JP7448258B2 - 温度モニタリングおよび温度勾配の測定を含む、熱成長酸化物ルミネセンス感知のための希土類ドープ遮熱コーティングボンドコート - Google Patents

Description

政府の支援
[0001]本発明は、米国エネルギー省、国立エネルギー技術研究所、大学タービンシステム研究所（ＵＴＳＲ）によって授与された機関契約授与番号ＤＥ－ＦＥ００３１２８２に基づく政府の支援によってなされた。政府は本発明に対して特定の権利を有する。
発明の分野
[0002]本発明は遮熱コーティングに関し、より詳細には、タービン構成要素などの基材のルミネセンス感知および高温測定を可能にする遮熱コーティングに関する。

[0003]遮熱コーティング（ＴＢＣ）は、極端な環境からタービン構成要素などの基材を保護し、関連するタービンシステムが、下層の基材、例えば超合金タービンブレードの融点を超える温度でしばしば作動することを可能にするために使用される。これらのコーティングは多層として形成されることができ、一例では、金属基材、金属ボンドコート、熱成長酸化物（ＴＧＯ）、およびイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）から形成されるようなセラミックトップコートを包含する。これらのコーティングのいくつかは、１℃／μｍ程度のセラミックトップコートによる温度降下を可能にする能動的冷却システムと組み合わせて使用される。これらの環境におけるコーティング温度の正確な測定は、タービンシステムの良好な性能および機能性を保証し、タービンブレードおよび関連するタービン構成要素の寿命期待値の予測を助ける。

[0004]温度測定における不確実性の範囲は、破損メカニズムが熱的に促進されるので、使用温度で数度に低減されるべきである。これは、トップコートとボンドコートとの間の界面、および熱成長酸化物など任意の介在層における極端な感度に起因して、特に重要である。現在、遮熱コーティングに関する非接触式のその場(in-situ)温度測定のためのより実行可能な技術は、ａ）赤外サーモメトリー、この測定において、精度は、タービンエンジンの操作からの排出物の存在および変動によって制限される；ならびにｂ）燐光体サーモメトリー；である。高温評価のための他の既存のその場温度測定技術は固有の不確実性を有し、場合によっては安全マージンが不十分である。操作条件における材料の温度測定の正確度を改善することは、タービンブレードのような高温基材のより信頼できる寿命期待値の予測のために重要である。

[0005]例えば、熱成長酸化物での直接温度測定は依然として非実用的であり、予測モデルが、コーティングの健全性を推定するのに役立つように使用される。さらに、多層遮熱コーティングの生産は高価であるだけでなく、遮熱コーティングの機械的完全性に有害である。現在の温度測定システムでは、熱成長酸化物層の直接温度測定はできない。その代わりに、それらは、トップコートに置かれたセンサーコーティングを使用しての間接的な温度推定を可能にし、これは、製造コストを増大させ、トップコートの熱特性に潜在的な改変を与え、遮熱コーティングの完全性に悪影響を及ぼしうる多層界面を作り出す可能性がある。

[0006]燐光体サーモメトリーは温度測定能力の向上の可能性を有し、遠隔温度感知を可能にするのに有効であった。この測定技術では燐光体が使用され、そのルミネセンスは、紫外線ランプまたはレーザ源によって照射された希土類または遷移金属イオンに起因する。極端な操作条件に対する温度感知の範囲を広げる改善された遮熱コーティングが望ましい。

[0007]この概要は、以下の「発明を実施するための形態」でさらに説明される概念の選択を紹介するために提供される。この概要は、特許請求される主題の重要または本質的な特徴を識別することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を限定する助けとして使用されることを意図するものでもない。

[0008]遮熱コーティングされた構成要素は、基材と、基材上に施用された遮熱コーティングとを包含する。金属ボンドコート層が基材上にある。金属ボンドコート層は、希土類ルミネセンス性ドーパントを包含することができる。セラミックトップコート層がボンドコート層上にある。温度感知熱成長酸化物（ＴＧＯ）層は、ボンドコート層とセラミックトップコート層との界面に形成されることができる。この温度感知ＴＧＯ層は、ＴＧＯ層におけるリアルタイム燐光体サーモメトリー温度測定のためにＴＧＯ層のルミネセンス感知を可能にするのに十分な量で、金属ボンドコート層から移動した成長希土類ルミネセンス性イオンを包含することができる。

[0009]一例において、希土類ルミネセンス性ドーパントは、サマリウム、エルビウム、ユーロピウムおよびジスプロシウムからなる群より選択される。セラミックトップコート層は、ボンドコート層上のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）バリアトップコート層を含むことができる。基材は、タービン構成要素またはエンジン排気構成要素を含むことができる。金属ボンドコート層は、９６～９８パーセントのＮｉＣｏＣｒＡｌＹおよび２～４パーセントのジスプロシウムを包含することができる。

[0010]さらに別の例において、ＴＧＯ層は、約１．７～２．０重量パーセントのニッケル、約０．６７～０．８２重量パーセントのクロム、約５２．７～６４．４重量パーセントのアルミニウム、約３５．０～４２．７重量パーセントの酸素、ならびにサマリウム、エルビウム、ユーロピウムおよびジスプロシウムからなる群より選択される約０．１重量パーセント以下の希土類元素を含むことができる。ボンドコート層は約５０～２００マイクロメートルであることができ、セラミックトップコート層は約５０～３００マイクロメートルであることができる。

[0011]さらに別の例において、遮熱コーティングされた構成要素は、超合金基材と、超合金基材上に施用された遮熱コーティングとを包含することができる。遮熱コーティングは、超合金基材上の金属ボンドコート層を含むことができる。金属ボンドコート層は、希土類ルミネセンス性ドーパントを包含することができる。イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）バリアトップコート層がボンドコート層上にあり、温度感知熱成長酸化物（ＴＧＯ）層がボンドコート層とＹＳＺバリアトップコート層との界面に形成されることができる。温度感知ＴＧＯ層は、ＴＧＯ層におけるリアルタイム燐光体サーモメトリー温度測定のためにＴＧＯ層のルミネセンス感知を可能にするのに十分な量で、金属ボンドコート層から移動した成長希土類ルミネセンス性イオンを包含することができる。

[0012]遮熱コーティングされた構成要素の形成方法は、金属ボンドコート層を基材上に施用すること、前記金属ボンドコート層は希土類ルミネセンス性ドーパントを包含する；セラミックトップコート層を該ボンドコート層上に施用すること；ならびに、金属ボンドコート層およびセラミックトップコート層を熱老化させて、金属ボンドコート層からボンドコート層とセラミックトップコート層の界面に、ＴＧＯ層におけるリアルタイム燐光体サーモメトリー温度測定のためにＴＧＯ層のルミネセンス感知を可能にするのに十分な量で希土類ルミネセンス性イオンを移動させることにより、ボンドコート層とセラミックトップコート層との界面に温度感知熱成長酸化物（ＴＧＯ）層を形成すること；を含むことができる。

[0013]燐光体サーモメトリー装置は、基材上に施用された遮熱コーティング（ＴＢＣ）上にレーザーパルスを生成するレーザーを包含することができる。遮熱コーティングは、基材上の金属ボンドコート層；ならびに、非ドープ層と、共ドープされた第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントを有するドープ感知層とを包含することができる、ボンドコート層上のセラミックトップコート層；を包含することができ、該第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントは、レーザーパルスによる励起時にそれぞれ第１および第２の異なる発光波長を放出する。検出器は、ドープ感知層において第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントのレーザー励起から生成する、ＴＢＣからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を受け取ることができる。検出器は、畳み込まれたルミネセンス信号のそれぞれ第１および第２の異なる発光波長を検出するように構成された第１および第２の光電子増倍管デバイスを包含することができる。制御器は検出器に接続され、それぞれ第１および第２の光電子増倍管デバイスから生成した信号を受信および処理し、それぞれ第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントの各々に関しルミネセンス寿命減衰および強度変動を決定し、ＴＢＣの温度モニタリングの温度値に相関させるように構成されることができる。

[0014]一例において、第１のダイクロイックフィルターは、レーザーパルスをＴＢＣ上に伝送し、ＴＢＣからの畳み込まれたルミネセンス信号を検出器に反射するように構成されることができる。第１のダイクロイックフィルターは、シアンダイクロイックフィルターを含むことができる。第２のダイクロイックフィルターは、第１のダイクロイックフィルターからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を受け取り、畳み込まれたルミネセンス信号を、それぞれ第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントのそれぞれの発光波長に対応する２つのスペクトルバンドに分割するように位置決めすることができる。第２のダイクロイックフィルターは、マゼンタダイクロイックフィルターを含むことができる。

[0015]さらに別の例において、ドープ感知層は、非ドープ層の上のＴＢＣの最上層であることができ、エルビウム－ユーロピウムを共ドープしたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む。ＹＳＺ中のエルビウム濃度は約１．２５～１．７５重量パーセントであることができ、ＹＳＺ中のユーロピウム濃度は約２．５～３．５重量パーセントであることができる。ドープ感知層は約７０～９０マイクロメートルであることができ、トップコート層の非ドープ層は約２３０～２７０マイクロメートルであることができる。光電子増倍管デバイスは、約５４５ｎｍおよび５６２ｎｍのエルビウムのスペクトル線を検出するように構成されることができ、第２の光電子増倍管デバイスは、約５９０ｎｍおよび６０６ｎｍのユーロピウムのスペクトル線を検出するように構成されることができる。

[0016]さらに別の例において、タービン構成要素の温度モニタリングのための燐光体サーモメトリー装置は、超合金タービン構成要素基材上に施用された遮熱コーティング（ＴＢＣ）上にレーザパルスを生成するレーザーを包含することができる。遮熱コーティングは、超合金タービン構成要素基材上の金属ボンドコート層；ならびに、非ドープ層と、共ドープされた第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントを有するドープ感知層とを包含する、ボンドコート層上のセラミックトップコート層；を包含することができ、該第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントは、レーザーパルスによる励起時にそれぞれ第１および第２の異なる発光波長を放出する。第１のダイクロイックフィルターは、レーザーパルスをＴＢＣ上に伝送し、ドープ感知層において第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントのレーザー励起から生成する、ＴＢＣからの畳込みルミネセンス信号を反射するように構成されることができる。第２のダイクロイックフィルターは、第１のダイクロイックフィルターからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を受け取り、畳み込まれたルミネセンス信号を、それぞれ第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントのそれぞれの発光波長に対応する２つのスペクトルバンドに分割するように位置決めすることができる。検出器は、第２のダイクロイックフィルターからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を受け取ることができる。検出器は、第２のダイクロイックフィルターからの畳み込まれたルミネセンス信号のそれぞれ第１および第２の異なる発光波長を検出するように構成された第１および第２の光電子増倍管デバイスを包含することができる。制御器は検出器に接続され、それぞれ第１および第２の光電子増倍管デバイスから生成した信号を受信および処理し、それぞれ第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントの各々に関しルミネセンス寿命減衰および強度変動を決定し、タービン構成要素の温度モニタリングの温度値に相関させるように構成されることができる。

[0017]遮熱コーティング（ＴＢＣ）の温度をモニタリングするための燐光体サーモメトリー装置の操作方法の観点は、基材上に施用されたＴＢＣ上に、レーザーからレーザーパルスを生成することを包含することができる。遮熱コーティングは、基材上の金属ボンドコート層；ならびに、非ドープ層と、共ドープされた第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントを有するドープ感知層とを包含する、ボンドコート層上のセラミックトップコート層；を包含することができ、該第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントは、レーザーパルスによる励起時にそれぞれ第１および第２の異なる発光波長を放出する。該方法は、ドープ感知層において第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントのレーザ励起から生成する、ＴＢＣからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を検出器で受け取ることを包含する。検出器は、畳み込まれたルミネセンス信号のそれぞれ第１および第２の異なる発光波長を検出するように構成された第１および第２の光電子増倍管デバイスを包含することができる。該方法はさらに、検出器に接続された制御器において、それぞれ第１および第２の光電子増倍管デバイスから生成した信号を受け取り、該信号を処理して、それぞれ第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントの各々に関しルミネセンス寿命減衰および強度変動を決定し、ＴＢＣの温度モニタリングの温度値に相関させることを包含する。

[0018]遮熱コーティングを横切る温度勾配の測定システムは、基材上に施用された希土類ドープ遮熱コーティング上にレーザーパルスを生成するレーザーを含むことができる。検出器は、希土類ドープ遮熱コーティングからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を検出することができる。制御器は、レーザーおよび検出器に接続され、検出されたルミネセンス信号の適合ウィンドウサイズを変動させ、変動した適合ウィンドウサイズに基づき希土類ドープ遮熱コーティング内の熱勾配を決定するように構成されることができる。

[0019]一例において、検出器は、シングルショットレーザーパルス測定として、希土類ドープ遮熱コーティングからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を検出するように構成されることができる。適合ウィンドウサイズのパーセンテージは、遮熱コーティング内の特定の深さにおける表面下温度測定値に対応することができる。適合ウィンドウサイズは、遮熱コーティングの深さ０～７０マイクロメートルの表面下測定値に対応することができる。

[0020]さらに別の例において、より短い適合ウィンドウサイズは、遮熱コーティングの上面位置においてより高い温度に暴露された希土類ドーパントからの短い減衰時間のより高い寄与の測定に対応することができる。より長い適合ウィンドウサイズは、遮熱コーティング内のより深くに位置し、遮熱コーティング内のより深くでより低い温度に暴露された希土類ドーパントからの長い減衰時間のより高い寄与の測定に対応することができる。より短い適合ウィンドウサイズ範囲は約３．１～３．３マイクロ秒であることができ、より長い適合ウィンドウサイズ範囲は約３．３～３．５マイクロ秒であることができる。より短い適合ウィンドウサイズ範囲は、約５０～６０マイクロメートルの深さにおける遮熱コーティングでの測定に対応することができ、より長い適合ウィンドウサイズ範囲は、約６０～８５マイクロメートルの深さにおける遮熱コーティングでの測定に対応することができる。

[0021]さらに別の例において、希土類ドープ遮熱コーティングはトップコートおよびボンドコートを包含することができ、適合ウィンドウサイズは、トップコートとボンドコートの界面における温度勾配の決定に基づき選択することができる。レーザーは、各パルスが異なる適合ウィンドウサイズを有する複数のレーザーパルスを生成するように構成されることができる。

[0022]方法の観点を開示し、これは、遮熱コーティングを横切る温度勾配の測定を包含し、基材上に施用された希土類ドープ遮熱コーティング上にレーザーパルスを生成し、希土類ドープ遮熱コーティングからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を検出し、検出されたルミネセンス信号の適合ウィンドウサイズを変動させ、変動させた適合ウィンドウサイズに基づき希土類ドープ遮熱コーティング内の熱勾配を決定すること含むことができる。

