JP2019065384A - 滑らかな表面上の溶射コーティングの改良された接着 - Google Patents

Abstract

【課題】コーティングされた構成要素と、その形成および使用の方法を提供する。【解決手段】コーティングされた構成要素（１０）が、そのようなコーティングシステム（２０）を形成する方法と共に一般に提供される。コーティングされた構成要素（１０）は、その上にコーティングシステム（２０）を有する表面（２５、２７）を有する基材を含む。コーティングシステム（２０）は、基材の表面（２５、２７）上に柱状遮熱コーティング（ＴＢＣ）（２４）を含んでもよく、柱状ＴＢＣ（２４）は、表面接続された空隙（３０）を含む。中間層（２６）が、柱状ＴＢＣ層の上にある。中間層（２６）は、柱状ＴＢＣ（２４）の表面（２５、２７）よりも粗い柱状ＴＢＣ（２４）の反対側の表面（２５、２７）を有する。第２のＴＢＣ（２８）が、中間層（２６）の上にある。【選択図】図１

Description

本開示は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）遮熱コーティングが予め堆積されているタービンエンジン構成要素への使用または修理のためのような、柱状または高密度垂直亀裂遮熱コーティング上への溶射コーティングの堆積のための方法に関する。

遮熱コーティングは、典型的には、高温で動作する、または高温に曝される物品で使用される。例えば、航空タービンおよび陸上タービンは、遮熱コーティングによって保護された１つまたは複数の構成要素を含むことができる。通常の動作の条件下では、コーティングされた構成要素は、侵食、酸化、および環境汚染物質からの攻撃を含む様々な種類の損傷を受けやすい可能性がある。

タービン構成要素の場合、特に懸念される環境汚染物質組成物は、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、およびそれらの混合物の酸化物を含むものであり、例えば、ガスタービンエンジンによって摂取される泥、灰、および塵は、そのような化合物で構成されることが多い。しばしば、これらの酸化物は組み合わされて、以後、「ＣＭＡＳ」と呼ばれる混合カルシウム−マグネシウム−アルミニウム−ケイ素−酸化物系（Ｃａ−Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ）からなる汚染物質組成物を形成する。高いタービン動作温度では、これらの環境汚染物質は、高温の遮熱コーティング表面に付着し、それにより遮熱コーティングを損傷させる可能性がある。例えば、ＣＭＡＳは、タービンの動作温度で液体である、または溶融する組成物を形成する場合がある。溶融ＣＭＡＳ組成物は、遮熱コーティングを溶解するか、またはコーティングの孔、チャネル、亀裂、または他の空洞に浸透することによってその多孔質構造を満たすことがある。冷却すると、浸透したＣＭＡＳ組成物は、凝固してコーティングの歪み耐性を低下させ、したがって亀裂を発生させ伝播し、その亀裂が、コーティング材料の剥離およびスポーリングを引き起こす恐れがある。さらにこれによって、部品または構成要素の下にある金属基材に施された熱保護が部分的にまたは完全に失われることがある。さらに、遮熱コーティングのスポーリングは、金属基材にホットスポットを生じさせ、それによって構成要素が早期に故障することがある。構成要素が早期に故障することによって、予定外のメンテナンスならびに部品交換をまねき、その結果、性能が低下し、運転および修理の費用が増す可能性がある。

しかし、ＴＢＣの定期的なメンテナンスには、ＴＢＣ材料を洗浄して構成要素上に再適用することが含まれる。このような操作は、新しいＴＢＣを構成要素の表面上に適用することができるように、エンジン分解またはエンジン洗浄プロセスのいずれかを必要とする。そのような分解プロセスは、エンジンの停止時間を長くし、長期間にわたり使用ができなくなる。あるいは、エンジンの内部構成要素を洗剤および他の洗浄剤で洗い流すことは、エンジンに他の望ましくない問題をもたらす可能性がある。

したがって、高温で動作されたとき、または高温に曝されたときに環境汚染物質の悪影響から遮熱コーティングを保護する改良されたコーティングシステムが必要とされている。特に、堆積したＣＭＡＳの悪影響から保護する、改良されたコーティングシステム、およびそのようなコーティングを製作するための方法が必要とされている。

米国特許出願公開第２０１６／０２１４１７６号

態様および利点は、その一部を以下の説明に記載しており、あるいはその説明から明らかになり、あるいは本発明の実施により学ぶことができる。

コーティングされた構成要素が、一般に提供される。一実施形態では、コーティングされた構成要素は、その上にコーティングシステムを有する表面を有する基材を含む。コーティングシステムは、基材の表面上に柱状遮熱コーティング（ＴＢＣ）を含んでもよく、柱状ＴＢＣは、表面接続された空隙を含む。中間層が、柱状ＴＢＣ層の上にある。中間層は、柱状ＴＢＣの表面よりも粗い柱状ＴＢＣの反対側の表面を有する。第２のＴＢＣが、中間層の上にある。

基材の表面にコーティングシステムを形成するための方法も提供される。一実施形態では、柱状遮熱コーティングが基材の表面上に形成され、それにより柱状ＴＢＣは、表面接続された空隙を有し、第１の表面粗さを有する表面を有するようになる。空気プラズマ溶射中間層が柱状ＴＢＣの上に形成され、それにより中間層は、柱状ＴＢＣの第１の表面粗さよりも粗い第２の表面粗さを有する柱状ＴＢＣの反対側の表面を有するようになる。任意選択で、次に第２のＴＢＣをＡＰＳ中間層上に形成してもよい。

これらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することによってよりよく理解されるであろう。添付の図面は、本明細書に組み込まれて、本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を例示し、説明と共に本発明のある特定の原理を説明するのに役立つ。

当業者を対象とした、その最良の形態を含む本発明の完全で実施可能な程度の開示が本明細書に記載されており、本明細書は添付の図を参照する。

一実施形態によるボンドコーティング、柱状ＴＢＣ、中間層、および第２のＴＢＣを含むコーティングシステムを有するコーティングされた構成要素の例示的な実施形態を示す図である。 一実施形態によるコーティングシステムを形成する例示的な方法の図である。

本明細書および図面における符号の反復使用は、本発明の同じまたは類似の特徴または要素を表すことを意図している。

ここで、本発明の実施形態を詳細に参照するが、その１つまたは複数の例が図面に示されている。各例は、本発明の限定としてではなく、本発明の例示として提示される。実際、本発明の範囲または趣旨を逸脱せずに、様々な修正および変更が本発明において可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または記載する特徴は、別の実施形態と共に使用して、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にあるそのような修正および変更を包含することが意図されている。

本明細書で使用されるとき、用語「コーティング」は、連続的または不連続的な形で下にある表面の少なくとも一部に配置された材料を指す。さらに、用語「コーティング」は、必ずしも配置された材料の均一な厚さを意味するものではなく、配置された材料は均一な厚さを有しても、不均一な厚さを有してもよい。用語「コーティング」は、コーティング材料の単一の層を指すことも、コーティング材料の複数の層を指すこともある。複数の層において、コーティング材料は同じであっても異なっていてもよい。

本開示では、ある層が別の層または基材の「上に」または「上方に」あると記述される場合には、特に明示的にただし書きがない限り、それらの層が互いに直接接触してもよいし、あるいはそれらの層の間に別の層または特徴を有してもよいと理解すべきである。よって、それらの用語は、層同士の互いの相対的な配置を単純に記述しており、上方または下方の相対的な配置が視認者に対するデバイスの向きに依存するので、必ずしも「上端にある」ことを意味してはいない。

一般に、追加のＴＢＣの接着を改良するための中間層をその上に有する遮熱コーティング（ＴＢＣ）を含むコーティングされた構成要素と、その形成および使用の方法とが提供される。図１を参照すると、望ましくない化学的および／または熱的相互作用から下にある基材１２（例えば、下にあるコーティングおよび／または表面１４）を保護するコーティングシステム２０を有する例示的なコーティングされた構成要素１０が概して示されている。コーティングシステム２０は、一般に、任意のボンドコーティング２２と、任意のボンドコーティング２２上の柱状ＴＢＣ２４と、柱状ＴＢＣ２４上の中間層２６と、中間層２６上のＴＢＣ２８とを含む。

一般に、柱状ＴＢＣ２４は、比較的滑らかな表面２５を有し、その上に追加の層を接着することを困難にする（特に、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）コーティングの場合）。柱状ＴＢＣ２４の表面２５への接着性を改良するために、中間層２６は、柱状ＴＢＣ２４の表面２５よりも（表面粗さに関して）粗い表面２７を有するように柱状ＴＢＣ２４上に形成される。

コーティングシステム２０の層の各々について、以下により詳細に説明する。コーティングシステム２０は、任意の適切な基材１２と共に利用することができる。例えば、基材１２は、（例えば、タービンブレードの）翼形部のようなタービン構成要素であってもよい。しかし、基材１２は、特定の形状または構成要素に限定されないことが理解されるべきである。一実施形態では、基材１２は、金属または金属合金から形成される。例としては、ニッケル、コバルト、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、および銅などの金属が挙げられる。金属合金の例としては、ニッケル基合金、コバルト基合金、チタン基合金、鉄基合金、鋼、ステンレス鋼、およびアルミニウム基合金が挙げられる。特定の実施形態では、基材１２は、ニッケル基超合金、コバルト基超合金などの超合金材料から形成される。１つの特定の実施形態では、基材１２は、ニッケル基合金から形成される。ニッケル基超合金は、ＲＥＮＥ（登録商標）の商品名で市販されており、これはエンジン構成要素に使用するのに特に有益である非限定的な例である。

図１に示すように、任意のボンドコーティング２２は、上に重なるＴＢＣ層と基材１２との間の基材１２の表面１４に配置される。存在する場合、ボンドコーティング２２は、そのようなコーティングが従来の用途で一般に提供するものと同様の機能性（例えば、接着促進および耐酸化性）を提供する。いくつかの実施形態では、ボンドコーティング２２は、アルミナイド、例えばニッケルアルミナイド、白金アルミナイド、または当該技術分野で周知のＭＣｒＡｌＹ型コーティングを含む。これらのボンドコーティングは、超合金のような金属基材１２に適用される場合に特に有用であり得る。ボンドコーティング２２は、プラズマ溶射、溶射、化学気相堆積、イオンプラズマ堆積、気相アルミナイドまたは物理気相堆積などの、当技術分野で公知の様々なコーティング技術のいずれかを使用して適用することができる。

