(57)【要約】【課題】下層のセラミック遮熱コーティングの有無に関わらず、ボンドコートなどの保護コーティングを超合金金属基材に高速大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）するための方法を提供すること。【解決手段】金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金結合粒子（ここでＭは鉄、コバルト、又はニッケルの少なくとも１つである）の施工は、例えば、４００ｍ／ｓ〜７００ｍ／ｓの範囲内で、４００ｍ／ｓ以上の粒子速度で維持される。金属基材上で得られるボンドコートが、約３００〜約５００μインチＲａの表面粗さ、及び理論密度の９０％以上の密度を有する。保護コーティングは、いずれかの好適なプロセスでボンドコートを覆って施工されるセラミック遮熱コーティングを含むことができる。【選択図】      図１
2011047049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超合金金属基材に保護コーティングを施工する大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）方法であって、
ＭＣｒＡｌＹ（ここでＭは鉄、コバルト、又はニッケルの少なくとも１つである）を含むボンドコート粒子を前記金属基材上に大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）する段階と、
前記ＡＰＳプロセスで４００ｍ／ｓ以上の粒子速度を維持する段階と、
前記金属基材上で得られるボンドコートが約３００〜約５００μインチＲａの表面粗さを有し、且つ理論密度の９０％以上の密度を有するような粒度分布範囲及び組成を有するボンドコート粒子をＡＰＳプロセスで使用する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記得られるボンドコートが理論密度の９５％以上の密度を有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ＡＰＳ粒子速度が４００ｍ／ｓ〜７００ｍ／ｓの範囲である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記ＡＰＳ粒子速度が４００ｍ／ｓ〜５００ｍ／ｓの範囲である、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記ボンドコートを覆ってセラミック遮熱コーティングを施工する段階を更に含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記セラミック遮熱コーティングが、イットリア、マグネシア、セリア又は他の酸化物のいずれかで安定化されたジルコニアの粒子を含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記セラミック遮熱コーティングが、約１１μｍ〜約１２５μｍの粒度分布と４００ｍ／ｓ以上の粒子速度とを有するセラミック粒子を用いたＡＰＳプロセスで施工される、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記セラミック遮熱コーティングが、約５μｍ〜約２５μｍの粒度分布と５００ｍ／ｓ以上の粒子速度とを有するセラミック粒子を用いたＡＰＳプロセスで施工される、請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記金属基材がタービン部品の一部である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
保護コーティングシステムを施工した超合金金属部品であって、
超合金金属基材と、
前記超合金金属基材に施工され、ＭＣｒＡｌＹ合金粒子（ここでＭは鉄、コバルト、又はニッケルの少なくとも１つである）から４００ｍ／ｓ以上のＡＰＳ粒子速度で溶射された大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）ボンドコートと
を備え、
前記ボンドコートが、約３００〜約５００μインチＲａの表面粗さを有し、且つ理論密度の９０％以上の密度を有する、超合金金属部品。
【請求項１１】
前記ボンドコートが理論密度の９５％以上の密度を有する、請求項１記載の部品。
【請求項１２】
前記ボンドコートを覆って施工されるセラミック遮熱コーティングを更に備え、該セラミック遮熱コーティングが、イットリア、マグネシア、セリア又は他の酸化物のいずれかで安定化されたジルコニアを含む、請求項１０又は請求項１１記載の部品。
【請求項１３】