[0023]本発明の他の目的、特徴および利点は、添付の図面に照らして考察されるとき、以下の本発明の詳細な説明から明らかになるであろう：
[0024]図１Ａは、温度の勾配と、ドープ層内のすべての位置からもたらされる畳み込まれた信号として出現するルミネセンスとを示す、遮熱コーティングの概略断面図である。 [0025]図１Ｂは、図１Ａの略図に示した出現するルミネセンスについて収集された信号を示すグラフである。 [0026]図１Ｃは、非限定的な例による、ルミネセンスの減衰挙動を予測するための修正Ｋｕｂｅｌｋａ‐Ｍｕｎｋモデルを示す。 [0027]図２は、燐光体サーモメトリーが遮熱コーティングにおいて温度測定を行うことができる深さを例示するグラフである。 [0028]図３は、ボンドコートおよび基材上のドープトップコートを示し、非限定的な例に従った温度測定レベルを図式的に示す、遮熱コーティングの断面ブロック図である。 [0029]図４は、ガスタービンの操作温度範囲における感温性領域および寿命減衰を示すグラフである。 [0030]図５は、例示的な遮熱コーティングおよび熱成長酸化物およびジスプロシウム不純物についての酸化の段階を示す概略流れ図である。 [0031]図６は、１１００℃で２００時間にわたり酸化された遮熱コーティングの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。 [0032]図７は、図６のＳＥＭ像の一部の拡大図である。 [0033]図８は、ＹＳＺ／ボンドコート界面に感知層を形成し、非限定的な例に従ったドープボンドコートの付着を示す、第１段階の概略図である。 [0034]図９は、図８におけるボンドコート付着後の標準的トップコート付着を示す概略図である。 [0035]図１０は、非限定的な例による、燐光体サーモメトリープロービングを介した熱成長酸化物の温度感知の概略図である。 [0036]図１１は、希土類ドープ熱成長酸化物から出現するルミネセンス光の吸収および散乱に関する明確な光学特性を有する２つの層についての修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデル拡張の一例である。 [0037]図１２は、界面における光の反射および伝送を示す、修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデル拡張のグラフモデルである。 [0038]図１３は、図１１および１２の修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデル拡張に対する積分Ｆｒｅｓｎａｌ方程式を示す。 [0039]図１４は、非限定的な例による、入射光強度のパーセントおよびトップコートに対する熱成長酸化物の深さに関連する測定可能なルミネセンスを示すグラフである。 [0040]図１５は、非限定的な例に従って遮熱コーティングを形成するために使用することができる大気プラズマ溶射システムの概略図である。 [0041]図１６は、図１５の大気プラズマ溶射システムを用いた遮熱コーティングの組成の一例を示す表である。 [0042]図１７は、作製された大気プラズマ溶射ドープ遮熱コーティング構成の例を示す表である。 [0043]図１８は、大気プラズマ溶射ドープ遮熱コーティング構成の他の例を示す他の表である。 [0044]図１９は、非限定的な例に従って使用することができる電子ビーム物理蒸着（ＥＢ－ＰＶＤ）の一例を示す概略図である。 [0045]図２０は、タービンブレードなどの基材上のＥＢ－ＰＶＤジルコニア層およびボンドコートを示すＳＥＭ像である。 [0046]図２１は、作製したＥＢ－ＰＶＤ試料の例を示す表である。 [0047]図２２は、非限定的な例に従った、熱成長酸化物のルミネセンス感知のための代表的な燐光体サーモメトリーシステムのブロック図である。 [0048]図２３は、ＹＳＺ：Ｅｒ，Ｅｕのルミネセンス層を包含する遮熱コーティング構成のための付着層を示す概略図である。 [0049]図２４は、５３２ｎｍのレーザー励起下のＹＳＺ：Ｅｒ，Ｅｕの発光スペクトル、およびルミネセンス測定のために収集された波長の範囲を示すグラフである。 [0050]図２５は、非限定的な例に従ったルミネセンスの同期モニタリングを可能にする、例示的な燐光体サーモメトリー装置の概略図である。 [0051]図２５Ａは、４つの光電子増倍管を包含する燐光体サーモメトリー装置の他の例である。 [0052]図２６は、アルミナのＲ１線の室温減衰を示すグラフである。 [0053]図２７は、非限定的な例による、図２５および２５Ａの装置を使用して遮熱コーティングを感知するための誘導加熱システムおよび長波赤外線カメラの概略図である。 [0054]図２８は、５００℃で減衰するエルビウムおよびユーロピウムの同期収集を示すグラフである。 [0055]図２９Ａは、５４５ｎｍにおける温度に対するエルビウムのルミネセンス減衰の一例を示すグラフである。 [0056]図２９Ｂは、５９０ｎｍにおける温度に対するユーロピウムのルミネセンス減衰の一例を示すグラフである。 [0057]図３０は、大気プラズマ溶射共ドープＹＳＺ：Ｅｒ，Ｅｕの寿命減衰応答を示すグラフであり、高温感受性領域を示している。 [0058]図３１は、エルビウムおよびユーロピウムドーパントについての温度に対するルミネセンス強度変動を示す複合グラフである。 [0059]図３１Ａは、非限定的な例によるユーロピウムの畳み込まれたルミネセンスを示す試料である。 [0060]図３１Ｂは、ユーロピウムルミネセンススペクトルを示すグラフであり、非限定的な例による図２５および２５Ａの装置などを使用して、同時に分離および収集することができる２つの主要ピークを強調している。 [0061]図３２Ａは、上面にドープ層を有する遮熱コーティングの断面概略図であり、層間剥離を示している。 [0062]図３２Ｂは、図３２Ａのものと同様の遮熱コーティングの第２の例であるが、トップコートの底部にドープ層を示し、層間剥離を示している。 [0063]図３３は、ルミネセンスコントトラストを使用する、一例の層間剥離モニタリングシステムのブロック図である。 [0064]図３４Ａは、遮熱コーティングにおけるレーザー強度およびルミネセンス強度をモデル化するための、第１の修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデリングアプローチおよび境界条件を示す図である。 [0065]図３４Ｂは、レーザー強度およびルミネセンス強度を解明し、遮熱コーティング中のボンドコートに近い高散乱ゾーンを説明するための、第２の修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデリングアプローチを示す図である。 [0066]図３４Ｃは、特定の層Ｚにおける光学特性の決定を助けるために使用される行列を示す。 [0067]図３４Ｄは、特定の層Ｚにおいて生成されるルミネセンスの量を定義するのを助けるために使用される行列を示す。 [0068]図３４Ｅは、それぞれ、コーティング深さの関数として、レーザー光およびルミネセンス光の強度を解明するのを助けるために使用される行列および式を示す。 [0069]図３４Ｆは、トップコートとエアギャップまたはボンドコートとの間の界面における拡散外部反射率と、拡散内部反射率を得るためのフレネルの式の積分平均とを定義するのを助けるために使用される式である。 [0070]図３４Ｇは、臨界入射角より大きい入射角を有する放射線に対するフラストレートされた角度平均反射率を解明するのを助けるための式である。 [0071]図３４Ｈは、垂直偏光および平行偏光における値を決定するの助けるための式である。 [0072]図３４Ｉは、偏光されていない放射に対するフラストレートされた角度平均反射率を解明するのを助けるための式である。 [0073]図３４Ｊは、層間剥離の初期段階の試験のための誤差ギャップ幅依存性拡散内部反射率を解明するのを助けるための式である。 [0074]図３５Ａは、ロックウェルインデント(Rockwell indentation)誘起層間剥離または破砕領域を有する遮熱コーティングの写真、および上面におけるドープ層での５６２ｎｍにおけるユーロピウム線の対応するルミネセンス強度マップである。 [0075]図３５Ｂは、図３５Ａに示すものと同様であるが、トップコートの底部にドープ層を有する別の写真である。 [0076]図３６は、図３４Ａの２層モデルにおけるレーザー強度の分布を示すグラフであり、層間剥離がある場合、反射が増加することによってより高い強度が散乱されることを示し、図３２Ａおよび３２Ｂの例におけるドープ層の位置を示す。 [0077]図３７は、ドープ層がトップコート上にある２層モデルにおけるルミネセンス強度の分布を示すグラフである。 [0078] 図３８は、ドープ層がトップコートの底部にある２層モデルにおけるルミネセンス強度の分布を示すグラフである。 [0079]図３９は、図３４Ｂの３層モデルにおけるレーザー強度の分布を示すグラフであり、層間剥離がある場合、反射の増加により、より高い強度が後方に散乱される。 [0080]図４０は、ドープ層が上部にある３層モデルにおけるルミネセンス強度の分布を示すグラフである。 [0081]図４１は、ドープ層がトップコートの底部にある３層モデルにおけるルミネセンス強度の分布を示すグラフである。 [0082]図４２は、ＥＢ－ＰＶＤ遮熱コーティング内の埋め込み感知層に関する、モデル化信号トレードオフを示すグラフである。 [0083]図４３は、遮熱コーティングを横切る温度勾配を決定しするために用いられる一例の装置の概略図であり、遮熱コーティングの構成を示している。 [0084] 図４４は、ＹＳＺ：Ｅｒの発光スペクトルを示すグラフであり、例示的な温度決定因子を決定するために適用可能である。 [0085]図４５は、遮熱コーティングの深さに対する温度の勾配および熱勾配の合計を示す複合グラフおよび式である。 [0086]図４６は、捕捉された信号の適合ウィンドウサイズを変動させた場合の、正規化強度対時間を示すグラフである。 [0087] 図４７は、遮熱コーティングの試料を横切る温度勾配を測定するための、図４３に示されるような例示的な装置のより詳細な概略図である。 [0088]図４８は、恒温ケース内での基準減衰の決定を示すグラフである。 [0089]図４９は、熱勾配のケースの減衰測定値を示すグラフである。 [0090]図５０は、燐光体サーモメトリーの結果を示すグラフであり、縦軸に表面下でのマイクロ秒単位の寿命減衰の測定値を、表面温度に対して示している。 [0091]図５１は、厚さ方向の熱プロファイルおよび測定された温度、表面温度、およびウィンドウサイズを示すグラフである。 [0092]図５２は、遮熱構成の複合グラフおよび概略図であり、捕捉ウィンドウが、温度勾配を遮熱コーティング内にリトレースするためにどのように変化するかを示す。

[0093]ここで、好ましい態様が示されている添付の図面を参照して、さまざまな態様を以下でより完全に説明する。多くの異なる形態を説明することができ、記載した態様は、本明細書で説明した態様に限定されるものとして解釈すべきではない。むしろ、これらの態様は、本開示が徹底的かつ完全であり、当業者に範囲が完全に伝わるように提供される。

[0094]非限定的な例にしたがって、改善された希土類ドープ遮熱コーティングボンドコート構成が開発され、ルミネセンス感知を、例えば、ＴＧＯ(熱成長酸化物）での紫外線照明によって可能にするのに有効である。希土類ドープ遮熱コーティングボンドコート構成により、タービンエンジンのような構成要素における熱パラメーターのより良好な制御が可能になり、エンジンをより効率的に、安全性を高めて操作することが可能になる。この改善された構成により、遮熱コーティング中に形成される熱成長酸化物層での直接測定が可能になる。このルミネセンス感知プロセスおよび開発された希土類ドープ遮熱コーティングボンドコート構成により、遮熱コーティングの寿命モニタリングの対象位置であるトップコートとボンドコートとの界面、例えばＴＧＯ層における直接測定が可能になる。この感知層は、高温酸化によって形成することができる。非限定的例において、タービンブレードのような基材上に遮熱コーティングを形成する場合、工業的付着手順を修正する必要はない。また、該プロセスおよび構成により、遮熱コーティングの完全性は維持される。追加の機械的界面は不要であり、遮熱コーティングの工業的トップコートの修正は不要である。

[0095]非限定的な例に従って、改善されたプロセスおよび希土類ドープ遮熱コーティングボンドコート構成は、遮熱コーティングのリアルタイム温度測定、遮熱コーティングの寿命予測、および遮熱コーティングの層間剥離の検出のために用いることができる。一例では、以下でより詳細に説明するような修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルを適用して、ドープされたＴＢＣ構成におけるルミネセンス減衰挙動を決定する。該プロセスおよび希土類ドープ遮熱コーティングボンドコート構成は、光学的ポートを介して、動作ガスタービンエンジン上で、燐光体サーモメトリー測定技術と共に使用することができる。該プロセスおよび希土類ドープ遮熱コーティングボンドコート構成は、ルミネセンス信号が弱く、希土類拡散速度に対する不確実性ならびにボンドコートおよびボンドコート密着特性における不確実性がある場合でも、機能することができる。修正Ｋｕｂｅｌｋａ‐Ｍｕｎｋモデルを用いたルミネセンスモデリングを通して遮熱コーティング層間剥離を定量化することも可能である。

[0096]一例において、タービン構成要素のための基材のような構成要素は、タービンブレードなどのタービン基材と、タービン基材上の遮熱コーティングとを包含することができる。遮熱コーティングは、基材上の金属ボンドコートなどのボンドコート層を包含することができる。一例において、ボンドコート層は、例えば、ドーパントとしての希土類ルミネセンス性イオンと、ボンドコート上のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）バリアトップコートとを包含する。ボンドコート材料とＹＳＺバリアトップコートとの界面に、熱成長酸化物（ＴＧＯ）層が形成される。希土類ルミネセンス性イオン、すなわち希土類ルミネセンス性ドーパントの添加により、ＴＧＯ層のルミネセンスセンス感知が可能になる。一例において、希土類ルミネセンス性ドーパントは、サマリウム、エルビウム、ジスプロシウムおよびユーロピウムからなる群より選択される。他のドーパントを用いてもよく、クロム、マグネシウムおよび同様の材料を使用することが可能であることができる。さまざまな遷移金属を用いることが可能である。

[0097]遮熱コーティングは、高温で作動するタービンブレードのようなこれらタービン構成要素を保護するために、タービン構成要素のような基材に施用されることが多い。遮熱コーティングは、セラミックトップコートを介した温度降下を可能にする能動冷却システムと組み合わせて使用されることが多い。最新の遮熱コーティングは、安全マージンが２００℃と高い可能性がある高温の測定には不確実性があるため、その最大の可能性まで使用されていない。理想的なブレイトンサイクル効率は１－Ｔ^ｃ／Ｔ^ｔであり、これは、出口からタービン入口までの圧縮機を横切る温度比に対応する。１％の効率改善はコンバインドサイクルプラントの寿命にわたって燃料を２０００万ドル節約することができ、１３０℃の上昇は、エンジン効率の４％の向上をもたらすことができる。破損メカニズムは、遮熱コーティングの深さにおける温度条件によって促進される可能性がある。遮熱コーティングのより正確な温度モニタリングを有することにより、タービンおよび複合エンジンサイクルの効率を高めることが可能である。希土類ドープ遮熱コーティングボンドコート構成は、エンジン作動中に熱的に活性化されるこれらの破損メカニズムと、寿命動作および不確実性を低下させうる温度測定における不確実性を克服する。

[0098]他の技術が試みられてきたが、それほど成功していない。熱電対は安価であり、幅広い温度範囲を有し、提案されてきたが、貫入(intrusive)プローブ設計、乱れたフローパターン、化学的不安定性、低い正確度、および回転表面での不適合性という欠点がある。赤外サーモメトリーは、速い応答時間で非接触技術を用いて広い温度範囲を有するが、光学的アクセスを必要とし、発光に敏感である。

[0099]一方、燐光体サーモメトリーは非接触技術であり、高温での感度が高く、応答時間が速く、回転部品上で使用可能であり、経年変化や汚染のようなタービン環境に対する感度が低い。例えば、ドーパントが希土類元素である場合、励起パルスに続いて時間依存性の強度を測定して、温度依存性の減衰時間を決定することができる。ドープ層を遮熱コーティングに埋め込むことにより、温度測定が可能になる。

[00100]非限定的な例に従って、希土類ドープ遮熱コーティングボンドコート構成における輝度減衰挙動を、修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルを用いることによって測定する。古典的Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルは、遮熱コーティング構成の効果を理解するのに減衰のモデリングが重要である場合、唯一のルミネセンス強度を与える。

[00101]ここで、図１Ａの希土類ドープ遮熱コーティング構成の概略を参照すると、遮熱コーティングは概して１００で示され、上面１０４、トップコート１０６、およびボンドコート１０８を包含し、この例では、ボンドコート１０８の上にトップコートが置かれている。レーザー１１０および検出器１１２も図示されている。温度の勾配は実際の動作条件で存在し、レーザー１１０を介して出現するルミネセンスは、ドープ層のすべての位置から生じる畳み込まれた信号であり、トップコート１０６内のドープ層１２０を示す。レーザー１１０は信号を放出し、出現するルミネセンスは、拡散信号によって示されるような、検出器１１２への畳み込まれた信号である。図１Ｂに示されるグラフは、時間を横軸目盛りに例示し、強度を縦軸目盛りに示し、収集された信号および測定されたパラメーターに対する時間、ならびに異なる時間期間に対する測定された時間を示す。以下でより詳細に説明するような修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルは、ルミネセンスの減衰挙動を予測するものである。数学的シーケンスを例示する図１Ｃを参照する。

[00102]ここで、図２のグラフを参照すると、コーティング全体の温度分布から関数を決定することができる材料の熱伝導率を用いて温度の勾配を計算することができることは明らかである。ＹＳＺ：Ｄｙ、すなわち添加されたジスプロシウム、または添加されたユーロピウム（ＹＳＺ：Ｅｒ）または添加されたサマリウム（ＹＳＺ：Ｓｍ）の差は、異なる線で示されている。

[00103]つぎに、図３は、タービンブレードなどの基材１２６上の希土類ドープ遮熱コーティングボンドコート構成１２４を例示し、ドープトップコート１０６、ボンドコート１０８および基材を示す。修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルは等価位置を予測して、燐光体サーモメトリーシステムが測定を行うことができる深さを、Ｘ測定値として示した破線によって示されるように示す。ドープトップコート１０６は、この例では約２５０マイクロメートル（μｍ）として示されており、測定された温度（Ｔ測定値）は、測定された距離、例えば５０マイクロメートルに対して示されている。したがって、深さに対して温度が測定または決定される。

[00104]収集可能なルミネセンスに関する減衰定数は、端からのルミネセンスの減衰定数の間の値を有する。次いで、収集可能なルミネセンスの減衰定数を適合によって決定することができる。減衰定数はまた、信号を支配する特定の位置の温度を推測する。この位置は、トップコーティング１０６の特定位置に関連する任意の構成に適合させることができる減衰定数の温度依存性をリトレースすることから決定することができる。一例において、減衰定数は、一例では３７マイクロメートルで生じたルミネセンスの減衰定数と一致することが分かっており、厚さ５０マイクロメートルのドープ層を有し、５０マイクロメートルに位置決めされた遮熱コーティング１００の場合、減衰定数は深さ６９マイクロメートルの位置からのルミネセンスと同じであることができる。

[00105]修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルにより、同じドーパントを有する異なる構成間の強度比較を収集することが可能になる。修正モデルは、任意の燐光体ドープ構成から期待される減衰挙動を予測し、温度測定の等価位置を予測することができる。この修正モデルは、ガスタービン内のコーティングされたタービンブレードなどに関する、燐光体サーモメトリーを用いた高温での実際の操作条件において、正確な温度測定値を収集するために使用することができる。この修正モデルの結果は、ドーパントの選択を助けるために、燐光体サーモメトリーおよびさまざまな燐光体のスクリーニングによりさまざまな幾何学的構成を評価するために使用することができる。修正モデルの結果は、通常なら複数のドープ層構成および異なるドーパントなど異なる材料の使用を評価するために必要とされる実験のコストを低減するのに役立つ可能性がある。

[00106]非限定的な例によれば、遮熱コーティング内の熱成長酸化物（ＴＧＯ）は革新的なボンドコート構成の一部であり、熱成長酸化物は温度感知能力を有する。ガスタービンなどにおいて破損メカニズムが発生するこの場所で、温度を測定することができる。温度は、遮熱コーティングの深さに非貫入的に測定することができる。一例において、対数成長は、熱成長酸化物全体にわたる低い酸素拡散率によって制限される可能性がある。図４に示すグラフは、破線の間に示され、かつ丸で囲った部分の間に規定されるようなガスタービンエンジンの操作温度範囲における感温性領域を例示する。縦軸に寿命減衰を示し、横軸に温度を示し、材料として、Ａｌ_２Ｏ_３としてのアルミナおよびクロムおよびジスプロシウムドーパントを示す。操作上の使用において、温度は、例えば、タービンブレード上の遮熱コーティングにおいて酸化物成長を促し、コーティング破損の主要因である。

[00107]非限定的な例によれば、希土類ルミネセンス性イオン、例えば希土類ドーパントを遮熱コーティングのボンドコート１０８（図５）に加えると、熱成長酸化物におけるルミネセンス感知を可能にすることができる。以下の論文参照：Ｌｉｕ， Ｘｉａｏｊｕ， ｅｔ ａｌ．， “Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ Ｇｒｏｗｔｈ Ｋｉｎｔｅｔｉｃｓ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｇｒｏｗｎ Ｏｘｉｄｅｓ ｉｎ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ”， Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， ２６．１ （２０１６） １０３－１１１。ここでは、希土類ドーパントを含まない二重遮熱コーティングにおける酸化段階について説明されている。Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．とは対照的に、これらのドーパントの添加は、極端な環境におけるコーティング温度の正確な測定を可能にして、タービンシステムの良好な性能、機能性を確保および維持し、タービンブレードの残存寿命の予測推定を可能にする。熱成長酸化物を感知するための希土類ドープ遮熱コーティングボンドコートを形成する。Ｄｙ（ジスプロシウム）不純物を包含することができる熱成長酸化物の例を図５の概略図に示す。これは、多層遮熱コーティングの異なる酸化段階を例示しており、ＹＳＺから形成され、ボンドコート１０８上にあるような非ドープ上層１２８を包含する。ボンドコート１０８はインコネル７１８などの基材１２６上にあり、インコネル７１８は、例えば、タービンブレードなどのタービン構成要素および高熱を取り込む排気構成要素においてしばしば使用されるオーステナイト系ニッケル－クロム合金に対応する。酸化物の成長は、金属ボンドコート１０８の元素および表面からの酸素から生じる。ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ超合金は、大気プラズマ溶射によって施用されるようなボンドコーティング１０８での例で使用される。インコネル７１８合金１２６は、加熱されると、厚くて安定な不動態化酸化物層を形成することが知られている。Ｄｙ（ジスプロシウム）の添加は通常、その酸化物形態（Ｄｙ_２Ｏ_３）を使用して遂行されないが、これは、酸化物形態が、１３０で例示される熱成長酸化物中に適切に移動せず、この例では希土類ドーパントＤｙを包含する熱成長酸化物を形成しない可能性があるためである。酸化物形態は、ボンドコートに有害であり得る。図５のシーケンスの中央の図は、Ａｌ^３＋が最初は移動のための界面にあることを示し、右側のシーケンスは、Ｄｙ^３＋、Ａｌ^３＋、ＣＯ^２＋、Ｎｉ^２＋およびＣｒ^３＋が移動のための界面にあることを示している。他の希土類イオンを使用することもできる。

[00108]ここで、図６および７を参照すると、Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．に従った、１１００℃で２００時間、低速度で酸化された遮熱コーティングの破断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像１３２が示されている。この例では、ボンドコート１０８からのＡｌ^３＋イオンおよび他のイオンが熱成長酸化物１３０に移動する。Ｃｒ^３＋は、Ａｌ_２Ｏ_３のＲ線の放出に関与することができる。分析にはエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いることができる。１１００℃で２００時間後の酸化遮熱コーティングおよび熱成長酸化物１３０の破断面における３点の重量パーセント（重量％）でのＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）組成分析は、コバルトを包含しないが、Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．によると、図７の拡大断面図に示される点１において、約１．８７重量パーセントのニッケル、約０．７４重量パーセントのクロム、約５８．５８重量パーセントのアルミニウム、および約３８．８１重量パーセントの酸素を包含する。

[00109]しかしながら、非限定的な例に従った添加されたジスプロシウムは、この非限定的な分析において、点１の領域に痕跡を加える。この例ではジスプロシウムのような添加された希土類元素を用いて記載されるようなこの構成は、測定をＹＳＺセラミックトップコートとボンドコートの界面で行うことができるので、有利である。追加の機械的界面は不要であり、産業用ＹＳＺ熱バリアを改変する必要はない。

