JP2016125487A - シュラウドの摩耗性コーティング及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温摩耗性コーティング及び高温摩耗性コーティングを製造する方法を提供する。
【解決手段】高い流路固体性、低いブレード先端の損耗及び使用中の良好な耐久性という明らかに互いに相反する要求のバランスをとる摩耗性コーティングを有するタービンシュラウドを製造する方法は、実質的に滑らかな流路表面を形成するためにコーティングシステムの表面上に摩耗性コーティングを形成することを含んでもよい。摩耗性コーティングを形成することは、相対的に多孔質の滑らかな摩耗性コーティングを形成することを含む。また、本方法は、実質的に滑らかな流路表面を得るために摩耗性コーティングを機械加工することを含んでもよい。
【選択図】図１

Description

本技術は、一般に、高温摩耗性コーティング及び高温摩耗性コーティングを製造する方法に関し、具体的には、高温摩耗性コーティングを有するタービンシュラウドに関する。

比較的容易に摩耗する材料が、回転部品（ロータ）と固定部品（ステータ）との間のシールを形成するために使用される場合がある。典型的には、ロータは、ロータとステータとの間の比較的小さな隙間によって特徴付けられるシールを形成するために、摩耗性材料を有するステータの部分を損耗させる。摩耗性シールの適用例は、シャフトに取り付けられる、複数のブレードを含むロータが固定シュラウドによって囲まれるタービン（例えば、ガスタービン）である。高圧タービン（ＨＰＴ）セクションにおいて、これらのシュラウドは、タービンの高温ガス流路を形作る。ブレード先端とシュラウドの内壁との間のクリアランスを最小にすることは、ブレード先端付近の高温ガスの漏れを低減し、タービン効率の改善をもたらす。

ブレード先端の損耗を低減するために、シュラウド流路表面上にパターン化された摩耗性構造を使用することが知られている。通過するブレードと接触するシュラウド表面の固体性を低下させることによって、相対的なブレード先端の損耗が低減される。パターン化されたシュラウド表面は、ブレードの損耗を低減し得るものの、通過するブレード先端における漏れ損失に起因してタービン効率を低下させ得る。結果として、漏れを低減するためには、実質的に滑らかな連続的な流路表面の摩耗性構造が求められる一方で、ブレード先端の損耗を最小にするためには、パターン化された摩耗性表面が求められる。シュラウド流路表面に関するこの明らかな対立を解決する１つの手法は、実質的に滑らかな連続的な流路表面に極めて多孔質の摩耗性材料を使用することである。しかしながら、このような材料は、非常に脆く、侵食条件及び他の過酷な環境条件下での低い耐久性を欠点とすることが分かっている。

結果として、高い流路固体性、低いブレード先端の損耗及び使用中の良好な耐久性という互いに相反する要求のバランスをとる構造及びミクロ組織を含む摩耗性シュラウドを作製する方法並びに結果として得られる摩耗性シュラウドの必要性が存在する。

欧州特許出願公開第２９１８６９８号明細書

本技術の一例によれば、タービンシュラウドを製造する方法は、実質的に滑らかな連続的な流路表面を形成するために、タービンシュラウドの基材上に設けられたバリアコーティングシステム上に多孔質の脆いコーティングを形成するステップを含む。

本技術の別の例によれば、タービン用のシュラウドは、回転するタービンブレードの先端に隣接して配置され、かつタービン流路の外側環状部を少なくとも部分的に形作るように構成された外面を有する基材と、基材の外面の少なくとも一部に重なるバリアコーティングシステムと、バリアコーティングシステムの少なくとも一部に重なる多孔質の脆いコーティングであって、実質的に滑らかな連続的な流路表面を形作る多孔質の脆いコーティングとを含む。

本開示のこれらの及び他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関連して行われる、本開示の様々な態様に関する以下の詳細な説明から明らかとなる。

本開示に係る摩耗性コーティングを有するシュラウドの例示的な実施形態の上面図であり、通過するタービンブレードの跡を示している。 本開示に係る例示的なシュラウドの部分の断面図である。 本開示に係る摩耗性コーティングを有する例示的なシュラウドを製造する例示的な方法を表すフローチャートである。 本開示に係る摩耗性コーティングを有する例示的なシュラウドを製造する例示的な方法を表すフローチャートである。 本開示に係る摩耗性コーティングを有する例示的なシュラウドを製造する例示的な方法を表すフローチャートである。 本開示に係る摩耗性コーティングを有する例示的なシュラウドを製造する例示的な方法を表すフローチャートである。 本開示に係る別の例示的なシュラウドの部分の断面図である。

近似的な言葉は、本明細書及び特許請求の範囲にわたって本発明に関して使用されるとき、任意の量的表現であって、それが関係する基本機能の変化をもたらさずに許容範囲内で変化し得る任意の量的表現を修飾するために使用されてもよい。したがって、「約」などの用語又は複数の用語によって修飾されている値は、特定のまさにその値に限定されるわけではない。一部の例において、近似的な言葉は、値を測定するための機器の精度に対応し得る。

上述したように、従来のタービンシュラウドは、タービンブレードがシュラウド接触したとき／場合に摩耗するように構成されたパターン化された表面又は実質的に滑らかな表面のいずれかを含む。シュラウドの実質的に滑らかな摩耗性表面は、流路固体性を維持するが、激しいブレード先端の損耗をもたらし得る。パターン化された摩耗性シュラウド表面は、パターン化されていない又は実質的に滑らかな流路シュラウドに比べてブレード先端の損耗の大幅な減少をもたらすが、タービン効率の低下につながる、ブレード先端における漏れを許してしまう。本技術は、高い流路固体性、低いブレード先端の損耗及び高い耐久性という明らかに相反する要求のバランスをとるハイブリッド構造を含むシュラウドコーティング、コーティングされたシュラウド及びシュラウドをコーティングする方法を提供する。

