JPS6037788B2 - セラミツク表面被覆された構造体及びその製造方法 - Google Patents

セラミツク表面被覆された構造体及びその製造方法

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JPS6037788B2
JPS6037788B2 JP55058574A JP5857480A JPS6037788B2 JP S6037788 B2 JPS6037788 B2 JP S6037788B2 JP 55058574 A JP55058574 A JP 55058574A JP 5857480 A JP5857480 A JP 5857480A JP S6037788 B2 JPS6037788 B2 JP S6037788B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセラミック材に係り、更に詳細には耐高温性を
有する物品の製造に於て基質にセラミック表面被覆材を
付着する方法及びかくして製造される物品に係る。
セラミック材は、一般に、ガスタービン環境に於て効果
的な熱遮蔽材として知られており、現在高温度環境に於
て金属基質の被覆材として使用されている。
かかるセラミック材はそれが付着された金属構造体が許
容し難い程変形するのを防止する。しかし金属材料とセ
ラミック材との熱膨張係数の差が大きいので、これらの
材料は完全には両立せず、従ってセラミック材を金属材
料に付着するのは困難である。更に、セラミック材が付
着された部材が高温度環境に於て熱サイクルを受けると
割れを生じたりセラミック材が金属基質より剥離するこ
とが多い。かかる問題は１００び分の数センチ以上の被
覆厚が必要とされる部分に於て特に顕著である。かかる
技術分野に於ける従来技術の主要なものはガスタービン
ェンジン工業界に於て開発されているが、セラミック材
を用いるという概念はより広い範囲に適用されてよいも
のである。
セラミック材を用いることにより性能及び耐久性が改善
される可能性を秘めている構成要素の代表的なものには
、燃焼室、ェアフオイル、アウタェアシール等がある。
上述の構成要素のうち特にアウタェアシールが従来技術
に於て注目を集めており、かかるアウタェアシールの効
果的な実施例が常に希求されている。
軸流型ガスタービンェンジンに於ては、エンジンの圧縮
セクションに於てもタービンセクションに於ても数列の
ロータブレードがロータ組立体より作動媒体ガス流路を
横切って半径方向外方へ延在している。ステータ組立体
に固定されたアウタェアシールが各ブレード列のブレー
ドの先端部を囲綾して作動媒体ガスがブルレード先端部
を越えて漏洩するのを阻止するようになっている。アウ
タェアシールは従来より端部と端部とを当接してエンジ
ンの周りに配置された複数個のシールセグメントにて構
成されている。各シールセグメントのプレード先端部に
対向する表面は、過渡的条件の下でもブレード先端部と
破壊的な相干を生ずることなく許容範囲の小さい初期条
件を可能とする研摩可能な材料にて構成されている。代
表的な研摩可能なシールランド及びその製造方法が米国
特許第３，８１７，７１ｙ号、同第３，８７９，８３１
号、同第３，９１８，９２５号、及び同第３，９３６，
６５６号に開示されている。上述の如き材料やデザイン
が得られているにも拘らず、ガスタービン構成要素の製
造業者は過酪な環境に於ても充分な耐久性を有する一層
改良された研摩可能な材料にて構成された構造体を求め
続けている。
特にシール材料が局部的に１３７１℃以上の温度に曝さ
れるガスターピンェンジンの夕−ビンセクションに於て
は、充分な耐久性を有する材料及び構造を選定するには
限度がある。セラミック表面被覆されたシ−ルはタービ
ン構成要素の製造に於て重要な意味を持つものである。
代国特許第４，１０９，０３１号には、セラミック表面
