JP2007192219A - タービンエンジンコンポーネント、その保護方法およびコーティング系 - Google Patents

タービンエンジンコンポーネント、その保護方法およびコーティング系 Download PDF

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Abstract

【課題】タービンエンジンコンポーネントの砂による損傷に対するコーティング方法を提供する。
【解決手段】 本発明の遮熱コーティングは、イットリア安定化ジルコニア層１０と、溶融ケイ酸塩耐性材料層２０と、が交互になった層を有する。溶融ケイ酸塩耐性の層は、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、ハフニウムおよびチタニウムからなる群から選択された少なくとも１つの材料の酸化物から形成されるか、あるいは、ガドリニア安定化ジルコニアから形成されてもよい。この溶融ケイ酸塩耐性材料層２０は、溶融した砂と反応し、さらに砂の成分が貫通しないように、オキシアパタイトやガーネットのバリア相を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンエンジンのコンポーネントに適用できる、イットリア安定化ジルコニア層と溶融ケイ酸塩耐性層との交互の層を有する遮熱コーティングと、この遮熱コーティングを形成する方法と、この遮熱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と、に関する。
遮熱コーティングが砂によって損傷（ｓａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｄｉｓｔｒｅｓｓ）することによるタービンのエアフォイルの劣化は、砂漠環境において使用される全てのタービンエンジンの重要な関心事である。この種の損傷によって、相当の修復を施すために、エンジンを止めなければならない場合がある。
砂による損傷は、流体状の砂の堆積物が、遮熱コーティング内まで貫通することによって生じ、これにより、剥離を招き、金属の露出によって酸化が加速される。
本発明によれば、タービンエンジンコンポーネント上の砂による損傷を減少するコーティング系を提供する。このコーティング系は、イットリア安定化ジルコニアと、溶融ケイ酸塩耐性材料（ｍｏｌｔｅｎ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌ）と、の交互の層を含む。
さらに本発明によれば、基体と、イットリア安定化ジルコニアと溶融ケイ酸塩耐性材料との交互の層と、を含むタービンエンジンコンポーネントを提供する。溶融ケイ酸塩耐性材料の各層は、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、ハフニウムおよびチタニウムからなる材料から選択された材料の酸化物、あるいは代替としてガドリニア安定化ジルコニアから形成することができる。
さらに、本発明によれば、砂による損傷を減少するコーティング系を形成するための方法を提供する。この方法は、基体を提供するステップと、この基体の上に、イットリア安定化ジルコニア材料と溶融ケイ酸塩耐性材料との交互の層を堆積するステップと、を含む。
ある種のコーティングは、流体状の砂の堆積物と反応し、反応生成物が形成されて、流体状の砂がコーティング内に貫通するのを阻害することが判明した。この反応生成物は、主として、ガドリニア、カルシア、ジルコニアおよびシリカを含む、ケイ酸塩オキシアパタイト／ガーネットとして同定された。本発明は、タービンエンジンコンポーネントなどの、コンポーネントのコーティング系に関する。
本発明によれば、図１に示されるように、本発明のコーティング系１８が、イットリア安定化ジルコニア層と、溶融ケイ酸塩耐性材料層と、の交互の層を含むことが示されている。コーティング系１８を形成するために、イットリア安定化ジルコニアの第１の層１０は、限定する趣旨ではないが、ブレードまたはベーンを含むタービンエンジンコンポーネントなどの、基体１４の表面１２に適用される。この基体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ニウム基合金などの好ましい材料から形成することができる。このイットリア安定化ジルコニア層１０は、例えば、電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ‐ＰＶＤ）あるいは空気プラズマ溶射などによって適用される。イットリア安定化ジルコニアを堆積するために使用される他の方法は、限定する趣旨ではないが、ゾル‐ゲル法、スラリ技術、スパッタリング技術、化学蒸着技術および紫外線硬化樹脂に関する技術を含む。イットリア安定化ジルコニア層は、コーティング系の腐食耐性を改善する。
イットリア安定化ジルコニア層１０の堆積を行う好ましいプロセスは、電子ビーム物理蒸着法である。このプロセスを実行する際に、基体１４は、コーティング用チャンバ内に置かれ、１７００〜２０００°Ｆの範囲内の温度に加熱される。このコーティング用チャンバは、０．１〜１．０ミリトル（ｍｉｌｌｉｔｏｒｒ）の範囲に圧力を維持する。例えば、供給材料の供給速度は、０．２〜１．５インチ／時間であり、コーティング時間は、２０〜１２０分の範囲内である。
