JP2007191793A

JP2007191793A - タービンエンジンコンポーネント、コンポーネント提供方法およびコーティング系

Info

Publication number: JP2007191793A
Application number: JP2007007568A
Authority: JP
Inventors: David A Litton; エー．リットンデービット; Kevin W Schlichting; ダブリュー．スコリッチイングケビン; Melvin Freling; フレーリングメルビン; John G Smeggil; ジー．スメグイルジョン; David B Snow; ビー．スノーデービット; Michael J Maloney; ジェイ．マーロニィーマイケル
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2007-08-02
Also published as: EP1820879B1; US8343587B2; CN101024738A; IL179341A0; US7662489B2; KR20070077055A; US20100098865A1; US20080138658A1; SG134216A1; TW200732484A; EP1820879A1

Abstract

【課題】タービンエンジンコンポーネント上の砂塵に関連した疲労を軽減するサーマルバリアコーティング系を提供する。
【解決手段】本発明のコーティング系１８が、基体１４と、少なくとも一つの層１０と、を備えてなるとともに、この少なくとも一つの層１０は、ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、チタン酸塩、およびこれらの混合物よりなるグループから選択されるとともに約２５〜１００％（重量％）の少なくとも一つの酸化物が添加された材料を含んでなる。本発明のコーティング系により、タービンエンジンの運転時に溶融砂粒がエーロフォイルなどのサーマルバリアコーティング内に浸透することで誘発される疲労が軽減され、耐久性が高められる。
【選択図】図１

Description

本発明はタービンエンジンの運転時にサーマルバリアコーティング上の堆積物と反応してサーマルバリアコーティングと堆積物との間の界面もしくはその付近にほぼ不透過性のバリア層を形成するサーマルバリアコーティング材料、およびサーマルバリアコーティングを有するタービンエンジンコンポーネントに関する。

サーマルバリアコーティングにおける砂塵に関連した疲労に起因するタービンエーロフォイルの劣化は、砂漠環境で使用される全てのタービンエンジンに関する重大な懸念である。この種の疲労により大幅な修理のためにエンジンが運転から外される可能性がある。

砂塵に関連した疲労はサーマルバリアコーティング内への液状砂粒堆積物の浸透によって引き起こされ、剥離や露出された金属の加速した酸化を招く。

本発明により、タービンエンジンコンポーネント上の砂塵に関連した疲労を軽減するサーマルバリアコーティング系が提供される。サーマルバリアコーティング系は、概ね、ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、チタン酸塩、およびこれらの混合物よりなるグループから選択された材料を含むとともに、この材料は約２５〜９９％（重量％）の少なくとも一つの酸化物を含有するように混合される。

さらに本発明により、概ね、基体と、ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、チタン酸塩、およびこれらの混合物よりなるグループから選択された材料を含んだサーマルバリアコーティングと、を備えたタービンエンジンコンポーネントが提供されるとともに、この材料には約２０〜１００％（重量％）の少なくとも一つの酸化物が添加される。

さらに本発明により、砂塵に関連した疲労を軽減するコーティング系を形成する方法が提供される。この方法は、概ね、基体を提供するステップと、この基体の上にジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、チタン酸塩、およびこれらの混合物よりなるグループから選択されるとともに、約２０〜１００％（重量％）の少なくとも一つの酸化物が添加された材料を堆積させるステップと、を備えてなる。

ある種のコーティングが液状砂粒堆積物と反応して、コーティング内への液状砂粒の浸透を抑制する反応生成物を形成することが発見されている。反応生成物は、主にガドリニア、カルシア、ジルコニア、およびシリカを含むケイ酸オキシアパタイト（ｓｉｌｉｃａｔｅｏｘｙａｐａｔｉｔｅ）／ガーネットであることが判明している。本発明はこの発見を利用するタービンエンジンコンポーネントなどの構成部品のコーティング系に関する。

