JP4004577B2 - 区画された摩耗しやすいシーリングシステム、区画された摩耗しやすいセラミックコーティング方法、ガスタービンエンジン構成要素流路ダクトセグメントコーティング、および区画された摩耗しやすいセラミックコーティング - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンに使用するためのダクト部分に係り、特にかかるダクト部分用の摩耗し易いセラミックコーティングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現代のガスタービンエンジン、特に航空機で用いられるガスタービンエンジンは、性能と効率が向上しているため、高回転速度にして高温のもとで動作する。現代のガスタービンエンジンのタービンは、代表的に、軸流設計であり、かつ複数の軸流ステージ（段階）を含んでいる。各軸流ステージは、シャフトに固定されたディスクの周辺に径方向に取り付けられた複数のブレード（翼）によって構成されている。複数のダクト部分は、ブレードの先端部まわりのガス流の漏れを制限するために、ステージを囲んでいる。これらのダクト部分は固定ハウジング又はケーシングの内表面に配置されている。より多くのワークブレード先端のまわりの漏れに対抗するステージを通してのガス流から抽出されるので、ダクト部分の合体によって熱効率が改良される。
【０００３】
ダクト部分は羽根先すきまのまわりのガス流の漏れを制限できるけれども、それらは完全には低減されない。羽根先すきまのまわりのガス流の量が小さくても、タービン効率に不利な影響があることが知られている。それ故に、ガスタービン技術者達は装置に効果的なシール構造を長くとることを行っている。これらの構造は、耐摩耗とするコーティングに関連したコーティングダクト部分を含んでいる。動作において、先端は、ダクト部分にコーティングを施すことによって、シーリングを与える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
あいにく、現在のダクト部分は、代表的には、セラミックであり、浸食又は割れによる過渡の物質損失をこうむる。一般に、浸食は、摩減や浸食作用のような要素によるコーティング物質の摩耗である。浸食は往々にしてエンジン動作中の微粒子の衝突に帰因する。割れは、代表的には、熱応力と攻撃的な熱環境に帰因するセラミックーメタル界面で割れる剥離によって生じる。割れは、基本的に、コーティング物質の多くの小さな凝縮からなる断片的なコーティングロスである。セラミックコーティングロスは、羽根先すきまのクレアランスを増加させ、かつ、ブレード（羽根）そのものに対して有害であるように、タービン効率にとって不利である。例えば、ブレードは、エンジンが損失した推力を補うために作用しなければならない上昇した温度による損害を受ける。
【０００５】
従って、耐腐食や耐浸食と同様に摩耗しやすいコーティングが必要である。このコーティングは、優れた摩耗性や耐浸食性を有するシーリングシステムにとって必要である。
【０００６】
本発明は、耐浸食および耐腐食と同様な摩耗しやすいコーティングを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、向上した摩耗性を有する区画された摩耗しやすいセラミックコーティングを含むことである。システムは、金属基体、基体上のＭＣｒＡｌＹボンドコート、およびＭＣｒＡｌＹボンドコート上の区画された摩耗し易いセラミック（ＳＡＣ）コーティングを、含んでいる。ＭＣｒＡｌＹボンドコートの性質は、充分な耐酸化と耐浸食を呈することである。
【０００８】
ＳＡＣコーティングの特徴はセラミック層によって構成されていることであり、セラミック層は、セリアで安定化された酸化ジルコニウム、酸化マグネシウムで安定化された酸化ジルコニウム、酸化カルシウムで安定化された酸化ジルコニウム、酸化イットリウムで安定化された酸化ジルコニウム、およびこれらの混合物からなるグループから選択された物質のベースファンデーション層を含んでいる。摩耗しやすい頂上層は、酸化ジルコニウムによって構成されており、おだやかに変化する中間層はベースコートファンデーション層と摩耗しやすい頂上層の混合組成である。傾斜がゆるやかな内部層はベースコートファンデーション層と摩耗しやすい頂上層間に配置されている。区画された摩耗しやすいセラミックコーティングは、もちろん、複数の垂直なマイクロクラックを含んでおり、かつ３つのセラミック層は摩耗しやすやを向上させるために球面かつ空洞（デポジション前の状態で）である粉体微粒子によって構成されている。
【０００９】
本発明の他の特徴は、従来技術で知られている区画されたシーリングシステムに関連して向上した摩耗性を有する区画された摩耗しやすいシーリングシステムを含んでいることである。シーリングシステムは、金属基体、基体上のＭＣｒＡｌＹボンドコート、およびＭＣｒＡｌＹボンドコート上の区画された摩耗しやすいセラミックコーティングを含むダクト部分、によって構成されている。システムは、もちろん、協動し相互に作用するタービン要素を含んでおり、このタービン要素は、研磨性のコーティングを有し、シーリングを得るために、区画された摩耗しやすいセラミックコーティングと相互作用する。
