JPH09133006A - 区画された摩耗しやすいシーリングシステム、区画された摩耗しやすいセラミックコーティング方法、ガスタービンエンジン構成要素流路ダクトセグメントコーティング、および区画された摩耗しやすいセラミックコーティング - Google Patents
区画された摩耗しやすいシーリングシステム、区画された摩耗しやすいセラミックコーティング方法、ガスタービンエンジン構成要素流路ダクトセグメントコーティング、および区画された摩耗しやすいセラミックコーティングInfo
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Abstract
ーティングを提供する。 【解決手段】 優れた摩耗性と耐浸食性を有する区画さ
れた摩耗しやすいセラミックコーティングシステムが開
示されている。システムは、金属性の基体12を有する
ダクトセグメント10と、基体12上のMCrAlYボ
ンドコート14およびボンドコート14上の区画された
摩耗しやすいセラミックコーティング16を含む。区画
された摩耗しやすいセラミックコーティング16は、ベ
ースコートファンデーション層18と、おだやかに変化
する中間層20および、好ましくは全面にわたって約5
0ミル(1.270mm)厚さの摩耗しやすい頂上層を
含んでいる。コーティングは複数の垂直なマイクロクラ
ックによって特徴付けられる。デポジションパラメータ
を精密に制御することによって、各層と層微粒子構造と
区画が、優れた摩耗性と耐浸食性と同様に達成される。
Description
ジンに使用するためのダクト部分に係り、特にかかるダ
クト部分用の摩耗し易いセラミックコーティングに関す
る。
機で用いられるガスタービンエンジンは、性能と効率が
向上しているため、高回転速度にして高温のもとで動作
する。現代のガスタービンエンジンのタービンは、代表
的に、軸流設計であり、かつ複数の軸流ステージ(段
階)を含んでいる。各軸流ステージは、シャフトに固定
されたディスクの周辺に径方向に取り付けられた複数の
ブレード(翼)によって構成されている。複数のダクト
部分は、ブレードの先端部まわりのガス流の漏れを制限
するために、ステージを囲んでいる。これらのダクト部
分は固定ハウジング又はケーシングの内表面に配置され
ている。より多くのワークブレード先端のまわりの漏れ
に対抗するステージを通してのガス流から抽出されるの
で、ダクト部分の合体によって熱効率が改良される。
流の漏れを制限できるけれども、それらは完全には低減
されない。羽根先すきまのまわりのガス流の量が小さく
ても、タービン効率に不利な影響があることが知られて
いる。それ故に、ガスタービン技術者達は装置に効果的
なシール構造を長くとることを行っている。これらの構
造は、耐摩耗とするコーディングに関連したコーディン
グダクト部分を含んでいる。動作において、先端は、ダ
クト部分にコーディングを施すことによって、シーリン
グを与える。
ト部分は、代表的には、セラミックであり、浸食又は割
れによる過渡の物質損失をこうむる。一般に、浸食は、
摩減や浸食作用のような要素によるコーディング物質の
摩耗である。浸食はおおにしてエンジン動作中の微粒子
の衝突に帰因する。割れは、代表的には、熱応力と攻撃
的な熱環境に帰因するセラミックーメタル界面で割れる
剥離によって生じる。割れは、基本的に、コーディング
物質の多くの小さな凝縮からなる断片的なコーディング
ロスである。セラミックコーディングロスは、羽根先す
きまのクレアランスを増加させ、かつ、ブレード(羽
根)そのものに対して有害であるように、タービン効率
にとって不利である。例えば、ブレードは、エンジンが
損失した推力を補うために作用しなければならない上昇
した温度による損害を受ける。
すいコーディングが必要である。このコーディングは、
優れた摩耗性や耐浸食性を有するシーリングシステムに
とって必要である。
耗しやすいコーディングを提供することを目的とする。
た摩耗性を有する区画された摩耗しやすいセラミックコ
ーディングを含むことである。システムは、金属基体、
基体上のMCrAlYボンドコート、およびMCrAl
Yボンドコート上の区画された摩耗し易いセラミック
(SAC)コーディングを、含んでいる。MCrAlY
ボンドコートの性質は、充分な耐酸化と耐浸食を提する
ことである。
によって構成されていることであり、セラミック層は、
酸化カルシウムで安定化された酸化ジルコニウム、酸化
マグネシウムで安定化された酸化ジルコニウム、カルシ
アで安定化された酸化ジルコニウム、酸化イットリウム
で安定化された酸化ジルコニウム、およびこれらの混合
物からなるグループから選択された物質のベースファン
デーション層を含んでいる。腐食しやすい頂上層は、酸
化ジルコニウムとおだやかな変化の内部層によって構成
されており、内部層はベースコートファンデーション層
と摩耗しやすい頂上層の合成である。傾斜がゆるやかな
内部層はベースコートファンデーション層と摩耗しやす
い頂上層間に配置されている。区画された摩耗しやすい
セラミックコーディングは、もちろん、複数の垂直なマ
