JP2017035682A - コーティング方法及びコーティングされた構成要素 - Google Patents

Abstract

【課題】産業重機にとって低い粗さのロバストなコーティングの提供。具体的に、産業ガスタービンにおけるホットガス経路構成要素用の熱バリアコーティング材料の提供。
【解決手段】コーティング方法は、操作上使用された表面に懸濁液を塗布する工程と、懸濁液は、１つ又は複数の溶媒、ナノ材料、可塑剤、結合剤、及び懸濁液内にナノ材料を懸濁する分散剤を有し、熱を懸濁液に加て懸濁液から液体が除去され、熱を加えた後に固体が表面上に維持される工程と、コーティング１０１をもたらすために表面上の固体を焼結する工程とを含む。コーティングされた構成要素１０３は、基体、及び固体の焼結によって基体上に形成されたコーティング１０１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コーティングに関する。具体的には、本発明は、コーティング方法及びコー
ティングされた構成要素に関する。

厚いコーティングをもたらして保護層を生じさせるために、インク及びスラリーが長く
用いられてきた。そのようなコーティングは、密度が高くなり得、又は多孔性を有し得る
。厚さ、密度、及び／又は多孔性は、特定の意図される用途にとって望ましくない特性を
もたらすおそれがある。

例えば、そのような技術は従来、十分に低い粗さを提供せず、様々な断面厚さをもたら
し、産業重機にとって十分にロバストなコーティングを提供せず、産業ガスタービンにお
けるホットガス経路構成要素用の熱バリアコーティング材料として用いることが可能でな
く、粘度に関して可撓性が制限され、かつ／又は拡張収縮に対して十分な耐性（弾性変形
又は塑性変形）を示さなかった。

欧州特許出願公開第１９００８４０号明細書

実施形態では、コーティング方法は、操作上使用された表面に懸濁液を塗布する工程で
あって、懸濁液は、１つ又は複数の溶媒、ナノ材料、可塑剤、結合剤、及び懸濁液内にナ
ノ材料を懸濁する分散剤を有する、工程と、熱を懸濁液に加える工程であって、これによ
って、懸濁液から液体が除去され、熱を加えた後に固体が表面上に維持される工程と、コ
ーティングをもたらすために表面上の固体を焼結する工程とを含む。

別の実施形態では、コーティング方法は、表面に懸濁液を塗布する工程であって、懸濁
液は、１つ又は複数の溶媒、ナノ材料、可塑剤、結合剤、及び懸濁液内にナノ材料を懸濁
する分散剤を有する、工程と、熱を懸濁液に加える工程であって、これによって、懸濁液
から液体が除去され、熱は低くとも１２０°Ｆであり、熱を加えた後に固体が表面上に維
持される工程と、コーティングをもたらすために表面上の固体を焼結する工程とを含む。

別の実施形態では、コーティングされた構成要素は、基体、及び固体の焼結によって基
体上に形成されたコーティングを備え、固体は、操作上使用された表面への懸濁液の塗布
及び加熱によって配置され、懸濁液は、１つ又は複数の溶媒、ナノ材料、可塑剤、結合剤
、及び懸濁液内にナノ材料を懸濁する分散剤を有する。

本発明の他の特徴及び利点は、一例として、本発明の原理を示す添付の図面と併用して
、以下の具体的な説明から明らかとなろう。

本開示に従う、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金でコーティングされた、基体を有する構成要素の実施形態の顕微鏡写真である。 本開示に従う、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金でコーティングされた、基体を有する構成要素の実施形態の顕微鏡写真である。 本開示に従う、ゲルアルミナイドでコーティングされた、基体を有する構成要素の実施形態の顕微鏡写真である。 本開示に従う、ゲルアルミナイドでコーティングされた、基体を有する構成要素の実施形態の顕微鏡写真である。 本開示に従う、ゲルアルミナイドでコーティングされた、基体を有する構成要素の実施形態の顕微鏡写真である。 本開示に従う、垂直にひびが入ったコーティングの実施形態を示す。

可能な場合には、図面の全体を通して、同じ部分を表すのに同じ参照番号を用いること
とする。

コーティング方法及びコーティングされた構成要素が提供される。本開示の実施形態は
、例えば、本明細書中に開示される特徴の１つ又は複数を含むことができない概念と比較
して、十分に低い粗さを提供し、より均一な断面厚さを提供し、産業重機にとって十分に
ロバストなコーティングを提供し、産業ガスタービンにおけるホットガス経路構成要素用
の熱バリアコーティング材料として用いることが可能であり、粘度に関して可撓性があり
、かつ／又は拡張収縮に対して十分な耐性（弾性変形又は塑性変形）を示す。

