(57)【要約】【課題】  本発明は耐熱アブレイダブル被膜及びこのような被膜を作製する方法に関する。【解決手段】  基材（１８）上に輪郭付けられたアブレイダブル被膜（８、１６）を施工する方法であって、該方法においては、アブレイダブル・セラミック被膜組成物が、１つの又はそれ以上の施工技法を用いて金属基材に施工され、該基材上に別個のウェブ又はグリッドを鑞付けすることを必要とせずに、定められたセラミックパターンを作成する。本発明は、７ＦＡ＋ｅガスタービンの第１段部分で直面する高い動作温度に耐えるように設計され、構造的又は機能的完全性において有意な劣化を生じることなく被膜寿命を長くすることができる。ダイアモンド形状パターンの場合、グリッドパターン（２８）は約０．２８インチ長さと０．２８インチ幅であり、約０．４６インチの全体の厚みを有することになる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定められたグリッドパターンを有するアブレイダブル・セラミック被膜を基材（１８）上に施工する方法であって、
前記基材上に初期ボンドコート（２４）を大気プラズマ溶射する段階と、
高密度垂直方向亀裂断熱被膜を施工する段階と、
前記初期ボンドコート（２４）及び前記断熱被膜を熱処理する段階と、
定められたグリッドパターン（２８）を有するアブレイダブル・セラミック被膜（８、１６）を前記断熱被膜上に施工する段階と、
前記アブレイダブル・セラミック被膜を第２の熱処理にかける段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記初期ボンドコート（２４）が、約１０ミルの厚みである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記高密度垂直方向亀裂層が、約４０ミルの厚みである請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記アブレイダブル・セラミック被膜（８、１６）のための前記定められたパターンが、山形紋又はダイアモンド形状のグリッド（２８）を含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
アブレイダブル・セラミック層（８、１６）を施工する前記段階が更に、
第１のパスでセラミックの山形紋又はダイアモンド状グリッドの上半部分を施工する段階と、
第２のパスでセラミックの山形紋又はダイアモンド状グリッドの第２の半部分を施工して、これによって完全なグリッドパターン（２８）を形成する段階と、
第３のパスで前記グリッドパターン（２８）全体にわたり第３のセラミック被膜を施工する段階と、
を更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
アブレイダブル・セラミック層（８、１６）を施工する前記段階が、
第１のパスで、前記基材上にセラミックのフラッシュ被膜を施工する段階と、
この後、セラミック被膜の２つの半部分を施工して前記定められたグリッドパターンを形成する段階と、
を更に含む方法。
【請求項７】
前記アブレイダブル・セラミック被膜（８、１６）が、前記基材（１８）の前縁の約０．４３インチ後で始まり、前記基材（１８）の後縁の約１．６０インチ前で終わる請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記アブレイダブル・セラミック層が、山形紋又はダイアモンド状パターン（２８）に形成され、約４６ミルの公称厚みを有する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法によって生成され定められたパターンをもつアブレイダブル・セラミック被膜（８、１６）を有する基材。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法によって生成され定められたパターン（２８）をもつアブレイダブル・セラミック被膜（８、１６）を有するタービンシュラウド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は耐熱アブレイダブル被膜及びこのような被膜を作製する方法に関する。具体的には、本発明は、パターン形成された耐熱アブレイダブル被膜、すなわちバケットチッピングのない第１段シュラウドに使用するための定められたパターンを有する被膜を提供する。通常、耐熱アブレイダブル被膜、とりわけセラミック・アブレイダブル材を摩耗させるためには、高温での高強度特性を有する材料を用いたバケット先端の強化が必要である。このような場合には、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素、或いは同様の材料が、例えば溶射法、直接描画技術、ＰＶＤ又はＣＶＤのような方法によって施工された、エントラップ粗粒グリット或いは微細被膜の形態のいずれかで使用される場合が多い。