イクロクラックを含んでおり、かつ3つのセラミック層
は向上した腐食性用の球面かつ空洞(デポジション前
の)である粉体微粒子によって構成されている。
いる区画されたシーリングシステムに関連して向上した
摩耗性を有する区画された腐食しやすいシーリングシス
テムを含んでいることである。シーリングシステムは、
金属基体、基体上のMCrAlYボンドコート、および
MCrAlYボンドコート上の区画された摩耗しやすい
セラミックコーディングを含むダクト部分、によって構
成されている。システムは、もちろん、協動し相互に作
用するタービン要素を含んでおり、このタービン要素
は、摩耗しやすいコーディングが、シーリングを得るた
めに区画された摩耗しやすいセラミックコーディングと
相互作用できるように、その上の部分上のコーディング
を有する。
しやすいセラミックコーディングを作る方法を含んでい
ることである。デポジションパラメータを正確に制御す
るとともに特定の粉体組成と粉体構造を使用することに
よって、垂直なマイクロクラック内のコーディングの区
画が優れた耐腐食性と耐浸食性と同様に達成される。
り付けられた複数のブレード2はガスタービンエンジン
のタービン部における回転軸4のまわりを回転する。回
転軸4の中心にある固定ハウジングはブレード2を囲ん
でいる。ハウジングとブレード2の先端11間にはギャ
ップ8が存在する。
しているタービンのブレード2間を流れる。タービンは
高温ガスのエネルギーを、コンプレッサを駆動するため
にシャフトの馬力に変換しなければならない。従って、
ギャップ8を通してのガス漏れは、先端のクレアランス
における小さな変化がガスタービンエンジンの性能に大
きく悪影響を及ぼすので、小さくされなければならな
い。
ード先端11とハウジングの間に設けられている。図2
に示すように、流路ダクト部分10は基体又はシールシ
ュー12を含み、シールシュー12はニッケル又はコバ
ルトベース超合金からなり、代表的にはキャスティング
とマシニングによって製作される。基体12はハウジン
グの内壁に配置されている。
テムは基体12に適用される。コーティングシステムを
テポジットする前に、基体12は汚れを除くためにきれ
いにされなければならない。クリーニングは一般公知で
あり酸化アルミニウム砂ブラスティングを含んでいる。
体12に適用される。MCrAlYは公知のコーティン
グシステムについて言及するもので、Mはニッケル、コ
バルト、鉄又はこれらの混合物を示し、Crはクロムを
示し、Alはアルミニウムを示し、Yはイットリウムを
示す。MCrAlY物質は、上塗りコーティングとして
知られており、所定の成分において下に置かれ、かつデ
ポジション工程の間に基体とあまり相互作用をするもの
ではない。MCrAlY物質の例としては、米国特許第
3,542,530号で行われているようなFeCrA
lYについて開示している米国特許第3,528,86
1号を参照のこと。さらに、米国特許第3,649,2
25号は合成物コーティングについて開示しており、こ
の合成物コーティングではクロムの層が、MCrAlY
のデポジションに先立って、基体に適用される。米国特
許第3,676,085号はCoCnAlY上塗りコー
ティングについて開示しており、一方、米国特許第3,
754,903号は、特に高い属性を有する上塗りコー
ティング、について開示している。米国特許第4,07
8,922号はコバルトベース構造の合金について開示
しており、この合金はハフニウムとイットリウムの結合
の存在によって改良された耐酸化を提する。好ましいM
CrAlYボンドコート成分については米国特許Re3
2,121号において開示されており、この特許は本出
願人が所有するもので、ここに参考例としてあげられて
いる。MCrAlYボンドコート成分は、重量パーセン
トの範囲として、5〜40Cr、8〜35Al、0.1
〜2.0Y、0.1〜7Si、0.1〜2.0Hfであ
り、Ni,Coおよびこれらの混合物からなるグループ
から選択される。また、本出願人の米国特許第4,58
5,481号も参照のこと。
成分の濃密な均一の粘着膜を生成できるいかなる方法に
よっても適用できるものである。例えば、スパッタリン
グ、電子ビーム蒸気デポジション、高速プラズマスプレ
イ技術のような技術は公知である。後者の技術において
は、スプレイトーチは、真空室において、ほぼ60to
rr(60mmHg)で又は空気のような他の適正な大
気圧において動作可能である。真空室を用いる場合、基
体はほぼ1500°F(816℃)とほぼ1900°F
(1038℃)の間の温度に加熱される。大気圧を用い
る場合、基体温度は約600°F(316℃)以下に保
持される。しかしながら、好ましくは、ボンドコートは
高速オキシ燃量(HVOF)スプレイとして知られてい
る工程によって適用される。このデポジション工程はス
プレイトーチを使用するもので、液体燃料又はガスが酸
素と共に爆発し、高速ガス流を発生するとともに、粉体
コーティング物質がガス流に注入され、加熱されるとと
もにその部分に進行される。この処理はコスト的に効果
がある。
5ミクロン(0.015mm)と約60ミクロン(0.
