(57)【要約】  【課題】費用のかかる真空及び機器要件なしで、ＥＢＰＶＤによって生じるコーティングと構造的に類似したコーティングを作製することができる製造法を提供する。  【解決手段】大気圧でのレーザ補助プラズマコーティング方法は、プラズマ、少なくとも１つのターゲット、少なくとも１つのレーザ、及び超合金基板を提供するステップと、ターゲットに向けてレーザを操作可能に指向させてターゲットから原子粒子を遊離させ、原子粒子をプラズマに投入するステップと、プラズマを用いて超合金基板上に原子粒子を堆積させて、約０．５ミクロン〜約６０ミクロンのカラム幅と、約０％〜約９％のカラム内多孔率とを有するサーマルバリアコーティングを作製するステップとを含む。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧でのレーザ補助コーティング方法であって、
プラズマ、少なくとも１つのターゲット、少なくとも１つのレーザ、及び超合金基板を提供するステップと、
前記ターゲットに向けて前記レーザを操作可能に指向させて前記ターゲットから原子粒子を遊離させ、前記原子粒子を前記プラズマに投入するステップと、
前記プラズマを用いて前記超合金基板上に前記原子粒子を堆積させて、約０．５ミクロン〜約６０ミクロンのカラム幅と、約０％〜約９％のカラム内多孔率とを有するサーマルバリアコーティングを作製するステップとからなる、方法。
【請求項２】
前記ターゲットは、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、アルミナ、及びそれらのプレアロイ混合物からなる群から選択されたセラミック材料と、ジルコニウム、イットリウム、アルミニウム、及びそれらの組み合わせからなる群から選択された金属材料とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザは固体パルスレーザを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
約５フェムト秒〜約１００マイクロ秒のレーザパルス長、約０．００１ｍＪ〜約１０Ｊのレーザパルスエネルギー、約１０4Ｗ／ｃｍ2〜約１０15Ｗ／ｃｍ2のレーザ強度、及び約１マイクロメートル〜約５ミリメートルのレーザスポットサイズから選択された任意の１つ以上の動作パラメータを変更することによって、前記サーマルバリアコーティングを調整するステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
約５０ミクロン〜約７５０ミクロンの厚さまで前記サーマルバリアコーティングを施すステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記超合金基板は、ニッケル基超合金又はコバルト基超合金である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
アルゴン、窒素、水素、ヘリウム、酸素、及びそれらの組み合わせからなる群から選択されたガスを含むガス流を有するプラズマトーチを用いて前記プラズマを発生させるステップであって、前記ガス流は、複数の誘導結合プラズマコイル、又はマイクロ波によって活発になるステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法によって施される前記サーマルバリアコーティングを有する超合金基板。
【請求項９】
大気圧でのレーザ補助コーティング方法であって、
プラズマ、２つのターゲット、２つのレーザ、及び超合金基板を提供するステップと、
各々の前記ターゲットに向けて前記レーザのうちの１つを操作可能に指向させて前記ターゲットから原子粒子を遊離させ、前記原子粒子を前記プラズマに投入するステップと、
前記プラズマを用いて前記超合金基板上に前記原子粒子を堆積させて、約０．５ミクロン〜約６０ミクロンのカラム幅と、約０％〜約９％のカラム内多孔率とを有するサーマルバリアコーティングを作製するステップとからなる、方法。
【請求項１０】
各々のターゲットは、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、アルミナ、及びそれらのプレアロイ混合物からなる群から選択されたセラミック材料、又はジルコニウム、イットリウム、アルミニウム、及びそれらの組み合わせから選択された金属材料とを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記レーザは固体パルスレーザを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
