JP2007191794A

JP2007191794A - 溶融ケイ酸塩の耐性外層を有するイットリア安定化ジルコニア被膜

Info

Publication number: JP2007191794A
Application number: JP2007008963A
Authority: JP
Inventors: Kevin W Schlichting; ダブリュー．スケリッチングケビン; Michael J Maloney; ジェイ．マーロニィーマイケル; David A Litton; エー．リットンデービット; 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
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2007-08-02
Also published as: US20100196605A1; EP1811061A3; US8080283B2; IL179340A0; US20080176097A1; SG134219A1; TW200728593A; US7736759B2; EP1811061A2; KR20070077057A

Abstract

【課題】基体と、その基体上に適用されるイットリア安定化ジルコニアコーティングと、溶融ケイ酸塩の耐性外層と、を有するタービンエンジン部品を提供する。
【解決手段】溶融ケイ酸塩の耐性外層は、酸化ガドリニウムまたは酸化が取りウニウム安定化ジルコニアから形成される。本発明の被膜系を形成する方法が開示される。
【選択図】図４

Description

本発明は、タービンエンジン部品に適用可能な、溶融ケイ酸塩の耐性外層を有するイットリア安定化ジルコニア被膜、その被膜を形成する方法、およびその被膜を有するタービンエンジン部品に関する。

砂に伴う断熱被膜の疲労（ｄｉｓｔｒｅｓｓ）による、タービンエアフォイルの劣化は、砂漠環境で使用するすべてのタービンエンジンにおける重大な問題である。この種の疲労によって、エンジンは大幅な修理のために運転業務から外される場合がある。

砂に伴う疲労は、流動性砂の堆積物が断熱被膜内に侵入することによって生じ、そのため、露出した金属がはく離して、酸化が加速化することになる。

従って、本発明の目的は、タービンエンジン部品における砂に関連する疲労を軽減する被膜系を提供することである。

本発明によれば、タービンエンジン部品における砂に関連する疲労を軽減する被膜系が提供される。この被膜系は、概して、イットリア安定化ジルコニアの層と溶融ケイ酸塩の耐性外層とからなる。

さらに本発明によれば、概して、金属ボンドコートを含んでも含まなくてもよい基体と、その基体上に適用されるイットリア安定化ジルコニアコーティングと、溶融ケイ酸塩の耐性外層とからなる。溶融ケイ酸塩の耐性外層は、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、ユーロピウム、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、ジルコニウム、ハフニウム、チタンおよびそれらの混合物からなる群から選択される成分の酸化物から、あるいは酸化ガドリニウム安定化ジルコニアから形成することができる。あるいはまた、溶融ケイ酸塩の耐性外層は、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、ユーロピウム、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、スカンジウムおよびインジウムからなる群から選択される少なくとも１つの成分の酸化物を安定化要素として有する、酸化ジルコニウム（ジルコニア）、酸化ハフニウム（ハフニア）、または酸化チタン（チタニア）をベースとする被膜であってもよい。

さらにまた本発明によれば、砂に関連する疲労を軽減する被膜系を形成する方法が提供される。その方法は、概して、基体を設けるステップと、イットリア安定化ジルコニア材料の層をその基体上に堆積させるステップと、溶融ケイ酸塩の耐性外層をそのイットリア安定化ジルコニア材料の層上に形成するステップと、を含んでいる。

本発明の溶融ケイ酸塩の耐性外層を有するイットリア安定化ジルコニア被膜のその他の細部や、付随するその他の目的並びに利点を、以下の詳細な説明および関連する図面に記載する。図中、同様の符号は同様の構成要素を示す。

ある種の被膜が流動性砂の堆積物と反応して、流動性砂が被膜に侵入するのを阻害する反応生成物を生じさせることが発見されている。その反応生成物は、主に酸化ガドリニウム（ガドリニア）、酸化カルシウム（カルシア）、酸化ジルコニウム（ジルコニア）、および二酸化ケイ素を含有するアパタイト型酸化物ケイ酸塩／ガーネットであることが確認されている。本発明は、この発見を利用した、タービンエンジン部品などの構成部品に対する被膜系に関する。

