(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超合金部品の表面に遮熱コーティング系（２０）を形成する方法であって、当該方法が
超合金部品の表面に、１５〜３３重量％のアルミニウムと残部のＮｉ及び不可避不純物とからなり、全体の厚さが１ミル（２５．４μｍ）以上のβ−ＮｉＡｌボンドコートを、まず表面粗さＲa１２５マイクロインチ（３．１８μｍ）以下の滑らかな表面仕上げを有するβ−ＮｉＡｌの副層を施工してから、次に該副層の上に、表面粗さＲa４００マイクロインチ（１０．１６μｍ）以上の粗い表面仕上げを有するβ−ＮｉＡｌの外層を大気プラズマ溶射することによって、形成する段階、次いで
上記β−ＮｉＡｌボンドコート上にセラミックトップコート（２６）を溶射する段階
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記β−ＮｉＡｌの副層が高速ガスフレーム溶射（ＨＶＯＦ）で施工される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記β−ＮｉＡｌの副層が、５０μｍ未満の粒度の粉体を用いて施工される、請求項２記載の方法。
【請求項４】
超合金部品の表面に遮熱コーティング系（２０）を形成する方法であって、当該方法が
超合金部品の表面に、１５〜３３重量％のアルミニウムと残部のＮｉ及び不可避不純物とからなり、全体の厚さが１ミル（２５．４μｍ）以上のβ−ＮｉＡｌボンドコートを、まず粒度５０μｍ未満の粉体を用いる高速ガスフレーム溶射（ＨＶＯＦ）でβ−ＮｉＡｌの副層を施工してから、次に該副層の上に、表面粗さＲa４００マイクロインチ（１０．１６μｍ）以上の粗い表面仕上げを有するβ−ＮｉＡｌの外層を大気プラズマ溶射することによって、形成する段階、次いで
上記β−ＮｉＡｌボンドコート上にセラミックトップコート（２６）を溶射する段階
を含んでなる方法。
【請求項５】
前記β−ＮｉＡｌの外層が、２０〜８０μｍの粒度の粉体を用いて施工される、請求項１又は請求項４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンの部品のような高温に暴露される部品のための保護コーティングに関する。具体的には、本発明はＮｉＡｌボンドコートとセラミックトップコートを利用した遮熱コーティング系を大気プラズマ溶射法を用いて形成するための方法に関する。
【０００２】
【発明の技術的背景】
ガスタービンエンジンではその効率を向上させるべく運転温度を高めることが絶えず求められている。しかし、運転温度の上昇に伴ってエンジン部品の高温耐久性を向上させる必要がある。ニッケル基及びコバルト基超合金の組成を通して高温性能は著しく進歩したが、タービン、燃焼器、オグメンタなど、ガスタービンエンジンの幾つかのセクションに位置する部品の製造には、かかる合金だけでは不十分なことが多い。一般的な解決策は、かかる部品の使用温度をできるだけ下げるとともに環境保護皮膜を施して高温で腐食性の酸化性ガスに起因する劣化を防止するため、かかる部品を高温の燃焼ガスから熱的に遮蔽することである。かかる目的のため、高温部品の露出面に形成した遮熱コーティング（ＴＢＣ）系が多用されている。
【０００３】
遮熱コーティング系は、それを有効なものとするには、低い熱伝導性を有し、部品に強く密着し、かつ幾多の加熱冷却サイクルを通して密着性を保持しなければならない。また、その下の基材を環境損傷から保護しなければならない。基材への密着性は遮熱コーティングとして通例使用されるセラミック材料のような熱伝導性の低い材料とタービンエンジン部品の製造に通例使用される超合金材料との間に熱膨張率の差があるため、技術的難問である。上記の諸条件を満足し得る遮熱コーティング系には、概して、部品表面に中間層として金属ボンドコートを施工する必要があり、金属ボンドコートは基材材料の熱膨張率と遮熱層として使用されるセラミック材料の熱膨張率との中間にある熱膨張率を有し得るが、本来はタービン環境にみられる酸化性で腐食性の高温燃焼ガスから環境保護をもたらすべく処方される。かかるコーティングは密着性熱成長酸化物（ＴＧＯ）層を生じ、その上面に堆積されるＴＢＣの密着を補助する。
