(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１２）と、
前記基板（１２）の上に堆積されたオーバーレイボンディングコート（１４）と、
前記ボンディングコート（１４）の上に堆積されたプラズマ溶射セラミックトップコート（１６）と
を含む物品（１０）であって、
前記ボンディングコート（１４）が、ニッケルアルミナイド、ＭＡｌＸ合金又はＭＣｒＡｌＸ合金（式中、Ｍは鉄、コバルト、ニッケル又はそれらの合金であり、Ｘはハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、タンタル、白金、パラジウム、レニウム、ケイ素又はそれらの組合せである。）を含んでおり、前記ボンディングコート（１４）と前記トップコート（１６）の間の境界面（１８）に隣接するプラズマ影響領域（４０；３４０）であって、５よりも大きい長さ／厚さ比を有する伸長粒界相（３０，３２，３４；１３０，１３２，１３４；３３０，３３２，３３４）を含むプラズマ影響領域（４０；３４０）が前記ボンディングコート（１４）内に存在する、物品（１０）。
【請求項２】
前記プラズマ影響領域（４０；３４０）が、前記境界面（１８）に対して垂直な断面において、前記境界面（１８）から前記ボンディングコート（１４）の厚さへと少なくとも５ミクロン延在する、請求項１記載の物品（１０）。
【請求項３】
前記プラズマ影響領域（４０；３４０）が、前記伸長粒界相（３０，３２，３４；１３０，１３２，１３４；３３０，３３２，３３４）の濃度勾配を含み、前記勾配が、前記境界面（１８）での高濃度から、前記基板（１２）に向かう方向の距離の関数として低濃度になる、請求項２記載の物品（１０）。
【請求項４】
前記基板（１２）がニッケル基超合金を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の物品（１０）。
【請求項５】
前記Ｍがニッケルを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の物品（１０）。
【請求項６】
前記Ｘがジルコニウムを含む、請求項５記載の物品（１０）。
【請求項７】
前記伸長粒界相（３０，３２，３４；１３０，１３２，１３４；３３０，３３２，３３４）が、ジルコニウム、アルミニウム、酸素又はそれらの組合せを含む、請求項６記載の物品（１０）。
【請求項８】
前記伸長粒界相（３０，３２，３４；１３０，１３２，１３４；３３０，３３２，３３４）の長さが少なくとも５ミクロンである、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の物品（１０）。
【請求項９】
前記伸長粒界相（３０，３２，３４；１３０，１３２，１３４；３３０，３３２，３３４）の長さ／厚さ比が８よりも大きい、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の物品（１０）。
【請求項１０】
前記トップコート（１６）の密度が理論密度の８０％よりも大きい、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の物品（１０）。
【請求項１１】
基板（１２）上に、ニッケルアルミナイド、ＭＡｌＸ合金又はＭＣｒＡｌＸ合金（式中、Ｍは鉄、コバルト、ニッケル又はそれらの合金であり、Ｘはハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、タンタル、白金、パラジウム、レニウム、ケイ素又はそれらの組合せである。）オーバーレイボンディングコート（１４）を堆積するステップと、
プラズマ溶射堆積によって、前記オーバーレイボンディングコート（１４）の上にセラミックトップコート（１６）を形成するステップであって、プラズマ溶射堆積がトップコート（１６）との境界面（１８）に隣接するオーバーレイボンディングコート（１４）内にプラズマ影響領域（４０；３４０）であって、５よりも大きい長さ／厚さ比を有する伸長粒界相（３０，３２，３４；１３０，１３２，１３４；３３０，３３２，３３４）を含むプラズマ影響領域（４０；３４０）を形成するのに十分なプラズマ溶射条件を用いて実施され、前記プラズマ溶射条件が、９５ｋＷを上回るプラズマパワー及び３００ｓｌｐｍを上回るプラズマガス流速を含む、ステップと
を含む方法。
【請求項１２】