ボンドコーティング２２は、約２．５μｍ〜約４００μｍの厚さを有してもよく、基材１２に付加層として適用されてもよく、または基材に拡散されて特性に勾配を有するように設計される不均質な組成を与えてもよい。しかし、コーティングシステム２０内のすべてのコーティング層は、部品上の位置に応じて厚さが変化し得ることに留意されたい。

熱成長酸化物層２３が、ボンドコーティング２２上に示されている。一般に、熱成長酸化物層２３は、ボンドコーティング２２の材料の酸化物を含む。例えば、ボンドコーティング２２がその構造にアルミニウムを含む場合、熱成長酸化物（ＴＧＯ）層２３は、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ_２Ｏ、ＡｌＯ、Ａｌ_２Ｏ_３など、またはそれらの混合物）を含むことができる。ある特定の実施形態では、熱成長酸化物層２３は、一般に、最大約１０μｍ（例えば、約０．１μｍ〜約６μｍ）の厚さを有し、後続の層の処理中の熱暴露による天然生成物であってもよく、または部品を熱処理することによってより厚くなるように設計されてもよい。ＴＧＯ層は、下にあるボンドコーティング２２、処理方法、および暴露条件に依存して均一でなくてもよい。

柱状ＴＢＣ２４は、任意のボンドコーティング２２上にある。一実施形態では、柱状ＴＢＣ２４は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）から形成され、ＥＢ−ＰＶＤ ＴＢＣ層として説明することができる。柱状ＴＢＣ２４は、柱状ＴＢＣ２４の全厚に広がり得る空隙３０を含む。空隙３０は、柱状ＴＢＣ２４内に意図的に形成されてもよく、亀裂、結晶粒界、または他の多孔性の形態で画定されてもよい。いくつかの実施形態では、空隙３０は、空隙３０が基材１２から表面２５に向かって離れる方向に概して広がっているが、空隙の長さに沿ってある程度水平なベクトルを有することができる点で、実質的に垂直に配向した（図１の断面図の観点から）亀裂および／または粒子もしくは他の微細特徴部の境界を含む。これらの空隙３０は、ＥＢ ＰＶＤプロセスなどの柱状ＴＢＣ２４を堆積するために使用される堆積プロセスの固有の特性のために存在し得る。しかし、空隙３０は、動作中の通常の摩耗および裂け目のために堆積後に形成されてもよい。

上述したように、柱状ＴＢＣ２４は、比較的滑らかな表面２５を有し、その上に追加の層を接着することを困難にする。例えば、柱状ＴＢＣ２４の表面２５は、空隙３０によって形成される空間を除く領域において、約２．５マイクロメートル（μｍまたはミクロン）以下（例えば、約１μｍ以下）の表面粗さ（Ｒａ）を有することができる。

柱状構造を有する柱状ＴＢＣ２４は、典型的には、歪み耐性、ならびに耐侵食性および耐衝撃性コーティングを提供するタービン翼形部用途（例えば、ブレードおよびベーン）により適している。多孔質構造、特に（しかし排他的ではない）上記のような垂直に配向したおよび／または柱状特徴部を組み込んだ構造は、熱サイクル中の遮熱コーティングによる歪み耐性を提供する要素の１つであり得る。さらに、多孔質構造は、コーティングの熱膨張率（ＣＴＥ）とその下にあるボンドコーティング／基材のＣＴＥとの間の差異による応力低減を提供し得る。

柱状ＴＢＣ２４は、一般に、コーティングシステム２０内の他の層のセラミック材料から独立して選択することができるセラミック遮熱材料を含む。すなわち、ある特定の実施形態では、柱状ＴＢＣ２４および他の層（例えば、柱状ＴＢＣ２４）のセラミック材料は、化学組成に関して、中間層２６および／またはＴＢＣ層２８と実質的に同一であってもよい。しかし、他の実施形態では、柱状ＴＢＣ２４のセラミック材料は、化学組成に関して、中間層２６および／またはＴＢＣ層２８とは異なっていてもよい。適切なセラミック遮熱コーティング材料は、酸化ハフニウム（「ハフニア」）または酸化ジルコニウム（「ジルコニア」）、特に安定化ハフニアまたは安定化ジルコニア、およびこれらの一方または両方を含むブレンドなどの様々な種類の酸化物を含む。安定化ジルコニアの例としては、限定はしないが、イットリア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、インジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア、ランタナ安定化ジルコニア、ガドリニア安定化ジルコニア、ならびにそのような安定化ジルコニアの混合物が挙げられる。同様の安定化ハフニア組成物は、当技術分野で公知であり、本明細書に記載の実施形態での使用に適している。

ある特定の実施形態では、柱状ＴＢＣ２４は、イットリア安定化ジルコニアを含む。適切なイットリア安定化ジルコニアは、約１重量％〜約６０重量％のイットリア（イットリアとジルコニアの合計重量に基づく）、より典型的には、約３重量％〜約２０重量％のイットリアを含むことができる。例示的なイットリア安定化ジルコニア遮熱コーティングは、約７％のイットリアと、約９３％のジルコニアとを含む。これらの種類のジルコニアは、遮熱コーティング材料の熱伝導率をさらに低下させるために、ジスプロシア、エルビア、ユーロピア、ガドリニア、ネオジミア、プラセオジミア、ウラニア、およびハフニアなどの第２の金属（例えば、ランタニドまたはアクチニド）酸化物の１つまたは複数をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、遮熱コーティング材料は、チタニアなどの追加の金属酸化物をさらに含むことができる。

