(57)【要約】【課題】  ガスタービンのような過酷な熱的・化学的環境に暴露される合金部品に使用する遮熱セラミック層の提供。【解決手段】  遮熱コーティングは、遮熱コーティングの少なくとも一部を衝撃波に付して、基材を実質的に変形させることなく遮熱コーティングに微小亀裂を形成させることを含む一連の段階によって形成された亀裂を含む。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン部品に施工された遮熱コーティングに亀裂を形成させる方法であって、
ガスタービン部品をなす金属基材上に、ＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルである）を含むボンドコートを堆積する段階と、
上記ボンドコート上に、イットリア安定化ジルコニアを含む遮熱コーティングを堆積する段階と、
上記遮熱コーティングの少なくとも一部を衝撃波に付して、金属基材を実質的に変形させずに遮熱コーティングに微小亀裂を形成させる段階と
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記ガスタービン部品がブレードを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記遮熱コーティングが８％イットリア安定化ジルコニアを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記遮熱コーティングの少なくとも一部を衝撃波に付す段階がレーザーアブレーション又はレーザーショックピーニングを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記遮熱コーティングの少なくとも一部を衝撃波に付す段階が、遮熱コーティング全体を衝撃波に付すことを含まない、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記金属基材上にボンドコートを堆積する段階が金属基材上にボンドコートを大気プラズマ溶射することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
セラミック系コーティングに亀裂を形成させる方法であって、
金属系基材上に、遮熱コーティングを含むセラミック系コーティングを堆積する段階と、
前記セラミック系コーティングの少なくとも一部を衝撃波に付して、金属系基材を実質的に変形させずにセラミック系コーティングに微小亀裂を形成させる段階と
を含んでなる方法。
【請求項８】
前記セラミック系コーティングがイットリア安定化ジルコニアを含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記金属系基材が鉄、ニッケル又はコバルトの１種以上を含む超合金を含む、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義には、発電用ガスタービンエンジンの作動部品のような高温ガス環境及び過酷な作動条件に暴露される合金部品のための保護皮膜に関する。具体的には、本発明は、ガスタービンエンジンに使用する遮熱コーティング（ＴＢＣ）及びＴＢＣの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンハードウェア部品が暴露される作動条件は熱的・化学的に過酷となるおそれがある。タービン、燃焼器及びオグメンタ部品に使用される金属基材の表面は非常に過酷な高温ガス環境で平均以上の機械的強度、耐久性及びエロージョン耐性を示すべきである。「エロージョン」とは一般に、表面から他の粒子を放出させる（壊食）のに十分な高エネルギーの汚染粒子が表面（特に金属）に衝突して、基材の劣化及び割れを招くプロセスをいう。
【０００３】
最近、重要なタービン部品の基材に施工される皮膜に鉄、ニッケル及びコバルト基超合金を導入することによってガスタービン系に耐熱合金を利用することにより多大な進歩が達成されている。有効な表面皮膜の目的は概して二つある。第一に、皮膜は、その下の基材を酸化、腐食及び劣化から保護する保護性及び接着性の層を形成すべきである。第二に、皮膜は基材に対して低い熱伝導性を有するべきである。超合金の組成の複雑化に伴って、（特に高いガスタービン作動温度で）必要とされる高レベルの強度と十分な耐腐食性及び耐酸化性を同時に達成するのは難しくなっている。ガスタービン燃焼温度の高温化という趨勢のため、酸化、腐食及び劣化の問題はさらに難しさを増している。そのため、近年の遮熱コーティングの改良にも関わらず、多くの合金部品は典型的なガスタービン環境でみられる長期供用暴露及び繰返サイクルに耐えることができないので、経済的で有効性に優れ、しかも劣化しにくい耐熱皮膜に対する大きなニーズが依然として存在している。
【０００４】
