JP4172585B2

JP4172585B2 - 曲げ適応性をもつ熱障壁を得る方法

Info

Publication number: JP4172585B2
Application number: JP2004150772A
Authority: JP
Inventors: ペル・ベングトソン; ロラン・ポール・ドユドン
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: JP2005330550A

Description

本発明は、曲げ適応性（ｆｌｅｘｏ−ａｄａｐｔｉｖｅｓ）を持つ熱障壁（ｂａｒｒｉｅｒｅｓｔｈｅｒｍｉｑｕｅｓ）、すなわち、原因が機械によるものであろうと膨張計測（ｄｉｌａｔｏｍｅｔｒｉｑｕｅｓ）によるものであろうと、熱勾配の作用下で基板変形に適応するのに十分な可撓性を有する熱障壁に関する。本発明は、特に、このような熱障壁を熱噴射（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｔｈｅｒｍｉｑｕｅ）により得る経済的な方法に関する。

今日、高温の燃焼ガス流にさらされるタービンエンジン部品は、高温に耐える超合金で製造され、熱障壁と呼ばれるコーティングによって熱および腐食から保護される。現在のところ、
・熱障壁は、一般に、酸化および腐食に対する化学的な障害物を形成するＮｉＰｔＡｌまたはＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏおよびＮｉＣｏ）のアルミナ質の下層と、
・断熱セラミック層ＺｒＯ_２−ＹＯ
とから構成される。

以下、便宜上、熱障壁を施す部品面にほぼ垂直な方向を「鉛直」と呼ぶ。

同様に、熱障壁を施す部品面にほぼ接する方向を「水平」と呼ぶ。

セラミック層は、一般に、たとえばプラズマアークトーチを用いて、熱噴射により複数のパスすなわち経路あるいは工程（ｐａｓｓｅ）で堆積される（ｄｅｐｏｓｅ）。各パスでは、通常、厚さ５μｍから４０μｍのセラミック基本層を堆積し、このように施される（ａｐｐｌｉｑｕｅｅｓ）基本層の数でコーティング全体の厚さが決まる。このやり方によって、
・コーティングの厚さをいっそう制御しやすく、
・熱障壁の加熱を和らげ、それによって、冷却時におけるコーティング（ｒｅｖｅｔｅｍｅｎｔ）の亀裂（ｆｉｓｓｕｒａｔｉｏｎｓ）および剥離（ｅｃａｉｌｌａｇｅ）が回避される。

しかしながら、この方法には次の二つの欠点がある。
・セラミック層は、部品の表面の接線方向に沿って可撓性が殆どない。その結果、このように得られた熱障壁が、たとえばタービンの羽根位置での大きな熱衝撃に十分に耐えられず、これらの熱障壁は、ほどなく剥離してはがれてしまう。
・先に堆積されて部分的に冷却されたセラミックに溶融セラミック滴が達したときに微小溶接部が形成され、この微小溶接部により結合が行われるので、基本層どうしの鉛直結合が不完全である。このため、このような熱障壁を構成するセラミック基本層は、熱衝撃の作用で分離する傾向があり、同様に熱障壁を剥離させてしまう。

従って、このようにプラズマ噴射により得られる熱障壁は、燃焼室のような熱衝撃を被らない、固定部品専用である。この場合、セラミック層は約０．３ｍｍであり、その耐用年数は完全に抑制される。

ターボジェットエンジンの燃焼室を熱からよりよく保護するために、プラズマ噴射による厚い熱障壁、すなわち厚さが１ｍｍ以上の熱障壁が開発された。この用途では、セラミック堆積物の厚さに鉛直方向の亀裂を入れて、水平方向、すなわち部品表面の接線方向に、この堆積物に可撓性を持たせることが必要である。こうした一方向の亀裂網がなければ、堆積物の縁で熱応力が高くなりすぎ、その結果、使用中に熱障壁が剥離してしまう。

この点に関して、複数回にわたる連続パスで熱噴射によりセラミック層を堆積し、各パスで約５μｍの材料層を堆積し、各パスの後に冷却を行って鉛直な亀裂を形成する米国特許第５０７３４３３号明細書が知られている。

