(57)【要約】【課題】  高温で作動又は高温に暴露される物品（１０）の下地金属基材（１４）用の耐衝撃及びエロージョン性が改善された低熱伝導性遮熱コーティング（２２）。【解決手段】  コーティング（２２）は、１．０１１７〜１．０１４８のｃ／ａ比を有し、安定化量の金属酸化物安定剤で正方晶相に安定化されたジルコニア含有セラミック組成物を含む。該コーティングは、０．１０〜０．２５の空隙率と、次の数式：（ａ）Ｉ＝ｅｘｐ［５．８５−（１４４×ｓ）−（３．６８×ｐ）］；（ｂ）Ｅ＝［１８７−（２６１×ｐ）−９９８９×ｓ）］（；式中ｓ＝１．０１１７−ｃ／ａ比；ｐは空隙率であり；Ｉは１４０ｇ／ミル以上であり；Ｅは１３０ｇ／ミル以上である）の少なくともいずれかで定義される耐衝撃及びエロージョン特性を有する。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１．０１１７〜１．０１４８の範囲のジルコニア格子のｃ／ａ比を有し、且つイットリア単独以外の安定化量の金属酸化物安定剤で正方晶相に安定化されたジルコニア含有セラミック組成物を含む下地金属基材用遮熱コーティング（２２）であって、該遮熱コーティングが、
（１）０．１０〜０．２５の空隙率と、
（２）次式：
（ａ）Ｉ＝ｅｘｐ［５．８５−（１４４×ｓ）−（３．６８×ｐ）］；
（ｂ）Ｅ＝［１８７−（２６１×ｐ）−９９８９×ｓ）］；
式中ｓ＝１．０１１７−ｃ／ａ比；ｐは空隙率；Ｉは１４０ｇ／ミル以上；Ｅは１３０ｇ／ミル以上；
の少なくともいずれかで定義される耐衝撃及びエロージョン特性と、
を有する遮熱コーティング（２２）。
【請求項２】
耐歪み性柱状構造を有する、請求項１記載のコーティング（２２）。
【請求項３】
前記ｃ／ａ比が１．０１１７〜１．０１３７の範囲であり、前記空隙率が０．１５〜０．２０である、請求項１乃至請求項２のいずれか１項記載のコーティング（２２）。
【請求項４】
Ｉが１８０ｇ／ミル以上であり、Ｅが１４０ｇ／ミル以上である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のコーティング（２２）。
【請求項５】
前記ジルコニア含有セラミック組成物が、９１〜９７モル％のジルコニアと、カルシア、セリア、スカンジア、マグネシア、インジア、ランタナ、ガドリニア、ネオジミア、サマリア、ジスプロシア、エルビア、イッテルビア、ユーロピア、プラセオジミア、これらの混合物及びこれらとイットリアとの組合せからなる群から選択される３〜９モル％の金属酸化物安定剤とを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のコーティング（２２）。
【請求項６】
前記ジルコニア含有セラミック組成物が、９５〜９７モル％のジルコニアと、３〜５モル％のイッテルビア、ネオジミア又はこれらとイットリアとの混合物とを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のコーティング（２２）。
【請求項７】
熱的に保護される物品（１０）であって、
（Ａ）金属基材（１４）と、
（Ｂ）前記金属基材（１４）に隣接して重なるボンドコート層（１８）と、
（Ｃ）前記ボンドコート層（１８）に隣接して重なる請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の遮熱コーティング（２２）と、
を備える物品（１０）。
【請求項８】
前記遮熱コーティングが２５〜２５４０ミクロンの厚みを有する、請求項７記載の物品（１０）
【請求項９】
金属基材（１４）に隣接して重なるボンドコート層（１８）上に遮熱コーティング（２２）を作製する方法であって、
ａ．１．０１１７〜１．０１４８の範囲のジルコニア格子のｃ／ａ比を有し、カルシア、セリア、スカンジア、マグネシア、インジア、ランタナ、ガドリニア、ネオジミア、サマリア、ジスプロシア、エルビア、イッテルビア、ユーロピア、プラセオジミア、これらの混合物及びこれらとイットリアとの組合せからなる群から選択される安定化量の金属酸化物安定剤で正方晶相に安定化されたジルコニア含有セラミック組成物を、前記ボンドコート層（１８）上に堆積させて遮熱コーティングを形成する段階を含み、
