(57)【要約】  厳しい熱環境で使用することが意図された超合金基材上の耐衝撃性コーティングなど、コーティングとして使用するのに適した組成物を提供する。このコーティング材料は、ＹＯ1.5、ＹｂＯ1.5、ＨｏＯ1.5、ＥｒＯ1.5、ＴｍＯ1.5、ＬｕＯ1.5、ＮｄＯ1.5、ＳｍＯ1.5、ＥｕＯ1.5、ＧｄＯ1.5、ＤｙＯ1.5、およびそれらの組み合わせから選択される、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％の第１の補助安定化剤と、ＴｉＯ2、ＰｄＯ2、ＶＯ2、ＧｅＯ2、およびそれらの組み合わせから選択される、１０ｍｏｌ％から約２０ｍｏｌ％の第２の補助安定化剤とを含むことによって、主に正方相に安定化されたジルコンを含む。このコーティングは、任意でハフニア（ＨｆＯ2）を含む。第１および第２の補助安定化剤の量は、正方相を維持する、すなわち熱サイクル中に単斜相を避けるように調整され、かつ耐衝撃性を改善するための高い正方晶性をもたらすように調整される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に正方相に安定化されたジルコニアを含み、成膜直後の状態の組成物を有する、超合金基材上の耐衝撃性コーティングであって、前記成膜直後の状態の組成物が、
ＹＯ1.5、ＹｂＯ1.5、ＨｏＯ1.5、ＥｒＯ1.5、ＴｍＯ1.5、ＬｕＯ1.5、ＮｄＯ1.5、ＳｍＯ1.5、ＥｕＯ1.5、ＧｄＯ1.5、ＤｙＯ1.5、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％の第１の補助安定化量存在する第１の補助安定化剤と、
ＴｉＯ2、ＰｄＯ2、ＶＯ2、ＧｅＯ2、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、約１０ｍｏｌ％から約２０ｍｏｌ％の第２の補助安定化量存在する第２の補助安定化剤と、
主にジルコニア（ＺｒＯ2）、任意でハフニア（ＨｆＯ2）、および不可避的不純物からなる残部とを含む、耐衝撃性コーティング。
【請求項２】
前記第１の補助安定化剤が、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％のＹＯ1.5を含む、請求項１記載のコーティング。
【請求項３】
前記第１の補助安定化剤が、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％のＹＯ1.5とＹｂＯ1.5の組み合わせを含む、請求項１記載のコーティング。
【請求項４】
前記第１の補助安定化剤が、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％の、ＹＯ1.5と、ＹｂＯ1.5、ＨｏＯ1.5、ＥｒＯ1.5、ＴｍＯ1.5、ＬｕＯ1.5、ＮｄＯ1.5、ＳｍＯ1.5、ＥｕＯ1.5、ＧｄＯ1.5、またはＤｙＯ1.5からなる群のうちの少なくとも１つとの組み合わせを含む、請求項１記載のコーティング。
【請求項５】
前記成膜直後の状態の組成物が、約７重量％のイットリアで安定化されたジルコニアを含むコーティング組成物に伴う正方晶性（ｃ／ａ比）より高い正方晶性（ｃ／ａ比）を伴う、請求項１記載のコーティング。
【請求項６】
前記第２の補助安定化剤が、約１０ｍｏｌ％から約１６ｍｏｌ％のチタニア（ＴｉＯ2）を含む、請求項１記載のコーティング。
【請求項７】
前記第１の補助安定化剤が、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％の、ＹＯ1.5と、ＹｂＯ1.5、ＨｏＯ1.5、ＥｒＯ1.5、ＴｍＯ1.5、ＬｕＯ1.5、ＮｄＯ1.5、ＳｍＯ1.5、ＥｕＯ1.5、ＧｄＯ1.5、またはＤｙＯ1.5からなる群のうちの少なくとも１つとの組み合わせを含む、請求項６記載のコーティング。
【請求項８】
超合金基材と、
前記基材上の遮熱コーティングとを備える、コーティングされた物品であって、前記コーティングが、主に正方相に安定化されたジルコニアを含み、成膜直後の状態の組成物を有し、前記成膜直後の状態の組成物が、
ＹＯ1.5、ＹｂＯ1.5、ＨｏＯ1.5、ＥｒＯ1.5、ＴｍＯ1.5、ＬｕＯ1.5、ＮｄＯ1.5、ＳｍＯ1.5、ＥｕＯ1.5、ＧｄＯ1.5、ＤｙＯ1.5、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％の第１の補助安定化量存在する第１の補助安定化剤と、
