(57)【要約】【課題】タービン構成部品の保護を強化することができるコーティングを提供する。【解決手段】一実施形態では、遮蔽コーティングを塗布する方法が、混合物を形成するためにコーティング材および構造強化物を混合するステップと、コーティングを形成するために溶射を用いて構成部品に混合物を塗布するステップと、コーティング内の構造強化物の濃度を制御するステップとを含む。構造強化物は、酸化物、炭化物、窒化物、金属間物質、および前記のものの少なくとも１つを含む組合せからなる群から選択される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物、炭化物、窒化物、金属間物質および前記のものの少なくとも１つを含む組合せからなる群から選択される構造強化物とコーティング材とを混合し混合物を形成するステップと、
溶射を用いて構成部品に前記混合物を塗布しコーティングを形成するステップと、
前記コーティング内の前記構造強化物の濃度を制御するステップと
を含む、コーティングを塗布する方法。
【請求項２】
前記混合物が初期構造強化物濃度を有し、前記コーティングの最終構造強化物濃度が、コーティングの総体積基準で、前記初期構造強化物濃度から５体積％を超えて増えることはない、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記コーティング内の前記構造強化物の平均粒子サイズを制御するステップをさらに含む、請求項１乃至２のいずれか記載の方法。
【請求項４】
酸化物、炭化物、窒化物、金属間物質、および前記のものの少なくとも１つを含む組合せからなる群から選択される構造強化物とコーティング材とを混合し混合物を形成するステップと、
溶射を用いて構成部品に前記混合物を塗布しコーティングを形成するステップと、
前記コーティング内の前記構造強化物の平均粒子サイズを制御するステップと
を含む、遮蔽コーティングを塗布する方法。
【請求項５】
前記コーティングが一様な濃度の前記構造強化物を有する、請求項１乃至４のいずれか記載の方法。
【請求項６】
前記溶射が、高速酸素フレーム溶射、プラズマ溶射、および前記溶射の少なくとも１つを含む組合せからなる群から選択される、請求項１乃至５のいずれか記載の方法。
【請求項７】
前記混合物を塗布するステップが、前記混合物を溶射装置から噴射するステップをさらに含み、前記混合物は、前記溶射装置から発射される時、温度が１，２００℃以下である、請求項１乃至６項のいずれか記載の方法。
【請求項８】
前記コーティング内の前記構造強化物の平均粒子サイズが、主軸に沿って測定するとき、０．０１μｍから１００μｍである、請求項１乃至７のいずれか記載の方法。
【請求項９】
前記強化型コーティングがＭＣｒＡｌＹを含み、Ｍは、ニッケル、コバルト、鉄、および前記のものの少なくとも１つを含む組合せからなる群から選択され、基板上への溶射金属コーティング要素である、請求項１乃至８のいずれか記載の方法。
【請求項１０】
前記最終構造強化物濃度が、強化型コーティングの総体積基準で、１体積％から２５体積％である、請求項１乃至９のいずれか記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、品物をコーティングする方法およびその製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温（すなわち、約１，３００℃以上）および酸化環境に曝されるとき、金属は、酸化、腐食、および脆化を生じ得る。これら環境が、動力発生用途に用いられるタービン中に形成される。遮熱コーティング（ＴＢＣ）は、金属タービン構成部品に適用されたとき、高温ならびに腐食および酸化環境が金属構成部品に及ぼす影響を低減することができる。
【０００３】
遮熱コーティングには、金属結合コーティングおよびセラミックコーティングが含まれ得る。金属結合コーティングは、アルミニウム、クロミウム、アルミニウム合金、クロミウム合金などの耐酸化保護金属から構成され得る。例えば、金属結合コーティングは、クロミウム、アルミニウム、イットリウム、または、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍはニッケル、コバルトまたは鉄）など、前記のものの組合せから構成され得る（Ｈｅｃｈｔの米国特許第４，０３４，１４２号およびＧｕｐｔａ等の米国特許第４，５８５，４８１号にいくつかのコーティング材が記載されている）。これら金属結合コーティングは、溶射技法によって塗布することができる。
【０００４】
