JP2021519386A - Ｃｍａｓ耐性、高歪み許容性及び低熱伝導率の遮熱コーティング及び溶射コーティング方法 - Google Patents
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Abstract
ＴＢＣコーティングされた基材上に配置され、より低い熱伝導率を提供し、ＭＣｒＡｌＹ（ここで、ＭはＮｉ、Ｃｏ、又はそれらの組合せを表す）の層の上に配置されている少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）コーティング層を含む耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、少なくとも１つのＰＶＣコーティング層上に堆積されている。
Description
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年４月９日に提出された米国仮特許出願第６２／６５４，９８５号の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づく優先権を主張するものであり、その開示全体を参照により本明細書に明示的に組み込む。
本出願は、２０１８年４月９日に提出された米国仮特許出願第６２／６５４，９８５号の３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づく優先権を主張するものであり、その開示全体を参照により本明細書に明示的に組み込む。
（資金提供を受けた研究開発に関する記載）
適用不可
適用不可
本発明は、超合金基材の表面を覆う遮熱コーティング（ＴＢＣ）のカルシウム・マグネシウム・アルミニウム・シリケート（ＣＭＡＳ）劣化問題を改善するための耐侵食性ＣＭＡＳ耐性多層セラミックコーティングである。多層コーティングには、耐侵食性ＣＭＡＳ耐性緻密縦割れ（ＤＶＣ）トップコートと、低熱伝導率及び歪み許容性の多孔質縦割れ（ＰＶＣ）中間コーティングを含めることができる。コーティング方法も開示されている。
ガスタービンエンジンの高温部のコンポーネントには、高温での保護のために遮熱コーティング（ＴＢＣ）が施されている。８重量パーセント（８重量％）のイットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）は、その靭性が高く、高温まで熱伝導率が低いため、ＴＢＣの歴史的組成物であった。非限定的な例には、Ｍｅｔｃｏ ２２２Ａ、２３１Ａ、２３３Ａ、２３３Ｂ、２３３Ｃ及び２３４Ａが含まれる。しかしながら、エンジンの動作温度が上昇すると、一般にＣＭＡＳとして知られる溶融珪質堆積物は、８ＹＳＺ ＴＢＣを攻撃し、ＴＢＣの耐久性に影響を与える重大な要素として認識されており、ガスタービン技術の進歩に対する根本的な障壁となっている。ＣＭＡＳ劣化の問題に対する様々な緩和戦略が試みられてきた。最も有望な戦略は、コーティングとＣＭＡＳ融成物間の反応性を高めることである。これらの反応は融成物を消費するが、結晶性反応生成物は緻密な層を形成し、さらなる融成物浸透のための経路をブロックする。これらのＣＭＡＳ反応性ＴＢＣのほとんどは、希土類ジルコネートに基づいている。しかしながら、これらの組成物は通常、８ＹＳＺコーティングよりも靭性が低い。したがって、ＴＢＣの熱伝導率を低く、靭性を高く保ちながら、ＣＭＡＳ耐性ＴＢＣの耐久性を高める新しい戦略が不可欠である。
イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）遮熱コーティングを使用することも当技術分野で知られており、これらは何十年もの間ガスタービンエンジンで有効に使用されてきた。非限定的な例には、Ｍｅｔｃｏ ６６０８及び６６０９が含まれる。
参照により全体が本明細書に明示的に組み込まれる以下の文書、すなわち、２０１２年６月１２日発行、Ｔａｙｌｏｒ、米国特許第８，１９７，９５０号、１９９１年１２月１７日発行、Ｔａｙｌｏｒ、米国特許第５，０７３，４３３号、２０１４年６月２６日公開、Ｔａｙｌｏｒ、米国特許公開第２０１４／０１７８６３２号、１９９８年１１月３日発行、Ｇｒａｙ、米国特許第５，８３０，５８６号、及び２００４年３月９日発行、Ｓｕｂｒａｍａｎｉａｎ、米国特許第６，７０３，１３７号は、様々なタイプのＤＶＣコーティングを開示している。
参照により全体が本明細書に明示的に組み込まれる以下の文書、すなわち、２００１年１月２３日発行、Ｍａｌｏｎｅｙ、米国特許第６，１７７，２００号、２０１１年１月２５日発行、Ｓｃｈｌｉｃｈｔｉｎｇ、米国特許第７，８７５，３７０号、２０１２年２月９日公開、Ｈｏｎｇｏｈ、米国特許公開第２０１２／００３４４９１号、及び２０１５年５月５日発行、Ｎａｇａｒａｊ、米国特許第９，０２３，４８６号は、様々なタイプのＣＭＡＳ耐性コーティングを開示している。
参照により全体が本明細書に明示的に組み込まれる以下の文書は、２０１６年１２月１日に公開された、Ｃｈｅｎ、米国特許公開第２０１６／０３４８２２６号、ＰＶＣコーティングを開示している。
本発明は、ＴＢＣのＣＭＡＳ劣化問題を改善するための耐侵食性ＣＭＡＳ耐性多層セラミックコーティングを包含する。コーティング方法も開示されている。
本発明はまた、１つ以上のＴＢＣ層が最初に超合金基材上に施されたコーティングシステムを包含する。次いで、多孔質縦割れ（ＰＶＣ）コーティング層である１つ以上の低熱伝導率歪み許容性層が施される。最後に、１つ以上の緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、最上層として施されるか又は堆積される（ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ）。
実施形態において、（複数の場合もある）ＤＶＣ層の多孔率は、０％〜５％であり得、そしてクラックは、（複数の場合もある）層の厚さを部分的に、すなわち、厚さの５０％未満、又は厚さの約５０％のいずれかを通って延在し得、また（複数の場合もある）層の厚さ全体を通って延在することもある。実施形態では、クラックは、実質的な縦割れであり得、１インチあたり２０〜２００のクラックの範囲であり得る。
実施形態において、（複数の場合もある）ＰＶＣ層の多孔率は、５％〜２５％であり得、そしてクラックは、（複数の場合もある）層の厚さを部分的に、すなわち、厚さの５０％未満、又は厚さの約５０％のいずれかを通って延在し得、また（複数の場合もある）層の厚さ全体を通って延在することもある。実施形態では、クラックは、実質的な縦割れであり得、１インチあたり２０〜２００のクラックの範囲であり得る。