適切なセラミック遮熱コーティング材料はまた、一般式Ａ_２Ｂ_２Ｏ_７のパイロクロアを含むことができ、式中、Ａは、３＋または２＋の価数を有する金属（例えば、ガドリニウム、アルミニウム、セリウム、ランタンまたはイットリウム）であり、Ｂは、４＋または５＋の価数を有する金属（例えば、ハフニウム、チタン、セリウムまたはジルコニウム）であり、ＡおよびＢの価数の合計は、７である。この種類の代表的な材料は、ジルコン酸ガドリニウム、チタン酸ランタン、ジルコン酸ランタン、ジルコン酸イットリウム、ハフニウム酸ランタン、ハフニウム酸セリウム、およびセリウム酸ランタンを含む。

柱状ＴＢＣ２４は、最大１００重量％の量のセラミック遮熱コーティング材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、柱状ＴＢＣ２４は、約９５重量％〜１００重量％、より具体的には約９８重量％〜１００重量％の範囲のセラミック遮熱コーティング材料を含む。柱状ＴＢＣ２４の選択された組成物は、任意の隣接するボンドコーティング２２（存在する場合）の組成物、柱状ＴＢＣ２４に望ましい熱膨張率（ＣＴＥ）特性、および柱状ＴＢＣ２４に望ましい遮熱特性を含む、１つまたは複数の要素に依存し得る。

柱状ＴＢＣ２４の厚さは、基材１２および／または構成要素１０の意図された使用に依存し得る。一実施形態では、柱状ＴＢＣ２４は、約２５ミクロン〜約２０００ミクロンの範囲の厚さを有する。ある特定の実施形態では、柱状ＴＢＣ２４は、約２５ミクロン〜約１５００ミクロン（例えば、約２５ミクロン〜約１０００ミクロン）の範囲の厚さを有する。

上述したように、中間層２６が、柱状ＴＢＣ２４の表面２５に形成される。図示された実施形態では、中間層２６は、柱状ＴＢＣ２４の表面２５に他の層を全く介さずに直接形成される。しかし、他の実施形態では、追加の層が存在してもよい。

一般に、中間層２６は、柱状ＴＢＣ２４の表面２５よりも（表面粗さに関して）粗い表面２７を画定するように形成される。例えば、中間層２６の表面２７は、一実施形態では、約２μｍ以上、例えば約２．５μｍ以上（例えば、約２．５μｍ〜約６．５μｍ、例えば約３μｍ〜約６μｍ）の表面粗さ（Ｒａ）を有する。中間層２６の表面２７の増大した表面粗さは、その後に堆積される層（例えば、ＡＰＳ ＴＢＣ層）がコーティングシステム内で結合する能力を高める。

中間層２６は、柱状ＴＢＣ２４の比較的滑らかな表面２５を中間層２６によって画定されたより粗い表面２７に移行させるのに十分な厚さに形成され、コーティングシステム２０に最小厚さを付加することができる。一実施形態では、中間層２６は、柱状ＴＢＣ２４の厚さよりも薄い厚さを有することができる。例えば、ある特定の実施形態では、中間層２６は、柱状ＴＢＣ２４の厚さの半分（例えば、約１％〜約５０％）未満、例えば柱状ＴＢＣ２４の厚さの約１％〜約２５％（例えば、柱状ＴＢＣ２４の厚さの約１％〜約１０％）の厚さを有することができる。例えば、柱状ＴＢＣ２４が約２５ミクロン〜約５００ミクロンの厚さを有する場合、中間層２６は、約４ミクロン〜約５００ミクロンの厚さを有することができる。

そのようなＡＰＳコーティングは、プラズマ溶射トーチを用いて微粒子（例えば、粉末金属酸化物または非酸化物材料）のガス推進噴霧を加熱することによって形成されてもよい。微粒子の噴霧は、粒子が溶融する温度に加熱され、中間層２６を形成するために微粒子が衝撃により凝固する堆積表面（すなわち、柱状ＴＢＣ２４の表面２５）に向けられる。微粒子は、一般に、粒子を溶融し、それらを溶融形態で柱状ＴＢＣ２４の表面２５上に堆積させるプラズマ溶射トーチに注入されたガスを介して運ばれる。溶融した微粒子が高速で表面２５に衝突すると、それらは冷却するにつれて薄く、実質的に均一なコーティングに凝固する。

一実施形態では、微粒子は、中間層２６を形成する表面２５と溶融した微粒子とを良好に接着するために、柱状ＴＢＣ２４の表面２５が約９０°Ｃ〜約６５０°Ｃの表面温度を有するように、加熱された基材上に堆積される。例えば、柱状ＴＢＣ２４の表面２５は、微粒子が添加される前にプラズマジェットを使用して予熱されてもよい。

中間層２６を形成するのに有用な微粒子は、平均直径が約０．１μｍ〜約１００ミクロン（例えば、約１０μｍ〜約８０μｍ）のサイズの範囲であり得る。微粒子のサイズおよび組成物のために、噴霧は、柱状ＴＢＣ２４に複数の不均一なスプラットを形成し、最終的に結合してＡＰＳ中間層２６を形成する。スプラットの正確な厚さおよびサイズは、空気プラズマ溶射およびプラズマ溶射条件に使用される微粒子の初期サイズに依存する。

