(57)【要約】      （修正有）【課題】エロージョン及び衝撃特性が改善された超低熱伝導率の遮熱コーティング用遮熱セラミック層の提供。【解決手段】超低熱伝導率及び高エロージョン耐性を有するガスタービンエンジンの金属部品のための遮熱コーティング系は、ＭＣｒＡｌＹの様なアルミニウムリッチ材料から形成された耐酸化性ボンドコートと、ボンドコート上に設けられた遮熱セラミック層とを備え、該セラミック層が、ジルコニウム又はハフニウム酸化物格子構造（ＺｒＯ2又はＨｆＯ2）と、酸化イッテルビウム（Ｙｂ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）又は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）の１種類以上の化合物を含む酸化物安定化化合物とを含み、これらの１種以上の化合物からなる粒径約０．１〜５μｍのミクロ粒子を含む液体懸濁液を用いて、セラミック系遮熱コーティングを形成する新規方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの金属部品のための超低熱伝導率及び高エロージョン剥離耐性を有する遮熱コーティング系であって、
前記金属部品上に設けられたアルミニウムリッチ材料からなる耐酸化性ボンドコートと、
前記ボンドコート上に設けられたスプラット界面を有する遮熱セラミック層であって、ジルコニウム又はハフニウム酸化物格子構造と、酸化イッテルビウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化タンタル又は酸化ジルコニウムを含む１種以上の酸化物安定化化合物とを含む遮熱セラミック層と
を含む、遮熱コーティング系。
【請求項２】
１種以上の酸化物安定化化合物が、約６５重量％のイッテルビウム酸化物及び３５重量％の酸化ジルコニウムを含む、請求項１記載の遮熱コーティング。
【請求項３】
酸化物安定化化合物が酸化タンタル及び酸化イットリウムを含む、請求項１記載の遮熱コーティング。
【請求項４】
酸化物安定化化合物が、実質的に同量の酸化イッテルビウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル及び酸化ジルコニウムを含む、請求項１記載の遮熱コーティング。
【請求項５】
酸化物安定化化合物が、実質的に同量の酸化ランタン、酸化イッテルビウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル及び酸化ジルコニウムを含む、請求項１記載の遮熱コーティング。
【請求項６】
アルミニウムリッチボンドコートが、拡散アルミナイド又はＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、コバルト又はニッケルであり、Ｙはイットリウム又は他の希土類元素である。）を含む、請求項１記載の遮熱コーティング。
【請求項７】
ボンドコートと遮熱セラミックとの間にセラミックフラッシュコーティングをさらに含む、請求項１記載の遮熱コーティング。
【請求項８】
超低熱伝導率及び低エロージョン速度を有するセラミック系遮熱コーティングを金属基材上に形成する方法であって、
金属基材の表面上にアルミニウムリッチ金属ボンドコートを施工するステップと、
酸化イッテルビウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化タンタル又は酸化ジルコニウムの１種類以上の化合物からなるミクロ粒子を含む液体懸濁液を形成するステップと、
ミクロ粒子を含む液体懸濁液をサスペンションプラズマ溶射トーチに供給するステップと、
ボンドコートの表面上に溶融ミクロ粒子を溶射するステップと、
を含む、方法。
【請求項９】
溶融ミクロ粒子が、約１５０〜１０００μｍの実質的に均一な厚さのセラミックコーティングを形成する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
超低熱伝導率が８９０℃で測定して１．２〜１．２５である、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
