JP2000096259A - Bonding coat for heat shielding coating series - Google Patents
Bonding coat for heat shielding coating seriesInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【技術分野】本発明は、ガスタービンエンジンの過酷な
熱環境のような高温環境に暴露される部品の保護に使用
されるタイプの遮熱コーティング系用ボンディングコー
トに関する。さらに具体的には、本発明は、物理蒸着法
で施工した二元ＮｉＡｌボンディングコートと該ボンデ
ィングコート上に皮膜形成した遮熱セラミック層とを含
んでなる遮熱コーティング系であって、ごく限られた量
のジルコニウムをボンディングコート材料に添加するこ
とで皮膜系の熱的寿命が大幅に向上した遮熱コーティン
グ系に関する。TECHNICAL FIELD This invention relates to a bond coat for a thermal barrier coating system of the type used to protect components exposed to high temperature environments, such as the harsh thermal environment of gas turbine engines. More specifically, the present invention is a thermal barrier coating system comprising a binary NiAl bond coat applied by physical vapor deposition and a thermal barrier ceramic layer formed on the bond coat, and is very limited. The present invention relates to a thermal barrier coating system in which a large amount of zirconium is added to a bond coat material to significantly improve the thermal life of the coating system.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ガスタービンエンジンではその効率を増
大させるため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遮熱皮膜（ＴＢＣと略す）が広
く用いられている。2. Description of the Related Art In gas turbine engines, there is a constant need to increase operating temperatures in order to increase their efficiency. However, as operating temperatures increase, it is necessary to increase the high temperature durability of engine components accordingly. Although the development of nickel- and cobalt-based superalloys has made significant progress in high-temperature performance, such alloys alone have been used in several sections, such as gas turbine engine turbines, combustors, and augmentors (afterburners). It is often inadequate for the production of the components located. A common solution is to insulate such components and reduce their operating temperature as much as possible. For such a purpose, a thermal barrier coating (abbreviated as TBC) formed on an exposed surface of a high-temperature component is widely used.
【０００３】遮熱コーティングが有効であるには、遮熱
コーティングが低い熱伝導率を有していて、基板に強く
接着し、数多くの加熱・冷却サイクルを経ても結着性を
維持している必要がある。熱伝導率の低い材料とタービ
ンエンジン部品の製造に常用される超合金材料とでは熱
膨張係数に差があるため、最後に挙げた条件が特に要求
される。上記の諸条件を満足し得る遮熱コーティング系
には、概して、部品表面に堆積した金属ボンディングコ
ートと続いて部品を熱的に遮蔽する働きをする接着性セ
ラミック層とが必要とされてきた。遮熱セラミック層の
材料としては、イットリア（Ｙ2Ｏ3）やマグネシア（Ｍ
ｇＯ）その他の酸化物で部分的又は完全に安定化された
ジルコニア（ＺｒＯ2）のような金属酸化物が広く用い
られている。セラミック層は通例は大気プラズマ溶射
（ＡＰＳ）、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）、或いは耐
歪性柱状晶構造を与える電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶ
Ｄ）のような物理蒸着（ＰＶＤ）で施工される。ボンデ
ィングコートは通例、拡散アルミニドや白金アルミニド
のような耐酸化性アルミニウム基金属間化合物、或いは
ＭＣｒＡｌＹ（ただし、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニ
ッケル）のような耐酸化性合金から形成される。In order for a thermal barrier coating to be effective, the thermal barrier coating has a low thermal conductivity, adheres strongly to the substrate, and retains its integrity after many heating and cooling cycles. There is a need. The last-named conditions are particularly required because of the difference in thermal expansion coefficient between materials having low thermal conductivity and superalloy materials commonly used in the manufacture of turbine engine components. Thermal barrier coating systems that can satisfy the above conditions have generally required a metal bond coat deposited on the component surface followed by an adhesive ceramic layer that serves to thermally shield the component. As a material of the thermal barrier ceramic layer, yttria (Y 2 O 3 ) or magnesia (M
gO) Metal oxides such as zirconia (ZrO 2 ) partially or completely stabilized with other oxides are widely used. The ceramic layer is typically formed by atmospheric plasma spray (APS), low pressure plasma spray (LPPS), or electron beam physical vapor deposition (EBPV) to provide a strain resistant columnar structure.
It is applied by physical vapor deposition (PVD) as in D). The bond coat is typically formed from an oxidation resistant aluminum-based intermetallic compound such as diffusion aluminide or platinum aluminide, or an oxidation resistant alloy such as MCrAlY (where M is iron, cobalt and / or nickel).