【００１０】
本発明のさらに他の特徴は区画された摩耗しやすいセラミックコーティングを作る方法を含んでいることである。デポジションパラメータを正確に制御するとともに特定の粉体組成と粉体構造を使用することによって、垂直なマイクロクラック内のコーティングの区画が優れた耐腐食性と耐浸食性と同様に達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、ディスクに取り付けられた複数のブレード２はガスタービンエンジンのタービン部における回転軸４のまわりを回転する。回転軸４の中心にある固定ハウジングはブレード２を囲んでいる。ハウジングとブレード２の先端１１間にはギャップ８が存在する。
【００１２】
ガスタービンの運転中に、高温ガスが回転しているタービンのブレード２間を流れる。タービンは高温ガスのエネルギーを、コンプレッサを駆動するためにシャフトの馬力に変換しなければならない。従って、ギャップ８を通してのガス漏れは、先端のクレアランスにおける小さな変化がガスタービンエンジンの性能に大きく悪影響を及ぼすので、小さくされなければならない。
【００１３】
従って、流路ダクトセグメント１０はブレード先端１１とハウジングの間に設けられている。図２に示すように、流路ダクト部分１０は基体又はシールシュー１２を含み、シールシュー１２はニッケル又はコバルトベース超合金からなり、代表的にはキャスティングとマシニングによって製作される。基体１２はハウジングの内壁に配置されている。
【００１４】
摩耗しやすいセラミックコーティングシステムは基体１２に適用される。コーティングシステムをテポジットする前に、基体１２は汚れを除くためにきれいにされなければならない。クリーニングは一般公知であり酸化アルミニウム砂ブラスティングを含んでいる。
【００１５】
ＭＣｒＡｌＹ物質のボンドコート１４は基体１２に適用される。ＭＣｒＡｌＹは公知のコーティングシステムについて言及するもので、Ｍはニッケル、コバルト、鉄又はこれらの混合物を示し、Ｃｒはクロムを示し、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｙはイットリウムを示す。ＭＣｒＡｌＹ物質は、上塗りコーティングとして知られており、所定の成分において下に置かれ、かつデポジション工程の間に基体とあまり相互作用をするものではない。ＭＣｒＡｌＹ物質の例としては、米国特許第３，５４２，５３０号で行われているようなＦｅＣｒＡｌＹについて開示している米国特許第３，５２８，８６１号を参照のこと。さらに、米国特許第３，６４９，２２５号は合成物コーティングについて開示しており、この合成物コーティングではクロムの層が、ＭＣｒＡｌＹのデポジションに先立って、基体に適用される。米国特許第３，６７６，０８５号はＣｏＣｎＡｌＹ上塗りコーティングについて開示しており、一方、米国特許第３，７５４，９０３号は、特に高い属性を有する上塗りコーティング、について開示している。米国特許第４，０７８，９２２号はコバルトベース構造の合金について開示しており、この合金はハフニウムとイットリウムの結合の存在によって改良された耐酸化を提する。好ましいＭＣｒＡｌＹボンドコート成分については米国特許Ｒｅ３２，１２１号において開示されており、この特許は本出願人が所有するもので、ここに参考例としてあげられている。ＭＣｒＡｌＹボンドコート成分は、重量パーセントの範囲として、５〜４０Ｃｒ、８〜３５Ａｌ、０．１〜２．０Ｙ、０．１〜７Ｓｉ、０．１〜２．０Ｈｆであり、Ｎｉ，Ｃｏおよびこれらの混合物からなるグループから選択される。また、本出願人の米国特許第４，５８５，４８１号も参照のこと。
【００１６】
ＭＣｒＡｌＹボンドコート１４は、所望の成分の濃密な均一の粘着膜を生成できるいかなる方法によっても適用できるものである。例えば、スパッタリング、電子ビーム蒸気デポジション、高速プラズマスプレイ技術のような技術は公知である。後者の技術においては、スプレイトーチは、真空室において、ほぼ６０ｔｏｒｒ（６０ｍｍＨｇ）で又は空気のような他の適正な大気圧において動作可能である。真空室を用いる場合、基体はほぼ１５００°Ｆ（８１６℃）とほぼ１９００°Ｆ（１０３８℃）の間の温度に加熱される。大気圧を用いる場合、基体温度は約６００°Ｆ（３１６℃）以下に保持される。しかしながら、好ましくは、ボンドコートは高速オキシ燃量（ＨＶＯＦ）スプレイとして知られている工程によって適用される。このデポジション工程はスプレイトーチを使用するもので、液体燃料又はガスが酸素と共に爆発し、高速ガス流を発生するとともに、粉体コーティング物質がガス流に注入され、加熱されるとともにその部分に進行される。この処理はコスト的に効果がある。
【００１７】
ボンドコート１４の微粒子の大きさは約１５ミクロン（０．０１５ｍｍ）と約６０ミクロン（０．０６０ｍｍ）の間であり、好ましくは約２５ミクロン（０．０２５ｍｍ）の平均粒子大きさである。ボンドコートは約５ミル（０．１２７ｍｍ）と約１０ミル（０．２５４ｍｍ）の間の厚みである。好ましくは、厚さは約６ミル（０．１２５ｍｍ）と約７ミル（０．１７８ｍｍ）の間である。
【００１８】
