JP2020509228A - アブレイダブル・コーティング - Google Patents

Abstract

アブレイダブル・コーティングを形成する方法を開示する。該方法は、（ｉ）プラズマを形成するステップ；（ｉｉ）搬送ガスによって運ばれる、１μｍと５０μｍの間の範囲の粒子を有する粉末の形態のコーティング材料をプラズマに導入するステップであって、蒸気と粒子との気相雲を形成するために、プラズマは、粉末の一部を少なくとも部分的に融解させ、粉末の少なくとも５重量％を気化するのに十分に高い比エンタルピーを有する、ステップ；（ｉｉｉ）プロセス圧力を５０Ｐａと２０００Ｐａの間に維持することによって、プラズマ・ビームを形成するステップ；（ｉｖ）プロセス圧力を５０Ｐａと２０００Ｐａの間に維持することによって、プラズマ・ビームをデフォーカスするステップ；及び（ｖ）気相雲から基材表面に断熱層システムの一部であるアブレイダブル・コーティングを形成するステップであって、アブレイダブル・コーティングは柱状構造を有する、ステップ、を含む。有利なことには、柱状構造のアブレイダブル・コーティング４０、４１は、１．２秒／μｍ（３０秒／ミル）より小さい、好ましくは０．２０〜１．１秒／μｍ（５〜２７秒／ミル）の範囲の、より好ましくは０．３９〜０．９８秒／μｍ（１０〜２５秒／ミル）の範囲の、さらにより好ましくは０．５９〜０．７９秒／μｍ（１５〜２０秒／ミル）の範囲の耐侵食性を有する。

Description

本発明は、例えばアブレイダブル・コーティングを通じた、ガス・タービン・エンジンにおけるクリアランス・コントロール、及びアブレイダブル・コーティングを製造する方法に関する。特に、本発明は、プラズマ溶射物理蒸着などの真空プラズマ溶射プロセスによって、ケーシング又はシュラウドなどのタービン構成要素に適用されるアブレイダブル・コーティングに関する。

アブレイダブル・コーティングの適用は、多くの用途において、特に航空機又は定置ガス・タービンにおけるアブレイダブル・シールとして用いられる。典型的には、シーリングはガス・タービンにおいて、ブレード若しくはベーンなどの回転構成要素、及びケーシング若しくはシュラウドなどの静止部の間のセグメント又はシュラウド上に製造される。シーリングによって確実に、高温ガスが、例えばベーン先端とシュラウドとの間のクリアランスに、漏れること、又は逃げることができなくなる。漏出を防止することは、すべてのガスを回転構成要素に向かわせるのに役立ち、したがってエンジン効率及び動力出力が上昇する。アブレイダブル層の材料及びミクロ構造の選択は重要であるが、燃焼室内における高温条件を考慮すると、選択肢は限定される。

典型的には、軸流ガス・タービンの回転圧縮機又はロータは複数のブレードを備え、シュラウド内に設置された軸に取り付けられる。運転中は、シュラウド内で軸及びブレードが回転する。タービン・シュラウドの内表面と、移動するブレード先端との間の間隙が、クリアランスを画定している。完全な状態においては、この間隙は０ｍｍ付近であるべきである。ジェット・エンジン又は定置ガス・タービンなどの実際の条件においては、これはケーシング固有の歪みのため、機械的に不可能である。また、高回転速度、及びエンジン又はタービン内の高いガス温度によるロータの膨張によって、この理想的な限界の達成が阻止される。さらに、航空機ガス・タービンについては、着陸、離陸、又は飛行中の不安定さなどの運転中の他の要因が、エンジンの軸の最小限のずれをもたらすことがあり、これによって非常に短い時間、ブレード先端がシュラウドにわずかに近づくことになる。

厚いアブレイダブル・コーティングは典型的には、ケーシング又はシュラウドの内壁上に製造され、ブレード先端とシュラウドとの間の良好なシーリングをもたらす。運転中にも、エンジン始動／停止時にも、上に記載した要因によって、厚いアブレイダブル・コーティングにブレード先端がこすれ、コーティングの中に持続的に侵入することはない。したがって、タービンの様々な運転フェイズ中の、アブレイダブル・コーティングのすり減りを制御することが必要である。

タービン・ブレード先端がアブレイダブル・コーティングの中で制御された溝を切削するために、コーティングが作製される材料は、ブレード先端をすり減らすことなく比較的容易に摩耗しなければならない。これには、ブレード先端の材料選択と、コーティング中の材料との注意深いバランスが必要となる。さらに、一方では基材から剥離せずに摩耗するのに十分に柔らかい、特定のミクロ構造を有するコーティングの製造が必要となる。他方では、ブレード先端を傷つけることを防止するために、硬すぎてはならない。材料の選択肢は、高温性能という要件を考慮すると、よりいっそう限定される。

アブレイダブル・コーティングは、ほとんどの場合、金属基材上に適用される最後のコーティングであり、遮熱コーティング（ＴＢＣ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ）システム一式の一部である。タービン構成要素はエンジン中で高いガス温度にさらされるため、例えば米国特許第５，２３８，７５２号により詳細に記載されている、これらの遮熱コーティングが必要である。ＴＢＣは、構成要素によって見られる、１４０°と１７０°の間の温度低下をもたらすことができる。タービン構成要素の能動冷却と組み合わせて、ＴＢＣによって、超合金の融解温度を２５０℃上回る燃焼ガス温度での、エンジンの運転を可能にすることができる。構成要素を熱的に保護することの別の利点は、構成要素の寿命の延長、及び点検の頻度の減少である。