しかし、この方法には、次の二つの欠点がある。
・冷却ステップで分離される複数回のパスによるコーティングは、追加コストがかかる。
・この方法は、上記のような多層コーティングでよくみられる欠点を持つ。すなわち、基本層の間の微小溶接部による結合が不完全であるために、これらの基本層の分離および熱障壁の剥離が促進される。この欠点は、各基本層の間で行われる堆積物の冷却により悪化する。

また、米国特許第６３０６５１７号明細書から、プラズマ噴射による薄層への熱障壁の付加方法が知られており、層どうしの結合は、結晶粒の柱状の核形成（ｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ）により改善される。結晶粒は、かくして複数の層で共通化されうる。残念ながら、このような方法では、核形成が横方向にも行われるので、熱障壁の可撓性が低減される。

今日、「気相成長法」と呼ばれる堆積方法、特に、ＥＢＰＶＤ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が知られている。ここで得られるセラミック層は、その底により下層に結合される隣接する細い鉛直柱の形状をとる。参考までに、これらの柱は、直径が約５μｍである。このような方法により、水平方向の可撓性に優れ、鉛直方向にしっかりと結合され、その結果として熱衝撃に強い優れた品質の熱障壁が得られる。

しかし、この方法には、次の二つの欠点がある。
・気相成長法は時間とコストがかかる。
・腐食性の高温燃焼ガスは、柱と柱の間の狭い、だが非常に多数の下層に達し、下層が徐々に腐食して熱障壁を破壊し、剥離するので、いずれにせよ熱障壁の耐用年数は限られている。

一般に、熱障壁が剥離する傾向は、曲率半径が小さい部品の突出部、従って、タービンの羽根のような小型部品で増加することに留意されたい。

さらに、剥離傾向ができるだけ小さい熱障壁を得るには、材料の付着力が高く、連結性が最も強い熱障壁を得ようとすることが必要である。

米国特許第５０７３４３３号明細書米国特許第６３０６５１７号明細書

解決すべき第一の課題は、熱障壁の剥離強度を高めることにある。

解決すべき第二の課題は、熱障壁の生成費用を抑えることにある。

基板表面の高熱作用と基板の強い機械作用とに耐えるようにし、まさにそのことによって、提起された第一の課題に対処するために、熱障壁は、この熱障壁が被覆する表面の接線方向に柔軟でなければならない。それには、熱障壁の表面から基板または下層まで及ぶ鉛直な亀裂、すなわちセラミック層全体を貫通する亀裂を入れることが必要である。

本発明は、曲げ適応性をもつ熱障壁を得る方法を提案し、この熱障壁は、下層（４２）により被覆された基板（４０）に堆積される少なくとも８０μｍのセラミック層（４４）を含んでおり、セラミック層（４４）は、いわゆる「プラズマアーク」トーチ（３０）を用いて熱噴射により堆積され、このトーチの作用が、トーチのパワー、材料の流速、トーチと被覆部品（１０）との距離、部品に対するトーチの移動速度により決定される。

このような方法は、噴射距離を２０ｍｍから９０ｍｍに保ちながらセラミック層を１回の単一パスで下層に直接堆積することからなり、前記トーチの移動速度は２ｍｍ／秒から１０ｍｍ／秒、材料の流速は４０ｇ／分から１００ｇ／分、トーチのアーク強度は５００Ａから８００Ａであって、冷却後、セラミック層全体を貫通する１ミリ当たり少なくとも２個のほぼ鉛直な亀裂（ｆｉｓｓｕｒｅｓ）を得るようにしたことを特徴とする。

トーチのパワーは、セラミック層が一回のパスで形成される高い値に調整されるものとし、溶融材料の新しい滴がまだ非常に高温の材料に達することによって、セラミック粒子どうしが鉛直方向に溶接されて良好に結合される。これは、好適には２ｍｍ／秒から１０ｍｍ／秒の、できるだけ遅いトーチの移動速度を選択することによって促進される。かくして、堆積物の場所で温度が上昇し、それによって、水平方向の微小亀裂、剥離、および細の数が少ない高密度の微小構造が得られ、材料の凝集力すなわち付着力（ｃｏｈｅｓｉｏｎ）が高められる。一回のパスによる噴射は、熱障壁の剥離強さに直接介在する重要なパラメータである。事実、材料を複数回のパスで噴射する場合、各パスで堆積される複数の材料層どうしの付着力は同一層内部の付着力よりも低い。その場合、２個の層の間で水平亀裂が始まることがあり、これは、熱障壁の耐性を損なうものである。