【０００４】
セラミック層として各種のセラミック材料が使用されており、具体的にはイットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ2 ）、スカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）その他の酸化物で安定化したジルコニア（ＺｒＯ2 ）がある。これらの材料はプラズマ溶射、フレーム溶射及び物理蒸着法で容易に施工できるので、当技術分野で広く使用されている。熱サイクル暴露時のセラミック層の剥離耐性を高めるため、ガスタービンエンジンの高温部に用いられる遮熱コーティング系は物理蒸着（ＰＶＤ）技術、特に電子ビーム蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）法で通例施工され、これは歪み耐性をもつと考えられている耐剥離性の柱状結晶粒組織をセラミック層に生じる。こうした高温表面部にセラミック層を施工するにはＰＶＤ法が好ましい。内部冷却流体用供給路と外表面とを連絡する冷却穴では厚さをスムースに移行させることが必要とされるからである。表面に開いた冷却穴の数が多くなく、ＰＶＤ法で効率的かつ経済的に施工し得るものよりも厚いコーティングでの熱的保護が必要とされる領域では大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法が用いられる。ＡＰＳセラミックコーティングには、通例、二層間の機械的接着を向上させるのに十分な表面粗さをもつボンドコートが必要とされる。
【０００５】
ボンドコートは、界面にＴＧＯを生成させて部品へのセラミック層の密着性を高めるため、通例耐酸化性アルミニウム含有合金から形成される。ボンドコートは、遮熱コーティング系の耐剥離性の向上に決定的な重要性をもつ。従来技術のボンドコートの具体例には、ＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルである）、ニッケルアルミナイドや白金アルミナイドボンドコートのような拡散コーティング、及び耐酸化性アルミニウム基金属間化合物であるベータ相ＮｉＡｌがある。ＭＣｒＡｌＹボンドコートは通例大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法で施工されるが、ベータ相ＮｉＡｌは通例減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）法又は高速ガスフレーム溶射（ＨＶＯＦ）法で施工される。ＬＰＰＳボンドコートは平滑であり、密着性の高い滑らかな連続ＴＧＯ層を成長し、このＴＧＯ層はセラミック層をボンドコートに化学的に結合するとともに、ボンドコート及びその下の基材を酸化及び高温腐食から保護する。
【０００６】
ボンドコート材料は薄い密着性アルミナスケールの生成によって酸化及び腐食に耐えるように合金化され、アルミナスケールにはさらにクロミアその他の反応性酸化物又は元素を添加し得る。ただし、かかる薄いアルミナスケール又はクロミア添加アルミナスケールを耐環境コーティングとして単独（すなわち、セラミックトップコートなし）で使用すると、高温腐食環境によって悪影響を受けるが、迅速に再生される。しかし、代替スケールの再生は耐環境コーティングから次第にアルミニウムを消尽させる。また、耐環境コーティング又はＴＢＣ用ボンドコートとして用いた場合、アルミニウムは超合金基材内への相互拡散の結果ボンドコートから失われる。結局、ボンドコート中のアルミニウム濃度が減少して保護アルミナスケールはそれ以上生成しなくなるか及び／又はＴＧＯ中の応力が著しく増大してボンドコートとセラミック層との界面で剥離を生じかねない。
