JPH09279364A - 粒状物によるエロージョン及び衝撃に対して耐性の断熱皮膜 - Google Patents

粒状物によるエロージョン及び衝撃に対して耐性の断熱皮膜

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JPH09279364A
JPH09279364A JP8349188A JP34918896A JPH09279364A JP H09279364 A JPH09279364 A JP H09279364A JP 8349188 A JP8349188 A JP 8349188A JP 34918896 A JP34918896 A JP 34918896A JP H09279364 A JPH09279364 A JP H09279364A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンエンジンのタービン、燃焼器及
びオグメンタ部品の場合のように、過酷な熱環境に付さ
れると同時に粒子及び屑によるエロージョンに付される
製品（１２）に対して形成するのに適合した断熱皮膜
（２０）の提供。 【解決手段】 断熱皮膜（２０）を、製品（１２）の表
面に付着した金属接着層（２６）、該接着層（２６）を
覆うセラミック層（３０）、及び該セラミック層（３
０）の内部に分散又は該セラミック層（３０）を覆う耐
エロージョン性組成物（２４，２４ａ）で構成する。上
記接着層（２６）は断熱性セラミック層（３０）を製品
（１２）に強固に接着するのに役立ち、耐エロージョン
性組成物（２４，２４ａ）は衝撃及びエロージョンに対
するセラミック層（３０）の耐性を高める。耐エロージ
ョン性組成物（２４，２４ａ）はアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）
又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）のいずれかであり、好ましい
セラミック層（３０）は柱状結晶粒組織を生成させるた
め物理蒸着法で付着させたイットリア安定化ジルコニア
（ＹＳＺ）である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンエン
ジンの過酷な熱環境(hostile thermal enviroment)のよ
うな、高温に曝露される部品のための断熱皮膜に関す
る。さらに詳細には、本発明は断熱性柱状セラミック層
を含んだ断熱皮膜に関するものであり、該断熱皮膜は、
セラミック層の耐エロージョン性を高めるような耐エロ
ージョン性組成物が柱状セラミック層の上に物理的バリ
ヤーを形成していること或いは柱状セラミック層の中に
分散又は柱状セラミック層の一部を形成していることの
結果として、エロージョンに対する耐性が向上している
ことを特徴とする。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンの効率を増大させ
るため、ガスタービンエンジンの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断熱皮膜
（ＴＢＣと略す）が広く用いられている。
【０００３】断熱皮膜は一般に部品表面上に付着した金
属接着層と、それに続いて部品を断熱する働きをする接
着性セラミック層とを必要とする。金属接着層は、セラ
ミック層の部品への密着性を高めるとともに下層の超合
金の酸化を防止するために、ＭＣｒＡｌＹ（ただし、Ｍ
は鉄、コバルト及び／又はニッケルである）のような耐
酸化性合金、並びに拡散アルミニドや白金アルミニドの
ような耐酸化性金属間化合物から形成される。セラミッ
ク層としては各種のセラミック材料が用いられており、
特にイットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）又は
その他の酸化物で安定化したジルコニア（ＺｒＯ2 ）が
用いられている。これらの特定の材料は、Ｓｔｅｃｕｒ
ａ他の米国特許第４０５５７０５号に教示されている通
り、プラズマ溶射、フレーム溶射及び蒸着法などで容易
