JP2008151128A - ガスタービンエンジン構成要素、そのコーティング方法およびコーティング設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン構成要素の基材へ十分な抗酸化性および耐蝕性を与えるとともに、ＴＢＣの接着性が向上したボンドコートを提供する。
【解決手段】超合金基材２２上に施されたコーティングシステム２０を示す。このシステムは、基材２２上に施されたボンドコート２４と、ボンドコート２４上に施されたＴＢＣ２６と、を含み得る。ボンドコート２４は、基層２８と、中間層３０と、を含む。基層の特性は、基材２２への接着性と、基剤２２を保護する特性とを基準に選択され、中間層の特性は、ＴＢＣ２６への接着性を基準に選択され得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、詳しくは、ガスタービンエンジンのサーマルバリアコーティングに関する。

ガスタービンエンジンのガス流路の構成要素は、エンジン操作の様々な段階で、極度の熱および熱勾配に曝される。熱力学的応力およびこれに起因する疲労によって、構成要素が破損してしまう。このような構成要素を冷却するため、ならびにサーマルバリアコーティングを施して耐久性を高めるために、多くの取組みがなされている。

実施例のサーマルバリアコーティングシステムは、２層構造のサーマルバリアコーティングシステムを含む。実施例のシステムは、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹボンドコート（例えば、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）で施される）およびイットリア−安定化ジルコニア（ＹＳＺ）サーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）（例えば、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）で施される）を含む。バリアコート層が堆積されている間に、または初期の加熱サイクル中に、ボンドコート層上で熱成長酸化物（ＴＧＯ）層（例えばアルミナ）が形成される。ある温度に曝される時間やサイクル数が増加するほど、このＴＧＯ界面層の厚さが増す。特許文献１および特許文献２に具体的なシステムが開示されている。

実施例のＴＢＣは５〜４０ミルの厚さで施され、母材へ３００゜Ｆ（１４９℃）を越える温度降下をもたらすことが可能となる。この温度降下は、換言すると、部品の耐久性を向上させ、より高い温度下でのタービンの作動を可能にし、ひいてはタービン効率を向上させる。

しかし、構成要素の耐久性をより向上させる余地が、依然として残されている。
米国特許第４,４０５,６５９号明細書 米国特許第６,０６０,１７７号明細書

本発明の１つの形態として、ガスタービンエンジン構成要素をコーティングする方法が含まれる。構成要素基材にボンドコートが施される。このボンドコート上にバリアコートが施される。ボンドコートの施工は、施工時の第１の粗さを有する第１層の施工と、第１層上へ施工時の第２の粗さを有する第２層の施工と、を含み、第２の粗さは第１の粗さよりも粗い。

種々の実施に際し、本発明の方法は、基準となるベースラインの構成要素の再生またはその構成の再設計として実施され得る。

本発明の他の形態は、金属基材を含むガスタービンエンジン構成要素に関する。基材上にコーティングが施される。このコーティングは、ボンドコートと、このボンドコート上のバリアコートと、を含む。ボンドコートは、基層と、基層上に施され、基層より孔径および／またはスプラット（ｓｐｌａｔ）サイズが大きいという特性を有する第２層と、を含む。

種々の実施に関し、ボンドコートとバリアコートとの間にＴＧＯが存在すると考えられる。第２層は、基層よりも多孔率が大きいという特性を有する。

本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細を、添付の図面と以下の詳細な説明に記載する。本発明の他の特徴、課題および利点は、詳細な説明、図面ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

各図面の同じ参照番号および記号は同じ要素を示すものとする。

図１は、超合金基材２２上に施されたコーティングシステム２０を示す。このシステムは、基材２２上に施されたボンドコート２４と、ボンドコート２４上に施されたＴＢＣ（サーマルバリアコーティング）２６と、を含む。実施例のボンドコート２４は、基層２８と、中間層３０と、を含む。以下に記載するように、基層の特性は、基材２２への接着性と、基剤２２を保護する特性とを基準に選択され、中間層の特性は、ＴＢＣ２６への接着性を基準に選択され得る。基材の例としては、タービンセクションブレード、タービンセクションベーン、タービンセクションブレード外部エアシール、燃焼器のシェル部品、燃焼器の熱シールド部品、燃焼器の燃料ノズルおよび燃焼器の燃料ノズルガイドなどの高温ガス流路における構成要素に使用されるニッケルベースまたはコバルトベースの超合金がある。