堆積されたイットリア安定化ジルコニア層１０は、０．５〜５０ｍｉｌ、好ましくは、１．０〜５．０ｍｉｌの厚さを有する。この堆積層１０は、４．０〜２５重量％、好ましくは、６．０〜９．０重量％の範囲のイットリアを含有する。堆積層１０は、４．０〜２５重量％のイットリアと残部がジルコニアからなる。より好ましい実施例においては、６．０〜９．０重量％のイットリアと残部がジルコニアからなる。
イットリア安定化ジルコニア層１０が堆積された後、溶融ケイ酸塩耐性材料から形成された層２０が、イットリア安定化ジルコニアの堆積層１０の上に形成される。この溶融ケイ酸塩耐性材料層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、ハフニウムおよびチタニウムからなる群から選択された少なくとも１つの材料の酸化物から形成される。代替としては、この溶融ケイ酸塩耐性材料層２０は、ガドリニア安定化ジルコニアから形成されても良い。この層２０を形成する材料は、上述の堆積技術を用いて堆積することができる。この層２０がガドリニア安定化ジルコニアから形成される場合、この層は、２５〜９９．９重量％のガドリニアを含み、０．５〜５０ｍｉｌの範囲の厚さを有する。好ましい実施例においては、４０〜７０重量％のガドリニアが存在し、１．０〜５．０ｍｉｌの範囲の厚さを有する。所望であれば、この層２０は、２５〜９９．９重量％のガドリニアと、残部がジルコニアからなる材料で形成することができる。さらに、所望であれば、この層２０は、４０〜７０重量％のガドリニアと、残部がジルコニアからなる材料から形成することができる。
この層２０が、イットリア安定化ジルコニア堆積層１０の上に堆積された後、イットリア安定化ジルコニアの第２の層２２が、層２０の上に適用される。イットリア安定化ジルコニア層２２は、上述の組成のいずれかを有していればよく、上述の技術を用いて堆積することができる。その後、溶融ケイ酸塩材料の第２の層２４が、イットリア安定化ジルコニアの第２の層２２の上に堆積される。イットリア安定化ジルコニア層と溶融ケイ酸塩耐性材料層とからなる層の数は、用途に応じて変化し得る。この層の数は、コーティングや用途による目標とする厚さの関数である。
本発明の複数の層からなるコーティング系は、イットリア安定化ジルコニア層と溶融ケイ酸塩耐性材料層との間に規定された境界を有しなくても良い。むしろ、これらの層は、イットリア安定化ジルコニアがリッチな層からガドリニア安定化ジルコニアがリッチな層へと勾配を形成するように融合される。
各々の層は、各々の上述したような厚さを有するが、各々の材料の各層が、同一の厚さを有する必要はない。
本発明の溶融ケイ酸塩耐性材料の層は、溶融した砂の堆積物と反応し、砂の成分がさらに貫通しないように、オキシアパタイトやガーネットのバリア相を形成する。ガドリニア安定化ジルコニアの層２０は、所望のバリア相を形成するように十分な厚さを有する。
本発明のコーティング系は、溶融ケイ酸塩材料が貫通されないような、有利な遮熱コーティング系である。このコーティング系によって、タービンエアフォイルに砂による損傷が生じるような環境での、耐久性が改善される。
図２に示されるように、所望であれば、基体１４をイットリア安定化ジルコニア材料の第１の層１０に結合させるように、金属のボンドコート３０を基体１４の上に堆積させることができる。この金属のボンドコート３０は、ＭＣｒＡｌＹボンドコートでもよく、ここでＭは、ニッケル、コバルトおよび鉄の少なくとも１つである。代替としては、金属のボンドコート３０は、アルミナイドのボンドコートあるいはプラチナアルミナイドのボンドコートである。このボンドコート３０は、約０．５〜２０ｍｉｌ、好ましくは、０．５〜１０ｍｉｌの範囲内の厚さを有する。このボンドコート３０は、低圧プラズマ溶射、ＨＶＯＦ（高速酸素燃料）、陰極アーク法、拡散法、空気プラズマ溶射法、めっき法、ならびに、密度の高い均一な金属構造を形成可能な他の方法によって堆積することができる。
本発明のコーティングを施したタービンエンジンコンポーネントの概略図。 本発明の代替のコーティングを施した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…イットリア安定化ジルコニウムの第１の層
１２…表面
１４…基体
１８…コーティング系
２０…溶融ケイ酸塩耐性材料の第１の層
２２…イットリア安定化ジルコニアの第２の層
２４…溶融ケイ酸塩耐性材料の第２の層

Claims (37)

  1. 基体と、
    この基体の上に適用された、イットリア安定化ジルコニア材料と溶融ケイ酸塩耐性材料との交互の層を含む遮熱コーティング系と、
    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。
  2. 上記溶融ケイ酸塩耐性材料が、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、ハフニウムおよびチタニウムからなる群から選択された少なくとも１つの材料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。
