JP2016540890A - Modified thermal barrier composite coating - Google Patents

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Abstract

単一のコーティング構造にとって、以前に相互排他的とみなされていた特性を示すことを可能にする、新規なコーティングシステムが提供される。コーティング内の位置に応じて、コーティング構造の特定の特性を調整するためのユニークなアプローチが、柱状マクロ構造を有する特別に設計された下地コートと、その下地コートと適合し且つ補完するように選択される第二のコーティング層とともに提供される。得られた複合コーティングシステムは、複合コーティングシステムの様々なバルク及び/又は自由表面特性を改善しつつ、熱機械的適合性を維持することができる。【選択図】なしA novel coating system is provided that allows a single coating structure to exhibit properties that were previously considered mutually exclusive. Depending on the position in the coating, a unique approach to tailor specific properties of the coating structure is chosen to match and complement the specially designed undercoat with a columnar macrostructure and the undercoat Provided with a second coating layer. The resulting composite coating system can maintain thermomechanical compatibility while improving various bulk and / or free surface properties of the composite coating system. [Selection figure] None

Description

本発明は、一般に、高温及び腐食環境から基材材料を保護するために利用される遮熱複合コーティング(thermal barrier composite coatings)の分野に関する。   The present invention relates generally to the field of thermal barrier composite coatings utilized to protect substrate materials from high temperatures and corrosive environments.

基材上に適用する遮熱コーティング(以下、「TBC」と称する)は、基材への熱の流れを抑制することが知られている。TBCは、高温燃焼ガスに曝されるガスタービンエンジンの合金成分を保護するために一般的に利用されている。   It is known that a thermal barrier coating (hereinafter referred to as “TBC”) applied on a substrate suppresses the flow of heat to the substrate. TBC is commonly utilized to protect alloy components of gas turbine engines that are exposed to hot combustion gases.

TBCは、物理蒸着(PVD)などの気相プロセスによって堆積させることができる。このようなPVDコーティングは、典型的には、適合するマイクロ構造を提供する個別の、密集した、柱状粒子の核生成及び成長を促進するように設計されたプロセス条件で、生成される。柱状粒子(columnar grains)は、コーティングの応力を緩和することができる小さな間隙(gap)によって分離されている。しかし、柱(column)と柱の間のその間隙は、汚染物質の浸透のための経路を提供し得るため、下地コーティング及び/又は基材材料の腐食を誘発し得る。   TBC can be deposited by a vapor phase process such as physical vapor deposition (PVD). Such PVD coatings are typically produced at process conditions designed to promote nucleation and growth of discrete, dense, columnar particles that provide a compatible microstructure. Columnar grains are separated by small gaps that can relieve the stress of the coating. However, the gap between the columns and the columns can provide a path for the penetration of contaminants and can induce corrosion of the underlying coating and / or substrate material.

代替法として、遮熱コーティングは、乾燥粉末の供給源に由来する大気プラズマ溶射(APS)によって、適用され得る。APSコーティングは、粉末状の金属酸化物又は非酸化物材料の、ガス推進式のスプレー(gas−propelled spray)を、プラズマ溶射トーチで加熱することによって形成される。そのスプレーは、粉末粒子が溶融状態になる温度まで加熱される。溶融粒子のスプレーは基材表面に対して向けられ、それらは衝突時に固化してコーティングを作り出す。従来の堆積直後(as−deposited)のAPSミクロ構造は、材料のスプラット(splat)を重ね合わせることによって特徴付けられることが知られている。スプラット間の境界は、しっかりと接合され、又は間隙により分離されて幾らかの空隙率をもたらすことがある。APSコーティングは、EB−PVDコーティングよりも一般に安価に適用され、柱状粒子構造よりも周囲環境に対してより優れた熱的及び化学的な密閉(seal)を提供する。しかし、堆積直後のAPSミクロ構造中のスプラット間の間隙は、高温に曝されると稠密化する(densify)傾向がある。このような稠密化(densification)は、最終的には破砕を引き起こす可能性があるコーティング内の熱応力の蓄積を誘導する繰り返し熱サイクリングのせいで、ガスタービン環境において、より短い運転寿命をもたらすことがある。   As an alternative, the thermal barrier coating can be applied by atmospheric plasma spraying (APS) derived from a source of dry powder. The APS coating is formed by heating a gas-propelled spray of powdered metal oxide or non-oxide material with a plasma spray torch. The spray is heated to a temperature at which the powder particles are in a molten state. The spray of molten particles is directed against the substrate surface, which solidifies upon impact to create a coating. Conventional as-deposited APS microstructures are known to be characterized by superposition of splats of material. The boundary between the splats may be tightly joined or separated by a gap resulting in some porosity. APS coatings are generally cheaper to apply than EB-PVD coatings and provide better thermal and chemical seals to the surrounding environment than columnar particle structures. However, the gaps between splats in the APS microstructure immediately after deposition tend to become densified when exposed to high temperatures. Such densification can result in shorter operating lifetimes in a gas turbine environment due to repeated thermal cycling that induces the accumulation of thermal stresses in the coating that can ultimately cause fracture. There is.

一般に溶液又は懸濁液の手段によって供給されたナノサイズの粉末を利用したAPSプロセス(すなわち、周囲温度及び圧力条件下で行われる溶射プロセス)を用いることにより、柱状構造が生成され得る。柱間の間隙は、歪み軽減をもたらし得る。プラズマ流及び粒子サイズが、所望の相互作用の範囲に調整される場合、堆積材料の重なり合う層が一緒に流れて、隣接する粒子層の柱状配列を形成し得る。このような柱状構造は、従来の堆積直後のAPSのミクロ構造と比較した場合、幾つかの利点を有するが、その一方で、これらのコーティングは、以下を含む欠点を有する。すなわち、低い柱内の密度を有するように調整した場合の低い耐侵食性;柱間の間隙に沿った直接の熱経路;及び/又は、柱間の間隙(inter−columnar gaps)と低い柱内の密度(low intra−columnar densities)とによる化学浸透に対する潜在的な低い耐性である。   Columnar structures can be produced by using an APS process (ie, a thermal spray process performed under ambient temperature and pressure conditions) that utilizes nano-sized powders that are generally supplied by solution or suspension means. The gap between the columns can provide strain relief. When the plasma flow and particle size are adjusted to the desired range of interaction, overlapping layers of deposited material can flow together to form a columnar array of adjacent particle layers. While such columnar structures have several advantages when compared to conventional post-deposition APS microstructures, these coatings have disadvantages including: Low erosion resistance when adjusted to have a low column density; direct thermal path along the column gap; and / or inter-columnar gaps and low column interior Potential low resistance to chemical penetration due to low intra-columnar densities.

従来のTBCの欠点に鑑みると、TBCにとって満たされていない以下の要求が存在する。すなわち、熱サイクリング中に基材との密着性(adhesion)を維持することを可能とし、一方で、基材表面に向かう熱流を抑制し、且つ基材表面の腐食及び/又は侵食を誘発しうる汚染物質の浸透の経路を遮断することによって、基材の完全性を保護することを可能とする、適合的構造(compliant structure)を有するTBCの必要性である。   In view of the shortcomings of conventional TBC, there are the following unmet needs for TBC. That is, it is possible to maintain adhesion to the substrate during thermal cycling while suppressing heat flow toward the substrate surface and inducing corrosion and / or erosion of the substrate surface. There is a need for a TBC with a compliant structure that allows the integrity of the substrate to be protected by blocking the path of contaminant penetration.

本発明は、以下の態様のいずれかを様々な組合せにおいて含んでもよく、また、本明細書において以下で説明される本発明のいかなる他の態様を含んでもよい。   The invention may include any of the following aspects in various combinations, and may include any other aspect of the invention described herein below.

本発明は、単一のコーティング構造にとって、以前に相互排他的とみなされていた特性を示すことを可能にする、コーティングシステムを提供する。また、本発明は、コーティング内の位置に応じて、コーティング構造の特定の特性を調整するためのユニークなアプローチを提供する。   The present invention provides a coating system that allows a single coating structure to exhibit properties that were previously considered mutually exclusive. The present invention also provides a unique approach to tailoring specific properties of the coating structure depending on the position within the coating.

第一の態様では、以下を含む、改質された遮熱複合コーティングが提供される:
基材の表面に結合した第一のコーティング層、前記第一のコーティング層は、対応する自由表面(free surface)での山と谷(peaks and valleys)の所定の分布によって特徴付けられるマクロ柱状の特徴(macro columnar features)を含み、第一の層及び第二の層の間に改善された機械的結合を作り;
前記柱状の特徴は、ナノサイズ及び/又はサブミクロンサイズのスプラット(splat)の前駆体懸濁液に由来して、基材表面に熱機械的適合性のある界面を形成し、前記スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティングのために等方性結晶配向を生成し;
前記スプラットは、冷却時における熱流の方向とは反対に成長する非等軸の柱状粒子を含み、異方性結晶粒子配向を生成し;
前記第二のコーティング層は、第一のコーティング層の前記対応する自由表面に結合し、バルク及び/又は自由表面での前記第二のコーティング層は、第一のコーティング層と比較して、少なくとも一つの改善されたコーティング特性を有する。
In a first aspect, a modified thermal barrier composite coating is provided comprising:
A first coating layer bonded to the surface of the substrate, said first coating layer having a macro-columnar shape characterized by a predetermined distribution of peaks and valleys at the corresponding free surface Including improved macro joint features, creating an improved mechanical bond between the first layer and the second layer;
The columnar features are derived from a nano-sized and / or sub-micron sized splat precursor suspension to form a thermomechanically compatible interface on the substrate surface, the splats comprising: Randomly oriented to produce an isotropic crystal orientation for the first coating;
The splats include non-equal axis columnar grains that grow opposite to the direction of heat flow during cooling to produce anisotropic grain orientation;
The second coating layer is bonded to the corresponding free surface of the first coating layer, and the second coating layer in the bulk and / or free surface is at least as compared to the first coating layer. Has one improved coating property.

第二の態様では、以下を含む、改質された遮熱複合コーティングが提供される:
基材の滑らかな表面に結合した第一のコーティング層、前記第一のコーティング層は、約10μmより小さいサイズを有し;
前記第一のコーティング層は、対応する自由表面での山と谷の所定の分布によって特徴付けられるマクロ柱状の特徴を含み、第一の層及び第二の層の間に改善された機械的結合を作り;
前記柱状の特徴は、ナノサイズ及び/又はサブミクロンサイズのスプラットの前駆体懸濁液に由来して、基材表面に熱機械的適合性のある界面を形成し、前記スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティングのために等方性結晶配向を生成し;
前記スプラットは、冷却時における熱流の方向とは反対に成長する非等軸の柱状粒子を含み、異方性結晶粒子配向を生成し;
前記第二の層は、第一のコーティング層の前記対応する自由表面に結合した稠密化(densified)コーティング層を含み、前記稠密化コーティングは、第一のコーティング層よりも低い空隙率(porosity)を有し、前記稠密化コーティングは、第一のコーティング層に比べて改善された機械的侵食バリア(mechanical erosion barrier)を有する。
In a second aspect, a modified thermal barrier composite coating is provided comprising:
A first coating layer bonded to the smooth surface of the substrate, said first coating layer having a size of less than about 10 μm;
The first coating layer includes macro-columnar features characterized by a predetermined distribution of peaks and valleys on the corresponding free surface, and improved mechanical coupling between the first layer and the second layer Make;
The columnar features are derived from a nano-sized and / or sub-micron-sized splat precursor suspension to form a thermomechanically compatible interface on the substrate surface, the splats being randomly oriented Creating an isotropic crystal orientation for the first coating;
The splats include non-equal axis columnar grains that grow opposite to the direction of heat flow during cooling to produce anisotropic grain orientation;
The second layer includes a densified coating layer bonded to the corresponding free surface of the first coating layer, the densified coating having a lower porosity than the first coating layer. And the densified coating has an improved mechanical erosion barrier compared to the first coating layer.