ある実施形態に従えば、コーティング方法は、操作上使用された表面に懸濁液を塗布し
て、コーティングされた構成要素１０３上にコーティング１０１をもたらすことを含む（
図１〜図５参照）。この方法は、より具体的には、懸濁液に熱を加えることによって、懸
濁液から液体を除去することを含む。熱を加えた後に、操作上使用された表面上に固体が
維持され、固体は、操作上使用された表面上で焼結されて、コーティング１０１が生じる
。

操作上使用された表面は、コーティング方法によってコーティングすることができるあ
らゆる好適な材料である。好適な材料として、限定されないが、セラミック、ニッケル、
アルミニウムベースの材料、ニッケルベースの超合金、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金（図１〜
図２参照）、及びゲルアルミナイド（図３〜図５参照）が挙げられる。本明細書中で用い
られる「操作上使用された」という用語は、使用の条件、例えば、特定の目的のための温
度及び圧力に事前に曝されたことをいう。例えば、一実施形態では、操作上使用された表
面は、ガスタービンのホットガス経路の圧力及び温度に、又はターボ機械の内部に曝され
てきた。

操作上使用された表面に塗布される懸濁液は、１つ又は複数の溶媒、ナノ材料（例えば
、粉末、球、繊維、及び／又はロッド）、可塑剤、結合剤、及び懸濁液内にナノ材料を懸
濁する分散剤を有する。一実施形態では、懸濁液は、分散剤が１重量％未満、結合剤が１
重量％未満、そして可塑剤が１重量％未満である組成を有する。一実施形態では、懸濁液
は、例えば、基体にラインごとに（ｌｉｎｅ−ｂｙ−ｌｉｎｅ）塗布され、かつコーティ
ング厚の変動があるグリーンセラミック、もしくは、溶媒の少なくとも一部の引火（ｆｌ
ａｓｈｉｎｇ）と同時に、最終的に少なくとも部分的に減らされる（ｍｉｔｉｇａｔｅｄ
）より弱いスポットである、又はこれを含む。

一実施形態では、懸濁液内の溶媒は、高引火溶媒（ｈｉｇｈｅｒ−ｆｌａｓｈ ｓｏｌ
ｖｅｎｔ）及び低引火溶媒（ｌｏｗｅｒ−ｆｌａｓｈ ｓｏｌｖｅｎｔ）を含み、高引火
溶媒の濃度が、懸濁液全体の１０重量％未満であり、低引火溶媒が２５重量％超である。
他の好適な濃度は、２５％〜５５％の低引火溶媒、２５％〜３５％の低引火溶媒、又はそ
の中での任意の好適な組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくは部分的範囲である。

懸濁液は、あらゆる好適な技術によって塗布される。好適な技術として、限定されない
が、溶射、ワイピング、ブラッシング、添加方法、及び／又は、高速酸素燃料溶射（ｈｉ
ｇｈ−ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙ ｆｕｅｌ ｓｐｒａｙ）でもプラズマ溶射でもないあ
らゆる技術が挙げられる。塗布される間又は塗布された後に、懸濁液は加熱され、これに
よって懸濁液から液体が除去される。熱は、高引火溶媒の引火点（例えば、低くとも１２
０°Ｆ及び／又は低くとも１５０°Ｆ）よりも高い温度である。加熱の後、固体は、操作
上使用された表面上に維持される。

固体は、意図される用途に適した寸法、構造、特性、及び／又は組成を有する。一実施
形態では、固体は、最大寸法が１００ナノメートル未満である。別の実施形態では、固体
は、最大寸法が８００ナノメートル未満である。一実施形態では、固体は、イットリア安
定化ジルコニア及び／又はニッケルベースの超合金を含む。

固体は、固体の溶融温度に対する好適な温度で、かつ／又は測定可能な（ｍｅａｓｕｒ
ａｂｌｅ）温度に基づいて、焼結される。例えば、一実施形態では、温度は、固体の溶融
温度の低くとも８０％である。追加的に、又は代わりに、別の実施形態では、温度は、低
くとも２，０００°Ｆ又は低くとも２，４００°Ｆである。