実施例のコーティング方法１００は、基材の準備をするステップ１０２を含む（例えば、洗浄や表面処理）。ボンドコートの基層２４の前駆体を施す（施工ステップ１０４）。実施例の施工ステップ１０４において、ＭＣｒＡｌＹ、特にＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料を施す。基層２４にとっては有利な高温保護特性も、ＴＢＣ２６への接着性には不利な特性となり得る。例えば、保護には有利な高密度および低い多孔率は、ＴＢＣの接着に必要とされるものに比べて表面粗さが少ないと考えられる。実施例における基層２８の施工時の粗さは、３００マイクロインチＲａを下回る（例えば、２００＋／−４０マイクロインチＲａ以下）。実施例では、この粗さを得るために、４５ミクロンを下回る粒度を有する粉末源を噴霧して施される。実施例では、高速酸素炎溶射（ＨＶＯＦ）プロセスにより施される。実施例では、厚さを０.００３〜０.０１０インチ（０．０８ｍｍ〜０．２５ｍｍ）とする。ＬＰＰＳ（低圧プラズマ溶射法）、ＶＰＳ（真空プラズマ溶射法）、ＥＢＰＶＤ（電子ビーム真空蒸着法）、コールドスプレー法ならびに他の適切な方法により、良好な抗酸化性および耐蝕性を示す緻密で酸化物含有量の少ない基層２８を実現できる。

施工ステップ１０４の後、前駆体を拡散させることができる（拡散ステップ１０６）。実施例の拡散は、真空または不活性雰囲気（例えばアルゴン）で加熱することにより実施される（例えば、少なくとも１９００゜Ｆ（１０３８℃）で、少なくとも４時間）。実施例の拡散ステップ１０６は、基層と基材との間に治金学的な結合（ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｂｏｎｄ）を形成するのに有効である。また拡散ステップは、保護酸化膜の拡散経路長さを短くし得る。必要に応じて、中間層およびＴＢＣの少なくとも一方を施した後に、他の拡散ステップを実施してもよい。

施工ステップ１０４および選択的な拡散ステップ１０６の後に、中間層３０を施してもよい（施工ステップ１０８）。実施例の中間層は、基層前駆体と本質的に同一の材料とすることができ、同様の技術で施すことができる。ＴＢＣの接着性が有利になるように中間層を施すのが好ましい。中間層３０は、基層２８よりも表面粗さが粗くてよい。実施例の施工時の粗さは、３００〜８００マイクロインチＲａ、より狭い範囲として５００＋／−１００マイクロインチＲａである。これは、基層２８の施工時の粗さの１５０〜３００％（またはそれ以上）であろう。このような粗さは、より粗い粉末源（例えば、基層粉末源の粒度特性の少なくとも１５０＋％）を利用すること、および／または施工パラメーターを変更することにより達成される。実施例の粉末の大きさは４５〜７０ミクロンである。他の特性も基層と異なり得る（例えば、以下に考察する内容）。

施工ステップ１０８の方法は、典型的な粗さに関して昇順列挙して、ＥＢＰＶＤ（電子ビーム真空蒸着法）、コールドスプレー法、ＨＶＯＦ（高速酸素炎溶射法）およびＬＰＰＳ（低圧プラズマ溶射法）、ＡＰＳ（大気プラズマ溶射法）、ワイヤアーク溶射法およびワイヤフレーム溶射法を含む。他の選択的な方法としてスラリー法を含む。スラリー法では、選択的な結合剤および粉末とともにスラリーを製造し、これを、噴霧、浸し塗り、はけ塗り等により基材に施す。次に、接着性の目的で、結合剤を焼除（ｂａｋｅ ｏｆｆ）し、金属を焼結する。スラリーは、粗さを生じさせる大きな粒度を有する。スラリーは、細かい粒子および／または成分あるいは合金を含み得る。これらは焼結温度よりも低い温度で溶融し、焼結を促進するとともに、焼結および／またはろう付けによる基層への中間層の接着性を向上させる。