ここで図１を参照すると、本発明により、被膜系１８は、それらに限定されることはないが、ブレードまたはベーンを含むタービンエンジン部品などの、基体１４の表面１２上に適用されたイットリア安定化ジルコニアの断熱被膜１０を含む。基体１４は、ニッケル基超合金、コバルト基合金、モリブデン基合金、またはチタン合金など、適切な材料のいずれかから作製することができる。基体１４は、（図４で示すような）金属ボンドコート３０で被覆しても、してなくてもよい。使用可能な適切な金属ボンドコート３０には、白金−アルミニウム化物被膜もしくはアルミニウム化物被膜、あるいはＭＣｒＡｌＹ被膜（Ｍは、ニッケル、コバルト、および鉄のうちの少なくとも１つである）などの拡散性ボンドコートが含まれる。ボンドコート３０は、必要に応じた厚さであってよい。

イットリア安定化ジルコニア断熱被膜１０は、例えば、電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ）またはエアプラズマ溶射法によって適用できる。イットリア安定化ジルコニア断熱被膜１０を堆積するのに使用できるその他の方法には、それらに限定されることはないが、ゾルゲル法、スラリー法、スパッタリング法、化学蒸着法などが含まれる。

イットリア安定化ジルコニア断熱被膜１０の堆積を実施する好ましい方法は、ＥＢ−ＰＶＤである。この方法を行うとき、基体１４を被覆チャンバに配置し、華氏１７００度から華氏２０００度の範囲の温度まで加熱する。被覆チャンバは、０．１ミリトルから１．０ミリトルの範囲の圧力に維持される。供給原料の供給速度は、０．２インチ／時から１．５インチ／時である。被覆時間は、２０分〜１２０分までの範囲内であってよい。

堆積された被膜１０は、３．０ミル〜５０ミルまで、好ましくは５．０ミル〜１５ミルまでの厚さであり得る。堆積された被膜１０のイットリア含有量は、４．０重量％〜２５重量％、好ましくは６．０重量％〜９．０重量％の範囲内である。堆積された被膜１０は、４．０重量％〜２５重量％のイットリアと、ジルコニア及び不可避的不純物からなる残部とからなる。より好ましい実施形態においては、堆積された被膜１０は、６．０重量％〜９．０重量％のイットリアと、ジルコニア及び不可避的不純物から残部とからなる。

イットリア安定化被膜１０を堆積した後、溶融ケイ酸塩の耐性外層２０を被膜１０の上に形成する。外層２０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、ユーロピウム、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、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、およびそれらの混合物からなる群から選択される成分の酸化物から形成することができる。あるいはまた、外層２０は酸化ガドリニウム安定化ジルコニアであってよい。さらに別の変形例においては、溶融ケイ酸塩の耐性外層２０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、ユーロピウム、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、およびインジウムからなる群から選択された少なくとも１つの成分の酸化物を安定化要素として有する、ジルコニア、ハフニアまたはチタニアをベースとする被膜でもよい。

外層２０を形成する材料は、前述の堆積法のいずれかを使用して堆積することができる。外層２０が酸化ガドリニウム安定化ジルコニアから形成されている場合、外層は２５重量％〜９９．９重量％の酸化ガドリニウムを含有し、１．０ミルから５０ミルの範囲の厚さであってよい。好ましい実施形態においては、酸化ガドリニウムは、４０重量％〜７０重量％の量で存在し、また、層２０は、１．０ミル〜１５ミルの範囲の厚さである。必要に応じて、外層２０は、２５重量％〜９９．９重量％の酸化ガドリニウムと、ジルコニア及び不可避的不純物からなる残部とからなる材料から作製することができる。またさらに、必要に応じて、外層２０は、４０重量％〜７０重量％の酸化ガドリニウムと、及び不可避的不純物からなる残部とからなる材料から作製することができる。また、外層２０は、ジルコニア、ハフニア、およびチタニアからなる群から選択される第１の成分と、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、ユーロピウム、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、およびインジウムからなる群から選択される少なくとも１つの成分の酸化物を安定化要素として有する第２の成分とから形成することもできる。