前記セラミックトップコート（１６）を形成するステップがプラズマ溶射ガンを操作するステップを含み、前記溶射ガンから基板（１２）への距離が１２０ｍｍよりも短い、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記Ｍがニッケルを含む、請求項１１又は請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記セラミックトップコート（１６）を形成するステップが、前記オーバーレイボンディングコート（１４）の上に、理論密度の８０％よりも大きい密度を有するセラミックトップコート（１６）を形成することを含む、請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は保護コーティングを堆積するプロセスに関する。より詳細には、本発明は、遮熱コーティングシステムの改善されたボンディングコートを形成するプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン内の動作環境は、熱的にも化学的にも過酷である。鉄基、ニッケル基およびコバルト基の各超合金を調合することにより、高温合金における顕著な進歩が達成されているが、そのような各合金から形成された構成要素は、タービン、燃焼器およびオーグメンタなどのガスタービンエンジンの特定の部分に配置されると、多くの場合、長期間の使用暴露に耐えられない。一般的な解決策には、タービン、燃焼器およびオーグメンタの構成要素に、酸化および高温腐食を抑止する環境コーティング、または構成要素の表面をその動作環境から熱的に絶縁する遮熱コーティング（ＴＢＣ）システムを与えるものがある。ＴＢＣシステムには、一般に、これも構成要素の表面の酸化および高温腐食を抑止する金属ボンディングコートを有する、構成要素に接着されたセラミック層（ＴＢＣ）が含まれる。
【０００３】
ボンディングコートは、採用されている遮熱コーティングシステムの耐用年数にとって有利であり、したがって、コーティングシステムが保護する構成要素の耐用年数にも有利である。ボンディングコートは、ガスタービンエンジン内の酸化条件への暴露中、本質的に、高温において時間とともに酸化し続け、ボンディングコートからアルミニウムが徐々に消耗して、酸化物スケールの厚さが増加する。最終的に、スケールが臨界厚さに達し、ボンディングコートと酸化物スケールの間の境界面においてセラミック層がはく離する。一旦はく離が生じると、構成要素が急速に劣化し、したがって、かなりのコストをかけて修繕するかまたは廃棄しなければならない。上記のことを考慮すると、ボンディングコートを改善することによってそのような遮熱コーティングのはく離耐性を改善することの継続的な必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態では、物品が簡単に開示される。物品は、基板、基板の上に堆積されたオーバーレイボンディングコート、およびボンディングコートの上に堆積されたトップコートを含む。物品のボンディングコートは、ボンディングコートとトップコートの間の境界面に近接するプラズマ影響領域を含み、プラズマ影響領域は伸長粒界相を含む。
【０００５】
一実施形態では物品が開示される。物品は、基板、基板の上に堆積されたオーバーレイボンディングコート、およびボンディングコートの上に堆積されたトップコートを含む。物品の基板はニッケルを含む。基板の上に形成されたオーバーレイボンディングコートが、ニッケルアルミニウム合金を含む。ボンディングコートの上にトップコートが堆積される。ボンディングコートには、長さが少なくとも約５ミクロンの伸長粒界相を有するプラズマ影響領域が含まれる。
【０００６】
一実施形態では方法が開示される。この方法には、プラズマスプレー（「プラズマ溶射」ともいう。）堆積によって、オーバーレイボンディングコートの上にトップコートを形成するステップであって、プラズマスプレー堆積がトップコートとの境界面に近接するボンディングコート内にプラズマ影響領域を形成するのに十分なプラズマスプレー条件を用いて実施されるステップが含まれる。
【０００７】