に付着させることができるとともに、赤外線に対して反
射性で被覆部品による放射熱の吸収が最小限に抑制され
るので、当技術分野において広く使用されている。
【０００４】断熱皮膜の重要な課題は、熱サイクリング
に付したときにスポーリングを起こしにくい一段と密着
性の高いセラミック層の形成であった。そのため、従来
技術では各種の皮膜系が提案されているが、セラミック
層がその多孔性、マイクロクラック及びセグメンテーシ
ョンの存在の結果として向上した応力許容度を有するこ
とにかなりの重点がおかれている。マイクロクラックは
一般にセラミック層内のランダムな内部不連続部を表
し、一方、セグメンテーションは垂直にセラミック層の
厚さ全域に広がってセラミック層に柱状結晶粒組織を与
えるマイクロクラック又は結晶粒界の存在を示す。Ｓｔ
ｒａｎｇｍａｎの米国特許第４３２１３１１号に教示さ
れている通り、柱状結晶粒組織を有するジルコニア系皮
膜は、調節された熱サイクル試験の結果で明示されてい
るように、スポーリングをもたらすような損傷応力を引
き起こさずに膨張し得る。Ｓｔｒａｎｇｍａｎの上記米
国特許にさらに教示されている通り、接着層を酸化及び
高温腐食から保護するとともに、柱状結晶粒ジルコニア
皮膜に対して堅固な土台を与えるために、強い接着性連
続酸化物表面層が好ましくはＭＣｒＡｌＹ接着層の上に
形成される。
【０００５】ジルコニア系断熱皮膜、特に柱状結晶粒組
織を有するイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）皮膜
はそれらの望ましい熱特性及び接着特性のために当技術
分野で広く用いられているが、かかる皮膜はエロージョ
ン及びガスタービンエンジンの高速気流中に存在する粒
子や屑からの衝撃による損傷を受け易い。さらに、ガス
タービンエンジン内の隣接ハードウェアが断熱皮膜をこ
すり取って下層の金属基板を露出して酸化作用に曝す可
能性もある。従って、衝撃及びエロージョンに対して耐
性をもつ断熱皮膜系に対するニーズが存在する。ガスタ
ービンエンジンの圧縮機ブレードのような比較的低温で
の用途のために、Ｎａｉｋの米国特許第４７６１３４６
号には、第VI族及び第VIII族元素から選択される延性金
属の中間層並びに第III 族及び第VI族元素から選択され
る金属のホウ化物、炭化物、窒化物又は酸化物の硬質外
層からなる耐エロージョン性皮膜が教示されている。Ｎ
ａｉｋによれば、上記の延性金属はクラックアレスタ(c
rack arrestor)として機能し、硬質外層から下層の基板
への脆化成分の拡散を防止する。しかし、延性金属層は
断熱性に乏しい材料であるので、Ｎａｉｋの教示した耐
エロージョン性皮膜は断熱皮膜ではなく、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、燃焼器ライナー及びオグメンタハードウェ
アのような、もっと高い温度での用途には適していな
い。
【０００６】ガスタービンエンジンの高温用途での使用
のために示唆された断熱皮膜系には物理蒸着（ＰＶＤ）
法で付着させたＹＳＺセラミックコーティングが含まれ
ていることが多い。例えば、Ｓｏｌｆｅｓｔ他の米国特
許第４９１６０２２号には、接着層の酸化を低減し、そ
れによりセラミックコーティングの耐スポーリング性を
高めるため、ＹＳＺセラミックコーティングと下層の金
属接着層との間にチタニア添加境界層を有するＰＶＤ蒸
着柱状ＹＳＺセラミックコーティングが教示されてい
る。Ｓｏｌｆｅｓｔ他は、セラミックコーティングの耐
エロージョン性を高めるため、レーザーグレージング(l
aser glazing) 、電気バイアシング(electrical biasin
g)及び／又はチタニア（ＴｉＯ2 ）ドーピングによって
セラミックコーティング外面を緻密化することを教示し
ている。しかし、実際には、柱状ＹＳＺセラミックコー
ティングへのチタニアの添加は逆効果を有すること、す
なわち、ＹＳＺセラミックコーティングの耐エロージョ
ン性の低下をもたらすことが判明している。
【０００７】対照的に、内燃機関に関する先行技術で
は、Ｋａｍｏ他の米国特許第４７３８２２７号に教示さ
れている通り、クロム酸処理で緻密化した、ジルコン
