JP2015533934A - 遮熱コーティング系ならびにその製造方法および使用方法 - Google Patents

遮熱コーティング系ならびにその製造方法および使用方法 Download PDF

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Abstract

第１表面および第２表面を含むコーティングが提供される。コーティングは複数の成長領域を含む。複数の成長領域のうち少なくとも１つの成長領域の配向はコーティングの第１表面に対して垂直ではない。複数の成長領域のうち１つまたは複数の成長領域は、少なくとも部分的に融解され固化された複数の粒子を含む。成長領域の配向は、コーティングの第１表面に対して約７５?未満とすることができる。複数の成長領域は実質的に等軸の結晶粒形態を有することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンアセンブリ等の高温用途のための遮熱コーティングおよび遮熱コーティング系に関する。
現代のガスタービン設計はより高いタービン効率に対する需要により進められている。タービンをより高温で作動させることによりタービン効率が上がり得ることが広く認識されている。典型的には、各種技術を使用してボンドコートおよび遮熱コーティングを、タービンのエーロフォイルおよび燃焼機関部品、例えば、トランジションピースおよび燃焼ライナに適用し、これら高温にて十分な寿命を確保する。
通常、遮熱コーティングは、下部部品から剥がれずに部品のひずみに耐えるように構成される。遮熱コーティングは通常セラミック材料から製造され、セラミック材料は下部金属部品よりも比較的低い固有の延性を有する。したがって、種々のミクロ構造特性が通常遮熱コーティング中に組み込まれて、改善された耐ひずみ性を有する遮熱コーティングが提供される。例えば、プラズマ溶射プロセスにより堆積した遮熱コーティングは通常、遮熱コーティングがひずみに耐える能力を向上させるための手段として、有意な多孔性、垂直な微小亀裂、またはこの両方を取り入れる。例として、物理蒸着法（ＰＶＤ）等の気相プロセスにより堆積した遮熱コーティングは通常、個々の密集した柱状粒子の核生成および成長を促す条件下にて製造される。この核生成および成長により、比較的高い耐ひずみ性を有する柔軟なミクロ構造が得られる。
ＰＶＤプロセスによって、プラズマ溶射プロセスと比較して比較的小さい部品に好適な耐ひずみ性を有するコーティングが提供される。しかし、プラズマ溶射プロセスと比較して、ＰＶＤプロセスは真空槽および支持装置を含む高価な設備を必要とする。他方では、従来の溶射プロセスは、ＰＶＤプロセスよりも低い耐ひずみ性および基材付着性を有するコーティングを製造する傾向があり、概して、下部部品へ適切な付着性を提供するために、グリットブラスト仕上げおよび粗面ボンドコートの堆積等の補助的表面処理プロセスを必要とする。
通常、ボンドコートを使用して遮熱コーティング層の下部部品への付着を促進し、下部部品が高温に晒されている間に部品が酸化することを阻止する。典型的には、基材に耐酸化性をもたらし遮熱コーティングの付着を強化するために、アルミナイドコーティングを有するボンドコートが遮熱コーティング系に使用される。適切な付着性を有するために、プラズマ溶射遮熱コーティングは通常、オーバーレイＭＣｒＡｌＹボンドコート等の粗面を有するボンドコート上に堆積される。気相アルミナイド（ＶＰＡ）により形成されたボンドコート等の比較的平滑なボンドコートは多くの場合、プラズマ溶射法により堆積される遮熱コーティングを堆積させるための候補として好適とは考えられない。
したがって、高い耐ひずみ性および高い付着性を示し、表面処理プロセスの必要性が低減された遮熱コーティングが必要とされており、このコーティングはプラズマ溶射プロセス等の比較的安価でスケーラブルなプロセスを介して適用できる。
米国特許第２０１０／１４３６５５号
一実施形態では、第１表面および第２表面を含むコーティングが提供される。コーティングは複数の成長領域を含み、複数の成長領域のうち少なくとも１つの成長領域の配向は、コーティングの第１表面に対して垂直ではない。複数の成長領域のうち１つまたは複数の成長領域は、少なくとも部分的に融解され固化された複数の粒子を含む。
別の実施形態では、遮熱コーティング系を提供できる。この系は第１表面および第２表面を含む基材、基材の第１表面の少なくとも一部の上に配置されるボンドコート、ならびにボンドコートの少なくとも一部の上に配置されるコーティングを含む基材を備え、このコーティングは複数の成長領域を含み、複数の成長領域のうち少なくとも１つの成長領域の配向は、ボンドコートとコーティングとの間の界面に対して垂直ではない。複数の成長領域のうち１つまたは複数の成長領域は、少なくとも部分的に融解され固化された複数の粒子を含む。
さらに別の実施例では、表面をコーティングする方法が提供される。本方法は、液体媒質中に供給原料材料が懸濁している懸濁液を準備するステップと、表面の接線に対して約７５°未満の噴射角度にて表面に噴霧するステップとを含む。
これらおよびその他の本発明の特徴、態様および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読むことでよりよく理解されるであろう。図面中、類似の参照番号が複数の図面を通して同じ部品を示す。
