高温及び過酷な環境に曝される基材を保護するためのコーティングシステム及びコーティング製品
基材のＣＭＡＳ浸透を低減するためのコーティングシステムは、少なくとも内側セラミック層と、外側アルミナ含有層とを含む。外側層は、最大で約５０重量％までのチタニアを含む。追加のセラミック層及びアルミナ含有層を設けることができる。コーティングは、ガスタービンエンジン構成要素に用いることができる。コーティング層の堆積法は、構成要素の最終用途に応じて決めることができる。コーティングされた製品は、基材と、基材上の任意選択のボンドコートと、記ボンドコートの上又は該ボンドコートがない場合には前記基材上にあるコーティングと、を含む。内側セラミック層が、溶射法、物理蒸着法、及びサスペンションプラズマ溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示し、外側アルミナ含有層が、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、及び高速酸素燃料溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、ガスタービンエンジンの過酷な熱環境のような高温に曝される構成要素のためのコーティングシステム、並びにこのようなコーティングシステムでコーティングされた製品に関する。より詳細には、本発明は、セラミック熱障壁コーティング層の上に施工されたアルミナ含有層を備えたコーティングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン効率は、燃焼ガスの温度に直接関連性がある。過酷な環境に曝されるこのような構成要素において、高い温度性能の超合金金属を利用することができる。例えば、燃焼器ライナは、ニッケル基超合金から構成することができる。従来、燃焼器ライナは、その内側面を燃焼障壁コーティング（ＴＢＣ）で覆うことによって高温燃焼から保護することができる。従来の熱障壁コーティングは、高温燃焼ガスに直面する燃焼器ライナの内側面に断熱材をもたらすセラミック材料を含む。燃焼器ライナは、熱的保護の改善が求められている過酷な熱条件に曝される幾つかのタイプの構成要素の例証に過ぎない。
【０００３】
セラミック材料及び特にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、温度性能が高く、熱伝導率が低く、及びプラズマ溶射、フレーム溶射、及び物理蒸着（ＰＶＤ）法による堆積が比較的容易であることに起因して、ＴＢＣ材料として広く使用されている。空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）は、設備コストが比較的少なく、施工及びマスキングが容易であるといった利点があるが、ガスタービンエンジンの最も高い温度領域で利用されるＴＢＣは、歪み耐性の柱状粒子構造をもたらすＰＶＤ、特に電子ビームＰＶＤ（ＥＢＰＶＤ）によって堆積されることが多い。
【０００４】
ＴＢＣシステムの耐用年数は、通常、熱疲労によって引き起こされる剥離事象により制限される。剥離は、セラミックＴＢＣと金属基材との間のＣＴＥの不一致に加え、ガスタービンエンジン運転中にＴＢＣ上に形成される堆積物によりＴＢＣ構造体が高密度になる結果として生じる可能性がある。これらの堆積物は、カルシア、マグネシア、アルミナ、及びシリカのような酸化物を含み、これらが高温で存在するときには、本明細書でＣＭＡＳと呼ばれる化合物を形成する点に留意されたい。ＣＭＡＳは、比較的低い共晶融点（約１１９０℃）を有し、溶融時にはＴＢＣの高温領域に浸透する可能性があり、該高温領域で冷却中に再固化する。温度サイクル中、ＣＭＡＳとＴＢＣとのＣＴＥの不一致は剥離を促進させる。ＴＢＣが失われると、下にある基材に対する温度曝露がより高温になり、酸化が加速され、クリープ及び低サイクル疲労性能が不十分になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＭＡＳ浸透によって引き起こされる損傷の予防を更に改善することが継続的に求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の要求は、高温で過酷な気候において利用される構成要素に対してコーティングシステムを提供する例示的な実施形態によって対処することができる。保護される構成要素は、ガスタービンエンジンの高温セクションのような高温環境で使用するのに好適とすることができる。例示的な実施形態は、ＣＭＡＳ浸透の作用を阻止又は緩和するのに特に有効とすることができる。
【０００７】
例示的な実施形態は、基材の少なくとも一部上にある任意選択のボンドコートと、ボンドコートの上又は該ボンドコートがない場合には基材上にあるコーティングとを含む。本コーティングは、内側セラミック層と、該内側セラミック層の外側にある外側アルミナ含有層とを含み、外側アルミナ含有層が、０％よりも多く且つ最大で約５０重量％までの量のチタニアを含む。内側セラミック層は、溶射法、物理蒸着法、及びサスペンションプラズマ溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す。外側アルミナ含有層は、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、及び高速酸素燃料溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す。
【０００８】
別の例示的な実施形態は、基材と、基材の少なくとも一部上にある任意選択のボンドコートと、ボンドコートの少なくとも一部の上又は該ボンドコートがない場合に基材の少なくとも一部の上にあるコーティングと、を含む。例示的なコーティングは、内側セラミック層と該内側セラミック層の外側にある外側アルミナ含有層とを含み、前記外側アルミナ含有層が、０％よりも多く且つ最大で約５０重量％までの量のチタニアを含む。例示的な実施形態において、内側セラミック層が、溶射法、物理蒸着法、及びサスペンションプラズマ溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示し、外側アルミナ含有層が、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、及び高速酸素燃料溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す。
【０００９】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。しかしながら、本発明は、添付図面と共に以下の説明を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】
【００１０】
【図１】ガスタービンエンジンにおける例示的な環状燃焼器の一部の軸方向断面図。
【図２】本明細書で開示される例示的なコーティングシステムでコーティングされた製品の図。
【図３】本明細書で開示される代替の例示的なコーティングシステムでコーティングされた製品の図。
【図４】本明細書で開示される例示的プロセスを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
種々の図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表す図面を参照すると、図１は、長手方向又は軸方向中心軸線１２の周りで軸対称である環状燃焼器１０を示す。燃焼器は、運転中に空気１４を加圧するよう構成された多段軸流圧縮機（図示せず）を有するガスタービンエンジンに好適に装着される。気化器１６の列が、燃焼器内に燃料を導入し、該燃焼器が点火されて高温の燃焼ガス２０を発生し、該燃焼ガスが下流側に流れる。
【００１２】
高圧タービンのタービンノズル２２は、燃焼器の外側端部に配置されて燃焼ガスを受け取り、該燃焼ガスは、高圧タービンロータブレード（図示せず）の列を通って再配向され、高圧タービンロータブレードの列がディスク及びシャフトを回転させて上流側の圧縮機に動力を供給する。低圧タービン（図示せず）は通常、典型的なターボファン航空機ガスタービンエンジン応用における上流側ファン、又は典型的な海洋及び産業用途において出力シャフトに動力を供給するための追加のエネルギーを抽出するのに使用される。
【００１３】
例示的な燃焼器１０は、環状の半径方向外側ライナ２４と、そこから半径方向内向きに離間した環状の半径方向内側ライナ２６とを含み、これらの間を燃焼ガス２０が流れる環状燃焼室を定めるようになる。２つのライナ２４、２６の上流側端部は、環状ドームによって共に接合され、該ドームには気化器１６が好適に装着される。
【００１４】
２つのライナ２４、２６は、それぞれ凹面状及び凸面状の内側面を有し、これら内側面は、燃焼ガス２０に直面し且つ同様に構成されている。従って、外側ライナ２４の以下の説明は、形成される燃焼室に対して半径方向の外側位置と内側位置が対向していると認識して、内側ライナ２６にも同様に当てはまる。
【００１５】
