(57)【要約】【課題】砂により損傷されないコーティングシステムを提供する。【解決手段】サーマルバリアコーティング１４にナトリウム含有化合物を、ドーパントの形、第２相の形、または不連続層として含有させる。サーマルバリアコーティング１４は、ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、チタン酸塩およびそれらの混合物からなる群より選択される１つまたは複数の層のセラミック材料層１６を含む。【選択図】図１
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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サーマルバリアコーティングと、を含み、
前記サーマルバリアコーティングはナトリウム含有化合物を有するセラミック材料を含むことを特徴とするタービンエンジンコンポーネント。
【請求項２】
前記サーマルバリアコーティングが少なくとも１層のセラミック材料層と少なくとも1層のナトリウム含有化合物層とを含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項３】
前記サーマルバリアコーティングが、セラミック材料の層とナトリウム含有化合物の層との交互の層を含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項４】
前記サーマルバリアコーティングが少なくとも１層のセラミック材料層と、前記ナトリウム含有化合物からなる最も外側の層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項５】
前記ナトリウム含有化合物がドーパントとして存在することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項６】
前記ナトリウム含有化合物が第二相として存在することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項７】
前記サーマルバリアコーティングが少なくとも１層のセラミック材料層と、酸化ナトリウム、ケイ酸ナトリウムおよびチタン酸ナトリウムからなる群より選択される少なくとも１層のナトリウム含有化合物層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項８】
前記サーマルバリアコーティングが、セラミック材料層と、酸化ナトリウム、ケイ酸ナトリウムおよびチタン酸ナトリウムからなる群より選択されるナトリウム含有化合物の層との交互の層を含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項９】
前記サーマルバリアコーティングが、少なくとも1層のセラミック材料層と、酸化ナトリウム、ケイ酸ナトリウムおよびチタン酸ナトリウムからなる群より選択されるナトリウム含有化合物からなる最も外側の層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項１０】
前記ナトリウム含有化合物が酸化ナトリウムであることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項１１】
前記ナトリウム含有化合物酸化物が約０．５〜約５０重量％の濃度で存在することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項１２】
前記ナトリウム含有化合物が約１０〜約３０重量％の濃度で存在することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項１３】
前記基材が、ニッケルベースの超合金、コバルトベースの超合金、耐熱金属合金、セラミックベースの材料、またはセラミックマトリクス複合体から形成されることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項１４】
前記セラミック材料が、イットリア安定化ジルコニアを含み、前記イットリア安定化ジルコニアが１.０〜２５重量％のイットリアと残部を占めるジルコニアを含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項１５】
前記セラミック材料が、５.０〜９９重量％のガドリニアと残部を占める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ことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項１６】
前記ガドリニア安定化ジルコニアが、３０〜７０重量％のガドリニアと残部を占めるジルコニアからなることを特徴とする請求項１５に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項１７】
前記ナトリウム含有化合物が、コーティングが溶融砂と反応する際にケイ酸ナトリウムを形成するのに十分な量で存在することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項１８】
前記セラミック材料が、ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、チタン酸塩およびそれらの混合物からなる群より選択され、このセラミック材料が、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、スカンジウム、インジウムおよびイットリウムからなる群より選択される金属の少なくとも１つの酸化物５〜９９重量％と混合され、前記少なくとも１つの酸化物が、好ましくは、３０〜７０重量％の量で存在することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項１９】
前記基材と前記サーマルバリアコーティングとの間にボンドコートを含み、前記基材および前記サーマルバリアコーティングの上にトップコートをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【請求項２０】
前記トップコートが、ナトリウム含有化合物、オキシアパタイト、ガーネット、およびそれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とする請求項１９に記載のタービンエンジンコンポーネント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドーパント、第２相、または不連続層として、コーティング中に高濃度のナトリウム含有化合物を含むサーマルバリアコーティングの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
砂漠環境で使用されるタービンエンジンエアフォイルは、砂がサーマルバリアコーティングを損傷させるため劣化する。このような損傷の機構は、流動性のある砂の堆積層が７ＹＳＺセラミックサーマルバリアコーティングへ侵入し、これが剥離を招き、さらに露出した金属の酸化が加速されるというものである。ガドリニア安定化ジルコニアコーティングは流動性のある砂の堆積層と反応し、反応生成物は、流動性のある砂がコーティングに侵入することを防ぐことが知られている。反応生成物は、主にガドリニア、カルシア、ジルコニア、および珪酸を含むシリケートオキシアパタイト／ガーネットである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
