JP2007169783A - タービンエンジンコンポーネントおよび基体のコーティング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基体の耐酸化性を改善するコーティング方法を提供する。
【解決手段】ニッケル基合金基体１０は、表面１２を有し、プラチナ層１４は、好ましくは、電気めっき技術を用いてこの表面１２に堆積される。Ｎｉ‐Ａｌ‐Ｈｆ材料の層１６は、プラチナ層の上に堆積される。酸化アルミニウムのスケール層１８は、セラミック層２０の堆積前、または堆積中に、ボンドコートに形成される。セラミックトップコート層２０は、表面１２に対して実質的に垂直かつボンドコートから外側に向いて延びている、柱状晶のミクロ構造によって特徴付けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンエンジンコンポーネントの高強度Ｎｉ‐Ｐｔ‐Ａｌ‐Ｈｆのボンドコートおよびその製造方法に関する。

タービンエンジンコンポーネントは高温ガスに晒されるので、高温状態になる。このような高温に晒されることによって、コンポーネントに好ましくない欠陥が生じることがある。コンポーネントを保護するために、ボンドコートやセラミックトップコートがタービンエンジンコンポーネントの表面に適用される。

このようなコーティングが存在しているが、耐酸化性が改善されたコンポーネントを得るためのコーティングが必要とされている。

したがって、本発明は、タービンエンジンコンポーネント用の改良されたコーティングシステムおよび改良されたタービンエンジンの製造方法に関する。

本発明によれば、基体の上にコーティングを形成する方法を提供する。この方法は、基体を備え、この基体の表面の上にプラチナ層を堆積し、プラチナ層の上にニッケル‐アルミニウム‐ハフニウム（Ｎｉ‐Ａｌ‐Ｈｆ）層を堆積し、ニッケル‐プラチナ‐アルミニウム‐ハフニウム（Ｎｉ‐Ｐｔ‐Ａｌ‐Ｈｆ）のボンドコートを形成するように、これらの堆積された層とともに基体を熱処理する。

また本発明によれば、基体の上にコーティングを形成する他の方法を提供する。この方法は、基体を備え、基体の表面の上にＮｉ−Ａｌ−Ｈｆ層を堆積し、Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ層の上にプラチナ層を堆積し、Ｎｉ−Ｐｔ−Ａｌ−Ｈｆのボンドコートが形成されるように、これらの堆積層とともに基体を熱処理する。

本発明によれば、ニッケル基超合金からなる基体と、この基体の表面に適用されたＮｉ−Ｐｔ−Ａｌ−Ｈｆのボンドコートと、を含むタービンエンジンコンポーネントを提供する。

上述したように、本発明は、高温ガスに晒されるベーン、ブレードおよびシールなどのタービンエンジンコンポーネントに適用される、改良されたコーティングシステムに関する。このコーティングシステムは、タービンエンジンコンポーネントを形成するニッケル基超合金を酸化から保護する薄いボンドコートを含む。このボンドコートは、高強度のＮｉ‐Ｐｔ‐Ａｌ‐Ｈｆコーティングである。ボンドコートにプラチナを付加することで、タービンエンジンコンポーネントを使用している間に形成される酸化アルミニウムスケール層の接着性（ａｄｈｅｒｅｎｃｅｅ）を改善する。

図１は、本発明によるコーティングシステムを形成するための第１の手順を例示している。図１のように、ニッケル基合金基体１０は、表面１２を有する。プラチナ層１４は、好ましくは、電気めっき技術を用いて表面１２に堆積される。例示することのみを目的として、電気めっき浴（エレクトロプレートバス）は、１７〜２６グラム／リットルの範囲においてプラチナを含有する。電流密度は、２０〜３０ａｍｐ／平方フィートの範囲である。電気めっきの時間は、必要な厚さによって決定される。電気めっき浴の温度は、２００°Ｆまで上昇させることができる。電気めっきされたプラチナ層は、約０．０１〜１．０ｍｉｌの範囲の厚さを有する。これらの電気めっきのパラメータは、例示のみを目的として提示しており、他の電気めっきのパラメータを用いることができる。プラチナ層も、限定する趣旨ではないが、電気めっき以外のスパッタリングや他の堆積技術によって、堆積することができる。

