JP2012140703A - 熱遮蔽コーティング構造の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱遮蔽コーティング構造を形成するための時間及び費用を低減することを可能にし、それによって全体的熱遮蔽コーティングシステムの熱サイクル耐性を損なうことなしに基材表面上に熱遮蔽コーティング構造を形成する方法を利用可能にする。
【解決手段】該熱遮蔽コーティング構造は、異なる方法で作り出される少なくとも２つの熱遮蔽コーティング２．１、２．２を含む。一方の熱遮蔽コーティング２．１を形成するには、コーティング材料を、大気圧でのプラズマ溶射（大気プラズマ溶射又は略してＡＰＳ）によって粉末ジェットの形態で基材表面上に溶射し、もう一方の熱遮蔽コーティング２．２を形成するには、コーティング材料を、異方性ミクロ構造を形成し且つ基材表面に対して本質的に垂直に整列される長く伸びた微粒子を有する層が基材表面上に発現するようにプラズマ溶射−物理蒸着又は略してＰＳ−ＰＶＤによって基材表面に塗布する。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部分（ｐｒｅａｍｂｌｅ）により基材表面上に熱遮蔽コーティング構造を形成するための方法、及び形成されたこのような熱遮蔽コーティング構造を有する基材表面を含む基材又はワークピースに関する。

熱遮蔽コーティングシステムは、機械及びプロセスにおいて、厳しい熱負荷にさらされる部品を熱、高温ガス腐食及び侵食の影響から保護するために使用される。しばしば、機械及びプロセスの効率の増大はプロセス温度の上昇によってのみ可能であり、そのため、暴露される部品を相応して保護しなければならない。例えば、航空機用エンジン及び定置ガスタービン中の燃焼室のタービンブレード又は部品は、したがって、燃焼室のタービンブレード及び／又は部品を高いプロセス温度の影響から保護し、且つ整備間隔及びそれらの寿命を増加させるために、通常は単層熱遮蔽コーティング又は複層熱遮蔽コーティングシステムを備える。

熱遮蔽コーティングシステムは、適用分野に応じて、１つ又は複数の層、例えば遮蔽層、とりわけ拡散遮蔽層、ボンド層、高温ガス腐食保護層、保護層、熱遮蔽コーティング及び／又はカバー層を含むことができる。上述のタービンブレードの例で、基材は、一般に、ニッケル合金又はコバルト合金から作製される。タービンブレード上に塗布される熱遮蔽コーティングシステムは、例えば、記載順で以下の層を含むことができる：
・例えば、ＮｉＡｌ相又はＮｉＣｒ相或いは合金で構成される金属遮蔽層、
・高温ガス腐食保護層としても役立ち、且つ、例えば、金属アルミニド又はＭＣｒＡｌＹ合金（ここで、Ｍは、金属Ｆｅ、Ｎｉ若しくはＣｏ又はＮｉとＣｏとの組合せの１つである）から少なくとも部分的には形成されることができる、金属ボンド層、
・例えば、Ａｌ_２Ｏ_３又はその他の酸化物からなる酸化物系セラミック保護層、
・例えば、安定化酸化ジルコニウムからなる酸化物系セラミック熱遮蔽コーティング、及び
・例えば、安定化酸化ジルコニウム又はＳｉＯ_２からなる酸化物系セラミック平滑化層又はカバー層。

酸化物系セラミック熱遮蔽コーティングは、繰り返し起こる温度変化のため、熱遮蔽コーティングの剥落を促進する割れを形成する傾向があるという問題を有する。この理由のため、酸化物系セラミック熱遮蔽コーティングの寿命は、熱遮蔽コーティングシステムを厳しい熱負荷にさらされる基材上に導入した場合に、不満足であることが多かった。

金属間ボンド層、及び柱状粒子構造又はミクロ構造を有するセラミック熱遮蔽コーティングを含む熱遮蔽コーティングシステムは、特許文献米国特許第５２３８７５２号により公知である。柱状ミクロ構造は、米国特許第５２３８７５２号による電子ビーム−物理蒸着又は略してＥＢ−ＰＶＤ法として公知である蒸着技術によって形成される。その方法で形成される熱遮蔽コーティングは、柱状ミクロ構造を有さない熱遮蔽コーティングの寿命に比較して相当に増大した寿命を有する。

米国特許第５２３８７５２号に記載の熱遮蔽コーティングシステムの形成は、ＥＢ−ＰＶＤによって熱遮蔽コーティングを塗布するための装置の費用が比較的高いという不都合、及び、ＥＢ−ＰＶＤであれば、例えば、端部の背後に位置し低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）でプラズマトーチから見えない基材の部分を被覆することも可能であるのに対し、熱遮蔽コーティングの「非直接照準（Ｎｏｎ Ｌｉｎｅ ｏｆ Ｓｉｇｈｔ）」（ＮＬＯＳ）塗布を可能にしないという不都合を有する。

