JP2005273017A - 断熱被覆の熱伝導率低減方法、断熱被覆および断熱被覆部品 - Google Patents

Abstract

【課題】被覆の多孔度を増加させることによって被覆内の熱伝導率を低減する方法、そのような被覆、およびそのような被覆を有する部品が提供される。
【解決手段】多孔度の組み込みによって断熱被覆（ＴＢＣ）内の熱伝導率を低減する方法は、層を形成するように、ＴＢＣマトリックスと一時的物質１１とを含む混合物を部品上に堆積させ、多孔質ネットワークを形成するように、一時的物質の一部を遊離させるのに十分な温度および時間でこの層を加熱する、工程を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、被覆の多孔度を増加させることによって被覆内の熱伝導率を低減する方法に関する。より詳細には、本発明は、熱処理されると遊離して細孔を形成する一時的物質の導入によってセラミック被覆の多孔度を増加させる方法に関する。

本発明は、一般に断熱被覆（ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ）（ＴＢＣ）に関し、特に、セラミック材料から作成された断熱被覆に関し、さらに、このような断熱被覆を有する金属製部品に関する。断熱被覆は、ガスタービンエンジン内で特定の有用性を有する。

ガスタービンエンジンは、燃料の形態における化学ポテンシャルエネルギーを熱エネルギーに、さらには、航空機の推進、電力の発生、流体のポンプ輸送などに使用するための力学的エネルギーに変換するよく開発された機構である。今の所ガスタービンエンジンの効率を改善するための主に可能な達成方法は、より高い作動温度を使用することである。しかしながら、ガスタービンエンジン部材に使用される金属製材料は現在、その熱安定性の上限のごく近くにある。現代のガスタービンエンジンの最高温度部分においては、金属製材料は、その融点を超える気体温度において使用される。これらは、空冷されるので持ちこたえる。しかしながら、空冷を行うとエンジン効率が低下する。

従って、冷却されるガスタービン航空機装置と共に使用するための断熱被覆が広範囲に開発されてきた。断熱被覆を使用することで、必要な冷却空気の量を実質的に低減することができ、それによって、対応する効率の増加が得られる。

通常の断熱被覆（ＴＢＣ）は、７ＹＳＺとして知られるイットリア安定化ジルコニアセラミックから構成される。７ＹＳＺは一般に、約２．２Ｗ／ｍ℃の熱伝導率を示す。この熱伝導率を、１．１Ｗ／ｍ℃より、すなわち純粋な７ＹＳＺの熱伝導率の約半分より下まで低減するのが好ましいであろう。好ましくは、熱伝導率のそのような低減を達成するように選択される方法は、被覆の質量を増加させることはない。被覆は、しばしば回転部品のエーロフォイルに適用されるので、被覆質量の小さな増加によって、回転部品に大きな力が適用されることになり得る。従って、理想的な被覆は、低減された熱伝導率を低減された質量と一緒にするものであろう。

従って、本発明の目的は、被覆の多孔度（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を増加させることによって被覆内の熱伝導率を低減する方法を提供することである。より詳細には、本発明は、熱処理されると遊離して細孔を形成する一時的（ｆｕｇｉｔｉｖｅ）物質の導入によってセラミック被覆の多孔度を増加させる方法に関する。

本発明に従うと、被覆層は、ＴＢＣマトリックスと、このＴＢＣマトリックスを通って延在する多孔質ネットワークとを含む。

本発明にさらに従うと、被覆部品は、部品と、この部品に施され、ＴＢＣマトリックスと多孔質ネットワークとを含む少なくとも一つの層とを備える。

本発明の一つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明内に述べられる。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から、および請求項から明らかになるであろう。

さまざまな図面内の同様の参照番号および符号は、同様の部材を示している。

本発明の教示は、ＴＢＣ内の多孔質微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の作成から生じる低減された熱伝導率を有する断熱被覆（ＴＢＣ）を生成する方法を提供することである。多孔質構造は、被覆される部品上へのマトリックスＴＢＣと一時的物質の同時蒸着（ｃｏ−ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）によって達成される。同時蒸着された堆積物の熱処理によって、一時的相物質の遊離が生じ、後に多孔質ネットワーク構造が残る。この多孔質構造によって、低下された熱伝導率と低減された質量の両方が生じる。

