(57)【要約】      （修正有）【課題】耐浸食性コーティング組成物及びコーティング方法を含むタービンエンジン構成要素を提供する。【解決手段】被覆されたタービンエンジン１００構成要素は、タービンエンジン構成要素１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２と、電子ビーム物理蒸着又はイオンプラズマカソードアーク蒸着を用いてタービンエンジン構成要素１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２の表面の少なくとも一部分上に配置された耐浸食性コーティングとを含んでいる。耐浸食性コーティングは、セラミック、サーメット、又は以上のものを少なくとも１つ含む組合せからなることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン構成要素（１２、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）と、
電子ビーム物理蒸着又はイオンプラズマカソードアーク蒸着を用いて前記タービンエンジン構成要素（１２、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）の表面の少なくとも一部分の上に配置された耐浸食性コーティング（１４）と
を含んでなる、被覆されたタービンエンジン構成要素（１０、１００）。
【請求項２】
耐浸食性コーティング（１４）が、セラミック、サーメット、又は以上のものを少なくとも１つ含む組合せからなる、請求項１記載の被覆されたタービンエンジン構成要素（１０、１００）。
【請求項３】
耐浸食性コーティング（１４）が、７５マイクロインチ以下の平均粗さを有する、請求項１〜２のいずれかに記載の被覆されたタービンエンジン構成要素（１０、１００）。
【請求項４】
被覆されたタービンエンジン構成要素（１０、１００）が、耐浸食性コーティング（１４）が配置されていないタービンエンジン構成要素（１２、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）のサイクル疲労強度以上である高いサイクル疲労強度を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の被覆されたタービンエンジン構成要素（１０、１００）。
【請求項５】
耐浸食性コーティング（１４）が多層コーティングである、請求項１〜４のいずれかに記載の被覆されたタービンエンジン構成要素（１０、１００）。
【請求項６】
多層耐浸食性コーティング（１４）の各層（１６、１８、２０、２２、２４、２６、２８、３０）が５ナノメートル〜２５マイクロメートルの平均厚さを有しており、多層耐浸食性コーティング（１４）が１〜２００マイクロメートルの平均合計厚さを有する、請求項５記載の被覆されたタービンエンジン構成要素（１０、１００）。
【請求項７】
多層耐浸食性コーティング（１４）が、軟質で延性の組成物及び硬質で脆性の組成物の交互の層（１６、１８、２０、２２、２４、２６、２８、３０）からなる、請求項５又は６記載の被覆されたタービンエンジン構成要素（１０、１００）。
【請求項８】
タービンエンジン構成要素（１２、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）の表面の少なくとも一部分の上に電子ビーム物理蒸着又はイオンプラズマカソードアーク蒸着により耐浸食性コーティングを配置することを含んでなる方法。
【請求項９】
耐浸食性コーティング（１４）が多層耐浸食性コーティング（１４）であり、多層耐浸食性コーティング（１４）の各層（１６、１８、２０、２２、２４、２６、２８、３０）が独立して電子ビーム物理蒸着層又はイオンプラズマカソードアーク蒸着層である、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