次に、区画された摩耗しやすいセラミック（ＳＡＣ）コーティング１６はボンドコート１４に適用される。ＳＡＣコーティング１６は３つのセラミック層から構成され、これらのセラミック層はそれぞれ約２０ミル（０．５０８ｍｍ）と約７５ミル（１．９０５ｍｍ）の間の厚さであって、好ましくは約５０ミル（１．２７０ｍｍ）の厚さである。ＳＡＣコーティング１６は、代表的には、一つの連続するスプレイ処理において生産される。しかしながら３つの別々のスプレイを用いることが可能である。
【００１９】
上述した層のデポジションのための適正な機構において、複数のボンドコートされた基体１２は、ボンドコート面が円筒状の固定物の内径に面するように、空洞円筒内に装荷される。プラズマスプレイガンは層をデポジットするための円筒状の固定物の内部に配置されている。
【００２０】
第１に、ベースコートファンデーション層１８は約５ミル（０．１２７ｍｍ）と約１５ミル（０．３８１ｍｍ）の厚さのボンドコート１４に適用される。層１８は、好ましくは、イットリア部分安定化セラミック層（イットリア部分安定化ジルコニアはここでは１２重量パーセント又はそれ以下のイットリア安定化ジルコニアについて言及する）である。しかしながら、約６重量パーセントと約２０重量パーセントの間のイットリア・ジルコニアの組成であり、好ましい範囲は約７重量パーセントと約１２重量パーセントの間のイットリア・ジルコニアである。同様にして、セリア安定化ジルコニア，マグネシア安定化ジルコニア，カルシア安定化ジルコニアおよびこれらの混合物のようなジルコニア基礎組成をイットリア安定化ジルコニアに置き換えることが出来る。約７重量パーセントイットリア安定化ジルコニアと他のイットリア安定化ジルコニアパウダーの結合を有する混合層を用いることが出来る。
【００２１】
層１８に使用されるパウダー（層２０と層２２用としても使用されるパウダーと同様に）の微粒子サイズは約５ミクロン（０．００５ｍｍ）から約１７５ミクロン（０．１７５ｍｍ）、好ましくは平均径において５０ミクロン（０．０５０ｍｍ）の微粒子サイズの範囲とすることが出来る。
【００２２】
層２０および２２と同様に層１８用の微粒子は、かどばった固体である溶融と粉砕パウダーとは逆に、球状にして空洞のパウダーにするためのスプレイ乾燥焼結処理によって生成される。一般に、スプレイ乾燥焼結処理の初めの段階は原料ジルコニアとイットリアを所望の重量パーセントに混合することを含む。この混合はスリップを生成するために水（および通常のバインダー）と結合される。スリップはスプレイドライヤーに供給される。スプレイドライヤーは、加熱された部屋に物質をスプレイすることによって、スリップを乾燥させ、球面状でかつ空洞のパウダーを生成する。それから、物質は炉内で約４時間と約８時間の間に焼結温度で加熱される。この焼結温度は通常はジルコニウムオキサイドの理論的な溶融点の約６０％から７０％である。
【００２３】
さらに、乾燥されたスプレイと濃縮されたプラズマ処理は、上述した処理よりも高価であるけれども、使用される。一般に、この処理の初期の段階は原料ジルコニアとイットリアを所望の重量パーセント比に混合することを含む。この混合は、スリップを生成するために、もちろん水（および通常のバインダー）と組み合される。スリップは、物質を加熱された部屋にスプレイすることによって部分的に該スリップを乾燥するスプレイドライヤーに供給され、球面状かつ空洞のパウダーが生成される。しかしながら、次のスプレイ乾燥段階において、パウダーはプラズマスプレイガンを介して供給される。ここでイットリアとジルコニアは、同質の組成を生成するために、溶融される。
【００２４】
デポジションに先立ってパウダーの球面状で空洞の構造は、特に、優れた摩耗性に関して本発明を成巧させるための重要な要素である。例えば、パウダーに固体微粒子が存在すれば、パウダーを融かすためにもっと加熱する必要がある。このことは、非常に摩耗しやすいものでない濃密なコーティング、によるものである。もちろん、かどばった固体微粒子は球面状で空洞の微粒子よりも少ない。このことは、コスト面で製造するために極めて重要である。
【００２５】
層１８、ベースコートファンデーション層は、丈夫なセラミック構造を提し、垂直方向のマイクロクラック内に堆積された物質の区画を始めるとともに、腐食保護を提し、かつ熱バリアを提するので、区画された摩耗しやすいコーティングシステムを得るために有利である。さらに、層１８はＭＣｒＡｌＹをボンドコート１４に結合させる。層１８は、代表的には、空気中でプラズマスプレイされる。基体１２を加熱し、垂直方向のマイクロクラック内の物質の区画を助けるために約６００°Ｆ（３１６℃）以下に温度をモニターすることは、望ましいことである。この加熱は、物質のデポジション中に基体１２の後側を加熱することによって達成される。
【００２６】
上述した加熱パラメータは、他の層と同様に、層１８に適用する。しかしながら、好ましくは、基体１２はスプレイ中を除いては加熱されない。
【００２７】
