JP2007169788A - 断熱被膜用の白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコート - Google Patents
断熱被膜用の白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコート Download PDFInfo
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Abstract
【課題】タービンエンジン構成要素用の改良された被膜系およびそれを形成するための方法を提供すること。
【解決手段】タービンエンジン構成要素が、ニッケル基超合金から形成された基体と、基体の表面に適用された白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートとを有する。白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートを形成するための２つの方法が本明細書で説明される。
【選択図】図１
【解決手段】タービンエンジン構成要素が、ニッケル基超合金から形成された基体と、基体の表面に適用された白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートとを有する。白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートを形成するための２つの方法が本明細書で説明される。
【選択図】図１
Description
本発明は、断熱被膜用の白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコート、およびそれを形成するための方法に関する。
タービンエンジン構成要素は、高温ガスへそれらが露出することによって高温にさらされる。そのような露出は、構成要素の望ましくない欠陥の形成をもたらす可能性がある。構成要素を保護するために、ボンドコートやセラミックトップコートが、タービンエンジン構成要素の表面に適用される。
そのような被膜の存在にも関わらず、改善された耐酸化性を構成要素に与える被膜が依然として必要とされている。
したがって、本発明は、タービンエンジン構成要素用の改良された被膜系およびそれを形成するための方法を提供することを目的とする。
本発明によれば、基体上に被膜を形成するための方法が提供される。この方法は、概して、基体を供給するステップと、基体の表面上に白金層を堆積するステップと、白金層の上にＮｉＣｏＣｒＡｌＹ層を堆積するステップと、白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートを形成するために、堆積した層と共に基体を熱処理するステップとを含む。
本発明によれば、基体上に被膜を形成するための代替方法が提供される。この方法は、概して、基体を供給するステップと、基体の表面上にＮｉＣｏＣｒＡｌＹ層を堆積するステップと、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ層の上に白金層を堆積するステップと、白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートを形成するために、堆積した層と共に基体を熱処理するステップとを含む。
本発明によれば、概して、ニッケル基超合金から形成される基体と、基体の表面に適用された白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートとからなる、タービンエンジン構成要素が提供される。
本発明の断熱被膜用の白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートの他の詳細、ならびにそれに伴う他の目的および利点が、以下の説明および関連する図面に開示される。同様の符号は同様の要素を示す。
論述したように、本発明は、高温ガスに露出するベーン、ブレード、およびシールなどのタービンエンジン構成要素に適用可能な、改良された被膜系に関する。この被膜系は、タービンエンジン構成要素を形成するニッケル基超合金に酸化保護を提供する薄いボンドコートを含む。ボンドコートは、白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹコーティングである。ボンドコートへの白金の添加により、タービンエンジン構成要素の使用中に生じる酸化アルミニウムスケール（酸化アルミニウム膜）の接着性が改善される。
図１は、本発明による被膜系を形成するための第１の順序を例示する。この図に示すように、ニッケル基合金基体１０は表面１２を有する。白金の層１４が、好ましくは電気めっき法を使用して表面１２上に堆積される。単なる例示目的としてだが、有用な電気めっき浴は、上記電気めっき法で使用される白金めっき浴であり、白金は、１００ｇ／リットルまでの量で使用し得る。電流密度は、平方フィート当たり５．０〜１００アンペアの範囲であってよい。白金めっき時間は、必要とする厚さによって決定されが、１０時間までの範囲であってよい。白金めっき浴温度は、２００°Ｆ（９３．３３℃）に達することがある。電気めっきした白金の層は、約０．０１〜１．０ミル（約０．０００２５４〜０．０２５４ｍｍ）の範囲内の厚さを有する。堆積した層中の白金は、約５．０〜７０重量％、好ましくは１０〜６０重量％の量で存在する。