本技術の実施形態による、平坦な表面を含む部品を有する例示的遮熱コーティング系の断面図である。 本技術の実施形態による、非平坦な表面を含む部品を有する例示的遮熱コーティング系の断面図である。 本技術の実施形態による、ある噴霧角度で堆積された遮熱コーティングを有する遮熱コーティング系の一部の顕微鏡写真である。 本技術の実施形態による、ある噴霧角度で堆積された遮熱コーティングを有する遮熱コーティング系の一部の顕微鏡写真である。 本技術の実施形態による、ある噴霧角度で堆積された遮熱コーティングを有する遮熱コーティング系の一部の顕微鏡写真である。 本技術の実施形態による、遮熱コーティング系の製造方法のフローチャートである。 約１ミクロンのｄ50を有するＹＳＺ粉末からなる懸濁液を有する供給原料を使用して製造されたコーティングの顕微鏡写真である。 約１ミクロンのｄ50を有するＹＳＺ粉末からなる懸濁液を有する供給原料を使用して製造されたコーティングの顕微鏡写真である。 約１ミクロンのｄ50を有するＹＳＺ粉末からなる懸濁液を有する供給原料を使用して製造されたコーティングの顕微鏡写真である。 約１ミクロンのｄ50を有するＹＳＺ粉末からなる懸濁液を有する供給原料を使用して製造されたコーティングの顕微鏡写真である。
本明細書に開示される実施形態は概して遮熱コーティング系に関する。特定の実施形態にて、遮熱コーティング系はボンドコート上に配置される遮熱コーティングを含み得る。これらの実施形態では、遮熱コーティングは付着性および耐ひずみ性を向上するように構成されているミクロ構造を有し得る。一実施形態では、遮熱コーティングの向上した付着性および耐ひずみ性の値は、電子ビームプラズマ蒸着法等であるがこれに限定されない高価なプラズマ蒸着法を使用して堆積されるコーティングの付着性および耐ひずみ性の値に近づくことができる。特定の実施形態にて、遮熱コーティングは、比較的安価な懸濁液プラズマ溶射技術もしくは前駆体プラズマ溶射技術、またはこの組み合わせを使用して堆積してよい。
理解されるように、ガスタービン用途においてはより高い動作温度を使用することによってより高効率の系を達成し得る。しかしながら、動作温度が高くなると、エンジン部品が向上された耐高温性を有することが望ましい。
さらに、効果を発揮するために、遮熱コーティング系における遮熱コーティングは、低い熱伝導率、基材（例えば、エンジン部品）への強い付着性、および多くの加熱および冷却サイクルを通じた連続付着性を呈するように構成されることが望ましい。しかし、遮熱コーティング系の材料間の熱膨張係数の差によりさらなる困難がもたらされる。例えば、遮熱コーティングの材料は、下にある金属ボンドコートおよび基材（例えば、超合金基材）よりもかなり低い熱膨張係数を有し得るため、熱サイクルの間の遮熱コーティングの層間剥離リスクがもたらされる。
いくつかの実施形態では、遮熱コーティングはエンジン部品の耐高温性を促しつつ、浸食、高温腐食等から部品を保護する。これらの実施形態のいくつかでは、遮熱コーティングはさらに、エンジン部品等であるがこれに限定されない下にある基材への熱伝達を低減するのに役立つ。
遮熱コーティングに加えて、タービンエンジン部品は多くの場合、ボンドコートを利用して高温酸化から保護する。特定の実施形態にて、ボンドコートは拡散ボンドコートを含んでよい。特定の実施形態にて、ボンドコートはオーバーレイボンドコートを含んでよい。いくつかの実施形態では、拡散ボンドコートまたはオーバーレイボンドコート中のアルミニウム濃度は、約５〜約５０重量％の範囲内であってよい。
いくつかの実施形態では、拡散ボンドコートは、ニッケルアルミナイド等であるがこれに限定されないアルミニウム系金属間化合物を含んでもよい。拡散ボンドコートの非限定的な例としては、気相拡散法またはパック拡散法により適用される白金ニッケルアルミナイドまたは単純なニッケルアルミナイドを挙げてもよい。一実施形態では、アルミナイド系ボンドコートは拡散系プロセスを使用して基材上に配置されてよい。拡散系プロセスの非限定的な例としては、パックセメンテーション、気相アルミナイド法（ＶＰＡ）または化学蒸着法（ＣＶＤ）を挙げてもよい。いくつかの実施形態では、拡散プロセスにより２つの異なるゾーン、すなわち、耐酸化性相（β−ＮｉＡｌ等）を含有する外側ゾーンと、耐酸化性相および二次相（ガンマプライム、ガンマ、カーバイドおよびシグマ等）を含む拡散ゾーンとを含むボンドコートが得ることができる。一例では、気相アルミナイズ法（ＶＰＡ）を使用してアルミナイド系ボンドコートを堆積してよい。一実施形態では、拡散ボンドコートは白金または白金族金属で改質されてよい。本実施形態では、アルミナイド相はγ−Ｎｉ＋γ’−Ｎｉ３Ａｌ合金組成物を含んでもよい。いくつかの実施形態では、拡散アルミナイドは商用のアルミナイドプロセスを使用して適用されてよい。これらの実施形態のいくつかでは、アルミニウムは基材表面で反応して、アルミニウム金属間化合物を生成し、これにより耐酸化性アルミナ中間層を形成するための蓄積部（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）を提供する。アルミナイドボンドコート層は、超合金部品の外表面層にてアルミニウム蒸気またはアルミニウムに富んだ合金粉末を基材要素と反応させることによって形成されるアルミニウム金属間相（例えば、ＮｉＡｌ、ＣｏＡｌおよび（Ｎｉ／Ｃｏ）Ａｌ相）を含んでよい。ボンドコート層は通常、基材に十分に結合する。アルミナイズ法は、アルミニウムに富んだ蒸気および適切な拡散熱処理を用いたパックセメンテーションプロセス、噴霧、化学蒸着法、電気泳動、スパッタリング、ならびにスラリー焼結等であるがこれに限定されない技術によって行ってよい。