【０００４】上述のボンディングコート材料のアルミニ
ウム分は、強く結着した連続酸化アルミニウム層（アル
ミナスケール）の高温下でのゆっくりとした成長をもた
らす。この熱成長酸化物（ＴＧＯ;thermally grown oxi
de）はボンディングコートを酸化及び高温腐食から保護
するとともに、セラミック層とボンディングコートを化
学的に結合する。ボンディングコート材料は耐酸化性と
なるように特別に合金化されているが、高温では時間の
経過ととも酸化が起こってボンディングコートからアル
ミニウムが徐々に失われる。結局、ボンディングコート
内のアルミニウム分は保護酸化物のゆっくりとした成長
を阻害するのに充分な程度まで枯渇し、保護機能の無い
酸化物が急速に成長できるようになってしまう。そうな
ると、ボンディングコートと酸化アルミニウム層の境界
又は酸化物層とセラミック層の境界で剥落（スポーリン
グ）が起こりかねない。[0004] The aluminum content of the bond coat material described above results in the slow growth of a strongly bonded continuous aluminum oxide layer (alumina scale) at elevated temperatures. This thermally grown oxide (TGO)
de) protects the bond coat from oxidation and hot corrosion and chemically bonds the ceramic layer and the bond coat. The bond coat material is specially alloyed to be oxidation resistant, but at elevated temperatures, oxidation occurs over time and aluminum is gradually lost from the bond coat. Eventually, the aluminum in the bond coat is depleted to a degree sufficient to inhibit the slow growth of the protective oxide, allowing the non-protective oxide to grow rapidly. In that case, spalling may occur at the boundary between the bond coat and the aluminum oxide layer or at the boundary between the oxide layer and the ceramic layer.
【０００５】アルミニウムの枯渇に加えて、ボンディン
グコートが望ましい酸化アルミニウム層を形成し得る能
力は、拡散アルミニド皮膜形成時又は高温暴露時などの
際の超合金とボンディングコートとの間での元素の相互
拡散によって妨げられるおそれがある。特に、ニッケ
ル、コバルト、クロム、チタン、タンタル、タングステ
ン及びモリブデンなどの元素は、酸化アルミニウムの成
長速度を高め、セラミック層の結着性に有害な嵩張った
非密着性の酸化物又は酸化物スケールを形成するおそれ
がある。In addition to aluminum depletion, the ability of the bond coat to form the desired aluminum oxide layer is due to the mutual interaction of elements between the superalloy and the bond coat, such as during the formation of a diffusion aluminide coating or exposure to high temperatures. May be hindered by diffusion. In particular, elements such as nickel, cobalt, chromium, titanium, tantalum, tungsten, and molybdenum increase the growth rate of aluminum oxide and are bulky, non-adhesive oxides or oxide scales harmful to the integrity of the ceramic layer. May be formed.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上記から明らかな通
り、遮熱コーティングの耐用寿命は遮熱セラミック層を
固着するために使用されるボンディングコートによって
左右される。セラミック層の剥落が生じてしまうと、そ
の部品はスクラップにするか或いは相当の経費をかけて
残ったセラミック層及びボンディングコートをボンディ
ングコートと基板の間の拡散領域も含めて除去すること
によって補修するかのいずれかしかない。拡散領域の除
去は実際上基板表面の一部を除去するので、部品をスク
ラップにするまでに実施できる補修の回数は限られてい
る。遮熱コーティング系の補修・交換が相当の経費を要
することに鑑みて、遮熱層の耐剥落性を向上させて遮熱
コーティング系の耐用寿命を延ばすため多大な労力がは
らわれてきた。しかし、ガスタービンエンジンに対して
さらに高い作動温度が望まれていることから、この問題
は複雑化している。As is apparent from the above, the useful life of a thermal barrier coating depends on the bond coat used to secure the thermal barrier ceramic layer. If spalling of the ceramic layer has occurred, the part is scrapped or repaired at considerable expense by removing the remaining ceramic layer and bond coat, including the diffusion area between the bond coat and the substrate. There is only one. Since the removal of the diffusion region effectively removes a portion of the substrate surface, the number of repairs that can be performed before the component is scrapped is limited. In view of the considerable expense involved in repairing and replacing a thermal barrier coating system, considerable effort has been expended to improve the spallation resistance of the thermal barrier layer and extend the useful life of the thermal barrier coating system. However, this problem is compounded by the desire for higher operating temperatures for gas turbine engines.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は、概括すると、
過酷な熱環境下で使用するために設計された物品（例え
ばガスタービンエンジンのタービン、燃焼器及びオグメ
ンタ部品など）の遮熱コーティング系並びにその形成方
法を提供する。この方法は、特に、耐酸化性の大幅に改
善されたボンディングコートで遮熱コーティング系の耐
剥落性を向上させる方法に関する。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention generally comprises:
Provided are thermal barrier coating systems for articles (eg, gas turbine engine turbines, combustors, and augmentor components, etc.) designed for use in harsh thermal environments and methods of forming the same. The method is particularly directed to a method for improving the spallation resistance of a thermal barrier coating system with a bond coat having greatly improved oxidation resistance.
