JP2006161808A - 拡散障壁層および白金族保護層によって保護された物品 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板（３０）と、基板（３０）を覆う保護構造（３４）とを含む保護物品を提供すること。
【解決手段】保護構造（３４）が、基板（３０）を覆う拡散障壁層（３６）であって、少なくとも約７０重量パーセントのイリジウムを含む拡散障壁層（３６）と、拡散障壁層（３６）が基板（３０）と保護層（４０）との間にあるように拡散障壁層（３６）を覆う保護層（４０）とを備える。保護層（４０）は、少なくとも約７０重量パーセントの白金族元素である。セラミック遮熱コーティング（４４）が保護層（４０）を覆う場合もある。
【選択図】図２

Description

本発明は、過剰な酸化からの表面の保護に関し、より詳細には、保護コーティングの過剰な酸化の防止に関する。
航空機ガスタービン（ジェット）エンジンでは、空気が、エンジンの前部に引き込まれ、軸取付け圧縮器によって圧縮され、燃料と混合される。この混合物が燃焼され、高温排気ガスが、同じ軸に取り付けられたタービンに通される。燃焼ガスの流れは、タービンブレードおよびベーンのエーロフォイル部分に当たることによってタービンを回転させ、これが軸を回転させて、圧縮器およびファンに動力を提供する。より複雑な型のガスタービンエンジンでは、圧縮器と高圧タービンが１つの軸に取り付けられ、ファンと低圧タービンが別の軸に取り付けられる。高温排気ガスがエンジンの後部から流れて、エンジンおよび航空機を前方に進める。
燃焼および排気ガスが高温であればあるほど、ジェットエンジンの動作が効率良くなる。したがって、燃焼および排気ガスの温度を高めようとする動機がある。通常、燃焼ガスの最高温度は、高温燃焼ガスが当たるタービンのタービンベーンおよびタービンブレードを製造するために使用される材料によって制限される。現行のエンジンでは、タービンベーンおよびブレードは、ニッケルベースの超合金から作成され、最大で約１９００〜２１５０°Ｆ（約１０３８〜１１７７℃）の温度で動作することができる。
タービンブレード、タービンベーン、および他の高温部分構成要素の動作温度制限をそれらの現行レベルまで高めるために、多くの手法が使用されている。例えば、ベース材料自体の組成および処理が改良されており、また、配向粒構造および単結晶構造を利用するために様々な凝固技法が開発されている。物理的な冷却技法も使用される。
物品の表面は、アルミニウム含有保護コーティングで保護することができ、コーティングの表面は、酸化してアルミニウム酸化物スケールとなり、これが表面のさらなる酸化を抑制する。しかし、アルミニウム酸化物スケールは、酸素に対して比較的透過性がある。使用中、酸素が、環境からアルミニウム酸化物スケールを通って下層のアルミニウム含有保護コーティングに拡散し、そこで、より多くのアルミニウム酸化物が生成される。アルミニウム酸化物のこの生成はある程度は良いものであるが、あまりに厚いアルミニウム酸化物スケールの生成は、アルミニウム酸化物スケールの破砕、アルミニウム含有保護コーティング中のアルミニウムの消費、および下層の基板の保護の損失をもたらすことがある。また、酸素の過剰な拡散が、下層の基板の過剰な酸化をもたらすことがある。
米国特許第４７２１５５１号 米国特許第３６３９２１９号 米国特許第６６０７６１１号
高温使用で用いられる基板を保護するためのいくつかの代替手法が研究されている。これらの代替手法では、基板の過剰な酸化に関わる同様の問題に直面する。したがって、構造自体の過剰な酸化に耐えながら基板を酸化から保護する保護構造が依然として求められている。本発明は、この要求を満たし、さらに関連する利点を提供する。
本発明は、高い腐食性および酸化性の環境内で高温での使用中に普通であれば起こる損傷から、表面保護構造によって保護された物品を提供する。主要な効用は、ニッケルベース超合金などニッケルベースの合金からなるガスタービン構成要素を、ガスタービンエンジンのタービンの動作環境内で受ける損傷から保護することである。酸化物スケールを過剰な厚みにすることに関連する問題が回避され、下層の基板の酸化が最小限に抑えられる。
