(57)【要約】  単一のコーティング構造にとって、以前に相互排他的とみなされていた特性を示すことを可能にする、新規なコーティングシステムが提供される。コーティング内の位置に応じて、コーティング構造の特定の特性を調整するためのユニークなアプローチが、柱状マクロ構造を有する特別に設計された下地コートと、その下地コートと適合し且つ補完するように選択される第二のコーティング層とともに提供される。得られた複合コーティングシステムは、複合コーティングシステムの様々なバルク及び／又は自由表面特性を改善しつつ、熱機械的適合性を維持することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質された遮熱複合コーティングであって、以下を含む：
基材の表面に結合した第一のコーティング層、前記第一のコーティング層は、対応する自由表面での山と谷の所定の分布によって特徴付けられるマクロ柱状の特徴を含み、第一の層及び第二の層の間に改善された機械的結合を作り；
前記柱状の特徴は、ナノサイズ及び／又はサブミクロンサイズのスプラットの前駆体懸濁液に由来して、基材表面に熱機械的適合性のある界面を形成し、前記スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティングのために等方性結晶配向を生成し；
前記スプラットは、冷却時における熱流の方向とは反対に成長する非等軸の柱状粒子を含み、異方性結晶粒子配向を生成し；
前記第二のコーティング層は、第一のコーティング層の前記対応する自由表面に結合し、バルク及び／又は自由表面での前記第二のコーティング層は、第一のコーティング層と比較して、少なくとも一つの改善されたコーティング特性を有する。
【請求項２】
前記コーティング特性が、熱伝導性、耐侵食性、耐腐食性、及び熱機械的適合性からなる群から選択される、請求項１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項３】
前記第一のコーティング層が、第二のコーティングよりも、より多い量で内蔵空隙率を更に有する、請求項１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項４】
前記第二のコーティング層が、稠密な縦割れコーティング、アブレイダブルコーティング、環境バリアコーティング、稠密化柱状コーティング、大気プラズマ溶射コーティング、及びそれらの任意の組合せからなる群から選択される、請求項１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項５】
前記基材が滑らかな表面を含む、請求項１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項６】
前記山と谷の少なくとも一部が、実質的に不均一な幅及び高さを有し、蛇行した境界面を形成する、請求項１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項７】
前記コーティング特性が、前記第二のコーティング層内で連続して段階的に変化し、前記コーティング特性は、第一及び第二のコーティング層の界面に隣接する第一の位置で第一の値を有し、前記特性は、前記第一の位置で始まり、第二のコーティング層の自由表面上の点に向かる方向に延びている経路に沿って、前記第一の値から変化している、請求項１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項８】
前記コーティング特性は、基材の表面に隣接する第一の位置で第一の値を有し、前記第二のコーティング層の自由表面に沿った点で第二の値を有し、前記コーティング特性が、前記第一の値から前記第二の値に離散的に変化している、請求項１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項９】
前記第一のコーティング層が約２５ミクロン未満のミクロ構造の特徴を含む、請求項１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項１０】
前記第一のコーティング層が約１０ミクロンから約５０ｎｍの範囲のミクロ構造の特徴を含む、請求項１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項１１】
改質された遮熱複合コーティングであって、以下を含む：
基材の滑らかな表面に結合した第一のコーティング層、前記第一のコーティング層は、約１０μｍより小さいサイズを有し；
前記第一のコーティング層は、対応する自由表面での山と谷の所定の分布によって特徴付けられるマクロ柱状の特徴を含み、第一の層及び第二の層の間に改善された機械的結合を作り；
前記柱状の特徴は、ナノサイズ及び／又はサブミクロンサイズのスプラットの前駆体懸濁液に由来して、基材表面に熱機械的適合性のある界面を形成し、前記スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティングのために等方性結晶配向を生成し；
前記スプラットは、冷却時における熱流の方向とは反対に成長する非等軸の柱状粒子を含み、異方性結晶粒子配向を生成し；
前記第二の層は、第一のコーティング層の前記対応する自由表面に結合した稠密化コーティング層を含み、前記稠密化コーティングは、第一のコーティング層よりも低い空隙率を有し、前記稠密化コーティングは、第一のコーティング層に比べて改善された機械的侵食バリアを有する。
【請求項１２】
前記第一のコーティング層のミクロ構造の特徴が、約１０μｍ未満で、且つ約５０ｎｍ以上のサイズを有する、請求項１１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項１３】
前記稠密化コーティングが、ナノサイズ及び／又はサブミクロンサイズの粒子の第二の前駆体懸濁液に由来する、請求項１１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項１４】
前記の山と谷の所定の分布が、蛇行する不規則な界面を形成するように配置されている、請求項１１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項１５】
前記第一のコーティング層が、稠密化コーティングよりも、より多い量で内蔵空隙率を有する、請求項１の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項１６】
改質された遮熱複合コーティングであって、以下を含む：
基材の滑らかな表面に結合した第一のコーティング層、前記第一のコーティング層は、約１０μｍより小さいサイズを有し；
前記第一のコーティング層は、対応する自由表面での山と谷の所定の分布によって特徴付けられるマクロ柱状の特徴を含み、第一の層及び第二の層の間に改善された機械的結合を作り；
前記柱状の特徴は、ナノサイズ及び／又はサブミクロンサイズのスプラットの前駆体懸濁液に由来して、基材表面に熱機械的適合性のある界面を形成し、前記スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティングのために等方性結晶配向を生成し；
前記スプラットは、冷却時における熱流の方向とは反対に成長する非等軸の柱状粒子を含み、異方性結晶粒子配向を生成し；
