(57)【要約】 【課題】  高温条件下で作動する金属製の構成部品の断熱に用いられるコーティングの耐久性が、エンジンの運転状態の影響を受けないようなコーティング組成物を提供すること。【解決手段】  タービンエンジンの構成部品は、支持体（１２）と、該支持体（１２）の表面に施されるボンディングコート（１４）と、該ボンディングコート（１４）の表面に施されたクラック化構造を有する第１のセラミック層（１６）と、該第１のセラミック層（１６）の表面に施されたクラック化構造を有する第２のセラミック層と、を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、
前記支持体の表面に施されたボンディングコートと、
前記ボンディングコートの上に施されたクラック化構造を有する第１のセラミック層と、
前記第１のセラミック層の上に施されたクラック化構造を有する第２のセラミック層と、
を含むタービンエンジンの構成部品。
【請求項２】
前記第１のセラミック層はイットリア安定化ジルコニアを含み、前記第２のセラミック層はガドリニア安定化ジルコニアを含む請求項１に記載のタービンエンジンの構成部品。
【請求項３】
前記イットリア安定化ジルコニアは、１．０〜２５重量％のイットリア及び残部がジルコニアからなり、前記第２のセラミック層は、３０〜７０重量％のガドリニア及び残部のジルコニアを含む請求項２に記載のタービンエンジンの構成部品。
【請求項４】
前記イットリア安定化ジルコニアは、７重量％のイットリア及び残部がジルコニアからなり、前記ガドリニア安定化ジルコニアは、５９重量％のガドリニア及び残部がジルコニアからなる請求項２に記載のタービンエンジンの構成部品。
【請求項５】
前記第２のセラミック層は、イットリア安定化ジルコニアを含み、前記第１のセラミック層は、ガドリニア安定化ジルコニアを含む請求項１に記載のタービンエンジンの構成部品。
【請求項６】
前記イットリア安定化ジルコニアは、１．０〜２５重量％のイットリア及び残部がジルコニアからなり、前記第１のセラミック層は、３０〜７０重量％のガドリニア及び残部のジルコニアを含む請求項５に記載のタービンエンジンの構成部品。
【請求項７】
前記イットリア安定化ジルコニアは、７重量％のイットリア及び残部がジルコニアからなり、前記ガドリニア安定化ジルコニアは、５９重量％のガドリニア及び残部がジルコニアからなる請求項５に記載のタービンエンジンの構成部品。
【請求項８】
前記ボンディングコートは、金属製のボンディングコートである請求項１に記載のタービンエンジンの構成部品。
【請求項９】
前記タービンエンジンの構成部品は、ブレード、ベーン、燃焼器パネル又はシールのいずれかである請求項１に記載のタービンエンジンの構成部品。
【請求項１０】
前記支持体は、ニッケルベースの合金、コバルトベースの合金、耐熱金属合金、セラミックベースの合金、シリカベースの合金、及びセラミックマトリックス複合材料からなる群から選択される材料から形成される請求項１に記載のタービンエンジンの構成部品。
【請求項１１】
前記第１のセラミック層及び第２のセラミック層の各々は、５．０〜５０ミル（約０．１３〜１．３ｍｍ）の範囲の厚さを有する請求項１に記載のタービンエンジンの構成部品。
【請求項１２】
支持体を準備するステップと、
前記支持体の表面にボンディングコートを施すステップと、
前記ボンディングコートの上にクラック化構造を有する第１のセラミック層を施すステップと、
前記第１のセラミック層の上にクラック化構造を有する第２のセラミック層を施すステップと、
を含むことを特徴とするタービンエンジンの構成部品の製造方法。
【請求項１３】
前記第１のセラミック層を施すステップでは、イットリア安定化ジルコニアを含む第１の層を施し、且つ前記第２のセラミック層を施すステップでは、ガドリニア安定化ジルコニアを含む第２の層を施す請求項１２に記載のタービンエンジンの構成部品の製造方法。
【請求項１４】
前記第１のセラミック層を施すステップでは、１．０〜２５重量％のイットリア及び残部がジルコニアからなるイットリア安定化ジルコニアを含む第１の層を施し、且つ前記第２のセラミック層を施すステップでは、３０〜７０重量％のガドリニア及び残部がジルコニアからなるガドリニア安定化ジルコニアを含む第２の層を施す請求項１２に記載のタービンエンジンの構成部品の製造方法。
【請求項１５】
前記第１のセラミック層を施すステップでは、７．０重量％のイットリア及び残部がジルコニアからなるイットリア安定化ジルコニアを含む第１の層を施し、且つ前記第２のセラミック層を施すステップでは、５９重量％のガドリニア及び残部がジルコニアからなるガドリニア安定化ジルコニアを含む第２の層を施す請求項１２に記載のタービンエンジンの構成部品の製造方法。
【請求項１６】
