JP2013514462A - System for applying a thermal barrier coating to superalloy substrates - Google Patents

System for applying a thermal barrier coating to superalloy substrates Download PDF

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Abstract

【課題】費用のかかる真空及び機器要件なしで、ＥＢＰＶＤによって生じるコーティングと構造的に類似したコーティングを作製することができるシステムを提供する。
【解決手段】超合金基板にサーマルバリアコーティングを施すシステムは、サーマルバリアコーティングを作製するための材料を供給する少なくとも１つのターゲットと、ターゲットから原子粒子を遊離させるためにターゲットに向けて操作可能に指向される少なくとも１つのレーザと、プラズマを発生させ、原子粒子を加速させて超合金基板上にサーマルバリアコーティングとして堆積させるためのプラズマトーチとを備え、超合金基板は、ニッケル基超合金又はコバルト基超合金である。
【選択図】図１A system is provided that can produce a coating that is structurally similar to that produced by EBPVD without costly vacuum and equipment requirements.
A system for applying a thermal barrier coating to a superalloy substrate is operable with at least one target supplying material for making the thermal barrier coating and toward the target to liberate atomic particles from the target. At least one laser directed and a plasma torch for generating plasma and accelerating atomic particles to deposit as a thermal barrier coating on the superalloy substrate, the superalloy substrate comprising a nickel-based superalloy or cobalt It is a base superalloy.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、概して、超合金基板にサーマルバリアコーティングを施すシステムに関する。より詳細には、本発明は、大気圧でのレーザ補助プラズマコーティングを実行して、超合金基板にサーマルバリアコーティングを施すシステムに関する。   The present invention generally relates to a system for applying a thermal barrier coating to a superalloy substrate. More particularly, the invention relates to a system for performing a laser assisted plasma coating at atmospheric pressure to apply a thermal barrier coating to a superalloy substrate.

航空宇宙産業及び発電産業に用いるガスタービンエンジンの有効性には、ますます差し迫った要求が課されている。この要求は、化石燃料の消費、ひいては操業コストを削減する必要性によって推し進められている。タービン効率を改善する方法の１つは、エンジンのタービンセクションの運転温度を上昇させることである。しかしながら、運転温度が上昇すると、タービンセクションに用いられる材料への要求が増加する。これらの材料は、より高い運転温度（約８００℃〜約１５００℃）に耐え得る必要があるばかりでなく、当該産業で期待される寿命要件を持続的に満たしながら、増加する機械的応力、腐食、浸食、及びその他の厳しい運転条件にも耐える必要がある。このことは、高温部品に施されたサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）を用いることにより達成することができる。   The effectiveness of gas turbine engines for use in the aerospace and power generation industries is becoming increasingly pressing. This demand is driven by the need to reduce fossil fuel consumption and thus operating costs. One way to improve turbine efficiency is to increase the operating temperature of the turbine section of the engine. However, as the operating temperature increases, the demand for materials used in the turbine section increases. These materials not only need to be able to withstand higher operating temperatures (about 800 ° C. to about 1500 ° C.), but also increase mechanical stress, corrosion while continuously meeting the expected life requirements in the industry. Must withstand erosion, and other harsh operating conditions. This can be achieved by using a thermal barrier coating (TBC) applied to the hot part.

従来の慣例では、プラズマ溶射又は電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）を利用して高温ＴＢＣを施すことが多いが、その両方とも問題がある可能性がある。例えば、プラズマ溶射は、ＥＢＰＶＤよりも耐浸食性及び耐衝撃性が低い高多孔質コーティングを作製することになる。そのようなプラズマ溶射コーティングは、それらが施されるタービン部品の冷却孔の詰まりを起こしやすい可能性がある。ＥＢＰＶＤは、より望ましいコーティングを作製することができるが、高真空下で実施されるものであって機器代が高いので、費用のかかるプロセスである。   Conventional practice often uses plasma spraying or electron beam physical vapor deposition (EBPVD) to apply high temperature TBC, both of which can be problematic. For example, plasma spraying will produce a highly porous coating that is less erosive and impact resistant than EBPVD. Such plasma spray coatings can be prone to clogging of the cooling holes of the turbine parts to which they are applied. EBPVD is a costly process because it can produce a more desirable coating, but is performed under high vacuum and is expensive.

