(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体（１２）と、その表面の少なくとも一部の上に断熱被覆を有する装置（１０）であって、
断熱被覆は、
基体（１２）の少なくとも一部の上方に位置し、隣接する柱状体（２０）間を複数のギャップ（１８）が外表面から基体（１２）の方へ延びる微細構造を有するセラミック層（１６）と、
ギャップ（１８）内に位置する焼結禁止材料（２２）とより成り、
焼結禁止材料は、イットリウムアルミニウム複合酸化物より成り、セラミック層（１６）に対して不溶性であり、ギャップ（１８）を閉じず、隣接する柱状体（２０）の接合を阻止することを特徴とする装置（１０）。
【請求項２】
焼結禁止材料（２２）は、ギャップ（１８）内に連続した被覆として形成されていることを特徴とする請求項１の装置（１０）。
【請求項３】
焼結禁止材料（２２）は、ギャップ（１８）内に複数の小さな塊（２４）として配置されていることを特徴とする請求項１の装置（１０）。
【請求項４】
焼結禁止材料（２２）は、ギャップ（１８）の頂部内に存在するが、底部内には存在しないことを特徴とする請求項１の装置（１０）。
【請求項５】
セラミック層（１６）の頂面上の焼結禁止材料（２２）の厚さは、０．１ミクロン以下であることを特徴とする請求項１の装置（１０）。
【請求項６】
セラミック層（１６）の頂面上の焼結禁止材料（２２）の厚さは、１ミクロン以下であることを特徴とする請求項１の装置（１０）。
【請求項７】
セラミック層（１６）の頂面上の焼結禁止材料（２２）の厚さは、１０ミクロン以下であることを特徴とする請求項１の装置（１０）。
【請求項８】
基体（１２）と、その表面の少なくとも一部の上に断熱被覆を有する装置（１０）を製造する方法であって、
基体（１２）を提供し、
基体の少なくとも一部の上方に、隣接する柱状体（２０）間を複数のギャップ（１８）が外表面から基体（１２）の方へ延びるような微細構造を有するセラミック層（１６）を配置し、
ギャップ（１８）内に焼結禁止材料（２２）を付着させるステップより成り、
焼結禁止材料は、イットリウムアルミニウム複合酸化物より成り、セラミック層（１６）に対して不溶性であり、ギャップ（１８）を閉じず、隣接する柱状体（２０）の接合を阻止することを特徴とする装置（１０）の製造方法。
【請求項９】
付着ステップはさらに、焼結禁止材料（２２）をギャップ（１８）内に連続した被覆として付着させるステップより成ることを特徴とする請求項８の方法。
【請求項１０】
ギャップ（１８）内において、連続した被覆を複数の小さな塊（２４）に変換するように、焼結禁止材料（２２）を熱処理するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、一般的に、断熱被覆の分野に関し、さらに詳細には、燃焼タービンエンジンのような超高温の用途に用いる断熱被覆に関する。本発明は特に、燃焼タービンの超合金成分に被覆を施すための耐焼結性多層セラミック断熱層の分野に関する。
【０００１】
【発明の背景】
燃焼タービン及びコンバインドサイクル発電所の効率のさらなる向上に対する要求により、これらシステムの設計者はシステムの燃焼部分の燃焼温度をますます高い値に設計するようになっている。ニッケル及びコバルト系超合金材料は、現在、燃焼器移行部分、タービンの回転翼及び静翼のような高温ガス流路内の部品に用いられているが、これらの超合金材料でも、１２００℃を越える温度では長期間の運転に耐えることができない。
【０００２】
超合金金属部品に断熱性セラミック材料を被覆して高い運転温度に耐える能力を改善することが、当該技術分野で知られている。１９８２年３月２３日付けでUlion et al.へ発行された米国特許第４，３２１，３１０号を参照されたい。また、断熱性セラミック材料に耐浸食材料を被覆して、高温ガス流路内を運ばれる粒子の衝撃による摩耗を減少することが知られている。例えば、１９９７年１１月４日付けでBruce et al.へ発行された米国特許第５，６８３，８２５号及び１９９６年１０月８日付けでStrangmanへ発行された米国特許第５，５６２，９９８号を参照されたい。
【０００３】