前記遮熱コーティングが：
（１）０．１０〜０．２５の空隙率と、
（２）次式：
（ａ）Ｉ＝ｅｘｐ［５．８５−（１４４×ｓ）−（３．６８×ｐ）］；
（ｂ）Ｅ＝［１８７−（２６１×ｐ）−９９８９×ｓ）］；
式中ｓ＝１．０１１７−ｃ／ａ比；ｐは空隙率；Ｉは１４０ｇ／ミル以上；Ｅは１３０ｇ／ミル以上；
の少なくともいずれかで定義される耐衝撃及びエロージョン特性と、
を有する、方法。
【請求項１０】
前記ジルコニア含有セラミック組成物が、物理蒸着によって堆積されて、耐歪み性柱状構造を有する遮熱コーティング（２２）が形成される、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遮熱コーティングの耐衝撃及びエロージョン性の改善に関する。本発明は更に、このようなコーティングを有する物品及び該物品のこのようなコーティングを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンのガス経路環境で作動する構成要素は、一般的に、顕著な温度限界に曝され、酸化及び腐食環境による劣化を受ける。耐環境コーティング及び特に遮熱コーティングは、現在及び将来のガスタービンエンジン設計における重要な要素であり、高温で作動又は高温に暴露されることが予想され、従って遮熱コーティングが高い表面温度を受けるようになる他の物品においても同様である。このような遮熱コーティングが所望されるタービンエンジンの部品及び構成要素の実施例には、タービンブレード及びベーン、タービンシュラウド、バケット、ノズル、燃焼ライナー及びデフレクタなどが含まれる。これらの構成要素の外側部分又は表面を通常構成するこれらの遮熱コーティングは、部品又は構成要素を形成する金属基材上に（又は、より典型的には、更に良好に被着させるため金属基材上のボンドコート層上に）通常堆積されて、熱流を低下させ（すなわち断熱性を提供し）、これらの部品及び構成要素の下側の金属基材が受ける作動温度を制限する（低下させる）。この金属基材は、典型的には、ニッケル基、コバルト基、及び／又は鉄基合金などの金属合金（例えば耐熱超合金）を含む。
【０００３】
遮熱コーティングは通常、化学的（金属酸化物）相安定化ジルコニアなどのセラミック材料で作製される。このような化学的相安定化ジルコニアの実施例には、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、及びマグネシア安定化ジルコニアが含まれる。一般に好ましい遮熱コーティングは、典型的にはイットリア安定化ジルコニア・セラミックコーティングである。代表的なイットリア安定化ジルコニア遮熱コーティングは、通常、約７重量％のイットリア及び約９３重量％のジルコニアを含む。遮熱コーティングの厚みは、該コーティングが堆積される金属部品又は構成要素に依存するが、高温用ガスタービンエンジン部品の場合には、通常約３〜約７０ミル（約７６〜約１７７８ミクロン）の範囲である。
【特許文献１】米国特許第５３９９３１３号明細書
【特許文献２】米国特許第４１１６７２３号明細書
【特許文献３】米国特許第４１４８２７５号明細書
【特許文献４】米国特許第５９２８７２５号明細書
【特許文献５】米国特許第６０３９８１０号明細書
【特許文献６】米国特許第５６４５８９３号明細書
【特許文献７】米国特許第５７１６７２０号明細書
【特許文献８】米国特許第６４４７８５４号明細書
【非特許文献１】Ｋｉｍ、「Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｔａ２Ｏ５，  Ｎｂ２Ｏ５，  ａｎｄ  ＨｆＯ２  Ａｌｌｏｙｉｎｇ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｙ２Ｏ３−Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ  ＺｒＯ２」，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，（１９９０年）７３（１）：１１５−１２０