ＴＢＣシステムは典型的には、次の順序：
１．任意選択の、基材に近い組成を有する金属遮蔽層、例えばＮｉＡｌ又はＮｉＣｒ系合金；
２．高温ガス腐食保護として、及びまた金属基材とセラミック上層との間の界面層として機能する、金属ボンド・コート。ボンド・コートは、ＮｉＡｌ、ＮｉＰｔＡｌ、ＰｔＡｌ、又はＭＣｒＡｌＹ合金を用いて作製することができ、ここでＭは、Ｆｅ、Ｎｉ、若しくはＣｏ、又はＮｉとＣｏとの組み合わせなどの、金属の１つを表す；
３．任意選択の、例えば主としてＡｌ_２Ｏ_３若しくは他の酸化物の、酸化物セラミック保護層、又は熱成長酸化物（典型的には、堆積プロセス中に加えられる酸素フローの影響下、約１０００℃の基材温度で形成される）；
４．例えば安定化酸化ジルコニウム、又は希土類ジルコン酸塩の、酸化物セラミック遮熱コーティング（ＴＢＣ）；
５．任意選択の、平滑化酸化物層、又は被覆層；及び
６．シーリングが必要な特定の構成要素のための、追加のアブレイダブル・コーティング、
でタービン構成要素上に適用された、複数の層を有する。

遮熱コーティングは通常、０．２ｍｍ〜数ｍｍの範囲の厚さを有し、溶射又は電子ビーム物理蒸着のいずれかによって堆積させることができる。これらのプロセスにより、多孔質コーティング、又は耐歪み性を高めるための柱状構造などの特定のミクロ構造を製造することができ、熱伝導率が減少することによって、バルクセラミック材料と比較して断熱効果が向上する。低い熱伝導率を有する特定の材料の選択に応じて、コーティング・ミクロ構造の作成を行う。ＴＢＣのための材料の選択肢は、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）安定化ジルコニア（ＺｒＯ_２）：ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）などのジルコニア系セラミックスであり、ここでイットリアの重量％は典型的には、６〜８％の間であるが、ジスプロシア安定化ジルコニアなどの任意の希土類系ジルコン酸塩でもよい。

アブレイダブル・コーティングは、ＴＢＣに関するものと同様の材料、コーティング設備、及びコーティング・プロセスを用いて製造することができる。いくつかの場合において、米国特許第４，９３６，７４５号に記載されるように、ＴＢＣ層は断熱コーティングとアブレイダブル・コーティングとの二重の機能を有する。

溶射、特に大気プラズマ溶射（ＡＰＳ：Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙｉｎｇ）は、厚く多孔質のコーティングを製造するためのプロセスの選択肢である。しかし、達成される最大２０％の空隙率は通常、遮熱コーティングには良好であるが、コーティングをアブレイダブル・コーティングとして用いる場合、良好に制御されたすり減りを確保するためには、十分な高さではないことが多い。したがって、これらのコーティングは、ブレード先端がコーティングをこする場合、ブレード先端に悪影響を及ぼしうる。セラミック材料の研磨性のため、先端が過熱するか、あまりに速くすり減るかのいずれかである。その結果、ブレード先端の材料、立方晶窒化ホウ素及び炭化ケイ素などの、ブレード先端のコーティング（「ブレードの先端処理（ｔｉｐｐｉｎｇ）」）の材料のそれぞれについて、特別な要件を作らなければならない。これらの研磨剤の先端処理によって、ＴＢＣ／アブレイダブルの二重機能のコーティング上でのブレードの切削挙動は改善するが、これらは適用するには非常に高価である。

代替として、セラミック・アブレイダブル・コーティングを適用する周知の大気プラズマ溶射法（例えば米国特許第５，５３０，０５０号参照）によれば、セラミック粉末とポリマー（典型的には６％ポリエステル）とのブレンドが、溶射によってタービン構成要素上に堆積する。続いて、後熱処理プロセス中にポリエステルが燃え尽きる。これにより、ポリマーなしで溶射したコーティングより、遥かに高い空隙率（最大３５％）を有するコーティングを得る。これらの高空隙率コーティングによって、より低い熱伝導率が確保され、耐焼結性が向上し、先端処理をしていない、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ：ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）で、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）で先端処理をしたブレードによって切削する際の摩耗性が向上する。

上に記載したように、エンジン製造業者は、燃料効率が向上し、ガス排出量が減少したエンジンの開発及び製造を課題としている。この目標を達成するために、燃焼温度が上昇し、構成要素の重量が減少したエンジンが設計される。その結果、最良の金属超合金材料で作られる構成要素は、１２００℃を超える温度に耐えなければならない。これらの課題に立ち向かうため、炭素繊維強化炭化ケイ素複合材料（Ｃ／ＳｉＣ）、及び炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素複合材料（ＳｉＣ／ＳｉＣ）などの、軽重量構造構成要素を製造するための有望な材料が開発されてきた。これらの材料は、最も一般的には、セラミック・マトリックス複合材料（ＣＭＣ：Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）と呼ばれる。このような材料で作られる構成要素は、高温で機械的に非常に安定であるが、水蒸気にさらされることに対して脆弱である。このようにさらされることによって、経済寿命と性能が大幅に減少する。その結果、これらの構成要素は、運転中に水蒸気が誘起する劣化を防止するために、耐環境コーティング（ＥＢＣ：Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ）によって保護されなければならない。ＥＢＣシステムの特性は、一方では、高温及び耐熱衝撃性について、先に記載したＴＢＣシステムに非常に近い。他方では、これらはまた、燃焼ガス中に存在する水蒸気に対する、ＣＭＣ材料の保護を提供する。

ＴＢＣとは異なり、ＥＢＣは緻密で、基材への水蒸気のいかなる侵入も通さない必要があり、加えて、亀裂及び孔のないコーティングを確保するために、基材の膨張係数に調和する必要がある。典型的なＥＢＣシステムは、ボンド・コート及びトップ・コートで作られる。ボンド・コートのための材料は、典型的にはＳｉ系金属である。トップ・コートについては、典型的には、様々な割合のＡｌ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２を含むムライト（Ａｌ_２Ｏ_３ ＳｉＯ_２）、若しくはＹｂ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７、Ｙｂ_２ＳｉＯ_５などのケイ酸塩材料、並びに／又はムライトとケイ酸塩の両方の組み合わせが用いられる。

構成要素について、特にブレード及びシュラウドについて、新たな材料の使用、並びに公知のＴＢＣシステムとは異なる化学的性質を有するＥＢＣシステムなど、新たなコーティング・システムの製造によって、新たな種類のアブレイダブル・コーティングが必要となる。これらの新たなアブレイダブル・コーティングは、なおいっそう高い耐高温性及び耐熱衝撃性を有し、ＴＢＣとＥＢＣの両方と適合する化学的性質を確保し、アブレイダブル・コーティングと（例えばＣＭＣ）ブレード構成要素との間に優れたシールを製造する必要がある。

