(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒状物衝撃エロージョン及び摩耗に付される製品（１２）に形成された耐エロージョン性断熱皮膜（２０）であって、当該断熱皮膜（２０）が、
製品（１２）の表面を覆う金属製耐酸化性接着層（２６）、
接着層（２６）上に物理蒸着法で形成した柱状セラミック層（３０）、及び
柱状セラミック層（３０）のエロージョンを防止するように断熱皮膜（２０）に存在する耐エロージョン性組成物（２４）であって、該耐エロージョン性組成物（２４）が柱状セラミック層（３０）の粒子衝撃及びエロージョンに対する物理的バリヤーとして作用するように柱状セラミック層（３０）を覆った耐摩耗皮膜（２４）であり、炭化ケイ素及びアルミナからなる群から選択される耐エロージョン性組成物（２４）
を含んでなる断熱皮膜（２０）。
【請求項２】
粒状物衝撃エロージョン及び摩耗に付される製品（１２）に形成された耐エロージョン性断熱皮膜（２０）であって、当該断熱皮膜（２０）が、
製品（１２）の表面を覆う金属製耐酸化性接着層（２６）、
接着層（２６）上に物理蒸着法で形成した柱状セラミック層（３０）、及び
柱状セラミック層（３０）のエロージョンを防止するように断熱皮膜（２０）に存在する耐エロージョン性組成物（２４ａ）であって、該耐エロージョン性組成物（２４ａ）が柱状セラミック層（３０）の耐エロージョン性を高めるように柱状セラミック層（３０）中に分散していて、炭化ケイ素及びアルミナからなる群から選択される耐エロージョン性組成物（２４ａ）
を含んでなる断熱皮膜（２０）。
【請求項３】
前記柱状セラミック層（３０）が、６〜８重量％のイットリアで安定化されたジルコニアから基本的になる、請求項１又は請求項２記載の断熱皮膜（２０）。
【請求項４】
当該断熱皮膜（２０）が、耐エロージョン性組成物（２４）を覆った少なくとも第２の柱状セラミック層（３０）と、該第２の柱状セラミック層（３０）を覆った少なくとも第２の耐エロージョン性組成物（２４）をさらに含んでなる、請求項１又は請求項３記載の断熱皮膜（２０）。
【請求項５】
前記柱状セラミック層（３０）がイットリア安定化ジルコニアと耐エロージョン性組成物から基本的になり、該耐エロージョン性組成物（２４ａ）がアルミナであって柱状セラミック層（３０）の４５重量％以下を占める、請求項２記載の断熱皮膜（２０）。
【請求項６】
前記接着層（２６）の平均表面粗さＲa が２μｍ以下である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の断熱皮膜（２０）。
【請求項７】
前記耐エロージョン性組成物（２４，２４ａ）が物理蒸着法又は化学蒸着法で付着させたものである、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の断熱皮膜（２０）。
【請求項８】
前記製品（１２）が超合金タービンブレードの翼部分である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の断熱皮膜（２０）。
【請求項９】
前記耐エロージョン性組成物（２４）が、１０〜８０μｍの厚さの炭化ケイ素からなる、請求項１記載の断熱皮膜（２０）。
【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過酷な熱環境(hostile thermal enviroment)のような、高温に曝露される部品のための断熱皮膜に関する。さらに詳細には、本発明は断熱性柱状セラミック層を含んだ断熱皮膜に関するものであり、該断熱皮膜は、セラミック層の耐エロージョン性を高めるような耐エロージョン性組成物が柱状セラミック層の上に物理的バリヤーを形成していること或いは柱状セラミック層の中に分散又は柱状セラミック層の一部を形成していることの結果として、エロージョンに対する耐性が向上していることを特徴とする。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンの効率を増大させるため、ガスタービンエンジンの作動温度を高くすることが絶えず求められている。しかし、作動温度の上昇に伴って、エンジンの部品の高温耐久性を相応に増大させる必要がある。ニッケル基及びコバルト基超合金の開発により高温性能に格段の進展がみられたが、このような合金単独ではガスタービンエンジンのタービン、燃焼器、オグメンタ（アフターバーナー）のような、幾つかのセクションに位置する部品の製造には不適当なことが多い。一般的な解決策は、このような部品を断熱して、それらの使用温度をできるだけ下げることである。こうした目的のため、高温部品の露出面に形成した断熱皮膜（ＴＢＣと略す）が広く用いられている。
