JPH10502310A - 犠牲的な表面被膜によりサーマルバリアコーティングを保護するための方法および複合材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 エンジン部品の上に被覆されたサーマルバリアコーティングを高温での環境汚染物質の有害な影響から保護するための方法および複合材が提供される。この方法および複合材はサーマルバリアコーティングと共に、犠牲的に消費される酸化物の被膜を利用しており、この酸化物被膜の消費により汚染物質組成物の融解温度がサーマルバリアコーティングの表面温度より高く上昇されるかあるいは汚染物質組成物の粘度が増大されてサーマルバリアコーティング中への汚染物質組成物の浸透が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】 犠牲的な表面被膜によりサーマルバリアコー ティングを保護するための方法および複合材 発明の分野 本発明はガスタービンおよびその他の熱機関の部品上に付着されたサーマルバ リアコーティングを環境汚染物質の有害な影響から保護する方法および複合材に 関する。特に、本発明は環境汚染物質から形成された汚染物質組成物と反応する 反応性の犠牲的な酸化物被膜を使用した方法および複合材に関する。 発明の背景 サーマルバリアコーティングは熱の流れを減少しそして金属部品の動作温度を 制限するためにガスタービンおよびその他の熱機関の部品上に付着されている。 これらのコーティングは一般に化学的に安定化されたジルコニアのようなセラミ ック物質である。イットリア−安定化ジルコニア、スカンジア−安定化ジルコニ ア、カルシア−安定化ジルコニア、およびマグネシア−安定化ジルコニアがサー マルバリアコーティングとして考えられている。選択されるサーマルバリアコー ティングはイットリア−安定化ジルコニアのセラミックコーティングである。代 表的なサーマルバリアコーティングは約８重量％のイットリアおよび９２重量％ のジルコニアを含む。サーマルバリアコーティングの厚さは用途に依存するが、 しかし一般的には高温のエンジン部品にたいして約５−６０ミル厚の範囲である 。 サーマルバリアコーティングを施される金属部品はニッケル、コバルトおよび 鉄を基質とする超合金から作ることができる。この方法はタービンに使用される 部品およびハードウエアに特に適している。タービンの部品の例はタービンブレ ード、動翼、ノズル、燃焼ライナ等であろう。 サーマルバリアコーティングは、高いサーマルバリアコーティング表面温度を 発生する高温度で動作することが予想される現行および将来のガスタービンエン ジン設計の鍵となる要素である。高温エンジン部品に対する理想的な系統はボン ディングコート上に付着され良好な腐蝕抵抗および密に適合した熱膨張係数を示 す歪み−耐性のサーマルバリアセラミック層からなる。 稼働条件下においては、サーマルバリアコーティングで被覆されたエンジン部 品は腐蝕、酸化および環境汚染物質からの攻撃を含めた種々なる態様の損傷を受 けうる。エンジンの運転温度において、高温のサーマルバリアコーティングの表 面にこれらの環境汚染物質が密着するとサーマルバリアコーティングに対して損 傷を引き起こしうる。環境汚染物質はサーマルバリアコーティングの表面温度に おいて液体である組成物を形成する。 汚染物質組成物とサーマルバリアコーティングとの間に化学的および機械的相 互作用が起きる。融解した汚染物質組成物はサーマルバリアコーティングを溶解 しあるいはその孔および開口に浸透して、ひび割れを開始してこれを伝播し、こ れにより層割れを引き起こしてサーマルバリアコ ーティング物質の損失を引き起こす可能性がある。 サーマルバリアコーティングで被覆された表面に付着したある種の環境汚染物 質組成物にはカルシウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素およびこれらの 混合物の酸化物が含まれている。