【非特許文献２】Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ’ｓ  Ｅｎｃｙｌｏｐｅｄｉａ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，３ｒｄ  Ｅｄ．，Ｖｏｌ．１２，ｐｐ．４１７−４７９（１９８０），及びＶｏｌ．１５，ｐｐ．７８７−８００（１９８１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
タービンエンジン構成要素向けの遮熱コーティングの耐久性の向上は有意に進歩してきたが、このようなコーティングは、依然としてエンジンによって取り込まれる物体、エロージョン、酸化、及び環境汚染によるエロージョンを始めとする各種の損傷を受けやすい。従って、低熱伝導率の遮熱コーティングの耐衝撃及びエロージョン性を改善できることが望ましいであろう。イットリア安定化ジルコニア系遮熱コーティングシステムの化学組成を変性して、このようなコーティングの少なくとも許容可能な耐衝撃及びエロージョン性を尚も維持しながら、こうした低い熱伝導率を提供できることが更に望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの実施形態は、高温で作動又は高温に暴露される物品の下地金属基材に使用される遮熱コーティングの耐衝撃性及び耐エロージョン性の改善に関する。この遮熱コーティングは、約１．０１１７〜約１．０１４８の範囲のジルコニア格子のｃ／ａ比を有し、且つイットリア単独以外の安定化量の金属酸化物安定剤で正方晶相に安定化されたジルコニア含有セラミック組成物を含み、該遮熱コーティングは、
１．約０．１０〜約０．２５の空隙率と、
（２）次式の少なくともいずれかで定義される耐衝撃及びエロージョン特性と、
を有する。
【０００６】
（ａ）Ｉ＝ｅｘｐ［５．８５−（１４４×ｓ）−（３．６８×ｐ）］；
（ｂ）Ｅ＝［１８７−（２６１×ｐ）−（９９８９×ｓ）］；
式中ｓ＝１．０１１７−ｃ／ａ比；ｐは空隙率；Ｉは約１３０ｇ／ミル以上；Ｅは約１４０ｇ／ミル以上である。
【０００７】
本発明の別の実施形態は、熱的に保護される物品に関する。この保護される物品は、
（Ａ）金属基材と、
（Ｂ）適宜、該金属基材に隣接して重なるボンドコート層と、
（Ｃ）該ボンドコート層に隣接して重なる（又は、ボンドコート層がない場合は該金属基材に重なる）遮熱コーティング（前述のような）と、
を備える。
【０００８】
本発明の別の実施形態は、熱的に保護される物品を提供するため、金属基材上に遮熱コーティングを作製する方法に関する。この方法は、
（Ａ）該金属基材上にボンドコート層を適宜形成する段階と、
（Ｂ）該ボンドコート層上に（又は、ボンドコート層がない場合は該金属基材上に）前述のジルコニア含有セラミック組成物を堆積させて、前述の空隙率及び耐衝撃／エロージョン性を有する遮熱コーティングを形成させる段階と、
を含む。
【０００９】
本発明の遮熱コーティングは、タービン構成要素などの高温に曝される物品の金属基材に使用される場合に、耐衝撃及びエロージョン性を改善する利点を提供する。遮熱コーティングに対する耐衝撃及びエロージョン性のこの改善は、遮熱コーティングに望ましい熱伝導特性を与えることができる種々のジルコニア含有セラミック組成物を使用する際の柔軟性を可能としながら達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本明細書で用いられる、用語「ジルコニア含有セラミック組成物」は、ジルコニアを主要成分とするセラミック組成物を意味し、これは物品の下側の金属基材への熱流を低減することができる遮熱コーティングとして有用であり、すなわち断熱層を形成し、融点は典型的には約２６００゜Ｆ（１４２６℃）以上、より典型的には、約３４５０゜〜約４９８０゜Ｆ（約１９００゜〜約２７５０℃）の範囲である。
【００１１】
本明細書で用いられる用語「空隙率」は、理論的密度に対する該遮熱コーティングの実密度の比率を１から差し引くことによって定義される空隙の体積分率を意味する。
【００１２】
本明細書で用いられる用語「含む」は、種々の組成物、化合物、構成要素、層、段階などを、本発明において結合して用いることができることを意味する。従って、用語「含む」は、より限定的な用語「本質的になる」及び「からなる」を包含する。