遮熱コーティングの室温での室温エロージョン速度が１７〜１９ｍｇ／分である、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
ミクロ粒子の平均粒径が、０．１〜５μｍである、請求項８記載の方法。
【請求項１３】
ボンドコートの表面上に溶融ミクロ粒子を溶射するステップが、サスペンションプラズマ溶射を用いて実施される、請求項８記載の方法。
【請求項１４】
金属基材がニッケル基又はコバルト基超合金を含む、請求項８記載の方法。
【請求項１５】
ガスタービンエンジン用の遮熱金属部品であって、
ベース金属基材と、
ベース金属基材上に設けられたアルミニウムリッチ材料を含む耐酸化性ボンドコートと、
ボンドコート上に設けられた遮熱セラミック層であって、ジルコニウム又はハフニウム酸化物格子構造と、酸化イッテルビウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化タンタル又は酸化ジルコニウムを含む１種以上の酸化物安定化化合物とを含む遮熱セラミック層と
を含む遮熱金属部品。
【請求項１６】
ボンドコートと遮熱セラミック層との間に配置されたアルミナイド又は白金アルミナイドを含むセラミックフラッシュコーティングをさらに含む、請求項１５記載の遮熱金属部品。
【請求項１７】
ベース金属基材がコバルト基超合金を含み、ボンドコートがＭＣｒＡｌＹを含む、請求項１５記載の遮熱金属部品。
【請求項１８】
酸化物安定化化合物が、約６５重量％のイッテルビウム酸化物と、３５重量％の酸化ジルコニウムとを含む、請求項１５記載の遮熱金属部品。
【請求項１９】
酸化物安定化化合物が、酸化ランタンと酸化イットリウムとを含む、請求項１５記載の遮熱金属部品。
【請求項２０】
ボンドコートと遮熱セラミックとの間にセラミックフラッシュコーティングをさらに含む、請求項１５記載の遮熱金属部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンブレードその他高温排気ガスに直接接触する金属部品を含む、ガスタービンエンジン内部の過酷な熱環境のような、高い動作温度に曝される金属部品に施工する遮熱コーティングに関する。詳細には、本発明は、超低熱伝導率を有し、また、繰返し熱サイクル、微粒子衝突及び／又は使用期間の長期化により生じるエロージョン、剥離又は劣化に対する耐性を向上させた遮熱セラミック層を含む新規遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）システムに関する。
【０００２】
例示的な実施形態では、新規セラミック層は、イッテルビウム、イットリウム、ハフニウム、ランタン、タンタル及び／又はジルコニウムの１種以上の酸化物を含む化合物で安定化されたジルコニウム系格子構造を含む。本発明は、サスペンションプラズマ溶射法を用いて、物性が大幅に改善された遮熱コーティングを金属基材に施工する新規方法も包含する。
【背景技術】
【０００３】
近年において、ほとんどのガスタービンエンジンは、長期にわたる作動期間の間の全体的な熱効率を改善することを目指して、より高いガス温度で作動するよう設計されている。しかしながら、エンジンの作動ガス温度が高くなると、これに応じて、高温の排気ガス（２０００°Ｆを優に上回ることが多い）に曝される個々の部品、特に金属部品の耐久性及び期待耐用年数も増大させなければならない。近年、ニッケル基及びコバルト基超合金を用いて主要なエンジン部品（燃焼器及びオーグメンタセクションなど）の高温性能を改善するまで大幅な進歩を遂げたが、それでも最新の超合金は、長期にわたる酸化、高温腐食作用、剥離又は高速粒子によるエロージョンに起因する損傷の影響を受けやすい。従って、エンジンの高温ガスセクション部品は、長期の使用期間の間、常に十分な機械的強度特性を保持しているとは限らない。本明細書で使用される用語「剥離」とは、高温での衝撃、熱サイクル又は高応力に起因して材料の断片(破片)が金属表面から蒸発又は放出されるプロセスを指す。
【０００４】
通常、エンジンの最も高温のゾーンにおける重要な金属部品は、ある種の環境又は遮熱コーティング系を施工することによって保護されている。最も一般的なＴＢＣシステムは、超合金部品表面上に直接堆積された金属ボンド層と、その後に続いて、金属表面を高温ガスから保護するよう機能する接着遮熱セラミック層とを含む。周知のボンドコートの多くは、拡散アルミナイド又はＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、コバルト又はニッケルであり、Ｙはイットリウム又は他の希土類元素である。）のようなアルミニウムリッチ材料を含む。