文献国際公開第０３／０８７４２２号には、低圧プラズマ溶射薄膜法が開示されており、その方法によって、柱状ミクロ構造を有する熱遮蔽コーティングを形成することもできる。この方法で形成される熱遮蔽コーティングは、繰り返して起こる温度変化に対して主として可逆的に反応するが、このことは、割れを形成することなしに、結果として、それらの寿命が、柱状ミクロ構造を有さない熱遮蔽コーティングの寿命に比較して相当に増大されることも意味する。

柱状構造を有する熱遮蔽コーティングを形成するための国際公開第０３／０８７４２２号に記載のプラズマ溶射法は、その方法が、やはり、典型的には１００ｋＰａのプラズマトーチの内部圧力と１０ｋＰａ未満の作業チャンバーの圧力との間の圧力差のため起こる幅の広いプラズマジェットを使用するので、ＬＰＰＳ−薄膜法と関連付けて言及される。しかし、記載の方法で形成される熱遮蔽コーティングは厚さが１ｍｍまで又はより厚く、そのため用語「薄膜」を使用して言及することはできないので、記載の方法は、以下でプラズマ溶射−物理蒸着法又は省略してＰＳ−ＰＶＤ法として言及される。

しかし、柱状ミクロ構造を有する熱遮蔽コーティングを形成するための上記方法は、該形成が２５０μｍ又はより厚い熱遮蔽コーティングの場合に比較的緩慢であるという不都合を有する。この理由のため、柱状ミクロ構造を有する熱遮蔽コーティングの形成は、このようなミクロ構造を有さない熱遮蔽コーティングの形成に比べて、有意により複雑なものとなる。

本発明の目的は、柱状ミクロ構造を有する同じ厚さの従来型熱遮蔽コーティングに比較して、熱遮蔽コーティング構造を形成するための時間及び費用に関する努力を低減することを可能にし、それによって全体的熱遮蔽コーティングシステムの熱サイクル耐性を損なうことなしに、基材表面上に熱遮蔽コーティング構造を形成する方法を利用可能にすることである。本発明のさらなる目的は、このような熱遮蔽コーティング構造を有する基材表面を含む基材又はワークピースを提供することからなる。

これらの目的は、本発明により請求項１で規定される方法、及び請求項１０で規定される基材又はワークピースによって達せられる。

本発明により基材表面上に熱遮蔽コーティング構造を形成するための方法において、セラミックコーティング材料は、プラズマ溶射によって基材表面上に塗布され、ここで、該熱遮蔽コーティング構造は、異なる方法で作り出される少なくとも２つの熱遮蔽コーティングを含む。一方の熱遮蔽コーティングを形成するには、コーティング材料を、大気圧でのプラズマ溶射（大気プラズマ溶射又は略してＡＰＳ）によって粉末ジェットの形態で基材表面上に溶射する。もう一方の熱遮蔽コーティングを形成するには、コーティング材料を、プラズマ溶射−物理蒸着又は略してＰＳ−ＰＶＤによって２０００Ｐａ未満の圧力の作業チャンバー内の基材表面上に塗布し、ここで、コーティング材料は粉末としてプラズマ中に注入され、プラズマは粉末ジェットを非収束化し、粉末は、その中で部分的又は完全に気化され、例えば、十分に高い比エンタルピーを有するプラズマが作られ、典型的には、コーティング粉末の少なくとも１０又は少なくとも２０重量パーセントの部分が気相中に移行され、その結果、異方性ミクロ構造を形成し、且つ基材表面に対して本質的には垂直に整列される長く伸びた微粒子を有する層が基材表面上に発現する。このようなミクロ構造は、柱状ミクロ構造とも呼ばれる。

ＡＰＳによって溶射される熱遮蔽コーティングは、例えば、２０μｍから１０００μｍまで、５０μｍから８００μｍまで、又は１００μｍから６００μｍまでの厚さを有することができ、且つ１つ又は複数の層に溶射される。ＰＳ−ＰＶＤによって塗布される熱遮蔽コーティングは、２０μｍから１０００μｍまで、５０μｍから８００μｍまで、又は１００μｍから６００μｍまでの厚さを有することができ、且つ有利には、１つ又は複数の層に塗布される。

複層の場合、ＡＰＳによって溶射される熱遮蔽コーティング及び／又はＰＳ−ＰＶＤによって塗布される熱遮蔽コーティングの個々の層は、それぞれ、３μｍから２０μｍまで、とりわけ、４μｍから１２μｍまでの厚さを有することができる。