（ＺｒＳｉＯ4 ）又はシリカ（ＳｉＯ2 ）とクロミア
（Ｃｒ2Ｏ3）とアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の混合物からなる
追加の耐摩耗性外皮膜で保護されたプラズマ溶射（Ｐ
Ｓ）ジルコニアセラミックコーティングが示唆されてい
る。Ｋａｍｏ他は、彼らの耐摩耗性外皮膜を約０．１２
７ｍｍという好適な厚さにするには何回もの含浸サイク
ルを必要とすることを教示している。Ｋａｍｏ他の教示
は耐摩耗性の向上した部品を得るのには役立つであろう
が、セラミックコーティングの緻密化は皮膜の熱伝導性
を上昇させ、柱状結晶粒組織の有益な効果が台無しにな
ってしまう。そのため、Ｋａｍｏ他の教示はガスタービ
ンエンジンの高温用途に使用するための断熱皮膜には適
さない。
【０００８】以上から明らかな通り、ガスタービンエン
ジン用の断熱皮膜についてスポーリングに対する耐性の
改良が示唆されているが、このような改良はかかる皮膜
の断熱特性及び／又は耐エロージョン性及び耐摩耗性を
損なう傾向がある。さらに、断熱皮膜以外の用途のため
のセラミックコーティングについて耐摩耗性の改良がな
されているものの、かかる改良は断熱皮膜に必要な熱特
性を著しく犠牲にしたものである。従って、必要とされ
ているのは、過酷な熱環境下で衝撃及びエロージョンに
付されたときに摩耗とスポーリングに耐え得る能力をも
つことを特徴とする断熱皮膜系である。好ましくは、か
かる皮膜系は容易に形成可能であって、皮膜の衝撃及び
エロージョン耐性と断熱特性を共に高めるような態様で
付着させた断熱セラミック層が用いられる。
【０００９】
【発明の概要】本発明の目的の一つは、過酷な熱環境に
暴露されると同時に粒子及び屑による衝撃及びエロージ
ョンに付される製品のための断熱皮膜を提供することで
ある。このような断熱皮膜が、皮膜内の応力緩和をもた
らすマイクロクラック又は結晶粒界を特徴とする断熱セ
ラミック層を含んでいることも本発明の目的の一つであ
る。
【００１０】かかる断熱皮膜が、セラミック層の耐エロ
ージョン性を高めるように、セラミック層の内部又は上
に分散した衝撃及びエロージョン耐性組成物を含んでい
ることも本発明のもう一つの目的である。皮膜の成膜処
理工程を皮膜の衝撃及びエロージョン耐性が向上するよ
うに仕立てることも本発明の目的の一つである。
【００１１】本発明は、概括すると、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の場合のよ
うに、過酷な熱環境に付され、しかも粒子及び屑による
エロージョンに付される製品に対して形成するのに適合
した断熱皮膜を提供する。本発明の断熱皮膜は、製品の
表面に形成した金属接着層、該接着層を覆うセラミック
層、及び該セラミック層の内部に分散又は該セラミック
層を覆う耐エロージョン性組成物からなる。上記接着層
は断熱性セラミック層を製品に強固に接着するのに役立
ち、耐エロージョン性組成物は衝撃及びエロージョンに
対するセラミック層の耐性を高める。耐エロージョン性
組成物はアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）又は炭化ケイ素（Ｓｉ
Ｃ）のいずれかであり、好ましいセラミック層は柱状結
晶粒組織を生成させるため物理蒸着法で付着させたイッ
トリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）である。
【００１２】本発明によれば、上記の本発明の耐エロー
ジョン性組成物のいずれかを含むように改良した断熱皮
膜では、予想外にも、Ｓｏｌｆｅｓｔ他の米国特許第４
９１６０２２号に教示されたチタニア添加ＹＳＺセラミ
ックコーティングを始めとする従来技術の柱状ＹＳＺセ
ラミックコーティングよりもエロージョン速度が最大で
約５０％も低減することが判明した。このような改善は
予想外のことであり、特に、耐エロージョン性組成物と
して炭化ケイ素を用いる場合には、炭化ケイ素がＹＳＺ
セラミック層と反応してジルコンを形成し、セラミック
層のスポーリングを促すであろうと予測されることから