図１及び図２を参照すると、摩耗性コーティングが施されたシュラウド構造１０は、基材１２及びハイブリッド構造を有し、かつ基材１２の一部に重なる摩耗性コーティング１４を含んでもよい。摩耗性コーティング１４は、使用時にタービンブレード１００の先端１２２に隣接した位置にある、シュラウド１０の内向きの表面の少なくとも一部に重なっていてもよい。シュラウド１０は、少なくとも部分的に、タービンの特定の部分を通る高温ガス流路の表面３０（すなわち、タービン流路の外側環状部）を形作っていてもよい。ブレード先端１２２における漏れを低減する（及びタービンの効率を高める）ために、シュラウド１０及びブレード先端１２２は、ブレード先端１２２が、タービン運転時に摩耗性コーティング１４を擦るように構成されてもよい。摩耗性コーティング１４の構造は、シールがブレード先端１２２とシュラウド１０の摩耗性コーティング１４との間に形成されるようにブレード侵入時に損耗するように構成される。シュラウド１０の摩耗性コーティング１４の構造は、実質的に滑らかな流路表面３０を形成し、侵入時のブレードの損耗を低減し、タービンの使用時に熱機械的に耐久性のある流路表面３０を実現するように構成される。

図２を参照すると、基材１２は、金属又は金属合金を含んでもよいし、或いは金属又は金属合金から形成されてもよい。金属又は金属合金は、ニッケル基及び／又はコバルト基のもの（ニッケル基又はコバルト基超合金など）であってもよい。基材１２は、セラミック（セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料など）を含んでもよいし、或いはこれから形成されてもよい。セラミック及び／又はＣＭＣの基材１２は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材及び／又は酸化物／酸化物複合材であってもよい。図２に示されているように、基材１２は、内側基部であって、その上に他の構成要素又は材料がシュラウド構造１０を形成するために適用又は付加され得る内側基部を形成してもよい。基材１２は、少なくとも概ねシュラウド構造１０の形状及びサイズを形成してもよい。基材１２が、実質的にシュラウド構造１０の構造支持部を実現してもよい。

シュラウド１０は、基材１２上に配置されたコーティングシステム２０を含んでもよい。コーティングシステム２０は、１種類以上の成分又は材料を含んでもよく、基材１２と摩耗性コーティング１４との間に配置されてもよい。コーティングシステム２０は、ボンドコート、バリアコーティング又はボンドコート及びバリアコーティングを含んでもよい。例えば、基材１２は、金属であってもよく、シュラウド１０のコーティングシステム２０は、その上に適用される遮熱コーティング（ＴＢＣ）を含んでもよい。ＴＢＣベースのコーティングシステム２０は、１つ以上のＴＢＣ層を含んでもよい。１つ以上のＴＢＣ層は、ジルコニアベースであってもよい。コーティングシステム２０の１つ以上のＴＢＣ層は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）（７〜８重量％のイットリアを含有するジルコニアなど）を含んでもよい。コーティングシステム２０の１つ以上のＴＢＣ層は、完全安定化ジルコニア（ＦＳＺ）を含んでもよい。

基材１２は、セラミックであってもよく、コーティングシステム２０は、その上に適用される環境バリアコーティング（ＥＢＣ）を含んでもよい。ＥＢＣベースのコーティングシステム２０は、１つ以上のＥＢＣ層を含んでもよい。コーティングシステム２０の１つ以上のＥＢＣ層は、ケイ酸塩ベースであってもよい。コーティングシステム２０の１つ以上のＥＢＣ層は、１種類以上の希土類ケイ酸塩（ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇及び／又はＲＥ₂ＳｉＯ₅（ただし、ＲＥは、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ及びＬｕの１つ以上を含む）など）を含んでもよい。

コーティングシステム２０は、基材１２に重なるボンドコートを含んでもよい。コーティングシステム２０は、ボンドコート上に適用されるＥＢＣ又はＴＢＣコーティングを含んでもよい。ボンドコートは、基材１２に耐酸化性を付与してもよく及び／又はＥＢＣ／ＴＢＣコーティングの付着の維持を助けてもよい。シュラウド１０は、ＴＢＣコーティングが施された金属の基材１２を含んでもよく、コーティングシステム２０は、基材１２とＴＢＣコーティングとの間に、ＮｉＡｌ、（Ｐｔ，Ｎｉ）Ａｌ又は（Ｎｉ，Ｃｏ）ＣｒＡｌＹタイプの組成物を含むボンドコートを含んでもよい。シュラウド１０は、ＥＢＣコーティングが施されたセラミックの基材１２を含んでもよく、コーティングシステム２０は、基材１２とＥＢＣコーティングとの間にＳｉベースのボンドコートを含んでもよい。