[00110]一例において、金属ボンドコート層は、約９６～９８％のＮｉＣｏＣｒＡｌＹと、約２～４％の希土類元素またはイオン、例えばジスプロシウムを包含する。他の例において、ＴＧＯ層は、約１．７～２．０重量％のクロム、約５２．７～６４．４重量％のアルミニウム、約３５．０～４２．７重量％のサマリウム、エルビウム、ユーロピウム、およびジスプロシウムからなる群から選択される希土類元素を包含する。これらの元素はイオン形態にあってもよく、プラセオジムおよびテルビウムを含む他の材料を使用してもよい。他の遷移要素を用いてもよい。上記のこれらの基本値は、最大５％、１０％、１５％、または２０％、および他の漸増変動分、ならびにこれらの値の間のすべての値まで変動することができる。ボンドコートは、約５０～２００マイクロメートルであることができる。セラミックトップコート層は、約５０～３００マイクロメートルであることができる。例示的なジスプロシウムは約０．１重量％以下であることができるが、０．１重量％のわずか１％～２０％の量、およびＴＧＯに関してはその間の値で変動することができる。

[00111]ここで、図８～１０を参照すると、ＹＳＺ／ボンドコート界面での温度測定を可能にする温度感知熱成長酸化物として、感知コーティングまたは層を形成するための一連の段階が例示されている。図８において、ドープボンドコート１５０は、タービンブレードなどの基材１５４上に付着されており、非限定的例としてＮｉＣｏＣｒＡｌＹＤｙを包含することができ、希土類ドープボンドコートを形成する。図９では、工業用ＹＳＺコーティング１５６がトップコートとして付着されている。ドープボンドコート付着プロセス１５１は、プラズマエアスプレーまたは他の付着技術であることができる。非限定的例としての次の段階では、ＡＬ_２Ｏ_３：ＣＲ，Ｄｙを含有する熱成長酸化物１６０が、温度感知熱成長酸化物として感知層を形成するように図１０に示されており、焼結が起こる可能性があり、サーモメトリー感知システムの一部として燐光体サーモメトリープローブ１６４を使用して温度を測定する、通常の使用中の状態が例示されている。

[00112]図１０に示されるようなこの希土類ドープ熱成長酸化物１６０から出現するルミネセンスの修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルを、図１１のモデル展開および行列に示される修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデル、および図１２の遮熱コーティング層概略図に示す。Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデル拡張は、光学特性が異なる２つの層を有する試料で有効であるが、多層を採用してもよい。図１１のモデル展開は、移動中のルミネセンス光の吸収および散乱に関する第１の展開された行列を、ルミネセンスの生成に関する第２の行列と結合して示している。結果として得られるモデル展開は、縦軸のＩ_{ｌａｓｅｒ}およびＪ_{ｌａｓｅｒ}の入射強度のパーセントと、トップコート１５６および熱成長酸化物（ＴＧＯ）１６０に関連するマイクロメートルでの深さとを示す、右側のグラフになる。

[00113]図１２の概略断面モデルにおける物理的パラメーターは、トップコート１５６、熱成長酸化物１６０、およびボンドコート１５０を、レーザー信号およびルミネセンスと共に示している。遮熱コーティングの深さは横軸に示されている。図１２のモデルに示す界面における反射および伝送を、フレネルの関係の積分平均（図１３）を用いて推定した。図１４のグラフに、測定可能なルミネセンス１６７を、縦軸を入射強度のパーセンテージ、横軸をトップコート１５６に対する熱成長酸化物１６０のマイクロメートルでの深さとして示し、これは、トップコート１５６におけるＩ_ｌｕｍおよびＪ_ｌｕｍの入射強度のパーセントの上昇、ならびにＩ_ｌｕｍの上昇およびＪ_ｌｕｍの低下を示す熱成長酸化物１６０における変化を示している。

[00114]以下でより詳細に説明するように、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）装置（図１５）および電子ビーム物理蒸着（ＥＢ－ＰＶＤ）装置（図１９）を含む、さまざまな付着方法を用いて、記載したような遮熱コーティングを形成することができる。

[00115]ここで、図１５を参照すると、２００には、例えば大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）のための、大気プラズマ溶射装置としての粉体インジェクターシステムの概略図が例示されており、これは、この例では約１～１００マイクロメートルの粒径Ｄ_５０の粉体を噴射するインジェクター２０２と、アルゴン（Ａｒ）とヘリウムおよび水素（Ｈｅ／Ｈ_２）との組み合わせを施用してタービンブレードなどの基材１５４上に粒子を気化および加速させるトーチ２０４とを有し、ＡＰＳスプラット(splat)２０８が示されている。プラズマ温度は約１０^４Ｋであることができ、システムは毎秒約１０^３メートル（ｍ／ｓ）のプラズマ流速で作動することができ、値は±１０％程度変動する可能性がある。

[00116]この記載した大気プラズマ溶射装置２００の１つの観点は、基材１５４上でのラメラ間細孔および未溶融粒子の形成の可能性であり、これはエアギャップを形成し、酸化物包含物を包含する可能性がある。どんな高酸化速度でもルミネセンス特性は損なわれる可能性があり、したがって、このプロセスは、望ましい厚さを確立し、付与される付着層の粗さを最小限に抑えるように、制御することができる。また、付着に理想的な粉体粒子／形状もない。

[0017]ここで、図１６の表２１０を参照すると、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹＤｙとして合成すべき組成物例と、８％のＹ_２Ｏ_３および９２％のＺｒ_２Ｏ_３のＹＳＺ層ならびにこの例では９７％のＮｉＣｏＣｒＡｌＹおよび３％のＤｙとして合成すべき組成物におけるさまざまな組成パラメーターとが示されている。これらの値は上限値および下限値として５％から、１０％、１５％、または２０％と変動することができ、すべての値はこれらの値の間にある。ドープボンドコートに対する要件は、スプレーが適切に供給されるための約３０マイクロメートル（Ｄ_５０）の粒径および約２５グラムの最小量であることができる。図１７および図１８の表は、非限定的な例として、製作されたＡＰＳドープボンドコート構成の例を示し、図１７の表の値は、図１６の表の値ともっとも密接に対応している。さまざまな試験片および例示的なクーポンの寸法を示す。参照試料は、同じスプレーパラメーターを使用している。

[00118]ここで、図１９を参照すると、システムとしての代表的電子ビーム物理蒸着（ＥＢ－ＰＶＤ）装置２２０が示され、ＥＢ－ＰＶＤ真空チャンバー２２４と、電子ビーム源２２７からＹＳＺインゴット２３０に噴射され、蒸発プルーム２３２を形成する電子ビーム２２６とが概略的に示されている。これにより、タービンブレードのような予熱基材１５４上での柱状成長２３６が可能になる。化学結合は、真空条件下において酸化が低減された平滑ボンドコート表面を形成するのに有用であり、付着速度および結果として生じる化学的性質に対するより良好な制御をもたらす。ＥＢ－ＰＶＤ真空チャンバー２２４は約１０^－６のＯ_２気圧で操作可能であり、基材１５４は、約１０００℃まで予熱（Ｔ_Ｓ）される。付着速度は変動可能であるが、一例では約１０μｍ／分（マイクロメートル／分）である。

[00119]代表的ＥＢ－ＰＶＤシステムによって生成された典型的な遮熱コーティング２３８の代表的ＳＥＭ像を図２０に示す。これは、基材２４４上のＥＢ－ＰＶＤジルコニア層２４０およびボンドコート２４２を示している。Ｇａｌｅｔｚ， Ｍａｔｈｉａｓ Ｃ．， “Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ”， Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ， ＩｎＴｅｃｈ， ２０１５， ２７７－２９８を参照されたい。この論文は概して代表的な層について説明している。

[00120]図２１を参照すると、ＥＢ－ＰＶＤ試料ならびにＹＳＺおよびＹＡＧ：ＥｒおよびＧＡＰ：Ｃｒの組成分析についての表２４６が示されている。表２４６は、さまざまな試験体およびＥＢ－ＰＶＤ ＹＡＧ：ＥｒまたはＥＢ－ＰＶＤ ＧＡＰ：Ｃｒとしての感知層を例示しており、感知層は、トップコートの上部、トップコートの下もしくは内部、またはボンドコート全体に位置決めされている。

[00121]記載したような希土類ドープボンドコート構成は、熱成長酸化物でのルミネセンス感知を可能にするのに有効である。また、この構成は、例えばタービンエンジンにおいて、熱パラメータをより良好に制御して、それらをより効率的に、より安全性を高めて操作することを可能にする。この構成は、遮熱コーティング中に自然に形成する熱成長酸化物層における直接測定を可能にする。ＴＧＯ層におけるトップコートとボンドコートの界面は、遮熱コーティングの寿命モニタリングの対象位置であり、モニタリングしてもよい。これは、感知層が高温酸化によって自然に形成する可能性があるためである。工業的付着手順を修正する必要はなく、遮熱コーティングの完全性は保存される。追加の機械的界面は不要であり、工業用トップコート遮熱コーティングの修正は不要である。

[00122]ガスタービンの例において、遮熱コーティングはタービン基材上に形成され、希土類ルミネセンス性ドーパントを包含するボンドコートと、ボンドコート上のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）バリアトップコートとを包含する。ボンドコートとＹＳＺバリアトップコートの界面にある熱成長酸化物（ＴＧＯ）層は、そのＴＧＯ層のルミネセンス感知を可能にする。一例において、希土類ルミネセンス性ドーパントは、サマリウム、エルビウム、ジスプロシウム、およびユーロピウムからなる群より選択することができるが、他の希土類元素、ならびに遷移金属を含む他のドーパントイオンおよび材料を使用してもよい。
遮熱コーティング上のルミネセンス寿命減衰と強度の同期捕捉のための燐光体サーモメトリー装置
[00123]２以上のドーパントまたはイオンを包含し、レーザーパルスによる励起時などに複数の発光ピークを同時に収集することが可能である。装置としての燐光体サーモメトリー温度測定システムを、非限定的な例に従って一般的に２５０に示す（図２２）。これは、エルビウムおよびユーロピウムを共ドープしたイットリア安定化ジルコニア遮熱コーティング（ＴＢＣ）のこの例において２つの発光ピークを同時に収集して、拡張された温度範囲および高い精度でのその場温度評価を可能にする。装置２５０は、ルミネセンス寿命減衰および両ドーパントの強度変動を捕らえ、したがって、タービンエンジンの操作温度まで、正確な測定のための高い感度および拡張された温度範囲能力での試験を可能にする。一例において、システム２５０は可搬式であり、タービンエンジン材料および先進の革新的な感知コーティングに対して有効な温度モニタリングを行う。試験するためのシステム２５０は一般に、可搬式のカートなどの支持体２５４と、ＰＭＴ（光電子増倍管）電源２５８、レーザー電源２６０、オシロスコープ２６４、レーザー２６８、ＩＲカメラ２７２、ならびに第１および第２の光電子増倍装置、この例では、光電子増倍管２７４ａ、２７４ｂ（ＰＭＴ１およびＰＭＴ２）などの光電子増倍装置とを包含する。制御器２８０はこれらの構成要素と共に作動し、それらの動作および機能を制御する。

[00124]このシステム２５０は、ルミネセンス信号と、異なる電子遷移からのルミネセンス減衰の同期捕捉のための選択された電磁スペクトルバンドの特定の反射とを分割することによって、燐光体サーモメトリーの能力を拡張する。システム２５０は、ルミネセンス性遮熱コーティング（ＴＢＣ）に対してリアルタイム高温測定を実行し、極端な環境で用いられる測定温度範囲を拡張することができ、その結果、システム２５０は、その場操作に合うように構成し、例えば、ガスタービンエンジンの実際の動作に適合させることができる。

[00125]システム２５０は、放出されたルミネセンス信号からの電磁スペクトルを選択的に分割し、分離されたルミネセンスピークを、個々のルミネセンス減衰捕捉のために、この例では光電子増倍管２７４ａ、２７４ｂとしてのそれぞれ第１および第２の光電子増倍管デバイスに反射することができる。システム２５０は、プローブ測定された材料の同じ点で生じる複数の電子遷移から明確な減衰特性を収集し、極端な環境におけるより精密な温度測定のためのデータを提供する。一例において、システム２５０は、図２５の概略図に関して後述するように、ダイクロイックフィルターを使用して、ルミネセンス信号を第１および第２の光電子増倍管２７４ａ、２７４ｂに分割して反射することができ、光電子増倍管は、受け取った光子をオシロスコープ２６４上でトレースされる信号に変換する。結果として生じる減衰は、減衰を温度に変換する制御器２８０におけるプログラムを介してコンピューターにより計算することができる。

[00126]このシステム２５０は、より高温およびより高精度の温度測定を可能にし、その測定を行うことができる温度範囲を拡張する。実験結果は、温度の範囲を、例えばＹＳＺ：Ｅｒ，Ｅｕ燐光体を用い、高精度で、２５～９００℃から２５～１１００℃のより広範囲に拡張することができることを示している。この例における第２の光電子増倍管（ＰＭＴ２）２７４ｂ、および関連する光学素子など、少なくとも１つの光電子増倍管の追加に起因する追加的コストは、システム２５０全体のコストと比較すると小さい。このシステム２５０は、最新の燐光体サーモメトリー機器または他の装置の代替として使用することができ、例えば、極端な環境においてより高い誤差レベルを伴う可能性がある赤外線技術または熱電対技術を使用する代替測定技術に置き換わることができる。

[00127]操作中、測定プロセスの間に、レーザー２６８から放出される単一のレーザーパルス、例えば、約１０ｎｓのパルスは、１点の温度に相関させることができる複数の減衰を得るのに十分であることができる。制御器２８０はオシロスコープ２６４で収集されたデータを処理し、温度をルミネセンスからリトレースするように構成することができる。

[00128]この非限定的な例における燐光体サーモメトリーシステム２５０は、ルミネセンス減衰の同期データを収集し、そのデータを処理して、エルビウム－ユーロピウム共ドープ、イットリア－安定化ジルコニア大気プラズマ溶射遮熱コーティングから出るような、２つの独立した発光ピークから測定される強度比を得る。実験は大気プラズマ溶射によって施用された遮熱コーティング上で達成されたが、上記ＥＢ－ＰＶＤシステム２２０のような他の施用技術を使用してもよい。システム２５０は、一例として、５０℃の増分ステップを用いて１１００℃までドープ層から出てくるルミネセンスを収集することができる一方、表面温度を同時に測定することができる。オシロスコープ２６４の入力におけるより高い抵抗は信号対雑音比を増幅し、システム２５０が８５０℃までの十分なバンド幅で寿命減衰を収集することを可能にすることができる。より高い温度では、限定された応答時間をエルビウムとユーロピウムの発光ピーク間の強度比の捕捉によって補うことができ、これはユーロピウムの急速な消光に起因して変動する可能性がある。その結果、希土類ドープＹＳＺ構成を用いて正確に測定することができる温度範囲は、ガスタービンエンジン操作温度まで拡張される。

[00129]燐光体サーモメトリーのデータの同時捕捉は、高感度減衰プロセスを高検出能強度比と組み合わせて用いた、拡張された温度範囲での、より高精度の測定を可能にすることができる。この燐光体サーモメトリーシステム２５０の同期捕捉能力は、高温で作動するタービン構成要素のための効率的なその場温度測定オプションを提供する。

[00130]上記のように、遮熱コーティングは、高温で作動するガスタービン構成要素を保護する。これらの遮熱コーティングは一般に、セラミックトップコートを介した１℃μｍ^－１程度の温度降下を可能にする能動冷却システムと組み合わされて使用される。このような極端な環境におけるコーティング温度の正確な測定は、良好なガスタービン性能を確保および維持し、システムの機能性を確保し、タービンブレードの寿命を予測するのに役立つ。温度測定の不確実性は、破損メカニズムが熱的に促進されるので、使用温度において数度に低減されることが好ましい。これは、トップコートとボンドコートの間の界面における温度に対する熱成長酸化物の成長速度の極端な感受性に起因して重要であることができる。したがって、高温測定のためのセンサー層またはコーティングが形成され、感知能力を提供するために、希土類ドープイットリア安定化ジルコニアの使用を用いて遮熱コーティングに一体化される。

[00131]ユーロピウムドープＹＳＺ（ＹＳＺ：Ｅｕ^３＋）は、約５００℃の消光温度を超えての優れた温度感受性、可視ルミネセンス、およびより長い室温減衰時間を有する。同様に、エルビウムドープＹＳＺ（ＹＳＺ：Ｅｒ^３＋）は、強い可視ルミネセンス強度、より短い室温減衰時間、および室温と高いタービン作動温度との間での温度感受性を有する。約５３２ｎｍの使用可能な吸収バンドおよび明確な発光波長を伴い、この例では、両方のドーパントを、タービンブレードおよび他の構成要素の正確な評価のためにそれらの特性を組み合わせる共ドープ構成において一緒に使用する。

[00132]図２２に関連して開発され説明されたシステム２５０は、ＹＳＺ：Ｅｒ^３＋およびＹＳＺ：Ｅｕ^３＋によって生成されたルミネセンスが単離され、同時に収集されることを可能にする。データは、精度を高めるために２倍にされ、ドーパントの感受性を組み合わせ、システム２５０が希土類ドープＹＳＺ遮熱コーティング上の温度をその場で測定することができる温度範囲を拡張する。減衰および強度比処理技術の両方を用いて、２つのドーパントの同期収集を利用することができる。この例の試験試料は、図２３の構成に示すように、共ドープされたユーロピウムおよびエルビウムを上面に有する感知層を含有し、燐光体サーモメトリー測定を赤外線サーモメトリーと比較し、この構成は、試料からのより強いルミネセンス強度を可能にした。

[00133]製作プロセスの説明。フロリダ工科大学の大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）施設でＳＧＴ‐１００（Ｐｒａｘａｉｒ）スプレーガンを用いて試料を製作した。層状構成の付着に使用した材料およびパラメーターを、以下に示す表１に示す。遮熱コーティング構成は、図２３に３００で示され、金属ボンドコート層３０４と、ボンドコート上のセラミックトップコート層３０６とを包含する。セラミックトップコート層３０６は、非ドープ層３０８と、感知層のための上部またはトップコート３１２としてのドープ感知層とを包含し、すべてが基材３１６、例えば１インチのＣＭ２４７合金の上および上方に位置決めされる。例示的な寸法はマイクロメートル単位であり、この試料では、ドープ感知層３１２としてのドープ上部層は約８０マイクロメートルであり、非ドープ層３０８は約２５０マイクロメートルであり、ボンドコート１５０は約１５０マイクロメートルであった。

[00134]これらの寸法は変動することができる。例えば、ドープ感知層３１２は約７０～９０マイクロメートルであることができ、非ドープ層３０８は約２３０～約２７０マイクロメートルであることができる。一例において、ドープ感知層３１２は非ドープ層３０８の上方にＴＢＣの上層を形成し、エルビウム－ユーロピウムが共ドープされたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）として形成することができる。ＹＳＺ中のエルビウム濃度は、約１．２５～１．７５重量％、一例では１．５重量％であることができる。ＹＳＺ中のユーロピウム濃度は、約２．５～３．５重量％、一例では約３．０重量％であることができる。第１の光電子増倍管装置２７４ａは、約５４５ｎｍおよび５６２ｎｍのエルビウムスペクトル線を検出するように構成されることができる。第２の光電子増倍管装置は、約５９０ｎｍおよび６０６ｎｍのユーロピウムスペクトル線を検出するように構成されることができる。これらの値はすべて、記載された値ならびにそれらの値の間の範囲および値を５％、１０％、１５％または２０％程度上下に変動する可能性がある。

