(57)【要約】  セラミックス層を層構造体の金属層上に施した従来技術による層構造体は、しばしば金属とセラミックスとの間の接合が不完全であり、剥離を起こし易い。本発明による層構造体（２０）は、多孔性層（４）のセラミックス（７）と金属との接合が改善されるように、少なくとも部分的にセラミックス（７）を配置した多孔性層（４）を備える。この層構造体は著しい高温や腐食性の雰囲気内で使用される、例えばガスタービンのブレードの表面に設けられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）と、その上に配置した少なくとも気孔率３０体積％のセラミックス（７、１６）を含む外側の多孔性層（４）とから成る層構造体（２０）において、この多孔性層（４）が少なくとも部分的にほぼ完全にセラミックス（７）で満たされている層構造体。
【請求項２】
多孔性層（４）が開放形の孔構造を有することを特徴とする請求項１記載の層構造体。
【請求項３】
セラミックス（７）が種々異なるセラミックス材料の混合物であることを特徴とする請求項１記載の層構造体。
【請求項４】
多孔性層（４）中のセラミックス（７）の上にもう1つのセラミックス層（４１）が施されていることを特徴とする請求項１記載の層構造体。
【請求項５】
多孔性層（４）が泡状を呈していることを特徴とする請求項１記載の層構造体。
【請求項６】
基板（１）が金属、特にコバルト／ニッケル超合金であることを特徴とする請求項１記載の層構造体。
【請求項７】
上記多孔性層（４）が金属製であることを特徴とする請求項１記載の層構造体。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、層中にセラミックス分を含む層構造体に関する。
【０００２】
この層構造体は１つの基板と、その上に形成された少なくとも１つの層とから構成される。基板は、例えばガスタービン構造中で著しい高温及び／又は腐食性の攻撃に対し保護されねばならない。これは、例えば基板上にハニカム構造を有する金属シートを施すことにより行われ、その際ハニカムはセラミックスで満たされている。その場合このセラミックスは主に保護機能を受け持つ。ハニカム構造の金属シートは、セラミックスを機械的に安定化させる役目をする。しかしこのセラミックスとハニカム構造の内側表面の機械的結合は十分なものではなく、従ってセラミックスが繰返し剥離することになる。
【０００３】
米国特許第５６３４１８９号明細書から、内部に種々の直径の小球により形成された多孔性の構造を有する装置が公知であり、その際この多孔性構造の内部は、外側の、目の詰んだ外被により覆われている。この外被は保護の役目をしない。多孔性構造の内部は、所望の機械的強度を達成するため空洞を満たすべく使用されるが、その場合この多孔性構造の内部の密度は、重量を軽くするため、外被のそれよりも低い。
【０００４】
米国特許第５７２０５９７号明細書は、内部に少なくとも部分的に泡状範囲を有するガスタービン用ブレードについて記載している。
【０００５】
米国特許第６２９９９３５号明細書は、基板の表面上に気泡と金属粉末から成る懸濁液を塗布した層の製造方法を開示している。
【０００６】
しかし上述の公知のあらゆる装置又は方法は、金属とセラミックスの機械的接合が不十分である欠点を持つ。
【０００７】
従って本発明の課題は、金属とセラミックスとの機械的接合強度を改善した層構造体を提供することにある。
【０００８】
この課題は、本発明により、少なくとも気孔率３０体積％の多孔性層をその上に載せている基板でできた層構造体により解決され、その場合セラミックスは被覆の形で或いはセラミックス粒子として少なくとも部分的に多孔性層中に入れられる。
【０００９】
平滑な接触面に比べ、金属表面とその上にセラミックスを施したハニカム構造の場合、金属とセラミックスとの機械的接合を、その比表面積の拡大と機械的嵌め合わせとにより改善する多数の小さな、歪曲した表面が存在する。