ＴｉＯ2、ＰｄＯ2、ＶＯ2、ＧｅＯ2、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、約１０ｍｏｌ％から約２０ｍｏｌ％の第２の補助安定化量存在する第２の補助安定化剤と、
主にジルコニア（ＺｒＯ2）、任意でハフニア（ＨｆＯ2）、および不可避的不純物からなる残部とを含む、コーティングされた物品。
【請求項９】
前記基材が、高圧タービンエーロフォイル、高圧タービン静翼、高圧タービンシュラウド、および燃焼器ライナのうちの少なくとも１つを含む、請求項８記載の物品。
【請求項１０】
前記コーティング内で、前記第１の補助安定化剤が、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％のＹＯ1.5を含む、請求項８記載の物品。
【請求項１１】
前記コーティング内で、前記第１の補助安定化剤が、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％の、ＹＯ1.5と、ＹｂＯ1.5、ＨｏＯ1.5、ＥｒＯ1.5、ＴｍＯ1.5、ＬｕＯ1.5、ＮｄＯ1.5、ＳｍＯ1.5、ＥｕＯ1.5、ＧｄＯ1.5、またはＤｙＯ1.5からなる群のうちの少なくとも１つとの組み合わせを含む、請求項８記載の物品。
【請求項１２】
前記コーティング内で、前記第２の補助安定化剤が、約１０ｍｏｌ％から約１６ｍｏｌ％のチタニア（ＴｉＯ2）を含む、請求項８記載の物品。
【請求項１３】
超合金基材上に耐衝撃性コーティングをもたらすための方法であって、
前記基材上に成膜直後の状態のコーティング組成物を塗布することを含み、前記成膜直後の状態のコーティング組成物が、
ＹＯ1.5、ＹｂＯ1.5、ＨｏＯ1.5、ＥｒＯ1.5、ＴｍＯ1.5、ＬｕＯ1.5、ＮｄＯ1.5、ＳｍＯ1.5、ＥｕＯ1.5、ＧｄＯ1.5、ＤｙＯ1.5、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％の第１の補助安定化量存在する第１の補助安定化剤と、
ＴｉＯ2、ＰｄＯ2、ＶＯ2、ＧｅＯ2、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、約１０ｍｏｌ％から約２０ｍｏｌ％の第２の補助安定化量存在する第２の補助安定化剤と、
主にジルコニア（ＺｒＯ2）、任意でハフニア（ＨｆＯ2）、および不可避的不純物からなる残部とを含み、前記コーティング内で前記ジルコニアが主に正方相に安定化される方法。
【請求項１４】
前記コーティング組成物を塗布することが、物理蒸着および溶射から選択される工程を利用することを含む、請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、遮熱コーティング（ＴＢＣ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
遮熱コーティング（ＴＢＣ）は、エーロフォイル、静翼、シュラウド、および燃焼器など、ガスタービンエンジン内の高温環境内の低温構成要素に塗布される。遮熱コーティングは、下層の金属を過剰な温度から保護するので、その耐久性は主要な問題である。衝撃および侵食による損傷は、遮熱コーティングの耐用期間を制限する、より重要になってきている要因の１つである。エンジン内に吸入され、またはエンジン内で放散される粒子は、動作中にコーティングに衝突し、コーティングのかなりの損失をもたらすおそれがあり、それにより構成要素の耐用期間が短縮される。
【０００３】
したがって、遮熱コーティングの耐衝撃性および耐侵食性を高めれば、構成要素の耐用期間が延びることになる。さらに、より耐久性の高い遮熱コーティングによって、気流の冷却を低減し、または動作温度を上昇させることが可能になり、エンジン効率が高まる。
【０００４】
当業界で利用される一般的な遮熱コーティングは、ボンドコートおよび超合金基材の上に、約７重量％のイットリアで安定化されたジルコニア（７ＹＳＺ）の単一セラミック層を構成する。約７重量％未満のイットリアを有するＹＳＺは、正方晶から単斜晶へと相転移しやすく、これは有害な体積膨張を伴う。７ＹＳＺは、高温で相分離しやすく、この相分離により、より低レベルのイットリアを有する正方相がもたらされる。
