(57)【要約】  本発明は蒸着法により、コンプレッサーとタービン部品に使用される構成部品（１８）上にセラミック断熱層コーティング（１０）を形成する方法に関し、この方法はａ）構成部品（１８）上に蒸着させるためのセラミック蒸気を準備するステップと、ｂ）構成部品（１８）上にセラミック蒸気を蒸着させて、柱（１２）が実質的に構成部品の表面（１６）に垂直であるよう方向づけられた柱状構造を持つ断熱層コーティングを形成するステップと、ｃ）得られる断熱層コーティングが、その径（ｄ、Ｄ）が交互に増加、減少している柱（１２）からなるよう、前記ステップｂ）を実行する際、少なくとも一つの方法パラメーターを変化させるステップとから成る。本発明は又、コンプレッサーとタービン部品に使用される構成部品（１８）のための断熱層コーティングに関し、この断熱層コーティング（１０）は柱状構造と構成部品の表面（１６）に実質的に垂直に方向づけられた柱（１２）を有するセラミック断熱層コーティングからなる。本発明によれば、柱（１２）は交互に増加、減少する径（ｄ、Ｄ）を持つ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）構成部品上に蒸着させるためのセラミック蒸気を準備するステップと、
ｂ）構成部品上に前記セラミック蒸気を蒸着させて、柱（１２）が実質的に構成部品の表面（１６）に垂直であるよう方向づけられた柱状構造を持つ断熱層コーティングを形成するステップと、
ｃ）前記ステップｂ）の実行時に、得られる前記断熱層コーティング（１０）が、その径（ｄ、Ｄ）が交互に増加、減少するよう変化している柱（１２）からなるよう、少なくとも一つの方法パラメーターを変化させるステップと、
を有する蒸着プロセスからなる、コンプレッサーとタービン部品に使用される構成部品にセラミック断熱層コーティングを形成する方法。
【請求項２】
前記蒸着法は物理気相成長法（ＰＶＤ）であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記物理気相成長法（ＰＶＤ）は電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ），陰極スパッタリングあるいはアーク放電蒸発法であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記方法はコーティング容器、特に真空容器内で実行されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
酸素あるいは不活性ガスを前記方法ステップｂ）で注入し、前記方法ステップｃ）の際の少なくとも一つの方法パラメーターの変化は、コーティング中あるいはコーティング容器内の該酸素そして／又は該不活性ガスの部分圧力を変化させることからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記方法ステップｂ）の際、コーティングされるべき前記構成部品を移動させ、前記方法ステップｃ）の際の少なくとも一つの方法パラメーターの変化は、コーティング中の部品の動作あるいは移動スピードを変化させることからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記構成部品を回転させ、前記方法ステップｃ）の際の少なくとも一つの方法パラメーターの変化は、コーティング中の回転速度を変化させることからなることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記方法ステップｃ）の際の少なくとも一つの方法パラメーターの変化は、コーティング中の前記構成部品への前記セラミック蒸気の蒸着率を変化させることからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記方法ステップｃ）の際の少なくとも一つの方法パラメーターの変化は、コーティング中あるいはコーティング容器内での、圧力を変化させることからなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記セラミック蒸気または前記セラミック材料は酸化ジルコニウム、酸化イットリウムあるいはそれらの混合物からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記断熱層コーティングは１乃至５００μｍの厚さで蒸着されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
コーティングされるべき前記構成部品の表面（１６）と前記断熱層コーティング（１０）との間に少なくとも部分的に接着層（２０）が設けられることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記接着層は、ＭＣｒＡｌＹそして／あるいはＰｔ／Ａｌを有し、またはそれらから成り、そして／あるいはＡｌ強化されるかまたはアリタイズドされることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