[00135]一例において、クーポンとして実験に使用した基材は、直径２５．４ｍｍ、厚さ３ｍｍのＣＭ２４７ディスクとして形成した。ボンドコート層３０４を付着させる前に、試料をグリットブラストした。スタッドを基材３１６の背面に溶接して、試料を付着ステージ上に取り付けた。ＮｉＣｒＡｌＹボンドコート粉末（ＮＩ－１６４／ＮＩ－２１１、Ｐｒａｘａｉｒ）、７～８重量％ＹＳＺ非ドープトップコート粉末（ＺＲＯ－２７１、Ｐｒａｘａｉｒ）、ならびにＰｈｏｓｐｈｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ．から固相反応によって生産されたエルビウムおよびユーロピウムドープＹＳＺトップコート粉末を、ルミネセンス性ＹＳＺ：Ｅｒ，Ｅｕ層３１２を包含する図２３の大気プラズマ溶射遮熱コーティング構成３００に示すように、それぞれの層３０４の付着に使用した。図２３のこの構成３００において、寸法はマイクロメートル（μｍ）単位であり、ＡＰＳ付着ＹＳＺ：Ｅｒ、Ｅｕ層３１２；ＡＰＳ付着ＹＳＺ層３０８；ＡＰＳ付着ＮｉＣｒＡｌＹボンドコート３０４；およびガスタービンブレードにしばしば使用される多結晶質ニッケル超合金に対応するＣＭ２４７基材層３１６を包含する。

[00136]最適ルミネセンス強度のために、１．５重量％のＹＳＺ中エルビウム濃度を選択した。高ルミネセンス強度のために３重量％のユーロピウム濃度を選択し、その量によりドーパントの侵入は制限されて、相変化が妨げられた。量は最大約５％、１０％、１５％または２０％、およびその間のすべての値で変動することができ、さらに他の例では、０．５～２．５重量％のエルビウムから２．０～４．０重量％のユーロピウムまでの範囲であることができる。前処理ドープＹＳＺ粉末は最初、より小さい粒径（Ｄ_５０＜１μｍ）および不規則な粒子形状を有し、そのため、混合物の流動性および最上層の良好な付着速度を確実にするために、粉末を非ドープＹＳＺ粉末と一緒に混合した。粒径は変動することができる。付着プロセスの一部としての供給ホイール(feeding wheel)は、目詰まりを減少させて一定の付着速度を得るために、その速度を低下させた。ルミネセンス強度に関し十分なドープ材料を維持しながら、良好な付着速度を得るためには、ドープ粉末と非ドープ粉末の混合比は約１：２が最適であることを決定した。作製された遮熱コーティング３００を、二次電子および１５ｋＶの加速電圧を用いてそのミクロ構造に関し走査型電子顕微鏡を用いて調べた。非ドープおよびドープＹＳＺ層の途切れることのない連続的な付着は、可視的界面のないトップコート全体の均一性を確実にした。試料を８００℃で２時間アニールして、考えうるルミネセンス消光化合物を除去した。

[00137]試料のスペクトル特性決定。ＹＳＺ：Ｅｒ，Ｅｕ試料の発光スペクトルを、１５ｍＷ ５３２ｎｍレーザー励起下で、ファイバー収集 (fiber collection)分光計（Ｐｉｘｉｓ １００、Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を使用して、１ｍｓの収集時間で測定した。このプローブは、焦点距離７．５ｍｍ、被写界深度２．２ｍｍ、開口数０．２７、スポットサイズ２００μｍを有していた。５４５ｎｍおよび５６２ｎｍのＥｒ線ならびに５９０ｎｍおよび６０６ｎｍのＥｕ線が観察された。^５Ｄ_１準位を励起し、５２０から５５０ナノメートルに及ぶ吸収バンドを有するユーロピウムの存在に起因して、共ドーピングは、エルビウム線のあるレベルの再吸収を導入した可能性がある。これは、最終的に、エルビウムとユーロピウムとの間のより小さい強度比をもたらし得る。この実験では、５４５ｎｍにおけるエルビウムのピーク（^４Ｓ_３／２→^４Ｉ_１５／２）および５９０ｎｍにおけるユーロピウムのピーク（^５Ｄ_０→^７Ｆ_１）を、ルミネセンス強度および減衰測定のために選択した。

[00138]図２４のグラフは、５３２ｎｍのレーザー励起下のＹＳＺ：Ｅｒ，Ｅｕ試料の発光スペクトルを示し、燐光体サーモメトリー検出器によって収集された２つの領域を強調し、“Ａ”と標識されたラインの間の５４３．５ｎｍのバンドパス、および“Ｂ”と標識されたラインの間の５９０ｎｍのバンドパスを示す。バンドパスの半値幅は、ルミネセンス測定のために収集された波長の範囲を示すために表された。

[00139]燐光体サーモメトリー装置の一般的仕様。図２２のブロック図に示されるような燐光体サーモメトリー装置は、ダイクロイックフィルターによって単離することができる少なくとも２つの発光ピークを有する多くの温度センサー材料に適合可能である。装置は可搬式であることができ、安定なカート２５４（図２２）上に取り付けることができる。高さは、カートの上面を持ち上げるか、または例示の第１および第２の光電子増倍管（ＰＭＴ）２７４ａ、２７４ｂを個々に持ち上げることのいずれかによって調節可能であることができ、これらの光電子増倍管は精密ラボリフトジャッキ２７５上に取り付けられ、非限定的な例では制御器２８０に接続されている主光学ブレッドボード２７６上に固定されている。

[00140]図２２に記載された燐光体サーモメトリーシステム２５０の一部の概略ブロック図は、図２５に概略的に示され、ＹＳＺ：Ｅｒ，Ｅｕからのルミネセンスの同期モニタリングを可能にする。図２５のブロック図のこの説明では、図２２を参照して使用したのと同様の参照番号を使用する。システム２５０は、１０Ｈｚの周波数で１０ｎｓのレーザー出力を提供するＹＡＧ：Ｎｄパルスレーザー（ＣＮＩ）２６８を備えている。レーザー２６８によって放出される放射線は１０６４ｎｍにおける基本モードであることができ、一例では約２ｍＪのパルスエネルギーを包含する。光は、例えば、周波数倍増リン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）結晶を通って移動して、０．５～１ｍＪのオーダーの５３２ｎｍパルスを生成する。１０６４ｎｍおよび５３２ｎｍのビームは三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶を通って共線的に移動して、合計周波数３５５ｎｍでパルスを生成し、パルスエネルギーは最大０．５ ｍＪである。第１および第２の光電子増倍管２７４ａ、２７４ｂは、各検出器に１５ボルトおよび最大電流９０ｍＡを提供する単一の精密直流電源としてのＰＭＴ電源２５８（図２２）によって電力供給される２つのＨａｍａｍａｔｓｕ Ｒ３８９６管として形成されてもよい。各ＰＭＴ ２７４ａ、２７４ｂの利得制御モジュールの最大内部抵抗は、約８０ｋΩであると測定された。

[00141]この実験のために、５３２ｎｍの励起を選択し、３５５ｎｍをビームブロッカーで止めた。第１および第２の５３２ｎｍレーザーミラー２８２ａ、２８２ｂは、図２３に示した試料に関して記載した遮熱コーティング構成３００に対応する試料に対するビームの方向を調整した。レーザービームを試料の軸に正確にアライメントした後、シアンダイクロイックフィルター２８４（ＦＤ１Ｃ－Ｔｈｏｒｌａｂｓ）をビームの経路に置き、入射角（ＡＯＩ）が３０°になるようにした。この値は、シアンダイクロイックフィルター２８４上のレーザー光の反射を低下させ、試料３００上へのより高い励起強度を可能にするので、選択された。次に、マゼンタダイクロイックフィルター２８６（ＦＤ１Ｍ－Ｔｈｏｒｌａｂｓ）をシアンダイクロイックフィルター２８４の反射軸から４５°の入射角で配置した。これにより、シアンダイクロイックフィルター２８４上で反射された共ドープ試料３００の畳み込まれたルミネセンスが、さらに２つのスペクトルバンドに分割されることが可能になった。

[00142]エルビウム発光を含有するより短い波長は、マゼンタダイクロイックフィルター２８６上で反射され、マゼンタダイクロイックフィルターの反射軸に位置するＰＭＴ１（光電子増倍管番号１）２７４ａとしての第１の光電子増倍管装置に方向付けられた。ユーロピウム発光を含有するより長い波長は、シアンダイクロイックフィルター２８４の反射軸に位置するＰＭＴ２（光電子増倍管番号２）２７４ｂとしての第２の光電子増倍管装置に、マゼンタダイクロイックフィルター２８６を通って伝送された。シアンダイクロイックフィルター２８４から試料３００までの距離は約３０ｃｍであり、２つのダイクロイックフィルター２８４、２８６間の距離は約８ｃｍであった。減衰の収集のために、２つのＰＭＴ２７４ａ、２７４ｂを同時に使用した。オシロスコープ２６４のチャネル１（図２２）に接続されたＰＭＴ１ ２７４ａ上で、５４３．５ｎｍ（１０ｎｍ ＦＷＨＭ－Ｔｈｏｒｌａｂｓ）バンドパスフィルターを、その検出器の観察ポートに配置した。５４５ｎｍでのエルビウム発光および５３２ｎｍでの励起の波長は互いに近いため、約５３２ｎｍの透過および光学濃度がそれぞれ０．１９％および２．７３であるバンドパスフィルターを通過するレーザー反射により、若干のレーザー漏れが生じた。

[00143]レーザー強度はルミネセンス強度に比べて非常に高いため、第１の光電子増倍管２７４ａをより良好に保護し、レーザー光の望ましくない収集を回避するために、１９０～５３２ｎｍの範囲に光学濃度５（５．０）を有するロングパスフィルターを追加した。オシロスコープ２６４のチャネル２に接続された第２の光電子増倍管（ＰＭＴ２）２７４ｂ上に、５９０ｎｍ（１０ｎｍ ＦＷＨＭ－Ｔｈｏｒｌａｂｓ）バンドパスフィルターを観測ポートに取り付けた。外部光の収集によって防止される強いレーザー反射への直接露光を回避し、システム２５０の光学構成要素を通って移動する光を捕獲するために、レーザーバリアパネルをシステムの前面に配置した。観察孔を押し出して、最大開口（２５ｍｍ）まで開いたアイリスと、わずかに発散したレーザービームを試料３００上に収束させる２９０に示された１２５ｍｍの凸レンズとを挿入した。この配置は、凸レンズ２９０の焦点距離に置かれた試料の表面上に約４ｍｍのスポットサイズをもたらし、検出器に移動するルミネセンス光のコリメーションを可能にした。

[00144]初期試験。システム３００を、５３２ｎｍの励起パルス下でアルミナブロックから放出される既知のＲ線（ルビー）を使用して試験した。この実験は、Ｒ１線崩壊の特定の収集のために６９４．３ｎｍバンドパスフィルター（１０ｎｍ ＦＷＨＭ－Ｔｈｏｒｌａｂｓ）を用いて室温で行った。シアンダイクロイックフィルター２８４は、レーザービームを試料３００に伝送し、ルミネセンス信号を検出器に反射させるために使用され、検出器は、この例では一般的に２７５で示され、ＰＭＴに対応する。得られた減衰を単一指数モデルを用いて適合させ、図２６のグラフに示す。これは、アルミナのＲ１線の室温減衰を例示し、縦軸に正規化強度を、横軸に秒単位の時間を示し、Ｔが約３．３８８９ｍｓに等しい適合を示す。

[00145]高温セットアップ。この例では、高温を、誘導加熱コイル２９２（ＲＤＯ ＨＵ２０００）を用いて達成する。誘導加熱コイル２９２は、高周波数の脈動磁場を生成して試料材料３００に内部循環渦電流を誘導して、材料内に抵抗加熱を引き起こす。図２７の概略図に示すように、誘導コイル２９２と試料３００の表面との間に約２７２ｋＨｚの周波数および５ｍｍのリフトオフ距離を使用して、誘導原理および温度制御および長波赤外線カメラ２７２（図２７）を使用した高温セットアップを例示する。試料３００上へのパルス励起レーザーの拡大図は、誘導加熱コイル２９２と、遮熱コーティングを有する試料３００に対する循環渦電流２９３および磁場２９４およびそれらの位置とを概略的に示す。内部渦電流によって発生する抵抗加熱Ｑは、以下の式によって説明される：

[00146]式中、σは導電率に等しく、Ｊ_ｓは磁場によって生成される渦電流密度である。誘導加熱コイル２９２に平行に、かつレーザービームの水平経路に対して垂直に試料表面を維持するために、ディスクの円形セグメントをカットオフし、これにより、試料を耐火性ブロック上に載せることができるようにした。５０℃の温度増分は、誘導加熱システムの出力を増大させることにより、１１００℃まで達成された。燐光体サーモメトリーデータを各温度段階で収集した。誘導加熱は、ルミネセンス測定を容易にするバックグラウンド熱放射をもたらさないので、この実験のために選択された。

[00147]赤外線サーモメトリーを用いた温度制御。温度はＴＩＭ４５０（Ｍｉｃｒｏ－Ｅｐｓｉｌｏｎ）長波赤外線カメラ（７～１３μｍ）２７２を用いて測定し、該カメラを、約３０Ｈｚで操作し、カメラの焦点距離に対応する試料３００から２０ｃｍに置いた。収集面積は、燐光体サーモメトリーレーザースポットサイズに適合するように減少させた。カメラ２７２は、“ＴＩＭ Ｃｏｎｎｅｃｔ”サーモグラフィーソフトウェアと呼ばれるプログラムを用いて、試料から放出される熱放射を追跡した。放射率はすべての読み取り値に対して

に設定した。これは、この値が、長波赤外域のＹＳＺの放射率に対応し、温度によって顕著には変化しなかったためである。
[00148]説明は、第１および第２の光電子増倍管２７４ａ、２７４ｂを包含する、図２２および図２５に例示されるシステム２５０を参照して進められた。しかしながら、第３および第４の光電子増倍管２７４ｃ、２７４ｄは、図２５Ａの例示的システムに示されるようにシステム２５０に組み込まれることができ、各光電子増倍管２７４ａ～ｄにおけるバンドパスフィルターおよび追加のダイクロイックフィルター２８５を包含する。

[00149]ルミネセンス減衰の捕捉。第１および第２の光電子増倍管（ＰＭＴ１およびＰＭＴ２）２７４ａ、２７４ｂの両方をそれぞれ使用して、５４５ｎｍでのエルビウム発光および５９０ｎｍでのユーロピウム発光のルミネセンス減衰を同時に捕捉した。Ｓｉｇｌｅｎｔ ＳＤＳ １２０４Ｘ－Ｅオシロスコープ２６４は、電気信号をデータ行列に変換した。ＰＭＴ１ ２７４ａの観察ポートの前には、入射光が５３２ｎｍ～５６０ｎｍの波長範囲のスペクトルバンドを包含していた。それは、エルビウムが発するルミネセンスおよびレーザー反射を含有していた。この光は試料３００表面からの光路をたどり、シアンダイクロイックフィルター２８４でＲ_{ｃｙａｎ，５４５ｎｍ}≒９５％で反射され、マゼンタダイクロイックフィルター２８６でＲ_{ｍａｇｅｎｔａ，５４５ｎｍ}≒９２％で反射された。５４３．５ｎｍバンドパスフィルターおよびレーザーカットオフロングパスフィルターの両方を用いて、スペクトルバンドを狭くして、５４５ｎｍにおけるエルビウムのピークを選択した。ＰＭＴ２ ２７４ｂの前では、入力信号が約５６０ｎｍ～７２０ｎｍの波長範囲を有するスペクトルバンドを含有していた。それは、試料表面から出現し、シアンダイクロイックフィルター２８４でＲ_{ｃｙａｎ，５９０ｎｍ}≒１００％で反射され、Ｔ_{ｍａｇｅｎｔａ，５９０ｎｍ}≒９１％でマゼンタダイクロイックフィルター２８６を透過した、ユーロピウムルミネセンスを含有していた。

[00150]５９０ｎｍにおけるユーロピウムの特定のルミネセンス発光ピークは、ＰＭＴ２ ２７４ｂの観察ポートに前記５９０ｎｍバンドパスフィルターを置くことによって選択した。ルミネセンス減衰の検出を容易にし、信号対雑音比（ＳＮＲ）を増加させる信号のより大きな振幅を得るために、ＰＭＴ検出器２７４ａ、２７４ｂをオシロスコープ２６４に連結するＲＧ５８同軸ケーブルに固定抵抗負荷を接続した。エルビウムではＰＭＴ１ ２７４ａ、ユーロピウムではＰＭＴ２ ２７４ｂに関連した捕捉チャネルに、それぞれ５０ｋΩおよび５ｋΩの抵抗を印加した。

[00151]図２８に示されるグラフは、５００℃で捕獲され、エルビウム（≒１３μｓ）と比較して長いユーロピウムの減衰（≒６３２μｓ）と、捕捉のために選ばれたより低い抵抗値に起因するユーロピウム減衰のより高い雑音とを示す、同時減衰捕捉の例を示す。この実験では、信号の振幅が時間応答に対し有利に働き、より高い温度までのルミネセンス強度の使用が可能であった。これらのより高いフィードスルー抵抗を選択することにより、正確に測定することができる最小寿命減衰は、チャネル１については約６μｓであり、チャネル２については約１．５μｓであることが見出された。

[00152]実験の終了後、収集したデータを、図２９Ａおよび２９Ｂのグラフに示すように、ｔ＝０がすべての温度における減衰の開始に対応するようにすべての減衰を同期させるＭＡＴＬＡＢ（登録商標）コードを使用して処理し、５４５ｎｍでのエルビウム発光（図２９Ａ）および５９０ｎｍでのユーロピウム発光（図２９Ｂ）のルミネセンス減衰を示した。ＭＡＴＬＡＢコードは、両方の減衰データを適合させるために単一指数モデルを使用した。ユーロピウム減衰は三重指数関数的減衰挙動を有することが示されたが、単一指数モデルは、この燐光体を用いた温度測定に対してよりロバストな適合を提供するので、広く使用されてきた。

[00153]ルミネセンス強度の測定。第１および第２のＰＭＴ２７４ａ、２７４ｂおよび高い信号対雑音比の使用は、レーザー励起パルスが終了し、検出器に到達するルミネセンス強度が最大である場合に、ｔ＝０における強度の比較を可能にした。第１および第２のＰＭＴ２７４ａ、２７４ｂは、バンドパスフィルターによって通された低減したスペクトル領域を受け取り、ボルトで測定される電気振幅に光子を変換した。第１および第２のＰＭＴ２７４ａ、２７４ｂの量子効率は、５９０ｎｍ（≒１８％）よりも５４５ｎｍ（≒２０％）でわずかに高いと予想された。この実験では、エルビウムのルミネセンスを収集するチャネル１のフィードスルー抵抗をチャネル２の抵抗よりも高い値に設定したが、これは、両方のドーパントについて１ボルトを超える振幅が可能になったからである。室温において、５８５ｎｍと５９５ｎｍの間のユーロピウムのルミネセンスの積分強度は、バンドパスのスペクトル範囲における５３８．５ｎｍと５４８．５ｎｍの間のエルビウムの積分強度より約５５％高いことが見出された。これは、主に、ＹＳＺ中のエルビウムおよびユーロピウムの特定の量子収率によるものであり、この試料について得られた特定の濃度および分布パラメータによるものであった。

[00154]収集した強度をＭＡＴＬＡＢコードで処理して、増大している熱放射バックグラウンドを測定値から減算し、レーザー励起が停止し、ルミネセンスが残存していないときに、ＰＭＴ２７４ａ、２７４ｂが受け取った強度を平均化した。これは典型的には新たな励起パルスの前に行われ、新たな励起パルスは、オシロスコープ２６４ウィンドウ上で、立ち上がり時間および減衰に先立つトレースに対応する。温度によるスペクトルシフトが、光の収集に使用されるフィルターのスペクトルバンドパスと比較して無視できると仮定すると、２つのドーパントの正規化強度間の比は高温測定に使用することができる。２つのＰＭＴ２７４ａ、２７４ｂのそれぞれによって測定される積分強度は、結果的に、各放射遷移のピーク強度に比例したままであると仮定される。