本発明の、これらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を解読すれば一層よく理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態によるオーバーレイボンディングコートを含む物品の２次元の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるオーバーレイボンディングコートを含む物品の３次元の概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、伸長粒界相の数がより少ないボンディングコートを有する物品の断面の電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明の一実施形態による、いくつかの伸長粒界相を含むボンディングコートを有する物品の断面の電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、一般に、比較的高い温度によって特徴付けられた環境内で動作する、したがって過酷な酸化環境ならびに厳しい熱応力および熱サイクルにさらされる構成要素に対して適用可能である。そのような構成要素の注目に値する例には、ガスタービンエンジンの、高圧タービンのノズルおよびブレード、シュラウド、燃焼器ライナおよびオーグメンタハードウェアが含まれる。本発明の利点が、ガスタービンエンジンのハードウェアを参照して説明されることになるが、本発明の教示は、構成要素を環境から保護するために遮熱コーティングシステムが用いられ得るあらゆる構成要素に対して全般的に適用可能である。
【００１０】
以下の明細書および続く特許請求の範囲では、単数形「ある（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈により特別に明示されない限り、複数の対象を含む。
【００１１】
一実施形態では、物品が簡単に開示される。物品は、基板、基板の上に堆積されたオーバーレイボンディングコート、およびボンディングコートの上に堆積されたトップコートを含む。物品のボンディングコートは、ボンディングコートとトップコートの間の境界面に近接するプラズマ影響領域を含み、プラズマ影響領域は伸長粒界相を含む。
【００１２】
環境コーティングとして広範に用いられているコーティング材料には、拡散アルミナイドコーティングおよびオーバーレイコーティングが含まれる。拡散アルミナイドコーティングは、一般に、パック接合などの拡散処理によって形成された単一層の酸化防止層である。拡散処理は、一般に、構成要素の表面をアルミニウム含有ガス組成と反応させて、２つの別個の領域を形成するステップを伴い、最も外側の層は、ＭＡｌで表される耐環境性の金属間化合物を含有する付加層であり、Ｍは、基板材料に依拠して、鉄、ニッケルまたはコバルトである。付加層の下にある拡散領域に含まれる様々な金属間化合物および準安定相が、コーティング反応中に、拡散の勾配と、基板の局所領域における元素の溶解性の変化との結果として形成される。空気中で高温に暴露している間に、ＭＡｌ金属間化合物は、拡散コーティングと下にある基板との酸化を抑止する、保護酸化アルミニウム（アルミナ）のスケールまたは層を形成する。
【００１３】
ＴＢＣボンディングコートおよび環境コーティングとして広範に用いられているコーティング材料は、オーバーレイ合金コーティングを含む。オーバーレイ合金コーティング材料は、ＭＣｒＡｌＸなどの様々な金属合金を含有している材料であり、Ｍは鉄、コバルト、ニッケル、またはその合金であって、Ｘはハフニウム、ジルコニウム、イットリウム、タンタル、白金、パラジウム、レニウム、シリコン（ケイ素）またはその組合せである。適切なオーバーレイ合金コーティング材料は、ＭＡｌＸ合金（すなわちクロムのない合金）も含むことができ、ＭおよびＸは上記のように定義される。
【００１４】
堆積に続いて、ボンディングコートの表面は、一般的には、洗浄して摩耗性のグリットブラストを施すことにより表面汚染物質を除去し、ボンディングコート表面を粗面化して、セラミック層の付着力を増進することにより、セラミック層を堆積するように準備される。その後、セラミック層の付着力をさらに増進するために、高温で、ボンディングコート上に保護酸化物スケールが形成される。酸化物スケールは、熱成長酸化物（ＴＧＯ）と称されることが多く、主にボンディングコートのアルミニウムおよび／またはＭＡｌ構成要素を酸化させることから成長し、ボンディングコートおよび下にある基板の酸化をさらに抑止する。酸化物スケールは、セラミック層をボンディングコートに化学的に接合する働きもする。
【００１５】