  3. 溶融ケイ酸塩耐性材料が、ガドリニア安定化ジルコニア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。
  4. 上記ガドリニア安定化ジルコニアが、２５〜９９．９重量％のガドリニアと、残部がジルコニアからなることを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジンコンポーネント。
  5. 上記溶融ケイ酸塩耐性材料の各層が、０．５〜５０ｍｉｌの範囲の厚さを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。
  6. 上記イットリア安定化ジルコニアの少なくとも１つの層が、４．０〜２５重量％のイットリアと、残部がジルコニアからな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。
  7. 上記イットリア安定化ジルコニアのコーティング層の少なくとも１つの層が、６．０〜９．０重量％のイットリアと、残部がジルコニアからな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。
  8. 上記イットリア安定化ジルコニア層が、１．０〜５０ｍｉｌの範囲の厚さを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。
  9. 上記基体が、ニッケル基合金、コバルト基合金およびモリブデン基合金からなる群から選択された材料で形成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。
  10. 上記基体と上記遮熱コーティングとの間の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１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
  11. イットリア安定化ジルコニアの第１の層と、
    このイットリア安定化ジルコニアの第１の層の上に堆積された、溶融ケイ酸塩耐性材料の第１の層と、
    この溶融ケイ酸塩耐性の第１の層の上に堆積された、イットリア安定化ジルコニアの第２の層と、
    このイットリア安定化ジルコニアの第２の層の上に堆積された、溶融ケイ酸塩耐性材料の第２の層と、
    を含むことを特徴とする遮熱コーティング系。
  12. 少なくとも１つのイットリア安定化ジルコニアの追加の層と、少なくとも１つの溶融ケイ酸塩耐性材料の追加の層と、をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の遮熱コーティング系。
  13. 上記溶融ケイ酸塩耐性金属が、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、ハフニウムおよびチタニウムからなる群から選択された少なくとも１つの材料の酸化物からなることを特徴とする請求項１１に記載の遮熱コーティング系。
  14. 溶融ケイ酸塩耐性材料が、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１１に記載の遮熱コーティング系。
  15. 上記ガドリニア安定化ジルコニアが、２５〜９９．９重量％のガドリニアと、残部がジルコニアからなることを特徴とする請求項１４に記載の遮熱コーティング系。
  16. 上記ガドリニア安定化ジルコニアが、４０〜７０重量％のガドリニアと、残部がジルコニアからなることを特徴とする請求項１４に記載の遮熱コーティング系。
  17. 上記溶融ケイ酸塩耐性材料の各層が、０．５〜５０ｍｉｌの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１１に記載の遮熱コーティング系。
  18. 上記イットリア安定化ジルコニアの少なくとも１つの層が、４．０〜２５重量％のイットリアと、残部がジルコニアからなることを特徴とする請求項１１に記載の遮熱コーティング系。
  19. 上記イットリア安定化ジルコニアの少なくとも１つの層が、６．０〜９．０重量％のイットリアと、残部がジルコニアからなることを特徴とする請求項１１に記載の遮熱コーティング系。
  20. 上記イットリア安定化ジルコニアの各層が、０．５〜５０ｍｉｌの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１１に記載の遮熱コーティング系。
  21. 基体を提供するステップと、
    上記基体の上に、イットリア安定化ジルコニア層と溶融ケイ酸塩耐性材料層とを交互に堆積して遮熱コーティングを形成するステップと、