前記第１のセラミック層を施すステップでは、ガドリニア安定化ジルコニアを含む第１の層を施し、且つ前記第２のセラミック層を施すステップでは、イットリア安定化ジルコニアを含む第２の層を施す請求項１２に記載のタービンエンジンの構成部品の製造方法。
【請求項１７】
前記第１のセラミック層を施すステップでは、３０〜７０重量％のガドリニア及び残部がジルコニアからなるガドリニア安定化ジルコニアを含む第１の層を施し、且つ前記第２のセラミック層を施すステップでは、１．０〜２５重量％のイットリア及び残部がジルコニアからなるイットリア安定化ジルコニアを含む第２の層を施す請求項１２に記載のタービンエンジンの構成部品の製造方法。
【請求項１８】
前記第１のセラミック層を施すステップでは、５９重量％のガドリニア及び残部がジルコニアからなるガドリニア安定化ジルコニアを含む第１の層を施し、且つ前記第２のセラミック層を施すステップでは、７．０重量％のイットリア及び残部がジルコニアからなるイットリア安定化ジルコニアを含む第２の層を施す請求項１２に記載のタービンエンジンの構成部品の製造方法。
【請求項１９】
前記ボンディングコートを施すステップでは、金属製のボンディングコートを施す請求項１２に記載のタービンエンジンの構成部品の製造方法。
【請求項２０】
前記第１のセラミック層及び第２のセラミック層の各々は、プラズマ溶射技術を用いて施される請求項１２に記載のタービンエンジンの構成部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエンジンの構成部品、例えばブレード、ベーン、燃焼器パネル、又はシールに施される２層セラミックコーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
サーマルバリアコーティングは、高温条件下で作動する金属製の構成部品の断熱に用いられる。タービンの構成部品は、一般に、１８００°Ｆを超える温度条件下で酸化されるニッケルベースの合金である。燃焼器及びタービンの高温での運転を可能にするために、ブレード、ベーン、燃焼器及びシールに対して、セラミックコーティングが施されてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、コーティングの耐久性が、エンジンの運転状態に起因して影響を受ける場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によると、コーティングが熱サイクルで膨張及び縮小可能であり、これによって歪み耐性を増大させて、耐久性を増大する構造を有する２層セラミックコーティングが提供される。
【０００５】
本発明によると、支持体と、該支持体の表面に施されるボンディングコートと、該ボンディングコートの上に施され、クラック化構造を有する第１のセラミック層と、該第１のセラミック層の上に施され、クラック化構造を有する第２のセラミック層と、を含むタービンエンジンの構成部品が提供される。
【０００６】
更に、本発明によると、タービンエンジンの構成部品の製造方法が提供される。かかる方法は、支持体を準備するステップと、支持体の表面にボンディングコートを施すステップと、ボンディングコートの上にクラック化構造を有する第１のセラミック層を施すステップと、第１のセラミック層の上にクラック化構造を有する第２のセラミック層を施すステップと、を概して含む。
【０００７】
本発明による２層セラミックコーティングに関する他の詳細、並びにこれに伴う他の目的及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面に示され、図面において、同様の符号は、同様の構成要素を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、タービンエンジンの構成部品、例えばブレード、ベーン、燃焼器パネル、又はシールに施される２層セラミックコーティングに関する。２層セラミックコーティングは、熱サイクルで膨張及び縮小可能であり、これによって歪み耐性を増大させて、耐久性を増大する。
【０００９】