【０００７】
アルミニウムの消尽に加え、ボンドコート表面に望ましいアルミナスケールを生成するボンドコートの能力は、例えば拡散アルミナイドコーティング形成時又は高温暴露時のように超合金からボンドコート内への元素の拡散によって妨げられることがある。ボンドコート内部でのかかる元素の酸化は、ボンドコート中のアルミニウムが酸化及び相互拡散によって消尽すると、熱力学的に促進されることがある。ＴＧＯ中に導入され高レベルのニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン及びモリブデンのような元素は、酸化物スケールの成長速度を増大させ、セラミック層の密着に有害となりかねない非密着性スケールをボンドコート表面に生成するおそれがある。かかる問題に対処するための一つの方法は、例えば、Ｎａｇａｒａｊ他の米国特許第５９７５８５２号にみられるように、ＬＰＰＳのような方法を用いて超合金部品の表面にモノリシックなベータ相ＮｉＡｌ層を追加することであり、酸化物層はβ−ＮｉＡｌ層の表面に直接に生成する。比較的微細な粉体を用いるＬＰＰＳは比較的滑らかな表面を生じるので、β−ＮｉＡｌ層の施工後、例えば電解研磨、蒸気ホーニング又は軽いブラスト加工によって被覆表面を表面粗さＲaが約５０マイクロインチ（約１．２マイクロメートル）を超えるように処理する。部品の実用寿命を向上させるため、かかる層は厚くなければならない。次いで、柱状結晶粒を有するセラミックトップコートを物理蒸着（ＰＶＤ）法で施工する。ただし、ボンドコートとＡＰＳセラミックトップコートと機械的接着を高めるため表面仕上げを粗くするためボンドコートを意図的に溶射することが多い。
【０００８】
ＬＰＰＳとは対照的に、アルミニウムを含有するＡＰＳボンドコートは空気存在下高温で施工されるので、本質的に内包酸化物を生じ、暴露時に生成するスケールは滑らかでも連続したものでもなくなる。その結果、ＡＰＳボンドコートを用いた遮熱コーティング系はＬＰＰＳボンドコートを用いた系の高温（例えば１０００℃以上）酸化耐性を有していなかった。さらに、非ベータ相ＮｉＡｌ系ＡＰＳボンドコートへの溶射セラミック層の付着には、ボンドコートの表面粗さＲaが約２００〜約５００マイクロインチでＡＰＳセラミックトップコートが実質的に機械的接着によってボンドコートに結合することが必要とされる。
【０００９】
ＡＰＳボンドコートは、溶射時の表面粗さが大きく、設備費が安く、施工及びマスキングが容易であるため、往々にして好まれる。その結果、パックセメンテーション又は非接触式蒸気（気相）法でボンドコート表面にアルミニウムを拡散させるオーバーコートアルミナイジングを始め、ＡＰＳボンドコートの耐酸化性を向上させるための様々な方策が提案されている。しかし、結果はばらつきがみられ、追加段階により製造コストが増大する。さらに、拡散アルミナイド及びＬＰＰＳボンドコートの耐酸化性をさらに向上させるため様々な上層コーティングが提案されているが（例えば、Ｎａｇａｒａｊ他の米国特許第５９７５８５２号）、かかる技術では耐歪み性ＰＶＤセラミックトップコートをボンドコートに付着させることができるように減圧プラズマ溶射法が用いられてきた。
【００１０】