コーティングされるべき前記構成部品の表面（１６）と前記接着層（２０）との間に少なくとも部分的に酸化アルミニウムの中間層が形成されることを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
柱状構造であって、その柱（１２）は実質的に構成部品の表面（１６）に垂直に方向づけられているセラミック断熱層コーティング（１０）からなる断熱層コーティングにおいて、該柱（１２）は、交互に増加、減少する径（ｄ、Ｄ）を有することを特徴とする、コンプレッサーとタービン部品に使用される構成部品のための断熱層コーティング。
【請求項１６】
前記各柱（１２）の粒界が少なくとも部分的に接触することを特徴とする請求項１５に記載の断熱層コーティング。
【請求項１７】
前記各柱（１２）間に間隙（１４）が形成されることを特徴とする請求項１５または１６に記載の断熱層コーティング。
【請求項１８】
前記断熱層コーティング（１０）のセラミック材料は酸化ジルコニウム、酸化イットリウムあるいはそれらの混合物からなることを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の断熱層コーティング。
【請求項１９】
前記断熱層コーティング（１０）は１乃至５００μｍの厚さであることを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の断熱層コーティング。
【請求項２０】
金属基板（１８）と、請求項１５乃至１９のいずれか１項に記載の金属基板（１８）の少なくとも一部に適用された断熱層コーティング（１０）とから成る、コンプレッサーとタービン部品に使用される構成部品。
【請求項２１】
前記基板（１８）と前記断熱層コーティング（１０）との間に、接着層（２０）が少なくとも部分的に形成されることを特徴とする請求項２０に記載の構成部品。
【請求項２２】
前記接着層（２０）はＭＣｒＡｌＹから成り、そして／またはＡｌ強化されるかあるいはアリタイズされることを特徴とする請求項２１に記載の構成部品。
【請求項２３】
前記基板（１８）と前記接着層（２０）との間に少なくとも部分的に酸化アルミニウムの中間層が設けられることを特徴とする請求項２１または２２に記載の構成部品。
【請求項２４】
ガスタービンエンジンの一要素であることを特徴とする請求項１９乃至２３のいずれか１項に記載の構成部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸着法により、コンプレッサーとタービン部品に使用される構成部品上にセラミック断熱層コーティングを形成する方法と、コンプレッサーやタービン部品に使用される構成部品のための断熱層コーティングに関し、この断熱層コーティングは通常柱状構造と構成部品の表面に実質的に垂直に方向付けられた柱を有するセラミック断熱層コーティングからなる。本発明はまた金属基板と金属基板の少なくとも一部に適用された断熱層コーティングからなる、コンプレッサーとタービン部品に使用される構成部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
特にコンプレッサーとタービン部品に使用するための、構成部品にセラミック断熱層コーティング形成する各種の方法が従来技術より知られている。この場合、プラズマ溶射法か物理蒸着（物理気相成長）法（ＰＶＤ）のいずれかを用いて、セラミック層が構成部品に適用される。物理気相成長法、特に電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）を用いることにより柱状構造を持ったセラミック層が成長する。この場合の柱は長さ方向に均一な厚みを持つ。柱の基礎構造ですら均質である。このように製造されるセラミック断熱層コーティングが溶射法による断熱層コーティングよりも優れている点は柱状構造のため温度変化に対し優れた抵抗性を持つことである。加えて、個々の柱は、極端な場合には断熱層コーティングが剥げ落ちることにもなりかねないような応力を生ずることなく、柱状構造として膨張収縮することができる。上述の構成部品に、付加的に断熱セラミック層を適用することにより構成部品の物質温度が下げられ、そして強度が維持される。この場合セラミック材として、各種の安定剤、特に酸化イットリウムを含む酸化ジルコニウムが使用されるのがほとんどである。セラミック断熱層コーティングを製造する方法と、対応するコンプレッサーやタービン部品に使用される構成部品のための断熱層コーティングにつては、米国特許明細書４，３２１，３１１Ａ、４，４０１，６９７Ａ、４，４０５，６５９Ａと５，５１４，４８２とともに、ドイツ特許６０１  ０３  ５２６Ｔ２と６９３  １８  ８５６Ｔ２により知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながらセラミック断熱層コーティングを製造する方法とそのような方法で製作された断熱層コーティングの不利な点は、物理蒸着法を使用することで比較的高い密度の柱状構造が生成されることである。この比較的高密度はセラミック断熱層コーティング内の熱流を不利に助長する。