配置された耐浸食性コーティング（１４）の平均粗さが、タービンエンジン構成要素（１２、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２）の平均粗さの１〜３３パーセント以内である、請求項８又は９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーティング組成物及びコーティング方法、より特定的には耐浸食性コーティング組成物及びコーティング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属構成要素は、多種多様の産業用途において、多様な作動条件下で使用される。多くの場合、これらの構成要素は、耐食性、耐熱性、耐酸化性、及び耐浸食性のような様々な特性を付与するコーティングを備えている。一例として、耐浸食性コーティングは、特に固体粒子の浸食を受け易い高圧及び中圧蒸気タービンの第１段階に使用されることが多い。また、耐浸食性コーティングは、砂若しくはその他の空中固体粒子浸食及び腐食を受け易いガスタービン及びジェットエンジンのコンプレッサーセクションで使用されることが多い。
【０００３】
これらの構成要素の浸食は、一般に、流体媒体（すなわち、空気、蒸気、又は水）によりもたらされる、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、粘土、火山灰、などの固体粒子（例えば、空気中の砂又は蒸気中のボイラー剥離物）の衝突によって起こる。タービン構成要素の現存する、限定されることはないがマルテンサイトステンレススチールのような母材はこれらの条件で適当な耐浸食性又は耐食性をもっていない。その結果起こり得る激しい浸食のため、タービン構成要素が損傷されることにより、頻繁なメンテナンスに関する操業停止、作業効率の損失、及び様々な構成要素を定期的に交換する必要性が生じ得る。
【０００４】
浸食問題を回避又は緩和するために、幾つかの発電所は固体粒子含有量がある一定のレベルに達したら停止するように設計されていて、さらなる浸食を防止する。発電所の操業停止に加えて、浸食を緩和するために様々な耐浸食性コーティングが開発されてきている。かかるコーティングとしては、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）及び高速ガス溶射（ＨＶＯＦ）のような溶射技術により設けることが多いアルミナ、チタニア、クロミア、などのセラミックコーティングが多い。これらのプロセスでは、粗い表面組織と限られた硬度を有するコーティングが生成することが多く、そのためタービンの性能に悪影響を及ぼすことがある。また、これらのプロセスでは、基材又は母材の高いサイクル疲労強度に対して悪影響を与え得るコーティングが生成する可能性がある。最後に、これらのプロセスで製造されるコーティングは、コーティングの厚さを埋め合わせるためにタービン翼の修正を要することが多い。
【０００５】
蒸気タービンの構成要素を空気力学的により効率的にするために耐浸食性コーティングの表面粗度を低下させる最近の試みとして、蒸着したコーティングを特定の表面粗度まで機械加工又は研磨するものがある。残念ながら、これらの技法は高価で時間がかかるプロセスである。その結果、多くの用途でこのタイプの機械加工又は研磨は見送られている。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２−００１４２０８号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５−０１１２４１１号
【特許文献３】国際公開第２００５−０５２２１０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、当技術分野では、低下した表面粗度、増大した硬度、高いサイクル疲労強度の最小又はゼロの低下、及び／又は翼面積及び表面特性に対する最小の影響を有するタービンエンジン構成要素用のコーティングを製造する方法が相変わらず必要とされている。蒸着したままのコーティングが低下した表面粗度を示し、低下した表面粗度を達成するために蒸着後の機械加工又は研磨段階を必要としないならば特に有利であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