その後、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料の層１６を、白金層の上に堆積する。好ましくは、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料は、陰極アーク蒸着法を用いて堆積される。陰極アークプラズマ蒸着によって本発明の被膜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６，２２４，７２６号に論述されており、それらの特許全てを参照として本明細書に組み込む。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などのその他のプラズマ蒸着法を含むが、それらに限定されない代替の堆積方法を用いてよい。厚さに関する問題がないときは、低圧プラズマ溶射およびＨＶＯＦ（高速酸素燃料）法など様々な熱溶射法が利用されることもある。堆積されるＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料は、約４．０〜２５重量％、好ましくは約４．０〜１８重量％のクロム、約２．０〜２８重量％、好ましくは約２．０〜２４重量％のコバルト、約５．５〜１５重量％、好ましくは約５．５〜１３．５重量％のアルミニウム、約０．１〜１．６重量％、好ましくは約０．１〜０．８重量％のイットリウム、約２．０重量％までの、好ましくは約０．００１〜０．４重量％のハフニウム、約２．０重量％までの、好ましくは約０．００１〜０．７重量％のケイ素、約３．０〜１２重量％、好ましくは約３．０〜１０重量％のタンタル、約１．０〜１２重量％、好ましくは約１．０〜９．０重量％のタングステン、１．０〜１０重量％、好ましくは約１．０〜５．０重量％のレニウム、約２．０重量％までの、好ましくは約０．００１〜１．０重量％のジルコニウム、約４．０重量％、好ましくは約０．００１〜２．０重量％のニオブ、約４．０重量％までの、好ましくは約０．００１〜２．０重量％のチタン、約０．２〜６．０重量％、好ましくは約０．２〜４．０重量％のモリブデン、および残部ニッケルからなる組成を有する。白金は、パラジウム、ロジウム、イリジウム、およびそれらの混合物によって代用することができる。被膜は又、不純物として２．０重量％までの他の元素を含み得る。被膜中のイットリウムにより、使用中に形成される酸化アルミニウムスケール層１８の接着性が改善される。通常、硫黄が酸化アルミニウムスケール層１８に移動するが、イットリウムの存在がその発生を防止する。
ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料の堆積に続いて、堆積した層１４，１６をと共に基体１０は、拡散熱処理（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を受ける。拡散熱処理は、約２．０〜１５時間の範囲の期間にわたって約１２００〜約２１００°Ｆ（約６４８．８８９〜約１１４８．８９℃）の範囲内の温度で行われる。拡散処理は、アルゴン雰囲気など不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。十分に熱処理された白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートは、約１．０〜５．０ミル（約０．０２５４〜０．１２７ｍｍ）の範囲内の厚さを有する。ボンドコートは通常、０．５〜３０μｍの範囲の粒径を有する粒子を有する、緻密な、三次元の相互結合した二相微細構造を形成する。
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を、当技術分野で既知の適切なセラミック組成物のいずれかを使用して適用することができる。セラミックトップコート２０として好ましい組成物は、７．０重量％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。他の好ましい組成物は、参照として本明細書に組み入れた米国特許第６，７３０，４２２号に記載されているパイロクロール型ジルコニア（ｚｉｒｃｏｎｉａ ｂａｓｅｄ ｐｙｒｏｃｈｌｏｒｅｓ）、５．０〜６０モル％ガドリニア（酸化ガドリニウム）安定化ジルコニア、および種々のランタニドの三二酸化物を用いて安定化したジルコニア、ならびにそれらの混合物を含む。セラミックトップコート層２０は、約１．０〜５０ミル（約０．０２５４〜１．２７ｍｍ）、好ましくは約３．０〜１５ミル（約０．０７６２〜０．３８１ｍｍ）の範囲内の厚さを有する。
セラミックトップコート２０は、当技術分野で既知の適切な電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）法のいずれかを使用して適用することができる。好ましい堆積法は、電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ）である。セラミックコーティングは、好ましくは、約１，７００〜２，２００°Ｆ（約９２６．６６７〜１２０４．４４℃）の範囲内の期体温度と、約０．１〜１．０ミリトルのチャンバ圧力で、ボンドコートされた基体に適用される。堆積時間は、１時間当たり約０．２〜１．５インチ（約５．０８〜３８．１ｍｍ）の原料供給速度で２０〜１２０分の範囲内である。他の適切な堆積技法は、熱溶射法と、化学蒸着法と、陰極アーク蒸着法、スパッタリング、および熱蒸着を含むが、それらに限定されないその他の物理蒸着法を含む。これら全ての堆積法において、当業者には適切であることが明らかなように、不活性または反応性雰囲気のいずれも、任意に使用することができる。
