JP6514444B2 - 成膜法及び被覆物品 - Google Patents
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Description
本発明は、成膜法及び被覆物品に関する。より具体的には本発明は結晶質皮膜に関する。
様々なシステムで一般的な過酷な作動条件によって物品の表面に劣化及び／又は損傷が生じるおそれがある。劣化及び／又は損傷を低減又は解消するため物品の表面に耐環境コーティング（ＥＢＣ）を堆積させることが多い。例えば損傷の一形態として、ガス流中の水蒸気によるセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）の劣化が挙げられる。水蒸気は、炭化ケイ素と反応してケイ素水酸化物を形成する。ＥＢＣの一般的堆積法は、大気プラズマ溶射のような溶射によるものである。
従来の大気プラズマ溶射では、ＥＢＣは非晶質状態で堆積される。非晶質（無定形）状態では、ＥＢＣの原子は規則格子の形には配置されない。コーティングの性能を向上させるため、被覆物品の成膜後熱処理によって非晶質構造を結晶させるか、或いは結晶質構造にすることができる。コーティングの結晶化は、コーティングに体積変化を生じて、欠陥及び／又は剥離を招くおそれのある応力を発生させることが多い。物品の成膜後熱処理は、結晶質構造の形成に伴ってＥＢＣ材料を膨張させる。ＥＢＣ材料の膨張は、ミクロ割れ、物品からのＥＢＣの剥離又はこれらの組合せのような様々なミクロ組織欠陥を起こす可能性がある。ＥＢＣの剥離は、ＥＢＣ及び／又は物品に損傷及び／又は故障箇所を導入する。
ＥＢＣ材料の膨張時に形成される欠陥を低減又は解消する方法として、成膜後熱処理を５０時間超に延ばすことが挙げられるが、これは時間がかかるだけでなく製造コストが増大する。ＥＢＣ材料の膨張を防ぐ別の方法として、開放型ボックス炉を用いてＥＢＣ堆積前又はそれと同時に物品を加熱すること、並びに電気抵抗加熱を用いてＥＢＣ堆積前又はそれと同時に物品を加熱することが挙げられる。開放型ボックス炉は複雑な幾何学形状のの部品のコーティングには適しておらず、ロバストな製造プロセスでもない。抵抗加熱は比均一な加熱を生じて、物品の局所的過熱及び部分的溶融を生じる。
当技術分野では、上述の短所の１以上が解消された成膜法及び被覆物品が望まれている。
一実施形態では、成膜法は、物品をインダクタに対して位置決めする段階と、物品をインダクタで加熱する段階と、次いで物品上に皮膜材料を施工して結晶質皮膜を形成する段階とを含む。物品の加熱は物品の表面の第１の温度を結晶形成に資する第２の温度に上昇させる。
別の実施形態では、成膜法は、物品を位置決めする段階と、物品の表面を結晶形成に資する第２の温度に均一に加熱する段階と、次いで物品の表面に耐環境皮膜材料を施工して結晶質耐環境コーティングを形成する段階とを含む。耐環境コーティングの施工は大気プラズマ溶射堆積法によって実施される。
別の実施形態では、被覆物品は、複雑な幾何学形状を有する物品と、物品の表面に施工された結晶質皮膜とを含む。結晶質皮膜は増大した剥離耐性を有する。
本発明のその他の特徴及び利点については、本発明の原理を例示する図面と併せて好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。
図面を通して、同じ部材にはできるだけ同じ符号を用いた。
本願では例示的な成膜プロセス及び被覆物品を提供する。本明細書で開示する実施形態は、本明細書で開示した特徴の１以上を用いないプロセス及び物品に比べて、耐環境コーティング（ＥＢＣ）の剥離の低減又は解消、ＥＢＣを有する物品の製造時間の短縮、ＥＢＣを有する物品の製造コストの削減、ＥＢＣの施工時のＥＢＣの結晶性の増大、コーティング欠陥の低減、コーティング寿命の増大、コーティング機能の増大又はこれらの組合せが得られる。
図１を参照すると、一実施形態では、プロセス１５０は、物品１０１をインダクタ１０２に対して位置決めし（段階１１５）と、物品１０１をインダクタ１０２で加熱し（段階１００）と、次いで物品１０１に皮膜材料１０４を施工して（段階１２０）、非晶質材料よりも結晶質材料の量が増大した結晶質皮膜１０７を形成する（段階１３０）ことを含む。物品１０１の加熱（段階１００）は、物品１０１の表面１０５の第１の温度を、結晶形成に適した第２の温度に上昇させる。物品１０１は、例えば、タービンバケット、タービン動翼、高温ガス経路部品、シュラウド、燃焼器ライナー、結晶質皮膜を有する部品、その他任意の好適な部品又はこれらの組合せである。物品１０１は、プロセス１５０全体又はその一部の前にシステム及び／又は装置から取り外してもよいし、或いはプロセス１５０全体又はその一部を通してシステム及び／又は装置に取り付けられたままであってもよい。
