JP5247049B2 - 部分的に合金化されたジルコニア粉末 - Google Patents

Description

本発明は、断熱層被覆用の材料に係り、より詳細には、プラズマ溶射堆積法と共に使用される部分的に安定化されたジルコニア粉末に関する。

セラミック断熱層被覆（ＴＢＣｓ）は、ここ数年、産業用ガスタービン、航空機エンジン、船舶用推進機、及び、他の高温金属用途で継続して使用されている。このような被覆用に使用されている材料としては、７ＹＳＺと称される、約７重量％のイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）がある。通常、この材料からなる被覆は、低熱伝導率、高熱膨張係数、及び、比較的高い温度範囲に対する相安定性を含む特性の有利な組合せをもたらす。ある場合には、７ＹＳＺを有するＴＢＣｓの使用は、下層の金属表面で１７０℃（３００°Ｆ）までの温度降下をもたらし、それ故に、金属部材の耐久性を改善し、エンジン性能の向上を可能にする。より高いエンジン効率、より高い性能、及び、向上した耐久性に対する要求は、より高い保護性能を有する向上した被覆に対する必要性を生み出している。

ＴＢＣの堆積は、例えばプラズマ溶射法を使用して達成される。この方法では、セラミック粉末原料は高速プラズマ蒸気内に注入され、そこで、溶融されると同時に基板に向けて推進される。この溶融粒子が基板に衝突すると、それらは凝固し、“スプラット”を形成する。“スプラット”はＴＢＣを形成するために堆積される。実際に結果として得られる被覆の部分となるこの粉末原料の量は、堆積効率の程度による。堆積効率は、全体の原料の重量に対する被覆重量の割合として通常定義される。被覆産業において、堆積効率の改善には、堆積速度を改善すると共に材料損失を低減するための継続的な目標が残っている。
特表２００４−５１５６４９号公報

本発明は、部分的に安定化されたジルコニア粉末を提供することを目的とする。
また、本発明は、堆積効率が向上されたジルコニア複合材粉末の製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、部分的に安定化されたジルコニア粉末を基板に形成する方法を提供することを目的とする。

本発明は、イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物の１つ以上によって部分的に合金化された低い密度及び多孔性のジルコニア（ＺｒＯ_２）複合材粉末を準備することによって、改善された被覆性能及び堆積効率に対する上述の要求に適合する。上述の酸化物は、単独で又は組み合わせて含まれることがある。本発明の一実施形態によれば、合金化酸化物の総量は、約３０重量％未満にする必要がある。ある例は、約６から９重量％のイットリアを含むジルコニア合金である。この粉末は、適量（例えば、総量で３０重量％未満）のイットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物、又は、これらの酸化物のあらゆる組合せを含む、自然に凝集された又は化学的に生成されたジルコニア複合材粉末の制御された焼結、又は、軽い（ライト）プラズマ緻密化によって製造される。本発明の粉末は、約１０から約７５体積％の単斜相ジルコニア（ＺｒＯ_２）または合金化されていないジルコニア（ＺｒＯ_２）を含む。この粉末の見掛け密度は、約１．０から２．０ｇ／ｃｍ^３の範囲である。同一処理条件下でプラズマ溶射堆積法が使用される場合、本発明の粉末の堆積効率は、同様の組成と同様の粒径分布の完全に合金化された粉末（完全合金化された粉末とは、１０％未満の単斜ジルコニア相を含むジルコニア合金を示す。）の堆積効率より５０％以上高い。本発明の粉末の使用によって得られる被覆は、約５％未満の単斜相含有量を有する。

本発明の一側面において、部分的に合金化されたジルコニア複合材粉末の製造方法が提供され、その方法は、イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物、又は、これらの酸化物の組合せを含み、噴霧乾燥、メカニカルクラッディング、または、アトリッションミルによって形成される凝集粉末を準備する段階、または、化学的に生成されたジルコニア複合材粉末を準備する段階の何れかの段階（１）と、少なくとも１４００℃まで前記粉末を加熱することによって前記凝集粉末または化学的に生成された粉末を焼結する段階であって、前記焼結処理は、前記合金化度を約２５から９０％の範囲に収めるように制御する段階（２）と、を含む。