【０００８】本発明の遮熱コーティング系では、ニッケ
ルアルミニド合金のボンディングコートが用いられ、そ
の上に遮熱セラミック層の皮膜を形成するが、ボンディ
ングコートは物品へのセラミック層の密着性を高めると
いう従来通りの役割を果たす。本発明によれば、ニッケ
ルアルミニドのボンディングコートはジルコニウム及び
／又はその他の反応性元素（例えばハフニウム、イット
リウム及びセシウムなど）を含んでいるが、その他は主
にβ−ＮｉＡｌ相からなる。従来技術の含アルミニウム
ボンディングコートと同様、本発明のボンディングコー
トではボンディングコートとセラミック層の密着性を高
める酸化アルミニウム連続層が成長する。ボンディング
コートは、マグネトロンスパッタや電子ビーム物理蒸着
（ＥＢＰＶＤ）やジェット蒸着（ＪＶＤ）のような物理
蒸着法（ＰＶＤ）で製膜するが、その他の製膜法、例え
ば真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）、低圧プラズマ溶射（Ｌ
ＰＰＳ）、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）も可能である。
セラミック層は、プラズマ溶射及びＰＶＤ法を始めとす
る周知の方法でボンディングコート上に堆積することが
できる。セラミック層の堆積前又は堆積時のボンディン
グコートの熱処理によって、酸化アルミニウム層をボン
ディングコート上で成長させるのが好ましい。In the thermal barrier coating system of the present invention, a bond coat of a nickel-aluminide alloy is used, on which a thermal barrier ceramic layer film is formed. The bond coat enhances the adhesion of the ceramic layer to the article. It plays the same role as before. According to the present invention, the nickel aluminide bond coat contains zirconium and / or other reactive elements (e.g., hafnium, yttrium, cesium, etc.), while the others consist primarily of the [beta] -NiAl phase. As with the prior art aluminum-containing bond coat, the bond coat of the present invention grows a continuous aluminum oxide layer that enhances the adhesion between the bond coat and the ceramic layer. The bond coat is formed by physical vapor deposition (PVD) such as magnetron sputtering, electron beam physical vapor deposition (EBPVD), or jet vapor deposition (JVD), but other film forming methods such as vacuum plasma spray (VPS) and low pressure Plasma spraying (L
PPS) and atmospheric plasma spraying (APS) are also possible.
The ceramic layer can be deposited on the bond coat by known methods, including plasma spraying and PVD methods. Preferably, the aluminum oxide layer is grown on the bond coat by heat treatment of the bond coat before or during the deposition of the ceramic layer.
【０００９】本発明の重要な特徴は、ボンディングコー
トが、従来の拡散アルミニドやＭＣｒＡｌＹ皮膜ではな
く、化学量論量のニッケルとアルミニウムから基本的に
なり、ごく限られた量のジルコニウムを含んだ二元Ｎｉ
Ａｌ合金であることであり、かかる微量のジルコニウム
の添加で遮熱コーティング系の耐用寿命が劇的に増大す
るという予想外の知見が得られた。具体的には、０．０
５〜０．５原子％のジルコニウムの添加で、熱サイクル
試験に付したときの遮熱コーティング系の寿命が約２〜
約１０倍以上向上することが判明し、０．１原子％又は
その付近のジルコニウム添加量で最良の結果が得られ
た。ＮｉＡｌボンディングコートのジルコニウム含有量
に対して熱的寿命の有する感受性は試験温度の上昇とと
もに顕著になり、本発明のボンディングコートが条件の
一段と厳しい用途で特に有利であることを示している。
ハフニウム、イットリウム及びセシウムのような他の反
応性元素もＮｉＡｌボンディングコートに同様の効果を
有すると思料される。An important feature of the present invention is that the bond coat consists essentially of a stoichiometric amount of nickel and aluminum, rather than a conventional diffused aluminide or MCrAlY coating, containing only a limited amount of zirconium. Former Ni
It was an Al alloy, and an unexpected finding was obtained that the useful life of the thermal barrier coating system was dramatically increased by the addition of such a small amount of zirconium. Specifically, 0.0
With the addition of 5 to 0.5 atomic% of zirconium, the life of the thermal barrier coating system when subjected to a thermal cycle test is about 2 to 2.
It was found that the improvement was about 10 times or more, and the best result was obtained with the addition amount of zirconium at or near 0.1 atomic%. The thermal life sensitivity of the NiAl bond coat to the zirconium content became more pronounced with increasing test temperature, indicating that the bond coat of the present invention is particularly advantageous in more demanding applications.
Other reactive elements such as hafnium, yttrium and cesium are also believed to have a similar effect on the NiAl bond coat.