これらの酸化物は結合して、カルシウム−マグ ネシウム−アルミニウム−ケイ素−酸化物系（Ｃａ−Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ：以 後ＣＭＡＳと呼ぶことにする）を含む汚染物質組成物を形成する。融解したＣＭ ＡＳがサーマルバリアコーティングに浸透するときにサーマルバリアコーティン グに対する損傷が起きる。この浸透の後に、冷却されると融解されたＣＭＡＳま たはその他の融解汚染物質組成物は固化する。このときに生ずるサーマルバリア コーティング内の応力の蓄積はコーティング物質の剥落を引き起こしそしてサー マルバリアコーティングにより下層の部材に対して与えられている熱的保護の損 失を生ずるに十分なまでに増大する。 エンジンの動作温度における融解汚染物質組成物の反応あるいは浸透により引 き起こされるサーマルバリアコーティングへの損傷を減少させあるいは防ぐこと が必要とされている。これは、サーマルバリアコーティングで被覆された部材の 高温の表面上に形成された汚染物質組成物の融解温度あるいは粘度を犠牲的な酸 化物の被膜により引き上げて、汚染物質組成物が反応性の液体を形成したりある いはサーマルバリアコーティング中に流れ込んだりしないようにすることにより 達成できる。 発明の要約 本発明はこの必要性を、サーマルバリアコーティングで被覆された部品の表面 上に生成し密着した環境汚染物質組成物による劣化からサーマルバリアコーティ ングを保護することにより満たすものである。本発明の方法は、サーマルバリア コーティングの表面上に反応性または犠牲的な酸化物の被膜を有効量で付着させ 、この酸化物被膜をサーマルバリアコーティングの動作温度において汚染物質組 成物と反応させてサーマルバリアコーティングの表面上に形成される汚染物質組 成物の融解温度あるいは粘度を上昇させることからなる。 本発明はまた、部品上に被覆されたサーマルバリアコーティングと、このサー マルバリアコーティングの外側表面に隣接した連続した犠牲的な酸化物被膜とを 含んでなる複合材を提供することによりこの必要性を満たすものである。本発明 はまた、上部にサーマルバリアコーティングを被覆され、このサーマルバリアコ ーティングの外側表面の上に犠牲的な酸化物の被膜の単一の保護層を有する部品 からなる保護されたサーマルバリアコーティングで被覆された部品を含む。本発 明による複合サーマルバリアコーティングはまた、基体、ボンディングコート、 サーマルバリアコーティングおよび犠牲的酸化物被膜を含んでなる。 環境汚染物質は環境中に存在して空気および燃料源からエンジン内に摂取され る物質、並びに不純物および酸化鉄等のエンジン部品の酸化生成物である。 術語「動作温度」とは、ガスタービンエンジン等の与えられた用途における動 作中におけるサーマルバリアコーティングの表面温度を意味する。このような温 度は室温より高く、一般に５００℃より高い。サーマルバリアコーティングで被 覆された部品の高温動作は通常約１０００℃より高い。 発明の記述 外側に犠牲的な酸化物の被膜を有するサーマルバリアコーティングで被覆され た部品からなる複合材は、動作温度においてサーマルバリアコーティングの表面 上に融解された汚染物質組成物を形成する環境汚染物質による損傷を減少するこ とが発見された。また、環境汚染物質および稼働動作中にサーマルバリアコーテ ィングで被覆された部品の表面に生ずる汚染物質組成物と反応する犠牲的な酸化 物の被膜を塗布することにより、汚染物質組成物の融解温度及び粘度が上昇され ることが発見された。その結果、汚染物質組成物は融解されず、そしてこの混合 物のサーマルバリアコーティング中への浸透あるいは粘性流入が削減される。こ れにより、サーマルバリアコーティングへの損傷が減少する。 汚染物質組成物の融解温度および粘度を上昇するとサーマルバリアコーティン グ内への浸透が削減され、これによりサーマルバリアコーティングの劣化が減少 される。犠牲的な酸化物の被膜が汚染物質組成物中に消費されあるいは溶解され る結果、汚染物質組成物はサーマルバリアコーテ ィングの動作温度において液体にならない。そのため、汚染物質組成物のサーマ ルバリアコーティングのひび割れ、開口及び孔の内部への浸透あるいは粘性流入 が減少する。 