その後、Ｎｉ‐Ａｌ‐Ｈｆ材料の層１６が、プラチナ層の上に堆積される。好ましくは、Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ材料は、陰極アーク堆積法を用いて堆積される。陰極アークプラズマ蒸着（ｃａｔｈｏｄｉｃ ａｒｃ ｐｌｓｍａ ｖａｐｏｒ）を用いる、本発明のコーティングを適用するための技術は、米国特許第５，９７２，１８５号、第５，９３２，０７８号、第６，０３６，８２８号、第５，７９２，２６７号および第６，２２４，７２６号に記載されている。マグネトロンスパッタリングおよび電子ビームプラズマ蒸着堆積法など、他のプラズマ蒸着法を含む代替の堆積方法を用いることもできる。厚さを考慮しない場合は、低圧プラズマ溶射やＨＶＯＦ（高速酸素燃料）技術など、種々の溶射技術を用いることもできる。堆積されるＮｉ−Ａｌ−Ｈｆ材料は、約５．５〜１５．０重量％、好ましくは、約５．５〜１３．５重量％のアルミニウムと、約０．００１〜５．０重量％、好ましくは約０．００１〜０．４重量％のハフニウムおよび残部がニッケル基からなる組成を有する。

Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ材料の堆積に続いて、基体１０と堆積層１４，１６は、拡散熱処理（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｈｅａｔ−ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を行う。この拡散熱処理は、温度が約１２００〜２１００°Ｆの範囲、時間が２．０〜１５時間の範囲において行われる。拡散熱処理は、好ましくは、アルゴンガス雰囲気などの不活性なガスの雰囲気中で行われる。十分に熱処理されたＮｉ−Ｐｔ−Ａｌ−Ｈｆボンドコートは、約１．０〜５．０ｍｉｌの範囲の厚さを有し、約５．０〜７０重量％、好ましくは、１０〜６０重量％のプラチナ、５．５〜１５重量％、好ましくは５．５〜１３．５重量％のアルミニウム、０．００１〜５．０重量％、好ましくは０．００１〜０．４重量％のハフニウム、残部がＮｉからなる組成を有する。

ボンドコートが形成された後、セラミックトップコート２０が、当分野で公知の適宜なセラミック組成を用いて適用される。セラミックトップコート２０の好適な組成は、７．０重量％のイットリア安定化ジルコニアなどの、イットリア安定化ジルコニアである。他の好ましい組成は、米国特許第６，７３０，４２２号に記載されている、ジルコニアベースのパイロクロアと、５〜６０モル％のガドリニア安定化ジルコニアと、種々のランタノイド三二酸化物（ｌａｎｔｈａｎｉｄｅ ｓｅｓｑｕｉｏｘｉｄｅｓ）によって安定化されたジルコニアおよびこれらの混合物と、を含む。セラミックトップコート層２０は、約１．０〜５０ｍｉｌ、好ましくは、３．０〜１５ｍｉｌの範囲の厚さを有する。

セラミックトップコート２０は、当分野で公知の適宜な堆積技術を用いて適用される。好ましい堆積技術は、電子ビーム物理蒸着堆積法（ＥＢ−ＰＶＤ）である。セラミックコーティングは、好ましくは、基体温度が１７００〜２２００°Ｆの範囲かつチャンバ圧力が０．１〜１．０ミリトル（ｍｉｌｌｉｔｏｒｒ）で、ボンドコートされた基体に適用される。堆積時間は、０．２〜１．５インチ／時間の供給材料の供給速度で２０〜１２０分である。他の好適な堆積技術は、溶射、化学蒸着、限定する趣旨ではないが、陰極アーク堆積、スパッタリングおよび熱による蒸着などの、他の物理蒸着を含む。不活性あるいは活性のある雰囲気が、当業者によって使用されることが公知なこれらの堆積技術に対し選択的に用いられる。

