(57)【要約】【課題】熱伝導率が低く、より高い耐久性および熱遮断性を有するセグメント化ガドリニアジルコニア被膜を形成する【解決手段】一層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜システム１０は、金属性基体２０と、基体２０の上に塗布されたボンディングコート３０と、一層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０と、を備える。金属性基体２０は、ニッケルベース、鉄ベース、あるいはコバルトベースの超合金などの適切な材料から構成される。ボンディングコート３０は、ＭＣｒＡｌＹボンディングコート（ここで、Ｍはニッケル、コバルト、鉄またはそれらの混合物）などの適切な材料から構成される。エアプラズマ溶射、減圧真空溶射、高速ガス式溶射などの方法によって、ボンディングコート３０を基体２０に塗布してもよい。アブレイダブル上層４６は、ガドリニアジルコニアからなる。複数のセグメント５０は、アブレイダブル上層４６を通って延びている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガドリニアジルコニア被膜のプラズマ溶射の間に、前記ガドリニアジルコニア被膜中にセグメント化が生じるように、所定の条件下で、ボンディングコートされた基体の上にセグメント化ガドリニアジルコニア被膜をプラズマ溶射することによって形成されるガドリニアジルコニア被膜。
【請求項２】
前記所定の条件が、プラズマ溶射の間、一定のスプレーガンと部品との間の距離を維持することを含むことを特徴とする請求項１に記載の被膜。
【請求項３】
前記一定のスプレーガンと部品との間の距離が、約１〜５インチ（約２４．５〜１２７ｍｍ）であることを特徴とする請求項２に記載の被膜。
【請求項４】
前記セグメント化ガドリニアジルコニア被膜が、その中に、前記ガドリニアジルコニアがプラズマ溶射される前記ボンディングコートされた基体上の表面に対してほぼ直角である垂直のセグメントを備えることを特徴とする請求項１に記載の被膜。
【請求項５】
前記セグメント化ガドリニアジルコニア被膜が、１インチ（約２４．５ｍｍ）につき約４〜５０個の実質的に垂直なマイクロクラックを備えることを特徴とする請求項１に記載の被膜。
【請求項６】
前記セグメント化ガドリニアジルコニア被膜が、１インチ（約２４．５ｍｍ）につき平均約２５個の実質的に垂直なマイクロクラックを備えることを特徴とする請求項１に記載の被膜。
【請求項７】
前記セグメント化ガドリニアジルコニア被膜が、アブレイダブル被膜および断熱被膜のうち少なくとも一方として使用されることを特徴とする請求項１に記載の被膜。
【請求項８】
前記ボンディングコートされた基体が、ボンディングコートされたガスタービンエンジン部品からなることを特徴とする請求項１に記載の被膜。
【請求項９】
金属性基体と、
前記金属性基体上に適応されたＭＣｒＡｌＹボンディングコートと、
前記ＭＣｒＡｌＹボンディングコート上に適応されたセグメント化ガドリニアジルコニア被膜と、
を備え、
前記ＭＣｒＡｌＹボンディングコートにおいて、Ｍはニッケル、コバルト、鉄、またはそれらの混合物であることを特徴とする被覆された部品。
【請求項１０】
前記セグメント化ガドリニアジルコニア被膜が、その中に、前記セグメント化ガドリニアジルコニア被膜が最終的に適応される前記金属性基体の表面に対してほぼ直角である垂直のセグメントを備えることを特徴とする請求項９に記載の被覆部品。
【請求項１１】
前記セグメント化ガドリニアジルコニア被膜が、１インチ（約２４．５ｍｍ）につき約４〜５０個の実質的に垂直なマイクロクラックを備えることを特徴とする請求項９に記載の被覆部品。
【請求項１２】
前記セグメント化ガドリニアジルコニア被膜が、１インチ（約２４．５ｍｍ）につき平均約２５個の実質的に垂直なマイクロクラックを備えることを特徴とする請求項９に記載の被覆部品。
【請求項１３】
前記ガドリニアジルコニア被膜のプラズマ溶射の間に、前記ガドリニアジルコニア被膜中にセグメント化が生じるように、所定の条件下で、セグメント化ガドリニアジルコニア被膜が前記ＭＣｒＡｌＹボンディングコート上にプラズマ溶射されることを特徴とする請求項９に記載の被覆部品。
【請求項１４】
前記金属性基体が、被覆されていないガスタービンエンジン部品からなることを特徴とする請求項９に記載の被覆部品。
【請求項１５】
前記ガスタービンエンジン部品が、ブレードの外部エアシール、バーナーフロートウォール、タービンブレード、タービンベーン、燃焼器パネル、タービン排気ケースおよびオーグメンタライナーのうち少なくとも一つからなることを特徴とする請求項９に記載の被覆部品。