有利には、ＡＰＳによって溶射される１つ又は複数の熱遮蔽コーティング、及びＰＳ−ＰＶＤによって塗布される１つ又は複数の熱遮蔽コーティングの連続（ａ ｓｅｑｕｅｎｃｅ）が生成される。

有利な変形形態において、基材表面上の最初の熱遮蔽コーティングは、ＡＰＳによって溶射される熱遮蔽コーティングであり、及び／又はＡＰＳによって溶射される熱遮蔽コーティングが、最上層の熱遮蔽コーティングとして塗布される。

該方法の有利な実施形態において、セラミックコーティング材料は、熱遮蔽コーティングを形成するための酸化物系セラミック成分を含み、ここで、該セラミックコーティング材料は、例えば、安定化酸化ジルコニウム、とりわけイットリウム、セリウム、ガドリニウム、ジスプロシウム、若しくはその他の希土類で安定化された酸化ジルコニウムから構成され、及び／又は成分として安定化酸化ジルコニウムを含み、とりわけイットリウム、セリウム、ガドリニウム、ジスプロシウム、若しくはその他の希土類で安定化された酸化ジルコニウムを含む。

該方法のさらに有利な実施形態では、以下の機能層の１つ又は複数がさらに塗布される：
・熱遮蔽コーティングの塗布に先立つ、２μｍから３０μｍまでの厚さを有する金属遮蔽層、とりわけＮｉＡｌ合金、ＮｉＣｒ合金、ＰｔＡｌ合金、又はＰｔＮｉの合金で構成される金属間遮蔽層、
・熱遮蔽コーティングの塗布に先立つ、ボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層、とりわけＭＣｒＡｌＹ型合金（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はＮｉＣｏ）の５０μｍから５００μｍまでの厚さを有する層、
・熱遮蔽コーティングの塗布に先立つ、０．０２μｍから２０μｍまでの、又は０．３μｍから３μｍまでの厚さを有する保護層、とりわけＡｌ_２Ｏ_３又は三元Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ化合物の保護層、
・熱遮蔽コーティングの塗布に続く、平滑化層、とりわけ酸化物系セラミックコーティング材料の及び／又は熱遮蔽コーティングと同一のコーティング材料からの厚さが２μｍから５０μｍまでの平滑化層。

有利には、熱に耐えるコーティング構造を形成するために、少なくとも２つのプラズマ溶射システム：ＡＰＳを使用して熱遮蔽コーティングを溶射するための装置、及びＰＳ−ＰＶＤによって熱遮蔽コーティングを塗布するための装置が設けられる。

本発明は、さらに、上記実施形態及び変形形態の１つ又は複数による方法によって形成される熱遮蔽コーティング構造を有する基材表面を含む、基材又はワークピースを含み、ここで、該熱遮蔽コーティング構造は、異なる方法で作り出される少なくとも２つの熱遮蔽コーティング、すなわちＡＰＳによって溶射される熱遮蔽コーティング、及びＰＳ−ＰＶＤによって塗布される熱遮蔽コーティングを含み、ここで、ＰＳ−ＰＶＤによって塗布される熱遮蔽コーティングは、異方性ミクロ構造を形成し、且つ基材表面に対して本質的に垂直に整列される長く伸びた微粒子を含む。

基材表面上に熱遮蔽コーティング構造を形成するための本発明による方法、及びこのような熱遮蔽コーティング構造を有する基材又はワークピースは、熱遮蔽コーティングシステムの一部を溶射するのにＡＰＳを使用するので、ＰＳ−ＰＶＤによってもっぱら形成される同一の厚さを有する一般的な熱遮蔽コーティングに比較して、全体的な熱遮蔽コーティングシステムの熱サイクル耐性に影響を及ぼさないで、熱遮蔽コーティング構造を形成するための時間及び費用に関する努力を低減することができるという利点を有する。

実施形態及び変形形態に関する上記説明は、単に例として提供するにすぎない。さらに有利な実施形態は、従属請求項及び図面から明らかになる。さらに、記載の実施形態及び変形形態からの個々の特徴、又は示した実施形態及び変形形態からの特徴を、互いに組み合わせて、本発明の範囲内の新たな実施形態を形成することができる。

以下で、本発明を実施形態に関して図面を参照して詳細に説明する。

本発明により形成される熱遮蔽コーティング構造の実施形態を示す図である。 本発明により形成される熱遮蔽コーティング構造を有する熱遮蔽コーティングシステムの実施形態を示す図である。