第三の態様では、以下を含む、改質された遮熱複合コーティングが提供される:
基材の滑らかな表面に結合した第一のコーティング層、前記第一のコーティング層は、約10μmより小さいサイズを有し;
前記第一のコーティング層は、対応する自由表面での山と谷の所定の分布によって特徴付けられるマクロ柱状の特徴を含み、第一の層及び第二の層の間に改善された機械的結合を作り;
前記柱状の特徴は、ナノサイズ及び/又はサブミクロンサイズのスプラットの前駆体懸濁液に由来して、基材表面に熱機械的適合性のある界面を形成し、前記スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティングのために等方性結晶配向を生成し;
前記スプラットは、冷却時における熱流の方向とは反対に成長する非等軸の柱状粒子を含み、異方性結晶粒子配向を生成し;
前記第二の層は、第一のコーティング層の前記対応する自由表面に結合した稠密化コーティング層を含み、前記稠密化コーティングは、第一のコーティング層よりも低い空隙率を有し、前記稠密化コーティングは、大気溶射(atmospheric spraying)によって適用される乾燥粉末に由来し、前記コーティングは、部分的に溶融した粒子と完全に溶融した粒子とを含み、第一のコーティング層に比べて改善された機械的侵食バリアを有する。
In a third aspect, a modified thermal barrier composite coating is provided comprising:
A first coating layer bonded to the smooth surface of the substrate, said first coating layer having a size of less than about 10 μm;
The first coating layer includes macro-columnar features characterized by a predetermined distribution of peaks and valleys on the corresponding free surface, and improved mechanical coupling between the first layer and the second layer Make;
The columnar features are derived from a nano-sized and / or sub-micron-sized splat precursor suspension to form a thermomechanically compatible interface on the substrate surface, the splats being randomly oriented Creating an isotropic crystal orientation for the first coating;
The splats include non-equal axis columnar grains that grow opposite to the direction of heat flow during cooling to produce anisotropic grain orientation;
The second layer includes a densified coating layer bonded to the corresponding free surface of the first coating layer, the densified coating having a lower porosity than the first coating layer, and the dense layer The modified coating is derived from a dry powder applied by atmospheric spraying, the coating comprising partially melted particles and fully melted particles, which is improved compared to the first coating layer. With a mechanical erosion barrier.

本発明の上述の並びに他の、態様、特徴及び利点が、以下の図面との組合せにおいて示される、以下に続くそれらのより詳細な説明から、よりいっそう明らかになろう。   The foregoing and other aspects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the more detailed description thereof set forth below, taken in conjunction with the following drawings.

図1aは、柱状粒子マクロ構造を有する本発明の代表的な第一のコーティング層の光学顕微鏡写真を示す。FIG. 1a shows an optical micrograph of a representative first coating layer of the present invention having a columnar grain macrostructure.

図1bは、高倍率での、図1aの柱状粒子コーティングの光学顕微鏡写真を示す。   FIG. 1b shows an optical micrograph of the columnar particle coating of FIG. 1a at high magnification.

一般に、図1a及び図1bの第一のコーティング層の自由表面に結合されることができる任意の好適な第二のコーティング層を図示する。In general, any suitable second coating layer that can be bonded to the free surface of the first coating layer of FIGS. 1a and 1b is illustrated.

本発明の実施形態による例示的な複合コーティングシステムを図示する。この図では、第二のコーティング層は稠密な柱状コーティングである。1 illustrates an exemplary composite coating system according to an embodiment of the present invention. In this figure, the second coating layer is a dense columnar coating.

本発明の別の実施形態による例示的な複合コーティングシステムを図示する。この図では、第二のコーティング層は環境バリアコーティングである。Fig. 4 illustrates an exemplary composite coating system according to another embodiment of the invention. In this figure, the second coating layer is an environmental barrier coating.

本発明の更に別の実施形態による例示的な複合コーティングシステムを図示する。この図では、第二のコーティング層はDVCである。Fig. 4 illustrates an exemplary composite coating system according to yet another embodiment of the present invention. In this figure, the second coating layer is DVC.

本発明の更に別の実施形態による例示的な複合コーティングシステムを図示する。この図では、第二のコーティング層はアブレイダブルコーティングである。Fig. 4 illustrates an exemplary composite coating system according to yet another embodiment of the present invention. In this figure, the second coating layer is an abradable coating.

本発明の原理に従って調製した、柱状複合コーティングシステムの光学顕微鏡写真を示す。2 shows an optical micrograph of a columnar composite coating system prepared according to the principles of the present invention.

本発明の原理に従って調製した、別の柱状複合コーティングシステムの光学顕微鏡写真を示す。2 shows an optical micrograph of another columnar composite coating system prepared according to the principles of the present invention.

異なる遮熱コーティング材料について、様々な炉サイクル試験の結果をプロットし、比較したものである。The results of various furnace cycle tests are plotted and compared for different thermal barrier coating materials.

異なる遮熱コーティング材料について、様々な機械的な耐侵食性試験の結果をプロットし、比較したものである。The results of various mechanical erosion resistance tests are plotted and compared for different thermal barrier coating materials.

本発明の目的及び利点は、それと関連する以下の好ましい実施形態の詳細な説明からより良く理解される。本明細書の開示は、様々な用途のための新規なTBC複合コーティングに関する。本発明のコーティングは、特に高温の用途に適しており、ガスタービンを含むがこれに限られない。本開示は、様々な実施形態にて、並びに本発明の様々な態様及び特徴を参照として、本明細書に示される。   Objects and advantages of the present invention will be better understood from the following detailed description of the preferred embodiments associated therewith. The disclosure herein relates to novel TBC composite coatings for various applications. The coatings of the present invention are particularly suitable for high temperature applications, including but not limited to gas turbines. The present disclosure is presented herein in various embodiments and with reference to various aspects and features of the invention.

本発明の様々な要素の関係及び機能は、以下の詳細な説明によってより良く理解される。この詳細な説明は、本開示の範囲内に含まれるような様々な置換形態及び組合せにおける特徴、態様、及び実施形態を想定している。したがって、本開示は、これらの具体的な特徴、態様、及び実施形態、或いはそれらの選択された1つ又は複数の、かかる組合せ及び置換形態のいずれかを備えるか、それらから構成されるか、又は本質的にそれらから構成されるものとして、特定され得る。   The relationship and function of the various elements of the present invention will be better understood with the following detailed description. This detailed description contemplates features, aspects, and embodiments in various substitutions and combinations as included within the scope of this disclosure. Accordingly, the present disclosure may comprise or consist of any of these specific features, aspects, and embodiments, or one or more selected combinations and substitutions thereof, Or it can be specified as consisting essentially of them.

新規なTBC複合コーティングシステムが、著しく改善された性能特性とともに見出された。本明細書で説明するように、本発明のTBCは、従来の遮熱材料を含む他の種類の材料との関連において、改善された性能を達成することができる。特に断らない限り、全ての組成物は、配合物の総重量に基づいて、重量パーセント(wt%)として表されることを理解されたい。   A new TBC composite coating system has been found with significantly improved performance characteristics. As described herein, the TBC of the present invention can achieve improved performance in the context of other types of materials, including conventional thermal barrier materials. It should be understood that all compositions are expressed as weight percent (wt%), based on the total weight of the formulation, unless otherwise noted.

本発明のTBCは、従来のTBCに代わるユニークな選択肢を提供する。具体的には、本発明のTBCは、コーティング−基材界面での密着性及び結合強度の観点から、優れた熱機械的適合性を作り出し且つ維持するために、相乗的に相互作用するように、相互に適合するように選択された第一の層と第二の層とを含む。それと同時に、複合コーティング構造のバルク及び/又は自由表面での選択されたコーティング特性を改善する。本明細書及び本明細書を通して使用される用語「熱機械的適合性」(“thermomechanical compliance”)は、繰り返し加熱及び冷却(すなわち、「熱サイクリング」)時に、熱衝撃インパクトから剥離を起こさないようにし、基材表面への密着性及び結合強度を十分に維持するような第一のコーティング層の機能を指すことを意図している。熱衝撃インパクトは、例えば、ガスタービン用途などの高温環境下で、コーティングされた基材を使用する際に発生する熱サイクリングによって作り出される。このようにして、複合コーティング構造は、第一及び/又は第二の層の中で連続的に変化し得るか、又は、第一のコーティング層中のある位置から第二のコーティング層中のある位置まで離散的に変化し得る、1つ以上の選択された特性を有するように調整される。選択されたバルク特性は、例えば、結合強度、熱伝導性、耐侵食性、耐腐食性、及び熱機械的適合性などを含んでもよい。   The TBC of the present invention provides a unique alternative to traditional TBC. Specifically, the TBC of the present invention is designed to interact synergistically to create and maintain excellent thermomechanical compatibility in terms of adhesion and bond strength at the coating-substrate interface. A first layer and a second layer selected to be compatible with each other. At the same time, it improves selected coating properties at the bulk and / or free surface of the composite coating structure. The term “thermomechanical compliance” as used herein and throughout this specification is intended to prevent delamination from thermal shock impact during repeated heating and cooling (ie, “thermal cycling”). And is intended to indicate the function of the first coating layer so as to sufficiently maintain the adhesion and bonding strength to the substrate surface. Thermal shock impact is created by thermal cycling that occurs when using a coated substrate in a high temperature environment such as, for example, a gas turbine application. In this way, the composite coating structure can be continuously changed in the first and / or second layer, or from some location in the first coating layer in the second coating layer. Adjusted to have one or more selected characteristics that can vary discretely to position. Selected bulk properties may include, for example, bond strength, thermal conductivity, erosion resistance, corrosion resistance, and thermomechanical compatibility.