して、全く予期し得ないことであった。さらに意外なこ
とに、接着層の平滑度を高めるとともに、セラミック層
の成膜処理時に製品を静止状態に維持しておくと、耐エ
ロージョン性がさらに改良される。
【００１３】本発明のその他の目的及び利点は、以降の
詳細な説明からさらに明らかになるであろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の上記その他の利点は、添
付図面に照らして以下の説明を参照することによりさら
に明らかとなるであろう。ここで、添付図面について簡
単に説明しておく。図１は、断熱皮膜を有するタービン
ブレードの透視図である。
【００１５】図２及び図３は、図１のタービンブレード
の線２−２からみた拡大断面図であり、それぞれ、本発
明の第一の実施形態及び第二の実施形態による断熱皮膜
を示す。本発明は、概括的には、比較的高温であること
を特徴とする環境中で作動する金属部品であって、熱応
力と粒子及び屑による衝撃及びエロージョンとの組合せ
に付される部品に関する。かかる部品の典型例として
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、燃焼器ライナー及びオグ
メンタハードウェアが挙げられる。本発明の利点につい
ては、ガスタービンエンジンの部品を例に取って例示・
説明するが、本発明の教示内容は一般に過酷な熱環境か
ら部品を遮蔽するために断熱皮膜を使用し得る部品であ
ればどんなものにも適用可能である。
【００１６】本発明を例示するため、図１にガスタービ
ンエンジンのタービンブレード１０を示す。一般に広く
行われている通り、ブレード１０はニッケル基又はコバ
ルト基超合金で作られている。ブレード１０には、ガス
タービンエンジンの作動中に燃焼ガスの流れが当たる翼
部１２が含まれており、その翼部１２の表面は従って酸
化、腐食及びエロージョンによる激しい攻撃を受ける。
翼部１２は根元１４を介してタービンディスク（図示せ
ず）に取り付けられる。翼部１２の内部には冷却通路１
６が存在しており、それを介してブリード空気(bleed a
ir) 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。
【００１７】本発明によれば、翼部１２は図２及び図３
に示すような耐エロージョン性断熱皮膜系２０によって
タービン部の過酷な環境から保護される。図２及び図３
を参照すると、皮膜系２０を付着させる基板２２は超合
金でできている。皮膜系２０は、接着層２６とその上に
形成されたセラミック層３０からなる。接着層２６の下
の基板２２を酸化作用から保護するとともに、セラミッ
ク層３０がより強固に基板２２に接着するようにするた
め、接着層２６は好ましくは耐酸化性金属材料で形成さ
れる。好ましい接着層２６はニッケル基合金粉末（Ｎｉ
ＣｒＡｌＹなど）又はニッケルアルミニド金属間化合物
で形成され、基板２２の表面上に約２０〜約１２５μｍ
の厚さに付着させる。接着層２６の成膜に続いて、アル
ミナのような酸化物層２８を高温処理温度で形成しても
よい。酸化物層２８は、セラミック層３０が強固に接着
し得る表面を提供し、それによって皮膜系２０の熱ショ
ックに対する耐性を高める。
【００１８】接着層２６の好ましい成膜法は、アルミニ
ド皮膜に関しては蒸着であり、ＮｉＣｒＡｌＹボンディ
ングコートに関しては減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）で
あるが、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）又は物理蒸着（Ｐ
ＶＤ）のようなその他の付着法も使用できることはいう
までもない。重要なことは、得られる接着層２６及び／
又は基板２２を研磨して、標準化された測定法で測定し
て、平均表面粗さＲaが約２μｍ（約８０マイクロイン
チ）以下、好ましくは平均表面粗さＲa が約１μｍ以下
となるようにすることである。本発明によれば、接着層
２６の表面仕上げが平滑であるほどセラミック層３０の
耐エロージョン性が高まる。ただし、こうした改善が得
られるメカニズムは不明である。なお、Ｕｌｉｏｎ他の
