(57)【要約】【課題】層状物品を提供する。【解決手段】本物品は、第１の外側層（３００）と、第２の中間層（２００、２０１）と、基材（１００）とを含み、第２の中間層（２００、２０１）は、第１の界面で第１の外側層（３００）にかつ第２の界面で基材（１００）に接触している。第１の外側層（３００）は、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を含み、また第２の中間層（２００、２０１）は、傾斜機能材料を含む。傾斜機能材料は、第１の界面に近接した位置において実質的にＡｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を含まずかつ第２の界面の位置において第１の外側層（３００）と実質的に等しい量のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を有する組成を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の外側層（３００）と、
第２の中間層（２００、２０１）と、
基材（１００）と
を含む物品であって、
第２の中間層（２００、２０１）が、第１の界面で第１の外側層（３００）にかつ第２の界面で前記基材（１００）に接触し、
第１の外側層（３００）が、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を含み、
第２の中間層（２００、２０１）が、傾斜機能材料を含み、
前記傾斜機能材料が、第１の界面に近接した位置において実質的にＡｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を含まずかつ第２の界面の位置において第１の外側層（３００）に実質的に等しい量のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を有する組成を含む、
物品。
【請求項２】
第１の外側層（３００）が、そのＴｉＯ２の量が該第１の層の約２０％である状態になったＡｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を含む、請求項１記載の物品。
【請求項３】
第２の中間層（２００、２０１）が、少なくとも約１０ミルの厚さを含む、請求項１記載の物品。
【請求項４】
前記基材（１００）が、ＭＣｒＡｌＹタービン部品を含む、請求項１記載の物品。
【請求項５】
前記基材（１００）が、基層と該基層上の皮膜層とを含む、請求項１記載の物品。
【請求項６】
物品であって、
第１の外側層（３００）と、
第２の中間層（２００、２０１）と、
基材（１００）と、を含み、
第２の中間層（２００、２０１）が、第１の界面で第１の外側層（３００）にかつ第２の界面で前記基材（１００）に接触し、
第１の外側層（３００）が、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を含み、
第２の中間層（２００、２０１）が、イットリウム安定化ジルコニアを含む、
物品。
【請求項７】
第２の中間層（２００、２０１）のイットリウム安定化ジルコニアが、希土類ドーピング構成成分をさらに含む、請求項６記載の物品。
【請求項８】
前記希土類ドーピング構成成分が、タンタル、イッテルビウム、セリウム及びスカンジウムの少なくとも１つを含む、請求項６記載の物品。
【請求項９】
前記基材（１００）が、基層と該基層上の皮膜層とを含む、請求項６記載の物品。
【請求項１０】
物品であって、
第１の層と、
基材（１００）と、を含み、
第１の層が、耐侵食性及び耐スティック性をもたらすＮｉＣｒ−Ｃｒ２Ｃ３材料を含む、
物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には被覆物品に関する。具体的には、本発明は、総括的にはタービン部品の形態の被覆物品に関する。さらに、本発明は、総括的には皮膜がタービン部品に耐侵食性及び耐スティック性をもたらすようになったタービン部品の形態の被覆物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
それに限定されないが、ガスタービンバケット及びノズルのようなタービン部品内に並びに該タービン部品上に、侵食が発生する可能性がある。侵食は、バナジウム含有アッシュがそれらの部品上に侵食を生じさせるおそれがある程度まで過量のバナジウム（Ｖ）を含むアッシュ形成燃料を燃焼させた時に明確に確認することができる。燃料は、必ずしもバナジウムを含んでいる必要はないが、燃焼したあらゆる燃料が、含アッシュ燃焼ガスを形成する。
【０００３】