マトリックスＴＢＣは、ＴＢＣの堆積後に一時的物質が除去できないような仕方では一時的物質と相互作用しない任意のセラミック材料から構成できる。好ましいセラミックスとしては、炭化物、窒化物、ケイ化物、およびジルコニウム基（ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ ｂａｓｅｄ）セラミックスが挙げられる。特に、イットリア安定化ジルコニア（７ＹＳＺ）が、本発明の方法によく適した広く使用されるマトリックスＴＢＣである。

上述したように、本発明の方法は、所定の比率で一時的物質と一緒の「マトリックス」ＴＢＣ酸化物の同時蒸着を含む。同時蒸着の後に、被覆後（ｐｏｓｔ−ｃｏａｔｉｎｇ）の合金に優しい（ａｌｌｏｙ ｆｒｉｅｎｄｌｙ）酸化熱処理が、被覆から一時的物質を遊離させて多孔質構造を残すのに使用される。「合金に優しい」という用語は、熱処理が実施される最大温度が、被覆部品が生成される合金の溶融温度より低いことを意味する。好ましくは、熱処理が実施される最大温度は、この熱処理に曝される被覆部品のあらゆる全ての部分の初期融点より低い。ニッケル基合金から構成される部品の熱処理では、最大熱処理温度は一般に、１７５０°Ｆから２１００°Ｆの範囲である。

一時的物質は、堆積環境において大体安定であるが、被覆堆積工程の後は容易に除去できる（すなわち、不安定である）。一時的物質は、ＴＢＣ酸化物と、ＥＶ−ＰＶＤ被覆に一般的な非常に高い処理温度とに適合する必要がある。「適合する」という用語は、一時的物質がＴＢＣセラミックと合金化せずまたＴＢＣセラミック内へ拡散しないことなどを意味する。従って、本発明は、あらゆる全ての適合する一時的物質を含むように一般的に記述されているとはいえ、通常の被覆後の熱に曝される条件下、すなわち大気環境中での相対的に低い温度での酸化条件下で所望の揮発性分解生成物を形成する三つの物質は、炭素、モリブデン、およびタングステンである。

実際は、マトリックスＴＢＣおよび一時的物質両方とも、被覆される部品上に一層または複数層で堆積される。好ましくは、マトリックスＴＢＣおよび一時的物質は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）処理によって堆積される。さまざまな方法を、所望の性質のマトリックスＴＢＣおよび一時的物質の堆積を達成するのに用いることができる。一実施態様では、粒子状セラミックと一時的物質の固体断片とが使用される。このような例示的な構成は、図１を参照して例示される。モリブデンディスク１１が、ＥＢ−ＰＶＤ後に、固体化した７ＹＳＺ１３によって囲まれる。蒸発中は、電子ビームが、モリブデンディスク１１と粒子状７ＹＳＺとに交互に向けられる。

別の実施態様では、予め形成されたマトリックスＴＢＣおよび一時的物質の各インゴットが、被覆蒸気の供給源として使用される。さらに別の実施態様では、所定の比率で混合されたマトリックス物質および一時的物質両方から構成される単一のインゴットを蒸発させ、部品に被覆するように施し、一時的物質に対するマトリックス物質の同様の所定の比率から構成される被覆を形成する。

上述した方法の結果として、一層または複数層のマトリックスＴＢＣ酸化物と少なくとも一つの一時的物質とを部品上に堆積できる。各個々の層は、所定の加熱後の多孔度となる一時的物質の異なる割合の混合物を含むことができる。一実施態様では、一時的物質を含有する少なくも一層と、一時的物質を含有しない少なくとも一層とが、部品上に交互に堆積される。その結果、熱処理後、一時的物質の遊離によって密度が減少しない少なくとも一層の結果として得られたＴＢＣが存在する。