ＯＵＹＡＮＧ ＺＩＨＡＯら：「大気圧でのレーザ補助プラズマコーティング（ＬＡＰＣＡＰ）」OUYANG ZIHAO et al .: “Laser Assisted Plasma Coating at Atmospheric Pressure (LAPCAP)”

従って、前述した費用のかかる真空及び機器要件なしで、ＥＢＰＶＤによって生じるコーティングと構造的に類似したコーティングを作製することができるシステムに対する要求が残っている。   Thus, there remains a need for a system that can produce a coating that is structurally similar to the coating produced by EBPVD without the costly vacuum and equipment requirements described above.

本発明は、超合金基板にサーマルバリアコーティングを施すシステムであって、サーマルバリアコーティングを作製するための材料を供給する少なくとも１つのターゲットと、ターゲットから原子粒子を遊離させるためにターゲットに向けて操作可能に指向される少なくとも１つのレーザと、プラズマを発生させ、原子粒子を加速させて超合金基板上にサーマルバリアコーティングとして堆積させるためのプラズマトーチとを備え、超合金基板は、ニッケル基超合金又はコバルト基超合金であるシステムに関する。   The present invention is a system for applying a thermal barrier coating to a superalloy substrate, operating at least one target for supplying a material for making the thermal barrier coating and toward the target to release atomic particles from the target. A plasma torch for generating at least one laser capable of being directed and generating a plasma and accelerating atomic particles to be deposited as a thermal barrier coating on the superalloy substrate, the superalloy substrate comprising a nickel-based superalloy Or a system that is a cobalt-based superalloy.

本発明は、超合金基板にサーマルバリアコーティングを施すシステムであって、サーマルバリアコーティングを作製するための材料を供給する２つのターゲットと、１つのレーザがターゲットから原子粒子を遊離させるために各々のターゲットに向けて操作可能に指向される２つのレーザと、プラズマを発生させ、原子粒子を加速させて超合金基板上にサーマルバリアコーティングとして堆積させるためのプラズマトーチとを備え、超合金基板は、ニッケル基超合金又はコバルト基超合金であるシステムに関する。   The present invention is a system for applying a thermal barrier coating to a superalloy substrate, comprising two targets for supplying materials for making the thermal barrier coating, and one laser for releasing atomic particles from the target. A superalloy substrate comprising two lasers operably directed toward a target and a plasma torch for generating plasma and accelerating atomic particles to deposit as a thermal barrier coating on the superalloy substrate, It relates to a system that is a nickel-base superalloy or a cobalt-base superalloy.

本発明は、超合金基板にサーマルバリアコーティングを施すシステムであって、サーマルバリアコーティングを作製するための材料を供給する２つのターゲットであって、酸化ジルコニウムからなる第１ターゲット及び酸化イットリウムからなる第２ターゲットと、１つのレーザがターゲットから原子粒子を遊離させるために各々のターゲットに向けて操作可能に指向される２つのＮｄ：ＹＡＧレーザと、プラズマを発生させ、原子粒子を加速させて超合金基板上に約９２重量％の酸化ジルコニウムと約８重量％の酸化イットリウムからなるサーマルバリアコーティングとして堆積させるためのプラズマトーチとを備えるシステムに関する。   The present invention is a system for applying a thermal barrier coating to a superalloy substrate, two targets for supplying a material for producing the thermal barrier coating, a first target made of zirconium oxide and a first target made of yttrium oxide. Two targets, two Nd: YAG lasers operably directed towards each target to release atomic particles from the target, and plasma to generate and accelerate atomic particles to superalloy A system comprising a plasma torch for depositing as a thermal barrier coating comprising about 92% by weight zirconium oxide and about 8% by weight yttrium oxide on a substrate.

以下の開示から、当業者には、これら及びその他の特徴、態様、及び利点が明らかになるであろう。   These and other features, aspects, and advantages will be apparent to those skilled in the art from the following disclosure.

本明細書の記述に従った、大気圧でのレーザ補助プラズマコーティング（ＬＡＰＣＡＰ）の一実施形態の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of laser assisted plasma coating (LAPCAP) at atmospheric pressure according to the description herein; FIG. 本明細書の記述に従った、ＬＡＰＣＡＰシステムの代替実施形態の概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an alternative embodiment of a LACAP system, in accordance with the description herein.

本明細書は、本発明を具体的に指摘し、明確に請求する特許請求の範囲で締め括られているが、同様の参照符号で同様の要素を特定する添付図面に関連した以下の説明から、ここに示す実施形態の理解が深まると考えられる。   DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION While the specification concludes with claims that particularly point out and distinctly claim the invention, from the following description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which like reference numerals identify like elements, The understanding of the embodiment shown here will be deepened.