060mm)の間であり、好ましくは約25ミクロン
(0.025mm)の平均粒子大きさである。ボンドコ
ートは約5ミル(0.127mm)と約10ミル(0.
254mm)の間の厚みである。好ましくは、厚さは約
6ミル(0.125mm)と約7ミル(0.178m
m)の間である。
(SAC)コーティング16はボンドコート14に適用
される。SACコーティング16は3つのセラミック層
から構成され、これらのセラミック層はそれぞれ約20
ミル(0.508mm)と約75ミル(1.905m
m)の間の厚さであって、好ましくは約50ミル(1.
270mm)の厚さである。SACコーティング16
は、代表的には、一つの連続するスプレイ処理において
生産される。しかしながら3つの別々のスプレイを用い
ることが可能である。
機構において、複数のボンドコートされた基体12は、
ボンドコート面が円筒状の固定物の内径に面するよう
に、空洞円筒内に装荷される。プラズマスプレイガンは
層をデポジットするための円筒状の固定物の内部に配置
されている。
18は約5ミル(0.127mm)と約15ミル(0.
381mm)の厚さのボンドコート14に適用される。
層18は、好ましくは、イットリア部分安定化セラミッ
ク層(イットリア部分安定化シルコニアはここでは12
重量パーセント又はそれ以下のイットリア安定化ジルコ
ニアについて言及する)である。しかしながら、約6重
量パーセントと約20重量パーセントの間のイットリア
・ジルコニアの組成であり、好ましい範囲は約7重量パ
ーセントと約12重量パーセントイットリア・ジルコニ
アの間である。同様にして、セルシア安定化ジルコニ
ア,マグネシア安定化ジルコニア,カルシア安定化ジル
コニアおよびこれらの混合物のようなジルコニア基礎組
成をイットリア安定化ジルコニアに置き換えることが出
来る。約7重量パーセントイットリア安定化ジルコニア
と他のイットリア安定化ジルコニアパウダーの結合を有
する混合層を用いることが出来る。
22用としても使用されるパウダーと同様に)の微粒子
サイズは約5ミクロン(0.005mm)から約175
ミクロン(0.175mm)、好ましくは平均径におい
て50ミクロン(0.050mm)の微粒子サイズの範
囲とすることが出来る。
子は、かどばった固体である溶融と粉砕パウダーとは逆
に、球状にして空洞のパウダーにするためのスプレイ乾
燥焼結処理によって生成される。一般に、スプレイ乾燥
焼結処理の初めの段階は原料ジルコニアとイットリアを
所望の重量パーセントに混合することを含む。この混合
はスリップを生成するために水(および通常のバインダ
ー)と結合される。スリップはスプレイドライヤーに供
給される。スプレイドライヤーは、加熱された部屋に物
質をスプレイすることによって、スリップを乾燥させ、
球面状でかつ空洞のパウダーを生成する。それから、物
質は炉内で約4時間と約8時間の間に焼結温度で加熱さ
れる。この焼結温度は通常はジルコニウムオキサイドの
理論的な溶融点の約60%から70%である。
プラズマ処理は、上述した処理よりも高価であるけれど
も、使用される。一般に、この処理の初期の段階は原料
ジルコニアとイットリアを所望の重量パーセント比に混
合することを含む。この混合は、スリップを生成するた
めに、もちろん水(および通常のバインダー)と組み合
される。スリップは、物質を加熱された部屋にスプレイ
することによって部分的に該スリップを乾燥するスプレ
イドライヤーに供給され、球面状かつ空洞のパウダーが
生成される。しかしながら、次のスプレイ乾燥段階にお
いて、パウダーはプラズマスプレイガンを介して供給さ
れる。ここでイットリアとジルコニアは、同質の組成を
生成するために、溶融される。
で空洞の構造は、特に、優れた摩耗性に関して本発明を
成巧させるための重要な要素である。例えば、パウダー
に固体微粒子が存在すれば、パウダーを融かすためにも
っと加熱する必要がある。このことは、非常に摩耗しや
すいものでない濃密なコーティング、によるものであ
る。もちろん、かどばった固体微粒子は球面状で空洞の
微粒子よりも少ない。このことは、コスト面で製造する
ために極めて重要である。
は、丈夫なセラミック構造を提し、垂直方向のマイクロ
クラック内に堆積された物質の区画を始めるとともに、
腐食保護を提し、かつ熱バリアを提するので、区画され
た摩耗しやすいコーティングシステムを得るために有利
である。さらに、層18はMCrAlYをボンドコート
14に結合させる。層18は、代表的には、空気中でプ
ラズマスプレイされる。基体12を加熱し、垂直方向の
マイクロクラック内の物質の区画を助けるために約60
0°F(316℃)以下に温度をモニターすることは、
望ましいことである。この加熱は、物質のデポジション
中に基体12の後側を加熱することによって達成され