本発明の処理パラメータは、垂直方向の区画（ボンドコートの面にほぼ垂直な）を生成するように制御され、ガンタイプや固定物のような変化を特定する。一般に、比較的ハイパワーなデポジションと組み合わされた部品に近いスプレイ間隔のガンは、１インチに対して約４つから約８つの間のマイクロクラックによる所望の直角な区画となる、ことが分かっている。上述したパラメータは、サルザーメト会社の３ＭＢ空気プラズマスプレイガンと３０インチ（０．７６ｍ）直径の円筒状固定物を使用するのに適合されている。通常の技術を有するものであれば、パラメータが異なったスプレイガンおよび／若しくは固定物を使用することによって変わることを、理解できるものである。従って、ここで述べているパラメータは、異なる動作条件に対する他の適正なパラメータを選択するためのガイドラインとして、使用される。
【００２８】
詳しくは、層１８のスプレイデポジション中は、円筒状の固定物が、約５ｒｐｍと約２５ｒｐｍの間の速度、好ましくは約１２ｒｐｍで回転する。プラズマスプレイガンは空洞円筒状の固定物の内部に配置されている。個々の部品コーティング中のガンの角度は、約８０度と約１００度の間、好ましくは約９０度である。ガンと部品の間隔は、約公称の２インチ（０．０５ｍ）（スターティング間隔）から約公称の５インチ（０．１３ｍ）（エンド間隔）までの増加として、好ましくは、約２．７５インチ（０．０７ｍ）（スターティング間隔）と約３．２５インチ（０．０８３ｍ）（エンド間隔）の間の増加として、層１８の生成中に変わる。この近いガン間隔は十分に直角な区画に必要である。デポジション中の各部分を介してのガンの横方向速度は約１インチ／分（ｉｎ／ｍｉｎ）と約５インチ／分（０．１３ｍ／ｍｉｎ）の間、好ましくは約４．４ｉｎ／ｍｉｎ（０．１１ｍ／ｍｉｎ）である。
【００２９】
パウダー供給率は、約１５グラム／分と約５０グラム／分の間で、好ましくは約３５グラム／分である。キャリアガス流例えば窒素が圧力下でパウダーを維持するために使用され、パウダー供給が容易になる。流量率は、約５ｓｃｆｈ（標準立方体フィート／時間）（０．１４ｓｃｍｈ（標準立方体メートル／時間））と約２０ｓｃｆｈ（０．５７ｓｃｍｈ）の間で、好ましくは約１１ｓｃｆｈ（０．３１ｓｃｍｈ）である。ここで、標準条件は、約室温（２５℃）と１大気圧（１０１ＫＰａ）として規定される。ガンにおける、窒素ガスのような、１次ガス流は、約８０ｓｃｆｈ（２．２７ｓｃｍｈ）と約１２０ｓｃｆｈ（３．４０ｓｃｍｈ）の間であり、好ましくは約９９ｓｃｆｈ（２．８０ｓｃｍｈ）である。ガンにおける、水素ガスのような、２次ガス流は、約５ｓｃｆｈ（０．１４ｓｃｍｈ）と約３０ｓｃｆｈ（０．８５ｓｃｍｈ）の間であり、好ましくは約１８ｓｃｆｈ（０．５１ｓｃｍｈ）である。ガン電圧は約６０ボルトと約８０ボルトの間であり、好ましくは約７５ボルトである。同様に、ガン電流は約７７０アンペアと約９００アンペアの間であり、好ましくは約７３６アンペアである。サルザメトコ３ＭＢプラズマスプレイガンを使用するデポジション処理に対して適正となるためのパラメータを見い出したが、当業者なら、パラメータが変化に依存し、パウダーのタイプ、パウダーサイズ、特にガンのタイプに限定されないことを理解できるものである。
【００３０】
次に、なめらかに変化する中間層２０が、約３ミル（０．０７６ｍｍ）と約１０ミル（０．２５４ｍｍ）の厚さまでベースコートファンデーション層１８に適用される。この層は、もちろん、空気中でプラズマスプレイされる。なめらかに変化する中間層２０の組成は、層１８（ベースコートファンデーション層）と層２２の混合であって、層２２は、層２０に適用される摩耗しやすい頂上膜である。ゆるやかに変化する中間層２０の組成の説明を容易にするために、層２２を説明すると、層２２は摩耗しやすい頂上層である。層２２の性質は、ブレード先端が層２２をカットし得る程度に充分に軟らかいものであり、かつシーリングを提供する。層２２の組成は、代表的には、７重量パーセントイットリア安定化ジルコニアと２０重量パーセントイットリア安定化ジルコニアの混合である。混合比は所望のデポジットによるものである。例えば、増加した耐浸食性が必要であれば、７重量パーセントイットリア安定化ジルコニアをもっと加えるべきである。しかしながら、他の実施例においては、２０重量パーセントイットリア安定化ジルコニアのような、イットリアで充分に安定化されたジルコニアの１００％を層２２のために使用される。
【００３１】
ゆるやかに変化する中間層２０は層１８／層２２の重量パーセント比のスターティング混合比から層１８／層２２の重量パーセント比のファイナル混合比まで変化する。例えば、９０／１０（層２２に対する層１８の重量パーセント比）のスターティング混合比から１０／９０（層２２に対する層１８の重量パーセント）のファイナル混合比まで使用されている。層２０を生成するためのデポジションパラメータは、層１８を生成するためのものと同じである。この場合、ガンとの間隔が約３．２５インチ（０．０８３ｍ）に保たれることは別である。層１８を生成するための上述した範囲内に、ガンとの間隔を変えることが可能であるが、間隔を一定に保つことが適当であるということが分かった。このなめらかに変化する中間層の利点は層１８と層２２間のリンクが得られることである。
【００３２】
なめらかに変化する層２０が、層１８と層２２の各層の適用のような他の手段によって生成できることも注意すべきである。
【００３３】