しかも、このようにジェットによって形成されるセラミック層は非常に高温であるので、ジェットが移動したとき、周囲の空気と接触して熱障壁が冷却され、鉛直方向の熱勾配が大きくなる。この熱勾配は、セラミック層の表面で亀裂の形成を促し、その後、これらの亀裂が、下層まで鉛直に広がって、セラミック層全体を貫通する。

発明者は、この二つの現象が同時に現われることを確認した。パワーが低すぎると、亀裂の間隔が非常に不規則になり、材料の粒子どうしの鉛直結合が中程度になる。トーチのパワーを上げると、亀裂の密度が高く均質になって、それと同時に粒子どうしの鉛直結合が改善される。発明者は、十分なパワー、すなわち、要求された値に少なくとも等しい亀裂密度を得るようま十分に強いパワーにより、厚さ２５０μｍのセラミック層まで申し分のない剥離抵抗を有する熱障壁を得ているが、最適品質は１００μｍから１５０μｍに位置する。この結果を得るための適切なトーチのパラメータは、使用されるセラミック、部品の放熱、粉末の流速、ジェットの幅、トーチの損失係数等の多数のパラメータに依存することに留意すべきである。

また、一方では、基板の溶融または基板の粒子構造の許容できない劣化を招くおそれのある過度の加熱を発生しないように、当業者がトーチのパワーを制限することにも留意すべきである。

亀裂の大きさ、ならびに１ｍｍあたりの亀裂数は、堆積の厚さに依存する。堆積が厚ければ厚いほど亀裂は広幅になり、１ｍｍ当たりの数が少なくなる。

１回のパスで得られるセラミック層の厚さは、もちろん、材料の流速、トーチと部品との距離、および部品に対するトーチすなわちジェットの移動速度、ならびにトーチの損失係数に依存する。そのため、セラミック層の厚さは材料の流速とともに増加するが、距離または速度が増加すると、この厚さは減少する。当業者は、実験により、堆積する材料に応じてケースバイケースでこれらのパラメータを定義する。

本発明は、また、翼と基部とを含むターボジェットエンジンの羽根に上記の方法を適用し、セラミック層を翼に塗布することを提案する。

このような方法は、
ａ．幾何学軸（１６）を中心として回転速度Ｖで回転する工具（２０）により羽根（１０）の基部（１４）を保持し、
ｂ．幾何学軸（１６）に平行な相対移動Ｄ１と、幾何学軸（１６）に垂直な相対移動Ｄ２とが行われるトーチ（３０）のジェット（３２）に翼（１２）をさらし、
ｃ．翼の一端（１８ａ、１８ｂ）から他端（１８ｂ、１８ａ）までジェット（３２）を一回だけ移動してセラミックを噴射することからなり、羽根（１０）が、幾何学軸（１６）を中心として回転し、トーチ（３０）が、Ｄ２に従って移動して羽根（１２）の表面から一定距離のところに留まるようにし、トーチ（３０）が、Ｄ１に従って移動して前記ジェット（３２）の幅に等しいピッチの螺旋状のセラミック層（４４）を羽根（１２）の表面に形成するようにした
ことを特徴とする。

本発明は、この方法の詳細な実施例と添付図面とからいっそう理解され、この発明によって得られる長所がさらに明らかになるであろう。

最初に図１を参照する。

熱障壁を被覆する部品は、凝固を左右する、ニッケルを主成分とする超合金からなるタービンの羽根１０である。熱障壁は、８％のイットリウムＹ_２Ｏ_３を含むジルコンＺｒＯ_２のセラミック層１２５μｍで被覆したＭＣｒＡｌＹの下層を含む。

羽根１０の翼１２は、通常の方法に従って堆積されたＭＣｒＡｌＹの下層で被覆されている。

羽根１０は、その後、基部１４により取付台２０に保持される。取付台は、軸１６を中心として羽根を回転させ、すなわち、羽根を長手方向に関してそれ自体回転させることができ、翼１２は、プラズマトーチ３０の前に提供される。プラズマトーチのジェットを参照符号３２で示す。プラズマトーチ３２は、ここでは、ＳｕｌｔｚｅｒＭｅｃｔｏ社により商品化されているモデルＦ４である。

