JP2007119918A - 構成部品を製造する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械構成部品（１００）を製造する方法を提供する。
【解決手段】方法は、機械構成部品基板（１０２）を形成することを含み、基板は、基板表面領域（１０４）を有する。方法は、第１の多孔性を有する第１のセラミック熱障壁材料を含む、少なくとも１つの一次熱障壁層（１０５）を形成することをさらに含む。方法は、複数の一次熱障壁層の少なくとも一部を覆って形成される、少なくとも１つの二次熱障壁層（１０７）を形成することも含む。同様に、二次熱障壁層は、第１の多孔性より大きい第２の多孔性を有する第２のセラミック熱障壁材料をさらに含む。方法は、平滑なコーティング材料を含む少なくとも１つの三次熱障壁層（１１４）を形成することも含み、三次熱障壁層は、二次熱障壁層の少なくとも一部を覆って形成される。二次熱障壁層は、三次熱障壁層の剥離の低減を促進する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にセラミックコーティング層に関し、より具体的には密な垂直方向クラック熱障壁コーティング層に関する。

いくつかの知られているガスタービンエンジンにおいて、バケットエーロフォイルなどのいくつかの構成部品は、作動時に、摂氏１０００度（℃）（華氏１８３２度（°Ｆ））を超える高温条件に曝されることがある。これらの構成部品を保護するために、セラミック熱障壁コーティング（ＴＢＣ）層は、構成部品のベース金属またはセラミックの基板と高温環境との間に、有効で信頼性がある断熱障壁を提供するために使用することができる。当技術分野で知られているように、コーティングの平滑性は、表面の空力学的特性に影響を与え、ならびに熱伝達係数を低減することを容易にすることができる。

いくつかの知られている構成部品において、ＴＢＣ層は、所望の構造特性、すなわち機械および熱特性を達成するために、プラズマ溶射プロセスによって形成される。典型的なプラズマ溶射プロセスは、その内に注入されるＴＢＣ粉末を溶融するために高温のイオン化されたプラズマを生成する、プラズマ溶射トーチまたはノズルの使用を含むことがある。
米国特許第６，４３２，４８７号公報

１つの知られているＴＢＣ層堆積は、しばしば密な垂直方向クラック（ＤＶＣ）材料と称される。ＤＶＣＴＢＣ材料は、付随する低い多孔性を有する密な微細構造を有する傾向があり、増大された腐食抵抗を促進する。ＤＶＣＴＢＣ材料は、複数の垂直方向のマイクロクラックも有し、増大されたひずみ耐性を促進する。しかしながら、高い密度および低い多孔性は、ＤＶＣＴＢＣ層を受けた構成部品の表面を平滑にすることに関連する困難性を増大する傾向があり得る。

いくつかの知られている構成部品製造プロセスは、ＤＶＣＴＢＣ塗布後に構成部品の層を形成するために、いくつかの知られている「平滑なコーティング」のセラミックＴＢＣ材料の使用を含む。少なくともいくつかのそのような平滑なコーティング材料は、多孔性の熱障壁コーティング上に平滑な表面を生成する。しかしながら、これら平滑なコーティング材料のいくつかは、一般にＤＶＣＴＢＣに確実に付着しないことがある。結果として、平滑なコーティング層は、硬化の間に構成部品表面から「剥落する（ｓｐａｌｌ）」（すなわち、剥離またはリフトオフ）することがあり、それによって製造が完了する前に構成部品を損傷する。

１つの態様において、機械構成部品を製造する方法が提供される。方法は、機械構成部品基板を形成することを含み、基板は、基板表面領域を有する。方法は、少なくとも１つの一次熱障壁層を形成することをさらに含み、少なくとも１つの一次熱障壁層は、第１の一次熱障壁層を含む。第１の一次熱障壁層は、第１の多孔性を有する第１のセラミック熱障壁材料をさらに含む。方法は、また少なくとも１つの二次熱障壁層を形成することを含み、少なくとも１つの二次熱障壁層は、第１の一次熱障壁層の少なくとも一部を覆って形成される。同様に、二次熱障壁層は、第２の多孔性を有する第２のセラミック熱障壁材料をさらに含み、第２の多孔性は、第１の多孔性より大きい。方法は、三次多孔性を有する平滑なコーティング材料を含む少なくとも１つの三次熱障壁層を形成することも含み、三次熱障壁層は、二次熱障壁層の少なくとも一部を覆って形成される。二次熱障壁層は、三次熱障壁層の剥離の低減を促進する。方法は、三次熱障壁層を硬化することをさらに含む。