本明細書で説明された実施形態は、高温、特に通常のエンジン動作中に生じる、より高い温度において動作する、または暴露する、多種多様なタービンエンジン（たとえばガスタービンエンジン）の部品および構成要素で用いられる、超合金を含む様々な金属および金属合金からなる金属基板のための保護コーティングに有益である。これらのタービンエンジン部品および構成要素は、ブレードおよびベーンなどのタービンエーロフォイル、タービンシュラウド、タービンノズル、ライナなどの燃焼器構成要素、デフレクタおよびデフレクタのそれぞれのドーム組立体、ガスタービンエンジンのオーグメンタハードウェアなどを含むことができる。これらの実施形態は、タービンのブレードおよびベーン、とりわけそのようなブレードおよびベーンのエーロフォイル部分のための保護コーティングに特に有益である。しかしながら、本発明の改善されたボンドコーティングの実施形態の以下の説明は、タービンのブレードおよびベーン、とりわけ、これらのブレードおよびベーンを含むそのそれぞれのエーロフォイル部分の参照を伴うことになるが、本発明の改善されたボンドコーティングは、保護コーティングを必要とする金属基板を含む他の物品に対して有益であり得ることも理解されたい。
【００１６】
本発明の一実施形態では物品が提供される。この物品は、基板、オーバーレイボンディングコートおよびトップコートを含む。図１は、本発明の一実施形態による物品の２次元の概略断面図を示す。図１を参照して、物品１０は、基板として働くベースメタル１２を含む。基板１２は、様々な金属のうち任意のもの、またはより一般的には金属合金を含み得る。たとえば、基板１２は、たとえば超合金といった高温合金、耐熱合金を含み得る。そのような高温合金は、文献の中に十分に開示されている。例示の高温ニッケル基合金は、商品名Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）、Ｒｅｎｅ（登録商標）（たとえばＲｅｎｅ（登録商標）８０合金、Ｒｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金）、およびＵｄｉｍｅｔ（登録商標）によって指定される。
【００１７】
本発明の保護コーティングは、ニッケル基超合金に対して特に有益である。本明細書で用いられる「ニッケル基」は、組成が他の要素よりもより多くのニッケルを有することを意味する。ニッケル基超合金は、一般的にはガンマプライム相の沈殿によって強化される組成である。より一般的には、ニッケル基合金は、約４から約２０％のコバルト、約１から約１０％のクロム、約５から約７％のアルミニウム、０から約２％のモリブデン、約３から約８％のタングステン、約４から約１２％のタンタル、０から約２％のチタン、０から約８％のレニウム、０から約６％のルテニウム、０から約１％のニオビウム、０から約０．１％の炭素、０から約０．０１％のホウ素、０から約０．１％のイットリウム、０から約１．５％のハフニウムの組成を有し、バランスはニッケルと付帯的な不純物のものである。
【００１８】
図１に示されるように、基板１２の上に、ボンディングコート１４として全体的に示された保護コーティングが隣接している。ボンディングコート１４の上に、トップコート１６が隣接している。基板１２上に、ボンディングコート層１４を塗布してよく、堆積してよく、あるいはボンディングコートを形成する当業者に周知の様々な従来技法のうち任意のものによって形成してよい。基板１２上にオーバーレイボンディングコート１４を堆積する方法の限定的でない例には、電子ビーム物理的蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）技法などの物理的蒸着（ＰＶＤ）方法と、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）技法および真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）技法などの溶射技法とが含まれる。
【００１９】
当業者に周知の様々なタイプのプラズマスプレー技法も、セラミック組成からＴＢＣを形成するのに利用することができる。一般に、代表的なプラズマスプレー技法は、熱プルームを生成する高温プラズマの形成を伴う。たとえばセラミック粉体といったセラミックコーティング材料がプルームに供給され、高速プルームがボンディングコート１４表面の方へ導かれる。
【００２０】
一実施形態では、図１で参照された物品１０のトップコート１６は、大気プラズマ溶射法によって堆積される。ボンディングコート層１４は、粒子２０および粒界２２を有する。一般に、オーバーレイボンドコーティング材料から形成されたボンディングコート層１４は、組成において通常は実質的に均一であり、すなわち、通常は、ボンディングコートの厚さの全体にわたって個々の差または明瞭な差はない。本発明の一実施形態では、物品のボンディングコート層１４は、粒界２２上にいくつかの伸長粒界相３０、３２、３４を含む。本明細書で用いられる「伸長粒界相」は、粒子２０とは組成的に異なる相を表し、粒界２２に出現し、１次元または２次元の構造を有する。