ライナ２４、２６の特定領域は、例示的なコーティングシステム４０を備えることができる。コーティングシステムの代替の実施形態が、図２〜３のコーティングシステム４０ａ及び４０ｂとしてそれぞれより詳細に例示される。
【００１６】
図２は、燃焼器ライナ２４、２６又は高温環境での使用に適合された他の構成要素を表す基材４２に適用される例示的なコーティングシステム４０ａを示す。基材４２は、任意選択的にボンドコート４４でコーティングすることができる。ボンドコート４４は、例えば、ＭＣｒＡｌＸ（ここで、Ｍは鉄、コバルト、及び／又はニッケル、Ｘはイットリア又は別の希土類もしくは反応性元素などの活性元素）などのオーバレイコーティングを含むことができる。ＭＣｒＡｌＸ材料は、一般に所定の組成に適用され、堆積プロセス中に基材と有意に反応しないので、オーバレイコーティングと呼ばれる。基材４２は、ニッケル基超合金のような超合金材料から構成することができる。
【００１７】
他の例示的な実施形態において、ボンドコート４４は、Ａｌ、ＰｔＡｌ、及び同様のものなどの拡散被覆として当該技術分野で公知であるものを含むことができる。ボンドコートを形成する材料は、所望の組成の稠密で均一な接着コーティングを生成することができるあらゆる好適な技法により施工することができる。このような技法は、限定ではないが、拡散プロセス、低圧プラズマ溶射、空気プラズマ溶射、スパッタリング、陰極アーク、電子ビーム物理蒸着、高速プラズマ溶射法（例えば、ＨＶＯＦ、ＨＶＡＦ）、燃焼プロセス、ワイヤ溶射法、レーザビームクラッディング、電子ビームクラッディング、その他を含むことができる。特定の実施形態において、ボンドコート４４に対してセラミック障壁コーティングの接着を促進するために、所望の表面粗さを示すことが望ましい場合がある。
【００１８】
例示的な実施形態において、基材は、存在する場合にはボンドコートを全体的に覆うセラミックコーティング層４８を備える。セラミック層４８は、当業者には公知であるようなセラミックベースの化合物から形成される。代表的な化合物は、限定ではないが、何れかの安定化ジルコン酸塩、何れかの安定化ハフニウム酸塩、前述の化合物のうちの少なくとも１つを含む組み合わせ、及び同様のものを含む。実施例としては、イットリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、カルシア安定化ハフニウム酸塩、及びマグネシア安定化ハフニウム酸塩が挙げられる。特定の例示的な実施形態は、当該技術分野において「低伝導率ＴＢＣ」と呼ばれるものを含み、これは、ジルコニアに加えて、７ＹＳＺとして商業的に知られた７重量パーセントのイットリアで部分的に安定化され且つジルコニアよりも低い熱伝導率を示す、イットリウム、ガドリウム、イッテルビウム、及び／又はタンタルを含む。
【００１９】
セラミックベースの化合物は、当業者に公知の多くのプロセスを用いて基材に施工することができる。好適な施工プロセスは、限定ではないが、物理蒸着、溶射、スパッタリング、ゾル−ゲル、スラリー、前述の施工プロセスのうちの少なくとも１つを含む組み合わせ、及び同様のものを含む。
【００２０】
電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）を用いた熱障壁コーティングは、柱間に隙間が形成された自立柱状体を示す柱間微細構造を形成することは、当業者には明らかであろう。また、当業者には理解されるように、溶射プロセスを介して施工される熱障壁コーティングは、溶射プロセス中に形成されるスプラット及び微小亀裂に起因して、蛇行した相互連結の多孔性を示す。従って、場合によっては、コーティング層の微細構造に基づいて施工モードを決定することが可能である。
【００２１】
例示的な実施形態において、セラミック層４８は、特にタービンブレードなどの翼形部を有する部品に対してＥＢ−ＰＶＤを用いて施行され、従って、関連する柱間微細構造を示す。別の例示的な実施形態において、セラミック層４８は、特に燃焼器ライナに対して溶射法（例えば、空気プラズマ溶射）を用いて施行され、従って、関連する非柱状の不規則な平坦粒状微細構造を示す。
【００２２】
例示的な実施形態において、コーティングシステム４０ａは、最も外側にあるアルミナ含有層５０を含む。例示的な実施形態において、アルミナ含有層５０は、ＨＶＯＦ法を用いて施行される。他の特定の例示的な実施形態において、最外層５０は、サスペンションプラズマ溶射法又は溶液プラズマ溶射法により設けることができる。例示的な実施形態において、アルミナ含有層５０は、実質的に全てアルミナを含む（重量で約１００％）組成により堆積することができる。例示的な実施形態において、最外層５０は、重量で０よりも多く最大で約５０％までの量のチタニア（ＴｉＯ２）を含み、残部が実質的にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）である。特定の例示的な実施形態は、約３０〜５０重量％のチタニアを含み、残部はアルミナである。本明細書で使用される場合、範囲として表される値は、端点を含めて部分範囲を全て含む。例えば、範囲３０〜５０重量パーセントは、３０％、５０％、及び３０％から５０％の間の値の全ての部分範囲を含む。他の実施形態は、約４０〜５０重量％のチタニアを含み、残部はアルミナである。
【００２３】
例証として、ＨＶＯＦを用いてセラミック層４８上にアルミナ含有層５０を堆積することができる。熱源として、入力ガス、燃料、及びノズル設計により制御される火炎及び熱プルームが挙げられる。酸素及び燃料は高圧で供給され、火炎は音速でノズルから放出されるようにする。アルミナ含有層５０は周囲条件下で堆積することができる。
【００２４】
例示的な実施形態において、ボンドコート４４は、コーティングシステム４０ａ及び詳細にはセラミック層４８を基材４２に接着するのに十分な厚みで設けることができる。例示的な実施形態において、ボンドコート４４は、約１２７ミクロン（５ミル）の公称厚みで設けられる。所望の結果を得るために他のボンドコートの厚みを利用してもよい。本明細書で提供される例示的なコーティングシステムの全てのコーティング層の厚みは、限定としてではなく例証として与えられる。使用する用語「公称厚み」は、堆積される厚みの目標を記載している。実際に堆積される厚みは、受け入れ可能な許容範囲内で変わる可能性がある。
【００２５】
セラミック層４８は、下にある基材４２に対する所望の熱保護をもたらすのに十分な厚みで設けることができる。例示的な実施形態において、セラミック層４８は、公称で約５０８ミクロン（２０ミル）の厚みとすることができる。他の例示的な実施形態において、セラミック層は、本開示の範囲内で保証される状況の場合、５０８ミクロンよりも小さいか又は大きい公称厚みを備えることもできる。
【００２６】
例示的な実施形態において、アルミナ含有層５０は、所望のＣＭＡＳ浸透緩和をもたらすのに十分な厚みで設けることができる。例示的な実施形態において、層５０は、約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有することができる。従って、コーティングシステム４０ａは、約５３３ミクロン（２１ミル）の公称全厚みを有することができる。ボンドコート４４は、約１２７ミクロン（５ミル）の厚みを有することができる。
【００２７】
代替の実施形態は、基材に施工される多層コーティングシステムを含む。一般的に言えば、多層コーティングシステムは、最外のアルミナ含有層に加えて、セラミック層の間に交互に配置された１つ又はそれ以上のアルミナ含有層を含む。多層コーティングシステム４０ｂの１つの特定の実施形態が図３に例証として示される。
【００２８】
図示のように、基材４２は、上記で検討したように、ボンドコート４４を備えることができる。基材４２は、存在する場合にはボンドコート４４の上にあり且つボンドコート４４と接触し、或いはボンドコートが存在しない場合には、基材の上にあり且つ基材と接触する内側セラミック層６０を備える。内側セラミック層６０の組成は、前述のセラミック層４８と同様とすることができる。内側セラミック層６０は、セラミック層４８よりも小さい公称厚みを備えることができる。例示的な実施形態において、内側セラミック層６０は、約３０５ミクロン（１２ミル）の公称厚みを有する。他の例示的な実施形態において、内側セラミック層６０の厚みは、約２０３〜３５５ミクロン（約８〜１４ミル）の間とすることができる。他の例示的な実施形態において、内側セラミック層６０の厚みは、少なくとも約２５４ミクロン（１０ミル）である。内側セラミック層６０は、所望の微細構造及び／又は厚みに応じて、空気プラズマ溶射、ＥＢ−ＰＶＤ、或いは前述の他の堆積法によって堆積することができる。
【００２９】
例示的な実施形態において、多層コーティングシステム４０ｂは、内側セラミック層６０の上にあり且つこれと接触する第１の中間アルミナ含有層６２を含む。例示的な実施形態において、第１の中間アルミナ含有層６２は、上記で説明したアルミナ含有層５０を設ける際に使用した組成と同様の組成で堆積することができる。アルミナ含有層６２は、最大約５０重量％までの何れかの量のチタニアを含むことができ、残部はアルミナである（すなわち、チタニアとアルミナの重量比が最大で１：１である）。例示的な実施形態において、第１の中間アルミナ含有層６２は、約２５ミクロン（１ミル）の公称厚みで設けられる。２５ミクロンよりも大きい又は小さい厚みは、本発明の範囲内で企図される。例示的な実施形態において、アルミナ含有層６２は、ＨＶＯＦ法を用いて設けられる。本明細書で使用されるパーセントは全て、別途指定のない限り「重量」で与えられる。