保護物品は、基板と、基板を覆う保護構造とを備える。基板は、好ましくはニッケルベース合金、最も好ましくはニッケルベース超合金である。保護構造は、基板を覆う拡散障壁層であって、少なくとも約７０重量パーセントのイリジウムを含む拡散障壁層と、拡散障壁層が基板と保護層との間にあるように拡散障壁層を覆う保護層とを備える。保護層は、少なくとも約７０重量パーセントの、白金、ロジウム、パラジウム、およびそれらの組合せからなる群から選択される白金族元素である。
拡散障壁層は、少なくとも９８重量パーセントのイリジウムを有する実質的に純粋なイリジウム、あるいはイリジウムと１つまたは複数の合金元素とからなる合金にすることができる。そのような合金元素の例としては、ロジウム、白金、パラジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、タンタル、モリブデン、アルミニウム、クロム、ニッケル、イットリウム、スカンジウム、およびハフニウムがある。一実施形態では、拡散障壁層がイリジウムアルミニウム合金である。拡散障壁層は、好ましくは約３〜約３０マイクロメートル、最も好ましくは約５〜約２０マイクロメートルの厚さを有する。
保護層は、実質的に白金族金属のみにすることができ、少なくとも９８重量パーセントの白金、ロジウム、パラジウム、およびそれらの組合せを有する。そうではなく、保護層を、白金、ロジウム、パラジウム、およびそれらの組合せと、クロム、アルミニウム、イリジウム、ジルコニウム、ハフニウム、およびルテニウムなどの合金元素とからなる合金にすることもできる。保護層は、好ましくは約８〜約１００マイクロメートル、最も好ましくは約１０〜約４０マイクロメートルの厚さを有する。
保護層を覆うセラミック遮熱コーティングが存在する場合もある。遮熱コーティングは、存在するとき、下層の基板、拡散障壁層、および保護層を燃焼ガスの温度から隔離する助けとなる。好ましい保護層は、約２〜約１２重量パーセントのイットリアと、残部のジルコニアとを有するイットリア安定化ジルコニアである。遮熱コーティングは、好ましくは約５０マイクロメートル〜約３００マイクロメートル、最も好ましくは約１２５マイクロメートル〜約２００マイクロメートルの厚さを有する。
好ましい実施形態では、保護物品が、ニッケルベース超合金基板と、基板を覆う保護構造と、保護層を覆って保護層に接触するセラミック遮熱コーティングとを備える。保護構造は、基板を覆って基板に接触する拡散障壁層であって、少なくとも約７０重量パーセントのイリジウムを含む拡散障壁層と、拡散障壁層が基板と保護層との間にあるように拡散障壁層を覆って拡散障壁層に接触する保護層とを備える。保護層は、少なくとも約７０重量パーセントの、白金、ロジウム、パラジウム、およびそれらの組合せからなる群から選択される白金族元素を有する。本明細書で論じる他の適合する特定の実施形態および特徴を、この実施形態に関連して使用することもできる。
保護層は、１つまたは複数の白金族金属に基づいており、白金族金属はそれ自体、著しくは酸化せず、環境コーティングとして（セラミック遮熱コーティングが存在しないとき）、またはセラミック遮熱コーティングのためのボンドコートとして働くことができる。本発明の手法は、（アルミニウムが少量存在する場合もあるが、）酸化保護にアルミニウム酸化物スケールの形成を要するアルミニウムベースの保護コーティングを必ずしも含まない（しかし含んでいてもよい）保護構造を提供する。したがって、基板の酸化保護は、長時間の露出で非常に厚くなって破砕を受けやすくなることがあるアルミニウム酸化物スケールの存在に依存しない。保護層は、硫化物など高温燃焼ガスの腐食性成分に対して高い耐性を有する。
白金族金属保護層の欠点は、単独で使用される場合、酸素に対する比較的高い透過性であり、これは、燃焼ガスから下層の基板へ酸素を拡散させる。拡散障壁層は、酸素に対してはるかに低い透過性を有する。拡散障壁層は、環境から下層の基板への酸素の実質的な拡散を抑制し、理想的には防止する。保護層と拡散障壁層とを併用することにより、過剰に厚くなり最終的には破砕して基板の保護の局所破損をもたらすことがあるアルミニウム酸化物スケールの形成を伴わずに、下層の基板が腐食および酸化から保護される。