【００２１】
伸長粒界相は、図１などの２次元断面の画像において、ストリングまたはドットとして出現し得る。一実施形態では、伸長粒界相は、ボンディングコート層１４内で、ボンディングコート１４とトップコート１６の境界面１８の近くにある。
【００２２】
いかなる特定の理論にも束縛されることなく、物品のボンディングコート領域１４に見られる伸長粒界相は、トップコート１６のプラズマ堆積中に、ボンディングコート材料の急速な加熱および冷却の動作のために形成されたものであり得る。印加されるプラズマは、境界面１８、および境界面の近くのボンディングコート１４の隣接する領域に影響を及ぼし得る。プラズマは、ボンディングコート材料の粒界２２においてマイクロクラックを誘起し得て、影響を受けたボンディングコート領域４０において粒界相の形成をもたらし得る。したがって、印加されるプラズマによって影響を受けるボンディングコート１４の領域は、本明細書では「プラズマ影響領域」４０と称される。プラズマ影響領域は、トップコート１６に直接隣接して境界面１８と接触する上部４０として、ボンディングコート１４に形成され得る。一実施形態では、プラズマ影響領域に、伸長粒界相３０、３２、３４が出現する。したがって、「プラズマ影響領域」は、ボンディングコート領域１４に伸長粒界相が認められる領域と定義される。
【００２３】
一実施形態では、伸長粒界相３０、３２、３４は、ジルコニウム、アルミニウム、酸素、またはそれらの任意の組合せを含む組成を有する。一実施形態では、伸長粒界相３０、３２、３４は、ジルコニウムおよびアルミニウムの酸化物を含む。一実施形態では、伸長粒界相３０、３２、３４は、基本的に酸化ジルコニウムおよび酸化アルミニウムから成る。２次元断面の観測（図１など）では、伸長粒界相は、境界面１８（３０）に接続されたストリング、境界面１８（３２）から切り離されたストリング、またはボンディングコート領域１４のプラズマ影響領域４０のドット３４のように見えることがある。しかしながら、いかなる理論にも束縛されることなく、伸長粒界相３０、３２、３４の位置が表面（境界面１８）の酸素と接する場合、伸長粒界相３０、３２、３４の酸化物相がプラズマ影響領域４０に形成され得ることが意図されている。したがって、酸化物系の伸長粒界相３０、３２、３４が、少なくとも形成されたときには表面に接していたと考えられる。
【００２４】
一実施形態では、伸長粒界相３０、３２、３４は、境界面１８に接続されている。これは、図２に示されるようなボンディングコート領域１４の一部分の３次元概略図において、より明瞭に認められ得る。図２の立方体１００は、（図１の）境界面１８に露出しているボンディングコート領域１４の一部分の３次元断面を示す。立方体１００は、（図１の）トップコート１６との境界面１８であり得る頂面１１２を含んでいる。表面１１４および１１６は、概略図で識別できる前面である。３次元の粒子１２０は粒界１２２で互いに接触する。伸長粒界相１３０、１３２、および１３４は、２次元の粒界相として示されている。
【００２５】
図１と図２を比較すると、伸長粒界相３０は、図２の伸長粒界相１３０と同一視され得る。両方の粒界相は、境界面１８（図１）または頂面１１２（図２）に接続されているものと見なされる。同様に、図１の境界面１８と接続されていないように見える伸長粒界相３２は、図２の粒界相１３２に類似であり得る。粒界相１３２は、前面１１６から観察すると、頂面１１２に接続されていないように見える。しかしながら、立方体１００の３次元の概略図は、立方体１００の内部の粒界１２２による、粒界相１３２の頂面への接続を示す。外見と同様に、図２から見られるように、図１のドット３４および図２のドット１３４は、頂面１８または１１２にそれぞれ接続されてよい。伸長粒界相１３０、１３２、および１３４と一致して、立方体１００の内部には、表面１１２に接続された、いくつかの他の伸長粒界相１３６が存在し得るが、前部相１１４または１１６の２次元断面のいずれにおいても認められない。
【００２６】