【００３０】
例示的な実施形態において、第１の中間セラミック層６４は、第１の中間アルミナ含有層６２の上にあり且つこれと接触している。第１の中間セラミック層６４の組成は、内側セラミック層６０と実質的に同様とすることができる。例示的な実施形態において、第１の中間セラミック層６４は、約５１ミクロン（２ミル）の公称厚みで施工される。層６４は、所望の微細構造及び／又は厚みに応じて、空気プラズマ溶射、ＥＢ−ＰＶＤ、又は他の堆積法により堆積させることができる。
【００３１】
例示的な実施形態は、第１の中間セラミック層６４の上にあり且つこれと接触している第２の中間アルミナ含有層６８を含む。層６８は、層６２と同様の組成から形成することができるが、特定の例示的な実施形態において、チタニア／アルミナ比は、層６２のチタニア／アルミナ比よりも高く又は低くすることができる。例示的な実施形態において、第２の中間アルミナ含有層６８は、約５０％のチタニア及び５０％のアルミナを有する組成から形成される。例示的な実施形態において、アルミナ含有層６８は、約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みで設けられる。例示的な実施形態において、層６８はＨＶＯＦ法により提供される。
【００３２】
図３に示す例示的な実施形態は、全体的にアルミナ含有層６８の上にあり且つこれと接触する第２の中間セラミック層７０を含む。例示的な実施形態において、層７０の組成は、層６０及び／又は層６４と実質的に同様とすることができる。別の例示的な実施形態において、層７０は、組成勾配を含む「遷移層」とすることができる。層７０は、溶射プロセスを用いて堆積することができる。他の例示的な実施形態において、層７０は、ＥＢ−ＰＶＤのような物理蒸着プロセスで堆積することができる。特定の例示的な実施形態において、層７０は、層６８及び／又は層６４よりも多孔性であることが有利とすることができる。例示的な実施形態において、層７０は、約５１ミクロン（２ミル）の公称厚みで設けることができる。
【００３３】
例示的な実施形態において、コーティングシステム４０ｂは、外側アルミナ含有層７２を含む。層７２は、アルミナ含有層６２及び／又は層６８を設ける際に使用された組成と同様のコーティング組成により設けることができる。例示的な実施形態において、層７２は、実質的にアルミナ（すなわち、１００重量％）とすることができる。他の例示的な実施形態は、０％よりも多く、最大で約５０重量％までの量のチタニアを含む。例示的な実施形態において、層７２は、約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みで設けられる。本明細書で開示されるコーティング層の何れ厚みも所望の結果を得るために他の公称値で設けることもできる。例示的な実施形態において、最外アルミナ含有層７２は、ＨＶＯＦ法を用いて提供される。
【００３４】
一般に、チタニアは、アルミナ単独と比べて可撓性を向上させるためにコーティング層の弾性を変化させるのに十分な量をアルミナ含有層に添加することができる。チタニアの添加は、アルミナ層によって実現されるＣＭＡＳ浸透緩和を損なうものではない。
【００３５】
更に別の代替の実施形態において、本明細書で開示されるアルミナ含有層（例えば、アルミナ又はアルミナ／チタニア）は、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、又は高速空気プラズマ溶射法を用いて堆積することができる。堆積直後の微細構造のようなコーティング層の特定の性質は、堆積法の徴候となることができる。
【００３６】
本明細書で開示される熱障壁コーティング層の何れかは、ジルコニアに加えて、イットリウム、ガドリウム、イッテルビウム、及び／又はタンタルの酸化物を含む、いわゆる低伝導性の熱障壁組成を含むことができる。
【００３７】
加えて、この組成を供用する前にアルミナ含有層の相変態、従って体積変化を制御することが有利とすることができる。従って、コーティング製品は、実質的に全てのアルミナがαアルミナに確実に転化されるように、１つ又はそれ以上の適切な熱処理に曝される場合がある。例示的な熱処理は、どのような粉体を堆積させることもなく溶射設備を１又はそれ以上移動させることを含むことができる。或いは、構成部品を約２０００〜２２００°Ｆの範囲の温度で約１〜４時間の間炉内で真空熱処理することができる。例示的な実施形態は、（例えば、多層コーティングシステムにおいて）アルミナ含有層の各堆積の後に相安定化熱処理を含むことができ、或いは、単一の相安定化熱処理を利用してもよい。
【００３８】
図４は、例示的なプロセスの概要を示している。例示的なプロセスにおいて、基材が提供される（ステップ１００）。例示的な基材は、燃焼器ライナ、翼形部、又は高温環境で使用する他の構成要素を含むことができる。基材は、ニッケル基調合期などの超合金を含むことができる。基材の一部は、任意選択のボンドコートを備えることができる（ステップ１１０）。好適なボンドコートは、オーバレイボンドコート（例えば、ＭＣｒＡｌＸ）及び拡散ボンドコート（例えば、アルミナイドタイプのボンドコート）を含む。例示的なプロセスにおいて、第１のセラミック層が、ボンドコート上に、或いはボンドコートがない場合には基材上に堆積される（ステップ１２０）。第１のセラミック層を提供するのに使用されるプロセスは、上記でより完全に説明されたように、所望の微細構造及び／又は基材タイプによって決まることができる。
【００３９】
例示的なプロセスにおいて、最外のアルミニウム含有層が提供される（ステップ１３０）。最外アルミニウム含有層は、実質的に全てアルミニウムとすることができ、或いは、最大で約５０重量％までのチタニアを含むことができる。
【００４０】
例示的なプロセスにおいて、任意選択的に、図４の破線のボックスで示されるように、追加の層を設けることができる（ステップ１４０）。追加の層を設けるステップは、ステップ１３０において最外アルミニウム含有層を設ける前に、追加のアルミナ含有層を堆積すること（ステップ１５０）、及び追加のセラミック層を堆積すること（ステップ１６０）を含むことができる。中間層はまた、アルミナ及び／又はアルミナ／チタニア及びセラミック材料で傾斜組成にすることができる。例示的な実施形態において、傾斜組成層は、セラミック層の境界付近でより高いセラミック含有量を含み、層の厚みに伴ってアルミナ又はアルミナ／チタニア含有量が漸次的に増大することができる。
【００４１】
上記で検討したように、例示的なプロセスは更に、堆積直後のアルミナを安定α−アルミナ形態に転化するための１つ又はそれ以上の層安定化熱処理を含むことができる。
【実施例１】
【００４２】
基材上（又はボンドコートされた基材上）の多層コーティングシステムは、約１２７〜約２５４ミクロン（約５〜約１０ミル）の厚みを有するイットリア安定化ジルコニアから実質的になる内側セラミック層を含む。内側層の上にある第１の中間アルミナ含有層は、アルミナから、或いは、アルミナと、ＨＶＯＦ法により約２５〜約５１ミクロン（約１〜２ミル）の厚みに堆積された最大で約５０重量％までのチタニアとから実質的になる。る第１の中間アルミナ含有層の上にある第１の中間セラミック層は、約１２７〜約２５４ミクロン（約５〜約１０ミル）の厚みを有するイットリア安定化ジルコニアから実質的になる。第１の中間セラミック層の上にある最外アルミナ含有層は、アルミナから、或いは、アルミナと、ＨＶＯＦ法を利用して約２５〜約５１ミクロン（約１〜２ミル）の厚みに堆積された最大で約５０重量％までのチタニアとから実質的になる。
【実施例２】
【００４３】
基材上（又はボンドコートされた基材上）の多層コーティングシステムは、約１２７〜約２５４ミクロン（約５〜約１０ミル）の厚みを有するイットリア安定化ジルコニアから実質的になる内側セラミック層を含む。内側セラミック層の上にある第１の中間アルミナ含有層は、約１２７〜約２５４ミクロン（約５〜約１０ミル）の厚みを有し、５０重量％のアルミナ（又は、アルミナ／チタニア）と、残部がイットリア安定化ジルコニアであり、中間アルミナ含有層においてアルミナ（又は、アルミナ／チタニア）の含有量が増大する、空気プラズマ溶射により漸変された層を含む。最外アルミナ又はアルミナ／チタニア層は、ＨＶＯＦ法を用いて約２５〜約５１ミクロン（約１〜１ミル）に施工される。
【００４４】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、本発明を当業者が実施及び利用することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４５】
４０ａ コーティングシステム
４２ 基材
４４ ボンドコート
４８ セラミックコーティング層