本発明により、図１を参照すると、本発明のコーティング系１８が、ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、チタン酸塩、およびこれらの混合物よりなるグループから選択されるとともに、約２５〜１００％（重量％）の少なくとも一つの酸化物が添加された材料の少なくとも一つの層を含む。コーティング系１８を形成するため、ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、チタン酸塩、およびこれらの混合物よりなるグループから選択された材料の少なくとも一つの層１０が、ブレードもしくはベーンを含む（限定せず）、タービンエンジンコンポーネントなどの基体１４の表面１２上に適用される。各々の層１０を形成するために用いられることが可能な材料は、ジルコン酸ガドリニウム、ジルコン酸ランタン、チタン酸ネオジム、およびハフニウム酸ガドリニウムを、これに限定せず含む。各々の層１０の材料は、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、スカンジウム、インジウム、およびイットリウムよりなるグループから選択された金属の少なくとも一つの酸化物が混合され、望ましくはこれを約２５〜９９％（重量％）望ましくは約４０〜７０％含有する。例えば、少なくとも一つの酸化物は、前記の希土類元素のうち一つの三二酸化物でもよい。

基体１４は、ニッケル超合金、コバルト合金、モリブデン合金、もしくはチタン合金などの任意の適切な材料から形成されうる。

各々の層１０は、例えば、電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ‐ＰＶＤ）もしくはエアプラズマ溶射法などにより適用されうる。各々の層１０を堆積させるために用いられることが可能なその他の方法は、ゾル‐ゲル法、スラリ法、スパッタリング法、化学蒸着法、高速フレーム溶射法、および紫外線硬化性樹脂法を、これに限定せず含む。

各々の層１０の被覆を行う望ましい処理は、電子ビーム物理蒸着法である。この処理を行う際、基体１４はコーティングチャンバ内に置かれ、１７００〜２０００°Ｆの範囲の温度に加熱される。コーティングチャンバは０．０５〜２．０ミリｔｏｒｒの範囲の圧力に維持される。供給材料の供給速度は０．３〜２．０インチ／時間である。コーティング時間は２０〜１２０分である。

各々の被覆された層１０は約１．０〜５０ｍｉｌ、望ましくは約１．０〜１５ｍｉｌの厚さをもつ。本発明のサーマルバリアコーティング材料の層１０は溶融砂粒堆積物と反応して、溶融砂粒の更なる浸透を防ぐオキシアパタイトやガーネットのバリア相を形成する。

本発明のコーティング系は溶融ケイ酸塩物質の浸透を防ぐ、都合のよいサーマルバリアコーティング系である。このコーティング系は、砂塵によって誘発されるタービンエーロフォイル疲労が起こる環境下での耐久性を高める。

図２を参照すると、必要であれば、基体１４を層１０と接着させるように金属ボンディングコート３０が基体１４上に堆積されうる。金属ボンディングコート３０はＭＣｒＡｌＹボンディングコートでもよく、Ｍは、ニッケル、コバルト、鉄のうちの少なくとも一つである。一方、金属ボンディングコート３０は、アルミナイドボンディングコートもしくは白金アルミナイドボンディングコートでもよい。ボンディングコート３０は、約０．５〜２０ｍｉｌ、望ましくは約０．５〜１０ｍｉｌの厚さをもつ。ボンディングコート３０は、高密度の均一な金属構造を形成させることが可能なあらゆる処理はもとより、低圧プラズマ溶射、ＨＶＯＦ（高速フレーム溶射）、カソードアーク法、拡散法、エアプラズマ溶射法、もしくはめっき法により堆積されうる。