図１及び図２に示されているように、また上述したように、シュラウド１０は、シュラウド１０の少なくとも一部（シュラウド１０のコーティングシステム２０（例えば、ＥＢＣ／ＴＢＣベースのコーティングシステム２０）の外面上など）に重なる摩耗性コーティング１４を含んでもよい。摩耗性コーティング１４は、流路表面３０が、シュラウド１０及びロータが組み立てられたときにタービンの中心線を向くようにシュラウド１０の流路表面３０を形作ってもよい。例えば、図１及び図２に示されているように、摩耗性コーティング１４は、摩耗性コーティング１４が少なくとも概ね、シュラウド１０の流路表面３０を通過する先端１２２を有する回転するタービンブレード１００を向く又はこれに向けられるようにシュラウド１０の流路表面３０を形成してもよい。ブレード１００は、タービンブレード１００が、シュラウド１０上に設けられた摩耗性コーティング１４上を通過するときにブレードトラック１２４に沿って摩耗性コーティング１４の一部を摩耗させ得るか、損耗させ得るか又は除去し得る。摩耗性コーティング１４内へのタービンブレード先端１２２の侵入は、図１に示されているように、それとの接触時に摩耗性コーティング１４内に損耗トラック１２４を形成し得る。図１の矢印１０２は、上で説明したような、タービンロータの回転の結果としての、摩耗性コーティング１４に対するタービンブレード１００の平行移動の方向を示している。図１の矢印１０４は、摩耗性コーティング１４及びブレード１００に対する流体の流れの軸方向を示している。タービンブレード先端１２２は、図１の点線によって示されているように損耗トラック１２４の境界を画定する前縁１１２及び後縁１０８を含んでもよい。損耗トラック１２４は、摩耗性コーティング１４の一部しか含まなくてもよく、この場合、損耗トラック１２４の境界の外に位置する、摩耗性コーティング１４の１以上の摩耗しない部分１２６は損耗しないままであり得る。以下でさらに説明されるように、摩耗性コーティング１４は、第２の領域１８を囲む第１の領域１６をさらに含んでもよく、この場合、ブレードトラック１２４は、第１の領域１６及び第２の領域１８に及ぶ。

コーティングシステム２０の最も外側の表面から流路表面３０まで測定される、摩耗性コーティング１４の厚さは、約０．１ｍｍ〜約２ｍｍの範囲内、より好ましくは、約０．２ｍｍ〜約１．５ｍｍの範囲内であってもよい。摩耗性コーティング１４は、最初は、上で説明した厚さよりも厚く製造され、上で説明した厚さを得るために機械加工又は処理されてもよい。例えば、第１の領域１６及び第２の領域１８を有する摩耗性コーティング１４を形成又は製造した後に、摩耗性コーティング１４は、ブレード先端１２２と流路表面３０との間に所望のクリアランスを設けるために、摩耗性コーティング１４から材料を除去することによって機械加工、研磨又は処理されてもよい。所望の流路表面３０を形成するために製造時の状態から摩耗性コーティング１４を処理することにより、摩耗性コーティング１４の厚さが低減されてもよい。流路表面３０は、実質的に滑らかであってもよい。流路表面３０は、周方向及び／又は軸方向にある程度の曲率を含んでもよい。別の例として、基材１２は、ある曲率を含んでもよく、流路表面３０の曲率は、基材１２のそれと実質的に一致してもよい。

図２を参照すると、第２の領域１８は、第１の領域１６よりも本質的に摩耗しやすくてもよい。例えば、第２の領域１８の材料しか含まない摩耗性シュラウドコーティングは、第２の領域１８の材料の代わりに第１の領域１６の材料を含む摩耗性シュラウドコーティングに比べて、回転するタービンブレードの先端によってより容易に摩耗され得る。第１の領域１６は、過度のブレードの損耗なしにブレード先端１２２の侵入を支えながらも機械的完全性を提供する相対的に高密度のリッジ又は相対的に「高い」部分のパターン化された構造又は足場であってもよい。第２の領域１８は、第１の領域又は足場１６に比べて、単体構造として相対的に劣った機械的完全性を有するのと同時にブレード侵入を受けて容易に摩耗する非常に脆いミクロ組織を含んでもよい。第２の領域１８の非常に脆いミクロ組織は、例えば、第１の領域１６に比べて相対的に多孔質の及び／又はミクロクラックのあるミクロ組織を用いて得られてもよい。図１及び図２に示されているように、第２の領域１８は、典型的なタービン運転（典型的な侵食条件、ガス負荷条件及び動的条件下での運転を含む）時に実質的に無傷のままでありながらもブレード侵入を容易にするために、相対的に高密度の足場又は第１の領域１６によって囲まれてもよい。摩耗性コーティング１４の第１の領域１６及び第２の領域１８は、連続的な、実質的に滑らかな流路表面３０を一緒に形成してもよい。これにより、摩耗性コーティング１４の第１の領域１６及び第２の領域１８は、高い流路固体性、低いブレード先端の損耗及び高い耐久性という明らかに相反する要求のバランスをとる熱機械的にロバストな摩耗性構造を形成し得る。

第２の領域１８は、第１の領域１６よりも高密度でなくてもよい。例えば、第２の領域１８は、約２０％〜約６５％の気孔率を含んでもよく、一方、第１の領域１６は、約２０％未満の気孔率を含んでもよい。例えば、第２の領域１８は、約２５％〜約５０％の気孔率を含んでもよく、一方、第１の領域１６は、約１５％未満の気孔率を含んでもよい。摩耗性コーティング１４の第１の領域１６及び第２の領域１８の両方は、少なくとも約１１５０℃、例えば、少なくとも約１３００℃の温度に耐えることが可能であってもよい。