高レベルのＶ（＞１００ｐｐｍ）を含む重油燃料（ＨＦＯ）を燃焼させるガスタービンは、腐食を抑制するためにこれらの燃料に付加されたバナジウム及びマグネシウムの反応により生じたアッシュによる衝撃及び侵食を受ける傾向になる可能性がある。これらのアッシュ粒子の衝撃及びその侵食作用により、タービン部品材料の喪失が生じて、該タービン部品の健全性に悪影響を与える可能性がある。幾つかのケースにおけるタービン部品は、該タービン部品を酸化から保護しようとして施工した被膜を有することができる。しかしながら、それら被膜の幾つかは、アッシュの衝撃及び侵食に対する耐性を適切に有するものにはなっていない可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６７４０３６４号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
つまり、本発明の１つの態様によると、物品は、第１の外側層と、第２の中間層と、基材とを含む。第２の中間層は、第１の界面で第１の外側層にかつ第２の界面で基材に接触しており、またさらに第１の外側層は、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を含む。第２の中間層は、傾斜機能材料を含み、この傾斜機能材料は、第１の界面に近接した位置において実質的にＡｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を含まずかつ第２の界面の位置において第１の外側層と実質的に等しい量のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を有する組成を含む。
【０００６】
つまり、本発明の別の態様によると、物品は、第１の外側層と、第２の中間層と、基材とを含む。第２の中間層は、第１の界面で第１の外側層にかつ第２の界面で基材に接触しており、またさらに第１の外側層は、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２を含む。第２の中間層は、イットリウム安定化ジルコニアを含む。
【０００７】
つまり、本発明のさらに別の態様によると、物品は、第１の層と、基材とを含む。第１の層は、耐侵食性及び耐スティック性をもたらすＮｉＣｒ−Ｃｒ２Ｃ３材料を含む。
【０００８】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより一層良好に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明によって具現化した例示的な皮膜の概略図。
【図２】本発明によって具現化した別の例示的な皮膜（層１がまた粗面層１５０を含む必要がある−修正した図２参照）の概略図。
【図３】本発明によって具現化した別の例示的な皮膜（層１がＮｉＣｒ−Ｃｒ２Ｃ３となる必要がある−修正した図３参照）の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これら実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。あらゆる工学技術又は設計プロジェクトにおけるのと同様にあらゆるそのような実際の実施態様の開発では、多数の実施態様仕様の決定を行って、実施態様間で変化する可能性があるシステム関連及びビジネス関連制約条件の順守のような開発者の特定の目標を達成するようにしなければならないことを理解されたい。さらに、そのような開発努力は、複雑なものとなりかつ時間がかかる可能性があるが、それにも拘わらず、本開示の利点を有する当業者には、設計、組立及び製造の定型業務であることになることを理解されたい。
【００１１】
本明細書では、第１の、第２のなどの用語は、様々な要素を説明するのに用いることができるが、それらの要素は、これら用語によって限定されるべきではないことを理解されたい。これら用語は、１つの要素を別の要素と区別するためにのみ用いている。例えば、例示的実施形態の技術的範囲から逸脱せずに、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、また同様に第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で用いる場合に、「及び／又は」という用語は、関連する記載項目の１つ又はそれ以上のいずれか及び全ての組合せを含む。
【００１２】
本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明するためのみのものであり、例示的な実施形態の限定を意図するものではない。本明細書で用いる場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。さらに、本明細書で用いる場合の「含む」、「含んでいる」、「備える」及び／又は「備えている」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び／又は構成部品の存在を特定するが、１つ又はそれ以上のその他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び／或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。