例示的な第一のコーティング層を、図1a及び図1bに示す。図1aは、マクロ柱状の特徴を有する本発明の代表的な第一のコーティング層100の光学的顕微鏡写真を示す。図1bは、その第一のコーティング層100をより高い倍率で示す光学的顕微鏡写真である。図1a及び1bは、基材110に結合した第一のコーティング層100を示す。複合コーティングシステムの形成において、第一のコーティング層100は、その上に堆積される第2のコーティング層のための下地コートとして役割を果たす。「第一のコーティング層」及び「下地コート層」という用語は、本明細書を通して互換的に使用されることを理解されたい。図1a及び図1bは、第一のコーティング層100がマクロ柱状の特徴120を有することを示す。マクロ柱状の特徴120は、ミクロ構造の特徴からなる。そのミクロ構造の特徴は、ナノサイズ及び/又はサブミクロンサイズの前駆体粒子の前駆体懸濁液に由来する、ナノサイズ及び/又はサブミクロンサイズのスプラット(splats)を含む。本明細書で使用される懸濁液(liquid suspension)という用語は、サスペンションプラズマ溶射(SPS)を指すことを意図するものとして理解されたい。それによって、本明細書に記載の微粒子は、効果的に懸濁し、実質的な凝集をせずに被処理基材に輸送され、コーティングを生成することができる。前駆体材料の大部分は、好ましくは、基材110に衝突する前に部分的に溶融し及び/又は完全に溶融した、スプラットである。得られる任意の粒子であって、基材110に衝突する前に再固化する粒子は、それらを取り囲むスプラット内で捕捉されて留まる傾向がある。スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティング又は下地コート層100の中に等方性結晶配向を生成する。基材110の表面に結合したスプラットの一部は、熱機械的適合性のある界面を形成する。その熱機械的適合性のある界面は、TBCによって典型的に遭遇する熱サイクリング条件の間、その表面に付着したままであり得る。   An exemplary first coating layer is shown in FIGS. 1a and 1b. FIG. 1a shows an optical micrograph of a representative first coating layer 100 of the present invention having macro-columnar features. FIG. 1b is an optical micrograph showing the first coating layer 100 at a higher magnification. FIGS. 1 a and 1 b show a first coating layer 100 bonded to a substrate 110. In forming the composite coating system, the first coating layer 100 serves as a base coat for the second coating layer deposited thereon. It should be understood that the terms “first coating layer” and “undercoat layer” are used interchangeably throughout this specification. FIGS. 1 a and 1 b show that the first coating layer 100 has macro-columnar features 120. The macro columnar feature 120 is a feature of a microstructure. The microstructure features include nano-sized and / or sub-micron splats derived from a precursor suspension of nano-sized and / or sub-micron sized precursor particles. The term liquid suspension as used herein is to be understood as intended to refer to suspension plasma spraying (SPS). Thereby, the microparticles described herein can be effectively suspended and transported to the substrate to be processed without substantial agglomeration to produce a coating. The majority of the precursor material is preferably splats that are partially melted and / or completely melted before impacting the substrate 110. Any resulting particles that resolidify before impacting the substrate 110 tend to remain trapped in the splats that surround them. The splats are randomly oriented to produce an isotropic crystal orientation in the first coating or undercoat layer 100. The portion of the splat bonded to the surface of the substrate 110 forms a thermomechanical compatible interface. The thermomechanical compatible interface may remain attached to the surface during the thermal cycling conditions typically encountered by TBC.

図1a及び図1bは、制御された空隙率(porosity)の量が、マクロ柱状の特徴120の内部に内蔵される(built−in)だけでなく、隣接して構成されたマクロ柱状の特徴120の間においても内蔵されることを更に示している。柱状下地コート層100の内蔵空隙率(built−in porosity)は、熱サイクリング中の熱機械的適合性をさらに改善し得る。結果として、下地コート層100は、従来のTBCのものと比較して、本発明のTBCの寿命を延ばすのに役立ち得る。   FIGS. 1a and 1b show that the controlled porosity amount is not only built-in inside the macro-columnar feature 120, but also the macro-columnar feature 120 configured adjacently. It is further shown that it is built in between. The built-in porosity of the columnar undercoat layer 100 can further improve thermomechanical compatibility during thermal cycling. As a result, the undercoat layer 100 can help extend the life of the TBC of the present invention as compared to that of a conventional TBC.

図1a及び図1bは、下地コート層100のマクロ柱状の特徴120が、第一のコーティング層の自由表面に沿って、山130と谷140という特色のあるユニークな特徴を有することを示す。本明細書において、下地コート層100と関連して使用される「自由表面」(“free surfaces”)という用語は、以下に説明するように、トップコート又は第二のコーティング層と結合することができる第一のコーティング層100の一部を指すことが意図されている。「トップコート層」及び「第二のコーティング層」という用語は、本明細書を通して互換的に使用されることを理解されたい。山130と谷140は、より高倍率の図1bでより良く見られる。いかなる理論にも拘束されるものではないが、山130と谷140は、下地コート層100とそれに続くトップコート又は第二のコーティング層との間の改善された結合及び熱機械的適合性を作り出すようにして、下地コート層100の特性を向上させるものと考えられる。山130と谷140は、溶射プロセス及びコーティング媒体条件の制御に基づいて、選択された分布及びパターンを有するように作り出すことができる。好ましい実施形態では、図1bに見られるように、山130と谷140がランダム状の分布を作り、ギザギザし且つ蛇行した不規則な自由表面を作り出す。必要とされる下地コート層100の蛇行性(tortuosity)の程度は、その最終用途、及びそこに結合する第二のコーティング層の種類を含む幾つかの要因に依存してもよい。一般的に言えば、複合コーティングの実際の使用時に、第二のコーティングが適用され、且つその付着を維持できる好ましい境界面を作り出すのに、その蛇行性は十分である。図1a及び図1bは、第一のコーティング層100の自由表面に沿って蛇行性を高めるために、山130と谷140のそれぞれの幅及び高さが、実質的に不均一であることを示している。   FIGS. 1a and 1b show that the macro-columnar feature 120 of the undercoat layer 100 has unique features characterized by peaks 130 and valleys 140 along the free surface of the first coating layer. As used herein, the term “free surfaces” as used in connection with the undercoat layer 100 may be combined with a topcoat or a second coating layer, as described below. It is intended to refer to a portion of the first coating layer 100 that can be. It should be understood that the terms “topcoat layer” and “second coating layer” are used interchangeably throughout this specification. The peaks 130 and valleys 140 are better seen in the higher magnification FIG. Without being bound by any theory, the peaks 130 and valleys 140 create an improved bond and thermomechanical compatibility between the undercoat layer 100 and the subsequent topcoat or second coating layer. Thus, it is considered that the characteristics of the undercoat layer 100 are improved. The peaks 130 and valleys 140 can be created to have a selected distribution and pattern based on the control of the thermal spray process and coating media conditions. In a preferred embodiment, as seen in FIG. 1b, peaks 130 and valleys 140 create a random distribution, creating a jagged and serpentine irregular free surface. The degree of tortoise of the underlying coat layer 100 required may depend on several factors, including its end use and the type of second coating layer bonded thereto. Generally speaking, during actual use of the composite coating, the serpentine properties are sufficient to create a preferred interface where the second coating can be applied and maintain its adhesion. FIGS. 1 a and 1 b show that the width and height of each of the peaks 130 and valleys 140 are substantially non-uniform in order to increase serpentineness along the free surface of the first coating layer 100. ing.

下地コートのミクロ構造は、スプラットとスプラット内に含まれる粒子とによって定義される。その粒子は、実質的に 非等軸である。その粒子は、基材110と接触させつつ、冷却し且つ一方向凝固することにより作られ、異方性結晶配向を作り出す。スプラット内の固化粒子は、一般に整列し且つ好ましい方向に成長し、一方向の配向性を得る。それにより、局在化したきめ(localized texture)を作り出す。   The microstructure of the undercoat is defined by the splats and the particles contained within the splats. The particles are substantially non-axial. The particles are made by cooling and unidirectional solidification while in contact with the substrate 110 to create an anisotropic crystal orientation. The solidified particles within the splat are generally aligned and grow in a preferred direction to obtain unidirectional orientation. Thereby, a localized texture is created.

下地コート層100の細かなミクロ構造の特徴は、サイズが25ミクロン(μm)未満でもよく、より好ましくは約10ミクロン(μm)未満であってもよい。これにより、基材110上への密着性を向上させ、滑らかにすることができる。別の実施形態では、下地コートのミクロ構造の特徴は、サイズが約10μmから約50nmの範囲であり、又は50nm未満である。本明細書で使用される滑らかな基材は、約125μin未満の粗さ(「Ra」と称する)を有する表面を意味することが意図されている。一実施形態では、本発明の下地コート層100は、約25μinと約80μinの間のRaによって特徴付けられる滑らかな基材表面上に適用してもよい。基材110上への第一のコーティング層100の溶射の前に、基材表面の表面処理は、それゆえに必要とされない。これは、基材表面の粗面化処理(roughning)をしない滑らかな表面には一般に付着できない従来の遮熱コーティングとは、対照的である。粗面化処理は、高温環境に曝されるガスタービンブレードなどの金属基材には特に有害である。基材の金属表面は、高温環境下、酸化して酸化物層を形成し、破砕する(spall)傾向を有する。粗面化された酸化物層の内部に残留熱応力が蓄積した結果として、破砕(spallation)が強調される。   The fine microstructure features of the undercoat layer 100 may be less than 25 microns (μm) in size, more preferably less than about 10 microns (μm). Thereby, the adhesiveness on the base material 110 can be improved and it can be made smooth. In another embodiment, the microstructure characteristics of the undercoat are in the range of about 10 μm to about 50 nm in size, or less than 50 nm. A smooth substrate as used herein is intended to mean a surface having a roughness (referred to as “Ra”) of less than about 125 μin. In one embodiment, the undercoat layer 100 of the present invention may be applied onto a smooth substrate surface characterized by a Ra between about 25 μin and about 80 μin. Prior to thermal spraying of the first coating layer 100 onto the substrate 110, surface treatment of the substrate surface is therefore not required. This is in contrast to conventional thermal barrier coatings that generally cannot adhere to smooth surfaces that do not roughen the substrate surface. Roughening is particularly detrimental to metal substrates such as gas turbine blades that are exposed to high temperature environments. The metal surface of the substrate has a tendency to oxidize and form an oxide layer in a high temperature environment and to be spalled. As a result of the accumulation of residual thermal stress inside the roughened oxide layer, spalling is emphasized.

したがって、第一のコーティング層100は、滑らかな基材表面に結合するだけでなく、その使用可能期間中に発生する過酷な熱サイクリングの間、基材110との熱機械的適合性を維持することができる。それにより、修理及び/又は修復作業を必要とせずに、ガスタービンアセンブリ等のコーティングされた部品の寿命を延ばすことができる。   Thus, the first coating layer 100 not only bonds to a smooth substrate surface but also maintains thermomechanical compatibility with the substrate 110 during the severe thermal cycling that occurs during its service life. be able to. Thereby, the life of coated parts such as gas turbine assemblies can be extended without the need for repairs and / or repair operations.

下地コート層100は、熱サイクリング中の熱機械的適合性を改善するために、制御された量の内蔵空隙率を用いて設計されているので、本発明のTBC複合体は、従来のTBCに比べて、長寿命を達成することができる。内蔵空隙率と、下地コート層100の自由表面(free surfaces)に沿って蛇行した境界面(tortuous interfacial boundary)との組み合わせにより、複合コーティングの断熱特性もまた向上させることができる。   Since the undercoat layer 100 is designed with a controlled amount of built-in porosity to improve thermomechanical compatibility during thermal cycling, the TBC composite of the present invention is compatible with conventional TBCs. In comparison, a long life can be achieved. The combination of the built-in porosity and the tortuous interface bounded along the free surface of the undercoat layer 100 can also improve the thermal insulation properties of the composite coating.