ガスタービン部品用の公知の従来技術の皮膜の多くはアルミナイド及びセラミック成分を含んでいる。通例、セラミック皮膜は、ＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルである）のような耐酸化性合金から或いは耐酸化性金属間化合物を形成する拡散アルミナイド又は白金アルミナイドから形成されたボンドコートと共に使用される。高温用途では、これらのボンドコートは、セラミック層に化学的に結合して最終ボンドコートを形成する酸化物層（「スケール」ともいう。）を形成する。
【０００５】
また、イットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）その他の酸化物で部分的又は全体的に安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）をセラミック層の主成分として使用することも公知である。イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、好ましい熱サイクル疲労特性を示すので、遮熱コーティング用のセラミック層として多様される。すなわち、ＹＳＺは、ガスタービンの始動から停止まで温度上昇又は下降の際の応力及び疲労に耐える能力が、他の公知の皮膜に比べて格段に優れている。通例、金属基材へのＹＳＺの堆積は、大気プラズマ溶射（「ＡＰＳ」）や低圧プラズマ溶射（「ＬＰＰＳ」）のような公知の方法、並びに電子ビーム物理気相堆積（「ＥＢＰＶＤ」）のような物理気相堆積（「ＰＶＤ」）法で行われる。特に、ＥＢＰＶＤで堆積したＹＳＺは、スポーリング（剥落）を招くような有害な応力を起こさずに基材の膨張・収縮を可能にする応力耐性柱状結晶粒組織で特徴付けられる。かかる系の応力耐性は公知である。例えば、公知の遮熱コーティング系に関しては、米国特許第６７３０４１３号を参照されたい。
【０００６】
製造環境における縦亀裂の形成は難しいか、問題がある。ある態様では、本発明は一般に、皮膜堆積後に亀裂又は微小亀裂を誘起することを含む方法に関する。これによって、遮熱コーティングを稠密に施工することができるが、その方が施工が容易である。施工後に、皮膜は、例えば衝撃波暴露を用いて選択的に亀裂を生じさせることができる。
【０００７】
レーザーピーニングは周知である。例えば、レーザーピーニングは、被加工物の外面に圧縮応力保護層を生じさせるのに使われており、かかる処理は、米国特許第４９３７４２１号に開示されているように、疲労破壊に対する被加工物の耐性を大幅に増大させることが知られている。レーザーショックピーニングも、米国特許第５５９１００９号に開示されているように、タービンブレードに深い圧縮残留応力を生じさせるのに使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６７３０４１３号明細書
【特許文献２】米国特許第４９３７４２１号明細書
【特許文献３】米国特許第５５９１００９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一態様では、本発明は、ガスタービン部品に施工された遮熱コーティングに亀裂を形成させる方法に関する。本方法は、ガスタービン部品をなす金属基材上にＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルである）を含むボンドコートを堆積する段階、ボンドコート上にイットリア安定化ジルコニアを含む遮熱コーティングを堆積する段階、遮熱コーティングの少なくとも一部を衝撃波に付して、金属基材を実質的に変形させずに遮熱コーティングに微小亀裂を形成させる段階を含む。
【００１０】
一態様では、本発明は、セラミック系コーティングに亀裂を形成させる方法に関する。本方法は、金属系基材上に、遮熱コーティングを含むセラミック系コーティングを堆積する段階、セラミック系コーティングの少なくとも一部を衝撃波に付して、金属系基材を実質的に変形させずにセラミック系コーティングに微小亀裂を形成させる段階を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は高圧ガスタービンブレードのような金属基材の断面図であり、本発明の実施形態に係るレーザーショック法を用いてブレードに施工した遮熱コーティングを示す。
【図２】図２は、遮熱コーティングに亀裂を誘起するのに必要なエネルギー量の概略を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
上述の通り、本発明の遮熱コーティングは、熱的及び化学的に過酷な環境から保護しなければならない様々な合金部品（いわゆる「超合金」）に施工できる。かかる部品の例としては、ほとんどのガスタービンエンジンにみられるノズル、バケット、シュラウド、翼形部その他のハードウェアがある。
【００１３】