エアフォイルの効率を高める１つの方法は、表面粗さを減らすことである。これに対する取り組みとして、シーラント層を使用してきた。
【０００４】
しかし、砂による損傷を効率的に対処できるコーティングシステムがいまだ必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、基材と、ナトリウム含有化合物を含むサーマルバリアコーティングと、を有するタービンエンジンコンポーネントを提供する。サーマルバリアコーティング内のナトリウム含有化合物は、溶融砂と反応するその後の反応でケイ酸ナトリウムを形成するのに十分な濃度で存在する。
【０００６】
本発明によれば、タービンエンジンコンポーネントは、基材と、この基材の上に施されたサーマルバリアコーティングとを含む。サーマルバリアコーティングは、ナトリウム含有化合物を有するセラミック材料を広く含む。
【０００７】
さらに本発明によれば、サーマルバリアコーティングは、ナトリウム含有化合物を有するセラミック材料を広く含む。
【０００８】
本発明の高濃度にナトリウムを含有するサーマルバリアコーティングの詳細、ならびに付随する課題および利点を次の詳細な説明および添付の図面に記載するが、同じ符号は同じ要素を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１では、タービンエンジンコンポーネント１０は、例えばエンジンコンポーネント１０のエアフォイル部またはプラットフォームなどの基材１２を有し、基材１２の少なくとも一方の表面にサーマルバリアコーティング１４が施される。基材１２は任意の好適な公知の材料、例えばニッケルベースの超合金、コバルトベースの超合金、耐熱金属合金、セラミックベースの材料またはセラミックマトリクス複合体から製造されてよい。
【００１０】
サーマルバリアコーティング１４は、ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩（ｈａｆｎａｔｅ）、チタン酸塩およびそれらの混合物からなる群より選択される１つまたは複数の層のセラミック材料層１６を含む。セラミック材料は、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、スカンジウム、インジウムおよびイットリウムからなる群より選択される金属の約５〜９９重量％、好ましくは約３０〜７０重量％の少なくとも１つの酸化物と混合され、またはさらに好ましくは前記酸化物を含む。さらに、セラミック材料層１６は、イットリア安定化ジルコニア材料またはガドリニア安定化ジルコニア材料であってもよい。イットリア安定化ジルコニア材料は、イットリアを１.０〜２５重量％と残部を占めるジルコニアを含有してよい。ガドリニア安定化ジルコニア材料は、ガドリニアを５.０〜９９重量％、好ましくは３０〜７０重量％と残部を占めるジルコニアを含有してよい。
【００１１】
セラミック材料層１６は、周知の好適な方法で施される。サーマルバリアコーティングは、さらに、酸化ナトリウム、ナトリウム含有ケイ酸塩、ナトリウム含有チタン酸塩等のナトリウム含有化合物層１８を１つまたは複数の層を含む。ナトリウム含有化合物は、例えばゾル‐ゲル法、スラリー法、化学蒸着法、スパッタリング法、溶射法、および電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ）などの公知技術を用いて施すことができる。ナトリウム含有化合物が、１つまたは複数のナトリウム含有化合物層１８に存在する場合、サーマルバリアコーティング１４の最も外側の層がナトリウム含有化合物層１８であるのが好ましい。必要であれば、サーマルバリアコーティング１４はセラミック層１６とナトリウム含有化合物層１８とを交互に有してよい。
【００１２】
ナトリウム含有化合物層を形成する代わりに、ナトリウムをドーパントの形状、または第二相としてセラミック材料中に存在させてもよい。このようなコーティングは、ジルコニアベースの原料にナトリウムをドープすることで製造できる。次に、コーティングを、例えばゾル‐ゲル法、スラリー法、化学蒸着法、スパッタリング法、空気プラズマ溶射法、高速フレーム法（ＨＶＯＦ）、電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ）などの公知技術を用いて施すことができる。さらに、ナトリウム含有化合物を蒸着過程で第二相として添加してもよい。例えば、空気プラズマ溶射法では、１つまたは複数のナトリウム含有化合物とジルコニアベースの材料とを同時に溶射することができる。
【００１３】
本発明のサーマルバリアコーティング１４は十分量のナトリウムを含有するので、溶融砂とコーティング１４とが反応すると、副生成物としてケイ酸ナトリウムが形成される。水ガラスとしても知られるケイ酸ナトリウムは水溶性であり、水洗浄によりタービンエンジンコンポーネントから除去できるので、タービンエアフォイルの清掃が容易である。本発明によれば、サーマルバリアコーティングは、ナトリウム含有化合物を約０．５〜約５０重量％、好ましくは約１０〜約３０重量％の濃度範囲で含有してよい。
【００１４】
基材１２とサーマルバリアコーティング１４との間にボンドコートを施してもよい。ボンドコートは、ＭＣｒＡｌＹ、アルミナイド、白金アルミナイド、セラミックまたは珪酸ベースのボンドコートであってよい。
【００１５】
例えばゾル‐ゲル法、スラリー法、化学蒸着法、スパッタリング法、プラズマ溶射法、高速フレーム法（ＨＶＯＦ）、および電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ）などの公知技術を用いて、トップコートをサーマルバリアコーティング上に施してもよい。トップコートは、ナトリウム含有化合物、オキシアパタイト、ガーネット、およびそれらの混合物からなる群より選択することができる。
【００１６】
本発明の利点の１つは、従来よりも容易にタービンエンジンから溶融砂を除去できるサーマルバリアコーティングシステムである。凝固した砂を除去することで、サーマルバリアコーティング内への更なる侵入と熱サイクルによるその後の損傷が軽減される。加えて、表面粗さが減少するため、エアフォイル効率が向上すると考えられる。
【００１７】
本発明のコーティングシステムはサーマルバリアコーティングとして主に使用するために開発されたが、シールとして使用するために所望の多孔性を有する材料を用いてもよい。例えば、本明細書の参考として、本出願人の米国特許第４，９３６，７４５号を参照されたい。例えば、ポリマー材料をガドリニアジルコニア酸化物に混合し、その後、溶射および熱処理を行い、セラミック内に孔を形成する。このようなケースでは、コーティングは約３０〜６０体積％の多孔率を有するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のサーマルバリアコーティングシステムの概略図。
【図１】
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【外国語明細書】
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