実施例の中間層３０の厚さは、基層２８の厚さよりも薄い（例えば、１０〜５０％）。例えば、基層が抗酸化性および耐蝕性を得られるように、絶対厚さおよび相対厚さを選択することができ、その際、これらの特性効果を最大に発揮できる厚さにすることができる。粗い中間層は、ＴＢＣの結合に関する所望の進歩性を提供するだけの厚みを必要とする。実施例の中間層の厚さは少なくとも０.００１インチ（０．０２５ｍｍ）、狭い範囲として、０.００２〜０.００４インチ（０．０５１〜０．１０２ｍｍ）が必要であろう。

施工ステップ１０８の後、ＴＢＣ２６を施すことができる（施工ステップ１１０）。実施例の施工ステップ１１０では、イットリウム安定化ジルコニウムオキシド（例えば、公称の７ＹＳＺで、イットリウム６〜８重量％）を施す。次に、ステップ１１２で、環境バリアコート「保護膜」（図示せず）を、（必要に応じて）施すことができる。実施例の保護膜は、カルシウム−マグネシウム−アルミノ−ケイ酸塩（ＣＭＡＳ）あるいは混入ダストや混入砂に浸潤されず、かつこれらと反応しない膜である。

一般的に、良好な抗酸化性および耐蝕性のために、基層２８は、中間層３０と比べて以下の特性を少なからず有する。この特性には、粗さが少ないこと、密度が大きいこと、孔が小さいこと、多孔率が低いこと（体積率で）、酸化物粒子が小さいこと、酸化物含量が少ないこと（質量率で）、スプラット（ｓｐｌａｔ）が小さいこと、および酸化物ストリンガが小さいこと、が含まれる。このような様々な特性は、金属組織学的に観察され得る（例えば、エッチング剤を使用して）。観察される痕跡的な表面粗さは、施工時の表面粗さの異なり方と同様に、測定可能な程度に異る。

スプラットの構造は、噴霧液滴の衝撃に起因する。更なるスプラットが積み上がるときに、液滴は、コーティング内に個別のスプラット構造の痕跡を残て、扁平化し、固化する。実施例の中間層３０のスプラットサイズ特性は、基層２８の少なくとも２倍となり得る。この特性値は、スプラットサイズに基づいた重みづけのあるなしに関わらず、中央値、平均値またはモード値であってよい。この特性値を、コーティング表面に対して垂直な断面の断面積として、測定することができる。

展開時に、噴霧剤へ標識要素（ｔａｇｇｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を加えることにより、容易にスプラットを観察することができる。標識要素は、スプラット境界を強調することができる。しかし、プロセスパラメータの役割が済んでしまえば、標識要素を除去してもよい。標識要素がない場合に、コーティング施工後に、コーティング内へ染料を浸潤させてもよい。染料の一例として、ロジウムＢ（ｒｈｏｄｉｕｍ−Ｂ）蛍光染料がある。

いくつかの再設計または再生において、前述の教示を適用して、ボンドコートの全体の厚さを減少させるとともに、ＴＢＣの接着性および／または抗酸化性を向上または維持させることができる。これらの利便性の他の組み合わせを利用することもできる。ベースラインのボンドコートからの再設計では、ベースラインは、前段落に記載した特性に関し、基層２８と中間層３０との間の特性を有し得る。観察または直接試験することにより、性能（例えば耐剥離性）を測定することができる。観察方法の一例として、示差加熱および冷却を行う（コーティングの一部を加熱し、他の部分を冷却する）熱サイクルを含む。サイクル数を重ねると剥離が認められることがある。

本発明の１つ以上の態様を記述したが、本発明の目的および範囲を逸脱することなく、様々な修正が可能であることを理解されたい。例えば、現存する構成要素の再設計に応用する場合、現存する構成要素の細部が特定の実施形態の詳細に影響を与えたり感化を及ぼすことがある。従って、他の態様も本発明の特許請求の範囲内にある。