一実施形態では、プロセス１５０は、表面１０５の第１の温度を結晶形成に適した第２の温度に上昇させることができる適当な任意のエネルギー源に対して物品を位置決めすること（段階１１５）を含む。適当なエネルギー源としては、限定されるものではないが、赤外線（ＩＲ）源、トーチ、インダクタ１０２又はこれらの組合せが挙げられる。インダクタ１０２は、他のエネルギー源に比べて、増大した加熱速度（段階１００）、向上した加熱制御性（段階１００）、プラズマ溶射による損傷に対する抵抗性の増大、及びコストの削減を提供することができる。
加熱（段階１００）は、表面１０５の第１の温度を結晶形成に適した第２の温度に上昇させることができる適当な時間にわたって、皮膜材料１０４の施工（段階１２０）の前及び／又はそれと同時に実施される。皮膜材料１０４の施工（段階１２０）前の加熱（段階１００）に適した時間としては、約０．０００１時間〜約１時間、約０．００５時間〜約０．９５時間、約０．１時間〜約０．９時間、約０．１時間〜約０．５時間、約０．０５時間〜約０．２時間、約０．０５時間〜約０．１５時間、或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲が挙げられる。
物品１０１の加熱（段階１００）は、物品１０１の第１の温度を非晶質−結晶質形成温度から結晶形成に適した第２の温度に上昇させる。表面１０５の第１の温度の上昇によって、物品１０１の表面１０５の上に施工（段階１２０）される皮膜材料１０４の冷却速度が低下する。冷却速度の低下がガラス転移温度（Ｔｇ）を低下させこれによりそのコーティング１０４を、すべての空間方向に延びる秩序だったパターンで配列されると共に低エネルギー状態を有する固体／結晶質格子となるように再整列させることが可能である。固体／結晶質格子形成は結晶質皮膜１０７の中に形成される結晶質構造の百分率を増大させる。
結晶形成に適した第１の温度は、皮膜材料１０４の施工（段階１２０）により結晶質皮膜１０７が形成（段階１３０）される適当な任意の温度又はこれを超える温度である。結晶形成に適した第１の温度は、非晶質−結晶質形成温度の変動に対応するような異なる組成を有する皮膜材料１０４向けに調整される。結晶形成に適した適当な温度としては、限定されるものではないが、約５００℃〜約１５００℃、約８００℃〜約１２００℃、約８００℃〜約１０００℃、約９００℃〜約１２００℃、約１０００℃〜約１５００℃、少なくとも８００℃、少なくとも１０００℃、或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲が挙げられる。
時間／温度の関係は、複数の熱化学的及び／又は熱物理学的現象の発生を推進する。各熱化学的及び／又は熱物理学的現象は、結晶質皮膜１０７の形成（段階１３０）がどのように何時起こるかに影響を与える。皮膜材料１０４の施工（段階１２０）前又は施工時の表面１０５の第１の温度を高めると、非晶質材料に比べて結晶質皮膜１０７中の結晶質材料の量が増加する。一実施形態では、結晶質皮膜１０７は、非晶質材料をほとんど又は全く含まない。例えば、物品を１０００℃に加熱（段階１００）すると結晶質皮膜１０７中に８０％の結晶質材料が形成されるが、物品を３００℃に加熱（段階１００）すると結晶質材料は７％しか形成されない。
結晶形成に適した第２の温度では、皮膜材料１０４の施工（段階１２０）によって結晶質皮膜１０７内の欠陥の量が減少し、結晶質皮膜１０７のミクロ組織安定性が増大する。ミクロ組織安定性の増大は、例えば非晶質相を生じる非晶質形成温度で施工された皮膜材料１０４でみられる相変化の低減又は解消などによって、結晶質皮膜１０７の寿命増大及び機能向上をもたらす。
皮膜材料１０４の施工（段階１２０）は、表面１０５を被覆することのできる適当な任意の技術による。表面１０５は、例えば複雑な幾何学形状及び／又は非平面輪郭などの、適当な幾何学形状を有する。本明細書で用いる「複雑な幾何学形状」という用語は、容易又は一貫して特定又は再現することのできない形状をいい、例えば、正方形でも、円形でも、矩形でもないものをいう。複雑な幾何学形状の例は、ブレード／バケットの前縁、ブレード／バケットの後縁、ブレード／バケットの負圧面、ブレード／バケットの正圧面、ブレード／バケット先端、ダブテール、ダブテールのエンジェルウィングに存在するものである。適当な技術としては、限定されるものではないが、溶射（例えば、溶射ノズル１０３によるもの）、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、高圧酸素式高速フレーム（ＨＶＯＦ）溶射、圧縮空気式高速フレーム（ＨＶＡＦ）溶射、高速大気プラズマ溶射（ＨＶ−ＡＰＳ）、高周波（ＲＦ）誘導プラズマ、直接気相堆積法又はこれらの組合せが挙げられる。