[00155]時間的分析。独立したルミネセンス減衰を各５０℃ステップで適合させ、結果のグラフを図３０に示す。これは、大気プラズマ溶射共ドープＹＳＺ：Ｅｒ，Ｅｕの寿命減衰応答を示している。誤差バーは、試料上の３つの異なる位置について、同一のセットアップで行った３つの独立した測定の標準偏差を表した。５４５ｎｍでのエルビウムの減衰は、室温から８５０℃までの温度範囲全体にわたって温度に対し敏感であり、室温における寿命減衰時間は約３１μｓであることが明らかである。ユーロピウムの減衰はＹＳＺ中の燐光体の消光温度（≒５００℃）と８５０℃の間の温度範囲で非常に高い感受性を有し、室温における寿命減衰時間は約１．２ｍｓであった。ユーロピウムの高温感受性領域を、４００の囲まれた領域によって示す。

[00156]減衰の共ドープ構成と同時データ捕捉の利点は、個々のドーパントが異なる最大感受性温度範囲を有するので、減衰技術が適用できる温度範囲の拡張であった。８５０℃を超えると、ユーロピウムの減衰は１．５μｓ付近に停滞する寿命を示し、これは、信号の収集に使用される抵抗に関連して、このチャネル上のシステム２５０の検出限界に対応していた。

[00157]この不正確な寿命減衰は、高温でのシステム２５０の制限された応答によって発生した。チャネルでの抵抗フィードスルーの低減は応答時間を低減した可能性があるが、それは信号対雑音比の著しい低下を暗示した。結果として生じる高温燐光体サーモメトリーのために、信号対雑音比と時間分解能との間の折衷点を選択することができる。ユーロピウムの減衰の感度は５００℃から８５０℃の間で高いように見え、これは、消光温度を超えると振動脱励起の確率がより高くなるため、ＹＳＺへのドーパントのルミネセンス消光に対応した。しかしながら、この高感度温度範囲外でのユーロピウムの減衰の感度はゼロに近かった。温度測定システム２５０によって促進されるエルビウムとユーロピウムの組み合わせは、非限定的な例において室温とタービンシステム操作温度との間の任意の温度について区別することができる、エルビウムの寿命減衰による減衰技術を使用して測定することができる温度範囲の拡張を可能にする。

[00158]強度に関する考慮事項。ルミネセンス強度の変動を測定し、５４５ｎｍでのエルビウム発光と５９０ｎｍでのユーロピウム発光の強度の比を測定し、それらの明確な室温強度に関して正規化した。このデータは、燐光体サーモメトリーシステム２５０を用いた温度測定のための追加情報を提供するために得た。ルミネセンス強度は、ルミネセンス減衰の振幅の最大値を測定することによって得られ、それは、レーザー励起パルスが最も強いルミネセンスを生成した瞬間にＰＭＴ２７４ａ、２７４ｂそれぞれに到達する光子の量に比例していた。温度が上昇すると、エネルギー準位の熱的充填に起因して、両ドーパントのルミネセンス強度は最初に上昇し、その後、熱的消光のために低下することが決定された。

[00159]プランクの法則を用いて分光放射輝度を予測できる増大している熱放射は、全体的な強度に対する寄与をもたらし、その一部はルミネセンスであった。室温強度に対する各ドーパントのルミネセンス強度のパーセントでの変動を図３１の複合グラフに示す。これは、各ドーパントの室温強度に対するルミネセンス強度変動のパーセントと、８５０℃と１１００℃との間の対応する比および感度を示し、したがって、高温測定に使用可能であることを示している。誤差バーは、試料上の３つの異なる位置について、同一のセットアップで行った３つの独立した測定の標準偏差を示す。また、エルビウム対ユーロピウムの正規化強度変動の比、Ｒ_{Ｅｒ／Ｅｕ}は、下のプロットに示すように、８５０℃から少なくとも１１００℃まで使用可能であり、４１０の囲まれた部分によって定義されるような拡張された温度範囲を示す、感受性の高い温度範囲を有することが分かった。誤差バーは、エルビウムとユーロピウムの強度変動の比からの誤差の伝播を示す。これは、グラフの右側の３次元プロットに示されるように、強いままであったエルビウムのルミネセンスと比較して、この範囲におけるユーロピウムルミネセンスの消光が急速であった結果である。ユーロピウムの寿命減衰は、装置の時間分解能の制限のため８５０℃を過ぎると正確に決定できなかったが、高い信号対雑音比よって、より高い温度での有効な強度測定が可能になった。

[00160]測定誤差に関する考慮事項。システム２５０の精度を評価し、ＹＳＺ：Ｅｒ，Ｅｕ試料３００を用いてシステムの代表的な応答を得るために、３つの独立した測定を行った。燐光体サーモメトリーシステム２５０セットアップは、試料および誘導コイル２９２が３つの異なる位置からのルミネセンス信号を収集するためにレーザー方向に正常に移されている間、変化はなかった。本質的な温度測定の不正確性は、高温における精度が±２％である赤外線サーモメトリーの使用により暗示された。この材料を基準として赤外線サーモメトリーを用いてデータ収集に望ましい温度値に至らせて、誘導加熱の電力入力を決定した。

[00161]測定のための温度を目標とする場合の別の制限要因は、ドープ層における温度勾配によるものであって、遮熱コーティングの上面からボンドコート３０４への熱流束によって作り出されるが、その方向は、金属基材を優先的に加熱し、材料の自由表面での対流によって熱を放散させる誘導コイル２９２の使用により反転していた。さらに、材料特性は、試料上でプローブされた位置に伴い変動した。例えば、多孔度のランダム分布は、材料の熱的および光学的特性の両方に影響を及ぼし、ドープ層の厚さの不規則性は、試料のルミネセンスの考えうる変動に寄与した。材料中へのドーパントの不均一な分布の可能性は、場合によってはイオン－イオン相互作用または連続的な熱サイクルを強める可能性があり、これが、ドープ層上の異なる位置をプロービングするときに強度および寿命減衰の変動をもたらす。

[00162]指数関数的適合に関する不確実性はまた、とりわけ、典型的には三重指数関数的減衰挙動を示すユーロピウムで顕著であり得る。８００℃での測定精度は、エルビウムおよびユーロピウム減衰を用いて、それぞれ±８℃および±３℃であることが見いだされた。それに加えて、実験室規模のプロトタイプは、実験誤差を減らすために、較正のための自動捕捉を必要とした。

[00163]燐光体サーモメトリーシステム２５０は、エルビウム－ユーロピウムを共ドープしたイットリア安定化ジルコニアの大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）遮熱コーティングから出てくる、２つの独立した発光ピークから測定されるルミネセンス減衰および強度比の同期データ収集に有効である。ドープ層３１２（図２３）から出現するルミネセンスを５０℃ステップで１１００℃まで収集する一方、表面温度を長波赤外線カメラ２７２を使用して同時に測定した。信号対雑音比を増幅するために選択された、オシロスコープ２６４の入力における高い抵抗は、８５０℃までの十分なバンド幅での寿命減衰の収集を可能にした。

[00164]より高い温度において、制限された応答時間は、ユーロピウムのより急速な消光に起因して著しく変動するエルビウムとユーロピウムの発光ピークの強度の比を捕捉することによって補った。結果として、希土類ドープＹＳＺ構成を用いて正確に測定できる温度の範囲は、タービンエンジン操作温度まで拡張された。燐光体サーモメトリーデータの同時捕捉は、高感度減衰プロセスを高検出能の強度比プロセスと組み合わせて用いる、拡張温度範囲に関するより精密な測定を可能にした。この新規な燐光体サーモメトリーシステム２５０の同期捕捉能力の活用は、タービン構成要素のための効率的なその場温度測定オプションを提供した。

[00165]図３１Ａおよび３１Ｂに示されるように、エルビウムドープ遮熱コーティングなど、同期減衰捕捉のために一般的な燐光体を使用することが可能である。図３１Ａに示されるように、クーポン４００は、約２．５ｍｍで示されるような畳み込み間隔を有するエルビウムの畳み込まれたルミネセンスを有する。図３１Ｂのグラフはエルビウムルミネセンススペクトルを例示し、単一のピークを使用する場合よりも高い精度の結果を得るために同時に分離および収集することができる２つの主要ピークを強調している。
シンクロトロンＸＲＤ測定
[00166]インコネル７３８基材と、３つの構成にある３１６ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコート３０４（図２３）、ＹＳＺトップコート、ならびにＹＳＺおよびＹＳＺ：Ｅｕ混合物の層としての遮熱コーティングと含むクーポンを、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）プロセスを用いて検証するために、さらなる開発が行った。２つの多層遮熱コーティング構成を、第１は非ドープＹＳＺの上部にドープ層を有し、第２はボンドコート３０４の上部にある状態で生産された。両方の構成を、基準としての正規の遮熱コーティング構成と共に製作した。

[00167]シンクロトロンＸＲＤ測定は、室温において、１１００℃までの単一飛行熱負荷下で行った。すべてのＴＢＣ構成のトップコートのＹＳＺ層における残留歪みの空間分布を、ＸＲＤデーターから定量化した。ＴＢＣのトップコートにドープ層を導入した場合の効果を評価した。ボンドコートの上部にドープ層を導入しても歪み分布には強く影響しなかったが、上面のドープ層はＹＳＺ層の歪み分布をわずかに変化させた。ＴＢＣの表面の歪みは、加熱により解放された。すべての構成において、引張急冷効果による引張平面内残留歪みを測定した。付着したままのＴＢＣにおける残留歪み分布は、ドープ層の導入がコーティングの全体的な機械的完全性に影響しないことを示した。
ルミネセンスモデリングを用いた遮熱コーティング層間剥離の定量化
[00168]損傷を追跡し、遮熱コーティングの健全性をその寿命にわたってモニタリングすることは、ガスタービンのエンジン破損を防止し、メンテナンスコストを低減し、タービンシステム効率を向上させる。修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルを用いて遮熱コーティング上の層間剥離進行を明らかにするために、赤外線サーモグラフィーを適用することが可能である。ルミネセンスに基づくイメージングは、修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルを用いてルミネセンス性希土類イオンでセラミックトップコートをドーピングする場合、効率的な層間剥離検出技術であることが決定されている。このプロセスにより、高コントラストで高解像度の層間剥離マッピングが可能となり、極端な環境に暴露されるエンジン構成要素の完全性をより良好にモニタリングすることができる。層間剥離モニタリングは、ルミネセンス強度の追跡を通して達成され、損傷位置に対応して強化された反射率の領域が強調される。ルミネセンスのコントラストを定量化し、他の赤外線技術で用いられるものより短い波長を用いて層間剥離と亀裂伝搬の初期段階を検出することが可能である。モデルは、ルミネセンス性多層遮熱コーティングの層間剥離進行を評価する。

[00169]遮熱コーティング顕著で予測不可能な層間剥離は、異物による損傷によって引き起こされることがある。そのため、多層遮熱コーティング構成の層間剥離の進展を正確に予測することが望ましい。非限定的な例によれば、２×２－フラックス(2x2-flux)修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルを使用して、これらの多層感知コーティングの局所的層間剥離によって引き起こされるルミネセンス強度の変動を推定することができる。トップコートとボンドコートとの間の界面にエアギャップが形成されることによる拡散内部反射率の変化を用いて、層間剥離領域を特徴付けることができる。モデルの結果を実験的に検証するために、２つの別個の感知層構成上にロックウェルインデントにより人工的層間剥離を作り出し、実験を行い、結果を検証した。

[00170]コーティングの製造。モデルの結果は、図３２Ａおよび３２Ｂに示されるようなＹＳＺ：Ｅｒ^３＋を埋め込んだ２つのルミネセンス性遮熱コーティング試料構成を同時に製作することによって裏付けられた。両方の構成は、ニッケル系超合金として１インチのＲｅｎｅ Ｎ５材料から形成された基材５００を示す。ＮｉＰｔＡｌボンド層５０２が基材５００の上方に施用され、トップコートとしての非ドープＹＳＺ層５０４がボンド層上に施用されている（図３２Ａ）。図３２Ａおよび３２Ｂの構成は両方とも、ドープＹＳＺ：Ｅｒ層５０６を包含する。ドープ層５０６はトップコート５０４の上面にあるが（図３２Ａ）、ドープ層５０６はトップコート５０４の底部にあってもよい（図３２Ｂ）。試料は、Ｒｅｎｅ Ｎ５超合金基材５００、ＮｉＰｔＡｌボンドコート５０２、標準的な１２５μｍ、８重量％のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）電子ビーム物理蒸着（ＥＢ－ＰＶＤ）遮熱コーティング５０４、および、０．８ｍｏｌ％エルビウムドープＹＳＺ５０６を有し表面下層間剥離感知用の追加的な１２．５μｍの非ドープＥＢ－ＰＶＤ層から形成された。希土類安定剤の総量を８重量％で一定に保ち、ジルコニアの準安定正方晶相の顕著性を確実にした。図３２Ａに示される第１の試料では、図示されるように、ドープ層５０６が非ドープトップコート層５０４の上方に付着された。

[00171]この感知層５０６を遮熱コーティング５０４の上部としてドープ層として置くことによって、検出器によって収集することができるルミネセンスの強度が増大し、データ捕捉が容易になった。図３２Ａのこの構成はまた、ボンドコート５０２と感知層５０６との間の直接的な相互作用を回避し、したがって、業界標準のボンディング特性と比較して、界面特性に対する大きな不確実性を回避した。ドープ上層５０６としての感知層は上部に置かれ、したがって、遮熱コーティングの上部表面となり、浸食を示すために使用することもできる。これは、感知層が極端なエンジン環境に直接暴露されるためである。

[00172]図３２Ｂに示される第２の試料に関し、ドープ層５０６は非ドープコーティング５０４の下側に置かれ、ボンドコート５０２と界面を共有した。このコーティング構成は、層間剥離評価のためのより良好なルミネセンス強度コントラストを提供した。これは、信号が、非ドープコーティング５０４の下方での反射率変化によって最も影響を受けた領域から生じたためである。付着したままのＥＢ－ＰＶＤコーティングは酸素不足であったので、両方の試料を大気中１０００℃で３時間アニールした。これは、結晶化度を保持し、ルミネセンスを消光することができる水酸基を含有する化合物を除去するのに有用であった。

[00173]この例では、ドープ層５０６は約１２．５マイクロメートル（Ｘ）であるが、１０．０～１５．０マイクロメートルで変動することができ、他の例では、１２．５マイクロメートルの寸法から５％、１０％、１５％、または２０％、およびその間の任意の値だけ変動することができる。非ドープ層５０４は１２５マイクロメートルの厚さ（Ｙ）として示されているが、１１０マイクロメートルから１５０マイクロメートルもの厚さまで変動することができ、他の例では、１２５マイクロメートルの寸法から５％、１０％、１５％、または２０％、およびこれらの値の間の任意の値だけ変動することができる。

[00174]人工的な層間剥離５０９を、第１および第２の試料の両方にロックウェルインデント５１０によって形成した。第１の試料（図３２Ａ）については、２．４５ｋＮの負荷を表面に垂直に加え、インデント点でのコーティングの観察可能な破砕、および約１２ｍｍ^２の周囲領域の層間剥離をもたらした。この球状インデント負荷は、基材の異方性非弾性変形に起因するチョウのように広がる翼様の領域の中心的印象をもたらした（図３５Ａ）。第２の試料（図３２Ｂ）については、１．９６ｋＮの負荷を加え、約７ｍｍ^２という横方向により低い程度の周囲領域の層間剥離をもたらした。ロックウェルインデントによって生成された層間剥離領域は両方とも異物損傷を再現することを意図しており、肉眼で見えるコントラストをもたらし、ミクロンサイズの層間剥離幅で座屈したコーティングを示唆した。

[00175]フォトルミネセンス測定。スペクトル捕捉は、システムについての図３３の概略図に示されるように、フォトルミネセンス圧電分光(piezospectroscopy)システム５２０を使用して遂行した。システム５２０は、レーザー５２８からの１５ｍＷ、５３２ｎｍのレーザー励起下で作動させる、収集プローブまたは検出器としてのファイバー収集分光計５２４（Ｐｉｘｉｓ １００、Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を包含していた。収集プローブ５２４は、焦点距離７．５ｍｍ、被写界深度２．２ｍｍ、開口数０．２７、およびスポットサイズ２００μｍを有していた。プローブ５２４は、ＸＹＺステージ５３６を収集プローブ５２４およびＸＹＺステージ上に取り付けられたレーザー支持体５４０と共に使用して、試料５３２の表面の上方を高速走査することができた。制御器５４１は、ＸＹＺステージ５３６、レーザー５２８、および分光器５２４としての検出器と共に作動し、それらの動作機能を調整し、データを収集および処理する。このシステム５２０は、α－Ａｌ_２Ｏ_３のＲ線放出を用いた圧電分光応力評価による損傷鑑定にも使用され、スペクトル特性、強度比、応力定量化、およびプロービングされた領域全体にわたる希土類発光スペクトルを比較することによる他のデーターを得た。

[00176]このシステム５２０は、熱成長酸化物（ＴＧＯ）からのルミネセンスを用いて遮熱コーティング応力を特徴付けた。先に説明したように、ボンドコートに由来するような希土類イオンを組み込むことが可能である。Ｅｒ線を収集するために波長範囲を５４０～５８０ｎｍに調整し、水銀ランプを使用してシステム５２０を較正した。図３２Ａおよび３２Ｂに構成されるような遮熱コーティング試料を垂直支持体５４４上に取り付け、レーザービーム５４８に垂直にアライメントした。スペクトル強度は、２００μｍの空間ステップ増分で試料の表面全体にわたって記録した。エルビウムの遷移^４Ｓ_３／２→^４Ｉ_１５／２に対応する５６２ｎｍでの発光ピークを、疑似Ｖｏｉｇｔモデルおよび線形ベースライン除去を用いて適合させた。より大きな面積の測定のために、直接画像化し、より速いデータ収集時間のためにバンドパスフィルターを使用することが可能であった。

[00177]モデルの定式化。上記のような修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルを、高散乱媒質の放射輸送モデルおよび光強度分布の数値的推定として用いた。このモデルはレーザー励起とルミネセンス発光強度を評価し、遮熱コーティングにおける層間剥離誘起ルミネセンスコントラストを定量化した。遮熱コーティングの上面上での所定の入射レーザー励起強度に関し、上面で出現し、感知層から放出されるルミネセンス強度は、特定の励起波長および発光波長で取られた、コーティング中の拡散内部反射率と、吸収および散乱特性に基づいて計算された。

[00178]非限定的な例に従って、図３４Ａおよび３４Ｂに示すように、２つのモデルケースを評価した。第１のモデル（図３４Ａ）では、２つの層、すなわち、ドープ層５０６としての感知層と、非ドープＹＳＺとしての正規の非ドープ層５０４とを含有し、図３２Ａに示されるものと同様の構成を有する遮熱トップコート５０３について検討した。ボンドコート５０２は非ドープ層５０４に隣接していたが、この例ではエアギャップであってもよい。低レベルのドーパントを含有する感知層５０６は、非ドープ層５０４に対応するような標準的な非ドープＥＢ－ＰＶＤ ＹＳＺと同じ光学特性を包含すると仮定した。ＹＳＺによって形成されたセラミックトップコート５０３は等方性であると仮定した。この第１のモデルは初期近似を提供したが、いくらか低いドーパント濃度および凝集は吸収および散乱特性の実質的な改変をもたらしたかもしれない。等方性の仮定を用いたこれらの数値的推定は、実際の条件およびプラズマ溶射コーティングのような比較的均一なミクロ構造に一致することが期待された。

[00179]ＥＢ－ＰＶＤコーティングでは、散乱がコーティング表面付近よりはるかに強いと予想されるトップコート５０３のベースにおいて小さな等軸粒から形成された柱状ミクロ構造を拡大することによって生じる導波路様散乱に起因して、遮熱コーティングの厚さを通して均一な散乱および吸収係数に関する仮定に対処した。したがって、図３４Ｂに示すような第２のモデルは、ＥＢ－ＰＶＤコーティングの明確に規定された２ゾーン異方性ミクロ構造およびルミネセンス性層を説明するために、より正確な定量的予測の作成と、ボンドコート５０２に隣接する高散乱領域５１０を包含するトップコート５０３に３つの層を組み込むことに焦点を当てた。