他の態様において、熱障壁コーティングを有するタービン構成部品を製造する方法が提供される。方法は、タービン構成部品基板を形成することを含み、基板は、基板表面領域を有する。方法は、構成部品から第１の距離に配置された溶射ノズルを使用して、少なくとも１つの一次熱障壁層を形成することをさらに含む。一次熱障壁層を形成することは、機械構成部品の基板表面領域の少なくとも一部を覆って第１の一次熱障壁層の形成を含む。少なくとも１つの後続の一次熱障壁層は、それぞれ前に形成された一次熱障壁層を実質的に覆って延在する。複数の一次熱障壁層は、第１の多孔性を有する第１のセラミック熱障壁材料を含む。方法は、構成部品から第２の距離に配置された溶射ノズルを使用して、少なくとも１つの二次熱障壁層を形成することも含み、第２の距離は、第１の距離より大きい。二次熱障壁層は、一次熱障壁層の少なくとも一部を覆って形成される。さらに、二次熱障壁層は、第１の多孔性より大きい第２の多孔性を有する第２のセラミック熱障壁材料を含み。方法は、三次多孔性を有する平滑なコーティング材料を含む少なくとも１つの三次熱障壁層を形成することも含む。三次熱障壁層は、少なくとも１つの二次熱障壁層の少なくとも一部を覆って形成される。方法は、所定の温度で、空気内で三次熱障壁層を硬化することをさらに含み、二次熱障壁層は、三次熱障壁層の剥離の低減を促進する。

さらなる態様において、機械構成部品が提供される。機械構成部品は、表面領域からなる基板を含み、基板は、所定の寸法を有する物品をさらに含む。構成部品は、第１の多孔性を有する少なくとも１つの一次熱障壁層も含む。構成部品は、第２の多孔性を有する少なくとも１つの二次熱障壁層をさらに含み、第２の多孔性は、第１の多孔性より大きい。構成部品は、三次多孔性を有する少なくとも１つの三次熱障壁層も含み、第２の多孔性は、少なくとも１つの三次熱障壁層の剥離の低減を促進する。

図１は、例示的なタービン構成部品１００の断面の部分概略図である。タービン構成部品１００は、基板１０２を含み、基板１０２は、基板表面領域１０４をさらに含む。構成部品１００は、少なくとも１つの一次の密な垂直方向クラック（ＤＶＣ）熱障壁コーティング（ＴＢＣ）層１０５も含み、熱障壁コーティング（ＴＢＣ）層１０５は、第１のＤＶＣＴＢＣ層１０６および複数の後続のＤＶＣＴＢＣ層１０７をさらに含む。層１０７は、周囲の最も外側のＤＶＣＴＢＣ層１０８および周囲の最も外側のＤＶＣＴＢＣ層表面１０９を含む。構成部品１００は、さらに、周囲の最も外側の二次ＴＢＣ層表面１１２を有する二次ＴＢＣ層１１０、および周囲の最も外側の三次ＴＢＣ層表面１１６を有する三次ＴＢＣ層１１４を含む。

本明細書で使用されるように、層という用語は、表面を覆う材料のシート状の広がりまたは領域、あるいはタービン構成部品などの物品の上を覆うまたは下にある部品または部分を形成することを言及するが、これらに限定されない。層は、厚さ寸法を有する。層という用語は、それによって層が形成される任意の特定のプロセスを言及しない。例えば、層は、溶射、コーティング、または積層プロセスによって形成されることができる。

基板１０２は、表面領域１０４を含み、仕上げられたタービン構成部品１００の寸法に実質的に類似する一組の所定の輪郭および厚さに対する所定の寸法で形作ることができる。例示的な実施形態において、基板１０２は金属製であり得る。別法として基板１０２は、セラミックであり得る。

例示的な実施形態において、ＤＶＣＴＢＣ層１０５は、表面領域１０４を覆って形成された第１のＤＶＣＴＢＣ層１０６を有する８つの層、およびそれぞれ前の層を覆って形成された７つの後続のＤＶＣＴＢＣ層１０７を含む。各層の厚さおよび多孔性は、実質的に同じである。各複数の層１０５の厚さは、約０．４０６４ミリメートル（ｍｍ）（０．０１６インチ）の全体厚さに対してそれぞれ約０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）である。層１０８の周囲の最も外側の表面１０９は平滑であり得る。ＤＶＣＴＢＣ層１０５は、ジルコニアの平衡を有する、イットリア６重量パーセント〜８重量パーセントの化学組成を有するイットリアで安定化されたジルコニアなどの金属酸化物材料であり得る。別法として、ＤＶＣＴＢＣ層１０５は、他のセラミック材料を含むことができ、層の関連する数およびこれらの層の厚さは、適切な基準および許容差にしたがって変更されることがある。例示的な実施形態において、１つの二次ＴＢＣ層１１０が、周囲の最も外側のＤＶＣＴＢＣ層表面１０８を覆って形成される。層１１０は、ＤＶＣＴＢＣ層１０５より密ではない、すなわちより多孔性の層である。

