JP4827365B2

JP4827365B2 - 遮熱コーティング

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Publication number: JP4827365B2
Application number: JP2002362095A
Authority: JP
Inventors: エスマーフィーケネス
Original assignee: ハウメットリサーチコーポレイション
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: US6689487B2; GB2383338B; FR2833971A1; US20030118874A1; GB2383338A; JP2003239086A; CA2412265C; GB0230011D0; DE10254209A1; DE10254209B4; FR2833971B1; CA2412265A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温度に露出される構成部分における遮熱コーティングに関し、より詳細にはコーティングの構成の特徴による熱伝導率を減少した遮熱コーティングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
様々なタイプの遮熱コーティングシステムは、エンジンの作動中にタービンブレード及び翼などのニッケルとコバルトを基にする超合金の構成物を酸化及び腐食から保護するためのガスタービンエンジン工業において周知である。
【０００３】
一つのタイプの遮熱コーティングシステムは、ＭＣｒｌＹ合金のオーバーレイを含有するボンディングコートを保護する超合金構成物（基板）上の沈着を含み、ここでＭは鉄、ニッケル、コバルト又はそれらの組み合わせであり、ボンディングコートの酸化はそこにアルミナ層インサイチューを形成し、次いでアルミナ層上に円柱状の形態を有するセラミックの遮熱コーティングを沈着する（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００４】
別のタイプの遮熱コーティングシステムは、アルミニウム化ニッケル（ＮｉＡｌ）又はプラチナ修正型アルミニウム化ニッケル拡散層を含有するボンディングコートを保護する超合金構成物（基板）上の形成を含む（例えば、特許文献３参照。）。ボンディングコートは、そこに熱成長したアルミナ層インサイチューを形成するために酸化され、次いで円柱状の形態を有するセラミックの遮熱コーティングはアルミナ層上に沈着する。
【０００５】
中間のＮｉ−Ａｌ相を含有する外部の付加的な層を有する化学的に蒸気沈着されたプラチナ修正型拡散アルミニウム化物コーティングを含有するボンディングコートを保護する超合金構成物上の形成を含むものもある（例えば、特許文献４，５参照。）。ボンディングコートは、そこに熱成長したアルミナ層インサイチューを形成するために酸化され、次いで円柱状の形態を有するセラミックの遮熱コーティングはアルミナ層上に沈着する。
【０００６】
ガスタービンエンジンの熱い部分である、例えばタービンブレードなどの構成部分を保護する航空機の適用における幅広く使用されるセラミックの遮熱コーティングは、７質量％のイットリアの安定化ジルコニア（７ＹＳＺ）を含む。このセラミックのコーティングを適用する二つの方法は幅広く使用される。電子ビームの物理的な蒸気沈着（ＥＢＰＶＤ）は、大多数のコーティングポロシティが、基板／ボンディングコートに対して垂直に延在する、比較的濃度が高いセラミックのカラム間に位置する場合、円柱状構造のコーティングを生成するために使用される。
【０００７】
エアープラズマ溶射はまた、沈着したコーティングでの約１０％の質量ポロシティで生成する手法において７ＹＳＺを適用するために使用される。このポロシティは、セラミックの減少によるプラズマの“スプラット”層とミクロの深割れとの間のギャップの形態である。製造されたプラズマ溶射７ＹＳＺのセラミックコーティングの熱伝導率は、一般的にＥＢＰＶＤによって適用された７ＹＳＺのセラミックコーティングの熱伝導率の約６０％である。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第４，３２１，３１０号明細書
【特許文献２】
米国特許第４，３２１，３１１号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，２３８，７５２号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，７１６，７２０号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，８５６，０２７号明細書