【０００４】
結果として、本発明の目的は、非常に明白な熱伝導率の低下を伴う、構成部品のための包括的な断熱層コーティングを提供することである。
【０００５】
本発明のさらなる目的は、結果として得られる断熱層コーティングが、顕著な、特に低い熱伝導性を有する、包括的なセラミック断熱層コーティングの形成方法を提供することである。
【０００６】
さらに、本発明の他の目的は、金属基板と金属基板の少なくとも一部に適用された断熱層コーティングからなる、コンプレッサーとタービン部品に使用される構成部品を提供することであって、その断熱層コーティングは既知の断熱層コーティングと比べ非常に明白に低下した熱伝導性を有する。
【０００７】
これらの目的は請求項１の特徴に基づく方法、請求項２０の特徴に基づく機構部品と、同様に請求項１５の特徴に基づく断熱層コーティングにより達成される。
【０００８】
本発明の有用な実施形態はそれぞれ従属する請求範囲に記載されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
コンプレッサーとタービン部品に使用される構成部品にセラミック断熱層コーティングを形成する発明性のある方法は、以下のような製法ステップによる蒸着方法からなる。すなわちａ）構成部品上に蒸着させるためのセラミック蒸気を準備するステップと、ｂ）構成部品上にセラミック蒸気を蒸着させて、柱が実質的に構成部品の表面に垂直であるよう方向づけられた柱状構造を持つ断熱層コーティングを形成するステップと、ｃ）得られる断熱層コーティングが、その径が交互に増加、減少するよう変化している柱からなるよう、前記ステップｂ）を実行する際、少なくとも一つの方法パラメーターを変化させるステップと、から成る。蒸着法としては特に、例えば電子ビーム物理蒸着のような、物理蒸着法である。しかしながら、ＣＶＤ法と同様、陰極スパッタリングやアーク放電蒸発法もまた考えられる。蒸着法の使用は、形成された断熱層コーティングが柱状であることを保証し、それ故にそのように構成された断熱層コーティングの既知の有利な点を持つ。本発明によれば、成長する柱は、交互に増加、減少するよう変化する径をもつ。交互に増加、減少する径により断熱層コーティングの層形成の過程で各柱の間に細孔（間隙）が形成される。この細孔が生成される断熱層コーティングの熱流、すなわち熱伝導率を明白に低下させる。特にこの場合、増加、減少する径の特徴は、隣接する柱は少なくともその長さ方向の断面において接触しておらず、また並列もしていないと理解されるべきである。同様なことが形成される基礎構造にも当てはまる。加えて、より小さな径の柱が多大に熱流を阻止して、生成される断熱層コーティングの熱伝導率を十分に低下させる。
【００１０】
本発明による方法の他の有利な実施形態では、本方法はコーティング容器、特に真空容器内で実行される。この場合、コーティングされるべき構成部品はコーティング容器に導入され、そしてセラミック断熱層コーティングがその上に蒸着される。構成部品は、通常少なくともその構成部品のコーティングされるべき表面が温められ、加熱される。
【００１１】
加えて、酸素あるいは不活性ガスを方法ステップｂ）で注入し、方法ステップｃ）の少なくとも一つの方法パラメーターの変化は、コーティング中あるいはコーティング容器内の、酸素そして／又は不活性ガスの部分圧力を変化させることからなるようにすることができる。この過程においては部分的な圧力、また全体圧力であってもガス流量あるいはポンプ容量により制御される。
【００１２】
しかしながら、コーティングされるべき構成部品を方法ステップｂ）で移動させ、方法ステップｃ）の少なくとも一つの方法パラメーターの変化を、コーティング中の部品の移動方法あるいは移動スピードを変化させることにすることもできる。この場合、特に構成部品を回転させて、方法ステップｃ）の少なくとも一つの方法パラメーターの変化を、コーティング中の回転速度を変化させることからなるようにすることもできる。それに加えて、方法ステップｃ）で少なくとも一つの方法パラメーターの変化を、コーティング中の構成部品へのセラミック蒸気の蒸着率の変化とすることもできる。最後に、コーティング容器内でのコーティング中、圧力を変化させることで方法ステップｃ）の少なくとも一つの方法パラメーターを変化させることもできる。前述の方法により、生成される柱がその長さ方向に沿ってその径が交互に増加、減少するよう変化している、本発明によるセラミック断熱層コーティングの層構造が得られる。