前記第二の層は、第一のコーティング層の前記対応する自由表面に結合した稠密化コーティング層を含み、前記稠密化コーティングは、第一のコーティング層よりも低い空隙率を有し、前記稠密化コーティングは、大気溶射によって適用される乾燥粉末に由来し、前記コーティングは、部分的に溶融した粒子と完全に溶融した粒子とを含み、第一のコーティング層に比べて改善された機械的侵食バリアを有する。
【請求項１７】
前記稠密化コーティング層の粒子が、約１０μｍよりも大きいサイズを有する、請求項１６の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項１８】
前記滑らかな表面が、約１２５μｉｎ未満のＲａを有する、請求項１６の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項１９】
前記滑らかな表面が、約８０μｉｎ未満のＲａを有する、請求項１８の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項２０】
前記稠密化コーティング層は、第一のコーティング層に比べて少なくとも１つの改善されたコーティング特性を有し、更に、前記改善されたコーティング特性が、段階的に変化している、請求項１６の改質された遮熱複合コーティング。
【請求項２１】
前記稠密化コーティング層が、稠密に縦割れしたミクロ構造を生成する、請求項１６の改質された遮熱複合コーティング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、高温及び腐食環境から基材材料を保護するために利用される遮熱複合コーティング（ｔｈｅｒｍａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｃｏａｔｉｎｇｓ）の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
基材上に適用する遮熱コーティング（以下、「ＴＢＣ」と称する）は、基材への熱の流れを抑制することが知られている。ＴＢＣは、高温燃焼ガスに曝されるガスタービンエンジンの合金成分を保護するために一般的に利用されている。
【０００３】
ＴＢＣは、物理蒸着（ＰＶＤ）などの気相プロセスによって堆積させることができる。このようなＰＶＤコーティングは、典型的には、適合するマイクロ構造を提供する個別の、密集した、柱状粒子の核生成及び成長を促進するように設計されたプロセス条件で、生成される。柱状粒子（ｃｏｌｕｍｎａｒ  ｇｒａｉｎｓ）は、コーティングの応力を緩和することができる小さな間隙（ｇａｐ）によって分離されている。しかし、柱（ｃｏｌｕｍｎ）と柱の間のその間隙は、汚染物質の浸透のための経路を提供し得るため、下地コーティング及び／又は基材材料の腐食を誘発し得る。
【０００４】
代替法として、遮熱コーティングは、乾燥粉末の供給源に由来する大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）によって、適用され得る。ＡＰＳコーティングは、粉末状の金属酸化物又は非酸化物材料の、ガス推進式のスプレー（ｇａｓ−ｐｒｏｐｅｌｌｅｄ  ｓｐｒａｙ）を、プラズマ溶射トーチで加熱することによって形成される。そのスプレーは、粉末粒子が溶融状態になる温度まで加熱される。溶融粒子のスプレーは基材表面に対して向けられ、それらは衝突時に固化してコーティングを作り出す。従来の堆積直後（ａｓ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ）のＡＰＳミクロ構造は、材料のスプラット（ｓｐｌａｔ）を重ね合わせることによって特徴付けられることが知られている。スプラット間の境界は、しっかりと接合され、又は間隙により分離されて幾らかの空隙率をもたらすことがある。ＡＰＳコーティングは、ＥＢ−ＰＶＤコーティングよりも一般に安価に適用され、柱状粒子構造よりも周囲環境に対してより優れた熱的及び化学的な密閉（ｓｅａｌ）を提供する。しかし、堆積直後のＡＰＳミクロ構造中のスプラット間の間隙は、高温に曝されると稠密化する（ｄｅｎｓｉｆｙ）傾向がある。このような稠密化（ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）は、最終的には破砕を引き起こす可能性があるコーティング内の熱応力の蓄積を誘導する繰り返し熱サイクリングのせいで、ガスタービン環境において、より短い運転寿命をもたらすことがある。
【０００５】
一般に溶液又は懸濁液の手段によって供給されたナノサイズの粉末を利用したＡＰＳプロセス（すなわち、周囲温度及び圧力条件下で行われる溶射プロセス）を用いることにより、柱状構造が生成され得る。柱間の間隙は、歪み軽減をもたらし得る。プラズマ流及び粒子サイズが、所望の相互作用の範囲に調整される場合、堆積材料の重なり合う層が一緒に流れて、隣接する粒子層の柱状配列を形成し得る。このような柱状構造は、従来の堆積直後のＡＰＳのミクロ構造と比較した場合、幾つかの利点を有するが、その一方で、これらのコーティングは、以下を含む欠点を有する。すなわち、低い柱内の密度を有するように調整した場合の低い耐侵食性；柱間の間隙に沿った直接の熱経路；及び／又は、柱間の間隙（ｉｎｔｅｒ−ｃｏｌｕｍｎａｒ  ｇａｐｓ）と低い柱内の密度（ｌｏｗ  ｉｎｔｒａ−ｃｏｌｕｍｎａｒ  ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ）とによる化学浸透に対する潜在的な低い耐性である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＴＢＣの欠点に鑑みると、ＴＢＣにとって満たされていない以下の要求が存在する。すなわち、熱サイクリング中に基材との密着性（ａｄｈｅｓｉｏｎ）を維持することを可能とし、一方で、基材表面に向かう熱流を抑制し、且つ基材表面の腐食及び／又は侵食を誘発しうる汚染物質の浸透の経路を遮断することによって、基材の完全性を保護することを可能とする、適合的構造（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有するＴＢＣの必要性である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下の態様のいずれかを様々な組合せにおいて含んでもよく、また、本明細書において以下で説明される本発明のいかなる他の態様を含んでもよい。
【０００８】
本発明は、単一のコーティング構造にとって、以前に相互排他的とみなされていた特性を示すことを可能にする、コーティングシステムを提供する。また、本発明は、コーティング内の位置に応じて、コーティング構造の特定の特性を調整するためのユニークなアプローチを提供する。
【０００９】
第一の態様では、以下を含む、改質された遮熱複合コーティングが提供される：
基材の表面に結合した第一のコーティング層、前記第一のコーティング層は、対応する自由表面（ｆｒｅｅ  ｓｕｒｆａｃｅ）での山と谷（ｐｅａｋｓ  ａｎｄ  ｖａｌｌｅｙｓ）の所定の分布によって特徴付けられるマクロ柱状の特徴（ｍａｃｒｏ  ｃｏｌｕｍｎａｒ  ｆｅａｔｕｒｅｓ）を含み、第一の層及び第二の層の間に改善された機械的結合を作り；