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、改良された遮熱コーティング及びコーティング方法を提供することであり、ここでセラミックコーティングは形態的なコーティングの特徴による減少した熱伝導率を有する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は基板上にセラミックの遮熱コーティングを提供し、ここでコーティングの少なくとも層の部分は基板表面上を横断して延在し、それぞれの円柱軸に関してそこから横に延在する不可欠な二次の円柱状粒子を含有する主要な円柱状粒子を含む。一般的に、二次の円柱状粒子は、主要な円柱状粒子の円柱軸に関して９０度よりも小さい含まれた鋭角で主要な円柱状粒子から延在する。コーティング構造は、従来の遮熱コーティングと比較して、減少した熱伝導率を予期せずに表す。
【００１０】
遮熱コーティングは多重層を含むことができ、ここで多重層の一つの層は本発明と一致するコーティング構造を含む。実施例のみにおいて、遮熱コーティングは、主要な円柱状粒子とそこから横に延在する二次の円柱状粒子を有する本発明と一致する従来の円柱状粒子構造と外層を有する基板の表面に隣接する内部の層を含むことができる。
【００１１】
本発明はさらに遮熱コーティングを製造するＥＢＰＶＤ方法を提供し、ここで基板表面のセラミック物質の沈着は、コーティングの沈着中に主要な円柱状粒子の長さに沿って間隔が置かれ、主要な円柱状粒子から横に成長する二次の円柱状粒子を有する主要な円柱状粒子を成長するために制御される。
【００１２】
本発明の利点と目的は、添付図と関係する下記の詳細な記載から容易に明らかとなるだろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、鍛造、押圧された超合金の粉末の構成部分、機械加工された構成部分、及びその他の形態などの他の形態の超合金と同様に、等軸のＤＳ（指向的に凝固）とＳＣ（単結晶）のインベストメント鋳造法を含むかもしれない、周知のニッケルとコバルトを基にした超合金基板を保護するために使用できる。例えば、代表的なニッケルを基にした超合金は、限定はしないが、ＳＣ並びに円柱状粒子タービンブレード及び翼を生成するために使用される、周知のＲｅｎｅ´合金Ｎ５，ＭａｒＭ２４７，ＣＭＳＸ−４，ＰＷＡ１４２２，ＰＷＡ１４８０，ＰＷＡ１４８４，Ｒｅｎｅ´８０，Ｒｅｎｅ´１４２及びＳＣ１８０を含む。遮熱コーティングシステムによって保護できるコバルトを基にした超合金は、限定しないが、ＦＳＸ−４１４，Ｘ−４０及びＭａｒＭ５０９を含む。ニッケル又はコバルトを基にした超合金に制限されない本発明は、超高温度で保護するために様々な他の金属及び合金に適用できる。
【００１４】
限定ではなく例示する目的において、図１は、本発明の実施態様と一致してインベストメント鋳造法によって生成でき、コーティングによって保護できる、ニッケル又はコバルトを基にした超合金のタービンブレード１０を例示する。ブレード１０は、燃焼器からの熱い燃焼ガスがガスタービンエンジンのタービン部分に導かれることに対する翼部分１２を含む。ブレード１０は、ブレードが周知である従来の手法のモミの木接続を用いてタービンディスク（示されていない）に接続されることによる土台部分１４と先端部分１６を含む。冷却する流気の通路（示されていない）は、周知の従来の手法で翼１２の後縁１２ａ及び／又は先端１６の放電開口部（示されていない）による放電のための翼部分１２により冷却空気を導くためにブレード１０に形成できる。
【００１５】
翼１２は、本発明の実施態様と一致する遮熱コーティングシステムでコーティングすることによって、ガスタービンエンジンのタービン部分の熱い燃焼ガスから保護できる。本発明を限定するのではなく、例証する目的で提供される遮熱コーティング（ＴＢＣ）システムは図２Ａ及び２Ｂに示される。
【００１６】
図２Ａにおいて、ＴＢＣシステムは、好ましくは、ニッケル又はコバルトを基にした超合金の翼（基板）１２に形成されるか又は適用される金属のボンディングコート２４を含む。好ましくは、ボンディングコート２４はそこに形成された薄い酸化アルミニウム（アルミナ）層２８を有する。本発明の実施態様と一致する遮熱コーティング３０は層２８に沈着される。一般的にＴＢＣ３０は、安定化ジルコニアのセラミック物質（例えば、７ＹＳＺのみ）を含み、ジルコニア相は、限定しないが、イットリアＭｇＯ，ＣａＯ，Ｓｃ_２Ｏ_３，及びＹｂ_２Ｏ_３を含有する、例えば第二酸化物によって安定化する。本発明は７ＹＳＺなどの安定化ジルコニアに限定しないが、断熱相コーティングを形成するために採用される他のセラミック物質を用いて実行できる。
【００１７】