【００１３】
本明細書で使用される全ての量、部分、割合、比率及びパーセンテージは、特に指定されない限りモルである。
【００１４】
本明細書において有用なジルコニア含有セラミック組成物には、約９１モル％以上のジルコニア、典型的には約９１〜約９７モル％のジルコニア、より典型的には約９５〜約９７モル％のジルコニアを含む組成物が包含される。これらのジルコニア含有組成物は更に、イットリア単独以外の安定化量の金属酸化物安定剤を更に含む。この金属酸化物安定剤は、カルシア、セリア、スカンジア、マグネシア、インジア、ランタナ、ガドリニア、ネオジミア、サマリア、ジスプロシア、エルビア、イッテルビア、ユーロピア、プラセオジミア、これらの混合物、並びにイットリアとこれらの金属酸化物との組合せからなる群から選択することができる。「安定化」しているこの金属酸化物の特定の量は、使用される金属酸化物及び要求されるエロージョン及び耐衝撃性を含む種々の因子に依存することになる。典型的には、金属酸化物安定剤は、該組成物の約３〜約９モル％、より典型的には約３〜約５モル％を構成する。本明細書で使用されるジルコニア含有セラミック組成物は典型的には、金属酸化物安定剤としてイッテルビア、ネオジミア、又はこれらの混合物を単独又はより典型的にはイットリアとの組合せた状態で含む。また、本明細書で使用されるジルコニア含有セラミック組成物は、少量のハフニア、チタニア、タンタラ、ニオビア、及びこれらの混合物を適宜含むこともできる。
【００１５】
本発明の遮熱コーティングは、正方晶フェーズフィールドの特定領域で安定化されたジルコニア含有セラミック組成物を含む。これらの遮熱コーティングの耐衝撃及びエロージョン特性は、それぞれのジルコニア含有セラミック組成物のジルコニア格子安定性当量の影響に基づいて予測することができる。耐衝撃及びエロージョン性動作は、ジルコニア格子安定性当量に相関することが見出されている。この安定性当量は、以下の式（１）を用いるジルコニア格子パラメータのｃとａとの比に基づき計算することができる。
【００１６】
【数１】
2005232590.tif 000003
【００１７】
式中、ｃ、ａはジルコニア正方晶格子パラメータであり、ｒｉは金属酸化物安定剤のイオン半径であり、Ｖｉは金属酸化物安定剤の金属イオンの原子価であり、ｍｉは金属酸化物安定剤のモル比率であり、ｋ１及びｋ２は定数である。Ｋｉｍ、「Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｔａ２Ｏ５，  Ｎｂ２Ｏ５，  ａｎｄ  ＨｆＯ２  Ａｌｌｏｙｉｎｇ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｙ２Ｏ３−Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ  ＺｒＯ２」，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，（１９９０年）７３（１）：１１５−１２０を参照されたい。
【００１８】
上述の式（１）を用いて、正方晶相におけるこれらのジルコニア含有セラミック組成物の格子安定性を計算することができ、これには金属酸化物安定剤の増分的添加の影響が含まれる。このことは、イットリア含量の関数としてジルコニア格子に対する算出ｃ／ａ比のグラフを表す図１によって示される。図１の点線（基準線）は、約４モル％イットリアの当量で安定化されたジルコニア含有セラミック組成物（７ＹＳＺ）を表し、該組成物は約１．０１１７のｃ／ａ比を有する。同様の格子安定性値が、ランタナ、イッテルビア及びネオジミアなどの他の金属酸化物安定剤の増分的添加についても同様に計算することができる。このことは、イットリア（基準線）、ランタナ又はイッテルビア含量の関数としてジルコニア格子の算出安定性レベルｓ（ｓ＝１．０１１７−ｃ／ａ比）のグラフを表す図２によって示される。
【００１９】
