JP6980022B2 - オーバーレイとの適合性を有する遮熱コーティングシステム - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
この国際出願は、２０１７年１月３０日に出願された、“Thermal Barrier Coating Systems with Compatible Overlay for Improved Deposit Resistance”と題する米国仮特許出願第６２／４５２，１２４号明細書（U.S. Provisional Patent Application Serial No. 62/452,124）の利益を主張し、その全開示は、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。

発明の背景
１．発明の属する技術分野
本発明は、高温コーティング材料に関し、より具体的には、遮熱コーティング（ＴＢＣ）のためのオーバーレイおよびその製造方法に関する。

２．関連技術の説明
ガスタービンは、コンプレッサー部、燃焼部、およびタービン部を収容するためのケーシングまたはシリンダーを含む。供給される空気は、コンプレッサー部で圧縮され、燃焼部に送られる。圧縮空気は、燃焼入口に入り、燃料と混合される。次に、空気／燃料の混合物が燃焼され、高温高圧ガスが生成される。この作動ガスは、次いで燃焼器移行部を通過してタービンのタービン部に移動する。

概して、タービン部は、作動ガスを、タービンブレードの翼部分に導くベーンの列を含む。作動ガスは、タービン部を通過し、タービンブレードを回転させて、それによってローターを回転させる。ローターはコンプレッサー部にも取り付けられ、それによってコンプレッサーを回転させ、さらに発電機を回転させて発電する。燃焼部を流れるガスを実用的な温度まで加熱することにより、燃焼タービンの高効率化が実現される。しかしながら、高温ガスは、タービンを流れる際に通過する燃焼器、移行ダクト、ベーン、リングセグメント、およびタービンブレードなどのさまざまな金属タービンのコンポーネントを劣化させ得る。

このため、これらの極端な温度に耐えるように適合された高温材料の開発および選択、ならびに動作中のコンポーネントの適切な冷却を維持するための冷却戦略などの、タービンのコンポーネントを極端な温度から保護するための戦略が開発された。このような戦略の１つには、コンポーネントの基材表面上に遮熱コーティング（ＴＢＣ）を堆積させて、基材への熱流を減らし、したがって下にある基材の暴露温度を下げることが含まれる。したがって、ＴＢＣは、高温のサービス環境で高い耐久性を有していなければならない。しかしながら、エンジンの動作温度が上昇すると、汚染組成物とＴＢＣとの間の化学的および機械的相互作用がより激しくなる。例えば、溶融した汚染組成物は、ＴＢＣと反応するか、またはその孔および開口部に浸透し、それによって亀裂を開始かつ伝播させ、そしてＴＢＣ材料の層間剥離および損失を引き起こし得る。

特に、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、およびそれらの混合物の酸化物が、結合して、ＣＭＡＳ（Ｃａ−Ｍｇ−Ａｌ−ＳｉＯ）と呼ばれる汚染組成物を形成し得る。ＣＭＡＳ汚染組成物は、エンジンのコンポーネント上のＴＢＣと結合して低融点共晶を形成し、ＴＢＣを腐食損傷し得る。これらの溶融した汚染組成物は、ＴＢＣの細孔に浸透し、冷却時に、溶融した材料が堆積物として固化し得る。エンジン内の酸化鉄および酸化ニッケルは、他のＣＭＡＳ成分と結合するかどうかに関係なく、ＴＢＣ上に有害な堆積物も形成し、ＴＢＣの破損を引き起こし得る。堆積物は、ＣＭＡＳ組成物、ニッケルおよび／または鉄に富む酸化物、または低融点共晶を形成するそれらの組み合わせであり得る。これが発生した場合、ＴＢＣに亀裂が発生して伝播し、ＴＢＣの歪追従性（strain compliance）が低下し、これによってＴＢＣの破砕および熱保護特性の損失のリスクが高まる。