【背景技術】
【０００２】
容易に摩耗する材料を用いて回転部分と固定部分との間にシール部を形成することは公知であり、これによって移動部分がアブレイダブル材料の一部分を浸食し、極めて狭い公差を有するシール部が形成される。アブレイダブル・シールは、ガスタービンにおいて重要な用途があり、このガスタービンでは、シャフト上に取付けられた複数のブレードからなるロータがシュラウドの内側で回転する。ブレード先端とシュラウドの内壁との間の間隙を最小化することによって、ブレード先端にわたるガスの漏洩を低減することができ、これによってタービン効率が最大にされる。この漏洩の低減は、タービンシュラウドの内面をアブレイダブル材料を用いて被膜することによって達成され、これにより、ブレードの回転及び内面との接触がアブレイダブル材料の摩耗をひき起こし、該アブレイダブル被膜に溝を形成する。タービンブレードが回転すると、遠心作用及び通常運転中の熱吸収／保持に起因して該タービンブレードが膨張する。ロータと内側シュラウドとの間の膨張率の差違により、ブレードの先端はアブレイダブル材料と接触して、シュラウド自体には接触せずに被膜内に正確に定められた溝が彫り込まれる結果となる。このようにして、本質的に適合するように調整された最小の漏洩を有するシールがタービン用に提供される。
【０００３】
典型的には、耐熱アブレイダブル被膜は、シュラウドに直接施工された連続多孔性セラミック被膜（例えば、イットリア安定化ジルコニア）を含む。ブレード先端はまた、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）などの研磨グリットで被膜／強化される。このシステムの欠点は、予想される高い作動温度でのｃＢＮの寿命が短いこと、及びチッピング作業が複雑なことである。例えば、特許文献１及び特許文献２を参照されたい。
【０００４】
特許文献３には、「輪郭付けられた」アブレイダブル被膜システムが記述されており、該システムでは、例えば基材上に鑞付けされたウェブ又は金属グリッドである、輪郭付けられた表面を有する基材上に多孔性セラミック被膜が堆積され、これによって、定められたグリッドパターンを有するアブレイダブルな輪郭付けられた表面が形成される。輪郭付けられた表面は、特許文献４に記述されるように、種々の形態で作製することができる。この方法の欠点は、グリッドを基材上に直接鑞付けする必要があること、及び輪郭付け加工の間に恒久的な損傷がシュラウドに生じる可能性があることである。
【特許文献１】特表２００１−５２２９４４号公報
【特許文献２】米国特許第５，９９７，２４８号公報
【特許文献３】特開平１１−２６７８１８号公報
【特許文献４】特開２００１−２３４７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、耐熱アブレイダブル被膜が現在でも改善されているにも拘らず、ブレードチッピングを必要とせず、グリッド構造体の鑞付けのような潜在的に損傷を与える方法により輪郭付けをする必要のないアブレイダブル被膜システムに対するニーズが依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ブレードチッピングを必要とせず、基材表面の輪郭付けが、基材の構造一体性を損傷せず、又は他の方法でこの一体性を損なわないアブレイダブル被膜システムを提供できることが見出された。１つの態様において、本発明は、以下に更に詳細に記述される直接描画技術を利用する。別の態様において、本発明は、基材上に輪郭付けられたアブレイダブル被膜を生成する方法を提供し、該方法は、グリッドのない状態で基材上にマスクを通じてアブレイダブル・セラミック又は金属被膜組成物を溶射（例えば大気プラズマ溶射）する段階を備える。
【０００７】
注目すべきことには、本発明は、基材に結合され又は鑞付けされるグリッド又はウェブを利用しない。従って、基材に損傷をもたらす可能性のあったアブレイダブル被膜の輪郭付けは行われない。本発明は、多くの陸上用並びに航空用或いは船舶用のタービン構成要素に適用可能であり、同様に点検を受けるタービン構成要素の修復にも適用可能である。