米国特許第５，２３８，７５２号 米国特許第４，９３６，７４５号 米国特許第５，５３０，０５０号

したがって、タービン構成要素上に堆積した材料が、タービンの運転中に制御された方法で摩耗し、同時に耐高温歪み性及び耐熱衝撃性をもたらし、さらにＴＢＣシステム及びＥＢＣシステムの「低い」層の製造方法と適合するように、セグメント又はシュラウドなどのタービン構成要素上にアブレイダブル・コーティングを製造するための方法を提供することが、本発明の目的である。より高い空隙率を生成するための、複雑なブレンド及びコーティングの後処理を用いる必要を除去することによって、ＡＰＳで製造したアブレイダブル・コーティングと比較して、より経済的なアブレイダブル・コーティングを適用する方法を提供することが、本発明の別の目的である。

この目的は、以下に記載するプラズマ溶射物理蒸着（ＰＳ−ＰＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって達成される。

プラズマ溶射物理蒸着において、金属又はセラミック・マトリックス複合材料の表面に、粉末又は蒸気ジェットの形態で溶射することによって、基材表面にコーティングを堆積させる。このようなジェットは、１０，０００Ｐａ未満の圧力において操作される、プラズマ・トーチから出るプラズマ・ジェットによって、移送され、方向付けされる。本発明において、アブレイダブル・コーティング材料は、プラズマ・トーチ内でより小さな粉末片に破砕することが可能な粉末、好ましくは凝集粉末の形態でプラズマに注入され、プラズマ・ジェットの高い比エンタルピーによって完全に又は部分的に気化し、アブレイダブル・コーティングとして用いることができる異方性構造コーティング又は柱状構造を、表面上に形成する。

有利なことには、生じた柱状構造のアブレイダブル・コーティングは、タービン・エンジンの運転条件下、ブレード先端がアブレイダブル・コーティングに侵入し、こするとき、ブレード先端によりコーティングの中へ良好に画定された切削経路を製造することを可能にする。本発明によるアブレイダブル・コーティングを通る切削経路は、古典的な大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）で製造されたアブレイダブル・コーティングをブレード先端が通って作製される切削経路と比較して、より良好に画定され、限定的である。有利なことには、ＰＳ−ＰＶＤによって製造された柱状構造のアブレイダブル・コーティングは、異方性構造と、ＡＰＳで製造したコーティングによって達成される空隙率（最大で３５％）より大幅に大きい空隙率とを有する。これはコーティングの熱伝導率においても反映される。例えばバルク７ＹＳＺ（７質量％イットリアで安定化されたジルコン酸塩）についての熱伝導率は２５℃において３．０Ｗ／ｍ・Ｋ、ＡＰＳで製造した７ＹＳＺのＴＢＣについては、１〜１．４Ｗ／ｍ・Ｋ、ＥＢ−ＰＶＤで製造した柱状７ＹＳＺコーティングでは１．２〜２．２Ｗ／ｍ・Ｋである一方、本発明による柱状構造のアブレイダブル・コーティングは、１Ｗ／ｍ・Ｋより小さい、０．８Ｗ／ｍ・Ｋという低さの熱伝導率を示す。

本発明によるＰＳ−ＰＶＤで製造したアブレイダブル・コーティングにおける柱は、ブレード先端が柱を横切って通過することによってすり減るが、有利なことには、これはブレードが柱をこするところでのみ起こる。換言すれば、ブレード先端の通過は隣接する柱（の一部）を脱離させない。これは、例えばブレード先端が隣接する柱の一部を削り取り、その結果、切削経路の側壁がいっそう劣化する、ＥＢ−ＰＶＤで製造した柱と対照的である。したがって、有利なことには、画定された経路及び鮮明な切削経路壁（本質的には、アブレイダブル柱状構造の側面）によって、タービンにおけるクリアランス間隙のより良好なシーリングが可能となり、それによって後者の効率が向上する。

発明者らは、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）などの他の方法に注目し、ＴＢＣのための結晶質柱状構造を製造することを可能にする。しかし、このような方法を用いて製造される結晶質の柱は、互いに近すぎ、又は過密であるため、このような方法では良好なアブレイダブル柱状構造が製造されない。例えば、ＥＢ−ＰＶＤで製造した構造の典型的な柱の幅は、典型的に、基材に平行な又は沿った方向に約１０柱／１００μｍであるとき、１０μｍ以下である（そのため、柱間の空間は０〜２μｍの範囲である）。比較において、ＰＳ−ＰＶＤで製造した柱の幅及び線密度は、７柱／１００μｍで５〜１５μｍ（柱間の空間は５μｍ超）から、４柱／１００μｍで１０〜５０μｍ（柱間の空間は０〜５μｍ）まで調整することができる。これは、ＥＢ−ＰＶＤで製造したコーティングの、ＰＳ−ＰＶＤで製造したコーティングと比較して高い耐侵食性に反映される。耐侵食性は、砂の粒子のジェットを所定の角度に向け、２５．４μｍ（１ミル）のコーティング厚さを失うのに必要な時間を測定することによって測定される。ＰＳ−ＰＶＤで製造した柱状構造のアブレイダブル・コーティングは、０．２０秒／μｍ（５秒／ミル）と１．１秒／μｍ（２８秒／ミル）との間、好ましくは０．３９秒／μｍ（１０秒／ミル）と０．９８秒／μｍ（２５秒／ミル）との間、より好ましくは０．５９秒／μｍ（１５秒／ミル）と０．７９秒／μｍ（２０秒／ミル）との間の耐侵食性を有する。比較において、ＥＢ−ＰＶＤで製造した柱状構造のコーティングは、１．２秒／μｍ（３０秒／ミル）を超え、さらには最大１．８〜２．０秒／μｍ（４５〜５０秒／ミル）の耐侵食性を有する。したがって、有利なことには、本発明によるＰＳ−ＰＶＤで製造した柱状構造のアブレイダブル・コーティングは、ＥＳ−ＰＶＤで製造した柱状構造のコーティングより、２〜１０倍小さい耐侵食性を有する。耐侵食性が低いことによって、柱状構造の一部が小さな部分としてすり減ることが可能となり、さらには良好に画定された切削経路を作製する助けになる。