前記セラミック遮熱コーティングが、約１１μｍ〜約１２５μｍの粒度分布と４００ｍ／ｓ以上の粒子速度とを有する安定化ジルコニア粒子を用いたＡＰＳプロセスで施工される、請求項１２記載の部品。
【請求項１４】
前記セラミック遮熱コーティングが、約５μｍ〜約２５μｍの粒度分布と５００ｍ／ｓ以上の粒子速度とを有する安定化ジルコニア粒子を用いたＡＰＳプロセスで施工される、請求項１２記載の部品。
【請求項１５】
前記部品が、タービン燃焼部品の内側表面の少なくとも一部を含む、請求項１０又は請求項１１記載の部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に金属基材に施工される保護コーティングに関する。より具体的には、本発明は、例えばタービンエンジン燃焼部品の基材上にボンドコートを大気プラズマスプレーする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの効率を向上させるために、より高温の動作温度が常に求められている。しかしながら、動作温度が高くなると、これに応じてエンジンの部品の高温耐久性も向上しなければならない。高温耐久性の飛躍的な進歩は、ニッケル及びコバルト基超合金の形成によって、並びに耐酸化性オーバーレイコーティングの生成によって達成され、該コーティングには、一般的に、高温曝露中に保護酸化物スケールを形成するよう超合金基材の表面上に直接堆積した単一層コーティング又は拡散がある。それでも尚、オーバーレイコーティングにより保護される超合金は、タービン、燃焼器、及びオーグメンタなど、ガスタービンエンジンの特定のセクションに位置する部品に十分な機械的特性を保持していないことが多い。共通の解決策は、このような部品を熱的に絶縁し、これらの使用温度を最低にすることである。この目的において、高温部品の露出表面上に形成された遮熱コーティング（ＴＢＣ）系は広く用いられている。
【０００３】
有効であるためには、遮熱コーティング系は、熱伝導率が低く、物品への付着力が強く、更に、多数の冷熱サイクルを経た後でも付着力を保持していなければならない。後者の要件は、熱伝導率が低い材料と、タービンエンジン部品を形成するのに通常使用される超合金材料との間に熱膨張係数の差が存在することに起因して、特に要求されることである。上記の要件を満たすことができる遮熱コーティング系は、一般に、部品表面上に堆積される金属ボンドコートと、これに続いて、部品を熱的に絶縁する役割を果たす接着性遮熱セラミック層とを必要とする。
【０００４】
種々のセラミック材料、特に、イットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ2）、酸化スカンジウム（Ｓｃ2）、又は他の酸化物などで安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）は、遮熱層として利用されてきた。これらの特定の材料は、プラズマ溶射、フレーム溶射、及び蒸着技法により容易に堆積することができるので、当該技術分野で広く利用されている。熱サイクルを受けたときに剥離に対するセラミック層の耐性を高めるために、ガスタービンエンジンの高温領域で利用される遮熱コーティング系は、通常、物理蒸着（ＰＶＤ）法、特にセラミック層に耐剥離性の柱状粒子構造をもたらす電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）により堆積される。
【０００５】
ボンドコートは通常、部品へのセラミック層の付着を強化し、下層の超合金の酸化を抑制するために、耐酸化性アルミニウム含有合金から形成される。従来技術のボンドコートの具体例は、ＭＣｒＡｌＹ（ここでＭは鉄、コバルト、及び／又はニッケルを含む）などのカーバーレイコーティング、及び耐酸化性のアルミニウム基金属間化合物である拡散アルミナイド又はプラチナ−アルミナイドなどの拡散コーティングを含む。ボンドコートは、通常、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）（低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）とも呼ばれる）、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、及び高速フレーム（ＨＶＯＦ）溶射プロセスなど、溶射プロセスで基材上に堆積される。
【０００６】
ＶＰＳ（ＬＰＰＳ）法は、バケット／ブレードなどの重要なガスタービン部品に望ましい高密度で比較的酸化物の無いボンドコートを生成する。しかしながら、これらのシステムは、比較的複雑であり、かなりの設備投資を必要とする。当該システムは、高消費電力の機器、異なるサイズの部品用の複数の溶射及び真空チャンバを必要とし、時間のかかるプロセスサイクルを伴う。ＶＰＳ法によるガスタービン部品のコーティングは、経済的に実現可能なものではない。
