(57)【要約】【課題】反応域を減少または消失させる層を配置した安価なサーマルバリアコーティングシステムの提供。【解決手段】基材、基材の上の第１遷移金属層、第１遷移金属層の上のボンドコート、ボンドコートの上の第２遷移金属層および第２遷移金属層の上の任意のセラミックトップコートを含むサーマルバリアコーティングシステム。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材の上に施された第１遷移金属層と、
前記第１遷移金属層の上に施されたボンドコートと、
前記ボンドコートの上に施された第２遷移金属層と、
を含むことを特徴とするサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項２】
前記第１遷移金属層と前記第２遷移金属層とが同一の遷移金属を含むことを特徴とする請求項１に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項３】
前記第１遷移金属層と前記第２遷移金属層とが白金を含むことを特徴とする請求項１に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項４】
前記第２遷移金属層が少なくとも部分的にボンドコートとの固溶体であることを特徴とする請求項１に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項５】
前記基材が、レニウムおよびルテニウムの少なくとも一方を含むニッケル合金を含有することを特徴とする請求項１に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項６】
前記ボンドコートがＭＣｒＡｌＹ材料を含有し、前記Ｍがニッケル、コバルト、鉄またはそれらを組み合わせた少なくとも１種類を含み、Ｃｒがクロムであり、Ａｌがアルミニウムであり、Ｙがイットリウムであることを特徴とする請求項１に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項７】
前記第２遷移金属層の上に施されたセラミックトップコートをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項８】
前記第１遷移金属層が前記基材および前記ボンドコートと直接接触し、前記ボンドコートが前記第２遷移金属層と直接接触し、前記第２遷移金属層がセラミックトップコートと直接接触していることを特徴とする請求項７に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項９】
前記基材がガスタービンエンジンのタービン部のタービン要素を含むことを特徴とする請求項１に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項１０】
少なくとも１種類の耐熱金属成分を含むニッケル合金基材と、
前記ニッケル合金基材の上に施されたボンドコートと、
前記ニッケル合金基材と前記ボンドコートとの間の拡散バリア層と、
を含み、
前記拡散バリア層が、少なくとも１種類の耐熱金属成分のボンドコートへの拡散を防ぐ遷移金属を含有することを特徴とするサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項１１】
前記遷移金属が、前記ニッケル合金基材中のアルミニウムの化学的活性に影響を与える化学的特徴を有することを特徴とする請求項１０に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項１２】
前記遷移金属が白金を含むことを特徴とする請求項１０に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項１３】
前記ボンドコートの上に施されたセラミックトップコートをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項１４】
前記ボンドコートと前記セラミックトップコートとの間に別の遷移金属含有拡散バリア層をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項１５】
前記遷移金属が白金を含むことを特徴とする請求項１４に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項１６】