被覆されたタービンエンジン構成要素は、タービンエンジン構成要素と、電子ビーム物理蒸着又はイオンプラズマカソードアーク蒸着を用いてタービンエンジン構成要素の表面の少なくとも一部分の上に配置された耐浸食性コーティングとを含んでいる。
【０００８】
別の実施形態において、被覆されたタービンエンジン構成要素は、タービンエンジン構成要素と、タービンエンジン構成要素の表面の少なくとも一部分の上に配置された約７５マイクロインチ以下の平均粗さを有する多層耐浸食性コーティングとを含んでいる。
【０００９】
本発明の方法は、タービンエンジン構成要素の表面の少なくとも一部分の上に電子ビーム物理蒸着又はイオンプラズマカソードアーク蒸着によって耐浸食性コーティングを配置することを含んでいる。
【００１０】
もう１つ別の方法は、タービンエンジン構成要素の表面の少なくとも一部分の上に約７５マイクロインチ以下の平均粗さを有する多層耐浸食性コーティングを電子ビーム物理蒸着又はイオンプラズマカソードアーク蒸着によって配置することを含んでいる。
【００１１】
上記及びその他の特徴は以下の図及び詳細な説明により例証される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
ここで、本発明の実施形態を例示する図面を参照するが、図中類似の要素には同様な数字を付してある。
【００１３】
本明細書には、金属製のタービンエンジン構成要素に耐浸食性を付与するコーティング組成物及びコーティング方法が開示されている。この方法は、一般に、平滑なタービンエンジン構成要素基材上へのコーティングの電子ビーム−物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）又はイオンプラズマカソードアーク蒸着に基づいている。この方法により、現存するコーティングと比べて低下した表面粗度を有するコーティングが得られる。有利なことに、蒸着したコーティングは、低下した表面粗度を達成するための蒸着後の機械加工又は研磨段階を必要としない。さらにまた、本発明のコーティングは、タービンの作動中寸法安定性が増大している。例えば、被覆されたタービンエンジン構成要素は、耐浸食性コーティングが配置されていないタービンエンジン構成要素以上の高いサイクル疲労（ＨＣＦ）強度を有する。従って、増大した表面粗度を有するコーティングで観察される低下したタービン効率及び出力のような悪影響を減らすことができる。これらの特徴により、結局、構成要素とタービンエンジンの寿命が延びる。
【００１４】
ここで図１を参照すると、全体を１０で示した被覆された物品の一部分が図示されている。被覆された物品１０のこの部分は一般に、基材１２と、基材１２の表面の少なくとも一部分の上に配置された耐浸食性コーティング１４とを含んでいる。
【００１５】
耐浸食性コーティング１４が上に配置されている基材１２は、いかなる金属、合金、セラミック（例えば、酸化物、窒化物、炭化物、など）、又は以上のものを少なくとも１つ含む組合せ（例えば、金属／合金−ポリマー複合材）でもよい。基材１２の組成と微細構造は耐浸食性コーティング１４の性能に影響を及ぼし得ることに注意するのが重要である。代表的な１つの実施形態において、基材１２はタービンエンジン構成要素である。タービンエンジン構成要素の形態は、シュラウド、バケット又はブレード、ノズル又はベーン、隔膜部品、シール部品、バルブステム、ノズルボックス、ノズルプレート、などで変化し得る。用語「ブレード」及び「バケット」は互換的に使用することができる。一般に、ブレードは航空機タービンエンジンの回転翼であり、バケットは陸上の発電用タービンエンジンの回転翼である。また、一般に蒸気又はガスタービンの固定羽根を指す用語「ノズル」は、用語「ベーン」と互換的に使用することができる。
【００１６】