溶射プロセスのグループには、爆発ガン溶射、高速酸素フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、およびその変形である高速空気フレーム溶射、プラズマ溶射、フレーム溶射、電気ワイヤアーク溶射などが含まれる。殆どのサーマルコーティングプロセスでは、粉粒、ワイヤまたはロッド形態（例えば金属）の材料が、融点近くまたはそれより幾分高く加熱され、その材料の小滴がガス流中で加速される。その小滴が、被覆する基板の表面に向かって導かれ、そこに付着し流れて、スプラットと呼ばれる薄い粒子層になる。
【０００５】
通常の爆発ガン溶射プロセスでは、酸素とアセチレンなどの燃料の混合物が、コーティング材の粉粒の１パルス分と共に、円筒、例えば直径約２５ミリメートル（ｍｍ）長さ１ｍ以上の円筒に送り込まれる。ガス混合物が爆発させられ、円筒を伝播して行く爆轟波が、コーティング材の粉粒をその融点近く、またはそれより幾分高く加熱し、それを毎秒約７５０メートル（ｍ／ｓｅｃ）の速度まで加速する。融解した、またはほぼ融解した材料小滴が、被覆する基板の表面に衝突し流れて、強固に結合したスプラットになる。各爆発が終わるごとに、円筒は、窒素などの不活性ガスで全体を吹き清められ、そのプロセスが１秒間に何度も繰り返される。爆発ガンコーティングは、通常、空隙率が２体積パーセント未満であり、極めて高い結合力、ならびに極めて高い基板への接着力を有する。
【０００６】
高速酸素フレーム溶射およびその関連のコーティングプロセスでは、酸素、空気または別の酸素源を用いて、水素、プロパン、プロピレン、アセチレン、ケロシンなどの燃料を燃焼器中で燃焼させ、その燃焼ガス生成物をノズルを通して膨張させる。ガス速度は超音速になり得る。粉粒状のコーティング材が、ノズルに送り込まれ、融点近く、またはそれより高く加熱され、あるコーティングシステムでは最大約６００ｍ／ｓｅｃなど、比較的高い速度に加速される。ノズルを通るガス流、最終的には粉粒粒子の温度および速度は、ガンに入るガスまたは液体の組成および流量を変化させることによって制御することができる。融解粒子が、被覆する表面に衝突し流れて、基板に、かつ互いにしっかり結合する十分に緻密に凝縮されたスプラットになる。
【０００７】
プラズマ溶射コーティングプロセスでは、ガスが、タングステン陰極の周りを、比較的短い先細末広ノズルを通って流れるとき、電気アークによって部分的にイオン化される。プラズマの温度はその中心部で、３０，０００Ｋを超え得、ガスの速度は超音速になり得る。コーティング材は、通常粉粒の形態でガスプラズマ中に噴射され、その融点近く、またはそれより高く加熱され、約６００ｍ／ｓｅｃに達することもある速度まで加速される。コーティング材への熱伝達率およびコーティング材の最終的な温度は、ガスプラズマの流量および組成ならびにトーチの設計および粉粒の射出技法の関数である。融解粒子は、被覆する表面に向かって噴射され、付着スプラットを形成する。
【０００８】
フレーム溶射コーティングプロセスでは、酸素、およびアセチレンなどの燃料をトーチ中で燃焼させる。粉粒、ワイヤまたはロッドが、その火炎中に送り込まれ、そこで融解され、加速される。粉粒の速度は、約３００ｍ／ｓｅｃに達し得る。ガスおよび最終的にはコーティング材の最高温度は、用いられるガスの流量および組成ならびにトーチ設計の関数である。やはり、融解粒子は、被覆する表面に向かって噴射され、付着スプラットを形成する。
【０００９】
溶射コーティングプロセスは、層状コーティングを付着するのに長年使用されてきた。これらコーティングは、異なる組成および特性の個々の層から構成されている。例えば、コーティングは、ジルコニアの層をその上に有し、基板に隣接するニッケル−クロミウムなどの合金の層から構成される単一の複層コーティングであり得る。
【００１０】
コーティングプロセスは、タービンやエンジンなどの構成部品を厳しい作動環境から保護するために、その構成部品に遮熱コーティング（ＴＢＣ）および／または耐環境コーティング（ＥＢＣ）を施すのに使用することができる。それら燃焼環境中のタービン構成部品を保護するために、式ＭＣｒＡｌＹに基づく一群のコーティングが開発された。ここでＭは、鉄、コバルト、ニッケルなどの遷移金属を表す。現状では、ＭＣｒＡｌＹコーティングが石炭ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム中に使用されたときに問題を生じる。ＩＧＣＣシステムは、発電に石炭を用いる革新的なプロセスを利用する。そのプロセスは、発電に石炭を用いる他のプロセスよりも清浄で経済上効率的である。そのプロセスは、石炭を処理し、それを水素ガス（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）および炭素粒子を含むガス混合物に転換するステップを含む。そのガス混合物を、タービン中で酸素と燃焼させて発電する。しかし、炭素粒子がコーティングされたタービン構成部品に衝突し、構成部品および／またはコーティングを浸食し、それにより、構成部品の有効作動寿命を縮める。