前記ボンドコートがＭＣｒＡｌＹ材料を含有し、前記Ｍがニッケル、コバルト、鉄またはそれらを組み合わせた少なくとも１種類を含み、Ｃｒがクロムであり、Ａｌがアルミニウムであり、Ｙがイットリウムであることを特徴とする請求項１４に記載のサーマルバリアコーティングシステム。
【請求項１７】
（ａ）基材の上に第１遷移金属層を形成するステップと、
（ｂ）前記第１遷移金属層の上にボンドコートを形成するステップと、
（ｃ）前記ボンドコートの上に第２遷移金属層を形成するステップと、
（ｄ）前記第２遷移金属層の上にセラミックトップコートを形成するステップと、
を含むことを特徴とするサーマルバリアコーティングシステムの製造方法。
【請求項１８】
前記ステップ（ｂ）が、ボンドコート成分の気化、および気化したボンドコート成分を前記第１遷移金属層の上に優先的に凝縮させて前記ボンドコートの形成するための、基材および第１遷移金属層への電気バイアスの印加を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ボンドコートがＭＣｒＡｌＹ材料を含有し、前記Ｍがニッケル、コバルト、鉄またはそれらを組み合わせた少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２遷移金属層をボンドコートとの固溶体へ拡散させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記ステップ（ａ）および前記ステップ（ｃ）が、前記基材の上への前記第１遷移金属層または前記第２遷移金属層の蒸気蒸着、および前記基材の上への
前記第１遷移金属層または前記第２遷移金属層のめっきの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記ステップ（ｂ）が、前記第１遷移金属層の上へのボンドコートの陰極アーク蒸着を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーマルバリアコーティングに関し、特に多層サーマルバリアコーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に高温に曝される構成要素、例えばガスタービンエンジンのタービンは、通常、酸化および腐食から構成要素を保護するためのサーマルバリアコーティングシステムを含む。例えば、従来のサーマルバリアコーティングシステムは構成要素を保護する多層構造を有する。一般的に、コーティングシステムは構成要素表面上に金属ボンドコートを含み、金属ボンドコートの上にセラミックトップコートを含む。金属ボンドコートは、セラミックトップコートを通って拡散する酸素と反応し、好ましい接着性の酸化アルミニウム層を形成する。前記酸化アルミニウム層は、酸化および腐食から構成要素を保護する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなサーマルバリアコーティングシステムは効果的であるが、たいてい高価な材料を使用しており、また、金属ボンドコートと構成要素表面との間に反応域（リアクションゾーン）が形成されやすい。金属ボンドコートの元素成分および構成要素の耐熱金属成分は、製造時およびその後の使用時に拡散して反応域を形成し、反応して析出相を形成する。反応域の形成は構成要素表面の化学的組成に局所的な変化をもたらすため、構成要素の機械的完全性が損なわれるかもしれない。
【０００４】
従って、反応域を減少または消失させる層を配置した安価なサーマルバリアコーティングシステムが必要とされている。本発明はこのようなニーズに応じると同時に従来技術の欠点および弱点を回避する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施例のサーマルバリアコーティングシステムは、基材、基材の上の第１遷移金属層、第１遷移金属層の上のボンドコート、ボンドコートの上の第２遷移金属層および第２遷移金属層の上の任意のセラミックトップコートを含む。１つの実施例では、第１遷移金属層および第２遷移金属層が白金を含み、これによりボンドコートの酸化が制御され、基材とボンドコートとの反応が阻止される。
【０００６】
一実施例のサーマルバリアコーティングシステムの製造方法には、基材の上に第１遷移金属層を形成するステップ、第１遷移金属層の上にボンドコートを形成するステップ、ボンドコートの上に第２遷移金属層を形成するステップおよび第２遷移金属層の上にセラミックトップコートを任意に形成するステップを含む。他の実施例では、ボンドコートを形成するステップが、ニッケル、コバルト、クロム、アルミニウムやイットリウムなどの原料を気化すること、および、基材または第１遷移金属層へ気化した原料を優先的に凝縮させるように基材へ電気バイアスを印加すること、を含む。