ＡＰＳ堆積の間に、得られる中間層２６の密度は、他の変数の中でも、粒子サイズ、火炎温度、基材の表面温度、ノズル距離、および／または粒子の速度を変えることによって制御することができる。例えば、形成されたＡＰＳ層の密度は、ＡＰＳの温度（例えば、火炎温度および／または基材温度）を上昇させ、粒子サイズを減少させ、粒子速度を増加させることなどによって増加させることができる（すなわち、層の多孔度を減少させることができる）。

一実施形態では、中間層２６は、ＡＰＳを介して形成され、スプラット間境界が堅く接合されて多孔度を最小にする（すなわち、密度を最大にする）ように完全に溶融した材料のスプラットを噴霧することによって形成される微細構造を有する。すなわち、ＡＰＳプロセスを介して完全に溶融したスプラットを堆積させて緻密な微細構造を形成する間に、中間層２６のスプラット間ギャップが最小にされる。したがって、中間層２６は、柱状ＴＢＣ２４の多孔度よりも小さい多孔度および／または後に堆積されるＴＢＣ２８の多孔度よりも小さい多孔度を有することができる。一実施形態では、例えば、中間層２６は、約１０％以下（例えば、約０．１％〜約１０％）、例えば約５％以下（例えば、約０．１％〜約５％）の多孔度で堆積される。完全に溶融したスプラットは、柱状ＴＢＣ２４の滑らかな表面２５との接着性を向上させ、表面２７の粗さを増加させ、後に堆積されるＴＢＣ層（例えば、溶射コーティング）との中間層の良好な結合を可能にする。このように、改良されたスプラット接触および緻密なコーティング微細構造は、中間層２６と下にあるＴＢＣ２４（例えば、ＥＢ−ＰＶＤ ＴＢＣ層）との間、ならびに後に堆積される層との良好な接着性をもたらす。

中間層２６を形成するために利用される微粒子は、イッテルビウム、イットリア、ハフニウム、タンタルおよび／またはジルコニウム、それらの組み合わせ、ならびにそれらの酸化物などの柱状ＴＢＣ２４に関して上述したような任意の適切な材料を含むことができる。すなわち、特定の実施形態では、微粒子は、柱状ＴＢＣ２４のセラミック材料から独立して選択することができるセラミック遮熱材料を含むことができる。しかし、ある特定の実施形態では、柱状ＴＢＣ２４および中間層２６のセラミック材料は、化学組成に関して実質的に同一である。他の実施形態では、柱状ＴＢＣ２４および中間層２６のセラミック材料は、化学組成に関して異なる。

適切な中間層２６の材料は、酸化ハフニウム（「ハフニア」）または酸化ジルコニウム（「ジルコニア」）、特に安定化ハフニアまたは安定化ジルコニア、およびこれらの一方または両方を含むブレンドなどの様々な種類の酸化物を含む。安定化ジルコニアの例としては、限定はしないが、イットリア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、インジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア、ランタナ安定化ジルコニア、ガドリニア安定化ジルコニア、ならびにそのような安定化ジルコニアの混合物が挙げられる。同様の安定化ハフニア組成物は、当技術分野で公知であり、本明細書に記載の実施形態での使用に適している。ある特定の実施形態では、中間層２６は、イットリア安定化ジルコニアを含む。いくつかの実施形態では、中間層２６の材料は、チタニアなどの追加の金属酸化物をさらに含むことができる。適切なセラミック中間層２６の材料はまた、ジルコン酸ガドリニウム、チタン酸ランタン、ジルコン酸ランタン、ジルコン酸イットリウム、ハフニウム酸ランタン、ハフニウム酸セリウム、セリウム酸ランタン、Ｙ_２ＳｉＯ_５、Ｙｂ_２ＳｉＯ_５、Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７、Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７、またはそれらの組み合わせなどの一般式Ａ_２Ｂ_２Ｏ_７のパイロクロア（上述のような）を含んでもよい。

中間層２６は、最大１００重量％の量のセラミックＴＢＣ層材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、中間層２６は、約９５重量％〜１００重量％、より具体的には約９８重量％〜約１００重量％の範囲のセラミックＴＢＣ層材料を含む。中間層２６の選択された組成物は、隣接する柱状ＴＢＣ２４の組成物、中間層２６に望ましい熱膨張率（ＣＴＥ）特性、および中間層２６に望ましい遮熱特性を含む、１つまたは複数の要素に依存し得る。

上述のように、後続のＴＢＣ２８が中間層２６上に適用され、表面２７が改良された接着性をもたらす。一実施形態では、第２のＴＢＣ２８は、ＡＰＳを介して形成されてもよいが、異なる処理パラメータにより、中間層２６の多孔度と比較してＴＢＣ２８の多孔度を増加させる。例えば、形成されたＡＰＳ層の密度は、ＡＰＳの温度（例えば、火炎温度および／または基材温度）を減少させ、粒子サイズを増加させ、粒子速度を減少させることなどによって減少させることができる（すなわち、層の多孔度を増加させることができる）。