本発明により、ＴＢＣ又はコーティングの寿命を延ばすことができ、これにより、エンジンの作動寿命が延長及び改善される。
本開示の実施形態では、歪み許容性ＤＶＣコーティング最上層及び下にあるＰＶＣコーティングシステムが、ＴＢＣシステムを保護するために使用される。ＤＶＣ／ＰＶＣ層は、ＣＭＡＳ耐性化学組成物と混合された強靭な希土類元素（Ｒｅ）で安定化されたＺｒＯ２又はＨｆＯ２で構成され得る。本明細書で使用する場合、ＣＭＡＳ耐性化学物質は、ＣＭＡＳダストと反応して結晶相を形成し、コーティングへのＣＭＡＳのさらなる浸透を防ぐことができる任意の化学組成物又はＣＭＡＳと反応した後のＣＭＡＳ溶融温度を改善することができる化学組成物を意味する。ＤＶＣ層は耐侵食性を提供し、ＰＶＣ層は熱伝導率を低下させる。
本発明の主な利点は、ＴＢＣシステムの耐侵食性及びＣＭＡＳ耐性を改善するためにＣＭＡＳ耐性化学物質と混合された強靭なＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む。さらに、ＰＶＣ歪み許容性遷移層は、熱伝導率が低くなる。
ＤＶＣが耐侵食性ＣＭＡＳ耐性であり、ＰＶＣが熱障壁及びＣＴＥ（熱膨張係数）緩和層である、（複数の場合もある）ＤＶＣ最上層及び／又は（複数の場合もある）ＰＶＣ層の非限定的な実施形態は、以下のもの（希土類酸化物の例には、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユーロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウム、酸化スカンジウム、酸化ツリウムが含まれる）：
ＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２（ＲＥ＝希土類酸化物）
希土類酸化物とのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
希土類シリケートとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
希土類アルミネートとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
希土類アルミネートシリケート（Ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ Ａｌｕｍｉｎａｔｅ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）とのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
アルカリ酸化物とのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
ジルコン酸ガドリニウムとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
上記の任意の組合せを含む。
ＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２（ＲＥ＝希土類酸化物）
希土類酸化物とのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
希土類シリケートとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
希土類アルミネートとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
希土類アルミネートシリケート（Ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ Ａｌｕｍｉｎａｔｅ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）とのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
アルカリ酸化物とのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
ジルコン酸ガドリニウムとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
上記の任意の組合せを含む。
ＤＶＣ最上層又はコーティングのＣＴＥは、約９×１０−６／℃〜１３×１０−６／℃で、厚さは２ミル（０．００２インチ）〜４０ミル（０．０４０インチ）であり得る。本明細書で使用される場合、１ミルは０．００１インチに等しい。この層又はコーティングは、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、プラズマ溶射−物理蒸着（ＰＳ−ＰＶＤ）、又はサスペンションプラズマ溶射（ＳＰＳ）によって施され得る。
複数の場合もあるＰＶＣ中間層又はコーティングのＣＴＥは、約９×１０−６／℃〜１３×１０−６／℃で、厚さは１ミル〜４０ミルであり得る。この層又はコーティングは、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、プラズマ溶射−物理蒸着（ＰＳ−ＰＶＤ）、又はサスペンションプラズマ溶射（ＳＰＳ）によって施され得る。
複数の場合もあるボンドコーティング層又はコーティングは、厚さが２ミル〜１３ミルのＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ）であり得る。この層又はコーティングは、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、高速空燃溶射（ＨＶＡＦ）、プラズマ溶射−物理蒸着（ＰＳ−ＰＶＤ）又はサスペンション溶射によって施され得る。
本発明の非限定的な実施形態は、低熱伝導率を提供し、ＴＢＣコーティングされた基材上に配置された少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）コーティング層及び前記少なくとも１つのＰＶＣコーティング層の上に堆積された少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層を含むＴＢＣコーティングされた基材上に配置された耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティングを含む。