【０００７】
ＨＶＯＦにより堆積されるボンドコートは、ＨＶＯＦプロセスで高速の粒子速度が達成可能である結果として、極めて高密度でほぼ酸化物が無いコーティングを生成することができる。しかしながら、現在の商業的に利用可能なＨＶＯＦガン及びシステムは、タービン燃焼部品にはあまり好適ではない。詳細には、従来のＨＶＯＦガンは、比較的長尺で、コーティング表面から約８〜約１５インチの離隔距離を必要とし、従って、タービン燃焼部品の比較的小さな内径には収まらない。加えて、ＨＶＯＦにより堆積されるボンドコートは、粒度分布に対して敏感であり、一般により微細な粒子を必要とする。従来のＨＶＯＦガンは、ＡＰＳプロセスで使用されるものよりも微細な−４５〜＋１０μｍの範囲の粒子を使用する。ドイツ国Ｄｏｒｔｍｕｎｄ所在のＴｈｅｒｍｉｃｏ社は、より微細な粒子（＜２０μｍ）を使用する小型ＨＶＯＦガンを開発したが、高価で、容易に利用可能なものではない。加えて、Ｔｈｅｒｍｉｃｏのシステムは、従来のＨＶＯＦシステムよりも５倍の遅さで堆積する。より微細な粒子は、比較的滑らかな表面粗さ（望ましくない特性）を有するＨＶＯＦ施工ボンドコートをもたらす。粗形のボンドコートは、例えば、約−２３０〜＋３２５メッシュのサイズを有する粒子など、より粗い粉体を用いてＨＶＯＦにより堆積することができるが、比較的低いＨＶＯＦフレーム温度は、未溶融粉体を含むボンドコートを生じ、従って、コーティングは多孔性で、低密度である。
【０００８】
ＡＰＳボンドコート法は、装置コストが安価で施工及びマスキングが容易であることに起因して、好ましい場合が多い。加えて、遮熱コーティングのボンドコートへの付着性は、１つには、ボンドコート表面の構造及び粗さの作用であり、ＡＰＳプロセスは、ＡＰＳで使用される粉体が比較的大きいことに起因して、粗形のボンドコートを生成する。ＡＰＳボンドコートへのセラミック層の付着は、（ＡＮＳＩ／ＡＳＭＥ規格Ｂ４６１−１９８５で測定した算術平均粗さ（Ｒａ））約２００マイクロインチ（約５μｍ）〜約５００マイクロインチ（約１３μｍ）Ｒａの表面粗さを有するようボンドコートを形成することにより促進される。
【０００９】
ＡＰＳ施工ボンドコートは、その粗さにより良好なＴＢＣ接着を提供し、これは、ＡＰＳボンドコートが空気の存在下で高温で堆積され、これらが本来的に高い酸化物含有物を含んでおり、連続した酸化物スケールを形成しないことにより熱成長酸化（ＴＧＯ）を生じる傾向がある。
【００１０】
従って、当該技術は、ＶＰＳ及びＨＶＯＦシステムの本来的な欠点がなく、所望の程度の表面粗さを有する高密度で且つ比較的酸化物が無いボンドコートを生成するボンドコート堆積用の商業的に利用可能な改善されたＡＰＳプロセスから恩恵を受ける。このような改善されたＡＰＳプロセス及びシステムは、コスト及び効率の点で従来のＡＰＳシステムに相当するべきである。
【発明の概要】
【００１１】
本発明の態様及び利点は、その一部を以下の説明に記載しており、又はその説明から自明なものとすることができ、或いは本発明を実施することにより知ることができる。
【００１２】
本発明は、下層のセラミック遮熱コーティングの有無に関わらず、ボンドコートなどの保護コーティングを超合金金属基材に高速大気プラズマ溶射（ＨＶ−ＡＰＳ）するための方法を提供する。本発明はまた、自動車産業及び同様のものなど、ボンドコートが望ましい何らかの用途において有利とすることができる。本発明は、シュラウド、バケット、ノズル及び燃焼ライナ、キャップ、並びに同様のものを含む、タービン部品のいずれかの様態をコーティングするガスタービン環境で特に有用である。
【００１３】
本発明の方法は、例えば、４００ｍ／ｓ〜７００ｍ／ｓの範囲内で、４００ｍ／ｓ以上の粒子速度で金属基材上にＭＣｒＡｌＹ合金結合粒子（ここでＭは鉄、コバルト、又はニッケルの少なくとも１つである）のＨＶ−ＡＰＳ施工を含む。ボンドコート粒子は、所与の粒子速度において、金属基材上で得られるボンドコートが約３００〜約５００μインチＲａの表面粗さを有するような組成及び粒度分布範囲を有する。得られるボンドコートがまた、理論密度の９０％以上の密度を有する。保護コーティングは、ＨＶ−ＡＰＳ又は他のプロセスを含む、いずれかの好適なプロセスでボンドコートを覆って施工されるセラミック遮熱コーティングを含むことができる。
【００１４】
本発明はまた、本発明の態様に従って保護コーティングが形成された金属基材部品のいずれかの様態を含む。部品は、基材の表面にＨＶ−ＡＰＳボンドコートが施工された、Ｎｉ又はＣｏ基超合金などの超合金金属基材を含む。ＨＶ−ＡＰＳボンドコートは、４００ｍ／ｓ以上のＡＰＳ粒子速度でＭＣｒＡｌＹ合金粒子（ここでＭは鉄、コバルト、又はニッケルの少なくとも１つである）から溶射される。ボンドコートは、約３００〜約５００μインチＲａの表面粗さを有し、且つ理論密度の９０％以上の密度を有する。保護コーティングシステムは更に、ＡＰＳ、ＨＶ−ＡＰＳ、又は他のプロセスでボンドコートを覆って施工されるセラミック遮熱材料などの遮熱コーティングを含むことができる。