タービンエンジン構成要素は一般に鋼及び／又は超合金からなる。超合金は、絶対融解温度の約０．７を超えることが多い高温で使用することができる合金である。いかなるＦｅ−、Ｃｏ−、又はＮｉ−基超合金組成物も、構造部品を形成するのに使用することができる。Ｆｅ−、Ｃｏ−、又はＮｉ−基超合金中の最も一般的な溶質はアルミニウム及び／又はチタンである。一般に、アルミニウム及び／又はチタンの濃度は低い（例えば、各々約１５重量パーセント（ｗｔ％）以下）。Ｆｅ−、Ｃｏ−、又はＮｉ−基超合金のその他の任意成分としては、クロム、モリブデン、コバルト（Ｆｅ−又はＮｉ−基超合金）、タングステン、ニッケル（Ｆｅ−又はＣｏ−基超合金）、レニウム、鉄（Ｃｏ−又はＮｉ−基超合金）、タンタル、バナジウム、ハフニウム、コロンビウム、ルテニウム、ジルコニウム、ホウ素、イットリウム、及び炭素があり、各々独立して約１５ｗｔ％以下の量で存在することができる。
【００１７】
固体粒子の浸食を受け易いタービンエンジン構成要素に耐浸食性を付与するように、特定の耐浸食性コーティング１４組成を選択する。耐浸食性コーティング１４はセラミック材料からなることができる。適切なセラミック組成物としては、Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＴａＯ２、などのような金属酸化物、Ｃｒ３Ｃ２、ＷＣ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、Ｂ４Ｃ、などのような金属炭化物、ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素、ＢＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＣｒＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＺｒＮ、などのような金属窒化物、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、Ｃｒ３Ｂ２、Ｗ２Ｂ２、などのような金属ホウ化物、及び以上の組成の１種以上を含む組合せ（例えば、ＴｉＣＮ、ＣｒＢＮ、ＴｉＢＮ、など）がある。また、耐浸食性コーティング１４はセラミック−金属複合材（サーメット）からなることもできる。適切なサーメットとしては、ＷＣ／Ｃｏ、ＷＣ／ＣｏＣｒ、ＷＣ／Ｎｉ、ＴｉＣ／Ｎｉ、ＴｉＣ／Ｆｅ、Ｎｉ（Ｃｒ）／Ｃｒ３Ｃ２、ＴａＣ／Ｎｉ、及び以上のものを１種以上含む組合せがある。耐浸食性コーティング１４のさらに別の実施形態としては、１種以上のセラミック又はサーメットを含む組合せ（例えば、以上のものを１種含む金属又は合金マトリックス）がある。
【００１８】
代表的な１つの実施形態において、耐浸食性コーティング１４は図１に示したような多層コーティングである。多層耐浸食性コーティング１４内の各層の組成は、耐食性、耐熱性、延性、汚れ耐性（例えば、付着物の蓄積に対する抵抗性）、硬度、破壊靱性、又は以上の特性を１種以上含む組合せのような付加的な所望の特性を付与するように選択することができる。
【００１９】
例えば、耐浸食性コーティング１４は、約５０００キログラム／平方ミリメートル（ｋｇ／ｍｍ２）までの断面又はＶｉｃｋｅｒｓ硬度（Ｈｖ）を有することができる。この範囲内で、耐浸食性コーティング１４の硬度は約５００ｋｇ／ｍｍ２以上である。１つの実施形態において、耐浸食性コーティング１４の硬度は約１０００ｋｇ／ｍｍ２以上である。別の実施形態において、耐浸食性コーティング１４の硬度は約２０００ｋｇ／ｍｍ２以上である。さらにもう１つ別の実施形態において、耐浸食性コーティング１４の硬度は約４０００ｋｇ／ｍｍ２以下である。さらに別の実施形態において、耐浸食性コーティング１４の硬度は約３０００ｋｇ／ｍｍ２以下である。
【００２０】
耐浸食性コーティング１４の平均粗さ（Ｒａ）、すなわち、試料長さ内で図上の中心線から測定した耐浸食性コーティング１４の側面高さ偏差の絶対値の算術平均は、約７５マイクロインチ以下であり得る。この範囲内で、耐浸食性コーティング１４は約６０マイクロインチ以下のＲａを有することができる。１つの実施形態において、耐浸食性コーティング１４は約５０マイクロインチ以下のＲａを有する。別の実施形態において、耐浸食性コーティング１４は約４０マイクロインチ以下のＲａを有する。さらにもう１つ別の実施形態において、耐浸食性コーティング１４は約１０マイクロインチ以上のＲａを有する。さらに別の実施形態において、耐浸食性コーティング１４は約２０マイクロインチ以上のＲａを有する。
【００２１】
