(57)【要約】      （修正有）【課題】タービン動翼などに設けられる遮熱用などの保護皮膜において、接着性の良い保護皮膜、及びその設層方法を提供する。【解決手段】保護皮膜を有する物品は、第１表面２２を有する基材１８と、第１表面２２から延在する複数の要素２０ａと、複数の要素２０ａの少なくとも一部の間、又は複数の要素２０ａの少なくとも一部の上、又はその両方に配置された保護皮膜２４ａとを備える。複数の要素２０ａは基材１８と一体である。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１表面（２２）を有する基材（１２，１８）と、
第１表面（２２）から延在しかつ基材（１２，１８）と一体である複数の要素（１４，２０ａ，２０ｂ）と、
複数の要素（１４，２０ａ，２０ｂ）の少なくとも一部の間、又は複数の要素（１４，２０ａ，２０ｂ）の少なくとも一部の上、又はその両方に配置された保護皮膜（２４ａ，２４ｂ）とを
備える物品（１０）。
【請求項２】
基材（１２，１８）が合金又は金属を含有する、請求項１記載の物品（１０）。
【請求項３】
保護皮膜（２４ａ，２４ｂ）がセラミック、セラミック複合材、セラミック−金属複合材、合金又は金属を含有する、請求項１記載の物品（１０）。
【請求項４】
保護皮膜（２４ａ，２４ｂ）がイットリア安定化ジルコニア、アルミナ、リン酸アルミニウム、アルミノケイ酸塩、ＮｉＣｒＡｌＹ又はムライトを含有する、請求項１記載の物品（１０）。
【請求項５】
保護皮膜（２４ａ，２４ｂ）が第１被覆層及び第２被覆層を含む、請求項１記載の物品（１０）。
【請求項６】
保護皮膜（２４ａ，２４ｂ）が第１表面（２２）にほぼ直角な方向に材料勾配を有する複合材を含有する、請求項１記載の物品（１０）。
【請求項７】
物品がタービン動翼翼形部又はタービンノズル翼形部である、請求項１記載の物品（１０）。
【請求項８】
第１表面（２２）を有する基材（１２，１８）を備える物品（１０）上に保護皮膜（２４ａ，２４ｂ）を設層する方法であって、
第１表面（２２）から延在しかつ基材（１２，１８）と一体である複数の要素（１４，２０ａ，２０ｂ）を設け、
複数の要素（１４，２０ａ，２０ｂ）の少なくとも一部の間、又は複数の要素（１４，２０ａ，２０ｂ）の少なくとも一部の上、又はその両方に保護皮膜（２４ａ，２４ｂ）を配置する
工程を含む方法。
【請求項９】
複数の要素を設ける工程で、基材（１２，１８）と一体な複数の要素（１４，２０ａ，２０ｂ）のある第１表面（２２）を有する基材（１２，１８）を備える物品（１０）をキャストする、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
保護皮膜を配置する工程が、キャスティング、溶射、プラズマ溶射、真空プラズマ溶射、フレーム溶射、高速溶射、レーザー堆積、化学蒸着、物理蒸着、電子ビーム物理蒸着、金属化、コールドプレス、焼結、高温静水圧プレス、ゾルゲル法又はこれらの組合せを含む、請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に保護皮膜を有する物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン動翼又はノズル翼形部用途のような様々な用途において、遮熱用などの保護皮膜を基材に設けるのに金属、セラミック及び／又はセラミック複合材が用いられている。しかし、このような材料は、特定の材料、例えばある種の金属材料への接着性が弱いことがあり、剥落及び／又は破損を招くおそれがある。さらに、セラミック及び／又はセラミック複合材は、脆性であるため、亀裂を生じ、またその後亀裂が伝播することから、破損するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６４９７７５８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開２００６／０２１６５４７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、このような保護を必要とする基材に保護皮膜、例えば金属又はセラミック遮熱皮膜を設けるための改良法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、第１表面を有する基材と、第１表面から延在する複数の要素と、複数の要素の少なくとも一部の間、又は複数の要素の少なくとも一部の上、又はその両方に配置された保護皮膜とを備える物品を提供する。複数の要素は基材と一体である。