前記柱状の特徴は、ナノサイズ及び／又はサブミクロンサイズのスプラット（ｓｐｌａｔ）の前駆体懸濁液に由来して、基材表面に熱機械的適合性のある界面を形成し、前記スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティングのために等方性結晶配向を生成し；
前記スプラットは、冷却時における熱流の方向とは反対に成長する非等軸の柱状粒子を含み、異方性結晶粒子配向を生成し；
前記第二のコーティング層は、第一のコーティング層の前記対応する自由表面に結合し、バルク及び／又は自由表面での前記第二のコーティング層は、第一のコーティング層と比較して、少なくとも一つの改善されたコーティング特性を有する。
【００１０】
第二の態様では、以下を含む、改質された遮熱複合コーティングが提供される：
基材の滑らかな表面に結合した第一のコーティング層、前記第一のコーティング層は、約１０μｍより小さいサイズを有し；
前記第一のコーティング層は、対応する自由表面での山と谷の所定の分布によって特徴付けられるマクロ柱状の特徴を含み、第一の層及び第二の層の間に改善された機械的結合を作り；
前記柱状の特徴は、ナノサイズ及び／又はサブミクロンサイズのスプラットの前駆体懸濁液に由来して、基材表面に熱機械的適合性のある界面を形成し、前記スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティングのために等方性結晶配向を生成し；
前記スプラットは、冷却時における熱流の方向とは反対に成長する非等軸の柱状粒子を含み、異方性結晶粒子配向を生成し；
前記第二の層は、第一のコーティング層の前記対応する自由表面に結合した稠密化（ｄｅｎｓｉｆｉｅｄ）コーティング層を含み、前記稠密化コーティングは、第一のコーティング層よりも低い空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を有し、前記稠密化コーティングは、第一のコーティング層に比べて改善された機械的侵食バリア（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｅｒｏｓｉｏｎ  ｂａｒｒｉｅｒ）を有する。
【００１１】
第三の態様では、以下を含む、改質された遮熱複合コーティングが提供される：
基材の滑らかな表面に結合した第一のコーティング層、前記第一のコーティング層は、約１０μｍより小さいサイズを有し；
前記第一のコーティング層は、対応する自由表面での山と谷の所定の分布によって特徴付けられるマクロ柱状の特徴を含み、第一の層及び第二の層の間に改善された機械的結合を作り；
前記柱状の特徴は、ナノサイズ及び／又はサブミクロンサイズのスプラットの前駆体懸濁液に由来して、基材表面に熱機械的適合性のある界面を形成し、前記スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティングのために等方性結晶配向を生成し；
前記スプラットは、冷却時における熱流の方向とは反対に成長する非等軸の柱状粒子を含み、異方性結晶粒子配向を生成し；
前記第二の層は、第一のコーティング層の前記対応する自由表面に結合した稠密化コーティング層を含み、前記稠密化コーティングは、第一のコーティング層よりも低い空隙率を有し、前記稠密化コーティングは、大気溶射（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｓｐｒａｙｉｎｇ）によって適用される乾燥粉末に由来し、前記コーティングは、部分的に溶融した粒子と完全に溶融した粒子とを含み、第一のコーティング層に比べて改善された機械的侵食バリアを有する。
【００１２】
本発明の上述の並びに他の、態様、特徴及び利点が、以下の図面との組合せにおいて示される、以下に続くそれらのより詳細な説明から、よりいっそう明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１ａは、柱状粒子マクロ構造を有する本発明の代表的な第一のコーティング層の光学顕微鏡写真を示す。
【００１４】
図１ｂは、高倍率での、図１ａの柱状粒子コーティングの光学顕微鏡写真を示す。
【００１５】
【図２】一般に、図１ａ及び図１ｂの第一のコーティング層の自由表面に結合されることができる任意の好適な第二のコーティング層を図示する。
【００１６】
【図３】本発明の実施形態による例示的な複合コーティングシステムを図示する。この図では、第二のコーティング層は稠密な柱状コーティングである。
【００１７】
【図４】本発明の別の実施形態による例示的な複合コーティングシステムを図示する。この図では、第二のコーティング層は環境バリアコーティングである。
【００１８】
【図５】本発明の更に別の実施形態による例示的な複合コーティングシステムを図示する。この図では、第二のコーティング層はＤＶＣである。
【００１９】
【図６】本発明の更に別の実施形態による例示的な複合コーティングシステムを図示する。この図では、第二のコーティング層はアブレイダブルコーティングである。
【００２０】
【図７】本発明の原理に従って調製した、柱状複合コーティングシステムの光学顕微鏡写真を示す。
【００２１】
【図８】本発明の原理に従って調製した、別の柱状複合コーティングシステムの光学顕微鏡写真を示す。
【００２２】
【図９】異なる遮熱コーティング材料について、様々な炉サイクル試験の結果をプロットし、比較したものである。
【００２３】
【図１０】異なる遮熱コーティング材料について、様々な機械的な耐侵食性試験の結果をプロットし、比較したものである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の目的及び利点は、それと関連する以下の好ましい実施形態の詳細な説明からより良く理解される。本明細書の開示は、様々な用途のための新規なＴＢＣ複合コーティングに関する。本発明のコーティングは、特に高温の用途に適しており、ガスタービンを含むがこれに限られない。本開示は、様々な実施形態にて、並びに本発明の様々な態様及び特徴を参照として、本明細書に示される。
【００２５】
本発明の様々な要素の関係及び機能は、以下の詳細な説明によってより良く理解される。この詳細な説明は、本開示の範囲内に含まれるような様々な置換形態及び組合せにおける特徴、態様、及び実施形態を想定している。したがって、本開示は、これらの具体的な特徴、態様、及び実施形態、或いはそれらの選択された１つ又は複数の、かかる組合せ及び置換形態のいずれかを備えるか、それらから構成されるか、又は本質的にそれらから構成されるものとして、特定され得る。
【００２６】
新規なＴＢＣ複合コーティングシステムが、著しく改善された性能特性とともに見出された。本明細書で説明するように、本発明のＴＢＣは、従来の遮熱材料を含む他の種類の材料との関連において、改善された性能を達成することができる。特に断らない限り、全ての組成物は、配合物の総重量に基づいて、重量パーセント（ｗｔ％）として表されることを理解されたい。
【００２７】
