JP7214620B2 - 熱的にストレスを受ける構造体のための保護コーティング - Google Patents

Description

本発明は、陰極アーク蒸着によって製造される、熱的にストレスを受ける構造体上の保護コーティングを配置する方法に関する。

高温に曝される部品の保護のため、高温使用の間に材料温度を低下させるために、熱障壁コーティング（ＴＢＣ（thermal barrier coating））が用いられる。熱障壁コーティングは、たとえば非常に高い動作温度に曝されるガスタービンに要求される。しかしながら、ブレードおよび燃焼室部などの、熱障壁コーティングでコーティングされた高効率の熱いガス部品を有する現代のガスタービンにおいては、温度場がしばしば形成される。温度場は、カルシウム、マグネシウム、アルミニウムおよびシリコンなどの成分を有するコーティングが動作の間に堆積されることを可能にする。これらの堆積物は、一般にＣＭＡＳと呼ばれ、化学記号Ｃａ、Ｍｇ、ＡｌおよびＳｉに由来する。これらのコーティングまたはこれらのコーティングの一部は、熱障壁コーティングのセラミック材料と化学的に反応し得る、および／または、熱障壁コーティングの中へ浸透し得る。この場合、熱障壁コーティングは、たとえば対応するガスタービンの動作の過程で破壊される。油不純物、汚染されたパイプもしくはコンプレッサからの接続からのニッケルを含むまたは鉄を含む堆積物から形成される他のコーティングも、硬化および／または脆化によって熱障壁コーティングを破壊し得る。

たとえばアルミニウム粒子を有する熱障壁コーティングを並べることおよび直接的な相互作用によるＣＭＡＳ液相の形成は、従来では、融解の生成物が熱障壁コーティングの細孔の中へ侵入し得ないように高融点相を形成することによって回避される。このタイプのコーティングは、通常、後処理を必要とし、いくつかのプロセスステップを必要とする。したがって、目的は、可能な限り少ないステップで熱障壁コーティングの保護コーティングを適用することである。

目的は、請求項１に記載の構成を有する方法によって達成される。本発明のさらに有利な実施および実施形態が、サブクレームおよび従属クレームから、図面から、ならびに例示の実施形態から推測される。

本発明の第一の局面は、陰極アーク蒸着によって、熱的にストレスを受ける構造体上に酸化アルミニウム含有物を有する少なくとも１つの第一層を備える保護コーティングを配置する方法に関し、熱的にストレスを受ける構造体は、少なくとも１つの熱障壁コーティングを備え、本方法は、
Ｓ１）コーティング室に熱的にストレスを受ける構造体を提供するステップと、
Ｓ２）コーティング室にコーティングのための材料源としてターゲットを提供するステップと、を特徴とし、ターゲットは、少なくともアルミニウムを含み、本方法はさらに、
Ｓ３）コーティング室に制御された酸素分圧を提供するステップと、
Ｓ４）ターゲットからの材料が熱的にストレスを受ける構造体の熱障壁コーティングの外側に蒸着および堆積されるように、アークを点火するステップと、を特徴とし、
保護コーティングは、均質なアルファ－酸化アルミニウム系の層として適用される。

語句ターゲットは、前述の蒸着方法において部分的に融解され蒸着される材料として当業者に知られる用語である。

語句基板は、層が基板上に堆積されるように、その上に蒸着されたターゲット材料が凝縮および堆積される材料として当業者に知られる用語である。基板は、本願では、前述の熱障壁コーティングで示される。

語句層は、他の態様を明示的に意味しない場合、本願では、保護コーティングの構成部分である層を意味する。

Ａｌに加えてさらなる元素も含み得る層が、本願では、酸化アルミニウム系の層によって理解されるべきである。

反応性陰極アーク蒸着（反応性ＣＡＥ）の方法は、当業者にとって周知である。該方法では、酸化アルミニウム系の層が、基本的に、熱障壁コーティング上に堆積され、アーク蒸着の間に陰極として動作されるターゲットが蒸着される。蒸着は、制御された酸素分圧または制御された酸素ガス流下で、真空で行われる。

酸素雰囲気における材料の蒸着の結果として、少なくとも１つの均質な層がたった１つの方法ステップで酸化物として適用されることができることから、均質な保護コーティングの適用を可能にするため、本方法は有利である。時間のかかる後処理は必要とされない。必要とされる場合は、構造体に備えられ得る空気穴を冷却することによる追加の処理が要求されるが、低支出しか含まない。