層内の多孔度の量は、同時蒸着工程で蒸着される一時的物質対マトリックス物質の比率に基づいて制御できる。連続的に多孔質の、または傾斜した多孔度の被覆などといった微細構造を生成することもできる。傾斜した多孔度の被覆を生成するためには、複数供給源のＥＢ−ＰＶＤが実施され、それによって、一時的物質を蒸発させるのに使用する電子ビームの強度が、所望量の傾斜に従って変更される。二つまたは複数の供給源の被覆プロセスを用いるときは、堆積されたＴＢＣの最初の層と最後の層は、（使用する蒸発源の数によって）マトリックスＴＢＣより高い密度または異なる組成とすることができて、ＴＢＣ系の特性がさらに向上する。例えば、耐酸化性、ＴＢＣ付着性、および耐食性／耐衝撃性を最適化するように異なる物質層の選択が可能である。このような物質層は、限定される訳ではないが、イットリア安定化ジルコニアまたはアルミナから構成できる。

（実施例）
マトリックスＴＢＣ酸化物として７ＹＳＺのＥＢ−ＰＶＤを、一時的物質として炭素かまたはモリブデンかどちらかと共に、ニッケル基合金で作成された部品上に層状にうまく堆積した。両方の物質とも、ＥＢ−ＰＶＤ処理環境中は所望の仕方で機能するのに十分に安定であることが分かった。すなわち、これらは、同時蒸着され、堆積され、その後、除去（２０５０Ｆ／４時間／空気、被覆後の熱処理）されて、純粋な７ＹＳＺに比較して２７％の体積分率を有する細孔構造が生成された。熱伝導率は、１．１Ｗ／ｍ℃であると測定された。

図１を参照すると、ＥＢ−ＰＶＤの一時的相処理を評価するのに使用されるるつぼ構成が例示されている。基本的な取り組み方は、上述した候補の一時的物質のいずれに対しても同じである。図では、モリブデンディスクは、るつぼの中央に配置されており、セラミック粒子によって囲まれている。７ＹＳＺ物質と一時的物質とは、電子ビームの操作によって同時蒸着される。「高密度（ｄｅｎｓｅ）」および「多孔質（ｐｏｒｏｕｓ）」のＴＢＣの交互の層が蒸着された。さらに、ＴＢＣの付着性と耐食性を高めるために、高密度の（すなわち、「実質的に純粋な」）７ＹＳＺを最初と最後に施す被覆堆積プログラムに従った。また、堆積プログラムは、上述したように「連続的」な多孔度および「傾斜した」多孔度両方を生成するように変更した。

図２および図３はそれぞれ、モリブデン一時的物質および炭素一時的物質を用いて達成された典型的な７ＹＳＺ被覆の微細構造を例示するＳＥＭ顕微鏡写真である。視覚的に明らかなように、どちらの一時的物質を用いて形成された個々の細孔の幅も、ほぼ１０〜１００ナノメートルの間にある。個々の細孔は、直径がほぼ１０〜１００ナノメートルであるとはいえ、単位体積当たりのマトリックスＴＢＣの全体の質量低下は、５％から４０％の範囲にあることが示された。

多孔度から生じるより大きな割合のマトリックスＴＢＣ質量低減によって、より大きな熱伝導率の低減が得られるとはいえ、一時的物質の除去に起因して低下するＴＢＣの物理的性質への懸念を釣り合わせる必要がある。従って、一時的物質は、遊離後にマトリックスＴＢＣの重量で７０％以下の除去が生ずるのに十分な量で、１０〜１００ナノメートルの間の概略の細孔径を与えるように用いるのが好ましい。同時蒸着された一次的物質とマトリックスＴＢＣとの組み合わせからの一時的物質の１００％の排出が好ましいとはいえ、少なくとも９０％の一時的物質がＴＢＣから遊離されかつ除去されれば十分である。

類似の取り組み方が、プラズマ溶射処理に対して実行可能であるとはいえ、現在のＡＰＳセラミック処理では、基体温度が極めてより低くなるので、一時的相としてポリエステルの現在の使用が適切である。

本発明の一つまたは複数の実施態様を説明した。それにもかかわらず、本発明の精神および範囲から逸脱せずにさまざまな変形を行い得ることが理解されるであろう。従って、他の実施態様は、添付の請求項の範囲に含まれる。

本発明の方法に従うＥＢ−ＰＶＤに使用するためのマトリックスＴＢＣと一時的物質との例示的な組み合わせの模式図である。 本発明の方法に従うモリブデン一時的物質を用いて７ＹＳＺ内に形成された多孔度の顕微鏡写真である。 本発明の方法に従う炭素一時的物質を用いて７ＹＳＺ内に形成された多孔度の顕微鏡写真である。