５０ アルミナ含有層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、ガスタービンエンジンの過酷な熱環境のような高温に曝される構成要素のためのコーティングシステム、並びにこのようなコーティングシステムでコーティングされた製品に関する。より詳細には、本発明は、セラミック熱障壁コーティング層の上に施工されたアルミナ含有層を備えたコーティングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン効率は、燃焼ガスの温度に直接関連性がある。過酷な環境に曝されるこのような構成要素において、高い温度性能の超合金金属を利用することができる。例えば、燃焼器ライナは、ニッケル基超合金から構成することができる。従来、燃焼器ライナは、その内側面を燃焼障壁コーティング（ＴＢＣ）で覆うことによって高温燃焼から保護することができる。従来の熱障壁コーティングは、高温燃焼ガスに直面する燃焼器ライナの内側面に断熱材をもたらすセラミック材料を含む。燃焼器ライナは、熱的保護の改善が求められている過酷な熱条件に曝される幾つかのタイプの構成要素の例証に過ぎない。
【０００３】
セラミック材料及び特にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、温度性能が高く、熱伝導率が低く、及びプラズマ溶射、フレーム溶射、及び物理蒸着（ＰＶＤ）法による堆積が比較的容易であることに起因して、ＴＢＣ材料として広く使用されている。空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）は、設備コストが比較的少なく、施工及びマスキングが容易であるといった利点があるが、ガスタービンエンジンの最も高い温度領域で利用されるＴＢＣは、歪み耐性の柱状粒子構造をもたらすＰＶＤ、特に電子ビームＰＶＤ（ＥＢＰＶＤ）によって堆積されることが多い。
【０００４】
ＴＢＣシステムの耐用年数は、通常、熱疲労によって引き起こされる剥離事象により制限される。剥離は、セラミックＴＢＣと金属基材との間のＣＴＥの不一致に加え、ガスタービンエンジン運転中にＴＢＣ上に形成される堆積物によりＴＢＣ構造体が高密度になる結果として生じる可能性がある。これらの堆積物は、カルシア、マグネシア、アルミナ、及びシリカのような酸化物を含み、これらが高温で存在するときには、本明細書でＣＭＡＳと呼ばれる化合物を形成する点に留意されたい。ＣＭＡＳは、比較的低い共晶融点（約１１９０℃）を有し、溶融時にはＴＢＣの高温領域に浸透する可能性があり、該高温領域で冷却中に再固化する。温度サイクル中、ＣＭＡＳとＴＢＣとのＣＴＥの不一致は剥離を促進させる。ＴＢＣが失われると、下にある基材に対する温度曝露がより高温になり、酸化が加速され、クリープ及び低サイクル疲労性能が不十分になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＭＡＳ浸透によって引き起こされる損傷の予防を更に改善することが継続的に求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の要求は、高温で過酷な気候において利用される構成要素に対してコーティングシステムを提供する例示的な実施形態によって対処することができる。保護される構成要素は、ガスタービンエンジンの高温セクションのような高温環境で使用するのに好適とすることができる。例示的な実施形態は、ＣＭＡＳ浸透の作用を阻止又は緩和するのに特に有効とすることができる。
【０００７】
例示的な実施形態は、基材の少なくとも一部上にある任意選択のボンドコートと、ボンドコートの上又は該ボンドコートがない場合には基材上にあるコーティングとを含む。本コーティングは、内側セラミック層と、該内側セラミック層の外側にある外側アルミナ含有層とを含み、外側アルミナ含有層が、０％よりも多く且つ最大で約５０重量％までの量のチタニアを含む。内側セラミック層は、溶射法、物理蒸着法、及びサスペンションプラズマ溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す。外側アルミナ含有層は、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、及び高速酸素燃料溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す。
【０００８】
別の例示的な実施形態は、基材と、基材の少なくとも一部上にある任意選択のボンドコートと、ボンドコートの少なくとも一部の上又は該ボンドコートがない場合に基材の少なくとも一部の上にあるコーティングと、を含む。例示的なコーティングは、内側セラミック層と該内側セラミック層の外側にある外側アルミナ含有層とを含み、前記外側アルミナ含有層が、０％よりも多く且つ最大で約５０重量％までの量のチタニアを含む。例示的な実施形態において、内側セラミック層が、溶射法、物理蒸着法、及びサスペンションプラズマ溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示し、外側アルミナ含有層が、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、及び高速酸素燃料溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す。
【０００９】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。しかしながら、本発明は、添付図面と共に以下の説明を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】
【００１０】
【図１】ガスタービンエンジンにおける例示的な環状燃焼器の一部の軸方向断面図。
【図２】本明細書で開示される例示的なコーティングシステムでコーティングされた製品の図。
【図３】本明細書で開示される代替の例示的なコーティングシステムでコーティングされた製品の図。
【図４】本明細書で開示される例示的プロセスを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
種々の図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表す図面を参照すると、図１は、長手方向又は軸方向中心軸線１２の周りで軸対称である環状燃焼器１０を示す。燃焼器は、運転中に空気１４を加圧するよう構成された多段軸流圧縮機（図示せず）を有するガスタービンエンジンに好適に装着される。気化器１６の列が、燃焼器内に燃料を導入し、該燃焼器が点火されて高温の燃焼ガス２０を発生し、該燃焼ガスが下流側に流れる。
【００１２】
高圧タービンのタービンノズル２２は、燃焼器の外側端部に配置されて燃焼ガスを受け取り、該燃焼ガスは、高圧タービンロータブレード（図示せず）の列を通って再配向され、高圧タービンロータブレードの列がディスク及びシャフトを回転させて上流側の圧縮機に動力を供給する。低圧タービン（図示せず）は通常、典型的なターボファン航空機ガスタービンエンジン応用における上流側ファン、又は典型的な海洋及び産業用途において出力シャフトに動力を供給するための追加のエネルギーを抽出するのに使用される。
【００１３】
例示的な燃焼器１０は、環状の半径方向外側ライナ２４と、そこから半径方向内向きに離間した環状の半径方向内側ライナ２６とを含み、これらの間を燃焼ガス２０が流れる環状燃焼室を定めるようになる。２つのライナ２４、２６の上流側端部は、環状ドームによって共に接合され、該ドームには気化器１６が好適に装着される。
【００１４】
２つのライナ２４、２６は、それぞれ凹面状及び凸面状の内側面を有し、これら内側面は、燃焼ガス２０に直面し且つ同様に構成されている。従って、外側ライナ２４の以下の説明は、形成される燃焼室に対して半径方向の外側位置と内側位置が対向していると認識して、内側ライナ２６にも同様に当てはまる。
【００１５】
ライナ２４、２６の特定領域は、例示的なコーティングシステム４０を備えることができる。コーティングシステムの代替の実施形態が、図２〜３のコーティングシステム４０ａ及び４０ｂとしてそれぞれより詳細に例示される。
【００１６】
図２は、燃焼器ライナ２４、２６又は高温環境での使用に適合された他の構成要素を表す基材４２に適用される例示的なコーティングシステム４０ａを示す。基材４２は、任意選択的にボンドコート４４でコーティングすることができる。ボンドコート４４は、例えば、ＭＣｒＡｌＸ（ここで、Ｍは鉄、コバルト、及び／又はニッケル、Ｘはイットリア又は別の希土類もしくは反応性元素などの活性元素）などのオーバレイコーティングを含むことができる。ＭＣｒＡｌＸ材料は、一般に所定の組成に適用され、堆積プロセス中に基材と有意に反応しないので、オーバレイコーティングと呼ばれる。基材４２は、ニッケル基超合金のような超合金材料から構成することができる。
【００１７】