【００１５】
本発明のこれら及び他の実施形態並びに特徴は、以下の明細書においてより詳細に説明する。
【００１６】
添付図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来のガスタービン燃焼室の図。
【図２Ａ】本発明の態様によるプロセスからのＨＶ−ＡＰＳボンドコートの顕微鏡写真の図。
【図２Ｂ】従来技術のＡＰＳプロセスからのＡＰＳボンドコートの顕微鏡写真の図。
【図３Ａ】従来のＡＰＳボンドコートを覆うＨＶ−ＡＰＳセラミック（ＹＳＺ）遮熱コーティングの顕微鏡写真の図。
【図３Ｂ】従来のＡＰＳボンドコートを覆うＨＶ−ＡＰＳセラミック（ＹＳＺ）遮熱コーティングの顕微鏡写真の図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ここで、本発明の実施形態について詳細に説明し、その１以上の実施例が図面において例示されている。各実施例は、本発明の説明の目的で提供され、本発明を限定するものではない。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正及び変形を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明された特徴を別の実施形態と共に用いて更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的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。
【００１９】
上記で検討したように、遮熱コーティング（ＴＢＣ）系は、多くの場合、タービン部品などの高温に曝される金属部品の効率及び性能を改善するのに用いられる。タービン内の燃焼ガス温度は、作動効率のために可能な限り高く維持される。タービン燃焼部品及びエンジンの他の要素は、通常、約１０００〜１１５０℃の動作温度限界を有する高温環境に耐えることができる合金（例えば、超合金）から作られる。遮熱コーティングは、種々のエンジン部品を形成するのに使用される合金の表面温度を維持又は低下させることにより、タービンの動作温度を効率的に上昇させる。ほとんどの遮熱コーティングは、例えば、通常はイットリアなどの別の材料と化学的に安定化されるジルコニア（酸化ジルコニウム）のような材料に基づくセラミックベースである。タービンでは、コーティングは、タービンブレード及びベーン、燃焼器ライナ、並びに燃焼器ノズルなどの種々の表面に施工される。
【００２０】
図１は、ガスタービンの従来の燃焼室２０を示しており、一般に遮熱コーティングを必要とする幾つかの部品を含む。これらの燃焼室２０の円形アレイが、ガスタービンの中心の周りに配置され、燃料システムからの燃料と、タービン圧縮機からの加圧空気とを受け取る。燃焼室２０は、加圧空気入口ダクト、流れスリーブ２２、及びタービンに燃焼空気を配向する燃焼ガス排気ダクト又はトランジションピース２３を含む。流れスリーブ２２は燃焼ライナ２４を収容し、該燃焼ライナ２４は燃焼ゾーン２５を画成する。燃焼システム内に燃焼ケーシング２９が設けられ、燃焼室２０の各々を収容し、該燃焼室２０をガスタービンのハウジングに取り付ける。燃焼ライナ２４は、流れスリーブ２２内で同軸方向に装着される。燃焼ライナ２４及び流れスリーブ２２は共に、燃焼ケーシング２９内に同軸に装着される。燃焼ライナ２４は、燃焼ノズルとほぼ整列した入口端部を有するほぼ円錐の形状を備える。燃焼ライナ２４はまた排気端部を画成する。排気端部は、燃焼システムからの燃焼ガスのための流路を画成するトランジションピース２３に結合される。
【００２１】
当業者には理解されるように、遮熱コーティングは、燃焼室部品の種々の表面を保護するために極めて重要なものである。この目的のために幾つかのコーティング系が使用される。このようなシステムは通常、最初に基材に施工される耐酸化性ボンドコートを含む。ボンドコートは単に、保護コーティングとしての役割を果たすことができ、或いは、上記で検討したセラミック材料の１つのような、続いて施工される遮熱材料の下に施工することができ、この目的のためボンドコートは、接着を促進しＴＢＣ系の有効寿命を延ばすのに極めて重要である。上述のように、本発明は、基材上にボンドコートを堆積する、詳細には燃焼部品の内部表面をコーティングする改善ＡＰＳ法を含む。
【００２２】