る。
に、層18に適用する。しかしながら、好ましくは、基
体12はスプレイ中を除いては加熱されない。
画(ボンドコートの面にほぼ垂直な)を生成するように
制御され、ガンタイプの固定物のような変化を特定す
る。一般に、相対的にハイパワーデポジションで結合さ
れた部分的なスプレイ間隔に近いガンは、インチに対し
て約4つと約8つのマイクロクラックの所望の直角な区
画による、ことが分かっている。上述したパラメータ
は、サルザーメト会社の3MB空気プラズマスプレイガ
ンと30インチ(0.76m)直径の円筒状固定物を使
用するのに適合されている。通常の技術を有するもので
あれば、パラメータが異なったスプレイガンおよび/若
しくは固定物を使用することによって変わることを、理
解できるものである。従って、ここで述べているパラメ
ータは、異なる動作条件に対する他の適正なパラメータ
を選択するためのガイドラインとして、使用される。
中は、円筒状の固定物が、約5rpmと約25rpmの
間の速度、好ましくは約12rpmで回転する。プラズ
マスプレイガンは空洞円筒状の固定物の内部に配置され
ている。個々の部分コーティング中の解度を分けるため
のガンは、約80度と約100度の間、好ましくは約9
0度である。間隔を分けるためのガンは、約公称の2イ
ンチ(0.05m)(スターティング間隔)から約公称
の5インチ(0.13m)(エンド間隔)までの増加、
好ましくは、約2.75インチ(0.07m)(スター
ティング間隔)と約3.25インチ(0.083m)
(エンド間隔)の間の層18の生成中の増加で変わる。
この近いガン間隔は十分に直角な区画に必要である。デ
ポジション中の各部分を介してのガンの横方向速度は約
1インチ/分(in/min)と約5インチ/分(0.
13m/min)、好ましくは約4.4in/min
(0.11m/min)である。
50グラム/分の間で、好ましくは約35グラム/分で
ある。キリアガス流例えば窒素が圧力下でパウダーを維
持するために使用され、パウダー供給が容易になる。流
量率は、約5scfh(標準立方体フィート/時間)
(0.14scmh(標準立方体メートル/時間))と
約20scfh(0.57scmh)の間で、好ましく
は約11scfh(0.31scmh)である。ここ
で、標準条件は、約室温(25℃)と1大気圧(101
KPa)として規定される。ガンにおける、窒素ガスの
ような、1次ガス流は、約80scfh(2.27sc
mh)と約120scfh(3.40scmh)の間で
あり、好ましくは約99scfh(2.80scmh)
である。ガンにおける、水素ガスのような、2次ガス流
は、約5scfh(0.14scmh)と約30scf
h(0.85scmh)の間であり、好ましくは約18
scfh(0.51scmh)である。ガン電圧は約6
0ボルトと約80ボルトの間であり、好ましくは約75
ボルトである。同様に、ガン電流は約770アンペアと
約900アンペアの間であり、好ましくは約736アン
ペアである。サルザメトコ3MBプラズマスプレイガン
を使用するデポジション処理に対して適正となるための
パラメータを見い出したが、当業者なら、パラメータが
変化に依存し、パウダーのタイプ、パウダーサイズ、特
にガンのタイプに限定されないことを理解できるもので
ある。
約3ミル(0.076mm)と約10ミル(0.254
mm)の厚さまでベースコートファンデーション層18
に適用される。この層は、もちろん、空気中でプラズマ
スプレイされる。なめらかに変化する中間層20の組成
は、層18(ベースコートファンデーション層)と層2
2の混合であって、層20に適用される摩耗しやすい頂
上膜である。ゆるやかに変化する中間層20の組成の説
明を容易にするために、層22は摩耗しやすい頂上層で
ある。層22の性質は、羽根先すきまを層22にカット
するには充分に軟らかいものであり、かつシーリングを
提する。層22の組成は、代表的には、7重量パーセン
トイットリア安定化ジルコニアと20重量パーセントイ
ットリア安定化ジルコニアの混合である。混合比は所望
のデポジットによるものである。例えば、増加した耐浸
食性が必要であれば、7重量パーセントイットリア安定
化ジルコニアをもっと加えるべきである。しかしなが
ら、他の実施例においては、20重量パーセントイット
リア安定化ジルコニアのような、イットリアで充分に安
定化されたジルコニアの100%を層22のために使用
される。
層22の重量パーセント比のスターティング合成から層
18/層22の重量パーセント比のファイナル合成まで
変化する。例えば、90/10(層22に対する層18
の重量パーセント比)のスターティング合成から10/
90(層22に対する層18の重量パーセント)のファ
イナル合成まで使用されている。層20を生成するため