他の例示的な実施形態において、ボンドコート４４は、Ａｌ、ＰｔＡｌ、及び同様のものなどの拡散被覆として当該技術分野で公知であるものを含むことができる。ボンドコートを形成する材料は、所望の組成の稠密で均一な接着コーティングを生成することができるあらゆる好適な技法により施工することができる。このような技法は、限定ではないが、拡散プロセス、低圧プラズマ溶射、空気プラズマ溶射、スパッタリング、陰極アーク、電子ビーム物理蒸着、高速プラズマ溶射法（例えば、ＨＶＯＦ、ＨＶＡＦ）、燃焼プロセス、ワイヤ溶射法、レーザビームクラッディング、電子ビームクラッディング、その他を含むことができる。特定の実施形態において、ボンドコート４４に対してセラミック障壁コーティングの接着を促進するために、所望の表面粗さを示すことが望ましい場合がある。
【００１８】
例示的な実施形態において、基材は、存在する場合にはボンドコートを全体的に覆うセラミックコーティング層４８を備える。セラミック層４８は、当業者には公知であるようなセラミックベースの化合物から形成される。代表的な化合物は、限定ではないが、何れかの安定化ジルコン酸塩、何れかの安定化ハフニウム酸塩、前述の化合物のうちの少なくとも１つを含む組み合わせ、及び同様のものを含む。実施例としては、イットリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、カルシア安定化ハフニウム酸塩、及びマグネシア安定化ハフニウム酸塩が挙げられる。特定の例示的な実施形態は、当該技術分野において「低伝導率ＴＢＣ」と呼ばれるものを含み、これは、ジルコニアに加えて、７ＹＳＺとして商業的に知られた７重量パーセントのイットリアで部分的に安定化され且つジルコニアよりも低い熱伝導率を示す、イットリウム、ガドリウム、イッテルビウム、及び／又はタンタルを含む。
【００１９】
セラミックベースの化合物は、当業者に公知の多くのプロセスを用いて基材に施工することができる。好適な施工プロセスは、限定ではないが、物理蒸着、溶射、スパッタリング、ゾル−ゲル、スラリー、前述の施工プロセスのうちの少なくとも１つを含む組み合わせ、及び同様のものを含む。
【００２０】
電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）を用いた熱障壁コーティングは、柱間に隙間が形成された自立柱状体を示す柱間微細構造を形成することは、当業者には明らかであろう。また、当業者には理解されるように、溶射プロセスを介して施工される熱障壁コーティングは、溶射プロセス中に形成されるスプラット及び微小亀裂に起因して、蛇行した相互連結の多孔性を示す。従って、場合によっては、コーティング層の微細構造に基づいて施工モードを決定することが可能である。
【００２１】
例示的な実施形態において、セラミック層４８は、特にタービンブレードなどの翼形部を有する部品に対してＥＢ−ＰＶＤを用いて施行され、従って、関連する柱間微細構造を示す。別の例示的な実施形態において、セラミック層４８は、特に燃焼器ライナに対して溶射法（例えば、空気プラズマ溶射）を用いて施行され、従って、関連する非柱状の不規則な平坦粒状微細構造を示す。
【００２２】
例示的な実施形態において、コーティングシステム４０ａは、最も外側にあるアルミナ含有層５０を含む。例示的な実施形態において、アルミナ含有層５０は、ＨＶＯＦ法を用いて施行される。他の特定の例示的な実施形態において、最外層５０は、サスペンションプラズマ溶射法又は溶液プラズマ溶射法により設けることができる。例示的な実施形態において、アルミナ含有層５０は、実質的に全てアルミナを含む（重量で約１００％）組成により堆積することができる。例示的な実施形態において、最外層５０は、重量で０よりも多く最大で約５０％までの量のチタニア（ＴｉＯ２）を含み、残部が実質的にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）である。特定の例示的な実施形態は、約３０〜５０重量％のチタニアを含み、残部はアルミナである。本明細書で使用される場合、範囲として表される値は、端点を含めて部分範囲を全て含む。例えば、範囲３０〜５０重量パーセントは、３０％、５０％、及び３０％から５０％の間の値の全ての部分範囲を含む。他の実施形態は、約４０〜５０重量％のチタニアを含み、残部はアルミナである。
【００２３】
例証として、ＨＶＯＦを用いてセラミック層４８上にアルミナ含有層５０を堆積することができる。熱源として、入力ガス、燃料、及びノズル設計により制御される火炎及び熱プルームが挙げられる。酸素及び燃料は高圧で供給され、火炎は音速でノズルから放出されるようにする。アルミナ含有層５０は周囲条件下で堆積することができる。
【００２４】
例示的な実施形態において、ボンドコート４４は、コーティングシステム４０ａ及び詳細にはセラミック層４８を基材４２に接着するのに十分な厚みで設けることができる。例示的な実施形態において、ボンドコート４４は、約１２７ミクロン（５ミル）の公称厚みで設けられる。所望の結果を得るために他のボンドコートの厚みを利用してもよい。本明細書で提供される例示的なコーティングシステムの全てのコーティング層の厚みは、限定としてではなく例証として与えられる。使用する用語「公称厚み」は、堆積される厚みの目標を記載している。実際に堆積される厚みは、受け入れ可能な許容範囲内で変わる可能性がある。
【００２５】
セラミック層４８は、下にある基材４２に対する所望の熱保護をもたらすのに十分な厚みで設けることができる。例示的な実施形態において、セラミック層４８は、公称で約５０８ミクロン（２０ミル）の厚みとすることができる。他の例示的な実施形態において、セラミック層は、本開示の範囲内で保証される状況の場合、５０８ミクロンよりも小さいか又は大きい公称厚みを備えることもできる。
【００２６】
例示的な実施形態において、アルミナ含有層５０は、所望のＣＭＡＳ浸透緩和をもたらすのに十分な厚みで設けることができる。例示的な実施形態において、層５０は、約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有することができる。従って、コーティングシステム４０ａは、約５３３ミクロン（２１ミル）の公称全厚みを有することができる。ボンドコート４４は、約１２７ミクロン（５ミル）の厚みを有することができる。
【００２７】
代替の実施形態は、基材に施工される多層コーティングシステムを含む。一般的に言えば、多層コーティングシステムは、最外のアルミナ含有層に加えて、セラミック層の間に交互に配置された１つ又はそれ以上のアルミナ含有層を含む。多層コーティングシステム４０ｂの１つの特定の実施形態が図３に例証として示される。
【００２８】
図示のように、基材４２は、上記で検討したように、ボンドコート４４を備えることができる。基材４２は、存在する場合にはボンドコート４４の上にあり且つボンドコート４４と接触し、或いはボンドコートが存在しない場合には、基材の上にあり且つ基材と接触する内側セラミック層６０を備える。内側セラミック層６０の組成は、前述のセラミック層４８と同様とすることができる。内側セラミック層６０は、セラミック層４８よりも小さい公称厚みを備えることができる。例示的な実施形態において、内側セラミック層６０は、約３０５ミクロン（１２ミル）の公称厚みを有する。他の例示的な実施形態において、内側セラミック層６０の厚みは、約２０３〜３５５ミクロン（約８〜１４ミル）の間とすることができる。他の例示的な実施形態において、内側セラミック層６０の厚みは、少なくとも約２５４ミクロン（１０ミル）である。内側セラミック層６０は、所望の微細構造及び／又は厚みに応じて、空気プラズマ溶射、ＥＢ−ＰＶＤ、或いは前述の他の堆積法によって堆積することができる。
【００２９】
例示的な実施形態において、多層コーティングシステム４０ｂは、内側セラミック層６０の上にあり且つこれと接触する第１の中間アルミナ含有層６２を含む。例示的な実施形態において、第１の中間アルミナ含有層６２は、上記で説明したアルミナ含有層５０を設ける際に使用した組成と同様の組成で堆積することができる。アルミナ含有層６２は、最大約５０重量％までの何れかの量のチタニアを含むことができ、残部はアルミナである（すなわち、チタニアとアルミナの重量比が最大で１：１である）。例示的な実施形態において、第１の中間アルミナ含有層６２は、約２５ミクロン（１ミル）の公称厚みで設けられる。２５ミクロンよりも大きい又は小さい厚みは、本発明の範囲内で企図される。例示的な実施形態において、アルミナ含有層６２は、ＨＶＯＦ法を用いて設けられる。本明細書で使用されるパーセントは全て、別途指定のない限り「重量」で与えられる。
【００３０】
例示的な実施形態において、第１の中間セラミック層６４は、第１の中間アルミナ含有層６２の上にあり且つこれと接触している。第１の中間セラミック層６４の組成は、内側セラミック層６０と実質的に同様とすることができる。例示的な実施形態において、第１の中間セラミック層６４は、約５１ミクロン（２ミル）の公称厚みで施工される。層６４は、所望の微細構造及び／又は厚みに応じて、空気プラズマ溶射、ＥＢ−ＰＶＤ、又は他の堆積法により堆積させることができる。
【００３１】