本発明はまた、汚染物質組成物による化学的および機械的な攻撃に起因する溶 解あるいは剥落からサーマルバリアコーティングを保護する。これにより、サー マルバリアコーティングで被覆された部品の寿命が高められ、従ってサーマルバ リアコーティングで被覆された部品の破損が減少する。 環境汚染物質源としては、これらに限られないが、砂、泥、火山性灰、フライ アッシュ、セメント、散乱する塵、基体不純物、燃料および空気源、エンジン部 品からの酸化生成物等が含まれる。この環境汚染物質はサーマルバリアコーティ ングで被覆された部品の表面に密着する。この環境汚染物質はサーマルバリアコ ーティングの動作温度において、この動作温度以下の融解範囲または温度を有し うる汚染物質組成物をサーマルバリアコーティングの表面上に形成する。 更に、幾つか例を挙げれば、環境汚染物質にはマグネシウム、カルシウム、ア ルミニウム、ケイ素、クロム、鉄、ニッケル、バリウム、チタン、アルカリ金属 、およびこれらの化合物が含まれうる。環境汚染物質は酸化物類、燐酸塩類、炭 酸塩類、塩類およびこれらの混合物でありうる。 汚染物質組成物の化学的組成はその生成源である環境汚染物質の組成に対応す る。例えば、約１０００℃以上の動 作温度において、汚染物質組成物の組成はカルシウム−マグネシウム−アルミニ ウム−ケイ素酸化物系即ちＣＭＡＳの組成に対応する。一般に、ＣＭＡＳとして 知られる環境汚染物質組成物は主に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウ ム（ＣａＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）および酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）の 混合物を含む。他の元素例えばニッケル、鉄、チタンおよびクロムも、これらの 元素あるいはこれらの化合物が環境汚染物質中に存在するときには、ＣＭＡＳ中 に少量存在しうる。ここに、少量とは存在する汚染物質組成物の合計量の約１０ 重量％未満の量である。 本発明の保護的被膜は液体の汚染物質組成物と接触したときに化学的または物 理的変化を受けてサーマルバリアコーティングを保護するので犠牲的または反応 性として記載できる。従って、この保護的被膜の特性は犠牲を受ける。この変化 の結果、組成物中に溶解しあるいは組成物と反応して液体でないあるいは少なく とも当初のＣＭＡＳもより粘稠な副生物質を形成することにより、汚染物質組成 物例えば液体ＣＭＡＳの粘度か物理的状態を上昇する。 このような犠牲的あるいは反応性の被膜は、サーマルバリアコーティングの外 側表面上に付着され、サーマルバリアコーティングの表面温度において汚染物質 組成物と化学的に反応する、通常金属酸化物からなる外側の酸化物被膜である。 この化学反応とは、犠牲的酸化物被膜が少なくとも部分的に消費され、そして汚 染物質組成物の融解温度あ るいは粘度を上昇させる反応である。汚染物質組成物の融解温度は動作中のサー マルバリアコーティングの表面温度よりも好ましくは少なくとも約１０℃そして 最も好ましくは約５０−１００℃高く上昇される。 この犠牲的酸化物被膜の組成は環境汚染物質の組成および動作中のサーマルバ リアコーティングの表面温度に一部基づく。通常この犠牲的酸化物被膜は液体汚 染物質組成物中に存在する一種以上の元素を含有する。 ＣＭＡＳ組成物と反応してその融解温度あるいは粘度を引き上げるのに適当な 犠牲的な酸化物の被膜は、これらに限定されないが、アルミナ、マグネシア、ク ロミア、カルシア、スカンジア、ジルコニウム酸カルシウム、シリカ、マグネシ ウムアルミニウム酸化物のような尖晶石、およびこれらの混合物を含む。 例えば、スカンジアのような犠牲的な酸化物被膜は存在する全ＣＭＡＳ組成物 の約１重量％の量で有効であることができることが分かった。好ましくは、ＣＭ ＡＳの融解温度を１１９０℃から１３００℃より高く引き上げる為には、犠牲的 な酸化物被膜に対して約１０−２０重量％のスカンジアが使用される。 