したがって、一実施形態では、伸長粒界相のうちの少なくともいくつかは、プラズマ影響領域４０内にあり得る２次元のプレートリットと見なされる。一実施形態では、伸長粒界相３０、３２、３４（または１３０、１３２、１３４）は、長さ、幅および厚さを有する。本明細書で用いられる伸長粒界相の「長さ」は、任意の方向における最長の寸法であり、「幅」は２番目に長い方向であって長さに対して垂直である。伸長粒界相の「厚さ」は、任意の所与の粒界における相の長さおよび幅に対して垂直な方向における伸長粒界相の広がりとして定義される。一実施形態では、伸長粒界相の厚さは、隣接した粒子の粒界の厚さよりも常に薄いものである。本明細書で用いられる、１対の粒子の間の粒界の厚さは、任意の所与の位置におけるそれら２つの粒子の間の最短距離として定義される。
【００２７】
一実施形態では、伸長粒界相の長さは少なくとも約３ミクロンである。一実施形態では、長さは少なくとも約５ミクロンであり、さらなる実施形態では、長さは約８ミクロンから約１５ミクロンの範囲にある。一実施形態では、伸長粒界相の長さと厚さの比は約５よりも大きい。さらなる実施形態では、長さと厚さの比は約８よりも大きい。
【００２８】
一実施形態では、伸長粒界相の長さは、ボンディングコート１４とトップコート１６の境界面１８（図１）に対して実質的に垂直な方向にある。この実施形態では、伸長粒界相の長さは、境界面から、プラズマ影響領域４０の深くなる方向へ測定される。一実施形態では、プラズマ影響領域４０は、伸長粒界相が存在するまでのボンディングコート領域１４の、境界面１８からの深さとして定義される。したがって、一実施形態では、境界面１８からのプラズマ影響領域４０の深さの範囲は、境界面１８に対して垂直な断面において、ボンディングコート１４の厚さにおける、伸長粒界相の最深部によって識別される。一実施形態では、プラズマ影響領域は、境界面から、ボンディングコート１４の厚さの中へ少なくとも約５ミクロン延在する。一実施形態では、プラズマ影響領域は、境界面１８から、少なくとも１０ミクロン延在する。
【００２９】
一実施形態では、境界面１８に近いプラズマ影響領域４０内で認められる伸長粒界相の数は、境界面１８から内側深部のプラズマ影響領域４０における伸長粒界相の数と比較してより多い。したがって、一実施形態では、プラズマ影響領域４０における伸長粒界相の濃度勾配は、境界面１８から基板１２に向かう方向の距離の関数である。本明細書で用いられる「濃度」という用語は、断面において境界面と平行に引いたラインと交差する単位長さ当りの伸長粒界相の数と定義される。プラズマ影響領域４０の深部で認識され得るプラズマの影響が弱まるため、またはプラズマ影響領域４０の深部では酸素が少ないために、伸長粒界相３０、３２、３４の濃度勾配が生じ得る。
【００３０】
いかなる特定の理論にも束縛されることなく、伸長粒界相３０、３２、３４が存在することにより、ボンディングコート１４に対するトップコート１６の付着強さが向上し、物品の動作中にトップコート１６のはく離が低減すると考えられる。さらに、一実施形態では、ボンディングコート１４に伸長粒界相が存在することにより、ボンディングコート１４の上に堆積されたトップコート１６の高密度の耐容性が向上する。すなわち、伸長粒界相３０、３２、３４を有するボンディングコート１４上に堆積された稠密なトップコート１６の寿命は、伸長粒界相のないボンディングコート上に堆積されたトップコートの寿命よりも長い。一実施形態では、高温環境で用いられるボンディングコート１４の上に堆積されたトップコート１６の密度は、トップコート材料の理論密度の約８０％を上回る。一実施形態では、物品を堆積する方法が提供される。本発明の方法の実施形態は、超合金を含む様々な金属および金属合金からなる金属基板から形成され、高温、特に通常のエンジン動作中に生じる、より高い温度で動作する、またはこれに暴露される、多種多様なタービンエンジン（たとえばガスタービンエンジン）の部品および構成要素に対して、遮熱コーティングを与える、または修復するのに有益である。これらのタービンエンジン部品および構成要素は、ブレードおよびベーンなどのタービンエーロフォイル、タービンシュラウド、タービンノズル、ライナなどの燃焼器構成要素、デフレクタおよびデフレクタのそれぞれのドーム組立体、ガスタービンエンジンのオーグメンタハードウェアなどを含むことができる。
【００３１】
一実施形態では、この方法には、トップコートとの境界面に近接するボンディングコート内のプラズマ影響領域を形成するのに十分なプラズマスプレー条件を用いるプラズマスプレー堆積によって、オーバーレイボンディングコートの上にトップコートを形成するステップが含まれる。本明細書で用いられる「プラズマ影響領域を形成するのに十分なプラズマスプレー条件」には、トップコート１６の堆積中にボンディングコート１４の表面上で動作するプラズマパワーに影響を及ぼす任意の構造パラメータおよび動作パラメータが含まれる。