一実施形態では、ＴＢＣ２８は、ＡＰＳを介して形成され、スプラット間境界がギャップによって分離されてある程度の多孔度が生じるように部分的に溶融した材料のスプラットを噴霧することによって形成される微細構造を有する。したがって、ＴＢＣ２８は、中間層２６の多孔度よりも大きい多孔度を有することができる。一実施形態では、例えば、ＴＢＣ２８は、約１０％〜約２５％の多孔度で堆積される。さらに、部分的に溶融したスプラットは、中間層２６の粗面２７との良好な接着性を有する。

このようなＡＰＳコーティングは、中間層２６に関して上述したように、プラズマ溶射トーチを用いて微粒子のガス推進噴霧を加熱することによって形成することができ、ＴＢＣ２８を形成する表面２７と部分的に溶融した微粒子とを良好に接着するために、中間層の表面２７が約９０°Ｃ〜約２２５°Ｃの表面温度を有するように、加熱された基材上に適用され得る。例えば、表面２７は、微粒子が添加される前にプラズマジェットを使用して予熱されてもよい。

ＴＢＣ２８を形成するのに有用な微粒子は、平均直径が約０．１μｍ〜約１００ミクロン（例えば、約１０μｍ〜約８０μｍ）のサイズの範囲であり得る。微粒子のサイズおよび組成物のために、噴霧は、中間層２６に複数の不均一なスプラットを形成し、最終的に結合してＴＢＣ２８を形成する。スプラットの正確な厚さおよびサイズは、空気プラズマ溶射およびプラズマ溶射条件に使用される微粒子の初期サイズに依存する。

ＴＢＣ２８を形成するために利用される微粒子は、イッテルビウム、イットリア、ハフニウム、タンタルおよび／またはジルコニウム、それらの組み合わせ、ならびにそれらの酸化物などの柱状ＴＢＣ２４および／または中間層２６に関して上述したような任意の適切な材料を含むことができる。すなわち、特定の実施形態では、微粒子は、中間層２６のセラミック材料から独立して選択することができるセラミック遮熱材料を含むことができる。しかし、ある特定の実施形態では、中間層２６およびＴＢＣ２８のセラミック材料は、化学組成に関して実質的に同一である。他の実施形態では、中間層２６およびＴＢＣ２８のセラミック材料は、化学組成に関して異なる。

適切なＴＢＣ２８の材料は、酸化ハフニウム（「ハフニア」）または酸化ジルコニウム（「ジルコニア」）、特に安定化ハフニアまたは安定化ジルコニア、およびこれらの一方または両方を含むブレンドなどの様々な種類の酸化物を含む。安定化ジルコニアの例としては、限定はしないが、イットリア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、インジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア、ランタナ安定化ジルコニア、ガドリニア安定化ジルコニア、ならびにそのような安定化ジルコニアの混合物が挙げられる。同様の安定化ハフニア組成物は、当技術分野で公知であり、本明細書に記載の実施形態での使用に適している。ある特定の実施形態では、ＴＢＣ２８は、イットリア安定化ジルコニアを含む。いくつかの実施形態では、ＴＢＣ２８の材料は、チタニアなどの追加の金属酸化物をさらに含むことができる。適切なセラミックＴＢＣ２８の材料はまた、ジルコン酸ガドリニウム、チタン酸ランタン、ジルコン酸ランタン、ジルコン酸イットリウム、ハフニウム酸ランタン、ハフニウム酸セリウム、セリウム酸ランタン、Ｙ_２ＳｉＯ_５、Ｙｂ_２ＳｉＯ_５、Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７、Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７、またはそれらの組み合わせなどの一般式Ａ_２Ｂ_２Ｏ_７のパイロクロア（上述のような）を含んでもよい。

ＴＢＣ２８は、最大１００重量％の量のセラミックＴＢＣ層材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＴＢＣ２８は、約９５重量％〜１００重量％、より具体的には約９８重量％〜約１００重量％の範囲のセラミックＴＢＣ層材料を含む。ＴＢＣ２８の選択された組成物は、隣接する中間層２６の組成物、ＴＢＣ２８に望ましい熱膨張率（ＣＴＥ）特性、およびＴＢＣ２８に望ましい遮熱特性を含む、１つまたは複数の要素に依存し得る。

ＴＢＣ２８の厚さは、堆積される基材１２および／または形成される構成要素１０の種類に依存し得る。特定の実施形態では、ＴＢＣ２８の厚さは、下にある中間層２６の厚さに依存し得るが、典型的には、コーティングシステム２０の総厚の半分未満である。いくつかの実施形態では、ＴＢＣ２８は、中間層２６の厚さよりも大きい。特定の実施形態では、例えば、存在する場合、ＴＢＣ２８は、中間層２６よりも約０．５倍〜約５倍厚い厚さを有し、十分な障壁コーティングシステム２０を提供することができる。例えば、ＴＢＣ２８は、約２５ミクロン〜約５００ミクロンの厚さを有することができる。

上述したように、コーティングシステム２０は、一般に、基材１２の表面１４上に配置され、構成要素１０を形成する。特定の実施形態では、構成要素１０は、ガスタービンアセンブリの構成要素（例えば、その中の高温ガス経路内）のような、高温環境下で使用される任意の構成要素であり得る。そのような構成要素の例としては、限定はしないが、ブレードおよびベーンのようなタービン翼形部と、ライナおよびトランジションピースのような燃焼構成要素とを含む構成要素が挙げられる。