【０００８】
更に別の態様において、基材上に輪郭付けられたアブレイダブル被膜を生成するための新規な方法が提供され、該方法は、所望のパターンを生成するようにロボットによって操作することができる小フットプリント・プラズマガンを用いて、基材上にアブレイダブル・セラミック被膜組成物を溶射（例えばプラズマ溶射）する段階を備える。
【０００９】
別の態様において、基材上に輪郭付けられたアブレイダブル被膜を生成する改良された方法は、ＭＣｒＡｌＹ（式中のＭがＮｉ、ＮｉＣｏ又はＦｅとすることができる）のような組成を有する輪郭付けられた金属ボンド被膜をマスクを通じて、或いは基材上に金属ボンドコートを溶射するための小フットプリント・プラズマガンを用いることにより溶射（例えば大気プラズマ溶射又はＨＶＯＦ溶射）する段階と、次にボンドコートの輪郭付けられたパターンに一致する、輪郭付けられたアブレイダブル表面を形成するセラミック・トップコートをプラズマ溶射する段階とを含む。
【００１０】
更なる態様において、本発明は、基材上に輪郭付けられたアブレイダブル被膜を生成する方法を提供し、これにより、輪郭付けられたアブレイダブル・セラミック又は金属被膜組成物は、直接描画技術を用いて基材に直接施工される。
【００１１】
本発明の上述の方法によって生成される輪郭付けられた被膜自体は、本発明の更に別の態様を形成する。
【００１２】
本発明は、ＦクラスＳ１シュラウドのような、第１段（「Ｓ１」）ガスタービンシュラウドに用いられる耐熱用（１７００゜Ｆ以上）アブレイダブル被膜システムに特に適用可能である。被膜システムは、本質的にブレード／バケットの摩耗がゼロ又はわずかで、且つブレード／バケットチッピングを要せずに、１７００゜Ｆ以上の作動温度で長寿命（最大２４，０００時間）である利点を有する。このことは、バケット先端にわたる高温ガス漏洩の実質的な低減と、タービン効率の全体的な向上とをもたらす。
【００１３】
更に別の態様において、本発明は、ガスタービンシュラウドに適用されるようなグリッド被膜、特に本明細書で説明されるような山形紋又はダイアモンド状グリッド構成を有する被膜のための例示的な設計パラメータを含む。本発明はまた、種々の幾何学的構成の輪郭付けられたアブレイダブル被膜を施工する方法のためのある範囲の好ましい操作条件、並びに種々の構成を用いたグリッドパターン、特に山形紋又はダイアモンド状パターンを形成するために使用される一連の加工段階を含む。
【００１４】
本発明は、７ＦＡ＋ｅ第１段タービンシュラウドに関する用途において特に有用性がある。このような用途において、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の被膜は、約４０ミル（０．０４０インチ）の高さのピーク部を有する山形紋又はダイアモンド状パターンの形態で第１段シュラウドの表面に施工される。上述のように、アブレイダブル・グリッドパターンは、ブレード先端とシュラウドの内側壁との間の間隙を最小にすることによりバケット先端にわたる空気流を低減させるのに役立ち、これによって全体のエンジン性能が向上する。本発明に従ったそのようなグリッドパターンの使用はまた、ＹＳＺ被膜が、輪郭付けられたグリッドパターンとの接触時に強化されていないタービンバケット先端によって摩耗することができる、結果としてバケット自体に対して先端損失の損傷がわずかになる。
【００１５】
これまでは、高温での先端間隙を小さくする1つの公知の技法は、金属基材に施工されたポリエステル含浸ニッケルアルミナイドの平坦な被膜を利用した。この方法の欠点は、華氏１６５０度を越える温度で第１段シュラウドについての必要な酸化寿命期待値（例えば２４，０００時間）を達成できないことである。従って、そのような従来技術の被膜は、７ＦＡ＋ｅ第１段シュラウドに事実上使用できない。対照的に、本発明は、７ＦＡ＋ｅガスタービンの第１段部分で直面する高温の動作温度に耐えるように設計されており、シュラウドの構造的又は機能的な完全性において有意な劣化を生じることなく２４，０００時間までの被膜寿命を可能とする。
【００１６】