ＴＢＣをＣＭＡＳ関連の損傷などから保護するための多くのコーティング溶液が提案されてきた。概して、これらの保護層またはコーティングは、ＣＭＡＳに対して不浸透性、犠牲的、または非湿潤性であると説明されている。不浸透性コーティングは、概して、溶融したＣＭＡＳの浸透を抑制すると特徴づけられている。犠牲コーティングは、ＣＭＡＳと反応してＣＭＡＳの融解温度および粘度を高め、それにより、改変されたＣＭＡＳの関連するＴＢＣへの浸透を抑制する。非湿潤コーティングは、固体ＴＢＣとそれに接触する溶融したＣＭＡＳとの間の引力を低減し、ＣＭＡＳのＴＢＣへの浸透を低減する。保護コーティングシステムの例については、米国特許第６，７２０，０３８号明細書（U.S. Patent Nos. 6,720,038）、米国特許第６，６２７，３２３号明細書（U.S. Patent Nos. 6,627,323）；米国特許第６，４６５，０９０号明細書（U.S. Patent Nos. 6,465,090）；米国特許第５，９１４，１８９号明細書（U.S. Patent Nos. 5,914,189）；米国特許第５，８７１，８２０号明細書（U.S. Patent Nos. 5,871,820）；米国特許第５，７７３，１４１号明細書（U.S. Patent Nos. 5,773,141）；および米国特許第５，６６０，８８５号明細書（U.S. Patent Nos. 5,660,885）を参照されたい。

概要
本発明の一態様では、高温コーティングシステムは、遮熱コーティング層；および遮熱コーティング層上の熱安定性で、耐堆積性の保護層を含む。

本発明の別の態様では、コンポーネントは、基材；基材上の遮熱コーティング層；および遮熱コーティング層上の熱安定性で、耐堆積性の保護層を含む。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の図面、詳細な説明および特許請求の範囲を参照することにより、よりよく理解されるようになるであろう。

本発明は、図によってさらに詳細に示される。図は、好ましい構成を示しており、発明の範囲を限定するものではない。

図１は、本発明の一態様によるガスタービンの断面図である。 図２は、本発明の例示的な実施形態の一態様によるコーティングシステムを例示する。 図３は、本発明の例示的な実施形態の一態様による別のコーティングシステムを例示する。 図４は、本発明の例示的な実施形態の一態様による別のコーティングシステムを例示する。

詳細な説明
好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、その一部を形成する添付の図面が参照され、本発明が実施され得る特定の実施形態が、限定ではなく例示として示される。他の実施形態が利用されてよく、かつ本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく変更が加えられてよいことが理解されるべきである。

広義には、本発明の一実施形態は、以下を含む高温コーティングシステムを提供する：遮熱コーティング層；および遮熱コーティング層上の熱安定性で、耐堆積性の保護層。

図１を参照すると、一例として、ガスタービンエンジン１０は、コンプレッサー部１２、燃焼器部１４、タービン部１６、および排気ケーシング１８を含み得る。コンプレッサー部１２は、周囲空気２２が吸気ハウジング２４から入った後、周囲空気２２を圧縮する。燃焼器部１４は、圧縮空気２２と燃料とを組み合わせ、混合物に点火して、作動流体３０を形成する高温ガスを含む燃焼生成物を生成する。燃焼器部１４は、複数の同軸に配置されたバーナー２８を備えた燃焼室２６、特に環状燃焼室を含む。作動流体３０は、タービン部１６に移動する。タービン部１６内には、ガイドベーン３２の周方向交互列４４およびローターブレード３４の列４２がそれぞれあり、ブレード３４は、ローター３６に結合されている。タービン部１６は、ベーン３２、ブレード３４およびローター３６を収容する固定タービンケーシングを含む。ガスタービンのブレード３４は、燃焼器部１４から高温作動流体３０を受け取り、発電機または機械（図示せず）へのシャフト回転の機械的仕事を生み出す。