本発明のＴＢＣは、従来のＴＢＣに代わるユニークな選択肢を提供する。具体的には、本発明のＴＢＣは、コーティング−基材界面での密着性及び結合強度の観点から、優れた熱機械的適合性を作り出し且つ維持するために、相乗的に相互作用するように、相互に適合するように選択された第一の層と第二の層とを含む。それと同時に、複合コーティング構造のバルク及び／又は自由表面での選択されたコーティング特性を改善する。本明細書及び本明細書を通して使用される用語「熱機械的適合性」（“ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ”）は、繰り返し加熱及び冷却（すなわち、「熱サイクリング」）時に、熱衝撃インパクトから剥離を起こさないようにし、基材表面への密着性及び結合強度を十分に維持するような第一のコーティング層の機能を指すことを意図している。熱衝撃インパクトは、例えば、ガスタービン用途などの高温環境下で、コーティングされた基材を使用する際に発生する熱サイクリングによって作り出される。このようにして、複合コーティング構造は、第一及び／又は第二の層の中で連続的に変化し得るか、又は、第一のコーティング層中のある位置から第二のコーティング層中のある位置まで離散的に変化し得る、１つ以上の選択された特性を有するように調整される。選択されたバルク特性は、例えば、結合強度、熱伝導性、耐侵食性、耐腐食性、及び熱機械的適合性などを含んでもよい。
【００２８】
例示的な第一のコーティング層を、図１ａ及び図１ｂに示す。図１ａは、マクロ柱状の特徴を有する本発明の代表的な第一のコーティング層１００の光学的顕微鏡写真を示す。図１ｂは、その第一のコーティング層１００をより高い倍率で示す光学的顕微鏡写真である。図１ａ及び１ｂは、基材１１０に結合した第一のコーティング層１００を示す。複合コーティングシステムの形成において、第一のコーティング層１００は、その上に堆積される第２のコーティング層のための下地コートとして役割を果たす。「第一のコーティング層」及び「下地コート層」という用語は、本明細書を通して互換的に使用されることを理解されたい。図１ａ及び図１ｂは、第一のコーティング層１００がマクロ柱状の特徴１２０を有することを示す。マクロ柱状の特徴１２０は、ミクロ構造の特徴からなる。そのミクロ構造の特徴は、ナノサイズ及び／又はサブミクロンサイズの前駆体粒子の前駆体懸濁液に由来する、ナノサイズ及び／又はサブミクロンサイズのスプラット（ｓｐｌａｔｓ）を含む。本明細書で使用される懸濁液（ｌｉｑｕｉｄ  ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）という用語は、サスペンションプラズマ溶射（ＳＰＳ）を指すことを意図するものとして理解されたい。それによって、本明細書に記載の微粒子は、効果的に懸濁し、実質的な凝集をせずに被処理基材に輸送され、コーティングを生成することができる。前駆体材料の大部分は、好ましくは、基材１１０に衝突する前に部分的に溶融し及び／又は完全に溶融した、スプラットである。得られる任意の粒子であって、基材１１０に衝突する前に再固化する粒子は、それらを取り囲むスプラット内で捕捉されて留まる傾向がある。スプラットは、ランダムに配向して、第一のコーティング又は下地コート層１００の中に等方性結晶配向を生成する。基材１１０の表面に結合したスプラットの一部は、熱機械的適合性のある界面を形成する。その熱機械的適合性のある界面は、ＴＢＣによって典型的に遭遇する熱サイクリング条件の間、その表面に付着したままであり得る。
【００２９】
図１ａ及び図１ｂは、制御された空隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）の量が、マクロ柱状の特徴１２０の内部に内蔵される（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ）だけでなく、隣接して構成されたマクロ柱状の特徴１２０の間においても内蔵されることを更に示している。柱状下地コート層１００の内蔵空隙率（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ  ｐｏｒｏｓｉｔｙ）は、熱サイクリング中の熱機械的適合性をさらに改善し得る。結果として、下地コート層１００は、従来のＴＢＣのものと比較して、本発明のＴＢＣの寿命を延ばすのに役立ち得る。
【００３０】
図１ａ及び図１ｂは、下地コート層１００のマクロ柱状の特徴１２０が、第一のコーティング層の自由表面に沿って、山１３０と谷１４０という特色のあるユニークな特徴を有することを示す。本明細書において、下地コート層１００と関連して使用される「自由表面」（“ｆｒｅｅ  ｓｕｒｆａｃｅｓ”）という用語は、以下に説明するように、トップコート又は第二のコーティング層と結合することができる第一のコーティング層１００の一部を指すことが意図されている。「トップコート層」及び「第二のコーティング層」という用語は、本明細書を通して互換的に使用されることを理解されたい。山１３０と谷１４０は、より高倍率の図１ｂでより良く見られる。いかなる理論にも拘束されるものではないが、山１３０と谷１４０は、下地コート層１００とそれに続くトップコート又は第二のコーティング層との間の改善された結合及び熱機械的適合性を作り出すようにして、下地コート層１００の特性を向上させるものと考えられる。山１３０と谷１４０は、溶射プロセス及びコーティング媒体条件の制御に基づいて、選択された分布及びパターンを有するように作り出すことができる。好ましい実施形態では、図１ｂに見られるように、山１３０と谷１４０がランダム状の分布を作り、ギザギザし且つ蛇行した不規則な自由表面を作り出す。必要とされる下地コート層１００の蛇行性（ｔｏｒｔｕｏｓｉｔｙ）の程度は、その最終用途、及びそこに結合する第二のコーティング層の種類を含む幾つかの要因に依存してもよい。一般的に言えば、複合コーティングの実際の使用時に、第二のコーティングが適用され、且つその付着を維持できる好ましい境界面を作り出すのに、その蛇行性は十分である。図１ａ及び図１ｂは、第一のコーティング層１００の自由表面に沿って蛇行性を高めるために、山１３０と谷１４０のそれぞれの幅及び高さが、実質的に不均一であることを示している。
【００３１】
下地コートのミクロ構造は、スプラットとスプラット内に含まれる粒子とによって定義される。その粒子は、実質的に 非等軸である。その粒子は、基材１１０と接触させつつ、冷却し且つ一方向凝固することにより作られ、異方性結晶配向を作り出す。スプラット内の固化粒子は、一般に整列し且つ好ましい方向に成長し、一方向の配向性を得る。それにより、局在化したきめ（ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  ｔｅｘｔｕｒｅ）を作り出す。
【００３２】
下地コート層１００の細かなミクロ構造の特徴は、サイズが２５ミクロン（μｍ）未満でもよく、より好ましくは約１０ミクロン（μｍ）未満であってもよい。これにより、基材１１０上への密着性を向上させ、滑らかにすることができる。別の実施形態では、下地コートのミクロ構造の特徴は、サイズが約１０μｍから約５０ｎｍの範囲であり、又は５０ｎｍ未満である。本明細書で使用される滑らかな基材は、約１２５μｉｎ未満の粗さ（「Ｒａ」と称する）を有する表面を意味することが意図されている。一実施形態では、本発明の下地コート層１００は、約２５μｉｎと約８０μｉｎの間のＲａによって特徴付けられる滑らかな基材表面上に適用してもよい。基材１１０上への第一のコーティング層１００の溶射の前に、基材表面の表面処理は、それゆえに必要とされない。これは、基材表面の粗面化処理（ｒｏｕｇｈｎｉｎｇ）をしない滑らかな表面には一般に付着できない従来の遮熱コーティングとは、対照的である。粗面化処理は、高温環境に曝されるガスタービンブレードなどの金属基材には特に有害である。基材の金属表面は、高温環境下、酸化して酸化物層を形成し、破砕する（ｓｐａｌｌ）傾向を有する。粗面化された酸化物層の内部に残留熱応力が蓄積した結果として、破砕（ｓｐａｌｌａｔｉｏｎ）が強調される。