７ＦＡ＋ｅ第１段シュラウドの関連では、ＹＳＺ被膜は、Ｓｕｌｚｅｒ−Ｍｅｔｃｏ  ＸＰＴ−３９５粉末（ＧＴ５６）をプラズマ溶射することによってシュラウド上に通常施工される。被膜は、公称的にはシュラウドの前縁部から約０．４３インチ後で始まり、後縁部の約１．６０インチ前で終わる。１つの実施形態において、被膜は、山形紋状パターン又は、対角線がシュラウドの側部に垂直及び平行であるように配向された、約０．２８インチの長さと０．２８インチの幅（及び約０．４１インチの対角線）のダイアモンド形状を有するダイアモンド状パターンとして溶射される。約０．００５インチ厚のフラッシュ被膜もまた、初期パターンが形成されて付加的な強度を与え且つパターンセルを共に保持する前後に施工することができる。この特定の実施形態においては、ダイアモンド状パターンのピーク部は、約０．０４０インチの高さである。
【００１７】
以下で説明されるように、本発明によるパターン化アブレイダブル被膜は、金属ボンドコートの有無に関係なく施工することができる。通常は、研磨された被覆シュラウドに比べて、溶射被覆シュラウドによって良好な結合強度が得られる。従って、本発明は、特定の領域をその溶射されたままの状態で残すことができる被覆シュラウドを使用することが企図され、該領域は研磨され又は機械加工されたアブレイダブル被膜によっては覆われない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
各図を参照すると、図１（ａ）は、金属グリッド４を有する金属基材表面に施工された典型的な多孔性断熱被膜（「ＴＢＣ」）を示す。図１（ｂ）は、摩擦試験を１８３０゜Ｆで行っている状態でごくわずかな摩耗を示しているブレード先端６を表している。
【００１９】
図２は、本発明の輪郭付けられたアブレイダブル・セラミック被膜８を示し、該輪郭付けられたアブレイダブル被膜は、金属基材１０の表面構造を破壊的に変化させずに該基材上に施工されている。アブレイダブル被膜の下に示される被膜１２は、ＭＣｒＡｌＹのような金属ボンドコート、或いはＹＳＺ又はバリウム・ストロンチウム・アルミノシリケート（ＢＳＡＳ）のような別のセラミック層とすることができる。ブレード１４が被膜８の上を通過すると、ピーク部が磨耗して、ブレードと基材との間の最小の間隙が形成され、最小限の漏洩が保証される。
【００２０】
図３ａは、本発明の１つの手法を示し、ここでは輪郭付けられた被膜１６が、基材１８、例えば、金属ボンドコート或いはＹＳＺ又はＢＳＡＳのような別のセラミック層にマスク２０を用いて大気プラズマ溶射のような溶射プロセスで施工される。プラズマトーチ２２が、矢印２６で示されるようにマスク２０上を移動し、輪郭付けられた被膜１６がボンドコート２４上に形成される。該マスクによって生成された山形紋形状が参照符号２８で示される。
【００２１】
或いは、図３ｂに表されるような、ダイアモンド形状のアブレイダブル被膜は、２ステップ溶射プロセス、すなわち９０゜山形紋金属マスクを通過する第１のプラズマ溶射に続いて、該マスクを１８０゜回転させて、第１の層の上に第２の９０゜山形紋パターンを溶射することによって生成することができる。
【００２２】
図４は、本発明の代替的な手法を示し、ここでは輪郭付けられた被膜１６が、基材１８、例えば、金属ボンドコート或いはＹＳＺ又はＢＳＡＳのような別のセラミック層に、小フットプリント・プラズマガン３４を用いてプラズマ溶射で施工される。溶射ロボットを使用してプラズマガンを操作し、輪郭付けられたパターンを形成してもよい。この目的に使用できるプラズマガンの１つの例は、Ｐｒａｘａｉｒ２７００である。
【００２３】
輪郭付けられたアブレイダブル被膜はまた、断熱被膜の場合のように、例えば、Ｓｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  ＸＰＴ３９５、７重量％イットリア安定化ジルコニア（堆積後燃焼させて（酸化して）、より多孔性の被膜を形成することができる、約１２ないし約１５重量％のポリエステルを含む）であるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、或いは、Ｓｉ基セラミック・マトリクス複合材（ＣＭＣ）構成要素のための環境障壁被膜の場合のように、バリウム・ストロンチウム・アルミノシリケート（ＢＳＡＳ）（多孔率制御のため１２重量％ないし２０重量％のポリエステルを含む）の多孔性セラミック被膜のストライプ３６の形態とすることができる。
【００２４】
被膜ストライプのパターンはまた、アブレイダブル性及び高温ガスシール性の両方について最適化することができる。例えば、該パターンは、ストレート又は曲線／湾曲ダイアモンド形状、或いは山形紋形状（項目２８を参照）とすることができる。実施例が図５に示され、これには（左から右に）、ストレートダイアモンド状、曲線ダイアモンド状、山形紋、レンガ形、及びハニカムが含まれる。