拡散障壁層、保護層、およびセラミック遮熱コーティングは、他の用途のための技術分野で知られているプロセスおよび手順によって塗布することができる。例としては、拡散障壁層および保護層のスパッタリング、イオンプラズマ、および電気めっき、ならびにセラミック遮熱コーティングの物理気相成長およびプラズマスプレー技法がある。
本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を例として図示する添付図面に関連して与えられる以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになろう。しかし、本発明の範囲は、この好ましい実施形態に限定されない。
図１に、ガスタービンエンジンのタービンブレードまたはタービンベーンなど保護物品１８を示し、この例ではタービンブレード２０を示す。タービンブレード２０は、エーロフォイル２２を含み、エーロフォイル２２に対して、高温燃焼ガスの流れが向けられる（タービンベーンまたはノズルは、当該のエーロフォイルに関して同様の外観を有し、しかし通常、エーロフォイルを支持するために他の端部構造を含む）。タービンブレード２０は、エーロフォイル２２から下方に延在してタービンディスクのスロットに係合するダブテール２４によって、タービンディスク（図示せず）に取り付けられる。エーロフォイル２２がダブテール２４に接合されている領域から、プラットフォーム２６が、長手方向外側に延在する。任意選択で、複数の内部経路が、エーロフォイル２２の内部を通って延在し、エーロフォイル２２の表面にある開口２８で終端する。使用中、冷却空気の流れが、内部経路を通して導かれて、エーロフォイル２２の温度を低下させる。
図２〜３（これらは、一律の縮尺では描かれていない）は、本発明の手法の２つの実施形態を示す、タービンブレード２０の一部分、ここではエーロフォイル２２を通る断面図である。本明細書で論じる相違を除いては、図２〜３の実施形態は同様のものであり、以下の説明が両方の実施形態に当てはまる。タービンブレード２０のエーロフォイル２２は、基板表面３２を有する基板３０として働く本体を有する。タービンブレード２０のエーロフォイル２２は、任意の使用可能な材料から形成され、しかし好ましくはニッケルベース合金、最も好ましくはニッケルベース超合金から形成される。本明細書で使用する際、「ニッケルベース」は、組成に、任意の他の元素よりも多くニッケルが存在することを意味する。ニッケルベース超合金は、典型的には、ガンマプライム相の析出によって強化された組成からなる。対象のニッケルベース超合金の例としては、合金Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５（重量パーセントで、約７．５パーセントのコバルトと、約７．０パーセントのクロムと、約１．５パーセントのモリブデンと、約５パーセントのタングステンと、約３パーセントのレニウムと、約６．５パーセントのタンタルと、約６．２パーセントのアルミニウムと、約０．１５パーセントのハフニウムと、約０．０５パーセントの炭素と、約０．００４パーセントのホウ素と、約０．０１パーセントのイットリウムと、残部のニッケルおよび微量元素とからなる公称組成を有する）、およびＲｅｎｅ（商標）Ｎ６（重量パーセントで、約１２．５パーセントのコバルトと、約４．２パーセントのクロムと、約１．４パーセントのモリブデンと、約５．７５パーセントのタングステンと、約５．４パーセントのレニウムと、約７．２パーセントのタンタルと、約５．７５パーセントのアルミニウムと、約０．１５パーセントのハフニウムと、約０．０５パーセントの炭素と、約０．００４パーセントのホウ素と、約０．０１パーセントのイットリウムと、残部のニッケルおよび付随する不純物とからなる公称組成を有する）がある。基板３０は、ランダムな多結晶、単結晶、または配向性多結晶であってよい。
保護構造３４が、基板３０を覆い、好ましくは基板表面３２に接触する。保護構造３４は、基板３０を覆い、好ましくは基板表面３２に接触する拡散障壁層３６を含む。拡散障壁層３６は、少なくとも７０重量パーセントのイリジウムを含む。イリジウムは、酸素に対する低い透過性を有し、したがって拡散障壁層３６は、外部環境から基板３０内への酸素の拡散に対する良好な障壁を提供する。