【００１３】
例えば本発明を決して限定するものではないが、本発明の態様は、耐侵食性及び／又は耐衝撃性を強化した皮膜を提供することである。これらの皮膜は、物品に対して本発明によって具現化した強化型の耐侵食性及び／又は耐衝撃性皮膜をもたらす。例えば、本発明によって具現化した物品は、タービン部品を含むことができる。タービン部品は、それに限定されないが、ガスタービンを含むタービンのバケット、ベーン、ノズル、ライナ、ガスタービン燃焼システムの部品、燃焼器、移行部品、ブレード又はあらゆるその他の高温ガス通路部品のようなガスタービン部品とすることができ、本明細書では、本発明に対する非限定的な表現としてタービン部品つまり「物品」と呼ぶことにする。
【００１４】
強化型の耐侵食性及び／又は耐衝撃性皮膜をもたらす本発明によって具現化した皮膜は、重油燃料（ＨＦＯ）を使用することができるタービンにおいて使用することができ、その場合に、これら重油燃料機械内のＶレベルは、約１００ｐｐｍ以下であり、一般的には約２０〜約６０ｐｐｍの範囲内である。従って、強化型の耐侵食性及び／又は耐衝撃性皮膜をもたらす本発明によって具現化した皮膜は、正常間隔以前に発生する可能性があるタービン部品の過早整備補修を回避させることができる。
【００１５】
本発明の１つの態様は、タービン部品の一部を形成したＭＣｒＡｌＹ基材上における耐侵食性セラミック外側皮膜を提供する。図を参照すると、本発明によって具現化したセラミック皮膜１（図１、図２及び図３に示すような）は一般的に、それに対して該セラミック皮膜を施工した基材１００又は金属部分と同等であるか或いは基材１００又は金属部分よりも滑らかである平滑度を示すことになる。基材は、ＭＣｒＡｌＹタービン部品を含むことができる。
【００１６】
本発明によって具現化したセラミック皮膜１の平滑度は、タービン部品の金属基材及びあらゆる既存のタービン部品皮膜と比較して、その耐侵食性故に長時間にわたるタービン部品の使用中に維持することができる。タービン部品の金属基材１００又はあらゆる既存のタービン部品皮膜１００（図２）は、比較的滑らかな状態で使用開始することができるが、該タービン部品の使用の間に比較的粗面状態にかつ滑らかでない状態になることになる。タービン部品の使用により、該タービン部品の平滑性が、それに限定されないが例えばアッシュ侵食によって粗面状にされる。侵食により、タービン部品のより多くの汚損が生じるおそれがある。
【００１７】
本発明によって具現化したように、タービン用の燃料の燃焼の間に形成されたアッシュ粒子のような粒子は、公知の硬質セラミック皮膜により跳ね返されかつ該皮膜にスティックしない可能性がある。本発明によって具現化した皮膜１は、アルミナ、アルミナ、アルミナ−チタニア、ＮｉＣｒ−Ｃｒ２Ｃ３及びドープ／希土類安定化ジルコニアの少なくとも１つをその層状構造を含むことができる。
【００１８】
本発明によって具現化したセラミック皮膜は、約５〜約４５μｍの範囲にある供給原料粉末径を使用して高速空気プラズマ溶射ガンによって施工することができる。そのようなプロセスは、表面Ｒａ〜１００マイクロインチを有する滑らかな皮膜を生成することになる。
【００１９】
本発明によって具現化したセラミック皮膜１の厚さは、約０．００２〜約０．１０インチの範囲又は少なくとも約１０ミルを有し、或いは約１０ミル〜約１５ミルの厚さを有する。耐侵食性スティック防止つまり第１の外側層３００と呼ぶことができるセラミック層１は、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２皮膜を含む。第１の外側層３００のＴｉＯ２の組成は、約０〜約２０％の範囲、例えば約０〜約１３％の範囲内で変化することができる。
【００２０】
本発明によって具現化した皮膜は、第２の中間層２００又は２０１を含む。第２の中間層２００又は２０１は、第１の界面で第１の外側層３００にかつ第２の界面で基材１００に接触する。
【００２１】
図１に示すように、第２の中間層２０１は、基材／既存皮膜上に傾斜機能材料として施工することができる。この第２の中間層２０１における傾斜機能材料は、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２皮膜を含み、この皮膜内では、ＴｉＯ２が、実質的に約０〜約２０％、例えば約０〜約１３％の範囲内で変化し、かつＴｉＯ２が、基材１００の位置での第１の界面における実質的に約０％から約２０％に、例えば約０％から第１の外側層との間の第２の界面における約１３％の範囲内で傾斜し又は変化している。
【００２２】
それに代えてまた本発明の別の態様によると、第２の中間層２００は希土類元素を含むイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）材料を含むことができる。これらの希土類元素には、タンタルＴａ、イッテルビウムＹｂ、セリウムＣｅ及び／又はスカンジウムＳｃの少なくとも１つを含むことができる。これらの希土類元素は、第２の中間層２００のより良好な固着を助けることができる。