柱状構造のアブレイダブル・コーティングを製造するためのＰＳ−ＰＶＤ法の別の利点は、非常に融通が利くプロセスであることである。プロセス・パラメータを変化させると、柱状構造コーティング、多孔質コーティング、及び緻密なコーティングなど、すべてで同じ装置を用いて、様々な種類のコーティングのミクロ構造を製造することができる。有利なことには、ＰＳ−ＰＶＤで製造した緻密なコーティングは、ガスを通しにくくなりうる。さらに、溶射プロセス中のプロセス・パラメータを変化させることによって、傾斜アブレイダブル・コーティングの製造が可能になる。一実施例において、傾斜アブレイダブル・コーティングは、低部の緻密ラメラ層、中間の多孔質層、及び上部の柱状構造のアブレイダブル層を有する、三層構造によって形成される。このような傾斜アブレイダブル・コーティングは、タービン構成要素を保護するために緻密ラメラ層が必要な、ＥＢＣコーティングとの組み合わせにおいて特に有利である。

別の実施例において、ＥＢＣに近い化学的性質を有する緻密層を製造するための操作パラメータで始まり、アブレイダブル層として、異なる化学的性質を有する柱状構造層を製造するための操作パラメータで終わるＰＳ−ＰＶＤ法が適用される。このようにして、このような傾斜アブレイダブル・コーティングは、ＥＢＣとアブレイダブル・コーティングとの間の完全な結合を確保する。化学的性質、すなわち材料の組成は、複数の粉末インジェクタを用いて、プロセス中の粉末供給速度を変化させることによって、ＰＳ−ＰＶＤプロセス中に変化しうる。有利なことには、ＰＳ−ＰＶＤ法は、ムライト又はケイ酸塩材料の結晶性の保存によって、高性能ＥＢＣコーティングを製造することができる。

実際、有利な実施例において、ＰＳ−ＰＶＤ法は、基材としてＣＭＣ構成要素を準備し、（任意選択により、適当な中間ボンド・コートとともに、）ＣＭＣ構成要素の上にＥＢＣを堆積させ、ＥＢＣの上に傾斜アブレイダブル・コーティングをもたらし、完全なコーティング・システムを製造するために用いられるが、傾斜コーティングは少なくとも、ＥＢＣコーティングに見合う化学的性質を有する緻密層と、クリアランス間隙をシールするために、その上の柱状構造のアブレイダブル・コーティングとを有する。

したがって、一実施例において、アブレイダブル・コーティングを形成する方法は、（ｉ）プラズマを形成するステップ；（ｉｉ）搬送ガスによって運ばれる、１μｍと５０μｍの間の範囲の粒子を有する粉末の形態のコーティング材料をプラズマに導入するステップであって、蒸気と粒子との気相雲を形成するために、プラズマは、粉末の一部を少なくとも部分的に融解させ、粉末の少なくとも５重量％を気化するのに十分に高い比エンタルピーを有する、ステップ；（ｉｉｉ）プロセス圧力を５０Ｐａと２０００Ｐａの間に維持することによって、プラズマ・ビームを形成するステップ；（ｉｖ）気相雲を含むプラズマ・ビームをデフォーカスするステップ；及び（ｖ）気相雲から基材表面に、断熱層システムの一部であるアブレイダブル・コーティングを形成するステップであって、アブレイダブル・コーティングは柱状構造を有する、ステップ、を含む。

別の実施例において、該方法は、柱状構造を有するアブレイダブル・コーティングを形成するステップを含み、柱状構造のアブレイダブル・コーティングは、１．２秒／μｍ（３０秒／ミル（ミル＝２５．４μｍ））より小さい、好ましくは０．２０〜１．１秒／μｍ（５〜２７秒／ミル）の範囲の、より好ましくは０．３９〜０．９８秒／μｍ（１０〜２５秒／ミル）の範囲の、さらにより好ましくは０．５９〜０．７９秒／μｍ（１５〜２０秒／ミル）の範囲の耐侵食性を有する。

また別の実施例において、該方法は、水素プラズマ・ガスの量、基材の表面温度、及び粉末供給速度の少なくとも１つを制御することを通じて、アブレイダブル・コーティングの耐侵食性を調整するステップを含む。

さらなる実施例において、コーティング・プロセス中の基材の表面温度を、５００℃〜１１００℃の範囲、好ましくは９５０℃〜１０５０℃の範囲の値に調整する。一方、別の実施例においては、水素プラズマ・ガスの量を、０ＮＬＰＭ〜１０ＮＬＰＭの範囲に調整する。そしてまた別の実施例においては、総粉末供給速度を５ｇ／分〜６０ｇ／分の範囲に調整する。

別の実施例において、アブレイダブル・コーティングの柱状構造は、羽毛状又はカリフラワー状のミクロ構造を有する。このような羽毛状又はカリフラワー状のミクロ構造を有するアブレイダブル・コーティングの柱状構造は、タービン又はエンジン内での運転中に、柱状構造の上部がベーン先端によって削り取られ、底部は影響を受けずに残すことができるように構造化されうる。

本発明の実施例において、アブレイダブル・コーティングを形成するステップは、プラズマ溶射物理蒸着（ＰＳ−ＰＶＤ）システムを用いるステップを含む。

別の実施例において、該方法は傾斜アブレイダブル層を堆積させるステップを含む。実例として、このような傾斜アブレイダブル層の堆積は、ラメラ緻密構造を有する第１の副層を堆積させ、第１の副層の堆積後に、柱状構造を有する第３の副層を堆積させるステップを含みうる。代替的に、該方法は、第１の副層と第３の副層との中間に、第２の副層を堆積させるステップを含んでよく、第２の副層は混合相の脆い構造を有する。さらに代替的に、該方法は、断熱層システムの低層の化学的組成に見合う化学的組成を有する第１の副層を形成するステップ、及び柱状構造のアブレイダブル・コーティングを形成するための異なる化学的組成を有する第３の副層を形成するステップを含みうる。