ＡＰＳプロセス及びシステムは、一般に、当業者には公知であり、本明細書で詳細に説明する必要はない。プラズマ溶射技法は、一般に電気アークを使用して、空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、又は水素などの種々のガスを約８０００℃以上の温度まで加熱する。本プロセスは、空気環境で実施されるときには「大気プラズマシステム」と呼ばれる。ガスは、アノードノズル直径と相関する速度でアニュラスから排出され、特性サーマルプルームを生成する。粉体材料（例えば、ボンドコートの場合のＭＣｒＡｌＹ合金粒子、又は遮熱の場合のジルコニア系粒子）がプルームに送給され、溶融粒子がコーティングされる基材に向かって加速される。酸素の吸入を低減するためにノズル部品の周りに不活性ガスシュラウドを組み込むシステムは、本開示の目的におけるＡＰＳシステムとはみなされない。
【００２３】
典型的なプラズマ溶射システムは、例えば、タービンブレードの翼形部セクションなど、コーティングされる基材の堆積表面の方向を指すノズルを有するプラズマガンアノードを含む。プラズマガンは、多くの場合、例えば、基材表面全体にわたって種々のパターンでガンを移動できるロボット機構により自動的に制御される。プラズマプルームは、プラズマガンアノードの出口と基材表面との間で軸方向に延びる。
【００２４】
粉体噴射手段の一部のタイプは、アノードと基材表面との間の予め定められた所望の軸方向場所に配置される。場合によっては、粉体噴射手段は、プラズマプルーム領域から半径方向で離間して配置され、粉体材料用の噴射管は、粉体をプラズマプルームに所望の角度で配向できるような位置に置かれる。粉体粒子は、キャリアガスに同伴され、噴射器を通じてプラズマプルームに排出される。粒子は、プラズマにおいて加熱されて基材に向かって排出される。粒子は、溶融されて基材に衝突し、急激に冷却されてボンドコート又は遮熱コーティングを形成する。
【００２５】
従来のＡＰＳシステムとは異なり、本発明によればＨＶ−ＡＰＳプロセスで４００ｍ／ｓ以上の粒子速度が維持される。一部の特定の実施形態では、速度は、少なくとも約４５０ｍ／ｓであり、また、約４００ｍ／ｓ〜約７００ｍ／ｓの範囲、より具体的には約４００ｍ／ｓ〜約５００ｍ／ｓの範囲であってもよい。これらの粒子速度は、従来のＡＰＳシステムで使用される典型的な速度よりも実質的に高速である。一例として、典型的なＡＰＳプロセスにおけるプラズマ溶射ガンは、約１５０−２５０メートル／秒の範囲のコーティング粒子速度をもたらす。
【００２６】
様々なセンサシステムを用いてプラズマガン出口から下流側で粒子速度を測定するために種々の技法が利用可能である。非限定的な具体例として、粒子速度及び粒子速度分布を求める測定システムは、米国特許第６８６２５３６号（Ｒｏｓｉｎ）に記載されている。商業的に利用可能なオンライン監視及び測定装置の１つの具体例は、カナダ国Ｍｏｎｔｒｅａｌ所在のＴｅｃｎａｒ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ社（ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｔｅｃｎａｒ．ｃｏｍ／）から入手可能なＤＰＶ−２０００システムである。
【００２７】
本発明のＨＶ−ＡＰＳプロセスは、従来の粒度分布範囲を有する商業的に利用可能なＭＣｒＡｌＹ合金と共に利用することができる。例えば、Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ州Ｄａｎｂｕｒｙ所在のＰｒａｘａｉｒ社（ＵＳＡ）は、−４５／＋１０μｍの粒度分布（ほぼ１０μｍのｄ１０パーセント；ほぼ４５μｍのｄ９０パーセント）を有するＰｒａｘａｉｒ  ＮＩ−３４３を含む、本発明のＨＶ−ＡＰＳプロセスで使用するのに好適な幾つかのコバルト基及びニッケル基ＭＣｒＡｌＹ粉体を提供する。Ｓｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  Ｄｉａｍａｌｌｏｙ  ４７００は、−４５／＋１５μｍの粒度分布範囲を有する好適なＭＣｒＡｌＹ合金粉体の別の具体例である。粒子組成、サイズ、及び速度は全て、約３００〜約５００マイクロインチＲａ（ＡＮＳＩ／ＡＳＭＥ規格Ｂ４６１−１９８５で測定した算術平均粗さ（Ｒａ））の表面粗さを有するボンドコートが得られる要因である。粗形表面は、ボンドコートとその後に施工される遮熱材料との間の良好な接着を確保する役割を果たす。
【００２８】
本方法によるボンドコートは、あらゆる好適な厚みを有して形成することができる。典型的なボンドコートは、約１００μｍ〜約４００μｍなど、約２５μｍ〜約７５０μｍの範囲内にある。
【００２９】