なめらかに変化する層２０の適用の後、上述の摩耗しやすい層２２は、約１５ミル（０．３８１ｍｍ）と約５５ミル（１．３９７ｍｍ）の間の厚さまで、なめらかに変化する中間層２０上にスプレイされる。好ましくは、層２２の厚さは約３５ミル（０．８８９ｍｍ）である。層２２を生成するためのデポジションパラメータは、層２０の生成のためのものと同じである。
【００３４】
多孔度は、ポリエステル又はルーサイト（登録商標）パウダーのような物質の小量を加えることによって、層２２内に意図的に生成される。層２２における１から約７重量パーセントポリエステルパウダー（６０ミクロン（０．０６ｍｍ）平均微粒子サイズ）を含むことによって、２０〜３０容積パーセントのオーダーで多孔度を生成できる。約２５容積パーセントよりも大きいレベルの高多孔度レベルは、コーティングの電位浸食があるので、不充分である。しかしながら、濃密構造が耐浸食のために望まれるので、完全に低減されなければ、これらの物質の添加は最小にしなければならない。層２２の濃度を理論的に約９０〜９５パーセントの間にすることが望ましい。
【００３５】
本発明の別の実施例において、層２２は、２０重量パーセントイットリア安定化ジルコニアの交互層と、好ましくは約３５ミル（０．８８９ｍｍ）の厚さの、７重量パーセントイットリア安定化ジルコニアと２０重量パーセントイットリア安定化ジルコニア（例えば５０−５０混合）の混合された層、によって構成されている。層の厚さは、各々、約０．５ミル（０．０１３ｍｍ）と約５ミル（０．１２７ｍｍ）の間である。各層はほぼ同じ厚さであるべきである。
【００３６】
他の実施例において、酸化セリウム，マグネシア，酸化カルシウム又はそれらの混合物に制限されない他の物質がＳＡＣシステム用イットリアの代わりに使用される。しかしながら、イットリア安定化ジルコニア物質は１９５０°Ｆ（１０６６℃）を越えるＳＡＣ適用に対して推奨できるものである。
【００３７】
本発明の他の実施例においては、アルミナ（９９．０％純度）が使用される。例えば、アルミナの薄膜（約５ミル（０．１２７ｍｍ）が層１８の適用に先立って結合剤被覆１４上にスプレイされる。さらに、アルミナと約１２重量パーセント以下のイットリア安定化ジルコニアの混合組成がベースコートファンデーション層１８（１０重量パーセント以下のアルミナ混合）用に使用される。アルミナ層は、もちろん、層２０の使用に先立って層１８の完成に適用される。
【００３８】
さらに本発明の他の実施例においては、ＳＡＣコーティングは本質的に層２２からなる。このコーティングは軍事用として望ましいものである。軍事用ガスタービンエンジン成分，薄いＳＡＣコーティングは受け入れ可能である。
【００３９】
ＳＡＣコーティングの適用後に、流路ダクトセグメント１０は応力を緩わらげるために加熱処理される。詳しくは、ダクトセグメント１０は、１９７５°Ｆ（１０７９℃）＋／−２５°Ｆ（１４℃）で約４時間加熱処理され、約２２分またはそれ以下において約１００°Ｆ（５３８℃）まで冷却される。それから、約７分間またはそれ以下において約１０００°Ｆ（５３８℃）まで冷却され、再び３００°Ｆ（１４９℃）以下に冷却される。この熱処理によって、ダクトセグメント１０の有用な寿命が保持又は増加される。例えば、コーティングの割れが低減される。この加熱処理は、本発明のプラクティスには必要でないけれども、層１４のデポジション後、ファンデーション層１８のデポジションの前に使用される。
【００４０】
上述のコーティングシステムは、自由端に研削剤物質が塗られたブレード先端と相互作用するのに適しているが、研削剤物質としては立方晶窒化ホウ素に限定されるものではない。この相互作用により、効果的なシーリングシステムが得られる。
【００４１】
本発明について限定されない実施例によって説明する。
【００４２】
実施例
予めＮｉＣｏＣｒＡｌＹ耐酸化ボンドコートが塗布されたニッケルを主成分とする高圧タービンダクトセグメントが空洞円筒状の固定物内に装荷され、固定物は３０インチ（０．７６ｍ）の直径を有し、ダクトセグメントの表面に塗布されたボンドコートが固定物の中心に面していた。前述したＨＶＯＦ処理がダクトセグメントにＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコートを適用するために用いられる。
【００４３】
サルザメトコ（Ｓｕｌｚｅａ Ｍｅｔｃｏ）社３ＭＢ空気プラズマスプレイガンを約１２ｒｐｍで回転する固定物の内部に配置した。順番に塗布されるべき各ダクトセグメントの内表面に約９０度の角度で配置した。以下に揚げる表１のパラメータを使用してダクトセグメントに３つの別個の層が生成された。処理を一時的に停止させることによる全部にわたるコーティングにおける弱いリンクを避けるために、各層は連続するスプレイ処理でデポジットされた。この連続する工程はミラーサーマルモデル（Ｍｉｌｌｅｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍｏｄｅｌ）１２５０パウダーフィーダを用いて可能であり、各々特定の組成を含有していた。パウダーは、デポジションの前は、球面空洞構造を有していた。フィーダは、各層に所望の混合でデポジットするためにコンピュータ制御が可能であった。
【００４４】
【表１】