約５フェムト秒〜約１００マイクロ秒のレーザパルス長、約０．００１ｍＪ〜約１０Ｊのレーザパルスエネルギー、約１０4Ｗ／ｃｍ2〜約１０15Ｗ／ｃｍ2のレーザ強度、及び約１マイクロメートル〜約２ミリメートルのレーザスポットサイズから選択された任意の１つ以上の動作パラメータを変更することによって、前記サーマルバリアコーティングを調整するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記超合金基板は、ニッケル基超合金又はコバルト基超合金である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ターゲットは同じ材料からなる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
アルゴン、窒素、水素、ヘリウム、酸素、及びそれらの組み合わせからなる群から選択されたガスを含むガス流を有するプラズマトーチを用いて前記プラズマを発生させるステップであって、前記ガス流は、複数の誘導結合プラズマコイル、又はマイクロ波によって活発になるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法によって施される前記サーマルバリアコーティングを有する超合金基板。
【請求項１７】
大気圧でのレーザ補助コーティング方法であって、
プラズマ、酸化ジルコニウムからなる第１ターゲット及び酸化イットリウムからなる第２ターゲットの２つのターゲット、２つのネオジム添加イットリウムアルミニウムガーネットレーザ、及びニッケル基超合金又はコバルト基超合金からなる超合金基板を提供するステップと、
前記第１ターゲット及び前記第２ターゲットの各々に向けて前記レーザのうちの１つを操作可能に指向させて前記ターゲットから原子粒子を遊離させ、前記原子粒子を前記プラズマに投入するステップと、
前記プラズマを用いて前記超合金基板上に前記原子粒子を堆積させて、約９２重量％の酸化ジルコニウムと約８重量％の酸化イットリウムからなり、約０．５ミクロン〜約６０ミクロンのカラム幅と、約０％〜約９％のカラム内多孔率とを有するサーマルバリアコーティングを作製するステップとからなる、方法。
【請求項１８】
アルゴン、窒素、水素、ヘリウム、酸素、及びそれらの組み合わせからなる群から選択されたガスを含むガス流を有するプラズマトーチを用いて前記プラズマを発生させるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ガス流は、複数の誘導結合プラズマコイル、又はマイクロ波によって活発になる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法によって施される前記サーマルバリアコーティングを有する超合金基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、大気圧でのレーザ補助プラズマコーティング方法及びそれを用いて施されたコーティングを有する超合金基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空宇宙産業及び発電産業に用いるガスタービンエンジンの有効性には、ますます差し迫った要求が課されている。この要求は、化石燃料の消費、ひいては操業コストを削減する必要性によって推し進められている。タービン効率を改善する方法の１つは、エンジンのタービンセクションの運転温度を上昇させることである。しかしながら、運転温度が上昇すると、タービンセクションに用いられる材料への要求が増加する。これらの材料は、より高い運転温度（約８００℃〜約１５００℃）に耐え得る必要があるばかりでなく、当該産業で期待される寿命要件を持続的に満たしながら、増加する機械的応力、腐食、浸食、及びその他の厳しい運転条件にも耐える必要がある。このことは、高温部品に施されたサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）を用いることにより達成することができる。
【０００３】