【００１３】
本発明による方法のさらに有利な実施態様では、セラミック蒸気あるいは使用されるセラミック材料は酸化ジルコニウム、酸化イットリウムあるいはそれらの混合物からなる。他のセラミック材料もまた考えうる。通常、断熱層コーティングは１乃至４００μｍの厚さで蒸着されるが、他の厚さもまた考えうる。
【００１４】
本発明による方法のさらに好適な実施態様では、コーティングされるべき構成部品の表面と断熱層コーティングとの間に少なくとも部分的に接着層が設けられる。この場合の接着層はＭＣｒＡｌＹアリタイズド／Ａｌ強化表面またはＰｔ／Ａｌからなる。この場合接着層は、公知の溶射法、ガルバノ法、拡散処理法により、またさらには物理蒸着法により適用される。加えて、本発明の他の実施態様ではコーティングされるべき構成部品の表面と接着層との間に少なくとも部分的に酸化アルミニウムの中間層が形成されてもよい。
【００１５】
本発明の断熱層コーティングはセラミック材料からなり、柱状あるいは粒状であって、その柱は実質的に構成部品の表面に垂直に方向付けられている。本発明によれば柱はその長さ方向に沿って、交互に増加、減少するような径をもつ。各柱の粒界は少なくとも部分的には接触せず、各柱間に好適な間隙を形成する。本発明による各柱の構造あるいは形成は、各柱の小さな径が熱流を大きく阻止するため、断熱層コーティングの熱伝導率を明白に低下させることとなる。加えて、断熱層コーティング内に形成された間隙が著しく熱流を減少させる。
【００１６】
断熱層コーティングの好適な実施態様では、断熱層コーティングのセラミック材料は酸化ジルコニウム、酸化イットリウムあるいはそれらの混合物からなる。断熱層コーティングの形成には、他の適当なセラミック材料の使用もまた考えうる。通常、断熱層コーティングは１乃至４００μｍの厚さで蒸着されるが、他の厚さもまた考えうる。
【００１７】
本発明のコンプレッサーとタービン部品に使用される構成部品は、前述のとおり金属基板と金属基板の少なくとも一部に適用された断熱層コーティングからなる。各々のコーティングされた構成部品は、本発明による断熱層コーティングの明白に低下した熱伝導率により、明白に低い磨耗率とそれに応じた高い耐用年数を持つ。
【００１８】
本発明の構成部品の他の好適な実施態様では、特にＭＣｒＡｌＹとＰｔ／Ａｌとからなる接着層が、基板と断熱層コーティングとの間に少なくとも部分的に形成される。また、基板と接着層との間に少なくとも部分的に酸化アルミニウムの中間層を形成することもできる。本発明の構成部品は特にガスタービンエンジンの一要素である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
追加の利点、特徴及び詳細は以下の図示された例示の実施例の記載に開示されている。
【００２０】
図１は、その上に断熱層コーティング２２が形成された金属基板１８あるいは構成部品の概略断面図である。特にＭＣｒＡｌＹまたはＰｔ／Ａｌからなる接着層２０が、断熱層コーティング２２と構成部品の表面１６との間に形成されている。断熱層コーティング２２は柱状構造をもち、各柱２４は構成部品の表面１６に実質的に垂直に方向づけられているのがわかる。それぞれ異なる柱２４の粒界２６，２８は柱２４の縦方向の伸長過程で接触している。これは結果として、セラミック断熱層コーティング２２内の熱流を助長する、比較的高密度な柱状構造となる。
【００２１】
図２は、構成部品１８の構成部品の表面１６に適用ないしは蒸着された、セラミック断熱層コーティング１０の概略断面図である。断熱層コーティング１０は再び構成部品の表面１６に実質的に垂直に方向づけられている柱１２から成ることがわかる。図１に示された既知の柱状構造にくらべ、図２に示された柱１２はその長さ方向に沿って、交互に増加、減少している径ｄ、Ｄをもつ。各柱の粒界３０は少なくとも部分的に接触しているが、各柱１２の間には空間１４が形成されていることがわかる。各柱の径ｄが小さいことにより、断熱層コーティング１０内の熱流は大幅に抑制される。加えて、断熱層コーティング１０の密度は細孔（間隙）１４によって明白に減少しているので、断熱層コーティング１０内の熱流はまた明白に低下させられる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】先行技術による断熱層コーティングの構成部品の概略断面図。
【図２】本発明による断熱層コーティングの構成部品の概略断面図。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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