基材表面３上に熱遮蔽コーティング構造２を形成するための本発明による方法に関する実施形態を、図１を参照して以下で説明する。該方法では、セラミックコーティング材料を、プラズマ溶射によって基材表面上に塗布する。ここで、熱遮蔽コーティングシステム２は、異なる方法で作り出される少なくとも２つの熱遮蔽コーティング２．１、２．２を含む。一方の熱遮蔽コーティングを形成するには、コーティング材料を、大気圧でのプラズマ溶射（大気プラズマ溶射又は略してＡＰＳ）によって粉末ジェットの形態で基材表面上に溶射する。もう一方の熱遮蔽コーティング２．２を形成するには、コーティング材料を、プラズマ溶射−物理蒸着又は略してＰＳ−ＰＶＤによって２０００Ｐａ未満の圧力の作業チャンバー内の基材表面上に塗布し、ここで、コーティング材料は、プラズマ中に粉末として注入され、プラズマは粉末ジェットを非収束化し、粉末は、その中で部分的又は完全に気化され、例えば、十分に高い比エンタルピーを有するプラズマが生成され、コーティング粉末の少なくとも１０又は少なくとも２０重量パーセントの部分が気相中に移行し、その結果、異方性ミクロ構造を形成し且つ基材表面に対して本質的に垂直に整列される長く伸びた微粒子を有する層が基材表面上に発現する。このようなミクロ構造は、柱状ミクロ構造とも呼ばれる。

ＡＰＳ熱遮蔽コーティング２．１を形成するには、プラズマトーチを備えた大気プラズマ溶射用プラズマ溶射装置、例えば、Ｓｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ社の９ＭＢ型ＤＣプラズマトーチを使用することができる。プラズマ溶射中にプラズマトーチに供給される電力は、典型的には、４０ｋＷから８０ｋＷまでになる。Ａｒと選択的にＨｅ及び／又はＨ_２との混合物を、プラズマガスとして使用することができ、例えば、３０％〜４０％のＨｅ又はＨ_２を有するＡｒを使用することができる。

ＰＳ−ＰＶＤ熱遮蔽コーティング２．２を形成するには、プラズマジェットを形成するためのプラズマトーチを備えた作業チャンバー、作業チャンバーに連結されて作業チャンバーの圧力を２０００Ｐａ以下に低下させるポンプ装置、及び基材を支えるための基材支持具を有するプラズマコーティング装置が、好都合には使用される。例えばＤＣプラズマトーチとして配置することができるプラズマトーチには、柱状ミクロ構造を有する熱遮蔽コーティングを形成することができるような十分に高い比エンタルピーを備えたプラズマを作り出すために少なくとも６０ｋＷ、８０ｋＷ又は１００ｋＷの電力を有利には供給できる。プラズマコーティング装置は、固体、液体及び／又はガス様形態の１種又は複数の成分をプラズマ中又はプラズマジェット中に吹き込むための１つ又は複数の吹き込みデバイスを必要なら付加的に含むことができる。

プラズマトーチは、典型的には、ＰＳ−ＰＶＤ熱遮蔽コーティングを形成するための電源、例えば、ＤＣプラズマトーチのためのＤＣ電源に、及び／又は冷却装置に、及び／又はプラズマガス供給源に連結され、場合によっては液体及び／又はガス様反応成分の供給に、及び／又は溶射粉末又は懸濁液の供給デバイスに連結されることもある。プロセスガス又はプラズマガスは、例えば、アルゴン、窒素、ヘリウム及び／又は水素、或いは不活性ガスと窒素及び／又は水素との混合物を含有することができ、且つ／又はこれらのガスの１又は複数の種から調製することができる。

有利には、基材支持具は、基材をプレチャンバーから作業チャンバー内に封止ロックを通って移動させるための移動可能な棒状支持具として実現される。棒状支持具は、さらに、必要なら処理及び／又はコーティング中の基材の回転を可能にする。

さらに、ＰＳ−ＰＶＤ熱遮蔽コーティングを形成するためのプラズマコーティング装置は、プラズマジェットの方向及び／又はプラズマトーチから基材表面３までの距離を例えば０．２ｍから２ｍまで、又は０．３ｍから１．２ｍまでの領域に制御するための、プラズマトーチ用の移動制御装置を付加的に含むことができる。場合によっては、１つ又は複数の旋回軸を移動装置中に備えて旋回運動を行うことができる。さらに、移動装置は、プラズマトーチを基材表面３の上記の別の領域に配置するための直線移動軸を付加的に含むこともできる。プラズマトーチの直線運動及び旋回運動は、基材処理及び基材コーティングを制御して、例えば、基材表面を均一に予熱すること、又は基材表面上での均一な層厚及び／又は層品質を達成することを可能にする。