【請求項１６】
基層と、
前記基層の上に適応された漸変の中間層と、
前記漸変の中間層の上に適応されたアブレイダブルガドリニアジルコニア上層と、
を備え、
前記漸変の中間層が、前記基層と前記アブレイダブルガドリニアジルコニア上層との組成上の混合物を含むことを特徴とするセグメント化セラミック被覆システム。
【請求項１７】
前記基層が、マグネシア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、ガドリニアジルコニア、およびそれらの混合物のうち少なくとも一つからなることを特徴とする請求項１６に記載の被覆システム。
【請求項１８】
前記基層、前記漸変の中間層および前記アブレイダブルガドリニアジルコニア上層が、エアプラズマ溶射により塗布されることを特徴とする請求項１６に記載の被覆システム。
【請求項１９】
エアプラズマ溶射の間に、前記セグメント化セラミック被覆システム中にセグメント化が生じるように、前記エアプラズマ溶射の間に所定の条件が存在することを特徴とする請求項１８に記載の被覆システム。
【請求項２０】
前記セグメント化セラミック被覆システムが、その中に、前記セグメント化セラミック被覆システムが最終的に適応される基体の表面に対してほぼ直角である垂直のセグメントを備えることを特徴とする請求項１６に記載の被覆システム。
【請求項２１】
前記セグメント化セラミック被覆システムが、１インチ（約２４．５ｍｍ）につき約４〜５０個の実質的に垂直のマイクロクラックを備えることを特徴とする請求項１６に記載の被覆システム。
【請求項２２】
前記セグメント化セラミック被覆システムが、１インチ（約２４．５ｍｍ）につき平均約２５個の実質的に垂直のマイクロクラックを備えることを特徴とする請求項１６に記載の被覆システム。
【請求項２３】
前記セグメント化セラミック被覆システムが、ＭＣｒＡｌＹボンディングコートで被覆されたガスタービンエンジン部品の表面上に適応され、前記ＭＣｒＡｌＹボンディングコートにおいて、Ｍはニッケル、コバルト、鉄、またはそれらの混合物であることを特徴とする請求項１６に記載の被覆システム。
【請求項２４】
金属性基体と、
前記金属性基体の上に適応されたＭＣｒＡｌＹボンディングコートと、
前記ＭＣｒＡｌＹボンディングコートの上に適応されたセグメント化セラミック被覆システムと、
を備え、
前記セグメント化セラミック被覆システムが、
前記ＭＣｒＡｌＹボンディングコートの上に適応された基層と、
前記基層の上に適応された漸変の中間層と、
前記漸変の中間層の上に適応されたアブレイダブルガドリニアジルコニア上層と、
を備え、
前記ＭＣｒＡｌＹボンディングコートにおいて、Ｍは、ニッケル、コバルト、鉄またはそれらの混合物であり、前記漸変の中間層が、前記基層と前記アブレイダブルガドリニアジルコニア上層との組成上の混合物を含むことを特徴とする被覆された部品。
【請求項２５】
前記基層が、マグネシア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、ガドリニアジルコニア、およびそれらの混合物のうち少なくとも一つからなることを特徴とする請求項２４に記載の被覆部品。
【請求項２６】
前記基層、前記漸変の中間層および前記アブレイダブルガドリニアジルコニア上層が、エアプラズマ溶射によって適応されることを特徴とする請求項２４に記載の被覆部品。
【請求項２７】
エアプラズマ溶射の間に、前記セグメント化セラミック被覆システム中にセグメント化が生じるように、前記エアプラズマ溶射の間に所定の条件が存在することを特徴とする請求項２６に記載の被覆部品。
【請求項２８】
前記セグメント化セラミック被覆システムが、その中に、前記セグメント化セラミック被覆システムが最終的に適応される前記金属性基体の表面に対してほぼ直角である垂直のセグメントを備えることを特徴とする請求項２４に記載の被覆部品。
【請求項２９】
前記セグメント化セラミック被覆システムが、１インチ（約２４．５ｍｍ）につき約４〜５０個の実質的に垂直のマイクロクラックを備えることを特徴とする請求項２４に記載の被覆部品。
【請求項３０】
前記セグメント化セラミック被覆システムが、１インチ（約２４．５ｍｍ）につき平均約２５個の実質的に垂直のマイクロクラックを備えることを特徴とする請求項２４に記載の被覆部品。
【請求項３１】
前記金属性基体が、被覆されていないガスタービンエンジン部品からなることを特徴とする請求項２４に記載の被覆部品。
【請求項３２】