得られるＭＣｒＡｌＹボンドコートはまた、理論密度の９０％以上の密度、より詳細には約９５％の密度を有する。これらの密度は、従来のＡＰＳプロセスと比べて、ボンドコート中の酸化物含量がより少ないことを示しており、酸化に対する有効ＴＢＣ寿命及び基材寿命を大幅に延長させる。ボンドコート中の酸化物含量の減少（密度の増加により反映される）は、部品の供用中のボンドコート及びＴＢＣコーティングの境界面での熱成長酸化物（ＴＧＯ）の好ましくない成長を阻止する。ＴＧＯが亀裂、離層、及び剥離などのＴＢＣ不具合を促進することは、一般に認められている。
【００３０】
本プロセスはまた、ボンドコートを覆って施工される遮熱コーティングの適用を含む。本プロセスは、いずれかの特定のタイプの遮熱材料に限定されず、上記で検討した種々のセラミック材料のいずれか、詳細には、イットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ2）、酸化スカンジウム（Ｓｃ2）、又は他の酸化物などで安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）を含むことができる。セラミック障壁材料は、物理蒸着（ＰＶＤ）法、特に電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）又は従来のＡＰＳ技法によるなど、いずれかの好適な公知の技法により堆積することができる。
【００３１】
望ましいプロセスの実施形態では、セラミック障壁材料はまた、ＨＶ−ＡＰＳプロセスで堆積され、ここでセラミック組成粒子は、４００ｍ／ｓ以上の粒子速度で施工される。粒子速度は、約４００ｍ／ｓ〜約７００ｍ／ｓの範囲とすることができる。幾つかの特定の実施形態では、速度は少なくとも約４５０ｍ／ｓであり、約６００ｍ／ｓであってもよい。ＨＶ−ＡＰＳプロセスは、比較的低い堆積温度（≦５５０度華氏）でより良好な歪み耐性がある高密度垂直亀裂ＴＢＣ（ＤＶＣ−ＴＢＣ）を生成する。より高い粒子速度（例えば、約６００ｍ／ｓ）は、良好なスプラット間結合を促進し、スプラット間の間隙を低減する。スプラット間結合を改善することにより、コーティング密度、従ってコーティング引張強度が改善されると共に、配位垂直微小亀裂が促進される。高い粒子速度は、基本的に、例えば、米国特許第６３０６５１７号で記載されるようなＤＶＣ−ＴＢＣを形成する際の堆積温度と同じ役割を果たすと考えられる。タービン燃焼部品のサイズが比較的大きいことに起因して、従来の低速のＡＰＳプロセスで高い堆積温度（すなわち、＞５５０度華氏）を達成することは困難である。
【００３２】
商業的に利用可能なイットリア安定化セラミックコーティング粒子は、例えば、約−１２５／＋１１μｍの粒度分布範囲（ほぼ１１μｍのｄ１０パーセント；ほぼ１２５μｍのｄ９０パーセント）を有するＳｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  ２４０ＮＳの８ｗｔ％イットリア安定化ジルコニア粉体、又は約−９７／＋２５μｍの粒度分布範囲を有するＳｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  ２４０ＮＡなどのＴＢＣ材料に用いることができる。
【００３３】
特定の固有の実施形態では、イットリア安定化セラミックコーティング粒子は、約５０ミクロンよりも大きくない平均粒度を有することができる。幾つかの特定の実施形態では、平均粒度は約２５ミクロンよりも大きくない。このような実施形態の最小平均粒度は約１ミクロンとすることができる。場合によっては、約１ミクロンよりも小さい粒子は、大気プラズマを通って移動した後に目標とする表面上に効果的に堆積することができないと考えられる。例えば、表題「Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｉｎ−Ｆｌｉｇｈｔ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｓｔａｔｅｓ  ｉｎ  Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｐｒａｙｉｎｇ  ｏｆ  Ａｌｕｍｉｎａ  ａｎｄ  Ｚｉｒｃｏｎｉａ  Ｎａｎｏ−Ｃｅｒａｍｉｃｓ」（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  ２００５  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｐｒａｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  Ｂａｓｅｌ，  Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ，  Ｍａｙ，  ２００５）のＢｅｒｇｈａｕｓ他による文献を参照されたい。幾つかの場合における好ましい粒度は、約５ミクロン〜約５０ミクロンの範囲である。一部の特に好ましい実施形態では、粒度は、約５ミクロン〜約２５ミクロンの範囲、すなわち、所与の試料内の粒子の実質的に全てが当該サイズ範囲内に入る。一般に、これらの粒度は、上記で検討したＳｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  ２０４ＮＳの８ｗｔ％イットリア安定化ジルコニア粉体など、ＡＰＳで使用される典型的なセラミックＴＢＣ材料よりも実質的に小さい。約５０ミクロンよりも大きくない平均粒度を有するイットリア安定化セラミックコーティング粒子のＨＶ−ＡＰＳ用途に関する詳細な検討は、同一出願人の米国特許公開第２００９／０１６２６７０号に含まれる。