ＡＰＳによって溶射される熱遮蔽コーティング２．１は、例えば、２０μｍから１０００μｍまで、５０μｍから８００μｍまで、又は１００μｍから６００μｍまでの厚さを有することができ、且つ１つ又は複数の層に溶射することができる。ＰＳ−ＰＶＤによって塗布される熱遮蔽コーティング２．２は、２０μｍから１０００μｍまで、５０μｍから８００μｍまで、又は１００μｍから６００μｍまでの厚さを有することができ、且つ有利には複数の層に塗布される。

いくつかの層からなる場合、ＡＰＳによって溶射される熱遮蔽コーティング２．１及び／又はＰＳ−ＰＶＤによって塗布される熱遮蔽コーティング２．２の個々の層は、それぞれ、３μｍから２０μｍまでの厚さを有し、とりわけそれぞれ、４μｍから１２μｍまでの厚さを有することができる。

有利には、ＡＰＳによって溶射される１つ又は複数の熱遮蔽コーティング及びＰＳ−ＰＶＤによって塗布される１つ又は複数の熱遮蔽コーティングの連続が生成される。

有利な変形形態において、基材表面３上の最初の熱遮蔽コーティングは、ＡＰＳによって溶射される熱遮蔽コーティングであり、及び／又はＡＰＳによって溶射される熱遮蔽コーティングは、最上層の熱遮蔽コーティングとして塗布される。

該方法の有利な実施形態において、熱遮蔽コーティング２．１、２．２を形成するためのセラミックコーティング材料は、酸化物系セラミック成分を含み、ここで、該セラミックコーティング材料は、例えば、安定化酸化ジルコニウム、とりわけ、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ジスプロシウム若しくはその他の希土類で安定化された酸化ジルコニウムから構成され、及び／又は成分として安定化酸化ジルコニウムを含み、とりわけ、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ジスプロシウム若しくはその他の希土類で安定化された酸化ジルコニウムを含み、ここで、酸化イットリウム含有量は、イットリウムで安定化された酸化ジルコニウムの場合、典型的には５〜２０重量％である。

ＰＳ−ＰＶＤ熱遮蔽コーティング２．２の形成中に、プラズマを非収束化することによって粉末ジェットを蒸気雲に変換し、それから所望の柱状構造を有する層が生じるように、粉末形状の出発原料を極めて微細に造粒しなければならない。出発材料の粒度分布の実質的部分は、有利には、１μｍ〜５０μｍ、好ましくは１μｍ〜２５μｍの範囲にある。

基材表面３上に熱遮蔽コーティング構造を形成するための本発明による方法のさらなる実施形態では、１つ又は複数の機能性層が、熱遮蔽コーティング上に付加的に塗布される。該実施形態を、図２を参照して以下で説明する。この実施形態では、セラミックコーティング材料が、プラズマ溶射によって基材表面上に塗布され、ここで、該熱遮蔽コーティング構造は、異なる方法で作り出される少なくとも２つの熱遮蔽コーティング２．１、２．２を含む。一方の熱遮蔽コーティング２．１を形成するには、コーティング材料を、大気圧でのプラズマ溶射（大気プラズマ溶射又は略してＡＰＳ）によって粉末ジェットの形態で基材表面上に溶射する。もう一方の熱遮蔽コーティング２．２を形成するには、コーティング材料を、プラズマ溶射−物理蒸着又は略してＰＳ−ＰＶＤによって２０００Ｐａ未満の圧力を有する作業チャンバー内の基材表面上に塗布し、ここで、該コーティング材料はプラズマ中に粉末として注入され、プラズマは粉末ジェットを非収束化し、粉末はその中で部分的又は完全に気化され、例えば、十分に高い比エンタルピーを有するプラズマが生成され、コーティング粉末の少なくとも１０又は少なくとも２０重量％の部分が気相中に移行され、その結果、異方性ミクロ構造を形成し且つ基材表面に対して本質的に垂直に整列される、長く伸びた微粒子を有する層が基材表面上に発現する。