例示的な実施形態は、第１の中間セラミック層６４の上にあり且つこれと接触している第２の中間アルミナ含有層６８を含む。層６８は、層６２と同様の組成から形成することができるが、特定の例示的な実施形態において、チタニア／アルミナ比は、層６２のチタニア／アルミナ比よりも高く又は低くすることができる。例示的な実施形態において、第２の中間アルミナ含有層６８は、約５０％のチタニア及び５０％のアルミナを有する組成から形成される。例示的な実施形態において、アルミナ含有層６８は、約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みで設けられる。例示的な実施形態において、層６８はＨＶＯＦ法により提供される。
【００３２】
図３に示す例示的な実施形態は、全体的にアルミナ含有層６８の上にあり且つこれと接触する第２の中間セラミック層７０を含む。例示的な実施形態において、層７０の組成は、層６０及び／又は層６４と実質的に同様とすることができる。別の例示的な実施形態において、層７０は、組成勾配を含む「遷移層」とすることができる。層７０は、溶射プロセスを用いて堆積することができる。他の例示的な実施形態において、層７０は、ＥＢ−ＰＶＤのような物理蒸着プロセスで堆積することができる。特定の例示的な実施形態において、層７０は、層６８及び／又は層６４よりも多孔性であることが有利とすることができる。例示的な実施形態において、層７０は、約５１ミクロン（２ミル）の公称厚みで設けることができる。
【００３３】
例示的な実施形態において、コーティングシステム４０ｂは、外側アルミナ含有層７２を含む。層７２は、アルミナ含有層６２及び／又は層６８を設ける際に使用された組成と同様のコーティング組成により設けることができる。例示的な実施形態において、層７２は、実質的にアルミナ（すなわち、１００重量％）とすることができる。他の例示的な実施形態は、０％よりも多く、最大で約５０重量％までの量のチタニアを含む。例示的な実施形態において、層７２は、約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みで設けられる。本明細書で開示されるコーティング層の何れ厚みも所望の結果を得るために他の公称値で設けることもできる。例示的な実施形態において、最外アルミナ含有層７２は、ＨＶＯＦ法を用いて提供される。
【００３４】
一般に、チタニアは、アルミナ単独と比べて可撓性を向上させるためにコーティング層の弾性を変化させるのに十分な量をアルミナ含有層に添加することができる。チタニアの添加は、アルミナ層によって実現されるＣＭＡＳ浸透緩和を損なうものではない。
【００３５】
更に別の代替の実施形態において、本明細書で開示されるアルミナ含有層（例えば、アルミナ又はアルミナ／チタニア）は、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、又は高速空気プラズマ溶射法を用いて堆積することができる。堆積直後の微細構造のようなコーティング層の特定の性質は、堆積法の徴候となることができる。
【００３６】
本明細書で開示される熱障壁コーティング層の何れかは、ジルコニアに加えて、イットリウム、ガドリウム、イッテルビウム、及び／又はタンタルの酸化物を含む、いわゆる低伝導性の熱障壁組成を含むことができる。
【００３７】
加えて、この組成を供用する前にアルミナ含有層の相変態、従って体積変化を制御することが有利とすることができる。従って、コーティング製品は、実質的に全てのアルミナがαアルミナに確実に転化されるように、１つ又はそれ以上の適切な熱処理に曝される場合がある。例示的な熱処理は、どのような粉体を堆積させることもなく溶射設備を１又はそれ以上移動させることを含むことができる。或いは、構成部品を約２０００〜２２００°Ｆの範囲の温度で約１〜４時間の間炉内で真空熱処理することができる。例示的な実施形態は、（例えば、多層コーティングシステムにおいて）アルミナ含有層の各堆積の後に相安定化熱処理を含むことができ、或いは、単一の相安定化熱処理を利用してもよい。
【００３８】
図４は、例示的なプロセスの概要を示している。例示的なプロセスにおいて、基材が提供される（ステップ１００）。例示的な基材は、燃焼器ライナ、翼形部、又は高温環境で使用する他の構成要素を含むことができる。基材は、ニッケル基調合期などの超合金を含むことができる。基材の一部は、任意選択のボンドコートを備えることができる（ステップ１１０）。好適なボンドコートは、オーバレイボンドコート（例えば、ＭＣｒＡｌＸ）及び拡散ボンドコート（例えば、アルミナイドタイプのボンドコート）を含む。例示的なプロセスにおいて、第１のセラミック層が、ボンドコート上に、或いはボンドコートがない場合には基材上に堆積される（ステップ１２０）。第１のセラミック層を提供するのに使用されるプロセスは、上記でより完全に説明されたように、所望の微細構造及び／又は基材タイプによって決まることができる。
【００３９】
例示的なプロセスにおいて、最外のアルミニウム含有層が提供される（ステップ１３０）。最外アルミニウム含有層は、実質的に全てアルミニウムとすることができ、或いは、最大で約５０重量％までのチタニアを含むことができる。
【００４０】
例示的なプロセスにおいて、任意選択的に、図４の破線のボックスで示されるように、追加の層を設けることができる（ステップ１４０）。追加の層を設けるステップは、ステップ１３０において最外アルミニウム含有層を設ける前に、追加のアルミナ含有層を堆積すること（ステップ１５０）、及び追加のセラミック層を堆積すること（ステップ１６０）を含むことができる。中間層はまた、アルミナ及び／又はアルミナ／チタニア及びセラミック材料で傾斜組成にすることができる。例示的な実施形態において、傾斜組成層は、セラミック層の境界付近でより高いセラミック含有量を含み、層の厚みに伴ってアルミナ又はアルミナ／チタニア含有量が漸次的に増大することができる。
【００４１】
上記で検討したように、例示的なプロセスは更に、堆積直後のアルミナを安定α−アルミナ形態に転化するための１つ又はそれ以上の層安定化熱処理を含むことができる。
【実施例１】
【００４２】
基材上（又はボンドコートされた基材上）の多層コーティングシステムは、約１２７〜約２５４ミクロン（約５〜約１０ミル）の厚みを有するイットリア安定化ジルコニアから実質的になる内側セラミック層を含む。内側層の上にある第１の中間アルミナ含有層は、アルミナから、或いは、アルミナと、ＨＶＯＦ法により約２５〜約５１ミクロン（約１〜２ミル）の厚みに堆積された最大で約５０重量％までのチタニアとから実質的になる。る第１の中間アルミナ含有層の上にある第１の中間セラミック層は、約１２７〜約２５４ミクロン（約５〜約１０ミル）の厚みを有するイットリア安定化ジルコニアから実質的になる。第１の中間セラミック層の上にある最外アルミナ含有層は、アルミナから、或いは、アルミナと、ＨＶＯＦ法を利用して約２５〜約５１ミクロン（約１〜２ミル）の厚みに堆積された最大で約５０重量％までのチタニアとから実質的になる。
【実施例２】
【００４３】
基材上（又はボンドコートされた基材上）の多層コーティングシステムは、約１２７〜約２５４ミクロン（約５〜約１０ミル）の厚みを有するイットリア安定化ジルコニアから実質的になる内側セラミック層を含む。内側セラミック層の上にある第１の中間アルミナ含有層は、約１２７〜約２５４ミクロン（約５〜約１０ミル）の厚みを有し、５０重量％のアルミナ（又は、アルミナ／チタニア）と、残部がイットリア安定化ジルコニアであり、中間アルミナ含有層においてアルミナ（又は、アルミナ／チタニア）の含有量が増大する、空気プラズマ溶射により漸変された層を含む。最外アルミナ又はアルミナ／チタニア層は、ＨＶＯＦ法を用いて約２５〜約５１ミクロン（約１〜１ミル）に施工される。
【００４４】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、本発明を当業者が実施及び利用することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４５】
４０ａ コーティングシステム
４２ 基材
４４ ボンドコート
４８ セラミックコーティング層
５０ アルミナ含有層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の少なくとも一部上にある任意選択のボンドコートと、
前記ボンドコートの上又は該ボンドコートがない場合には前記基材の上にあるコーティングと、
を備え、前記コーティングが、内側セラミック層と該内側セラミック層の外側にある外側アルミナ含有層とを含み、前記外側アルミナ含有層が、０％よりも多く且つ最大で約５０重量％までの量のチタニアを含み、前記内側セラミック層が、溶射法、物理蒸着法、及びサスペンションプラズマ溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示し、前記外側アルミナ含有層が、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、及び高速酸素燃料溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す、コーティングシステム。
【請求項２】