【００４５】
詳しくは、層１、ベースファンデーション層、として、約６重量パーセントから約８重量パーセントの間の酸化イットリウム、残りが酸化ジルコニウム（サルザーメトコ社、２４０ＮＳパウダー）が、０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）から０．０１５（０．３８１ｍｍ）インチの厚さでデポジットされた。次に、層２として、９０重量パーセント層１／１０重量パーセント層３（スターティング混合）から１０重量パーセント層１／９０重量パーセント層３まで変わる混合のなめらかに変わる中間層がデポジットされた。表１から明らかなように、３．２５インチ（０．８３ｍｍ）の一定のガン間隔で、０．００５インチ（０．０１３ｍｍ）の均一な層厚で行われた。
【００４６】
層３として、摩耗しやすい頂上層はそれから約０．０２５インチ（０．６３５ｍｍ）から０．０４０インチ（１．０１６ｍｍ）の間の厚さまでデポジットされた。層３の組成は、（１）層１の組成と、（２）約１８．５重量パーセントから約２１．５０重量パーセントの酸化イットリウム、残りが酸化ジルコニウム（サルザーメトコ社２０２パウダー又は等価なもの）の５０−５０混合であった。約４〜約８の垂直マイクロクラックを有する多重層区画された摩耗しやすいコーティングが得られた。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の利点は、７重量パーセントイットリウム、残部ジルコニア（７ＹＳＺ）の組成を有する区画されたコーティングに比べて、優れた摩耗性である。本発明のこの優れた摩耗性は、７ＹＳＺが四角形のＺｒＯ₂と立方体のＺｒＯ₂を含有していることによるものである。しかしながら、２０重量パーセントイットリア、残部ジルコニア（２０ＹＳＺ）は四角形のＺｒＯ₂（ｃｕｂｉｃＺｒＯ₂のみ）は含有しておらず、より摩耗しやすい（より軟い）ものである。上述したように、２０ＹＳＺは摩耗しやすい頂上層２２の望ましい組成である。ダクトセグメントに用いるにあたって、効果的な摩耗性は効率的なエンジン動作にとって必要である。異なる物質の組み合わせを、異なる必要性を有する特定のエンジンモデルに対して、選択することが出来る。必要ならば、例えば、摩耗性が低く、かつ耐浸食性に優れたＳＡＣを選択できる。そのような場合に、ＳＡＣコーティングは、摩耗しやすい層（層２２）として、７ＹＳＺと２０ＹＳＺの混合によって構成される。混合することによって、摩耗性を損ねることなく、必要とされる耐浸食性（７ＹＳＺから）が得られる。重要なことは、本発明の区画された摩耗しやすいコーティングは、独特の構造と種々の物質の組み合せを有し、エンジンダクトセグメント用に適していることである。３つの層によって、初期層（層１８と層２０）によって提供される長期間の熱絶縁と頂上層（層２２）によって提供される摩耗性が得られる。
【００４８】
本発明の利点は、円柱状のセルにコーティングが区画されることによりセラミックの耐浸食性が改良されることである。
【００４９】
本発明の優れたプラズマスプレイ処理パラメータによって、耐浸食性を向上させ、かつ優れた摩耗性を提供するセラミック区画が生成される。
【００５０】
発明は詳細な実施例について説明されているけれども、発明の精神と範囲から逸脱することなく、種々の変形が可能であることは、当業者にとって容易に理解されるものである。詳細には、本発明は航空機用ガスタービンダクトセグメント用の区画された摩耗しやすいセラミックコーティングについて述べられているけれども、例えば羽根とタービンに対する区画された摩耗しやすいセラミックコーティングのような、ガスタービンエンジンの要素上の熱バリアコーティングを含む他の適用も可能である。また、本発明は、自動車産業において、ピストンのような自動車エンジン要素用のコーティングとして応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 現代のガスタービンエンジンの一部の断面図。
【図２】 本発明の流路ダクトセグメントの断面図。
【符号の説明】
２…ブレード（羽根）
８…ギャップ
１０…流路ダクトセグメント
１１…羽根先すきま
１２…基体
１４…ボンドコート
１６…セラミックコーティング
１８…ベースコートファンデーション層
２０…中間層
２２…層

Claims (17)

1. ダクトセグメントと該ダクトセグメントと相互作用するタービン構成要素とによって構成されるシーリングシステムであって、前記ダクトセグメントは、金属性基体と、基体上のＭＣｒＡｌＹボンドコートと、ＭＣｒＡｌＹボンドコート上の区画された摩耗しやすいセラミックコーティングと、を含み、前記タービン構成要素は、シーリングを提供するように、前記摩耗しやすいコーティングと相互作用する研磨性のコーティングを有してなるシーリングシステムにおいて、
   前記区画された摩耗しやすいセラミックは、ベースコートファンデーション層と、摩耗しやすい頂上層および、なめらかに変化する中間層を含む３つの層によって構成され、
   前記ベースコートファンデーション層は、セリアで安定化されたジルコニア，マグネシアで安定化されたジルコニア，酸化カルシウムで安定化されたジルコニア，イットリアで安定化されたジルコニア，およびこれらの混合物からなるグループから選択された層によって構成され、