再度図１を参照すると、ジルコニア含有セラミック組成物内のイットリアのレベルが減少するにつれて、ｃ／ａ比は逆に増大する。更に、ｃ／ａが増大するにつれて、耐衝撃及びエロージョン性が改善され、すなわち金属酸化物安定剤の全体のレベルの低下によりジルコニア含有セラミック組成物の耐衝撃及びエロージョン性性能が改善されることが見出されている。実際、本発明の遮熱コーティングに有用なジルコニア含有組成物は、約１．０１１７以上、典型的には約１．０１１７〜約１．０１４８の範囲内、より典型的には約１．０１１７〜約１．０１３７の範囲内の高いｃ／ａ比を有する。約１．０１４８より大きいｃ／ａ比では、該遮熱コーティングは、熱サイクルの間に望ましくない相変換すなわち単斜晶相への変換を受ける可能性がある。本発明のジルコニア含有セラミック組成物はより高いｃ／ａ比を有するので、これらの組成物から得られる遮熱コーティングは、特に７ＹＳＺ組成物類から作製されたコーティングに対して改善された耐衝撃及びエロージョン性性能を有する傾向になる。
【００２０】
ジルコニア含有組成物のｃ／ａ比は、耐衝撃性性能に対する非常に強い指数関数的影響を有すると共に、耐エロージョン性能に対するあまり強くない１次関数的影響を有し、結果として得られる遮熱コーティングの空隙率レベルはまた、耐衝撃及びエロージョン性性能に対して極めて有意な影響を有する。更に、空隙率の低減が衝撃性能の改善に指数関数的に影響を及ぼすのに対し、遮熱コーティングの熱伝導率の増大においてはより限定的な１次関数的影響を及ぼすだけであることが分かった。従って、上記に示された高いｃ／ａ比を有するジルコニア含有セラミック組成物から形成される遮熱コーティングの空隙率レベルを制御することによって、遮熱コーティングの熱伝導率をあまり増大させずに、エロージョン及び耐衝撃性性能を改善させることができる。本発明の遮熱コーティングの空隙率レベルは、本明細書においてはコーティングの空隙率によって定義される。本発明において改善された耐衝撃及びエロージョン性を提供する有用な遮熱コーティングは、約０．１０〜約０．２５、より典型的には約０．１５〜約０．２０の空隙率を有する。
【００２１】
空隙率及びｃ／ａ比を同時に制御することよって改善された耐衝撃及びエロージョン性性能を有するジルコニア含有セラミック組成物を選択可能とするために、種々のコーティング及び組成物の耐衝撃性及び耐エロージョン特性に関する実験データが取得される。耐衝撃及びエロージョン性データ（ｇ／ミルでの）は、Ｂｒｕｃｅの「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  １２３２Ｃ  （２２５０  Ｆ）  Ｅｒｏｓｉｏｎ  ａｎｄ  Ｉｍｐａｃｔ  Ｔｅｓｔｓ  ｆｏｒ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ」，Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ  Ｔｒａｎｓ．，（１９９８），４１（４）；３９９−４１０に記載された方法によって遮熱コーティングを試験することにより取得され、該文献は引用により本明細書に組み込まれる。次に、Ｂｒｕｃｅ法によって取得されたデータはコーティング厚みによって正規化され、１ミルの厚みでのコーティングの耐衝撃及びエロージョン性を表す衝撃及びエロージョン指数が提供される。一般的には、この指数が大きいほど、コーティングの耐衝撃及びエロージョン性はより良好になる。
【００２２】
耐衝撃性及び耐エロージョン性に対して取得される（正規化）データは、適切なトランスファ関数を作成するために使用される。これらのトランスファ関数は以下のように表される。
【００２３】
Ｉ＝ｆ（ｃ／ａ，ｐ）      （２）
Ｅ＝ｆ（ｃ／ａ，ｐ）      （３）
ここで、Ｉは正規化耐衝撃性（すなわち衝撃指数）であり、Ｅは正規化耐エロージョン性（すなわちエロージョン指数）であり、ｃ／ａは前述のように定義され、且つｐは空隙率である。式（２）及び式（３）は、改善された耐衝撃及びエロージョン性性能を有する遮熱コーティングに加工することができるジルコニア含有セラミック組成物を最適化するため、同時に解くことができる。多数の実験データ（約５０のデータポイント）の統計的解析から、耐衝撃性（Ｉ）についてのトランスファ関数（２）及び耐エロージョン性（Ｅ）についてのトランスファ関数（３）は、以下の数式（ａ）及び数式（ｂ）によって表されることが見出された。