【０００６】
また本発明は、第１表面を有する基材を備える物品上に保護皮膜を設層する方法を提供する。本方法は、第１表面から延在する複数の要素を設け、複数の要素の少なくとも一部の間、又は複数の要素の少なくとも一部の上、又はその両方に保護皮膜を配置する工程を含む。複数の要素は基材と一体である。
【０００７】
本発明の他の目的、特徴及び効果は以下の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る複数の要素を備えるタービン動翼翼形部の正面図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係る第１表面上の複数の要素及びこれらの複数の要素上及び間に配置された保護皮膜を備えるタービン動翼翼形部の一部の断面図である。
【図２Ｂ】本発明の別の実施形態に係る第１表面上の複数の要素及びこれらの複数の要素上及び間に配置された保護皮膜を備えるタービン動翼翼形部の一部の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態により物品に保護皮膜を設層する方法を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
上述したように、本発明は、物品及び物品上に保護皮膜を設層する方法を包含する。以下に、物品及び物品上に保護皮膜を設層する方法の実施形態を図１〜３を参照しながら詳細に説明する。図１〜３はタービン動翼翼形部についての実施形態として図示、説明されているが、本発明の別の実施形態では保護皮膜を必要とする基材を有する物品（例えば、タービンノズル翼形部や高温環境で用いられる物品）を同様に採用したり作製したりできる。
【００１０】
図１は、第１表面を有する基材１２を含むタービン動翼翼形部１０を示す。複数の要素１４が第１表面から延在している。一実施形態では、基材１２は合金（例えば超合金）又は金属を含有することができる。実施形態で基材１２に使用するのに適当な材料には、タングステン、タンタル、炭素又はこれらの組合せがあるが、これらに限らない。しかし、当業者であれば所望の用途に適切な基材を選択できることを理解すべきである。
【００１１】
図１に示すように、複数の要素１４は、基材１２から延在する複数のブロックである。複数の要素１４は基材１２と一体であり、基材と同じ材料を含有する。一実施形態では、複数の要素１４は、第１表面にほぼ直角な方向に材料勾配を有する複合材（傾斜組成複合材）を含有することができる。例えば、複数の要素１４を構成する金属複合材は、第１金属の含量が、複数の要素における複合材の残部の組成と比較して基材１２から遠ざかる方向に漸次増加するか、その反対である（即ち、第１金属の量が第１表面にほぼ直角な方向に変化する）。このような例で、基材１２は複数の要素１４の金属複合材中と同じ金属を含有することができ、また金属複合材はさらに複合材の残部に第２金属もしくは非金属成分を含有することができる。
【００１２】
ここで、用語「要素」又は「セグメント」は、基材の第１表面から少なくとも部分的に離れる方向に基材から延在するあらゆる構造体を指す。別の実施形態では、複数の要素１４は、結合すべき保護皮膜に対して係留点を与えるのに適当な先のとがった形状、平面形状その他の形状とすることができる。特定の実施形態では、平面もしくは丸みを帯びた要素形状により適用すべき保護皮膜に対してより大きな表面積をとることができる。別の実施形態では、複数の要素１４のそれぞれが、立方体、円筒、半球、球、円錐、角錐、及び多角形もしくは湾曲断面を有する他の三次元形状からなる群から選択される形状をもつことができる。ある実施形態では、複数の要素１４の少なくとも１つが複数の要素の残りとは異なる形状をもつことができる。しかし、当業者であれば、所望の用途に適切な形状の複数の要素１４を選択できることを理解すべきである。例えば、複数の要素１４のそれぞれのプロファイルを基材１２の第１表面のプロファイルと適合する形状とすることができる。