【０００５】
ボンドコートとセラミック層の間の接着を高める（及びエンジンの耐用寿命を延ばす）ために、多くのＴＢＣシステムはまた、ボンドコートとトップ遮熱セラミックとの間に位置する同じ又は僅かに異なるセラミック組成を有する薄いオーバーレイ皮膜又は「フラッシュコーティング」（「ベースセラミック層」とも呼ばれる）を含む。ボンドコート及びフラッシュコーティングは共に、外側セラミック層を下にある超合金表面に極めて強固に接着すると同時に、下にある金属の酸化を阻止し且つ熱的に保護する。
【０００６】
従来では、ガスタービンエンジン用のＴＢＣシステムの好ましいセラミックトップコートとして、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの種々のセラミックが広く使用されてきたが、これは、ＹＳＺがプラズマ溶射又は他の公知の高温物理蒸着法の何れかを用いてボンドコート（又は金属基材）上に容易に堆積させることができる理由による。ガスタービン分野におけるこのような確立された１つのコーティングは、イットリア（Ｙ２Ｏ３）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ２）、すなわち、約７重量％のイットリアと約９３重量％のジルコニアを含む。幾つかの他の利用可能なＴＢＣシステムは、同一出願人による米国特許第４３２８２８５号及び第５２３６７４５号において記載されたマグネシア（ＭｇＯ）及び／又は他の酸化物によって安定化されたジルコニアに依存する。
【０００７】
従来の遮熱コーティングの継続的な問題は、遮熱特性を保持するが、繰返しの熱サイクルに曝されたときにエロージョン、剥離、衝突損傷又は他の劣化の影響を受けにくい強い接着トップセラミック層を形成する必要があることである。ほとんどのＹＳＺ遮熱コーティングは、本質的に幾分「多孔性」（ほぼ５〜２０％の範囲の気孔率を有する）と考えられ、このことは熱伝導率を低下させるが、過酷な環境においてコーティングの機械的安定性が低下し、耐エロージョン性が弱くなる傾向がある。
【０００８】
残念ながら、セラミックコーティングの機械的強度を向上させる幾つかの公知の方法は、より高い熱伝導率をもたらすことになる。例えば、トップコートの耐エロージョン性を向上させる１つの公知のプロセスは、ジルコニア系セラミックと、クロム酸処理により圧密化されたジルコン又はシリカ、クロミア及びアルミナの混合物からなる耐摩耗性外側コーティングに依存する。このプロセスは、より良好な耐摩耗性の構成要素をもたらすが、コーティングの圧密化は、実際には熱伝導率を増大させ、これによりガスタービンエンジンの過酷な温度条件及び熱サイクルの下でのコーティングの強靱性によって得られる利点のほとんどが無効となる。
【０００９】
良好な歪み耐性及び剥離耐性を有する他のセラミックコーティングは、コーティングの気孔率を増大させることにより又は不規則な内部不連続性を有する微小亀裂を導入することにより、或いはさらに、形成されるセラミック層をセグメント化することによって開発されてきた。セグメント構造（当技術分野で「縦方向亀裂構造」として知られている）は、セラミックの厚さを貫通して垂直方向に延びた亀裂境界を有し、凝縮結合強度を増大させる比較的圧密な粒状構造を与える。しかしながら、この場合も同様に、これら最新のジルコニア系ＴＢＣであっても、熱伝導率を増大させ、依然として高速排出ストリーム中に存在する粒子又はデブリからのエロージョン及び衝突損傷の影響を受けやすい傾向がある。
【００１０】