本発明は、概して、大気圧でのレーザ補助プラズマコーティング（ＬＡＰＣＡＰ）を実行して、超合金基板にサーマルバリアコーティングを施すシステムに関する。本明細書のシステムは「大気圧で」と表されているが、そのように限定されるべきではない。より詳細には、ＬＡＰＣＡＰシステムは、大気圧付近（例えば、約０．５Ａｔｍ〜約３Ａｔｍ）で利用することができる。   The present invention generally relates to a system that performs laser assisted plasma coating (LAPCAP) at atmospheric pressure to apply a thermal barrier coating to a superalloy substrate. Although the system herein is described as “at atmospheric pressure”, it should not be so limited. More particularly, the LAPCAP system can be utilized near atmospheric pressure (eg, about 0.5 Atm to about 3 Atm).

一般に、ＬＡＰＣＡＰシステムは、少なくとも１つのパルスレーザを用いて少なくとも１つのターゲットから原子粒子を遊離させてから、それらの原子粒子をプラズマに投入し、基板に堆積させてサーマルバリアコーティングを形成することを必要とする。本明細書で用いられる「遊離」とは、除去、蒸発、融解、又はそれらの幾つかの組み合わせのいずれかを指すことができる。本明細書に記載したコーティングは、高温環境（約８００℃〜約１５００℃）にさらされるあらゆる基板上で使用することができるが、そのようなコーティングは、特にガスタービンエンジンのタービンセクションの構成部品上での使用に適している。   In general, a LAPCAP system uses an at least one pulsed laser to liberate atomic particles from at least one target, which are then injected into a plasma and deposited on a substrate to form a thermal barrier coating. I need. As used herein, “free” can refer to either removal, evaporation, melting, or some combination thereof. The coatings described herein can be used on any substrate that is exposed to a high temperature environment (about 800 ° C. to about 1500 ° C.), but such coatings are particularly components of turbine sections of gas turbine engines. Suitable for use above.

一実施形態では、図１に示すように、ＬＡＰＣＡＰシステム１０は、通常、プラズマトーチ１６と、少なくとも１つのターゲット１２と、少なくとも１つのレーザ１４とを備えている。プラズマトーチ１６は、複数の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）コイル２２を有する放電管２０に投入するガス流１８を含んでおり、後述するように、無線周波数発生器としての機能を果たすことができる。   In one embodiment, as shown in FIG. 1, the LAPCAP system 10 typically includes a plasma torch 16, at least one target 12, and at least one laser 14. The plasma torch 16 includes a gas flow 18 that is injected into a discharge tube 20 having a plurality of inductively coupled plasma (ICP) coils 22 and can serve as a radio frequency generator, as will be described later.

より詳細には、ガス流１８は、放電管２０に投入してプラズマ２４の発生を促進することができ、従来のプラズマ溶射法を実行するのに適した任意のガスを含むことができ、一実施形態では、アルゴン、窒素、水素、ヘリウム、酸素、及びそれらの組み合わせから選択することができる。特に、ガス流１８を放電管２０に投入すると、ＩＣＰコイル２２によって発生した無線周波電磁界を励起することができる。ガス流１８が放電管２０を通過すると、ＩＣＰコイル付近で、ガス流１８が導電性になってプラズマ２４を形成することができる。低い流量（例えば、約０．５Ｌ／分）では、プラズマはより定常状態になるが、高いガス流量（例えば、約３０Ｌ／分）では、プラズマはジェットの形をとることになる。ここで提示した流量の上下の様々な流量を利用して、サーマルバリアコーティングの表面形態を変化させることもできることが理解されよう。代替実施形態では、プラズマ２４は、ＩＣＰコイル２２の代わりに、又はＩＣＰコイル２２と共に、マイクロ波放電（図示せず）を用いて発生させることができる。   More particularly, the gas stream 18 can be injected into the discharge tube 20 to promote the generation of the plasma 24, and can include any gas suitable for performing conventional plasma spraying methods. In embodiments, it can be selected from argon, nitrogen, hydrogen, helium, oxygen, and combinations thereof. In particular, when the gas flow 18 is introduced into the discharge tube 20, the radio frequency electromagnetic field generated by the ICP coil 22 can be excited. When the gas flow 18 passes through the discharge tube 20, the gas flow 18 becomes conductive and can form a plasma 24 in the vicinity of the ICP coil. At low flow rates (eg, about 0.5 L / min), the plasma becomes more steady, but at high gas flow rates (eg, about 30 L / min), the plasma will take the form of a jet. It will be appreciated that the surface morphology of the thermal barrier coating can be varied using various flow rates above and below the flow rate presented here. In an alternative embodiment, the plasma 24 can be generated using a microwave discharge (not shown) instead of or in conjunction with the ICP coil 22.