のデポジションパラメータは、層18を生成するための
ものと同じである。この場合、間隔を分けるためのガン
が約3.25インチ(0.083m)に保たれることは
別である。層18を生成するための上述した範囲内に間
隔を分けるためのガンを変えることが可能であるが、間
隔を一定に保つことが適正であるということが分かっ
た。このなめらかに変化する中間層の利点は層18と層
22間のリンクが得られることである。
22の各層の適用のような他の手段によって生成できる
ことも注意すべきである。
述の摩耗しやすい層22は、約15ミル(0.381m
m)と約55ミル(1.397mm)の間の厚さまで、
なめらかに変化する中間層20上にスプレイされる。好
ましくは、層22の厚さは約35ミル(0.889m
m)である。層22を生成するためのデポジションパラ
メータは、層20の生成のためのものと同じである。
(登録商標)パウダーのような物質の小量を加えること
によって、層22内に意図的に生成される。層22にお
ける1から約7重量パーセントポリエステルパウダー
(60ミクロン(0.06mm)平均微粒子サイズ)を
含むことによって、20〜30容積パーセントのオーダ
ーで多孔度を生成できる。約25容積パーセントよりも
大きいレベルの高多孔度レベルは、コーティングの電位
浸食があるので、不充分である。しかしながら、濃密構
造が耐浸食のために望まれるので、完全に低減されなけ
れば、これらの物質の添加は最小にしなければならな
い。層22の濃度を理論的に約90〜95パーセントの
間にすることが望ましい。
20重量パーセントイットリア安定化ジルコニアの交互
層と、好ましくは約35ミル(0.889mm)の厚さ
の、7重量パーセントイットリア安定化ジルコニアと2
0重量パーセントイットリア安定化ジルコニア(例えば
50−50混合)の混合された層、によって構成されて
いる。層の厚さは、各々、約0.5ミル(0.013m
m)と約5ミル(0.127mm)の間である。各層は
ほぼ同じ厚さであるべきである。
ネシア,カルシア又はそれらの混合物に制限されない他
の物質がSACシステム用イットリアの代わりに使用さ
れる。しかしながら、イットリア安定化ジルコニア物質
は1950°F(1066℃)を越えるSAC適用に対
して推奨できるものである。
(99.0%純度)が使用される。例えば、アルミナの
薄膜(約5ミル(0.127mm)が層18の適用に先
立って結合剤被覆14上にスプレイされる。さらに、ア
ルミナと約12重量パーセント以下のイットリア安定化
ジルコニアの混合組成がベースコートファンデーション
層18(10重量パーセント以下のアルミナ混合)用に
使用される。アルミナ層は、もちろん、層20の使用に
先立って層18の完成に適用される。
ACコーティングは本質的に層22からなる。このコー
ティングは軍事用として望ましいものである。軍事用ガ
スタービンエンジン成分,薄いSACコーティングは受
け入れ可能である。
トセグメント10は応力を緩わらげるために加熱処理さ
れる。詳しくは、ダクトセグメント10は、1975°
F(1079℃)+/−25°F(14℃)で約4時間
加熱処理され、約22分またはそれ以下において約10
0°F(538℃)まで冷却される。それから、約7分
間またはそれ以下において約1000°F(538℃)
まで冷却され、再び300°F(149℃)以下に冷却
される。この熱処理によって、ダクトセグメント10の
有用な寿命が保持又は増加される。例えば、コーティン
グの割れが低減される。この加熱処理は、本発明のプラ
クティスには必要でないけれども、層14のデポジショ
ン後、ファンデーション層18のデポジションの前に使
用される。
研削剤物質が塗られた羽根先すきまと相互作用するのに
敵しているが、立方体の窒化ホウ素に限定されるもので
はない。この相互作用により、効果的なシーリングシス
テムが得られる。
て説明する。
たニッケルを主成分とする高圧タービンダクトセグメン
トが空洞円筒状の固定物内に装荷され、固定物は30イ
ンチ(0.76m)の直径を有し、ダクトセグメントの
表面に塗布されたボンドは固定物の中心に面していた。
前述したHVOF処理はダクトセグメントにNiCoC
rAlYボンドコートを適用した。
o)社3MB空気プラズマスプレイガンを約12rpm
で回転する固定物の内部に配置した。順番に塗布される
べき各ダクトセグメントの内表面に約90度の角度で配
置した。以下に揚げる表1のパラメータを使用してダク
トセグメントに3つの別個の層が生成された。処理を一
時的に停止させることによる全部にわたるコーティング
における電位の弱いリンクを避けるために、各層は連続
するスプレイ処理でデポジットされた。この連続する工
程はミラーサーマルモデル(Miller Therm
al Model)1250パウダーフィーダを用いて