多層耐浸食性コーティング１４を形成することができる個々の層の数に特定の上限はないが、通常２層以上でなければならない。多層耐浸食性コーティング１４内で、熱膨張、さらには個々の層と基材１２との及び個々の層間の熱サイクル応力を考慮しなければならない。例えば、個々の層の熱サイクル応力は多層耐浸食性コーティング１４全体の降伏応力を越えてはならない。
【００２２】
また、多層耐浸食性コーティング１４内の各層は異なる厚さであってもよいし、及び／又は各層が非均一な厚さを有していてもよい。各層の平均厚さは独立して約５ナノメートル（ｎｍ）〜約２５マイクロメートル（μｍ）であり得る。この範囲内で、各層の平均厚さは独立して約１００ｎｍ以上、特定的には約１μｍ以上であることができる。また、この範囲内で、各層の平均厚さは独立して１０μｍ以下、特定的には約５μｍ以下であることができる。多層コーティング１４全体の平均厚さは約１〜約２００μｍであり得る。この範囲内で、多層コーティング１４全体の平均厚さは約５μｍ以上、特定的には約７μｍ以上であることができる。また、この範囲内で、多層コーティング１４全体の厚さの平均厚さは５０μｍ以下、特定的には約３０μｍ以下であることができる。
【００２３】
１つの実施形態において、多層耐浸食性コーティング１４の少なくとも一部分は個々の層の周期的繰返しであることができる。例えば、２つの異なる組成物を交互に積み重ねて３以上の層を形成することができる。また、３つの異なる組成物を、限定されることはないが１−２−３−１−２−３−、１−２−３−２−１−、などを始めとして任意の数の順に積み重ねてもよい。これらの交互に積み重ねられた層が充分に薄い（例えば、約１００ｎｍ以下）場合、より厚い個々の層より大幅に改良された硬度と破壊耐性を有することができるヘテロ構造又は超格子が形成される。
【００２４】
前述のように、耐浸食性コーティング１４は電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）又はイオンプラズマカソードアーク蒸着を用いて基材１２上に設けることができる。耐浸食性コーティング１４が多層コーティングである場合、多層耐浸食性コーティング１４の各層を同じ蒸着技術を用いて設けるのが望ましいことがあるかもしれないが、必要ではない。
【００２５】
ＥＢ−ＰＶＤ装置は一般に、カソードを収容する真空チャンバー、電源、及び標的アノードアセンブリを含んでいる。アノード標的アセンブリは、所望のコーティング組成物の１種以上の金属からなるアノード標的と、標的ホルダーを含んでいる。１種より多くの金属を蒸着する場合、蒸着しようとする金属の合金からなる単一の標的を気化させることもできるし、又は複数の標的を一緒に気化させることもできる。まず、蒸着チャンバーを特定の圧力に排気する。電源に接続された電子源（例えば、タングステンフィラメント）により生成した電子ビームをアノード標的に衝突させる。電子ビームによるアノード標的の強力な加熱のため、標的の表面が融解又は昇華し、金属の気化した分子が上方へ移動して、基材１２の表面上に沈積し、所望の耐浸食性コーティング１４が生成する。その厚さはコーティングプロセスの持続時間と基材上に凝縮する蒸気流に依存する。制御されたガスをチャンバー内に導入することにより、標的と導入されたガスとの化合物である組成物が基材１２上に蒸着する。蒸着チャンバー内で基材１２を動かして、基材１２の様々な表面上で均一なコーティングを達成することができる。
【００２６】
対照的に、カソードアーク装置は一般に、アノードを収容している真空チャンバー、電源、及び電源に接続されたカソード標的アセンブリを含んでいる。カソード標的アセンブリは、所望のコーティング組成の１種以上の金属のカソード標的と、標的ホルダーを含んでいる。１種より多くの金属を蒸着する場合、蒸着しようとする金属の合金からなる単一の標的を気化させることもできるし、又は複数の標的を一緒に気化させることもできる。まず、蒸着チャンバーを特定の圧力に排気する。次に、電子トリガーを用いてアークを発生させ、外部磁場によりアークを維持すると共にそのアークをカソード標的の表面に案内して、基材１２上にコーティングを蒸着するのに理想的な高度にイオン化されたプラズマの強力な源を発生させる。カソード標的と基材１２との間にバイアス電圧をかけて、耐浸食性コーティング１４の蒸着を推進する。制御されたガスをイオン化されたプラズマ雲に導入することによって、標的と導入されたガスとの化合物を基材１２上に蒸着させることができる。蒸着チャンバー内で基材１２を動かして、基材１２の様々な表面上で均一なコーティングを達成することができる。