非限定的な実施形態では、少なくとも１つのＤＶＣ層は最上層である。コーティング層は、ＴＢＣと基材との間に配置された少なくとも１つのボンドコーティング層をさらに含み得る。基材は超合金基材であってよい。
少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、ＲＥ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含み得る。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、希土類シリケートと混合された、ＲＥ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含み得る。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、希土類アルミネートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含み得る。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、希土類アルミネート又はシリケートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含み得る。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、アルカリ酸化物と混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含み得る。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、ジルコン酸ガドリニウムと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含み得る。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、上記の１つ以上の組成物の混合物を含み得る。
少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、全厚の垂直クラックを含み得る。少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）コーティング層は、全厚の垂直クラックを含み得る。
本発明の非限定的な実施形態は、より低い熱伝導率を提供し、ＭＣｒＡｌＹコーティングされた基材上に配置された少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）遮熱コーティング層及び前記少なくとも１つのＰＶＣ遮熱コーティング層の上に堆積された緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング材の最上層を含むＴＢＣコーティングされた基材上に配置された耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティングを含む。
非限定的な実施形態において、コーティングは、ＴＢＣと基材との間に配置された少なくとも１つのボンドコーティング層をさらに含み得る。基材は超合金基材であってよい。
少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、希土類酸化物と混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含み得る。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、希土類シリケートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含み得る。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、希土類アルミネートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含み得る。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、希土類アルミネート又はシリケートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含み得る。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、アルカリ酸化物と混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含み得る。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、ジルコン酸ガドリニウムと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含み得る。少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、上記の１つ以上の組成物の混合物を含み得る。
少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層は、全厚の垂直クラックを含み得る。少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）コーティング層は、全厚の垂直クラックを含み得る。
本発明の非限定的な実施形態は、超合金基材上に配置され、前記基材に結合されたＴＢＣコーティング層、前記ＴＢＣコーティング層に直接堆積されたより低い熱伝導率を提供する多孔質縦割れ（ＰＶＣ）セラミックコーティング層及び前記ＰＶＣコーティング層に直接堆積された緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層を含む、耐侵食性ＣＭＡＳ耐性セラミックコーティングを含む。実施形態において、ＴＢＣコーティング層は、ＭＣｒＡｌＹの層を含み、前記Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏ又はそれらの組合せを表す。