【００３２】
そのようなプラズマスプレーコーティング技法の様々な詳細は、当業者にとって周知のはずであり、堆積に先立つボンディングコート層１４の表面１８の洗浄すなわち酸化物を除去して表面基板を粗面化するためのグリットブラスト、（ガンから基板までの）スプレー距離などのプラズマスプレーパラメータ、スプレー通路の数の選択、粉末供給速度、粒子速度、トーチパワー、プラズマガスの選択、酸化物化学量論を調整するための酸化制御、堆積の角度、与えられるコーティングの後処理など、様々な関連したステップおよび処理パラメータを含む。一般に、トーチパワーは、約１０キロワットから約２００キロワットの範囲で変化させてよい。プラズマプルーム（またはプラズマ「ジェット」）に流れ込むセラミックコーティング組成粒子の速度は、通常は非常に精密に制御される別のパラメータである。
【００３３】
一般的なプラズマスプレーシステムは、ボンディングコート層の堆積面の方向にとがっているノズルを有するプラズマガンアノードを含む。プラズマガンは、たとえばボンディングコート層の表面にわたって様々なパターンでガンを移動させることができるロボット工学の機構によって自動的に制御されることが多い。プラズマプルームは、プラズマガンアノードの出口とボンディングコート層の表面の間で軸方向に広がる。ある種の粉末射出手段が、アノードとボンディングコート層の表面の間の、あらかじめ設定された所望の軸方向の位置に配設されている。そのようなシステムのいくつかの実施形態では、粉末射出手段は、プラズマプルーム領域から半径方向に離隔されており、粉末材料用の噴射管が、粉末を所望の角度でプラズマプルームに向けることができるような位置に置かれている。搬送ガスに流入した粉末粒子が、噴射器によってプラズマプルームの中へ推し進められる。次いで、粒子は、プラズマの中で加熱されて、ボンディングコート層の方へ推し進められる。粒子は、融解し、ボンディングコート層に衝突し、急速に冷えてＴＢＣを形成する。
【００３４】
本発明の一実施形態では、トップコート１４を堆積するのに用いられるプラズマパワーは、約９５ｋＷを上回るものである。一実施形態では、プラズマパワーは、約１００ｋＷを上回るものである。一実施形態では、プラズマガスの流速は、約３００ｓｌｐｍを上回るものであり、スプレーガンから基板への距離は約１２０ｍｍよりも短い。
【実施例】
【００３５】
以下の実施例は、特定の実施形態による、比較研究法、材料、および結果を示すものであり、そのため、特許請求の範囲を限定するように解釈されるべきではない。
【００３６】
ボンディングコートの上へのトップコートの堆積は、様々なプラズマスプレー条件を用いて実行され、そのうち代表的な２つの方法が以下で詳述される。構造および性質の特性を測定して比較した。
【００３７】
実施例１では、イオンプラズマ堆積したニッケルアルミナイドを、ニッケル基合金基板上のボンディングコートとして用いた。厚さ約５０ミクロンで多孔性の７〜８重量パーセントのイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）ＴＢＣを、ｄ50＝０．４ミクロンの平均粒径を有するスラリを用いて堆積した。用いたプラズマ条件は、パワーが８５ｋＷ、２４５ｓｌｐｍのガスが、ガンから基板への距離が約７５ｍｍ、というものであった。厚さ５０ミクロンの多孔性ＴＢＣコーティングの密度は約８９％であった。この多孔性ＴＢＣの上に、同一のスラリを用いて、厚さ約１００ミクロンの稠密なＴＢＣコーティングを堆積したが、操作上のプラズマ条件は、パワーが約１０５ｋＷ、約３５０ｓｌｐｍのガスが、ガンから基板への距離が約１００ｍｍ、に変化させた。厚さ１００ミクロンの稠密なＴＢＣコーティングの密度は約９５％であった。
【００３８】
実施例２では、基板およびボンディングコート材料は、実施例１と同じものであった。厚さ約１６０ミクロンの稠密なＴＢＣコーティングを、双峰の粒径分布を含むスラリを用いて堆積した。スラリにおける双峰の粒径の平均は、約０．７ミクロンおよび約１．１ミクロンであった。操作上のプラズマ条件は、パワーが約１０５ｋＷ、約３５０ｓｌｐｍのガスが、ガンから基板への距離が約１００ｍｍ、というものであった。厚さ１６０ミクロンの稠密なＴＢＣコーティングの密度は約９５％であった。
【００３９】