いくつかの実施形態では、オーバーレイボンドコートを使用して、タービン部品等の下にある基材に高温酸化および腐食に対する保護を提供してよい。オーバーレイボンドコートとしては、ＭＣｒＡｌＹ型を挙げてもよく、ここでＭはニッケル、コバルト、鉄またはこれらの組み合わせを表し得る。チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ケイ素、タンタル、タングステン、ニオビウム、レニウムまたはこれらの組み合わせ等の種々の量の他の元素の添加は、ボンドコートの性能を向上させるために使用してよい。有利には、オーバーレイボンドコートは下にある基材の組成に著しく影響され得ない。一例では、オーバーレイボンドコートは、溶射、スパッタリング、電子ビーム物理蒸着法（ＥＢＰＶＤ）、陰極アーク蒸着法、電着法、またはこれらの組み合わせ等であるがこれらに限定されない多数の異なる堆積法によって適用されてよい。
典型的には、大気プラズマ溶射ボンドコートは多くの場合、意図的に粗面を有するように堆積されて、その後に堆積される遮熱コーティングとの機械的な噛合いを強化する。これらの従来のコーティング系とは著しく対照的に、本明細書に開示される遮熱コーティングは、ＶＰＡボンドコート表面等の比較的平滑な表面にさえも比較的高い付着強度を示し得る。
いくつかの実施形態では、ボンドコートは比較的平滑であり、約１０〜６０マイクロインチＲａの表面粗さを有する。一般には、かかる平滑なボンドコートは、噴霧系コーティング技術等のより安価なコーティング技術の好適な候補ではない。遮熱コーティング層中に発生する垂直亀裂は、コーティングの付着強度を低減させるため、このようなコーティングには望ましくない。特定の実施形態にて、本明細書に開示されるコーティングは噴霧法を使用してボンドコートに堆積されてよい。本明細書に開示されるコーティングは、アルミナイド系ボンドコートまたはオーバーレイボンドコート上に堆積された場合、向上した付着性および熱サイクル性能を示すということが意外にも発見された。
一般的に、垂直亀裂を有する遮熱コーティングは、コーティングをより柔軟にすることができるため、アルミナイド系ボンドコート等の平滑表面を有するボンドコートに望ましい。例えば、垂直亀裂により層間剥離することなくコーティングが屈曲できる。しかし、亀裂を有しないコーティングはアルミナイド系ボンドコートおよびオーバーレイボンドコートへのより優れた付着性を有することが示された。同様に、亀裂を有しないコーティングはさらに、アルミナイド系ボンドコートおよびオーバーレイボンドコートの場合、より長い熱サイクル寿命を有する。例えば、ＶＰＡボンドコート等であるがこれに限定されない比較的平滑なアルミナイド系ボンドコートに適用される垂直亀裂を有するコーティングは、遮熱コーティングとボンドコートとの界面にて層間剥離を示す。有利には、かかる垂直亀裂がない状態では、遮熱コーティングのミクロ構造が垂直亀裂を含んでいない場合、界面の層間剥離は存在しない。特定の実施形態にて、遮熱コーティングは非垂直な成長領域を有し得、層間剥離はこれらの遮熱コーティングにおいて最小限であり得るかまたは存在し得ない。
有利には、遮熱コーティングにおける実質的に垂直な亀裂がなく柔軟なミクロ構造により、遮熱コーティングとその下にあるボンドコートとの間における付着性を向上させられる。また、遮熱コーティング系の熱サイクル性能は、より密で垂直な亀裂がある遮熱コーティングよりも実質的に改善され得る。
いくつかの実施形態では、ボンドコートは、約１５０マイクロインチＲａ未満の表面粗さを有し得る。一実施形態では、ボンドコートの表面粗さは約１００マイクロインチＲａ以下であってよい。このように低減されたボンドコート粗さの値でさえも、本明細書に記載される遮熱コーティングの付着強度は予想外に高い。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングのアルミナイド系ボンドコートへの付着強度は約７メガパスカル（ＭＰａ）を超えてよい。一実施形態では、遮熱コーティングのアルミナイド系ボンドコートへの付着強度は約２８ＭＰａを超えてよい。本明細書で示す付着強度とは、ＡＳＴＭ規格Ｃ６３３に規定された手順に従って測定した値を指す。