上述したような構成要素１０などのコーティングされた構成要素を製作するために、基材の表面にコーティングシステムを形成するための方法も一般に提供される。例えば、図２は、コーティングシステムを製作する例示的な方法２００の図を示す。２１０において、任意のボンドコーティングが、基材の表面に重なって形成される。２２０において、柱状ＴＢＣが、基材の表面に（例えば、基材の表面に重なるボンドコーティングに）形成される。２３０において、上述したような中間層を柱状ＴＢＣ層上に形成することができ、中間層は、柱状ＴＢＣよりも粗い表面および大きい密度（すなわち、より小さい多孔度）を有する。２４０において、上述したようなＴＢＣ２８などの第２のＴＢＣを中間層上に形成することができ、第２のＴＢＣは、中間層よりも小さい密度を有する（すなわち、中間層よりも大きい多孔度を有する）。

本明細書は、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆるデバイスまたはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、例示的な実施形態を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的な差異を有さない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。
［実施態様１］
その上にコーティングシステム（２０）を有する表面（２５、２７）を有する基材（１２）を備えるコーティングされた構成要素（１０）であって、前記コーティングシステム（２０）は、
前記基材（１２）の前記表面（２５、２７）上にあり、表面接続された空隙（３０）を含み、前記基材（１２）の反対側の表面（２５、２７）を有する柱状遮熱コーティング（ＴＢＣ）（２４）と、
前記柱状ＴＢＣ層上にあり、前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記表面（２５、２７）よりも粗い前記柱状ＴＢＣ（２４）の反対側の表面（２５、２７）を有する中間層（２６）と、
前記中間層（２６）上の第２のＴＢＣ（２８）と
を備える、コーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様２］
前記表面接続された空隙（３０）が、実質的に垂直に配向される、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様３］
前記表面接続された空隙（３０）の大部分が、前記柱状ＴＢＣ（２４）の全厚にわたって延びる、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様４］
前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記表面接続された空隙（３０）が、前記柱状ＴＢＣ（２４）内の結晶粒界によって画定される、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様５］
前記第２のＴＢＣ（２８）が、多孔度を有し、前記中間層（２６）が、前記第２のＴＢＣ（２８）の前記多孔度よりも小さい多孔度を有する、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様６］
前記中間層（２６）が、約０．１％〜約１０％の多孔度を有し、前記第２のＴＢＣ（２８）が、約１０％〜約２５％の多孔度を有する、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様７］
前記柱状ＴＢＣ（２４）が、厚さを有し、前記中間層（２６）が、前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記厚さの約１％〜約５０％の厚さを有する、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様８］
前記コーティングシステム（２０）が、ボンドコーティング（２２）が前記柱状ＴＢＣ（２４）と前記基材（１２）の前記表面（２５、２７）との間に存在するように、前記基材（１２）の前記表面（２５、２７）に前記ボンドコーティング（２２）をさらに備える、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様９］
熱成長酸化物層（２３）が、前記ボンドコーティング（２２）と前記柱状ＴＢＣ（２４）との間の前記ボンドコーティング（２２）の上にある、実施態様８に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様１０］
前記中間層（２６）の前記表面（２５、２７）が、約２μｍ以上の表面粗さ（Ｒａ）を有する、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様１１］
前記中間層（２６）の前記表面（２５、２７）が、約２．５μｍ〜約６．５μｍの表面粗さ（Ｒａ）を有する、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様１２］
前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記表面（２５、２７）が、前記空隙（３０）によって形成される空間を除く領域において、約２．５μｍ以下の表面粗さ（Ｒａ）を有する、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様１３］
前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記表面（２５、２７）が、前記空隙（３０）によって形成される前記空間を除く前記領域において、約２μｍ以下の表面粗さ（Ｒａ）を有する、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様１４］
前記柱状ＴＢＣ（２４）が、セラミック材料を含み、前記中間層（２６）が、空気プラズマ溶射を介して堆積されたセラミック材料を含む、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様１５］
前記基材（１２）が、金属または金属合金を含む、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
［実施態様１６］
基材（１２）の表面（２５、２７）にコーティングシステム（２０）を形成する方法（２００）であって、
前記基材（１２）の前記表面（２５、２７）上に柱状遮熱コーティング（ＴＢＣ）（２４）を形成することであって、前記柱状ＴＢＣ（２４）は、表面接続された空隙（３０）を有し、第１の表面粗さを有する表面（２５、２７）を有することと、
前記柱状ＴＢＣ（２４）上に空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）中間層（２６）を形成することであって、前記中間層（２６）は、前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記第１の表面粗さよりも粗い第２の表面粗さを有する前記柱状ＴＢＣ（２４）の反対側の表面（２５、２７）を有することと
を含む、方法（２００）。
［実施態様１７］
前記表面接続された空隙（３０）が、実質的に垂直に配向され、前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記表面（２５、２７）が、前記空隙（３０）によって形成される空間を除く領域において、約２．５μｍ以下の表面粗さ（Ｒａ）を有し、前記中間層（２６）の前記表面（２５、２７）が、約２．５μｍ以上の表面粗さ（Ｒａ）を有する、実施態様１６に記載の方法（２００）。
［実施態様１８］
前記ＡＰＳ中間層（２６）を形成することが、
前記ＡＰＳ中間層（２６）が約１０％以下の多孔度を有するように、プラズマ溶射トーチを介して、前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記表面（２５、２７）上に複数の完全に溶融した微粒子を噴霧することを含み、前記微粒子が、セラミックＴＢＣ層材料を含む、実施態様１６に記載の方法（２００）。
［実施態様１９］
前記ＡＰＳ中間層（２６）上に第２のＴＢＣ（２８）を形成することをさらに含む、実施態様１６に記載の方法（２００）。
［実施態様２０］
前記ＡＰＳ中間層（２６）上に第２のＴＢＣ（２８）を形成することが、
前記第２のＴＢＣ（２８）が約１０％〜約２５％の多孔度を有するように、プラズマ溶射トーチを介して、前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記表面（２５、２７）上に複数の部分的に溶融した微粒子を噴霧することを含み、前記微粒子が、セラミックＴＢＣ層材料を含む、実施態様１９に記載の方法（２００）。

