(57)【要約】      （修正有）【課題】優れた磨耗性および耐浸食性を有するコーティングを提供する。【解決手段】セグメント化された磨耗性セラミックコーティングは、ボンドコート層４６と、ボンドコート層の上に堆積された少なくとも１つのセグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層４８と、この少なくとも１つのセグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層の上に堆積された、少なくとも１つの１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層５０と、を備える。【選択図】図２Ｂ
2008095193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンドコート層と、
前記ボンドコート層の上に堆積された少なくとも１つのセグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層と、
前記少なくとも１つのセグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層の上に堆積された、少なくとも１つの１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層と、
を備えるセグメント化された磨耗性セラミックコーティング。
【請求項２】
前記少なくとも１つの１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層が、少なくとも１つのセグメント化された１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層である請求項１に記載のセグメント化された磨耗性セラミックコーティング。
【請求項３】
前記ボンドコート層と前記少なくとも１つの７重量％のイットリア安定化ジルコニア層との間に堆積された熱成長酸化物層をさらに含む請求項１に記載のセグメント化された磨耗性セラミックコーティング。
【請求項４】
前記少なくとも１つの７重量％のイットリア安定化ジルコニア層が、約５〜１２ＢＴＵインチ／時間平方フィート°Ｆの熱伝導率値を有する請求項１に記載のセグメント化された磨耗性セラミックコーティング。
【請求項５】
前記少なくとも１つの１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層が、約３〜１０ＢＴＵインチ／時間平方フィート°Ｆの熱伝導率値を有する請求項１に記載のセグメント化された磨耗性セラミックコーティング。
【請求項６】
少なくとも１つの面を有する基材と、
前記少なくとも１つの面に堆積されたボンドコート層と、
前記ボンドコート層の上に堆積された少なくとも１つのセグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層と、
前記少なくとも１つのセグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層の上に堆積された、少なくとも１つの１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層と、
を備えるコーティングされた物品。
【請求項７】
前記少なくとも１つの１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層が、少なくとも１つのセグメント化された１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層である請求項６に記載のコーティングされた物品。
【請求項８】
前記ボンドコート層と前記少なくとも１つの７重量％のイットリア安定化ジルコニア層との間に堆積された熱成長酸化物層をさらに備える請求項６に記載のコーティングされた物品。
【請求項９】
前記少なくとも１つの７重量％のイットリア安定化ジルコニア層が、約５〜１２ＢＴＵインチ／時間平方フィート°Ｆの熱伝導率値を有する請求項６に記載のコーティングされた物品。
【請求項１０】
少なくとも１つの１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層が、約３〜１０ＢＴＵインチ／時間平方フィート°Ｆの熱伝導率値を有する請求項６に記載のコーティングされた物品。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの７重量％のイットリア安定化ジルコニア層が、約１〜６０ミル（０．０２５４〜１．５２４ｍｍ）の厚さを有する請求項６に記載のコーティングされた物品。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層が、約１〜６０ミル（０．０２５４〜１．５２４ｍｍ）の厚さを有する請求項６に記載のコーティングされた物品。