【００３３】
したがって、第一のコーティング層１００は、滑らかな基材表面に結合するだけでなく、その使用可能期間中に発生する過酷な熱サイクリングの間、基材１１０との熱機械的適合性を維持することができる。それにより、修理及び／又は修復作業を必要とせずに、ガスタービンアセンブリ等のコーティングされた部品の寿命を延ばすことができる。
【００３４】
下地コート層１００は、熱サイクリング中の熱機械的適合性を改善するために、制御された量の内蔵空隙率を用いて設計されているので、本発明のＴＢＣ複合体は、従来のＴＢＣに比べて、長寿命を達成することができる。内蔵空隙率と、下地コート層１００の自由表面（ｆｒｅｅ  ｓｕｒｆａｃｅｓ）に沿って蛇行した境界面（ｔｏｒｔｕｏｕｓ  ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ  ｂｏｕｎｄａｒｙ）との組み合わせにより、複合コーティングの断熱特性もまた向上させることができる。
【００３５】
下地コート層１００は、比較的小さなサイズ（すなわち、サブミクロン以下）であるため、プラズマトーチを用いた溶射プロセスの間、液体キャリア中に前駆体材料を懸濁することによって調製することができる。プラズマトーチを用いた溶射プロセスによれば、サブミクロン粒子を乾燥粉末として用いた場合に典型的に発生しうる粒子凝集を起こすことなく、サブミクロン以下の粒子を基材上に効果的に堆積又は被覆することができる。好適な液体キャリア（ｌｉｑｕｉｄ  ｃａｒｒｉｅｒ）は、水性溶媒又は燃料である溶媒を含んでもよい。具体的には、好適な溶媒材料は、例えば、水、エタノール、メタノール、エチレングリコール、灯油及びプロピレンが挙げられるが、これらに限定されるものではない。選択される正確なプラズマトーチの条件は、幾つかのパラメータに依存するであろう。そのパラメータは、当業者によって認識されるように、利用する特定の種類のトーチ、並びに下地コート用及びトップコート用に選択された特定のコーティング媒体を含む。
【００３６】
第一のコーティング層１００を作製するために、種々の遮熱前駆体材料、例えば任意の好適なセラミック又はサーメットコーティング材料を利用することができる。一実施形態では、セラミック材料、例えば安定化ジルコニア材料を使用してもよい。他の例は、イットリア安定化ジルコニアを含む。さらに、ハフニウム酸（ｈａｆｎａｔｅｓ）及びセラート（ｃｅｒａｔｅｓ）などの酸化物を、イットリア又は他の安定化剤（例えばセリア等）で安定化してもよい他の酸化物とともに使用することができる。本発明はまた、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化アルミニウム又は他の任意の種類の好適な希土類酸化物を意図している。
【００３７】
その柱状粒子構造は熱機械的適合性を有するが、一般に、その柱状粒子構造それ自体ではＴＢＣの所望の特性を作り出すことはできない。これらの理由から、図２に示すように本発明の原理に従って、図１ａ及び図１ｂの下地コート層１００に適合する第二のコーティング層又はトップコート２００を、そこに結合することができ、それにより、本発明の原理に従って、新規なＴＢＣ複合コーティングシステム２２０を生成することが見出された。簡単にし、且つ本発明の複合コーティング構造の発明の態様の多様性を伝えることを目的として、図２のトップコート２００を、顕微鏡写真としてではなく、イラスト図として示す。ここでは、下地コート１００と補完的な且つ適合的に結合する任意の好適なトップコート２００を選択することができる。例えば、図２に示すように、トップコート２００は、稠密なＴＢＤ、アブレイダブルコーティングとして選択してもよく、あるいは、図３〜図６に詳細に示すように他の任意のＴＢＣとして選択してもよい。下地コート層１００の蛇行した自由端又は自由表面は、第二のコーティング層と結合するための効果的な境界面２１０を提供する。このようにして、第一のコーティング層１００の１つ以上の欠けた特性が、同じく欠けてはいない好適な第二のコーティング層２００を選択することによって、相殺又は補うことができる。それにより、その特定の欠けた特性に関して、ＴＢＣ複合コーティングシステム２００の全体的な性能を改善することができる。例えば、第一のコーティング層１００は、それ自体単独では、許容できないほど高いレベルの空隙率を含み、その空隙率が、基材１１０の表面への熱流を効果的に抑制できないという犠牲の下で、熱機械的適合性を向上させる。第一のコーティング層１００が有するこの特定の欠けた特性を埋め合わせ又は相殺するように、第一のコーティング層１００に比べて十分に低い熱伝導性を有する第二のコーティング層２００を選択することができる。第二のコーティング層２００は、内燃機関などの部品の高温環境に曝される可能性があるため、その低い熱伝導性が、第一のコーティング層１００よりもはるかに効果的に熱流を抑制する。さらに、第一のコーティング層１００の優れた適合性は、第二のコーティング層２００と基材１１０との直接結合を達成できないようにして、複合コーティング構造２２０の持続的な一体性を維持する。換言すると、第二のコーティング層２００と、滑らかな又は粗面化した基材表面１１０との直接結合によれば、破砕を引き起こし、コーティングされた部品の作動寿命は短くなるであろう。
【００３８】
本発明の原理に従って、適合的且つ補完的な第一の及び第二のコーティング層１００及び２００それぞれを注意深く選択することにより、改質された複合ＴＢＣ複合構造２００が作り出される。このような改質されたＴＢＣ複合構造２００が有する特性が、第一のコーティング層、又は第二のコーティング層には必ずしも存在しない場合であっても、従来のＴＢＣ材料との比較において、第一の層と第二の層とを組み合わせることにより、ＴＢＣの全体的な性能を相乗的に改善することができる。
【００３９】
本発明の原理に従って、様々な種類の第二のコーティング層を、第一のコーティング層の蛇行した界面に適用することができる。特に重要なのは、実施例に示されるように、好適な第二のコーティング層を選択することにより、熱的適合性の損失を犠牲にすることなく、複合コーティングシステムの全体的なバルク及び自由表面の特性が改善することである。本発明によって意図される可能な複合コーティングシステムが、図３〜図６に示されている。図３〜図６は、複合コーティングのある特定の態様を例示することを意図としており、そのようにするプロセスにおいて、複合コーティングシステムのマクロ構造及び／又はミクロ構造のコーティングの形態を代表するものでは必ずしもないことを理解されたい。
【００４０】