熱遮蔽コーティングの形成に関する考え得る実施形態及び変形形態、並びにより正確な言明は、図１を参照して例示された上記の最初の実施形態の説明から得ることができる。

以下の実施形態では、熱遮蔽コーティングに加えて、以下の機能性層の１つ又は複数が塗布される：
・熱遮蔽コーティングの塗布に先立つ、２μｍから３０μｍまでの厚さを有する金属遮蔽層、とりわけ、ＮｉＡｌ合金、ＮｉＣｒ合金、ＰｔＡｌ合金、又はＰｔＮｉ合金で構成される金属間化合物（ｉｎｔｅｒ−ｍｅｔａｌｌｉｃ）遮蔽層、
・熱遮蔽コーティングの塗布に先立つ、ボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層４、とりわけ、ＭＣｒＡｌＹ型合金（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はＮｉＣｏ）からなる厚さが５０μｍから５００μｍまでの層、
・熱遮蔽コーティングの塗布に先立つ、厚さが０．０２μｍから２０μｍまで、又は０．３μｍから３μｍまでの保護層、とりわけＡｌ_２Ｏ_３又は三元Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ化合物からなる保護層、
・熱遮蔽コーティングの塗布に続く、平滑化層５、とりわけ、酸化物系セラミックコーティング材料の及び／又は熱遮蔽コーティングと同一のコーティング材料からの厚さが２μｍから５０μｍまでの平滑化層。

上記の機能性層と組み合わせた熱遮蔽コーティング２．１、２．２は、熱遮蔽コーティングシステム１とも呼ばれる。

言及した金属遮蔽層は、基材表面がＮｉＡｌをベースにした合金によって形成されない場合に有利である。この場合、金属遮蔽層は、基材表面３上に直接的に塗布され、続いて塗布されるボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層４の準備段階での分解を防止するのに役立つ。

保護層は、典型的には、前述のように、ボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層４上に付加的に塗布され、好都合には、酸化物層として形成される。該酸化物層は、例えば、ＰＳ−ＰＶＤ熱遮蔽コーティング２．２を形成するのに使用されるプラズマコーティング装置の作業チャンバー内で形成することができる。酸化物層は、例えば、その中で熱的に作り出されることができ、基材表面は、例えばプラズマジェットで加熱され、ここで、該作業チャンバーは、酸化物層を形成する間、酸素又は酸素含有ガスを含む。

保護層として使用される酸化物層は、有利には、その中に２％未満、０．５％未満、又は０．１％未満の気孔率を有し、例えば、該保護層は本質的にはＡｌ_２Ｏ_３から形成される。

必要なら、遮蔽層及び／又はボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層４及び／又は保護層は、ＰＳ−ＰＶＤ熱に耐えるコーティング２．２を形成するのに使用されるプラズマコーティングプラントの作業チャンバー内で作り出すことができる。

さらに有利な実施形態では、プラズマジェットの方向及び／又はプラズマトーチの基材からの距離を制御することができる。それによって、例えば、基材表面の加熱の際に、及び／又は酸化物層の形成の際に、及び／又は熱遮蔽コーティング２．１、２．２の塗布の際に、プラズマジェットを、基材表面上で誘導して、できる限り均一な処理又はコーティングを達成し、且つ一定に方向付けられた高ビーム出力のプラズマジェットで起こり得る基材表面及び／又は基材の局部加熱及び／又は損傷を回避することができる。

上記の実施形態及び変形形態中に記載のコーティングの塗布及び／又は生成に先立って、通常的には、基材及び／又は基材表面３を予熱して層の接着性を向上させる。基材の予熱は、プラズマジェットによって行うことができ、ここで、予熱は、数回の旋回運動によってプラズマジェットを基材上に誘導するだけで通常十分であるが、プラズマジェットは予熱のためのコーティング粉末又は反応性成分を含まない。典型的には、２０〜３０の旋回運動によって、基材表面３を８００℃から１３００℃までの温度まで十分に加熱することができる。

使用するプラズマ溶射法とは独立に、上の実施形態及び変形形態中に記載のように、熱遮蔽コーティング及び機能性層の塗布及び／又は生成を前もって定めた温度領域内で実施するために、付加的熱源を使用することが有利であることもある。該温度は、好都合には、８００〜１３００℃の範囲、好ましくは１０００℃超の温度範囲に前以て定められる。例えば、赤外ランプ及び／又はプラズマジェット及び／又はプラズマを、付加的熱源として使用することができる。これに関して、熱源の熱供給及び／又は被覆される予定の基材の温度を、制御又は調節する。

熱遮蔽コーティング構造を形成するには、少なくとも２つのプラズマ溶射装置：ＡＰＳによって熱遮蔽コーティングを溶射するための装置、及びＰＳ−ＰＶＤによって熱遮蔽コーティングを塗布するための装置が、有利には設けられる。