【請求項１３】
（１）物品の少なくとも１つの面に、ボンドコート層を形成するのに十分な量のボンドコート材料を堆積するステップと、
（２）前記ボンドコート層の上に、７重量％のイットリア安定化ジルコニア層を形成するのに十分な量の７重量％のイットリア安定化ジルコニアを堆積するステップと、
（３）セグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層が形成されるように、前記７重量％のイットリア安定化ジルコニア層を膨張させその中の垂直方向のクラックの伝播を促進するために、前記物品を加熱するステップと、
（４）コーティングされた物品を形成するために、前記セグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層の上に、１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層を形成するのに十分な量の、１２重量％のイットリア安定化ジルコニアを堆積するステップと、
（５）前記コーティングされた物品を熱処理するステップと、
を含むセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【請求項１４】
ステップ（５）を完了する前に、セグメント化された１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層が形成されるように、前記１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層を膨張させその中の垂直方向のクラックの伝播を促進するために、前記物品を加熱するステップをさらに含む請求項１３に記載のセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【請求項１５】
前記十分な量のボンドコート材料を堆積するステップが、前記十分な量のボンドコート材料を溶射するステップを含む請求項１３に記載のセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【請求項１６】
前記十分な量の７重量％のイットリア安定化ジルコニアを堆積するステップが、前記量の７重量％のイットリア安定化ジルコニアを溶射するステップを含む請求項１３に記載のセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【請求項１７】
前記十分な量の１２重量％のイットリア安定化ジルコニアを堆積するステップが、前記十分な量の１２重量％のイットリア安定化ジルコニアを溶射するステップを含む請求項１３に記載のセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【請求項１８】
ステップ（２）および（３）が、少なくとも１回反復される請求項１３に記載のセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【請求項１９】
溶射装置を、前記少なくとも１つの面から、約３〜４インチのところに位置決めするステップをさらに含む請求項１３に記載のセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【請求項２０】
加熱するステップが、前記物品の前記少なくとも１つの面を裏側から加熱するステップをさらに含む請求項１３に記載のセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【請求項２１】
ステップ（２）を実行する前に、前記ボンドコート層の上に熱成長酸化物層を形成するステップをさらに含む請求項１３に記載のセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【請求項２２】
前記コーティングされた物品を熱処理した後に、前記コーティングされた物品を冷却するステップをさらに含む請求項１３に記載のセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【請求項２３】
７重量％の量のイットリア安定化ジルコニアを堆積するステップが、約２〜１７５μｍ（０．００２〜０．１７５ｍｍ）の粒子サイズを有する７重量％のイットリア安定化ジルコニアを堆積することを含む、請求項１３に記載のセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【請求項２４】
１２重量％の量のイットリア安定化ジルコニアを堆積するステップが、約２〜１７５μｍ（０．００２〜０．１７５ｍｍ）の粒子サイズを有する１２重量％のイットリア安定化ジルコニアを堆積することを含む請求項１３に記載のセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【請求項２５】