[00180]図３４Ａに示されるＫｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルの表現は、境界の条件および定義を包含し、ドープ層５０６を、遮熱コーティングの上面として、より詳細には、非ドープＥＢ－ＰＶＤ ＹＳＺ層５０４の上方に包含していた。このモデルにおいて、光は、遮熱コーティングの表面に対する垂線に対応するｘ軸に沿って、２つの反対方向に進んだ。ボンドコート５０２に向けられた光ベクトル成分をＩで示し、遮熱コーティングの上面に戻るように向けられた光ベクトル成分は、図３４Ａおよび３４Ｂの両方に示したようにＪで示した。２×２－フラックスモデルは、レーザー強度とルミネセンス強度を別個に解明するために励起波長と発光波長の両方を区別した。同様に、一般化された吸収係数および散乱係数ｋおよびｓはそれぞれ確立され、特定の波長（λとする）について定義されている。

[00181]詳細は理解のために必要ではないので、モデルで使用される高レベル数学の多くを以下で大まかに要約するほか、代表的な式および行列を図３４Ｃ～３４Ｊに示すことを理解されたい。当業者なら、これらの実施例で層間剥離を決定するための処理に適用されるモデリングを理解するために、高レベルの数学が必要でないことを容易に理解するのであろう。列ベクトルＹ_λ（ｘ）＝［Ｉ_ｔ，λ（ｘ）Ｊ_ｔ，λ（ｘ）Ｉ_ｂ，λ（ｘ）Ｊ_ｂ，λ（ｘ）］^Ｔは放射強度を定義し、行列を確立して、特定の層ｚ（上層ｚ＝ｔまたは底層ｚ＝ｂ）の光学特性を決定した（図３４Ｃ）。次に、コーティング中の深さの関数としてのレーザー光の強度を計算した。ルミネセンスはもっぱら、

によって与えられたレーザーによるドープ層としての感知層の励起に起因すると仮定した。特定の層ｚにおいて生成されるルミネセンスの量を定義する行列を定式化した（図３４Ｄ）。

[00182]行列は、層ｚの量子効率として成分ｑ_ｚを包含していた。層がルミネセンス性であった場合、ｑ_ｚ＝０．５であり、そうでない場合、ｑ_ｚ＝０である。一例として、第１の試料（図３２Ａ、および図３４Ａのモデルでは２層モデルとよんでいる）については、ｑ_ｔ＝０．５およびｑ_ｂ＝０である。次いで、コーティング中のルミネセンス強度の分布を解明することが可能であった。

[00183]第２のモデル研究（図３４Ｂ）は、３層モデルを形成するために高散乱領域５１０を包含し、それは、図３４Ｂに示されるモデルによって表されるように、遮熱コーティングトップコート５０３内の３つの層を考慮することによって、モデルの複雑性を拡大した。非ドープコート５０４の下側で、ボンドコート５０２（またはエアギャップ）に隣接して、陰影ゾーンは、ＥＢ－ＰＶＤミクロ構造を表す高散乱領域５１０に対応した。列ベクトルＹ_λ（ｘ）＝［Ｉ_ｔ，λ（ｘ）Ｊ_ｔ，λ（ｘ）Ｉ_ｍ，λ（ｘ）Ｊ_ｍ，λ（ｘ）Ｉ_ｂ，λ（ｘ）Ｊ_ｂ，λ（ｘ）］^Ｔは、放射強度を定義した。コーティング深さの関数としてのレーザー光およびルミネセンス光の両方の強度をそれぞれ解明した（図３４Ｅ）。

[00184]特定のモデルパラメータが存在した。光の双方向経路を説明する一般化係数ｋおよびｓを、表２に挙げた吸収係数および散乱係数、それぞれｋおよびｓから、前方散乱のない等方性後方散乱に対応するＫ＝２ｋおよびＳ＝２ｓとなるように計算した。高散乱領域は光のより強い拡散によって特徴付けられ、ｓ’＞ｓを使用してシミュレートすることができ、ｋは、ドープ層５０６、非ドープ層５０４、および高散乱領域５１０によって定義される遮熱コーティングトップコート５０３全体の内側に変化せずに残る。ミクロ構造の報告値に基づき、高散乱ゾーンの厚さを１０μｍに固定した。

[00185]境界条件は、上面で入射レーザー光のパーセント強度が

に設定され、表面における外部ルミネセンス入力がなく、これによりＩ（ｘ＝０）＝０％になるように定義される。トップコート５０３の底部または下部で考慮される、層間剥離の場合はエアギャップとの界面、または無傷コーティングの場合はボンドコート５０２との界面のタイプに応じて、反射率ρ_ｉを特定の値に設定した。層間剥離５０９に対応する場合については、トップコート５０３とエアギャップとの間の界面における拡散外部反射率を定義した。フレネルの式の積分平均を適用することにより式を得て、トップコート５０３とエアギャップとの界面における拡散内部反射率ρ_ｉを求め、これをモデルの境界条件として用いた（図３４Ｆ）。拡散外部反射率の式は、図１３のものと同様であることに留意されたい。

[00186]モデル計算では、ρ_０はトップコート５０３とエアギャップとの間の界面における拡散外部放射と考えられ、ρ_{ｉ，ｍａｘ}は最大拡散内部反射率であり、ｎ＝ｎ_ＹＳＺ／ｎ_ａｉｒは、条件ｎ≧１に準拠した屈折率の比であった。ＥＢ－ＰＶＤ ＹＳＺの屈折率を以下の表３に示し、定義によりｎ_ａｉｒ＝１とする。エアギャップ幅が信号放射波長よりも大きく、これにより最大反射率が可能になり、フラストレートされた反射率が破棄されると仮定された層間剥離５０９の場合、５３２ｎｍで得られた反射率の値は８２％であり、５６２ｎｍでは８３％である。遮熱コーティングの老化後のこの位置における熱成長酸化物の形成は、界面トップコート／ＴＧＯで約３９％と推定される反射率の変化に、実質的に寄与することができ、ｎ_ＴＧＯ＝１．７６であるα－Ａｌ_２Ｏ_３を用いる。

[00187]トップコート５０３とボンドコート５０２との間の界面の反射率は、約２７度の臨界角θ_Ｃより大きい入射角を有する放射に対して効果的に平均化されたフラストレートされた角のモデルを用いて推定した（図３４Ｇ）。計算における変数ｄは層間剥離により形成されるエアギャップ幅であり、θは入射角であり、φは方位角であり、αは垂直偏光に与えられ、平行偏光にはβが与えられた（図３４Ｈ）。

[00188]さらなる計算において、λ_０は放射波長であり、ｎ＝ｎ_ＹＳＺ／ｎ_ａｉｒであった。偏光されていない放射に対するフラストレートされた角度平均反射率が見出され（図３４Ｉ）、計算において、成分は、垂直および平行偏光された放射に対するフラストレートされた角度平均反射率のためにそれぞれ使用され、

を使用して計算した。例えば層間剥離の初期段階の試験にとりわけ興味深いものであることができる、エアギャップ幅依存性拡散内部反射率を得た（図３４Ｊ）。
[00189]トップコート５０３とボンドコート５０２との間の界面における反射率の数値が得られ、ｄが０になるにつれて極限をとると、反射率は、５３２および５６２ｎｍの波長において約４％であることが見出された。

[00190]実験測定。上面におけるドープ層５０６（図３２Ａ）およびトップコート５０３の底部におけるドープ層（図３２Ｂ）に関し、ロックウェルインデント誘起層間剥離または破砕領域を有するコーティングの像を、図３５Ａおよび３５Ｂに示す。両方に関しインデント５１０および層間剥離５０９領域を例示し、上面５０３におけるドープ層５０６に関する図３５Ａは、より大きな破砕領域を有する。両方の試料において、肉眼で観察される反射率の増大よりも、ルミネセンス強度の増大が大きく、鮮明であるため、層間剥離領域が検出された。また、遮熱コーティングは、このプロセスで検出することができるいくつかの欠陥を示した。これは、欠陥が、コーティングの無傷のゾーンで収集されたものよりも有意に低いルミネセンス強度に関連していたためであった。

[00191]上面にドープ層５０６を有する第１の試料（図３２Ａ）の場合、インデント領域に近い別個の位置は、図３５Ａの像に示されるように、汚染に対応する上面マーキングを有し、発光強度の局所的な低下を引き起こす。また、破砕５３０は、これらの領域においてゼロルミネセンスをもたらした。測定に影響を及ぼす他の要因としては、以下が挙げられる：（ａ）コーティング厚さの不規則性、（ｂ）材料濃度におけるルミネセンス性イオンの濃度変動および分散の不均等性、（ｃ）タービンブレードに沿った遮熱コーティングの曲率、および（ｄ）部分的な浸食、サンドグレージング(sand glazing)またはカルシア－マグネシア－アルミナ－ケイ酸塩表面付着。これらの要因は、局所領域におけるルミネセンス強度の不一致または表面コーティングの不透明性の一因であった。

[00192]ドープ層５０６を上面とする図３２Ａの第１の試料において、感知層としてのこのドープ層はボンドコート５０２と直接接触していなかったが、セラミックトップコート５０３の底部における拡散内部反射率の増大は、トップコートとボンドコート５０２との間の界面における剥離に関連し、顕著なルミネセンス強度の増大をもたらした。トップコート５０３の底部としてドープ層５０６を有する図３２Ｂの第２の試料については、インデント負荷が第１の試料よりもやや低いにもかかわらず、図３５Ｂの像に示されるように、より小さな横方向の層間剥離拡大が発生した。かなりのコントラストが観察され、この層構成に関しルミネセンスに基づく測定の特定の有効性を示した。これらのルミネセンス強度のコントラストは、エアギャップの存在下、トップコート５０３とボンドコート５０２との間の界面におけるレーザー光およびルミネセンス光の反射の増大によるものであり、感知層により多くの励起を提供し、より多くの反射ルミネセンスが遮熱コーティング表面から出現するためであった。

[00193]両方の試料において、インデント位置は、感知層としてのドープコート５０６の考えうる圧密化に起因する低減されたルミネセンス強度を示した。さらに、第１および第２の試料の両方について、迅速な層間剥離検出に十分なルミネセンス強度コントラストがあり、これは、図３２Ａおよび３２Ｂに示されるような多層構成で有利である。いくつかのタービンブレードのような曲面上の層間剥離検出のためのこの層間剥離測定技術を適用するために、ルミネセンス強度勾配を予期することができ、高いルミネセンス強度コントラストを有するトップコート５０３（図３２Ｂ）の底部にドープ層５０６を有する第２の試料に類似した構成が好ましい可能性がある。ドーパント、濃度、範囲、厚さ寸法、および他の要因は、図１～図３５Ａおよび図３５Ｂに関して上述した他の例と同様であってもよいことを理解されたい。

[00194]２層モデル。前述のように、２層モデルが実施し、研究した。２つの層、すなわち、図３４Ａに示すような感知層５０６および他の非ドープ層５０４を考慮したこの第１のケーススタディのための修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルによって得られた解は、光強度の分布を提供した。コーティング中の任意の点で、レーザー（ｌ）およびルミネセンス（Ｌ）に関するそれぞれの強度ＩおよびＪを、修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルを用いて吸収、散乱および界面反射率に基づき計算した。レーザー強度についての結果を図３６のグラフに示し、２層モデル（図３４Ａ）におけるレーザー強度の分布を示す。層間剥離がある場合には、反射率の増加により、より高い強度が後方に散乱される。

[00195]第１および第２の試料（図３２Ａおよび３２Ｂ）のドープ層の位置は、グラフの左側の上面におけるドープ層５０６と、グラフの右側に記載されるように、上面コート５０３の底部におけるドープ層に対応して、示され、標識化される。層間剥離５０９の存在下では、上面に戻る光の強さ

に実質的な差異がある。ドープ層５０６における追加の励起強度、特にトップコート５０３とボンドコート５０２との間の界面により近い領域において増強された励起強度は、感知層５０６で生成されるルミネセンスのより高い強度に寄与した。上面にドープ層５０６を有する第１の試料（図３２Ａ）では、後方散乱レーザー放射

の強度の増大が、層間剥離の場合にルミネセンスの生成に利用可能であった励起強度の増大に実質的に寄与した。
[00196]トップコート５０３の底部にドープ層５０６を有する第２の試料（図３２Ｂ）では、入射レーザー放射

と後方散乱レーザー放射

との積分強度の合計が層間剥離の存在下で増加し、より高いルミネセンス強度に大きく寄与した。図３２Ａおよび３２Ｂに例示したものに対応する第１および第２の試料、すなわち、上面におけるドープ層５０６またはトップコート５０３の底部におけるドープ層のいずれかについてのルミネセンス強度に関する修正モデルの結果が図３７および３８のグラフにそれぞれ示されており、上部へのドープ層は図３７のグラフの左側に示され、トップコートの底部のドープ層は図３８のグラフの右側に示されている。いずれも各グラフの左側にある点線領域は、それぞれの試料におけるこれらのドープ層の位置を表す。トップコート５０３の底部において、利用可能なレーザー励起エネルギーのより高い量およびルミネセンス放射自体のより大きな反射の両方に起因して、層間剥離が存在する場合、ルミネセンス強度の全体的増大が存在した。

[00197]３層モデル。前述のように、３層モデルは図３４Ｂに示されるように実施され、これはトップコート５０３のベースに位置する高散乱層５１０を統合したため、２層モデルを超える改良であった。この高散乱領域５１０は、典型的なＥＢ－ＰＶＤミクロ構造で観察されるような明確な光学特性を有していた。この３層モデル（図３４Ｂ）は２層モデル（図３４Ａ）と比較して、より正確な結果をもたらした。これは、３層モデルは、深さを伴うＥＢ－ＰＶＤコーティングの進化しているミクロ構造に関連する光学特性の差異を捕捉したためである。３層モデルは図３９のグラフに示されるように、レーザー強度の分布を提供し、図３２Ａおよび３２Ｂと同様の各試料の位置、および高散乱領域５１０も例示する。第１および第２の試料のルミネセンス強度の結果を、それぞれ図４０および図４１のグラフに示す。層間剥離がある場合には、反射率の増大に起因して、より高い強度が後方に散乱された。

[00198]実際に存在する層厚変動に対する感度を考慮して、上面から出現して検出器で収集された測定可能なルミネセンス強度を表すＪ（ｘ＝０）の計算に関する標準偏差誤差結果を計算した。Ｊ（ｘ＝０）について見出された数値を表４に報告する。一般に、ＥＢ－ＰＶＤ製作技術は、１μｍほどであることができる精度で、付着コーティングの厚さのより良好な制御をもたらす。トップコート全体の厚さが一定、例えば約１３７．５μｍのままであると仮定すると、モデルにより、１２．５±１μｍの感知層の厚さが解明された。

[00199]結果の比較。上記表５は、モデリングと実験結果を比較したものである。層間剥離領域と無傷コーティング領域との間のルミネセンス強度コントラスト（または増強係数η）を、拡散内部反射率の２つの極端な場合、例えば無傷コーティングで４％、層間剥離領域の存在下で８２～８３％の並置によってモデルで得た。修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルで示された誤差は、典型的な厚さ変動の主要因であった。実験的には、層間剥離領域５０９における１０回の測定値の平均を、この領域外での１０回の測定値の平均で割ることにより、増強係数ηを得た。報告された誤差は、これらの点にわたる標準偏差に対応した。

[00200]この比較は、予想されるように、３層モデル（図３４Ｂ）が実験測定値とより良好に相関することを示した。上面にドープ層５０６を有する第１の試料（図３２Ａ）の場合、両方のモデリングアプローチから得られた増強係数ηは実験結果に近かった。しかしながら、トップコート５０３の底部としてドープ層５０６を有する第２の試料（図３２Ｂ）の場合、２層モデルが実際の実験結果を十分に上回る増強係数を予測し、これは、この第２の試料の感知層５０６が、遮熱コーティングの残りの部分と比較した場合、異なる、より強い散乱挙動を呈することを示した。

[00201]コントラストの多くは多重散乱事象、すなわち、感知層５０６としてのドープ層におけるレーザーおよびルミネセンスの両方によってもたらされるため、ドープ層がトップコート５０３の底部にある第２の試料（図３２Ｂ）では、予測とのより大きな不整合が予想される。図３４Ｂに示されるような３層モデルは、遮熱コーティングのベースにおけるこの高い散乱の説明となり、この場合、感知層５０６としてのドープ層のベースに対応し、ＥＢ－ＰＶＤコーティングについて、より正確な推定をもたらし、このモデリングアプローチを実証した。３層モデルは、ドープ層５０６がトップコート５０３の底部にある第２の試料（図３２Ｂ）における遮熱コーティング層構成に関する推定に適切であることが分かった。

[00202]修正Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルは、コーティング層間剥離の進行を特徴付けるのに役立つ。コーティングの健全性は拡張領域にわたるルミネセンス強度を測定することによってモニタリングすることができ、これは、ガスタービンブレードを含む重要な商業的用途に役立つ。ルミネセンスコントラストがモデルで予測した増強係数の下方境界を越えた位置は、層間剥離ゾーンを示した。Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデルの仮定および単純化のいくつか、ならびに材料について選択された係数の正確度は、モデル推定値と実際に起こるものとの間の不一致に寄与する可能性がある。しかしながら、上述したシステムおよび方法は、信頼性のある方法で実質的に正確な結果を得ている。

[00203]層間剥離モデルの能力および拡張。ルミネセンス増強係数および信号強度のトレードオフの評価は、遮熱コーティングの底部にセンサー層またはドープ層５０６を有すること（図３２Ｂ）が、層間剥離モニタリングに好ましいことを示した。また、このプロセスは、上面５０３の底部における感知層５０６の厚さを最適化するために使用することができる。図４２のグラフは、変動するトポロジーを有するルミネセンス性層を含有する例えば１３７．５μｍのＥＢ－ＰＶＤ遮熱コーティング構成について、いくつかの信号のトレードオフがあることを示す。グラフにおいて、位置軸は、３層モデルで与えられているように、遮熱コーティングに埋め込まれたドープ層５０６としての感知層の上部の位置を示す一方、コーティングのベースにおける高散乱ゾーン（１０μｍ）を説明する。

[00204]増強係数ηは層間剥離の存在下で生じる達成可能なルミネセンスコントラストに対応し、トップコート５０３の底部に位置するドープ層５０６としての非常に薄い感知層（図３２Ｂ）が、検出における最大のコントラストに対してより理想的であることを裏付けた。ルミネセンス強度を正規化して、量子効率に関する固有の不確実性に起因する可能性のある不正確な数値推定を回避しつつ、別個の層構成間の直接的な強度比較を可能にした。ドープ層５０６としてのより厚い感知層はより高い強度をもたらしたが、若干のコントラスト損失があり、例えば、界面から距離がある感知層の部分からのコントラストがより少なかった。これに加えて、上面におけるドープ層５０６として感知層を有する試料構成（図３２Ａ）は高いルミネセンス強度を提供したが、感知層が暴露されたので、それらは浸食に対して脆弱であった。しかしながら、そのため、利点として、上記システムおよびプロセスは、上記ルミネセンスに基づくモデリング方法を用いて浸食をモニタリングするために使用することができる。

[00205]多目的検出能力のために動作可能であり得る構成は、完全にドープされたコーティングであって、他の構成よりもルミネセンス強度が高く、コントラストが高く、感知層５０６が正規のＥＢ－ＰＶＤ ＹＳＺコーティングの上部に置かれている（図３２Ａ）ものであることができる。放射波長より小さいエアギャップに関して生じるフラストレートされた全内部反射率の効果を研究することができる。拡散内部反射率の実質的な変動は、エアギャップ形成中の層間剥離の初期段階を特徴付けるために使用することができる。同様に、熱成長酸化物成長およびこの酸化物層に関する層間剥離の位置は、上記モデルを用いて評価することができる。