【００１３】
ここで、用語「要素寸法」は、各要素の最大の造形特徴を示すのに用いることができる、要素の寸法を指す。例えば、要素寸法は、ブロック形要素の側面の長さを指す。別の例では、要素寸法は半球もしくは円筒形要素の直径を指す。ある実施形態では、複数の要素１４の少なくとも１つが約０．１ｃｍ〜約２５ｃｍの要素寸法を有する。他の実施形態では、複数の要素１４の少なくとも１つが約０．２ｃｍ〜約８ｃｍの要素寸法を有する。さらに他の実施形態では、複数の要素１４の少なくとも１つが約０．５ｃｍ〜約５ｃｍの要素寸法を有する。
【００１４】
ある実施形態では、複数の要素１４の少なくとも１つが約１μｍ〜約５０，０００μｍの要素高さを有する。他の実施形態では、複数の要素１４の少なくとも１つが約２μｍ〜約２５，０００μｍの要素高さを有する。さらに他の実施形態では、複数の要素１４の少なくとも１つが約２μｍ〜約２０，０００μｍの要素高さを有する。ここで、用語「高さ」は、第１表面にほぼ直角な経路に沿って、第１表面から第１表面からもっとも離れた要素の部分まで測った距離を指す。
【００１５】
複数の要素１４についての適切な形状及び寸法は、当業者がタービン動翼翼形部１０の設計及び使用する保護皮膜に基づいて選択すればよいことを理解すべきである。
【００１６】
図２Ａは、基材１８を有するタービン動翼翼形部１６の部分の断面図である。基材１８は第１表面２２上に複数の要素２０ａ及び複数の要素上及び間に配置された保護皮膜２４ａを備える。基材１８及び複数の要素２０ａは、上述した基材１２及び複数の要素１４と同様でよい。複数の要素２０ａは要素高さＨを有する。
【００１７】
図２Ｂは、複数の要素２０ｂの形状が上記とは異なるタービン動翼翼形部１６の部分の別の実施形態を示す。図２Ａ及び図２Ｂにおいて同じ要素は同一符号で示す。
【００１８】
図２Ａ及び２Ｂに示すように、保護皮膜２４ａ，２４ｂは複数の要素２０ａ，２０ｂの間及び上の両方に配置されている。したがって、タービン動翼翼形部１６の外面は保護皮膜２４ａ，２４ｂから構成されているように見えるか、基材１８を覆う保護皮膜シースを有するように見え、複数の要素２０ａ，２０ｂは見えないか容易には識別できない。別の実施形態（図示せず）では、保護皮膜２４ａ，２４ｂの表面輪郭が、複数の要素２０ａ，２０ｂを有する第１表面２２の輪郭とほぼ同じであってよい（例えば、保護皮膜を第１表面及び複数の要素上に気相堆積する場合）。別の実施形態では、保護皮膜２４ａ，２４ｂを複数の要素２０ａ，２０ｂの少なくとも一部の間に配置することができる。他の実施形態では、保護皮膜２４ａ，２４ｂを複数の要素２０ａ，２０ｂの少なくとも一部の上に配置することができる。ある実施形態では、保護皮膜２４ａ，２４ｂが複数の要素２０ａ，２０ｂのすべてを覆い基材１８に対する遮熱を達成することができる。
【００１９】
ある実施形態では、保護皮膜２４ａ，２４ｂは、セラミック、セラミック複合材、セラミック−金属複合材（例えばサーメット）、合金（例えば超合金）、金属又は遮熱性又はタービン動翼翼形部１６の機能を改良するか寿命を延長する他の特性を改良する他の材料を含有することができる。ある実施形態で保護皮膜２４ａ，２４ｂに用いるのに適当な材料には、イットリア安定化ジルコニア、アルミナ、リン酸アルミニウム、アルミノケイ酸塩、ムライト、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＭＣｒＡｌＤ又はこれらの組合せがあるが、これらに限らない。ＭＣｒＡｌＤの具体例では、Ｍはニッケル、コバルト及び鉄から選択され、Ｃｒはクロム、Ａｌはアルミニウムであり、Ｄはイットリウム、ケイ素、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、チタン、ホウ素、炭素及びこれらの組合せから選択される。