【００１０】
開放形の孔構造を使用することは、多孔性層中へのセラミックスの侵入深さを改善し、結果として層の接着性が更に高められて有利である。
【００１１】
多孔性層上に施され、該層中に少なくとも部分的に侵入するセラミックスを、所望の特性を適切に調整すべく、種々のセラミックス材料を混合して形成することもできる。
【００１２】
この多孔性層は、少なくとも部分的に、それらの範囲内にセラミックスがほぼぎっしり詰め込まれ、従って耐熱性に関するセラミックスの利点を十分に利用すべく、ほぼ緊密なセラミックス層が多孔性層中に得られるようにセラミックスで満たすことができる。
【００１３】
多孔性層中のセラミックスの上又は多孔性層の上に、もう１つの被覆により多孔性層中のセラミックスを酸化から保護するため、例えばガスタービンブレードの断熱層として公知の、もう１つのセラミックスの保護層を施してもよい。
【００１４】
本発明の実施例を図１〜図１０に基づき以下に詳述する。
【００１５】
図１ａは、上に多孔性層４を施した、例えば金属、特にガスタービンブレード用の超合金製の基板１を示す。この多孔性層４は、金属又はセラミックスからできていてもよい。この多孔性の構造を、多孔性層４内の細孔を囲む個々の壁を表す線により模式的に示している。その気孔率は少なくとも３０体積％である。例えば濾過システムを使用する場合に公知であるように、特に開放形の孔構造は、多孔性層４の外側表面から、基板１に面しているその下側への連絡路が存在するため有利である。その場合セラミックスを特に多孔性層中に極めて良好に入れることができる。
【００１６】
図１ｂは、多孔性層４内にセラミックス７が存在する本発明による層構造体を示す。このセラミックス７は単一のセラミックス材料、又は例えばセラミックス粒子の形の、種々のセラミックス材料の混合物でできていてもよい。金属を混合すること或いは金属で被覆することも同様に可能である。
【００１７】
図２ａは、本発明による層構造体２０の他の実施例を示す。この場合、多孔性層４の孔壁面１３がセラミックス層１６で被覆されている（図２ｂ）ため、個々のセラミックス粒子７を識別できない（図２ａ）。即ち、この多孔性層４の孔の内部表面は、例えば完全にセラミックス層１６で覆われている。
【００１８】
図３は、本発明により形成された層構造体２０のもう１つ実施例を示す。基板１上には多孔性層４が施されており、それらの細孔は、密な層が得られるように、セラミックス７で満たされている。
【００１９】
図４は、基板１と多孔性層４との間に少なくとも１つの他の中間層１０が存在可能であることを示している。
【００２０】
図５は、本発明による層構造体２０のもう１つの使用例を示す。この層構造体２０は、ガスタービン内でバーナに後置接続され、例えばタービンブレード２６を囲むガスタービンのケーシング２３の一部をなす。タービンブレード２６の回転軸を符号２９で示す。本発明による層構造体２０は、タービンケーシング２３とタービンブレード２６との間のパッキンとなり、前記のハニカム構造に代わるものとなる。他の使用例として、ガスタービンブレードや耐熱防護板の構成要素としての使用がある。
【００２１】
図６ａ、ｂは本発明による層構造体２０を製造する工程を示す。基板１と、既に製造済みの多孔性の部材４（図６ａ）を接合技術により互いに接合する（図６ｂ）。これは、例えば溶接、拡散溶接又は拡散ろう接により実施できる。他の接合技術も可能である。
【００２２】
図７は、本発明による層構造体２０を製造するもう１つの方法を示す。基板１上に懸濁液３２を塗布し、該液を例えば温度Ｔで処理し、多孔性層４に変換する。これは周知の通り、懸濁液３２が金属粉末と熱処理時に蒸発する活性化剤とを含み、この金属を含む懸濁液が泡立ち、その際の高温でそれらの金属粒子が例えば互いに焼結し、こうして多孔性層４が生じ、同時に基板１に良好に結合するようにして行う。この場合多孔性の、特に泡状構造を形成する他の方法として、例えば精密鋳造法等を使用できる。
【００２３】