この技術分野における進歩のうちの多くは、タービンエンジンの高温運転が不可欠で、エンジンのパワーレベルの変化による過渡的温度変化を受けることの多い航空機用エンジンの業界によりもたらされたものである。陸用発電所に設置される燃焼タービンエンジンもまた、高い運転温度にさらされ、過渡的温度変化を受けるが、全出力かつ最高温度で、例えば何日また何週間もの非常に長期間連続して運転を続ける必要がある。従来技術の断熱システムは、現代の燃焼タービンシステムの大部分に要求される高温でのかかる条件のもとでは、劣化を受けやすい。
【０００４】
従って、本発明の目的は、１２００℃を超える温度で長期間運転しても部品の劣化が少ない装置及びかかる装置の製造方法を提供することにある。
本発明によると、基体と、その表面の少なくとも一部の上に断熱被覆を有する装置であって、断熱被覆は、基体の少なくとも一部の上方に位置し、隣接する柱状体間を複数のギャップが外表面から基体の方へ延びる微細構造を有するセラミック層と、ギャップ内に位置する焼結禁止材料とより成り、焼結禁止材料は、イットリウムアルミニウム複合酸化物より成り、セラミック層に対して不溶性であり、ギャップを閉じず、隣接する柱状体の接合を阻止することを特徴とする装置が提供される。
【０００５】
本発明によると、基体と、その表面の少なくとも一部の上に断熱被覆を有する装置を製造する方法であって、基体を提供し、基体の少なくとも一部の上方に、隣接する柱状体間を複数のギャップが外表面から基体の方へ延びるような微細構造を有するセラミック層を配置し、ギャップ内に焼結禁止材料を付着させるステップより成り、焼結禁止材料は、イットリウムアルミニウム複合酸化物より成り、セラミック層に対して不溶性であり、ギャップを閉じず、隣接する柱状体の接合を阻止することを特徴とする装置の製造方法をも提供される。
【０００６】
【好ましい実施例の説明】
従来技術の断熱被覆システムが陸用燃焼タービン発電所の高温ガス流路内の高温環境にさらされる際、断熱被覆によく見られる故障モードの１つは、疲労である。現在の最新の断熱被覆は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であり、電子ビーム物理的蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）法により付着される。このＥＢ−ＰＶＤプロセスは、ＹＳＺの被覆に、ＹＳＺ材料の隣接する柱状体間に１ミクロン以下のギャップを有する柱状微細構造を発生させる。別法として、ＹＳＺを空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）により付着させることが可能あるが、この溶射法によると、柱状微細構造は形成されないが、ＹＳＺの層内に１ミクロン以下の一連の割れ目が発生する。本願の目的のために、用語「ギャップ」は、柱状微細構造の隣接する柱状体間のギャップだけでなく、ＡＰＳまたは同様なプロセスにより付着された断熱材料層の割れ目も包含するものとする。これらのギャップは、断熱性セラミック層に機械的柔軟性を与える。これらのギャップはまた、高温運転時に閉じようとする傾向があり、装置を十分に長い時間の間高温環境に維持すると、ギャップの隣接側部が焼結により互いに接合することになる。ギャップにまたがるセラミック材料が接合すると、セラミック被覆のひずみコンプライアンスが減少し、その後の温度過渡変動時に被覆が損傷を受ける原因ともなる。
【０００７】
図１は、焼結によるひずみコンプライアンスが減少する傾向が少ない断熱被覆を備えた装置の一部を示す断面図である。この装置１０は、燃焼タービンの動翼または静翼もしくは過酷な高温環境にさらされる他の部品であろう。装置１０は基体１２を有し、この基体は、超合金金属または所望の機械的及び化学的性質を有する他の材料で形成されている。基体１２の上には、接着被覆層１４がある。用途によっては、この接着被覆層１４を省略して、基体１２と一体化することも可能である。燃焼タービン用として、接着被覆層１４は、ＥＢ−ＰＶＤ、スパッタリングまたは低圧プラズマ溶射プロセスにより付着させたＭＣｒＡｌＹ層であるのが一般的である。