前記コーティングされた物品を熱処理するステップが、約１〜６０ミル（０．０２５４〜１．５２４ｍｍ）の厚さを有するセグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層と、約１〜６０ミル（０．０２５４〜１．５２４ｍｍ）の厚さを有するセグメント化された１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層と、を形成するステップを含む請求項１３に記載のセグメント化されたセラミックコーティングの物品への塗布方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーティングに関し、より詳細には、セグメント化された磨耗性コーティング、および該コーティングによってコーティングされた物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスタービンエンジン、特に航空機で使用されるガスタービンは、性能および効率を高めるために、高い回転速度および高温で動作する。従来のガスタービンエンジンのタービンは、通常、軸流設計であり、複数の軸流段を備える。各軸流段は、シャフトに固定されたディスクの周りに径方向に取り付けられる、複数のブレードを備える。複数のダクトセグメントが、ブレード先端の周りのガス流の漏出を制限するように、段を囲む。これらのダクトセグメントは、固定ハウジングまたはケーシングの内周面に配置される。ブレード先端の周りで漏出するのではなく段を通って流れるガスから、より大きい仕事を抽出することができるので、ダクトセグメントを組み込むことによって、熱効率が向上する。
【０００３】
ダクトセグメントは、ブレード先端の周りのガス流の漏出を制限するが、ダクトセグメントによって、漏出は完全にはなくならない。ブレード先端の周りのガス流は、少量であっても、タービンの効率性に有害な影響を及ぼすことが見出されている。すなわちガスタービンエンジンの設計者は、有効なシーリング構造を開発するために長期にわたり努力してきた。これらの構造は一般に、耐磨耗性を先端に与えるブレード先端コーティングと組み合わされた、コーティングされたダクトセグメントを備える。動作に際しては、ブレード先端が、ダクトセグメント上のコーティングに食い込むことによってシールする。さらに、ホットスポットを発達させるガスタービンエンジン内の構造も、磨耗に耐え構造を有効にシールするためのコーティングを備える。
【０００４】
残念ながら、通常セラミックである従来のコーティングは、浸食またはスポーリングの結果として、過剰な材料損失を受ける。一般に、浸食とは、アブレーションおよび腐食などの要因により、コーティング材料が摩滅することである。浸食は、エンジン動作中の粒子の衝突により生じることが多い。スポーリングは、通常、熱応力および過酷な熱環境によって生じるセラミックと金属との界面の剥離割れによって生じる。スポーリングは基本的に、コーティング材料にある多数の小さなコヒーレント体積によってコーティングが徐々に損失することである。セラミックコーティングの損失は、ブレード先端の隙間を増大させ、そのため、タービン効率に悪影響を及ぼし、ブレード自体にも有害である。たとえば、ブレードは、上昇した温度により損傷を受けることがあり、エンジンはこのような高温においても、スラストの損失を補償するように動作しなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、磨耗性を有すると同時に、浸食およびスポーリングに対する耐性を有するコーティングが必要とされている。このようなコーティングは、より優れた磨耗性および耐浸食性を有するシーリングシステムにとって必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態によれば、セグメント化されたセラミックコーティングを物品上に塗布する方法は、概して、（１）物品の少なくとも１つの面に、ボンドコート層を形成するのに十分な量のボンドコート材料を堆積するステップと、（２）ボンドコート層の上に、７重量％のイットリア安定化ジルコニア層を形成するのに十分な量の、７重量％のイットリア安定化ジルコニアを堆積するステップと、（３）７重量％のイットリア安定化ジルコニア層を膨張させこの中の垂直方向のクラックの伝播を促進し、セグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層が形成されるように、物品を加熱するステップと、（４）コーティングされた物品を形成するために、セグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層の上に、１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層を形成するのに十分な量の、１２重量％のイットリア安定化ジルコニアを堆積するステップと、（５）コーティングされた物品を熱処理するステップと、を含む。