本発明は、さらに、上記の実施形態及び変形形態の１つ又は複数による方法により形成される熱遮蔽コーティング構造を有する基材表面を含む基材又はワークピースを含む。図１は、本発明による熱遮蔽コーティング構造２の実施形態を示し、図２は、本発明による熱遮蔽コーティング構造を有する熱遮蔽コーティングシステム１の実施形態を示す。熱遮蔽コーティング構造は、双方の実施形態において、異なる方法で形成される少なくとも２つの熱遮蔽コーティング２．１、２．２、すなわち、ＡＰＳによって溶射される熱遮蔽コーティング２．１、及びＰＳ−ＰＶＤによって塗布される熱遮蔽コーティング２．２を含み、ここで、ＰＳ−ＰＶＤによって塗布される熱遮蔽コーティングは、異方性ミクロ構造を形成し且つ基材表面に対して本質的に垂直に整列される、長く伸びた微粒子を含む。

示した実施形態において、熱遮蔽コーティング構造は、基材又はワークピースの基材表面３上に塗布される。典型的な変形形態において、基材及び／又はワークピース及び／又は基材表面は、金属性であり、ここで、基材及び／又はワークピースは、例えば、Ｎｉ合金又はＣｏ合金で構成されるタービンブレードである。

図２に示す実施形態において、ボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層４、例えば、ＮｉＡｌ又はＰｔＡｌなどの金属アウルミニド、或いはＭＣｒＡｌＹ型合金（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はＮｉとＣｏとの組合せ）の層は、基材と熱遮蔽コーティング２．１、２．２との間に付加的に準備される。ボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層４は、典型的には、５０μｍ〜５００μｍの厚さを有する。必要なら、
・典型的には厚さが２μｍ〜３０μｍの遮蔽層（図２には示さない）を、基材とボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層４との間に付加的に準備することができ、ここで、該遮蔽層は、有利には、金属から、例えば、ＮｉＡｌ合金、ＮｉＣｒ合金、ＰｔＡｌ合金、又はＰｔＮｉ合金で構成される金属間遮蔽層の形態で構成され、且つ／又は
・厚さが０．０２μｍから２０μｍまで、又は０．０３μｍから３μｍまでの保護層（図２には示さない）を、ボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層４及び／又は熱遮蔽コーティング２．１、２．２の間に付加的に準備することができ、ここで、該保護層は、有利には、酸化物層として、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３又は三元Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ化合物の保護層の形態で形成される。

封止遮蔽及び／又はボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層及び／又は保護層の塗布は、所望なら、熱遮蔽コーティング構造を形成するための方法の枠組み中で行うことができる。有利な実施形態において、遮蔽コーティング及び／又はボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層４及び／又は保護層は、基材表面３上に、例えばプラズマ溶射法によって又は別の適切な方法によって最初に塗布され、異なる方法で作り出される少なくとも２つの熱遮蔽コーティング２．１、２．２が塗布される熱遮蔽コーティング構造が続く。

必要なら、図２に示すように、最上層の熱遮蔽コーティング上に、例えば、ＺｒＯ_２又はＳｉＯ_２などの酸化物系セラミック材料で構成され、典型的には１μｍから５０μｍまで、好ましくは２μｍから２０μｍまでの厚さを有する付加的平滑化層５を準備することができる。しばしば、平滑化層は、熱遮蔽コーティングと同一のコーティング材料で構成される。平滑化層は、ＰＳ−ＰＶＤ又はＡＰＳによって塗布することができ、ここで、例えば、１つ又は複数の成分が、プラズマ中に、又はプラズマジェット中に、固体、液体、及び／又はガス様形態で注入される。

基材表面上に熱遮蔽コーティング構造を形成するための上記方法、関連する実施形態及び変形形態、並びに形成されたこのような熱遮蔽コーティング構造を備えた基材又はワークピースは、記載の方法で形成される熱遮蔽コーティング構造が、それによって全体的な熱遮蔽コーティングシステムの熱サイクル耐性に影響を及ぼさないで、柱状ミクロ構造を有する同じ厚さの一般的熱遮蔽コーティングに比較して、より安価に形成され得るという利点を有する。

１ 熱遮蔽コーティングシステム
２ 熱遮蔽コーティング構造
２．１ 熱遮蔽コーティング
２．２ 熱遮蔽コーティング
３ 基材表面
４ ボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層
５ 平滑化層

Claims (10)