蒸着法によって形成されるとき、セラミックトップコート層２０は、柱状粒の微細構造で特徴付けられ、柱状粒、即ち柱体（ｃｏｌｕｍｎ）が表面１２に対して実質的に垂直に配向している。柱状粒、即ち柱体は、セラミック層２０の堆積前または堆積中に、ボンドコートから、またはボンドコート上に意図的に形成された酸化アルミニウムスケール層から外側に向かって延びる。さらに、基体の偏向や高エネルギーイオン衝突などの基体表面上の蒸気種の移動度を高める手段を利用する蒸着法により、緻密な等軸セラミックコーティングが得られる。あるいは又、基体上に液滴を堆積させることによって形成される熱溶射被膜は、任意に堆積させた凍結した液体のしぶき（スプラット、ｓｐｌａｔｓ）からなる、多孔質な微細構造を有する。これらのスプラットは、通常微細に亀裂するが、典型的にはスプラットの間はトラップ孔であるため、歪みに対する耐性を有する微細構造が得られる。
ここで図２を参照すると、本発明による被膜系を形成するための代替の順序が示されている。この方法では、ボンドコートは、基耐の表面１２上にＮｉＣｏＣｒＡｌＹ層１６を堆積し、次いでＮｉＣｏＣｒＡｌＹ層１６の上に白金層１４を堆積することによって形成される。ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ層は、上述したのと同じ組成を有し、かつ上述した技法を使用して堆積することができる。白金層１４は、上述した組成と同じ範囲の組成を有し、かつ上述した電気めっき法を使用して堆積することができる。拡散熱処理ステップは、上述したパラメータと同じパラメータを使用して、白金堆積ステップ後に行われる。好ましいボンドコート厚は、前出の方法で説明したボンドコート厚と同じである。セラミックトップコート層２０は、上述したように堆積し得る。
本発明に従って被覆された試料は、バーナ装置における２，０００°Ｆ（１０９３．３３℃）を超える温度での、１，０００時間を超える酸化サイクルに耐久した。
本発明により、本明細書で説明の目的、手段、および利点を完全に満たす断熱被膜用の白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートが提供されたことは明らかである。本発明を、特定の実施形態に関連して説明してきたが、他の不測の代替的な形態、修正、および変更は、前述により当業者には明らかになるであろう。したがって、本発明は、特許請求の範囲の広い範囲内に包含される、それらの代替形態、修正形態、および変更形態を含むことを意図するものである。
１０…基体
１２…表面
１４…白金の層
１６…ＮｉＣｏＣｒＡｌＹの層
１８…酸化アルミニウムスケール（アルミナスケール）の層
２０…セラミックトップコート層
１２…表面
１４…白金の層
１６…ＮｉＣｏＣｒＡｌＹの層
１８…酸化アルミニウムスケール（アルミナスケール）の層
２０…セラミックトップコート層
Claims (41)
- 基体を供給するステップと、
上記基体の表面上に白金の層を堆積するステップと、
上記白金層の上にＮｉＣｏＣｒＡｌＹ層を堆積するステップと、
白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートを形成するために、上記堆積された層と共に上記基板を熱処理するステップと、
を含むことを特徴とする、基体上に被膜を形成する方法。 - 前記基体を供給するステップが、ニッケル基合金から形成された基体を供給することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記白金の層を堆積するステップが、前記基体の表面上に前記白金の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に記載の方法。
- 前記白金の層を堆積するステップが、約０．０１〜１．０ミルの範囲内の厚さを有する白金の層を堆積することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記堆積された白金の層中の白金が、約５．０〜７０重量％の量で存在することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記堆積された白金の層中の白金が、約１０〜６０重量％の量で存在することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記ＮｉＣｏＣｒＡｌＹを堆積するステップが、陰極アーク蒸着法を使用してＮｉＣｏＣｒＡｌＹコーティングを堆積することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記ＮｉＣｏＣｒＡｌＹを堆積するステップが、約４．０〜２５重量％のクロム、約２．０〜２８重量％のコバルト、約５．５〜１５重量％のアルミニウム、約０．１〜１．６重量％のイットリウム、約２．０重量％までのハフニウム、約２．０重量％までのケイ素、約３．０〜１２重量％のタンタル、約１．０〜１２重量％のタングステン、約１．０〜１０重量％のレニウム、約２．０重量％までのジルコニウム、約４．０重量％のニオブ、約４．０重量％までのチタン、約０．２〜６．０重量％のモリブデン、および残部ニッケルを含むＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料を堆積するステップを含む請求項１に記載の方法。