前記ガスタービンエンジン部品が、ブレードの外部エアシール、バーナーフロートウォール、タービンブレード、タービンベーン、燃焼器パネル、タービン排気ケースおよびオーグメンタライナーの少なくとも一つからなることを特徴とする請求項３１に記載の被覆部品。
【請求項３３】
セグメント化ガドリニアジルコニア被膜を形成する方法であって、
金属性基体を提供するステップと、
前記金属性基体の上にＭＣｒＡｌＹボンディングコートを塗布するステップと、
プラズマ溶射の間に、前記ガドリニアジルコニア被膜中にセグメント化が生じるように、所定の条件下で前記ＭＣｒＡｌＹボンディングコート上にガドリニアジルコニア被膜をプラズマ溶射するステップと、
を含み、
前記ＭＣｒＡｌＹボンディングコートにおいて、Ｍはニッケル、コバルト、鉄またはそれらの混合物であることを特徴とするセグメント化ガドリニアジルコニア被膜の形成方法。
【請求項３４】
前記所定の条件が、前記ガドリニアジルコニア被膜をプラズマ溶射する間、一定のスプレーガンと部品との間の距離を維持することを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記セグメント化ガドリニアジルコニア被膜が、その中に、前記ガドリニアジルコニア被膜がプラズマ溶射される前記金属性基体の表面とほぼ直角をなす垂直のセグメントを備えることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記セグメント化ガドリニアジルコニア被膜が、１インチ（約２４．５ｍｍ）につき約４〜５０個の実質的に垂直のマイクロクラックを備えることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記セグメント化ガドリニアジルコニア被膜が、１インチ（約２４．５ｍｍ）につき平均約２５個の実質的に垂直のマイクロクラックを備えることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にセグメント化セラミック被膜（ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ  ｃｅｒａｍｉｃ  ｃｏａｔｉｎｇｓ）、アブレイダブル被膜（ａｂｒａｄａｂｌｅ  ｃｏａｔｉｎｇ）および断熱被膜に関する。より詳しくは、本発明は、アブレイダブル被膜および／または断熱被膜として使用することができるセグメント化ガドリニアジルコニア被膜ならびにその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、燃料形態の化学ポテンシャルエネルギーを、熱エネルギーに、ついで、航空機の推進、電力の発電、流体の吸入および排出などに用いる機械的エネルギーに変換するために長く使用されてきた。ガスタービンエンジンの効率は、運転温度を高めるとともに増大する。したがって、そのようなエンジンの燃焼ガスおよび排気ガスの温度を上げる必要がある。しかし、そのようなエンジンにおける高温部の部品に現在使用されている金属材料は、それらの熱的安定度の上限に非常に近い温度で作動している。実際、最新のガスタービンエンジンの最も温度の高い高温部では、金属材料が融点を超える温度で高温ガス流路に用いられている。これらの金属材料は、そのような高温に耐え得るが、その理由としては、これらの金属材料が、単に空気冷却されているか、あるいは、これらの金属材料が、部品の熱伝導度を下げるセラミック被膜を備えるため、その結果、その部品が、より少ない冷却空気を利用しながら、より高い温度下での作動が可能となる。また、そのようなセラミック被膜は、断熱材として作用することに加えて、金属部品に環境保護を提供し、それにより、部品の中または部品の側を通過する高温ガスの酸化作用および腐食作用から部品を保護する。さらに、そのようなセラミック被膜はまた、部品に摩耗性（ａｂｒａｄａｂｉｌｉｔｙ）および耐食性を付与して、エンジンからのガス流の漏出を制限するシーリング機構における部品の使用を可能にし、それにより、エンジンの効率と性能を向上させる。
【０００３】
セグメント化したセラミック被膜は、そのような部品の摩耗性を改善するためだけでなく、被覆された部品の熱衝撃耐性、熱疲労耐性、歪み耐性およびスポーリング（剥離）に対する耐性を向上させるのに有益である。しかし、ガスタービンエンジン部品のそのような被膜が機能しなくなると（すなわち、浸食、スポーリングなどにより）、その部品の下層の合金は極度な高温にさらされ、合金材料の酸化および腐食を加速して、それにより、最終的に部品は破損してしまう。したがって、既存のセグメント化セラミック被膜に比べ、耐久性、熱的な耐衝撃耐性および熱的な絶縁性により優れているセグメント化セラミック被膜を備えることは有利である。