被覆材と金属基質との間の熱膨張係数の差を受入れるよ
う綬成された一つのセラミック表面被覆されたシール構
造体が開示されている。
この特許に於ては、金属界面に於ける１００％金属より
セラミック界面に於ける１００％セラミックまで金属と
セラミックの相対量が変化された幾つかの組成別の材料
層が金属基質に付着される。他の一つの種類のセラミッ
ク表面被覆されたシール構造体が、「ＢｏｎｄｉｎｇＣ
ｅｒａｍｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓｔｏｍｅｔａｍｃ Ｓ
肋ｓｔｒａｔｅｓ ｆｏｒ Ｈｉ劫−Ｔｅｍｐｅｒａｔ
ｕｒｅ，山ｗ−ＷｅｉｇｈｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
」と題してアメリカセラミック協会の基礎科学電子原子
分科会の１９７６年の秋期合同会議に於て領布された論
文、及び「ＰｒｅｌｉｍｉＭｒｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ
Ｃｙｃｌｉｃ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｈ−ｏｃｋ Ｒｅ
ｓｉｓｔａＭｅ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ − Ｓｐｒ
ａｙｅｄＺｉｒＣｏｎｌｕｍ 〇Ｘｉｄｅ Ｔ川ｂｉｎ
ｅ ○心ｔｅｒ Ａｉｒ ＳｅａｌＳｈｒｏｕｄｓ 」
と 題 す る ＮＡＳＡ ＴｅｃｈｎｉｃａｌＭｅ
ｍｏｒａｎｄｕｍＮＡＳＡＴＭ−７３８５２に記載され
ている。
。上述の論文等に記載された技術に於ては、糠結された
ワイヤのマットがセラミック層を金属基質に接合するよ
うになっており、この場合競結されたワイヤが基質層と
セラミック層との間の熱膨張係数の差を受入れることが
できる従順な層を構成する。前述のアメリカセラミック
協会の論文に記載された構造体に於ては、セラミックは
直接ワイヤマットに付着される。又前述のＮＡＳＡの論
文に記載された構造体に於ては、セラミックはワイヤマ
ット上の０．０７６〜０．１２７肋の界面被覆上に付着
される。上述の論文等に記載された構造体はもし充分な
耐久性が達成されれば非常に望ましいものであることが
知られているが、これらの構造体は特に苛酷な環境に於
て使用するには充分なものではない。
本発明の主要な目的は、高温度環境に於て良好な耐久性
を有するセラミック表面被覆された構造体を提供するこ
とである。
セラミックを基質構造体に固定的に接合することが希求
され、本発明の一つの特定の目的は、セラミック材と基
質構造体との間の熱膨張の差を受容することのできる構
造体を提供することである。本発明の方法によれば、Ｍ
ＣｒＮＹ下層材料が高速プラズマスプレー法により弾性
係数の小さい多孔性材料のパッドに含浸され、セラミッ
ク被覆が該下層材料上に付着されてセラミック表面被覆
された構造体に形成される。
本発明の方法の少なくとも一つの詳細な実施例によれば
、中実の金属基質が所要のセラミック表面被覆材とほぼ
同一の形状に形成され、弾性係数が小さくほぼ一様な厚
さを有するワイヤパッドが基質の前記所定形状に形成さ
れた表面に接合され、前記ワイヤパッドが高速プラズマ
スプレー法によりＭＣｒＡＩＹ被覆材にて含浸されて下
層が形成され、次いでセラミック表面被覆材が前記下層
に付着される。本発明の方法の一つの主要な特徴は、セ
ラミック表面被覆材が付着される前にＭＣｒＡＩＹ型の
材料の下層被覆が弾性係数の小さいパッド‘こ付着され
る工程を含んでいることである。
少なくとも一つの実施例に於ては、弾性係数の小さいパ
ッドはまず中実の金属基質に接合される。下層被覆を含
むＭＣｒＡＩＹ材料は、１９７乎王２月２２日付にて出
願された米国特許出願第１３，９４４号（米国特許第４
，２３５，９４３号）に開示された高速プラズマスプレ
ー法により付着される。次いでセラミック表面被覆材が