下地コート層100は、比較的小さなサイズ(すなわち、サブミクロン以下)であるため、プラズマトーチを用いた溶射プロセスの間、液体キャリア中に前駆体材料を懸濁することによって調製することができる。プラズマトーチを用いた溶射プロセスによれば、サブミクロン粒子を乾燥粉末として用いた場合に典型的に発生しうる粒子凝集を起こすことなく、サブミクロン以下の粒子を基材上に効果的に堆積又は被覆することができる。好適な液体キャリア(liquid carrier)は、水性溶媒又は燃料である溶媒を含んでもよい。具体的には、好適な溶媒材料は、例えば、水、エタノール、メタノール、エチレングリコール、灯油及びプロピレンが挙げられるが、これらに限定されるものではない。選択される正確なプラズマトーチの条件は、幾つかのパラメータに依存するであろう。そのパラメータは、当業者によって認識されるように、利用する特定の種類のトーチ、並びに下地コート用及びトップコート用に選択された特定のコーティング媒体を含む。   Because the undercoat layer 100 is relatively small in size (ie, sub-micron or smaller), it can be prepared by suspending the precursor material in a liquid carrier during a thermal spray process using a plasma torch. The thermal spraying process using a plasma torch effectively deposits submicron particles on a substrate without causing particle agglomeration that typically occurs when submicron particles are used as a dry powder. Can be coated. Suitable liquid carriers may include an aqueous solvent or a solvent that is a fuel. Specifically, suitable solvent materials include, for example, water, ethanol, methanol, ethylene glycol, kerosene, and propylene, but are not limited thereto. The exact plasma torch conditions selected will depend on several parameters. The parameters include the specific type of torch utilized and the specific coating media selected for the base coat and top coat, as will be appreciated by those skilled in the art.

第一のコーティング層100を作製するために、種々の遮熱前駆体材料、例えば任意の好適なセラミック又はサーメットコーティング材料を利用することができる。一実施形態では、セラミック材料、例えば安定化ジルコニア材料を使用してもよい。他の例は、イットリア安定化ジルコニアを含む。さらに、ハフニウム酸(hafnates)及びセラート(cerates)などの酸化物を、イットリア又は他の安定化剤(例えばセリア等)で安定化してもよい他の酸化物とともに使用することができる。本発明はまた、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム又は他の任意の種類の好適な希土類酸化物を意図している。   Various thermal barrier precursor materials, such as any suitable ceramic or cermet coating material, can be utilized to make the first coating layer 100. In one embodiment, a ceramic material, such as a stabilized zirconia material, may be used. Other examples include yttria stabilized zirconia. In addition, oxides such as hafnates and cerates can be used with other oxides that may be stabilized with yttria or other stabilizers such as ceria. The present invention also contemplates zirconium oxide, yttrium oxide, aluminum oxide or any other type of suitable rare earth oxide.

その柱状粒子構造は熱機械的適合性を有するが、一般に、その柱状粒子構造それ自体ではTBCの所望の特性を作り出すことはできない。これらの理由から、図2に示すように本発明の原理に従って、図1a及び図1bの下地コート層100に適合する第二のコーティング層又はトップコート200を、そこに結合することができ、それにより、本発明の原理に従って、新規なTBC複合コーティングシステム220を生成することが見出された。簡単にし、且つ本発明の複合コーティング構造の発明の態様の多様性を伝えることを目的として、図2のトップコート200を、顕微鏡写真としてではなく、イラスト図として示す。ここでは、下地コート100と補完的な且つ適合的に結合する任意の好適なトップコート200を選択することができる。例えば、図2に示すように、トップコート200は、稠密なTBD、アブレイダブルコーティングとして選択してもよく、あるいは、図3〜図6に詳細に示すように他の任意のTBCとして選択してもよい。下地コート層100の蛇行した自由端又は自由表面は、第二のコーティング層と結合するための効果的な境界面210を提供する。このようにして、第一のコーティング層100の1つ以上の欠けた特性が、同じく欠けてはいない好適な第二のコーティング層200を選択することによって、相殺又は補うことができる。それにより、その特定の欠けた特性に関して、TBC複合コーティングシステム200の全体的な性能を改善することができる。例えば、第一のコーティング層100は、それ自体単独では、許容できないほど高いレベルの空隙率を含み、その空隙率が、基材110の表面への熱流を効果的に抑制できないという犠牲の下で、熱機械的適合性を向上させる。第一のコーティング層100が有するこの特定の欠けた特性を埋め合わせ又は相殺するように、第一のコーティング層100に比べて十分に低い熱伝導性を有する第二のコーティング層200を選択することができる。第二のコーティング層200は、内燃機関などの部品の高温環境に曝される可能性があるため、その低い熱伝導性が、第一のコーティング層100よりもはるかに効果的に熱流を抑制する。さらに、第一のコーティング層100の優れた適合性は、第二のコーティング層200と基材110との直接結合を達成できないようにして、複合コーティング構造220の持続的な一体性を維持する。換言すると、第二のコーティング層200と、滑らかな又は粗面化した基材表面110との直接結合によれば、破砕を引き起こし、コーティングされた部品の作動寿命は短くなるであろう。   The columnar particle structure is thermomechanically compatible, but generally the columnar particle structure itself cannot create the desired properties of TBC. For these reasons, in accordance with the principles of the present invention, as shown in FIG. 2, a second coating layer or topcoat 200 that conforms to the undercoat layer 100 of FIGS. 1a and 1b can be bonded thereto, Has been found to produce a novel TBC composite coating system 220 in accordance with the principles of the present invention. For simplicity and to convey the diversity of inventive aspects of the composite coating structure of the present invention, the topcoat 200 of FIG. 2 is shown as an illustration rather than as a photomicrograph. Here, any suitable topcoat 200 that complementarily and conformably couples with the undercoat 100 can be selected. For example, as shown in FIG. 2, the topcoat 200 may be selected as a dense TBD, abradable coating, or as any other TBC as shown in detail in FIGS. May be. The serpentine free edge or surface of the undercoat layer 100 provides an effective interface 210 for bonding with the second coating layer. In this way, one or more missing properties of the first coating layer 100 can be offset or compensated by selecting a suitable second coating layer 200 that is also not missing. Thereby, the overall performance of the TBC composite coating system 200 can be improved with respect to that particular missing characteristic. For example, the first coating layer 100 by itself includes an unacceptably high level of porosity, at the expense of not being able to effectively suppress heat flow to the surface of the substrate 110. , Improve thermomechanical compatibility. Selecting a second coating layer 200 that has a sufficiently low thermal conductivity compared to the first coating layer 100 to compensate or offset this particular missing characteristic of the first coating layer 100. it can. Because the second coating layer 200 can be exposed to the high temperature environment of components such as internal combustion engines, its low thermal conductivity suppresses heat flow much more effectively than the first coating layer 100. . Further, the excellent compatibility of the first coating layer 100 prevents the direct bonding between the second coating layer 200 and the substrate 110 and maintains the continuous integrity of the composite coating structure 220. In other words, a direct bond between the second coating layer 200 and the smooth or roughened substrate surface 110 will cause crushing and reduce the operational life of the coated part.

本発明の原理に従って、適合的且つ補完的な第一の及び第二のコーティング層100及び200それぞれを注意深く選択することにより、改質された複合TBC複合構造200が作り出される。このような改質されたTBC複合構造200が有する特性が、第一のコーティング層、又は第二のコーティング層には必ずしも存在しない場合であっても、従来のTBC材料との比較において、第一の層と第二の層とを組み合わせることにより、TBCの全体的な性能を相乗的に改善することができる。   In accordance with the principles of the present invention, a modified composite TBC composite structure 200 is created by careful selection of suitable and complementary first and second coating layers 100 and 200, respectively. Even if the properties of the modified TBC composite structure 200 are not necessarily present in the first coating layer or the second coating layer, the first TBC composite structure 200 has a first TBC composite structure 200 in comparison with a conventional TBC material. By combining this layer and the second layer, the overall performance of the TBC can be synergistically improved.

本発明の原理に従って、様々な種類の第二のコーティング層を、第一のコーティング層の蛇行した界面に適用することができる。特に重要なのは、実施例に示されるように、好適な第二のコーティング層を選択することにより、熱的適合性の損失を犠牲にすることなく、複合コーティングシステムの全体的なバルク及び自由表面の特性が改善することである。本発明によって意図される可能な複合コーティングシステムが、図3〜図6に示されている。図3〜図6は、複合コーティングのある特定の態様を例示することを意図としており、そのようにするプロセスにおいて、複合コーティングシステムのマクロ構造及び/又はミクロ構造のコーティングの形態を代表するものでは必ずしもないことを理解されたい。   In accordance with the principles of the present invention, various types of second coating layers can be applied to the serpentine interface of the first coating layer. Of particular importance is the selection of a suitable second coating layer, as shown in the examples, to reduce the overall bulk and free surface of the composite coating system without sacrificing loss of thermal compatibility. The property is to be improved. Possible composite coating systems contemplated by the present invention are shown in FIGS. 3-6 are intended to exemplify certain aspects of the composite coating, and in the process of doing so, are not representative of the macrostructure and / or microstructure coating morphology of the composite coating system. Please understand that this is not always the case.

図3は、第二のコーティング層320としての稠密化柱状コーティング(densified columnar coating)と、下地コート又は第一のコーティング層としての多孔質の柱状コーティング310と、からなる複合コーティングシステム300を示す。稠密化柱状コーティング320は、任意の好適なプロセスによって、多孔質の柱状下地コート310の上に適用してもよい。一実施形態では、稠密化柱状コーティング320は、第一のコーティング層310のメジアンサイズよりも大きいメジアンサイズを有する粒子の懸濁液に由来する。稠密化柱状コーティング320は、下地コート層310よりも高い密度と低い空隙率を有する。その結果、稠密化柱状コーティング320は、その自由表面及び/又はバルク領域で耐侵食性を提供する。下地コート310は、第一のコーティング層であり、滑らかな基材330と直接結合した柱状構造を有する。柱状下地コート構造310は、図1a及び図1bに記載されている。図1a及び図1bに記載され、示されているように、下地コート層310は、そのマクロ柱状構造の特徴によって、内蔵空隙率を有する。多孔質の下地コート310は、稠密化柱状コーティング320よりも大きな空隙率を有し、それにより、従来の複合TBCシステムと比較して、複合コーティングシステム300の寿命を延ばすために必要な熱機械的適合性を提供する。   FIG. 3 shows a composite coating system 300 comprising a densified columnar coating as a second coating layer 320 and a porous columnar coating 310 as an undercoat or first coating layer. The densified columnar coating 320 may be applied over the porous columnar undercoat 310 by any suitable process. In one embodiment, the densified columnar coating 320 is derived from a suspension of particles having a median size that is larger than the median size of the first coating layer 310. The densified columnar coating 320 has a higher density and lower porosity than the undercoat layer 310. As a result, the densified columnar coating 320 provides erosion resistance at its free surface and / or bulk region. The undercoat 310 is a first coating layer and has a columnar structure directly coupled to the smooth base material 330. A columnar undercoat structure 310 is illustrated in FIGS. 1a and 1b. As shown and shown in FIGS. 1a and 1b, the undercoat layer 310 has a built-in porosity due to the characteristics of its macro columnar structure. The porous undercoat 310 has a greater porosity than the densified columnar coating 320, thereby the thermomechanical required to extend the life of the composite coating system 300 compared to a conventional composite TBC system. Provide conformity.