【０００４】
既存のセグメント化セラミック被膜は、種々の方法で形成される。ある被膜は、以下の方法で意図的に導入されたマイクロクラック（微小割れ）網を備える。このマイクロクラック（微小割れ）網は、プラズマ溶射されたセラミック面の上にレーザー光線を走査してセラミックの薄層を溶かし、その後、溶融したセラミックの冷却と固化の間に起こる収縮により、マイクロクラック（微小割れ）網が生じ得る。このマイクロクラック網は、熱衝撃を受ける間、破滅的なクラックの形成と成長に対して抵抗を示す。またある被膜は、被膜中にマイクロクラックを導入するために、被膜が熱い間にセラミック被膜の表面を急冷することによって形成され、意図的に導入されたマイクロクラック網を備えて、それによって、被膜の熱的疲労抵抗性を改善する。さらに別の被膜は、被膜の厚さの半分以上にスロットまたは溝の列をレーザー加工することによって形成されるセグメント化した形態を備え、それによって被膜の歪みがスポーリングに対し耐久性および抵抗性を示すようになる。さらに別の被膜は、機械加工された斜面段状（ｓｌａｎｔ−ｓｔｅｐｓ）の格子（グリッド）を含む。機械加工された斜面階段状の格子は、ある角度で機械加工された斜面段に安定化ジルコニア層をプラズマ溶射することによって形成される溝またはギャップによって隔離される。それにより、ジルコニア層に深い陰影（ｄｅｅｐ  ｓｈａｄｏｗ）のギャップが生じて、ジルコニア層が効果的にセグメント化され、被膜の歪みがスポーリングに対し耐久性および抵抗性を示すようになる。これらの既存のセグメント化したセラミック被膜は、全て、被膜中に望ましいセグメント化した形態を形成するある種の機械加工または他の処理を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
付加的な処理工程または機械加工を必要としない、セグメント化したセラミック被膜の形成方法の一つには、プラズマ溶射の間に、被膜中にセグメントの形成を誘発する正確に制御された堆積のパラメータを利用することが含まれる。そのようなプラズマ溶射技術は、種々のセグメント化したセラミック被膜を生成するために使用されてきたが、セグメント化したガドリニアジルコニア被膜を生成させるためには、これまで使用されてこなかった。そのようなプラズマ溶射技術を利用して、既存のセグメント化セラミック被膜に比べ、熱伝導率が低く、より高い耐久性および、熱遮断性を有するセグメント化ガドリニアジルコニア被膜を形成することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、既存のセグメント化セラミック被膜およびその形成方法の前述の欠点は、セグメント化ガドリニアジルコニア被膜およびその形成方法に関する本発明の実施例によって克服される。これらの被膜は、既存のセグメント化セラミック被膜に比べ、より優れた摩耗性および耐食性、より高い耐久性、より低い熱伝導率を有し、そして、所定の皮膜に厚さに対してより優れた熱絶縁性を提供する。さらに、本発明の堆積のパラメータは正確に制御されているので、プラズマ溶射の間にこれらの被膜のセグメント化が誘発される。したがって、本発明のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜において所望のセグメント化した形態を形成する付加的な処理または機械加工は必要でない。
【０００７】
本発明の実施態様は、ボンドコーティングされた基体の上に該被膜を所定の条件下でプラズマ溶射することによって作られたセグメント化ガドリニアジルコニア被膜を含み、それにより、ガドリニアジルコニア被膜のプラズマ溶射の間に、ガドリニアジルコニア被膜にセグメント化を生じさせる。所定の条件は、プラズマ溶射の間、約１〜５インチ（約２５．４〜１２７ｍｍ）のスプレーガンと部品との間の一定距離を維持することを含む。
【０００８】
本発明の実施態様はまた、金属性基体と、金属性基体の上に堆積するＭＣｒＡｌＹボンディングコート（ここで、Ｍは、ニッケル、コバルト、鉄またはそれらの混合物を意味する）と、およびＭＣｒＡｌＹボンディングコート上に堆積するセグメント化ガドリニアジルコニア被膜と、を含む被覆された部品を備える。セグメント化ガドリニアジルコニア被膜は、ＭＣｒＡｌＹボンディングコートの上に堆積した基層と、該基層の上に堆積した漸変する中間層と、漸変する中間層の上に堆積したアブレイダブルガドリニアジルコニア上層と、を含んでいてもよい（ここで、漸変する中間層は、基層およびアブレイダブルガドリニアジルコニア上層の組成上の混合を含む）。基層は、マグネシア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、ガドリニアジルコニアおよび／またはそれらの混合物を含んでいてもよい。基層、漸変する中間層およびアブレイダブルガドリニアジルコニア上層を、すべてエアプラズマ溶射により堆積させてもよい。