ＭＣｒＡＩＹ下層上に付着さされる。本発明の一つの主
要な利点は、セラミック材が良好に下層の基質構造体に
接合されるということである。ＭＣｒＡＩＹ下層材料は
セラミック材が多孔性パッドーこ接合するのを容易にす
る。又高速プラズマスプレー法により下層材料が多孔性
パッド内へ深く浸入せしめられる。少なくとも一つの実
施例に於ては、下層は温度の抵し、プラズマスプレー法
により付着され、これによりパッド材料の酸化が回避さ
れる。中実の金属基質を有する実施例の場合に於ける多
孔性パッドはセラミック材と基質との間の熱膨張の差を
受入れる。中実の基質がない実施例に於ては、パッド自
身がセラミックが付着される構造体となる。かなりの厚
さのセラミック表面被覆材が構成要素に付着されるので
、被覆された構成要素の使用中にセラミック被覆材が破
損することはない。又基質より被覆材が剥離する可能性
が低減される。以下に本発明をその好ましい実施例につ
いて詳細に説明する。
ガスターピンェンジンの耐高温性構成要素の製造につい
て本発明の概念を説明するが、本発明の概念はセラミッ
ク表面被覆材の層が必要とされる同様の構造体にも適用
可能である。
添付の第１図に中実の金属基質１０が図示されている。
この基質は完成品上に必要とされるセラミック表面被覆
材の形状とほぼ同一形状に形成された弧状面１２を有し
ている。第２図に於ては、ワイヤメッシュパッドの如く
弾性係数の小さい材料の多孔性金属パッド１４が金属基
質１０もこ接合されている。第３図に於ては、この弾性
係数の小さい金属パッド１４は鉄、コバルト、ニッケル
よりなる群より選択された少なくとも一つの元素とクロ
ム及びアルミニウムを含有する合金被覆の下層１６にて
含浸されている。この場合被覆合金はイットリウム及び
希±類元素よりなる群より選択された一つ或いはそれ以
上の元素を含有していて良い。イットリウムを含有する
合金は当技術分野に於てはＭＣｒＡＩＹ材料（ここにＭ
は鉄、コバルト、ニッケルよりなる群より選択された少
なくとも一つの元素である）として知られている。第４
図に於ては、セラミック表面被覆材１８が下層被覆上に
付着されている。第１図乃至第４図に示されたアウタェ
アシール構造体である一つの実施例に於ては、多孔性パ
ッドは直径が０．１２７〜０．１５２肌である鉄基合金
ワイヤ（ＦｅＣｒ釘Ｙ）にて形成された。
このパッドは３５％の密度を有するワイヤ材料となるま
で圧縮され、隣接するワイヤとの間に少なくとも部分的
に冶金学的界面が形成されるよう腕結された。最終的に
１．５２肋の厚さを有するパッドが使用された。０．７
６〜５．仇肋の範囲のパッド厚が大抵の用途に好ましい
ものであると考えられる。
上述の厚さよりもパッドの厚さが小さいと熱膨張を充分
受容し得ず、又上述の範囲よりも厚さが大きいと充分に
剛固な構造体とすることができない。この金属パットは
従釆の方法により基質にろう付けされたが、その接合部
は有効であることがわかった。かかる構造体に於ては、
１４〜２仇Ｗ％のクロムと、１１〜１３れ％のアルミニ
ウムと、０．１０〜０．７０Ｗｔ％のィットリゥムと、
最大限小ｔ％のコバルトと残部ニッケルとよりなるＮｉ
ＣｒＡＩＹ合金材料の下層被覆が使用された。
約０．１２７肋の等価厚（平坦な表面に付着された場合
の被覆厚）の被覆がワイヤパッド内に付着された。０．
１０１〜０．２５４肌の範囲内の等価厚の被覆が大抵の
用途に好ましいものであると考えられる。
この範囲よりも被覆厚が小さければ後に付着されるセラ
ミック層が付着するに充分な下層が得られず、又上述の
範囲よりも被覆厚が大きければワイヤ間の空所を完全に
充填してしまい、これによりセラミック層が付着する為
の不規則な面が充分には残されなくなってしまう。他の
適当な下層材料として、ニッケルーコバルト基合金Ｎｉ
ＣｏＣｒＡＩＹ、コバルト基合金ＣｏＣｒＮＹ、鉄基合
金ＦｅＣｒＡＩＹがあげられる。下層材料を効果的に付