【００２５】
図６ａは、本発明による輪郭付けられたセラミック・アブレイダブル被膜３８を有する、摩擦試験されたサンプルを、２つの試験されたブレード４０、４２と共に表す。一般的にブレードチッピングがなく摩擦するためには、ストライプの角度は、回転の方向においてブレードのスキーラー先端と連続線を形成してはならない。滑動線に対するブレード先端の任意のポイントから６０度を越える角度は好ましくない。図６ｂ及び図６ｃは、本発明の山形紋及び方眼ダイアモンド状の輪郭が付けられたセラミック・アブレイダブル被膜を有する摩擦試験されたサンプルを、どのような研磨被膜によっても強化されていない試験されたブレードと共に示している。
【００２６】
図７は、種々の公知のバケット先端構成を示す。プレーン先端４６は平坦な先端を備え、流れはブレードを横切る一定面積を通って漏洩する。「スキーラー」先端４８は、面積を増大させ、流れを失速させて該流れを抑制する背圧を生成し、且つ熱伝達を低減する溝５０のプロファイルを有する。レール付素ラウドシュラウドバケット４８は、同様の方法で流れを抑制する。
【００２７】
好ましくは、本発明によるストライプは、バケット先端とシュラウドとの間の間隙を小さくする目的で、流れの方向に閉鎖経路を形成すべきである。アブレイダブル・セラミックは連続層とすることができず、やはり間隙を小さくすることができないので、断続的なリッジの形にされる。該リッジの先端は、間隙を縮小し、同時にアブレイダブル性を可能にする。しかしながら、該リッジは、ブレード／バケット先端をわたる空気の流れを阻止しやすい。従って、これによってリッジが共に接合されるパターンは、空気流の阻止を目的とする。その結果、最適のリッジパターンは以下のことを達成するものである。
【００２８】
・ブレード／バケット先端にわたって低減された空気流
・ブレード／バケット先端間の外側流路壁に沿った主コア流内での最小の圧力損失
・最良のアブレイダブル性、すなわちチップ補強なしでの最小のブレード／バケット先端摩耗
・リッジ壁の最良の低角度耐浸食性
リッジパターンは、リッジの高さ、先端及び基材近くの基部でのリッジ幅、及びリッジによって形成されるセルの寸法によって定められる。
【００２９】
上述のように、本発明はまた、基材表面に鑞付けされるウェブ又は金属グリッドを組み込むことを必要とせずに該基材上にアブレイダブル・セラミック及び／又は金属被膜組成物を直接施工することにより、輪郭付けられたアブレイダブル被膜を基材上に生成する方法を提供する。任意の表面上での迅速な試作品形成及び製造のために、直接描画又は材料パターンを移送するための種々の方法が存在する。典型的には、ＯｈｍＣｒａｆｔ又はＳｃｉｐｅｒｉｏにより製造されているような、ペン型ディスペンシング装置を利用することができる。このような装置により施工されるアブレイダブルパターンは、所望のパターンを有するＣＡＤ／ＣＡＭに接続されたコンピュータによって制御することができる。粉末は、練り歯磨きと類似する粘稠度に配合され（通常、「流体スラリー」又は「インク」と呼ばれる）、次いで室温で基材に施工される。該パターンは、当該技術分野で公知のように（例えば加熱炉処理、或いはレーザ又は電子ビームによる局所的圧密化）高温で引続いて焼結される。通常、粉末は、テルピネオールなどのアルコールを用いて適切な粘稠度に配合される。粉末に適度な流動性を与えるためにセルロースを添加してもよい。同様の方法は、大きく湾曲した、非平面上への堆積を可能にするよう適合させることができる。
【００３０】
図９は、本発明に従ってパターン形成されたアブレイダブル被膜を生成するための例示的な加工手順を示し、好ましいステップの順序が、被膜の最初の形成から最終の熱処理まで示されている。
【００３１】
第１のステップは、大気プラズマ溶射によるボンドコートの施工に関する（「ＡＰＳ  ＢＣ」で表される）。この例においては、ボンドコートは約１０ミルの厚みがあり、高密度垂直方向亀裂障壁被膜（約４０ミル厚）を含む。初期ＡＰＳボンド被膜を用いると、金属基材へのＤＶＣ−ＴＢＣ層の接着が改善される傾向にあることが見出されている。
【００３２】
ステップ２は、３つの前処理ステップ、すなわちシュラウド・シールスロットの機械加工、シュラウドの前縁部の手研削、及び後縁の機械研削を含む。
【００３３】