[00206]ルミネセンス信号強度と、ドープ層コーティング構成、例えば、感知層またはドープ層５０６と正規の非ドープ層５０４とを有する２層、および上記ケースに統合された高散乱領域５１０を有する３層を最適化するために用いることができる層間剥離コントラストとの間のトレードオフを評価することが可能である。モデルは、ルミネセンス層を埋め込む任意の遮熱コーティング構成に関し、これらの遮熱コーティングにおける層間剥離領域を定量化し、モニタリングするために使用することができるルミネセンス強度コントラストを予測するのに役立った。

[00207]モデリング結果を、付着したままの２つのＥＢ－ＰＶＤ遮熱コーティングで収集した実験値と比較した。これらは、それぞれ層間剥離感知のためのエルビウムドープＹＳＺ層を含有していた。ロックウェルインデントによって作り出された人工層間剥離ゾーンを、コーティングの表面にわたって５６２ｎｍでのエルビウム発光の強度を測定することによって順調に定量化した。３層モデルで予測したルミネセンスコントラストは、実験と良好に一致することが見出され、正確な層間剥離の特性決定のために、ＥＢ－ＰＶＤ遮熱コーティングにおいてミクロ構造異方性を考慮することの重要性が強調された。このモデリングアプローチは、層トポロジー最適化のための信号トレードオフを決定するのを助けることができる。このシステムおよびプロセスは、遮熱コーティングにおける層間剥離進行の初期段階を評価し、コーティングの健全性モニタリング測定を補助し、より安全な遮熱コーティング操作および改善された寿命を促進するために、異なるコーティング付着方法に適用することができる。
遮熱コーティング全域の温度勾配を明らかにする
[00208]記載したような遮熱コーティングは、一例として、高圧タービンにおける極端な温度から金属基材を保護するために、空冷システムと組み合わせて使用することができる。高圧タービン内の温度範囲は、１３００℃から１６００℃まで変動する可能性がある。空気膜冷却は、－１００℃から－４００℃までの温度の変化を提供することができる。遮熱コーティングにおいて、温度の変化は－１５０℃から－２００℃の範囲であることができる。ジェットタービンや発電エンジンなどの主要な用途では、この変化がエンジン性能および保全計画に影響を与える場合がある。例えば、航空機エンジンのタービンブレード以外の多くの構成要素は、遮熱コーティングを包含する。例えば、ＧＥ９ＸのようなＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃターボファンエンジンの典型的な構成要素は、特殊合金およびセラミックマトリックス材料を包含する。該エンジンは他の多くのエンジンよりもバイパス比および圧縮比が高く、燃料比が改善されている。このタイプのエンジンは、ファンユニット、低圧圧縮機、高圧圧縮機、燃焼器、低圧タービン、高圧タービン、およびタービンブレードにおける改善を包含する。これらの構成要素の多くは、極端な作動環境においてそれらを保護するために、遮熱コーティングでコーティングされている。

[00209]前述したように、最新技術の遮熱コーティングは、タービンブレードなど様々な遮熱コーティングされた構成要素の高温動作での温度測定値が不確実であるため、最高の可能性まで使用されてこなかった。２００℃もの高い安全マージンが存在し、理想的なブレイトンサイクル効率は、これらの安全マージンが重要となり得る圧縮機出口とタービン入口の温度比に依存する。１％の効率改善はコンバインドサイクルプラントの寿命にわたって何百万ドルもの燃料を節約することができ、１３０℃の上昇は、エンジン効率の約４％の向上をもたらすことができる。破損メカニズムは、遮熱コーティングの深さにおける温度条件によって促されることが多い。

[00210]遮熱コーティングにおける熱勾配のより正確な決定は、ガスタービンエンジンにおけるような種々なコーティングされた構成要素のより安全でより効率的な作動を可能にするであろう。コーティングされた構成要素の破損メカニズムは、エンジンの作動中に熱的に活性化されることができ、温度測定における不確実性はそれらの寿命の不確実性に大きく寄与する可能性がある。

[00211]ガスタービンエンジンにおいてのような多くの構成要素上の遮熱コーティングは、その厚さ全体に存在する大きな熱勾配の存在下で作動する。例えば、高温のピーク運転中に、遮熱コーティングされたタービンブレードの厚さ全体に大きな温度勾配が存在する可能性がある。遮熱コーティングのより弱い部分は、トップコートとボンドコードの界面付近に位置する可能性があり、構成要素の性能および寿命に影響を及ぼしうる、より弱い領域を作り出すことがある。開発されたシステムは、燐光体サーモメトリー点のより高精度の表面下位置を決定し、界面および構成要素の厚さ全体において、遮熱コーティングのトップコートからボンドコートを通って基材までの熱勾配および温度を決定するために実施されてきた。

[00212]ここで、図４３を参照すると、遮熱コーティング６０２を有する例示的な構成要素６００が、合金２４７から形成された基材６０６上に例示されている。合金２４７は、ＡＭＲ－Ｎ ２４７とも呼ばれ、これは、Ｍａｒｔｉｎ Ｍａｒｉｅｔｔａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって開発された鋳造多結晶質ニッケル系超合金として提供されることができ、しばしばインベストメント鋳造されるが、クリープ破断強度を改善するための方向性凝固技術と一緒になって有用であることもできる。ＮｉＣｒＡｌＹボンドコート層６１０は、基材６０６およびセラミック上層６１４の上方に、ボンドコート層上に施用され、大気プラズマ溶射などの技術によって形成されたＹＳＺ：Ｅｒトップコート層として形成することができる。この例におけるセラミックトップコート層６１４は、１．５％のエルビウムを包含することができる。この例では、８００℃で２時間アニールした。基材６０６は実験目的のために、厚さ約３ミリメートルであるが、基材がタービンブレードである場合など、最終用途に応じて厚さを変動させることができる。この例におけるボンドコート６１０は約１２０～約１５０マイクロメートルの厚さであり、セラミック上層６１４は約１６０～約１８０マイクロメートルの厚さであり、両方とも、大気プラズマ溶射または他の技術によって施用することができる。遮熱コーティング６０２を横切る熱勾配を測定するための装置は概して６３０で例示され、レーザー６３４、検出器６３８、および、それらの動作を制御するために、レーザーおよび検出器に動作可能に接続された制御器６４０を包含する。レーザー６３４、検出器６３８、および制御器６４０は、図１～４２による説明において上述された他の構成要素と同様であることができる。

[00213]システムおよび方法の非限定的な例によれば、図３２において変動するＴによって示される熱勾配は、ガスタービンエンジンのような異なる最終用途のための遮熱コーティングを含む様々な半透明材料を介して特徴付けることができる。先に記載され、燐光体サーモメトリーと関連づけられたルミネセンス減衰装置および方法は、遮熱コーティングの全体にわたる勾配温度モニタリングを改善し、タービンブレードなどの異なる基材材料の作動寿命を増加させ、エンジンの全体的効率を上昇させることができる。燐光体サーモメトリー減衰信号は、遮熱コーティングまたは他の半透明材料の深さにおける熱勾配を明らかにするために分析される。説明は遮熱コーティングに関して進行するが、システムおよび説明された方法は多くの異なる半透明材料に使用してもよい可能性がある。検出器６３８で収集されたデータは、制御器６４０で分析および処理され、遮熱コーティング６０２の深さを横切る熱プロファイルが決定される。図４３に示すように、遮熱コーティング６０２を横切って基材６０６まで変動する温度（Ｔ）があり、遮熱コーティングを横切る熱勾配の存在下で、収集された畳み込まれたルミネセンス減衰信号を使用して、深さ方向全体の(through-the-depth)温度点を再構成し、決定することができる。

[00214]このデータは、極端な温度環境での温度測定の精度向上に使用することができる。結果として生じる減衰は、減衰を熱勾配に変換するソフトウェアモジュールを介して制御器６４０で計算することができる。表面温度または点測定値のみではなく、熱勾配をモニタリングするためのデータを得る能力は、遮熱コーティングを横切る温度勾配の測定に関するより精密なデータによって支持される設計オプションを改善するために、図４３の６０２のような、保護遮熱コーティングを施用した異なる構成要素の動作に関しより良い洞察を提供する。極端な動作環境における遠隔温度測定のより良い制御は、極低温材料、燃焼構成要素、およびタービンエンジン構成要素など他の材料に適用することができる。したがって、温度測定のための単一の値が各プローブ位置について得られるだけでなく、プローブした点の深さ全体にわたって、基材６０６上に施用された遮熱コーティング６０２などの材料を通って延在する温度分布を得ることができる。三次元（３Ｄ）温度マップは、例えば、二次元の表面温度マップを得ることによって、および各表面点における材料の深さを通る別の次元を得ることによって、得ることができる。

[00215]ここで、図４４を参照すると、エルビウムがドープされ、５３２ナノメートル（ｎｍ）で励起されたＹＳＺ：Ｅｒトップコートを一例として、トップコート６１４についての発光スペクトルのグラフが例示されている。５６０ｎｍバンドパスを“Ａ”によって示される破線で、ＹＳＺ：Ｅｒスペクトルおよび二重ピークを“Ｂ”の実線によって示している。

[00216]次に、図４５を参照すると、温度の勾配が熱伝導率を使用してどのように計算され得るかを示す対応する方程式を伴うグラフが図示されており、ここで、熱トップコート６１４、熱ボンドコート６１０、および熱基板６０６についての合計Ｒが、温度の総勾配について加算される。トップコート６１４の上面からボンドコート６１０を下って基板６０６までの温度勾配は、全体的に６５０で示される線によって示される。

[00217]この例におけるＹＳＺトップコート６１４は、多重指数関数的減衰を示し、多重減衰時定数をもたらす明確な結晶学的サイトを包含する、エルビウムなどの希土類ドープ材料を包含する。遮熱コーティング６０２内の熱勾配を測定するために、交差緩和およびレーザーパルス電力はより大きな重要性を付与する可能性があり、不純物およびドーパント凝集は、遅延開始、適合ウィンドウに追加して、急速に減衰する構成要素の効果を低減する可能性がある。システム動作では、一定時間ウィンドウが、観測長および試料レートのようなデータ捕捉システムの設定とは独立した測定のために使用されてもよい。ＹＳＺ：Ｅｒ材料は、１つの優勢な結晶学的サイトを有する理想的な単一指数関数的減衰に近いので、その減衰のために選択された。熱勾配がない場合、適合ウィンドウの開始時間および終了時間は、このタイプの遮熱コーティング構成における寿命減衰測定に影響を及ぼさない。熱勾配がある場合、適合ウィンドウの開始時間と終了時間は、より適用可能になる可能性がある。

[00218]操作条件において、タービンブレードに使用されるような遮熱コーティングには温度勾配が存在する。上述のように出現するルミネセンスは、ドープ層のすべての位置から出て来る畳み込まれた信号である。捕捉された信号の適合ウィンドウサイズを変動させることにより、基材６０６に対する遮熱コーティング６０２の深さ全体にわたって複数の温度測定値を捕捉することができる。

[00219]ここで、図４６のグラフを参照すると、正規化強度対時間が示されており、短い適合ウィンドウは、上面位置でより高い温度に暴露されるドーパントからの非常に急速な減衰に、より多く寄与する。より長い適合ウィンドウは、より低い温度に暴露されるさらに内部のドーパントからの強度が低く長い減衰に、より多く寄与する。このコントラストは、図４６のグラフにおいて、横軸に沿って増加した時間に対し低下する減衰線に例示される。

[00220]燐光体サーモメトリーを用いて測定される位置は、様々な温度勾配および表面温度（Ｔ_０）について報告されることを理解されたい。ＹＳＺ：Ｅｒ減衰は熱パラメータに対してほとんど感度を持たないので、表面下の温度点の位置を予測することが可能である。

[00221]ここで、図４７を参照すると、基準減衰の決定に使用することができる装置６３０の別のより詳細な概略図が例示されており、マッフル炉６５２および炉内の恒温ケース内にある試料６００を示している。装置６３０は、パルス化された５３２ナノメートル（ｎｍ）レーザー源などのレーザー６３４で動作する制御器６４０と、５６０ナノメートルのバンドパスフィルターを包含する、この例では光電子増倍管としての検出器６３８とを包含する。レーザー６３４は、図示されているように、２つのレーザーミラー６６０ａ、６６０ｂを有する５３２ナノメートルレーザーミラーシステム上にレーザーパルスを生成し、ダイクロイックフィルター６６４、この例では３０°ＡＯＩを有するシアンダイクロイックフィルター６６６に入射させ、凸レンズ６６８を通過して試料６００に入射させる。この恒温ケース内にある試料は、マッフル炉６５２内に収容されており、試料は燃料およびすべての燃焼性生物、例えば、ガスおよび飛散灰から隔離されている。マッフル炉６５２は、電動式であってもよい。

[00222]検出器６３８応答としてのセンサーは炉６５２と関連して較正されてもよく、このセンサーは、一例の試験では、熱電対のための貫通孔およびルミネセンス測定を行うために包含される。“適合”に関しては、遷移に対する温度依存性多フォノン緩和モデルを、他の熱的にポピュレートされた準位(thermally populated level)を説明するためのモデルと組み合わせてもよい。マッフル炉６５２を使用しないことが可能であり、代わりに、熱勾配のケースの実験のために、試料６００上にガスプルームを生成するバーナーリグノズル(rig nozzle)６７０を採用することが可能である。

[00223]ここで、図４８のグラフを参照すると、ＹＳＺ：Ｅｒコーティングについての５６２ナノメートルでの基準減衰のグラフが示されている。レーザー源６３４は、０．５ ｍＪのパルスエネルギーおよび１０Ｈｚで動作するＮｄ：ＹＡＧ ５３２ｎｍのレーザーを包含する。時間を縦軸に、温度を横軸に示す。

[00224]図示されているようにバーナーリグノズル６７０を包含し、マッフル炉６５２を有さないことによって、熱勾配のケースにおける減衰を測定することが可能である。バーナーリグノズル６７０は、試料６００上にガスプルームを付与する。再度、レーザー６３４は、レーザー媒質用の結晶としてネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネットを使用するＮｄ：ＹＡＧレーザーであることができる。別の例において、ドーパントは、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）のホスト結晶構造中のイットリウム原子の小部分、例えば約１％を置換する三重イオン化ネオジムであることができる。これは、２つのイオンが同様のサイズであるからである。システムは、詳細に図示されておらず、表面および反対側の温度測定に関して動作可能な赤外線カメラおよび熱電対を包含することができる。

[00225]ここで、図４９のグラフを参照すると、５６０ナノメートルでのＹＳＺ：Ｅｒについての正規化強度対時間が例示されており、縦軸上の正規化強度に対する横軸上の時間、およびＡ～Ｉと標識されたグラフ線、および対応する温度が示されている。

[00226]ここで、図５０および図５１を参照すると、燐光体サーモメトリー表面下測定の結果を示すグラフが例示されている。シングルショットレーザーパルスおよび関連する測定は、この例では所与の表面温度で使用することができる。適合ウィンドウを変動させ、熱勾配を遮熱コーティング厚さを横切って明らかにした。燐光体サーモメトリーによって測定された表面下位置は、赤外線および熱電対測定を用いて検証することができる。

[00227]図５０に示されるように、温度勾配のない基準を“Ａ”と標識して示し、温度勾配を有する測定値を“Ｂ”で例示する。グラフは変動を示す。マイクロ秒単位の寿命減衰を縦軸に、表面温度を横軸に示す。５６５℃の表面下を例示し、グラフに沿って点を示す。

[00228]ここで、図５１を参照すると、摂氏温度で測定された温度および表面温度を含む厚さ方向の熱プロファイルと、基準に対しパーセントで表されたウィンドウサイズとが例示されている。ウィンドウサイズのパーセンテージは、Ｋｕｂｅｌｋａ－Ｍｕｎｋモデリングを用いた０～７０マイクロメートルの表面下測定値にほぼ対応している。

[00229]遮熱コーティング６０２内の温度の正確な決定は、燃料節約、排出量の削減、および遮熱コーティングのより良好な寿命モニタリングのために、ガスタービンエンジンなどに大きな利益をもたらし得る。単一指数関数的減衰適合は、ＹＳＺ：Ｅｒのルミネセンス寿命減衰に燐光体サーモメトリーを用いる実用的な温度測定のための近似値として使用することができる。適合ウィンドウサイズの変動は、ドープ遮熱コーティングにおける表面下温度の順調な獲得をもたらす。熱勾配の存在下での燐光体サーモメトリーは、表面下温度を明らかにし、遮熱コーティングの三次元温度プロファイルを得るための有望な結果を示している。

[00230]ここで、図５２を参照すると、温度プロファイル６７０、概略的な遮熱コーティング６７４、ならびに、より短いウィンドウおよびより長いウィンドウのグラフ６７６、６７８の複合図が示されている。図は、捕捉ウィンドウが、遮熱コーティングへの温度勾配をリトレースするためにどのように変化するかを示している。このモデルは、遮熱コーティング表面構成６７４で示されるように、２つの温度測定位置を提供し、マイクロメートルでの深さと、それらの２点での温度差を示している。温度プロファイルは、５０～６０マイクロ分のより短いウィンドウ時間期間と、６０～８５マイクロ分のより長いウィンドウ、および関連する勾配および温度を示す。２つの温度値が提供され、実験はＹＳＺ：Ｅｒおよび未知の温度勾配を用いて遂行される。図５２の下部のグラフ６７６、６７８はそれぞれ、一例では３．２３６マイクロ秒のより短いウィンドウ、および一例では３．３５７マイクロ秒のより長いウィンドウを示し、時間期間はマイクロ秒単位である。示された誤差値は、データ適合の９５％信頼限界に基づいている。追加の誤差は、基準適合によってもたらされ得る。

[00231]方法の観点において、１回のレーザーショットでの捕捉信号は、異なるウインドウ期間に関し分解される可能性があり、制御器におけるソフトウェアは温度値を分析する。また、捕捉および測定のために、異なるウインドウを有するレーザーショットを各々用いて複数のレーザーショットを使用することが可能である。