金属のボンディングコート２４は、修正型若しくは無修正型のアルミニウム化物拡散コーティング若しくは層、ＭＣｒＡｌＹオーバーレイコーティングから選択でき、ここでＭはニッケル及びコバルトからなるグループ、アルミニウムで処理されたＭＣｒＡｌＹオーバーレイ、及び他の従来のボンディングコートから選択される。好ましいボンディングコート２４は、米国特許番号５，７１６，７２０号で記載されるような基板に化学蒸気沈着（ＣＶＤ）及び周知の市販のＭＤＣ−１５０Ｌによって形成され、外部に向かって成長し、Ｐｔで修正されたアルミニウム化物拡散コーティング２４を含み、米国特許番号５，７１６，７２０号の教示はここに参照として組み入れられている。
【００１８】
ボンディングコート２４として使用できるＭＣｒＡｌＹオーバーレイは、米国特許番号４，３２１，３１０号及び４，３２１，３１１号に記載される。ボンディングコート２４として使用できるＣＶＤアルミニウムで処理されたＭＣｒＡｌＹオーバーレイは、教示がここに参照として組み入れられている、ワーンズ等の米国特許番号６，１２９，９９１号に記載されている。
【００１９】
ＭＤＣ−１５０ＬのＰｔ修正型拡散アルミニウム化物ボンディングコート２４は、超合金の翼（基板）１２に近接の内部の拡散領域２４ａと、米国特許番号５，７１６，７２０に記載のようなアルミニウムとニッケル（超合金の組成に依存して又はコバルト）のプラチナ修正型（プラチナ保持）中間相を含有する外層の領域２４ｂを含む。別の厚さが本発明で使用できるけれども、ボンディングコートの全体の厚さは一般的に約１．５乃至約３．０ミルである。
【００２０】
ボンディングコート２４は、ボンディングコート２４へのＴＢＣ３０及び層２８の密着を促進する目的のために任意に仕上げされた表面であるかもしれない。ＭＣｒＡｌＹボンディングコートは、米国特許番号４，３２１，３１０号に記載のような仕上げされた表面であるかもしれない。拡散型アルミニウム化物コーティングは、教示がここに参照として組み入れられている、共通の譲受人の同時係属出願番号０９／５１１，８５７に記載のようなメディア・ボウルポリシングによって仕上げされた表面であるかもしれない。他の適切な表面の仕上げ技術は、本発明の実行のボンディングコートの表面の粗さを減少するために使用されるかもしれない。
【００２１】
好ましくは、薄い粘着性の酸化アルミニウム（アルミナ）層２８は、ボンディングコート２４に熱成長する。酸化物層２８は、セラミックの遮熱コーティング３０の沈着に先だって、導かれた個々の酸化段階で形成できるか、又はコーティング３０を沈着するために採用されたＥＢＰＶＤ処理の前処理段階で形成できるか、或いは酸化物層２８を形成するために効果的な任意の別の技術を用いて形成できる。酸化アルミニウム層２８は、基板からの拡散の結果としての、及び／又は酸化物層２８のドーピングの結果としての別の要素を含むかもしれない。
【００２２】
ボンディングコート２４がＭＤＣ−１５０Ｌコーティングを含む場合、ＭＤＣ−１５０Ｌコーティングは、米国特許番号５，７１６，７２０で記載されるようなアルミナ層２８のインサイチュー形成を促進する約１８００°Ｆよりも高い温度で１０^−４ｔｏｒｒ以下の真空などの低い分圧酸素大気、又は酸素の不純物を有するアルゴン若しくは水素の分圧大気において酸化される。限定ではなく例示する目的において、アルミナ層は、１ｘ１０^−６ｔｏｒｒまで真空炉を排気すること（１ｘ１０^−４ｔｏｒｒから１ｘ１０^−３ｔｏｒｒまで炉の脱気によって圧力レベルは実質的に上昇する）、そこに１９７５°ＦのＭＤＣ−１５０Ｌボンディングコートを有する基板のランピングによって、２時間その温度を維持することによって、及び炉から移動するために室温まで冷却することによってインサイチュー形成できる。生成された酸化物層２８はアルミナの連続フィルムを含む。他の厚さが本発明の実行において使用できるが、アルミナ層の厚さは、約０．０１乃至２ミクロンの範囲である。別の酸化処理は、ここに参照として組み入れられ、共通の譲受人の同時係属出願番号０９／５１１，８５７号に記載されている。
【００２３】
熱成長したアルミナ層２８は、外部のセラミックの遮熱コーティング（ＴＢＣ）を受ける。
【００２４】
本発明の実施態様を例証する目的において、ＴＢＣ３０は、層２８の表面を横断して延在する縦方向の軸ＡＸ、ボンディングコート２４、及び基板１２を有する主要な円柱状粒子ＰＣを含有するものとして図２Ａに示されている。横断によることは、主要な円柱状粒子ＰＣの軸ＡＸが構成部分（例えば、翼の基板１２）の表面に対して一般的に垂直で延在するか、又は通常と比較して鋭角（例えば、３５度まで）においてコーティングされた構成部分（表面に対して垂直であれば軸ＡＸである）の表面まで延在する。
【００２５】