符号の説明

１１…モリブデンディスク

Claims (25)

1. 多孔度の組み込みによって断熱被覆（ＴＢＣ）内の熱伝導率を低減する方法であって、
   層を形成するように、ＴＢＣマトリックスと一時的物質とを含む混合物を部品上に堆積させ、
   多孔質ネットワークを形成するように、一時的物質の一部を遊離させるのに十分な温度および時間でこの層を加熱する、
   工程を含むことを特徴とする方法。
2. 前記のＴＢＣマトリックスを堆積させることは、７ＹＳＺ、炭化物、窒化物、ケイ化物、およびジルコニウムから成る群より選択されるセラミックを堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記の一時的物質を堆積させることは、炭素、モリブデン、およびタングステンから成る群より選択される一時的物質を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記の堆積工程は、電子ビーム物理蒸着処理（ＥＢ−ＰＶＤ）によってＴＢＣマトリックスと一時的物質とを含む混合物を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記のＥＢ−ＰＶＤによって混合物を堆積させることは、粒子状ＴＢＣマトリックスと粒子状一時的物質とを使用することを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記のＥＢ−ＰＶＤによって混合物を堆積させることは、ＴＢＣマトリックスのインゴットと一時的物質のインゴットとを使用することを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
7. 前記のＥＢ−ＰＶＤによって混合物を堆積させることは、ほぼ均一に分散したＴＢＣマトリックスと一時的物質とから構成されるターゲットを使用することを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
8. 前記の加熱することは、前記層を部品の溶融温度より低い温度に加熱することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記の加熱することは、前記層を部品の初期融点より低い温度に加熱することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 前記の加熱することは、前記層をほぼ１７５０°Ｆと２１００°Ｆの間の温度に加熱することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 前記の加熱することは、前記層を少なくとも９０％の一時的物質を遊離させるのに十分な温度および時間で加熱することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
12. どのような一時的物質も実質的に含有されない少なくとも一層のＴＢＣ混合物を堆積させるさらなる工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
13. 前記の混合物を堆積させることは、前記層を形成するようにＴＢＣマトリックスと一時的物質とが堆積される速度を変更し、傾斜した多孔度を有する層を生成するようにこの層を加熱する、工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 前記の加熱することは、体積で前記層の４０％以下の体積から構成される多孔質ネットワークを生成するように前記層を加熱することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
15. 前記の堆積工程は、ガスタービンエンジン部材上に前記混合物を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
16. ＴＢＣマトリックスと、
    このＴＢＣマトリックスを通って延在する多孔質ネットワークと、
    を含むことを特徴とする被覆層。
17. 前記ＴＢＣマトリックスは、７ＹＳＺ、炭化物、窒化物、ケイ化物、およびジルコニウムから成る群より選択されることを特徴とする請求項１６記載の被覆層。
18. 前記多孔質ネットワークは、体積でＴＢＣマトリックスの４０％以下の体積を有することを特徴とする請求項１６記載の被覆層。
19. 前記多孔質ネットワークは、傾斜した多孔度であることを特徴とする請求項１６記載の被覆層。
20. 前記多孔質ネットワークは、各細孔が１０ナノメートルと１００ナノメートルの間の幅を有する複数の細孔から構成されることを特徴とする請求項１６記載の被覆層。
21. 部品と、
    この部品に施された、ＴＢＣマトリックスと多孔質ネットワークとを含む少なくとも一層と、
    を備えることを特徴とする被覆部品。
22. 前記ＴＢＣマトリックスは、７ＹＳＺ、炭化物、窒化物、ケイ化物、およびジルコニウムから成る群より選択されることを特徴とする請求項２１記載の被覆部品。
23. 前記多孔質ネットワークは、傾斜した多孔度であることを特徴とする請求項２１記載の被覆部品。
24. 前記多孔質ネットワークは、各細孔が１０ナノメートルと１００ナノメートルの間の幅を有する複数の細孔から構成されることを特徴とする請求項２１記載の被覆部品。
25. 前記多孔質ネットワークは、体積でＴＢＣマトリックスの４０％以下の体積を有することを特徴とする請求項２１記載の被覆部品。