【００１０】本発明のもう一つの重要な特徴は、物品表
面内部へのボンディングコート成分の拡散が最小限にな
るようにボンディングコートが堆積される点にある。例
えば、好適なＰＶＤ法で好ましくは膜厚５μｍ以下の拡
散領域が達成される。こうしてボンディングコートと基
板との相互作用を減らすと、基本的に純粋な酸化アルミ
ニウムの初期層の形成が促進され、作動時の酸化アルミ
ニウム保護層のゆっくりとした成長が促進されるととも
に、ボンディングコート内部に拡散する傾向をもつ基板
成分の嵩張った非密着性酸化物の形成が抑制される。重
要な点として、基板内部へのボンディングコートの拡散
を制限することで、遮熱コーティング系の補修に際し
て、基板に新たなボンディングコートとセラミック層を
施工するためにボンディングコートと遮熱セラミック層
を共に除去しなければならないとき、除去しなければな
らない基板材料の量が最小限で済む。[0010] Another important feature of the present invention is that the bond coat is deposited such that the diffusion of the bond coat components into the interior of the article surface is minimized. For example, a diffusion region having a film thickness of preferably 5 μm or less is achieved by a suitable PVD method. Reducing the interaction between the bond coat and the substrate in this way promotes the formation of an initial layer of essentially pure aluminum oxide, promotes the slow growth of the protective aluminum oxide layer during operation, and enhances the interior of the bond coat. The formation of a bulky non-adhesive oxide of a substrate component that tends to diffuse into the substrate is suppressed. It is important to note that by limiting the diffusion of the bond coat inside the substrate, when repairing the thermal barrier coating system, both the bond coat and the thermal barrier ceramic layer can be used to apply a new bond coat and ceramic layer to the substrate. When removal is required, the amount of substrate material that must be removed is minimized.
【００１１】本発明の上記以外の目的及び効果は以下の
詳細な説明から明らかとなろう。Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】ここで、図面について簡単に説明
しておく。図１は高圧タービンブレードの斜視図であ
る。図２は、図１のブレードの線２−２に沿った断面図
であり、ブレード上の本発明の遮熱コーティング系を示
す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. FIG. 1 is a perspective view of a high-pressure turbine blade. FIG. 2 is a cross-sectional view of the blade of FIG. 1 taken along line 2-2, showing the thermal barrier coating system of the present invention on the blade.
【００１３】本発明は、比較的高い温度で特徴付けられ
る環境下で作動し、そのため過酷な熱応力及び熱サイク
ルに暴露される部品全般に適用可能である。かかる部品
の代表例としては、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、燃焼器内
筒、オグメンタ部品が挙げられる。かかる部品の一例が
図１に示す高圧タービンブレード１０である。ブレード
１０は一般にエーロフォイル１２を含んでいるが、ガス
タービンエンジンの作動中エーロフォイル１２には高温
燃焼ガスが当たり、そのためその表面は酸化、腐食、エ
ロージョンによる激しい攻撃を受ける。エーロフォイル
１２は、ブレード１０のルート部１６に形成されたダブ
テール１４でタービンディスク（図示せず）に固定され
る。エーロフォイル１２の内部には冷却通路１８が設け
られており、この冷却通路１８を通してブリード空気が
ブレード１０から熱を奪い去るように仕向けられてい
る。本発明の効果を、図１に示す高圧タービンブレード
１０を参照して説明するが、本発明の教示内容は部品を
その環境から保護するために遮熱バリヤーを使用し得る
部品全般に適用可能である。The present invention operates in an environment characterized by relatively high temperatures, and is therefore applicable to all components exposed to severe thermal stresses and cycles. Representative examples of such components include high and low pressure turbine nozzles and blades of gas turbine engines, shrouds, combustor barrels, and augmentor components. One example of such a component is the high pressure turbine blade 10 shown in FIG. The blade 10 generally includes an airfoil 12, but during operation of the gas turbine engine, the airfoil 12 is exposed to hot combustion gases, and its surface is subject to severe attack by oxidation, corrosion, and erosion. The airfoil 12 is secured to a turbine disk (not shown) with a dovetail 14 formed in a root 16 of the blade 10. A cooling passage 18 is provided inside the airfoil 12, and the bleed air is directed to remove heat from the blade 10 through the cooling passage 18. Although the effects of the present invention will be described with reference to the high pressure turbine blade 10 shown in FIG. 1, the teachings of the present invention are applicable to any component that may use a thermal barrier to protect the component from its environment. is there.
【００１４】図２に、本発明の遮熱コーティング系２０
を示す。図示したコーティング系２０には、ブレード基
板２２にボンディングコート２４で結合したセラミック
層２６が含まれる。基板２２（ブレード１０）は、好ま
しくは、鉄、ニッケル又はコバルト基超合金のような耐
熱材料である。セラミック層は、歪に強い柱状晶構造を
得るために、物理蒸着（ＰＶＤ）法で施工するのが好ま
しいが、その他の堆積法を用いることもできる。セラミ
ック層２６の好ましい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約６〜
８重量％であるが、その他のセラミック材料、例えばイ
ットリア、非安定化ジルコニア、或いはセリア（ＣｅＯ
2）、スカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）その他の酸化物で安定化
されたジルコニアも使用できる。セラミック層２６は下
層の基板２２（ブレード１０）に必要な熱的保護を与え
るのに充分な膜厚で堆積され、膜厚は一般に１２５〜３
００μｍのオーダーである。従来技術の遮熱コーティン
グ系と同様に、ボンディングコート２４の表面は酸化し
て酸化アルミニウム層２８を形成し、これにセラミック
層２６が化学的に結合する。FIG. 2 shows the thermal barrier coating system 20 of the present invention.