【０００９】
これらのセグメント化ガドリニアジルコニア被膜は、その中に、ガドリニアジルコニアがプラズマ溶射される基体の表面に対してほぼ直角である垂直のセグメントを含む。１インチ（約２５．４ｍｍ）につき約４〜５０個の実質的に垂直のマイクロクラック（微小割れ）、または１インチ（約２５．４ｍｍ）につき平均約２５個の実質的に垂直のマイクロクラックを有していてもよい。これらのセグメント化ガドリニアジルコニア被膜は、たとえば、ブレードの外部エアシール、バーナーフロートウォール（ｂｕｒｎｅｒ  ｆｌｏａｔｗａｌｌ）、タービンブレード、タービンベーン、燃焼器パネル、タービン排気ケースおよびオーグメンタライナー（ａｕｇｍｅｎｔｏｒ  ｌｉｎｅｒ）または他の製品などのガスタービンエンジン部品上のアブレイダブル被膜および／または断熱被膜として使用される。
【００１０】
本発明の実施態様はまた、セグメント化ガドリニアジルコニア被膜を生成する方法を含む。この方法は、金属性基体を提供するステップと、金属性基体の上にＭＣｒＡｌＹボンディングコートを塗布するステップ（ここで、Ｍはニッケル、コバルト、鉄またはそれらの混合物）と、およびプラズマ溶射の間にガドリニアジルコニア被膜中にセグメント化を生じさせるように所定の条件下でＭＣｒＡｌＹボンディングコートにガドリニアジルコニア被膜をプラズマ溶射するステップと、を含む。
【００１１】
本発明の更なる特徴、態様および長所は、下記の記述の間に当業者に容易に明らかになるであろう。その中では、本発明のいくつかの望ましい形態を例証する添付の図表が参照され、そして、同一の参照番号が全図面にわたって同一の部品を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の理解を促進する目的のために、図１〜図４に例示されている、本発明のいくつかの好ましい実施態様への参照がなされ、それを記述するために特定の用語が使用される。ここに使用される用語は、説明の目的であって、限定の目的のためではない。ここに開示される特定の構造的および機能的な詳細説明は、限定するものとして解釈されるべきでなく、本発明をさまざまに利用するために当業者を教示するための基礎としてのみ解釈されるべきである。記載された構造および方法における、あらゆる変更形態および修正形態、ならびにここに例示されているような、発明の原理のさらなる応用は、通常当業者の思いつくものであり、本発明の精神および範囲の中にあると考えられる。
【００１３】
本発明は、セグメント化ガドリニアジルコニア被膜に関する。ガドリニアジルコニアは、断熱被膜において使用されてきたが、セグメント化セラミック被膜においては使用されたことはない。しかし、断熱被膜としてのガドリニアジルコニアに関する経験により、ガドリニアジルコニアが優れたセグメント化セラミック被膜となることが分かった。通常、セグメント化セラミック被膜において使用される材料であるイットリア、カルシア、マグネシウムおよびセリアで安定化したジルコニアに比べて、ガドリニアジルコニアは、より優れた絶縁体であり、焼結に対してより耐性を示す。したがって、セグメント化ガドリニアジルコニア被膜は、イットリア、カルシア、マグネシウムおよびセリアで安定化したジルコニアを含む既存のセグメント化セラミック被膜に比べ、より優れた耐摩耗性、耐食性、耐久性およびより低い熱伝導率を有するとともに、所定の被膜の厚さに対してより優れた絶縁性を提供する。そのような特質により、ガスタービンエンジン性能全体が改善される（すなわち、より高い操作温度が達成され、より長い稼働寿命が可能になる等）。
【００１４】
本発明の実施態様は、被覆された基体の最終的な用途に応じて、１つまたは複数の層からなるセグメント化ガドリニアジルコニア被膜を含む。ある用途においては、セグメント化ガドリニアジルコニア被膜の単一層が望ましい場合がある。またある用途においては、二重層または多層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜が望ましい場合がある。そのような実施態様の全ては、本発明の精神および範囲の中にある。
【００１５】