別の態様によれば、本発明は、断熱層システムを備え、断熱層システムの外層は柱状構造を有するアブレイダブル・コーティングを形成する、タービン構成要素又はエンジン構成要素を提供する。有利なことには、柱状構造のアブレイダブル・コーティングは、１．２秒／μｍ（３０秒／ミル（ミル＝２５．４μｍ））より小さい、好ましくは０．２０〜１．１秒／μｍ（５〜２７秒／ミル）の範囲の、より好ましくは０．３９〜０．９８秒／μｍ（１０〜２５秒／ミル）の範囲の、さらにより好ましくは０．５９〜０．７９秒／μｍ（１５〜２０秒／ミル）の範囲の耐侵食性を有する。

本発明のこれら及び他の態様は、本明細書において後に記載する実施例から明らかであり、これらを参照することによって明瞭になる。しかし、これらの実施例を、本発明の保護の範囲を限定するものとして解釈してはならないことを理解されたい。これらは、個別に、及び組み合わせて利用されうる。本発明を、模式図を参照しながら以下により詳細に説明する。

タービン／エンジン構成要素、この場合はブレードを模式的に示す図である。 本発明によるコーティング・システムの第１の実施例を模式的に示す図である。 本発明によるコーティング・システムの第２の実施例を模式的に示す図である。 本発明によるアブレイダブル柱状コーティングを通る経路を切削するブレード先端のクローズ・アップを、模式的に示す図である。 本発明によるアブレイダブル・コーティングの柱のミクロ構造のクローズ・アップを、模式的に示す図である。 本発明によるＰＳ−ＰＶＤプロセスで得られる第１のミクロ構造を、模式的に示す図である。 本発明によるＰＳ−ＰＶＤプロセスで得られる第２のミクロ構造を、模式的に示す図である。 本発明によるＰＳ−ＰＶＤプロセスで得られる第３のミクロ構造を、模式的に示す図である。 傾斜コーティングを備える、本発明によるアブレイダブル・コーティングの別の実施例を、模式的に示す図である。

図１は、ベース２、ベーン又は翼型３、及びベーン先端４を有するガス・タービン・エンジン構成要素、この場合はブレード・ユニット１を模式的に示し、これはステータ・ブレード・ユニット、又はロータ・ブレード・ユニットのいずれかとして、ガス・タービン内に組み立てられうる。軸流ガス・タービンの回転圧縮機又はロータは、複数のこのようなブレード・ユニットからなり、シュラウドに設置された軸に取り付けられる。運転中。軸及びブレードは、シュラウド内で回転する。タービンの効率を向上させるため、タービン・シュラウド１０、１１の内表面は、最も好ましくはアブレイダブル材料でコーティングされ、これはベーン先端４とシュラウド１０、１１との間のクリアランス間隙のためのシールとして機能する。図１Ｂ及び１Ｃは、本発明の２つの実施例を模式的に示し、シュラウドなどのタービン構成要素の、金属基材１０、セラミック・マトリックス複合材料（ＣＭＣ）基材１１のそれぞれは、適当なボンド・コート２０、２１で被覆される。このようなボンド・コートは任意選択である。ボンド・コートの上に、それぞれ遮熱コーティング（ＴＢＣ）３０、耐環境コーティング（ＥＢＣ）３１を堆積させる。これらの後の遮蔽コーティングの上に、本発明による柱状構造のアブレイダブル・コーティング４０、４１を、ＰＳ−ＰＶＤプロセスを用いて堆積させる。有利なことには、ＰＳ−ＰＶＤプロセスを用いた柱状構造のアブレイダブル・コーティング４０、４１は、ＥＢ−ＰＶＤで製造したアブレイダブル・コーティングに対して、それぞれより柔らかくより多孔質であり、より低い柱の線密度、及びより羽毛状の柱の構造を有する。

柱状構造のアブレイダブル・コーティング４０、４１の異方性ミクロ構造を製造するために、コーティング材料のかなりの部分−少なくとも５重量％に達する部分が、気相に変化するのに十分に高い比エンタルピーを有するプラズマが生成しなければならない。完全には気相に変化しない場合がある、気化した材料の部分は、最大７０％に達してよい。プラズマは、ＤＣ電流でバーナー中に、ピン・カソード及びリング様アノードによって生成する。プラズマに供給される電力、実効電力はそれぞれ、生じるコーティング構造に対して経験的に決定しなければならない。経験によれば、典型的には、プラズマ・ガンに供給される電力の５０％と５５％の間である実効電力は、４０〜８０ｋＷの範囲である。

本発明によるアブレイダブル・コーティングを製造するためのＰＳ−ＰＶＤ法のプロセス圧力は、５０Ｐａと２０００Ｐａの間、好ましくは１００Ｐａと８００Ｐａの間の値を有する。粉末は搬送ガスを用いて、１つ又は複数（２つ、３つ、若しくは４つなど）のインジェクタからプラズマに注入される。プラズマの生成のためのプロセス・ガスは、不活性ガスの混合物、特にアルゴンＡｒとヘリウムＨｅとの、ＡｒのＨｅに対する体積比が有利なことには２：１〜１：４の範囲にある混合物である。総ガス・フローは、３０〜１５０ＮＬＰＭ（Ｎｏｒｍａｌ Ｌｉｔｒｅｓ Ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）の範囲である。総粉末供給速度は、５ｇ／分と６０ｇ／分の間、好ましくは１０ｇ／分と４０ｇ／分の間にある。蒸気と粒子との気相雲を形成するために、プラズマは、粉末の一部を少なくとも部分的に融解させ、粉末の少なくとも５重量％を気化するのに十分に高い比エンタルピーを有する。プラズマ・ビームは、プロセス圧力を５０Ｐａと２０００Ｐａの間に維持し、デフォーカスすることによって形成され、デフォーカス・プラズマ中には蒸気と粒子との気相雲を含む。材料の適用中は、この雲に対して、基材を好ましくは回転又は旋回運動で動かす。典型的には、コーティング・プロセス中の基材１０、１１の表面温度は、５００℃及び１１００℃の範囲であり、プラズマ・ジェットを用いて加熱する。しかし、代替的に、表面温度は、別のプラズマ・ガン、誘導、石英ランプなど、他の熱源を用いて制御してもよい。プラズマ・ガンから基材への溶射距離は、典型的には約９００ｍｍである。ＰＳ−ＰＶＤプロセスを用いて、アブレイダブル・コーティングが、柱状構造の成長によって構築される。総コーティング厚さは、２０μｍ〜２０００μｍの間の値、好ましくは２００μｍ〜１０００μｍの間の値を有する。