Is shown. The illustrated coating system 20 includes a ceramic layer 26 bonded to a blade substrate 22 with a bond coat 24. Substrate 22 (blade 10) is preferably a refractory material such as an iron, nickel or cobalt based superalloy. The ceramic layer is preferably applied by physical vapor deposition (PVD) in order to obtain a columnar crystal structure resistant to distortion, but other deposition methods can also be used. A preferred material for the ceramic layer 26 is yttria-stabilized zirconia (YSZ), with a preferred composition of about 6-6
8% by weight but other ceramic materials such as yttria, unstabilized zirconia, or ceria (CeO
2 ), zirconia stabilized with scandia (Sc 2 O 3 ) and other oxides can also be used. The ceramic layer 26 is deposited to a thickness sufficient to provide the necessary thermal protection to the underlying substrate 22 (blade 10), and typically has a thickness of
It is on the order of 00 μm. As in the prior art thermal barrier coating systems, the surface of the bond coat 24 is oxidized to form an aluminum oxide layer 28 to which the ceramic layer 26 is chemically bonded.
【００１５】本発明によれば、ボンディングコート２４
はβ−ＮｉＡｌ相を主体とし、ごく限られた量のジルコ
ニウムが添加されたニッケルアルミニド合金である。か
かるＮｉＡｌボンディングコート２４はＰＶＤ法、好ま
しくはスパッタリング、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶ
Ｄ）又はジェット蒸着（ＪＶＤ）で形成されるが、プラ
ズマ溶射などの他の堆積法を用いることもできると思料
される。本発明によれば、下層の基板２２を保護すると
ともに酸化物の形成に適量のアルミニウムを供給するの
に好適なＮｉＡｌボンディングコート２４の膜厚はおよ
そ５０μｍであるが、２５〜１２５μｍ程度の膜厚であ
れば適していると考えられる。According to the present invention, the bonding coat 24
Is a nickel-aluminide alloy mainly composed of a β-NiAl phase to which a very limited amount of zirconium is added. Such a NiAl bond coat 24 may be formed by PVD, preferably by sputtering, electron beam physical vapor deposition (EBPV).
D) or jet deposition (JVD), but it is contemplated that other deposition methods, such as plasma spraying, could be used. According to the present invention, the thickness of the NiAl bond coat 24 suitable for protecting the underlying substrate 22 and supplying an appropriate amount of aluminum for oxide formation is about 50 μm, but is about 25 to 125 μm. If so, it is considered suitable.
【００１６】好適なＰＶＤ法は、好ましくは基板２２内
部へのボンディングコート２４の拡散が低減するように
実施される。好ましくは、ボンディングコート２４の堆
積はボンディングコート２４と基板２２との間で実質的
に全く拡散が起こらないようにする。堆積プロセスの際
に生じた残留応力を緩和するための後段での熱処理の際
に、約５μｍ以下（通例約２．５〜５μｍ）のごく薄い
拡散領域３０が出現することがある。好ましい熱処理
は、アルゴンのような不活性雰囲気中約１８００°Ｆ
（約９８０°Ｃ）で約２〜４時間実施する。重要な点と
して、拡散領域３０の厚さを最小限とすることで、基本
的に純粋な酸化アルミニウムとしての酸化物層２８の初
期形成が促進され、作動中の酸化アルミニウム保護層２
８のゆっくりとした成長が促進され、ボンディングコー
トとセラミック層の境界での嵩張った非密着性酸化物の
形成が抑制され、遮熱コーティング系２０の補修時に除
去しなければならない基板材料の量が減少する。したが
って、図１に示すブレード１０のような物品を、従来の
ボンディングコートを用いたときに補修できる回数より
も多く補修できる。A preferred PVD method is preferably implemented to reduce diffusion of bond coat 24 into substrate 22. Preferably, the deposition of bond coat 24 is such that substantially no diffusion occurs between bond coat 24 and substrate 22. During the subsequent heat treatment to alleviate the residual stress generated during the deposition process, a very thin diffusion region 30 of about 5 μm or less (typically about 2.5 to 5 μm) may appear. A preferred heat treatment is at about 1800 ° F. in an inert atmosphere such as argon.