図３は、第二のコーティング層３２０としての稠密化柱状コーティング（ｄｅｎｓｉｆｉｅｄ  ｃｏｌｕｍｎａｒ  ｃｏａｔｉｎｇ）と、下地コート又は第一のコーティング層としての多孔質の柱状コーティング３１０と、からなる複合コーティングシステム３００を示す。稠密化柱状コーティング３２０は、任意の好適なプロセスによって、多孔質の柱状下地コート３１０の上に適用してもよい。一実施形態では、稠密化柱状コーティング３２０は、第一のコーティング層３１０のメジアンサイズよりも大きいメジアンサイズを有する粒子の懸濁液に由来する。稠密化柱状コーティング３２０は、下地コート層３１０よりも高い密度と低い空隙率を有する。その結果、稠密化柱状コーティング３２０は、その自由表面及び／又はバルク領域で耐侵食性を提供する。下地コート３１０は、第一のコーティング層であり、滑らかな基材３３０と直接結合した柱状構造を有する。柱状下地コート構造３１０は、図１ａ及び図１ｂに記載されている。図１ａ及び図１ｂに記載され、示されているように、下地コート層３１０は、そのマクロ柱状構造の特徴によって、内蔵空隙率を有する。多孔質の下地コート３１０は、稠密化柱状コーティング３２０よりも大きな空隙率を有し、それにより、従来の複合ＴＢＣシステムと比較して、複合コーティングシステム３００の寿命を延ばすために必要な熱機械的適合性を提供する。
【００４１】
図３の複合コーティングシステム３００では、コーティングの厚さ全体を通して、柱内の密度が段階的に変化している（ｇｒａｄｅ）。幾つかの方法で、密度を段階分けすることができる。一実施形態において、第一のコーティング層３１０か、あるいは第一のコーティング層３１０及び第二のコーティング層３２０の界面に隣接する部分の、いずれかの内部のある位置から始まる経路に沿って、密度は増加する。段階的な変化（ｇｒａｄｉｎｇ）は、連続的又は離散的に発生することができる。他のコーティング特性もまた、段階的に変化してよいことを理解されたい。
【００４２】
稠密化柱状コーティング３２０は、さらに耐侵食特性を向上するために、好ましくは第一のコーティング層３１０よりも大きな厚さを有する。この組合せ、すなわち、第一のコーティング層３１０によって提供される優れた熱機械的適合性と、第二のコーティング層３２０によって提供されるバルク及び／又は自由表面内の改善したコーティング特性との組合せによって、適合的な複合コーティングシステム３００が作られ、従来のＴＢＣ複合システムでは以前には可能ではなかった優れた耐侵食性を備える。
【００４３】
本発明の別の実施形態を図４に示す。図４は、第二のコーティング層としての環境バリアコーティング（ＥＢＣ）トップコート４２０と、滑らかな基材４３０に結合する下地コート又は第一のコーティング層としての多孔質の柱状コーティング４１０と、からなる複合コーティングシステム４００を示す。環境バリアトップコート４２０は、基材表面４３０の腐食を誘発し得るそのコート内への汚染物質の浸透の経路を遮断する。第二のコーティング層４２０の耐腐食性は、第一のコーティング層４１０の耐腐食性よりも高い。多孔質の柱状コーティング４１０は、図３の第一のコーティング層３１０の多孔性と実質的に同一であってもよい。代替的に、下地コート４１０は、カスタマイズされた山と谷の所定の分布を生成するために、必要に応じてその自由表面を改質してもよい。それにより、その界面において所望の蛇行を作り出すことができ、トップコート４２０との結合及び密着を促進して、環境バリアトップコート４２０との適合を可能にすることができる。
【００４４】
本発明の更に別の実施形態を図５に示す。図５は、第二のコーティング層としての稠密に縦割れした（ＤＶＣ：ｄｅｎｓｅｌｙ  ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  ｃｒａｃｋｅｄ）トップコート５２０と、下地コート又は第一のコーティング層としての多孔質の柱状コーティング５１０と、からなる複合コーティングシステム５００を示す。ＤＶＣトップコート５２０は、稠密な縦割れミクロ構造を利用して、耐侵食性のための稠密なバリアを作り出している。ＤＶＣトップコート５２０は、場合によっては、ＥＢＣとしての役割を果たしてもよい。下地コート５１０は、滑らかな基材５３０と結合し、ＤＶＣトップコート５２０それ自体単独では達成することができないレベルの熱機械的適合性を維持する。さらに、第二のコーティング層５２０の耐侵食性は、第一のコーティング層５１０の耐侵食性よりも高い。第一のコーティング層５１０は、比較的に、より多孔質で且つ柱状である。その自由表面を、図３及び図４の自由表面との比較において改質し、その結合界面で、ＤＶＣトップコート５２０との適合を可能にしてもよい。このようにして、適合的な複合コーティングシステム５００が、カスタマイズされて作られ、従来のＴＢＣ複合システムでは以前には可能ではなかった優れた耐侵食性を備える。
【００４５】
本発明の更に別の実施形態を図６に示す。図６は、第二のコーティング層としてのアブレイダブルトップコート６２０と、滑らかな基材６３０と結合する下地コート又は第一のコーティング層としての多孔質の柱状コーティング６１０と、からなる複合コーティングシステム６００を示す。アブレイダブルトップコート６２０は、蛇行した界面で、下地コート６１０の自由表面と適合するように選択される。使用中、アブレイダブルトップコート６２０は、密閉（ｓｅａｌ）を提供し、一方、柱状下地コート６１０は、熱機械的適合性と密着性とを維持する。このようにして、適合的な複合コーティングシステム６００が作られ、従来のＴＢＣ複合システムでは以前には可能ではなかった優れた密閉特性を備える。
【００４６】
出願人らは、以下の実施例で説明するように、炉サイクル試験（ＦＣＴ）を行うことにより、幾つかの実験を行い、本発明の改質された複合ＴＢＣの熱機械的適合性を、他の材料と比較した。ＦＣＴ試験の全てにおいて、約２５〜４０μｉｎの表面粗さＲａを有する滑らかなＮｉベースの超合金基材を用いた。基材表面は、あらかじめ粗面化せず、コーティングの前に、その自由表面での任意の不純物を除去するために軽く磨いた。細かいメッシュ媒体を利用して、最終的な表面粗さを得た。その表面粗さは、約２５〜４０μｉｎの表面範囲内であった。
【００４７】
ＳＰＳ下地コートを調製するために、市販のＰｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ  １００ＨＥ（商標）プラズマトーチを用いた。前記のＳＰＳ下地コートは、比較例１及び２のベースラインコーティング用；実施例１のＳＰＳ下地コート及びＳＰＳトップコート用；及び実施例２のＳＰＳ下地コート用とした。Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ  １００ＨＥ（商標）プラズマトーチを利用して、これらの各コーティングを調製した場合のトーチ条件は、アルゴン１８０ｓｃｆｈ；窒素１２０ｓｃｆｈ；及び水素１２０ｓｃｆｈのガス流及び化学物質を含んでいた。トーチは、１００〜１０５ｋＷと４５０〜５００アンペアの電力レベルで操作した。懸濁液原料の送り速度は、約４０〜５０ｍＬ／分であった。使用した供給原料は、サブミクロンサイズのＹＳＺ粒子約７〜８ｗｔ％のエタノール懸濁液であった。Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ  １００ＨＥ（商標）の外部から、プラズマ流中に、半径方向に懸濁液を注入した。所望のコーティング厚さに蓄積するまで、一定の表面速度で部品を横切るようにして、パスの選択回数の間、トーチをラスター（ｒａｓｔｅｒ）した。