本発明の二層式被膜系は、２つの層１０，２０の間に明確な界面がなくてもよい。むしろ、２つの層１０，２０は、イットリア安定化ジルコニアリッチから酸化ガドリニウム安定化ジルコニアリッチへと勾配を形成するように相互に混合していてもよい。

本発明の外層２０は、溶融した砂の堆積物と反応して、アパタイト型酸化物やガーネットの障壁相（ｂａｒｒｉｅｒｐｈａｓｅ）を形成し、さらなる侵入に抵抗する。酸化ガドリニウム層２０は、所望の障壁相を形成するのに十分な厚さを有することになる。

図２Ａ〜図２Ｃは、溶融ケイ酸塩材料の、７重量％のイットリア安定化ジルコニアの単一層を有する断熱被膜内への侵入を例示している。図２Ｂは、華氏２２００度に１５分間さらされた後の侵入を示している。図２Ｃは、華氏２２００度の温度における５分間のサイクルを３回経た後の侵入を示している。図３Ａ〜図３Ｃは、溶融ケイ酸塩材料の、５９重量％の酸化ガドリニウム安定化ジルコニアを有する断熱被膜系内への侵入を例示している。図３Ｂは、華氏２２００度に１５分間さらされた後の侵入を示している。図３Ｃは、華氏２２００度の温度における５分間のサイクルを３回経た後の侵入を示している。本発明による５９重量％の酸化ガドリニウム安定化ジルコニアの外層によって侵入が軽減されることが容易に明らかとなっている。

本発明の被膜系は、溶融ケイ酸塩材料の侵入に対する耐性を有する、有利な断熱被膜系である。この被膜系は、砂を原因とするタービンエアフォイルの疲労が生じる環境における耐久性を向上させる。

本発明の被膜系を有するタービンエンジン部品の概略図である。溶融ケイ酸塩材料が従来の断熱被膜内に侵入した様子を示す顕微鏡写真である。溶融ケイ酸塩材料が従来の断熱被膜内に侵入した様子を示す顕微鏡写真である。溶融ケイ酸塩材料が従来の断熱被膜内に侵入した様子を示す顕微鏡写真である。溶融ケイ酸塩材料が本発明による断熱被膜系内に侵入した様子を示す顕微鏡写真である。溶融ケイ酸塩材料が本発明による断熱被膜系内に侵入した様子を示す顕微鏡写真である。溶融ケイ酸塩材料が本発明による断熱被膜系内に侵入した様子を示す顕微鏡写真である。本発明による被膜系の代替的な実施形態を有するタービンエンジン部品の概略図である。