【０００３】
断熱皮膜は一般に部品表面上に付着した金属接着層と、それに続いて部品を断熱する働きをする接着性セラミック層とを必要とする。金属接着層は、セラミック層の部品への密着性を高めるとともに下層の超合金の酸化を防止するために、ＭＣｒＡｌＹ（ただし、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルである）のような耐酸化性合金、並びに拡散アルミニドや白金アルミニドのような耐酸化性金属間化合物から形成される。セラミック層としては各種のセラミック材料が用いられており、特にイットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）又はその他の酸化物で安定化したジルコニア（ＺｒＯ2 ）が用いられている。これらの特定の材料は、Ｓｔｅｃｕｒａ他の米国特許第４０５５７０５号に教示されている通り、プラズマ溶射、フレーム溶射及び蒸着法などで容易に付着させることができるとともに、赤外線に対して反射性で被覆部品による放射熱の吸収が最小限に抑制されるので、当技術分野において広く使用されている。
【０００４】
断熱皮膜の重要な課題は、熱サイクリングに付したときにスポーリングを起こしにくい一段と密着性の高いセラミック層の形成であった。そのため、従来技術では各種の皮膜系が提案されているが、セラミック層がその多孔性、マイクロクラック及びセグメンテーションの存在の結果として向上した応力許容度を有することにかなりの重点がおかれている。マイクロクラックは一般にセラミック層内のランダムな内部不連続部を表し、一方、セグメンテーションは垂直にセラミック層の厚さ全域に広がってセラミック層に柱状結晶粒組織を与えるマイクロクラック又は結晶粒界の存在を示す。Ｓｔｒａｎｇｍａｎの米国特許第４３２１３１１号に教示されている通り、柱状結晶粒組織を有するジルコニア系皮膜は、調節された熱サイクル試験の結果で明示されているように、スポーリングをもたらすような損傷応力を引き起こさずに膨張し得る。Ｓｔｒａｎｇｍａｎの上記米国特許にさらに教示されている通り、接着層を酸化及び高温腐食から保護するとともに、柱状結晶粒ジルコニア皮膜に対して堅固な土台を与えるために、強い接着性連続酸化物表面層が好ましくはＭＣｒＡｌＹ接着層の上に形成される。
【０００５】
ジルコニア系断熱皮膜、特に柱状結晶粒組織を有するイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）皮膜はそれらの望ましい熱特性及び接着特性のために当技術分野で広く用いられているが、かかる皮膜はエロージョン及びガスタービンエンジンの高速気流中に存在する粒子や屑からの衝撃による損傷を受け易い。さらに、ガスタービンエンジン内の隣接ハードウェアが断熱皮膜をこすり取って下層の金属基板を露出して酸化作用に曝す可能性もある。従って、衝撃及びエロージョンに対して耐性をもつ断熱皮膜系に対するニーズが存在する。ガスタービンエンジンの圧縮機ブレードのような比較的低温での用途のために、Ｎａｉｋの米国特許第４７６１３４６号には、第VI族及び第VIII族元素から選択される延性金属の中間層並びに第III 族及び第VI族元素から選択される金属のホウ化物、炭化物、窒化物又は酸化物の硬質外層からなる耐エロージョン性皮膜が教示されている。Ｎａｉｋによれば、上記の延性金属はクラックアレスタ(crack arrestor)として機能し、硬質外層から下層の基板への脆化成分の拡散を防止する。しかし、延性金属層は断熱性に乏しい材料であるので、Ｎａｉｋの教示した耐エロージョン性皮膜は断熱皮膜ではなく、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、燃焼器ライナー及びオグメンタハードウェアのような、もっと高い温度での用途には適していない。
【０００６】