本発明の他の側面において、部分的に合金化されたジルコニア複合材粉末の更なる製造方法が提供され、その方法は、イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物、又は、これらの酸化物の組合せを含み、噴霧乾燥、メカニカルクラッディング、または、アトリッションミルによって形成される凝集粉末を準備する段階、または、化学的に生成されたジルコニア複合材粉末を準備する段階の何れかの段階（１）と、大気中、低圧、または、真空制御雰囲気で前記凝集粉末または化学的に生成された粉末をプラズマ緻密化する段階であって、前記プラズマ緻密化処理は、前記合金化度を約２５から９０％の範囲に収めるように制御する段階（２）と、を含む。

本発明の他の側面において、部分的に合金化されたジルコニア複合材粉末の更なる製造方法が提供され、その方法は、イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物、又は、これらの酸化物の組合せを含み、噴霧乾燥、メカニカルクラッディング、または、アトリッションミルによって形成される凝集粉末を準備する段階、または、化学的に生成されたジルコニア複合材粉末を準備する段階の何れかの段階（１）と、大気中、低圧、または、真空制御雰囲気で焼結及びプラズマ緻密化を用いて前記凝集粉末または化学的に生成された粉末を合金化する段階であって、前記焼結処理と前記プラズマ緻密化処理の組合せは、前記合金化度を約２５から９０％の範囲に収めるように制御する段階（２）と、を含む。

本発明の更なる他の側面において、基板上に被覆を形成する方法が提供される。この方法は、イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物、又は、これらの酸化物のあらゆる組合せで部分的に合金化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）を準備する段階であって、前記粉末は、約１０から約７５体積％の単斜相ジルコニアまたは合金化されていないジルコニアを有する段階を含む。この方法の他の段階は、前記被覆を形成するためにプラズマ溶射法を使用して基板に前記粉末を堆積する段階であって、前記被覆は、５％未満の単斜相含有量を有する段階である。

本発明の更なる側面は、以下の詳細の説明に記述されており、その詳細な説明から部分的に明らかになり、本発明の実施例から把握されるであろう。本発明の側面は、特に以下に指摘される手段及び組合せによって理解され、把握されるであろう。

添付の図面は、本発明の更なる理解を提供するためのものであり、本明細書に含まれ、本明細書の一部を構成し、本発明の原理を説明するための詳細な説明とともに本発明の実施形態を示す。
図１は、本発明に従う粉末製造方法のフローチャートを示し、図２は、本発明に従って使用されるプラズマ緻密化装置の概略図を示し、図３は、本発明の一形態に従って形成された被覆の顕微鏡写真を示す。

以下に、本発明の好ましい実施形態が詳細に参照され、その実施形態の例は、添付の図面に図示されている。

本発明は、イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物、又は、これらの酸化物のあらゆる組合せで部分的に合金化された、低い濃度と多孔性を有するジルコニア（ＺｒＯ_２）粉末の製造方法を含む。この合金化酸化物の総量は、３０重量％未満にする必要がある。１つの例は、約６から約９重量％のイットリアを含むジルコニア複合材であるが、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で多くの他の複合材が考えられる。同一の処理条件下でプラズマ溶射した場合、この粉末は、同一組成で同様の粒径分布を有して完全に合金化された粉末の堆積効率より５％から５０％ほど高い堆積効率を示す。部分的に合金化されたジルコニア複合材粉末は、約１０から約７５体積％の単斜相ジルコニア（ＺｒＯ_２）または合金化されていないジルコニア（ＺｒＯ_２）を含む。完全に合金化された粉末、例えば、溶融・粉砕され、プラズマ緻密化され、凝集及び焼結された粉末は、通常、１０体積％未満の単斜相ジルコニアまたは合金化されていないジルコニア（ＺｒＯ_２）を含む。

図１は、本発明による粉末の生成及び塗布する方法におけるフローチャート１００を示す。ステップＳ１０２において、ベース粉末材料が準備される。このベース材料は、適量のイットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物、又は、これらの酸化物のあらゆる組合せを含む凝集粉末、または、化学的に生成されたジルコニア複合材粉末である。ステップＳ１０２のこの凝集粉末は、例えば、噴霧乾燥、メカニカルクラッディング、または、アトリッションミルによって形成される。次に、このベース粉末は、制御された焼結（ステップＳ１０４）、又は、軽いプラズマ緻密化（ステップＳ１０６）の何れかを通じて部分的に合金化される。場合によっては、この粉末は、焼結及びプラズマ緻密化の組合せによって合金化されてもよい。ステップＳ１０４において、焼結は、この粉末を１４００℃またはそれ以上の温度まで加熱することができるあらゆる炉で行うことができる。