例示的な実施形態において、１つの三次ＴＢＣ層１１４は、表面１１２を覆って形成される。層１１４は、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）から０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）である。例示的な実施形態において、ＡＪ１１などの平滑なコーティング材料が使用されるが、これに限定されない。例示的な実施形態において、上述の厚さを有する１つの層が、約２．５４マイクロメートル（１００マイクロインチ）の粗さ平均（ＲＡ）未満であり得る表面粗さで形成される。別法として、層の数および層の厚さは、構成部品１００の動作応用にしたがって変更されることができる。

図２は、タービン構成部品１００（図１に示される）を製造する例示的な方法２００の流れ図である。方法２００は、タービン構成部品基板１０２（図１に示される）を形成すること２０２を含み、基板１０２は、仕上げられた機械構成部品の寸法と実質的に同じである一組の所定の輪郭および厚さに対する所定の寸法で予め形作られた、基板表面領域１０４（図１に示される）を有する。例示的な実施形態において、金属製の構成部品基板１０２は、構成部品基板１０２と実質的に同じ形状を有する鋳型内に溶融金属を注ぐことによって形成され、かつ冷却されることができる。構成部品基板１０２を形成するように選択された金属材料は、形成されることが望ましい特定の構成部品およびその以降の動作応用例に基づいて決定されることができる。後続の層のための一次界面は、金属製の構成部品基板１０２の表面１０４である。

方法２００は、タービン構成部品１０２上に少なくとも１つの一次ＤＶＣＴＢＣ層１０５（図１に示される）を形成することをさらに含む方法ステップ２０４を含む。一般に、密な垂直方向クラック（ＤＶＣ）層は、タービン構成部品１０２の表面１０４上に複数のＴＢＣの層をプラズマ溶射することによって形成される。セラミック材料の層は、プラズマ溶射トーチ（図１または図２に示されていない）の１回のパスの間に、所定の面または単位面積に堆積されることができる。基板１０２の表面１０４を実質的に完全に覆い、かつＴＢＣ層の必要な厚さを得るために、プラズマ溶射トーチおよび基板１０２が、ＴＢＣ層の堆積時に、互いに対して移動されることが一般に望ましい。これは、トーチ、基板１０２、またはそれら両方を移動する形態をとることができ、プラズマ塗装に使用されるプロセスに類似する。この移動は、所定のプラズマ溶射トーチが有限面積（すなわちトーチフットプリントを有する）を覆うパターンを溶射することと組み合わされて、ＴＢＣが層に堆積されることになる。

例示的な実施形態において、ＤＶＣＴＢＣ層１０５は、再現性のためにコンピュータ制御されたプログラムでのロボットによる移動を使用する、基板表面１０４から約１１．４３センチメートル（ｃｍ）（４．５インチ）の距離に配置されたトーチまたはノズルでの８回の溶射パスで堆積されることができる。各層１０５の厚さおよび多孔性は、実質的に同じである。このプロセスは、均一で硬く密なセラミックコーティングを生成し、約０．４０６４ミリメートル（ｍｍ）（０．０１６インチ）の全体厚さに対して、パス毎に約０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）を追加する。例示的な実施形態において、表面１０９は平滑ではない。代替の実施形態において、前述の全体厚さは、所望の表面１０９粗さおよび厚さ仕様を達成するために使用されることができる層１０８（図１に示される）の仕上げ動作中に、約０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）を除去することを可能にする。また別法として、パスの数、構成部品に対するトーチの距離、パス毎の堆積厚さ、および全体の堆積厚さは、構成部品への所望の層フィーチャを促進するために変更されることができる。

複数のＤＶＣＴＢＣ層１０５を形成するために使用されるセラミック材料は、ジルコニアの平衡を有する、６重量パーセント〜８重量パーセントのイットリアの化学組成を有するイットリアで安定化されたジルコニアなどの金属酸化物であり得る。別法として、他のセラミック材料も使用されることができる。