摩耗性コーティング１４の第２の領域１８を製造する方法は、体積分率、サイズ、形状、向き及び気孔率の空間分布を決定する１種類以上の逃散性充填材料の使用を含んでもよい。充填材料は、逃散性材料及び／又は細孔誘導剤（ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエステル、ナイロン、ラテックス、クルミ殻、無機塩類、グラファイト及びこれらの組合せなどであるが、これらに限定されない）を含んでもよい。第２の領域１８の充填材料は、第２の材料の使用時の密度を低くするように機能してもよい。第２の領域１８の充填材料の少なくとも一部は、製造工程（その後の熱処理又は化学処理又は機械処理など）の間又はシュラウド１０の使用中に第２の領域１８から蒸発、熱分解、溶解、浸出又は除去されてもよい。摩耗性コーティング１４の第２の領域１８を製造する方法は、（軽く焼結された粉末凝集体を形成することなどのために）１種類以上の焼結助剤の使用を含んでもよい。

摩耗性コーティング１４の第１の領域１６及び第２の領域１８は、実質的に同じ組成物又は材料を含んでもよい。例えば、摩耗性コーティング１４の第１の領域１６及び第２の領域１８は、両方とも実質的に、安定化ジルコニア（金属基材の場合など）又は希土類ケイ酸塩（セラミック基材の場合など）を含んでもよい。摩耗性コーティング１４の第１の領域１６及び第２の領域１８の両方は、実質的に、安定化ジルコニアを含んでもよく、シュラウド１０の基材１２は、ニッケルベース及び／又はコバルトベースであってもよい。摩耗性コーティング１４の第１の領域１６及び第２の領域１８の両方は、実質的に、希土類ケイ酸塩を含んでもよく、シュラウド１０の基材１２は、ＳｉＣベース及び／又はＭｏ−Ｓｉ−Ｂベースであってもよい。第１の領域１６及び第２の領域１８の組成物又は材料は、実質的に異なってもよい。第１の領域１６及び第２の領域１８の少なくとも一方は、実質的に、下にあるコーティングシステム２０の１種類以上の材料（例えば、コーティングシステム２０を含むＥＢＣ／ＴＢＣ及び／又はボンドコート）を含んでもよいし、或いはこれから形成されてもよい。

図２に示されているように、第２の領域１８は、実質的に第１の領域又は足場１６によって囲まれてもよい（すなわち、足場１６のパターンの間又は内に配置されてもよい）。第１の領域１６及び第２の領域１８は、通過するタービンブレードが、流路表面３０上を通過し、場合によってはこれを擦り、その結果、シュラウド１０の摩耗性コーティング１４の第１の領域１６及び第２の領域１８の両方を除去するように配置又は構成されてもよい。このようにして、第１の領域又は足場１６は、過度のブレードの損耗なしにブレード先端１２２の侵入を支えながらも、運転中の損傷、例えば、侵食から実質的に脆い第２の領域１８を保護するために機械的完全性を提供し得る。シュラウド１０の摩耗性コーティング１４の第１の領域１６及び第２の領域１８は、第２の領域１８が図２に示されているように第１の領域１６の間に配置される（すなわち、第１の領域１６によって囲まれる）ようなパターン、配置又は向きなどに配置されてもよい。摩耗性コーティング１４の第１の領域１６及び第２の領域１８は、より高密度の第１の領域１６が、侵食性フラックスからより脆い第２の領域１８を効果的に保護するように配置されてもよい。

シュラウド１０の摩耗性コーティング１４の第１の領域１６は、コーティングシステム２０から流路表面３０まで延在するリッジを含んでもよいし、或いはこれによって形作られてもよい。例えば、図２に示されているように、摩耗性コーティング１４の第１の領域１６は、コーティングシステム２０から延在する周期的なリッジを含んでもよい。一部の実施形態では、摩耗性コーティング１４の第１の領域１６の隣り合うリッジは、互いに分離されてもよい。一部の他の実施形態では、図２に示されているように、摩耗性コーティング１４の第１の領域１６の隣り合うリッジは、それらの基部を介して連続していてもよい。リッジ（及び／又は第１の領域１６の他の部分）は、通過するタービンブレードの方向に対して少なくとも概ね垂直な方向に沿って延在してもよい。摩耗性コーティング１４の第１の領域１６は、タービンブレードのキャンバ線に実質的に一致する経路又は形状に沿って延在してもよい。摩耗性コーティング１４の第１の領域１６は、周期的なリッジの平行移動の方向がブレードの通過方向１０２と実質的に平行となるように配置された一組の実質的に周期的に離間されたリッジを備える。第１の領域１６のリッジは、パターン化されたリッジ構造（平行四辺形、六角形、円形、楕円形又は他の開いたもしくは閉じた形状など）を備える互いに平行でない部分を有してもよい。摩耗性コーティング１４の第１の領域又はリッジ１６のそれぞれは、その隣の第１の領域又はリッジ１６から実質的に等距離にあってもよい。摩耗性コーティング１４の１つ以上の第１の領域又はリッジ１６は、その隣の第１の領域又はリッジ１６から不定に離間されてもよい。

シュラウド１０の摩耗性コーティング１４の第１の領域１６及び第２の領域１８の少なくとも一方は、侵入時にタービンブレードが、摩耗性コーティング１４の第１の領域１６及び第２の領域１８を通過し、第１の領域１６が、第２の領域１８を囲むように、直線的に延在してもよく、非直線的に延在してもよく（例えば、１つ以上の湾曲、屈曲、もしくは角度を含んでもよく）、互いに交差してもしなくてもよく、規則的もしくは不規則的なパターンを形成してもよく又はこれらの組合せもしくは任意の他の配置、パターン、もしくは向きからなってもよい。