従って、過酷な熱環境に曝されたときに長期にわたる摩耗（エロージョン）及び／又は剥離に耐える能力と、さらにガスタービンエンジンの高温環境において低い熱伝導率を示す能力とを組合せることができる遮熱コーティングに対する重要な要求が依然として存在する。好ましくは、このようなコーティング系は、超低熱伝導率の遮熱セラミック層を利用して容易に形成可能であり、最終コーティングの遮熱特性を犠牲にすることなく、衝突及びエロージョン耐性の両方を促進するようにして堆積されることになる。ＴＢＣはまた、ベースのエンジン部品に極めて強固に接着され、数多くの加熱冷却エンジンサイクルの間完全に接着を維持するべきである。セラミックトップコート材料と超合金基材との間の熱膨張係数が異なる場合には、この後者の要件は特に重要であり、これらを保護するよう設計される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第７９９３７０４号明細書
【発明の概要】
【００１２】
本発明は、超低熱伝導率及び高エロージョン耐性を有するガスタービンエンジンの金属部品のための新規遮熱コーティング系を提供し、本システムは、（１）金属部品上に設けられたアルミニウムリッチ材料からなる耐酸化性ボンドコートと、（２）中間フラッシュコーティングと、（３）ボンドコート及びフラッシュコーティング上に設けられた遮熱セラミック層とを備え、遮熱セラミック層が、ジルコニウム又はハフニウム酸化物格子構造（ＺｒＯ2又はＨｆＯ2）と、酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ3）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）又は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）の１種類以上の化合物を含む酸化物安定化化合物（酸化物「ドーパント」と呼ばれる場合がある）とを含む。例示的な実施形態では、アルミニウムリッチのボンドコートは、拡散アルミナイド又はＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、コバルト又はニッケルであり、Ｙはイットリウム又は他の希土類元素である。）を含む。中間セラミックフラッシュコーティングは、公称上、ボンドコートと遮熱セラミック層との間に配置された、イットリア安定化ジルコニア又はイッテルビア安定化ジルコニアの層（例えば、０．００１〜０．０１０インチ）を含む。
【００１３】
本発明はまた、上記の１種類以上の化合物からなる粒径約０．１〜５μｍ、好ましくは０．２〜２．６μｍのミクロ粒子を含む液体又は水性懸濁を最初に形成することにより、セラミック系遮熱コーティングを生成する新規方法を含む。公称上、ミクロ粒子は、懸濁液としてプラズマ溶射トーチに供給され、該プラズマ溶射トーチは、溶融ミクロ粒子を高速度でボンドコート又はフラッシュコーティングの表面上に溶射して、約１５０〜１０００μｍの実質的に均一な厚さのセラミックトップコートを形成する。以下で詳細に説明するように、新規コーティングは、ＹＳＺを含む従来のセラミックコーティングと比べて、遙かに低レベルの熱伝導率と高いエロージョン耐性とを示す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による、セラミックボンドコート、フラッシュコーティング及びトップセラミック層を含む例示的な遮熱コーティング系を描いた、コーティングされた金基材（タービンブレードなど）の断面図。
【図２】従来の高出力軸流プラズマ溶射（ＡＰＳ）技術を用いたベースラインコーティングと比べて室温エロージョン速度が遙かに低くなり、堅牢性が向上したことを示している、サスペンションプラズマ溶射技術（図では「ＳＰＳ」と表記される）を用いた本発明による基材に施工された遮熱コーティングを示す一連の顕微鏡写真。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上述のように、本発明による新規遮熱コーティングは、改善された物理的特性の固有の組合せ、すなわち、これまでよりも遙かに低い熱伝導率（「ｋ」）と組み合わされた耐エロージョン性の向上をもたらす。実用的及び商業的観点から、主要高温ガス部品の低エロージョン性及び低熱伝導率により、ガスタービンエンジンがより高い燃焼温度で遙かに長い時間の間作動することが可能となり、これにより有意に高い全体作動効率が達成される。例えば、以下で説明される新規超低熱伝導率のセラミックコーティングを用いることにより、ガスタービンエンジンの複合サイクル作動効率を少なくとも０．１％ポイント改善することができる。より低い熱伝導率で設計されたＴＢＣの冷却の利点はまた、複合サイクル効率（バケット、ノズル、その他を含む）を０．１％増大させる。従って、熱伝導率ｋの３０％低下は、約０．１％の複合サイクルの効率改善をもたらし、熱伝導率ｋの５０％低下は、約０．２の複合サイクルの効率改善をもたらす。低ｋコーティングをエンジンの最も脆弱な高温セクションに施工すると、最も高温なゾーンのベース金属温度が少なくとも２５°Ｆ低下し、高温セクションの部品の期待寿命が最大で５０％延びる。結局、本明細書で記載されるセラミックコーティングは通常、イットリア安定化ジルコニアを含む従来のコーティングと比べて、５０％低い熱伝導率をもたらす。