【００４８】
実施例２におけるＡＰＳ稠密縦割れ（ＤＶＣ）コーティングのためのトップコートを、ＰＳＴ１１００シリーズトーチを用いて作製した。トーチで使用される供給原料は、サブミクロンサイズのＹＳＺ粒子約７〜８ｗｔ％のエタノール懸濁液であった。プラズマ溶射条件は、９０グラム／分の供給原料で操作した。使用される全電流は、１５０〜１７０アンペアの範囲であった。主要なトーチガス流は、９０ｓｃｆｈトーチガス；９０ｓｃｆｈアルゴン；及び４０ｓｃｆｈ水素ガスであった
【００４９】
各ＦＣＴサイクルは、コーティングされた試料を２０７５°Ｆの高温に曝す工程、及びその温度に５０分間保持する工程、その後、コーティングされた試料を１０分間で７５°Ｆに冷却する工程、からなっていた。このような条件の下で完了したＦＣＴサイクルの平均回数を、試験した各コーティングについて測定した。コーティングは、全コーティング面積の２０％が基材から破砕したと判断後、不合格となる（ｆａｉｌ）ものとみなした。不合格（ｆａｉｌｕｒｅ）前のＦＣＴサイクルの回数が多いことが望ましい。
【００５０】
本発明の改質された複合ＴＢＣ及び種々の他の材料から、コーティングされた試料を調製し、機械的侵食に対する耐性について試験した。コーティングされた試料を、５０ミクロンのメジアンサイズを有する角状のアルミナ粒子に曝すことからなる制御条件下で、各機械的侵食試験を行った。そのアルミナ粒子は、２０°Ｃの室温で粒子速度２００ｆｔ／秒で、コーティングされた試料に衝突した（ｉｍｐｉｎｇｅｄ）。侵食速度（ｅｒｏｓｉｏｎ  ｒａｔｅ）は、アルミナ侵食媒体のセット質量に対する曝露に基づいて、試験試料のために確立されている。換言すると、アルミナ侵食媒体の質量当たりの、侵食されるコーティング材料の質量が決定される。侵食速度は低いのが望ましい。
【００５１】
試験した全てのコーティングされた試料について、光学顕微鏡を用いて、粒子マクロ構造を評価した。
【実施例】
【００５２】
［比較例１］（非複合柱状ＳＰＳ構造）
エタノールベースの懸濁液中の７〜８ｗｔ％のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の供給材料から、非複合（ｎｏｎ−ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）コーティングを調製した（柱状ＳＰＳベースラインと称する）。その材料は、直径約３３０ｎｍのサブミクロンサイズを有していた。その材料を、エタノールベースの懸濁液中に懸濁させ、次いで、約２５〜４０μｉｎの表面粗さＲａを有する滑らかな基材上に溶射した（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｓｐｒａｙｅｄ）。約１２〜１５ｍｉｌのコーティング厚さが得られた。
【００５３】
得られたコーティングは、マクロ柱状の特徴を含んでいた。その柱の特徴は、一般に、基材の表面全体にわたって、幅方向に互いに均一であった。その特徴は、高さについても互いに同等であった。均一なコーティング厚さを有する規則的で滑らかな界面を作り出した。
【００５４】
非複合コーティングの熱機械的性能を評価するために、ＦＣＴサイクルを行った。図９の「柱状ＳＰＳベースライン」と表示されたバーで示すとおり、約８５０ＦＣＴサイクルの平均回数を完了した。
【００５５】
さらに、コーティングされた非複合試料を、機械的侵食試験のために調製した。侵食速度は、コーティングされた表面に衝突するアルミナ粒子１グラム当たりの、侵食された試験材料のｍｇの単位で決定した。図１０の「柱状ＳＰＳベースライン」と表示されたバーで示すとおり、約１．０５ｍｇ／ｇの侵食速度によって明らかなように、この試料は、試験した全ての材料の中で最悪の挙動を示した。
【００５６】
これらのＦＣＴ及び侵食試験の結果は、従来のＴＢＣ材料を示していた。
【００５７】
［比較例２］（非複合ＡＰＳ  ＤＶＣ）
７〜８ｗｔ％のＹＳＺ乾燥粉末の供給材料から、非複合コーティングを調製した（ＡＰＳ  ＤＶＣと称する）。その材料は、２２〜６２μｍのメジアン粒径を有していた。その材料を、ＡＰＳにより、約２５〜４０μｉｎの表面粗さＲａを有する滑らかな基材上に溶射した。ＡＰＳ  ＤＶＣコーティングは、乏しい品質及びカバレッジを示すことが観察された。コーティングの品質があまりにも乏しいため、いかなる実質的なコーティングも生成しなかった。付着とみなすことができる領域で、わずか１ｍｉｌの最大厚さが得られた。
【００５８】
非複合コーティングの熱機械的性能を評価するために、ＦＣＴサイクルを行った。図９の「ＡＰＳ  ＤＶＣ」と表示されたバーで示すとおり、コーティングはわずか合計２０サイクル後に剥離した。
【００５９】
さらに、コーティングされた非複合試料を、機械的侵食試験のために調製した。侵食速度は、コーティングされた表面に衝突するアルミナ粒子１グラム当たりの、侵食された試験材料のｍｇの単位で決定した。図１０の「ＡＰＳ  ＤＶＣ」と表示されたバーで示すとおり、非複合体試料は、約０．２〜０．２５ｍｇ／ｇの間の侵食速度を示した。
【００６０】
これらのＦＣＴ及び侵食試験の結果は、従来のＴＢＣ材料を示していた。
【００６１】
［実施例１］（複合構造）
図７に示すように、複合コーティングシステム（「柱状ＳＰＳ複合体Ａ」と称する）を調製した。７〜８ｗｔ％のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の原料から、下地コート層を調製した。下地コート材料は、約３３０ｎｍのメジアン粒径を有していた。下地コート材料を、エタノールベースの懸濁液中に懸濁させ、次いで、約２５〜４０μｉｎの表面粗さＲａを有する滑らかな基材上に溶射した。下地コートのコーティング厚さは、６〜７ｍｉｌであった。
【００６２】
７〜８ｗｔ％のＹＳＺの供給材料から、トップコート層を調製した。トップコート材料は、約２μｍのメジアン粒径を有していた。トップコート材料を、エタノールベースの懸濁液の液体キャリア中に懸濁させ、次いで、基材上に溶射した。トップコートのコーティング厚さは、４〜５ｍｉｌであった。複合コーティングの厚さは、１０〜１２ｍｉｌであった。
【００６３】
生成され、得られた複合コーティングシステムを、図７に示す。複合体は、多孔質でマクロ柱状な下地コートと、稠密でマクロ柱状なトップコートとを含有した。下地コート層は、滑らかな基材表面上のコーティング層の熱機械的適合性を維持し、その一方で、蛇行した境界面は、第一及び第二のコーティング層の間に改善した機械的結合を提供した。
【００６４】
複合コーティングの熱機械的性能を評価するために、ＦＣＴサイクルを行った。図９の「柱状ＳＰＳ複合体Ａ」と表示されたバーで示すとおり、８００〜８５０サイクルの間のＦＣＴサイクルの平均回数を完了した。バーの上部から延びる縦の線は、試験ごとに設定された試料の標準偏差を示す。その標準偏差によれば、柱状ＳＰＳ複合体Ａが、柱状ＳＰＳベースライン（比較例１）と同等のＦＣＴ性能を有することを示し、２つのコーティングの間に統計的な差異は観察されなかったことが、注目された。したがって、柱状ＳＰＳ複合体Ａは、柱状ＳＰＳベースライン（比較例１）と同等のＦＣＴ性能を維持していると結論づけられた。
【００６５】