【０００７】
本発明の他の実施形態によれば、セグメント化された磨耗性セラミックコーティングは、概して、ボンドコート層と、ボンドコート層の上に堆積された、少なくとも１つのセグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層と、少なくとも１つのセグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層の上に堆積された、少なくとも１つの１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層と、を備える。
【０００８】
本発明のさらに他の実施形態によれば、コーティングされた物品は、基材上の少なくとも１つの面に堆積されたボンドコート層を有する基材と、ボンドコート層の上に堆積された、少なくとも１つのセグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層と、少なくとも１つのセグメント化された７重量％のイットリア安定化ジルコニア層の上に堆積された、少なくとも１つの１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層と、を広く含む。
【０００９】
本発明の１つまたは複数の実施形態を、添付の図面および以下の説明において説明する。本発明のその他の特徴、目的、および利点は、説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１０】
様々な図面における同様の参照番号および記号は、同様の要素を指示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、セグメント化されたセラミックコーティングを物品上に塗布するための方法のフローチャートを示す。ステップ１０では、物品の表面にボンドコート層を形成するのに十分な量のボンドコート材料を、熱源によって生じた熱の流れに投入することができる。
【００１２】
ボンドコート材料は、ＭＣｒＡｌＹ材料を含むことができる。ＭＣｒＡｌＹとは、Ｍが、ニッケル、コバルト、鉄、白金、またはこれらの混合物を表し、Ｃｒが、クロムを表し、Ａｌが、アルミニウムを表し、Ｙが、イットリウムを表す、知られている金属コーティングシステムを示す。ＭＣｒＡｌＹ材料は、所定の組成物として塗布され、堆積プロセス中に基材と有意に相互作用しないので、オーバーレイコーティングとして知られることが多い。ＭＣｒＡｌＹ材料のいくつかの例については、限定する趣旨ではないが、米国特許第３，５４２，５３０号と同様にＦｅＣｒＡｌＹコーティングを記載する、米国特許第３，５２８，８６１号を参照されたい。さらに、米国特許第３，６４９，２２５号は、ＭＣｒＡｌＹコーティングの堆積前にクロムの層が基材に塗布される複合コーティングを開示している。米国特許第３，６７６，０８５号は、ＣｏＣｒＡｌＹオーバーレイコーティングを開示しており、米国特許第３，７５４，９０３号は、特に高い延性を有するＮｉＣｏＣｒＡｌＹオーバーレイコーティングを記載する。米国特許第４，０７８，９２２号は、ハフニウムとイットリウムの組合せの存在によって耐酸化性の改善をもたらすコバルトベースの構造合金を記載する。５〜４０重量％のＣｒ、８〜３５重量％のＡｌ、０．１〜２．０重量％のＹ、０．１〜７重量％のＳｉ、０．１〜２．０重量％のＨｆの、組成範囲を有し、残余がＮｉ、Ｃｏ、およびこれらの混合物からなる群から選択される、好ましいＭＣｒＡｌＹボンドコート組成物が、本出願人に譲渡され本明細書の参考となる、米国特許再発行特許第３２，１２１号に記載されている。同様に本出願人に譲渡され本明細書の参考となる、米国特許第４，５８５，４８１号を参照されたい。
【００１３】
ボンドコート材料はまた、Ａｌ、ＰｔＡｌなどを含むことができ、このことは、当業者には拡散コーティングとして周知である。さらに、ボンドコート材料はまた、当業界で陰極アークコーティングとして知られることが多い、Ａｌ、ＰｔＡｌ、上記のようなＭＣｒＡｌＹなどを、含むこともできる。
【００１４】
これらのボンドコート材料は、限定する趣旨ではないが、オーバーレイボンドコート、拡散ボンドコート、陰極アークボンドコートなど、所望の組成の、密度が高く均一な粘着性コーティングを生み出すことができる、いかなる方法によって塗布することもできる。そのような技術は、限定する趣旨ではないが、拡散プロセス（たとえば内側、外側など）、低圧プラズマ溶射、空気プラズマ溶射、スパッタリング、陰極アーク、電子ビーム物理蒸着法、高速プラズマ溶射技術（たとえばＨＶＯＦ、ＨＶＡＦなど）、燃焼プロセス、ワイヤ溶射技術、レーザクラッディング、電子ビームクラッディングなどを含む。たとえば、適当なプラズマ溶射技術は、いずれもその全体が本明細書の参考となる、Ｎｉｓｓｌｅｙらの米国特許第６，１０２，６５６号、およびＺａｊａｃｈｏｗｓｋｉらの米国特許第５，８７９，７５３号に記載されている。