拡散障壁層３６は、好ましくは純粋なイリジウムであり、この場合には少なくとも９８パーセントのイリジウムを有することを意味し、しかし１つまたは複数の合金元素を有するイリジウム含有合金であってもよい。イリジウムベースの拡散障壁層３６に添加することができる合金元素の例としては、例えば、ロジウム、白金、パラジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、タンタル、モリブデン、アルミニウム、クロム、ニッケル、イットリウム、スカンジウム、およびハフニウムがある。対象の一実施形態では、保護構造３４が、最大で１３重量パーセントのアルミニウムを含む。拡散障壁層３６は、好ましくは３〜３０マイクロメートル、最も好ましくは５〜２０マイクロメートルの厚さを有する。拡散障壁層３６は、基板表面３２から離れた障壁層表面３８を有する。
拡散障壁層３６は、例えば、電気めっき、スパッタリング、およびイオンプラズマ蒸着を含めた任意の使用可能な技法によって堆積することができる。イリジウム層の堆積のための好ましい電気めっき技法は、他の目的のための技術分野で知られており、例えば米国特許第４７２１５５１号および第３６３９２１９号に開示されており、それらの開示を参照として本明細書に組み込む。
保護構造３４は、さらに、拡散障壁層３６が基板３０と保護層４０との間にあるように拡散障壁層３６を覆う保護層４０を含む。保護層４０は、好ましくは障壁層表面３８に接触する。保護層４０は、少なくとも約７０重量パーセントの、白金、ロジウム、パラジウム、およびそれらの組合せからなる群から選択される白金族元素を含む。これらの白金族元素は、非常に不活性であり、酸化腐食、およびガスタービンエンジンの燃焼ガス中の腐食物質に対する耐性を有する。腐食物質による腐食に対するこの耐性は、白金族元素の特徴であり、保護層４０の表面上に酸化物、または他のスケール、コーティング、もしくは層の形成を必要としない。その結果、多少の酸化物層が生じることはあるが、耐食性に関してアルミニウム酸化物スケールの形成に依存する拡散アルミナイドおよびオーバーレイアルミナイドコーティングの場合のような酸化物層の過剰な厚みの懸念がない。
好ましくは、保護層４０は、純粋にこれらの白金族元素から形成され、この場合には、保護層４０が、少なくとも９８重量パーセントの白金、ロジウム、パラジウム、およびそれらの組合せであることを意味し、しかし保護層４０が合金元素を含んでいてもよい。保護層４０中に存在する場合がある合金元素の例としては、クロム、アルミニウム、イリジウム、ジルコニウム、ハフニウム、およびルテニウム、ならびにそれらの組合せがある。保護層４０は、好ましくは８〜１００マイクロメートル、より好ましくは１０〜４０マイクロメートルの厚さを有する。保護層４０は、障壁層表面３８から離れた保護層表面４２を有する。
保護層４０は、例えば、電気めっき、スパッタリング、およびイオンプラズマ蒸着を含めた任意の使用可能な技法によって堆積することができる。そのような層を堆積するための好ましい電気めっき技法は、他の目的のための技術分野で知られており、例えば米国特許第６６０７６１１号に開示されており、その開示を参照として本明細書に組み込む。
図２の実施形態では、保護構造３４は、他の層を上に有さない環境コーティングであり、保護層表面４２が外部環境に露出されている。図３の実施形態では、セラミック遮熱コーティング４４が、保護層４０を覆い、好ましくは保護層表面４２に接触している。この場合、保護層４０はボンドコートと呼ばれる。セラミック遮熱コーティング４４は、高圧タービン内で基板３０の融点よりも高い温度になることがある燃焼ガスの高温に対する断熱を提供する。セラミック遮熱コーティング４４は、好ましくはイットリア安定化ジルコニアであり、これは、約２〜約１２重量パーセント、好ましくは約６〜約８重量パーセントのイットリウム酸化物を含有するジルコニウム酸化物である。他の使用可能なセラミック材料も同様に使用することができる。