酸化物セラミック材料又は酸化物セラミック成分を含む材料は、本発明に準拠した方法を用いた、柱状構造のアブレイダブル・コーティング４０、４１の作製に好適であり、酸化物セラミック材料は特に酸化ジルコニウム、特にイットリウム、セリウム、又は他の希土類で完全に又は部分的に安定化された酸化ジルコニウムである。安定剤として用いられる材料は、希土類、例えばイットリウムＹ、セリウム、又はスカンジウムの酸化物の形態で、合金として酸化ジルコニウムに添加され、Ｙの実例については、酸化物は８％など、５〜２０重量％の部分を形成する。

プラズマをデフォーカスすることによって粉末ビームを、所望のミクロ構造を有するコーティングを生じる、蒸気と粒子との気相雲に再形成するために、粉末状出発材料は、より大きな粉末粒子に（緩く）凝集しうる、非常に微細な一次粒子（好ましくは１〜３μｍの範囲）を有しなければならない。粉末粒子のサイズ分散は、典型的には、レーザー散乱法を利用して決定される。粉末粒子のサイズ分散はかなりの部分が、１μｍと５０μｍの間、好ましくは３μｍと２５μｍの間の範囲にある。粉末粒子を作製するために、様々な方法：例えば、噴霧乾燥、又は融解とそれに続く固化した融解物の破砕及び／若しくは粉砕との組み合わせ、を用いることができる。

例えばＮｉ又はＣｏ系合金を含む金属タービン構成基材１０の場合、任意選択のボンド・コーティング２０は、ＮｉＡｌ合金又はＮｉＣｒ合金を含んでよい。コーティング材料として、例えばイットリウムＹで安定化された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２−８％Ｙ_２Ｏ_３など）を用いて作製したＴＢＣ３０は、典型的には、１０μｍと３００μｍの間、好ましくは２５μｍと１５０μｍの間の範囲のコーティング厚さを有する。ＴＢＣ３０は特に金属アルミナイド、又はＭＣｒＡｌＹ合金を含み、Ｍは金属Ｆｅ、Ｃｏ、若しくはＮｉ、又はセラミック酸化物材料の１つを表す。これは好ましくは、緻密な、柱状の、方向性を持つ、又は方向性を持たない構造のいずれかを有する。

炭素繊維強化炭化ケイ素複合材料（Ｃ／ＳｉＣ）、及び炭化ケイ素強化炭化ケイ素複合材料（ＳｉＣ／ＳｉＣ）を含む、ＣＭＣタービン構成基材１１の場合、任意選択のボンド・コート２１は、Ｓｉ系金属を含んでよい。例えば、様々な割合のＡｌ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２を含むムライト（Ａｌ_２Ｏ_３ ＳｉＯ_２）、若しくはＹｂ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７、Ｙｂ_２ＳｉＯ_５などのケイ酸塩材料、並びに／又はムライトとケイ酸塩の両方の組み合わせで作られるＥＢＣ３１は、典型的には、１０μｍ〜３００μｍの間、好ましくは２５μｍ〜１５０μｍの間の範囲のコーティング厚さを有する。

コーティング・システム一式の部分層は、好ましくは、ＰＳ−ＰＶＤプロセスを用いる中断がなく、単一の動作サイクルにおいてすべて適用される。適用後、必要により、コーティング・システムを全体として熱処理してよい。

本発明のプラズマ溶射プロセスにおいて、所定の温度範囲でコーティング材料の堆積を実施するために、別のプラズマ・ガン、石英ランプ、又は誘導源など、追加の熱源も用いることができる。基材１０、１１の温度は、５００℃と１１００℃の間の範囲、好ましくは９５０℃〜１０５０℃の温度範囲にプリセットする。例えば、赤外ランプ又はプラズマ・ジェットを、補助熱源として用いることができる。この配置においては、熱源からの熱の供給、及びコーティングされる基材の温度を、既に指定したプロセス・パラメータとは独立に、制御又は調節することができる。温度制御は、通常の測定法で（赤外センサ、熱センサ等を用いて）実行することができる。

柱状構造のアブレイダブル・コーティングで、高いプロセス温度にさらされる構成要素をコーティングするために、本発明に準拠した方法を用いることができる。このような構成要素は例えば、定置ガス・タービン又は航空機の動力設備の構成要素であり、すなわち、タービン・ブレード、特にガイド・ブレード、若しくはランナー・ブレード、又は耐熱シールド及びシュラウドなどの、高温ガスにさらされうる構成要素でさえある。

図２は、柱状構造のアブレイダブル・コーティング４０、４１で被覆された、それぞれＴＢＣ３０、ＥＢＣ３１を有するコーティング・システムの上層のクローズ・アップを、模式的に示す。タービンの運転条件下、タービン・ブレード１のベーン先端４が、アブレイダブル・コーティング４０、４１を通る切削経路を作製する、翼型又はベーン３も示される。見て取れるように、ベーン３は、柱状構造のアブレイダブル・コーティング４０、４１を通る、良好に画定された切削経路を作製する。有利なことには、柱状構造のアブレイダブル・コーティングは、隣接する柱４９に影響を与えない先端のもと、ベーン先端４が個々の柱４９をすり減らすような、低い耐侵食性と、個々の柱４９の間の空間配置とを有する。本発明による柱状構造のアブレイダブル・コーティングは、１．２秒／μｍ（３０秒／ミル）未満の、好ましくは０．２０〜１．１秒／μｍ（５〜２７秒／ミル）の範囲の、より好ましくは０．３９〜０．９８秒／μｍ（１０〜２５秒／ミル）の範囲の、さらにより好ましくは０．５９〜０．７９秒／μｍ（１５〜２０秒／ミル）の範囲の耐侵食性を有する。この範囲の耐侵食性は本質的に、切削経路の壁が単一の柱状構造４９によって画定されることにつながる。柱状構造コーティングの耐侵食性は、柱状構造の密度を制御することによって調整することができる。低密度は、プロセス・ガス中の水素プラズマ・ガスの量を減少させる、及び／又は除去すること、コーティング・プロセス中の表面温度を低下させること、並びにコーティング材料の粉末供給速度を上昇させることによって実現することができる。したがって、一実施例において、本発明による方法は、水素プラズマ・ガスの量、基材１０、１１の表面温度、及び粉末供給速度の少なくとも１つを制御することを通じて、アブレイダブル・コーティングの耐侵食性を調整するステップを含む。