図３が提示する、実施例１のボンディングコート２１４とトップコート２１６の境界領域の断面２００の電子顕微鏡写真は、粒子２２０、粒界２２２、および伸長粒界相２３４を示す。図４は、実施例２のボンディングコート３１４とトップコート３１６の境界領域の断面３００の電子顕微鏡写真であり、粒子３２０、粒界３２２、およびプラズマ影響領域３４０における伸長粒界相３３０、３３２、および３３４を示す。実施例１のものと比較して、図４には、明らかに、実施例２のボンディングコートの上の直接的で稠密なコーティングに対応する、より多くの伸長粒界相が認められる。
【００４０】
一般的には、ボンディングコートの上に稠密なトップコートを直接堆積すると、ＴＢＣのはく離が増加することが知られているので、実施例１の稠密なＴＢＣを塗布する前の多孔性のＴＢＣが、ＴＢＣのはく離を一般的に低減するために用いられた。寿命を明らかにするために、これら２つのコーティングの炉サイクルテスト（ＦＣＴ）の寿命試験を類似の条件で行なったとき、驚くべきことに、実施例２の直接的で稠密なコーティングは、実施例１のものと比較して２倍の寿命を示すことが判明した。実施例２のＴＢＣの、実施例１のものと比較して増加したＦＣＴ寿命は、実施例１の、トップコート２１６のボンディングコート２１４への接着と比較して、トップコート３１６の、ボンディングコート３１４へのより強固な接着に起因するものである。実施例２のより強固な接着は、（ボンディングコート／ＴＢＣ境界面の近くの）ボンディングコートで認められる伸長粒界相の十分な数から生じるものと考えられる。伸長粒界相３３０、３３２、および３３４を元素分析したところ、ジルコニウム、アルミニウム、および酸素が豊富であることが分かった。
【００４１】
一実施形態では、伸長粒界相の数および長さは、トップコートのボンディングコートへの接着を決定するのにかなりの役割を果たすと考えられる。したがって、物品の微細構造が、長い（＞３ミクロン）伸長粒界相の類似の数を示す別のものと比較して、いくつかの短い（＜３ミクロン）伸長粒界相を有する場合、より長い伸長粒界相を有する物品は、比較的短い伸長粒界相を有する物品と比較して、当然、接着が改善される可能性が高いと見なされる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、図４のように、伸長粒界相とともに、他のいくつかの粒界相３５０が認められた。これらは、上記のように特徴付けられる伸長粒界相から、外観および組成において異なる実質的に不溶性の化合物であり得る。粒界相３５０は、合金沈殿物、金属酸化物、金属窒化物、金属カーバイド、およびそれらの混合物を含み得る。しかしながら、実施例１および実施例２の比較研究を実施中に、実施例の物品のいかなるものに対しても他の粒界種を意図的に追加することはなかった。
【００４３】
本発明の、単なる特定の特徴が本明細書に示され説明されてきたが、当業者なら多くの修正形態および変更形態を思いつくことができるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのような修正形態および変更形態のすべてが、本発明の真の趣旨の範囲内に入る対象として含まれるように意図されていることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４４】
１０  物品
１２  基板
１４  ボンディングコート、ボンディングコート層、ボンディングコート領域
１６  トップコート
１８  境界面
２０  粒子
２２  粒界
３０  伸長粒界相
３２  伸長粒界相
３４  伸長粒界相、ドット
４０  プラズマ影響領域
１００  立方体
１１２  頂面
１１４  表面、前部相
１１６  表面、前部相
１２０  粒子
１２２  粒界
１３０  伸長粒界相
１３２  伸長粒界相
１３４  伸長粒界相、ドット
１３６  伸長粒界相
２００  断面
２１４  ボンディングコート
２１６  トップコート
２２０  粒子
２２２  粒界
２３４  伸長粒界相
３００  断面
３１４  ボンディングコート
３１６  トップコート
３２０  粒子
３２２  粒界
３３０  伸長粒界相
３３２  伸長粒界相
３３４  伸長粒界相
３４０  プラズマ影響領域
３５０  粒界相
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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