コーティングは公知のＴＢＣ組成物であればよく、例えば、堆積したときに、従来のコーティングと同等以上のスポーリング耐性を維持しつつタービン部品のエロージョン耐性を大幅に高める組成をもつ遮熱セラミック層からなるものでよい。コーティング組成物を堆積し、堆積後に亀裂を生じさせればよい。
【００１４】
高圧タービンブレードは、本発明のコーティングを施工し得る基材の主な例である。通例、タービンブレードは翼形部とプラットフォームを有しており、ガスタービンの作動時にはこれらに向かって高温燃焼ガスが流れる。そのため、翼形部の表面は酸化、腐食及びエロージョンによる作用を受ける。翼形部は通常ブレードの根元部に形成されたダブテールでタービンディスクに植え込まれる。
【００１５】
図１に、基材に設けられた本発明に従う遮熱コーティングを示す。コーティング１０はボンドコート１４上の遮熱セラミック層１２を含んでおり、ボンドコート１４は、タービンブレードの母材を形成する合金基材１６の上に設けられている。基材に適した材料としては、鉄基、ニッケル基及び／又はコバルト基超合金がある。ボンドコートは耐酸化性であり、被覆したブレードの高温暴露時にボンドコートの表面にアルミナ層１８を形成する。アルミナ層は、その下の超合金基材１６を酸化から保護するとともに、セラミック層が接着する表面を与える。
【００１６】
層１２には、応力耐性を増大及び／又は惹起するように形成された縦亀裂が存在する。衝撃波暴露による亀裂の誘起によって、亀裂を材料、特に材料の所望の領域に所望の密度で導入することができる。亀裂の形成には、結合アブレーション(coupled ablation)を用いて材料内に衝撃波を誘起してもよい。結合アブレーションは、レーザーパルスをカップリング材料に通してアブレーション材料中に照射することによって衝撃波を発生させるレーザーショックピーニング法と同様の方法でパルスレーザーを用いることによって達成できる。
【００１７】
従来技術では、レーザーショックピーニングは材料の緻密化に使用される。しかし、ＴＢＣの場合には、得られる衝撃波によってコーティングに微小亀裂を誘起して応力耐性を与えることができる。その他の衝撃波暴露手段を用いてもよい。また、その他の結合アブレーション手段も可能である。
【００１８】
例示的な実施形態では、応力耐性ＴＢＣはレーザーショックピーニング法を用いて形成できる。遮熱コーティングは大気プラズマ溶射を用いて金属基材に施工できる。ボンドコートはＭＣｒＡｌＹであり（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルである）、ＴＢＣは８％イットリア安定化ジルコニアその他のタービン部品の遮熱コーティングとして用いられるセラミック系コーティングであればよい。基材に施工した後、ＴＢＣをレーザーショックピーニングすればよい。
【００１９】
ＴＢＣに微小亀裂を誘起するのに用いられるエネルギーは好ましくは基材を実質的に変形させないものとすべきである。例えば、コーティングが非常に薄いことがあるので、エネルギーは比較的低くすべきである。基材を実質的に変形させるには、衝撃波のエネルギーが基材の塑性降伏点以上の応力を付与するのに十分であるがその圧縮強さ未満である必要がある。これとは対照的に、ＴＢＣに微小亀裂を誘起するのに用いられるエネルギーはＴＢＣの圧縮強度を超える応力を付与するのに十分であるべきである。金属基材は延性であり、セラミックＴＢＣは脆性であるので、選択又は決定できる特定のレベルのエネルギーが存在するであろう。
【００２０】
図２に、ＴＢＣに亀裂を誘起するのに必要なエネルギーの量の概要を示す。材料を破壊するための（単位面積当たり）エネルギーの量は応力／歪み曲線の下の面積で表される。図２は典型的な多孔質ＴＢＣコーティングを示す。多孔質のため「有効」断面積が低減し、そのため破壊に必要な力は下がる（エネルギーは圧力又は応力ではなく力の関数であるため）。こうして、曲線の下の面積はかなり減少する。
【００２１】
好ましい実施形態では、遮熱コーティングは（例えば、レーザーアブレーションによる）衝撃波を受け、破断する。必要とされるエネルギーは衝撃波源（レーザーアブレーションなど）及び／又は亀裂を生じさせる材料の特性に依存し得る。
【００２２】
こうして、実施形態では、プロセス（例えば、レーザーアブレーション又はレーザーショックピーニング）によって微細構造的特徴（例えば、縦亀裂）を生じさせることができる。これによって、タービン部品の耐久性の向上及び／又は製造コストの低減が達成される。例えば、単なる緻密なコーティングを部品に施工し、縦亀裂が必要とされる領域に縦亀裂を誘起させればよい。すなわち、プロセスパラメーターによってコーティング全体に亀裂を導入する必要はない。
【００２３】
現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等を包含する。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
2010043351000001.pdf