【００２０】
図２Ａ及び２Ｂに示す例では、保護皮膜２４ａ，２４ｂは１つの被覆層からなる。別の実施形態では、保護皮膜２４ａ，２４ｂは２つ以上の被覆層を含んでもよい。例えば、保護皮膜２４ａ，２４ｂは遮熱材からなる第１被覆層と、耐摩耗性材料からなる第２被覆層とから構成できる。一実施形態では、遮熱材はイットリア安定化ジルコニアを含む。別の実施形態では、耐摩耗性材料はアルミナを含む。
【００２１】
他の実施形態では、保護皮膜２４ａ，２４ｂは、第１表面にほぼ直角な方向に材料勾配を有する（即ち、傾斜組成）複合材を含有することができる。例えば、保護皮膜２４ａ，２４ｂは、保護皮膜中の金属含量が、基材１８から遠ざかる方向に漸次増加するか、その反対であるセラミック−金属複合材から構成することができる。このような例で、基材１８はセラミック−金属複合材中と同じ金属を含有することができる。
【００２２】
特定の実施形態では、保護皮膜は多数の層から構成することができる。例えば、保護皮膜は、複数の要素上及び間に配置された金属層と、金属層上のセラミック層とを含むことができ、この場合金属層はボンドコート又は腐食保護皮膜として機能する。ある実施形態では、物品を１２００℃以上の温度で使用する場合、保護皮膜の最外層（即ち、第１表面からもっとも離れた層）をセラミック又はサーメットから構成することができる。
【００２３】
ある実施形態では、保護皮膜２４ａ，２４ｂを有するタービン動翼翼形部１６を約１１００℃〜約１８００℃の燃焼温度で使用することができる。他の実施形態では、保護皮膜２４ａ，２４ｂを有するタービン動翼翼形部１６を約１２００℃〜約１８００℃の燃焼温度で使用することができる。さらに他の実施形態では、保護皮膜２４ａ，２４ｂを有するタービン動翼翼形部１６を約１２５０℃〜約１６５０℃の燃焼温度で使用することができる。
【００２４】
別の実施形態（図示せず）では、タービン動翼翼形部はさらに、保護皮膜及び複数の要素の少なくとも一部に隣接してかつそれらの間に配置されたボンドコートを含んでもよい。ある実施形態では、ボンドコートはＭＣｒＡｌＤからなり、式中のＭはニッケル、コバルト及び鉄から選択され、Ｃｒはクロム、Ａｌはアルミニウムであり、Ｄはイットリウム、ケイ素、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム、チタン、ホウ素、炭素及びこれらの組合せから選択される。
【００２５】
一実施形態では、ボンドコートは厚さ約１μｍ〜約１５００μｍとすることができる。別の実施形態では、ボンドコートは厚さ約１０μｍ〜約５００μｍとすることができる。他の実施形態では、ボンドコートは厚さ約２５μｍ〜約２５０μｍとすることができる。
【００２６】
一実施形態では、タービン動翼翼形部１６は、厚さ約１００μｍのＮｉＣｒＡｌＹのボンドコートと、傾斜組成の保護皮膜とを含むことができる。保護皮膜は、ボンドコートの上に配置された、１０ｗｔ％のセラミック及び９０ｗｔ％のＮｉＣｒＡｌＹからなる第１被覆層と、２５ｗｔ％のセラミック及び７５ｗｔ％のＮｉＣｒＡｌＹからなる第２被覆層と、５０ｗｔ％のセラミック及び５０ｗｔ％のＮｉＣｒＡｌＹからなる第３被覆層と、７５ｗｔ％のセラミック及び２５ｗｔ％のＮｉＣｒＡｌＹからなる第４被覆層と、１００ｗｔ％のセラミックからなる第５被覆層とを有する。
【００２７】
図３は、第１表面を有する基材を備える物品上に保護皮膜を設層する方法を示す。物品、基材及び保護皮膜は、上述した物品、基材及び保護皮膜と同様とすることができる。
【００２８】
第１工程３０で、第１表面から延在する複数の要素を設ける。複数の要素は基材と一体である。複数の要素を設ける方法としては、複数の要素を有する基材をキャストする（即ち、物品基材の成形中に複数の要素を成形する）方法があるが、これに限らない。
【００２９】