【００２７】
基材１２の一部分のみを耐浸食性コーティング１４で被覆したい場合には、基材１２を蒸着チャンバーに挿入する前にマスクを用いて、基材１２の被覆されないで残す部分を覆うことができる。本開示に鑑みて硬質マスク及び軟質マスクのような特定のマスク技術が当業者には公知である。
【００２８】
耐浸食性コーティング１４を形成するのに使用する特定の蒸着パラメーターは、当業者が本開示に鑑みて過度の実験をすることなく決定することができる。技術の選択は、特定の用途、基材１２、温度、コスト、などに依存する。例えば、所与基材１２でカソードアーク蒸着の代わりにＥＢ−ＰＶＤを用いると、少し平滑度の高い耐浸食性コーティング１４が得られる。また、ＥＢ−ＰＶＤの場合、蒸着することができるコーティング組成の融通性をより高くすることができるが、より大きな組成上の制御は、特に多元又は複合合金の場合、カソードアーク蒸着を用いて達成することができる。ＥＢ−ＰＶＤは一般に、耐浸食性コーティング１４のより速い蒸着が可能である。しかし、カソードアーク蒸着用の装置のコストはＥＰ−ＰＶＤよりずっと低い。両者の技術の蒸着温度は同様であるが、カソードアーク蒸着を用いて多元又は複合合金を蒸着する場合アークスポットのより高い瞬間的温度のために増大した組成制御が可能になる。
【００２９】
ＥＢ−ＰＶＤもカソードアーク蒸着も、コーティングを設ける基材１２と同じ又は実質的に同じ微細構造及び／又は平均粗さを有する耐浸食性コーティング１４を製造することができる。例えば、ＥＢ−ＰＶＤの場合、設けられる耐浸食性コーティング１４の粗さ平均は基材１２の粗さ平均の約１〜約１０パーセント以内であり、イオンプラズマカソードアーク蒸着の場合、設けられる耐浸食性コーティング１４の粗さ平均は基材１２の粗さ平均の約１〜約３３パーセント以内である。被覆されていないタービンエンジン構成要素の平滑度／粗さはその構成要素を所望の外形及び／又は寸法に機械加工することにより制御することができる。従って、有利な特徴として、高度に平滑な蒸着したままの耐浸食性コーティング１４を、平滑なタービンエンジン構成要素の上に、蒸着後の加工処理段階を必要とせずに製造することができる。こうして、コーティング段階が完了したら、被覆された物品１０はすぐに使用したり、又は以後の製造プロセスにかけられる。
【００３０】
ここで図２を参照すると、図中で影を付けてある耐浸食性コーティング１４で被覆された様々な構成要素を有するタービンエンジン（全体を１００で示す）の一部分の断面が示されている。特定的には、ノズル１０２とバケット１０４は、被覆することができる主要な構成要素の２つである。本明細書に記載した耐浸食性コーティング１４で被覆することができるタービンエンジン１００の他の領域としては、ノズル隔膜の一部分（例えば、ルートスピルストリップ１０６、及びチップスピルストリップともいわれる隔膜外輪１１２）、バケットダブテールの一部分（例えば、全体を１１０で示すダブテールのスピルストリッププラットフォーム１０８及びその他の軸面）、並びに固体粒子の浸食を受け得る他のあらゆる領域がある。現存するコーティング技術の場合と異なり、図２に示す被覆された領域は、コーティングの厚さを相殺するための流れ領域の修正を必要としないことに注意されたい。
【００３１】
ここで、タービンバケット１０４である基材に言及する。代表的な多層耐浸食性コーティング１４は、ＴｉとＴｉＮの交互の層をバケット１０４上に蒸着することによって形成することができる。
【００３２】