【００３４】
本発明によれば、従来のＡＰＳシステムを修正して、プラズマ速度、従って粒子速度を効果的に増大させることができる。一般に、この事例におけるＡＰＳシステムの修正は、プラズマ溶射ガンに適合する別のノズルの異なる構成の選択を含む。本事例では、高速アノードノズルを備えた商用大気プラズマ溶射ガンを利用して、高速大気プラズマ溶射（ＨＶ−ＡＰＳ）プロセスを実施することができる。非限定的な具体例は、Ｓｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ社から入手可能な７０４高速ノズルを備えた７ＭＢ（又は９ＭＢ、又は３ＭＢ）プラズマ溶射ガンを含む。別の具体例は、Ｐｒａｘａｉｒ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から入手可能な「Ｍａｃｈ  ２」で動作されるＳＧ１００プラズマ溶射ガンである。これらの従来のＡＰＳガンシステムは、例えば、３０−５０ＫＷの出力範囲で動作することができる。
【００３５】
プラズマ内のコーティング粒子の温度はまた、本発明の重要な考慮事項とすることができる。一般に、プラズマ溶射中のコーティング粒子の温度は、セラミック材料の少なくとも溶融温度である。幾つかの好ましい実施形態では、コーティング粒子温度は、材料の溶融温度よりも大きく、例えばその融点よりも高い少なくとも約１００℃である必要があり、幾つかの特に好ましい実施形態では、その融点よりも高い少なくとも約２００℃である。当業者であれば、コーティング粒子を所望の温度まで加熱する役割を果たすことになるＡＰＳシステム（出力レベルなど）における調整に精通している。プラズマ溶射コーティング分野の当業者は、ＡＰＳプロセスによるコーティングの施工に関連する他の詳細事項に精通している。他のステップ及びプロセスパラメータの具体例には、堆積前の表面の清浄化、酸化物除去のためのグリットブラスティング、表面温度、溶射距離（ガンと基材間）などのプラズマ溶射パラメータ、溶射パスの数、粉体送給速度、トーチ出力、プラズマガス選択肢の選択、堆積角度、施工コーティングの後処理、及び同様のものが含まれる。
【００３６】
セラミックコーティングの厚みは、コーティングされる部分の最終用途に依存する。遮熱コーティングの場合、厚みは、通常、約１００ミクロン〜約２５００ミクロンの範囲である。翼形部部品などの各用途における幾つかの特定の実施形態では、厚みは、約１２５ミクロン〜７５０ミクロンの範囲であることが多い。
【００３７】
燃焼部品は、本明細書では「金属基材」として例示されている。しかしながら、多くのタイプのタービン部品が本発明の種々の実施形態から恩恵を受けることができる。非限定的な具体例は、バケット、ノズル、ロータ、ディスク、ベーン、ステータ、ブリスク、シュラウド、及びトランジションピースが挙げられる。更に、部品は、陸上タービン、航空機エンジンタービン、又は船舶用タービンの一部とすることができる。更に、他のタイプの部品は、セラミックコーティング用の金属基材として働くことができる。一例として、基材は、ディーゼルエンジンのヘッド、又は他の自動車部品とすることができる。本発明は金属基材又は部品のいずれかの特定のタイプに限定されない点は理解されたい。
【実施例】
【００３８】
以下の実施例は、単に例証に過ぎず、請求項に記載された本発明の範囲をどのようにも限定するものとして解釈すべきではない。
【００３９】
実施例１
Ｓｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  ３  ＭＢ  ＡＰＳシステムを高速７０４ノズルと共に構成し、これを用いてインコネル（ＩＮ７１８）試験基材上にＰｒａｘａｉｒ  Ｃｏ２４９−６  ＭＣｒＡｌＹボンドコート粉体を堆積させた。Ｐｒａｘａｉｒ粉体は、上記に記載された、−４５／＋１０μｍの粒度分布範囲を有するＰｒａｘａｉｒ  ＮＩ−３４３、及び−４５／＋１５μｍの粒度分布範囲を有するＳｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  Ｄｉａｍａｌｌｏｙ  ４７００に相当する。粒子温度及び速度をＤＰＶセンサで測定し、それぞれ約２２００℃と約４５０ｍ／ｓであった。次に、基材を２０５０°Ｆで約２時間真空加熱処理した。次いで、ＨＶ−ＡＰＳボンドコートの引張接着強度を約１００００ｐｓｉで測定した。引張試験は、ＡＳＴＭ  Ｃ６３３−０１（標準接着試験）に従って実施した。ボンドコートは、理論密度の約９５％の密度であった。