米国特許第４３２１３１０号には接着層とその上の酸化
物層との間の境界層を研磨すると断熱皮膜の熱疲労サイ
クル寿命を改善することができる旨教示されているが、
セラミック層の耐エロージョン性の増進に関しては何の
改善も教示されていないし、示唆されてもいない。
【００１９】セラミック層３０は、図２に示す通り、セ
ラミック層３０に望ましい柱状結晶組織が生じるよう
に、物理蒸着（ＰＶＤ）法によって付着させる。セラミ
ック層３０に好適な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が約６〜
約８重量％というものであるが、イットリア、非安定化
ジルコニア、或いはセリア（ＣｅＯ2 ）又はスカンジア
（Ｓｃ2Ｏ3）で安定化されたジルコニアなどの他のセラ
ミック材料を使用することもできる。セラミック層３０
はブレード１０を熱から保護するのに充分な厚さまで成
膜されるが、その厚さは一般に約７５〜約３００μｍ程
度である。本発明では、セラミック層３０としてＰＶＤ
イットリア安定化ジルコニアを使用すること、特に電子
ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）法で蒸着したセラミック
層３０を使用することが重要である。これらの材料は、
大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）ＹＳＺ及びその他のセラミ
ックスよりも優れたエロージョン抵抗性を発揮するから
である。さらに、ＥＢＰＶＤセラミックコーティング
は、その応力許容性柱状ミクロ組織のおかげで熱サイク
リングに対して向上した耐久性を発揮する。
【００２０】従来技術で断熱皮膜の成膜に用いられてき
たＰＶＤ技術では目的部材を回転させるのが慣例であっ
たが、本発明の好ましい技術では部材を基本的に静止状
態に保つ。本発明によれば、ＰＶＤプロセスの間に部材
を静止状態に維持しておくと、より緻密ではあるが依然
として柱状のままの結晶粒組織が得られ、セラミック層
３０の耐エロージョン性の格段の向上につながることが
判明した。このような改善の理由は判然とはしていない
が、セラミック層３０の密度の増大の結果として耐エロ
ージョン性が向上した可能性がある。
【００２１】耐エロージョン性のレベルを格段に高める
ため、本発明のセラミック層３０は耐衝撃性・耐エロー
ジョン性組成物によって保護されるが、この耐エロージ
ョン性組成物は、図２に示すような耐摩耗皮膜２４とし
てセラミック層３０を被覆したものでもよいし、或いは
離散粒子２４ａとしてセラミック層３０と共蒸着するか
又はセラミック層３０の中に埋設して、図３に概略を示
すようにセラミック層３０の中に分散するようにしたも
のでもよい。本発明では、耐エロージョン性組成物の付
着処理の前に、ＥＢＰＶＤセラミック層の表面仕上げを
ポリシングやタンブリングなどの方法で改善することに
よって、耐エロージョン性をさらに向上させることがで
きる。
【００２２】好ましい方法は、耐エロージョン性組成物
を図２に示すような明瞭な耐摩耗皮膜２４として付着さ
せることである。この方法では、耐衝撃性・耐エロージ
ョン性の耐摩耗皮膜２４をＥＢＰＶＤ、スパッタリング
又は化学蒸着（ＣＶＤ）で容易に付着させてセラミック
層３０を完全に覆うことができる。さらに、耐摩耗皮膜
２４は、図２に二点破線で示すような、セラミック層３
０と耐摩耗皮膜２４の交互に重なり合った層を付着させ
ることのできる好適な土台を提供し、耐摩耗皮膜２４に
よるエロージョンからの保護及びセラミック層３０によ
る熱からの保護の減損をさらに遅延し得る。
【００２３】本発明によれば、セラミック層３０と適合
性の耐エロージョン性組成物にはアルミナ及び炭化ケイ
素が含まれる。セラミック層３０上の別個の皮膜として
は、アルミナについては好ましくはＥＢＰＶＤ法で約２
０〜約８０μｍの厚さに蒸着し、炭化ケイ素については
好ましくは化学蒸着法で約１０〜約８０μｍの厚さに蒸
着される。なお、先行技術では断熱皮膜系のセラミック
層の下の薄いアルミナ層（酸化物層２８のような）の存
在について示唆され、しばしば推奨されてもいるが、断