【０００５】
ジルコニアベースのコーティングの耐衝撃性および耐侵食性は、正方晶性（ｃ／ａ比）が増大すると高まることが示されている。ｃ／ａ比がより高いと、靭性がより高くなると考えられている。より低レベルのイットリアを有し、したがってより高い正方晶性を有する遮熱コーティングが、耐衝撃性を改善するために開発されてきた。しかし、そのようなコーティングには依然、正方晶から単斜晶の相転移によって破砕が生じるという問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＤＩＡＺ Ｐ.「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  ｃｈａｎｇｅｓ  ａｎｄ  ｐｈａｓｅ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ａ  ｐｌａｓｍａ−ｓｐｒａｙｅｄ  ｚｉｒｃｏｎｉａ−ｙｔｔｒｉａ−ｔｉｔａｎｉａ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｃｏａｔｉｎｇ」ｖｏｌ．８２、Ｎｏ．３、２８４〜２９０ページ（１９９６年８月）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、耐衝撃性および耐侵食性を改善するために、安定化剤含有量が少なく正方晶性（ｃ／ａ比）の高い、単斜相に転移しない遮蔽コーティングを提供することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の１つまたは複数の必要性は、耐衝撃性コーティングと、コーティングされた物品と、超合金基材上に耐衝撃性遮熱コーティングをもたらすための方法とを提供する、例示的な実施形態によって満たすことができる。一般に、このコーティングは、ジルコニア、またはジルコニアおよびハフニアを含み、ジルコニアは、比較的低レベルのイットリア（または別の第１の補助安定化剤）およびチタニア（第２の補助安定化剤として）を用いて、主に正方相に安定化される。
【０００９】
本明細書で開示する例示的な実施形態は、超合金基材上に耐衝撃性コーティングを備える。このコーティングは、主に正方相に安定化されたジルコニアを含む。このコーティングは、成膜直後の状態の組成物を含み、この組成物は、ＹＯ1.5、ＹｂＯ1.5、ＨｏＯ1.5、ＥｒＯ1.5、ＴｍＯ1.5、ＬｕＯ1.5、ＮｄＯ1.5、ＳｍＯ1.5、ＥｕＯ1.5、ＧｄＯ1.5、ＤｙＯ1.5、およびそれらの組み合わせから選択され、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％の第１の補助安定化量存在する第１の補助安定化剤と、ＴｉＯ2、ＰｄＯ2、ＶＯ2、ＧｅＯ2、およびそれらの組み合わせから選択され、約１０ｍｏｌ％から約２０ｍｏｌ％の第２の補助安定化量存在する第２の補助安定化剤と、主にジルコニア（ＺｒＯ2）、任意でハフニア（ＨｆＯ2）、および不可避的不純物からなる残部とを含む。
【００１０】
本明細書で開示する例示的な実施形態は、超合金基材およびこの基材上の遮熱コーティングを備える、コーティングされた物品を含む。このコーティングは、主に正方相に安定化されたジルコニアを含み、かつ成膜直後の状態の組成物を含み、この組成物は、ＹＯ1.5、ＹｂＯ1.5、ＨｏＯ1.5、ＥｒＯ1.5、ＴｍＯ1.5、ＬｕＯ1.5、ＮｄＯ1.5、ＳｍＯ1.5、ＥｕＯ1.5、ＧｄＯ1.5、ＤｙＯ1.5、およびそれらの組み合わせから選択され、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％の第１の補助安定化量存在する第１の補助安定化剤と、ＴｉＯ2、ＰｄＯ2、ＶＯ2、ＧｅＯ2、およびそれらの組み合わせから選択され、約１０ｍｏｌ％から約２０ｍｏｌ％の第２の補助安定化剤量存在する第２の補助安定化剤と、主にジルコニア（ＺｒＯ2）、任意でハフニア（ＨｆＯ2）、および不可避的不純物からなる残部とを含む。
【００１１】