【００１６】
本発明によって達成される熱伝導率の低下は、コーティングの混合パイロクロア構造に関連する。すなわち、フォノンを散乱させるインコヒーレント振動は、緩く結合した小さなイオンがより大きな軽量のイオンと部分的に置き換わるパイロクロア構造を形成する。当該機構は、固有酸素空孔と共に、構造体のフォノン平均自由行程を短縮させ、これにより、熱伝導率を異常に低い値にまで低下させる。ＴＢＣが固体粒子エロージョン及び異物損傷に耐える能力を確実に有するために、本発明はまた、コーティング微細構造を変更し、歪み耐性並びに亀裂発生及び亀裂進展に対する耐性をより向上させる。
【００１７】
本出願人は、組成変更を通じて開発された特別なパイロクロア構造は、拡散アルミナイド熱伝導率の有意な低下を達成するが、本構造は、幾らかの機械的特性の低下、特に強靱性の低下を示す場合があると考える。当該問題に対処するために、例示的な実施形態は、靱性及び剥離耐性の両方を改善する微細構造の変更を含む。本出願人はまた、コーティングの改善された物理的特性は、コーティングを形成するのに使用されるミクロ粒子の粒径の有意な低減及び金属基材に施工された後のコーティングに導入される単位長さ当たりの多数の界面によって生じるものと理解している。このことは、微粒子が懸濁液中に同伴され、プラズマガンを用いてコーティングされて遙かに高度な歪みコンプライアンスを与える境界面を有した超微細表面スプラットを生成する、特別な処理方法により達成される。その結果、高い作動温度でＴＢＣに亀裂が生成された場合に、亀裂の進展が遙かに困難になる。
【００１８】
上述のように、新規コーティングの一部は、重量で４５〜７０％のＹｂ2Ｏ3を有するＹｂ−Ｚｒ酸化物の異なる組合せを含む。他の例示的なコーティングはまた、ランタン−酸化イットリウム、酸化ジルコニウム及びパイロクロア（ランタン−ガドリウム及びジルコニウムなど）を含むことができ、これら全てが、有意に低い熱伝導率（従来のＹＳＺコーティング単独と比べて）と、並びに従来の多孔性のＡＰＳ  ７ＹＳＺ微細構造と同じか又はそれよりも優れた耐エロージョン性をもたらす。
【００１９】
本発明の実施に有用なミクロ粒子は、イッテルビウム、イットリウム、ハフニウム、タンタル及び／又はジルコニウム、並びにこれらの組合せを含み、平均直径が約０．１〜５μｍ、好ましくは約０．２〜２．６μｍの範囲である。ミクロ粒子は、プラズマ溶射トーチを通過したときに溶融し、次いで、以下で説明するように基材表面上のボンドコート（又はフラッシュコーティング）上に堆積される。ミクロ粒子の粒径が極めて小さいこと及びその組成に起因して、例示的な条件下では、懸濁スプレーは、接触面上に複数の不均一なスプラットを形成し、最終的にはこれらが組み合わされて物理的特性が改善された一体セラミックコーティングを形成する。
【００２０】
公称的には、基材表面上の個々のスプラットの各々は、約３０〜３００ｎｍの厚さと、約１０００〜６０００ｎｍの幅（平均表面積に基づいて）とを有する。スプラットの厳密な厚さ及びサイズは、サスペンションプラズマ溶射で使用されるミクロ粒子の初期粒径及びプラズマ溶射条件に応じて決まる。例えば、約０．５μｍの粒径は、ミクロ粒子が基材表面と衝突し、他の溶融ミクロ粒子と組み合わされると、厚さが約０．０５μｍ、幅が約１μｍ及びほぼ円形形状のスプラットを生じることが分かっている。
【００２１】