【００２４】
Ｉ＝ｅｘｐ［５．８５−（１４４×ｓ）−（３．６８×ｐ）      （ａ）
Ｅ＝［１８７−（２６１×ｐ）−（９９８９×ｓ）］      （ｂ）
ここで、ｓ＝１．０１１７−ｃ／ａ比；ｐは空隙率である。上述の数式（ａ）及び数式（ｂ）についての回帰適合度は約８５％である。
【００２５】
上述の数式（ａ）及び数式（ｂ）を用いて、図３及び図４は、イットリア当量（モル％での）の関数として、種々の空隙率（すなわち空隙率によって定義される）における遮熱コーティングの予測される正規化耐衝撃及びエロージョン性値（ｇ／ミルでの）のプロットをそれぞれグラフで表し、またイットリア当量は特定のｃ／ａ比に対応する。図３は、ｃ／ａ比及び空隙率の指数関数である耐衝撃性を示し、一方、図４は、ｃ／ａ比及び空隙率の１次関数である耐エロージョン性を示している。これらの正規化耐衝撃及びエロージョン性値はまた、以下の表１及び表２に示される。
【００２６】
【表１】
2005232590.tif 000004
【００２７】
【表２】
2005232590.tif 000005
【００２８】
本発明の遮熱コーティングは、ジルコニア含有セラミック組成物のｃ／ａ比と、空隙率ｐと、上述の数式（ａ）又は（ｂ）のうちの少なくともいずれかで定められ、より典型的には数式（ａ）及び（ｂ）の両方によって定められる耐衝撃及びエロージョン特性とに関して定められる。上記で指定されたｃ／ａ比（ジルコニア含有セラミック組成物に対して）及び空隙率を有する本発明の遮熱コーティングの場合、Ｉは、典型的には約１４０ｇ／ミル以上であり、より典型的には約１８０ｇ／ミル以上であり、一方、Ｅは、典型的には約１３０ｇ／ミル以上であり、より典型的には約１４０ｇ／ミル以上である。上記で指定されたｃ／ａ比を有する幾つかの例示的なジルコニア含有組成物であっては次表の通りであり、これらは上記で指定された空隙率を有する遮熱コーティングに調製して、望ましい耐衝撃及びエロージョン特性Ｉ及びＥを満たすようにすることができる。
【００２９】
【表３】
2005232590.tif 000006
【００３０】
本発明の遮熱コーティングは、超合金を含む種々の金属及び合金を含む金属基材から形成され、高温、とりわけ正常なエンジン運転中に起こるより高温で作動され、又は高温に曝される広範なタービンエンジン（例えばガスタービンエンジン）部品及び構成要素に有用である。これらのタービンエンジン部品及び構成要素は、ブレード及びベーンといったタービン翼形部、タービンシュラウド、タービンノズル、ライナー及びデフレクタなどの燃焼器構成要素、ガスタービンエンジンの推力増強装置などを含むことができる。また、本発明の遮熱コーティングは、金属基材の一部又は全部をカバーすることができる。例えばブレードなどの翼形部については、本発明の遮熱コーティングは、通常、構成要素の全体ではなく翼形部の金属基材の一部を保護し、カバーし、又は重ねるように使用され、例えば、遮熱コーティングは、前縁、及び恐らくは後縁部の一部をカバーすることができるが、取付け部分はカバーしない可能性がある。本発明の遮熱コーティングの以下の検討は、タービンエンジン部品及び構成要素の金属基材に関連するものであるが、本発明の遮熱コーティングは、また、高温で動作又は曝される他の物品の金属基材に有用であることを理解されたい。
【００３１】
本発明の遮熱コーティングの種々の実施形態は、以下で説明されるように図面を参照することにより更に明らかにされる。図面を参照すると、図５は、全体的に１０で示される物品の金属基材に使用される遮熱コーティングの実施形態の側面断面図を示す。図５に示されるように、物品１０は、全体的に１４で示される金属基材を有する。基材１４は、種々の金属又はより典型的には種々の合金の何れかを含むことができ、これらは典型的には遮熱コーティングによって保護され、ニッケル、コバルト及び／又は鉄合金をベースとするものを含む。例えば、基材１４は、高温耐熱合金、例えば超合金を含むことができる。