本発明の非限定的な実施形態は、ＴＢＣコーティングされた基材上に耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティングをプラズマ溶射する方法であって、より低い熱伝導率を提供する少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）遮熱コーティング層を前記ＴＢＣコーティングされた基材に堆積させ、前記少なくとも１つのＰＶＣ遮熱コーティング層上に緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング材を堆積させることを含む方法を含む。
実施形態において、ＴＢＣコーティングされた基材は、ＴＢＣ層と基材との間に配置された少なくとも１つのボンドコーティング層を含み得る。プラズマ溶射は、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、プラズマ溶射−物理蒸着（ＰＳ−ＰＶＤ）、又はサスペンションプラズマ溶射（ＳＰＳ）のうちの１つを含み得る。
添付の図面は、本発明のさらなる理解を実現させるために含まれ、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。添付の図面は、本発明の実施形態を示し、説明と合わせて、本発明の原理を説明する役割を果たす。図面において：
図１は本発明による多層コーティングを概略的に示す。
図２は本発明にしたがい適用された多層コーティングの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）断面を示す。
以下の詳細な説明は、限定ではなく例として、本開示の原理を説明する。この説明は、当業者が本開示を作成及び使用することを明らかに可能にするものであり、本開示を実施する最良の形態であると現在考えられるものを含む、本開示のいくつかの実施形態、適応、変形、代替及び使用を説明する。図面は、本開示の具体例としての実施形態の図式的概略的な表現であり、本開示を限定するものではなく、必ずしも縮尺どおりに描かれている訳ではないことを理解されたい。
本開示の特徴である新規の特徴は、その構造及び動作方法の両方に関して、そのさらなる目的及び利点とともに、本開示の実施形態が例として示されている、添付の図面に関連して検討された以下の説明から理解されるはずである。しかしながら、図面は例示及び説明のみを目的としており、それらは本開示の制限の定義として意図されるものではないことが明確に理解されるべきである。
以下の説明では、本開示の様々な実施形態が、添付の図面に関して説明される。必要に応じて、本開示の詳細な実施形態を本明細書で検討する。しかしながら、開示された実施形態は、様々な代替的形態で具現化され得る本開示の実施形態の例示に過ぎないことを理解されたい。図は必ずしも縮尺どおりではなく、いくつかの特徴は特定のコンポーネントの詳細を示すために誇張又は最小化されている場合がある。したがって、本明細書に開示された特定の構造的及び機能的詳細は、限定として解釈されるべきではなく、本開示を様々に使用するように当業者に教示するための単なる代表的な基礎として解釈されるべきである。
本明細書に示される詳細は、例として、また本開示の実施形態の具体的な検討のみを目的としており、本開示の原理及び概念的態様の最も有用で容易に理解される説明であると考えられるものを提供するという理由で提示される。これに関して、本開示の基本的な理解に必要であるよりも詳細に本開示の構造的詳細を示す試みは行われておらず、そのため、本説明を図面と合わせることで、本開示の形態がどのように実際に具体化され得るかが当業者に明らかになる。
本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに他のことを指示しない限り、複数のものに言及する場合を含む。例えば、「粉体材料」と言えば、特に除外されない限り、１つ以上の粉体材料の混合物が存在し得ることも意味する。本明細書で使用される場合、不定冠詞「ａ」は、１つだけでなく複数を示し、必ずしもその参照名詞を単数に限定するものではない。
特に明記しない限り、明細書及び特許請求の範囲で使用される量を表すすべての数字は、「約」という用語によってすべての例で修飾されているものとして理解されるべきである。したがって、反対に指示されない限り、本明細書及び特許請求の範囲で示された数値パラメータは、本開示の実施形態によって得られることが求められる所望の特性に応じて変動し得る近似値である。少なくとも、そして均等論の適用を特許請求の範囲に限定しようとする試みと見なされるべきではないが、各数値パラメータは、有効桁数と通常の丸め規則に照らして解釈されるべきである。
さらに、本明細書内の数値範囲の列挙は、その範囲内のすべての数値及び範囲の開示であると見なされる（他に明示的に示されていない限り）。例えば、範囲が約１〜約５０である場合、それは、例えば、１、７、３４、４６．１、２３．７、又はその範囲内の他の任意の値若しくは範囲を含むと見なされる。
本明細書で使用される場合、「約」及び「およそ」という用語は、問題の量又は値が、指定された特定の値又はその近傍の他の値であり得ることを示す。一般に、ある特定の値を示す「約」及び「およそ」という用語は、その値の±５％以内の範囲を示すものとする。一例として、「約１００」という語句は、１００±５の範囲、すなわち９５〜１０５の範囲を示す。一般に、「約」及び「およそ」という用語が使用される場合、本開示による同様の結果又は効果が、示された値の±５％の範囲内で得られることが予測され得る。
本明細書で使用される場合、用語「及び／又は」は、前記群の要素のすべて又は１つのみが存在し得ることを示す。例えば、「Ａ及び／又はＢ」は「Ａのみ、又はＢのみ、又はＡとＢの両方」を意味するものとする。「Ａのみ」の場合、この用語はＢが存在しない可能性、すなわち「Ａのみであって、Ｂはない」という可能性も包含する。
「少なくとも部分的に」という用語は、以下の特性がある程度又は完全に満たされることを示すものとする。
「実質的に」及び「本質的に」という用語は、以下の特徴、特性又はパラメータが、完全に（まったく）、又は意図した結果に悪影響を及ぼさない程度まで実現又は満たされていることを示すために使用される。
本明細書で使用される「含む」という用語は、非排他的かつ制限のないものであることを意図している。したがって、例えば、化合物Ａを含む組成物は、Ａ以外の他の化合物を含むこともある。しかしながら、「含む」という用語はまた、「〜から本質的になる」及び「〜からなる」というより限定的な意味も包含するため、例えば「化合物Ａを含む組成物」はまた、（本質的に）化合物Ａからなるものであり得る。
本明細書に開示された様々な実施形態は、特に反対の記載がない限り、別々に及び様々な組合せで使用することができる。