可能であり、各々特定の組成を含有していた。パウダー
は、デポジションの前は、球面空洞構造を有していた。
フィーダは、各層に所望の混合でデポジットするために
コンピュータ制御が可能であった。
パーセント酸化イットリウム間の0.010インチ
(0.254mm)から0.015(0.381mm)
インチの厚さの層1、ベースファンデーション層、残り
の酸化ジルコニウム(サルザーメトコ社、240NSパ
ウダーがデポジットされた。次に、層2、90重量パー
セント層1/10重量パーセント層3(スターティング
混合)から10重量パーセント層1/90重量パーセン
ト層3まで変わる混合のなめらかに変わる中間層がデポ
ジットされた。表1から明らかなように、3.25イン
チ(0.83mm)の一定のガン間隔で、0.005イ
ンチ(0.013mm)の均一な層厚で行われた。
0.025インチ(0.635mm)と0.040イン
チ(1.016mm)の間の厚さまでデポジットされ
た。層3の組成は、(1)層3の組成と、(2)約1
8.5重量パーセントと約21.50重量パーセント酸
化イットリウム、残りの酸化シリコニウム(サルザーメ
トコ社202パウダー又は等価なものの50−50混合
であった。約4と約8垂直マイクロクラックを有する多
重層区画された摩耗しやすいコーティングが得られた。
トリウム、バランスジルコニア(7YSZ)の組成を有
する区画されたコーティングに比べて、優れた摩耗性で
ある。本発明のこの優れた摩耗性は、7YSZが四角形
のZrO2と立方体のZrO2を含有していることによる
ものである。しかしながら、20重量パーセントイット
リア、バランスジルコニア(20YSZ)は四角形のZ
rO2(cubicZrO2のみ)は含有しておらず、よ
り摩耗しやすい(より軟い)ものである。上述したよう
に、20YSZは摩耗しやすい頂上層22の望ましい組
成である。ダクトセグメントに用いるにあたって、効果
的な摩耗性は効率的なエンジン動作にとって必要であ
る。異なる物質の結合を、異なる必要性を有する特定の
エンジンモデルに対して、選択することが出来る。必要
ならば、例えば、少ない摩耗性と多くの耐浸食性を有す
るSACを選択できる。そのような場合に、SACコー
ティングは、摩耗しやすい層(層22)として、7YS
Zと20YSZの混合によって構成される。混合するこ
とによって、摩耗性を損ねることなく、必要とされる耐
浸食性(7YSZから)が得られる。重要なことは、本
発明の区画された摩耗しやすいコーティングは、独特の
構造と種々の物質の組み合せを有し、エンジンダクトセ
グメント用に適していることである。3つの層によっ
て、初期層(層18と層20)によって提される長期間
の熱絶縁と頂上層(層22)によって提される摩耗性に
適合する手段が得られる。
改良した円柱状のセル内のコーティング区画である。
メータによって、耐浸食性を向上させ、これにより優れ
た摩耗性であるセラミック区画が生成される。
るけれども、発明の精神と範囲から逸脱することなく、
種々の変形が可能であることは、当業者にとって容易に
理解されるものである。詳細には、本発明は航空機用ガ
スタービンダクトセグメント用の区画された摩耗しやす
いセラミックコーティングについて述べられているけれ
ども、例えば羽根とタービンに対する区画された摩耗し
やすいセラミックコーティングのような、ガスタービン
エンジンの要素上の熱バリアコーティングを含む他の適
用も可能である。また、本発明は、自動車産業におい
て、ピストンのような自動車エンジン要素用のコーティ
ングとして応用できる。
Claims (17)
- 【請求項1】 金属性基体と、基体上のMCrAlY
と、MCrAlY上の区画された摩耗しやすいセラミッ
クコーティングを含むダクトセグメント、およびシーリ
ングを提するように、前記摩耗しやすいコーディングと
相互に作用できる摩耗するコーディングを有し、相互に
作用するタービン構成要素によって構成され、 前記区画された摩耗しやすいセラミックは、ベースコー
トファンデーション層と、摩耗しやすい頂上層および、
なめらかに変化する中間層を含む3つの層によって構成
され、 前記ベースコートファンデーション層は、酸化カルシウ
ムで安定化されたジルコニア,マグネシアで安定化され
たジルコニア,カルシアで安定化されたジルコニア,イ
ットリアで安定化されたジルコニア,およびこれらの混
合物からなるグループから選択された層によって構成さ
れ、 前記摩耗しやすい頂上層はジルコニアによって構成さ
れ、 前記中間層は、前記ベースコートファンデーション層と
前記摩耗しやすい頂上層との混合組成であるとともに、 前記ベースコートファンデーション層と前記摩耗しやす
い頂上層間に配置され、 前記区画された摩耗しやすいセラミックコーティングは