【０００７】
別の実施例では、例示のサーマルバリアコーティングシステムが耐熱金属成分を有するニッケル合金基材を含む。拡散バリア層が基材の上に施され、拡散バリア層の上にボンドコートが施され、任意のセラミックトップコートがボンドコートの上に施される。他の実施例では、ボンドコートとセラミックトップコートとの間に別の拡散バリア層が施されていてよい。一実施例では、ボンドコートがＭＣｒＡｌＹ材料を含有し、Ｍはニッケル、コバルト、鉄またはそれらを組み合わせた少なくとも１種類を含む。拡散バリア層は、耐熱金属が基材からボンドコートへ拡散するのを阻止する遷移金属を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、実施例のガスタービンエンジン１０、例えば推進用のガスタービンエンジン１０の一部を示している。この実施例では、ガスタービンエンジン１０はエンジンの中心線１２を中心として周方向に存在する。エンジン１０は、ファン１４、コンプレッサ部１６、燃焼部１８およびタービン部２０を有し、タービン部２０は、タービンブレード２２とタービンベーン２４とを含む。周知のように、コンプレッサ部１６で圧縮された空気は、燃焼部１８で燃焼する燃料と混合され、燃焼ガスを生成し、燃焼ガスはタービン部２０において膨張する。図１は例示を目的として概要を示すものであり、開示の実施例への限定を意図しない。また、各種ガスタービンエンジンは、ここに開示する実施例から利益を得るであろう。これらの実施例は、記載された設計に限定する趣旨ではない。
【０００９】
図２は、図１に示される一つのタービンブレード２２の選択された部分３０を示す。この実施例はタービンブレード２２について記載するものであるが、タービンベーン２４またはガスタービンエンジン１０内の別の構成要素にもこの実施例を適応できることを理解されたい。
【００１０】
タービンブレード２２の一部３０には、基材３２はニッケルをベースとする超合金から製造される下地の基材３２が含まれる。ニッケルをベースとする超合金にはルテニウムまたはレニウムのような耐熱金属が含まれる。ニッケルをベースとする超合金中の耐熱金属元素の存在は、タービンブレード２２へ耐クリープ性の効果をもたらす。
【００１１】
サーマルバリアコーティングシステム３４は基材３２上に存在し、基材３２を酸化および腐食から保護している。この実施例では、サーマルバリアコーティングシステム３４は、第１遷移金属層３６、ボンドコート３８、第２遷移金属層４０および任意のセラミックトップコート４２から成る多重層を含む。すなわち、第１遷移金属層３６、ボンドコート３８および第２遷移金属層４０は“独立”したシステムとして使用されても、セラミックトップコート４２と組合せて使用されてもよい。開示された実施例では、第１遷移金属層３６および第２遷移金属層４０は遷移金属を含む。ボンドコート３８はＭＣｒＡｌＹ材料を含有し、Ｍはニッケル、コバルト、鉄またはそれらを組み合わせた少なくとも１種類を含み、Ｃｒはクロムであり、Ａｌはアルミニウムであり、Ｙはイットリウムである。セラミックトップコート４２はセラミック材料、例えばイットリウム安定化ジルコニウム、ガドリニウム安定化ジルコニウム、またはその他のセラミック材料を含む。この記載から当業者は、特定用途のニーズに応じてボンドコート３８の組成を変更できることを認識するであろう。
【００１２】
第１遷移金属層３６は、基材３２からの耐熱金属成分の拡散を抑制または防止することにより、ボンドコート３８と基材３２との間に反応域が形成されるのを防ぐ。第１遷移金属層３６は、基材３２から耐熱金属成分の拡散を抑制するのに適する遷移金属を含む。例えば、第１遷移金属層３６は白金を含んでよく、白金はボンドコート３８と基材３２との間に拡散バリア層を形成する。
【００１３】
第１遷移金属層３６はボンドコート３８に好ましい化学的影響も及ぼし、これによりボンドコート３８内の少なくとも１種類の元素成分の化学的活性を低下させる。例えば、第１遷移金属層３６は、ボンドコート３８内のアルミニウムの化学的活性に影響を及ぼしてアルミニウムの活性が低下させる白金を含んでよく、それにより反応域が形成されるのが抑制されると考えられる。
【００１４】