前記外側アルミナ含有層においてアルミナの実質的に全てが、αアルミナ形態で存在する、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項３】
前記内側セラミック層と前記外側アルミナ含有層との間に配置され、実質的に全てアルミナから又はチタニアが最大で約５０重量％までのアルミナ／チタニアから構成される第１の中間アルミナ含有層と、
前記第１の中間アルミナ含有層と前記外側アルミナ含有層との間に配置される第１の中間セラミック層と、
を更に備える、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項４】
前記内側セラミック層と前記外側アルミナ含有層との間に配置され、セラミック組成及びアルミナ含有組成の組成勾配から構成される第１の中間アルミナ含有層を更に備え、該セラミック組成が前記第１の中間アルミナ含有層と前記内側セラミック層との境界付近でより高くなり、
前記コーティングシステムが更に、
前記第１の中間アルミナ含有層と前記外側アルミナ含有層との間に配置される第１の中間セラミック層を備える、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項５】
前記内側セラミック層が、イットリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、イットリア安定化ハフニア、カルシア安定化ハフニア、マグネシア安定化ハフニア、及びこれらの組み合わせからなる群の少なくとも１つの一種を含む、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項６】
前記内側セラミック層が、７ＹＳＺよりも低い熱伝導性を有する低伝導率の熱障壁コーティング組成を含む、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項７】
前記内側セラミック層が最大で約５０８ミクロン（約２０ミル）までの公称厚みを有し、前記外側アルミナ含有層が、約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有する、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項８】
前記ボンドコートが、最大で約１２７ミクロン（約５ミル）までの公称厚みを有する、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項９】
前記ボンドコートが、ＭＣｒＡｌＸオーバーコーティングを含み、ここで、Ｍは鉄、コバルト、及び／又はニッケル、Ｘは活性元素である、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項１０】
前記内側セラミック層が、約３０５〜約５０８ミクロン（約１２〜約２０ミル）の公称厚みを有し、前記外側アルミナ含有層が約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有する、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項１１】
前記内側セラミック層が、約３０５〜約５０８ミクロン（約１２〜約２０ミル）の公称厚みを有し、前記外側アルミナ含有層が約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有し、前記第１の中間アルミナ含有層が最大で約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有する、請求項３に記載のコーティングシステム。
【請求項１２】
コーティングシステムであって、
金属基材の少なくとも一部の上のボンドコートと、
前記ボンドコートの上にあるコーティングと、
を備え、前記コーティングが、
前記ボンドコートの上にあり且つ接触している内側セラミック層と、
前記内側セラミック層の上にあり且つ接触している第１の中間アルミナ含有層と、
前記第１の中間アルミナ含有層の上にあり且つ接触している第１の中間セラミック層と、
前記第１の中間セラミック層の上にあり且つ接触している外側アルミナ含有層と、
を含み、前記外側アルミナ含有層が、０％よりも多く且つ最大で約５０重量％までの量のチタニアを含み、前記内側セラミック層が、溶射法、物理蒸着法、及びサスペンションプラズマ溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示し、前記外側アルミナ含有層が、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、及び高速酸素燃料溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す、コーティングシステム。
【請求項１３】
前記外側アルミナ含有層においてアルミナの実質的に全てが、αアルミナ形態で存在する、請求項１２に記載のコーティングシステム。
【請求項１４】
コーティングされた製品であって、
基材と、
前記基材の少なくとも一部上にある任意選択のボンドコートと、
前記ボンドコートの上又は該ボンドコートがない場合には前記基材の少なくとも一部の上にあるコーティングと、
を備え、前記コーティングが、内側セラミック層と該内側セラミック層の外側にある外側アルミナ含有層とを含み、前記外側アルミナ含有層が、０％よりも多く且つ最大で約５０重量％までの量のチタニアを含み、前記内側セラミック層が、溶射法、物理蒸着法、及びサスペンションプラズマ溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示し、前記外側アルミナ含有層が、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、及び高速酸素燃料溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す、コーティングされた製品。
【請求項１５】
前記外側アルミナ含有層においてアルミナの実質的に全てが、αアルミナ形態で存在する、請求項１４に記載のコーティングされた製品。
【請求項１６】
前記内側セラミック層と前記外側アルミナ含有層との間に配置され、実質的に全てアルミナから、又はチタニアが最大で約５０重量％までのアルミナ／チタニアから構成される第１の中間アルミナ含有層と、
前記第１の中間アルミナ含有層と前記外側アルミナ含有層との間に配置される第１の中間セラミック層と、
を更に備える、請求項１４に記載のコーティングされた製品。
【請求項１７】
前記内側セラミック層と前記外側アルミナ含有層との間に配置され、セラミック組成及びアルミナ含有組成の組成勾配から構成される第１の中間アルミナ含有層を更に備え、該セラミック組成が前記第１の中間アルミナ含有層と前記内側セラミック層との境界付近でより高くなり、
前記コーティングシステムが更に、
前記第１の中間アルミナ含有層と前記外側アルミナ含有層との間に配置される第１の中間セラミック層を備える、請求項１４に記載のコーティングされた製品。
【請求項１８】
前記内側セラミック層が最大で約５０８ミクロン（約２０ミル）までの公称厚みを有し、前記外側アルミナ含有層が、約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有する、請求項１に記載のコーティングされた製品。
【請求項１９】
前記内側セラミック層が、約３０５〜約５０８ミクロン（約１２〜約２０ミル）の公称厚みを有し、前記外側アルミナ含有層が約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有する、請求項１に記載のコーティングされた製品。
【請求項２０】
前記内側セラミック層が、約３０５〜約５０８ミクロン（約１２〜約２０ミル）の公称厚みを有し、前記外側アルミナ含有層が約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有し、前記第１の中間アルミナ含有層が最大で約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有する、請求項２に記載のコーティングされた製品。
【請求項１】
基材の少なくとも一部上にある任意選択のボンドコートと、
前記ボンドコートの上又は該ボンドコートがない場合には前記基材の上にあるコーティングと、
を備え、前記コーティングが、内側セラミック層と該内側セラミック層の外側にある外側アルミナ含有層とを含み、前記外側アルミナ含有層が、０％よりも多く且つ最大で約５０重量％までの量のチタニアを含み、前記内側セラミック層が、溶射法、物理蒸着法、及びサスペンションプラズマ溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示し、前記外側アルミナ含有層が、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、及び高速酸素燃料溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す、コーティングシステム。