【００１５】
ボンドコート３０用の粒子サイズは、いかなる適当なサイズとすることもでき、一実施形態では、約２〜１２５μｍ（０．００２〜０．１２５ｍｍ）の間、より好ましくは、約６〜９０μｍ（０．００６〜０．０９０ｍｍ）の間、さらにより好ましくは、約１０〜６０μｍ（０．０１０〜０．０６０ｍｍ）の間、とすることができ、平均粒子サイズは、約２５μｍ（０．０２５ｍｍ）である。ボンドコート３０は、いかなる適当な厚さに塗布することもでき、一実施形態では、厚さ約１〜２５ミル（０．０２５４〜０．６３５ｍｍ）、より好ましくは、約２〜１５ミル（０．０５０８〜０．３８１ｍｍ）、さらにより好ましくは、約５〜１０ミル（０．１２７〜０．２５４ｍｍ）とすることができる。
【００１６】
ボンドコート層を塗布した後に、７重量％のイットリア安定化ジルコニア層（「７ＹＳＺ層」）を形成するのに十分な量の７重量％のイットリア安定化ジルコニアを、ボンドコート層の上に堆積させることができる（ステップ１２）。７ＹＳＺ層は、限定する趣旨ではないが、空気プラズマ溶射、高速プラズマ溶射技術（たとえばＨＶＯＦ、ＨＶＡＦなど）、ゾルゲル、ＵＶ硬化樹脂など、当業者に周知のコーティング技術のうちのいずれか１つを用いて塗布することができる。たとえば、適当なプラズマ溶射技術は、Ｎｉｓｓｌｅｙらの米国特許第６，１０２，６５６号、Ｚａｊｃｈｏｗｓｋｉらの米国特許第５，８７９，７５３号に記載されている。一般に、７ＹＳＺ層は、厚さ約１〜６０ミル（０．０２５４〜１．５２４ｍｍ）の間、好ましくは、約２〜３０ミル（０．０５０８〜０．７６２ｍｍ）の間、さらにより好ましくは、厚さ約２〜１５ミル（０．０５０８〜０．３８１ｍｍ）の間とすることができる。通常、７ＹＳＺの熱伝導率は、約５〜１２ＢＴＵインチ／時間平方フィート°Ｆ（ＢＴＵ  ｉｎ／ｈｒ  ｆｔ2  °Ｆ）の間、より好ましくは、約６〜１０ＢＴＵインチ／時間平方フィート°Ｆの間、さらにより好ましくは、約６〜８ＢＴＵインチ／時間平方フィート°Ｆの間、とすることができる。
【００１７】
７ＹＳＺの粒子サイズは、約２〜１７５μｍ（０．００２〜０．１７５ｍｍ）、好ましくは、約６〜１２５μｍ（０．００６〜０．１２５ｍｍ）、より好ましくは、約１１〜１２５μｍ（０．０１１〜０．１２５ｍｍ）の範囲とすることができ、粒子サイズの平均直径は、約５０μｍ（０．０５０ｍｍ）である。粒子は、噴霧乾燥および焼結プロセスから作り出すことができ、それによって、角張った中実の溶融および粉砕された粉末とは対照的に、球状で中空の粉末が生み出される。一般に、噴霧乾燥および焼結プロセスの最初のステップは、原料のジルコニアおよびイットリアを所望の重量％比で混合することを含む。次いでこの混合物を、水（および従来の結合剤）と結合させて、スリップ（ｓｌｉｐ）を生み出すことができる。次いでこのスリップを、噴霧乾燥機内へと供給することができ、噴霧乾燥機は、加熱されたチャンバ内へと材料を噴射することによってスリップを部分的に乾燥させ、それによって、球状で中空の粉末を生み出す。次いで、材料を、炉内で焼結温度にて、通常約４〜８時間の間にわたり加熱することができる。炉内のこの焼結温度は、一般に、酸化ジルコニウムの理論的な融点の約６０〜７０％とすることができる。
【００１８】
代替の実施形態では、噴霧乾燥およびプラズマ緻密化（ｐｌａｓｍａ  ｄｅｎｓｉｆｉｅｄ）プロセスを使用することができるが、このプロセスは、上記プロセスよりも高価となることがある。一般に、このプロセスの最初のステップもまた、原料のジルコニアおよびイットリアを所望の重量％比に混合することを含む。次いでこの混合物を、水（および従来の結合剤）と結合させて、スリップを製作することができる。次いでこのスリップを、噴霧乾燥機内へと供給することができ、噴霧乾燥機は、加熱されたチャンバ内へと材料を噴射することによってスリップを部分的に乾燥させ、それによって、球状で中空の粉末を作り出すことができる。噴霧乾燥ステップに続いて、プラズマ溶射ガンによって粉末を供給することができ、そこでイットリアおよびジルコニアが融解して、均質な組成物を生成する。
【００１９】
堆積前の球状で中空の形態の粉末は、最終的なコーティングシステムにおいて、より優れた摩擦性をもたらす。あるいは、堆積前に粉末内に中空の粒子が存在する場合、粉末を溶融させるためにより大きい熱が必要とされ、磨耗性があまり高くない高密度のコーティングが生じる場合がある。さらに、角張った中実の粒子の堆積効率は、球状で中実の粒子と比較して相対的に低い。これは製造コストの観点から、極めて重要である。
【００２０】
７ＹＳＺ層は、強靱なセラミック構造をもたらし、堆積された材料に垂直方向のマイクロクラックをもたらすセグメント化を開始し、浸食から保護し、熱遮蔽の利点をもたらすので、セグメント化された磨耗性コーティングシステムに有利である。また、７ＹＳＺ層は、ボンドコート層へと結合される。
【００２１】