一実施形態では、プロセス１５０は、少なくとも物品１０１の表面１０５への皮膜材料１０４の施工（段階１２０）の間ずっと、結晶形成に適した第２の温度を維持すること（段階１１０）を含む。第２の温度に維持すると（段階１１０）、成膜後熱処理を低減又はなすくことができる。成膜後熱処理の低減又は除外は、製造の簡単さの増大、製造コストの低下、剥離の低減又は解消、ギャップ形成の低減又は解消又はこれらの組合せをもたらす。
一実施形態では、結晶質皮膜１０７の形成（段階１３０）は成膜後熱処理を伴わない。これによって、成膜後熱処理時にみられる皮膜材料１０４の体積膨張が低減又は解消される。皮膜材料１０４の体積膨張の低減又は解消によって、表面積１０５からの結晶質皮膜１０７の剥離が低減又は解消される。例えば低下した体積膨張レベルとしては、限定されるものではないが、約０．３０％以下、約０．１５％以下、約０．０６％以下、約０．００１％〜約０．３０％、約０．００５％〜約０．１５％、約０．０１％〜約０．０６％、或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲が挙げられる。一実施形態では、１０ミルを超える結晶質皮膜１０７の剥離は結晶質皮膜１０７の破壊である。
一実施形態では、結晶質皮膜の形成（段階１３０）の少なくとも一部分は成膜後熱処理（図示せず）を含む。成膜後熱処理は適当な時間である。適当な時間としては、限定されるものではないが、約０．５時間〜約５０時間、約１時間〜約５０時間、約５時間〜約５０時間、約０．５時間〜約２５時間、約１時間〜約２５時間、約０．５時間〜約１５時間、約０．５時間〜約１０時間、約１時間〜約１０時間、約５時間〜約５０時間、或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲が挙げられる。
一実施形態では、プロセス１５０は、結晶形成に適した第２の温度を維持する（段階１１０）際にインダクタ１０２及び／又は物品１０１の相対的操作（図示せず）を含む。別の実施形態では、相対的操作は、成膜後熱処理に使用できる炉（図示せず）の外部におくことによって達成される。相対的操作は、皮膜材料１０４の施工（段階１２０）を均一又は実質的均一にすることができる。相対的操作としては、限定されるものではないが、回転、パニング（panning）、ファニング（fanning）、振動、旋回（revolving）、フリッピング（flipping）、スピニング又はこれらの組合せのような方法が挙げられる。一実施形態では、相対的操作は、結晶形成に適した第２の温度に耐えることができる適当な組成の物品によって実施される。適当な組成としては、限定されるものではないが、セラミック、セラミックマトリックス複合材、金属、金属合金又はこれらの組合せが挙げられる。
皮膜材料１０４の施工（段階１２０）が均一である実施形態では、結晶質皮膜１０７の形成（段階１３０）の結果、物品１０１の表面１０５で均一な深さが得られる。結晶質皮膜１０７の均一な深さは、個々の皮膜に適した任意の深さである。結晶質皮膜１０７の適当な深さとしては、限定されるものではないが、約１ミル〜約２０００ミル、約１ミル〜約１００ミル、約１０ミル〜約２０ミル、約２０ミル〜約３０ミル、約３０ミル〜約４０ミル、約４０ミル〜約５０ミル、約２０ミル〜約４０ミル、約０．５〜約３０ミル、或いはこれらの適当な任意の組合せ、部分組、範囲又は部分範囲が挙げられる。
皮膜材料１０４は、物品１０１に施工できる適当な任意の材料である。適当な材料としては、限定されるものではないが、遮熱コーティング（ＴＢＣ）材料、ボンドコート材料、耐環境コーティング（ＥＢＣ）材料、結晶化皮膜材料又はこれらの組合せが挙げられる。一実施形態では、ＴＢＣ材料として、限定されるものではないが、イットリア安定化ジルコニア及びイットリア安定化ハフネートが挙げられる。一実施形態では、ＥＢＣ材料として、限定されるものではないが、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩（ＢＳＡＳ）、ムライト、イットリア安定化ジルコニア、イッテルビウムドープトシリカ、希土類ケイ酸塩及びこれらの組合せが挙げられる。物品１０１は、皮膜材料１０４と適合性の適当な任意の組成の組成２０１を含む。適当な組成としては、限定されるものではないが、ケイ素系セラミックマトリックス複合材、合金、ニッケル基合金又はこれらの組合せが挙げられる。