ガスタービンエンジンの高温用途での使用のために示唆された断熱皮膜系には物理蒸着（ＰＶＤ）法で付着させたＹＳＺセラミックコーティングが含まれていることが多い。例えば、Ｓｏｌｆｅｓｔ他の米国特許第４９１６０２２号には、接着層の酸化を低減し、それによりセラミックコーティングの耐スポーリング性を高めるため、ＹＳＺセラミックコーティングと下層の金属接着層との間にチタニア添加境界層を有するＰＶＤ蒸着柱状ＹＳＺセラミックコーティングが教示されている。Ｓｏｌｆｅｓｔ他は、セラミックコーティングの耐エロージョン性を高めるため、レーザーグレージング(laser glazing) 、電気バイアシング(electrical biasing)及び／又はチタニア（ＴｉＯ2 ）ドーピングによってセラミックコーティング外面を緻密化することを教示している。しかし、実際には、柱状ＹＳＺセラミックコーティングへのチタニアの添加は逆効果を有すること、すなわち、ＹＳＺセラミックコーティングの耐エロージョン性の低下をもたらすことが判明している。
【０００７】
対照的に、内燃機関に関する先行技術では、Ｋａｍｏ他の米国特許第４７３８２２７号に教示されている通り、クロム酸処理で緻密化した、ジルコン（ＺｒＳｉＯ4 ）又はシリカ（ＳｉＯ2 ）とクロミア（Ｃｒ2Ｏ3）とアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の混合物からなる追加の耐摩耗性外皮膜で保護されたプラズマ溶射（ＰＳ）ジルコニアセラミックコーティングが示唆されている。Ｋａｍｏ他は、彼らの耐摩耗性外皮膜を約０．１２７ｍｍという好適な厚さにするには何回もの含浸サイクルを必要とすることを教示している。Ｋａｍｏ他の教示は耐摩耗性の向上した部品を得るのには役立つであろうが、セラミックコーティングの緻密化は皮膜の熱伝導性を上昇させ、柱状結晶粒組織の有益な効果が台無しになってしまう。そのため、Ｋａｍｏ他の教示はガスタービンエンジンの高温用途に使用するための断熱皮膜には適さない。
【０００８】
以上から明らかな通り、ガスタービンエンジン用の断熱皮膜についてスポーリングに対する耐性の改良が示唆されているが、このような改良はかかる皮膜の断熱特性及び／又は耐エロージョン性及び耐摩耗性を損なう傾向がある。さらに、断熱皮膜以外の用途のためのセラミックコーティングについて耐摩耗性の改良がなされているものの、かかる改良は断熱皮膜に必要な熱特性を著しく犠牲にしたものである。従って、必要とされているのは、過酷な熱環境下で衝撃及びエロージョンに付されたときに摩耗とスポーリングに耐え得る能力をもつことを特徴とする断熱皮膜系である。好ましくは、かかる皮膜系は容易に形成可能であって、皮膜の衝撃及びエロージョン耐性と断熱特性を共に高めるような態様で付着させた断熱セラミック層が用いられる。
【０００９】
【発明の概要】
本発明の目的の一つは、過酷な熱環境に暴露されると同時に粒子及び屑による衝撃及びエロージョンに付される製品のための断熱皮膜を提供することである。このような断熱皮膜が、皮膜内の応力緩和をもたらすマイクロクラック又は結晶粒界を特徴とする断熱セラミック層を含んでいることも本発明の目的の一つである。
【００１０】
かかる断熱皮膜が、セラミック層の耐エロージョン性を高めるように、セラミック層の内部又は上に分散した衝撃及びエロージョン耐性組成物を含んでいることも本発明のもう一つの目的である。
皮膜の成膜処理工程を皮膜の衝撃及びエロージョン耐性が向上するように仕立てることも本発明の目的の一つである。
【００１１】
本発明は、概括すると、ガスタービンエンジンのタービン、燃焼器及びオグメンタ部品の場合のように、過酷な熱環境に付され、しかも粒子及び屑によるエロージョンに付される製品に対して形成するのに適合した断熱皮膜を提供する。本発明の断熱皮膜は、製品の表面に形成した金属接着層、該接着層を覆うセラミック層、及び該セラミック層の内部に分散又は該セラミック層を覆う耐エロージョン性組成物からなる。上記接着層は断熱性セラミック層を製品に強固に接着するのに役立ち、耐エロージョン性組成物は衝撃及びエロージョンに対するセラミック層の耐性を高める。耐エロージョン性組成物はアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）のいずれかであり、好ましいセラミック層は柱状結晶粒組織を生成させるため物理蒸着法で付着させたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）である。
【００１２】