７ＹＳＺ層は、好ましくは、空気中でプラズマ溶射される。材料に垂直方向のマイクロクラックをもたらすセグメント化を補助するために、物品を加熱し、温度を約６００°Ｆ（３１６℃）未満で監視することが望ましい（ステップ１４）。この加熱は、材料の堆積中に、物品の裏側に熱を加えることによって実現することができる。上記の加熱パラメータは、７ＹＳＺ層、ならびに続いて塗布されるその他の層の堆積にも当てはまる。ただし好ましくは、物品は、溶射中に付随的に加熱される以外は、加熱されない。
【００２２】
処理パラメータは、垂直方向のクラックの伝播（ボンドコート面に対してほぼ垂直方向）が生じるように制御され、ガンの種類および固定具のジオメトリなど、変数に特有である。一般に、ガンから部品までの短い溶射距離を、比較的高出力の堆積と組み合わせた結果として、１インチにつき約４〜８つのマイクロクラックによる望ましい垂直方向のセグメント化がもたらされることを、本発明者らは見出した。本明細書に記載するパラメータは、Ｓｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ，Ｉｎｃ．社の３ＭＢ空気プラズマ溶射ガン、および３０インチ（０．７６ｍ）の直径を有する円筒形固定具とともに使用するために、特別に調整した。パラメータは、異なる溶射ガンや固定具の使用に伴って変えることができることを、当業者であれば理解するであろう。したがって、本明細書で説明したパラメータは、様々な動作状態のための別の適当なパラメータを選択するための指標として使用することができる。
【００２３】
特に、７ＹＳＺ層の溶射堆積中に、円筒形固定具は、約５〜２５ｒｐｍの間、好ましくは約１２ｒｐｍの速度で、回転することができる。プラズマ溶射ガンは、コーティングされる部品の種類に応じて、中空の円筒形固定具の内側または外側に配置することができる。個々の部品のコーティング時の、部品に対するガンの角度は、約８０〜１００°の間、好ましくは９０°とすることができる。ガンから部品までの距離は、層１８の生成中に、公称約２〜５インチ（０．０５〜０．１３ｍ）（開始距離〜終了距離）、好ましくは、公称約２．７５〜３．２５インチ（０．０７〜０．０８３ｍ）（開始距離〜終了距離）の間で、徐々に変えることができる。このようにガンから部品まで距離が近いことは、十分に垂直方向のセグメント化を行うのに必要となる。堆積中に各部品を横断するガン移動速度は、約１〜５インチ／分（０．０３〜０．１３ｍ／分）、好ましくは、約４．４インチ／分（０．１１ｍ／分）の間とすることができる。
【００２４】
粉末供給速度は、約１５〜５０ｇ／分の間、好ましくは、約３５ｇ／分とすることができる。粉末を加圧下に維持し、粉末の供給を容易にするために、窒素などキャリヤガス流を使用することができる。流量は、約５〜２０ｓｃｆｈ（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｃｕｂｉｃ  ｆｅｅｔ／ｈｏｕｒ）（０．１４〜０．５７ｓｃｍｈ（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｃｕｂｉｃ  ｍｅｔｅｒ／ｈｏｕｒ））の間、好ましくは、約１１ｓｃｆｈ（０．３１ｓｃｍｈ）とすることができる。標準状態は、本明細書では、室温（約２５℃）および約１大気圧（約１０１ｋＰａ）である。ガン内部の、窒素ガスなど１次ガス流は、約８０〜１２０ｓｃｆｈ（２．２７〜３．４０ｓｃｍｈ）の間、好ましくは、９９ｓｃｆｈ（２．８０ｓｃｍｈ）とすることができる。同様に、ガン内部の、水素など２次ガス流は、約５〜３０ｓｃｆｈ（０．１４〜０．８５ｓｃｍｈ）の間、好ましくは、１８ｓｃｆｈ（０．５１ｓｃｍｈ）とすることができる。ガンの電圧は、約６０〜８０Ｖの間、好ましくは約７５Ｖとすることができる。同様に、ガンのアンペア数は、約７００〜９００Ａの間、好ましくは約７３６Ａとすることができる。本発明者らは、Ｓｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ社の３ＭＢプラズマ溶射ガンでは、上記パラメータが最適であることを見出したが、上記パラメータは、限定する趣旨ではないが、粉末の種類、粉末のサイズ、および特に、ガンの種類を含めた変数に依存することを、当業者であれば理解するであろう。
【００２５】