さらに、コーティングされた複合試料を、機械的侵食試験のために調製した。侵食速度は、コーティングされた表面に衝突するアルミナ粒子１グラム当たりの、侵食された試験材料のｍｇの単位で決定した。図１０の「柱状ＳＰＳ複合体Ａ」と表示されたバーで示すとおり、この試料は、約０．３〜０．３５ｍｇ／ｇの侵食速度を示した。この侵食試験の結果は、比較例１のコーティングされた試料との比較において、侵食速度耐性（ｅｒｏｓｉｏｎ  ｒａｔｅ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が、約７０％改善したことを表していた。
【００６６】
比較例１のベースラインコーティングとは対照的に、柱状ＳＰＳ複合体Ａコーティングは、十分なＦＣＴ性能を維持しながら、耐侵食性に優れるという追加的利点をも示した。
【００６７】
［実施例２］（複合構造）
図８に示すように、複合コーティングシステム（「柱状ＳＰＳ複合体Ｂ」と称する）を調製した。７−８ｗｔ％のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の原料から、下地コート層を調製した。下地コート材料は、約３３０ｎｍのメジアン粒径を有していた。下地コート材料を、エタノールベースの懸濁液中に懸濁させ、次いで、約２５〜４０μｉｎの表面粗さＲａを有する滑らかな基材上に溶射した。下地コートのコーティング厚さは、６〜７ｍｉｌであった。
【００６８】
２２〜６２μｍの間の平均粒径を有する７〜８ｗｔ％のＹＳＺ乾燥粉末の供給材料から、トップコート層を調製した。トップコート材料を、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ：ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｐｌａｓｍａ  ｓｐｒａｙｉｎｇ）により、滑らかな基材表面上に溶射し、ＡＰＳ稠密縦割れ（ＤＶＣ）トップコートを生成した。ＡＰＳ  ＤＶＣトップコートの厚さは、約８ｍｉｌであり、複合コーティング全体の厚さは、約１４〜１５ｍｉｌであった。
【００６９】
得られた複合コーティングシステムを図８に示す。第一のコーティング又は下地コート層は、より多孔質であり、熱機械的適合性を提供した。第二のコーティング又はトップコート層は、より稠密であり、機械的侵食に対するバリアを提供した。
【００７０】
複合コーティングの熱機械的性能を評価するために、ＦＣＴサイクルを行った。図９の「柱状ＳＰＳ複合体Ｂ」と表示されたバーで示すとおり、約８００サイクルのＦＣＴサイクルの平均回数を完了した。バーの上部から延びる縦の線は、試験ごとに設定された試料の標準偏差を示す。その標準偏差によれば、柱状ＳＰＳ複合体Ｂが、柱状ＳＰＳベースライン（比較例１）と同等のＦＣＴ性能を有することを示し、２つのコーティングの間に統計的な差異は観察されなかったことが、注目された。 したがって、柱状ＳＰＳ複合体Ｂは、柱状ＳＰＳベースライン（比較例１）と同等のＦＣＴ性能を維持していると結論づけられた。
【００７１】
さらに、コーティングされた複合試料を、機械的侵食試験のために調製した。侵食速度は、コーティングされた表面に衝突するアルミナ粒子１グラム当たりの、侵食された試験材料のｍｇの単位で決定した。図１０の「柱状ＳＰＳ複合体Ｂ」と表示されたバーで示すとおり、この試料は、０．２ｍｇ／ｇをわずかに下回る侵食速度を示した。この結果は、比較例１のコーティングされた試料との比較において、侵食速度耐性（ｅｒｏｓｉｏｎ  ｒａｔｅ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が、約８０％改善したことを表していた。
【００７２】
比較例１のベースラインコーティングとは対照的に、柱状ＳＰＳ複合体Ｂコーティングは、十分なＦＣＴ性能を維持しながら、耐侵食性に優れるという追加的利点をも示した。
【００７３】
実施例１及び２の本発明の複合コーティングは、非複合柱状コーティング（比較例１）の熱機械的適合性を維持する機能を有しつつ、それと同時に、ＡＰＳ  ＤＶＣ（比較例２）の改善した耐侵食性を達成することを、上記の例は示している。さらに、本発明の複合コーティングは、滑らかな基材表面（例：１００μｉｎ未満のＲａ）と結合して付着する機能を有しつつ、一方で、溶射コーティングと一致した熱伝導率の値を維持する。さらに、他の典型的な溶射プロセスとの比較において、本発明のＴＢＣは、低コストの範囲で生成される。一般的に言えば、繰り返し熱衝撃サイクリング中に熱機械的適合性を維持するという従来のＴＢＣの機能は、コーティングされた試料のバルク及び／又は自由表面における耐侵食性及び他の特性の顕著な減少という犠牲を払った場合でのみ可能であった。不均一な柱状マクロ構造を有し、且つ滑らかな基材の粗さ（ｓｍｏｏｔｈ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）に結合する、特別に設計された第一のコーティング層が、第一のコーティング層に適合してその上に適用される次の第二のコーティングを可能にすることを、実施例１及び２は示している。
【００７４】
第二のコーティングは、第一のコーティング層を補完するように選択される。そのような第一のコーティング層の補完は、得られた複合コーティング構造のバルク及び／又は自由表面において１つ以上の特性改善が示されることによる。このように、設計上の考慮事項が競合するために、以前には相互排他的な特性と認識されていた特性について、本発明は、改善されたこれらの特性の組合せ（例えば、熱機械的適合性及び耐侵食性／耐腐食性）を有するＴＢＣ複合構造を提供する。
【００７５】
特定のＴＢＣ用途や他の種類の用途に望まれるような、所望のバルク及び自由表面のコーティング特性を提供するために、任意の好適なトップコーティングを利用することができるものと理解されたい。特別に設計された下地コートの自由表面は、特定のトップコートの適切な結合を確保するために、必要に応じて改質してもよい。例えば、幾つかのトップコートの場合、そのトップコートの適切な結合のため、下地コートの自由表面の蛇行性を増加させる必要があろう（すなわち、隣接する山と谷の高さ及び幅の不均一性を増加させる）。
【００７６】
第一のコーティング層の特性は、図１ａ及び図１ｂに示したように、マクロ構造の特徴によって選択的に調整される。本発明の機能で特に重要なのは、熱サイクリング中に、滑らかな基材との密着性と結合強度とを維持することであり、それにより、従来の遮熱コーティング（例えば、ＤＶＣ、アブレイダブルコーティング、環境バリアコーティング又は稠密化柱状コーティング−いずれも、典型的には、熱サイクリング中に、持続密着性及び結合強度を維持することができない）と比較して、優れた熱機械的適合性を有する材料を生成することである。
【００７７】
様々な改変及び変更は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく容易に作成することができることは理解されよう。したがって、本発明は、本明細書で示し説明された正確な形態及び詳細に限定されず、本明細書で開示され以後で特許請求される本発明の全体未満の何物にも限定されないことが意図されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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