保護的な酸化物被膜は形成される液体汚染物質の実質的に全ての融解温度また は粘度を効果的に上昇するのに十分な量でサーマルバリアコーティングに施され る。 サーマルバリアコーティングの表面上に存在する汚染物質組成物の全重量に基 づいて約１重量％のような少量の酸 化物被膜でサーマルバリアコーティング中への融解汚染物質組成物の浸透の防止 に役立つことができる。好ましくは、約１０−２０重量％の犠牲的酸化物被膜が サーマルバリアコーティング上に付着される。場合によっては、付着する犠牲的 酸化物被膜の量は５０重量％まで、即ち１：１比の酸化物被膜対液体汚染物質比 までにすることができる。 犠牲的な酸化物被膜のサーマルバリアコーティング上への付着は当業界で知ら れた被覆方法例えばゾル−ゲル法、スパッタリング、空気プラズマ溶射法、オル ガノ−金属化学蒸着法、物理蒸着法、化学蒸着法等で行うことができる。犠牲的 な酸化物被膜の厚さは約０．２μｍ乃至約２５０μｍで変化しうる。好ましい厚 さは約２−１２５μｍである。酸化物被膜の厚さは少なくとも部分的には、特定 の酸化物被膜の化学、サーマルバリアコーティングの動作温度および汚染物質の 量と組成により決定される。厚い即ち約１２５μｍあるいはそれ以上の犠牲的な 酸化物被膜が必要とされる場合には、組成的に漸変させた付着物を使用すること により犠牲的な被膜の層割れが起きないように内部応力を最小に維持することが できる。特定の犠牲的な酸化物被膜の使用を例示し並びに本発明の理解を計る目 的で、ＣＭＡＳ組成物とサーマルバリアコーティング上の犠牲的酸化物被膜との 反応を約１２００℃あるいはそれ以上の動作温度において記述する。 サーマルバリアコーティングに汚染物質の沈着で誘発された損傷が観察された サーマルバリアコーティング被覆エ ンジン部品において発見された浸透した汚染物質沈着物の電子マイクロプローブ 分析により、ＣＭＡＳ組成物の化学組成を決定した。この分析は、ＣＭＡＳ類似 の沈着物１２７ミクロン（５ミル）［密度２．７ｇ／ｃｍ³として約３４ｍｇ／ ｃｍ²］がサーマルバリアコーティングの表面上に形成されうることを示してい た。評価したＣＭＡＳ沈着物は典型的には組成範囲（重量％）：５−３５％Ｃａ Ｏ；２−３５％ＭｇＯ；５−１５％Ａｌ₂Ｏ₃；５−５５％ＳｉＯ₂；０−５％Ｎ ｉＯ；５−１０％Ｆｅ₂Ｏ₃であたったが、しかし遍在するＦｅ₂Ｏ₃の含有量は７ ５重量％もの大きな量になることがある。このような沈着物に対する平均的な組 成物（重量％：２８．７％ＣａＯ；６．４％ＭｇＯ；１１．１％Ａｌ₂Ｏ₃；４３ ．７％ＳｉＯ₂；１．９％ＮｉＯ；８．３％Ｆｅ₂Ｏ₃）を実験室で合成して保護 的被膜を評価する目的の標準ＣＭＡＳとして使用した。実際のＣＭＡＳ沈着物お よび合成したＣＭＡＳを示差熱分析したところ、融解の開始は約１１９０℃で起 き、融解のピークの最大が約１２６０℃で起きることが示された。実験室で合成 したＣＭＡＳ組成物に対するサーマルバリアコーティングの保護的被膜の候補の 熱試験は約１２６０℃で行った。 類似のＣＭＡＳ組成物に対する粘度データによると、ＣＭＡＳの粘度は１２６ ０℃で約４Ｐａ・ｓ（パスカル秒）であることが示された。この流体相はサーマ ルバリアコーティングに浸透して凍結により誘導された剥落あるいは高温化学攻 撃により誘発された不安定化による損傷を引き起 こす。保護されていないサーマルバリアコーティングに対する実験室の実験では 等温条件において、サーマルバリアコーティング層を完全に剥落させるには８ｍ ｇのＣＭＡＳ／ｃｍ²で十分であることが示された。 本発明の実施においては、動作中のサーマルバリアコーティングの表面温度が 約１２００℃の場合には、ＣＭＡＳ組成物の融解温度を少なくとも約１２１０℃ に上昇することが好ましく、そしてＣＭＡＳの融解温度を約１２６０−１３１０ ℃に上昇することが最も好ましい。ＣＭＡＳ組成物の融解温度は動作中のサーマ ルバリアコーティングの表面温度よりも少なくとも１０℃高く上昇させるべきで ある。 以下に実施例を掲げて本発明の更なる記述に供する。 