   前記摩耗しやすい頂上層はジルコニアによって構成され、
   前記中間層は、前記ベースコートファンデーション層と前記摩耗しやすい頂上層との混合組成であるとともに、前記ベースコートファンデーション層と前記摩耗しやすい頂上層との間に配置され、
   前記区画された摩耗しやすいセラミックコーティングは複数の垂直方向のマイクロクラックを有し、
   前記３つのセラミック層は、摩耗性を向上させるためにデポジション前の状態が球面状かつ空洞であるパウダー微粒子によって構成されている、ことを特徴とする、
   向上した摩耗性を有する区画された摩耗しやすいシーリングシステム。
2. 前記ベースコートファンデーション層は、約５ミル（０．１２７ｍｍ）と約１５ミル（０．３８１ｍｍ）間の厚さを有し、物質強度のために約１２重量パーセントイットリア・ジルコニア以下の組成を有することを特徴とする、請求項１に記載のシーリングシステム。
3. 前記摩耗しやすい頂上層は、約１５ミル（０．３８１ｍｍ）と約５５ミル（１．３９７ｍｍ）の間の厚さであり、かつイットリアで部分的に安定化されたジルコニアとイットリアで充分に安定化されたジルコニアの混合によって構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のシールシステム。
4. 前記摩耗しやすい頂上層は７重量パーセントイットリア安定化ジルコニアと２０重量パーセントイットリア安定化ジルコニアの混合によって構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のシールシステム。
5. 前記摩耗しやすい頂上層は、本質的にイットリアで充分に安定化された１００重量パーセントジルコニアの組成を有することを特徴とする、請求項１に記載のシールシステム。
6. 前記ベースコートファンデーション層がアルミナと約１２重量パーセントイットリア安定化ジルコニアの組成混合によって構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のシールシステム。
7. 金属性基体と、基体上のＭＣｒＡｌＹボンドコートと、ＭＣｒＡｌＹボンドコート上の区画された摩耗しやすいセラミックコーティングを含むダクトセグメントによって構成されるセラミックコーティングシステムであって、
   前記区画された摩耗しやすいセラミックコーティングは、ベースコートファンデーション層と、摩耗しやすい頂上層および、なめらかに変化する中間層を含む３つの層によって構成され、
   前記ベースコートファンデーション層は、セリアで安定化されたジルコニア，マグネシアで安定化されたジルコニア，酸化カルシウムで安定化されたジルコニア，イットリアで安定化されたジルコニア，およびこれらの混合物からなるグループから選択された層によって構成され、
   前記摩耗しやすい頂上層はジルコニアによって構成され、
   前記中間層は、前記ベースコートファンデーション層と前記摩耗しやすい頂上層との混合組成であるとともに、前記ベースコートファンデーション層と前記摩耗しやすい頂上層との間に配置され、
   前記区画された摩耗しやすいセラミックコーティングは複数の垂直方向のマイクロクラックを有し、
   前記３つのセラミック層は、摩耗性を向上させるためにデポジション前の状態が球面状かつ空洞であるパウダー微粒子によって構成されている、ことを特徴とする、
   区画された摩耗しやすいセラミックコーティングシステム。
8. 前記ベースコートファンデーション層が、約５ミル（０．１２７ｍｍ）と約１５ミル（０．３８１ｍｍ）の間の厚さであり、かつ約１２重量パーセントセリア安定化ジルコニア組成を有する物質，約１２重量パーセント以下のマグネシア安定化ジルコニア組成を有する物質，約１２重量パーセント酸化カルシウム安定化ジルコニア組成を有する物質，約１２重量パーセント以下のイットリア安定化ジルコニア組成を有する物質，およびこれらの物質の混合物からなるグループから選択されることを特徴とする請求項７に記載のセラミックコーティングシステム。
9. 前記摩耗しやすい頂上層は、約１５ミル（０．３８１ｍｍ）と約５５ミル（１．３９７ｍｍ）の間の厚さであり、かつセリアで部分的に安定化されたジルコニアとセリアで充分に安定化されたジルコニアの混合によって構成されていることを特徴とする、請求項７に記載のセラミックコーティングシステム。
10. 前記摩耗しやすい頂上層が、約１５ミル（０．３８１ｍｍ）と約５５ミル（１．３９７ｍｍ）の間の厚さであるセラミック層であり、かつマグネシアで部分的に安定化されたジルコニアとマグネシアで充分に安定化されたジルコニアの混合によって構成されていることを特徴とする、請求項７に記載のセラミックコーティングシステム。
11. 前記摩耗しやすい頂上層が、約１５ミル（０．３８１ｍｍ）と約５５ミル（１．３９７ｍｍ）の間の厚さであるセラミック層であり、かつイットリアで部分的に安定化されたジルコニアとイットリアで充分に安定化されたジルコニアの混合によって構成されていることを特徴とする、請求項７に記載のセラミックコーティングシステム。