ターゲットは、好ましくは、クロム金属を加えて含む。これによれば、アルミニウムクロムターゲットが反応性ＣＡＥで蒸着される。ターゲットにおけるクロムの割合は、実際にはすでに５００℃以下の比較的低い温度で、Ａｌ－Ｃｒ－Ｏ混晶の形成におけるコランダム構造の形成を必要とする。クロムの含有量は、特に好ましくは、コーティングの間に生成されるＡｌ－Ｃｒ－Ｏ混晶構造の格子定数がコランダムとエスコラ石との間にある範囲内で調節されるように、この場合調整される。この場合、結晶の格子定数が部品の百分率割合に線形的に依存し得ることに従うベガードの法則が利用される。さらに、高い割合のクロムは、保護コーティングが形成されるため、特に有利である。保護コーティングは、高クロム含有量を有する材料（保護コーティング）から低クロム含有量を有する材料（熱障壁コーティング）までのクロムの拡散の結果として製造され、その間にＡｌ－Ｃｒ－Ｏ混晶のコランダム構造が得られる。

Ａｌ－Ｃｒ－Ｏ混晶構造は、加工条件（特に、クロム含有量、コーティングの間に支配する酸素分圧、および基板、すなわち保護コーティングが適用される熱障壁コーティングの温度）の結果として、層堆積の間に影響を受け得、対応して制御され得る様々な結晶のサイズで存在し得る。これは、保護コーティングの堆積された層が条件、たとえばＸ線アモルファスに依存し得、または他の場合ではＸ線解析の間にはっきりとコランダム構造を示し得るという結果を有し、クロム含有物のブラッグピークの位置は、純コランダムのそれとエスコラ石のそれとの間に対応して位置する。

さらに、ターゲットは、好ましくは、チタン、ハフニウム、シリコンおよびジルコニウムを含む群から選択される追加の元素を備える。特定の性質を得るために、さらなる元素がターゲットに含まれてもよい。元素は、コーティングされるべき材料に適合されるように、または製造されるべき層の特定の特性に影響を与えるために選択される。本発明の意味における実質的に均質な層を生成するためには、アルミニウムにおける前述の追加の元素の溶解限界は、著しく超過するべきではない。言い換えれば、元素の濃度は、アルミニウムにおけるそれらの溶解限界が概ね達成されるが可能な限り高くないようなレベルであり得る。あるいは、追加の元素の濃度は、材料の特性を特定の要求に適合するために、たとえば合成された層の熱膨張係数と熱障壁コーティングの下にある材料の熱膨張係数とを互いに適合するために、より高いレベルであってもよい。

コーティングの間の基板の温度は、好ましくは、少なくとも２００℃である。さらに、コーティングの間の基板の温度は、好ましくは、約６００℃である。

適用された保護コーティングの厚さは、好ましくは、５～５００μｍの間である。この場合、厚さは、保護コーティングが配置される層の表面、特に熱障壁コーティングの表面の質に応じて選択される。

本方法のさらに好ましい実施形態では、少なくとも１つの第一層および１つの第二層が、保護コーティングを製造するために適用される。３つの層が適用されてもよい。

層の堆積の間に、保護コーティングの化学組成において勾配が製造される場合も好ましい。反応性ＣＡＥは、有利には、熱障壁コーティングまたは熱障壁コーティングに適用される材料と本発明に係る保護コーティングのコランダム構造との間の勾配の製造を可能にする。勾配は、１つの層に存在してもよい。したがって、複数の層からなる保護コーティングを製造するとき、１つの構造が勾配を介して別の構造へ融合され得る。この加工は、有利には、その化学組成に関して、ホットガス腐食に対して保護されるべきである基板上に保護コーティングが配置されることとなる、特に複数の層からなる保護コーティングのターゲットとなる設計を可能にする。

本発明の第二の局面は、本発明に係る方法によって製造された保護コーティングに関する。したがって、本発明に係る保護コーティングは、酸化アルミニウム、好ましくはＡｌ－Ｃｒ－Ｏ混晶からなる均質な層を有し、反応性陰極アーク蒸着によって適用される。

本発明の第三の局面は、本発明に係る保護コーティングを有するガスタービンの部品に関する。したがって、部品は、本発明の意味における熱的にストレスを受ける構造体を有する、またはこの熱的にストレスを受ける構造体である。本発明に係る保護コーティングは、たとえば燃焼室部またはガスタービンのブレード上にある。

本発明の第四の局面は、本発明に係る少なくとも１つの部品を有するガスタービンに関する。したがって、本発明に係るガスタービンは、少なくとも１つの部品、たとえば本発明に係る保護コーティングが適用される熱障壁コーティングを有する燃焼室部またはブレードを有する。