図２を参照すると、第１の領域１６は、厚さが平均化されたリッジの固体性が約３０％となるような仕方で相対的に厚いリッジを含む。第１の領域１６は、コーティングシステム２０上に延在してもよく、第２の領域１８は、実質的に、第１の領域１６の谷又は相対的に薄い部分の上に延在してもよい。このように、第２の領域１８は、第１の領域１６の谷を埋めてもよい。第１の領域１６及び第２の領域１８は、コーティングシステム２０から流路表面３０まで延在してもよい（図示せず）。

第１の領域１６の隣り合うリッジ間の中心から中心までの距離は、約１ｍｍ〜６ｍｍの範囲内、例えば、約２ｍｍ〜５ｍｍの範囲内であってもよい。第１の領域１６から構成される流路表面３０の全表面積の割合として定義される、第１の領域１６の固体性は、約２％〜約５０％の範囲内、より好ましくは、約５％〜約２０％の範囲内であってもよい。

図３〜図５は、摩耗性コーティングを有するシュラウドを製造する方法２００、３００及び４００を表すフローチャートを含む。摩耗性コーティングを有するシュラウドを製造する方法２００、３００及び４００は、図１及び図２に関して上で説明したシュラウド１０及び摩耗性コーティング１４（それらの変形例又は代替的な実施形態を含む）の１つ以上を含んでもよい。したがって、シュラウド１０及び摩耗性コーティング１４に関する図１及び図２並びに本明細書の説明又は開示のすべて、並びに、それらの関係する態様、コーティング、層、特徴、寸法、機能及び配置など（及びこれらの代替例、同等物及び修正例）は、摩耗性コーティングを有するシュラウドを製造する図３〜図５の例示的な方法２００、３００及び４００にも同様に適用され、本明細書では具体的に述べられない場合がある。摩耗性コーティングを有するシュラウドを製造する図３〜図５の方法２００、３００及び４００は、図１及び図２に関して上述したのとは異なる１つ以上の態様を有する摩耗性コーティング１４を有する１つ以上のシュラウド１０を製造するために利用されてもよい。

図３を参照すると、摩耗性コーティングを有するシュラウドを製造する方法２００は、シュラウド基材を形成又は獲得するステップ２０２を含んでもよい。シュラウド基材を形成するステップ２０２は、少なくとも部分的にシュラウド基材１２を製造又は形成することを含んでもよい。

方法２００は、シュラウド基材１２の表面上にコーティングシステムを形成又は獲得するステップ２０４を含んでもよい。シュラウド基材の表面上にコーティングシステムを形成又は獲得するステップ２０４は、シュラウド基材の１以上の表面上にＴＢＣコーティングを形成もしくは獲得すること又はシュラウド基材の１以上の表面上にＥＢＣコーティングを形成もしくは獲得すること２０４を含んでもよい。

シュラウド基材の外面上にコーティングシステムを形成又は獲得するステップ２０４は、基材の表面の少なくとも一部の上にコーティングシステムを噴霧、圧延、印刷するか、或いは機械的及び／又は物理的に適用することによって基材の外面の少なくとも一部にコーティングシステムを適用することを含んでもよい。シュラウド基材の外面上にコーティングシステムを形成又は獲得するステップ２０４は、基材に対してコーティングシステムを硬化させるか、乾燥させるか、拡散させるか、焼結するか又は十分に接着もしくは結合させるために適用時のコーティングシステム材料を処理することを含んでもよい。

方法２００は、相対的に高密度の摩耗性足場又は第１の領域１６を形成するステップ２０６を含めて、シュラウド基材の少なくとも一部の上（上で説明したコーティングシステム２０の上など）に相対的に高密度の摩耗性足場を形成するステップ２０６を含んでもよい。

一部の実施形態では、シュラウド基材の少なくとも一部の上に相対的に高密度の摩耗性足場を形成するステップ２０６は、最小限のブレードの損耗でブレード先端の侵入を支えるために十分に低い固体性を有する摩耗性コーティングに機械的完全性を付与する相対的に高密度の、丈夫な、パターン化された構造を形成することを含む。シュラウド基材の少なくとも一部の上に相対的に高密度の摩耗性足場を形成するステップ２０６は、流路表面を形成するために足場内に、ブレード侵入を受けて容易に摩耗する相対的に多孔質の脆い充填材領域を形成するステップ２０８の前に実行されてもよい。

シュラウド基材の少なくとも一部の上に相対的に高密度の摩耗性足場を形成するステップ２０６は、少なくとも１種類の付加製造方法又は技術（第１の領域１６のリッジの足場パターン又は構造を形成するための、パターン化されたマスクを介した足場の相対的に高密度の摩耗性材料（例えば、上述した第１の領域１６の材料）の溶射など）を含んでもよい。シュラウド基材の少なくとも一部の上に相対的に高密度の摩耗性足場を形成するステップ２０６は、相対的に高密度の摩耗性材料を足場の形に直接書込み溶射することを含んでもよい。直接書込み溶射することは、足場を形成するために、面積が小さいガン及び動的開口を利用することを含んでもよい。シュラウド基材の少なくとも一部の上に相対的に高密度の摩耗性足場を形成するステップ２０６は、コーティングシステム上にスラリーペーストを未焼結の足場パターンの形で供給し、その後、スラリーペーストを焼結して相対的に高密度の足場を形成するためにスラリーペーストを熱処理することを含んでもよい。

シュラウド基材の少なくとも一部の上に相対的に高密度の摩耗性足場を形成するステップ２０６は、相対的に高密度の摩耗性材料の連続的なブランケット層を適用し、その後、相対的に高密度の摩耗性材料の足場又はパターンを選択的に形作るためにブランケット層の一部を除去することを含んでもよい。足場又はパターンを選択的に形作るためにブランケット層の一部を除去することは、足場又はパターンを選択的に形作るためにブランケット層の一部を機械加工することを含んでもよく、これは、相対的に高密度の摩耗性材料のブランケット層の一部を除去するために切削機、ウォータージェット装置、レーザ、研磨グリットブラスタ又はこれらの組合せを利用することによって実行されてもよい。