セラミック遮熱コーティング４４は、任意の使用可能な技法によって堆積することができる。物理気相成長（例えば電子ビーム物理気相成長）または熱スプレー（例えばエアプラズマスプレー）が好ましい。堆積技法は、米国特許第６６０７６１１号で論じられている。セラミック遮熱コーティング４４は、好ましくは５０マイクロメートル〜３００マイクロメートル、最も好ましくは１２５マイクロメートル〜２００マイクロメートルの厚さを有する。
図４に、保護物品１８を準備するための方法の一実施形態のステップを示す。基板３０が供給される（ステップ７０）。基板３０は、実質的に所望の最終サイズおよび形状で供給される。その後、上で論じた手法を使用して、拡散障壁層３６が、基板３０を覆って堆積される（ステップ７２）。上に拡散障壁層３６を堆積された基板３０は、その後、任意選択で、基板３０と拡散障壁層３６との間でのある程度の相互拡散を達成するように熱処理される（ステップ７４）。典型的な熱処理７４は、使用される際、約１８００°Ｆ〜約２１００°Ｆ（約９８２℃〜約１１４９℃）で、約２時間〜約１６時間のものである。その後、上で論じた手法を使用して、保護層４０が、拡散障壁層３６を覆って堆積される（ステップ７６）。上に拡散障壁層３６および保護層４０を堆積された基板３０は、その後、任意選択で、基板３０と拡散障壁層３６との間、および拡散障壁層３６と保護層４０との間でのさらなる程度の相互拡散を達成するように熱処理される（ステップ７８）。典型的な熱処理７８は、使用される際、約１８００°Ｆ〜約２１００°Ｆ（約９８２℃〜約１１４９℃）で、約２時間〜約１６時間のものである。その後、任意選択で、上で論じた手法を使用して、セラミック遮熱コーティング４４が、保護層４０を覆って堆積される（ステップ８０）。
本発明は、以下の各実施例ごとに異なるＲｅｎｅ Ｎ５基板に塗布された層を用いて実施するように形を変えられている。
イリジウムの約１０マイクロメートルの拡散障壁層が、スパッタリングによって基板に塗布され、これが、次いで、２０００°Ｆ（約１０９３℃）で、真空中で２時間熱処理された。厚さ約２０マイクロメートルの白金ロジウム合金の保護層が、スパッタリングによって拡散障壁層の上に塗布された。
イリジウムの約１０マイクロメートルの拡散障壁層が、スパッタリングによって基板に塗布され、これが、次いで、２０００°Ｆ（約１０９３℃）で、真空中で２時間熱処理された。厚さ約３８マイクロメートルの白金ロジウム合金の保護層が、めっきによって拡散障壁層の上に塗布された。
イリジウムの約１０マイクロメートルの拡散障壁層が、スパッタリングによって基板に塗布され、これが、次いで、２０００°Ｆ（約１０９３℃）で、真空中で２時間熱処理された。厚さ約３８マイクロメートルの白金ロジウム合金の保護層が、イオンプラズマ蒸着によって拡散障壁層の上に塗布された。
イリジウムの約１０マイクロメートルの拡散障壁層が、スパッタリングによって基板に塗布され、これが、次いで、２０００°Ｆ（約１０９３℃）で、真空中で２時間熱処理された。厚さ約２０マイクロメートルの白金ロジウム合金の保護層が、スパッタリングによって拡散障壁層の上に塗布された。厚さ約１００マイクロメートルの９３重量パーセントジルコニア／７重量パーセントイットリアのセラミック遮熱コーティングが、電子ビーム物理気相成長によって保護層の上に塗布された。
イリジウムの約１０マイクロメートルの拡散障壁層が、スパッタリングによって基板に塗布され、これが、次いで、２０００°Ｆ（約１０９３℃）で、真空中で２時間熱処理された。厚さ約３８マイクロメートルの白金ロジウム合金の保護層が、めっきによって拡散障壁層の上に塗布された。厚さ約１００マイクロメートルの９３重量パーセントジルコニア／７重量パーセントイットリアのセラミック遮熱コーティングが、電子ビーム物理気相成長によって保護層の上に塗布された。
イリジウムの約５マイクロメートルの拡散障壁層が、スパッタリングによって基板に塗布され、これが、次いで、２０００°Ｆ（約１０９３℃）で、真空中で２時間熱処理された。厚さ約３８マイクロメートルの白金ロジウム合金の保護層が、めっきによって拡散障壁層の上に塗布された。厚さ約１００マイクロメートルの９３重量パーセントジルコニア／７重量パーセントイットリアのセラミック遮熱コーティングが、電子ビーム物理気相成長によって保護層の上に塗布された。