第２遷移金属層４０は、セラミックトップコート４２からボンドコート３８内へ酸素が拡散するのを防止する。例えば、第２遷移金属層４０は、ボンドコート３８から拡散するアルミニウムとセラミックトップコート４２を通って拡散する酸素との間に保護スケールを形成する。保護スケールは酸素およびアルミニウムの更なる拡散を遅らせることで、更に、基材３２を酸化および腐食から保護し、反応域形成の可能性を低下させる。別の実施例では、ボンドコート３８の酸化制御の要望またはニーズに応じて、サーマルバリアコーティングシステム３４は第２遷移金属層４０を含んでも含まなくてもよい。
【００１５】
サーマルバリアコーティングシステム３４の製造方法の１つの実施例は、蒸気蒸着またはめっきのような公知の蒸着法を用いて基材３２上に第１遷移金属層３６を蒸着するステップを含む。次にボンドコート３８を陰極アーク蒸着法により第１遷移金属層３６上に蒸着する。次いで第２遷移金属層４０を蒸気蒸着またはめっきのような公知の蒸着法によりボンドコート３８上に蒸着する。最後に、セラミックトップコート４２を、物理蒸着（ＰＶＤ）、プラズマ溶射、スラリー、または他の蒸着法のような公知の蒸着法により、第２遷移金属層４０上に蒸着する。
【００１６】
任意選択で、ボンドコート３８の蒸着前に、第１遷移金属層３６を処理して第１遷移金属層３６とボンドコート３８との間の結合を強化する。例えば、第１遷移金属層３６をイオン衝撃グロー放電法で処理して第１遷移金属層３６の表面の異物除去および表面粗化を実施し、第１遷移金属層３６とボンドコート３８との間の機械的接着および化学的接着を促進させる。
【００１７】
また、製造には、第２遷移金属層４０の遷移金属をボンドコート３８との固溶体４４へ拡散させるための熱処理のような拡散ステップが含まれてよい。
【００１８】
図３は、第１遷移金属層３６上にボンドコート３８を形成するための実施例の陰極アーク蒸着法を示す。この実施例では、タービンブレード２２を蒸着チャンバー５０に入れ、電気源５２につなぐ。ボンドコート３８を形成する原料５４を蒸着チャンバー５０に入れ、別の電気源５６につなぐ。例えば、原料５４を所定の構成のディスクまたはその他の形状に予成形することができる。すなわち上記実施例では、原料５４が、ボンドコート３８で所望される組成でもって、ニッケル、コバルト、鉄、クロム、アルミニウムやイットリウムから成る組成物を含んでよい。
【００１９】
原料５４の元素成分が気化するのに十分なエネルギーが原料５４に通電されるよう電気源５６を作動させる。次に気化した原料５８を、ボンドコート３８を形成するように、電気源５２により電気バイアスを印加されたタービンブレード２２上に凝縮させる。
【００２０】
陰極アーク蒸着法は、均一な厚さおよび密度を有するボンドコート３８をタービンブレード２２上に形成するには効果的であるものの、一般的に、少なくともある程度の原料５４が蒸着チャンバー５０の壁に凝縮する。こうした原料はタービンブレード２２に蒸着されないので無駄になり回収も容易でない。比較的安価な原料であれば無駄も問題にならない。しかし、白金および他の遷移金属のような材料は高価であり無駄は大きな問題となる。ボンドコート３８に遷移金属を含有させる代わりに、蒸気蒸着またはめっきを用いて別個の層として遷移金属層３６および４０の遷移金属を蒸着することは、遷移金属の消費と損失の制御を可能にし、その結果、サーマルバリアコーティング３４に係る費用が減少する。
【００２１】
複数の特徴を組み合わせて実施例に記載しているが、開示した種々の実施例の利益を実現するために全ての特徴を組み合わせる必要はない。言い換えると、開示した実施例に則して設計されたシステムが、いずれかの図面に示す特徴の全てを必ずしも含む必要はなく、または図面に概要を示す部分の全てを必ずしも含む必要はない。さらに、１つの実施例の選択的特徴を別の実施例の選択的特徴と組み合わせてもよい。
【００２２】
上述の記載は例示を目的とし、限定を目的とするものではない。本発明の趣旨から逸脱することなく開示された実施例に変更および修正が為されることを当業者であれば認識するであろう。本発明に付与される法的保護の範囲は以下の請求の範囲によってのみ確定される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例のガスタービンエンジンを示す概略図。
【図２】実施例のサーマルバリアコーティングシステムの断面概略図。
【図３】構成要素上にボンドコートを施工するための陰極アーク蒸着方法の概要図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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