(About 980 ° C.) for about 2 to 4 hours. Significantly, minimizing the thickness of the diffusion region 30 facilitates the initial formation of the oxide layer 28 as essentially pure aluminum oxide, and the active aluminum oxide protective layer 2
8 promotes slow growth, suppresses the formation of bulky non-adhesive oxide at the interface between the bond coat and the ceramic layer, and the amount of substrate material that must be removed during repair of the thermal barrier coating system 20. Decrease. Therefore, articles such as the blade 10 shown in FIG. 1 can be repaired more times than can be repaired using the conventional bonding coat.
【００１７】図２に示す通り、さらに相互拡散を防止
し、もってコーティング系２０の耐用寿命を向上すべ
く、ＮｉＡｌボンディングコート２４と基板２２の間に
任意構成要素たる拡散バリア層３２を設けてもよい。上
述の通り、 ＮｉＡｌボンディングコート２４で形成さ
れる初期酸化アルミニウムはゆっくりと成長する酸化物
スケール（熱成長酸化物；ＴＧＯ）の土台を与えると思
料される。ただし、作動時の温度暴露で、超合金基板２
２からＮｉＡｌボンディングコート２４への耐火元素の
拡散が起こる可能性があり、遮熱コーティング系２０の
耐用寿命を損なうおそれがある。かかる状況を回避して
耐用寿命をさらに一段と延ばす上で、拡散バリア層３２
がさらに有効である。バリア層の好適な形成方法として
は、Ｓｃｈａｅｆｆｅｒの米国特許第５３３４２６３号
に記載された方法による基板２２の浸炭、並びにＰＶＤ
法又は化学蒸着（ＣＶＤ）法による基板２２上でのＡｌ
Ｎ又はＡｌ−Ｏ−Ｎ層の皮膜形成がある。As shown in FIG. 2, a diffusion barrier layer 32, which is an optional component, may be provided between the NiAl bond coat 24 and the substrate 22 in order to further prevent interdiffusion and thereby improve the service life of the coating system 20. Good. As mentioned above, the initial aluminum oxide formed by the NiAl bond coat 24 is believed to provide a foundation for a slowly growing oxide scale (thermally grown oxide; TGO). However, due to temperature exposure during operation, superalloy substrate 2
2 may diffuse into the NiAl bond coat 24, which may shorten the useful life of the thermal barrier coating system 20. To avoid such a situation and further extend the useful life, the diffusion barrier layer 32
Is more effective. Suitable methods for forming the barrier layer include carburizing the substrate 22 by the method described in US Pat. No. 5,334,263 to Schaeffer, as well as PVD.
On the substrate 22 by the CVD method or the chemical vapor deposition (CVD) method
There is a film formation of N or Al-ON layer.
【００１８】本発明によれば、 ＮｉＡｌボンディング
コート２４は化学量論量のニッケルとアルミニウムから
基本的になり、ごく限られた量のジルコニウムを含む二
元ＮｉＡｌ合金であって、かかるごく限られた量のジル
コニウムで遮熱コーティング系の耐用寿命が劇的に改善
されるという予想外の知見が得られたのである。特に、
約０．０５〜約０．５原子％のジルコニウムを含むＮｉ
Ａｌボンディングコートで遮熱コーティングの寿命、す
なわち耐剥落性が劇的に改善されることが確認された。According to the present invention, the NiAl bond coat 24 is a binary NiAl alloy consisting essentially of stoichiometric amounts of nickel and aluminum and containing a very limited amount of zirconium. The unexpected finding was that the amount of zirconium dramatically improved the useful life of the thermal barrier coating system. In particular,
Ni containing from about 0.05 to about 0.5 atomic% zirconium
It was confirmed that the life of the thermal barrier coating, that is, the spalling resistance, was dramatically improved with the Al bond coat.
【００１９】本発明を完成へと導くに至った研究で、ボ
ンディングコート上にＥＢＰＶＤ法で膜厚約１２５μｍ
の７％イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の皮膜を
形成してなる遮熱コーティング系をニッケル基超合金試
験片に施工した。表１に示す通り、第１グループの超合
金試験片のボンディングコートは、公称膜厚約６０〜７
５μｍの従来の白金アルミニド（ＰｔＡｌ）拡散ボンデ
ィングコートである。第２及び第３のグループの超合金
試験片は、本発明にしたがって約０．０５原子％又は約
０．１原子％のジルコニウムを含むＮｉＡｌボンディン
グコートで被覆した。各ＮｉＡｌボンディングコートは
マグネトロンスパッタ法で約５０μｍの膜厚に製膜し
た。最後に、本発明にしたがって約０．０５原子％又は
約０．１原子％のジルコニウムを含むＮｉＡｌでできた
鋳造ボタンを２グループ作成した。これらのボタンは直
径約１インチ（約２５ｍｍ）、厚さ約０．１２５インチ
（約３ｍｍ）であった。超合金試験片と同様に、ＮｉＡ
ｌ製ボタンもＥＢＰＶＤ法により７％ＹＳＺで膜厚約１
２５μｍに被覆した。In a study which led to the completion of the present invention, a film thickness of about 125 μm
A thermal barrier coating system formed of a 7% yttria-stabilized zirconia (YSZ) film was applied to a nickel-based superalloy specimen. As shown in Table 1, the bond coat of the first group of superalloy test pieces had a nominal film thickness of about 60 to 7
5 μm conventional platinum aluminide (PtAl) diffusion bond coat. The second and third groups of superalloy specimens were coated with a NiAl bond coat containing about 0.05 at.% Or about 0.1 at.% Of zirconium according to the present invention. Each NiAl bond coat was formed to a thickness of about 50 μm by magnetron sputtering. Finally, two groups of cast buttons made of NiAl containing about 0.05 at.% Or about 0.1 at.% Of zirconium were made in accordance with the present invention. These buttons were about 1 inch (about 25 mm) in diameter and about 0.125 inches (about 3 mm) thick. As with the superalloy specimen, NiA
1 button made of 7% YSZ by EBPVD method
Coated to 25 μm.