図８は、本発明による層構造体２０を製造する別の実施例を示す。これは、例えば一度の鋳造プロセスで、まず基板１用の材料を鋳造し、次いで中断することなく連続的に金属又は合金を多孔性の構造に鋳造するか、基板１上に、場合によってはセラミックスで充填された多孔性の金属層４を形成すべく、金属とセラミックスの混合物を鋳造することで行う。未加工の鋳造部材３８から中間処理により基板１と多孔性層４を形成してもよい。
【００２４】
本発明による層構造体２０を最終的に仕上げるため、しばしばセラミックス７を多孔性層４中に入れることが更に必要になる。これは、被覆装置３５（図９ａ）により例えばプラズマ溶射で行うことができ、こうして多孔性層４中にセラミックス被覆１６が形成される。この被覆法は、多孔性層の壁面１３を被覆するばかりでなく、緊密な層を得るべく、少なくとも部分的に閉鎖するようにして進められる。
【００２５】
セラミックス粒子を含むセラミックスの懸濁液を、特に噴射ノズル３５（図９ａ）を用いて多孔層４中に注入してもよい。その後の製造工程で、懸濁液の溶剤を蒸発させることでセラミックス粒子７が後に残り、熱処理後に多孔性層４の金属壁面１３と結合する。
【００２６】
多孔性層４の上方範囲１１の孔だけをセラミックス７で完全に満たしてもよい（図９ｂ）。
【００２７】
この多孔性層４は、有利なことに高温で良好な機械的特性を示し、かつ熱遮蔽の役目をするセラミックス７で満たされている。しかしまたこのセラミックス及び多孔性層の金属壁面１３を酸化及び／又は腐食及び／又は熱に対し保護するために、多孔性層４上（図１０ａ）又は多孔性層（４）（図１０ｂ）の内部のセラミックス粒子又はセラミックス層１６の上に、更にもう１つのセラミックス保護層４１を施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１ａ】超合金製基板上に多孔性層を施した本発明による層構造体の断面図。
【図１ｂ】多孔性層中にセラミックスが存在する層構造体の断面図。
【図２ａ】多孔性層の孔壁をセラミックス層で被覆した層構造体の断面図。
【図２ｂ】多孔性層の細孔の内部表面がセラミックス層で被覆された状態の拡大断面図。
【図３】多孔性層の細孔をセラミックスで満たした層構造体の断面図。
【図４】基板と多孔性層との間に中間層が存在可能であることを示す層構造体の断面図。
【図５】ガスタービンケーシングとタービンブレードとの間のパッキンとしての本発明による層構造体の使用例を示す図。
【図６ａ】基板と多孔性層との接合前の層構造体の製造工程を示す図。
【図６ｂ】基板上に予め仕上げた多孔性層を接合技術により接合した層構造体の断面図。
【図７】基板上に懸濁液を塗布し、これを熱処理して多孔性層とした層構造体の断面図。
【図８】未加工の鋳造部材から中間処理により基板と多孔性層を形成する層構造体の製造工程を示す図。
【図９ａ】被覆装置（噴射ノズル）によりセラミックスを多孔性層中に入れる本発明による層構造体の仕上げ工程を示す図。
【図９ｂ】多孔性層の上方範囲の気孔だけをセラミックスで満たした層構造体の断面図。
【図１０ａ】多孔性層の上にもう１つのセラミックス保護層を施した層構造体の断面図。
【図１０ｂ】多孔性層内のセラミックス粒子またはセラミックス層上に更にセラミックス保護層を施した状態を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１  基板、４  多孔性層、７  セラミックス、１０  中間層、１３  壁面、１６  セラミックス被覆、２０、２３  層構造体、２６  ガスタービンブレード、２９  回転軸、３２  懸濁液、３５  被覆装置、３８  未加工の鋳造部材、４１  セラミックス保護層
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【国際調査報告】
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