シュラウド基材の少なくとも一部の上に相対的に高密度の摩耗性足場を形成するステップ２０６は、焼結時に相対的に高密度の摩耗性材料（例えば、上述した第１の領域１６の材料）を形成する未焼結の足場又はパターンを形成するために結合剤及び（場合により）１種類以上の焼結助剤と共にセラミック粉末をスクリーン印刷すること、スラリー噴霧すること又はパターン化テープキャスティングすることを含んでもよい。

高密度の摩耗性足場の間に相対的に多孔質の脆い充填材領域を形成するステップ２０８は、相対的に高密度の摩耗性足場の間に相対的に多孔質の脆い充填材領域（例えば、上述した第２の領域１８の材料）を埋め戻すこと、堆積させること又は適用することを含んでもよい。

高密度の摩耗性足場の間に相対的に多孔質の脆い充填材領域を形成又は獲得するステップ２０８は、相対的に高密度の摩耗性足場又はパターン間への溶射（マスクの有無にかかわらない）によって相対的に多孔質の脆い充填材料を適用することを含んでもよい。相対的に多孔質の脆い充填材料は、上述した第１の領域１６の組成物を有するセラミック粉末であってもよい。セラミック粉末は、少なくとも１種類の添加剤（逃散性充填材料、細孔誘導剤及び／又は（上述したような）焼結助剤など）を含んでもよく、この場合、少なくとも１種類の添加剤は、溶射などを用いてセラミック粉末と共に堆積される。

高密度の摩耗性足場の間に相対的に多孔質の脆い充填材領域を形成するステップ２０８は、スラリーとして相対的に多孔質の脆い充填材料を適用することを含んでもよい。スラリー形成物は、セラミックスラリー形成物であってもよく、また、少なくとも１種類の添加剤（逃散性充填材料、細孔誘導剤及び／又は焼結助剤など）を含んでもよく、この場合、少なくとも１種類の添加剤は、セラミックスラリー形成物と共に堆積される。高密度の摩耗性足場の間に相対的に多孔質の脆い充填材領域を形成するステップ２０８は、テープキャスティング又はスクリーン印刷によって相対的に多孔質の脆い充填材を適用することを含んでもよい。スラリーの粒子の粒径分布は、接触点で部分的に焼結される粗大粒子を有する極めて多孔質のミクロ組織を実現するために選択される。高密度の摩耗性足場の間に相対的に多孔質の脆い充填材領域を形成するステップ２０８は、充填材料を焼結することを含んでもよい。高密度の摩耗性足場の間に相対的に多孔質の脆い充填材領域を形成するステップ２０８は、予め凝集された又は予め凝着された粒子を有するスラリー形成物として相対的に多孔質の脆い充填材料を適用することを含んでもよい。

高密度の摩耗性足場の間に相対的に多孔質の脆い充填材領域を形成するステップ２０８は、例えば熱水合成、燃焼合成、テープキャスティング、微細押出成形及び／又はこれらの組合せを用いて高アスペクト比の平板粒子を生産することを含んでもよい。相対的に高密度の摩耗性足場の間に相対的に多孔質の脆い充填材領域を形成するステップ２０８は、例えば電気泳動堆積、スリップキャスティング、テープキャスティング、押出成形及び／又はこれらの組合せを用いて高アスペクト比の平板粒子を並べることを含んでもよい。

方法２００は、摩耗性コーティング（相対的に高密度の摩耗性足場及び相対的に多孔質の脆い充填材領域など）を処理するステップ２１０を含んでもよい。摩耗性コーティングを処理するステップ２１０は、実質的に滑らかな流路表面を形成するために、製造時の流路表面をレベリングすること及び／又は滑らかにすることなどによって、相対的に高密度の摩耗性足場及び相対的に多孔質の脆い充填材領域によって形成された摩耗性コーティングの流路表面を処理することを含んでもよい。摩耗性コーティングを処理するステップ２１０は、相対的に高密度の摩耗性足場及び／又は相対的に多孔質の脆い充填材領域によって形成された流路表面の高い領域の研削、研磨、エッチング又は除去を含んでもよい。流路表面を処理するステップ２１０は、実質的に滑らかで連続的な流路表面を得る目的で摩耗性コーティングの流路表面を実質的に同じ高さにするために相対的に高密度の摩耗性足場（例えば、リッジ）又は相対的に多孔質の脆い充填材（例えば、谷）の突出部分（例えば、先端）を除去するために組立体の研削を含んでもよい。摩耗性コーティングを処理するステップ２１０は、相対的に高密度の摩耗性足場及び／又は相対的に多孔質の脆い充填材領域の焼結を含み得る、摩耗性コーティングの熱処理を含んでもよい。摩耗性コーティングを熱処理するステップ２１０は、熱を加えることによって逃散性材料及び／又はその中の細孔誘導剤を焼き尽くすか、蒸発させるか又は除去するために相対的に高密度の摩耗性足場及び／又は相対的に多孔質の脆い充填材領域を加熱することを含んでもよい。

図４を参照すると、摩耗性コーティングを有するシュラウドを製造する方法３００は、図３の方法２００と同様であり、したがって、同じ態様は、先頭に「２」ではなく「３」を付した符号によって示されている。方法３００と方法２００の違いは、摩耗性コーティングの相対的に多孔質の脆い部分及び相対的に高密度の足場部分の形成の順序である。