Claims

基体と、
該基体上に適用されたイットリア安定化ジルコニア被膜と、
溶融ケイ酸塩の耐性外層と、
を備えることを特徴とする、タービンエンジン部品。
前記基体が、該基体に適用された金属ボンドコートを有することを特徴とする、請求項１記載のタービンエンジン部品。
前記金属ボンドコートが、白金−アルミニウム化物被膜とアルミニウム化物被膜からなる群から選択されることを特徴とする、請求項２記載のタービンエンジン部品。
前記外層が、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、ユーロピウム、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、ジルコニウム、ハフニウム、チタンおよびそれらの混合物からなる群から選択される成分の酸化物から形成されることを特徴とする、請求項１記載のタービンエンジン部品。
前記外層が、酸化ガドリニウム安定化ジルコニアから形成されることを特徴とする、請求項１記載のタービンエンジン部品。
前記酸化ガドリニウム安定化ジルコニアが、２５重量％から９９．９重量％の酸化ガドリニウムと、ジルコニア及び不可避的不純物からなる残部とからなることを特徴とする、請求項５記載のタービンエンジン部品。
前記外層が、ジルコニア、ハフニア、およびチタニアからなる群から選択される第１の成分と、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、ユーロピウム、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、およびインジウムからなる群から選択される少なくとも１つの成分の酸化物を安定化要素として有する第２の成分と、から形成されることを特徴とする、請求項１記載のタービンエンジン部品。
前記外層が、１．０ミルから５０ミルの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項１記載のタービンエンジン部品。
前記外層が、１．０ミルから１５ミルの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項１記載のタービンエンジン部品。
前記イットリア安定化ジルコニア被膜が、４．０重量％から２５重量％のイットリアと、ジルコニア及び不可避的不純物からなる残部とからなることを特徴とする、請求項１記載のタービンエンジン部品。
前記イットリア安定化ジルコニア被膜が、６．０重量％から９．０重量％のイットリアと、ジルコニア及び不可避的不純物からなる残部とからなることを特徴とする、請求項１記載のタービンエンジン部品。
前記イットリア安定化ジルコニア被膜が、３．０ミルから５０ミルの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項１記載のタービンエンジン部品。
前記イットリア安定化ジルコニア被膜が、５．０ミルから１５ミルの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項１記載のタービンエンジン部品。
前記基体が、ニッケル基合金、コバルト基合金、モリブデン基合金、およびチタン基合金からなる群から選択される材料から作製されることを特徴とする、請求項１記載のタービンエンジン部品。
イットリア安定化ジルコニア層と、
溶融ケイ酸塩の耐性外層と、
を含んでなることを特徴とする、被膜系。
金属ボンドコートをさらに含むことを特徴とする、請求項１５記載の被膜系。
前記金属ボンドコートが、白金−アルミニウム化物被膜とアルミニウム化物被膜からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１６記載の被膜系。
前記外層が、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、ユーロピウム、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、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、およびそれらの混合物からなる群から選択される成分の酸化物からなることを特徴とする、請求項１５記載の被膜系。
前記外層が、酸化ガドリニウム安定化ジルコニアから形成されることを特徴とする、請求項１５記載の被膜系。
前記酸化ガドリニウム安定化ジルコニアが、２５重量％から９９．９重量％の酸化ガドリニウムと、と、ジルコニア及び不可避的不純物からなる残部とからなることを特徴とする、請求項１９記載の被膜系。
前記イットリア安定化ジルコニア層が、４．０重量％から２５重量％のイットリアと、ジルコニア及び不可避的不純物からなる残部とからなることを特徴とする、請求項１５記載の被膜系。
前記イットリア安定化ジルコニア層が、６．０重量％から９．０重量％のイットリアと、ジルコニア及び不可避的不純物からなる残部とからなることを特徴とする、ことを特徴とする、請求項１５記載の被膜系。
前記溶融ケイ酸塩の耐性外層が、ジルコニア、ハフニア、およびチタニアからなる群から選択される第１の成分と、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、ユーロピウム、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、およびインジウムからなる群から選択される少なくとも１つの成分の酸化物を安定化要素として有する第２の成分と、から形成されることを特徴とする、請求項１５記載の被膜系。
基体を設けるステップと、
イットリア安定化ジルコニア材料層を、上記基体に堆積するステップと、
溶融ケイ酸塩の耐性外層を、上記イットリア安定化ジルコニア材料の上に形成するステップと、