着することは本発明の概念にとって重要なことである。
下層は充分ワイヤパッド内に侵入しなくてはならず又ワ
イヤに固定的に付着しなければならない。一つの適当な
付着法が１９７乎手２月２２日付にて出願された米国特
許出願第１３，９４４号に開示されている。この方法に
於ては、下層粒子がプラズマ流中にて塑性化され、該プ
ラズマ流内にて１２２肌／ｓｅｃ程度の速度に加速され
る。かかる高速度により粒子は多孔性ワイヤパッド内へ
充分に浸入することができる。付随的に、上述のプラズ
マスプレー法に於ける流体の温度は従来のプラズマスプ
レー法に於ける温度よりも実質的に低い。かくして低い
温度が採用されるのでパッド内に於てワイヤ繊維を過熱
することが阻止され、従って許容し得る被覆が付着され
る前にワイヤが酸化されることが回避される。一般にワ
イヤの酸化が生じないようにする為には、ＦｅＣｒＡＩ
Ｙワイヤの場合ワイヤ温度が５３８００以下であること
が必要とされる。ワイヤ繊維の温度は４２７００〜４８
が０の範囲に制限されるのが好ましい。第７図は直径が
０．１２７〜０．１５２肌のワイヤにて形成されたワイ
ヤパッドを示している。このワイヤパッドはＭＣｒＡＩ
Ｙ下層被覆が付着される前に３５％のワイヤ密度に形成
されている。第７Ａ図及び第７Ｂ図の写真は走査電子顕
微鏡で夫々５０倍及び２０ぴ音して見た場合の被覆を示
している。個々のワイヤは比較的滑らかな表面組織を有
している。第８図は第７図に図示されたパッドと同一の
密度及び有孔度を有するワイヤパッドを示している。し
かしこの第８図のパッドはＭＣｒＡＩＹ下層材料にて含
浸されている。このワイヤの表面はかなり粗雑である。
付着された下層はワイヤに良好に付着しており、セラミ
ック層を受けるに適した表面を与えている。かかるＭＣ
ｒＡＩＹ被覆材料はそれを付着する高速プラズマスプレ
ー法によりワイヤパッド内へ充分に侵入せしめられる。
かかる下層の付着に使用用される低温のプラズマスプレ
ー法に於ては、良好な被覆界面が形成される前にワイヤ
が酸化されることはほとんどない。上述の構造体に於て
は、８肌ｔ％の酸化ジルコニウム（Ｚｒ０２）と２肌ｔ
％の酸化イットリウム（Ｙ２０３）とよりなり酸化イッ
トリウムにて安定化された酸化ジルコニウムのセラミッ
ク材料が１．５２脚の等価厚にまで付着された。
０．５０８〜２．５４肌の範囲内の被覆厚が容易に得ら
れ、更にこれ以上の被覆厚も達成可能である。
合金元素が添加されていない酸化ジルコニウム及び酸化
イットリウム粉末が２４３〜３６５ｍ／ｓｅｃの従来の
プラズマスプレー速度にて付着されたが、予め合金元素
を添加されたセラミック粉末を使用すれば更に効果的な
構造体を製造し得るものと考えられる。当技術分野に於
て知られている他のセラミック組成のものを使用すれば
、同様の用途に好適な優れた構造体が得，られるものと
考えられる。第５図は本発明の方法により製造されたガ
スタービンェンジンの燃焼室構成要素を示している。
図示の燃焼室構成要素に於ては、ワイヤパッドは前述の
アウタェアシールの場合の如く中実の支持材によっては
支持′されていない。セラミック被覆それ自身が燃焼室
構造体に充分な剛性を与える厚さにてワイヤパッド‘こ
付着されている。前述のアウタェアシールの場合の如く
、セラミックがワイヤパッド‘こ固定的に付着し得るよ
うまずワイヤパッドがＭＣｒＡＩＹ材料にて含浸される
。第６図は本発明の方法により製造されたタービン翼部
構造体を示している。
前述のアウタヱアシール構造体の場合と同様、セラミッ
ク表面被覆材‐料は、まず中実の金属基質に接合され次
いで下層材料にて含浸されたワイヤパツド‘こ付着され
る。この場合にも第５図の燃焼室構成要素の場合と同様
、中実の金属基質を使用しないで含浸されたワイヤパッ
ドの周りに翼部構造体を形成することも可能である。以
上に於ては本発明をその特定の実施例について詳細に説