実例として、再び図１を参照して多層耐浸食性コーティング１４について説明する。特定的には、図に示されているように、ＴｉＮの層（１８、２２、２６、及び３０）には影を付けてあり、一方Ｔｉの層（１６、２０、２４、及び２８）には影を付けてない。８つの交互の層（すなわち、１６、１８、２０、２２、２４、２６、２８、及び３０）について言及するが、これは単に例示のためであるものと了解されたい。当業者には、任意の数の交互層を使用できることが分かるであろう。さらにまた、この実施形態では第１の交互層１６（すなわち、タービンバケットに最も近い層）をＴｉ層として示してあるが、第１の交互層１６としてＴｉＮを使用することが可能である。
【００３３】
Ｔｉの交互層は、チタンインゴットを用いてＥＢ−ＰＶＤ又はカソードアーク蒸着で設けられる。ＴｉＮの層が望まれる場合、蒸着チャンバー中に窒素を導入して金属チタン蒸気を窒化する。
【００３４】
ＴｉとＴｉＮの交互の層を用いる特に有利な特徴として、コーティング全体の厚さをかなり大きくすることができることがある。ＴｉＮ自体の蒸着による残留応力は非常に大きくて、約５μｍより厚いコーティングを形成することができない。しかし、多層耐浸食性コーティング１４の累積厚さは約５〜約４５μｍとすることができ、ＴｉとＴｉＮの個々の層は各々約５００ｎｍ〜約５μｍの厚さを有する。
【００３５】
さらにまた、多層耐浸食性コーティング１４の成分として金属（この場合はチタン）のような軟質で延性の材料を使用することによって、硬質で脆性のセラミック（この場合は窒化物）層が浸食物により衝撃されたときに亀裂の伝播を最小にするか又は防止することが可能である。このため、コーティング、最終的には被覆されたバケットの寿命が効果的に延長される。
【００３６】
また、Ｔｉ／ＴｉＮの多層耐浸食性コーティング１４、最終的には被覆されたバケットは、約１１００度Ｆａｈｒｅｎｈｅｉｔ（°Ｆ）までの酸化に対しても耐性である。さらにまた、多層耐浸食性コーティング１４は約３０〜約５０マイクロインチ、より特定的には約３８〜約４０マイクロインチのＲａを有する。被覆されたバケットの硬度は約２０００〜約２６００ｋｇ／ｍｍ２、より特定的には約２４００〜約２６００ｋｇ／ｍｍ２である。
【００３７】
予想外のことに、基材１２（例えば、鋼）の高いサイクル疲労（ＨＣＦ）特性が、ＥＢ−ＰＶＤ又はカソードアーク蒸着を用いて基材１２をＴｉ／ＴｉＮ多層耐浸食性コーティング１４で被覆することによって改良されることが判明した。これは、溶射したコーティングで得られた基材のＨＣＦ強度が低下したというデータと全く対照的である。
【００３８】
もう１つの別の代表的な実施形態においては、バケット１０４の代わりに、ノズル１０２が多層耐浸食性コーティング１４で被覆される。この多層耐浸食性コーティング１４は、ＴｉＡｌＮ（１８、２２、２６、及び３０）とＴｉ（１６、２０、２４、及び２８）の交互の層を蒸着することによって形成される。ここでも、８つの交互層（すなわち、１６、１８、２０、２２、２４、２６、２８、及び３０）は単なる例示の目的であり、任意の数の交互層を使用することができる。同様に、第１の交互層１６はＴｉＡｌＮ又はＴｉのいずれの層であることもできる。
【００３９】
上記したように、Ｔｉの交互層はチタンインゴットを用いてＥＢ−ＰＶＤ又はカソードアーク蒸着によって設けられる。しかし、ＴｉＡｌＮの層が望まれるときには、ＴｉＡｌ合金の単一のインゴット又は２つの別個のインゴット（すなわち、一方はチタンで、他方はアルミニウム）を使用することができ、蒸着チャンバー中に窒素を導入して金属チタン及びアルミニウム蒸気を窒化する。ＴｉＡｌＮ中のアルミニウム含有量は約１〜約５０原子パーセントであることができる。代表的な１つの実施形態において、アルミニウム含有量は約２０〜約３０原子パーセントである。特に代表的な実施形態において、アルミニウム含有量は約２６原子パーセントである。約２６原子パーセントを越えるアルミニウム含有量では、増大した耐酸化性が得られるが、耐浸食性は低下する。約２６原子パーセントのＡｌで、ＴｉＡｌＮは約１３８０°Ｆまで酸化耐性である。
【００４０】
ＴｉＮと同様に、ＴｉＡｌＮ自体の蒸着による残留応力は非常に大きいので約５μｍより厚いコーティングを形成することができない。しかし、ＴｉとＴｉＡｌＮの交互の層を使用することにより、多層耐浸食性コーティング１４の約５〜約４５μｍという累積厚さが可能になり、ＴｉとＴｉＡｌＮの個々の層の厚さは約５００ｎｍ〜約５μｍである。また、上記軟質で延性のチタン層を使用する亀裂停止効果もＴｉ／ＴｉＡｌＮ多層耐浸食性コーティング１４で観察され得る。