本明細書で開示する例示的な実施形態は、超合金基材上に耐衝撃性コーティングをもたらすための方法を含む。この方法は、基材上に成膜直後の状態のコーティング組成物を塗布することを含み、このコーティング組成物は、ＹＯ1.5、ＹｂＯ1.5、ＨｏＯ1.5、ＥｒＯ1.5、ＴｍＯ1.5、ＬｕＯ1.5、ＮｄＯ1.5、ＳｍＯ1.5、ＥｕＯ1.5、ＧｄＯ1.5、ＤｙＯ1.5、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、約３ｍｏｌ％から約６ｍｏｌ％の第１の補助安定化量存在する第１の補助安定化剤と、ＴｉＯ2、ＰｄＯ2、ＶＯ2、ＧｅＯ2、およびそれらの組み合わせから選択され、約１０ｍｏｌ％から約２０ｍｏｌ％の第２の安定化量存在する第２の補助安定化剤と、主にジルコニア（ＺｒＯ2）、任意でハフニア（ＨｆＯ2）、および不可避的不純物からなる残部とを含み、このコーティング内で、ジルコニアは主に正方相に安定化される。
【００１２】
本発明とみなされる主題を、明細書に添付する特許請求項の範囲において特に指摘し、明確に特許請求する。ただし、本発明は、以下の説明を添付の図面と併せて参照することによって、最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】高圧タービンブレードの概略図である。
【図２】ＴｉＯ2−ＹＯ1.5−ＺｒＯ2三元系の相状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照すると、個々の参照番号は様々な図を通して同じ要素を示し、図１は、エーロフォイル１２と、プラットホーム１４と、シャンク１６と翼根１８とを備えるガスタービンブレード１０など、例示的な物品を示す。当業界では、タービンを通って流れる高温ガスから下層の基材２２を保護するために、ブレード１０の少なくとも複数の部分にコーティング２０をもたらすことが知られている。本明細書で開示する例示的な実施形態は、遮蔽コーティングとして有用な組成物を含む。
【００１５】
Ｔ0（ｔ／ｍ）カーブを有するＴｉＯ2−ＹＯ1.5−ＺｒＯ2三元系の相状態図を、図２を示す。図示のとおり、ＴｉＯ2をＹＳＺに添加することにより、単斜晶転移に関して正方相の相安定性を高めることができる。４ｍｏｌ％のＹＯ1.5および１５ｍｏｌ％のＴｉＯ2を用いて安定化される正方相のジルコニアは、冷却時にも、Ｔ0（正方晶／単斜晶転移温度）を下回る後続のアニーリング時にも、単斜晶に転移しない。すなわち、低い安定化剤含有量が低く正方晶性が高い、転移不可能な正方晶ジルコニア相のための「組成窓」がある。
【００１６】
約１０％未満のＴｉＯ2を用いる組成物は、高温で正方晶＋立方相へと平衡に相分離した後、単斜晶に転移する。１６％より多いＴｉＯ2を用いる組成物は、相状態図内の配置に応じて、正方晶ジルコニア、パイロクロアＹ2Ｔｉ2Ｏ7、および螢石またはチタン酸ジルコニウムＺｒＴｉＯ4の三相のミクロ組織へと相分離する。少量の正方相以外の相は、靭性にとって有害でなく、焼結を緩和する。約２０％より多いＴｉＯ2を用いる組成物は、機械特性に悪影響を及ぼすことになる過剰なレベルの第２の相を示すと考えられている。
【００１７】
約３％未満のＹＯ1.5を用いる組成物は、熱サイクル中に単斜晶へと転移しやすい。約６％より多いＹＯ1.5を有する組成物は、一般に本開示の範囲外である。
【００１８】
上記議論に基づくと、３〜６ｍｏｌ％のＹＯ1.5、１０〜２０ｍｏｌ％のＴｉＯ2、ＺｒＯ2（および不可避的不純物）の残部を含む組成物は、コーティング内を主に正方相にすることができる。この正方相は、熱サイクルにさらされるときでも、例示的なコーティング内で安定化されると考えられている。最高１６５０℃の温度での長時間の熱暴露の後で、これらの組成物のコーティング内に形成される平衡な正方相は、より低い温度で、または熱サイクル下で、単斜相に転移しない。したがって、これらの組成物は、当業界の７ＹＳＺの状態よりも良好な相安定性をもたらし、これらの組成物の遮熱コーティングは、７ＹＳＺに基づく当業界のコーティングの状態よりも高い温度性能を達成することができる。
【００１９】
３〜６ｍｏｌ％のＹＯ1.5、１０〜２０ｍｏｌ％のＴｉＯ2、ＺｒＯ2の残部を含む組成物を用いる遮熱コーティングは、当業界の７ＹＳＺコーティングの状態より高い正方晶性（ｃ／ａ比）を示す。このより高い正方晶性は、より高い耐衝撃性および耐侵食性をもたらすことが期待される。さらに、イットリアが少ないＹＳＺの何らかの有益な特性が、チタニアを添加することにより相安定コーティングに引き継がれることが期待される。
【００２０】