コンプレッサー部１２は、吸気ハウジング２４を通して周囲空気２２を取り入れ、空気２２を圧縮する。コンプレッサー部１２のタービン側端部でコンプレッサー部１２を出る圧縮空気は、バーナー２８に送られ、そこで空気が次いで燃料と混合される。次に、燃焼器部１４の燃焼室２６内で、混合物が、燃焼して作動流体３０を形成する。作動中、作動流体３０は、複数の連続するタービン段４０を含む高温ガスダクト３８を通って移動する。作動流体３０は、ガイドベーン３２およびローターブレード３４を通過する。ガイドベーン３２は、ステーター４８の内側ハウジング４６に固定されている。ローターブレード３４は、タービンディスク５０のようなものによってローター３６に取り付けられている。作動流体３０は、ローターブレード３４で膨張し、ローターブレード３４がローター３６を駆動し、ローター３６がローター３６に結合された機械を駆動するように運動量を伝達する。

図２は、コンポーネント１００の部分断面図を示す。コンポーネント１００は、上記で図１に示したガスタービンコンポーネントなどの任意の所望のコンポーネントであり得る。例えば、コンポーネント１００は、ブレード、ベーン、トランジションピースなどのタービンの高温ガス経路内のコンポーネントを含み得る。本発明はこの例に限定されないことが理解される。コンポーネント１００は、一例として、タービンブレード３４またはガイドベーン３２であり得る。図２に見られるように、コンポーネントは、その上に遮熱コーティング（ＴＢＣ）１０４を備えた基材１０２、およびＴＢＣ１０４上の熱安定性で耐堆積性の保護コーティング層１０６を含む。この実施形態では、ＴＢＣ１０４および熱安定性で耐堆積性の保護コーティング層１０６は、まとめて基材１０２用のコーティングシステム１０８と呼ばれ得る。熱安定性で耐堆積性の保護コーティング層１０６は、ＣＭＡＳおよび他の有害な堆積物のＴＢＣ１０４への浸透を低減または排除する。ＣＭＡＳは、かかる堆積物１１２の例として図３および本出願全体に示される。図３は、基材１０２の上に配置されたＴＢＣ１０４を示し、熱安定性で耐堆積性の保護コーティング層１０６が、コンポーネント１００の最外層になるように、ＴＢＣ１０４の上に保護コーティング層１０６が配置されている。構成により、堆積物１１２は、最初に熱安定性で耐堆積性の保護コーティング層１０６に遭遇する。熱安定性という用語は、当該技術分野で知られているガスタービンエンジンの動作温度範囲を指す。

基材１０２は、ＴＢＣ１０４および本明細書に記載の熱安定性で耐堆積性の保護コーティング層１０６から利益をもたらす任意の適切な材料から形成され得る。特定の実施形態では、基材１０２は、超合金材料を含む。「超合金」という用語は、高温でも優れた機械的強度および耐クリープ性を示す耐腐食性および耐酸化性の高い合金を指すために当該技術分野で一般的に使用されているので本明細書で使用される。

他のいくつかの実施形態では、基材１０２は、当該技術分野で知られているように、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）の材料を含んでよい。ＣＭＣ材料は、セラミックまたはセラミックマトリックス材料を含んでよく、それぞれが複数の強化繊維をホストしている。特定の実施形態では、少なくとも、異なる方向で異なる強度特性を有し得るという意味で、ＣＭＣ材料は異方性であってもよい。材料の選択や繊維の配向など、さまざまな要因がＣＭＣ材料の強度特性に影響を与え得ることは評価されている。さらに、ＣＭＣ材料は、酸化物または非酸化物ＣＭＣ材料を含み得る。一実施形態では、ＣＭＣ材料は、当該技術分野で知られている酸化物−酸化物ＣＭＣ材料を含み得る。