タービンエンジンの構成部品１０は、金属製の材料、例えばニッケルベースの合金、コバルトベースの合金、耐熱金属合金、セラミックベースの合金、シリカベースの合金、又はセラミックマトリックス複合材料から形成される支持体１２を含む。該支持体１２の表面の上にボンディングコート１４が施される。ボンディングコート１４は、ＭＣｒＡｌＹ、例えば白金アルミナイドなどのアルミナイド、セラミック材料、及びシリカベースの材料からなる群から選択される材料から形成されても良い。ボンディングコート１４は、当該分野で知られている好適な技術で施されても良い。ボンディングコート１４は、溶射技術を用いて堆積されるのが好ましい。かかる技術において、スプレートーチは、６０トール（６０ｍｍＨｇ）未満の圧力か、又は空気等の他の好適な雰囲気下において、真空チャンバー中で操作可能である。真空チャンバーを用いる場合、支持体は、約１５００〜約２０００°Ｆの温度まで加熱されても良い。空気雰囲気下の場合、支持体の温度は、６００°Ｆ未満に保持される。ボンディングコートは、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）として知られている処理方法によって施されても良い。かかる堆積法では、スプレートーチを利用し、スプレートーチにおいては、液体の燃料又は気体を酸素と燃焼させて、高速の気体流を生成し、この気体流に、粉末化コーティング材料を注入し、加熱し、支持体に噴きつける（ｐｒｏｐｅｌ）。
【００１０】
ボンディングコート１４に用いられる粒径は、約１５〜約１００ミクロンの範囲であっても良く、約２５ミクロンの平均粒径が好ましい。ボンディングコートは、約５．０〜約１５ミル（ｍｉｌ）の範囲の厚さに施されても良い。
【００１１】
金属製のボンディングコートの堆積後、２層セラミックコーティングは、金属製のボンディングコートに亘って形成される。第１のセラミック層１６は、１．０〜２５重量％のイットリア及び残部がジルコニアからなる組成を有するイットリア安定化ジルコニアから形成されるのが好ましい。好ましい実施形態において、第１の層は、７重量％のイットリア安定化ジルコニアである。第２のセラミック層１８は、５．０〜９９重量％のガドリニア、好ましくは３０〜７０重量％のガドリニア及び残部がジルコニアからなる組成を有するガドリニア安定化ジルコニアから形成されるのが好ましい。好ましい実施形態において、第２のセラミック層１８は、５９重量％のガドリニア及び残部はジルコニアから形成される。
【００１２】
必要により、第１のセラミック層１６は、上述のガドリニア安定化ジルコニアから形成可能であり、第２のセラミック層１８は、上述のイットリア安定化ジルコニアから形成可能である。
【００１３】
各々の第１のセラミック層１６及び第２のセラミック層１８は、歪み適合性があり、剥離（ｓｐａｌｌａｔｉｏｎ）に対して更に耐性を有するクラック化（セグメント化）構造を形成する溶射パラメータを用いる代表的な技術を利用することによって形成される。本発明のコーティングを形成する好ましい技術は、溶射、更に好ましくはプラズマ溶射によって行われる。好ましい噴射角度は、約９０°であるが、噴霧角度は、複雑な部品の幾何形状に伴って変更することができる。部品までのガンの距離は、２．０〜５．０インチで変更可能である。かかる技術において、キャリアガスを使用する。５．０〜２０ＳＣＦＨ（１時間あたりの標準立方フィート）のキャリアガス流量を用いるのが好ましい。溶射パラメータ、例えば第１のガス流量、第２のガス流量、ガンの電圧、及びガンの電流は、使用される器具の種類と共に変更することができる。
【００１４】
第１のセラミックコーティング層１６及び第２のセラミックコーティング層１８におけるクラック化構造により、２層セラミックコーティングは、熱サイクルで膨張及び縮小可能であり、これによって歪み耐性を増大させて、耐久性を増大する。ガドリニア安定化ジルコニア、例えば５９重量％のガドリニア安定化ジルコニアは、イットリア安定化ジルコニア、例えば７重量％のイットリア安定化ジルコニアの熱伝導性のおよそ半分を有し、一方、イットリア安定化ジルコニア、例えば７重量％のイットリア安定化ジルコニアは、高い靱性（ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）を有する。
【００１５】
第１のセラミックコーティング層１６及び第２のセラミックコーティング層１８の各々は、５．０〜５０ミルの範囲の厚さを有していても良い。
【００１６】
本発明における２層セラミックコーティングに対する一の利点は、熱伝導性を低減しつつ耐久性を増大させることである。
【００１７】
かかるセラミックコーティングに対する他の利点は、段階的な領域が存在しないことである。上層に伝導性の低いセラミック材料を有し、下層にイットリア安定化ジルコニア材料を有するシステムは、逆のシステムと比較して、高い磨耗性（ａｂｒａｄａｂｌｅ）を有する。その上、本発明のコーティング組成物における層は、用途に応じて交換可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】２層セラミックコーティングを有するタービンエンジンの構成部品を示す概略図。
【図１】
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【外国語明細書】
2008064089000001.pdf