熱皮膜系の最外殻耐摩耗皮膜としてのアルミナ層の使用
に関してこれまでに示唆されたことはない。一般に、ア
ルミナ及び炭化ケイ素の低い熱膨張率に鑑みれば、皮膜
２０全体をこれらの密で低膨張率の材料で構成したとす
ると、スポーリングを促すと考えられる。本発明では、
柱状ＹＳＺセラミック層３０上でのアルミナ又は炭化ケ
イ素耐摩耗皮膜２４の使用によって、衝撃及びエロージ
ョンに対する抵抗性を皮膜２０に付与しつつ、応力を順
応させることができると思料される。
【００２４】また、断熱皮膜系の最外殻耐摩耗皮膜とし
ての炭化ケイ素の使用について示唆されたことはこれま
でになく、おそらく、炭化ケイ素は容易に酸化されて二
酸化ケイ素を生じ、その二酸化ケイ素がイットリア安定
化ジルコニアと反応してジルコン及び／又はイットリウ
ムシリサイトを生成して、スポーリングを促すためであ
る。驚くべきことに、上記に規定する限られた厚さに成
膜したとき、耐摩耗皮膜２４としての炭化ケイ素はこう
した傾向を示さずに、セラミック層３０の柱状ミクロ組
織とともに割れて該組織とともに膨張するような密着性
の皮膜を形成し、セラミック層３０の上に耐エロージョ
ン性皮膜として保持されることが判明した。炭化ケイ素
を柱状結晶粒組織の柱状晶間に付着させるような付着技
術はスポーリングを促すおそれがあるので、避けるべき
である。
【００２５】前述の通り、図３は、耐エロージョン性組
成物が離散粒子２４ａとしてセラミック層３０の中に分
散した本発明の実施形態を示している。このような結果
は、公知の物理蒸着技術を用いて耐エロージョン性組成
物とセラミック層３０を共蒸着(co-deposition) 又は埋
設(implantation)することによって得ることができる。
このアプローチでは、好ましい耐エロージョン性組成物
はアルミナであり、その量は好ましくはセラミック層３
０の約８０重量％以下、さらに好ましくは約５０重量％
以下である。
【００２６】
【実施例】本発明の耐エロージョン性組成物の有効性を
評価するために、エロージョン試験を行った。一つの試
験では、ニッケル基超合金ＩＮ６０１の試験片を次の通
り調製した。試験片表面を厚さ約５０μｍまで蒸着アル
ミナイジングした。次にＥＢＰＶＤ柱状ＹＳＺセラミッ
ク層を厚さ約１３０μｍ（約５ミル）に付着させた。次
に、幾つかの試験片には約１３μｍ（０．５ミル）又は
約２５μｍ（１ミル）のいずれかの厚さの炭化ケイ素耐
摩耗皮膜を付着させたが、残りの試験片については対照
群とするためにそれ以上の処理は施さなかった。都合の
よいことに、炭化ケイ素耐摩耗皮膜は下層の上記の表面
仕上げとそっくり同じものになったので、さもなければ
以降の付着層の調製において炭化ケイ素耐摩耗皮膜を平
滑化するために生じたであろう面倒な問題が回避され
た。
【００２７】これらの試験片をエロージョン試験に付し
た。エロージョン試験は、室温で、様々な時間にわた
り、試験片の表面に対して約９０度の角度及び約６ｍ／
ｓ（約２０ｆｔ／ｓ）の速度で約１０ｃｍの距離からア
ルミナ粒子を当てて行った。用いた試験時間について結
果を標準化したところ、炭化ケイ素耐摩耗皮膜を有する
試験片が対照群の未被覆試験片に比べてエロージョン深
さがおよそ３０％低下し、重量損失がおよそ５０％低減
していることが判明した。
【００２８】二番目の一連の試験では、ニッケル基超合
金ルネＮ５（Ｒｅｎｅ Ｎ５）の試験片を調製した。こ
れらの試験片については、その調製に用いた様々な製造
方法を区別するため、以下の通りグループＡからグルー
プＥと名付けた。すべての試験片について、厚さ約５０
μｍに蒸着アルミナイジングして接着層を形成した。グループＡ及びＢの試験片 接着層の付着に続いて、ＥＢＰＶＤ柱状セラミック層を
蒸着処理する前に、すべての試験片について接着層の表
面仕上げを測定した。約２．４μｍＲa （約９４マイク
ロインチＲa ）の表面仕上げを有する試験片をグループ
Ａと名付け、残りの試験片については約１．８μｍＲa
（約７１マイクロインチＲa ）の表面仕上げとなるよう
に研磨した。次に、グループＡ及びＢの試験片に７％Ｙ
ＳＺのＥＢＰＶＤ柱状セラミック層を厚さ約１２５μｍ