ＴＢＣ１０４は、下にある基材１０２にある程度の熱保護をもたらす任意の適切なＴＢＣ材料を含んでよい。一実施形態では、ＴＢＣ材料は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）材料など、当該技術分野で知られている安定化ジルコニア材料を含む。他の実施形態では、ジルコニアは、代わりにまたは部分的に、マグネシア、セリア、スカンディア、または他の適切な酸化物材料などの他の酸化物で安定化されてよい。ＹＳＺ材料の例には、所定の濃度の酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、パイロクロールなどを含む酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）が含まれる。特定の実施形態では、ＴＢＣ１０４は、電子ビームＰＶＤ（ＥＢＰＶＤ）などの物理蒸着（ＰＶＤ）プロセス、または非柱状微細構造を介して提供され得る柱状微細構造を備えてよい。通常、ＴＢＣ１０４は、ある程度の多孔性を備えており、したがって上記のように堆積物１１２の浸透による破砕の影響を受けやすい。ＴＢＣ１０４は、目的の用途に適した厚さであってもよい。

特定の実施形態では、図４に示すように、コーティングシステム１０８は、ＴＢＣ１０４と基材１０２との間にボンドコーティング層１１０をさらに含んでよく、ＴＢＣ１０４の基材１０２への接着を改善し、下にある基材１０２の酸化の可能性を減らす。熱安定性で耐堆積性の保護コーティング層１０６は、ＴＢＣ１０４の上に再び堆積される。代替的に、ＴＢＣ１０４と基材１０２との間のボンドコーティング層１１０が、省略されてもよく、かつ図２〜３に示すようにＴＢＣ１０４が、基材１０２の表面上に直接適用されてもよい。ボンドコーティング層１１０は、その意図する目的に適した任意の材料を含んでよい。例示的なボンドコーティング層１１０は、ＭＣｒＡｌＹ材料を含み、ここでＭは、ニッケル、コバルト、鉄、またはそ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、かつＹはイットリウムを示す。本明細書で使用するための別の例示的なボンドコーティング層１１０は、アルミナを含む。ボンドコーティング層１１０は、スパッタリング、プラズマスプレー、または蒸着、例えば、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）などの任意の公知のプロセスによって基材１０２に適用されてよい。

ＴＢＣ１０４の上に堆積された潜在的な層は、密度が高く、かつ前述のＹＳＺなどの一般的なＴＢＣ材料と熱膨張係数（ＣＴＥ）に大きな差がある材料に基づく傾向がある。例えば、アルミナは、ＣＭＡＳ耐性保護コーティング層の構成要素として示される。アルミニウムの酸化物であるアルミナは、６〜８重量％のＹＳＺのＣＴＥが１０〜１１×１０^−６／℃付近ではるかに大きい場合、７〜８×１０^−６／℃付近のＣＴＥを有する。このＣＴＥの違いによって、特に高密度および／または厚いアルミナ層の場合、熱ひずみが、サイクリング中にＴＢＣコーティングシステム内で引き起こされ得る。保護層の部分的または完全な破砕が発生し、したがってその機能が失われ得る。さらに、強力に接着する保護層の破砕によって、しばしば下にあるＴＢＣ層の破砕が引き起こされ、金属コンポーネントが部分的または完全に高温環境にさらされる。

ＣＴＥ不整合および結果として生じる熱不整合応力を低減するために、熱安定性で耐堆積性の保護コーティング層１０６が使用され得る。このような熱安定性で耐堆積性の材料の１つは、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４の化学式を有するかんらん石固溶体系統のマグネシウムが豊富な端成分であるフォルステライトである。化学的に安定した酸化物であるフォルステライトは、３．８Ｗ／ｍｋの熱伝導率で約１９００℃の融点を有する。さらに、フォルステライトのＣＴＥ（約１０×１０^−６／℃）は、６〜８重量％のＹＳＺのＣＴＥとほぼ一致している。厚さは、所望のコンポーネントの特性に合わせて調整することができる。