図１を参照すると、例示的なセグメント化したアブレイダブルガドリニアジルコニア被覆システムが図示されている。本発明の実施態様において用いられる例示的な一層のシステムは、金属性基体２０と、金属性基体２０の上に塗布されたボンディングコート３０と、一層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０と、を備える。この一層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０は、ボンディングコート３０の上に塗布されたアブレイダブル上層４６だけから構成されている。
【００１６】
図２を参照すると、別の例示的なセグメント化ガドリニアジルコニア被覆システム１０が図示されている。本発明の実施態様において用いられている例示的な三層のシステムは、金属性基体２０と、金属性基体２０に塗布されたボンディングコート３０と、三層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０と、を備える。三層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０は、ボンディングコート３０上に塗布された基層４２、基層４２上に塗布された漸変の中間層４４、および漸変の中間層４４上に塗布されたアブレイダブル上層４６からなる。三層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０は、基層４２および漸変の中間層４４によって提供される長期にわたる熱絶縁性の利点、ならびに特定の最終用途に対して調整されるアブレイダブル上層４６によって提供される摩耗性の利点を可能にするため、三層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０は多くの用途において望ましい。
【００１７】
金属性基体２０は、例えば、ニッケルベースの超合金、鉄ベースの超合金、コバルトベースの超合金、耐火物ベースの超合金などの適切な材料から構成されていてもよい。ガスタービンエンジン部品において用いられる典型的なニッケルベースの超合金は、約１〜２５重量％のコバルト、約１〜２５重量％のクロミウム、約０〜８重量％のアルミニウム、約０〜１０重量％のモリブデン、約０〜１５重量％のタングステン、約０〜１２重量％のタンタル、約０〜５重量％のチタン、約０〜７重量％のレニウム、約０〜６重量％のルテニウム、約０〜４重量％のニオブ、約０〜０．２重量％のカーボン、約０〜０．１５重量％のホウ素、約０〜０．０５重量％のイットリウム、約０〜１．６重量％のハフニウム、（残りはニッケルおよび付随する不純物）からなる。
【００１８】
ボンディングコート３０は、例えば、ＭＣｒＡｌＹボンディングコート（ここで、Ｍはニッケル、コバルト、鉄またはそれらの混合物を指す）などの適切な材料から構成されていてもよい。高密度で、均一な粘着性の被膜を生成することのできるあらゆる方法によって、ボンディングコート３０を金属性基体２０に塗布してもよい。ボンディングコート３０を適用するいくつかの適切な非限定的方法には、エアプラズマ溶射、減圧真空溶射および／または、望ましくは、高速ガス式溶射が含まれる。
【００１９】
本発明のアブレイダブル上層４６は、ガドリニアジルコニアからなる。本発明の基層４２は、例えば、マグネシア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア、ガドリニアジルコニアまたはそれらの混合物のなどのジルコニアベースの材料から構成されていてもよく、耐久性の改良のためには、７重量パーセントのイットリア安定化ジルコニアであることが望ましい。本発明の漸変の中間層４４は、望ましくは、基層４２とアブレイダブル上層４６の組成上の混合からなり、それは、通常、基層４２の最初の組成からアブレイダブル上層４６の最終の組成まで変化する。漸変の中間層４４は、基層４２とアブレイダブル上層４６との間に結合強度を付与する。基層４２、漸変の中間層４４およびアブレイダブル上層４６は、１回の連続的なスプレープロセスにおいてエアプラズマ溶射によりボンディングコート３０に塗布されることが望ましい。しかし、３回の別々のスプレープロセスを用いてもよい。エアプラズマ溶射されるセグメント化セラミック被膜は、従来のマイクロクラックの入ったセラミック被膜に比べ、より耐久性があるため、エアプラズマ溶射が好ましい。
【００２０】