ターゲット１２は、例えば、セラミック材料及び金属材料などの、レーザ１４によって噴霧することができ、サーマルバリアコーティングでの使用に適した任意の材料を含むことができる。本明細書で用いられる「セラミック材料」とは、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、アルミナ及びそれらのプレアロイ混合物を含むことができ、「金属材料」とは、ジルコニウム、イットリウム、アルミニウム、及びそれらの組み合わせを含むことができる。   Target 12 can be sprayed by laser 14, such as, for example, ceramic materials and metallic materials, and can include any material suitable for use in a thermal barrier coating. As used herein, “ceramic material” can include zirconium oxide, yttrium oxide, alumina, and prealloyed mixtures thereof, and “metal material” includes zirconium, yttrium, aluminum, and combinations thereof. be able to.

図１に示す実施形態では、ターゲット１２は、プラズマ２４に隣接して、プラズマトーチ１６の放電管２０の下に配置し、任意の適切な手段を用いて適所に固定することができる。代替実施形態では、ターゲット１２は、プラズマトーチ１６の中に設置するか、又はターゲット１２が放電管２０に代わって放電管２０の機能を果たすことができるように配置することができる。レーザ１４は、動作中、レーザ１４がターゲット１２に当たって原子粒子２６を遊離させることができるように、ターゲット１２に向けて操作可能に指向させることができ、原子粒子は、所望のＴＢＣを作製するのに必要なプラズマ２４に適当な割合で混合することができる。そして、後述するように、プラズマ２４を使用して、原子粒子２６を加速させて基板２８上に堆積させることができる。金属材料をターゲット１２として使用した場合、酸素及び窒素等の反応性ガスを使用して原子粒子を酸化又は窒化させて、所望のコーティング組成及び特性を得ることができる。そのようなガスは、ＬＡＰＣＡＰシステムに添加したものであっても、大気から取り込んだものであってもよい。   In the embodiment shown in FIG. 1, the target 12 can be positioned adjacent to the plasma 24 and below the discharge tube 20 of the plasma torch 16 and secured in place using any suitable means. In an alternative embodiment, the target 12 can be placed in the plasma torch 16 or arranged such that the target 12 can perform the function of the discharge tube 20 instead of the discharge tube 20. The laser 14 can be operatively directed toward the target 12 such that the laser 14 can strike the target 12 and release the atomic particles 26 during operation, which atomic particles create the desired TBC. Can be mixed in an appropriate ratio to the plasma 24 required for the above. Then, as will be described later, the atomic particles 26 can be accelerated and deposited on the substrate 28 using the plasma 24. When a metal material is used as the target 12, the atomic particles can be oxidized or nitrided using a reactive gas such as oxygen and nitrogen to obtain the desired coating composition and properties. Such gas may be added to the LAPCAP system or may be taken from the atmosphere.

ネオジム添加イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザを含むがこれに限らない、ターゲットから原子粒子を遊離させるのに十分なエネルギーを有する数種類の固体パルスレーザを利用することができる。ターゲット１２がプラズマ２４に近接しているため、原子粒子２６は遊離されると同時にプラズマ２４に投入される。そして、プラズマ２４が原子粒子を加速させて基板２８上に押し付け、そこで原子粒子がＴＢＣ３０として堆積することになる。レーザパルス長、レーザパルスエネルギー、レーザ強度、及びレーザスポットサイズを含むレーザ動作パラメータの組み合わせを変更することによって、原子粒子束及び分布を所望のコーティング組成及び特性が得られるように調整することができる。一般に、パルスレーザ１４は、約５フェムト秒〜約１００マイクロ秒のパルス長、約０．００１ｍＪ〜約１０Ｊのパルスエネルギー、約１０4Ｗ／ｃｍ2〜約１０15Ｗ／ｃｍ2の強度、及び約１マイクロメートル〜約５ミリメートルのレーザスポットサイズを有することになる。 Several types of solid state pulse lasers with sufficient energy to liberate atomic particles from the target can be utilized, including but not limited to neodymium doped yttrium aluminum garnet (Nd: YAG) lasers. Since the target 12 is close to the plasma 24, the atomic particles 26 are released and simultaneously injected into the plasma 24. Then, the plasma 24 accelerates the atomic particles and presses them onto the substrate 28, where the atomic particles are deposited as TBC 30. By changing the combination of laser operating parameters, including laser pulse length, laser pulse energy, laser intensity, and laser spot size, atomic particle flux and distribution can be adjusted to obtain the desired coating composition and properties . In general, the pulsed laser 14 has a pulse length of about 5 femtoseconds to about 100 microseconds, a pulse energy of about 0.001 mJ to about 10 J, an intensity of about 10 4 W / cm 2 to about 10 15 W / cm 2 , and It will have a laser spot size of about 1 micrometer to about 5 millimeters.