本発明は、図面を参照してより詳細に説明される。

本発明に係る保護コーティングの実施形態を有する部品の概略図である。 本発明に係る保護コーティングのさらなる実施形態を有する部品の概略図である。 本発明に係る方法の実施形態のフローダイアグラムである。

図１に示される実施形態では、層システム１は、部品のベース材料２を有する。ベース材料２上には、ＭＣｒＡｌＹタイプの金属接着層３が直接配置される。この合金におけるＭは、典型的には、鉄、コバルトおよびニッケルを含む群からの少なくとも１つの金属を表す。イットリウム（Ｙ）の代替として、別の元素、好ましくは希土類元素が合金に用いられてもよい。ＭＣｒＡｌＹタイプの代替として、拡散アルミナイドまたはプラチナで修飾された拡散アルミナイドなどの拡散コーティングが、接着層３として用いられてもよい。

接着層３上には、熱障壁コーティング４が配置される。熱障壁コーティングは、セラミック材料、たとえば酸化イットリウム安定化ジルコニウム二酸化物または酸化ガドリニウム安定化ジルコニウム酸化物を備える。熱障壁コーティング４は、酸化イットリウム安定化ジルコニウム二酸化物および酸化ガドリニウム安定化ジルコニウム酸化物の両方を備えてもよい。

熱障壁コーティング４上には、図１に係る例示の実施形態において１つの層からなる保護コーティング５が配置される。１つの実施形態における保護コーティング５は、コランダム構造ともよばれるα－酸化アルミニウムからなる均質な層である。さらなる実施形態においては、層は、クロムを含む。この場合、コランダム構造は、Ａｌ－Ｃｒ－Ｏ混晶からなる。クロム含有量に応じて、クロムは高クロム含有量を有する層から低クロム含有量を有する層へ拡散し、Ａｌ－Ｃｒ－Ｏ混晶のコランダム構造が得られる。保護コーティング５から熱障壁コーティング４への拡散の例として、これは、（Ａｌ_0.99Ｃｒ_0.01）₂Ｏ₃層が（Ａｌ_0.7Ｃｒ_0.3）₂Ｏ₃層から形成されることを意味する。この輸送は、元の暗い灰色の彩色から緑色へ、次いで赤色の彩色への、温度依存性の層の色の変化を伴う。Ｘ線結晶構造解析では、混晶からいわゆる希コランダム（EdelKorund）（ルビー）への遷移がこの場合明らかにされ得る。

図２の図に係る例示の実施形態では、保護コーティング５は、第一層５ａと第二層５ｂとからなる。加えて、接着層６が熱障壁コーティング４上に配置され、接着層６上にはまた保護コーティング５が配置される。接着層６は、たとえば、ジルコニウム－イットリウムターゲットの蒸着によって形成される。この接着層上には、Ａｌ－Ｚｒ－ＯまたはＡｌ－Ｚｒ（Ｃｒ）－Ｏからなる組成を備える第一層５ａが配置され、すなわち熱障壁コーティング４と保護コーティング５との間のこの第一層５ａを有して、第二層がＡｌ－Ｚｒ－Ｏコランダム構造またはＡｌ－Ｚｒ－Ｃｒ－Ｏコランダム構造を有する反応性ＣＡＥ法によって、第二層５ｂへの材料的に適合された遷移が生成される。この場合、層は、互いに厳密に区切られないが、互いに融合し、それらはジルコニウムおよびクロムなどの追加された金属の濃度に対する相違を有する、または言い換えれば勾配を有する。この場合、反応性ＣＡＥ法は、層が勾配を介して互いに融合することを可能にするのに極めて適している。

反応性ＣＡＥによる図１に係る実施形態に従う保護コーティング５を配置する方法において、第一ステップＳ１では、熱的にストレスを受ける構造体がコーティング室に提供される。熱的にストレスを受ける構造体は、たとえばガスタービンのブレードまたは燃焼室部である。コーティング室は、一般的に真空室であるが、基板上に酸化物を堆積するために反応性ガスとして酸素が導入されてもよい。

第二ステップＳ２では、ターゲットが、形成されるべき保護コーティング５のための材料源として提供される。ターゲットは、少なくともアルミニウムを含む。さらに、ターゲットは、好ましくは、クロム、ならびに／または、選択に従って、ジルコニウム、チタン、ハフニウムおよび／もしくはシリコンなどの他の元素を含む。