７ＹＳＺ層を塗布した後、１２重量％のイットリア安定化ジルコニア層（「１２ＹＳＺ層」）を形成するために十分な量の、１２重量％のイットリア安定化ジルコニアを、ボンドコート層の上に堆積させることができる（ステップ１６）。１２ＹＳＺセラミック粉末を調製することができ、結果的に得られる層を、Ｎｉｓｓｌｅｙらの米国特許第６，１０２，６５６号、およびＺａｊａｃｈｏｗｓｋｉらの米国特許第５，８７９，７５３号に記載されているような、当業者に周知のコーティング技術のうちのいずれか１つを用いて塗布することができる。好ましくは、１２ＹＳＺセラミック粉末を調製することができ、結果的に得られる層を、本明細書に記載した、７ＹＳＺ層と同じ堆積パラメータを用いて塗布することができる。一般に、１２ＹＳＺ層は、約１〜６０ミル（０．０２５４〜１．５２４ｍｍ）の間、より好ましくは、約２〜３０ミル（０．０５０８〜０．７６２ｍｍ）の間、さらにより好ましくは、約１５ミル（０．０３８１ｍｍ）の厚さに塗布することができる。通常、１２ＹＳＺの熱伝導率は、約３〜１０ＢＴＵインチ／時間平方フィート°Ｆの間、より好ましくは、約４〜８ＢＴＵインチ／時間平方フィート°Ｆの間、さらにより好ましくは、約４〜６ＢＴＵインチ／時間平方フィート°Ｆの間とすることができる。１２ＹＳＺの粒子サイズは、約２〜１７５μｍ（０．００２〜０．１７５ｍｍ）の間、より好ましくは、約６〜１２５μｍ（０．００６〜０．１２５ｍｍ）の間、さらにより好ましくは、約１１〜１２５μｍ（０．０１１〜０．１２５ｍｍ）の間とすることができ、粒子サイズは、平均直径が約５０μｍ（０．０５０ｍｍ）である。
【００２６】
１２ＹＳＺ層を塗布した後、結果的に得られるコーティングされた物品を、応力除去のために後熱処理することができる（ステップ１８）。具体的には、コーティングされた物品を、約１９５０〜２０００°Ｆ（１０６６〜１０９３℃）の間の温度で約４時間にわたり熱処理し、次いで、約２２分以内に約１１００°Ｆ（５９３℃）まで強制冷却することができる。コーティングされた物品は次いで、約７分以内で約１０００°Ｆ（５３８℃）まで強制冷却され、次いで、３００°Ｆ（１４９℃）未満まで再び強制冷却される。
【００２７】
結果的に得られるコーティングされた物品の代表例を、図２Ａおよび図２Ｂに示す。本発明の一態様では、コーティングされた物品２０は、少なくとも１つの面２４を有する物品２２を含む。面２４上に、ボンドコート層２６を堆積させることができる。ボンドコート層２６上に、セグメント化された７ＹＳＺ層２８を堆積させることができる。セグメント化された７ＹＳＺ層２８上に、１２ＹＳＺ層３０を堆積させることができる。本発明の他の態様によれば、コーティングされた物品４０は、少なくとも１つの面４４を有する物品４２を含む。面４４上に、ボンドコート層４６を堆積させることができる。ボンドコート層４６上に、セグメント化された７ＹＳＺ層４８を堆積させることができる。セグメント化された７ＹＳＺ層４８上に、セグメント化された１２ＹＳＺ層５０を堆積させることができる。
【００２８】
ガスタービン構成要素上のホットスポットの悪影響を克服するための努力において、本発明のセグメント化された１つまたは複数の磨耗性コーティングが示す機械的特性の二重性によって、従来技術のセグメント化された磨耗性コーティングより、改良された靭性（ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）、改良された断熱特性、および全体的により低い熱伝導率が実現される。酸化ジルコニウムに７％の酸化イットリウムを加えることによって、ｔプライムと呼ばれ部分安定化ジルコニアとして知られる正方晶構造が形成される。この部分安定化ジルコニア組成は、高温で安定しており、冷却時により熱力学的に安定した単斜晶構造および立方晶構造へと変態しないという点で、ユニークである。この正方結晶構造は、完全に安定化された組成に優る、改善された靭性および耐スポーリング性を示している。部分安定化ジルコニアの破壊靭性は、３〜１５ＭＰａ・ｍ1/2の範囲とすることができる。イットリウム酸化物の追加が、１０重量％以上に到達すると、結晶構造は、立方晶となり、高温および低温の両方で安定する。これは、完全安定化ジルコニウム酸化物組成として知られる。完全に安定化された構造を作り出すことによって、材料は、有害な相変態の影響を受けにくくなくなり、加えられた安定剤によるより低い熱伝導率を有するが、破壊靭性は、部分安定化ジルコニアの破壊靭性よりも低くなる。安定化ジルコニアの破壊靭性は、３〜３．６ＭＰａ・ｍ1/2の範囲である。結果的に、完全安定化ジルコニアは、熱サイクルに曝されるときに、良好な耐スポーリング性をもたない。したがって、本発明において２つのコーティングを組み合わせると、７ＹＳＺ層は、所望の靭性および耐性をもたらし、１２ＹＳＺ層は、低い熱伝導率の値、および断熱特性を示す、所望の結晶構造をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態の方法のフローチャートを示す図である。
【図２Ａ】本発明のセグメント化された磨耗性セラミックコーティングでコーティングされた物品を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の他のセグメント化された磨耗性セラミックコーティングでコーティングされた他の物品の代表例を示す図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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