高温でのコーティングの施工にＡＰＳが用いられてきたが、従来技術の示すところでは、かかる高温はＡＰＳ作業中に生成する酸化物量が大きいことを必然的に意味する。ＡＰＳでの施工は粗い表面仕上げを生じるので、ＰＶＤ法で信頼できるＴＢＣを施工するのに必要とされる平滑で連続した付着促進性酸化物スケールの生成を妨げる。
【００１１】
そこで、現在用いられている大気プラズマ溶射ＭＣｒＡｌＹボンドコートや減圧プラズマ溶射ＮｉＡｌボンドコートよりも薄いボンドコートを用いて、遮熱コーティング系の耐環境性や耐剥離性に悪影響を与えずに、従来の被覆法よりも高性能かつ低コストでタービン部品を製造できる方法が必要とされている。かかる方法は、部品の耐久性を改善するとともに遮熱コーティング系の実用寿命を延ばすべきである。
【００１２】
【発明の概要】
本発明は、概括すれば、ガスタービンエンジンの高温ガス経路部品のような苛酷な熱環境に暴露される製品に遮熱コーティング系を形成するための方法を提供する。かかるコーティング系は一般にセラミック層と、セラミック層を部品表面に密着させる耐環境性ベータ相ニッケルアルミニウム金属間化合物（β−ＮｉＡｌ）ボンドコートとからなる。熱処理時にβ−ＮｉＡｌ表面に薄い酸化アルミニウムスケールが生成する。
【００１３】
本発明の別の実施形態では、β−ＮｉＡｌボンドコートの堆積に先立って部品表面に追加の拡散アルミナイド層を形成するか、β−ＮｉＡｌボンドコートの堆積直後に拡散アルミナイド層を形成するか、その両方を行って、拡散アルミナイドでセラミック層を部品表面に密着させる。β−ＮｉＡｌボンドコートの施工は、性能条件を満足させる各種技術の組合せによって実施し得る。例えば、比較的微細な粉体を使用したＨＶＯＦを用いれば基材に隣接した第１の緻密な副層を形成することができ、一方、比較的粗い粉体を用いてＡＰＳを使用すれば粗い外表面層を形成することができ、後で施工されるＴＢＣの密着に有益となり得る。ＨＶＯＦ技術は微粉を酸化せずに融解するので、滑らかで緻密な副層を生じる。かかる副層は、５０ミクロン未満の微粉で生じた１２５Ｒaの表面仕上げを有する。なお、本明細書中で用いるミクロン単位の粉体粒度は粉体の粒径をいう。
【００１４】
本発明によれば、β−ＮｉＡｌはその耐環境性を向上させるためニッケル及びアルミニウム以外の合金元素を含有し得る。かかる元素としてはクロム及びジルコニウムが挙げられるが、これらはＡＰＳによる施工時にβ−ＮｉＡｌの耐酸化性を高める。また、ニッケルの一部を置換するためコバルトを導入してもよい。β−ＮｉＡｌは、約１５〜３３重量％のアルミニウムと残部のＮｉ、Ｃｏ又はそれらの組合せ及び不可避不純物からなる公称組成を有する。本明細書中では、「不可避不純物」という用語は、その性質及び／又は量の点で本組成物の有利な特徴に悪影響を及ぼさない少量の不純物及び不可避元素を包括的に意味する。β−ＮｉＡｌのクロム含量は０〜約２０重量％の範囲内にあり、β−ＮｉＡｌのジルコニウム含量は約０．１〜約２．４重量％の範囲内にあり、またβ−ＮｉＡｌのハフニウム含量は約０．１〜約１．７重量％の範囲内である。ジルコニウム及びハフニウムは、ＴＧＯとも呼ばれる界面酸化物層の密着性を向上させ、もってＴＢＣの寿命を延ばす。
【００１５】
本発明によれば、ベータ層ニッケルアルミニウムボンドコートの少なくとも一部は大気プラズマ溶射法（ＡＰＳ）を用いて堆積される。β−ＮｉＡｌ層の厚さは約１〜約２０ミルの範囲内にある。β−ＮｉＡｌの厚さが約１ミル未満であると、β−ＮｉＡｌ層から利用し得るアルミニウムの量が不十分となって部品の予想寿命期間を通して部品表面を環境損傷から保護することができなくなるおそれがある。適切な組成のβ−ＮｉＡｌ粉体は、普通の方法でガスアトマイゼーションによって生成される。次に、粉体を大気プラズマ技術で２５００°Ｆ以上に加熱して半溶融状態で部品表面に施工する。ＡＰＳ用のβ−ＮｉＡｌ粉体は好ましくは２０〜８０ミクロンの範囲内にある。施工後、基材（通例はニッケル基超合金）とβ−ＮｉＡｌコーティングとの冶金的結合を強固にするため、ボンドコートを１８００〜２１００°Ｆの範囲内の温度で約１〜約４時間熱処理してもよい。拡散アルミナイドを施工する場合、拡散アルミナイドの熱処理はβ−ＮｉＡｌの熱処理と同時に行うことができる。