ステップ１０６において、プラズマ緻密化は、プラズマ装置内で行われる。本発明の実施形態によるプラズマ装置２００の概略図が図２に示される。このプラズマ装置２００は、所望の電源及び冷却システム（図示略）、粉末供給機２０４、粉末を収集するチャンバー２０６、及び、除塵システム２０８を有する。このプラズマトーチ２０２は、例えば、直流（ＤＣ）プラズマトーチまたは誘導プラズマトーチでありえる。このプラズマトーチ２００は、大気中、低圧下、真空中、または、制御された雰囲気中で動作することができる。

部分的に合金化された粉末の形成において、ステップＳ１０４の焼結またはステップＳ１０６のプラズマ緻密化は、その合金度を約２５から９０％の範囲に収めるように制御される。言い換えると、この生成物内の単斜相ジルコニア（ＺｒＯ_２）は、約１０から７５体積％に維持される。焼結ステップＳ１０４またはプラズマ緻密化ステップＳ１０６の何れかから得られる粉末は、１．０から２．０ｇ／ｃｍ^３の見掛け密度を有する。得られる粉末は、溶射用の通常の粒径を有し、その粒径は、約５マイクロメートル以上で約８０メッシュ（１８０マイクロメーター）以下の範囲内である。

ステップＳ１０８において、得られた被覆が５％未満の単斜相含有量を有するように、この粉末は、被覆を形成するためにプラズマ溶射法を使用して基板上に堆積される。同一粒径を有し、同一処理条件下でプラズマ溶射され、完全に合金化された粉末と比較すると、本発明のこの粉末は、堆積効率において５％から５０％の改善を示す。図３は、上述の方法の実施形態によって基板３１０に塗布されて得られた被覆３００の断面の顕微鏡写真を示す。

更なる利点及び修正が当業者には容易に思い浮かぶであろう。そのため、広範な見地において、本発明は、ここに示されて記述された特定の具体例及び代表的な実施形態に限定されない。したがって、添付された特許請求の範囲及びその均等物によって定義される本発明の全般的な概念の精神及び範囲から逸脱することなく様々な修正がなされる。

本発明に従う粉末製造方法のフローチャートを示す。 本発明に従って使用されるプラズマ緻密化装置の概略図を示す。 本発明の一形態に従って形成された被覆の顕微鏡写真を示す。

符号の説明

１００ フローチャ−ト
２００ プラズマ装置
２０２ プラズマトーチ
２０４ 粉末供給機
２０６ チャンバー
２０８ 除塵システム
３００ 被覆
３１０ 基板

Claims (22)

1. イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物の１つ以上によって部分的に合金化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）複合材粉末であって、
   前記合金化酸化物の総量は、３０重量％未満であり、
   前記粉末は、１０から７５体積％の単斜相ジルコニアを有し、前記ジルコニア複合材粉末は、被覆を形成するために処理されるまで部分的に合金化されたままである、ジルコニア複合材粉末。
2. 前記複合材粉末は、６から９重量％のイットリアを含む、請求項１に記載のジルコニア複合材粉末。
3. 前記複合材粉末は、一般的に５マイクロメートルから１８０マイクロメートルの範囲内である、溶射用に適した典型的な粒径を有する、請求項１に記載のジルコニア複合材粉末。
4. 前記複合材粉末の見掛け密度は、１．０から２．０ｇ／ｃｍ^３である、請求項１に記載のジルコニア複合材粉末。
5. イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物の１つ以上によって部分的に合金化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）複合材粉末の製造方法であり、前記粉末は、１０から７５体積％の単斜相ジルコニアを有し、前記ジルコニア複合材粉末は、被覆を形成するために処理されるまで部分的に合金化されたままである、ジルコニア複合材粉末の製造方法であって、
   イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物の１つ以上を３０重量％未満含む、凝集粉末または化学的に生成されたジルコニア複合材粉末を準備する段階と、
   少なくとも１４００℃まで前記粉末を加熱することによって前記凝集粉末または化学的に生成された粉末を焼結する段階であって、前記焼結処理は、前記合金化度を２５から９０％の範囲に収めるように制御する段階と、を含む、ジルコニア複合材粉末の製造方法。
6. 前記凝集粉末は、噴霧乾燥、メカニカルクラッディング、または、アトリッションミルによって形成される、請求項５に記載のジルコニア複合材粉末の製造方法。
7. 前記凝集粉末または前記化学的に生成されたジルコニア複合材粉末は、６から９重量％のイットリアを含む、請求項５に記載のジルコニア複合材粉末の製造方法。
8. 前記部分的に合金化されたジルコニア複合材粉末は、一般的に５マイクロメートルから１８０マイクロメートルの範囲内である、溶射用に適した典型的な粒径を有する、請求項５に記載のジルコニア複合材粉末。
9. 前記部分的に合金化されたジルコニア複合材粉末の見掛け密度は、１．０から２．０ｇ／ｃｍ^３である、請求項５に記載のジルコニア複合材粉末。
10. イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物の１つ以上によって部分的に合金化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）複合材粉末の製造方法であり、前記粉末は、１０から７５体積％の単斜相ジルコニアを有し、前記ジルコニア複合材粉末は、被覆を形成するために処理されるまで部分的に合金化されたままである、ジルコニア複合材粉末の製造方法であって、
    イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物の１つ以上を３０重量％未満含む、凝集粉末または化学的に生成されたジルコニア複合材粉末を準備する段階と、
    前記凝集粉末または化学的に生成された粉末をプラズマ緻密化する段階であって、前記プラズマ緻密化処理は、前記合金化度を２５から９０％の範囲に収めるように制御する段階と、を含む、ジルコニア複合材粉末の製造方法。
11. 前記凝集粉末は、噴霧乾燥、メカニカルクラッディング、または、アトリッションミルによって形成される、請求項１０に記載のジルコニア複合材粉末の製造方法。
12. 前記プラズマ緻密化段階は、大気中、低圧、または、真空制御雰囲気で行われる、請求項１０に記載のジルコニア複合材粉末の製造方法。
13. 前記凝集粉末または前記化学的に生成されたジルコニア複合材粉末は、６から９重量％のイットリアを含む、請求項１０に記載のジルコニア複合材粉末の製造方法。
14. 前記部分的に合金化されたジルコニア複合材粉末は、一般的に５マイクロメートルから１８０マイクロメートルの範囲内である、溶射用に適した典型的な粒径を有する、請求項１０に記載のジルコニア複合材粉末の製造方法。
15. 前記部分的に合金化されたジルコニア複合材粉末の見掛け密度は、１．０から２．０ｇ／ｃｍ^３である、請求項１０に記載のジルコニア複合材粉末の製造方法。
16. イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物の１つ以上によって部分的に合金化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）複合材粉末の製造方法であり、前記粉末は、１０から７５体積％の単斜相ジルコニアを有し、前記ジルコニア複合材粉末は、被覆を形成するために処理されるまで部分的に合金化されたままである、ジルコニア複合材粉末の製造方法であって、
    イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物の１つ以上を３０重量％未満含む、凝集粉末または化学的に生成されたジルコニア複合材粉末を準備する段階と、
    焼結及びプラズマ緻密化の組合せを使用して前記準備された粉末を部分的に合金化する段階であって、前記焼結処理とプラズマ緻密化処理の組合せは、前記合金化度を２５から９０％の範囲に収めるように制御する段階と、を含む、ジルコニア複合材粉末の製造方法。
17. 前記プラズマ緻密化段階は、大気中、低圧、または、真空制御雰囲気で行われる、請求項１６に記載のジルコニア複合材粉末の製造方法。
18. 前記焼結段階は、前記粉末を少なくとも１４００℃まで加熱することを含む、請求項１６に記載のジルコニア複合材粉末の製造方法。
19. 前記凝集粉末または前記化学的に生成されたジルコニア複合材粉末は、６から９重量％のイットリアを含む、請求項１６に記載のジルコニア複合材粉末の製造方法。
20. 前記部分的に合金化されたジルコニア複合材粉末は、一般的に５マイクロメートルから１８０マイクロメートルの範囲内である、溶射用に適した典型的な粒径を有する、請求項１６に記載のジルコニア複合材粉末の製造方法。
21. 前記部分的に合金化されたジルコニア複合材粉末の見掛け密度は、１．０から２．０ｇ／ｃｍ^３である、請求項１６に記載のジルコニア複合材粉末の製造方法。
22. 基板上に被覆を形成する方法であって、
    イットリア、スカンジア、ジスプロシア、イッテルビア、又は、ランタノイドまたはアクチノイドの酸化物の１つ以上によって部分的に合金化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）複合材粉末を準備する段階であって、前記粉末は、１０から７５体積％の単斜相ジルコニアを有し、前記ジルコニア複合材粉末は、被覆を形成するために処理されるまで部分的に合金化されたままである段階と、
    前記被覆を形成するためにプラズマ溶射法を使用して基板に前記粉末を堆積する段階であって、前記被覆は、５％未満の単斜相含有量を有する段階と、を含む方法。