実施例 サーマルバリアコーティングで被覆された部品上に施した犠牲的な酸化物被膜 に対して、カルシウム、マグネシウム、アルミニウムおよびケイ素の酸化物（Ｃ ＭＡＳ）の環境的に付着した混合物の浸透の防止について調査した。 候補の犠牲的な材料に対して、ＣＭＡＳと反応してＣＭＡＳの浸透が稼働中の サーマルバリアコーティング中に起きないようにＣＭＡＳの融解温度を上昇する 能力を評価するために、示差熱分析（ＤＴＡ）および熱力学的計算を使用して研 究を行った。粘度測定を使用して、ＣＭＡＳと反応し、液体相の粘度を上昇し、 そしてこれによりサーマルバリアコーティングのミクロ組織内への物理的浸透を 制限する犠牲的な酸化物被膜の能力を評価した。 候補の犠牲的酸化物被膜組成物をサーマルバリアコーティング上に付着し、金 属組織検査、ＳＥＭおよび電子マイクロプローブ化学分析を使用してＣＭＡＳの 浸透に対する抵抗に対して査定した。上記の試験は実験室炉試験条件（等温）下 において行った。 ゾル−ゲル法、空気プラズマ溶射法、スパッタリングおよびＭＯＣＶＤ法によ り付着された犠牲的な反応性の酸化物被膜は、スカンジア、ジルコニウム酸カル シウム、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化マグ ネシウム（ＭｇＯ）、および酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）であった。 ＣＭＡＳの表面沈着物の存在下で熱的サイクルにかけて、保護されたおよび保 護されていないサーマルバリアコーティングで被覆した基体の浸透に対する抵抗 性を比較することにより、ＣＭＡＳ浸透により誘発されるサーマルバリアコーテ ィングの損傷の防止における、保護被膜の有効性を試験した。これらの実験では 、サーマルバリアコーティングで被覆された基体のマスクされた領域に８ｍｇ／ ｃｍ²の粉砕した予め反応させたＣＭＡＳを沈着させた。熱サイクルは、試料を １０分で１２６０℃に加熱し、１２６０℃に１０分間保持し、次いで３０分間で 室温に冷却することからなった。各サイクルの後、試料を裸眼および双眼実体顕 微鏡を使用して５０倍で検査した。このサイクルを数回繰り返した。熱試験の完 結後、試料を薄片に裁断し、金属組織的に研磨し、そして明視野暗視野光学顕微 鏡を使って 検査した。 実施例 １ 実施例１は犠牲的な酸化物保護被膜が無い場合のサーマルバリアコーティング 被覆部品に対するＣＭＡＳの影響を実証するものである。上述した方法で試験し た保護されていないサーマルバリアコーティング試料は、ＣＭＡＳにより誘発さ れたサーマルバリアコーティングの可視的な膨潤およびひび割れ（双眼実体顕微 鏡で試料の縁部に見ることができる）を示した。保護されていない試料の金属組 織的調製および検査は、ＣＭＡＳにより誘発されたサーマルバリアコーティング の高密度化、ひび割れおよび剥落を示した。 実施例 ２ 示差熱分析によれば、ＣＭＡＳ中にスカンジアが約１０重量％あるとＣＭＡＳ 組成物の融解温度が１１９０℃から１３００℃に上昇することが分かった。従っ て、１ミル厚のスカンジア被膜をサーマルバリアコーティング被覆基体の上に空 気プラズマ溶射した。スカンジアで保護されたサーマルバリアコーティングの頂 部表面上に８ｍｇ／ｃｍ²のＣＭＡＳを沈着させた。１２６０℃に熱サイクルさ せたところ、スカンジアがサーマルバリアコーティング中へのＣＭＡＳの浸透を 減少することが示された。ＣＭＡＳの大きな液滴が試料の頂部上に残っていた。 ２０−５０倍で見たところ、通常サーマルバリアコーティング中に観察されるＣ ＭＡＳにより誘導される縁部のひび割れは見られなか った。 実施例 ３ 示差熱分析によると、マグネシアまたはカルシアを１：１重量比で添加すると ＣＭＡＳ組成物の融解温度が上昇することが分かった。マグネシアまたはカルシ アを２０重量％添加すると、ＣＭＡＳ組成物に対する示差熱分析曲線はマグネシ アに対しては１２５４℃と１３１８℃に、そしてカルシアに対しては１２３０℃ と１３３１℃に、２つの別個の融解ピークを示すようになる。