【特許文献１】米国特許第４，０３４，１４２号
【特許文献２】米国特許第４，５８５，４８１号
【特許文献３】米国特許第４１６３０７１号
【特許文献４】米国特許出願第２００５０２８７２９６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、タービン構成部品の保護を強化することができるコーティングが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本明細書には、品物をコーティングする方法およびそれにより製作される品物を開示する。一実施形態では、遮蔽コーティングを塗布する方法は、混合物を形成するためにコーティング材および構造強化物を混合するステップと、コーティングを形成するために溶射を用いて構成部品に混合物を塗布するステップと、コーティング内の構造強化物の濃度を制御するステップとを含む。構造強化物は、酸化物、炭化物、窒化物、金属間物質、および前記のものの少なくとも１つを含む組合せからなる群から選択される。
【００１３】
別の実施形態では、遮蔽コーティングを塗布する方法は、混合物を形成するためにコーティング材および構造強化物を混合するステップと、コーティングを形成するために溶射を用いて構成部品に混合物を塗布するステップとを含む。構造強化物は、酸化物、炭化物、窒化物、金属間物質、および前記のものの少なくとも１つを含む組合せからなる群から選択される。コーティングは、最終構造強化物濃度が、コーティングの総体積基準で、初期構造強化物濃度から５体積％を超えて増えることはない。
【００１４】
さらに別の実施形態では、遮蔽コーティングを塗布する方法は、混合物を形成するためにコーティング材および構造強化物を混合するステップと、コーティングを形成するために溶射を用いて構成部品に混合物を塗布するステップと、コーティング内の構造強化物の平均粒子サイズを制御するステップとを含む。構造強化物は、酸化物、炭化物、窒化物、金属間物質、および前記のものの少なくとも１つを含む組合せからなる群から選択される。
【００１５】
上記およびその他の特徴は、以下の詳細な説明および添付特許請求の範囲によって例示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本明細書の「第１」「第２」などの用語は、順序、多寡、または重要度を示すものではなく、ある要素を別の要素から区別するのに使用され、また、本明細書で数詞がないこと又はひとつのという用語は数量が限定されていることを示すのではなく、言及されたものが少なくとも１つ存在することを示すものである。量と共に使用されている修飾語「約」は、言及されている値を含み、文脈によって示される意味を有する（例えば、特定の量の測定に伴う誤差の範囲を含む）。本明細書で用いられる末尾「（ｓ）」は、それが修飾する用語の単数および複数の両方を含めるものであり、それによって、その用語の１つまたは複数を含む（例えば、ｍｅｔａｌ（ｓ）は１種類または複数種類の金属を含む）。本明細書に開示されている範囲は包括的であり、個々に組合せ可能である（例えば、範囲「最大約２５重量％、または、より具体的には、約５重量％〜約２０重量％」は、「約５重量％〜約２５重量％」の範囲の両端の点およびその中間のすべての値を含む、等）。表示「±１０％」は、示された計量値が、示された値のマイナス１０％の量からプラス１０％の量までになり得ることを意味する。
【００１７】
金属コーティングの構造の健全性は、コーティングに１つまたは複数の構造強化物（例えば、１つまたは複数の炭化物および／または１つまたは複数の酸化物）を混合することによって向上する。しかし、コーティング材が構成部品に噴射される時に構造強化物（例えば１つまたは複数の酸化物）を形成するように溶射プロセスが制御（例えば温度）される場合、１つまたは複数の構造強化物の分布、ならびに１つまたは複数の構造強化物の粒子サイズを完全には制御できない。本明細書には、構成部品に強化型遮蔽コーティングを形成する方法、およびそれにより製作される構成部品を開示する。このプロセスは、１つまたは複数の構造強化物の粒子サイズの制御を可能にし、併せて、所望の１つまたは複数のコーティング領域全体への１つまたは複数の構造強化物の一様な分布を可能にする。本明細書で用いられる「一様」および「一様な分布」は、強化型コーティングの領域全体にわたるその物質の濃度の変化が５体積パーセント（体積％）以下であることを指す。例えば、強化型コーティングが構成部品の前縁に付着され、構成部品の他の部分には異なるコーティングが付着されている場合、強化型コーティング全体にわたっての濃度の変化は５体積％以下になる。
【００１８】