図3の複合コーティングシステム300では、コーティングの厚さ全体を通して、柱内の密度が段階的に変化している(grade)。幾つかの方法で、密度を段階分けすることができる。一実施形態において、第一のコーティング層310か、あるいは第一のコーティング層310及び第二のコーティング層320の界面に隣接する部分の、いずれかの内部のある位置から始まる経路に沿って、密度は増加する。段階的な変化(grading)は、連続的又は離散的に発生することができる。他のコーティング特性もまた、段階的に変化してよいことを理解されたい。   In the composite coating system 300 of FIG. 3, the density within the column is graded through the thickness of the coating. The density can be graded in several ways. In one embodiment, the density along the path starting from some location inside either the first coating layer 310 or the portion adjacent to the interface between the first coating layer 310 and the second coating layer 320. Will increase. The grading can occur continuously or discretely. It should be understood that other coating properties may also change in stages.

稠密化柱状コーティング320は、さらに耐侵食特性を向上するために、好ましくは第一のコーティング層310よりも大きな厚さを有する。この組合せ、すなわち、第一のコーティング層310によって提供される優れた熱機械的適合性と、第二のコーティング層320によって提供されるバルク及び/又は自由表面内の改善したコーティング特性との組合せによって、適合的な複合コーティングシステム300が作られ、従来のTBC複合システムでは以前には可能ではなかった優れた耐侵食性を備える。   The densified columnar coating 320 preferably has a greater thickness than the first coating layer 310 to further improve erosion resistance. This combination, i.e., the combination of excellent thermomechanical compatibility provided by the first coating layer 310 and improved coating properties in the bulk and / or free surface provided by the second coating layer 320. A compatible composite coating system 300 has been created, with superior erosion resistance not previously possible with conventional TBC composite systems.

本発明の別の実施形態を図4に示す。図4は、第二のコーティング層としての環境バリアコーティング(EBC)トップコート420と、滑らかな基材430に結合する下地コート又は第一のコーティング層としての多孔質の柱状コーティング410と、からなる複合コーティングシステム400を示す。環境バリアトップコート420は、基材表面430の腐食を誘発し得るそのコート内への汚染物質の浸透の経路を遮断する。第二のコーティング層420の耐腐食性は、第一のコーティング層410の耐腐食性よりも高い。多孔質の柱状コーティング410は、図3の第一のコーティング層310の多孔性と実質的に同一であってもよい。代替的に、下地コート410は、カスタマイズされた山と谷の所定の分布を生成するために、必要に応じてその自由表面を改質してもよい。それにより、その界面において所望の蛇行を作り出すことができ、トップコート420との結合及び密着を促進して、環境バリアトップコート420との適合を可能にすることができる。   Another embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 4 consists of an environmental barrier coating (EBC) topcoat 420 as a second coating layer and a porous columnar coating 410 as an undercoat or first coating layer bonded to a smooth substrate 430. A composite coating system 400 is shown. Environmental barrier topcoat 420 blocks the path of contaminant penetration into the coat that can induce corrosion of substrate surface 430. The corrosion resistance of the second coating layer 420 is higher than the corrosion resistance of the first coating layer 410. The porous columnar coating 410 may be substantially the same as the porosity of the first coating layer 310 of FIG. Alternatively, the base coat 410 may modify its free surface as needed to produce a customized distribution of customized peaks and valleys. Thereby, the desired meandering can be created at the interface and bonding and adhesion with the topcoat 420 can be promoted to allow adaptation with the environmental barrier topcoat 420.

本発明の更に別の実施形態を図5に示す。図5は、第二のコーティング層としての稠密に縦割れした(DVC:densely vertically cracked)トップコート520と、下地コート又は第一のコーティング層としての多孔質の柱状コーティング510と、からなる複合コーティングシステム500を示す。DVCトップコート520は、稠密な縦割れミクロ構造を利用して、耐侵食性のための稠密なバリアを作り出している。DVCトップコート520は、場合によっては、EBCとしての役割を果たしてもよい。下地コート510は、滑らかな基材530と結合し、DVCトップコート520それ自体単独では達成することができないレベルの熱機械的適合性を維持する。さらに、第二のコーティング層520の耐侵食性は、第一のコーティング層510の耐侵食性よりも高い。第一のコーティング層510は、比較的に、より多孔質で且つ柱状である。その自由表面を、図3及び図4の自由表面との比較において改質し、その結合界面で、DVCトップコート520との適合を可能にしてもよい。このようにして、適合的な複合コーティングシステム500が、カスタマイズされて作られ、従来のTBC複合システムでは以前には可能ではなかった優れた耐侵食性を備える。   Yet another embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 5 shows a composite coating consisting of a densely vertically cracked (DVC) topcoat 520 as a second coating layer and a porous columnar coating 510 as an undercoat or first coating layer. System 500 is shown. The DVC topcoat 520 utilizes a dense vertical crack microstructure to create a dense barrier for erosion resistance. The DVC topcoat 520 may serve as an EBC in some cases. The base coat 510 bonds to the smooth substrate 530 and maintains a level of thermomechanical compatibility that cannot be achieved by the DVC topcoat 520 itself. Furthermore, the erosion resistance of the second coating layer 520 is higher than the erosion resistance of the first coating layer 510. The first coating layer 510 is relatively more porous and columnar. The free surface may be modified in comparison to the free surface of FIGS. 3 and 4 to allow compatibility with the DVC topcoat 520 at the bonding interface. In this way, a compatible composite coating system 500 can be customized and provided with superior erosion resistance not previously possible with conventional TBC composite systems.

本発明の更に別の実施形態を図6に示す。図6は、第二のコーティング層としてのアブレイダブルトップコート620と、滑らかな基材630と結合する下地コート又は第一のコーティング層としての多孔質の柱状コーティング610と、からなる複合コーティングシステム600を示す。アブレイダブルトップコート620は、蛇行した界面で、下地コート610の自由表面と適合するように選択される。使用中、アブレイダブルトップコート620は、密閉(seal)を提供し、一方、柱状下地コート610は、熱機械的適合性と密着性とを維持する。このようにして、適合的な複合コーティングシステム600が作られ、従来のTBC複合システムでは以前には可能ではなかった優れた密閉特性を備える。   Yet another embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 6 shows a composite coating system comprising an abradable topcoat 620 as a second coating layer and a porous columnar coating 610 as a base coat or first coating layer bonded to a smooth substrate 630. 600 is shown. The abradable topcoat 620 is selected to match the free surface of the undercoat 610 at the serpentine interface. In use, the abradable topcoat 620 provides a seal, while the columnar basecoat 610 maintains thermomechanical compatibility and adhesion. In this way, a compatible composite coating system 600 is created, with superior sealing properties not previously possible with conventional TBC composite systems.

出願人らは、以下の実施例で説明するように、炉サイクル試験(FCT)を行うことにより、幾つかの実験を行い、本発明の改質された複合TBCの熱機械的適合性を、他の材料と比較した。FCT試験の全てにおいて、約25〜40μinの表面粗さRaを有する滑らかなNiベースの超合金基材を用いた。基材表面は、あらかじめ粗面化せず、コーティングの前に、その自由表面での任意の不純物を除去するために軽く磨いた。細かいメッシュ媒体を利用して、最終的な表面粗さを得た。その表面粗さは、約25〜40μinの表面範囲内であった。   Applicants have conducted several experiments by performing a furnace cycle test (FCT), as described in the examples below, to determine the thermomechanical compatibility of the modified composite TBC of the present invention. Compared with other materials. In all FCT tests, a smooth Ni-based superalloy substrate having a surface roughness Ra of about 25-40 μin was used. The substrate surface was not previously roughened and was lightly polished to remove any impurities on its free surface prior to coating. A fine mesh medium was used to obtain the final surface roughness. Its surface roughness was in the surface range of about 25-40 μin.

SPS下地コートを調製するために、市販のProgressive Surface 100HE(商標)プラズマトーチを用いた。前記のSPS下地コートは、比較例1及び2のベースラインコーティング用;実施例1のSPS下地コート及びSPSトップコート用;及び実施例2のSPS下地コート用とした。Progressive Surface 100HE(商標)プラズマトーチを利用して、これらの各コーティングを調製した場合のトーチ条件は、アルゴン180scfh;窒素120scfh;及び水素120scfhのガス流及び化学物質を含んでいた。トーチは、100〜105kWと450〜500アンペアの電力レベルで操作した。懸濁液原料の送り速度は、約40〜50mL/分であった。使用した供給原料は、サブミクロンサイズのYSZ粒子約7〜8wt%のエタノール懸濁液であった。Progressive Surface 100HE(商標)の外部から、プラズマ流中に、半径方向に懸濁液を注入した。所望のコーティング厚さに蓄積するまで、一定の表面速度で部品を横切るようにして、パスの選択回数の間、トーチをラスター(raster)した。   A commercial Progressive Surface 100HE ™ plasma torch was used to prepare the SPS undercoat. The SPS undercoat was used for the baseline coating of Comparative Examples 1 and 2; for the SPS undercoat and SPS topcoat of Example 1, and for the SPS undercoat of Example 2. The torch conditions for each of these coatings prepared using a Progressive Surface 100HE ™ plasma torch included a gas flow and chemicals of argon 180 scfh; nitrogen 120 scfh; and hydrogen 120 scfh. The torch was operated at power levels of 100-105 kW and 450-500 amps. The feed rate of the suspension raw material was about 40 to 50 mL / min. The feedstock used was an ethanol suspension of about 7-8 wt% submicron sized YSZ particles. The suspension was injected radially into the plasma stream from outside the Progressive Surface 100HE ™. The torch was rastered for a selected number of passes, traversing the part at a constant surface speed until it accumulated to the desired coating thickness.

