JP2006328541A - 熱障壁層を備える物品および熱障壁層の付与方法 - Google Patents

熱障壁層を備える物品および熱障壁層の付与方法 Download PDF

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Abstract

【課題】タービン部材上の熱障壁被覆のための接合被覆が提供される。
【解決手段】被覆物品は、基体２０と、熱障壁層２２とを含む。基体２０と熱障壁層２２との間にアルミニド層２６がある。アルミニド層２６と熱障壁層２２との間にＰｔＡｌ2層２４がある。方法は、アルミニウム含有の第一の層を基体２０に付与し、白金含有の第二の層を第一の層の上に付与し、ＰｔＡｌ2合金２４を生成するように第一の層から第二の層中へのアルミニウムの拡散を生じさせ、熱障壁層２２をＰｔＡｌ2合金２４上に付与する、ことを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱障壁被覆に関し、より詳細には、タービン部材上の熱障壁被覆のための接合被覆（ｂｏｎｄ ｃｏａｔ）に関する。
ガスタービンエンジン部材（例えば、ブレード、ベーン、シール、燃焼器パネルなど）は通常、ニッケル基またはコバルト基超合金で形成される。所望の作動温度はしばしばこれらの合金のみで可能な温度を超える。高温での使用を可能とするようにそのような部材上に熱障壁被覆（ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ）（ＴＢＣ）が一般に使用されている。さまざまな被覆組成（例えばセラミックス）およびさまざまな被覆方法（例えば、電子ビーム物理蒸着（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＥＢ−ＰＶＤ）およびプラズマ溶射堆積（ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））が知られている。
例示的な最新の被覆システムは、ＥＢ−ＰＶＤ技術により超合金基体（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）に付与される。例示的な被覆システムは、この基体上に金属製接合被覆層（例えば、拡散アルミニド（ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）またはＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金のオーバーレイ（ｏｖｅｒｌａｙ））を含む。この接合被覆上に断熱セラミックトップコート（ｔｏｐｃｏａｔ）層（例えば、イットリアで安定化したジルコニア（ＹＳＺ））が堆積される。この堆積の際に、接合被覆上に熱成長酸化物層（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｇｒｏｗｎ ｏｘｉｄｅ ｌａｙｅｒ）（ＴＧＯ）（例えば、アルミナ）が形成されることがあり、下に位置する接合被覆の残りの部分とトップコートとの間に介在する。
例示的な被覆システムおよび関連するプロセスでは、ニッケル基超合金基体は最初に白金でめっきされる。加熱ステップによって基体とめっきとの間に拡散が生じる。この白金拡散後にアルミニウムの被覆が付与される。アルミニウム付与の際に拡散によって白金含有アルミニドが形成され得る。この被覆後、さらなる加熱ステップによって、さらに拡散が生じ、結果として、過剰な表面アルミニウム中の拡散による、また基体からのニッケルの拡散による、より顕著な均一性が得られる。その後、ＥＢ−ＰＶＤによりＹＳＺ被覆が堆積される。
本発明の一態様は、基体と、熱障壁層とを含む被覆物品を含む。アルミニド層が基体と熱被覆層との間にある。ＰｔＡｌ2層がアルミニド層と熱障壁層との間にある。
方法は、アルミニウム含有の第一の層を基体に付与し、白金含有の第二の層を第一の層の上に付与し、ＰｔＡｌ2合金を生成するように第一の層から第二の層中へのアルミニウムの拡散を生じさせ、熱障壁層をＰｔＡｌ2合金上に付与する、ことを含む。
本発明の一つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明中に述べられる。本発明の他の特徴、目的および利点は、説明および図面から、また特許請求の範囲から明らかとなる。
さまざまな図面中の同様の参照番号および符号は、同様の部材を示す。
図１は、被覆物品を形成する例示的なプロセスを示す。例示的なプロセスは、被覆される基体を形成することを含む。例示的な基体は、ニッケル基またはコバルト基超合金で形成されるガスタービンエンジン部材である。特に関心のある部材の一つは、タービンセクションブレードである。基体は、一つまたは複数の工程（例えば、鋳造および機械加工）により形成できる。代替として、再被覆状態において、基体は、先に形成しておくことができ、既存の被覆の除去を受けることでき、また、随意選択の継ぎ当て（ｐａｔｃｈｉｎｇ）、割れ充填（ｃｒａｃｋ ｆｉｌｌｉｎｇ）、および同様のものなどを受けることができる。