純粋なまたはドープされた構成のフォルステライトは、熱安定性で耐堆積性の保護コーティング層１０６の材料として使用され得る。さらに、フォルステライトの非化学量論的組成は、熱的不整合をさらに低減することができる。過剰量のマグネシア（ＭｇＯ）を含むフォルステライトの非化学量論的組成は、熱的不整合をさらに低減することができる。ＣＴＥを微調整して下にあるＴＢＣ層の材料とほぼ一致するように組成を選択することができ、したがってＣＴＥ不整合を最小限に抑えるか、または排除することができる。

ＴＢＣと反応し得るＣＭＡＳの主要成分は、ＣａおよびＳｉである。ケイ酸塩であるフォルステライトは、ＣＭＡＳとＴＢＣとの間の反応を封じ得る追加の保護を提供することができる。保護コーティング層１０６として、フォルステライトの代わりに、アルミン酸マグネシウムスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）などの他の熱安定性のＣＭＡＳ耐性材料を適用することができる。本明細書では、アルミン酸マグネシウムスピネルの非化学量論的複合材（ＭｇＯ−ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）は、そのＣＴＥを、下にあるＴＢＣ層に一致するように調整できるので、特に適切であり得る。

熱安定性で耐堆積性の保護コーティング層１０６を使用して、熱サイクルにさらされたＴＢＣコーティングシステムでのＣＴＥ不整合および結果として生じる熱応力を低減することができる。熱安定性で耐堆積性の保護コーティング層１０６の追加により、保護層の破砕の防止または遅延が可能になり、したがって保護層の寿命が延びて機能が長持ちする。保護層の破砕の防止は、次に下にあるＴＢＣ層の破砕を防ぐことができる。

熱安定性で耐堆積性の保護コーティング層１０６は、熱スプレー、プラズマスプレー、コーティング、エアブラッシング、または蒸着、例えば電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）などの任意の公知のプロセスによってＴＢＣ１０４に適用され得る。

特定の実施形態を詳細に説明したが、当業者は、本開示の全体的な教示に照らして、それらの詳細に対する様々な改変および代替法を開発できることを理解するであろう。したがって、開示された特定の配置は、例示のみを意図しており、添付の特許請求の範囲およびそのあらゆる同等物の全範囲が与えられる本発明の範囲に関して限定するものではない。

Claims (4)

1. 基材（１０２）；
   イットリア安定化ジルコニアと柱状微細構造を含む、遮熱コーティング層（１０４）；および
   遮熱コーティング層（１０４）上の熱安定性で耐堆積性の保護層（１０６）
   を含み、
   熱安定性で耐堆積性の保護層（１０６）が、過剰量のマグネシア（ＭｇＯ）を含むフォルステライトであり、
   遮熱コーティング層（１０４）と基材（１０２）との間にボンドコーティング層（１１０）を含み、ボンドコーティング層（１１０）は、ＭＣｒＡｌＹ材料を含み、ここでＭは、ニッケル、コバルト、鉄、またはそ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、かつＹはイットリウムを示す、
   高温コーティングシステム（１０８）。
2. 基材（１０２）；
   基材（１０２）上の、イットリア安定化ジルコニアと柱状微細構造を含む遮熱コーティング層（１０４）；および
   遮熱コーティング層（１０４）上の熱安定性で耐堆積性の保護層（１０６）
   を含み、
   熱安定性で耐堆積性の保護層（１０６）が、過剰量のマグネシア（ＭｇＯ）を含むフォルステライトであり、
   遮熱コーティング層（１０４）と基材（１０２）との間にボンドコーティング層（１１０）を含み、ボンドコーティング層（１１０）は、ＭＣｒＡｌＹ材料を含み、ここでＭは、ニッケル、コバルト、鉄、またはそ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、かつＹはイットリウムを示す、コンポーネント（１００）。
3. ガスタービンローターブレードを含む、請求項２記載のコンポーネント（１００）。
4. ガスタービン固定ガイドベーンを含む、請求項２記載のコンポーネント（１００）。

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