本発明によれば、上記の本発明の耐エロージョン性組成物のいずれかを含むように改良した断熱皮膜では、予想外にも、Ｓｏｌｆｅｓｔ他の米国特許第４９１６０２２号に教示されたチタニア添加ＹＳＺセラミックコーティングを始めとする従来技術の柱状ＹＳＺセラミックコーティングよりもエロージョン速度が最大で約５０％も低減することが判明した。このような改善は予想外のことであり、特に、耐エロージョン性組成物として炭化ケイ素を用いる場合には、炭化ケイ素がＹＳＺセラミック層と反応してジルコンを形成し、セラミック層のスポーリングを促すであろうと予測されることからして、全く予期し得ないことであった。さらに意外なことに、接着層の平滑度を高めるとともに、セラミック層の成膜処理時に製品を静止状態に維持しておくと、耐エロージョン性がさらに改良される。
【００１３】
本発明のその他の目的及び利点は、以降の詳細な説明からさらに明らかになるであろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の上記その他の利点は、添付図面に照らして以下の説明を参照することによりさらに明らかとなるであろう。
ここで、添付図面について簡単に説明しておく。
図１は、断熱皮膜を有するタービンブレードの透視図である。
【００１５】
図２及び図３は、図１のタービンブレードの線２−２からみた拡大断面図であり、それぞれ、本発明の第一の実施形態及び第二の実施形態による断熱皮膜を示す。
本発明は、概括的には、比較的高温であることを特徴とする環境中で作動する金属部品であって、熱応力と粒子及び屑による衝撃及びエロージョンとの組合せに付される部品に関する。かかる部品の典型例としては、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、燃焼器ライナー及びオグメンタハードウェアが挙げられる。本発明の利点については、ガスタービンエンジンの部品を例に取って例示・説明するが、本発明の教示内容は一般に過酷な熱環境から部品を遮蔽するために断熱皮膜を使用し得る部品であればどんなものにも適用可能である。
【００１６】
本発明を例示するため、図１にガスタービンエンジンのタービンブレード１０を示す。一般に広く行われている通り、ブレード１０はニッケル基又はコバルト基超合金で作られている。ブレード１０には、ガスタービンエンジンの作動中に燃焼ガスの流れが当たる翼部１２が含まれており、その翼部１２の表面は従って酸化、腐食及びエロージョンによる激しい攻撃を受ける。翼部１２は根元１４を介してタービンディスク（図示せず）に取り付けられる。翼部１２の内部には冷却通路１６が存在しており、それを介してブリード空気(bleed air) がブレード１０から熱を奪い去るように仕向けられている。
【００１７】
本発明によれば、翼部１２は図２及び図３に示すような耐エロージョン性断熱皮膜系２０によってタービン部の過酷な環境から保護される。図２及び図３を参照すると、皮膜系２０を付着させる基板２２は超合金でできている。皮膜系２０は、接着層２６とその上に形成されたセラミック層３０からなる。接着層２６の下の基板２２を酸化作用から保護するとともに、セラミック層３０がより強固に基板２２に接着するようにするため、接着層２６は好ましくは耐酸化性金属材料で形成される。好ましい接着層２６はニッケル基合金粉末（ＮｉＣｒＡｌＹなど）又はニッケルアルミニド金属間化合物で形成され、基板２２の表面上に約２０〜約１２５μｍの厚さに付着させる。接着層２６の成膜に続いて、アルミナのような酸化物層２８を高温処理温度で形成してもよい。酸化物層２８は、セラミック層３０が強固に接着し得る表面を提供し、それによって皮膜系２０の熱ショックに対する耐性を高める。
【００１８】
接着層２６の好ましい成膜法は、アルミニド皮膜に関しては蒸着であり、ＮｉＣｒＡｌＹボンディングコートに関しては減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）であるが、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）又は物理蒸着（ＰＶＤ）のようなその他の付着法も使用できることはいうまでもない。重要なことは、得られる接着層２６及び／又は基板２２を研磨して、標準化された測定法で測定して、平均表面粗さＲa が約２μｍ（約８０マイクロインチ）以下、好ましくは平均表面粗さＲa が約１μｍ以下となるようにすることである。本発明によれば、接着層２６の表面仕上げが平滑であるほどセラミック層３０の耐エロージョン性が高まる。ただし、こうした改善が得られるメカニズムは不明である。なお、Ｕｌｉｏｎ他の米国特許第４３２１３１０号には接着層とその上の酸化物層との間の境界層を研磨すると断熱皮膜の熱疲労サイクル寿命を改善することができる旨教示されているが、セラミック層の耐エロージョン性の増進に関しては何の改善も教示されていないし、示唆されてもいない。
