶＤ技術を用いて、基材上に皮膜を形成した。皮膜は７ＹＳＺであった。ＴＢＣを設けた後、皮膜を空気中で約１２００℃に約２時間加熱してＴＣを行った。７つのベースライン試料をこのように処理し、これらの試験値の平均を求めてベースライン数とした。ＴＣの後、被覆基材の熱伝導率は約１．５３Ｗ／ｍ Ｋから約２．０２Ｗ／ｍ Ｋに変化したことが認められた。

ガスタービン
一実施形態では、ガスタービンを含むシステムが開示される。一実施形態では、ガスタービンは図２に示したコンピューター図面に類似した組成物及び構造物を含む。一実施形態では、ガスタービンは本明細書に記載した実施形態に係る被覆物品（例えば、図２に示したもの）を含む。一実施形態では、ガスタービンは本明細書に記載した実施形態に係るタービン動翼（例えば、図１に示したもの）を含む。

要約書は、読者が技術的開示内容の本質及び要旨を手早く確認することを可能にするという３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．の§１．７２（ｂ）の要求に従って提供されていることを強調しておきたい。それは、特許請求の範囲の技術的範囲又は意味を解釈又は限定するために使用されないことを了解すべきである。

上記の詳細な説明では、開示を能率化するために様々な特徴が単一の実施形態に集約されている。このような開示方法は、本発明の請求される実施形態が各請求項に明記されたものより多くの特徴を要求するという意図を反映していると解釈すべきでない。それどころか、特許請求の範囲が表している通り、本発明の要旨は単一の開示された実施形態のすべての特徴より少ない特徴に存している。即ち、様々な請求項は本発明の実施形態の詳細な説明に組み込まれているが、各請求項は個別の好ましい実施形態として独立したものである。

本発明の性質を説明するために記載され例示された部品の細部、材料及び配置並びに方法の段階が、特許請求の範囲に表現された本発明の原理及び技術的範囲から逸脱することなく様々に変更し得ることは、当業者には容易に理解されよう。

タービン動翼又はタービン静翼のようなガスタービンエンジンの部品を示す。 図１に示したタービン動翼の一部のコンピューター画像断面図である。 一実施形態に係る方法の流れ図である。

符号の説明

２００ タービン動翼
２１６ 基材
２２０ 遮熱コーティング系
２２２ ボンドコート
２２４ 金属下層
２２６ アルミニウム含有金属上層
２３２ アルミナスケール
２３４ 遮熱コーティング
２３６ 柱状結晶粒
２４０ 空隙
２４２ 亜結晶粒

Claims (10)

1. 少なくとも部分的に安定化されたジルコニアと約１〜約４モル％の濃度で存在する１種以上の五価酸化物ドーパントを含むセラミック母材とを含んでなる組成物。
2. １種以上の五価酸化物ドーパントが約１．３〜約１．８９モル％の濃度で存在する、請求項１記載の組成物。
3. 少なくとも部分的に安定化されたジルコニアが約４〜約８％のイットリアを含む、請求項１記載の組成物。
4. 五価酸化物が酸化タンタル、酸化ニオブ及びこれらの組合せから選択される、請求項１記載の組成物。
5. 超合金基材、
   超合金基材上に設けられたボンドコート、
   ボンドコート上に設けられたセラミック界面、並びに
   イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）及び約１〜約４モル％の濃度で存在する五価酸化物ドーパントを含む、セラミック界面上に設けられた遮熱コーティング
   を含んでなる被覆物品。
6. 五価酸化物がＴａ₂Ｏ₅（酸化タンタル）、Ｎｂ₂Ｏ₅（酸化ニオブ）及びこれらの組合せから選択され、五価酸化物が約１．３〜約１．９モル％存在する、請求項５記載の被覆物品。
7. 超合金を含むタービン動翼基材、及び
   タービン動翼基材上のタービン動翼コーティング
   を含んでなる被覆タービン動翼であって、コーティングがイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）母材及び約１〜約４モル％の濃度で存在する五価酸化物ドーパントを含む組成物である、被覆タービン動翼。
8. タービン動翼コーティングがアルミニウムを含むボンドコートを含み、五価酸化物ドーパントが約１．３〜約１．９モル％のタンタラを含む、請求項７記載の被覆タービン動翼。
9. タービン動翼コーティングがアルミニウムを含むボンドコートを含み、五価酸化物ドーパントが約１．３〜約１．９モル％のニオビアを含む、請求項７記載の被覆タービン動翼。
10. ガスタービン、及びガスタービン内のタービン動翼を含んでなるシステムであって、タービン動翼が
    超合金基材、
    超合金基材上に設けられたボンドコート、
    ボンドコート上に設けられたセラミック界面、並びに
    イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）及び約１〜約４モル％の濃度で存在する五価酸化物ドーパントを含む、セラミック界面上に設けられた遮熱コーティング
    を含む、システム。

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