【００４１】
Ｔｉ／ＴｉＡｌＮの多層耐浸食性コーティング１４及び、最終的には被覆されたタービンノズルは、約１３００°Ｆまで酸化に対して耐性である。さらにまた、多層耐浸食性コーティング１４は約４０〜約５０マイクロインチのＲａを有する。被覆されたノズルの硬度は約３０００〜約３６００ｋｇ／ｍｍ２である。
【００４２】
タービンエンジン構成要素は、ボンディングコート、断熱皮膜、潤滑性コーティング、などのような、一般にタービンエンジン構成要素に設けられる他のコーティングを含んでいてもよいものと了解されたい。本明細書に記載した耐浸食性コーティング１４を既に被覆されているタービンエンジン構成要素上に設けようとする場合、その既に被覆されているタービンエンジン構成要素は上記基材１２と考えるべきである。さらにまた、平滑なコーティングを達成するために、耐浸食性コーティングを蒸着する前に、既に被覆されている基材１２を機械加工して所望の平滑度をもたせてもよい。これら他のタイプのコーティングの蒸着は当業者に公知である。
【００４３】
また、被覆されたタービンエンジン構成要素１０は、耐浸食性コーティング１４の表面特性を変えることのない他の機械加工作業にかけることができる。例えば、被覆されたタービンエンジン構成要素１０は、例えば、被覆されたノズルの場合のように、蒸着後の製造段階で全タービンエンジンの別の構成要素に溶接その他の方法により結合させることができる。こうして、ノズルアセンブリ全体を蒸着チャンバーに入れる（そして、コーティングをしたくない領域をマスクする）代わりに、タービンエンジンのより少ない構成要素を蒸着チャンバー内に配置し耐浸食性コーティング１４で被覆することができる。
【００４４】
さらにまた、平滑な被覆された物品１０を達成するのに必要というわけではないが、耐浸食性コーティング１４を基材１２上に設けた後に耐浸食性コーティング１４を特定の外形及び寸法に機械加工することができる。
【００４５】
代表的な実施形態に関連して本発明を説明して来たが、本開示の範囲から逸脱することなく様々な変更をなすことができ、またその要素に代えて等価物を用いることができるということが当業者には了解されよう。また、特定の状況又は材料を本開示の教示に適合させるべく、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく多くの修正を施すことができる。従って、本開示は、本開示を実施する上で考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に入る全ての実施形態を包含するものである。
【００４６】
また、用語「第１」、「第２」、「底部」、「頂部」、などはいかなる順序、量、又は重要性も示すものではなく、１つの要素を別のものから区別するために使用されており、単数形態の用語は量の限定を意味するものではなく、言及されたものが１種以上存在することを意味している。量に関して使用した修飾語「約」は示した値を含み、前後関係で示唆される意味を有しており、少なくとも特定の量の測定に関連する誤差を包含する。さらにまた、同じ量又は物理的特性を示す範囲は全て、示された終点を含み、独立して組合せ可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、金属製構成要素上の耐浸食性コーティングの一部分の断面概略図である。
【図２】図２は、耐浸食性コーティングが配置された様々な構成要素を有するタービンエンジンの一部分の断面概略図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  被覆された物品
１２  基材
１４  耐浸食性コーティング
１６〜３０  多層耐浸食性コーティングの層
１００  タービンエンジン  
１０２  ノズル
１０４  バケット
１０６  ルートスピルストリップ
１０８  スピルストリッププラットフォーム
１１０  ダブテール軸面  
１１２  隔膜外輪
【図１】
2008163449.tif 000003
【図２】
2008163449.tif 000004