本発明について、多層コーティングを概略的に示す図１を参照して説明する。図１で明らかなように、多層コーティングは、歪み許容性のあるＤＶＣコーティング最上層である最上コーティング層を利用する。この層は、層の熱伝導率を下げるために使用される下層のＰＶＣコーティングシステム上に配置される。ＤＶＣ／ＰＶＣ層は、ＣＭＡＳ耐性化学組成物と混合された強靭な希土類元素（Ｒｅ）で安定化されたＺｒＯ２又はＨｆＯ２で構成され得る。１つ以上のＤＶＣ層は耐侵食性を提供し、１つ以上のＰＶＣ層は、ＴＢＣの１つ以上の高ＣＴＥ上部層と１つ以上の低ＣＴＥ下部層との間におけるＣＴＥ緩和を提供する。複数の場合もあるＤＶＣ層及びＰＶＣ層は、ボンドコーティングＢ及び基材Ｓの上に配置される。
複数の場合もあるＤＶＣ層は、ＴＢＣ／ＣＭＣシステムの耐侵食性ＣＭＡＳ耐性を改善するために、ＣＭＡＳ耐性化学物質と混合された強靭なＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２で構成され得る。さらに、複数の場合もあるＰＶＣ歪み許容性遷移層は、複数の場合もある高ＣＴＥ上部層（ＤＶＣ層）と複数の場合もある低ＣＴＥ下部層ＴＢＣとの間におけるＣＴＥ緩和を提供する。次に、ＰＶＣの微細構造により、ＴＢＣシステムの熱伝導率がさらに低下する。
ＤＶＣが耐侵食性及びＣＭＡＳ耐性であり、ＰＶＣが熱障壁及びＣＴＥ（熱膨張係数）緩和層である、複数の場合もあるＤＶＣ最上層及び／又は複数の場合もあるＰＶＣ層の非限定的な実施形態は、以下のもの（希土類酸化物の例には、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユーロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、酸化エルビウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウム、酸化スカンジウム、酸化ツリウムが含まれる）：
ＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２
希土類酸化物とのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
希土類シリケートとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
希土類アルミネートとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
希土類アルミネートシリケートとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
アルカリ酸化物とのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
ジルコン酸ガドリニウムとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
上記の任意の組合せを含む。
ＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２
希土類酸化物とのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
希土類シリケートとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
希土類アルミネートとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
希土類アルミネートシリケートとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
アルカリ酸化物とのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
ジルコン酸ガドリニウムとのＲＥ安定化ＺｒＯ２若しくはＨｆＯ２混合物、又は
上記の任意の組合せを含む。
複数の場合もあるＤＶＣ最上層又はコーティングのＣＴＥは、約９×１０−６／℃〜１３×１０−６／℃で、厚さは２ミル〜４０ミルであり得る。この層又はコーティングは、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、プラズマ溶射−物理蒸着（ＰＳ−ＰＶＤ）、又はサスペンションプラズマ溶射（ＳＰＳ）によって施され得る。
複数の場合もあるＰＶＣ中間層又はコーティングのＣＴＥは、約９×１０−６／℃〜１３×１０−６／℃で、厚さは１ミル〜４０ミルであり得る。この層又はコーティングは、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、プラズマ溶射−物理蒸着（ＰＳ−ＰＶＤ）、又はサスペンションプラズマ溶射（ＳＰＳ）によって施され得る。
複数の場合もあるボンドコーティング層又はコーティングＢは、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｎｉ、ＣＯ）であり得、２ミル〜１３ミルの厚さを有し得る。この層又はコーティングは、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、高速空燃溶射（ＨＶＡＦ）、プラズマ溶射−物理蒸着（ＰＳ−ＰＶＤ）又はサスペンション溶射によって施され得る。
実施形態において、（複数の場合もある）ＤＶＣ層の多孔率は、０％〜５％であり得、そしてクラックは、（複数の場合もある）層の厚さを部分的に、すなわち、厚さの５０％未満、又は厚さの約５０％のいずれかを通って延在し得、また（複数の場合もある）層の厚さ全体を通って延在することもある。実施形態において、クラックは、実質的に垂直なクラックであり得、１インチ又は線形インチあたり２０〜２００クラックの範囲であり得る。非限定的な実施形態において、複数の場合もあるＤＶＣ層はまた、当技術分野で既知であり、本明細書に組み込まれた文書の１つ以上に記載されているタイプのものであり得る。
実施形態において、（複数の場合もある）ＰＶＣ層の多孔率は、５％〜２５％であり得、そしてクラックは、（複数の場合もある）層の厚さを部分的に、すなわち、厚さの５０％未満、又は厚さの約５０％のいずれかを通って延在し得、また（複数の場合もある）層の厚さ全体を通って延在することもある。実施形態において、クラックは、実質的に垂直なクラックであり得、１インチ又は線形インチあたり２０〜２００クラックの範囲であり得る。非限定的な実施形態において、複数の場合もあるＰＶＣ層はまた、当技術分野で既知であり、そして本明細書中に組み込まれた文書のうちの１つ以上に記載されているタイプのものであり得る。