実際には、本発明によるミクロ粒子は、サスペンションプラズマ溶射トーチに注入される前に、水性又は有機液体キャリア（例えば、水又はアルコール系）を用いて懸濁液中に加えられる。トーチは、懸濁スラリー中にミクロ粒子を含む液体キャリア液滴を蒸発又は燃焼させ、粒子を溶融してこれらを接触面上に溶融した形態で堆積させる。溶融ミクロ粒子が高速で表面に衝突すると、冷却したときに薄く実質的に均一なコーティングに固化される。これらミクロ粒子はまた、不規則に散乱したナノサイズの細孔及びナノサイズの亀裂を有して互いに良好に結合した界面を形成し、これら細孔及び亀裂は、セラミックの有益な遮熱品質を犠牲にすることなく、最終コーティングのエロージョンの可能性を低減する役割を果たす。懸濁液と適切な分散添加剤との特定の化学的性質はまた、粒子が溶射トーチに供給されたときに過度に急激に沈降するのを防ぐ。
【００２２】
本発明で有用なミクロ粒子は、懸濁液中に加えられる前に好ましい粒径が得られるように、ある程度の凝集制御で共沈又は逆共沈などの種々の化学的手法を用いて形成することができる。共沈は、沈殿物の形態の制御及び平均粒径の最適化を可能にする。典型的な共沈法は、塩基性に緩慢に変化する酸性反応環境において始まる。驚くべきことに、強塩基性環境での逆反応は、加水分解複合プロセスの制御を僅かに良好にすることができることも分かった。何れかの方法において、ミクロ粒子の初期形成は、出発粉体の粒径、結晶相及び化学組成を制御する。
【００２３】
新しいミクロ粒子に対するベースラインの物理的特性のセットは、以下のように確立することができる。粒子形成反応が完了すると、沈殿物を濾過し、純水で洗浄（通常２〜３回）し、焼成し、ボールミル粉砕し、圧搾してペレットにして、焼結する。結果として得られたペレットは、粉体形態にされた超低熱ｋ組成からなる。ペレット化プロセスは、迅速製造プロセスをもたらし、溶射処理産物の無い組成を維持することができる。使用前に、ペレットはまた、初期相構造及び熱伝導率を判定するために分析される。これら初期測定に基づいて、望ましい正確な粒径及び組成を有するサスペンションプラズマ溶射で使用するためのミクロ粒子粉体を得るのに好適なプロセスウィンドウを確立することができる。
【００２４】
従って、ミクロ粒子を形成するプロセスは、懸濁液を生成する前及び懸濁液をＳＰＳガンに導入する前に粒径を制御するステップを含む。上述のように、懸濁液にμｍサイズの粉体を導入するのに好ましい液体は、実施可能な分散媒として、水、メタノール、エタノール、プロパノール及びブタノールなどの直鎖アルコール、イソプロピルアルコール、アセトン又はこれらの混合物を含む。懸濁したミクロ粒子の組成、形態又はサイズを反応又は変化させることなく、下流プラズマ火炎中で蒸発又は効率的に燃焼される場合には、種々の他のアルコール、有機液体及び水性混合物を用いることができる。
【００２５】
図面を参照すると、図１は、本発明による、セラミックボンドコート、フラッシュコーティング及びトップセラミック層を含む例示的な遮熱コーティング系を描いた、コーティングされた超合金基材２０（タービンブレード又は燃焼器など）の断面図である。コーティング系は、遮熱セラミック層２６と、通常はタービンブレードのベース材料を生成する金属基材２２の直ぐ上にあるボンドコート２４とを含む。基材に好適な材料には、ニッケル基及びコバルト基超合金が挙げられるが、他の公知の超合金を用いることもできる。ボンドコート２４は、名目上、拡散アルミナイド又はＭＣｒＡｌＹ又はＮｉＡｌコーティングなどのアルミニウムリッチ材料を含み、耐酸化性であり、高温に曝されている間基材を保護するための初期熱障壁を形成する。
【００２６】
ボンドコートとセラミック層との間の接着を促進する（及びエンジンの耐用寿命をさらに延ばす）ために、図１のＴＢＣシステムは、標準イットリア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア又は他の安定化ジルコニア組成物のような高度に堅牢性のあるセラミック材料からなるオーバーレイ又はフラッシュコーティング２８を含む。フラッシュコーティング２８は、厚さが０．００１〜０．０１０インチであり、トップコートのセラミックが頑強に接着する表面を提供しながら、下にある超合金基材２２を酸化からさらに保護し耐熱性をもたらす役割を果たす。
【００２７】
全体として、ボンドコート及びフラッシュコーティングは、ＴＢＣを下にある超合金表面に極めて緊密に接着すると共に、金属部品の酸化を阻止し且つ熱的に保護する。セラミック層２６は、上述のようにミクロ粒子から形成される。トップセラミック層はまた、ＳＰＳ堆積技術を用いてセラミック層を堆積させることにより得られる歪み耐性微細構造を形成する。上述のように、ミクロ粒子のメジアン粒径は、約０．１〜５μｍ、好ましくは正確な組成及び形態に応じて約０．２〜２．６μｍである。