【００２０】次に、ＹＳＺ皮膜の耐剥落性を室温から約
２０７５°Ｆ（約１１３５℃）又は約２１５０°Ｆ（約
１１７５℃）までの熱サイクル試験（１サイクル全体は
約１時間で完了）で評価した。試験結果を表１に示す。Next, a thermal cycle test from room temperature to about 2075 ° F. (about 1135 ° C.) or about 2150 ° F. (about 1175 ° C.) (the entire cycle is completed in about 1 hour) Was evaluated. Table 1 shows the test results.
【００２１】[0021]
【表１】 [Table 1]
【００２２】表１から明らかな通り、ＮｉＡｌ＋Ｚｒ試
験片上に製膜した遮熱コーティングは従来の拡散ＰｔＡ
ｌボンディングコート上に製膜した遮熱コーティングよ
りも耐剥落性が格段に優れていた。 ０．０５原子％を
上回るジルコニウムを含有するＮｉＡｌ＋Ｚｒ試験片の
熱サイクル寿命は２０７５°Ｆ及び２１５０°Ｆにおい
てＰｔＡｌボンディングコートよりも２倍以上長かっ
た。殊に、ＮｉＡｌボンディングコートが０．１原子％
のジルコニウムを含有する試験片については熱サイクル
寿命の改善は予想をはるかに上回るものであり、特に２
１５０°Ｆでは、これらの試験片はＰｔＡｌボンディン
グコート試験片の１０倍もの熱サイクル寿命の向上を示
した。 ＮｉＡｌ＋Ｚｒボンディングコートの形成に用
いた製膜プロセスの改良により、かかるコーティングの
熱サイクル寿命はボタン試験片の寿命まで改善されるも
のと思料される。これに基づくと、上記のＮｉＡｌ＋
０．０５Ｚｒボンディングコート試験片はＰｔＡｌボン
ディングコートとほぼ同等の熱サイクル寿命を示しては
いるが、製膜方法を改良することでＺｒ無添加ＮｉＡｌ
ボタン試験片とＮｉＡｌ＋０．１Ｚｒボタン試験片の中
間の熱サイクル寿命が得られるはずである。最後に、
ＮｉＡｌ＋０．５Ｚｒボタン試験片がＺｒ無添加ＮｉＡ
ｌボタン試験片のほぼ２倍もの最短寿命を示したことは
特記するに値する。したがって、 ＮｉＡｌ＋０．５Ｚ
ｒボンディングコートはＺｒ無添加ＮｉＡｌボンディン
グコートよりも改善された熱サイクル寿命を呈するもの
と予想されるが、最良の結果が０．０５〜０．５原子
％、特に０．１原子％又はその近辺のジルコニウム含有
量で得られることは明らかである。さらに、これらの試
験は、ＮｉＡｌ＋Ｚｒボンディングコート、特にＮｉＡ
ｌ＋０．１Ｚｒボンディングコートを備えた遮熱コーテ
ィング系が温度２１５０°Ｆを上回るような条件の厳し
い用途に相当有利に使用できることを示している。As is clear from Table 1, the thermal barrier coating formed on the NiAl + Zr test piece was a conventional diffusion PtA.