本明細書の実施形態に関連して様々な基板２８を使用することができるが、一実施形態では、基板２８は、ガスタービンエンジンのタービンセクションに存在するような高温（約８００℃〜約１５００℃）環境での使用に適した超合金から選択することができる。そのような超合金の幾つかの例としては、ニッケル基超合金、及びコバルト基超合金が挙げられるが、これらに限定すべきではない。約５０ミクロン〜約７５０ミクロンの範囲になる所望のＴＢＣ３０の厚さを得るために、基板２８を定常のＬＡＰＣＡＰシステム１０の下に移動させてＴＢＣ３０の層を厚くしてもよい。代替実施形態では、基板２８は定常状態になるが、システム１０は必要に応じて予めプログラムされたロボットアーマチュア（図示せず）を用いて移動する。本明細書の実施形態は、ＥＢＰＶＤを用いて得られたコーティングのものと同様の柱状マイクロ構造を有するＴＢＣを堆積させることができるようになる。より詳細には、本明細書のＴＢＣは、約０．５ミクロン〜約６０ミクロンのカラム幅と、約０％〜約９％のカラム内多孔率とを有することになる。一実施形態では、ＴＢＣは、カラムの直径がより小さく、多孔率が約０％であってもよい。   While various substrates 28 may be used in connection with the embodiments herein, in one embodiment, the substrate 28 is at a high temperature (about 800 ° C. to about 1500 ° C. as is present in the turbine section of a gas turbine engine. ° C) can be selected from superalloys suitable for use in the environment. Some examples of such superalloys include, but should not be limited to, nickel-base superalloys and cobalt-base superalloys. To obtain the desired TBC 30 thickness ranging from about 50 microns to about 750 microns, the substrate 28 may be moved under the stationary LAPCAP system 10 to thicken the TBC 30 layer. In an alternative embodiment, the substrate 28 is in a steady state, but the system 10 is moved using a pre-programmed robot armature (not shown) as needed. Embodiments herein will allow TBCs with columnar microstructures similar to those of coatings obtained using EBPVD to be deposited. More specifically, the TBCs herein will have a column width of about 0.5 microns to about 60 microns and an in-column porosity of about 0% to about 9%. In one embodiment, the TBC may have a smaller column diameter and a porosity of about 0%.

代替実施形態では、２つ以上のターゲット及び２つ以上のレーザを使用することができる。ここで用いられている「レーザ」とは、複数の独立したレーザか、或いは複数のビームに分割された１つのレーザを指すことができる。そのような場合、各々のターゲットは、（例えば下記の例示的実施形態のように）同じ又は異なる材料からなっていてもよい。１つのレーザ、即ち、独立レーザ、又は分割レーザビームを各々のターゲットに向けて操作可能に指向させて、ターゲットから原子粒子を遊離させることができることが理解されよう。   In alternative embodiments, more than one target and more than one laser can be used. As used herein, a “laser” can refer to a plurality of independent lasers or a single laser divided into a plurality of beams. In such cases, each target may be made of the same or different material (eg, as in the exemplary embodiment described below). It will be appreciated that a single laser, ie, an independent laser, or a split laser beam can be operably directed toward each target to liberate atomic particles from the target.