ステップ３において、ＤＶＣ−ＴＢＣ表面が、従来型の加熱処理ステップを用いて清浄化（脱脂）され、ＤＶＣに施工されるパターン形成されたアブレイダブル被膜の接着性に悪影響を及ぼす可能性のある、全ての残留する油脂、塵埃又は他の不純物が除去される。ステップ４において、グリッドパターンが１つ又はそれ以上のステップにおいて施工され、例えばダイアモンド状パターンの場合には、第１のパスにおいてダイアモンド状グリッドの上半分が施工され、引続き第２のパスがグリッドの別の半分を生成し、次いで第３のパスが全体のグリッド上に最終のフラッシュ被膜を形成する。もしくは、フラッシュ被膜を最初に施工して、引続きダイアモンド状パターンの２つの半部分を施工してもよい。
【００３４】
図９におけるステップ５は、標準の「燃焼」処理（真空オーブン内のような）を反映したものであり、これによって被膜内に存在するポリエステル材料（又は酸化が可能な他の成分）が燃焼プロセスの間に除去され、最終被膜の所望のレベルの多孔性及びアブレイダブル性が生成される。
【００３５】
最後に、ステップ６で、所定位置に完全なグリッドパターンを有するバケットシュラウド全体が熱処理されて硬化され、結果として高密度垂直方向亀裂の形成が得られる。
【００３６】
図１０は、本発明によるアブレイダブル被膜のダイアモンド形状パターンを生成するための例示的な作製プロセスを示す。形成されるグリッドパターンの関連する寸法も示され、この場合には、ダイアモンド形状パターンが、上述のようにセラミック被膜の別個の層を施工させるための複数のパスを用いて生成される。グリッドパターンの第１の半部分は、マスク「Ａ」の平面図に示される被膜の第１の施工で生成され、該マスク「Ａ」は、グリッドの上縁、下縁及び側縁と、対応する金属基材の上縁、下縁及び側縁との間の公称間隔を定めるインチ寸法（通常それぞれ０．２７３、０．２７３及び０．１９８インチ）を有する。マスク「Ｂ」はまた、次の列における対応するピークに対するダイアモンド状グリッド内の１つ列の上端（ピーク）の間の公称距離を表し、且つ同じ列の個々のダイアモンド状パターンを定める隣接するピークの間の公称距離（約０．２９０インチ）を示す。
【００３７】
同様に、マスクＢは、第２のパスで施工される典型的なセラミック・グリッドの第２の半部分についての寸法を示し、グリッドパターンの上縁、下縁及び側縁と、対応する金属基材の上縁、下縁及び側縁との間の間隔について示される公称距離（通常それぞれ０．５３５、０．５３５及び０．１７０インチ）をやはり有する。マスクＡはまた、次の列の対応するピークに対するダイアモンド状グリッド内の１つ列の上端間の公称距離を表し、且つ同じ列の個別のダイアモンド状パターンを定める隣接するピークの間の公称距離（同様に約０．２９０インチ）を示す。
【００３８】
当業者であれば理解するように、図９に示された寸法及びグリッドパターンの幾何形状は本質的に例示的なものであり、該パターンを受け入れる対象基材の正確な面積、金属基材自体の寸法、及び関連する特定の最終用途に基づいて変更することができる。加えて、ダイアモンド状又は山形紋形状パターン以外の多くのグリッドパターン（正方形、長方形、三角形、或いは他の繰り返しの直線状又は湾曲した幾何学的形状）が、同様に特定の最終用途及び具体的なアブレイダブル被膜組成に基づいて使用することができる。従って、被膜のパターンは、アブレイダブル性及び所望のシール能力の両方に関して最適化することができる。
【００３９】
被膜が上述のようにダイアモンド状パターンの形に溶射されるときには、該ダイモンド形状は、ほぼ０．２８インチ長と０．２８インチ幅（約０．４１インチ対角線）となり、該対角線はシュラウドの側部に常に垂直及び平行であるように配向される。標準的には、被膜はシュラウドの前縁の約０．４３インチ後で始まり、後縁の約１．６０インチ前で終わることになる。
【００４０】
図１１は、典型的なパターン被膜の断面で撮られた顕微鏡写真であり、本発明に従ってシュラウドに施工されたセラミック・グリッドパターン（この場合はダイアモンド形状）における階層化成分及び相対寸法が示されている。図１１は、７ＦＡ＋ｅ第１段シュラウド上に直接溶射された、この事例においては約１０ミル厚の大気プラズマ溶射ボンドコート（ＡＰ  ＧＴ２１）であるボンドコートと、これに続く約４０ミル厚の高密度垂直方向亀裂障壁被膜から構成される第２の層とを示す。上述の断熱被膜（「ＴＢＣ」）は、約４６ミルのダイアモンド状パターンのピークにおける厚みで示されている。
【００４１】