実施例2におけるAPS稠密縦割れ(DVC)コーティングのためのトップコートを、PST1100シリーズトーチを用いて作製した。トーチで使用される供給原料は、サブミクロンサイズのYSZ粒子約7〜8wt%のエタノール懸濁液であった。プラズマ溶射条件は、90グラム/分の供給原料で操作した。使用される全電流は、150〜170アンペアの範囲であった。主要なトーチガス流は、90scfhトーチガス;90scfhアルゴン;及び40scfh水素ガスであった   A topcoat for APS dense vertical crack (DVC) coating in Example 2 was made using a PST1100 series torch. The feedstock used in the torch was an ethanol suspension of about 7-8 wt% submicron sized YSZ particles. Plasma spray conditions were operated with a feedstock of 90 grams / minute. The total current used was in the range of 150-170 amps. The main torch gas flow was 90 scfh torch gas; 90 scfh argon; and 40 scfh hydrogen gas

各FCTサイクルは、コーティングされた試料を2075°Fの高温に曝す工程、及びその温度に50分間保持する工程、その後、コーティングされた試料を10分間で75°Fに冷却する工程、からなっていた。このような条件の下で完了したFCTサイクルの平均回数を、試験した各コーティングについて測定した。コーティングは、全コーティング面積の20%が基材から破砕したと判断後、不合格となる(fail)ものとみなした。不合格(failure)前のFCTサイクルの回数が多いことが望ましい。   Each FCT cycle consists of exposing the coated sample to a high temperature of 2075 ° F. and holding at that temperature for 50 minutes, followed by cooling the coated sample to 75 ° F. in 10 minutes. It was. The average number of FCT cycles completed under such conditions was measured for each coating tested. The coating was considered to fail after it was determined that 20% of the total coating area was crushed from the substrate. It is desirable to have a large number of FCT cycles before failure.

本発明の改質された複合TBC及び種々の他の材料から、コーティングされた試料を調製し、機械的侵食に対する耐性について試験した。コーティングされた試料を、50ミクロンのメジアンサイズを有する角状のアルミナ粒子に曝すことからなる制御条件下で、各機械的侵食試験を行った。そのアルミナ粒子は、20°Cの室温で粒子速度200ft/秒で、コーティングされた試料に衝突した(impinged)。侵食速度(erosion rate)は、アルミナ侵食媒体のセット質量に対する曝露に基づいて、試験試料のために確立されている。換言すると、アルミナ侵食媒体の質量当たりの、侵食されるコーティング材料の質量が決定される。侵食速度は低いのが望ましい。   Coated samples were prepared from the modified composite TBC of the present invention and various other materials and tested for resistance to mechanical erosion. Each mechanical erosion test was performed under controlled conditions consisting of exposing the coated sample to angular alumina particles having a median size of 50 microns. The alumina particles impinged on the coated sample at a room temperature of 20 ° C. and a particle velocity of 200 ft / sec. An erosion rate has been established for the test sample based on exposure to the set mass of the alumina erosion medium. In other words, the mass of the eroded coating material per mass of alumina erosion medium is determined. It is desirable that the erosion rate is low.

試験した全てのコーティングされた試料について、光学顕微鏡を用いて、粒子マクロ構造を評価した。   All coated samples tested were evaluated for particle macrostructure using an optical microscope.

[比較例1](非複合柱状SPS構造)
エタノールベースの懸濁液中の7〜8wt%のイットリア安定化ジルコニア(YSZ)の供給材料から、非複合(non−composite)コーティングを調製した(柱状SPSベースラインと称する)。その材料は、直径約330nmのサブミクロンサイズを有していた。その材料を、エタノールベースの懸濁液中に懸濁させ、次いで、約25〜40μinの表面粗さRaを有する滑らかな基材上に溶射した(thermally sprayed)。約12〜15milのコーティング厚さが得られた。
[Comparative Example 1] (non-composite columnar SPS structure)
Non-composite coatings were prepared from 7-8 wt% yttria stabilized zirconia (YSZ) feedstock in ethanol based suspension (referred to as columnar SPS baseline). The material had a submicron size of about 330 nm in diameter. The material was suspended in an ethanol-based suspension and then thermally sprayed onto a smooth substrate having a surface roughness Ra of about 25-40 μin. A coating thickness of about 12-15 mils was obtained.

得られたコーティングは、マクロ柱状の特徴を含んでいた。その柱の特徴は、一般に、基材の表面全体にわたって、幅方向に互いに均一であった。その特徴は、高さについても互いに同等であった。均一なコーティング厚さを有する規則的で滑らかな界面を作り出した。   The resulting coating contained macro-columnar features. The features of the pillars were generally uniform with each other in the width direction over the entire surface of the substrate. The features were similar to each other in height. A regular and smooth interface with uniform coating thickness was created.

非複合コーティングの熱機械的性能を評価するために、FCTサイクルを行った。図9の「柱状SPSベースライン」と表示されたバーで示すとおり、約850FCTサイクルの平均回数を完了した。   To evaluate the thermomechanical performance of the non-composite coating, an FCT cycle was performed. The average number of 850 FCT cycles was completed as indicated by the bar labeled “Columnar SPS Baseline” in FIG.

さらに、コーティングされた非複合試料を、機械的侵食試験のために調製した。侵食速度は、コーティングされた表面に衝突するアルミナ粒子1グラム当たりの、侵食された試験材料のmgの単位で決定した。図10の「柱状SPSベースライン」と表示されたバーで示すとおり、約1.05mg/gの侵食速度によって明らかなように、この試料は、試験した全ての材料の中で最悪の挙動を示した。   In addition, coated non-composite samples were prepared for mechanical erosion testing. The erosion rate was determined in units of mg of eroded test material per gram of alumina particles impinging on the coated surface. As shown by the bar labeled “Columnar SPS Baseline” in FIG. 10, this sample shows the worst behavior of all the materials tested, as evidenced by an erosion rate of about 1.05 mg / g. It was.

これらのFCT及び侵食試験の結果は、従来のTBC材料を示していた。   The results of these FCT and erosion tests showed conventional TBC materials.

[比較例2](非複合APS DVC)
7〜8wt%のYSZ乾燥粉末の供給材料から、非複合コーティングを調製した(APS DVCと称する)。その材料は、22〜62μmのメジアン粒径を有していた。その材料を、APSにより、約25〜40μinの表面粗さRaを有する滑らかな基材上に溶射した。APS DVCコーティングは、乏しい品質及びカバレッジを示すことが観察された。コーティングの品質があまりにも乏しいため、いかなる実質的なコーティングも生成しなかった。付着とみなすことができる領域で、わずか1milの最大厚さが得られた。
[Comparative Example 2] (Non-Composite APS DVC)
A non-composite coating was prepared from 7-8 wt% YSZ dry powder feed (referred to as APS DVC). The material had a median particle size of 22-62 μm. The material was sprayed by APS onto a smooth substrate having a surface roughness Ra of about 25-40 μin. The APS DVC coating was observed to show poor quality and coverage. The coating quality was too poor to produce any substantial coating. A maximum thickness of only 1 mil was obtained in the area that could be considered adhesion.

非複合コーティングの熱機械的性能を評価するために、FCTサイクルを行った。図9の「APS DVC」と表示されたバーで示すとおり、コーティングはわずか合計20サイクル後に剥離した。   To evaluate the thermomechanical performance of the non-composite coating, an FCT cycle was performed. As indicated by the bar labeled “APS DVC” in FIG. 9, the coating peeled after only a total of 20 cycles.

さらに、コーティングされた非複合試料を、機械的侵食試験のために調製した。侵食速度は、コーティングされた表面に衝突するアルミナ粒子1グラム当たりの、侵食された試験材料のmgの単位で決定した。図10の「APS DVC」と表示されたバーで示すとおり、非複合体試料は、約0.2〜0.25mg/gの間の侵食速度を示した。   In addition, coated non-composite samples were prepared for mechanical erosion testing. The erosion rate was determined in units of mg of eroded test material per gram of alumina particles impinging on the coated surface. As shown by the bar labeled “APS DVC” in FIG. 10, the uncomplexed sample exhibited an erosion rate between about 0.2-0.25 mg / g.

これらのFCT及び侵食試験の結果は、従来のTBC材料を示していた。   The results of these FCT and erosion tests showed conventional TBC materials.

[実施例1](複合構造)
図7に示すように、複合コーティングシステム(「柱状SPS複合体A」と称する)を調製した。7〜8wt%のイットリア安定化ジルコニア(YSZ)の原料から、下地コート層を調製した。下地コート材料は、約330nmのメジアン粒径を有していた。下地コート材料を、エタノールベースの懸濁液中に懸濁させ、次いで、約25〜40μinの表面粗さRaを有する滑らかな基材上に溶射した。下地コートのコーティング厚さは、6〜7milであった。
[Example 1] (Composite structure)
As shown in FIG. 7, a composite coating system (referred to as “columnar SPS composite A”) was prepared. A base coat layer was prepared from 7 to 8 wt% of yttria-stabilized zirconia (YSZ) raw material. The undercoat material had a median particle size of about 330 nm. The undercoat material was suspended in an ethanol-based suspension and then sprayed onto a smooth substrate having a surface roughness Ra of about 25-40 μin. The coating thickness of the undercoat was 6-7 mil.

7〜8wt%のYSZの供給材料から、トップコート層を調製した。トップコート材料は、約2μmのメジアン粒径を有していた。トップコート材料を、エタノールベースの懸濁液の液体キャリア中に懸濁させ、次いで、基材上に溶射した。トップコートのコーティング厚さは、4〜5milであった。複合コーティングの厚さは、10〜12milであった。   A topcoat layer was prepared from a feedstock of 7-8 wt% YSZ. The topcoat material had a median particle size of about 2 μm. The topcoat material was suspended in a liquid carrier of ethanol-based suspension and then sprayed onto the substrate. The topcoat coating thickness was 4-5 mils. The composite coating thickness was 10-12 mils.

生成され、得られた複合コーティングシステムを、図7に示す。複合体は、多孔質でマクロ柱状な下地コートと、稠密でマクロ柱状なトップコートとを含有した。下地コート層は、滑らかな基材表面上のコーティング層の熱機械的適合性を維持し、その一方で、蛇行した境界面は、第一及び第二のコーティング層の間に改善した機械的結合を提供した。   The composite coating system produced and obtained is shown in FIG. The composite contained a porous, macro-columnar undercoat and a dense, macro-columnar topcoat. The undercoat layer maintains the thermomechanical compatibility of the coating layer on the smooth substrate surface, while the serpentine interface provides improved mechanical bonding between the first and second coating layers. Provided.

複合コーティングの熱機械的性能を評価するために、FCTサイクルを行った。図9の「柱状SPS複合体A」と表示されたバーで示すとおり、800〜850サイクルの間のFCTサイクルの平均回数を完了した。バーの上部から延びる縦の線は、試験ごとに設定された試料の標準偏差を示す。その標準偏差によれば、柱状SPS複合体Aが、柱状SPSベースライン(比較例1)と同等のFCT性能を有することを示し、2つのコーティングの間に統計的な差異は観察されなかったことが、注目された。したがって、柱状SPS複合体Aは、柱状SPSベースライン(比較例1)と同等のFCT性能を維持していると結論づけられた。   To evaluate the thermomechanical performance of the composite coating, an FCT cycle was performed. The average number of FCT cycles between 800-850 cycles was completed as indicated by the bar labeled “Columnar SPS Complex A” in FIG. The vertical line extending from the top of the bar indicates the standard deviation of the sample set for each test. According to the standard deviation, it was shown that the columnar SPS composite A had the same FCT performance as the columnar SPS baseline (Comparative Example 1), and no statistical difference was observed between the two coatings. However, it attracted attention. Therefore, it was concluded that the columnar SPS composite A maintains the same FCT performance as the columnar SPS baseline (Comparative Example 1).