明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて種々の修正並びに省略が可能
であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図はアゥタェアシールの製造に使用される中実の金
属基質を示す解図的斜視図である。 第２図は第１図の基質に一様な厚さの多孔性パッドを接
合する工程を示す解図である。第３図はＭＣｒＡＩＹ下
層材料にて第２図の多孔性パッドを含浸する工程を示す
鱗図である。 第４図は第３図の含浸された多孔性パッド‘こセラミツ
ク表面被覆材料を付着する工程を示す解図である。 第５図は本発明の方法により製造されたセラミック製燃
焼室構成要素の鱗図的部分図である。 第６図は本発明の方法により製造されたセラミックにて
被覆されたタービンェアフオィルを示す解図的斜視図で
ある。第７Ａ図及び第７Ｂ図はＭＣｒ川Ｙ下層材料が付
着される前のワイヤパッドを夫々５Ｍ音「 ２０Ｍ音し
て示す走査顕微鏡写真である。 第８Ａ図及び第８Ｂ図はワイヤパッドが下層材料にて被
覆された後のワイヤパッドを夫々５Ｍ音、２０ぴ音して
示す走査顕微鏡写真である。 １０・・・・・・金属基質、１２…・・・弧状面、１４
・・・・・・多孔性金属パッド、１６・・・・・・下層
、１８・・・・・・セラミック表面被覆。 打）Ｇ／ （７Ｇ２ 打７Ｇ．Ｊ （ソＧ．◆ （ンＧ．夕 ＾ンＧ‐〇 鰭》総甲ね燐 翁繁鱗鍔穣 翁霧総緩み 翁ぎ途銭漆

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 高温度環境に於て使用されるに適した種類のセラミ
    ツク表面被覆された構造体に於て、 所要のセラミツク
    表面被覆された構造体の形状とほぼ同一の形状に形成さ
    れた弾性係数の小さい金属材料より成る多孔性パツドと
    、 ０．１２７ｍｍよりも大きく、０．２５４ｍｍより
    も小さな等価厚を有し前記多孔性パツドに含浸されてセ
    ラミツクが付着するための粗状面を与えるＭＣｒＡｌＹ
    型材料の下層被覆と、 前記下層被覆上に付着されて前
    記構造体上にセラミツク表面被覆を構成するセラミツク
    材料と、を含んでいることを特徴とするセラミツク表面
    被覆された構造体。 ２ セラミツク表面被覆された物品を製造する方法に於
    て、金属材料の多孔性パツドを所要の完成した表面の形
    状とほぼ同一の形状に形成する工程と、前記多孔性パツ
    ドの前記所定形状に形成された表面を粗状面とすべく前
    記多孔性パツドをＭＣｒＡｌＹ型の材料の下層被覆にて
    含浸する工程であつて、前記多孔性パツドに前記下層被
    覆を深く含浸すべく１２２０ｍ／ｓｅｃ程度の被覆粒子
    速度にて前記下層被覆を付着することを含む含浸工程と
    、前記多孔性パツドの前記粗状面にセラミツク材料を付
    着してセラミツク表面被覆された物品を形成する工程と
    を含んでいることを特徴する方法。 ３ セラミツク表面被覆された物品を製造する方法に於
    て、金属基質を所要のセラミツク表面被覆の形状とほぼ
    同一の形状に形成する工程と、ほぼ一様な厚さの多孔性
    金属パツドを前記所定形状に形成された基質に接合する
    工程と、前記多孔性金属パツドのワイヤ表面を粗状面と
    すべく前記多孔性金属パツドをＭＣｒＡｌＹ型の材料の
    下層被覆にて含浸する工程であつて、前記多孔性金属パ
    ツドに前記下層被覆を深く含浸すべく１２２０ｍ／ｓｅ
    ｃ程度の被覆粒子速度にて前記下層被覆を付着すること
    を含む含浸工程と、前記下層被覆上にセラミツク材料を
    付着してセラミツク表面被覆された物品を形成する工程
    とを含んでいることを特徴とする方法。
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