【００２３】
本発明によって具現化したセラミック皮膜１は、ガスタービンの殆ど全ての段において見られる温度及び環境に耐えるのを可能にすることができる。
【００２４】
本発明によって具現化したセラミック皮膜１は、粉末を含む第１の外側層及び第２の外側層の少なくとも１つを有することができる。粉末は、約５μｍ（μ５ｍ）〜約４５μｍ（μ４５ｍ）の範囲の直径を有する粉末材料として供給することができる。
【００２５】
本発明の別の態様において、図３は、ガスタービンの第２段及びより高温段で使用するようになった本発明によって具現化した皮膜が、ＮｉＣｒ−Ｃｒ２Ｃ３を含むことを示している。この皮膜４００は、基材１００及びあらゆる既存皮膜上における単層構成を有する（本発明の技術的範囲にあるものとしてこの実施形態に示している）。この皮膜４００は、ガスタービンの第１段の温度と比較して、該ガスタービンの第２段及びより高段における温度に耐えるのを可能にすることができる。
【００２６】
それに限定されないが、ガスタービン用のバケット、ベーン、ノズル、ライナ、ガスタービン燃焼システムの部品、燃焼器、移行部品、ブレード又はあらゆるその他の高温ガス通路部品のような高温ガス通路部品は、重油燃料（ＨＦＯ）を燃焼させることによって作動させることができる。これらのガスタービンは、本発明によって具現化した皮膜１で被覆され、かつ該タービン内で発生したアッシュ／粒子物質による衝撃／侵食／汚損損傷からタービン部品を保護することになる。本発明によって具現化した皮膜は、約１００ｐｐｍよりも高いバナジウム（Ｖ）レベルを含むＨＦＯを燃焼させるガスタービンに適用することを意図している。
【００２７】
本発明によって具現化した皮膜１の化学物質は、抑制Ｖ環境に関して不活性であるつまりアッシュ侵食に対する耐性を有するように選択され、かつ微細粉末及び高速空気プラズマ溶射法を使用して施工することができる。従って、皮膜１は、ガスタービンの高温ガス通路内のアッシュによる汚損／スティック作用に対する耐性を有する緻密かつ滑らかな皮膜を生成することができる。
【００２８】
本発明によって具現化したように耐衝撃性及び耐スティック防止侵食性皮膜１を施工する利点は、高温ガス通路及びガスタービン部品寿命を延長することである。従って、これらの部品は、期待補修間隔にわたって機能を維持することができる。また、本発明によって具現化したようにガスタービンに皮膜１を設けた場合には、水洗浄によるアッシュ除去の頻度を殆ど必要とせず、タービンがより多くの電気を発電することができるような該タービンの作動つまり「アップタイム」を可能にする。
【００２９】
本明細書に開示した範囲は、包括的でありかつ組合せ可能である（例えば、「最大約２５重量％までの又はより具体的には約５重量％〜約２０重量％」の範囲というのは、「約５重量％〜約２５重量％」の範囲の端点及び全ての中間値などを含む）。「組合せ」というのは、ブレンド、混合物、合金、反応生成物などを包括する。さらに、本明細書における「第１の」、「第２の」などの用語は、何らの順序、数量又は重要度を表すものではなく、むしろ１つの要素を別の要素から区別するために使用しており、また本明細書における数詞を付していない表現は、数量の限定を表すものではなく、むしろ記載した事項の少なくとも１つが存在することを表している。数量と関連して使用する「約」と言う修飾語は、記述した数値を包含しかつ文脈によって決まる意図的意味を有する（例えば、特定の数量の測定に関連する誤差の程度を含む）。本明細書で使用する場合における「１つ又は複数の」という前置表現は、この表現が前置する用語のものの単数及び複数の両方を含み、従ってその用語のものの１つ又はそれ以上を含む（例えば、１つ又は複数の着色料という表現は、１つ又はそれ以上の着色料を含む）ことを意図している。本明細書全体にわたる「１つの実施形態」、「別の実施形態」、「実施形態」などという表現は、その実施形態と関連させて説明した特定の要素（例えば、特徴形状、構造及び／又は特性）が本明細書に記載した少なくとも１つの実施形態には含まれまた他の実施形態には存在することができ或いは存在しなくてもよいことを意味している。加えて、記載した要素は、様々な実施形態においてあらゆる好適な方法で組合せることができることを理解されたい。
【００３０】
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３１】
１  セラミック皮膜
１００  基材
１５０  既存皮膜／基材の粗面層
２００  第２の中間層
２０１  第２の中間層
３００  第１の外側層
４００  単層構成の皮膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
2011184796000001.pdf