複数の垂直なマイクロクラックを有し、 前記3つのセラミック層は、摩耗性を向上させるために
球面状かつ空洞(デポジションの前)であるパウダー微
粒子によって構成されている、ことを特徴とする、 向上した摩耗性を有する区画された摩耗しやすいシーリ
ングシステム。 - 【請求項2】 前記ベースコートファンデーション層
は、約5ミル(0.127mm)と約15ミル(0.3
81mm)間の厚さを有し、かつ物質強度に対して約1
2重量パーセントイットリアジルコニア以下の組成を有
することを特徴とする、請求項1に記載のシーリングシ
ステム。 - 【請求項3】 前記摩耗しやすい頂上層は、約15ミル
(0.381mm)と約55ミル(1.397mm)の
間の厚さであり、かつイットリアで部分的に安定化され
たジルコニアとイットリアで充分に安定化されたジルコ
ニアの混合によって構成されていることを特徴とする、
請求項1に記載のシールシステム。 - 【請求項4】 前記摩耗しやすい頂上層は7重量パーセ
ントイットリア安定化ジルコニアと20重量パーセント
イットリア安定化ジルコニアの混合によって構成されて
いることを特徴とする、請求項1に記載のシールシステ
ム。 - 【請求項5】 前記摩耗しやすい頂上層は、本質的にイ
ットリアで充分に安定化された100重量パーセントシ
コニアの組成を有することを特徴とする、請求項1に記
載のシールシステム。 - 【請求項6】 前記ベースコートファンデーション層が
アルミナと約12重量パーセントイットリア安定化ジル
コニアの組成混合によって構成されていることを特徴と
する、請求項1に記載のシールシステム。 - 【請求項7】 金属性基体と、基体上のMCrAlYボ
ンドコートと、MCrAlYボンドコート上の区画され
た摩耗しやすいセラミックコーティングを含むダクトセ
グメントによって構成され、 前記区画された摩耗しやすいセラミックコーティング
は、ベースコートファンデーション層と、摩耗しやすい
頂上層および、なめらかに変化する中間層を含む3つの
層によって構成され、 前記ベースコートファンデーション層は、酸化カルシウ
ムで安定化されたジルコニア,マグネシアで安定化され
たジルコニア,カルシアで安定化されたジルコニア,イ
ットリアで安定化されたジルコニア,およびこれらの混
合物からなるグループから選択された層によって構成さ
れ、 前記摩耗しやすい頂上層はジルコニアによって構成さ
れ、 前記中間層は、前記ベースコートファンデーション層と
前記摩耗しやすい頂上層との混合組成であるとともに、 前記ベースコートファンデーション層と前記摩耗しやす
い頂上層間に配置され、 前記区画された摩耗しやすいセラミックコーティングは
複数の垂直なマイクロクラックを有し、 前記3つのセラミック層は、摩耗性を向上させるために
球面状かつ空洞(デポジションの前)であるパウダー微
粒子によって構成されている、ことを特徴とする、 区画された摩耗しやすいセラミックコーティングシステ
ム。 - 【請求項8】 前記ベースコートファンデーション層
が、約5ミル(0.127mm)と約15ミル(0.3
81mm)の厚さであり、かつ約12重量パーセントセ
ルシア安定化ジルコニア組成を有する物質,約12重量
パーセント以下のマグネシア安定化シルコニア組成を有
する物質,約12重量パーセント酸化カルシウム安定化
ジルコニア組成を有する物質,約12重量パーセント以
下のイットリア安定化ジルコニア組成を有する物質,お
よびこれらの物質の混合物からなるグループから選択さ
れることを特徴とする請求項7に記載のセラミックコー
ティングシステム。 - 【請求項9】 前記摩耗しやすい頂上層は、約15ミル
(0.381mm)と約55ミル(1.397mm)の
間の厚さであり、かつセシリアで部分的に安定化された
ジルコニアとセルシアで充分に安定化されたジルコニア
の混合によって構成されていることを特徴とする、請求
項7に記載のセラミックコーティングシステム。 - 【請求項10】 前記摩耗しやすい頂上層が、約15ミ
ル(0.381mm)と約55ミル(1.397mm)
の間の厚さであるセラミック層であり、かつマグネシア
で部分的に安定化されたジルコニアとマグネシアで充分
に安定化されたシルコニアの混合によって構成されてい
ることを特徴とする、請求項7に記載のセラミックコー
ティングシステム。 - 【請求項11】 前記摩耗しやすい頂上層が、約15ミ
ル(0.381mm)と約55ミル(1.397mm)
の間の厚さであるセラミック層であり、かつイットリア
で部分的に安定化されたジルコニアとイットリアで充分
に安定化されたシルコニアの混合によって構成されてい
ることを特徴とする、請求項7に記載のセラミックコー
ティングシステム。 - 【請求項12】 前記摩耗しやすい頂上層が、セルシア
で充分に安定化されたジルコニア,マグネシアで充分に