溶射プロセス（例えばＨＶＯＦ、プラズマ溶射（低圧プラズマ溶射、真空プラズマ溶射など）、または前記プロセスの少なくとも１つを含む組合せ）は、例えば噴射流に導入する前に、または噴射流中で、１つまたは複数のコーティング材を１つまたは複数の構造強化物と混合するステップを含む。１つまたは複数のコーティング材の約５体積％、またはより具体的には、約２体積％以下が、コーティングプロセス中に酸化物および／または炭化物に変換されることが望ましい。したがって、強化型コーティングの濃度が制御される。言い換えると、このプロセスは、所望の粒子サイズおよびサイズ分布を含めて、特定の１つまたは複数の構造強化物の制御を可能にし、選択した組成を有する強化型コーティングを生成することができる混合物を形成するように、それらの１つまたは複数の構造強化物を１つまたは複数のコーティング材と組み合わせる（例えば、１つまたは複数の構造強化物の濃度を制御することができる）。
【００１９】
プロセスは、その混合物を燃焼器、噴射流、および／またはその他に導き（個々の噴射プロセスによる）、粒子が構成部品にスプラットし、付着することができるように混合物を十分に加熱するステップを含む。例えば、ＨＶＯＦプロセスは、酸素および燃料を燃焼させ、混合物を構成部品に向けて推進させるのに使用することができる。混合物が構成部品に向かって推進される時の噴流中の酸化物および／または炭化物の生成を制御するために、噴射状態を制御することができる。噴射は、構成部品に向かって推進される粒子（例えば１つまたは複数のコーティング材および１つまたは複数の構造強化物）の温度が、構成部品に固着するように粒子を軟化させるのに十分な温度であり、１つまたは複数のコーティング材の酸化を生じる温度よりは低くなるように制御することができる。その特定の温度は、１つまたは複数のコーティング材および１つまたは複数の構造強化物のタイプによる。例えば、コーティング温度は約１，５００℃以下、または、より具体的には、約１，２００℃以下、または、さらに具体的には、約７５０℃〜約１，１００℃であり得る。温度は、１つまたは複数の構造強化物の濃度が、混合物から強化型コーティングへ、約５体積％以下、または、より具体的には、約２体積％以下、または、より具体的には、約１体積％以下だけ変化することができるように制御され得る。例えば、混合物が、その総体積基準で１０体積％の１つまたは複数の構造強化物を含む場合、最終的なコーティングは、その総体積基準で約１５体積％以下の１つまたは複数の構造強化物を含む。
【００２０】
遮蔽コーティング（例えば遮熱コーティングおよび／または耐環境コーティング）を形成する１つまたは複数のコーティング材は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、クロミウム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、イットリウム（Ｙ）、前記のものの少なくとも１つを含む合金、ならびに、前記のものの少なくとも１つを含む組合せを含み得、例えば、コーティングは、ＭＣｒＡｌＹ（ここでＭは、ニッケル、コバルト、鉄、および前記のものの少なくとも１つを含む組合せ）を含み得る。ＭＣｒＡｌＹコーティングは、珪素（Ｓｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）、ハフニウム（Ｈｆ）、プラチナ（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）などの元素、前記のものの少なくとも１つを含む合金、ならびに、前記のものの少なくとも１つを含む組合せをさらに含み得る。
【００２１】
１つまたは複数のコーティング材に混合することができる１つまたは複数の構造強化物には、１つまたは複数の酸化物、１つまたは複数の炭化物、１つまたは複数の窒化物、１つまたは複数の金属間物質（例えば化学量論的な金属化合物）など、ならびに前記のものの少なくとも１つを含む組合せが含まれる。酸化物に含まれ得るものとしては、アルミナ、ジルコニア、シリカなど、ならびに前記のものの少なくとも１つを含む組合せがある。これらの酸化物は、例えば、イットリウム、バリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、ベリリウム、ランタニド元素などの安定化添加物、ならびに前記安定化添加物の少なくとも１つを含む組合せによって安定化させることができる。例えばイットリア安定化ジルコニアである。
【００２２】
１つまたは複数の構造強化物は、平均粒子サイズが、主軸に沿って測定したとき、最大１００マイクロメートル（μｍ）程度（例えば約０．０１μｍ〜約１００μｍ）、または、より具体的には、約１μｍ〜約５０μｍ、または、さらにより具体的には、約５μｍ〜約２５μｍであり得る。１つまたは複数の構造強化物は、噴射流に導入される前に１つまたは複数のコーティング材と混合されるので、その粒子サイズは、混合物中および強化型コーティング内両方の１つまたは複数の構造強化物のサイズになる。