重要なことには、主要な円柱状粒子ＰＣは、図２ＡのＥＢＰＶＤ沈着期間の成長に関するそれぞれの主要な円柱軸ＡＸに関する主要な円柱状粒子ＰＣから横に延在する不可欠な二次の円柱状粒子ＳＣを含む。二次の円柱状粒子ＳＣはそれぞれの主要な円柱状粒子ＰＣの長さに沿って間隔が置かれる。二次の円柱状粒子は、主要な円柱状粒子ＰＣのそれぞれの円柱軸ＡＸに関して９０度よりも小さい鋭角ＡＮで主要な円柱状粒子から延在する。円柱軸ＡＸに沿った主要な円柱状粒子ＰＣの成長は、ＴＢＣ３０が形成される特別のセラミックス物質の結晶格子の主要な成長方向とある程度まで関係のあるように見え、一方で鋭角ＡＮはそのセラミックス物質の結晶格子の二次の成長方向とある程度まで関係のあるように見える。ＴＢＣ３０のコーティング構造は、円柱状粒子だけを有する従来の遮熱コーティングの熱伝導率と比較して、減少した熱伝導率を表す。出願人はこの説明によって拘束することを望まないし又は目的としないが、ＴＢＣ３０のコーティング構造の熱伝導率の減少は、ナノスケールの円柱状間のギャップと二次の円柱状粒子ＳＣによって作られるポロシティに寄与する。
【００２６】
ＴＢＣ３０は、図７に概略的に示されるＥＢＰＶＤ装置を用いて酸化物層２８に電子ビームの物理的蒸気沈着（ＥＢＰＶＤ）によって沈着でき、ここで遮熱コーティング物質のインゴットＩは電子ビーム銃からの電子ビームによる加熱及び蒸発において示されるインゴットフィーダーによって供給され、蒸発したセラミック物質を含有する典型的には蒸気雲のインゴットＩより上のコーティングチャンバーで位置し回転される翼基板１２のアルミナ層２８に圧縮される。
【００２７】
コーティングチャンバーのガス圧は、基板１２の表面の横に延在する主要な円柱状粒子ＰＣを有し、加えてそれぞれの円柱軸ＡＸに関して主要な円柱状粒子から横に延在する二次の円柱状粒子ＳＣを有するＴＢＣ３０を形成する効果を予期せずに発見されるコーティングチャンバーでのガス圧レベルを提供するために制御される。図７に示されるＥＢＰＶＤ装置において、コーティングチャンバーの背後ガスは一般的に酸素のみを含むが、しかしながら、他のＥＢＰＶＤコーティング装置は不活性ガス（例えば、Ａｒ，Ｎ_２，Ｈｅ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｒｎ，その他）などの一つ以上の他のガスと共に酸素を使用するかもしれない。加えて、コーティングチャンバーに存在するかもしれない他のガスは、Ｈ_２Ｏ，ＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２を含むかもしれない。特定のガス圧レベルは、図２Ａとさらに図３Ｃ及び３Ｄで例示されるような“葉を備える茎”の円柱状形態を生成するように主要な円柱状粒子から横に成長する二次の円柱状粒子ＳＣを備える主要な円柱状粒子ＰＣの成長を促進するために発見され、ここで“茎”は主要な円柱状粒子ＰＣであり、“葉”は二次の円柱状粒子ＳＣである。ＴＢＣ３０を生成するために採用される特定のコーティング条件は、ＴＢＣ３０を形成するために使用されるセラミック物質と同様に採用されるＥＢＰＶＤ装置に依存するだろう。
【００２８】
図７の装置を用いるＥＢＰＶＤによって７ＹＳＺセラミック物質を含有するＴＢＣ３０の形成において、１５乃至３０ミクロンの範囲における酸素のガス圧は、前述のように主要な円柱状粒子から横に成長する二次の円柱状粒子ＳＣを有する主要な円柱状粒子ＰＣを含有するＴＢＣ３０を形成するために使用できる。
【００２９】
本発明の別の実施態様を例証する目的において、ＴＢＣ３０は、本発明の実施態様と一致する内層部分３０ａ及び外層部分３０ｂを含有するものとして図２Ｂに示される。内層部分３０ａは、酸化物層２８の表面を横断して延在する円柱状粒子を含有する従来の円柱状粒子のセラミックＴＢＣを含む。内層部分３０ａの円柱Ｃは、前述のように基板１２の表面を横断して延在するそれぞれの円柱軸ＡＸを有する。
【００３０】
外層部分３０ｂは、図２ＡのＴＢＣ３０における前述のタイプのコーティング構造を有するように本発明と一致して形成される。特に、外層部分３０ｂは、基板１２の表面を横断して延在し、図２ＢのＥＢＰＶＤ沈着中の成長に関するそれぞれの主要な円柱軸ＡＸに関する主要な円柱状粒子ＰＣから横に延在する不可欠な二次の円柱状粒子ＳＣを含む、主要な円柱状粒子ＰＣを含有する。二次の円柱状粒子ＳＣは、それぞれの主要な円柱状粒子ＰＣの長さに沿って間隔が置かれる。一般的に、二次の円柱状粒子は、前述のようにそれぞれの円柱軸ＡＸに関して９０度より小さい鋭角ＡＮで主要な円柱状粒子から延在する。結果として、外層部分３０ｂのコーティング構造は、内層部分３０ａによって表現される従来の遮熱コーティングの熱伝導率と比較して減少した熱伝導率を有する。
【００３１】
内層部分３０ａと外層部分３０ｂは、図７の装置を用いるのではなく、下記に記載の異なるコーティング条件を採用することで酸化物層２８に電子ビームの物理的蒸気沈着（ＥＢＰＶＤ）によって沈着できる。ＴＢＣ３０の内層部分３０ａは、ガスタービンエンジンのコーティングされた翼１２の作動中のコーティング粘着及び破砕抵抗のための図２Ｂの実例となる実施態様での酸化物層２８に第一に提供される。
【００３２】
ＥＢＰＶＤ装置のコーティングチャンバーでのガス圧は、酸化物層２８で円柱状粒子Ｃを有する内層部分３０ａを生成するための手法で初期に制御され、次いで、コーティングチャンバーでのガス圧は、酸化物層２８の表面を横断して延在する主要な円柱状粒子ＰＣを有し、加えてそれぞれの円柱軸ＡＸに関して主要な円柱状粒子から横に延在する二次の円柱状粒子ＳＣを有する外層部分３０ｂを形成するために効果的な予期せずに発見される高圧レベルまで上昇する。