セグメント５０は、セグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０の中に、正確に堆積パラメータを制御することによって形成され、プラズマ溶射の間に、セグメント５０が被膜中に形成される。これらの被膜におけるセグメント５０は、被膜に順応性を与え、それにより、セグメント５０が熱サイクルの間に伸縮し、その結果、運転中のスポーリングの可能性が減少する。一般に、比較的高い粉末堆積速度とともに、スプレーガンと部品との間の近い距離（すなわち約１〜５インチ（約２５．４〜１２７ｍｍ））により、最終的なセグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０において望ましいセグメント５０が生じる。特定の処理パラメータは、使用されるスプレーガンおよび固定具などの多数の変数、ならびにそれに関連した操作条件によるが、それに限定されない。このセグメントを作る方法についてのさらなる詳細は、共有の米国特許第５７０５２３１号明細書に見ることができる。
【００２１】
実施態様において、プラズマ溶射プロセスにおいて溶融および粉砕した粉末を使用してもよいが、例えば、噴霧乾燥および焼結した粉末などの他の粉末を用いて本発明の被膜を形成することができる。最終的なセグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０中に向上した摩耗性を形成する球状で中空の粒子であるため、実施態様においては、噴霧乾燥した粉末および焼結した粉末が好ましい場合もある。
【００２２】
本発明のセグメント化アブレイダブルガドリニアジルコニア被膜４０は、その中に実質的に垂直なセグメント５０を含む。本明細書において使用されているように、実質的に垂直なセグメントとは、セグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０が最終的に塗布される金属性基体２０の表面２１に対して、セグメント５０がほぼ垂直（すなわち、垂直から約３０°以内）であることを意味する。図２は、三層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０の３層（すなわち、基層４２、漸変の中間層４４およびアブレイダブル上層４６）全てを通って連続的に延びているセグメント５０が図示されている。セグメント５０は作成中に誘発されるので、セグメント５０は、一般に基層４２から生じて、次いで、その後に塗布される層に達する。したがって、セグメント５０は、セグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０の全ての層（すなわち、基層４２、漸変の中間層４４およびアブレイダブル上層４６において）において存在する。しかし、セグメント５０は、層４２，４４，４６すべてに亘って連続的である必要はない。たとえば、実施態様においては、基層４２が、漸変の中間層４４またはアブレイダブル上層４６に比べ、より多くのセグメント５０を有する場合がある。耐久性の改良のためには、セグメント５０がボンディングコート３０に達しないことが理想的である。実施態様は、部分的にセグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０を通って（たとえば、部分的に漸変の中間層４４を通って、アブレイダブル上層４６へ）延びているセグメント５０を備える場合があるが、しかし、これらの実施態様における耐久性は、セグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０全体を通って延びているセグメント５０の実施態様に比べ、耐久性がより低い。
【００２３】
図３および図４で示されている２つの例示的な実施態様において、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹのボンディングコートが、ＨＶＯＦ（高速ガス式）溶射によりＰＷＡ１４８４の金属性基体に塗布された。ＨＶＯＦボンディングコートを拡散熱処理した後、約２．７５インチ（約６９．８５ｍｍ）のスプレーガンと部品との間の距離でボンディングコートにセグメント化ガドリニアジルコニア被膜をエアプラズマ溶射した。一つの実施態様においては、ガドリニアジルコニア被膜は、溶融し、粉砕した３０重量パーセントのガドリニアジルコニアからなり、他の実施態様では、溶融し、粉砕した５９重量パーセントのガドリニアジルコニアからなる。セグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０が塗布された後、被覆された基体１０は、保護雰囲気下で１９７５±２５°Ｆ（約１０７９．４±１３．８℃）で約４時間熱処理され、ついで、少なくとも約１０°Ｆ／分（約−１２．２２℃／分）の割合で冷却された。
【００２４】