- 前記ＮｉＣｏＣｒＡｌＹを堆積するステップが、約４．０〜１８重量％のクロム、約２．０〜２４重量％のコバルト、約５．５〜１３．５重量％のアルミニウム、約０．１〜０．８重量％のイットリウム、約０．００１〜０．４重量％のハフニウム、約０．００１〜０．７重量％のケイ素、約３．０〜１０重量％のタンタル、約１．０〜９．０重量％のタングステン、約１．０〜５．０重量％のレニウム、約０．００１〜１．０重量％のジルコニウム、約０．００１〜２．０重量％のニオブ、約０．００１〜２．０重量％のチタン、約０．２〜４．０重量％のモリブデン、および残部ニッケルを含むＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料を堆積することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記熱処理ステップが、前記ボンドコートを形成するために、約２．０〜１５時間の範囲内の期間にわたって、約１，２００〜約２，１００°Ｆの範囲内の温度で、前記堆積された層と共に前記基体を加熱することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記ボンドコートの上に、約１．０〜５０ミルの範囲内の厚さを有する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ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前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トップコートを適用することを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
- 前記セラミックトップコートを適用するステップが、パイロクロール型ジルコニアトップコートを適用することを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
- 前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％ガドリニア安定化ジルコニアトップコートを適用することを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
- 前記ボンドコートの上に、約３．０〜１５ミルの範囲内の厚さを有する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ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記セラミックトップコートを適用するステップが、ＥＢ−ＰＶＤ法を使用して前記トップコートを塗布し、それによって柱状粒の微細構造を有する前記トップコートを形成することを含み、ここで柱状粒は、前記基体表面に実質的に対して垂直に配向しており、前記ボンドコートから外側に向かって延びていることを特徴とする、前記ボンドコートから外に延びる請求項１１に記載の方法。
- 基体を供給するステップと、
上記基体の表面上にＮｉＣｏＣｒＡｌＹ層を堆積するステップと、
上記ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ層の上に白金の層を堆積するステップと、
白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートを形成するために、上記堆積された層と共に上記基体を熱処理するステップと、
を含むことを特徴とする、基体上に被膜を形成する方法。 - 前記基体を供給するステップが、ニッケル基合金から形成される基体を供給することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
- 前記白金の層を堆積するステップが、前記基体の表面上に前記白金の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１７に記載の方法。
- 前記白金の層を堆積するステップが、約０．０１〜１．０ミルの範囲内の厚さを有する白金の層を堆積することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
- 前記白金の層を堆積するステップが、前記堆積された白金の層中に約５．０〜７０重量％の白金を含むように白金を堆積することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
- 前記白金の層を堆積するステップが、前記堆積された白金の層中に約１０〜６０重量％の白金を含むように白金を堆積することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
- 前記ＮｉＣｏＣｒＡｌＹを堆積するステップが、陰極アーク蒸着法を使用してＮｉＣｏＣｒＡｌＹコーティングを堆積することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
- 前記ＮｉＣｏＣｒＡｌＹを堆積するステップが、約４．０〜２５重量％のクロム、約２．０〜２８重量％のコバルト、約５．５〜１５重量％のアルミニウム、約０．１〜１．６重量％のイットリウム、約２．０重量％までのハフニウム、約２．０重量％までのケイ素、約３．０〜１２重量％％のタンタル、約１．０〜１２重量％％のタングステン、約１．０〜１０重量％のレニウム、約２．０重量％のジルコニウム、約４．０重量％までのニオブ、約４．０重量％までのチタン、約０．２〜６．０重量％のモリブデン、および残部ニッケルを含むＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料を堆積することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