【００１９】
セラミック層３０は、図２に示す通り、セラミック層３０に望ましい柱状結晶組織が生じるように、物理蒸着（ＰＶＤ）法によって付着させる。セラミック層３０に好適な材料はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であり、好ましい組成はイットリアが約６〜約８重量％というものであるが、イットリア、非安定化ジルコニア、或いはセリア（ＣｅＯ2 ）又はスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）で安定化されたジルコニアなどの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３０はブレード１０を熱から保護するのに充分な厚さまで成膜されるが、その厚さは一般に約７５〜約３００μｍ程度である。本発明では、セラミック層３０としてＰＶＤイットリア安定化ジルコニアを使用すること、特に電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）法で蒸着したセラミック層３０を使用することが重要である。これらの材料は、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）ＹＳＺ及びその他のセラミックスよりも優れたエロージョン抵抗性を発揮するからである。さらに、ＥＢＰＶＤセラミックコーティングは、その応力許容性柱状ミクロ組織のおかげで熱サイクリングに対して向上した耐久性を発揮する。
【００２０】
従来技術で断熱皮膜の成膜に用いられてきたＰＶＤ技術では目的部材を回転させるのが慣例であったが、本発明の好ましい技術では部材を基本的に静止状態に保つ。本発明によれば、ＰＶＤプロセスの間に部材を静止状態に維持しておくと、より緻密ではあるが依然として柱状のままの結晶粒組織が得られ、セラミック層３０の耐エロージョン性の格段の向上につながることが判明した。このような改善の理由は判然とはしていないが、セラミック層３０の密度の増大の結果として耐エロージョン性が向上した可能性がある。
【００２１】
耐エロージョン性のレベルを格段に高めるため、本発明のセラミック層３０は耐衝撃性・耐エロージョン性組成物によって保護されるが、この耐エロージョン性組成物は、図２に示すような耐摩耗皮膜２４としてセラミック層３０を被覆したものでもよいし、或いは離散粒子２４ａとしてセラミック層３０と共蒸着するか又はセラミック層３０の中に埋設して、図３に概略を示すようにセラミック層３０の中に分散するようにしたものでもよい。本発明では、耐エロージョン性組成物の付着処理の前に、ＥＢＰＶＤセラミック層の表面仕上げをポリシングやタンブリングなどの方法で改善することによって、耐エロージョン性をさらに向上させることができる。
【００２２】
好ましい方法は、耐エロージョン性組成物を図２に示すような明瞭な耐摩耗皮膜２４として付着させることである。この方法では、耐衝撃性・耐エロージョン性の耐摩耗皮膜２４をＥＢＰＶＤ、スパッタリング又は化学蒸着（ＣＶＤ）で容易に付着させてセラミック層３０を完全に覆うことができる。さらに、耐摩耗皮膜２４は、図２に二点破線で示すような、セラミック層３０と耐摩耗皮膜２４の交互に重なり合った層を付着させることのできる好適な土台を提供し、耐摩耗皮膜２４によるエロージョンからの保護及びセラミック層３０による熱からの保護の減損をさらに遅延し得る。
【００２３】
本発明によれば、セラミック層３０と適合性の耐エロージョン性組成物にはアルミナ及び炭化ケイ素が含まれる。セラミック層３０上の別個の皮膜としては、アルミナについては好ましくはＥＢＰＶＤ法で約２０〜約８０μｍの厚さに蒸着し、炭化ケイ素については好ましくは化学蒸着法で約１０〜約８０μｍの厚さに蒸着される。なお、先行技術では断熱皮膜系のセラミック層の下の薄いアルミナ層（酸化物層２８のような）の存在について示唆され、しばしば推奨されてもいるが、断熱皮膜系の最外殻耐摩耗皮膜としてのアルミナ層の使用に関してこれまでに示唆されたことはない。一般に、アルミナ及び炭化ケイ素の低い熱膨張率に鑑みれば、皮膜２０全体をこれらの密で低膨張率の材料で構成したとすると、スポーリングを促すと考えられる。本発明では、柱状ＹＳＺセラミック層３０上でのアルミナ又は炭化ケイ素耐摩耗皮膜２４の使用によって、衝撃及びエロージョンに対する抵抗性を皮膜２０に付与しつつ、応力を順応させることができると思料される。