【００１６】
ベータ層ＮｉＡｌの堆積にＬＰＰＳではなくＡＰＳを使用する利点は、ＡＰＳでは下の基材が極度の高温に暴露されないことである。ＬＰＰＳに必要な高温では、ＬＰＰＳを用いて多数のエンジン部品を被覆するのは不可能もしくは極めて困難である。さらに、ＡＰＳはＬＰＰＳよりも本質的に安価なボンドコート施工方法である。ＬＰＰＳプロセスの諸段階にはかなりの時間を費やし、そのため生産性が落ちる。各チャンバー装填材料について、真空を確立し、次いで所定分圧の不活性ガスを再度満たした後、溶射を行い、次いで真空中で冷却して取出す必要がある。ＡＰＳを使用すれば、一度に多数の部品を処理できる環状配列でエンジン部品を被覆できる。従来技術は、ＭＣｒＡｌＹのようなコーティング材料の使用は空気に暴露されると施工前に高レベルの酸化が起こることを明らかに示しており、このことはＡＰＳでの施工時にコーティング材料が遭遇する熱及び環境条件にβ−ＮｉＡｌが特に適していることを示唆しているともいえる。
【００１７】
従来技術でＡＰＳに起因するとされていた制限の一つは、基材への堆積に先立って溶融ニッケルアルミニウムコーティング粒子が大気中に入る際の高温である。こうした高温は、ＡＰＳを使用すると溶射プロセス中に酸化が起こって被覆部品の寿命期間内に多大な剥離を起こすことを一般に意味していた。しかし、真に化学量論的なβ−ＮｉＡｌでは液化に約２９８０°Ｆ（１６３８℃）の温度が必要とされるが、これは他の合金では通常激しい酸化を引起こす温度である。しかし、実際には、β−ＮｉＡｌではＭＣｒＡｌＹのようなボンドコートに比べて酸化レベルが極めて低いことが今回判明した。
【００１８】
ＬＰＰＳに対してＡＰＳが有する上述の利点に加えて、本発明ではＬＰＰＳ技術で達成し得たものよりも薄いβ−ＮｉＡｌコーティングを使用することができるようになる。例えば、米国特許第５９７５８５２号には、例えばＬＰＰＳなどでの施工に必要とされるＮｉＡｌの厚さは最低１２５ミクロン（約０．００５インチ）である旨開示されている。本発明で施工することができる従来よりも薄いコーティングは、冷却開口をもつ大形部品の処理を可能にする。かかる開口は、ＬＰＰＳ技術では完全に塞がれてしまうが、ＡＰＳ法を用いれば塞がれることはない。
【００１９】
また、ＡＰＳ法で生じる表面粗さは、ＡＰＳのような安価な溶射技術を用いてのセラミックコーティングの施工を可能にする。ＡＰＳ技術を用いてセラミックトップコートを施工して密着性セラミックトップコートを得るには、β−ＮｉＡｌボンドコートは４００マイクロインチ以上の表面粗さ（Ｒa）を有していなければならない。つまり、表面仕上げの滑らかさが約４００マイクロインチ以下であってはならない。周知の大気プラズマ溶射パラメータに粒径の大きな粒子を用いると、かかる比較的粗い表面とすることができる。β−ＮｉＡｌボンドコート上にＡＰＳ技術を用いてセラミックコーティングを施工することのもう一つの利点は、膜厚の厚いセラミックボンドコートを迅速かつ原価効率よく施工できることである。
【００２０】
かかる表面粗さは、β−ＮｉＡｌとセラミックトップコートとの良好な機械的接着を生じるために必要である。良好な機械的接着が生じなければ、エンジン部品の使用中に剥離が起こり易くなる。任意には、蒸着技術を用いて白金アルミナイド層のような拡散アルミナイドを施工してもよい。拡散アルミナイドは、β−ＮｉＡｌの堆積に先立って基材に直接施工してもよいし、或いはセラミック遮熱層の堆積に先立ってβ−ＮｉＡｌボンドコート上に施工してもよい。基材への拡散アルミナイドの施工は当技術分野で公知の方法で行われる。β−ＮｉＡｌの下に拡散アルミナイド層を施工することの利点の一つは、かかる層の施工によって、正常な摩耗で過度の剥離が起きたときに部品からの残りの遮熱コーティング系の剥離作業が容易になることである。