安定化されたジルコニア,カルシアで充分に安定化され
たジルコニア,およびイットリアで充分に安定化された
ジルコニアからなるグループから選択された物質によっ
て構成されていることを特徴とする、請求項7に記載の
セラミックコーティングシステム。 - 【請求項13】 前記ベースコートファンデーション層
が、アルミナと約12重量パーセント以下のイットリア
安定化ジルコニアとの組成混合によって構成されている
ことを特徴とする、請求項7に記載のセラミックコーテ
ィングシステム。 - 【請求項14】 ベースコートファンデーション層,な
めらかな変化の中間層,および摩耗しやすい頂上層を含
む区画された摩耗しやすいセラミックコーティングを生
成する方法であって、 スプレイガンを使用してMCrAlYボンドコートにベ
ースコートファンデーション層を印加する工程と、 スプレイガンを使用して前記ベースコートファンデーシ
ョン層になめらかに変化する中間層を印加する工程、お
よびスプレイガンを使用して前記なめらかに変化する中
間層に摩耗しやすい頂上層を印加する工程、によって構
成され、 前記ベースコートファンデーション層が、酸化カルシウ
ムで安定化されたジルコニア,イットリアで安定化され
たシルコニア,およびこれらの混合物からなるグループ
から選択された物質の層によって構成され、ガンとコー
トされるべき表面との間の間隔が、約5ミル(0.12
7mm)と約15ミル(0.381mm)間の厚さまで
ベースコートファンデーション層の生成中に変えられ、 前記中間層が、前記ベースコートファンデーション層と
前記摩耗しやすい頂上層との組成混合によって構成され
ているとともに、ガンとコートされるべき面との間の間
隔が、約3ミル(0.076mm)と約10ミル(0.
0254mm)間の厚さまで前記なめらかに変化する層
の生成中に一定に保持され、 前記摩耗しやすい頂上層がジルコニアによって構成さ
れ、ガンとコートされるべき面との間隔が前記摩耗しや
すい頂上層の生成中に一定に保持されるとともに、各層
が向上した摩耗性のために球状にして空洞(デポジショ
ンの前)であるパウダー微粒子によって構成されてい
る、ことを特徴とする、 区画された摩耗しやすいセラミックコーティングの生成
方法。 - 【請求項15】 請求項14に記載の方法によって作ら
れたことを特徴とするガスタービンエンジン構成要素流
路ダクトセグメントコーティング。 - 【請求項16】 ベースコートファンデーション層,中
間層,および摩耗しやすい頂上層を有する区画された摩
耗しやすいセラミックコーティングであって、 約5ミル(0.127mm)と約15ミル(0.381
mm)の間の厚さで、約7重量パーセントと約12重量
パーセントの間にして、約50ミクロン(0.050m
m)の平均直径の微粒子サイズを備えたベースコートフ
ァンデーション層と、 約3ミル(0.076mm)と約10ミル(0.254
mm)間の厚さで、前記ベースコートファンデーション
層と摩耗しやすい頂上層の組成混合によって構成された
なめらかな変化の中間層、および約15ミル(0.38
1mm)と約55ミル(1.397mm)の厚さで、2
0重量パーセントイットリア安定化ジルコニア、によっ
て構された摩耗しやすい頂上層からなり、 各層が増加した摩耗性に対して球状にして空洞構造(デ
ポジションの前)であるとともに、前記ベースコートフ
ァンデーション層がMCrAlYボンドコートされた金
属流路ダクトセグメント上に配置されている、ことを特
徴とする、 区画された摩耗しやすいセラミックコーティング。 - 【請求項17】 約15ミル(0.381mm)と約5
5ミル(1.397mm)の間の摩耗しやすいセラミッ
ク層によって構成された区画された摩耗しやすいセラミ
ックコーティングであって、 前記摩耗しやすいセラミック層が、イットリアで部分的
に安定化されたジルコニアとイットリアで充分に安定化
されたジルコニアの組成混合を有する物質と、酸化カル
シウムで部分的に安定化されたジルコニアと酸化カルシ
ウムで充分に安定化されたジルコニアの組成混合を有す
る物質と、マグネシアで部分的に安定化されたジルコニ
アとマグネシアで充分に安定化されたジルコニアの組成
混合を有する物質、およびカルシアで部分的に安定化さ
れたジルコニアとカルシアで充分に安定化されたジルコ
ニアの組成混合を有する物質からなるグループから選択
された物質によって構成され、前記摩耗しやすいセラミ
ック層が、MCrAlYボンドコートされた金属基体上
に配置されているとともに、さらに、球状にして空洞構
造(デポジションの前)を含んでいる、ことを特徴とす
る、 区画された摩耗しやすいセラミックコーティング。
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