【００３３】
例えば、図７の装置を用いる７ＹＳＺのセラミック物質を含有する内層部分３０ａの形成において、６ミクロンの酸素のガス圧（±２ミクロン）は、酸化物層２８に内層部分３０ａの円柱状粒子Ｃだけを形成するために初期に採用できる。内層部分３０ａは、そこに所望の厚さを提供する期間において沈着される。次いで、コーティングチャンバー内の酸素のガス圧は、７ＹＳＺのセラミック物質を含有し、前述のように主要な円柱状粒子から横に成長する二次の円柱状粒子ＳＣを有する主要な円柱状粒子ＰＣを有する外層部分３０ｂを予期せず形成するために発見される１５乃至３０ミクロンの範囲まで調節（上昇）される。混合されたコーティング形態の遷移域３０ｃは、コーティングの実行中に記載されるように酸素のガス圧の調節の結果として層３０ａ、３０ｂとの間に現れることができる。かかる範囲間の酸素のガス圧（例えば、１３ミクロンの酸素のガス圧）は、主要な円柱状粒子から成長する二次の円柱状粒子を生成するが、しかし二次の成長した円柱状粒子の量は、酸素のガス圧２０ミクロンでの二次の円柱状粒子の成長よりもより小さい。一般的に、二次の円柱状粒子の量が増大するにつれて、ガス圧も上昇する。代替として、内層部分３０ａは第一コーティング段階で生成でき、外層部分３０ｂは“葉を備える茎”の円柱状形態を生成する前述のコーティング条件下で処理される個別の第二コーティング段階で生成できる。
【００３４】
図２ＡのＴＢＣの形態又は微細構造及び図２Ｂの外層部分３０ｂは、下記に続く実施例で記載のように円柱状粒子のみを有する従来の遮熱コーティングと比較して減少された熱伝導率を表すために発見する。
【００３５】
【実施例】
外層部分３０ｂがＥＢＰＶＤによって沈着されたことにおける前述の記載のように、サファイアのスペシメンは、二次の円柱状粒子ＳＣを備える主要な円柱状粒子ＰＣを含有するコーティング構造での基板として使用された。サファイアの基板は、２０乃至２５ｐｓｉ気圧で２２０メッシュよりも小さいアルミナ（鋼玉）でのグリットブラストによって生じた表面仕上げサファイアを含有した。
【００３６】
例えば、図７のＳで明示されたサファイア基板は、回転軸（マニプレータ部）に取り付けられ、ローディング／予熱チャンバーで１９７５°Ｆ（±２５°Ｆ）まで加熱された。コーティングチャンバーは１ｘ１０^−４ｔｏｒｒより低く排気された。酸素は、２０ミクロン±２ミクロンの安定した酸素圧に達するまでコーティングチャンバーに導入された。電子ビーム銃からの電子ビーム（出力レベルが７５ｋＷ±１０ｋＷ）は、蒸発するために７質量％のイットリア安定化ジルコニア（又は他の断熱層のセラミック物質）のインゴットＩの末端上で走査（７５０Ｈｅｒｔｚの率）される。電子ビームは基板とビームの後ろへの反射を避けるための角度でインゴットを走査した。熱の欠損を最小限にするために、インゴットＩのＥＢ融解が開始した後、予熱されコーティングされた基板Ｓは、急速に軸上でローディング／予熱チャンバーからインゴットＩ上のコーティングチャンバーでの熱を反射する囲い込みＥのコーティング位置まで移動した。囲い込みは電子ビームが入るための開口部を含んだ。間隔は約１０乃至１５インチであるが、基板はインゴットの約１４インチ上を２０ｒｐｍ±２ｒｐｍの速度で軸によって回転された。沈着は、サファイアの基板に白色の化学量がほぼ７質量％イットリア安定化ジルコニアのセラミックコーティングを生成するための期間導かれた。セラミックコーティングの典型的な厚さは、５乃至２０ミル（０．００５乃至０．０２０インチ）の範囲であった。約１２乃至１５ミルのＴＢＣ３０の厚さは、熱伝導率試験において沈着された。
【００３７】
かかるＥＢＰＶＤパラメータを用いて生成した代表的な７ＹＳＺのセラミックコーティングは、図３Ａ，３Ｂ，３Ｃ及び３Ｄに示される。図３Ａは、コーティング全体の厚さの１６０倍の顕微鏡写真である。図３Ｂ，３Ｃ及び３Ｄは、図３Ａに描写された、内部エリア１、中間エリア２、及び外部エリア３の７５０倍の顕微鏡写真である。顕微鏡写真は、セラミックコーティングの破壊された表面が図３Ａ乃至３Ｄに示されるようにスペシメンがそれらの厚さによって破壊された後で得られる。内部エリア１は、主要な円柱状粒子の長さに沿って主要な円柱状粒子から横に延在する不可欠な二次の円柱状粒子ＳＣを有する主要な円柱状粒子ＰＣのある量を備えるコーティング構造を現した。エリア２及び３は、サンプルエリア全体にわたって主要な円柱状粒子の長さに沿って主要な円柱状粒子から横に延在する不可欠な二次の円柱状粒子ＳＣを有する主要な円柱状粒子ＰＣを現した。二次の円柱状粒子ＳＣは、約６乃至１０ミクロンの繰り返し間隔（間隔）でそれぞれの主要な円柱状粒子の長さに沿って離れて置かれた。一般的に、二次の円柱状粒子は、ＥＢＰＶＤ沈着中に成長する主要な円柱状粒子のそれぞれの円柱軸に関して２５乃至３０度の鋭角で主要な円柱状粒子から延在する。