イリジウムの約１０マイクロメートルの拡散障壁層が、スパッタリングによって基板に塗布され、これが、次いで、２０００°Ｆ（約１０９３℃）で、真空中で２時間熱処理された。厚さ約３８マイクロメートルの白金ロジウム合金の保護層が、イオンプラズマ蒸着によって拡散障壁層の上に塗布された。厚さ約１００マイクロメートルの９３重量パーセントジルコニア／７重量パーセントイットリアのセラミック遮熱コーティングが、電子ビーム物理気相成長によって保護層の上に塗布された。
イリジウムの約５マイクロメートルの拡散障壁層が、スパッタリングによって基板に塗布され、これが、次いで、２０００°Ｆ（約１０９３℃）で、真空中で２時間熱処理された。厚さ約３８マイクロメートルの白金ロジウム合金の保護層が、イオンプラズマ蒸着によって拡散障壁層の上に塗布された。厚さ約１００マイクロメートルの９３重量パーセントジルコニア／７重量パーセントイットリアのセラミック遮熱コーティングが、電子ビーム物理気相成長によって保護層の上に塗布された。
本発明の特定の実施形態を例示の目的で詳細に説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な修正および強化を施すことができる。したがって、本発明は、頭記の特許請求の範囲以外によっては限定されない。
タービンブレードの斜視図である。 線２−２で取られた、図１のタービンブレードを通る拡大概略断面図である。 別の実施形態を例示する、図２の断面図と同様の概略断面図である。 保護物品を準備するための手法のブロック流れ図である。
符号の説明
１８ 保護物品
２０ タービンブレード
２２ エーロフォイル
２４ ダブテール
２６ プラットフォーム
２８ 開口
３０ 基板
３２ 基板表面
３４ 保護構造
３６ 拡散障壁層
３８ 障壁層表面
４０ 保護層
４２ 保護層表面
４４ セラミック遮熱コーティング

Claims (10)

  1. 基板（３０）と、前記基板（３０）を覆う保護構造（３４）とを備える保護物品であって、
    前記保護構造（３４）が、
    前記基板（３０）を覆う拡散障壁層（３６）であって、少なくとも約７０重量パーセントのイリジウムを含む拡散障壁層（３６）と、
    前記拡散障壁層（３６）が前記基板（３０）と保護層（４０）との間にあるように前記拡散障壁層（３６）を覆う保護層（４０）と
    を備え、前記保護層（４０）が、少なくとも約７０重量パーセントの、白金、ロジウム、パラジウム、およびそれらの組合せからなる群から選択される白金族元素を有する保護物品。
  2. 前記基板（３０）がニッケルベース合金である請求項１記載の保護物品。
  3. 前記拡散障壁層（３６）が、少なくとも約９８重量パーセントのイリジウムである請求項１記載の保護物品。
  4. 前記拡散障壁層（３６）が、さらに、ロジウム、白金、パラジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、タンタル、モリブデン、アルミニウム、クロム、ニッケル、イットリウム、スカンジウム、およびハフニウムからなる群から選択される１つまたは複数の元素を含む請求項１記載の保護物品。
  5. 前記拡散障壁層（３６）が、約３〜約３０マイクロメートルの厚さを有する請求項１記載の保護物品。
  6. 前記保護層（４０）が、少なくとも約９８重量パーセントの白金、ロジウム、パラジウム、およびそれらの組合せである請求項１記載の保護物品。
  7. 前記保護層（４０）が、さらに、クロム、アルミニウム、イリジウム、ジルコニウム、ハフニウム、およびルテニウムからなる群から選択される元素を含む請求項１記載の保護物品。
  8. 前記保護層（４０）が、約８〜約１００マイクロメートルの厚さを有する請求項１記載の保護物品。
  9. 前記保護構造（３４）が、さらに、
    前記保護層（４０）を覆うセラミック遮熱コーティング（４４）を含む請求項１記載の保護物品。
  10. 前記保護構造（３４）が、さらに、
    前記保護層（４０）を覆うイットリア安定化ジルコニア遮熱コーティング（４４）を含む請求項１記載の保護物品。
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