本発明のコーティングをもつタービンエンジンコンポーネントの概略図。本発明による別のコーティング系をもつタービンエンジンコンポーネントの概略図。

符号の説明

１０…少なくとも一つの層
１２…基体表面
１４…基体
１８…本発明のコーティング系

Claims

基体と、
ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、チタン酸塩、およびこれらの混合物よりなるグループから選択された材料の少なくとも一つの層を備えるとともに、前記材料が少なくとも一つの酸化物と混合されて、前記層の各々が前記少なくとも一つの酸化物を約２５〜９９％（重量％）含有するサーマルバリアコーティング系と、
を備えてなるタービンエンジンコンポーネント。
前記層の各々が、約４０〜７０％（重量％）の前記少なくとも一つの酸化物を含有することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
前記材料が、ジルコン酸ガドリニウム、ジルコン酸ランタン、チタン酸ネオジム、およびハフニウム酸ガドリニウムよりなるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
前記少なくとも一つの酸化物が、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、スカンジウム、インジウム、およびイットリウムよりなるグループから選択された材料の少なくとも一つの酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
前記層の各々が、１．０〜５０ｍｉｌの範囲の厚さをもつことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
前記層の各々が、１．０〜１５ｍｉｌの範囲の厚さをもつことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
前記基体が、ニッケル合金、コバルト合金、およびモリブデン合金よりなるグループから選択された材料から形成されるとともに、前記基体と前記サーマルバリアコーティングとの間に金属ボンディングコートをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
前記ボンディングコートが、約０．５〜２０ｍｉｌの範囲の厚さをもつことを特徴とする請求項７に記載のタービンエンジンコンポーネント。
前記ボンディングコートが、約０．５〜１０ｍｉｌの範囲の厚さをもつことを特徴とする請求項７に記載のタービンエンジンコンポーネント。
基体を提供するステップと、
ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、チタン酸塩、およびこれらの混合物よりなるグループから選択された第１の材料の少なくとも一つの層を堆積させることによりサーマルバリアコーティング系を形成させるステップと、
を備えてなり、
前記第１の材料が少なくとも一つの酸化物と混合されて、前記層の各々が前記少なくとも一つの酸化物を約２５〜９９％（重量％）含有する、砂塵に関連した疲労からの保護を備えたコンポーネント提供方法。
前記堆積ステップが、約４０％〜７０％（重量％）の前記少なくとも一つの酸化物が添加された前記第１の材料の少なくとも一つの層を堆積させることを備えてなる請求項１０に記載のコンポーネント提供方法。
前記堆積ステップが、ジルコン酸ガドリニウム、ジルコン酸ランタン、チタン酸ネオジム、およびハフニウム酸ガドリニウムよりなるグループから選択された材料を堆積させることを備えてなる請求項１０に記載のコンポーネント提供方法。
前記堆積ステップが、前記少なくとも一つの酸化物を、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、スカンジウム、インジウム、イットリウムよりなるグループから選択された材料の少なくとも一つの酸化物から選択するステップと、前記第１の材料を前記少なくとも一つの選択された酸化物と混合させるステップと、をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のコンポーネント提供方法。
前記堆積ステップが、前記層の各々を約１．０〜５０ｍｉｌの範囲の厚さに堆積させることを備える請求項１０に記載のコンポーネント提供方法。
前記堆積ステップが、前記層の各々を約１．０〜１５ｍｉｌの範囲の厚さに堆積させることを備える請求項１０に記載のコンポーネント提供方法。
前記基体提供ステップが、ニッケル合金、コバルト合金、およびモリブデン合金よりなるグループから選択された材料から形成される基体を提供することを備える請求項１０に記載のコンポーネント提供方法。
前記基体をコーティングチャンバ内に置き、
前記コーティングチャンバ内で前記基体を１７００°Ｆ〜２０００°Ｆの温度で加熱し、
前記コーティングチャンバ内の圧力を０．０５〜２．０ミリｔｏｒｒの範囲の圧力に維持し、
前記堆積ステップを行うことをさらに備えてなる請求項１０に記載のコンポーネント提供方法。
前記基体と前記サーマルバリアコーティング系との間に金属ボンディングコート層を堆積させることをさらに備えてなる請求項１０に記載のコンポーネント提供方法。
ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、チタン酸塩、およびこれらの混合物よりなるグループから選択された第１の材料の少なくとも一つの層を備えるとともに、この層の各々が約２５〜９９％（重量％）の少なくとも一つの酸化物を含むように前記第１の材料が前記少なくとも一つの酸化物と混合されているコンポーネントのコーティング系。
前記層の各々が、約４０％〜７０％（重量％）の前記少なくとも一つの酸化物を含有することを特徴とする請求項１９に記載のコーティング系。
前記材料が、ジルコン酸ガドリニウム、ジルコン酸ランタン、チタン酸ネオジム、およびハフニウム酸ガドリニウムよりなるグループから選択されることを特徴とする請求項１９に記載のコーティング系。
前記少なくとも一つの酸化物が、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、スカンジウム、インジウム、およびイットリウムよりなるグループから選択された材料の少なくとも一つの酸化物を含むことを特徴とする請求項１９に記載のコーティング系。