となるように蒸着した。蒸着は試験片を約６ｒｐｍの速
度で回転させながら行ったが、これは従来技術で慣用的
に実施されている事項である。グループＡ及びＢの試験
片については試験まで保管しておき、残りの試験片につ
いてはさらに処理を行った。
【００２９】グループＣの試験片 セラミック層の蒸着処理中に約６ｒｐｍの速度で回転さ
せたグループＡ及びＢ（並びにグループＤ、Ｅ及びＦ）
の試験片とは対照的に、グループＣの試験片については
試験片を静止状態に保ちながら７％ＹＳＺセラミック層
を蒸着した。グループＡ及びＢのＥＢＰＶＤ柱状セラミ
ック層と同様に、グループＣのセラミック層の最終的な
厚さは約１２５μｍであった。
【００３０】グループＧの試験片 厚さ約２５μｍの７％ＹＳＺセラミック層の蒸着に続
き、グループＤの各試験片を第二の蒸着プロセスに付し
てアルミナ耐摩耗皮膜を形成した。各試験片は、ＥＢＰ
ＶＤ処理で厚さ約５０μｍのアルミナの耐摩耗皮膜でコ
ートされていた。グループＥの試験片 グループＥの各試験片については、７％ＹＳＺセラミッ
ク層とともにアルミナを共蒸着した。セラミック層の厚
さは約１２５μｍであった。アルミナの共蒸着は２通り
の速度で行った。一つは遅い速度でアルミナ含量がセラ
ミック層の約３重量％となるようにしたもの（グループ
Ｅ１）であり、もう一つは高い速度でアルミナ含量がセ
ラミック層の約４５重量％となるようにしたもの（グル
ープＥ２）である。
【００３１】以上の試験片すべてについて、炭化ケイ素
耐摩耗皮膜で被覆した試験片について述べたのと基本的
に同じ手順で、エロージョン試験を行った。これらの試
験の結果を、試験時間に関して標準化した後、グループ
Ａ試験片を基準とした相対的エロージョン変化（％）と
して、次の表１に示す。 表１ グループ 評価した条件 変化（％） Ａ 対照 −−− Ｂ 接着層表面仕上げ −１４ Ｃ 回転（静止） −２７ Ｄ アルミナ皮膜 −４１ Ｅ１ ＹＳＺ中の分散アルミナ（３％） −５１ Ｅ２ ＹＳＺ中の分散アルミナ（４５％） −４２ 以上の結果から、上記のいずれの改質法によっても耐エ
ロージョン性の著しい改善を達成できることが分かる。
大いに注目すべきは、耐エロージョン性の改善が最も大
きかったのは、柱状ＹＳＺ中に約３重量％のアルミナが
分散しているという本発明の図３に示す実施形態に対応
していることである。セラミック層中のアルミナのレベ
ルが増大して約５０重量％に近づくと、耐エロージョン
性が大幅に低下しているのが分かる。図２に示すような
柱状ＹＳＺセラミックコーティング上のアルミナ耐摩耗
皮膜を用いたときも、試験した断熱皮膜系で耐エロージ
ョン性の顕著な改善が得られた。実用上では、断熱皮膜
の耐エロージョン性を向上させる技術としては、柱状Ｙ
ＳＺセラミックコーティング上のアルミナ耐摩耗皮膜が
その加工処理の容易さゆえに好ましい。都合のよいこと
に、アルミナ耐摩耗皮膜は、エンジン作動中に発生し得
る屑との化学的及び物理的相互作用に対する断熱皮膜の
耐性も向上させる。
【００３２】以上の結果に基づいて、最適の断熱皮膜系
は、物理蒸着技術を利用して成膜した柱状ＹＳＺセラミ
ック層３０を、接着層２６に対してＲa 約２μｍ以下の
表面仕上げとし（グループＢの試験片の示す通り）、セ
ラミック層３０の蒸着処理中に目標試験片を静止状態に
維持し（グループＣの試験片の示す通り）、かつアルミ
ナ又は炭化ケイ素をセラミック層３０の上の皮膜又はセ
ラミック層３０中の分散系のいずれかの形態で与えた
（炭化ケイ素試験片並びにグループＤ及びＥの試験片の
示す通り）ときに得ることができるであろうと予測され
る。
【００３３】特定の実施形態に関して本発明を説明して
きたが、その他の形態も取り入れることができることは
自明である。従って、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 断熱皮膜を有するタービンブレードの透視図
【図２】 図１のタービンブレードの線２−２からみた
本発明の第一の実施形態による断熱皮膜の拡大断面図
【図３】 図１のタービンブレードの線２−２からみた
本発明の第二の実施形態による断熱皮膜の拡大断面図
【符号の説明】