炉のサイクル試験 の間に８ｍｇ／ｃｍ²のＣＭＡＳ組成物に暴露させると、マグネシアまたはカル シアで保護されたサーマルバリアコーティングは保護されていないサーマルバリ アコーティング試料よりも少ないＣＭＡＳ組成物誘発による剥落を示した。 ５ミル厚の酸化マグネシウム被膜を空気プラズマ溶射によりサーマルバリアコ ーティング試料に被覆しそして上記の方法を使用して試験した。このマグネシア で被覆したサーマルバリアコーティングに８ｍｇ／ｃｍ²のＣＭＡＳ組成物を塗 布した。１２６０℃に熱サイクルさせた後、ＣＭＡＳ組成物はサーマルバリアコ ーティングに広く浸透することはなかった。ＣＭＡＳによる影響を受けた領域に おいて２０−５０倍で観察したところ、サーマルバリアコーティングにはＣＭＡ Ｓで誘導された縁部のひび割れは見られなかった。 実施例 ４ サーマルバリアコーティング試料上に３ミル厚のジルコ ニウム酸カルシウム被膜を空気プラズマ溶射で被覆しそして実施例１に記載され た方法を使用して試験した。この被膜に８ｍｇ／ｃｍ²のＣＭＡＳを添加して１ ２６０℃に熱サイクルさせた後、金属組織検査によれば、ＣＭＡＳ組成物はサー マルバリアコーティングの頂部に保持されていることが示され、サーマルバリア コーティング中への見掛けの浸透は無かった。 実施例 ５ 示差熱分析の実験によると、１：１重量比でアルミナをＣＭＡＳ組成物に添加 すると、加熱したときにこのアルミナの添加によりＣＭＡＳ組成物の融解温度が 上昇することが分かった。１：１の添加によりＣＭＡＳ組成物の融解開始が１３ ４５℃より高い温度に上昇された。例えば、空気プラズマ溶射により付着させた ５ミルのアルミナの薄膜は１２６０℃で１時間加熱処理した後８ｍｇ／ｃｍ²の ＣＭＡＳ組成物の浸透を最小にした。 実施例 ６ 二次的な保護酸化物の粘度を上昇する能力を試験した。所定の露出時間におい ては、ＣＭＡＳの粘度が増大するとサーマルバリアコーティング中への浸透の深 度が減少されることになる。酸化物の添加に起因するＣＭＡＳにおける粘度の変 化についた調査した。ほうろうの試験に利用される極めて単純な粘度測定法を等 級付けの目的に使用した。このほうろう試験では、ＣＭＡＳと種々の量の候補酸 化物の混合物から作ったペレットを水平の白金薄板上に置きそ して融解した。この白金薄板を正確な時間にわたり垂直な位置に回転し（粘稠流 動を許容するため）それから水平な位置に回転して戻し（粘稠流動を停止するた め）そして炉から取り出した。流動ラインの長さと流動時間とから概略の粘度を 計算できる。種々の酸化物の添加に伴う流動ラインの長さの変化を測定すること により、酸化物の添加に伴うＣＭＡＳの粘度の相対的な変化を決定できる。ＣＭ ＡＳの粘度を増大した候補酸化物（中でもアルミナ、マグネシア、カルシアおよ びジルコニウム酸カルシウム）を次いでサーマルバリアコーティングで被覆され た基体の上に付着させてＣＭＡＳ沈着物と共に熱的に試験した。アルミナ、マグ ネシアおよびジルコニウム酸カルシウムの保護被膜の結果については実施例２、 ３および４に記載されている。 ここで指摘されるべきことは、本発明はまた、サーマルバリアコーティングの 動作温度において環境汚染物質から形成される液体組成物により引き起こされる 損傷からサーマルバリアコーティングを保護する方法にも係わり、この方法は、 前記液体組成物と反応しそして前記液体組成物と接触すると前記液体組成物の粘 度または融解温度をサーマルバリアコーティングの表面温度より高く引き上げる 金属酸化物少なくとも一種を含んだ犠牲的な金属酸化物被膜をサーマルバリアコ ーティングの表面上に形成することからなる。これにより液体組成物の融点は上 昇される。 本発明の実施により、動作温度および動作環境を含めた特定の組合せの動作パ ラメータに於けるガスタービンエン ジンのサーマルバリアコーティングの有効寿命を延長することが可能となる。本 発明はまた、サーマルバリアコーティングで被覆された部品の冷却を減少させた りあるいはかかる部品をより高い温度入力に露出させる、即ちエンジン系統に対 する動作温度の効果的な上昇のような、サーマルバリアコーティングに対し増大 した熱負担を課するエンジンの設計を提供する手段も与えられる。