特定の実施形態にて、遮熱コーティングは、下部部品から剥がさずとも部品のひずみに耐えるように構成されてよい。遮熱コーティングはセラミック材料から製造されてよく、セラミック材料は下部金属部品よりも比較的低い固有の延性を有する。したがって、特定の実施形態にて、種々のミクロ構造が遮熱コーティング中に組み込まれて、改善された耐ひずみ性および付着性を有する遮熱コーティングが提供され得る。図１〜５に関して以下で詳細に記述されるように、いくつかの実施形態では、遮熱コーティングは、遮熱コーティングにおいて複数の成長領域を含んでよい。特定の実施形態にて、材料を堆積させて遮熱コーティングを形成する際、材料は、比較的低い（が必ずしも０ではない）密度の領域境界によって区切られた比較的高密度の領域として定義される領域に蓄積する。本発明の実施形態によれば、１つまたは複数の領域は、少なくとも部分的に融解され固化された複数の粒子を含む。いかなる特定の理論にも束縛されるものではないが、領域境界は、粒子が成長領域に蓄積するにつれて成長領域間に形成され、成長領域は部分的に融解され固化された粒子を含む境界表面を有し得ると考えられている。領域境界は垂直亀裂とは対照をなすものである。垂直亀裂は、亀裂が元の一体的かつ連続的な材料中で成長する際、コーティング内で発生する区切りである。亀裂表面は、亀裂の成長によって露出された結晶粒界または結晶粒内部の面からなる。複数の成長領域うちの少なくとも１つの成長領域の配向は、コーティングの第１表面に対して垂直でなくてもよく、ここでコーティングの第１表面はボンドコート上に堆積される。
図１は、例示的な遮熱コーティング系１０を示す。系１０は、第１表面１４および第２表面１５を有する構成要素１２を含む。ボンドコート１８は構成要素１２の第１表面１４上に配置され得る。ボンドコート１８は第１表面１４の少なくとも一部の上に配置される。系１０はさらに、第１表面１７および第２表面１９を有する遮熱コーティング１６を含む。遮熱コーティング１６の第１表面１７はボンドコート１８上に配置され、ボンドコート１８との界面２４を画定する。
構成要素１２の第１表面１４は、湾曲していてもまたは平面であっても、またはこれらの組み合わせであってもよい。遮熱コーティング１６およびボンドコート１８は共形的に構成要素１２の第１表面１４上に配置されてよい。
遮熱コーティング系１０は高温用途にて使用されてよい。一例において、遮熱コーティング系１０を、例えば、発電用または船舶、航空機もしくはその他の宇宙船（ｃｒａｆｔ）の推進用のガスタービンアセンブリを含むガスタービンアセンブリにて用いてよい。構成要素１２の非限定的な例としては、タービン翼、静翼および燃焼部品を挙げてもよい。いくつかの実施形態では、遮熱コーティング１６は、酸化物等のセラミック材料を含む。遮熱コーティング１６の特定例としては、イットリア安定化ジルコニア等の安定化ジルコニア、ジルコネート、ならびにハフネートおよびセレート等であり、イットリアまたはセリア等の他の安定化剤で安定化され得る酸化物を含む、その他の酸化物を挙げてもよい。
特定の実施形態にて、遮熱コーティング１６は概して、全体が参照番号２０で表される複数の成長領域を特徴としてよい。複数の成長領域のうち１つまたは複数の成長領域は、少なくとも部分的に融解され固化された複数の粒子を含む。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの成長領域の配向は、第１表面１７、または第１表面１７とボンドコート１８の界面２４に対して垂直でなくてよい。本発明で使用する場合、用語「垂直でない」とは断面内に形成される整列角度２２を意味し、ここで角度２２は、９０°から、（ａ）コーティング１６の第１表面１７の接線２３に対する法線２１と、（ｂ）領域境界２６に対する接線２５との間の角変位を引いた角度として定義される。一実施形態では、角度２２は遮熱コーティング１６とボンドコート１８との間の界面２４に対して約３０°〜約７５°の範囲であってよい。即ち、成長領域の最長軸は、コーティング１６の第１表面１７に対して約２０°〜約７５°の範囲の角度２２に配向されてよい。一実施形態では、すべての成長領域２０は互いに類似の角度に配向されてよい。本実施形態では、成長領域２０の角度は互いに５°以内である。一実施形態では、成長領域２０は約１超の縦横比からなってよい。
いくつかの実施形態では、成長領域２０はランダムに配向された、実質的に等軸の結晶粒を含むことができる。本発明で使用する場合、用語「実質的に等軸」とは、コーティング１６における結晶粒の集団が約３：１未満の平均縦横比を有することを意味する。また、「ランダムに配向される」とは、結晶粒の長軸（このような長軸が存在する場合）が全体的に噴霧方向または凝固方向に対して配向されないように好ましい配向が全体として欠いていることを意味する。また、いくつかの実施形態では、遮熱コーティング１６は概して異なる層状特徴が存在しないことを概して特徴としてよい。結晶粒の空間中の配列を意味する用語「配向」の使用は、当該技術分野においては材料の「組織」とも呼ばれる結晶学的配向と混同されてはならないことに留意されたい。
特定の実施形態にて、コーティング１６の堆積中に、材料が堆積されてコーティング１６を形成するとき、材料は領域２０中に蓄積する。いくつかの実施形態では、領域２０は比較的高密度のコーティング材料を有し得る。成長領域２０は領域境界２６によって定義されてよい。成長境界２６は、成長領域２０よりも比較的低い（が必ずしも０ではない）密度を有し得る。
本明細書においては「領域間密度」としても呼ばれる、成長領域２０中に含まれる材料の密度は、理論上の密度の少なくとも約７５％であってよい。いくつかの実施形態では、この密度は、例えば８５％超のようにさらに高く、特定の実施形態では、９５％超である。高い領域間密度により、望ましい耐浸食性がもたらされ得、コーティング１６の凝集強度を向上し得る。