１０ タービンブレード １２ 翼部 ２０ 耐エロージョン性断熱皮膜系 ２２ 基板 ２４ 耐エロージョン性組成物（耐摩耗皮膜） ２４ａ 耐エロージョン性組成物（離散粒子） ２６ 接着層 ２８ 酸化物層 ３０ セラミック層
フロントページの続き (72)発明者 マーク・アラン・ロゼンツウェイグ アメリカ合衆国、メリーランド州、ウォル ドルフ、モッキングバード・サークル、 4261番 (72)発明者 ルードルフ・ビギー アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、テームズ・プレイス、12135番 (72)発明者 デイビッド・ビンセント・リグニー アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、ウェザーリッジ・ドライブ、6838番 (72)発明者 アントニオ・フランク・マリコッチ アメリカ合衆国、オハイオ州、ラブラン ド、サイテーション・コート、101番 (72)発明者 デイビッド・ジョン・ワートマン アメリカ合衆国、オハイオ州、ハミルト ン、リバティー・ウッヅ・コート、5614番 (72)発明者 バンガロー・アスワサ・ナガラジェ アメリカ合衆国、オハイオ州、ウェスト・ チェスター、トラバース・コート、5196番

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 粒状物衝撃エロージョン及び摩耗に付さ
    れる製品（１２）に形成された耐エロージョン性断熱皮
    膜（２０）であって、当該断熱皮膜（２０）が製品（１
    ２）の表面を覆う金属製耐酸化性接着層（２６）、 接着層（２６）上に物理蒸着法で形成した柱状セラミッ
    ク層（３０）、及び柱状セラミック層（３０）のエロー
    ジョンを防止するように断熱皮膜（２０）に存在する耐
    エロージョン性組成物（２４，２４ａ）であって、炭化
    ケイ素及びアルミナからなる群から選択される耐エロー
    ジョン性組成物（２４，２４ａ）を含んでなる断熱皮膜
    （２０）。
  2. 【請求項２】 前記耐エロージョン性組成物（２４，２
    ４ａ）が、柱状セラミック層（３０）の粒子衝撃及びエ
    ロージョンに対する物理的バリヤーとして作用するよう
    に柱状セラミック層（３０）を覆った耐摩耗皮膜（２
    ４）である、請求項１記載の断熱皮膜（２０）。
  3. 【請求項３】 前記柱状セラミック層（３０）が、約６
    〜約８重量％のイットリアで安定化されたジルコニアか
    ら基本的になる、請求項２記載の断熱皮膜（２０）。
  4. 【請求項４】 当該断熱層（２０）が、耐エロージョン
    性組成物（２４）を覆った少なくとも第２の柱状セラミ
    ック層（３０）と、該第２の柱状セラミック層（３０）
    を覆った少なくとも第２の耐エロージョン性組成物（２
    ４）をさらに含んでなる、請求項２記載の断熱皮膜（２
    ０）。
  5. 【請求項５】 前記耐エロージョン性組成物（２４ａ）
    が、柱状セラミック層（３０）の耐エロージョン性を高
    めるように柱状セラミック層（３０）中に分散してい
    る、請求項１記載の断熱皮膜（２０）。
  6. 【請求項６】 前記柱状セラミック層（３０）がイット
    リア安定化ジルコニアと耐エロージョン性組成物から基
    本的になり、該耐エロージョン性組成物（２４ａ）が柱
    状セラミック層（３０）の約４５重量％以下を占める、
    請求項５記載の断熱皮膜（２０）。
  7. 【請求項７】 前記接着層（２６）の平均表面粗さＲa
    が約２μｍ以下である、請求項１記載の断熱皮膜（２
    ０）。
  8. 【請求項８】 前記耐エロージョン性組成物（２４，２
    ４ａ）が物理蒸着法又は化学蒸着法で付着させたもので
    ある、請求項１記載の断熱皮膜（２０）。
  9. 【請求項９】 前記製品（１２）が超合金タービンブレ
    ードの翼部分である、請求項１記載の断熱皮膜（２
    ０）。
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