例えば、この例に限らないが、図２に示すように、ＬＡＰＣＡＰシステム１１０は、一実施形態ではアルゴンになるガス流１８と、２つのパルスＮｄ：ＹＡＧレーザ１４と、セラミック材料からなる２つのターゲットであって、ＺｒＯ2からなる第１ターゲット１１２及びＹ2Ｏ3からなる第２ターゲット２１２とを備えている。ガス流１８は、約０．０５Ｌ／分〜約０．６Ｌ／分のガス流を含むことができる。本実施形態では、パルスレーザ１４は、約５ｎｓ〜約１０ｎｓのパルス長と、約１０ｍＪのパルスエネルギーと、約１０7〜約１０8Ｗ／ｃｍ2の強度と、約１マイクロメートル〜約２ミリメートルのレーザスポットサイズとを有することになる。このレーザ動作パラメータの特定の組み合わせによって、ジルコニウム、酸素、及びイットリアの原子粒子１２６を遊離させ、これを、約９２重量％のＺｒＯ2及び約８重量％のＹ2Ｏ3からなり、約５０ミクロン〜約７５０ミクロンの厚さを有するサーマルバリアコーティング１３０としてニッケル基及びコバルト基の複合超合金基板２８上に堆積させることができる。これは１つの可能なシステムの例であり、様々なパラメータのその他のシステムも本実施形態の範囲内であることは、当業者には理解されるであろう。 For example, but not limited to this example, as shown in FIG. 2, the LAPCAP system 110 includes a gas flow 18 that in one embodiment is argon, two pulsed Nd: YAG lasers 14, and two targets made of ceramic material. The first target 112 made of ZrO 2 and the second target 212 made of Y 2 O 3 are provided. The gas stream 18 can include a gas stream from about 0.05 L / min to about 0.6 L / min. In this embodiment, the pulsed laser 14 has a pulse length of about 5 ns to about 10 ns, a pulse energy of about 10 mJ, an intensity of about 10 7 to about 10 8 W / cm 2 , and about 1 micrometer to about 2 millimeters. Laser spot size. This particular combination of laser operating parameters liberates zirconium, oxygen, and yttria atomic particles 126, consisting of about 92 wt.% ZrO 2 and about 8 wt.% Y 2 O 3 , and about 50 microns. It can be deposited on the nickel-based and cobalt-based composite superalloy substrate 28 as a thermal barrier coating 130 having a thickness of ˜750 microns. One skilled in the art will appreciate that this is an example of one possible system, and that other systems of various parameters are within the scope of this embodiment.

本明細書に記載した実施形態は、従来のプロセスとは異なっている。特に、ＥＢＰＶＤとは違って、ＬＡＰＣＡＰは費用のかかる真空ポンプの使用を必要とせず、粒子生成、粒子加速、及び粒子堆積は単一の装置を用いて実行することができる。しかしながら、これらの違いにもかかわらず、ＬＡＰＣＡＰは、ＥＢＰＶＤを用いて施されたコーティングと同様の柱状マイクロ構造を有するコーティングを作製することができる。このことは、ＬＡＰＣＡＰ堆積が原子レベルで生じるという理由から可能である。その結果、従来のプラズマ溶射法を用いて作製されたコーティングよりも衝撃及び浸食損傷を受けにくいＴＢＣが得られる。更に、プラズマ溶射で起こることがある冷却孔の詰まりは、ＬＡＰＣＡＰを用いて大幅に削減又は解消することができる。   The embodiments described herein are different from conventional processes. In particular, unlike EBPVD, LAPCAP does not require the use of expensive vacuum pumps, and particle generation, particle acceleration, and particle deposition can be performed using a single device. However, despite these differences, LAPCAP can produce coatings with columnar microstructures similar to those applied with EBPVD. This is possible because LAPCAP deposition occurs at the atomic level. The result is a TBC that is less susceptible to impact and erosion damage than a coating made using conventional plasma spraying techniques. Further, clogging of cooling holes that can occur with plasma spraying can be greatly reduced or eliminated using LAPCAP.

本明細書は、本発明を開示すると共に、当業者であれば誰でも本発明を製造し使用することができるように、最良の形態を含む実施例を用いている。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する同等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属するものとする。   This written description uses examples, including the best mode, to disclose the invention and to enable any person skilled in the art to make and use the invention. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Such other embodiments include equivalent structural elements in which they have structural elements that do not differ from the language of the claims, or that they have non-essential differences from the language of the claims. In that case, it shall fall within the technical scope of the claims.