【００４０】
実施例２
複数のＮｉ基（ＲｅｎｅＮ−５）超合金試験ボタンを実施例１で説明するようにボンドコートでコーティングした。各ボタンは、約１インチ（２．５４ｃｍ）の外径と約１／８インチ（０．３ｃｍ）の厚みがあった。次に、Ｓｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  ＯＣ３Ｘ  ＡＰＳシステムと、上記で検討した約−１２５／＋１１μｍの粒度分布範囲を有するＳｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  ２４０ＮＳの８ｗｔ％イットリア安定化ジルコニア粉体を用いたＡＰＳプロセスで、セラミックＴＢＣ遮熱コーティングにボンドコートを施工した。
【００４１】
ボタンは、ボタン装荷ＣＭ炉中に約１０分２０００°Ｆまで試料温度を上昇させた後、４５分間保持し、次いで、約９分間５００°Ｆを下回るまで冷却することにより、炉サイクル試験（ＦＣＴ）のＴＢＣ耐久について試験した。サイクルは、セラミックコーティングがその表面積の２０％を上回って下層の表面から剥離するまで繰り返した。ＴＢＣ破壊までのＦＣＴ試験の試験ボタンの平均サイクル数は約３００であった。ＨＶ−ＡＰＳボンドコートを備えた試験ボタンの１つの顕微鏡写真が図２Ａに示される。
【００４２】
比較例１
約２００ｍ／ｓの粒子速度のＳｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  Ｏ３ＣＸ  ＡＰＳシステムを用いて従来のＡＰＳプロセスでボンドコートを施工し、それ以外は同じ材料及び試験ボタンを用いて実施例２で上述したプロセスを再度行った。ＴＢＣ破壊までのＦＣＴ試験のこれらの試験ボタンの平均サイクル数は約２００であり、ＨＶ−ＡＰＳボンドコートボタンにおける３００サイクルよりも有意に少なかった。従来のＡＰＳボンドコートを備えた試験ボタンの１つの顕微鏡写真を図２Ｂとして示す。図２Ａ及び２Ｂの顕微鏡写真の比較において、ＨＶ−ＡＢＳボンドコート（図２Ａ）は、従来のＡＢＳボンドコート（図２Ｂ）よりも有意に高密度（約９５％密度）であり、酸化物含有量が有意に少ない（黒い部分及び図２Ｂのライン）。
【００４３】
実施例３
実施例２で上述したプロセスは、異なるＮｉ基超合金（ハステロイ−Ｘに相当する）上で同じ材料及びプロセスパラメータで繰り返した。ＴＢＣ破壊までのＦＣＴ試験の試験ボタンの平均サイクル数は約３００であった。
【００４４】
実施例４
約２００ｍ／ｓの粒子速度のＳｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  Ｏ３ＣＸ  ＡＰＳシステムを用いた従来のＡＰＳプロセスで複数のＮｉ基（Ｒｅｎｅ  Ｎ−５）超合金試験ボタンをコーティングした。約６００ｍ／ｓの粒子速度の高速ノズル７０４で構成されたＳｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ  ７ＭＢを用いたＨＶ−ＡＰＳプロセスで、５〜２２μｍの粒度を有するＨ．Ｃ．Ｓｔａｒａｃｋ（Ａｍｐｅｒｉｔ  ８２５．０）からイットリア安定化ジルコニア粉体のセラミックＴＢＣ遮熱コーティングを施工した。図３Ａ及び３Ｂは、得られるＴＢＣコーティングの顕微鏡写真である。これらの試料は、約５５亀裂／インチの垂直亀裂密度、約７０００ｐｓｉの引張強度、及び約２００〜２５０ｋｓｉの面内弾性係数を有する。
【００４５】
本発明の主題を特定の例示的な実施形態及びその方法に関して詳細に説明してきたが、上述の説明を理解することにより、当業者にはこのような実施形態に対する代替形態、変形形態、及び均等な形態を容易に提示することができることは理解されるであろう。従って、本開示の範囲は、限定ではなく例証の目的のものであり、本主題の開示は、当業者には容易に理解されるように、本主題に対するこのような修正、変形、及び／又は追加を含むことを排除するものではない。
【符号の説明】
【００４６】
２０  燃焼室
２２  流れスリーブ
２３  トランジションピース
２４  燃焼ライナ
２５  燃焼ゾーン
２９  燃焼ケーシング
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
2011047049.tif 000006
【図３Ｂ】
2011047049.tif 000007
【外国語明細書】
2011047049000001.pdf