このような耐熱合金は、１９９５年３月２１日に付与された米国特許第５３９９３１３号（Ｒｏｓｓ他）及び１９７８年９月２６日に付与された米国特許第４１１６７２３号（Ｇｅｌｌ他）などの種々の引用文献で開示されており、これらは引用により本明細書に組み込まれる。耐熱合金はまた、Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ’ｓ  Ｅｎｃｙｌｏｐｅｄｉａ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，３ｒｄ  Ｅｄ．，Ｖｏｌ．１２，ｐｐ．４１７−４７９（１９８０），及びＶｏｌ．１５，ｐｐ．７８７−８００（１９８１）にも、全体的に記載されている。例示的な耐熱ニッケル基合金は、商標名インコネル（登録商標）、ナイモニック（登録商標）、ルネ（登録商標）（例えばルネ（登録商標）８０、ルネ（登録商標）９５合金）、及びユディメット（登録商標）によって示される。上述のように、基材１４の形式は変化に富むものとすることができるが、典型的には、翼形部（例えばブレード）又はタービンシュラウドといったタービン部品又は構成要素の形のものである。
【００３２】
図５に示されるように、物品１０はまた、全体的に１８で示され、基材１４に隣接してこれに重なるボンドコート層を含むことができる。ボンドコート層１８は、通常、金属耐酸化性材料で形成され、該層１８は、下側の基材１４を保護し、且つ全体的に２２で示される遮熱コーティングを、基材１４により頑強に被着できるようにする。ボンドコート層１８のための好適な材料には、ＭＣｒＡｌＹ合金粉末（式中Ｍは鉄、ニッケル、白金又はコバルトなどの金属を表す）、又はＮｉＡｌ（Ｚｒ）組成物、並びに白金アルミナイドなどの種々の貴金属拡散アルミナイド、並びに単純アルミナイド（すなわち貴金属なしで形成されるアルミナイド）が含まれる。このボンドコート層１８は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）を含む物理蒸着（ＰＶＤ）；空気プラズマ溶射（ＡＳＰ）及び真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）を含むプラズマ溶射、又は高速フレーム（ＨＶＯＦ）溶射、爆発溶射、又は溶線式溶射などの他の溶射堆積法；化学蒸着（ＣＶＤ）；パック・セメンテーション法；及び金属拡散アルミナイド（例えば、１９７９年４月１０日に付与された米国特許第４１４８２７５号（Ｂｅｎｄｅｎ他）；１９９９年７月２７日に付与された米国特許第５９２８７２５号（Ｈｏｗａｒｄ他）；及び２０００年３月２１日に付与された米国特許第６０３９８１０号（Ｍａｎｔｋｏｗｓｋｉ他）を参照されたい。これらの全ては引用により本明細書に組み込まれ、これらは、拡散アルミナイド・コーティング、又は、例えばプラズマ溶射と拡散アルミナイド技法の組合せなどのこうした技法の組合せを施すための種々の装置及び方法が開示されている。）の場合の気相アルミナイド法といった種々の従来型技法の何れかによって基材１０上に施し、堆積し、又は形成することができる。典型的には、プラズマ溶射又は拡散技法が、ボンドコート層１８を堆積させるために使用される。通常、堆積されたボンドコート層１８は、約１〜約２０ミル（約２５〜約５０８ミクロン）の範囲の厚みを有する。ＥＢ−ＰＶＤのようなＰＶＤ技法又は拡散アルミナイド法によって堆積されるボンドコート層の場合には、該厚みは、より典型的には約１〜約３ミル（約２５〜約７６ミクロン）の範囲である。ＡＰＳのようなプラズマ溶射によって堆積されるボンドコート層の場合には、該厚みは、より典型的には約３〜約１５ミル（約７６〜約３８１ミクロン）の範囲である。
【００３３】
図５に示されるように、遮熱コーティング（ＴＢＣ）２２は、ボンドコート層１８に隣接して重なる。ＴＢＣ２２の厚みは、典型的には約１〜約１００ミル（約２５〜約２５４ミクロン）の範囲であり、関連する物品１０についての設計パラメータを含む種々の因子に依存する。例えば、タービンシュラウドの場合には、ＴＢＣ２２は、典型的にはより厚く、通常約３０〜約７０ミル（約７６２〜約１７７８ミクロン）の範囲であり、より典型的には約４０〜約６０ミル（約１０１６〜約１５２４ミクロン）の範囲である。これに対して、タービンブレードの場合には、ＴＢＣ２２は典型的にはより薄く、通常約１〜約３０ミル（約２５〜約７６２ミクロン）の範囲であり、より典型的には約３〜約２０ミル（約７６〜約５０８ミクロン）の範囲である。