Claims (20)

超合金基板にサーマルバリアコーティングを施すシステムであって、
サーマルバリアコーティングを作製するための材料を供給する少なくとも１つのターゲットと、
前記ターゲットから原子粒子を遊離させるために前記ターゲットに向けて操作可能に指向される少なくとも１つのレーザと、
プラズマを発生させ、前記原子粒子を加速させて前記超合金基板上に前記サーマルバリアコーティングとして堆積させるためのプラズマトーチとを備え、
前記超合金基板は、ニッケル基超合金又はコバルト基超合金である、システム。 A system for applying a thermal barrier coating to a superalloy substrate,
At least one target supplying a material for making a thermal barrier coating;
At least one laser operably directed toward the target to release atomic particles from the target;
A plasma torch for generating plasma and accelerating the atomic particles to deposit on the superalloy substrate as the thermal barrier coating;
The superalloy substrate is a nickel base superalloy or a cobalt base superalloy. 前記プラズマトーチはガス流を含んでおり、前記ガス流を放電管に投入して、前記ガス流を活発にし、前記プラズマを発生させる、請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the plasma torch includes a gas flow, and the gas flow is injected into a discharge tube to activate the gas flow and generate the plasma. 前記放電管は、複数の誘導結合プラズマコイル又はマイクロ波を含んでおり、無線周波電磁界を発生させて、前記ガス流を活発にし、前記プラズマを発生させる、請求項２に記載のシステム。   The system of claim 2, wherein the discharge tube includes a plurality of inductively coupled plasma coils or microwaves to generate a radio frequency electromagnetic field to activate the gas flow and generate the plasma. 前記ガス流は、アルゴン、窒素、水素、ヘリウム、酸素、及びそれらの組み合わせからなる群から選択されたガスを含む、請求項３に記載のシステム。   The system of claim 3, wherein the gas stream comprises a gas selected from the group consisting of argon, nitrogen, hydrogen, helium, oxygen, and combinations thereof. 前記ターゲットの前記材料は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、アルミナ、及びそれらのプレアロイ混合物からなる群から選択されたセラミック材料、又はジルコニウム、イットリウム、アルミニウム、及びそれらの組み合わせからなる群から選択された金属材料である、請求項４に記載のシステム。   The material of the target is a ceramic material selected from the group consisting of zirconium oxide, yttrium oxide, alumina, and prealloy mixtures thereof, or a metal material selected from the group consisting of zirconium, yttrium, aluminum, and combinations thereof The system of claim 4, wherein 前記レーザは固体パルスレーザを含む、請求項５に記載のシステム。   The system of claim 5, wherein the laser comprises a solid state pulse laser. 前記コーティングは、レーザパルス長、レーザパルスエネルギー、レーザ強度、及びレーザスポットサイズからなる群から選択された任意の１つ以上の動作パラメータを変更することによって調整される、請求項６に記載のシステム。   7. The system of claim 6, wherein the coating is adjusted by changing any one or more operating parameters selected from the group consisting of laser pulse length, laser pulse energy, laser intensity, and laser spot size. . 前記レーザパルス長は、約５フェムト秒〜約１００マイクロ秒であり、
前記レーザパルスエネルギーは、約０．００１ｍＪ〜約１０Ｊであり、
前記レーザ強度は、約１０4Ｗ／ｃｍ2〜約１０15Ｗ／ｃｍ2であり、
前記レーザスポットサイズは、約１マイクロメートル〜約５ミリメートルである、請求項７に記載のシステム。 The laser pulse length is from about 5 femtoseconds to about 100 microseconds;
The laser pulse energy is about 0.001 mJ to about 10 J;
The laser intensity is about 10 4 W / cm 2 to about 10 15 W / cm 2 ;
The system of claim 7, wherein the laser spot size is from about 1 micrometer to about 5 millimeters. 前記サーマルバリアコーティングは、約５０ミクロン〜約７５０ミクロンの厚さを有する、請求項８に記載のシステム。   The system of claim 8, wherein the thermal barrier coating has a thickness of about 50 microns to about 750 microns. 超合金基板にサーマルバリアコーティングを施すシステムであって、
前記サーマルバリアコーティングを作製するための材料を供給する２つのターゲットと、
１つのレーザが前記ターゲットから原子粒子を遊離させるために各々の前記ターゲットに向けて操作可能に指向される２つのレーザと、
プラズマを発生させ、前記原子粒子を加速させて前記超合金基板上に前記サーマルバリアコーティングとして堆積させるためのプラズマトーチとを備え、
前記超合金基板は、ニッケル基超合金又はコバルト基超合金である、システム。 A system for applying a thermal barrier coating to a superalloy substrate,
Two targets supplying materials for producing the thermal barrier coating;
Two lasers operably directed toward each of the targets to release atomic particles from the targets;