当該技術分野で知られているように、この化学式のＭは、鉄、ニッケルまたはコバルトもしくはこれらの混合物を表わす。あるいは、接合被覆層１４はプラチナムまたはプラチナムアルミナイドでよく、別個の接着被覆層を設けなくてもよい。接着被覆層の上に、あるいは接着被覆層１４がない場合は基体１２のすぐ上に、セラミック層１６を設ける。このセラミック層は、基体１２を過酷な環境に対して断熱する働きがある。セラミック１６は、好ましくはＹＳＺ材料、例えば、当該技術分野で知られているように、８重量％のイットリア安定化ジルコニアであり、ＥＢ−ＰＶＤにより付着されて、ＹＳＺ材料の隣接する柱状体２０の間に複数のギャップ１８を有する柱状微細組織を形成する。
【０００８】
図１の装置はまた、焼結禁止材料２２を有するが、この材料はギャップ１８内に存在し、隣接する柱状体同士を橋絡しない。本願において用語「耐焼結材料」は、基体材料１２よりも焼結に耐える性質の強い任意の材料を意味する。焼結禁止材料２２は、装置１０の作動温度範囲、例えば、周囲の空気温度から１２００℃に亘る温度範囲において安定性を有するセラミック材料である。本願において用語「安定性」は、材料が設計作動温度の全範囲に亘り結晶相転移を受けないことを意味する。
【０００９】
上述の米国特許第５，５６２，９９８号は、セラミック断熱被覆上への接合禁止用被覆の適用を教示している。その特許に記載された接合禁止用被覆は、非安定化ジルコニアまたは非安定化ハフニアのような非安定化材料である。これらの材料は高温作動時に焼結して互いに接合するが、低温または周囲温度に冷却されると正方から単斜晶へ破壊性の相転移を行う。この転移は、隣接する柱状体間の接合を破壊する傾向がある。かかる材料は熱サイクルの短い航空機エンジンには有効であるが、運転サイクルが長い陸用発電エンジンにはふさわしくない。長期間高温環境にさらされると、非安定化ジルコニア及び非安定化ハフニアはその下のＹＳＺ材料内へ溶解する。米国特許第５，５６２，９９８号の接合禁止材料は、セラミック断熱材料内に一旦溶解すると、冷却時にギャップ間で結晶転移をするものがなくなる。従って、高温運転を長期間行った後は、焼結による接合部は破壊されず、セラミック断熱材料のひずみコンプライアンスが減少し、その部品が早期に故障することになる。
【００１０】
さらに、上述した従来技術の米国特許第５，６８３，８２５号は、耐浸食性の断熱被覆を開示している。この特許では、アルミナまたは炭化珪素のような耐浸食性組成物がセラミック断熱層の頂部上に配置される。この特許は、セラミック断熱材料の柱状体間を浸透せず、柱状体間の焼結を阻止するように働く耐浸食性材料の比較的厚い被覆を開示している。
【００１１】
本発明の焼結禁止材料２２は、従来技術の欠点を解消するものである。焼結禁止材料２２をギャップ１８内に浸透させて、隣接する柱状体２０の接合を阻止することにより、従来技術のように接合を破壊する結晶転移に頼る必要がなくなる。焼結禁止材料２２は、好ましくは、その下のセラミック層１６に対して不溶性であり、装置１０の運転温度範囲に亘って安定性を有する酸化物である。ＹＳＺのセラミック層１６と共に用いる焼結禁止材料２２の１つは、酸化アルミニウム（アルミナ）Ａｌ2Ｏ3である。焼結禁止材料２２の別の例として、イットリウムアルミニウム複合酸化物がある。焼結禁止材料２２は、金属有機化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスによりギャップ１８内に浸透させることができる。ＣＶＤプロセスは、焼結禁止材料２２を、セラミック層１６の柱状体２０の頂面上に、数オングストロームを越えない値から数ミクロンの範囲の厚さに付着させるために使用する。１つの実施例では、セラミック層１６の柱状体２０の頂面上の厚さが約５ミクロンのアルミナ層が用いられる。別の実施例において、セラミック層１６の柱状体２０の頂面上の厚さが０．１ミクロン以下、あるいは１ミクロン以下、もしくは１０ミクロン以下の耐焼結材料が使用される。ギャップ１８内の耐焼結材料２２の被覆の厚さは、セラミック層１６の表面の厚さ以下であるが、ほぼそれに比例する。その厚さは、焼結禁止材料２２がギャップ１８にまたがる橋絡を阻止して、被覆の性能を劣化させないように制御する必要がある。選択される焼結禁止材料２２は容易に焼結しないため、装置１０の柱状体２０は高温で接合しない。また、焼結禁止材料２２はその下のセラミック層１６の材料に対して不溶性であるため、装置１０の寿命全体に亘って柱状体２０の表面に保持され、耐焼結性が維持される。