蒸着堆積技術によって形成される際に、セラミックトップコート層２０は、表面１２に対して実質的に垂直方向を向く柱状粒子つまり柱状部を伴う柱状晶ミクロ構造によって特徴付けられる。柱状晶つまり柱状部は、ボンドコートから、あるいは酸化アルミニウムスケール層１８から、外側に向いて延びている。酸化アルミニウムのスケール層１８は、セラミック層２０の堆積前、または堆積中に、ボンドコートの上に意図的に形成される。さらに、蒸着堆積技術は、基体のバイアスや高エネルギーのイオン衝突（ｉｏｎ ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ）など、基体表面の蒸気の化学種（ｖａｐｏｒ ｓｐｅｃｉｅｓ）の移動度を増加させる手段を利用し、結果として、高密度で、等軸晶の（ｅｑｕｉａｘｅｄ）セラミックコーティングとなる。代替として、基体の上に液滴を堆積することによる溶射コーティングは、固化した飛沫液滴プラットがランダムに積み重なった多孔質のミクロ構造を有する。これらのスプラットは、通常、微小ひび割れ（マイクロクラック）が生じ、スプラット間に孔を捕捉し、従って、歪み耐性のミクロ構造となる。

図２では、本発明によるコーティングシステムを形成する代替の手順が示されている。この方法においては、ボンドコートは、基体の表面１２の上にＮｉ−Ａｌ−Ｈｆ層１６を堆積させ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ層１６の上にプラチナ層１４を堆積させることにより形成される。このＮｉ−Ａｌ−Ｈｆ層１６は、上述したものと同様の組成で、上述の技術を用いて堆積させることができる。プラチナ層１４も、上述の組成と同様に電気めっき技術を用いて堆積させることができる。拡散熱処理は、上述のパラメータを用いて、プラチナを堆積させた後に行う。セラミックトップコート層２０は、上述のように堆積させることができる。

本発明に従ってコーティングされた複数の検体は、バーナー装置内において２０００°Ｆを超える温度で１０００時間以上の酸化サイクルに耐えた。

本発明による第１のコーティングシステムの概略図。 本発明による第２のコーティングシステムの概略図。

符号の説明

１０…ニッケル基合金基体
１２…表面
１４…プラチナ層
１６…Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ層
１８…酸化アルミニウムスケール層
２０…セラミックトップコート層

Claims (40)