１０ 構成要素
１２ 基材、金属基材
１４ 表面
２０ コーティングシステム、障壁コーティングシステム
２２ ボンドコーティング
２３ 熱成長酸化物層
２４ 柱状遮熱コーティング（ＴＢＣ）
２５ 表面
２６ 中間層、セラミック中間層、ＡＰＳ中間層
２７ 表面、粗面
２８ ＴＢＣ層、第２の柱状遮熱コーティング（ＴＢＣ）
３０ 空隙
２００ 方法

Claims (15)

1. その上にコーティングシステム（２０）を有する表面（２５、２７）を有する基材（１２）を備えるコーティングされた構成要素（１０）であって、前記コーティングシステム（２０）は、
   前記基材（１２）の前記表面（２５、２７）上にあり、表面接続された空隙（３０）を含み、前記基材（１２）の反対側の表面（２５、２７）を有する柱状遮熱コーティング（ＴＢＣ）（２４）と、
   前記柱状ＴＢＣ層上にあり、前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記表面（２５、２７）よりも粗い前記柱状ＴＢＣ（２４）の反対側の表面（２５、２７）を有する中間層（２６）と、
   前記中間層（２６）上の第２のＴＢＣ（２８）と
   を備える、コーティングされた構成要素（１０）。
2. 前記表面接続された空隙（３０）が、実質的に垂直に配向される、請求項１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
3. 前記表面接続された空隙（３０）の大部分が、前記柱状ＴＢＣ（２４）の全厚にわたって延びる、請求項１または２に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
4. 前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記表面接続された空隙（３０）が、前記柱状ＴＢＣ（２４）内の結晶粒界によって画定される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
5. 前記第２のＴＢＣ（２８）が、多孔度を有し、前記中間層（２６）が、前記第２のＴＢＣ（２８）の前記多孔度よりも小さい多孔度を有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
6. 前記中間層（２６）が、約０．１％〜約１０％の多孔度を有し、前記第２のＴＢＣ（２８）が、約１０％〜約２５％の多孔度を有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
7. 前記柱状ＴＢＣ（２４）が、厚さを有し、前記中間層（２６）が、前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記厚さの約１％〜約５０％の厚さを有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
8. 前記コーティングシステム（２０）が、ボンドコーティング（２２）が前記柱状ＴＢＣ（２４）と前記基材（１２）の前記表面（２５、２７）との間に存在するように、前記基材（１２）の前記表面（２５、２７）に前記ボンドコーティング（２２）をさらに備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
9. 熱成長酸化物層（２３）が、前記ボンドコーティング（２２）と前記柱状ＴＢＣ（２４）との間の前記ボンドコーティング（２２）の上にある、請求項８に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
10. 前記中間層（２６）の前記表面（２５、２７）が、約２μｍ以上の表面粗さ（Ｒａ）を有する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
11. 前記中間層（２６）の前記表面（２５、２７）が、約２．５μｍ〜約６．５μｍの表面粗さ（Ｒａ）を有する、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
12. 前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記表面（２５、２７）が、前記空隙（３０）によって形成される空間を除く領域において、約２．５μｍ以下の表面粗さ（Ｒａ）を有する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
13. 前記柱状ＴＢＣ（２４）が、セラミック材料を含み、前記中間層（２６）が、さらに、空気プラズマ溶射を介して堆積されたセラミック材料を含む、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
14. 前記基材（１２）が、金属または金属合金を含む、請求項１に記載のコーティングされた構成要素（１０）。
15. 基材（１２）の表面（２５、２７）にコーティングシステム（２０）を形成する方法（２００）であって、
    前記基材（１２）の前記表面（２５、２７）上に柱状遮熱コーティング（ＴＢＣ）（２４）を形成することであって、前記柱状ＴＢＣ（２４）は、表面接続された空隙（３０）を有し、第１の表面粗さを有する表面（２５、２７）を有することと、
    前記柱状ＴＢＣ（２４）上に空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）中間層（２６）を形成することであって、前記中間層（２６）は、前記柱状ＴＢＣ（２４）の前記第１の表面粗さよりも粗い第２の表面粗さを有する前記柱状ＴＢＣ（２４）の反対側の表面（２５、２７）を有することと
    を含む、方法（２００）。