非限定的な例
次の表には、図１及び図２に示されているコーティングシステムの説明と、Ｓｉｎｐｌｅｘプラズマトーチでそれを形成するために使用されるパラメータが含まれている。
次の表には、図１及び図２に示されているコーティングシステムの説明と、Ｓｉｎｐｌｅｘプラズマトーチでそれを形成するために使用されるパラメータが含まれている。
以下の表は、本発明による別のコーティングシステムの説明、並びにＳｉｎｐｌｅｘプラズマトーチでそれを形成するために使用されるパラメータを含む。
さらに、少なくとも本発明は、特定の具体的な実施形態の開示により、例えば、簡略化又は効率化などを目的として、本発明を作成及び使用できるように本明細書で開示されるため、本発明は、本明細書に具体的に開示されていない任意の追加の要素又は追加の構造が存在しなくても実施することができる。
前述の例は単に説明の目的で提供されたものであり、決して本発明を限定するものとして解釈されるべきではないものとする。本発明を具体例としての実施形態を参照して説明してきたが、本明細書で使用されている言葉は、限定の言葉ではなく、説明及び例示の言葉であることが理解される。添付の特許請求の範囲内で、現在述べられ、補正されたように、その態様における本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、変更を加えることができる。本発明について、特定の手段、材料及び実施形態を参照して本明細書で説明してきたが、本発明は、本明細書で開示された詳細に限定されることを意図するものではない。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲内にあるような、機能的に同等なすべての構造、方法及び使用に及ぶ。
Claims (31)
- ＭＣｒＡｌＹ（ＭはＮｉ、Ｃｏ又はそれらの組合せを表す）の層を含む遮熱コーティング（ＴＢＣ）上に配置された低熱伝導率を提供する少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）コーティング層；及び
前記少なくとも１つのＰＶＣコーティング層上に堆積された少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層
を含む耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング。 - 前記少なくとも１つのＤＶＣ層が最上層である、請求項１に記載のコーティング。
- 前記ＴＢＣと基材との間に配置された少なくとも１つのボンドコーティング層をさらに含む、請求項１に記載のコーティング。
- 前記基材が超合金基材である、請求項１に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、希土類酸化物と混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む、請求項１に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、希土類シリケートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む、請求項１に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、希土類アルミネートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む、請求項１に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、希土類アルミネート若しくはシリケートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む、請求項１に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、アルカリ酸化物と混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む、請求項１に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、ジルコン酸ガドリニウムと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む、請求項１に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、
希土類酸化物と混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２、
希土類シリケートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２、
希土類アルミネートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２、
希土類アルミネート若しくはシリケートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２、
アルカリ酸化物と混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２、及び
ジルコン酸ガドリニウムと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２
のうちの２つ以上の混合物の混合物を含む、請求項１に記載のコーティング。 - 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、全厚の垂直クラックを含む、請求項１に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）コーティング層が、全厚の垂直クラックを含む、請求項１に記載のコーティング。
- ＴＢＣコーティングされた基材上に配置されたより低い熱伝導率を提供する少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）遮熱コーティング層、及び
前記少なくとも１つのＰＶＣ遮熱コーティング層の上に堆積された緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング材の最上層