従来の慣例では、プラズマ溶射又は電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）を利用して高温ＴＢＣを施すことが多いが、その両方とも問題がある可能性がある。例えば、プラズマ溶射は、ＥＢＰＶＤよりも耐浸食性及び耐衝撃性が低い高多孔質コーティングを作製することになる。そのようなプラズマ溶射コーティングは、それらが施されるタービン部品の冷却孔の詰まりを起こしやすい可能性がある。ＥＢＰＶＤは、より望ましいコーティングを作製することができるが、高真空下で実施されるものであって機器代が高いので、費用のかかるプロセスである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＯＵＹＡＮＧ  ＺＩＨＡＯら：「大気圧でのレーザ補助プラズマコーティング（ＬＡＰＣＡＰ）」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、前述した費用のかかる真空及び機器要件なしで、ＥＢＰＶＤによって生じるコーティングと構造的に類似したコーティングを作製することができる製造法に対する要求が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、概して、大気圧でのレーザ補助プラズマコーティング方法であって、プラズマ、少なくとも１つのターゲット、少なくとも１つのレーザ、及び超合金基板を提供するステップと、ターゲットに向けてレーザを操作可能に指向させてターゲットから原子粒子を遊離させ、原子粒子をプラズマに投入するステップと、プラズマを用いて超合金基板上に原子粒子を堆積させて、約０．５ミクロン〜約６０ミクロンのカラム幅と、約０％〜約９％のカラム内多孔率とを有するサーマルバリアコーティングを作製するステップとからなる方法に関する。
【０００７】
本発明はまた、概して、大気圧でのレーザ補助プラズマコーティング方法であって、プラズマ、２つのターゲット、２つのレーザ、及び超合金基板を提供するステップと、各々のターゲットに向けてレーザのうちの１つを操作可能に指向させてターゲットから原子粒子を遊離させ、原子粒子をプラズマに投入するステップと、プラズマを用いて超合金基板上に原子粒子を堆積させて、約０．５ミクロン〜約６０ミクロンのカラム幅と、約０％〜約９％のカラム内多孔率とを有するサーマルバリアコーティングを作製するステップとからなる方法に関する。
【０００８】
本発明はまた、概して、大気圧でのレーザ補助プラズマコーティング方法であって、プラズマ、酸化ジルコニウムからなる第１ターゲット及び酸化イットリウムからなる第２ターゲットの２つのターゲット、２つのネオジム添加イットリウムアルミニウムガーネットレーザ、及びニッケル基超合金又はコバルト基超合金からなる超合金基板を提供するステップと、第１ターゲット及び第２ターゲットの各々に向けてレーザのうちの１つを操作可能に指向させてターゲットから原子粒子を遊離させ、原子粒子をプラズマに投入するステップと、プラズマを用いて超合金基板上に原子粒子を堆積させて、約９２重量％の酸化ジルコニウムと約８重量％の酸化イットリウムからなり、約０．５ミクロン〜約６０ミクロンのカラム幅と、約０％〜約９％のカラム内多孔率とを有するサーマルバリアコーティングを作製するステップとからなる方法に関する。
【０００９】
以下の開示から、当業者には、これら及びその他の特徴、態様、及び利点が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本明細書の記述に従った、大気圧でのレーザ補助プラズマコーティング（ＬＡＰＣＡＰ）の一実施形態の概略断面図である。
【図２】本明細書の記述に従った、ＬＡＰＣＡＰシステムの代替実施形態の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書は、本発明を具体的に指摘し、明確に請求する特許請求の範囲で締め括られているが、同様の参照符号で同様の要素を特定する添付図面に関連した以下の説明から、ここに示す実施形態の理解が深まると考えられる。
【００１２】
本発明は、概して、大気圧でのレーザ補助プラズマコーティング（ＬＡＰＣＡＰ）方法及びそれを用いて施されたコーティングを有する高温環境用の超合金基板に関する。本明細書のシステムは「大気圧で」と表されているが、そのように限定されるべきではない。より詳細には、ＬＡＰＣＡＰシステムは、大気圧付近（例えば、約０．５Ａｔｍ〜約３Ａｔｍ）で利用することができる。
【００１３】
一般に、ＬＡＰＣＡＰシステムは、少なくとも１つのパルスレーザを用いて少なくとも１つのターゲットから原子粒子を遊離させてから、それらの原子粒子をプラズマに投入し、基板に堆積させてサーマルバリアコーティングを形成することを必要とする。本明細書で用いられる「遊離」とは、除去、蒸発、融解、又はそれらの幾つかの組み合わせのいずれかを指すことができる。本明細書に記載したコーティングは、高温環境（約８００℃〜約１５００℃）にさらされるあらゆる基板上で使用することができるが、そのようなコーティングは、特にガスタービンエンジンのタービンセクションの構成部品上での使用に適している。