1. 基体を設けるステップと、
   上記基体の表面の上にプラチナ層を堆積するプラチナ層堆積ステップと、
   上記プラチナ層の上にＮｉ−Ａｌ−Ｈｆ層を堆積するＮｉ−Ａｌ−Ｈｆ層堆積ステップと、
   Ｎｉ−Ｐｔ−Ａｌ−Ｈｆボンドコートを形成するように、これらの堆積された層とともに上記基体を熱処理する熱処理ステップと、
   を備えることを特徴とする基体のコーティング方法。
2. 上記基体を設けるステップが、ニッケル基合金からなる基体を含み、かつ上記プラチナ層堆積ステップが、上記基体の表面の上にプラチナ層を電気めっきすることを含むことを特徴とする請求項１に記載の基体のコーティング方法。
3. 上記プラチナ層堆積ステップが、約０．０１〜１．０ｍｉｌの範囲の厚さにプラチナ層を堆積することを特徴とする請求項１に記載の基体のコーティング方法。
4. 上記熱処理ステップが、約５．０〜７０重量％のプラチナを有する上記ボンドコートを形成することを特徴とする請求項１に記載の基体のコーティング方法。
5. 上記熱処理ステップが、約１０〜６０重量％のプラチナを有する上記ボンドコートを形成することを特徴とする請求項１に記載の基体のコーティング方法。
6. 上記Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ層堆積ステップが、陰極アーク堆積法を用いて上記Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ層を堆積することを特徴とする請求項１に記載の基体のコーティング方法。
7. 上記Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ層堆積ステップが、約５．０〜１５重量％のアルミニウムと、約０．００１〜５．０重量％のハフニウムと、残部がニッケルからなるＮｉ−Ａｌ−Ｈｆ材料を堆積することを特徴とする請求項１に記載の基体のコーティング方法。
8. 上記Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ層堆積ステップが、約５．５〜１３．５重量％のアルミニウムと、約０．００１〜０．４重量％のハフニウムと、残部がニッケルからなるＮｉ−Ａｌ−Ｈｆ材料を堆積することを特徴とする請求項１に記載の基体のコーティング方法。
9. 上記熱処理ステップが、上記ボンドコートを形成するように、温度を１２００〜２１００°Ｆの範囲で、時間を２．０〜１５時間の範囲で、これらの堆積層とともに上記基体を熱処理することを特徴とする請求項１に記載の基体のコーティング方法。
10. 上記ボンドコートの上に約１．０〜５０ｍｉｌの範囲の厚さのセラミックトップコートを適用するステップをさらに含む請求項１に記載の基体のコーティング方法。
11. 上記セラミックトップコートを適用するステップが、約３．０〜１５ｍｉｌの範囲の厚さにセラミックトップコートを適用することを特徴とする請求項１０に記載の基体のコーティング方法。
12. 上記セラミックトップコートを適用するステップが、イットリア安定化ジルコニアのトップコートを適用することを特徴とする請求項１０に記載の基体のコーティング方法。
13. 上記セラミックトップコートを適用するステップが、ジルコニアベースのパイロクロアのトップコートを適用することを特徴とする請求項１０に記載の基体のコーティング方法。
14. 上記セラミックトップコートを適用するステップが、５〜６０モル％のガドリニア安定化ジルコニアのトップコートを適用することを特徴とする請求項１０に記載の基体のコーティング方法。
15. 上記セラミックトップコートを適用するステップが、電子ビーム‐物理蒸着法（ＥＢ‐ＰＶＤ）技術を用いて上記セラミックトップコートを適用し、柱状晶が上記基体表面に対して垂直かつボンドコートから外側に延びるような柱状晶構造で上記セラミックトップコートを形成する請求項１０に記載の基体のコーティング方法。
16. 基体を設けるステップと、
    上記基体の表面の上にＮｉ−Ａｌ−Ｈｆ層を堆積するＮｉ−Ａｌ−Ｈｆ層堆積ステップと、
    上記Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ層の上にプラチナ層を堆積するプラチナ層堆積ステップと、
    Ｎｉ−Ｐｔ−Ａｌ−Ｈｆ層のボンドコートを形成するように、これらの堆積層とともに上記基体を熱処理する熱処理ステップと、
    を備えることを特徴とする基体のコーティング方法。
17. 上記基体を設けるステップが、ニッケル基合金からなる基体を設けるとともに、上記プラチナ層堆積ステップが、上記基体の表面の上に上記プラチナ層を電気めっきすることを特徴とする請求項１６に記載の基体のコーティング方法。
18. 上記プラチナ層堆積ステップが、０．０１〜１．０ｍｉｌの範囲の厚さにプラチナ層を堆積させることを特徴とする請求項１６に記載の基体のコーティング方法。
19. 上記熱処理ステップが、約５．０〜７０重量％のプラチナを有する上記ボンドコートを形成することを特徴とする請求項１６に記載の基体のコーティング方法。