さらに、コーティングされた複合試料を、機械的侵食試験のために調製した。侵食速度は、コーティングされた表面に衝突するアルミナ粒子1グラム当たりの、侵食された試験材料のmgの単位で決定した。図10の「柱状SPS複合体A」と表示されたバーで示すとおり、この試料は、約0.3〜0.35mg/gの侵食速度を示した。この侵食試験の結果は、比較例1のコーティングされた試料との比較において、侵食速度耐性(erosion rate resistance)が、約70%改善したことを表していた。   In addition, coated composite samples were prepared for mechanical erosion testing. The erosion rate was determined in units of mg of eroded test material per gram of alumina particles impinging on the coated surface. As shown by the bar labeled “Columnar SPS Complex A” in FIG. 10, this sample exhibited an erosion rate of about 0.3-0.35 mg / g. The results of this erosion test indicated an improvement in erosion rate resistance of about 70% compared to the coated sample of Comparative Example 1.

比較例1のベースラインコーティングとは対照的に、柱状SPS複合体Aコーティングは、十分なFCT性能を維持しながら、耐侵食性に優れるという追加的利点をも示した。   In contrast to the baseline coating of Comparative Example 1, the columnar SPS composite A coating also exhibited the additional benefit of having excellent erosion resistance while maintaining sufficient FCT performance.

[実施例2](複合構造)
図8に示すように、複合コーティングシステム(「柱状SPS複合体B」と称する)を調製した。7−8wt%のイットリア安定化ジルコニア(YSZ)の原料から、下地コート層を調製した。下地コート材料は、約330nmのメジアン粒径を有していた。下地コート材料を、エタノールベースの懸濁液中に懸濁させ、次いで、約25〜40μinの表面粗さRaを有する滑らかな基材上に溶射した。下地コートのコーティング厚さは、6〜7milであった。
[Example 2] (Composite structure)
As shown in FIG. 8, a composite coating system (referred to as “columnar SPS composite B”) was prepared. A base coat layer was prepared from a raw material of 7-8 wt% yttria stabilized zirconia (YSZ). The undercoat material had a median particle size of about 330 nm. The undercoat material was suspended in an ethanol-based suspension and then sprayed onto a smooth substrate having a surface roughness Ra of about 25-40 μin. The coating thickness of the undercoat was 6-7 mil.

22〜62μmの間の平均粒径を有する7〜8wt%のYSZ乾燥粉末の供給材料から、トップコート層を調製した。トップコート材料を、大気プラズマ溶射(APS:atmospheric plasma spraying)により、滑らかな基材表面上に溶射し、APS稠密縦割れ(DVC)トップコートを生成した。APS DVCトップコートの厚さは、約8milであり、複合コーティング全体の厚さは、約14〜15milであった。   A topcoat layer was prepared from a feed of 7-8 wt% YSZ dry powder having an average particle size between 22-62 μm. The topcoat material was sprayed onto a smooth substrate surface by atmospheric plasma spraying (APS) to produce an APS dense vertical crack (DVC) topcoat. The thickness of the APS DVC topcoat was about 8 mils, and the total thickness of the composite coating was about 14-15 mils.

得られた複合コーティングシステムを図8に示す。第一のコーティング又は下地コート層は、より多孔質であり、熱機械的適合性を提供した。第二のコーティング又はトップコート層は、より稠密であり、機械的侵食に対するバリアを提供した。   The resulting composite coating system is shown in FIG. The first coating or undercoat layer was more porous and provided thermomechanical compatibility. The second coating or topcoat layer was more dense and provided a barrier to mechanical erosion.

複合コーティングの熱機械的性能を評価するために、FCTサイクルを行った。図9の「柱状SPS複合体B」と表示されたバーで示すとおり、約800サイクルのFCTサイクルの平均回数を完了した。バーの上部から延びる縦の線は、試験ごとに設定された試料の標準偏差を示す。その標準偏差によれば、柱状SPS複合体Bが、柱状SPSベースライン(比較例1)と同等のFCT性能を有することを示し、2つのコーティングの間に統計的な差異は観察されなかったことが、注目された。 したがって、柱状SPS複合体Bは、柱状SPSベースライン(比較例1)と同等のFCT性能を維持していると結論づけられた。   To evaluate the thermomechanical performance of the composite coating, an FCT cycle was performed. As shown by the bar labeled “Columnar SPS Composite B” in FIG. 9, the average number of FCT cycles of about 800 cycles was completed. The vertical line extending from the top of the bar indicates the standard deviation of the sample set for each test. According to the standard deviation, it was shown that the columnar SPS composite B had the same FCT performance as the columnar SPS baseline (Comparative Example 1), and no statistical difference was observed between the two coatings. However, it attracted attention. Therefore, it was concluded that the columnar SPS composite B maintained the same FCT performance as the columnar SPS baseline (Comparative Example 1).

さらに、コーティングされた複合試料を、機械的侵食試験のために調製した。侵食速度は、コーティングされた表面に衝突するアルミナ粒子1グラム当たりの、侵食された試験材料のmgの単位で決定した。図10の「柱状SPS複合体B」と表示されたバーで示すとおり、この試料は、0.2mg/gをわずかに下回る侵食速度を示した。この結果は、比較例1のコーティングされた試料との比較において、侵食速度耐性(erosion rate resistance)が、約80%改善したことを表していた。   In addition, coated composite samples were prepared for mechanical erosion testing. The erosion rate was determined in units of mg of eroded test material per gram of alumina particles impinging on the coated surface. As indicated by the bar labeled “Columnar SPS Complex B” in FIG. 10, this sample exhibited an erosion rate slightly below 0.2 mg / g. This result indicated that the erosion rate resistance was improved by about 80% in comparison with the coated sample of Comparative Example 1.

比較例1のベースラインコーティングとは対照的に、柱状SPS複合体Bコーティングは、十分なFCT性能を維持しながら、耐侵食性に優れるという追加的利点をも示した。   In contrast to the baseline coating of Comparative Example 1, the columnar SPS composite B coating also exhibited the additional advantage of superior erosion resistance while maintaining sufficient FCT performance.

実施例1及び2の本発明の複合コーティングは、非複合柱状コーティング(比較例1)の熱機械的適合性を維持する機能を有しつつ、それと同時に、APS DVC(比較例2)の改善した耐侵食性を達成することを、上記の例は示している。さらに、本発明の複合コーティングは、滑らかな基材表面(例:100μin未満のRa)と結合して付着する機能を有しつつ、一方で、溶射コーティングと一致した熱伝導率の値を維持する。さらに、他の典型的な溶射プロセスとの比較において、本発明のTBCは、低コストの範囲で生成される。一般的に言えば、繰り返し熱衝撃サイクリング中に熱機械的適合性を維持するという従来のTBCの機能は、コーティングされた試料のバルク及び/又は自由表面における耐侵食性及び他の特性の顕著な減少という犠牲を払った場合でのみ可能であった。不均一な柱状マクロ構造を有し、且つ滑らかな基材の粗さ(smooth substrate roughness)に結合する、特別に設計された第一のコーティング層が、第一のコーティング層に適合してその上に適用される次の第二のコーティングを可能にすることを、実施例1及び2は示している。   The inventive composite coatings of Examples 1 and 2 have the function of maintaining the thermomechanical compatibility of the non-composite columnar coating (Comparative Example 1) while at the same time improving the APS DVC (Comparative Example 2). The above example shows that erosion resistance is achieved. Furthermore, the composite coating of the present invention has the ability to bind and adhere to a smooth substrate surface (eg, less than 100 μin Ra) while maintaining a thermal conductivity value consistent with thermal spray coating. . Furthermore, in comparison with other typical thermal spray processes, the TBC of the present invention is produced in a low cost range. Generally speaking, the traditional TBC's ability to maintain thermomechanical compatibility during repeated thermal shock cycling is notable for erosion resistance and other properties in the bulk and / or free surface of the coated sample. It was possible only at the expense of a reduction. A specially designed first coating layer having a non-uniform columnar macrostructure and bonded to a smooth substrate roughness is adapted to the first coating layer on top of it. Examples 1 and 2 show that a second coating can be applied next.

第二のコーティングは、第一のコーティング層を補完するように選択される。そのような第一のコーティング層の補完は、得られた複合コーティング構造のバルク及び/又は自由表面において1つ以上の特性改善が示されることによる。このように、設計上の考慮事項が競合するために、以前には相互排他的な特性と認識されていた特性について、本発明は、改善されたこれらの特性の組合せ(例えば、熱機械的適合性及び耐侵食性/耐腐食性)を有するTBC複合構造を提供する。   The second coating is selected to complement the first coating layer. Complementation of such a first coating layer is due to the fact that one or more property improvements are shown in the bulk and / or free surface of the resulting composite coating structure. Thus, for features that were previously recognized as mutually exclusive properties due to competing design considerations, the present invention provides an improved combination of these properties (e.g., thermomechanical adaptation). And a TBC composite structure having erosion resistance / corrosion resistance).

特定のTBC用途や他の種類の用途に望まれるような、所望のバルク及び自由表面のコーティング特性を提供するために、任意の好適なトップコーティングを利用することができるものと理解されたい。特別に設計された下地コートの自由表面は、特定のトップコートの適切な結合を確保するために、必要に応じて改質してもよい。例えば、幾つかのトップコートの場合、そのトップコートの適切な結合のため、下地コートの自由表面の蛇行性を増加させる必要があろう(すなわち、隣接する山と谷の高さ及び幅の不均一性を増加させる)。   It should be understood that any suitable top coating can be utilized to provide the desired bulk and free surface coating properties as desired for specific TBC applications and other types of applications. The free surface of the specially designed undercoat may be modified as needed to ensure proper bonding of the particular topcoat. For example, in some top coats, proper bonding of the top coat would require increasing the serpentine nature of the free surface of the undercoat (ie, the lack of height and width of adjacent peaks and valleys). Increase uniformity).

第一のコーティング層の特性は、図1a及び図1bに示したように、マクロ構造の特徴によって選択的に調整される。本発明の機能で特に重要なのは、熱サイクリング中に、滑らかな基材との密着性と結合強度とを維持することであり、それにより、従来の遮熱コーティング(例えば、DVC、アブレイダブルコーティング、環境バリアコーティング又は稠密化柱状コーティング−いずれも、典型的には、熱サイクリング中に、持続密着性及び結合強度を維持することができない)と比較して、優れた熱機械的適合性を有する材料を生成することである。   The properties of the first coating layer are selectively tuned by the features of the macrostructure, as shown in FIGS. 1a and 1b. Of particular importance in the function of the present invention is to maintain adhesion and bond strength with a smooth substrate during thermal cycling, thereby allowing conventional thermal barrier coatings (eg, DVC, abradable coatings). , Environmental barrier coatings or densified columnar coatings—both typically fail to maintain sustained adhesion and bond strength during thermal cycling) have superior thermomechanical compatibility Is to produce material.