A plasma torch for generating plasma and accelerating the atomic particles to deposit on the superalloy substrate as the thermal barrier coating;
The superalloy substrate is a nickel base superalloy or a cobalt base superalloy. 前記プラズマトーチはガス流を含んでおり、前記ガス流を放電管に投入して、前記ガス流を活発にし、前記プラズマを発生させる、請求項１０に記載のシステム。   The system of claim 10, wherein the plasma torch includes a gas flow, and the gas flow is injected into a discharge tube to activate the gas flow and generate the plasma. 前記放電管は、複数の誘導結合プラズマコイル又はマイクロ波を含んでおり、無線周波電磁界を発生させて、前記ガス流を活発にし、前記プラズマを発生させる、請求項１１に記載のシステム。   12. The system of claim 11, wherein the discharge tube includes a plurality of inductively coupled plasma coils or microwaves to generate a radio frequency electromagnetic field to activate the gas flow and generate the plasma. 前記ガス流は、アルゴン、窒素、水素、ヘリウム、酸素、及びそれらの組み合わせからなる群から選択されたガスを含む、請求項１２に記載のシステム。   The system of claim 12, wherein the gas stream comprises a gas selected from the group consisting of argon, nitrogen, hydrogen, helium, oxygen, and combinations thereof. 前記ターゲットの前記材料は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、アルミナ、及びそれらのプレアロイ混合物からなる群から選択されたセラミック材料、又はジルコニウム、イットリウム、アルミニウム、及びそれらの組み合わせからなる群から選択された金属材料である、請求項１３に記載のシステム。   The material of the target is a ceramic material selected from the group consisting of zirconium oxide, yttrium oxide, alumina, and prealloy mixtures thereof, or a metal material selected from the group consisting of zirconium, yttrium, aluminum, and combinations thereof The system of claim 13, wherein 各々のターゲットは同じ材料からなる、請求項１４に記載のシステム。   The system of claim 14, wherein each target is made of the same material. 前記レーザは固体パルスレーザを含む、請求項１５に記載のシステム。   The system of claim 15, wherein the laser comprises a solid state pulse laser. 前記コーティングは、レーザパルス長、レーザパルスエネルギー、レーザ強度、及びレーザスポットサイズからなる群から選択された任意の１つ以上の動作パラメータを変更することによって調整される、請求項１６に記載のシステム。   The system of claim 16, wherein the coating is adjusted by changing any one or more operating parameters selected from the group consisting of laser pulse length, laser pulse energy, laser intensity, and laser spot size. . 前記レーザパルス長は、約５フェムト秒〜約１００マイクロ秒であり、
前記レーザパルスエネルギーは、約０．００１ｍＪ〜約１０Ｊであり、
前記レーザ強度は、約１０4Ｗ／ｃｍ2〜約１０15Ｗ／ｃｍ2であり、
前記レーザスポットサイズは、約１マイクロメートル〜約５ミリメートルである、請求項１７に記載のシステム。 The laser pulse length is from about 5 femtoseconds to about 100 microseconds;
The laser pulse energy is about 0.001 mJ to about 10 J;
The laser intensity is about 10 4 W / cm 2 to about 10 15 W / cm 2 ;
The system of claim 17, wherein the laser spot size is from about 1 micrometer to about 5 millimeters. 前記サーマルバリアコーティングは、約５０ミクロン〜約７５０ミクロンの厚さを有する、請求項１８に記載のシステム。   The system of claim 18, wherein the thermal barrier coating has a thickness of about 50 microns to about 750 microns. 超合金基板にサーマルバリアコーティングを施すシステムであって、
前記サーマルバリアコーティングを作製するための材料を供給する２つのターゲットであって、酸化ジルコニウムからなる第１ターゲット及び酸化イットリウムからなる第２ターゲットと、
１つのレーザが前記ターゲットから原子粒子を遊離させるために各々の前記ターゲットに向けて操作可能に指向される２つのＮｄ：ＹＡＧレーザと、
プラズマを発生させ、前記原子粒子を加速させて前記超合金基板上に約９２重量％の酸化ジルコニウムと約８重量％の酸化イットリウムからなる前記サーマルバリアコーティングとして堆積させるためのプラズマトーチとを備える、システム。 A system for applying a thermal barrier coating to a superalloy substrate,
Two targets for supplying a material for producing the thermal barrier coating, a first target made of zirconium oxide and a second target made of yttrium oxide;
Two Nd: YAG lasers, wherein one laser is operatively directed toward each of the targets to release atomic particles from the targets;
A plasma torch for generating plasma and accelerating the atomic particles to deposit on the superalloy substrate as the thermal barrier coating comprising about 92 wt% zirconium oxide and about 8 wt% yttrium oxide; system.
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