【００１４】
一実施形態では、図１に示すように、ＬＡＰＣＡＰシステム１０は、通常、プラズマトーチ１６と、少なくとも１つのターゲット１２と、少なくとも１つのレーザ１４とを備えている。プラズマトーチ１６は、複数の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）コイル２２を有する放電管２０に投入するガス流１８を含んでおり、後述するように、無線周波数発生器としての機能を果たすことができる。
【００１５】
より詳細には、ガス流１８は、放電管２０に投入してプラズマ２４の発生を促進することができ、従来のプラズマ溶射法を実行するのに適した任意のガスを含むことができ、一実施形態では、アルゴン、窒素、水素、ヘリウム、酸素、及びそれらの組み合わせから選択することができる。特に、ガス流１８を放電管２０に投入すると、ＩＣＰコイル２２によって発生した無線周波電磁界を励起することができる。ガス流１８が放電管２０を通過すると、ＩＣＰコイル付近で、ガス流１８が導電性になってプラズマ２４を形成することができる。低い流量（例えば、約０．５Ｌ／分）では、プラズマはより定常状態になるが、高いガス流量（例えば、約３０Ｌ／分）では、プラズマはジェットの形をとることになる。ここで提示した流量の上下の様々な流量を利用して、サーマルバリアコーティングの表面形態を変化させることもできることが理解されよう。代替実施形態では、プラズマ２４は、ＩＣＰコイル２２の代わりに、又はＩＣＰコイル２２と共に、マイクロ波放電（図示せず）を用いて発生させることができる。
【００１６】
ターゲット１２は、例えば、セラミック材料及び金属材料などの、レーザ１４によって噴霧することができ、サーマルバリアコーティングでの使用に適した任意の材料を含むことができる。本明細書で用いられる「セラミック材料」とは、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、アルミナ及びそれらのプレアロイ混合物を含むことができ、「金属材料」とは、ジルコニウム、イットリウム、アルミニウム、及びそれらの組み合わせを含むことができる。
【００１７】
図１に示す実施形態では、ターゲット１２は、プラズマ２４に隣接して、プラズマトーチ１６の放電管２０の下に配置し、任意の適切な手段を用いて適所に固定することができる。代替実施形態では、ターゲット１２は、プラズマトーチ１６の中に設置するか、又はターゲット１２が放電管２０に代わって放電管２０の機能を果たすことができるように配置することができる。レーザ１４は、動作中、レーザ１４がターゲット１２に当たって原子粒子２６を遊離させることができるように、ターゲット１２に向けて操作可能に指向させることができ、原子粒子は、所望のＴＢＣを作製するのに必要なプラズマ２４に適当な割合で混合することができる。そして、後述するように、プラズマ２４を使用して、原子粒子２６を加速させて基板２８上に堆積させることができる。金属材料をターゲット１２として使用した場合、酸素及び窒素等の反応性ガスを使用して原子粒子を酸化又は窒化させて、所望のコーティング組成及び特性を得ることができる。そのようなガスは、ＬＡＰＣＡＰシステムに添加したものであっても、大気から取り込んだものであってもよい。
【００１８】
ネオジム添加イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザを含むがこれに限らない、ターゲットから原子粒子を遊離させるのに十分なエネルギーを有する数種類の固体パルスレーザを利用することができる。ターゲット１２がプラズマ２４に近接しているため、原子粒子２６は遊離されると同時にプラズマ２４に投入される。そして、プラズマ２４が原子粒子を加速させて基板２８上に押し付け、そこで原子粒子がＴＢＣ３０として堆積することになる。レーザパルス長、レーザパルスエネルギー、レーザ強度、及びレーザスポットサイズを含むレーザ動作パラメータの組み合わせを変更することによって、原子粒子束及び分布を所望のコーティング組成及び特性が得られるように調整することができる。一般に、パルスレーザ１４は、約５フェムト秒〜約１００マイクロ秒のパルス長、約０．００１ｍＪ〜約１０Ｊのパルスエネルギー、約１０4Ｗ／ｃｍ2〜約１０15Ｗ／ｃｍ2の強度、及び約１マイクロメートル〜約５ミリメートルのレーザスポットサイズを有することになる。