1. 基材表面（３）上に熱遮蔽コーティング構造（２）を形成するための方法であって、セラミックコーティング材料がプラズマ溶射によって該基材表面上に塗布され、前記該熱遮蔽コーティング構造が、異なる方法で作り出される少なくとも２つの熱遮蔽コーティング（２．１、２．２）を含み、ここで、一方の該熱遮蔽コーティング（２．１）を形成するために、コーティング材料が、大気圧でのプラズマ溶射（大気プラズマ溶射又は略してＡＰＳ）によって粉末ジェットの形態で該基材表面上に溶射され、且つもう一方の該熱遮蔽コーティング（２．２）を形成するために、コーティング材料が、プラズマ溶射−物理蒸着又は略してＰＳ−ＰＶＤによって２０００Ｐａ未満の圧力の作業チャンバー内の該基材表面上に塗布され、ここで、該コーティング材料は粉末としてプラズマ中に注入され、プラズマは粉末ジェットを非収束化し、粉末はそこで部分的又は完全に気化され、その結果、異方性ミクロ構造を形成し且つ基材表面に対して本質的に垂直に整列される長く伸びた微粒子を有する層が基材表面上に発現することを特徴とする上記方法。
2. ＡＰＳによって溶射される前記熱遮蔽コーティング（２．１）が、２０μｍから１０００μｍまでの、とりわけ５０μｍから８００μｍまでの厚さを有し、且つ１つ又は複数の層に溶射される、請求項１に記載の方法。
3. ＰＳ−ＰＶＤによって塗布される前記熱遮蔽コーティング（２．２）が、２０μｍから１０００μｍまでの、とりわけ５０μｍから８００μｍまでの厚さを有し、且つ１つ又は複数の層に塗布される、請求項１又は２に記載の方法。
4. ＡＰＳによって溶射される前記熱遮蔽コーティング（２．１）及び／又はＰＳ−ＰＶＤによって塗布される前記熱遮蔽コーティング（２．２）の個々の層が、それぞれ、３μｍから２０μｍまで、とりわけ４μｍから１２μｍまでの厚さを有する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
5. ＡＰＳによって溶射される１つ又は複数の熱遮蔽コーティング、及びＰＳ−ＰＶＤによって塗布される１つ又は複数の熱遮蔽コーティングの連続が生成される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
6. 前記基材表面上の最初の熱遮蔽コーティングが、ＡＰＳによって溶射される熱コーティング遮蔽であり、及び／又はＡＰＳによって溶射される熱遮蔽コーティングが、最上層の熱遮蔽コーティングとして塗布される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
7. 前記セラミックコーティング材料が、前記熱遮蔽コーティング（２．１、２．２）を形成するための酸化物系セラミック成分を含み、及び／又は該熱遮蔽コーティングを形成するための該セラミックコーティング材料が、安定化酸化ジルコニウム、とりわけ、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ジスプロシウム、若しくはその他の希土類で安定化された酸化ジルコニウムから構成され、及び／又は成分として安定化酸化ジルコニウム、とりわけ、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、ジスプロシウム、若しくはその他の希土類で安定化された酸化ジルコニウムを含む、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 以下の機能性層：
   ・前記熱遮蔽コーティングの塗布に先立つ、金属遮蔽層、とりわけ、２μｍから３０μｍまでの厚さを有し、ＮｉＡｌ合金、ＮｉＣｒ合金、ＰｔＡｌ合金、又はＰｔＮｉ合金で構成される金属間化合物遮蔽層；
   ・該熱遮蔽コーティングの塗布に先立つ、ボンド層及び／又は高温ガス腐食保護層４、とりわけ、ＭＣｒＡｌＹ型（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はＮｉＣｏ）の合金の５０μｍから５００μｍまでの厚さの層；
   ・該熱遮蔽コーティングの塗布に先立つ、酸化物系セラミック保護コーティング、とりわけ、Ａｌ_２Ｏ_３、又は三元Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ化合物の０．０２μｍから２０μｍまでの、又は０．０３μｍから３μｍまでの厚さの保護層；
   ・該熱遮蔽コーティングの塗布に続く、平滑化層５、とりわけ、酸化物系セラミックコーティング材料の及び／又は該熱遮蔽コーティングと同一のコーティング材料からの２μｍから５０μｍまでの厚さの平滑化層；
   の１つ又は複数が更に塗布される、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
9. 複層熱遮蔽システムを形成するために、少なくとも２つのプラズマ溶射システム：ＡＰＳによって熱遮蔽コーティングを溶射するための装置、及びＰＳ−ＰＶＤによって熱遮蔽コーティングを塗布するための装置が設けられる、請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法を使用して形成され、異なる方法で作り出される少なくとも２つの熱遮蔽コーティング（２．１、２．２）、すなわちＡＰＳによって溶射される熱遮蔽コーティング（２．１）及びＰＳ−ＰＶＤによって塗布される熱遮蔽コーティング（２．２）を含む熱遮蔽コーティング構造（２）を有する基材表面（３）を含む基材又はワークピースであって、ここで、該ＰＳ−ＰＶＤによって塗布される熱遮蔽コーティングが、異方性ミクロ構造を形成し、且つ基材表面に対して本質的に垂直に整列される長く伸びた微粒子を含む、上記基材又はワークピース。

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