【００３８】
比較において、同様の基板のスペシメンは、従来の円柱状粒子だけを含有するコーティング構造を有するＴＢＣを生成するために同様の条件でＥＢＰＶＤコーティングされる。
【００３９】
従来のコーティング構造を備えるＴＢＣは、前述に記載のコーティングパラメータを用いるＥＢＰＶＤによって沈着されたが、しかし、本発明のスペシメンの２０ミクロン±２ミクロンの酸素圧とは対照的に、ほんの６ミクロン±２ミクロンで制御された酸素圧で沈着される。従来のセラミックコーティングの典型的な厚さは、５乃至２０ミルの範囲であった。
【００４０】
かかるＥＢＰＶＤパラメータを用いて生成した代表的な７ＹＳＺの従来のセラミックコーティングは、図４Ａ，４Ｂ，４Ｃ及び４Ｄに示される。図４Ａは、コーティング全体の厚さの２００倍の顕微鏡写真である。４Ｂ，４Ｃ及び４Ｄは、図４Ａに描写された、内部エリア１、中間エリア２、及び外部エリア３の７５０倍の顕微鏡写真である。顕微鏡写真は、セラミックコーティングの破壊された表面が図４Ａ乃至４Ｄに示されるようにスペシメンがそれらの厚さによって破壊された後で得られる。図４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの内部エリア、中間エリア及び外部エリアは、円柱状粒子構造だけを備えるコーティング構造を現す。本発明のコーティング構造の図４Ｃ及び４Ｄ対図３Ｃ及び３Ｄを比較することによって明白なように、主要な円柱状粒子の長さに沿って主要な円柱状粒子から横に延在する不可欠な二次の円柱状粒子を有する主要な円柱状粒子は存在しなかった。
【００４１】
図３Ａ乃至３Ｄ及び４Ａ乃至４Ｄによって示されたセラミックコーティングの熱伝導率は、大量規模のセラミックコーティングサンプルの生成が実際的ではないし、例えばガスタービンエンジンの作動における実際の構成部分で生成される比較的薄いセラミックのＴＢＣコーティングの代表でもないため、ＡＳＴＭＥ１４６１工程に準じるレーザーフラッシュ技術によって決定される。その技術は、基板とセラミックコーティング、つまり特定の熱、熱拡散率及び密度の３つのパラメータの測定を必要とする。代表的な基板（例えば、ＣＭＳＸ−４ニッケルを基にした超合金）とセラミックのコーティング物質（例えば、７ＹＳＺ）は、特定の熱の値に対する温度を提供するために測定された。コーティングされないディスク基板（例えば、ＣＭＳＸ−４ニッケルを基にした超合金で名目上０．５インチの直径で０．０２０インチ厚）は熱拡散率に対する温度を測定された。ＴＢＣがコーティングされた基板（名目上のコーティングの厚さは０．１０５インチ）は、熱拡散率に対する温度を測定された。基板の熱拡散性と基板のＴＢＣコーティングを知ることで、コーティング独自の熱拡散性は決定できる。コーティング沈着中の熱拡散率サンプルの近くに位置する証明クーポンは、コーティング密度を測定するために使用された。コーティングの熱伝導率は、コーティングの特定の熱にコーティングの熱拡散率を掛けて、さらにコーティング密度を掛けることによって計算される。
【００４２】
図６は、異なる温度での図３Ａ乃至３Ｄの本発明のセラミックコーティング（正方形のデータポイントを参照）と図４Ａ乃至４Ｄの従来のセラミックコーティング（ダイアモンド型のデータポイントを参照）の熱伝導率のグラフである。大量の６ＹＳＺ（６質量％イットリア、残部ジルコニア）及び８ＹＳＺ（８質量％イットリア、残部ジルコニア）の熱伝導率は比較目的のために示されており、Ｓ．ラグハベン等のＡＣＴＡＭＡＴＥＲＩＡＬＩＡ、４９、２００１年、１６９頁から得られた。
【００４３】
本発明に準じるセラミックコーティング（図３Ａ乃至３Ｄ）は、従来のセラミックコーティングの熱伝導率と比較して、２５℃から１１５０℃までのすべての温度で実質的に減少された熱伝導率を表すことは明らかである。例えば、一般的に、図３Ａ乃至３Ｄのセラミックコーティングの熱伝導率は、試験温度において図４Ａ乃至４Ｄの従来のセラミックコーティングの熱伝導率の３２％であった。熱伝導率の多大で予期しない減少は、基板（例えば翼１２）の温度をさらに減少する際に使用される遮熱コーティングを可能にし、又は同様に翼の温度を維持する一方で適用される薄い遮熱コーティングを可能にすることにおいて有利である。
【００４４】
さらなる比較の目的において、基板のスペシメンの追加的なセット（図６の７Ｙ４６ＨｆＺｒＯで明示される）は、７質量％イットリア、４６質量％ハフニア、及び残部ジルコニアを含有するＴＢＣを生成するために記載されるような同様の状況下でコーティングされたＥＢＰＶＤであった。２０ミクロンの酸素ガス圧で得られたコーティング構造は図３Ａ乃至３Ｄのコーティング構造と同様であり、一方で６ミクロンの酸素ガス圧で得られたコーティング構造は図４Ａ乃至４Ｄのコーティング構造（つまり、円柱状粒子だけを有する）と同様であった。７Ｙ４６ＨＦＺｒＯセラミックコーティングの熱伝導率は図６に示され、ここで２０ミクロンの酸素ガス圧で形成されたセラミックコーティングの熱伝導率は、６ミクロンの酸素のガス圧で生成され円柱状粒子だけを有するセラミックコーティングの熱伝導率より、すべての温度で実質的に小さい。