被覆する基体の表面は、化学的および／または機械的手段（例えば、当業技術内で知られているような表面ブラスト法（ｃｏｓｍｅｔｉｃ ｂｌａｓｔｉｎｇ））により処理できる。その後、アルミニウム含有材料が、直接基体表面に付与される。アルミニウム含有材料の付与は、少なくとも最初はアルミニドを形成するように作用することになる。多くの付与技術が当業技術内で知られており、また可能である。例示的な技術は、従来の気相被覆を含む。このようなプロセスは、被覆蒸気を生成する被覆媒体源に近接して基体を配置することを含む。これは、媒体源がより遠隔にある化学蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＣＶＤ）技術と区別できる。ＣＶＤ被覆において基体は、一つまたは複数の被覆媒体容器から離れた容器内に保持される。ＣＶＤ被覆材料蒸気は、別のキャリヤーガスにより供給される。気相被覆において、基体および被覆媒体は、同じ容器内にあり、基体は、被覆媒体に接触しない（被覆媒体から、被覆蒸気が生成される）。
例示的な供給源材料は、アルミニウム・クロム（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｃｈｒｏｍｅ）を、活性剤としてのフッ化アンモニウム、塩化アンモニウム、またはフッ化アルミニウムと共に含む。例示的なアルミニウム・クロムは、共晶５５：４５重量パーセント比のアルミニウムおよびクロムから成る粒状（ｇｒａｎｕｌａｒ）合金である。アルミニウム・クロムおよび活性剤を（例えば、不活性ガス（例えばアルゴン）などの制御された雰囲気条件下で平鍋（ｐａｎ）内で）加熱すると、活性剤によって、アルミニウム蒸気の放出が生じ、アルミニウム蒸気は、基体上に凝縮する。例示的な堆積時間は、８時間未満（例えば、５から７時間）である。この堆積の際に、基体（例えば、特にニッケルから成る）からの拡散によって、付与されたアルミニウム含有材料がニッケルアルミニドに変換される。このアルミニドは、ＮｉＡｌ／ＮｉＡｌ2組成を有する傾向があり、さらにこの組成は、アルミニド中の合金元素としておよび／またはアルミニド中の析出物としての他の基体合金元素を含む。
アルミニウム含有材料の付与および最初のアルミニド形成の後で、白金含有材料が付与される。例示的な付与は、純白金の電気めっきを含む。この付与によって、アルミニドの上部に白金含有材料の層が残される。
拡散工程によって次いで、白金層中へのアルミニウムの拡散およびアルミニド中への白金の拡散が生じる。例示的な拡散は、加熱により生じる。例示的な加熱は、少なくとも５分間の間、少なくとも１８５０°Ｆ（より好ましくは少なくとも１９５０°Ｆ）（例えば、真空中（例えば０．１ミリトル（ｍｉｌｉｔｏｒｒ）以下）で約１０分間、約１９２５°Ｆ、次いでアルゴン中で約４時間、１９７５°Ｆ）の温度である。
任意の付加的な表面処理（例えば、研磨（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ））後に、ＹＳＺ被覆を付与できる。例示的なＹＳＺ付与は、ＥＢ−ＰＶＤによる。
図２は、被覆物品の詳細を示す。基体は、図の底部にほとんど乱されていない基部部分２０を有する。ＹＳＺ層２２は頂部にある。ＹＳＺ層２２は、白金めっき中へのアルミニウムの拡散により生成された白金−アルミニウム層２４のすぐ上にある。例示的な実施では、層２４は、連続ＰｔＡｌ2相である。白金含有アルミニド層２６が、ＰｔＡｌ2層２４の下に位置する。層２４と２６の間にある移行領域３０は、極端に急なものではなく、一方の層中にある他方の層材料の適度な大きさの含有物により特徴付けられる。移行領域３０は、アルミニドと白金めっきの間にある元の境界の外側に位置する。この境界は、基体の元の表面に一致し得る黒い斑点（ｄａｒｋ ｓｐｏｔ）により証拠付けられる。同様に、拡散領域２８が、乱されていない基体の基部部分２０とアルミニド２６の間に存在し得る。
ＹＳＺ層２２の例示的な厚みは、少なくとも４０μｍ（例えば、５０〜１００μｍ）である。ＰｔＡｌ2層２４の例示的な厚みは、５〜２０μｍである。アルミニド層２６の例示的な厚みは２５〜１００μｍである。
アルミニウム堆積後のめっきは、いくつかの利点のうちの一つまたは複数を有し得る。めっきは、アルミニドにおける粗さの不完全性を充填することにより滑らかな表面を提供する傾向があり得る。拡散後の例示的な粗さは、２０〜４０ＲＡである。滑らかさによって、トップコートの付着および関連する耐剥離性が向上する。
図３は、白金およびアルミニウムの付与の順が逆転された代替のプロセスを示す。白金が直接基体に付与される従来技術のシステムの一つから区別されるように、図３で堆積される白金層は、比較的厚い（例えば、５〜８μｍ）。また、白金付与とアルミニウム付与との間には独立した拡散工程は実質的に存在しない。後続の拡散加熱（例えば、少なくとも５分間、少なくとも１８５０°Ｆ（より好ましくは１９５０°Ｆ））が、白金をアルミニウム中に相互拡散させて、表面層２４を形成するとともにアルミニド層に白金を提供するように作用する。例示的な加熱は、アルゴン中、約４時間、１９７５°Ｆである。また、拡散によって、基体成分（例えばニッケル）がアルミニウム中に移動して、アルミニド層が形成される。
本発明の一つまたは複数の実施態様を説明した。それにもかかわらず、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずにさまざまな変形を行うことができることは理解されるであろう。例えば、これらの原理は、さまざまな既存のまたは今なお開発されている被覆システム、技術および装置の変形として適用できる。任意のこのような基本的な被覆、技術または装置の詳細は、任意の特定の実施の詳細に影響を及ぼすであろう。従って、他の実施態様は、添付の特許請求の範囲に含まれる。
被覆物品を形成するプロセスの基本的な流れ図である。 被覆物品の断面顕微鏡写真である。 被覆物品を形成する代替プロセスの流れ図である。
符号の説明
２０…基部部分
２２…ＹＳＺ層
２４…白金−アルミニウム層
２６…白金含有アルミニド層
２８…拡散領域
３０…移行領域