特定の実施形態にて、領域２０中に存在する少なくとも５０％の材料は、少なくとも部分的に融解され固化された粒子を含み、特定の実施形態では、この量は少なくとも約８０％であってよく、さらに特定の実施形態では、領域２０中のほぼすべての材料が少なくとも部分的に融解され固化された粒子からなってよい。また、いくつかの実施形態では、蒸着メカニズムにより堆積されたコーティングとは著しく対照的に、領域２０は概して実質的な結晶学的組織を欠いている。その代わりに、領域２０は典型的には、実質的に等方性の結晶配向を有する。本文脈中、「実質的に等方性の結晶配向」とは、問題の材料が約０．７５〜約１．２５の範囲の組織係数を有することを意味する。組織係数とはD. S. Rickerby, A. M. JonesおよびB. A. Bellamy, Surface and Coatings Technology, 37, 111-137(1989)に定義される。
一実施形態では、１つまたは複数の成長領域は遮熱コーティング１６の厚さ２５を通って延びてよい。これらの実施形態では、成長領域２０は遮熱コーティング１６の第１表面１７から第２表面１９まで延びてよい。別の実施形態では、１つまたは複数の成長領域は遮熱コーティング１６の厚さ２５の一部のみを通って延びてよい。いくつかの実施形態では、成長領域はコーティング厚の少なくとも約５０％にわたって延び、特定の実施形態では、成長領域の長さはコーティング厚の少なくとも７５％である。本発明で使用する場合、本文脈中において成長領域の「長さ」は、コーティング１６における成長領域２０の集団の少なくとも代表的サンプルについて測定された平均長さとして定義されてよい。成長領域が遮熱コーティング１６の厚さ２５を通ってどの程度延びてよいかは、成長領域の配向、コーティング材料、コーティング１６堆積中の噴霧角度、またはこれらの組み合わせ等であるがこれに限定されない因子に依存してよい。一実施形態では、遮熱コーティング１６の厚さを通って延びる１つまたは複数の成長領域を有することが望ましい場合もある。いくつかの実施形態では、領域境界２６はコーティング厚の少なくとも約５０％に等しい長さだけ延び、この長さは特定の実施形態にて厚さの少なくとも７５％であってよい。概して、コーティング１６の耐ひずみ性はより長く、輪郭のはっきりした境界２６の存在によって向上し得る。
成長領域２０および領域境界２６が存在することにより、望ましい柔軟性および耐ひずみ特性がコーティング１６にもたらされてよい。一実施形態では、より幅狭の領域２０を有するコーティング１６は、より高密度の領域境界を有する。いくつかの実施形態では、領域２０の平均幅２８は約２０マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの範囲であってよい。他のいくつかの実施形態では、幅２８は約３０マイクロメートル〜約９０マイクロメートルの範囲であってよい。一実施形態では、幅２８は約４０マイクロメートル〜約８０マイクロメートルの範囲であってよい。特定の実施形態にて、成長領域２０の幅２８は、コーティング厚２５の３３％およびコーティング厚２５の６７％での噴霧方向に平行なコーティング１６の断面に沿って引かれた既知の長さの線によって各々が区切られた平均境界数に基づいて測定された。これらの実施形態では、平均領域幅は、区切られた境界の数で除された長さとして計算されてよい。特定の実施形態にて、コーティング体積の少なくとも約５０％は領域２０を含むため、コーティング１６全体が本明細書に記載される構造からなる必要はない。
本明細書に記載される利点により、遮熱コーティング系１０の高温用途にて使用するための適合性を向上し得る。いくつかの実施形態では、平滑表面上に堆積される従来の密なコーティングとは異なり、コーティング１６はＴＢＣ中に最小限の分割亀裂（ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｒａｃｋｓ）を有し得るか、またはまったく有しないが、この状態を本明細書においては、「実質的に亀裂がない」と呼ぶ。本産業においては垂直亀裂としても公知である分割亀裂は、通常密なコーティング中でより頻繁に見られる。これらの種類の亀裂は最外表面から厚さ全体またはコーティング厚を部分的に通って延びてよい。かかる亀裂は、亀裂中の空間は破断面が境界となっており、またその長さに沿って本質的にコーティング粒子がないという点で、領域境界とは区別可能である。対照的に、領域境界内の空間は、その長さに沿って少なくともいくらかのコーティング粒子等の堆積された材料を含む。特定の実施形態にて、実質的に亀裂がなく柔軟なコーティング１６により、著しく改善されたボンドコート１８への付着性がもたらされ得る。さらに、実質的に亀裂がなく柔軟なコーティング１６は、改善された信頼性、付着性および長い寿命を含む、著しく向上した熱サイクル性能を有するコーティングを提供し得る。特定の実施形態にて、コーティング１６はいかなる層間剥離亀裂も有しないことができる。