例示的な実施形態において、方法２００は、タービン構成部品１００上に１つの二次ＴＢＣ層１１０（図１に示される）を形成することをさらに含む方法ステップ２０６を含み、パスが、約３３ｃｍ（１３インチ）から３８．１ｃｍ（１５インチ）の距離から作られることを除き、プラズマ溶射トーチの少なくとも１つの追加のパスが、前のパスに実質的に類似するパラメータおよび移動を使用して行われる。この追加された距離は、「犠牲」層１１０が、より柔軟でありかつ平滑化を促進するようにあまり密ではない、すなわちより多孔性であるＴＢＣの犠牲層１１０を生み出す。比較的柔軟な犠牲層１１０の除去は、より密なＤＶＣ層１０８の同一な厚さを除去するために加えられるより少ない時間およびリソースで、従来の表面仕上げ材料、ツール、技術、およびプロセスで達成することができる。犠牲層１１０の平滑化は、より密なＤＶＣ層１０８を平滑化する労力を低減し、仕上げ操作者に「自己アラーム」機能を提供する。より硬い層１０８に対するより柔軟な層１１０を除去するために望ましい労力のレベルに反映される硬さにおける変化は、柔軟な層１１０が無くなり、かつ隣接する硬い層１０８が今や加工されることを、操作者に直ちに警告する。このように、アプローチは、「オーバブレンド」、すなわち仕上げ中にＤＶＣＴＢＣ層１０８を除去しすぎる可能性を最小化し、所定の最小厚さ許容差下であり得るＤＶＣＴＢＣ層厚さを結果として生じる可能性がある。別法として、パスの数、層の数、およびこれら層の厚さは、適切な基準および許容差にしたがって変更することができる。また例示的な実施形態において、二次層の多孔性は、関連するプラズマトーチパスの距離、関連するＴＢＣ材料の化学組成を調整すること、および／またはプラズマ溶射プロセスの温度を調整することを含むが、これらに限定されない複数の方法で調整することができる。

例示的な方法２００の方法ステップ２１０は、構成部品１００に高温熱処理を加えることを含む。関連する熱処理温度および時間期間は、層の数および層の所定の厚さを含むことができるが、これらに限定されない複数のパラメータに基づき変更されることができる。

例示的な方法２００の方法ステップ２１２は、所定の時間期間に対して平滑なコーティングスラリ（図１または図２に示されていない）で構成部品１００を溶射することを介して、タービン構成部品１００上に約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）から０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ）の三次ＴＢＣ層１１４（図１に示される）を形成することを含む。二次ＴＢＣ層１１０のより多い多孔性表面１１２は、平滑なコーティングスラリの塗布の間に浸透することを可能にし、かつ二次ＴＢＣ層１１０への三次層１１４の接着性における改善を促進する。例示的な実施形態において、上述の厚さを有する１つの層は、約２．５４マイクロメートル（１００マイクロインチ）粗さ平均（ＲＡ）より小さいことがある表面粗さで形成される。別法として、層の数およびこれら層の厚さは、適切な基準および許容差にしたがって変更されることができる。

例示的な方法２００の方法ステップ２１４は、約９００℃（１６５０°Ｆ）の温度で、空気中で構成部品１００を熱硬化することを含む。このステップは、層１１０への層１１４の接着性が不十分であるなら、構成部品を加熱することが、二次層１１０から三次層１１４の剥離することがある応力を引き起こすかの試験である。関連する熱硬化温度および時間期間は、層の数および層の所定の厚さを含むことができるが、これらに限定されない複数のパラメータに基づき変更されることができる。

本明細書に記載の構成部品製造方法は、構成部品への保護熱障壁層の塗布を容易にする。より具体的には、上述されたタービン構成部品上に複数の保護層を形成することは、高温環境における損傷を防ぐ。結果として、稼働されるときの構成部品の劣化、および増大された製造コストが、低減されまたは削除されることができる。

本明細書に記載されかつ／または示された方法は、構成部品、より具体的にはタービン構成部品の製造に関して記載されかつ／または示されたが、本明細書に記載されかつ／または示された方法の実施は、タービン構成部品に限定されず、また一般に熱障壁層の形成に限定されない。むしろ、本明細書に記載されかつ／または示された方法は、任意の物品の製造および任意材料の任意層の形成に適用可能である。

タービン構成部品製造の例示的な実施形態は、具体的に上述された。方法、装置、およびシステムは、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されず、また製造された特定のタービン構成部品に限定されないが、むしろタービン構成部品を製造する方法は、本明細書に記載された他の方法、装置、およびシステムとは独立してかつ別個に、または本明細書に記載されていない構成部品製造に利用されることができる。例えば、他の構成部品も、本明細書に記載された方法を使用して製造されることができる。