【００２８】
図２は、サスペンションプラズマ溶射（「ＳＰＳ」）技術を用いた本発明による基材に施工された遮熱コーティングを示す一連の顕微鏡写真である。図２から明らかなように、結果として得られるコーティングは、従来の高出力軸流プラズマ溶射（「ＡＰＳ」）技術を用いたベースラインコーティングと比べて室温エロージョン速度が遙かに低い。図２は、約１７ｍｇ／分の室温エロージョン速度の２つの異なる倍率レベル（５０倍と１００倍）のコーティングを示す。対照的に、ベースラインＡＰＳコーティングは、遙かに高いエロージョン速度（約２５０％高い）が結果として生じる。
【００２９】
以下の表１は、ＡＰＳ（Ｐｌａｚｊｅｔ）技術を用いたベースラインコーティングと比べた、サスペンションプラズマ溶射技術を用いた本発明によるコーティングのエロージョン率及び熱伝導率の比較を示す。
【００３０】
【表１】
2015166479.tif 000003
【００３１】
以下の試験手順を、表１に示すＳＰＳコーティング組成に用いた。６０ｐｓｉ気圧にて６０メッシュホワイトアルミニウム酸化物媒体で粗面化したアロイＨＸの２５ｍｍ×７５ｍｍ×２．５ｍｍ厚さクーポン上にＹｂ4Ｚｒ3Ｏ12 （６５％Ｙｂ2Ｏ3、３５％ＺｒＯ2）の原料粉体組成物を堆積させた。コーティングは、Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ  Ｍｅｔｔｅｃｈ社製のＡｘｉａｌ  ＩＩＩ直流プラズマトーチを用いて表面上に堆積させた。Ｙｂ4Ｚｒ3Ｏ12を含む原料は、０．５μｍ〜２．６μｍのメジアン粒径（ｄ50）を有し、粒子は、分散剤としてポリエチレンイミンを用いて２０重量％でエタノール中に懸濁した。懸濁液は、外管を通して送られる窒素噴霧ガスを用いて、チューブインチューブ式の噴霧器の中央管を通じてプラズマトーチに注入した。約１００ｋＷに設定された出力で３／８インチ直径のノズルをトーチの端部にて使用した。
【００３２】
表１のコーティングの懸濁液送給速度は、Ｙｂ4Ｚｒ3Ｏ12の約２３グラム／分又は約０．６ポンド／時間であり、プラズマトーチは、ストリップ間を４ｍｍインデックスで６００ｍｍ／秒にて基材にわたってラスタリングした。トーチノズルと基材試料間の溶射距離は７５ｍｍで、約６５０〜７００μｍのコーティング厚さをもたらした。ＳＰＳプラズマ溶射パラメータは、３０％窒素、１０％水素及び６０％アルゴンの３００ｓｐｌｍ総ガス流量であり、窒素キャリアガスは６ｓｐｌｍであった。３つの電極の各々に１８０Ａの電流を使用し、約１００ｋＷの総ガン出力がもたらされた。
【００３３】
表１のコーティングに加えて、本発明による他のコーティングは、上記で示したものと同様の溶射パラメータを用いてエタノール中に懸濁された０．６μｍのＹｂＺミクロ粒子を含む１０重量％スラリーを用いて生成される。僅かに異なるＹｂＺ懸濁液に基づいた追加のコーティングは、約０．２μｍ〜２．６μｍの粒径のｄ５０粒径を含んでいた。比較の目的で、上記の表１で識別される「ベースライン」従来技術のＡＰＳ試料は、ＳＰＳ試料と同じ温度で測定したエロージョン速度及び熱伝導率を有して約４７．７μｍのＹｂＺの平均粒径を用いた。
【００３４】
要約すると、表１は、本発明によるミクロ粒子及びＳＰＳコーティングを用いたセラミックトップコートの改善された機械的特性、すなわち、低い熱伝導率に加えて有意に低い室温エロージョン速度を示しており、この２つの物理的特性は、最終的には複合サイクルガスタービンエンジンの全体効率の実質的な改善をもたらす。
【００３５】
現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３６】
２０  超合金基材
２２  金属基材
２４  ボンドコート
２６  セラミック層
２８  フラッシュコーティング
【図１】
2015166479.tif 000004
【図２】
2015166479.tif 000005
【外国語明細書】
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