【００２１】
任意には、白金アルミナイド層のような拡散アルミナイドをβ−ＮｉＡｌ層に施工してもよい。ベータ相ＮｉＡｌの表面に一貫した拡散アルミナイドコーティングを生じさせるには、白金、ニッケル又はその両者からなるフラッシュ層をベータ相ＮｉＡｌ層に直接施工しなければならない。ベータ相ＮｉＡｌ層は安定なアルミニウムリッチ金属間化合物であるので、β−ＮｉＡｌ層上での一様な拡散アルミナイド層の形成には、好ましくは、電気めっきで施工したニッケルフラッシュ層と白金フラッシュ層の双方を使用する。これらのフラッシュ層は極めて薄く０．８ミクロン未満であり、通例０．２ミルである。上記２つのフラッシュ層を共に施工する場合、拡散層が適当な組成となるように最初に白金を施工すべきである。任意には、次いで追加の拡散アルミナイド層を施工し得る。β−ＮｉＡｌは、β−ＮｉＡｌ層上に施工された金属層と基材との間の拡散障壁としても作用し、ベータ相ＮｉＡｌの上の層での拡散は主に施工された拡散アルミナイド層に限られる。
【００２２】
任意には、拡散アルミナイド層は上述の通りβ−ＮｉＡｌ層の上下両方に施工し得る。かかるプロセスは、保護アルミナスケール形成の初期アルミニウム源として機能する拡散アルミナイドをβ−ＮｉＡｌ層の上に有することの利点を保持したまま、被覆部品からのコーティングの剥離作業を容易にする。
【００２３】
ＴＢＣ系における最終段階は、β−ＮｉＡｌ層の表面又は（任意には）拡散アルミナイド層の表面にセラミックトップコートをプラズマ溶射で施工することである。トップコートは、イットリア安定化ジルコニア、イットリア非安定化ジルコニア、セリア（ＣｅＯ2 ）又はスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）で安定化したジルコニアなど、当業者に公知のセラミック材料からなる。セラミックトップコートは約３〜約２０重量％のイットリアで安定化したジルコニアである。
【００２４】
本発明の利点の一つは、β−ＮｉＡｌを大気プラズマ溶射技術を用いてニッケル基超合金基材上の耐環境性ボンドコートとして施工できることである。かかる堆積ボンドコートは、ＬＰＰＳ法よりも薄い層として有効に施工できる。
【００２５】
本発明のもう一つの利点は、他のβ−ＮｉＡｌ施工法よりも低コストで迅速に、しかも有効な保護アルミナスケールを形成しながらβ−ＮｉＡｌを施工できることである。
【００２６】
本発明のさらに別の利点は、大気プラズマ溶射で形成したβ−ＮｉＡｌスケールは粗い表面仕上げを与えることである。粗い表面仕上げはＰＶＤ法でのセラミックトップコートの施工には適さないが、大気プラズマ溶射技術又は同等の溶射技術のような溶射技術でのセラミックトップコートの施工には、それ以上表面処理せずに溶射したままの状態で適している。
【００２７】
本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示した添付図面と併せて好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付の図面を参照しながら具体例によって説明する。
【００２９】