    を含むことを特徴とする砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  22. 上記交互の層を堆積するステップが、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、ハフニウムおよびチタニウムからなる群から選択された少なくとも１つの材料の酸化物からなる溶融ケイ酸塩耐性材料の層を堆積することを特徴とする請求項２１に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  23. 上記交互の層を堆積するステップが、少なくとも１つのガドリニア安定化ジルコニア層堆積ステップを含むことを特徴とする請求項２１に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  24. 上記ガドリニア安定化ジルコニア層堆積ステップが、２５〜９９．９重量％のガドリニアと、残部がジルコニアからなる材料を堆積することを特徴とする請求項２３に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  25. 上記ガドリニア安定化ジルコニア層堆積ステップが、４０〜７０重量％のガドリニアと、残部がジルコニアからなる材料を堆積することを特徴とする請求項２３に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  26. 上記溶融ケイ酸塩耐性材料堆積ステップが、上記イットリア安定化ジルコニア材料の各々の層の上に、０．５〜５０ｍｉｌの範囲の厚さを有する層を堆積することを特徴とする請求項２１に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  27. 上記溶融ケイ酸塩耐性材料堆積ステップが、上記イットリア安定化ジルコニア材料の各々の層の上に、１．０〜５．０ｍｉｌの範囲の厚さを有する上記溶融ケイ酸塩耐性材料層を堆積することを特徴とする請求項２１に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  28. 上記イットリア安定化ジルコニア層堆積ステップが、４．０〜２５重量％のイットリアと、残部がジルコニアからなる材料を堆積することを特徴とする請求項２１に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  29. 上記イットリア安定化ジルコニア層堆積ステップが、６．０〜９．０重量％のイットリアと、残部がジルコニアからなる材料を堆積することを特徴とする請求項２１に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  30. 上記イットリア安定化ジルコニア層堆積ステップが、０．５〜５０ｍｉｌの範囲の厚さで上記イットリア安定化ジルコニアの各層を形成することを特徴とする請求項２１に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  31. 上記イットリア安定化ジルコニア層堆積ステップが、１．０〜５．０ｍｉｌの範囲の厚さで上記イットリア安定化ジルコニアの各層を形成することを特徴とする請求項２１に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  32. 上記基体を提供するステップが、ニッケル基合金、コバルト基合金およびモリブデン基合金からなる群から選択された材料から形成された基体を提供することを特徴とする請求項２１に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  33. コーティングチャンバ内に上記基体を配置し、
    上記コーティング用チャンバ内の上記基体を、１７００〜２０００°Ｆの範囲の温度まで熱処理し、
    上記コーティング用チャンバ内の圧力を、０．１〜１．０ミリトルの範囲に圧力を維持し、
    上記イットリア安定化ジルコニア層と、上記溶融ケイ酸塩耐性材料層と、を連続して形成する
    ことを特徴とする請求項２１に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  34. 上記基体と上記遮熱コーティング系との間に金属のボンドコートを堆積するステップをさらに含む請求項２１に記載の砂による損傷に対するコンポーネントの保護方法。
  35. イットリア安定化ジルコニア材料層と、溶融ケイ酸塩耐性材料層と、の交互の層を含み、上記溶融ケイ酸塩耐性材料の各層が、該溶融ケイ酸塩耐性材料が貫通されないように、オキシアパタイトとガーネットの少なくとも一方のバリア相を有することを特徴とするコンポーネントのコーティング系。
  36. 上記溶融ケイ酸塩材料が、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、ハフニウムおよびチタニウムからなる群から選択された少なくとも１つの材料の酸化物からなることを特徴とする請求項３５に記載のコンポーネントのコーティング系。
  37. 上記溶融ケイ酸塩耐性材料が、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に記載のコンポーネントのコーティング系。
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