通常はプラズマ溶射堆積において、湾曲を有する表面については、コーティングする表面に対する望ましい噴霧角度を連続的に維持することが難しい。例えば、ロボットアームが表面の曲率変化に対応するのが困難な場合がある。従来のコーティングは、プラズマの入射角がコーティングされる表面に対して垂直ではない場合、より低い付着性および機械的強度を示す場合がある。特定の実施形態にて、所定の範囲内の噴霧角度における向上した付着性を示す方法およびコーティングが提供される。また、この方法は既存のＰＶＤ技術よりも費用効果的である。
図２は非平坦な表面３１を有する遮熱コーティング系３０の断面図である。図示した実施形態では、系３０は、概して矢印３３によって示される溶射ガン方向に対して垂直に見て、凹部３４および凸部３６を有する非平坦な基材３２を含む。系３０は、ボンドコート３８および遮熱コーティング４０をさらに含む。ボンドコート３８およびコーティング４０は下の表面に共形的であってよい。コーティング４０は、領域境界４３を有する複数の成長領域４２を含んでよい。
一例では、部分３４および３６は、噴霧角度４４が約２０°〜約７５°の範囲であり得るようなものであってよい。本発明で使用する場合、用語「噴霧角度」とは入射点３７における時計方向にて測定された角度であり、この角度は入射点３７にて表面３１に接する平面と、入射角と溶射ガンの位置をつなぐ直線３９との間を測定したものであり、ここで溶射ガンの位置は点３３により表され、表面３１に接する平面は直線３５により表される。
図３〜図５は、コーティングが堆積される表面に対して異なる噴霧角度で堆積された遮熱コーティングを示す。特定の実施形態にて、異なる噴霧角度により、コーティングの第１表面とボンドコートとの間の界面に対して異なる非垂直な角度に配向される、複数の成長領域がもたらされ得る。
図３は、ボンドコート６４上に配置されるコーティング６２を有する遮熱コーティング系６０を示し、ボンドコートは基材（図示せず）上に配置される。コーティング６２は、コーティング６２とボンドコート６４との間の界面に対して約７０°の角度に配向される複数の非垂直な成長領域６８を含む。図示した実施形態では、成長領域６８は互いに略平行である。成長領域６８はコーティング６２の厚さ全体を通って延びてよい。あるいは、成長領域６８はコーティング６２の厚さの一部のみに配置され得る。
図４は、基材（図示せず）上に配置されたボンドコート７４上に堆積されるコーティング７２を有する遮熱コーティング系７０を示す。コーティング７２は、コーティング７２とボンドコート７４との間の界面８０に対して約６０°の角度に配向される複数の非垂直な成長領域７８を含む。成長領域７８は互いに略平行である。成長領域７８はコーティング７２の厚さの一部を通る。
図５は、基材（図示せず）上に配置されたボンドコート９４上に堆積されるコーティング９２を有する遮熱コーティング系９０を示す。コーティング９２は、コーティング９２とボンドコート９４との間の界面１００に対して約４５°の角度に配向される複数の非垂直な成長領域９８を含む。成長領域９８は互いに略平行である。図示されているように、成長領域９８はコーティング９２の厚さ１０２全体を通る。
図３〜図５の図示された実施形態では、溶射ガンの角度と成長領域の配向は同じであっても異なっていてもよい。例えば、図３に戻ると、ガン角度は基材表面に対して約７５°であってよく、成長領域６８の配向は約７０°であってよい。同様に、図４に戻ると、ガン角度は約６０°であり、成長領域７８の配向は約５２°である。図５に戻ると、ガン角度は約４５°であり、成長領域９８の配向は約４０°である。
特定の実施形態にて、遮熱コーティングは比較的信頼性、付着性がより高く、より柔軟であり、従来のコーティングよりも長い寿命を有し得る。
タービンエンジン部品への遮熱コーティングの電子ビームプラズマ蒸着（ＥＢＰＶＤ）施工の費用効果的な代替物としては、懸濁液プラズマ溶射法を使用して、本明細書にて開示される遮熱コーティング系を堆積してよい。懸濁液プラズマ溶射法は、懸濁液中に分散した目的のコーティング材料の微細粒子またはその前駆体を利用するが、これらの微細粒子またはその前駆体は液体媒質中の懸濁液に分散され、プラズマ溶射トーチを通って、材料を部品の表面に堆積させる。特定の実施形態にて、遮熱コーティングは拡散ボンドコートまたはオーバーレイボンドコートの表面上に適用されてよい。
本発明のコーティングの優れた構造および性質は少なくとも部分的にその製造に用いられる処理のおかげである。この処理には大気プラズマ溶射が伴い、これにより上述のように、ＰＶＤまたは真空プラズマ溶射堆積等の真空装置の使用を必要とする処理に勝る特定の経済的利点および製造面での利点がもたらされる。特定の実施形態にて、この処理は液状剤中に懸濁された微細粒子を含む供給原料を使用し、これはプラズマ溶射トーチへと制御された方法で供給され、プラズマプルームに噴射されて基材上に堆積される。粒子は典型的には約０．１マイクロメートル〜約１０マイクロメートル、または０．２マイクロメートル〜１０マイクロメートルの範囲であるが、必ずしもこの範囲ではない平均粒径を有する。
図６はコーティングをアルミナイド系ボンドコート上に堆積させる方法の例示的フローチャートである。ブロック１１０にて、基材を準備してよい。基材はエンジン部品であってよい。基材は金属基材であってよく、これは平坦または非平坦な表面を有してよい。一実施形態では、基材は１つまたは複数の表面上に拡散ボンドコートを含んでよい。別の実施形態では、基材は１つまたは複数の表面上にオーバーレイボンドコートを含んでよい。一例では、拡散ボンドコートは気相アルミナイズ法を用いて基材表面上に堆積されてよい。