[00232]本発明の多くの修正および他の実施形態は、前述の説明および関連する図面に提示された教示の恩恵を受ける当業者の心に浮かぼう。したがって、本発明は、開示された特定の態様に限定されるべきではなく、修正および態様は添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることが理解される。
本発明は以下の態様を含む。
[１]
以下を含む、遮熱コーティングされた構成要素：
基材；
基材上に施用された遮熱コーティング、前記遮熱コーティングは、以下を含む：
基材上の金属ボンドコート層、前記金属ボンドコート層は、希土類ルミネセンス性ドーパントを包含する；
ボンドコート層上のセラミックトップコート層；および
ボンドコート層とセラミックトップコート層との界面に形成された温度感知熱成長酸化物（ＴＧＯ）層、前記温度感知ＴＧＯ層は、ＴＧＯ層におけるリアルタイム燐光体サーモメトリー温度測定のためにＴＧＯ層のルミネセンス感知を可能にするのに十分な量で、金属ボンドコート層から移動した成長希土類ルミネセンス性イオンを包含する。
[２]
前記希土類ルミネセンス性ドーパントが、サマリウム、エルビウム、ユーロピウムおよびジスプロシウムからなる群より選択される、[１]に記載の遮熱コーティングされた構成要素。
[３]
前記セラミックトップコート層が、ボンドコート層上のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）バリアトップコート層を含む、[１]に記載の遮熱コーティングされた構成要素。
[４]
前記基材が、タービン構成要素またはエンジン排気構成要素を含む、[１]に記載の遮熱コーティングされた構成要素。
[５]
前記金属ボンドコート層が、９６～９８パーセントのＮｉＣｏＣｒＡｌＹおよび２～４パーセントのジスプロシウムを包含する、[１]に記載の遮熱コーティングされた構成要素。
[６]
前記ＴＧＯ層が、約１．７～２．０重量パーセントのニッケル、約０．６７～０．８２重量パーセントのクロム、約５２．７～６４．４重量パーセントのアルミニウム、約３５．０～４２．７重量パーセントの酸素、ならびにサマリウム、エルビウム、ユーロピウムおよびジスプロシウムからなる群より選択される約０．１重量パーセント以下の希土類元素を含む、[１]に記載の遮熱コーティングされた構成要素。
[７]
前記ボンドコート層が約５０～２００マイクロメートルであり、前記セラミックトップコート層が約５０～３００マイクロメートルである、[１]に記載の遮熱コーティングされた構成要素。
[８]
以下を含む、遮熱コーティングされた構成要素の形成方法：
金属ボンドコート層を基材上に施用すること、前記金属ボンドコート層は希土類ルミネセンス性ドーパントを包含する；
セラミックトップコート層を該ボンドコート層上に施用すること；および
金属ボンドコート層およびセラミックトップコート層を熱老化させて、金属ボンドコート層からボンドコート層とセラミックトップコート層の界面に、ＴＧＯ層におけるリアルタイム燐光体サーモメトリー温度測定のためにＴＧＯ層のルミネセンス感知を可能にするのに十分な量で希土類ルミネセンス性イオンを移動させることにより、ボンドコート層とセラミックトップコート層との界面に温度感知熱成長酸化物（ＴＧＯ）層を形成すること。
[９]
前記金属ボンドコート層が、９６～９８パーセントのＮｉＣｏＣｒＡｌＹおよび２～４パーセントのジスプロシウムを包含する、[８]に記載の方法。
[１０]
前記ＴＧＯ層が、約１．７～２．０重量パーセントのニッケル、約０．６７～０．８２重量パーセントのクロム、約５２．７～６４．４重量パーセントのアルミニウム、約３５．０～４２．７重量パーセントの酸素、ならびにサマリウム、エルビウム、ユーロピウムおよびジスプロシウムからなる群より選択される約０．１重量パーセント以下の希土類元素を含む、[８]に記載の方法。
[１１]
以下を含む、燐光体サーモメトリー装置：
基材上に施用された遮熱コーティング（ＴＢＣ）上にレーザーパルスを生成するレーザー、該遮熱コーティングは、基材上の金属ボンドコート層；ならびに、非ドープ層と、共ドープされた第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントを有するドープされた感知層とを包含する、ボンドコート層上のセラミックトップコート層；を包含し、該第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントは、レーザパルスによる励起時にそれぞれ第１および第２の異なる発光波長を放出する；
ドープ感知層において第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントのレーザー励起から生成する、ＴＢＣからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を受け取る検出器、前記検出器は、畳み込まれたルミネセンス信号のそれぞれ第１および第２の異なる発光波長を検出するように構成された第１および第２の光電子増倍管デバイスを包含する；ならびに
検出器に接続され、それぞれ第１および第２の光電子増倍管デバイスから生成した信号を受信および処理し、それぞれ第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントの各々に関しルミネセンス寿命減衰および強度変動を決定し、ＴＢＣの温度モニタリングの温度値に相関させるように構成された、制御器。
[１２]
レーザーパルスをＴＢＣ上に伝送し、ＴＢＣからの畳み込まれたルミネセンス信号を検出器に反射するように構成された第１のシアンダイクロイックフィルターを含む、[１１]に記載の燐光体サーモメトリー装置。
[１３]
第１のダイクロイックフィルターからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を受け取り、畳み込まれたルミネセンス信号を、それぞれ第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントのそれぞれの発光波長に対応する２つのスペクトルバンドに分割するように位置決めされた第２のマゼンタダイクロイックフィルターを含む、[１１]に記載の燐光体サーモメトリー装置。
[１４]
ドープ感知層が、非ドープ層の上方に前記ＴＢＣの上層を形成し、エルビウム－ユーロピウムを共ドープしたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む、[１１]に記載の燐光体サーモメトリー装置であって、ＹＳＺ中のエルビウム濃度が約１．２５～１．７５重量パーセントであり、ＹＳＺ中のユーロピウム濃度が約２．５～３．５重量パーセントである、前記燐光体サーモメトリー装置。
[１５]
ドープ感知層が約７０～９０マイクロメートルであり、トップコート層の非ドープ層が約２３０～２７０マイクロメートルである、[１４]に記載の燐光体サーモメトリー装置。
[１６]
第１の光電子増倍管デバイスが、約５４５ｎｍおよび５６２ｎｍのエルビウムのスペクトル線を検出するように構成され、第２の光電子増倍管デバイスが、約５９０ｎｍおよび６０６ｎｍのユーロピウムのスペクトル線を検出するように構成される、[１４]に記載の燐光体サーモメトリー装置。
[１７]
以下を含む、遮熱コーティング（ＴＢＣ）の温度をモニタリングするための燐光体サーモメトリー装置の操作方法：
基材上に施用されたＴＢＣ上に、レーザーからレーザーパルスを生成すること、該遮熱コーティングは、基材上の金属ボンドコート層；ならびに、非ドープ層と、共ドープされた第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントを有するドープ感知層とを包含する、ボンドコート層上のセラミックトップコート層；を包含し、該第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントは、レーザーパルスによる励起時にそれぞれ第１および第２の異なる発光波長を放出する；
ドープ感知層において第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントのレーザ励起から生成する、ＴＢＣからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を検出器で受け取ること、該検出器は、畳み込まれたルミネセンス信号のそれぞれ第１および第２の異なる発光波長を検出するように構成された第１および第２の光電子増倍管デバイスを包含する；ならびに、
検出器に接続された制御器において、それぞれ第１および第２の光電子増倍管デバイスから生成した信号を受け取り、該信号を処理して、それぞれ第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントの各々に関しルミネセンス寿命減衰および強度変動を決定し、ＴＢＣの温度モニタリングの温度値に相関させること。
[１８]
レーザーパルスをＴＢＣ上に伝送し、ＴＢＣからの畳み込まれたルミネセンス信号を検出器に反射するように構成された第１のシアンダイクロイックフィルターを含む、[１７]に記載の方法。
[１９]
第１のダイクロイックフィルターからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を受け取り、畳み込まれたルミネセンス信号を、それぞれ第１および第２の希土類ルミネセンス性ドーパントのそれぞれの発光波長に対応する２つのスペクトルバンドに分割するように位置決めされた第２のマゼンタダイクロイックフィルターを含む、[１７]に記載の方法。
[２０]
ドープ感知層が、非ドープ層の上方に前記ＴＢＣの上層を形成し、エルビウム－ユーロピウムを共ドープしたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む、[１７]に記載の方法であって、ＹＳＺ中のエルビウム濃度が約１．２５～１．７５重量パーセントであり、ＹＳＺ中のユーロピウム濃度が約２．５～３．５重量パーセントである、前記方法。
[２１]
以下を含む、遮熱コーティングを横切る温度勾配の測定システム：
基材上に施用された希土類ドープ遮熱コーティング上にレーザーパルスを生成するレーザー；
希土類ドープ遮熱コーティングからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を検出する検出器；および、
レーザーおよび検出器に接続され、検出されたルミネセンス信号の適合ウィンドウサイズを変動させ、変動した適合ウィンドウサイズに基づき希土類ドープ遮熱コーティング内の熱勾配を決定するように構成された制御器。
[２２]
検出器が、シングルショットレーザーパルス測定として、希土類ドープ遮熱コーティングからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を検出するように構成される、[２１]に記載のシステム。
[２３]
適合ウィンドウサイズのパーセンテージが、遮熱コーティング内の特定の深さにおける表面下温度測定値に対応する、[２１]に記載のシステム。
[２４]
適合ウィンドウサイズが、遮熱コーティングの深さ０～７０マイクロメートルの表面下測定値に対応する、[２３]に記載のシステム。
[２５]
より短い適合ウィンドウサイズが、遮熱コーティングの上面位置においてより高い温度に暴露された希土類ドーパントからの短い減衰時間のより高い寄与の測定に対応し、より長い適合ウィンドウサイズが、遮熱コーティング内のより深くに位置し、遮熱コーティング内のより深くでより低い温度に暴露された希土類ドーパントからの長い減衰時間のより高い寄与の測定に対応する、[２１]に記載のシステム。
[２６]
より短い適合ウィンドウサイズ範囲が約３．１～３．３マイクロ秒であり、より長い適合ウィンドウサイズ範囲が約３．３～３．５マイクロ秒である、[２５]に記載のシステム。
[２７]
より短い適合ウィンドウサイズ範囲が、約５０～６０マイクロメートルの深さにおける遮熱コーティングでの測定に対応し、より長い適合ウィンドウサイズ範囲が、約６０～８５マイクロメートルの深さにおける遮熱コーティングでの測定に対応する、[２５]に記載のシステム。
[２８]
希土類ドープ遮熱コーティングがトップコートおよびボンドコートを包含し、適合ウィンドウサイズが、トップコートとボンドコートの界面における温度勾配の決定に基づき選択される、[２１]に記載のシステム。
[２９]
レーザーが、各パルスが異なる適合ウィンドウサイズを有する複数のレーザーパルスを生成するように構成される、[２１]に記載のシステム。
[３０]
以下を含む、遮熱コーティングを横切る温度勾配の測定方法：
基材上に施用された希土類ドープ遮熱コーティング上にレーザーパルスを生成し；
希土類ドープ遮熱コーティングからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を検出し；そして、
検出されたルミネセンス信号の適合ウィンドウサイズを変動させ、変動させた適合ウィンドウサイズに基づき希土類ドープ遮熱コーティング内の熱勾配を決定する。
[３１]
シングルショットレーザーパルス測定として、希土類ドープ遮熱コーティングからの反射された畳み込まれたルミネセンス信号を検出する、[３０]に記載の方法。
[３２]
より短い適合ウィンドウサイズが、遮熱コーティングの上面位置においてより高い温度に暴露された希土類ドーパントからの短い減衰時間のより高い寄与の測定を可能にし、より長い適合ウィンドウサイズが、遮熱コーティング内のより深くに位置し、遮熱コーティング内のより深くでより低い温度に暴露された希土類ドーパントからの長い減衰時間のより高い寄与の測定を可能にする、[３０]に記載の方法。
[３３]
より短い適合ウィンドウサイズ範囲が約３．１～３．３マイクロ秒であり、より長い適合ウィンドウサイズ範囲が約３．３～３．５マイクロ秒である、[３２]に記載の方法。
[３４]
より短い適合ウィンドウサイズ範囲が、約５０～６０マイクロメートルの深さにおける遮熱コーティングでの測定に対応し、より長い適合ウィンドウサイズ範囲が、約６０～８５マイクロメートルの深さにおける遮熱コーティングでの測定に対応する、[３２]に記載の方法。

１００ 遮熱コーティング
１０４ 上面
１０６ トップコート
１０８ ボンドコート
１１０ レーザー
１１２ 検出器
１２０ ドープ層
１２４ 希土類ドープ遮熱コーティングボンドコート構成
１２６ 基材
１２８ 非ドープ層
１３０ 熱成長酸化物
１３２ 走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像
１５０ ドープボンドコート
１５１ ドープボンドコート付着プロセス
１５４ 基材
１５６ トップコート
１６０ 熱成長酸化物
１６４ 燐光体サーモメトリープローブ
１６７ 測定可能なルミネセンス
２００ 大気プラズマ溶射装置
２０２ インジェクター
２０４ トーチ
２０８ ＡＰＳスプラット
２１０ 表
２２０ 電子ビーム物理蒸着（ＥＢ－ＰＶＤ）装置
２２４ ＥＢ－ＰＶＤ真空チャンバー
２２６ 電子ビーム
２２７ 電子ビーム源
２３０ ＹＳＺインゴット
２３２ 蒸発プルーム
２３６ 柱状成長
２３８ 典型的な遮熱コーティング
２４０ ＥＢ－ＰＶＤジルコニア層
２４２ ボンドコート
２４４ 基材
２４６ 表
２５０ 燐光体サーモメトリー温度測定システム
２５４ 支持体
２５８ ＰＭＴ（光電子増倍管）電源
２６０ レーザー電源
２６４ オシロスコープ
２６８ レーザー
２７２ ＩＲカメラ
２７４ａ 第１の光電子増倍管
２７４ｂ 第２の光電子増倍管
２７４ｃ 第３の光電子増倍管
２７４ｄ 第４の光電子増倍管
２７５ 精密ラボリフトジャッキ
２７６ 主光学ブレッドボード
２８０ 制御器
２８２ａ レーザーミラー
２８２ｂ レーザーミラー
２８４ シアンダイクロイックフィルター
２８５ 追加のダイクロイックフィルター
２８６ マゼンタダイクロイックフィルター
２９２ 誘導加熱コイル
２９３ 循環渦電流
２９４ 磁場
３００ 遮熱コーティング構成
３０４ 金属ボンドコート層
３０６ セラミックトップコート層
３０８ 非ドープ層
３１２ ドープ感知層
４００ ユーロピウムの高温感受性領域
４００ クーポン
４１０ 拡張された温度範囲
５００ 基材
５０２ ＮｉＰｔＡｌボンド層
５０３ トップコート
５０４ 非ドープＹＳＺ層
５０６ ドープＹＳＺ：Ｅｒ層
５０９ 層間剥離
５１０ インデント
５２０ フォトルミネセンス圧電分光システム
５２４ 収集プローブ
５２８ レーザー
５３０ 破砕
５３２ 試料
５３６ ＸＹＺステージ
５４０ レーザー支持体
５４１ 制御器
６００ 構成要素
６０２ 遮熱コーティング
６０６ 基材
６１０ ＮｉＣｒＡｌＹボンドコート層
６１４ セラミック上層
６３０ 装置
６３４ レーザー
６３８ 検出器
６４０ 制御器
６５２ マッフル炉
６６０ａ レーザーミラー
６６０ｂ レーザーミラー
６６４ ダイクロイックフィルター
６６６ シアンダイクロイックフィルター
６６８ 凸レンズ
６７０ バーナーリグノズル
６７４ 遮熱コーティング
６７６ より短いウィンドウのグラフ
６７８ より長いウィンドウのグラフ

Claims (9)

1. 基材；
   基材上に施用された遮熱コーティング、前記遮熱コーティングは、以下を含む：
   基材上の金属ボンドコート層、前記金属ボンドコート層は、希土類ルミネセンス性ドーパントを包含する；
   ボンドコート層上のセラミックトップコート層；および
   ボンドコート層とセラミックトップコート層との界面に形成された温度感知熱成長酸化物（ＴＧＯ）層、前記温度感知ＴＧＯ層は、ＴＧＯ層におけるリアルタイム燐光体サーモメトリー温度測定のためにＴＧＯ層のルミネセンス感知を可能にするのに十分な量で、金属ボンドコート層から移動した成長希土類ルミネセンス性イオンを包含する；
   を含む、遮熱コーティングされた構成要素であって、
   前記希土類ルミネセンス性ドーパントが、サマリウム、エルビウム、ユーロピウムおよびジスプロシウムからなる群より選択される、遮熱コーティングされた構成要素。
2. 基材；
   基材上に施用された遮熱コーティング、前記遮熱コーティングは、以下を含む：
   基材上の金属ボンドコート層、前記金属ボンドコート層は、希土類ルミネセンス性ドーパントを包含する；
   ボンドコート層上のセラミックトップコート層；および
   ボンドコート層とセラミックトップコート層との界面に形成された温度感知熱成長酸化物（ＴＧＯ）層、前記温度感知ＴＧＯ層は、ＴＧＯ層におけるリアルタイム燐光体サーモメトリー温度測定のためにＴＧＯ層のルミネセンス感知を可能にするのに十分な量で、金属ボンドコート層から移動した成長希土類ルミネセンス性イオンを包含する；
   を含む、遮熱コーティングされた構成要素であって、
   前記金属ボンドコート層が、９６～９８パーセントのＮｉＣｏＣｒＡｌＹおよび２～４パーセントのジスプロシウムを包含する、遮熱コーティングされた構成要素。
3. 基材；
   基材上に施用された遮熱コーティング、前記遮熱コーティングは、以下を含む：
   基材上の金属ボンドコート層、前記金属ボンドコート層は、希土類ルミネセンス性ドーパントを包含する；
   ボンドコート層上のセラミックトップコート層；および
   ボンドコート層とセラミックトップコート層との界面に形成された温度感知熱成長酸化物（ＴＧＯ）層、前記温度感知ＴＧＯ層は、ＴＧＯ層におけるリアルタイム燐光体サーモメトリー温度測定のためにＴＧＯ層のルミネセンス感知を可能にするのに十分な量で、金属ボンドコート層から移動した成長希土類ルミネセンス性イオンを包含する；
   を含む、遮熱コーティングされた構成要素であって、
   前記ＴＧＯ層が、約１．７～２．０重量パーセントのニッケル、約０．６７～０．８２重量パーセントのクロム、約５２．７～６４．４重量パーセントのアルミニウム、約３５．０～４２．７重量パーセントの酸素、ならびにサマリウム、エルビウム、ユーロピウムおよびジスプロシウムからなる群より選択される約０．１重量パーセント以下の希土類元素を含む、遮熱コーティングされた構成要素。
4. 基材；
   基材上に施用された遮熱コーティング、前記遮熱コーティングは、以下を含む：
   基材上の金属ボンドコート層、前記金属ボンドコート層は、希土類ルミネセンス性ドーパントを包含する；
   ボンドコート層上のセラミックトップコート層；および
   ボンドコート層とセラミックトップコート層との界面に形成された温度感知熱成長酸化物（ＴＧＯ）層、前記温度感知ＴＧＯ層は、ＴＧＯ層におけるリアルタイム燐光体サーモメトリー温度測定のためにＴＧＯ層のルミネセンス感知を可能にするのに十分な量で、金属ボンドコート層から移動した成長希土類ルミネセンス性イオンを包含する；
   を含む、遮熱コーティングされた構成要素であって、
   前記ボンドコート層が約５０～２００マイクロメートルであり、前記セラミックトップコート層が約５０～３００マイクロメートルである、遮熱コーティングされた構成要素。
5. 前記セラミックトップコート層が、ボンドコート層上のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）バリアトップコート層を含む、請求項１～４のいずれかに記載の遮熱コーティングされた構成要素。
6. 前記基材が、タービン構成要素またはエンジン排気構成要素を含む、請求項１～４のいずれかに記載の遮熱コーティングされた構成要素。
7. 以下を含む、遮熱コーティングされた構成要素の形成方法：
   金属ボンドコート層を基材上に施用すること、前記金属ボンドコート層は希土類ルミネセンス性ドーパントを包含する；
   セラミックトップコート層を該ボンドコート層上に施用すること；および
   金属ボンドコート層およびセラミックトップコート層を熱老化させて、金属ボンドコート層からボンドコート層とセラミックトップコート層の界面に、ＴＧＯ層におけるリアルタイム燐光体サーモメトリー温度測定のためにＴＧＯ層のルミネセンス感知を可能にするのに十分な量で希土類ルミネセンス性イオンを移動させることにより、ボンドコート層とセラミックトップコート層との界面に温度感知熱成長酸化物（ＴＧＯ）層を形成すること。
8. 前記金属ボンドコート層が、９６～９８パーセントのＮｉＣｏＣｒＡｌＹおよび２～４パーセントのジスプロシウムを包含する、請求項７に記載の方法。
9. 前記ＴＧＯ層が、約１．７～２．０重量パーセントのニッケル、約０．６７～０．８２重量パーセントのクロム、約５２．７～６４．４重量パーセントのアルミニウム、約３５．０～４２．７重量パーセントの酸素、ならびにサマリウム、エルビウム、ユーロピウムおよびジスプロシウムからなる群より選択される約０．１重量パーセント以下の希土類元素を含む、請求項７に記載の方法。

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