従って、本発 明の実施により、性能に対する要求がエスカレートしたより厳しい熱的攻撃条件 下において、現在利用されているサーマルバリアコーティングの機能の実質的な 向上を提供するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボロム，マークス・プレストン アメリカ合衆国、12309、ニューヨーク州、 ニスカユナ、アパートメント・ビー37、ヒ ルサイド・アベニュー、1197番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．サーマルバリアコーティングの表面上に密着しそして汚染物質組成物を形 成する環境汚染物質による劣化からサーマルバリアコーティングを保護する方法 において、酸化物被膜がサーマルバリアコーティングの動作温度において汚染物 質組成物と反応しサーマルバリアコーティングの表面上に汚染物質組成物が生成 するときに汚染物質組成物の融解温度あるいは粘度を上昇させるのに有効な量で 、サーマルバリアコーティングの上に犠牲的な酸化物の被膜を付着し、これによ り汚染物質組成物のサーマルバリアコーティング中への浸透を防止することから なる、方法。 ２．サーマルバリアコーティングがイットリア−安定化ジルコニア、スカンジ ア−安定化ジルコニア、カルシア−安定化ジルコニア、およびマグネシア−安定 化ジルコニアからなる群から選ばれる化学的に安定化されたジルコニアである請 求項１記載の方法。 ３．イットリア−安定化ジルコニアが約８重量％イットリア−９２重量％ジル コニアである請求項２記載の方法。 ４．環境汚染物質が酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、 酸化ケイ素、酸化鉄、酸化ニッケルおよびこれらの混合物からなる群から選ばれ る酸化物を含んでいる請求項１記載の方法。 ５．環境汚染物質がカルシウム−マグネシウム−アルミニウム−ケイ素酸化物 （ＣＭＡＳ）の組成を含む汚染物質組成物を形成する請求項４記載の方法。 ６．犠牲的な酸化物の被膜がアルミナ、マグネシア、クロミア、カルシア、ジ ルコニウム酸カルシウム、スカンジア、シリカ、マグネシウムアルミニウム酸化 物、およびこれらの混合物からなる群から選ばれる請求項５記載の方法。 ７．犠牲的な酸化物の被膜の有効量が汚染物質組成物の融解温度を動作温度に 於けるサーマルバリアコーティングの表面温度より少なくとも約１０℃高く上昇 させる量である請求項１記載の方法。 ８．犠牲的な酸化物の被膜の有効量がサーマルバリアコーティングの動作温度 において汚染物質組成物がサーマルバリアコーティングの開口中に流入しないよ うに汚染物質組成物の粘度を増大する量である請求項１記載の方法。 ９．犠牲的な酸化物の被膜の有効量がサーマルバリアコーティングの表面上の 汚染物質組成物の重量の約１−５０重量％である請求項１記載の方法。 １０．犠牲的な酸化物の被膜が約０．２−２５０μｍの厚さである請求項１記 載の方法。 １１．約８重量％のイットリアおよび約９２重量％のジルコニアを含むサーマ ルバリアコーティングを、サーマルバリアコーティングの表面上に存在するカル シウム−マグネシウム−アルミニウム−ケイ素酸化物の組成物からなる汚染物質 組成物による劣化から保護する方法において、アルミナ、マグネシア、クロミア 、カルシア、ジルコニウム酸カルシウム、スカンジア、シリカ、マグネシウムア ルミニウム酸化物、およびこれらの混合物からなる群から選ば れる酸化物被膜をサーマルバリアコーティング上にサーマルバリアコーティング の表面上に存在する汚染物質組成物の少なくとも約１重量％の量で付着し、サー マルバリアコーティングの動作中における汚染物質組成物の粘度を増大するかあ るいは汚染物質組成物の融解温度をサーマルバリアコーティングの表面温度より 少なくとも約１０℃高く上昇させることからなる、方法。 １２．