【請求項２】
前記外側アルミナ含有層においてアルミナの実質的に全てが、αアルミナ形態で存在する、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項３】
前記内側セラミック層と前記外側アルミナ含有層との間に配置され、実質的に全てアルミナから又はチタニアが最大で約５０重量％までのアルミナ／チタニアから構成される第１の中間アルミナ含有層と、
前記第１の中間アルミナ含有層と前記外側アルミナ含有層との間に配置される第１の中間セラミック層と、
を更に備える、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項４】
前記内側セラミック層と前記外側アルミナ含有層との間に配置され、セラミック組成及びアルミナ含有組成の組成勾配から構成される第１の中間アルミナ含有層を更に備え、該セラミック組成が前記第１の中間アルミナ含有層と前記内側セラミック層との境界付近でより高くなり、
前記コーティングシステムが更に、
前記第１の中間アルミナ含有層と前記外側アルミナ含有層との間に配置される第１の中間セラミック層を備える、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項５】
前記内側セラミック層が、イットリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、イットリア安定化ハフニア、カルシア安定化ハフニア、マグネシア安定化ハフニア、及びこれらの組み合わせからなる群の少なくとも１つの一種を含む、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項６】
前記内側セラミック層が、７ＹＳＺよりも低い熱伝導性を有する低伝導率の熱障壁コーティング組成を含む、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項７】
前記内側セラミック層が最大で約５０８ミクロン（約２０ミル）までの公称厚みを有し、前記外側アルミナ含有層が、約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有する、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項８】
前記ボンドコートが、最大で約１２７ミクロン（約５ミル）までの公称厚みを有する、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項９】
前記ボンドコートが、ＭＣｒＡｌＸオーバーコーティングを含み、ここで、Ｍは鉄、コバルト、及び／又はニッケル、Ｘは活性元素である、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項１０】
前記内側セラミック層が、約３０５〜約５０８ミクロン（約１２〜約２０ミル）の公称厚みを有し、前記外側アルミナ含有層が約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有する、請求項１に記載のコーティングシステム。
【請求項１１】
前記内側セラミック層が、約３０５〜約５０８ミクロン（約１２〜約２０ミル）の公称厚みを有し、前記外側アルミナ含有層が約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有し、前記第１の中間アルミナ含有層が最大で約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有する、請求項３に記載のコーティングシステム。
【請求項１２】
コーティングシステムであって、
金属基材の少なくとも一部の上のボンドコートと、
前記ボンドコートの上にあるコーティングと、
を備え、前記コーティングが、
前記ボンドコートの上にあり且つ接触している内側セラミック層と、
前記内側セラミック層の上にあり且つ接触している第１の中間アルミナ含有層と、
前記第１の中間アルミナ含有層の上にあり且つ接触している第１の中間セラミック層と、
前記第１の中間セラミック層の上にあり且つ接触している外側アルミナ含有層と、
を含み、前記外側アルミナ含有層が、０％よりも多く且つ最大で約５０重量％までの量のチタニアを含み、前記内側セラミック層が、溶射法、物理蒸着法、及びサスペンションプラズマ溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示し、前記外側アルミナ含有層が、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、及び高速酸素燃料溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す、コーティングシステム。
【請求項１３】
前記外側アルミナ含有層においてアルミナの実質的に全てが、αアルミナ形態で存在する、請求項１２に記載のコーティングシステム。
【請求項１４】
コーティングされた製品であって、
基材と、
前記基材の少なくとも一部上にある任意選択のボンドコートと、
前記ボンドコートの上又は該ボンドコートがない場合には前記基材の少なくとも一部の上にあるコーティングと、
を備え、前記コーティングが、内側セラミック層と該内側セラミック層の外側にある外側アルミナ含有層とを含み、前記外側アルミナ含有層が、０％よりも多く且つ最大で約５０重量％までの量のチタニアを含み、前記内側セラミック層が、溶射法、物理蒸着法、及びサスペンションプラズマ溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示し、前記外側アルミナ含有層が、サスペンションプラズマ溶射法、溶液プラズマ溶射法、及び高速酸素燃料溶射法から選択された堆積法の徴候である微細構造を示す、コーティングされた製品。
【請求項１５】
前記外側アルミナ含有層においてアルミナの実質的に全てが、αアルミナ形態で存在する、請求項１４に記載のコーティングされた製品。
【請求項１６】
前記内側セラミック層と前記外側アルミナ含有層との間に配置され、実質的に全てアルミナから、又はチタニアが最大で約５０重量％までのアルミナ／チタニアから構成される第１の中間アルミナ含有層と、
前記第１の中間アルミナ含有層と前記外側アルミナ含有層との間に配置される第１の中間セラミック層と、
を更に備える、請求項１４に記載のコーティングされた製品。
【請求項１７】
前記内側セラミック層と前記外側アルミナ含有層との間に配置され、セラミック組成及びアルミナ含有組成の組成勾配から構成される第１の中間アルミナ含有層を更に備え、該セラミック組成が前記第１の中間アルミナ含有層と前記内側セラミック層との境界付近でより高くなり、
前記コーティングシステムが更に、
前記第１の中間アルミナ含有層と前記外側アルミナ含有層との間に配置される第１の中間セラミック層を備える、請求項１４に記載のコーティングされた製品。
【請求項１８】
前記内側セラミック層が最大で約５０８ミクロン（約２０ミル）までの公称厚みを有し、前記外側アルミナ含有層が、約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有する、請求項１に記載のコーティングされた製品。
【請求項１９】
前記内側セラミック層が、約３０５〜約５０８ミクロン（約１２〜約２０ミル）の公称厚みを有し、前記外側アルミナ含有層が約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有する、請求項１に記載のコーティングされた製品。
【請求項２０】
前記内側セラミック層が、約３０５〜約５０８ミクロン（約１２〜約２０ミル）の公称厚みを有し、前記外側アルミナ含有層が約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有し、前記第１の中間アルミナ含有層が最大で約２５ミクロン（約１ミル）の公称厚みを有する、請求項２に記載のコーティングされた製品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２０１３−５１５１７１（Ｐ２０１３−５１５１７１Ａ）
【公表日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４６００３（Ｐ２０１２−５４６００３）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５９４２０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１０００１９
【国際公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５９４２０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１０００１９
【国際公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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