を含む、前記ＴＢＣコーティングされた基材上に配置された耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング。 - 前記ＴＢＣと前記基材との間に配置された少なくとも１つのボンドコーティング層をさらに含む、請求項１４に記載のコーティング。
- 前記ＴＢＣが、ＭＣｒＡｌＹの少なくとも１つの層を含み、Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏ又はそれらの組合せを表す、請求項１４に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、希土類酸化物と混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む、請求項１４に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、希土類シリケートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む、請求項１４に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、希土類アルミネートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む、請求項１４に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、希土類アルミネート若しくはシリケートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む、請求項１４に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、アルカリ酸化物と混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む、請求項１４に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、ジルコン酸ガドリニウムと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２を含む、請求項１４に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層が、
希土類酸化物と混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２、
希土類シリケートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２、
希土類アルミネートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２、
希土類アルミネート若しくはシリケートと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２、
アルカリ酸化物と混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２、及び
ジルコン酸ガドリニウムと混合されたＲｅ安定化ＺｒＯ２又はＨｆＯ２
のうちの２つ以上の混合物を含む、請求項１４に記載のコーティング。 - 前記緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層の最上層が、全厚の垂直クラックを含む、請求項１４に記載のコーティング。
- 前記少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）コーティング層が、全厚の垂直クラックを含む、請求項１４に記載のコーティング。
- 超合金基材上に配置され、前記基材に結合されたＭＣｒＡｌＹのＴＢＣコーティング層（ただし、Ｍは、Ｎｉ、Ｃｏ又はそれらの組合せを表す）、
前記ＴＢＣコーティング層に直接堆積されたＣＴＥ緩和を提供する多孔質縦割れ（ＰＶＣ）セラミックコーティング層、及び
前記ＰＶＣコーティング層に直接堆積された緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層
を含む、耐侵食性ＣＭＡＳ耐性セラミックコーティング。 - ＴＢＣコーティングされた基材上に耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティングをプラズマ溶射する方法であって、
より低い熱伝導率を提供する少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）遮熱コーティング層を前記ＴＢＣコーティングされた基材に堆積させること、及び
前記少なくとも１つのＰＶＣ遮熱コーティング層上に緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング材を堆積させること
を含む方法。 - 前記ＴＢＣコーティングされた基材が、ＴＢＣ層と前記基材との間に配置された少なくとも１つのボンドコーティング層を含む、請求項２６に記載の方法。
- 前記プラズマ溶射が、
大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、
プラズマ溶射−物理蒸着（ＰＳ−ＰＶＤ）又は
サスペンションプラズマ溶射（ＳＰＳ）
のうちの１つを含む、請求項２７に記載の方法。 - ＮｉＣｒＡｌＹの層を含む遮熱コーティング（ＴＢＣ）上に配置された低熱伝導率を提供する少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）コーティング層；及び
前記少なくとも１つのＰＶＣコーティング層上に堆積された少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層
を含む耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング。 - ＣｏＣｒＡｌＹの層を含む遮熱コーティング（ＴＢＣ）上に配置された低熱伝導率を提供する少なくとも１つの多孔質縦割れ（ＰＶＣ）コーティング層；及び
前記少なくとも１つのＰＶＣコーティング層上に堆積された少なくとも１つの緻密縦割れ（ＤＶＣ）耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング層
を含む耐侵食性ＣＭＡＳ耐性コーティング。
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