【００２４】
また、断熱皮膜系の最外殻耐摩耗皮膜としての炭化ケイ素の使用について示唆されたことはこれまでになく、おそらく、炭化ケイ素は容易に酸化されて二酸化ケイ素を生じ、その二酸化ケイ素がイットリア安定化ジルコニアと反応してジルコン及び／又はイットリウムシリサイトを生成して、スポーリングを促すためである。驚くべきことに、上記に規定する限られた厚さに成膜したとき、耐摩耗皮膜２４としての炭化ケイ素はこうした傾向を示さずに、セラミック層３０の柱状ミクロ組織とともに割れて該組織とともに膨張するような密着性の皮膜を形成し、セラミック層３０の上に耐エロージョン性皮膜として保持されることが判明した。炭化ケイ素を柱状結晶粒組織の柱状晶間に付着させるような付着技術はスポーリングを促すおそれがあるので、避けるべきである。
【００２５】
前述の通り、図３は、耐エロージョン性組成物が離散粒子２４ａとしてセラミック層３０の中に分散した本発明の実施形態を示している。このような結果は、公知の物理蒸着技術を用いて耐エロージョン性組成物とセラミック層３０を共蒸着(co-deposition) 又は埋設(implantation)することによって得ることができる。このアプローチでは、好ましい耐エロージョン性組成物はアルミナであり、その量は好ましくはセラミック層３０の約８０重量％以下、さらに好ましくは約５０重量％以下である。
【００２６】
【実施例】
本発明の耐エロージョン性組成物の有効性を評価するために、エロージョン試験を行った。一つの試験では、ニッケル基超合金ＩＮ６０１の試験片を次の通り調製した。試験片表面を厚さ約５０μｍまで蒸着アルミナイジングした。次にＥＢＰＶＤ柱状ＹＳＺセラミック層を厚さ約１３０μｍ（約５ミル）に付着させた。次に、幾つかの試験片には約１３μｍ（０．５ミル）又は約２５μｍ（１ミル）のいずれかの厚さの炭化ケイ素耐摩耗皮膜を付着させたが、残りの試験片については対照群とするためにそれ以上の処理は施さなかった。都合のよいことに、炭化ケイ素耐摩耗皮膜は下層の上記の表面仕上げとそっくり同じものになったので、さもなければ以降の付着層の調製において炭化ケイ素耐摩耗皮膜を平滑化するために生じたであろう面倒な問題が回避された。
【００２７】
これらの試験片をエロージョン試験に付した。エロージョン試験は、室温で、様々な時間にわたり、試験片の表面に対して約９０度の角度及び約６ｍ／ｓ（約２０ｆｔ／ｓ）の速度で約１０ｃｍの距離からアルミナ粒子を当てて行った。用いた試験時間について結果を標準化したところ、炭化ケイ素耐摩耗皮膜を有する試験片が対照群の未被覆試験片に比べてエロージョン深さがおよそ３０％低下し、重量損失がおよそ５０％低減していることが判明した。
【００２８】
二番目の一連の試験では、ニッケル基超合金ルネＮ５（Ｒｅｎｅ  Ｎ５）の試験片を調製した。これらの試験片については、その調製に用いた様々な製造方法を区別するため、以下の通りグループＡからグループＥと名付けた。すべての試験片について、厚さ約５０μｍに蒸着アルミナイジングして接着層を形成した。
グループＡ及びＢの試験片
接着層の付着に続いて、ＥＢＰＶＤ柱状セラミック層を蒸着処理する前に、すべての試験片について接着層の表面仕上げを測定した。約２．４μｍＲa （約９４マイクロインチＲa ）の表面仕上げを有する試験片をグループＡと名付け、残りの試験片については約１．８μｍＲa （約７１マイクロインチＲa ）の表面仕上げとなるように研磨した。次に、グループＡ及びＢの試験片に７％ＹＳＺのＥＢＰＶＤ柱状セラミック層を厚さ約１２５μｍとなるように蒸着した。蒸着は試験片を約６ｒｐｍの速度で回転させながら行ったが、これは従来技術で慣用的に実施されている事項である。グループＡ及びＢの試験片については試験まで保管しておき、残りの試験片についてはさらに処理を行った。
【００２９】
グループＣの試験片
セラミック層の蒸着処理中に約６ｒｐｍの速度で回転させたグループＡ及びＢ（並びにグループＤ、Ｅ及びＦ）の試験片とは対照的に、グループＣの試験片については試験片を静止状態に保ちながら７％ＹＳＺセラミック層を蒸着した。グループＡ及びＢのＥＢＰＶＤ柱状セラミック層と同様に、グループＣのセラミック層の最終的な厚さは約１２５μｍであった。
【００３０】
グループＧの試験片