20. 上記熱処理ステップが、約１０〜６０重量％のプラチナを有する上記ボンドコートを形成することを特徴とする請求項１６に記載の基体のコーティング方法。
21. 上記Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ層堆積ステップが、陰極アーク堆積法を用いて上記Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ層を堆積することを特徴とする請求項１６に記載の基体のコーティング方法。
22. 上記Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ層堆積ステップが、約５．０〜１５重量％のアルミニウムと、約０．００１〜５．０％のハフニウムと、残部がニッケルからなるＮｉ−Ａｌ−Ｈｆ材料を堆積させることを特徴とする請求項１６に記載の基体のコーティング方法。
23. 上記Ｎｉ−Ａｌ−Ｈｆ層堆積ステップが、５．５〜１３．５重量％のアルミニウムと、約０．００１〜０．４重量％のハフニウムと、残部がニッケルからなるＮｉ−Ａｌ−Ｈｆ材料を堆積することを特徴とする請求項１６に記載の基体のコーティング方法。
24. 上記熱処理ステップが、温度を約１２００〜２１００°Ｆの範囲で、時間を約２．０〜１５時間の範囲で、上記ボンドコートを形成するように、これらの堆積層とともに上記基体を熱処理することを特徴とする請求項１６に記載の基体のコーティング方法。
25. 上記ボンドコートの上に約３．０〜１２ｍｉｌの範囲の厚さのセラミックトップコートを適用するステップをさらに含む請求項１６に記載の基体のコーティング方法。
26. 上記セラミックトップコートを適用するステップが、イットリア安定化ジルコニアのトップコートを適用することを特徴とする請求項２５に記載の基体のコーティング方法。
27. 上記セラミックトップコートを適用するステップが、ジルコニアベースのパイロクロアのトップコートを特徴とする請求項２５に記載の基体のコーティング方法。
28. 上記セラミックトップコートを適用するステップが、５〜６０モル％のガドリニア安定化ジルコニアのトップコートを適用することを特徴とする請求項２５に記載の基体のコーティング方法。
29. 上記セラミックトップコートを適用するステップが、電子ビーム‐物理蒸着法を用いて上記セラミックトップコートを適用することを含み、柱状晶が、上記基体表面に対して実質的に垂直かつボンドコートから外側に延びているように柱状晶のミクロ構造のセラミックトップコートを形成する請求項２５に記載の基体のコーティング方法。
30. ニッケル基合金からなる基体と、
    上記基体の表面に適用されたＮｉ−Ｐｔ−Ａｌ−Ｈｆのボンドコートと、
    を備えることを特徴とするタービンエンジンコンポーネント。
31. 上記ボンドコートの厚さが、１．０〜５．０ｍｉｌの範囲であることを特徴とする請求項３０に記載のタービンエンジンコンポーネント。
32. 上記ボンドコートが、約５．０〜７０重量％のプラチナと、約５．０〜１５重量％のアルミニウムと、約０．００１〜５．０重量％のハフニウムと、残部がニッケルからなる組成を有することを特徴とする請求項３０に記載のタービンエンジンコンポーネント。
33. 上記プラチナが約１０〜６０重量％、上記アルミニウムが約５．５〜１３．５重量％、上記ハフニウムが約０．００１〜０．４重量％であることを特徴とする請求項３２に記載のタービンエンジンコンポーネント。
34. セラミックトップコートと、このトップコートと上記ボンドコートとの間の酸化アルミニウムスケール層と、を備え、上記ボンドコートが上記酸化アルミニウムスケール層の接着性を改善する請求項３０に記載のタービンエンジンコンポーネント。
35. 上記セラミックトップコートが、イットリア安定化ジルコニアを含むことを特徴とする請求項３４に記載のタービンエンジンコンポーネント。
36. 上記セラミックトップコートが、ジルコニアベースのパイロクロアトップコートを含むことを特徴とする請求項３４に記載のタービンエンジンコンポーネント。
37. 上記セラミックトップコートが、約５〜６０モル％のガドリニア安定化ジルコニアトップコートを含むことを特徴とする請求項３４に記載のタービンエンジンコンポーネント。
38. 上記セラミックトップコートの厚さが、１．０〜５０ｍｉｌの範囲であることを特徴とする請求項３４に記載のタービンエンジンコンポーネント。
39. 上記厚さを約３．０〜１５ｍｉｌの範囲にすることを特徴とする請求項３８に記載のタービンエンジンコンポーネント。
40. 上記セラミックトップコートが、柱状晶のミクロ構造を有し、これらの柱状晶が、上記基体の表面に対して実質的に垂直かつボンドコートから外側に向かって延びている請求項３４に記載のタービンエンジンコンポーネント。

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