【００３４】
ボンドコート層１８及びＴＢＣ２２の組成及び厚みは、通常、種々の層が基材１４から又は互いからの分離が少ない傾向になるように、種々の層と基材１４との間の熱応力を最小化する好適なＣＴＥ（熱膨張係数）をもたらすように調整される。一般的に、それぞれの層のＣＴＥは、通常はＴＢＣ２２からボンドコート層１８への方向に増大し、すなわちＴＢＣ２２は最小のＣＴＥを有し、ボンドコート層は最大のＣＴＥを有する。
【００３５】
図５を参照すると、ＴＢＣ２２は、物理蒸着（ＰＶＤ）、特に電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）技法によってボンドコート層１８上に施し、堆積し、又は形成することができる。ＴＢＣ２２を施し、堆積し、又は形成するために用いられる特定の技法は、通常、ＴＢＣ２２の組成、その厚み、及び特にＴＢＣ２２に求められる物理的構造に依存することになる。ＰＶＤ技法は、耐歪み性柱状構造を有するＴＢＣの形成に有用となる傾向にある。ＴＢＣ２２は、典型的には、本発明のジルコニア含有セラミック組成物から、耐歪み性柱状構造が形成されるようにＥＢ−ＰＶＤ技法によって形成される。
【００３６】
当業者に良く知られた種々の型式のＰＶＤ及び特にＥＢ−ＰＶＤ技法もまた、ジルコニア含有セラミック組成物からＴＢＣを形成するのに利用することができる。例えば、１９９７年７月８日に付与された米国特許第５６４５８９３号（Ｒｉｃｋｅｒｂｙ他）（特にコラム３、３６−６３行）、及び１９９８年２月１０日に付与された米国特許第５７１６７２０号（Ｍｕｒｐｈｙ）（特にコラム５、２４−６１行）、及び２００２年９月１０日に付与された米国特許第６４４７８５４号（Ｒｉｇｎｅｙ他）を参照されたい。これらは全て引用により本明細書に組み込まれる。本明細書で使用するために好適なＥＢ−ＰＶＤ技法は、典型的には、好ましくは酸素及び不活性ガスを含むガス（又はガス混合物）が充填されたコーティング・チャンバを必要とするが、酸素を含まないコーティング雰囲気を使用してもよい。次いで、ジルコニア含有セラミック組成物を、例えば該セラミック組成物のインゴット上に集中する電子ビームにより蒸発させ、金属イオン、酸素イオン、及び１つ又はそれ以上の金属酸化物の蒸気が生成されるようになる。金属及び酸素イオンと金属酸化物が再結合して、金属基材１４の表面上、又はより典型的にはボンドコート層１８上にＴＢＣ２２を形成する。ＴＢＣ２２の空隙率は、ボンドコート層１８上へのジルコニア含有セラミック組成物の堆積中に、ＰＶＤ／ＥＢ−ＰＶＤ技法が実施される条件、とりわけ圧力及び／又は温度条件を調整する（例えば圧力低下による）ことによって、上述の望ましい範囲内に制御することができる。
【００３７】
本発明の特定の実施形態を説明してきたが、添付の請求項で定義される本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、これらの実施形態に対して種々の修正を行うことができることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】イットリア含量の関数としてのジルコニア格子の算出ｃ／ａのグラフ図。
【図２】イットリア、ランタナ又はイッテルビア含量の関数としてのジルコニア格子の算出安定性レベルｓのグラフ図。
【図３】イットリア当量の関数としての種々の空隙率での遮熱コーティングの予測正規化耐衝撃性値のグラフ図。
【図４】イットリア当量の関数としての種々の空隙率での遮熱コーティングの予測正規化耐エロージョン性値のグラフ図。
【図５】本発明の遮熱コーティング及び被覆された物品の実施形態の側面断面図。
【符号の説明】
【００３９】
１０  物品
１４  金属基材
１８  ボンドコート層
２２  遮熱コーティング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
2005232590000001.pdf