厚さ約２５μｍの７％ＹＳＺセラミック層の蒸着に続き、グループＤの各試験片を第二の蒸着プロセスに付してアルミナ耐摩耗皮膜を形成した。各試験片は、ＥＢＰＶＤ処理で厚さ約５０μｍのアルミナの耐摩耗皮膜でコートされていた。
グループＥの試験片
グループＥの各試験片については、７％ＹＳＺセラミック層とともにアルミナを共蒸着した。セラミック層の厚さは約１２５μｍであった。アルミナの共蒸着は２通りの速度で行った。一つは遅い速度でアルミナ含量がセラミック層の約３重量％となるようにしたもの（グループＥ１）であり、もう一つは高い速度でアルミナ含量がセラミック層の約４５重量％となるようにしたもの（グループＥ２）である。
【００３１】
以上の試験片すべてについて、炭化ケイ素耐摩耗皮膜で被覆した試験片について述べたのと基本的に同じ手順で、エロージョン試験を行った。これらの試験の結果を、試験時間に関して標準化した後、グループＡ試験片を基準とした相対的エロージョン変化（％）として、次の表１に示す。
表１
グループ 評価した条件 変化（％）
Ａ          対照                                      −−−
Ｂ          接着層表面仕上げ                          −１４
Ｃ          回転（静止）                              −２７
Ｄ          アルミナ皮膜                              −４１
Ｅ１        ＹＳＺ中の分散アルミナ（３％）            −５１
Ｅ２        ＹＳＺ中の分散アルミナ（４５％）          −４２
以上の結果から、上記のいずれの改質法によっても耐エロージョン性の著しい改善を達成できることが分かる。大いに注目すべきは、耐エロージョン性の改善が最も大きかったのは、柱状ＹＳＺ中に約３重量％のアルミナが分散しているという本発明の図３に示す実施形態に対応していることである。セラミック層中のアルミナのレベルが増大して約５０重量％に近づくと、耐エロージョン性が大幅に低下しているのが分かる。図２に示すような柱状ＹＳＺセラミックコーティング上のアルミナ耐摩耗皮膜を用いたときも、試験した断熱皮膜系で耐エロージョン性の顕著な改善が得られた。実用上では、断熱皮膜の耐エロージョン性を向上させる技術としては、柱状ＹＳＺセラミックコーティング上のアルミナ耐摩耗皮膜がその加工処理の容易さゆえに好ましい。都合のよいことに、アルミナ耐摩耗皮膜は、エンジン作動中に発生し得る屑との化学的及び物理的相互作用に対する断熱皮膜の耐性も向上させる。
【００３２】
以上の結果に基づいて、最適の断熱皮膜系は、物理蒸着技術を利用して成膜した柱状ＹＳＺセラミック層３０を、接着層２６に対してＲa 約２μｍ以下の表面仕上げとし（グループＢの試験片の示す通り）、セラミック層３０の蒸着処理中に目標試験片を静止状態に維持し（グループＣの試験片の示す通り）、かつアルミナ又は炭化ケイ素をセラミック層３０の上の皮膜又はセラミック層３０中の分散系のいずれかの形態で与えた（炭化ケイ素試験片並びにグループＤ及びＥの試験片の示す通り）ときに得ることができるであろうと予測される。
【００３３】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、その他の形態も取り入れることができることは自明である。従って、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載のみによって限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  断熱皮膜を有するタービンブレードの透視図
【図２】  図１のタービンブレードの線２−２からみた本発明の第一の実施形態による断熱皮膜の拡大断面図
【図３】  図１のタービンブレードの線２−２からみた本発明の第二の実施形態による断熱皮膜の拡大断面図
【符号の説明】
１０    タービンブレード
１２    翼部
２０    耐エロージョン性断熱皮膜系
２２    基板
２４    耐エロージョン性組成物（耐摩耗皮膜）
２４ａ  耐エロージョン性組成物（離散粒子）
２６    接着層
２８    酸化物層
３０  セラミック層
【図１】
0003825114.tif 000002
【図２】
0003825114.tif 000003
【図３】
0003825114.tif 000004