Claims (19)

  1. 基体と、
    熱障壁の第一の層と、
    主な部分として、基体と熱障壁層との間にあるアルミニドを含む第二の層と、
    主な部分として、アルミニド層と熱障壁層との間にあるＰｔＡｌ2を含む第三の層と、
    を備えることを特徴とする物品。
  2. 前記基体は実質的にニッケル基超合金から成ることを特徴とする請求項１記載の物品。
  3. 前記第一の層は実質的にイットリア安定化ジルコニアから成ることを特徴とする請求項１記載の物品。
  4. 前記第二の層は実質的に白金アルミニドから成ることを特徴とする請求項１記載の物品。
  5. 前記第三の層は５〜２０μｍの厚みを有することを特徴とする請求項１記載の物品。
  6. 前記第二の層は２５〜１００μｍの厚みを有することを特徴とする請求項１記載の物品。
  7. 実質的に前記基体と、第一の層と、第二の層と、第三の層とから成り、随意選択的に移行領域を含むことを特徴とする請求項１記載の物品。
  8. アルミニウム含有の第一の層を基体に付与し、
    白金含有の第二の層を第一の層の上に付与し、
    ＰｔＡｌ2合金を生成するように前記第一の層から第二の層中へのアルミニウムの拡散を生じさせ、
    ＰｔＡｌ2合金の上に熱障壁層を付与する、
    ことを含むことを特徴とする方法。
  9. 前記の熱障壁層を付与することは、イットリア安定化ジルコニアの電子ビーム物理蒸着を含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
  10. 前記の第一の層を付与することは実質的に、活性剤を用いるアルミニウム・クロムの気相被覆から成ることを特徴とする請求項８記載の方法。
  11. 前記の拡散を生じさせることは、少なくとも１８５０°Ｆの温度への加熱を含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
  12. 前記の拡散を生じさせることは、少なくとも１９００°Ｆの温度への加熱を含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
  13. 前記の拡散は、少なくとも５分間の間、１８５０°Ｆの温度への加熱により生じた拡散と少なくとも同じくらい大きいことを特徴とする請求項８記載の方法。
  14. 前記の拡散は、少なくとも５分間の間、１９２５°Ｆの温度への加熱により生じた拡散と少なくとも同じくらい大きいことを特徴とする請求項８記載の方法。
  15. 前記の拡散は、少なくとも５分間の間、１９５０°Ｆの温度への加熱により生じた拡散と少なくとも同じくらい大きいことを特徴とする請求項８記載の方法。
  16. ニッケル基超合金から成る基体を形成することをさらに含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
  17. 表面ブラスト法により基体を処理することをさらに含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
  18. アルミニウム含有の第一の材料を付与する工程と、
    前記第一の材料とは異なる白金含有の第二の材料を付与する工程と、
    前記第二の材料の白金と前記第一の材料のアルミニウムとからＰｔＡｌ2層を形成する工程と、
    熱障壁層を付与する工程と、
    を備えることを特徴とする基体を被覆する方法。
  19. 前記の熱障壁層を形成する工程は、ＰｔＡｌ2層を形成する工程の後に実施されることを特徴とする請求項１８記載の方法。
JP2006147670A 2005-05-27 2006-05-29 熱障壁層を備える物品および熱障壁層の付与方法 Pending JP2006328541A (ja)

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