図１２は、金属シュラウドに施工された、本発明に従った例示的なパターン形成されたアブレイダブル被膜（ここでは約４０ミル厚のダイアモンド状パターン）の露出リッジの相対剪断強度を示す。図１２はまた、深さが増大する程剪断強度が大きくなることを示している。従って、本発明による被膜は、７ＦＡ＋ｅガスタービンの第１段セクションで直面する高い動作温度での使用に特に良好に適合し、構造的或いは機能的一体性における有意な劣化を生じることなく、被膜寿命の延長が通常得られる。
【実施例１】
【００４２】
マスキング（図３）を通過するプラズマ溶射により輪郭付けられたセラミック・アブレイダブル被膜。１５００゜Ｆの温度で摩擦試験された。
【００４３】
この実施例において、金属マスクは、１／８インチ厚の鋼板上に９０゜山形紋パターン（図３を参照）をウォータージェット切削することにより作製された。溝の幅は、プラズマガン側で０．０５インチであり、基材側で０．０６インチであった。溝間の間隔は、約０．２インチであった。基材は、５インチ×５インチのＩＮ７１８プレートを備え、該プレートは６０メッシュのバージンＡｌ２Ｏ３グリットを用いて６０ｐｓｉの空気でグリットブラストされた。Ｐｒａｘａｉｒ  Ｎｉ２１１−２（ＮｉＣｒＡｌＹ）の０．００６インチ厚の金属ボンドコートが基材上に施工され、続いて、金属マスク（図３を参照）を介してＳｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  ＸＰＴ３９５（１５重量％のポリエステルを有する７％ＹＳＺ）の０．０４インチ厚の輪郭付けられたセラミック・トップコートが施工された。
【００４４】
表１は、ボンドコート及びセラミック・トップコートについてのプラズマ溶射パラメータを列挙する。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
輪郭付けられたセラミック・トップコートが施工された後、金属マスクが除去され、Ｓｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  ＸＰＴ３９５の最大０．００２インチ厚のトップコートの追加の層が、輪郭付けられたセラミック被膜の上に施工された。被膜工程後、セラミック被膜中のポリエステルが最大５００℃の反射炉内で４時間にわたり燃焼された（酸化された）。
【００４７】
次に、試験サンプルが、熱処理された基材からウォータージェットで切取られ、ＧＥ  ＧＲＣ摩擦リグを用いて摩擦試験が行われた。試験条件は、２つの先端のないＧＴＤ１１１（Ｎｉ基超合金）ブレード、７７０フィート／秒のブレード先端速度、１５００゜Ｆの試験温度、及び０．０００１インチ／秒の侵入速度であった。繰り返し試験の結果は、最大０．０４インチの全侵入深さの最大３−７％の低いブレード摩耗で試験ブレードが摩擦され、輪郭付けられたセラミック・トップコートからリッジが除去されたことが示された。図６ａ−図６ｃは、摩擦されたサンプルと試験されたブレードとを示す。ここで留意すべきは、セラミックの切削がブレード先端速度の関数であり、すなわち、速度が速い程、ブレード／切削要素によって伝達される運動エネルギーによって、切削がより良好となることである。
【実施例２】
【００４８】
別のサンプルが山形紋パターン（００２７に記述された）並びにダイアモンド状パターン（００１６に記述された）を備えて準備された。これらのサンプル（図６）は、１０５０フィート／秒の先端速度で摩擦試験され、ここでは１つのみのＧＴＤ１１１の先端のない切削ブレードが使用された。試験は、１７００゜Ｆの温度で行われた。これらのサンプルを用いた試験データは、両方のパターン型式において被膜からリッジを除去した０．０４インチの全侵入深さの０−６％のブレード摩耗を示した。
【実施例３】
【００４９】
別のサンプルが、事前にＴＢＣコートされたＲｅｎｅ  Ｎ５サンプル上の山形紋パターン（００３９に記述された）を備えて準備された。次いで、これらのサンプルは、２０００゜Ｆの高温反射炉内で熱サイクル試験された。試験サイクルは、１５分間で２０００゜Ｆまで上昇させ、２０００゜Ｆで４５分間保持し、１０分間で室温まで冷却するものであった。図８は、１０００回のこのようなサイクルの後のサンプルの１つを示しており、アブレイダブル被膜並びにＴＢＣの剥離は見られない。この試験結果は、熱サイクル性能における、パターン形成されたアブレイダブル被膜のＴＢＣに対する適合性を示している。
【実施例４】
【００５０】