1) Exfoliation resistance was remarkably superior to the thermal barrier coating formed on the bonding coat. The thermal cycle life of NiAl + Zr specimens containing more than 0.05 atomic% of zirconium was more than twice as long as the PtAl bond coat at 2075 ° F and 2150 ° F. Especially, 0.1 atomic% of NiAl bond coat
For zirconium-containing specimens, the thermal cycle life improvement was much better than expected,
At 150 ° F., these specimens showed a 10-fold improvement in thermal cycle life over PtAl bond coat specimens. It is believed that by improving the film forming process used to form the NiAl + Zr bond coat, the thermal cycling life of such a coating is improved to the life of the button specimen. Based on this, the above NiAl +
Although the 0.05Zr bond coat test piece shows almost the same thermal cycle life as the PtAl bond coat, the Zr-free NiAl
An intermediate thermal cycle life between the button specimen and the NiAl + 0.1Zr button specimen should be obtained. Finally,
NiAl + 0.5Zr button test piece is Zr-free NiA
It is worth noting that the shortest life was almost twice that of the l-button test piece. Therefore, NiAl + 0.5Z
The r bond coat is expected to exhibit an improved thermal cycle life than the Zr-free NiAl bond coat, but the best results are from 0.05 to 0.5 at%, especially at or near 0.1 at%. Obviously, a zirconium content of In addition, these tests are based on NiAl + Zr bond coats, especially NiA
It shows that a thermal barrier coating system with a l + 0.1 Zr bond coat can be used quite advantageously for demanding applications where the temperature is above 2150 ° F.
【００２３】以上、好ましい実施形態を参照して本発明
を説明してきたが、当業者がその他の形態も採用し得る
ことは自明である。したがって、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。Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, it is obvious that other forms could be adopted by one skilled in the art. Therefore, the technical scope of the present invention is limited only by the description of the claims.
【図１】 高圧タービンブレードの斜視図。FIG. 1 is a perspective view of a high-pressure turbine blade.
【図２】 図１のブレードの線２−２に沿っての断面
図。FIG. 2 is a cross-sectional view of the blade of FIG. 1 along line 2-2.
１０ 部品 ２０ 遮熱コーティング系 ２４ ボンディングコート ２６ セラミック層 ２８ 酸化物層 ３０ 拡散層 ３２ 拡散バリア層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Component 20 Thermal barrier coating system 24 Bonding coat 26 Ceramic layer 28 Oxide layer 30 Diffusion layer 32 Diffusion barrier layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K028 CA01 CA02 CB06 CD01 4K029 AA02 BA25 BA43 BA44 BA58 BB02 BC10 BD03 EA01 4K031 AA02 AB02 AB08 FA01 4K044 AB10 BA06 BA10 BA12 BA13 BB02 BC11 CA12 CA13 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4K028 CA01 CA02 CB06 CD01 4K029 AA02 BA25 BA43 BA44 BA58 BB02 BC10 BD03 EA01 4K031 AA02 AB02 AB08 FA01 4K044 AB10 BA06 BA10 BA12 BA13 BB02 BC11 CA12 CA13
Claims (8)
工した、約０．０５〜約０．５原子％のジルコニウムを
含有する二元ＮｉＡｌ合金からなるボンディングコート
（２４）、及びボンディングコート（２４）を被覆する
遮熱セラミック層（２６）を含んでなる遮熱コーティン
グ系（２０）を表面に有する部品（１０）。1. A bonding coat (24) made of a binary NiAl alloy containing about 0.05 to about 0.5 atomic% of zirconium, which is applied to the surface of the component (10) by physical vapor deposition. A component (10) having on its surface a thermal barrier coating system (20) comprising a thermal barrier ceramic layer (26) covering (24).
ッケルとアルミニウムを含む、請求項１記載の部品。2. The component of claim 1, wherein said binary NiAl alloy comprises stoichiometric amounts of nickel and aluminum.
原子％のジルコニウムを含有する、請求項１記載の部
品。3. The method according to claim 1, wherein the nickel aluminide alloy is about 0.1%.
The component of claim 1, wherein the component contains atomic percent zirconium.
ディングコート（２４）、セラミック層（２６）及びそ
れらの中間の酸化物層（２８）から基本的になる、請求
項１記載の部品。4. The component of claim 1, wherein the thermal barrier coating system (20) consists essentially of a bond coat (24), a ceramic layer (26) and an oxide layer in between them (28).
求項１記載の部品。5. The component according to claim 1, wherein the component is made of a superalloy.
０）の間に拡散領域（３０）をさらに含んでいて、拡散
領域（３０）の厚さが約５μｍ以下である、請求項１記
載の部品。6. A bonding coat (24) and a component (1).
The component of claim 1, further comprising a diffusion region (30) during 0), wherein the thickness of the diffusion region (30) is less than or equal to about 5 μm.
ングコート（２４）と部品（１０）の間に拡散バリア層
（３２）をさらに含んでいる、請求項１記載の部品。7. The component of claim 1, wherein the thermal barrier coating system (20) further comprises a diffusion barrier layer (32) between the bond coat (24) and the component (10).
の表面内の浸炭領域、ボンディングコート（２４）と部
品（１０）の間のＡｌＮ層、及びボンディングコート
（２４）と部品（１０）の間のＡｌ−Ｏ−Ｎ層からなる
群から選択される、請求項７記載の部品。8. The component (10), wherein the diffusion barrier layer (32) is
The AlN layer between the bond coat (24) and the component (10), and the Al-ON layer between the bond coat (24) and the component (10). The component according to claim 7.
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