任意で、ブロック１１１では、ボンドコートは、気相堆積法等であるがこれに限定されない公知の技術を使用して堆積されてよい。一例では、アルミナイド系ボンドコートは基材の少なくとも一部の上に配置されてよい。
任意で、ブロック１１２では、ボンドコートの表面を処理して遮熱コーティングのボンドコートへの付着を促してよい。処理の非限定的な例はコーティングの堆積の前に粗化を含む。一例では、ボンドコートの表面はコーティングの堆積の前にグリットブラスト仕上げをしてよい。
ブロック１１４では、遮熱コーティングの材料の微細粒子または前駆体物質を含む供給原料を液体媒質中に懸濁させてよい。一実施形態では、粒子は約０．４マイクロメートル〜約２マイクロメートルの範囲の平均粒径を有し得る。一例では、懸濁液中の粉末の固形分含有量は約５重量％〜約４０重量％の範囲であってよい。
ブロック１１４では、懸濁液はプラズマ溶射ガンに制御された方法で供給されて、プラズマプルームに噴射され、基材上に堆積させてよい。
ブロック１１６では、溶射ガンは基材の表面を走査してコーティングを堆積させてよい。基材表面は規則的なまたは不規則なパターンで走査されてよい。一例では、プラズマ溶射トーチは基材表面をラスタしてよい。
プラズマ溶射トーチもしくはガン、基材、またはこの両方を、プラズマ溶射が基材の第１表面に約２０°〜約７５°の範囲の角度で入射するように、互いに配向してよい。一実施形態では、プラズマが基材上に入射する角度は堆積中異なっていてよい。別の実施形態では、プラズマが基材上に入射する角度は堆積中異なっていなくてもよい。
一例では、基材表面が変化する曲線を有する場合、表面が走査されるときに溶射角度を連続的に調節するのが容易でない場合がある。この例では、溶射ガンが基材上のある位置から他の位置へと移動するとき、プラズマが基材上に入射する角度は堆積中異なっていてよい。
イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）コーティングは、気相拡散ニッケルアルミナイドボンドコートによってＲｅｎｅ Ｎ５の２５ｍｍ直径、３ｍｍ厚のボタン基材に製造された。ＹＳＺコーティングはＮｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｍｅｔｔｅｃｈ社のＡｘｉａｌ ＩＩＩ ＤＣプラズマトーチを使用してボンドコート表面上に堆積された。ＹＳＺ堆積に先立って、６０ｐｓｉ空気圧にて、２２０メッシュ白色酸化アルミニウム媒体を使用した吹付け加工によってＶＰＡボンドコート表面を粗化する。
供給原料物質は、ポリエチレンイミンを分散剤（固形分の０．２重量％）として使用した、エタノール中に２０重量％で懸濁している約０．７５μｍの平均粒径（ｄ50）を有するＹＳＺ粉末（ＺｒＯ2−（７〜８）重量％Ｙ2Ｏ3）であった。２つの異なる懸濁液は、ドイツ、ラウフェンブルクのＵＣＭ Ｃｅｒａｍｉｃｓ社から入手した異なるＹＳＺ粉末を使用して調製された。２つの異なる懸濁液を共に混合して、最終的な粒径分布を得た。各粉末は異なる平均寸法を有した単峰性粒径分布を有していた。製造業者から提供される粉末のうち一方のｄ50はおよそ０．６ミクロンであり、他方の粉末のｄ50はおよそ１．０ミクロンであった。
懸濁液を、外部チューブを通して送られる窒素噴霧ガスによって、チューブインチューブ型噴霧インジェクタの中心チューブを通してＮｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｍｅｔｔｅｃｈ社Ａｘｉａｌ ＩＩＩトーチに注入した。プラズマトーチ端部には３／８インチ直径のノズルを使用した。トーチ電力は約１０５ｋＷであった。懸濁液供給速度はＹＳＺ約２５ｇ／分または約０．６ポンド／時であった。プラズマトーチは６００ｍｍ／秒で基材上をラスタしながら、トーチノズルと基材間の一定の噴霧距離１００ｍｍを維持した。サンプル表面に対してプラズマトーチの異なる噴霧角度でコーティングが製造された。９０°、７５°、６０°および４５°の角度を用いて付着性および熱サイクル性能を評価した。約１５０〜約２２０ミクロンのコーティング厚が得られた。ＹＳＺ堆積に使用されるプラズマ条件は、１５％窒素、１０％水素および７５％アルゴンを有する全ガス流量３５０ｓｌｐｍであった。２００Ａの電流を３つの電極各々に使用し、合計ガン電力はおよそ１０５ｋＷであった。６ｓｌｐｍの窒素キャリアガスがさらに使用された。
特定の実施形態にて、コーティング角度が９０°から４５°に減少されたため、意外にも２０％の破砕を引き起こす熱サイクルの数は全体的に増加を示した。４５°の噴霧角度で堆積されたコーティングに対して２０％の破砕を引き起こす平均熱サイクル数は、９０°の噴霧角度で堆積されたコーティングのそれよりも６０％上回った。
図７〜図１０に示されるコーティングは上述と同様にして製造されたが、ただしこれらサンプルの供給原料は約１ミクロンのｄ50を有するＹＳＺ粉末からなる懸濁液であった。