【００１２】
焼結禁止材料２２は、中間の非晶質または不安定な層として、断熱セラミック層１６に適用することもできる。本発明の１つの実施例では、非晶質のアルミナを金属有機ＣＶＤプロセスによりギャップ１８内に付着させる。装置１０の製造工程で、または最初の運転時に加熱されると、非晶質の被覆は、αＡｌ2Ｏ3のような結晶的に安定な相へ転移する。高温で安定性を有し、焼結禁止機能を有するのは、このα相である。
【００１３】
本発明の装置製造方法は、商業的に利用可能なプロセスを用いる。かかる装置を製造するには、まず最初に、低圧プラズマ溶射、高速酸素燃料囲い式プラズマ溶射(high velocity oxygen fuel, shrouded plasma spray)または空気プラズマ溶射プロセスのような公知のプロセスにより基体１２に接着被覆１４を施す。その後、セラミック層１６を、ＥＢ−ＰＶＤのような公知のプロセスにより接着被覆１４に付着させ、複数のギャップ１８を有するセラミック層１６を提供する。あるいは、用途によっては、セラミック１６を基体１２上に直接付着させてもよい。その後、焼結禁止材料２２を、化学蒸着または金属有機ＣＶＤのような蒸着法により、またはゾル−ゲル溶浸のような多数の公知の溶浸法の内の１つにより、柱状体２０の表面に適用する。
【００１４】
焼結禁止材料２２の形態も制御可能である。図１に示すように、焼結禁止材料２２は、ギャップ１８内の連続層として、あるいは非晶質または安定な層のいずれかとして適用することができる。図２は、本発明による装置の別の実施例を示す。同様な構成要素は、２つの図面において同一番号で示す。図２に示すように、接着被覆１４を有する基体１２には、柱状体２０及びギャップ１８を有するセラミック層１６が被覆されている。この実施例において、焼結禁止材料は、複数の小さな塊２４としてギャップ１８内にある。小さな塊２４は、柱状体２２の間にブリッジを形成する傾向が少ないが、その理由は、焼結禁止材料２２の連続した被覆と比べると隣接する柱状体１８上の小さな塊２４の間の接触面積が小さいからである。さらに、柱状体１８の中間にブリッジが形成されても、それは装置１０の規則的な熱サイクルにより容易に破壊される傾向がある。小さな塊の形態は、適用する材料の被覆の厚さと、その後の熱処理を制御することにより得ることができる。例えば、セラミック１６の頂面上に約０．１ミクロンのアルミナの比較的薄い被覆を形成すると、ギャップ１８に比較的薄い連続層が得られる。その後熱処理を行うと、アルミナが安定なα層に転移するにつれて、体積の減少が起こり、このため、ギャップ１８内に焼結禁止材料２２の小さな塊２４が形成される傾向がある。表面にアルミナの約１ミクロンの厚い被覆を形成すると、ギャップ１８内に十分厚い被覆が得られ、この被覆は熱処理した後でも焼結禁止材料２２の連続した被覆として残る。ギャップ１８内に連続した被覆を形成する別の方法は、焼結禁止材料２４の多数の薄い層を適用することにより、小さい塊２４の間の空間が他の小さな塊２４により本質的に充填され、連続した被覆２２が形成されるようにすることである。
【００１５】
さらに、図２の実施例において、焼結禁止材料は、ギャップ１８の頂部２６にだけ存在するが、ギャップ１８の底部２８にはない。ギャップ１８の幾何学的関係及び被覆付着方法により、この変数を制御する。
本発明の他の局面、目的及び利点は、添付図面、本願の明細書及び頭書の特許請求の範囲を検討すれば明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、安定なセラミック材料が連続した被覆として適用される、本発明の断熱被覆を有する装置の断面図である。
【図２】  図２は、安定したセラミック材料が複数の小さな塊として適用される本発明の断熱被覆を有する装置の断面図である。
【図１】
0004401576.tif 000002
【図２】
0004401576.tif 000003