図４に示されているように、方法４００は、シュラウド基材上（コーティングシステム２０上など）に相対的に多孔質の脆いパターンを形成するステップ３２０を含んでもよい。相対的に多孔質の脆いパターン（第２の領域１８）を形成するステップ３２０は、図３の方法２００の、相対的に高密度の摩耗性足場の形成ステップ２０６に関して上で説明したように相対的に多孔質の脆いパターンを適用することを含んでもよい。

方法４００は、実質的に滑らかな流路表面３０を形成するために相対的に多孔質の脆いパターンの間に相対的に高密度の摩耗性足場（例えば、上で説明した第１の領域１６）を形成するステップ３２２を含んでもよい。シュラウド基材上の、相対的に多孔質の脆いパターンの間に相対的に高密度の摩耗性足場を形成するステップ３２２は、図３の方法２００の、高密度の摩耗性足場の間に相対的に多孔質の脆い充填材領域を形成するステップ２０８に関して上で説明したような方法又は技術を用いて基材上に相対的に高密度の摩耗性足場を適用することを含んでもよい。

図５を参照すると、摩耗性コーティングを有するシュラウドを製造する方法４００は、図３及び図４のそれぞれの、摩耗性コーティングを有するシュラウドを製造する方法２００及び３００と同様であり、したがって、同じ態様は、先頭に「２」又は「３」ではなく「４」を付した符号によって示されている。図５に示されているように、摩耗性コーティングを有するシュラウドを製造する方法４００と方法２００及び３００のそれぞれとの違いは、摩耗性コーティングの相対的に多孔質の脆い充填材領域及び相対的に高密度の足場領域の形成である。

図５に示されているように、摩耗性コーティングを有するシュラウドを製造する方法４００は、流路表面３０を形成するためにシュラウド上（コーティングシステム２０上など）に相対的に多孔質の脆い材料の実質的に連続的なブランケット層（例えば、上で説明した第２の領域１８の材料の層）を形成するステップ４２４を含んでもよい。実質的に連続的なブランケット層を形成するステップ４２４は、上で説明したように相対的に多孔質の脆い材料を利用すること、例えば、逃散性材料を含む相対的に多孔質の脆い材料を溶射すること又は逃散性材料を有するスラリー、ペースト、もしくはテープの形成物を利用すること又は低焼結粗大粒子を有するスラリー、ペースト、もしくはテープの形成物を利用することを含んでもよい。

方法４００は、層内に相対的に高密度の摩耗性足場（例えば、上述した第１の領域１６）を形成するために相対的に多孔質の脆い材料の実質的に連続的なブランケット層の一部を選択的に高密度化するステップ４２６を含んでもよい。相対的に多孔質の脆い材料の実質的に連続的なブランケット層の一部を選択的に高密度化するステップ４２６は、相対的に多孔質の脆い材料の実質的に連続的なブランケット層内に／上に焼結助剤を足場パターンにスクリーン印刷するか又は導入することを含んでもよい。その後、スクリーン印刷された焼結助剤の足場パターンを有する、相対的に多孔質の脆い材料の実質的に連続的なブランケット層は、摩耗性コーティングを形成する目的で相対的に多孔質の脆い層内に相対的に高密度の摩耗性足場を形成するために焼結されてもよい。相対的に多孔質の脆い材料の実質的に連続的なブランケット層の一部を選択的に高密度化するステップ４２６は、摩耗性コーティングの相対的に高密度の摩耗性足場を形成するために相対的に多孔質の脆い層内の、足場パターンの層の部分を選択的に焼結する（例えば、レーザビーム又は電子ビームの局所熱源などを用いて）ことを含んでもよい。

図６を参照すると、摩耗性コーティングを有するシュラウドを製造する方法５００は、方法２００、３００及び４００と同様であり、したがって、同じ態様は、先頭に「２」、「３」又は「４」ではなく「５」を付した符号によって示されている。方法５００と方法２００、３００及び４００のそれぞれとの違いは、摩耗性コーティングの相対的に多孔質の脆い充填材領域及び相対的に高密度の足場領域の形成である。

方法５００は、相対的に高密度の摩耗性足場及び相対的に多孔質の脆い充填材を実質的に一斉に又は同時に形成するために、パターン化されたマスクを介して摩耗性材料を溶射するステップ５２８を含んでもよい。相対的に高密度の摩耗性足場及び足場の間の相対的に多孔質の脆い充填材領域を形成するために、パターン化されたマスクを介して溶射するステップ５２８は、両方の構造を同時に形成することを含んでもよい。例えば、摩耗性材料は、上で説明した高密度のリッジ又は第１の領域１６を作製するように構成され、上述した第２の領域１８がリッジ又は第１の領域１６間に保持されるオーバースプレーから形成されるように離間されたパターン化されたマスクを介して溶射されてもよい（ステップ５２８）。例えば、マスク開口幅、マスク開口間の間隔、マスクとコーティングされる表面との間の隙間、マスク材料の厚さ、開口の断面形状及びこれらの組合せが、相対的に高密度の摩耗性足場及び足場の間又は内の相対的に多孔質の脆い充填材領域を実質的に同時に形成するために構成されてもよい。マスクは、相対的に多孔質の脆い充填材領域によって相対的に高密度の摩耗性足場をより完全に埋めるために、摩耗性コーティングの厚さが増加されるときにマスクの開口幅及び／又はスタンドオフ距離を調整する可動要素を用いて構成されてもよい。次に、相対的に多孔質の脆い充填材料の付加的なスラリーコーティングが、相対的に多孔質の脆い充填材領域によって相対的に高密度の摩耗性足場をより完全に埋めるために利用されてもよい。