様々な改変及び変更は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく容易に作成することができることは理解されよう。したがって、本発明は、本明細書で示し説明された正確な形態及び詳細に限定されず、本明細書で開示され以後で特許請求される本発明の全体未満の何物にも限定されないことが意図されている。   It will be understood that various modifications and changes can be readily made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the invention is not limited to the precise forms and details shown and described herein, but is limited to nothing less than the full invention disclosed and claimed herein. Is intended.

Claims (21)

改質された遮熱複合コーティングであって、以下を含む:
基材の表面に結合した第一のコーティング層、前記第一のコーティング層は、対応する自由表面での山と谷の所定の分布によって特徴付けられるマクロ柱状の特徴を含み、第一の層及び第二の層の間に改善された機械的結合を作り;
前記柱状の特徴は、ナノサイズ及び/又はサブミクロンサイズのスプラットの前駆体懸濁液に由来して、基材表面に熱機械的適合性のある界面を形成し、前記スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティングのために等方性結晶配向を生成し;
前記スプラットは、冷却時における熱流の方向とは反対に成長する非等軸の柱状粒子を含み、異方性結晶粒子配向を生成し;
前記第二のコーティング層は、第一のコーティング層の前記対応する自由表面に結合し、バルク及び/又は自由表面での前記第二のコーティング層は、第一のコーティング層と比較して、少なくとも一つの改善されたコーティング特性を有する。
A modified thermal barrier composite coating comprising:
A first coating layer bonded to the surface of the substrate, said first coating layer comprising macro-columnar features characterized by a predetermined distribution of peaks and valleys on the corresponding free surface; Creating an improved mechanical bond between the second layers;
The columnar features are derived from a nano-sized and / or sub-micron-sized splat precursor suspension to form a thermomechanically compatible interface on the substrate surface, the splats being randomly oriented Creating an isotropic crystal orientation for the first coating;
The splats include non-equal axis columnar grains that grow opposite to the direction of heat flow during cooling to produce anisotropic grain orientation;
The second coating layer is bonded to the corresponding free surface of the first coating layer, and the second coating layer in the bulk and / or free surface is at least as compared to the first coating layer. Has one improved coating property.
前記コーティング特性が、熱伝導性、耐侵食性、耐腐食性、及び熱機械的適合性からなる群から選択される、請求項1の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 1, wherein the coating properties are selected from the group consisting of thermal conductivity, erosion resistance, corrosion resistance, and thermomechanical compatibility. 前記第一のコーティング層が、第二のコーティングよりも、より多い量で内蔵空隙率を更に有する、請求項1の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 1, wherein the first coating layer further has a built-in porosity in a greater amount than the second coating. 前記第二のコーティング層が、稠密な縦割れコーティング、アブレイダブルコーティング、環境バリアコーティング、稠密化柱状コーティング、大気プラズマ溶射コーティング、及びそれらの任意の組合せからなる群から選択される、請求項1の改質された遮熱複合コーティング。   The second coating layer is selected from the group consisting of a dense longitudinal crack coating, an abradable coating, an environmental barrier coating, a densified columnar coating, an atmospheric plasma spray coating, and any combination thereof. Modified thermal barrier composite coating. 前記基材が滑らかな表面を含む、請求項1の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 1, wherein the substrate comprises a smooth surface. 前記山と谷の少なくとも一部が、実質的に不均一な幅及び高さを有し、蛇行した境界面を形成する、請求項1の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 1, wherein at least a portion of the peaks and valleys have substantially non-uniform widths and heights to form a serpentine interface. 前記コーティング特性が、前記第二のコーティング層内で連続して段階的に変化し、前記コーティング特性は、第一及び第二のコーティング層の界面に隣接する第一の位置で第一の値を有し、前記特性は、前記第一の位置で始まり、第二のコーティング層の自由表面上の点に向かる方向に延びている経路に沿って、前記第一の値から変化している、請求項1の改質された遮熱複合コーティング。   The coating property changes continuously and stepwise in the second coating layer, the coating property having a first value at a first location adjacent to the interface of the first and second coating layers. The characteristic varies from the first value along a path starting at the first position and extending in a direction toward a point on the free surface of the second coating layer; The modified thermal barrier composite coating of claim 1. 前記コーティング特性は、基材の表面に隣接する第一の位置で第一の値を有し、前記第二のコーティング層の自由表面に沿った点で第二の値を有し、前記コーティング特性が、前記第一の値から前記第二の値に離散的に変化している、請求項1の改質された遮熱複合コーティング。   The coating characteristic has a first value at a first position adjacent to the surface of the substrate and a second value at a point along the free surface of the second coating layer, the coating characteristic The modified thermal barrier composite coating of claim 1, wherein is discretely changing from the first value to the second value. 前記第一のコーティング層が約25ミクロン未満のミクロ構造の特徴を含む、請求項1の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 1, wherein the first coating layer comprises microstructure features less than about 25 microns. 前記第一のコーティング層が約10ミクロンから約50nmの範囲のミクロ構造の特徴を含む、請求項1の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 1, wherein the first coating layer comprises microstructure features ranging from about 10 microns to about 50 nm. 改質された遮熱複合コーティングであって、以下を含む:
基材の滑らかな表面に結合した第一のコーティング層、前記第一のコーティング層は、約10μmより小さいサイズを有し;
前記第一のコーティング層は、対応する自由表面での山と谷の所定の分布によって特徴付けられるマクロ柱状の特徴を含み、第一の層及び第二の層の間に改善された機械的結合を作り;
前記柱状の特徴は、ナノサイズ及び/又はサブミクロンサイズのスプラットの前駆体懸濁液に由来して、基材表面に熱機械的適合性のある界面を形成し、前記スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティングのために等方性結晶配向を生成し;
前記スプラットは、冷却時における熱流の方向とは反対に成長する非等軸の柱状粒子を含み、異方性結晶粒子配向を生成し;
前記第二の層は、第一のコーティング層の前記対応する自由表面に結合した稠密化コーティング層を含み、前記稠密化コーティングは、第一のコーティング層よりも低い空隙率を有し、前記稠密化コーティングは、第一のコーティング層に比べて改善された機械的侵食バリアを有する。
A modified thermal barrier composite coating comprising:
A first coating layer bonded to the smooth surface of the substrate, said first coating layer having a size of less than about 10 μm;
The first coating layer includes macro-columnar features characterized by a predetermined distribution of peaks and valleys on the corresponding free surface, and improved mechanical coupling between the first layer and the second layer Make;
The columnar features are derived from a nano-sized and / or sub-micron-sized splat precursor suspension to form a thermomechanically compatible interface on the substrate surface, the splats being randomly oriented Creating an isotropic crystal orientation for the first coating;
The splats include non-equal axis columnar grains that grow opposite to the direction of heat flow during cooling to produce anisotropic grain orientation;
The second layer includes a densified coating layer bonded to the corresponding free surface of the first coating layer, the densified coating having a lower porosity than the first coating layer, and the dense layer The modified coating has an improved mechanical erosion barrier compared to the first coating layer.
前記第一のコーティング層のミクロ構造の特徴が、約10μm未満で、且つ約50nm以上のサイズを有する、請求項11の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 11, wherein the microstructure features of the first coating layer have a size of less than about 10 μm and greater than about 50 nm. 前記稠密化コーティングが、ナノサイズ及び/又はサブミクロンサイズの粒子の第二の前駆体懸濁液に由来する、請求項11の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 11, wherein the densified coating is derived from a second precursor suspension of nano-sized and / or sub-micron sized particles. 前記の山と谷の所定の分布が、蛇行する不規則な界面を形成するように配置されている、請求項11の改質された遮熱複合コーティング。   12. The modified thermal barrier composite coating of claim 11, wherein the predetermined distribution of peaks and valleys is arranged to form a serpentine irregular interface. 前記第一のコーティング層が、稠密化コーティングよりも、より多い量で内蔵空隙率を有する、請求項1の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 1, wherein the first coating layer has a built-in porosity in a greater amount than the densified coating. 改質された遮熱複合コーティングであって、以下を含む:
基材の滑らかな表面に結合した第一のコーティング層、前記第一のコーティング層は、約10μmより小さいサイズを有し;
前記第一のコーティング層は、対応する自由表面での山と谷の所定の分布によって特徴付けられるマクロ柱状の特徴を含み、第一の層及び第二の層の間に改善された機械的結合を作り;
前記柱状の特徴は、ナノサイズ及び/又はサブミクロンサイズのスプラットの前駆体懸濁液に由来して、基材表面に熱機械的適合性のある界面を形成し、前記スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティングのために等方性結晶配向を生成し;
前記スプラットは、冷却時における熱流の方向とは反対に成長する非等軸の柱状粒子を含み、異方性結晶粒子配向を生成し;
前記第二の層は、第一のコーティング層の前記対応する自由表面に結合した稠密化コーティング層を含み、前記稠密化コーティングは、第一のコーティング層よりも低い空隙率を有し、前記稠密化コーティングは、大気溶射によって適用される乾燥粉末に由来し、前記コーティングは、部分的に溶融した粒子と完全に溶融した粒子とを含み、第一のコーティング層に比べて改善された機械的侵食バリアを有する。
A modified thermal barrier composite coating comprising:
A first coating layer bonded to the smooth surface of the substrate, said first coating layer having a size of less than about 10 μm;
The first coating layer includes macro-columnar features characterized by a predetermined distribution of peaks and valleys on the corresponding free surface, and improved mechanical coupling between the first layer and the second layer Make;
The columnar features are derived from a nano-sized and / or sub-micron-sized splat precursor suspension to form a thermomechanically compatible interface on the substrate surface, the splats being randomly oriented Creating an isotropic crystal orientation for the first coating;
The splats include non-equal axis columnar grains that grow opposite to the direction of heat flow during cooling to produce anisotropic grain orientation;
The second layer includes a densified coating layer bonded to the corresponding free surface of the first coating layer, the densified coating having a lower porosity than the first coating layer, and the dense layer The coating is derived from a dry powder applied by atmospheric spraying, said coating comprising partially melted particles and fully melted particles, improved mechanical erosion compared to the first coating layer Has a barrier.
前記稠密化コーティング層の粒子が、約10μmよりも大きいサイズを有する、請求項16の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 16, wherein the particles of the densified coating layer have a size greater than about 10 μm. 前記滑らかな表面が、約125μin未満のRaを有する、請求項16の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 16, wherein the smooth surface has a Ra of less than about 125 μin. 前記滑らかな表面が、約80μin未満のRaを有する、請求項18の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 18, wherein the smooth surface has a Ra of less than about 80 μin. 前記稠密化コーティング層は、第一のコーティング層に比べて少なくとも1つの改善されたコーティング特性を有し、更に、前記改善されたコーティング特性が、段階的に変化している、請求項16の改質された遮熱複合コーティング。   The modification of claim 16, wherein the densified coating layer has at least one improved coating property compared to the first coating layer, and wherein the improved coating property is stepwise changed. Quality thermal barrier composite coating. 前記稠密化コーティング層が、稠密に縦割れしたミクロ構造を生成する、請求項16の改質された遮熱複合コーティング。   The modified thermal barrier composite coating of claim 16, wherein the densified coating layer produces a dense vertically cracked microstructure.
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