12. 前記摩耗しやすい頂上層が、セリアで充分に安定化されたジルコニア，マグネシアで充分に安定化されたジルコニア，カルシアで充分に安定化されたジルコニア，およびイットリアで充分に安定化されたジルコニアからなるグループから選択された物質によって構成されていることを特徴とする、請求項７に記載のセラミックコーティングシステム。
13. 前記ベースコートファンデーション層が、アルミナと約１２重量パーセント以下のイットリア安定化ジルコニアとの組成混合によって構成されていることを特徴とする、請求項７に記載のセラミックコーティングシステム。
14. ベースコートファンデーション層，なめらかな変化の中間層，および摩耗しやすい頂上層を含むとともに、複数の垂直方向のマイクロクラックを有する区画された摩耗しやすいセラミックコーティングを生成する方法であって、
    スプレイガンを使用してＭＣｒＡｌＹボンドコートにベースコートファンデーション層を適用する工程と、
    スプレイガンを使用して前記ベースコートファンデーション層になめらかに変化する中間層を適用する工程、および
    スプレイガンを使用して前記なめらかに変化する中間層に摩耗しやすい頂上層を適用する工程、によって構成され、
    前記ベースコートファンデーション層が、セリアで安定化されたジルコニア，マグネシアで安定化されたジルコニア，酸化カルシウムで安定化されたジルコニア，イットリアで安定化されたジルコニア，およびこれらの混合物からなるグループから選択された物質の層によって構成され、ガンとコートされるべき表面との間の間隔が、約５ミル（０．１２７ｍｍ）と約１５ミル（０．３８１ｍｍ）間の厚さでベースコートファンデーション層の生成中に、変化し、
    前記中間層が、前記ベースコートファンデーション層と前記摩耗しやすい頂上層との組成混合によって構成されているとともに、ガンとコートされるべき面との間の間隔が、約３ミル（０．０７６ｍｍ）と約１０ミル（０．２５４ｍｍ）間の厚さの前記なめらかに変化する層の生成中、一定に保持され、
    前記摩耗しやすい頂上層がジルコニアによって構成され、ガンとコートされるべき面との間隔が前記摩耗しやすい頂上層の生成中、一定に保持されるとともに、各層が向上した摩耗性のためにデポジション前の状態が球面状でかつ空洞であるパウダー微粒子によって構成されている、ことを特徴とする、
    区画された摩耗しやすいセラミックコーティングの生成方法。
15. 請求項１４に記載の方法によって作られたことを特徴とするガスタービンエンジン構成要素流路ダクトセグメントコーティング。
16. ベースコートファンデーション層，中間層，および摩耗しやすい頂上層を有する区画された摩耗しやすいセラミックコーティングであって、
    約５ミル（０．１２７ｍｍ）と約１５ミル（０．３８１ｍｍ）の間の厚さで、約７重量パーセントと約１２重量パーセントの間にして、約５０ミクロン（０．０５０ｍｍ）の平均直径の微粒子サイズを備えたベースコートファンデーション層と、
    約３ミル（０．０７６ｍｍ）と約１０ミル（０．２５４ｍｍ）間の厚さで、前記ベースコートファンデーション層と摩耗しやすい頂上層の組成混合によって構成されたなめらかな変化の中間層、および
    約１５ミル（０．３８１ｍｍ）と約５５ミル（１．３９７ｍｍ）の厚さで、２０重量パーセントイットリア安定化ジルコニア、によって構成された摩耗しやすい頂上層からなり、
    各々の層は、摩耗しやすさを向上させるために、デポジション前の状態が球面状でかつ空洞構造の微粒子からなり、
    前記ベースコートファンデーション層がＭＣｒＡｌＹボンドコートされた金属流路ダクトセグメント上に配置されており、
    さらにこの区画された摩耗しやすいセラミックコーティングは、複数の垂直方向のマイクロクラックを有する、ことを特徴とする、
    区画された摩耗しやすいセラミックコーティング。
17. 約１５ミル（０．３８１ｍｍ）と約５５ミル（１．３９７ｍｍ）の間の厚さで摩耗しやすいセラミック層によって構成された区画された摩耗しやすいセラミックコーティングであって、
    前記摩耗しやすいセラミック層が、イットリアで部分的に安定化されたジルコニアとイットリアで充分に安定化されたジルコニアの組成混合を有する物質と、セリアで部分的に安定化されたジルコニアとセリアで充分に安定化されたジルコニアの組成混合を有する物質と、マグネシアで部分的に安定化されたジルコニアとマグネシアで充分に安定化されたジルコニアの組成混合を有する物質、および酸化カルシウムで部分的に安定化されたジルコニアと酸化カルシウムで充分に安定化されたジルコニアの組成混合を有する物質からなるグループから選択された物質によって構成され、前記摩耗しやすいセラミック層が、ＭＣｒＡｌＹボンドコートされた金属基体上に配置されているとともに、さらに、デポジション前の状態が球面状でかつ空洞構造のパウダー微粒子を含んでおり、この区画された摩耗しやすいセラミックコーティングは、複数の垂直方向のマイクロクラックを有する、ことを特徴とする、
    区画された摩耗しやすいセラミックコーティング。

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