第２工程３２で、複数の要素の少なくとも一部の間、又は複数の要素の少なくとも一部の上、又はその両方に保護皮膜を配置する。工程３２では、配置工程をセラミック保護皮膜のスリップ、スラリー又はテープ・キャスティングで行うことができる。工程３２ａで、セラミックスラリーを調製する。工程３２ｂで、セラミック保護皮膜を複数の要素の上に注入、キャストする。工程３２ｃで、セラミック保護皮膜を硬化、乾燥する。工程３２ｄで、存在するならば、セラミックバインダーを除去することができる。工程３２ｅで、セラミック保護皮膜を約８００℃〜約１８００℃の温度で焼結する。別の実施形態では、セラミック保護皮膜を約１０００℃〜約１７００℃の温度又は約１１００℃〜約１６５０℃の温度で焼結する。工程３２ｆで、セラミック保護皮膜を、例えばクリーニング及び／又は研磨により仕上げる。
【００３０】
保護皮膜を配置するのに適当な他の方法には、溶射、プラズマ溶射、真空プラズマ溶射、フレーム溶射、高速溶射、低温ガスダイナミック溶射、レーザー堆積、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、コールドプレス、焼結、高温静水圧プレス、ゾルゲル法、金属化又はこれらの組合せ、或いは保護皮膜材料を堆積するのに適当なあらゆる他の方法があるが、これらに限らない。例えば、配置工程３２として、ＥＢＰＶＤにより皮膜層を形成した後、その上に他の皮膜層をプラズマ溶射することができる。実施形態で、工程３２に用いるのに適当な金属化工程の例には、クロマイジング、アルミナイジング又はこれらの組合せがあるが、これらに限らない。
【００３１】
別の実施形態では、厚さ５μｍ〜約５００μｍの第１の被覆層をプラズマ溶射又はＥＢＰＶＤにより適用して下層を形成してある程度の遮熱及び／又は磨耗・侵食保護を達成し、その後上述した方法の１つ又は２つ以上を用いて第２の被覆層を第１被覆層上に配置してもよい。
【００３２】
所望に応じて採用する工程（図示せず）として、保護皮膜及び複数の要素の少なくとも一部に隣接してかつ間にボンドコートを配置することができる。ボンドコートは前述したボンドコートと同様でよい。ボンドコートを配置する適当な方法には、キャスティング、溶射、プラズマ溶射、真空プラズマ溶射、フレーム溶射、高速溶射、レーザー堆積、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、金属化又はこれらの組合せ、或いはボンドコート材料を堆積するのに適当なあらゆる他の方法があるが、これらに限らない。ボンドコートを配置するのに適当な他の方法の例が、先行技術として援用する、本出願人に譲渡された米国特許第６４９７７５８号に記載されている。
【００３３】
理論に縛られるものではないが、実施形態の複数の要素は、保護皮膜の強度を向上させる係留点を与えると考えられる。その上、複数の要素は基材の第１表面への保護皮膜の接着性を改良する。例えば、ここに開示した実施形態の複数の要素を用いることにより、超合金基材へのセラミック及び／又はセラミック複合材の接着性を改良することができる。さらに、実施形態の複数の要素を用いることで、保護皮膜における亀裂発生傾向を低減し、保護皮膜に発現する亀裂の成長を阻止もしくは低減できる。したがって、破損及び／又は剥落を小さな領域に局部化でき、その結果物品のより長い寿命、物品のより適切な寿命予測、より高い燃焼温度、向上した効率、全体としてより良好な物品を達成できる。さらに、本発明の方法により製造した物品は、１つ以上の要素又は要素上もしくは要素間の皮膜の部分がダメージを受けた場合でも、そのダメージが局部化されるので、修理がより簡単になる。
【００３４】
以上の説明は本発明の好適な実施形態のみに言及しているが、当業者であれば、特許請求の範囲に規定された本発明の要旨の範囲及びその均等物から逸脱することなく、様々な改変や変更を加えることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  物品
１２，１８  基材
１４，２０ａ，２０ｂ  要素
２２  基材の第１表面
２４ａ，２４ｂ  保護皮膜
【図１】
2009270199.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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