コーティングされた基材の断面図。 図１の基材をコーティングする方法のフローチャート。

Claims (22)

1. 金属基材と、
   前記基材上のコーティングであって、ボンドコートと、該ボンドコート上のバリアコートからなるコーティングと、
   を備え、
   前記ボンドコートが、
   基層と、
   前記基層上の第２層と、
   を備え、前記基層上の第２層は、前記基層よりも孔径特性が大きいという特性と前記基層よりもスプラットサイズ特性が大きいという特性のうち少なくとも１つを有することを特徴とするガスタービンエンジン構成要素。
2. タービン部のブレード、
   タービン部のベーン、
   タービン部のブレードの外周側エアシール、
   燃焼器のシェル部品、
   燃焼器の熱シールド部品、
   燃焼器の燃料ノズル、および、
   燃焼器の燃料ノズルガイド、
   からなる群から選択されるガスタービンエンジン構成要素として使用されることを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
3. 前記基層が、前記第２層よりも２〜１０倍の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
4. 前記基層および第２層が、本質的に同一の化学組成物から成ることを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
5. 前記基材に部分的に拡散される前記基層をさらに備える請求項１に記載の構成要素。
6. 前記バリアコートが、希土類ベースの安定化ジルコニアを少なくとも５０重量％含むことを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
7. 前記ボンドコートの基層および第２層が、それぞれＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料を少なくとも５０重量％含むことを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
8. 前記基材が、本質的に鋳造ニッケルベースの超合金からなることを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
9. 前記第２層が、前記基層よりも多孔率が大きいことを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
10. 前記第２層が、前記基層よりも大きなスプラットサイズ特性を有することを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
11. 前記第２層が、前記基層よりも大きな孔径特性を有することを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
12. ガスタービンエンジン構成要素のコーティング方法であって、
    前記構成要素の基材にボンドコートを施すステップと、
    前記ボンドコート上にバリアコートを施すステップと、
    を含み、
    前記ボンドコートを施すステップが、
    施工時の第１の粗さを有する第１層を施すステップと、
    前記第１層上に、前記第１の粗さよりも粗い施工時の第２の粗さを有する第２層を施すステップと、
    を含むコーティング方法。
13. 前記第２の粗さが、３００〜８００マイクロインチＲａであり、前記第１の粗さの少なくとも１５０％であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１層を施すステップが、第１の粒径特性を有する第１の粉末を噴霧することからなり、前記第２層を施すステップが、前記第１の粒径よりも大きな第２の粒径特性を有する第２の粉末を噴霧することからなる請求項１２に記載の方法。
15. 前記第１粉末および前記第２粉末が、本質的に同じ化学組成物からなることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１粉末および前記第２粉末が、本質的にＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料からなることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記第１粉末および前記第２粉末が、本質的に同じ化学組成物であるＮｉＣｏＣｒＡｌＹ材料からなることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. 前記第１層が前記第２層よりも厚く施されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
19. 前記ボンドコートよりも厚いモノリシックボンドコートを有するベースラインのコーティングを除去するステップをさらに含む請求項１２に記載の方法。
20. ガスタービンエンジン構成要素のコーティングを設計する方法において、
    前記構成要素の基材に試しコーティングを施すステップであって、
    施工時の粗さの異なる第１層および第２層を含むボンドコートを基材に施すステップと、
    前記ボンドコート上にバリアコートを施すステップと、
    を含むステップと、
    酸化および剥離のうち少なくとも一方に対する前記試しコーティングの耐性を測定するステップと、
    所望の耐性が得られるまで、前記試しコーティングを施すステップと、前記第１層および第２層の異なる相対的な特性に関して前記測定するステップと、を繰り返すステップと、
    を含む方法。
21. 前記測定するステップが、示差加熱を周期的に行うステップと、コーティングの状態を観察するステップと、を含む請求項２０に記載の方法。
22. ベースラインのコーティングを再設計する方法であり、
    前記再設計されるコーティングが、ベースラインのコーティングのボンドコートの厚さよりも薄いボンドコート全体の厚さを有することを特徴とする請求項２０に記載の方法。

Images