柱状構造のアブレイダブル・コーティング４０の熱伝導率はＴＢＣ３０と同様であり、非常に多孔質なコーティングの場合、すなわち低密度の柱状構造４９を有するコーティング４０の場合、大幅に低くなりうる。

図３は、柱状構造４９のミクロ構造のクローズ・アップを模式的に示す。見て取れるように、柱状構造４９は、ＰＳ−ＰＶＤプロセスで製造する場合、羽毛状の緩い構造を有する。ＥＢ−ＰＶＤからのものが知られる緻密な針状の結晶成長と比較して、これらの羽毛状構造は、耐侵食性を減少させる助けになる。さらに、羽毛状構造によって、タービンの運転温度条件下、ベーン先端４が膨張すると、ベーン先端４が柱状構造４９から個々の羽毛又は羽毛部分を連続的に削り取ることによって、切削経路を作製することが可能となる。有利なことには、本発明によるアブレイダブル・コーティングは耐侵食性が低い、又は柔らかいことによって、底部４９−１が影響を受けず、コーティング・システムの低層に接着したまま、ベーン先端４が柱状構造の上部４９−２を削り取ることが可能となる。

図４は、ＴＢＣ３０、ＥＢＣ３１それぞれの上のアブレイダブル・コーティング４０、４１の異なるミクロ構造を、模式的に示す。これらは、本発明によるＰＳ−ＰＶＤプロセスを用いて、コーティング温度及びプラズマ・ガス混合物を制御することによって得ることができる。ＰＳ−ＰＶＤプロセスの動作圧力及び動力レベルは、図１とともに上に記載したものと同じ範囲である。

図４Ａにおいて、Ａｒ、Ｈｅ、及びＨ_２のプラズマ混合物を用いて、比較的緻密な柱状構造が製造される。典型的には、Ａｒ／Ｈｅ比は２：１〜１：４の範囲であり、好ましくは１：２であり、フロー速度は３０〜１５０ＮＬＰＭの範囲である。Ｈ２ガス・フローは、１〜１６ＮＬＰＭ、好ましくは１〜１０ＮＬＰＭの範囲であってよい。典型的な実例として、ＰＳ−ＰＶＤプロセスのためのガス・フロー速度は、３０ ＮＬＰＭ Ａｒ、６５ ＮＬＰＭ Ｈｅ、及び１０ ＮＬＰＭ Ｈ_２である。コーティング・プロセス中の基材温度は、７００℃〜１１００℃、好ましくは９５０℃と１０００℃の間の範囲である。これらの操作条件下、ＰＳ−ＰＶＤで製造した柱の幅及び線密度は、約４柱／１００μｍであるとき、１０〜５０μｍの範囲である（すなわち、柱間の空間は０〜５μｍである）。このような柱状構造のアブレイダブル・コーティングの熱伝導率は、１．０〜２．５Ｗ／ｍ・Ｋの範囲である。

図４Ｂにおいて、ＡｒとＨｅとのガス混合物を適用することによって、低密度柱状構造が製造される。換言すれば、Ｈ_２ガス・フローが、混合物から除去されている。残りの操作条件は、図４Ａにおけるものと同じである。これらの操作条件下、ＰＳ−ＰＶＤで製造した柱の幅及び線密度は、約７柱／１００μｍであるとき、５〜１５μｍの範囲である（すなわち、柱間の空間は５μｍ超である）。このような柱状構造のアブレイダブル・コーティングの熱伝導率は、０．８〜１．５Ｗ／ｍ・Ｋの範囲である。

図４Ｃにおいて、堆積プロセス中の基材温度を５００℃〜７００℃の範囲の温度まで低下させることによって、本質的には柱状構造とラメラ緻密層の混合相である、脆い構造を得る。残りの操作プロセス条件は、図４Ａ及び４Ｂについてのものと同様である。粉末供給速度は、混合相組成に影響を与えるさらなるパラメータである。供給速度が上昇すると気相中の粒子の数が減少し、それによって混合相コーティングが調整される。

図５は、傾斜アブレイダブル・コーティングを備えるコーティング・システムを模式的に示す。タービン構成要素は、金属基材１０、ＣＭＣ基材１１をそれぞれ有しうる。任意選択によって、それぞれ適当なボンド・コート２０、２１が基材に適用される。続いて、ＴＢＣ層３０、ＥＢＣ層３１をそれぞれ、ＰＳ−ＰＶＤプロセスを用いて堆積させる。その上に、それぞれ傾斜アブレイダブル・コーティング４０、４１を、ＰＳ−ＰＶＤプロセスを用いて堆積させる。傾斜コーティング４０、４１の第１の副層４０−ａ／４１−ａはラメラ緻密層を含み、任意選択の傾斜コーティング４０、４１の第２の副層４０−ｂ／４１−ｂは混合相の層を含み、上部の第３の副層は柱状構造のアブレイダブル層４０−ｃ／４１−ｃを含む。有利なことには、傾斜は、下にあるＴＢＣ３０、ＥＢＣ３１層それぞれへの、アブレイダブル・コーティング４０、４１の優れた結合を確保する。特に後者の場合、ＥＢＣ及びアブレイダブル・コーティング層の化学的組成の違いを考えると、傾斜によって接着を確保しながら、３つの副層中のコーティング材料の化学的組成が、ＥＢＣに見合うものから、クリアランス間隙のシールとして機能するのに最適なものまで調整されうる。