ＹＯ1.5を、ＹｂＯ1.5、ＨｏＯ1.5、ＥｒＯ1.5、ＴｍＯ1.5、またはＬｕＯ1.5など、三価の希土類安定化剤によって部分的または全体的に置換すること、および／またはＺＯ2をＨｆＯ2で置換することにより、同様の相平衡がもたらされることが期待される。こうして、前記３〜６ｍｏｌ％のＹＯ1.5は、ＹｂＯ1.5、ＨｏＯ1.5、ＥｒＯ1.5、ＴｍＯ1.5、またはＬｕＯ1.5のうちの１つまたは複数で、全体的または部分的に置換することができる。例示的な実施形態はさらに、ＮｄＯ1.5、ＳｍＯ1.5、ＥｕＯ1.5、ＧｄＯ1.5、およびＤｙＯ1.5など、ランタニド系列の他の実用可能な元素の酸化物を用いることができる。
【００２１】
例示的な実施形態はさらに、チタニア（ＴｉＯ2）のすべてまたは一部を、ＰｄＯ2、ＶＯ2、ＧｅＯ2、またはそれらの組み合わせで置換することを企図する。
【００２２】
さらに、所望の遮熱コーティング組成物を得るために、最高約５０ｍｏｌ％のＺｒＯ2をＨｆＯ2で置換することができると考えられている。
【００２３】
本明細書で開示する例示的な遮熱コーティングは、高圧タービン（ＨＰＴ）のエーロフォイル上、ＨＰＴの静翼上、ＨＰＴのシュラウド上、および燃焼器ライナ上で使用することができる。
【００２４】
本明細書で開示するコーティング組成物は、当業界で知られた適当な蒸着／塗布工程を用いて、超合金の金属基材に塗布することができる。たとえば、適当なコーティングは、ＥＢ−ＰＶＤなど物理蒸着法を用いて、例示的なコーティング組成物を蒸着させることにより得ることができると考えられている。大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）などの溶射法、または高密度垂直微細割れ（ＤＶＭ）技法を用いることができる。従来技術の遮熱コーティングと同様、コーティングは、下層基材のための所要の熱保護をもたらすのに十分な厚さまで蒸着させることが意図される。一般に、コーティングの厚さは大体、ＥＢ−ＰＶＤ蒸着コーティングでは約７５μｍから約３００μｍ、溶射技法を用いて塗布されるコーティングでは３００μｍから約１２００μｍとすることができる。
【００２５】
本明細書で開示する例示的な実施形態は、超合金基材のための遮熱コーティングとして利用することができる組成物を含む。これらのコーティングは、低レベルのイットリアまたは同様の安定化剤と、補助安定化剤としてのチタニアとによって安定化されたジルコニアを含む。このコーティングは、正方晶性（ｃ／ａ比）が高いことを特徴とし、対象の温度（２５℃〜１６００℃）での熱サイクルにさらされたときに、高い正方晶性を維持する。本明細書で開示する例示的な実施形態はこうして、正方晶から単斜晶への有害な相転移を回避し、したがって破砕を低減する。正方晶性のレベルがより高いことにより、コーティングにより高い靭性がもたらされると考えられる。したがって、本明細書で開示する実施形態は、類似の７ＹＳＺの遮熱コーティングより高い耐衝撃性を有するコーティングを提示していると考えられる。
【００２６】
この明細書は、最良の形態を含めて本発明を開示するために、また当業界のいかなる技術者も本発明を製作し使用することが可能になるように、例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業界の技術者が考え付く他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の記載と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の記載と実質的に異ならない同等の構造要素を備える場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図される。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ガスタービンブレード
１２  エーロフォイル
１４  プラットホーム
１６  シャンク
１８  翼根
２０  コーティング
２２  基材
【図１】
2012512331.tif 000003
【図２】
2012512331.tif 000004
【国際調査報告】
2012512331.tif 000005
2012512331.tif 000006
2012512331.tif 000007