第三ステップＳ３では、制御された量の酸素がコーティング室へ導入される。この場合、当業者は、所定の好適な酸素の分圧を選択する。

第四ステップＳ４では、ターゲットの材料が蒸着されるように、アークが点火される。蒸着されたターゲット元素は、熱的にストレスを受ける構造体の熱障壁コーティング４の外側に堆積される酸化物を形成する酸素と反応するため、適用されるコーティングは酸化物層、理想的にはＡｌ－Ｃｒ－Ｏ層となる。たとえばＡｌ－Ｃｒ－Ｏ層を製造するためのアルミニウムクロムターゲットなどのターゲットは、陰極として作用し、コーティング室の壁は、陽極として作用する。加えて、負のポテンシャルが、基板に、たとえば熱的にストレスを受ける構造体の熱障壁コーティング４に適用されてイオン化された材料蒸気を基板に向かって方向付ける。蒸着された材料は、熱障壁コーティングの表面上に凝縮され、保護コーティング５を形成する層を形成して堆積される。

図２の実施形態に係る保護コーティング５を配置するために、異なるターゲットが提供され、そこから異なる層のための材料が除去される。したがって、たとえばジルコニウム－イットリウムターゲットが接着層６のために提供され、アルミニウム－クロム－ジルコニウムターゲットが第一層５ａのために提供され、アルミニウム－クロムターゲットが第二層５ｂのために提供される。ターゲットにおける元素の濃度は、形成されるべき層の、または層間に生成されるべき勾配の所望の濃度に応じて異なる。勾配は、１つの層内に存在してもよい。この場合、各個々の層について、説明された手順がステップＳ２からＳ４によって行われる。このために、コーティング室は、ターゲットが変更されることができ、次いでコーティング室が再び所望の真空まで排出されるように、個々の層の適用の間に換気されてもよい。しかしながら、コーティングプラントは、コーティングプロセスの開始からすべてのターゲットを含み、これらが真空を破ることなく所望のコーティングシーケンスにしたがって用いられ得るように設計されてもよい。

反応性ＣＡＥに加えて、他の方法も保護コーティングの層を適用するために好適である。代替的におよび／または前述の方法と組み合わせて用いられ得る可能な方法は、たとえばスパッタリングプロセス、熱蒸着、電子ビーム蒸着、レーザビーム蒸着または電子アーク蒸着である。

当業者にとって明らかである本発明の修正および変形は、特許請求の保護の範囲の下にある。

Claims (8)

1. 陰極アーク蒸着によって、熱的にストレスを受ける構造体上に第一層（５ａ）と第二層（５ｂ）とを備える保護コーティング（５）を配置する方法であって、
   前記第一層（５ａ）はＡｌ－Ｚｒ－ＯまたはＡｌ－Ｚｒ（Ｃｒ）－Ｏからなる組成を備え、前記第二層（５ｂ）はＡｌ－Ｚｒ－Ｏコランダム構造またはＡｌ－Ｚｒ－Ｃｒ－Ｏコランダム構造を有し、前記第一層（５ａ）および前記第二層（５ｂ）は互いに融合しており、
   前記熱的にストレスを受ける構造体は、少なくとも１つの熱障壁コーティング（４）を備え、前記方法は、
   Ｓ１）コーティング室に前記熱的にストレスを受ける構造体を提供するステップと、
   Ｓ２）前記コーティング室に前記第一層（５ａ）のための源材料としての第１のターゲットおよび前記第二層（５ｂ）のための源材料としての第２のターゲットを提供するステップと、を特徴とし、前記第１のターゲットおよび前記第２のターゲットは、少なくともアルミニウムを含み、前記第２のターゲットは前記第１のターゲットとは異なり、前記方法はさらに、
   Ｓ３）前記コーティング室に制御された酸素分圧を提供するステップと、
   Ｓ４）少なくとも前記第１のターゲットの材料が蒸着するようにアークを点火するステップと、を特徴とし、材料は、前記熱的にストレスを受ける構造体の前記熱障壁コーティング（４）の外側に堆積される、方法。
2. 前記保護コーティングの形成中に生成される少なくとも１つのＡｌ－Ｃｒ－Ｏ混晶の格子係数がコランダムとエスコラ石との間にある範囲内で調節されるように、クロムの含有量が調整される、請求項１に記載の方法。
3. 前記熱障壁コーティングの温度は、少なくとも２００℃である、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記熱障壁コーティングの温度は、約６００℃である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 適用された前記保護コーティングの厚さは、５～５００μｍの間にある、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第一層（５ａ）および前記第二層（５ｂ）の少なくとも１つの堆積の間に、前記保護コーティング（５）の化学組成において勾配が製造される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法を含む、ガスタービンの部品を製造する方法。
8. 請求項７に記載のガスタービンの部品を製造する方法を含むガスタービンを製造する方法。

Images