方法５００は、流路表面を処理するステップ５１０を含んでもよい。流路表面を処理するステップ５１０は、実質的に滑らかな流路表面を獲得するために、摩耗性コーティングの突出部分を除去して実質的に均一な厚さにすることを含んでもよい。

図７を参照すると、摩耗性コーティングが施されたされたシュラウド１０は、基材１２と、コーティングシステム２０と、多孔質の滑らかな摩耗性コーティング１８とを含み得る。多孔質の滑らかな摩耗性コーティング１８は、ブランケットコーティングと呼ばれ得る。コーティング１８は、第２の領域１８に関して上で説明した材料から形成されてもよく、また、同様に上で説明した方法に従って形成されてもよい。また、基材１２及びコーティングシステム２０は、上で説明したようなものであってもよい。

本明細書に開示されているようなコーティングシステムは、例えば、米国特許出願公開第２０１１／００５２９２５号明細書、米国特許出願公開第２０１４／００３７９６９号明細書、米国特許出願公開第１４／２０４，３６７号明細書に記載されているようなものであってもよい。なお、これらのそれぞれの内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

上記の説明は、例説的であることを意図されており、限定的なものではないことが理解されるべきである。例えば、上で説明した例（及び／又はその態様）は、互いに組合せて使用されてもよい。上で説明したような目的又は利点の必ずしもすべてが、任意の特定の例に従って達成されなくてもよいことが理解されるべきである。したがって、当業者は、本明細書に説明されているシステム及び技術が、本明細書で教示又は示唆され得るような他の目的又は利点を必ずしも達成しなくとも、本明細書に教示されているような１つの利点又は１群の利点を達成するか又は増やす仕方で実施又は実行され得ることを認めるであろう。

この記載された説明では、最良の態様を含めて特許請求されている発明を説明するために、さらには、任意の当業者が任意の装置又はシステムの作製及び使用並びに方法のいずれかの実行を含めて本発明を実施することを可能にするために、例が使用されている。各発明の特許可能な範囲は、請求項によって規定される。

１０ シュラウド構造、シュラウド
１２ 基材
１４ 摩耗性コーティング
１６ 第１の領域、リッジ、足場
１８ 第２の領域、摩耗性コーティング
２０ コーティングシステム
３０ 流路表面
１００ タービンブレード
１０２ ブレードの通過方向、矢印
１０４ 流体の流れの軸方向、矢印
１０８ 後縁
１１２ 前縁
１２２ ブレード先端
１２４ ブレードトラック、損耗トラック
１２６ 摩耗しない部分

Claims (18)

1. タービンシュラウド（１０）を製造する方法であって、
   実質的に滑らかな連続的な流路表面（３０）を形成するために、タービンシュラウド（１０）の基材（１２）上に設けられたバリアコーティングシステム（２０）上に多孔質の脆いコーティングを形成するステップを含む方法。
2. 多孔質の脆いコーティングを形成するステップが、少なくとも１種類の付加製造方法を用いて多孔質の脆いコーティングを適用することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも１種類の付加製造方法が、溶射を含む、請求項２に記載の方法。
4. 多孔質の脆いコーティングが、逃散性充填材、細孔誘導剤又は焼結助剤の少なくとも１種類を含む、請求項１に記載の方法。
5. 多孔質の脆いコーティングを形成するステップが、未焼結体として多孔質の脆いコーティングを形成するために少なくとも１種類の材料を利用すること及び未焼結体を焼結することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 多孔質の脆いコーティングを形成する材料が、実質的に、ジルコニアベース又はケイ酸塩ベースの組成物を含む、請求項１に記載の方法。
7. 実質的に滑らかな連続的な流路表面（３０）を形成するために多孔質の脆いコーティングを機械加工するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 多孔質の脆いコーティングを熱処理するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 多孔質の脆いコーティングが、ミクロクラックを含む、請求項１に記載の方法。
10. タービン用のシュラウド（１０）であって、
    回転するタービンブレード（１００）の先端（１２２）に隣接して配置され、かつタービン流路の外側環状部を少なくとも部分的に形作るように構成された外面を有する基材（１２）と、
    基材（１２）の外面の少なくとも一部に重なるバリアコーティングシステム（２０）と、
    バリアコーティングシステム（２０）の少なくとも一部に重なる多孔質の脆いコーティングであって、実質的に滑らかな連続的な流路表面（３０）を形作る多孔質の脆いコーティングと
    を含むシュラウド（１０）。
11. 多孔質の脆いコーティングが、ミクロクラックを含む、請求項１０に記載の物品。
12. 多孔質の脆いコーティングを形成する材料が、焼結助剤を含む、請求項１０に記載の物品。
13. バリアコーティングシステム（２０）が、遮熱コーティングを含む、請求項１０に記載の物品。
14. 遮熱コーティングが、安定化ジルコニアを含む、請求項１３に記載の物品。
15. バリアコーティングシステム（２０）が、環境バリアコーティングを含む、請求項１０に記載の物品。
16. 環境バリアコーティングが、希土類ケイ酸塩を含む、請求項１５に記載の物品。
17. 多孔質の脆いコーティングの厚さが、約０．１ｍｍ〜約２ｍｍの範囲内である、請求項１０に記載の物品。
18. 多孔質の脆いコーティングが、約２０％〜約６５％の範囲内の気孔率を含む、請求項１０に記載の物品。