【００４５】
さらにまた、さらなるサファイアの基板は、円柱状粒子及び主要な円柱状粒子と主要な円柱状粒子から横に成長する二次の円柱状粒子だけを含有する外層を有する図２Ｂで示されるＴＢＣ３０のタイプを形成するためにコーティングされたＥＢＰＶＤであった。内層は図４Ａ乃至４Ｄのサファイアの基板をコーティングするための記載のような同様のＴＢＣコーティングパラメータを用いて形成されて、一方で外層は図３Ａ乃至３Ｄのサファイアの基板をコーティングするための記載のような同様のＴＢＣコーティングパラメータを用いる、続く個別のコーティング段階で形成された。図５Ａ乃至５Ｄは、かかる内層及び外層を備えて生成されたＴＢＣを示す。図５Ａは、内部の円柱状粒子層及び主要な円柱状粒子から横に延在する二次の円柱状粒子を備える主要な円柱状粒子を含有する外層を有する、断熱層がコーティングされたサファイアの基板が破壊されて１３０倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。図５Ｂは、円柱状粒子だけを有する内層を６６７倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。図５Ｃは、内層と外層との間の遷移域を６６７倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。図５Ｄは、主要な円柱状粒子と主要な円柱状粒子から横に成長する二次の円柱状粒子を有する外層を６６７倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明と一致する遮熱コーティングでコーティングできるガスタービンエンジンブレードの斜視図である。
【図２Ａ】本発明の実施態様と一致するセラミックの遮熱コーティングを含有する遮熱コーティングシステムを概略する断面図である。
【図２Ｂ】本発明の別の実施態様と一致するセラミックの遮熱コーティングを含有する遮熱コーティングシステムを概略する断面図である。
【図３Ａ】本発明の実施態様と一致する破壊されたセラミックの遮熱コーティングの１６０倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図３Ｂ】本発明の実施態様と一致する破壊されたセラミックの遮熱コーティングの７５０倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図３Ｃ】本発明の実施態様と一致する破壊されたセラミックの遮熱コーティングの７５０倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図３Ｄ】本発明の実施態様と一致する破壊されたセラミックの遮熱コーティングの７５０倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図４Ａ】破壊された従来の遮熱コーティングの２００倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図４Ｂ】破壊された従来の遮熱コーティングの７５０倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図４Ｃ】破壊された従来の遮熱コーティングの７５０倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図４Ｄ】破壊された従来の遮熱コーティングの７５０倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図５Ａ】本発明の別の実施態様と一致する破壊されたセラミックの遮熱コーティングの１３０倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図５Ｂ】本発明の別の実施態様と一致する破壊されたセラミックの遮熱コーティングの６６７倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図５Ｃ】本発明の別の実施態様と一致する破壊されたセラミックの遮熱コーティングの６６７倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図５Ｄ】本発明の別の実施態様と一致する破壊されたセラミックの遮熱コーティングの６６７倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真である。
【図６】７ＹＳＺの２０ミクロン及び７Ｙ４６ＨｆＺｒＯの２０ミクロンが明示された本発明のコーティングを含有する様々なセラミックのコーティングにおいて異なる温度での熱伝導率のグラフである。