- 前記ＮｉＣｏＣｒＡｌＹを堆積するステップが、約４．０〜１８重量％のクロム、約２．０〜２４重量％のコバルト、約５．５〜１３．５重量％のアルミニウム、約０．１〜０．８重量％のイットリウム、約０．００１〜０．４重量％のハフニウム、約０．００１〜０．７重量％のケイ素、約３．０〜１０重量％のタンタル、約１．０〜９．０重量％のタングステン、約１．０〜５．０重量％のレニウム、約０．００１〜１．０重量％のジルコニウム、約０．００１〜２．０重量％のニオブ、約０．００１〜２．０重量％のチタン、約０．２〜４．０重量％のモリブデン、および残部ニッケルを含むＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料を堆積することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
- 前記熱処理するステップが、前記ボンドコートを形成するために、約２．０〜１５時間の範囲内の期間にわたって、約１，２００〜約２，１００°Ｆの範囲内の温度で、前記堆積された層と共に前記基体を加熱することを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
- 前記ボンドコートの上に、約１．０〜５０ミルの範囲内の厚さを有する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ことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
- 前記ボンドコートの上に、約３．０〜１５ミルの範囲内の厚さを有する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ことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
- 前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トップコートを適用することを含むことを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
- 前記セラミックトップコートを適用するステップが、パイロクロール型ジルコニアトップコートを適用することを含むことを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
- 前記セラミックトップコートを適用するステップが、５．０〜６０モル％ガドリニア安定化ジルコニアトップコートを適用することを含むことを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
- 前記セラミックトップコートを適用するステップが、ＥＢ−ＰＶＤ法を使用して前記トップコートを塗布し、それによって柱状粒の微細構造を有する前記トップコートを形成することを含み、ここで柱状粒は、前記基体表面に実質的に対して垂直に配向しており、前記ボンドコートから外側に向かって延びていることを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
- ニッケル基超合金から形成された基体と、
上記基体の表面に適用された白金改質ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートと、
を含んでなることを特徴とする、タービンエンジン構成要素。 - 前記ボンドコートが、１．０〜５．０ミルの範囲内の厚さを有することを特徴とする、請求項３３に記載のタービンエンジン構成要素。
- セラミックトップコートと、該セラミックトップコートと前記ボンドコートとの間の酸化アルミニウムスケールの層とをさらに含むことにより、前記ボンドコートが、上記酸化アルミニウムスケールの接着性を改善することを特徴とする、請求項３３に記載のタービンエンジン構成要素。
- 前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からなることを特徴とする、請求項３５に記載のタービンエンジン構成要素。
- 前記セラミックトップコートが、パイロクロール型ジルコニアトップコートからなることを特徴とする、請求項３５に記載のタービンエンジン構成要素。
- 前記セラミックトップコートが、５〜６０モル％ガドリニア安定化ジルコニアからなることを特徴とする、請求項３５に記載のタービンエンジン構成要素。
- 前記セラミックトップコートが１．０〜５０ミルの範囲内の厚さを有し、前記基体の前記表面に対して実質的に垂直に配向し、前記ボンドコートとアルミナスケールとから外側に向かって延びている柱状粒の微細構造を有することを特徴とする、請求項３５に記載のタービンエンジン構成要素。
- 前記厚さが、３．０〜１５ミルの範囲内であることを特徴とする、請求項３９に記載のタービンエンジン構成要素。
- 前記ボンドコートが、０．５〜３０μｍの粒径を有する、三次元の相互接続した二相微細構造を有することを特徴とする、請求項３３に記載のタービンエンジン構成要素。
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