摩擦試験が、被膜のアブレイダブル性及びシュラウドへの被膜接着の結合強度を試験し、該被膜がごくわずかなブレード摩耗しか生じないことを検証するために行われた。アブレイダブル被膜内への０．０２８インチないし０．０３０インチ深さの侵入の場合、最大ブレード摩耗（侵入深さのパーセンテージとして）は１１．５６７％であり、リッジの破損或いは層間剥離はなかった。
【００５１】
次いで、熱衝撃試験及び加熱炉サイクル試験が、実施例４のサンプルに対して行われた。該サンプルは、部材をシミュレートするために７ＦＡ＋ｅ被膜の組成及び微構造に対して正確に被覆された。熱衝撃試験において、試験サンプルは室温から華氏２５５０度まで２０秒にわたって加熱され、次いで冷却されて２０秒スパンにわたり室温に戻された。次に、サンプルが室温で４０秒間保持され、該プロセスが２０００サイクル繰り返された。全てのサンプルは熱衝撃試験に合格した。
【００５２】
加熱炉サイクル試験は、温度を室温から華氏２０００度まで１５分スパンにわたり上昇させ、その温度は、１０分スパンにわたり室温に冷却される前に、４５分間保持された。次いで、該試験が繰り返され、少なくとも２７日間（４３０サイクル）障害なく行われた。
【００５３】
本発明を、最も実用的で好ましい実施形態と現在考慮されているものに関して説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の精神及び範囲内に含まれる種々の修正及び均等構成を保護することを意図するものであることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】ａは、金属基材表面上に鑞付けされた金属グリッドを用いて金属基材面上に施工された典型的な多孔性ＴＢＣを示す図。ｂは、ごくわずかな摩耗を示すブレード先端を示す図（摩擦試験は１８３０゜Ｆで行われた）。この試験におけるブレードは研磨被膜で被覆されていなかった。
【図２】本発明による例示的な輪郭付けられたアブレイダブル・セラミック被膜を示す図。
【図３】ａは、９０゜山形紋パターンを有する金属マスクを通るプラズマ溶射によって堆積された本発明の輪郭付けられたセラミック・アブレイダブル被膜を示す図。本図は、１５００゜Ｆ且つ７７０フィート／秒の先端速度で摩擦試験された第１のサンプルに関する。摩擦溝は該サンプルの中心に明確に見ることができる。ｂは、９０゜山形紋金属マスクを通って最初にプラズマ溶射を行い、次いで該マスクを１８０゜回転し、第１のパターンに重ねて第２の９０゜山形紋パターンを溶射することにより堆積された本発明によるダイアモンド様に輪郭付けられたセラミック・アブレイダブル被膜を示す図。
【図４】小フットプリント・プラズマガン（例えば、Ｐｒａｘａｉｒ  Ｍｏｄｅｌ  ２７００プラズマガン）によって堆積された本発明の輪郭付けられたセラミック・アブレイダブル被膜を示す図。
【図５】本発明に従って使用される輪郭付けられたストライプの例（例えば、ストレートダイアモンド状、曲線ダイアモンド状、山形紋、レンガ形及びハニカム）を示す図。
【図６】ａ−ｄは、本発明の山形紋及び方眼ダイアモンド状に輪郭付けられたセラミック・アブレイダブル被膜を有する、摩擦試験されたサンプルと、どのような被膜でも補強されていない試験されたブレードを示す図。
【図７】種々の公知のバケット先端構成を示す図。
【図８】アブレイダブル被膜又はＴＢＣの剥離が目視上存在しない、１０００サイクル後の本発明を具現化する実施例の１つを示す図。
【図９】ステップの順序が被膜の形成から最終熱処理までの手順において記載されている、本発明に従ってパターン形成されたアブレイダブル被膜を生成するための加工手順を示す図。
【図１０】形成されるグリッドパターンの種々の構成要素の相対寸法が含まれている、本発明によるアブレイダブル被膜のダイアモンド形状パターンを生成するための例示的な製造プロセスを示す図。
【図１１】種々の層状構成要素及びグリッド部分の例示的な相対寸法が示されている、本発明による典型的なパターン形成された被膜の断面で撮られた顕微鏡写真。
【図１２】この場合は山形紋或いはダイモンド状パターンである、本発明による金属シュラウドに施工されたパターン形成されたアブレイダブル被膜を定めるリッジの機械的剪断強度を示す図。
【符号の説明】
【００５５】
８  アブレイダブル・セラミック被膜
１０  金属基材
１２  金属ボンドコート又は別のセラミック層
１４  ブレード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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