【図７】本発明の実行のために使用することができるＥＢＰＶＤ装置の概略図である。
【符号の説明】
１０ブレード
１２翼
１２ａ後縁
１４土台部分
１６先端部分
２４ボンディングコート
２４ａ翼（基板）１２に近接の内部の拡散領域
２４ｂ外層の領域
２８酸化アルミニウム（アルミナ）層
３０遮熱コーティング
３０ａ内層部分
３０ｂ外層部分
３０ｃ遷移域
ＡＮ円柱軸ＡＸに関して９０度よりも小さい鋭角
ＡＸ円柱軸
ＰＣ主要な円柱状粒子
ＳＣ二次の円柱状粒子
Ｃ円柱
Ｅ熱を反射する囲い込み
Ｉインゴット
Ｓ基板

Claims

基板表面にセラミックコーティングを形成する方法であって、
前記セラミックコーティングは、複数の層を含有し、
一つの層は、ＥＢＰＶＤ法により構成され、
前記一つの層を形成するため、
（Ａ）チャンバー内の少なくとも一つの供給源から、ジルコニアを主成分とするセラミック材料を蒸発させるステップと、
（Ｂ）ジルコニアを主成分とするセラミック材料の成膜を制御して、前記基板の表面に対して実質的に垂直に延在する一次柱状粒子であって、該一次柱状粒子から、各柱軸に対して横方向に延在する二次柱状粒子を有する一次柱状粒子を形成するステップと、を有し、
前記（Ｂ）のステップは、
前記基板を、１９５０゜Ｆ〜２０００゜Ｆまで加熱するステップと、
前記基板を、回転させるステップと、
前記チャンバー内のガス圧を、十分に高い圧力レベルに制御するステップであって、酸素分圧を１５〜３０ミクロンの範囲にするステップと
を有し、これにより、前記一次柱状粒子であって、該一次柱状粒子から横方向に延在する前記二次柱状粒子を有する一次柱状粒子が形成され、
前記二次柱状粒子は、前記基板から外側に向かう前記柱軸の方向との間に鋭角を形成するように、横方向に延在することを特徴とする方法。
前記ガスは、酸素と、酸素及び別のガスの混合物とから構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記一次柱状粒子は、前記ジルコニアを主成分とするセラミック材料の主要な結晶成長方向に沿って成長することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
前記二次柱状粒子は、前記ジルコニアを主成分とするセラミック材料の二次結晶成長方向に沿って成長することを特徴とする請求項３に記載の方法。
構成部品の表面に、セラミックコーティングを形成する方法であって、
前記構成部品に金属のボンディングコートを形成するステップを有し、
前記セラミックコーティングは、複数の層を含有し、一つの層を形成するため、当該方法は、
（A）コーティングチャンバー内で、少なくとも一つの供給源から、該供給源に電子ビームを照射させることにより、ジルコニアを主成分とするセラミック材料を蒸発させるステップと、
（B）前記表面上の前記ジルコニアを主成分とするセラミック材料の成膜を制御することにより、前記金属のボンディングコートの表面に対して実質的に垂直に延在する一次柱状粒子であって、前記一次柱状粒子の長手方向に沿って、前記一次柱状粒子から、各柱軸に対して、横方向に延在する二次柱状粒を有する一次柱状粒子を形成するステップと、
を含有し、
前記ステップ（B）は、
前記構成部品を、１９５０゜Ｆ〜２０００゜Ｆまで加熱するステップと、
前記構成部品を、回転させるステップと、
前記チャンバー内のガス圧を、十分に高い圧力レベルに制御するステップであって、酸素分圧を１５〜３０ミクロンの範囲にするステップと、
を有し、これにより、前記一次柱状粒子であって、該一次柱状粒子から横方向に延在する前記二次柱状粒子を有する一次柱状粒子が形成され、
前記二次柱状粒子は、前記基板から外側に向かう前記柱軸の方向との間に鋭角を形成するように、横方向に延在することを特徴とする方法。
基板及び該基板の表面のセラミックコーティングを含有する製品であって、
前記セラミックコーティングは、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の方法で形成されることを特徴とする製品。
前記基板は、該基板上の金属のボンディングコート及び該金属のボンディングコート上の酸化アルミニウム層を有する超合金を含み、前記セラミックコーティングは、前記酸化アルミニウム層上に設置されることを特徴とする請求項６に記載の製品。
前記金属のボンディングコートは、アルミニウム化物拡散層及びＭＣｒＡｌＹ層からなるグループから選択され、ここでＭはＮｉ及びＣｏ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に記載の製品。
前記セラミックコーティングは、ジルコニアを安定化するための第二酸化物を含み、前記第二酸化物はイットリアを含むことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一つに記載の製品。