本発明は、比較的高温で特徴づけられる環境下で動作し、苛酷な熱応力及び熱サイクルに暴露される部品全般に適用可能である。かかる部品の格好の例として、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノズル及びブレード、シュラウド、燃焼器ライナ、スプラッシュ板並びにオグメンタハードウェアがある。通例、これらの部品は冷却流体源と通じた冷却穴をもつように製造され、さもなければ作動時に使用できないような使用温度にかかる部品を暴露できるようになる。タービン作動時の高温から保護するための他の技術と併用すると、これらの部品はその融解温度に近い温度或いはそれを超える温度で使用することができることもある。エンジンのタービン部は図１に示す高圧タービンブレード１０のような複数の高圧タービンブレードを含んでいる。エンジンは、流体がブレードに当ってブレードを回転させ、その結果ブレードが装着されたロータが回転することで駆動される。ブレード１０は概して翼形部１２を含んでおり、翼形部に流体が衝突する。流体は、エンジンの燃焼部での燃料の燃焼で生じた高温燃焼ガスである。そのため翼形部に高温燃焼ガスが当たると、翼形部は酸化、腐食及びエロージョンによる攻撃を受ける。翼形部１２は、ブレード１０の根元部１６に形成されたダブテール部１４によってタービンディスク（図示せず）に装着される。ディスク自体はタービン軸に取付けられる。翼形部１２内には冷却通路１８が存在し、エンジンの圧縮機からの抽気を流して、ブレード１０から熱を伝達してブレードを冷却する。高温燃焼ガスの作用から翼形部基材をさらに保護するため、ブレードの少なくとも翼形部には遮熱コーティング系も施工される。本発明の利点を図１に示す高圧タービンブレード１０に関して説明するが、本発明の教示内容は部品を環境から保護するための耐環境コーティング系又は遮熱コーティング系を使用し得る部品全般に適用し得る。
【００３０】
図２に、本発明に係る遮熱コーティング系２０を示す。図示した通り、コーティング系２０は、基材２２に結合したβ−ＮｉＡｌ層２４（基本的に化学量論量のニッケルとアルミニウムからなる）と、β−ＮｉＡｌ層に結合したセラミック層２６とを含み、β−ＮｉＡｌ上に薄いアルミナスケール２６が存在する。好ましい組成では、β−ＮｉＡｌは０〜約２０重量％のクロム及び約０．１〜約３重量％のジルコニウムを含む。さらに好ましい組成では、β−ＮｉＡｌは約２〜約１４重量％のクロム及び約０．５〜約２．４重量％のジルコニウムを含む。β−ＮｉＡｌの最も好ましい組成は、約１２重量％のクロム及び約１重量％のジルコニウムを含む。本発明によれば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ又はそれらの組合せを主成分とする超合金のような耐熱材料である。本発明の新規な特徴は、ＡＰＳ装置はマスキングを施し易く、現場から送還された部品にパッチ補修作業に容易に適応できることである。β−ＮｉＡｌボンドコート層２４は、従来技術で用いられてきたＬＰＰＳ法ではなく大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法を用いて形成することができる。β−ＮｉＡｌボンドコート層の厚さの好ましい範囲は、約０．００２〜約０．００７インチである。β−ＮｉＡｌ層２４の厚さは最低約１ミル（０．００１インチ）である。約１ミル未満の厚さでは、β−ＮｉＡｌの量が足りなくなり、部品の寿命期間を通して保護アルミナスケールの形成に必要なだけ貯蔵できなくなる。厚さが約７ミル（０．００７インチ）を超えると脆性β−ＮｉＡｌ層が薄肉β−ＮｉＡｌ層よりもチッピングを起こし易くなるので、０．００２〜０．００７インチの範囲内のβ−ＮｉＡｌ層を形成するのが好ましい。さらに、厚肉β−ＮｉＡｌ層は翼形部品の重量を増大させ、その空力効率が下がり、エンジン性能に悪影響を与える。ボンドコート２４として用いるβ−ＮｉＡｌは、従来技術のボンドコートやその超合金基材でみられるような他の元素との相互作用及び相互拡散を起こしにくい。これは金属間化合物の規則的構造によるものであり、そのため本質的に拡散障壁として作用する。