【００１９】
本明細書の実施形態に関連して様々な基板２８を使用することができるが、一実施形態では、基板２８は、ガスタービンエンジンのタービンセクションに存在するような高温（約８００℃〜約１５００℃）環境での使用に適した超合金から選択することができる。そのような超合金の幾つかの例としては、ニッケル基超合金、及びコバルト基超合金が挙げられるが、これらに限定すべきではない。約５０ミクロン〜約７５０ミクロンの範囲になる所望のＴＢＣ３０の厚さを得るために、基板２８を定常のＬＡＰＣＡＰシステム１０の下に移動させてＴＢＣ３０の層を厚くしてもよい。代替実施形態では、基板２８は定常状態になるが、システム１０は必要に応じて予めプログラムされたロボットアーマチュア（図示せず）を用いて移動する。本明細書の実施形態は、ＥＢＰＶＤを用いて得られたコーティングのものと同様の柱状マイクロ構造を有するＴＢＣを堆積させることができるようになる。より詳細には、本明細書のＴＢＣは、約０．５ミクロン〜約６０ミクロンのカラム幅と、約０％〜約９％のカラム内多孔率とを有することになる。一実施形態では、ＴＢＣは、カラムの直径がより小さく、多孔率が約０％であってもよい。
【００２０】
代替実施形態では、２つ以上のターゲット及び２つ以上のレーザを使用することができる。ここで用いられている「レーザ」とは、複数の独立したレーザか、或いは複数のビームに分割された１つのレーザを指すことができる。そのような場合、各々のターゲットは、（例えば下記の例示的実施形態のように）同じ又は異なる材料からなっていてもよい。１つのレーザ、即ち、独立レーザ、又は分割レーザビームを各々のターゲットに向けて操作可能に指向させて、ターゲットから原子粒子を遊離させることができることが理解されよう。
【００２１】
例えば、この例に限らないが、図２に示すように、ＬＡＰＣＡＰシステム１１０は、一実施形態ではアルゴンになるガス流１８と、２つのパルスＮｄ：ＹＡＧレーザ１４と、セラミック材料からなる２つのターゲットであって、ＺｒＯ2からなる第１ターゲット１１２及びＹ2Ｏ3からなる第２ターゲット２１２とを備えている。ガス流１８は、約０．０５Ｌ／分〜約０．６Ｌ／分のガス流を含むことができる。本実施形態では、パルスレーザ１４は、約５ｎｓ〜約１０ｎｓのパルス長と、約１０ｍＪのパルスエネルギーと、約１０7〜約１０8Ｗ／ｃｍ2の強度と、約１マイクロメートル〜約２ミリメートルのレーザスポットサイズとを有することになる。このレーザ動作パラメータの特定の組み合わせによって、ジルコニウム、酸素、及びイットリアの原子粒子１２６を遊離させ、これを、約９２重量％のＺｒＯ2及び約８重量％のＹ2Ｏ3からなり、約５０ミクロン〜約７５０ミクロンの厚さを有するサーマルバリアコーティング１３０としてニッケル基及びコバルト基の複合超合金基板２８上に堆積させることができる。これは１つの可能なシステムの例であり、様々なパラメータのその他のシステムも本実施形態の範囲内であることは、当業者には理解されるであろう。
【００２２】
本明細書に記載した実施形態は、従来のプロセスとは異なっている。特に、ＥＢＰＶＤとは違って、ＬＡＰＣＡＰは費用のかかる真空ポンプの使用を必要とせず、粒子生成、粒子加速、及び粒子堆積は単一の装置を用いて実行することができる。しかしながら、これらの違いにもかかわらず、ＬＡＰＣＡＰは、ＥＢＰＶＤを用いて施されたコーティングと同様の柱状マイクロ構造を有するコーティングを作製することができる。このことは、ＬＡＰＣＡＰ堆積が原子レベルで生じるという理由から可能である。その結果、従来のプラズマ溶射法を用いて作製されたコーティングよりも衝撃及び浸食損傷を受けにくいＴＢＣが得られる。更に、プラズマ溶射で起こることがある冷却孔の詰まりは、ＬＡＰＣＡＰを用いて大幅に削減又は解消することができる。
【００２３】
本明細書は、本発明を開示すると共に、当業者であれば誰でも本発明を製造し使用することができるように、最良の形態を含む実施例を用いている。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する同等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属するものとする。
【図１】
2013514461.tif 000003
【図２】
2013514461.tif 000004
【国際調査報告】
2013514461.tif 000005