【００２３】
１つまたは複数の構造強化物は、物理的浸食に対するコーティングの構造上の健全性を強化するのに十分な量だけ存在することができる。例えば、１つまたは複数の構造強化物は、その総体積基準で、約２５体積％以下、または、より具体的には、約１〜約１５％、または、さらにより具体的には、約５体積％〜約１０体積％の量だけ存在することができる。１つまたは複数の構造強化物の特定の濃度は、特定の構成部品およびその構成部品に対する作動条件に基づいて決定することができる。例えば、構成部品はタービン（例えばＩＧＣＣシステム中の）のブレード、ベーン、ステータ、ノズル、バケットなどの何れであるかが、また、例えば第１段、第２段などの構成部品のシステム中の位置が、構成部品上の強化型コーティングの望ましいコーティングの組成ならびに量および位置に影響を与え得る。例えば、本コーティングは、第１段構成部品、例えば他のタービン構成部品より高い腐食率に曝される傾向のある構成部品に特に有効であり得る。
【００２４】
強化型コーティングの組成物と共に、強化型コーティングの厚さは、個々の構成部品、その構成部品に対する作動条件、およびその構成部品上の強化型コーティングの位置に基づいて選定することができる。例えば、強化型コーティング厚さは約０．０５ミリメートル（ｍｍ）〜０．７５ｍｍ程度、または、より具体的には、約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍ、または、さらに具体的には、約０．１５ｍｍ〜約０．３ｍｍであり得る。
【００２５】
強化型コーティングが構成部品に適用された後は、適宜、構成部品はさらに、例えばコーティング材と基板の結合を強化ための処理を施され得る。例えば、強化型コーティングを有する構成部品には、例えば化学的結合の形成を可能にするために熱処理が行われ得る。熱処理は、約９００℃（１，６５０°Ｆ）〜約１，２００℃（２，１９０°Ｆ）の温度、例えば約１，１００℃（２，０１２°Ｆ）で約０．５時間〜約６時間程度、真空または不活性環境（例えばコーティングと化学的反応を起こさない不活性ガスによる）下で行われ得る。
【００２６】
以下の実施例は、本方法および強化型コーティングをさらに説明するために提供されるものであり、本明細書の範囲を限定するものではない。
【実施例】
【００２７】
付着は、プラズマ溶射（低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）および／またはＨＶＯＦ）などの方法を使用し、例えば、Ｓｕｌｚｅｒ  Ｍｅｔｃｏ社製の溶射ガンを用いて達成され得る。付着では、ＭＣｒＡｌＹおよび構造強化物粒子が、それぞれ８０体積％対２０体積％の比で、ホッパ内で混合され得る。ＭＣｒＡｌＹ粉粒および構造強化物の粒子サイズは、約０．０１μｍ〜約１００μｍであり得る。次いで、粉粒混合物はホッパから、粉粒混合物を加熱し、高温ガス通路中に配置された構成部品上に向かって加速するガンへ供給され得る。コーティングは、その厚さおよびそのカバー領域の全体にわたって、構造強化物粒子が一定の体積パーセントになるように、公称厚さ１０ｍｉｌまで塗布される。このプロセスは、ＩＧＣＣプラント内のタービン中に使用される構成部品に特に有用であることが分かっている。
【００２８】
強化型コーティングおよびこれらのコーティングを形成するプロセスは、タービン構成部品またはそれを部分的に被覆することを含む、数多くの用途に用いることができる。より具体的には、ＩＧＣＣシステムに使用されるものを含むタービンエンジンの高温ガス通路に曝される構成部品に使用することができる。ＩＧＣＣシステムでは、まず、合成ガスが石炭から変成され、次いで、タービンエンジン内部で燃焼される。燃焼流はしばしば炭素粒子を含み、その炭素粒子がタービン構成部品に衝突し、物理的浸食を発生させ得る。構成部品のこの浸食を受けやすい部分に強化型コーティングを付着形成することによって、構成部品の寿命を大幅に向上させることができる。
【００２９】
本発明を好ましい実施形態に関して記述してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素に対して様々な変更を加え、また、その要素を均等物と置き換えることができることが当業者には理解されよう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に特定の状況や素材を適合させるために多くの修正を加えることができる。したがって、本発明は、この発明を実施するために考案された最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されることなく、本発明は、添付特許請求の範囲に記載された範囲に包含されるすべての実施形態を含むものとする。
【外国語明細書】
2007138299000001.pdf