図３では、約５０倍に拡大した、約３０重量パーセントのガドリニアジルコニアからなる単層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜の光学顕微鏡写真が示されている。図４には、約５０倍に拡大した、約５９重量パーセントのガドリニアジルコニアからなる単層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜の光学顕微鏡写真が示されている。ここに示されているように、図３および図４の双方のセグメント５０は、金属性基体２０の表面２１に対して実質的に垂直である。
【００２５】
本発明のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜の多くの他の実施態様が可能である。たとえば、多層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜が可能であり、組成は、３０重量パーセントまたは５９重量パーセントだけではなく、種々の重量パーセントのガドリニアジルコニアから構成されてもよい。しかし、ガドリニアの含有量に応じて変化する被膜の耐久性と熱伝導率との間の兼ね合いが存在するため、ガドリニアの含有量は用途により異なる。多くの用途においては、被膜は、約３０重量パーセントのガドリニアジルコニアからなる。
【００２６】
これらのセグメント化ガドリニアジルコニア被膜４０は、アブレイダブル被膜または断熱被膜として種々の用途に使用され得る。例えば、ブレードの外部エアシール、バーナーフロートウォール、タービンブレード、タービンベーン、燃焼器パネル、タービン排気ケース、オーグメンタライナーなどのガスタービンエンジン部品、およびアブレイダブル被膜および／または断熱被膜が適用され得る他のあらゆるガスタービンエンジン部品の上に、そのような被膜４０を利用してもよい。
【００２７】
先に述べたように、本発明は、セグメント化ガドリニアジルコニア被膜、およびそれを作る方法、または塗布する方法を提供する。有利なことに、これらの被膜は、既存のセグメント化セラミック被膜および断熱被膜より優れた多くの利点を備える。これらの被膜は、ガスタービンエンジン部品に用いることができ、それにより、操作温度がより高くなるとともに、稼働寿命がより長くなる。他の多くの実施態様および利点は、関連技術の技術者にとって明白であろう。
【００２８】
本発明が適応する種々のニーズを実現する形で、本発明の種々の実施態様の説明がなされた。これらの実施態様が、単に本発明の種々の実施態様の教示を例証するものであるということを認識されたい。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更形態および適応形態が当業者にとって明白であろう。たとえば、ガスタービンエンジンに用いるものとして本発明を説明したが、本発明は、また、加熱炉および内燃エンジンなど高温下で用いられる他の用途において用いてもよい。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの相当物の範囲内にある、全ての適当な修正形態および変更形態に及ぶことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例に用いられた、例示的な一層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜を示す概略図。
【図２】本発明の実施例に用いられた、例示的な三層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜を示す概略図。
【図３】本発明の実施例に用いられた、約３０重量パーセントのガドリニアジルコニアからなる一層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜を示す光学顕微鏡写真。
【図４】本発明の他の実施例に用いられた約５９重量パーセントのガドリニアジルコニアからなる一層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜を示す光学顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００３０】
１０…  セグメント化ガドリニアジルコニア被覆システム
２０…  金属性基体
３０…  ボンディングコート
４０…  一層のセグメント化ガドリニアジルコニア被膜
４６…  アブレイダブル上層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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