本発明は、様々な特定の実施形態に関して記載されているが、当業者なら、本発明が、請求項の精神および範囲内で修正して実施されることができることを理解する。

例示的なタービン構成部品の断面の部分概略図を示す。 図１におけるタービン構成部品を製造する例示的な方法の流れ図を示す。

符号の説明

１００ タービン構成部品
１０２ 基板
１０４ 表面領域
１０５ 層
１０６ 第１のＤＶＣＴＢＣ層
１０７ 後続のＤＶＣＴＢＣ層
１０８ より硬い層
１０９ 表面
１１０ 柔軟な層
１１４ 三次層
１１６ 三次ＴＢＣ層表面
２００ 方法
２０２ 形成する
２０４ 方法ステップ
２０６ 方法ステップ
２１０ 方法ステップ
２１２ 方法ステップ
２１４ 方法ステップ

Claims (10)

1. 機械構成部品（１００）を製造する方法において、
   基板表面領域（１０４）を有する機械構成部品基板（１０２）を形成するステップと、
   前記機械構成部品の前記基板表面領域の少なくとも一部を覆うように形成される第１の一次熱障壁層（１０６）を備え、前記一次熱障壁層が第１の多孔性を有する第１のセラミック熱障壁材料を含む一次熱障壁層（１０５）を少なくとも１つ形成するステップと、
   前記一次熱障壁層の少なくとも一部を覆うように形成され、前記第１の多孔性より大きい第２の多孔性を有する第２のセラミック熱障壁材料を含む二次熱障壁層（１０７）を少なくとも１つ形成するステップと、
   前記二次熱障壁層の少なくとも一部を覆うように形成され、三次多孔性を有する平滑なコーティング材料を含み、前記二次熱障壁層によって剥離が低減される三次熱障壁層（１１４）を少なくとも１つ形成するステップと、
   前記三次熱障壁層を硬化させるステップと、
   を含む方法。
2. 少なくとも１つの一次熱障壁層（１０５）を形成するステップは、前記機械構成部品（１００）の前記基板（１０２）表面領域（１０４）の少なくとも一部を覆って前記第１の熱障壁材料を溶射するステップを含む請求項１記載の方法。
3. 前記機械構成部品の前記基板表面領域（１０４）の前記少なくとも一部を覆って前記第１のセラミック熱障壁材料を溶射するステップは、前記一次熱障壁層それぞれの厚さおよび多孔性がほぼ同一となるように、前記一次熱障壁層（１０５）を溶射するステップを含む請求項２記載の方法。
4. 少なくとも１つの一次熱障壁層（１０５）を形成するステップは、前記構成部品から第１の距離で前記一次熱障壁層を溶射するステップをさらに含む請求項１記載の方法。
5. 所定の寸法を有する物品を備え、表面領域（１０４）からなる基板（１０２）と、
   第１の多孔性を有する少なくとも１つの一次熱障壁層（１０５）と、
   前記第１の多孔性より大きい第２の多孔性を有する少なくとも１つの二次熱障壁層（１０７）と、
   少なくとも１つの三次熱障壁層（１１４）とを備え、前記第２の多孔性は、前記少なくとも１つの三次熱障壁層の剥離を低減することを促進する、機械構成部品（１００）。
6. 所定の寸法を有する前記物品が、仕上げられた機械構成部品の寸法と実質的に同じ一組の所定の輪郭および厚さに予め形作られた物品を含む請求項５記載の機械構成部品（１００）。
7. 前記少なくとも１つの一次熱障壁層（１０５）が、第１の一次熱障壁層（１０６）および少なくとも１つの後続の一次熱障壁層を有し、前記一次熱障壁層が、第１の化学組成、複数の所定の厚さ、および複数の多孔性を有する第１のセラミック熱障壁材料をさらに含む請求項５記載の機械構成部品（１００）。
8. 前記一次熱障壁層（１０５）それぞれの前記厚さおよび多孔性が、実質的に同じ厚さおよび実質的に同じ多孔性を含む請求項５記載の機械構成部品（１００）。
9. 前記少なくとも１つの二次熱障壁層（１０７）が、第２の化学組成および所定の厚さを有する第２のセラミック熱障壁材料を含み、前記第２の化学組成が、前記第１の化学組成と実質的に同じである請求項５記載の機械構成部品（１００）。
10. 前記少なくとも１つの三次熱障壁層（１１４）が、所定の厚さを有する平滑なコーティング材料を含む請求項５記載の機械構成部品（１００）。

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