一実施形態では、プロセス１５０は、結晶質皮膜１０７の形成（段階１３０）後に物品１０１を冷却する段階（段階１４０）を含む。物品の冷却（段階１４０）の間ずっと、結晶質皮膜１０７は結晶状態に維持される。一実施形態では、結晶形成に適した第２の温度を維持（段階１１０）する際に物品１０１の操作と皮膜材料１０４の施工（段階１２０）とを繰り返して多層結晶質皮膜１０７を形成する（段階１３０）。
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を種々変更させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
１０１ 物品
１０２ インダクタ
１０３ ノズル
１０４ 皮膜材料
１０５ 表面
１０７ 結晶質皮膜
１１０ 温度の維持
１１５ 物品の位置決め
１２０ 皮膜材料の施工
１３０ 結晶質皮膜の形成
１４０ 物品の冷却
１０２ インダクタ
１０３ ノズル
１０４ 皮膜材料
１０５ 表面
１０７ 結晶質皮膜
１１０ 温度の維持
１１５ 物品の位置決め
１２０ 皮膜材料の施工
１３０ 結晶質皮膜の形成
１４０ 物品の冷却
Claims (12)
- 成膜法であって、
タービン部品である物品をインダクタに対してインダクタの外部に位置決めする段階と、
インダクタの外部におかれた物品をインダクタで加熱する段階と、次いで
物品上に皮膜材料を施工して結晶質皮膜を形成する段階と
を含み、
物品上に皮膜材料を施工することは、前記部品から離れた材料供給源（１０３）から該皮膜材料を該部品に提供することを含み、
前記皮膜材料は、遮熱コーティング材料、ボンドコート材料、耐環境コーティング材料、又はこれらの組合せから選ばれ、
前記皮膜材料に対応して、前記結晶質皮膜が、遮熱コーティング、ボンドコート、耐環境コーティング又はこれらの組合せから選ばれ、
物品の加熱が物品の表面の第１の温度を前記皮膜材料の非晶質形成よりも結晶形成に資する第２の温度に上昇させ、皮膜材料を施工しながらインダクタによる加熱によって第２の温度を維持し、
結晶質皮膜が、成膜後熱処理なしで形成されることを特徴とする、成膜法。 - 結晶質皮膜が、前記タービン部品のブレード／バケットの前縁、ブレード／バケットの後縁、ブレード／バケットの負圧面、ブレード／バケットの正圧面、ブレード／バケット先端、ダブテール、及び、ダブテールのエンジェルウィングのいずれか１以上の上に設けられる、請求項１記載の成膜法。
- 物品をインダクタに対して相対的に動かす段階をさらに含む、請求項１又は請求項２記載の成膜法。
- インダクタを物品に対して相対的に動かす段階をさらに含む、請求項１又は請求項２記載の成膜法。
- 物品がセラミックマトリックス複合材又はニッケル合金を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の成膜法。
- 皮膜材料が耐環境コーティングである、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の成膜法。
- 皮膜材料の施工による結晶質皮膜の形成が相変化なしで起こる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の成膜法。
- 皮膜材料の施工による結晶質皮膜の形成が体積変化なしで起こる、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の成膜法。
- 溶射、大気プラズマ溶射、高圧酸素式高速フレーム溶射、圧縮空気式高速フレーム溶射、高速大気プラズマ溶射及び高周波誘導プラズマからなる群から選択される方法によって皮膜材料を堆積させる段階をさらに含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の成膜法。
- 結晶質皮膜が１２．７〜７６２μｍ（０．５ミル〜３０ミル）の間の皮膜深さを有する、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の成膜法。
- 物品を装置から取り外す段階をさらに含む、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の成膜法。
- 皮膜材料の堆積中ずっと物品が装置に取り付けられたままである、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の成膜法。
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