を含むことを特徴とする、砂に関連する疲労に対して構成部品を保護する方法。
金属ボンドコートを前記基体に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２４記載の方法。
前記金属ボンドコートを適用するステップが、白金−アルミニウム化物被膜とアルミニウム化物被膜とからなる群から選択される金属ボンドコートを適用するステップからなることを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
前記溶融ケイ酸塩の耐性外層を形成するステップが、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、ユーロピウム、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、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、およびそれらの混合物からなる群から選択される成分の酸化物の層を、前記イットリア安定化ジルコニア材料上に堆積するステップからなることを特徴とする、請求項２４記載の方法。
前記溶融ケイ酸塩の耐性外層を形成するステップが、酸化ガドリニウム安定化ジルコニアの層を、前記イットリア安定化ジルコニア材料上に堆積するステップからなることを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
前記酸化ガドリニウム安定化ジルコニアを堆積するステップが、２５重量％から９９．９重量％の酸化ガドリニウムと、ジルコニア及び不可避的不純物からなる残部とからなる材料を堆積するステップからなることを特徴とする、請求項２８記載の方法。
前記酸化ガドリニウム安定化ジルコニアを堆積するステップが、４０重量％から７０重量％の酸化ガドリニウムと、ジルコニア及び不可避的不純物からなる残部とからなる材料を堆積するステップからなることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
前記溶融ケイ酸塩の耐性外層を形成するステップが、１．０ミルから５０ミルの範囲の厚さを有する酸化ガドリニウムまたは酸化ガドリニウム安定化ジルコニアの層を、前記イットリア安定化ジルコニア材料上に堆積するステップからなることを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
前記溶融ケイ酸塩耐性外層を形成するステップが、ジルコニア、ハフニア、およびチタニアからなる群から選択された第１の成分と、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、ユーロピウム、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、およびインジウムからなる群から選択される少なくとも１つの成分の酸化物を安定化要素として有する第２の成分と、を堆積することからなることを特徴とする、請求項２４記載の方法。
前記イットリア安定化ジルコニア層を堆積するステップが、４．０重量％から２５重量％のイットリアと、ジルコニア及び不可避的不純物からなる残部とからなる材料を堆積するステップからなることを特徴とする、請求項２４記載の方法。
前記イットリア安定化ジルコニア層を堆積するステップが、６．０重量％から９．０重量％のイットリアと、ジルコニア及び不可避的不純物からなる残部とからなる材料を堆積するステップからなることを特徴とする、請求項２４記載の方法。
前記イットリア安定化ジルコニア層を堆積するステップが、３．０ミルから５０ミルの範囲の厚さを有する被膜を形成することからなることを特徴とする、請求項２４記載の方法。
前記基体を設けるステップが、ニッケル基合金から作製された基体を設けるステップを含むことを特徴とする、請求項２４記載の方法。
前記基体をコーティングチャンバ内に配置するステップと、
前記基体を上記コーティングチャンバ内で華氏１７００度から２０００度の範囲の温度に加熱するステップと、
前記コーティングチャンバの圧力を０．１ミリトルから１．０ミリトルの範囲の圧力に維持するステップと、
前記イットリア安定化ジルコニア層と前記溶融ケイ酸塩の耐性外層を順次形成するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項２４記載の方法。
イットリア安定化ジルコニアから形成された内層と、溶融ケイ酸塩材料の侵入に対する耐性を有するための、アパタイト型酸化物とガーネットの少なくとも１つの障壁相を有する外層と、を含むことを特徴とする、構成部品の被膜系。
前記外層が、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、ユーロピウム、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、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、およびそれらの混合物からなる群から選択される成分の酸化物からなることを特徴とする、請求項３８記載の被膜系。
前記外層が、酸化ガドリニウム安定化ジルコニアから形成されることを特徴とする、請求項３８記載の被膜系。
前記外層が、ジルコニア、ハフニア、およびチタニアからなる群から選択された第１の成分と、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、ユーロピウム、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、およびインジウムからなる群から選択された少なくとも１つの成分の酸化物を安定化要素として有する第２の成分と、から形成されることを特徴とする、請求項３８記載の被膜系。