【００３１】
ＡＰＳ堆積プロセス及び後段での熱処理の際に、β−ＮｉＡｌ層上に薄い酸化アルミニウム層が生成する。β−ＮｉＡｌボンドコート２４とセラミック層２６の間には、任意の層として、当技術分野で周知の組成の白金又はニッケル含有拡散アルミナイド層を施工し得る。別法として、任意層たる拡散アルミナイド層を基材２２とβ−ＮｉＡｌボンドコート２４の間に施工してもよい。
【００３２】
セラミック層２６は、当技術分野で公知の技術を用いてプラズマ溶射技術で施工するのが好ましい。セラミック層２６として好ましい材料は、約３〜約２０重量％、好ましくは６〜８重量％、最も好ましくは約７重量％のイットリアを含有するイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であるが、非安定化ジルコニア或いはセリア（ＣｅＯ2 ）又はスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）のような他の遷移金属酸化物で安定化したジルコニアなど、他のセラミック材料を使用することもできる。セラミック層２６は、下の基材２２及びブレード１０に所要の熱的保護を与えるのに十分な厚さ、一般に約０．００４〜０．０３０インチ、好ましくは約０．００５〜０．０１５インチ程度の厚さに堆積させる。
【００３３】
従来技術のボンドコートと同様に、β−ＮｉＡｌボンドコート２４の表面は高温で酸化して薄いアルミナスケール２８を生じ、これにセラミック層２６が結合される。β−ＮｉＡｌボンドコート２４は酸化物層２８形成のための元素供給源となり、セラミック層へと浸透しかねない腐食性燃焼ガス生成物との相互作用でアルミナスケールが悪影響を受けたときのスケールの再生に寄与する。
【００３４】
任意実施形態では、β−ＮｉＡｌボンドコート上に拡散アルミナイドコーティングを施工してもよい。これは酸化物スケール形成のためのアルミニウム供給源を与える。かかる拡散アルミナイドは、β−ＮｉＡｌコーティング上にＰｔ、Ｎｉ又はその両者からなる薄層を堆積することによって施工できる。かかる層は、物理蒸着、電着、スパッタリング、陰極アーク蒸着、レーザ蒸着その他均一な薄層を生ずる公知の方法で施工し得る。次いで、この堆積層を含む部品を当技術分野で周知の気相アルミナイジングプロセスに付せば、拡散アルミナイド層が形成される。拡散アルミナイド層と基材の間に位置する金属間β−ＮｉＡｌボンドコートは、基材から拡散アルミナイド層中への元素の拡散を大幅に低減又は防止する拡散障壁として作用する。β−ＮｉＡｌコーティングへの拡散アルミナイド層の施工はその他の既存技術で行うこともできる。
【００３５】
以上、本発明を特定の実施例及び実施形態に関して説明してきたが、本発明の技術的範囲内でその他の変更及び修正が可能であることは当業者には明らかであろう。これらの実施例及び実施形態は、請求項に記載された本発明の技術的範囲の典型例として例示したものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】高圧タービンブレードの斜視図である。
【図２】図１のブレードの矢視２−２断面図であり、本発明に係るブレードの遮熱コーティングを示す。
【符号の説明】
１０  高圧タービンブレード
１２  翼形部
１４  ダブテール部
１６  根元部
１８  冷却通路
２０  遮熱コーティング系
２２  基材
２４  β−ＮｉＡｌ層
２６  セラミック層
２８  アルミナスケール
【図１】
0004191427.tif 000002
【図２】
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