第１の副層のための操作パラメータは、典型的には：５０Ｐａ〜８００００Ｐａ、好ましくは１００Ｐａ〜１０００Ｐａの動作圧力；４０ｋＷ〜８０ｋＷのプラズマ・ジェットの実効電力；Ａｒ並びに任意選択によってＨｅ及び／又はＨ_２を含む、３０ＮＬＰＭ〜１５０ＮＬＰＭの範囲の総ガス・フロー；ガス・フローがＡｒ／Ｈｅ混合物を含む場合、１０：１〜１：１、典型的には４：１の範囲のＡｒ：Ｈｅ比、且つ０＜Ｈ_２＜２０ ＮＬＰＭ；５〜１２０ｇ／分、好ましくは２０〜８０ｇ／分、理想的には４０ｇ／分と８０ｇ／分の間の範囲の総粉末供給速度；５００℃〜１１００℃の範囲の基材温度、である。

第３の副層の操作パラメータは、典型的には、図１の実施例について記載した通りである。

したがって、一実施例において、該方法は、基材温度、粉末供給速度、及びガス・フロー混合物の少なくとも１つを制御することによって、傾斜アブレイダブル・コーティングを堆積させるステップを含む。１つの実例において、第１の副層４０−ａは、８０／４０／１０ＮＬＰＭのＡｒ／Ｈｅ／Ｈ２ガス・フロー混合物、２×４０ｇ／分の供給速度、１．５ｍｂａｒの動作圧力、及び基材温度９００℃で製造し、一方第３の副層４０−ｃは、３０／６０／０ＮＬＰＭのＡｒ／Ｈｅ／Ｈ２ガス・フロー混合物、２×１０ｇ／分の供給速度、１．５ｍｂａｒの動作圧力、基材温度１０００℃で製造した。第２の副層４０−ｂのための動作パラメータは、前述のパラメータ・セットの中間であった。

Claims (15)

1. プラズマを形成するステップ；
   搬送ガスによって運ばれる、１μｍと５０μｍの間の範囲の粒子を有する粉末の形態のコーティング材料を前記プラズマに導入するステップであって、蒸気と粒子との気相雲を形成するために、前記プラズマが、前記粉末の一部を少なくとも部分的に融解させ、前記粉末の少なくとも５重量％を気化するのに十分に高い比エンタルピーを有する、ステップ；
   プロセス圧力を５０Ｐａと２０００Ｐａの間に維持することによって、プラズマ・ビームを形成するステップ；
   前記気相雲を含む前記プラズマ・ビームをデフォーカスするステップ；及び
   前記気相雲から基材（１０、１１）表面に、断熱層システム（２０、３０、４０；２１、３１、４１）の一部であるアブレイダブル・コーティング（４０、４１）を形成するステップであって、前記アブレイダブル・コーティングが柱状構造（４９）を有する、ステップ、
   を含む、アブレイダブル・コーティング（４０、４１）を形成する方法。
2. 前記柱状構造のアブレイダブル・コーティング（４０、４１）が、１．２秒／μｍ（３０秒／ミル）より小さい、好ましくは０．２０〜１．１秒／μｍ（５〜２７秒／ミル）の範囲の、より好ましくは０．３９〜０．９８秒／μｍ（１０〜２５秒／ミル）の範囲の、さらにより好ましくは０．５９〜０．７９秒／μｍ（１５〜２０秒／ミル）の範囲の耐侵食性を有する、請求項１に記載の方法。
3. 水素プラズマ・ガスの量、基材（１０、１１）の表面温度、及び粉末供給速度の少なくとも１つを制御することを通じて、前記アブレイダブル・コーティング（４９、４１）の耐侵食性を調整するステップを含む、請求項２に記載の方法。
4. コーティング・プロセス中の前記基材（１０、１１）の表面温度を、５００℃〜１１００℃の範囲、好ましくは９５０℃〜１０５０℃の範囲の値に調整する、請求項３に記載の方法。
5. 前記水素プラズマ・ガスの量を、０ＮＬＰＭ〜１０ＮＬＰＭの範囲に調整する、請求項３に記載の方法。
6. 前記総粉末供給速度を５ｇ／分〜６０ｇ／分の範囲に調整する、請求項３に記載の方法。
7. 前記アブレイダブル・コーティング（４０）の柱状構造（４９）が羽毛状ミクロ構造を有する、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 前記アブレイダブル・コーティング（４０）の柱状構造（４９）が、タービン又はエンジン内での運転中に、前記柱状構造の上部（４９−２）がベーン先端４によって削り取られ、底部（４９−１）は影響を受けずに残すことができるように構造化される、請求項７に記載の方法。
9. 前記アブレイダブル・コーティングを形成するステップが、プラズマ溶射物理蒸着（ＰＳ−ＰＶＤ）システムを用いるステップを含む、請求項１又は８に記載の方法。
10. 傾斜アブレイダブル層を堆積させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
11. 傾斜アブレイダブル層を堆積させるステップが、ラメラ緻密構造を有する第１の副層（４０−ａ、４１−ａ）を堆積させ、前記第１の副層の堆積後に、前記柱状構造（４９）を有する第３の副層（４０−ｃ、４１−ｃ）を堆積させるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１の副層（４０−ａ、４１−ａ）と前記第３の副層（４０−ｃ、４１−ｃ）との中間に、第２の副層（４０−ｂ、４１−ｂ）を堆積させるステップを含み、前記第２の副層が混合相の脆い構造を有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記断熱層システムの低層の化学的組成に見合う化学的組成を有する前記第１の副層（４１−ａ）を形成するステップ、及び前記柱状構造のアブレイダブル・コーティングを形成するための異なる化学的組成を有する前記第３の副層（４０−ｃ）を形成するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記基材（１０、１１）がガス・タービンの構成要素である、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の方法。
15. 断熱層システム（２０、３０、４０；２１、３１、４１）を備え、前記断熱層システムの外層（４０、４１）が、柱状構造（４９）を有するアブレイダブル・コーティングを形成する、タービン構成要素又はエンジン構成要素。

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