図７は、９０°の噴霧角度で堆積されたコーティング１４２を示し、図８は、７５°の噴霧角度で堆積されたコーティング１４４を示し、図９は、６０°の噴霧角度で堆積されたコーティング１４６を示し、図１０は、４５°の噴霧角度で堆積されたコーティング１４８を示す。供給原料により粗大な粒子がある場合、付着性がある柔軟なコーティングを製造した噴霧角度は、より微細な粒子を含む供給原料から製造されたコーティングよりも小さく、粒径と噴霧角度との間の予期しない相互作用を示唆することが見出された。
本発明の特定の特徴が本明細書に示され記載されたが、当業者は多くの改変および変更を想到するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の範囲内にあるそのような改変および変更をすべて包含することを目的としていると理解すべきである。
１０ 遮熱コーティング系
１２ 構成要素
１４ 第１表面
１５ 第２表面
１６ 遮熱コーティング
１７ 第１表面
１８ ボンドコート
１９ 第２表面
２０ 成長領域
２１ 法線
２２ 整列角度
２３ 接線
２４ 界面
２５ 接線
２５ コーティング厚
２６ 領域境界
２８ 幅
３０ 遮熱コーティング系
３１ 表面
３２ 基材
３３ 矢印
３４ 凹部
３５ 直線
３６ 凸部
３７ 入射点
３８ ボンドコート
３９ 直線
４０ 遮熱コーティング
４２ 成長領域
４３ 領域境界
４４ 噴霧角度
６０ 遮熱コーティング系
６２ コーティング
６４ ボンドコート
６８ 成長領域
７０ 遮熱コーティング系
７２ コーティング
７４ ボンドコート
７８ 成長領域
８０ 界面
９０ 遮熱コーティング系
９２ コーティング
９４ ボンドコート
９８ 成長領域
１００ 界面
１０２ 厚さ
１１０ ブロック
１１１ ブロック
１１２ ブロック
１１４ ブロック
１１６ ブロック
１４２ コーティング
１４４ コーティング
１４６ コーティング
１４８ コーティング

Claims (20)

  1. 第１表面および第２表面を含むコーティングであって、
    複数の成長領域を含み、
    前記複数の成長領域のうち少なくとも１つの成長領域の配向はコーティングの第１表面に対して垂直ではなく、前記複数の成長領域のうち１つまたは複数の成長領域は、少なくとも部分的に融解され固化された複数の粒子を含む、コーティング。
  2. 前記少なくとも１つの成長領域の前記配向は、前記コーティングの前記第１表面に対して約７５°未満である、請求項１記載のコーティング。
  3. 前記複数の成長領域は実質的に等軸の結晶粒形態を有する、請求項１記載のコーティング。
  4. 前記複数の成長領域は少なくとも約７５％の領域間密度を有する、請求項１記載のコーティング。
  5. 前記複数の成長領域は約２０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲の幅を有する、請求項１記載のコーティング。
  6. 前記コーティングは少なくとも約９０％の密度を有する、請求項１記載のコーティング。
  7. 前記コーティングはセラミックコーティングを含む、請求項１記載のコーティング。
  8. 前記コーティングは酸化物コーティングを含む、請求項１記載のコーティング。
  9. 前記コーティングは噴霧コーティングを含む、請求項１記載のコーティング。
  10. 前記コーティングは安定化ジルコニア、ジルコネート、安定化酸化物、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１記載のコーティング。
  11. 前記コーティングはイットリア安定化ジルコニアを含む、請求項１記載のコーティング。
  12. 前記コーティングの体積の約５０％未満は前記成長領域を含む、請求項１記載のコーティング。
  13. 前記コーティングは遮熱コーティングを含む、請求項１記載のコーティング。
  14. 第１表面および第２表面を含む基材と、
    前記基材の前記第１表面の少なくとも一部の上に配置されるボンドコートと、
    前記ボンドコートの少なくとも一部の上に配置されるコーティングとを含み、
    前記コーティングは複数の成長領域を含み、前記複数の成長領域のうち少なくとも１つの成長領域の配向は、前記ボンドコートと前記コーティングとの間の界面に対して垂直ではなく、前記複数の成長領域のうち１つまたは複数の成長領域は、少なくとも部分的に融解され固化された複数の粒子を含む、遮熱コーティング系。
  15. 前記ボンドコートは、拡散ボンドコートまたはオーバーレイボンドコートを含む、請求項１４記載の系。
  16. 前記ボンドコートは、約１５０マイクロインチＲa未満の表面粗さを有する、請求項１４記載の系。
  17. 前記コーティングの前記ボンドコートへの付着強度は約７メガパスカルより大きい、請求項１４記載の系。
  18. 前記コーティングの前記ボンドコートへの付着強度は約２８メガパスカルより大きい、請求項１４記載の系。
  19. 物品はガスタービンアセンブリの部品を含む、請求項１４記載の系。
  20. 液体媒質中に供給原料材料が懸濁している懸濁液を準備するステップと、
    表面の接線に対して約７５°未満の噴射角度にて前記表面に噴霧するステップと
    を含む、表面をコーティングする方法。
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