コーティング１０１は、コーティング方法によってもたらされる。一実施形態では、図
６に示されるように、コーティング１０１は、垂直にひびが入り、薄層に裂ける（ｄｅｌ
ａｍｉｎａｔｉｏｎ）ことなく膨張収縮を可能とするひび割れ６０１を有することによっ
て、歪み耐性がある（ｓｔｒａｉｎ−ｔｏｌｅｒａｎｔ）。本明細書中で用いられる「垂
直にひびが入った」という用語は、基体による材料の結合強度よりも、材料の厚さ方向の
剪断応力がかなり低い場合に、比較的大きな変形の存在下でも、表面による結合を材料が
維持することを可能にする断続的な亀裂を有することをいう。例えば、垂直にひびが入る
ことで、ナノスケール粒子間の連結からの伝達（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）が可能となり
、これによって表面は環境に完全に曝されるわけではない。一実施形態では、ひび割れ６
０１は、例えば、引火赤外線技術（ｆｌａｓｈ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
ｓ）及び／又は炉サイクリングを用いる技術によって誘導される。

コーティング１０１に適した厚さとして、限定されないが、１００マイクロメートル未
満、２００マイクロメートル未満、１５マイクロメートル未満、又はその中での任意の好
適な組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくは部分的範囲が挙げられる。一実施形態では、
コーティング１０１は、ターボ機械構成要素上に配置される熱バリアコーティングである
。

本発明は、１つ又は複数の実施形態を参照して記載されてきたが、種々の変更がなされ
てよく、そして等価物が、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、その要素と置換されてよい
ことが当業者によって理解されるであろう。また、特定の状況又は材料を、本発明の教示
に応用するような多くの修飾が、その必須の範囲を逸脱することなくなされてよい。した
がって、本発明は、本発明を実行するのに考えられる最良の態様として開示される特定の
実施形態に限定されず、本発明は、添付される特許請求の範囲に収まるすべての実施形態
を含むこととなることが意図される。また、詳細な説明において同定されたすべての数値
は、正確な値及び近似の値が双方とも明示的に同定されているが如く解釈されるべきであ
る。

１０１ コーティング
１０３ コーティングされた構成要素
６０１ ひび割れ

Claims (15)

1. 操作上使用された表面に懸濁液を塗布する工程であって、前記懸濁液は、１つ又は複数の溶媒、ナノ材料、可塑剤、結合剤、及び前記懸濁液内にナノ材料を懸濁する分散剤を有する、工程と、
   熱を前記懸濁液に加える工程であって、これによって、前記懸濁液から液体が除去され、前記熱を加えた後に、固体が、前記操作上使用された表面上に維持される工程と、
   コーティング（１０１）をもたらすために、前記操作上使用された表面上の前記固体を焼結する工程と
   を含むコーティング方法。
2. 前記コーティング（１０１）を垂直にひび入れする工程をさらに含む、請求項１に記載のコーティング方法。
3. 前記懸濁液は、前記分散剤が１重量％未満、前記結合剤が１重量％未満、そして前記可塑剤が１重量％未満である組成を有する、請求項１に記載のコーティング方法。
4. 前記溶媒は、高引火溶媒及び低引火溶媒を含み、前記高引火溶媒の濃度が、前記懸濁液全体の１０重量％未満であり、前記低引火溶媒が２５重量％超である、請求項１に記載のコーティング方法。
5. 前記懸濁液の前記塗布工程は、溶射、ワイピング、又はブラッシングによる、請求項１に記載のコーティング方法。
6. 前記焼結工程は、前記固体の溶融温度の低くとも８０％の温度でなされる、請求項１に記載のコーティング方法。
7. 前記焼結工程は、低くとも２，４００°Ｆの温度でなされる、請求項１に記載のコーティング方法。
8. 前記固体は、最大寸法が１００ナノメートル未満である、請求項１に記載のコーティング方法。
9. 前記固体は、最大寸法が８００ナノメートル未満である、請求項１に記載のコーティング方法。
10. 前記固体は、イットリア安定化ジルコニアを含む、請求項１に記載のコーティング方法。
11. 前記固体は、ニッケルベースの超合金を含む、請求項１に記載のコーティング方法。
12. 前記ナノ材料は、粉末、球、繊維、及びロッドの１つ又は複数を含む、請求項１に記載のコーティング方法。
13. 前記コーティング（１０１）は、厚さが２００マイクロメートル未満である、請求項１に記載のコーティング方法。
14. 前記懸濁液の前記塗布工程は、高速酸素燃料溶射又はプラズマ溶射以外の技術による、請求項１に記載のコーティング方法。
15. 前記コーティング（１０１）は、ターボ機械構成要素上に配置される熱バリアコーティング（１０１）である、請求項１に記載のコーティング方法。