トーチは、羽根１０から５０ｍｍのところに配置され、羽根１０は、その後、軸１６を中心として回転される。トーチ３０が作動し、ジェット３２は、最初に羽根１０の頂部１８ａに当り、徐々に基部１４の方に移動して翼１２の他端１８ｂに達し、このようにして、羽根１０の表面に巻きを突き合わせた螺旋状のセラミック層４４を形成する。ジェット３２は、羽根１２の表面で、結果として得られる速度６ｍｍ／秒で移動する。粉末の流速は、７０ｇ／分であり、トーチのパワーは、アーク強度７００Ａで得られる。トーチの調整は、いわゆる「高温」とし、堆積温度は５５０℃とする。この温度は、ジェット３２の通過直後に、ジェットの後方１０ｍｍのところにある堆積面で測定する。

次に、図２を参照する。

基板、下層、および、このように得られたセラミック層をそれぞれ参照符号４０、４２、４４で示す。亀裂は、参照符号５０で示す。このミクロ組織図では、１ｍｍ当たり４．８個の亀裂が数えられ、その平均距離が２００μｍである。このミクロ組織図が示すように、亀裂５０はほぼ鉛直であり、すなわち、基板４０に対してほぼ垂直である。亀裂５０の２個の縁は、平行なこともあるし、あるいは表面または下層４２の方に開いていることもある。亀裂５０の最も重要な特徴は、ミクロ組織図から分かるように、亀裂が、セラミック層４４の厚さ全体を貫通することによって表面から下層４２まで進んでいることにある。

次に、図３を参照する。

このミクロ組織図では、亀裂５０が局部的に不規則であるが統計的には均質な異方性の格子を形成していることが分かる。これらの亀裂５０は、熱障壁に、基板４０の接線面に沿って、必要とされる可撓性をもたらす。亀裂の密度は、任意の幾何学的な直線を横切る１ｍｍあたりの平均亀裂数であるものとして定義される。

プラズマトーチによるセラミック層の堆積を示す図である。このように得られた熱障壁のミクロ組織の断面図である。熱障壁表面のミクロ組織を示す図である。

符号の説明

１０部品または羽根
１２翼
１４基部
１６幾何学軸
１８ａ、１８ｂ翼の端
３０トーチ
３２ジェット
４０基板
４２下層
４４セラミック層
５０亀裂

Claims

曲げ適応性を持つ熱障壁を得る方法であって、前記熱障壁が、下層（４２）により被覆された基板（４０）に堆積される少なくとも８０μｍのセラミック層（４４）を含んでおり、前記セラミック層（４４）が、いわゆる「プラズマアーク」トーチ（３０）を用いた熱噴射により堆積され、前記トーチの作用が、このトーチのパワー、材料の流速、トーチと被覆部品（１０）との距離、部品に対するトーチの移動速度により決定され、
噴射距離を２０ｍｍから９０ｍｍに保ちながら、セラミック層を１回の単一パスで下層に直接堆積することからなり、前記トーチの移動速度を２ｍｍ／秒から１０ｍｍ／秒、材料の流速を４０ｇ／分から１００ｇ／分、トーチのアーク強度を５００Ａから８００Ａとすることにより、冷却後、セラミック層全体を貫通する１ミリ当たり少なくとも２個のほぼ鉛直な亀裂を得るようにしたことを特徴とする、方法。
前記部品（１０）が、翼（１２）と基部（１４）とを含む幾何学軸（１６）を有する羽根であり、前記セラミック層（４４）が、前記翼（１２）に施され、
ａ．前記幾何学軸（１６）を中心として回転速度Ｖで回転する工具（２０）により羽根（１０）の基部（１４）を保持し、
ｂ．前記幾何学軸（１６）に平行な相対移動Ｄ１と、前記幾何学軸（１６）に垂直な相対移動Ｄ２とが行われるトーチ（３０）のジェット（３２）に翼（１２）をさらし、
ｃ．前記翼の一端（１８ａ、１８ｂ）から他端（１８ｂ、１８ａ）までジェット（３２）を一回だけ移動してセラミックを噴射することからなり、前記羽根（１０）が、前記幾何学軸（１６）を中心として回転し、前記トーチ（３０）が、Ｄ２に従って移動して羽根（１２）の表面から一定距離のところに留まるようにし、前記トーチ（３０）が、Ｄ１に従って移動して前記ジェット（３２）の幅に等しいピッチで螺旋状のセラミック層（４４）を羽根（１２）の表面に形成するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の方法。