部品上にサーマルバリアコーティングを有し、外側にアルミナ、マグネ シア、クロミア、カルシア、ジルコニウム酸カルシウム、スカンジア、シリカ、 マグネシウムアルミニウム酸化物、およびこれらの混合物からなる群から選ばれ る犠牲的な酸化物被膜を約０．２−２５０μｍの厚さで有してなる物品。 １３．サーマルバリアコーティングの動作温度において環境汚染物質から形成 される液体組成物により引き起こされる損傷からサーマルバリアコーティングを 保護する方法において、前記液体組成物と反応し前記液体組成物と接触したとき に前記液体組成物の粘度を増大するかあるいは前記液体組成物の融解温度をサー マルバリアコーティングの表面温度より高く上昇する少なくとも１種の金属酸化 物を含む犠牲的な金属酸化物の被膜をサーマルバリアコーティングの表面上に形 成することからなる、方法。 １４．約１０００℃を越えるサーマルバリアコーティングの動作温度において カルシウム、マグネシウム、アルミニウムおよびケイ素の酸化物を含む液体組成 物への露出に よって引き起こされる損傷からサーマルバリアコーティングを保護する方法にお いて、アルミナ、マグネシア、クロミア、カルシア、ジルコニウム酸カルシウム 、スカンジア、シリカ、マグネシウムアルミニウム酸化物、およびこれらの混合 物からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属酸化物を含み、前記液体組成物 と接触したときに前記液体組成物の液相線を上昇する犠牲的な金属酸化物の被膜 をサーマルバリアコーティングの表面上に約０．２−２５０μｍの厚さで形成す ることからなる、方法。 １５．部品上にサーマルバリアコーティングを有し、このサーマルバリアコー ティングの外側表面に隣接して連続した犠牲的な酸化物の被膜を有する複合材。 １６．犠牲的な酸化物の被膜がアルミナ、マグネシア、クロミア、カルシア、 ジルコニウム酸カルシウム、スカンジア、シリカ、マグネシウムアルミニウム酸 化物、およびこれらの混合物からなる群から選ばれる請求項１５記載の複合材。 １７．犠牲的な酸化物の被膜の厚さが約０．２−２５０μｍである請求項１５ 記載の複合材。 １８．サーマルバリアコーティングがイットリア−安定化ジルコニア、スカン ジア−安定化ジルコニア、カルシア−安定化ジルコニア、およびマグネシア−安 定化ジルコニアからなる群から選ばれる化学的に安定化されたジルコニアである 請求項１５記載の複合材。 １９．部品がニッケル基質合金、コバルト基質合金、鉄 基質合金およびこれらの混合物からなる群から選ばれる合金からなる請求項１５ 記載の複合材。 ２０．ニッケル基質合金、コバルト基質合金、鉄基質合金およびこれらの混合 物からなる群から選ばれる合金からなる部品、該部品上にあるイットリア−安定 化ジルコニア、スカンジア−安定化ジルコニア、カルシア−安定化ジルコニア、 およびマグネシア−安定化ジルコニアからなる群から選ばれる化学的に安定化さ れたジルコニアからなるサーマルバリアコーティング、および該サーマルバリア コーティングの外側表面上にある約０．２−２５０μｍの厚さのアルミナ、マグ ネシア、クロミア、カルシア、ジルコニウム酸カルシウム、スカンジア、シリカ 、マグネシウムアルミニウム酸化物、およびこれらの混合物からなる群から選ば れる犠牲的な酸化物の被膜を含んでなる、保護されたサーマルバリアコーティン グで被覆された部品。 ２１．基体、ボンディングコート、サーマルバリアコーティングおよびこのサ ーマルバリアコーティングの外側表面上にある連続した犠牲的な酸化物の被膜を 含んでなる複合材。 ２２．部品、該部品の表面を被覆するイットリア−安定化ジルコニア、スカン ジア−安定化ジルコニア、カルシア−安定化ジルコニア、およびマグネシア−安 定化ジルコニアからなる群から選ばれるサーマルバリアコーティングおよび該サ ーマルバリアコーティングの外側表面を約０．２−２５０μｍの厚さで被覆する アルミナ、マグネシア、ク ロミア、カルシア、ジルコニウム酸カルシウム、スカンジア、シリカ、マグネシ ウムアルミニウム酸化物、およびこれらの混合物からなる群から選ばれる犠牲的 な酸化物の被膜からなる、ガスタービンエンジンに使用するための製造物品。