特許 7348617 ＣＭＡＳ耐性遮熱コーティング及びそのコーティングを作る方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-12

(45)【発行日】2023-09-21

(54)【発明の名称】ＣＭＡＳ耐性遮熱コーティング及びそのコーティングを作る方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 4/11 20160101AFI20230913BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20230913BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20230913BHJP

【ＦＩ】

C23C4/11

F01D25/00 L

F01D25/00 Q

F02C7/00 C

F02C7/00 D

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2018168925

(22)【出願日】2018-09-10

(65)【公開番号】P2019049053

(43)【公開日】2019-03-28

【審査請求日】2021-09-10

(31)【優先権主張番号】15/699,260

(32)【優先日】2017-09-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】590005449

【氏名又は名称】アールティーエックス コーポレイション

【氏名又は名称原語表記】ＲＴＸ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】ケイラン エム．ウェッセルズ

(72)【発明者】

【氏名】ブライアン ティー．ヘイゼル

(72)【発明者】

【氏名】シュアン リウ

(72)【発明者】

【氏名】アール．ウェズリー ジャクソン

(72)【発明者】

【氏名】エリサ エム．ザレスキー

【審査官】菅原 愛

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２６０１３２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１５９５０７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００９／００１７２６０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１５－５０１３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０６０８６７６５（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２７６３５２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】Column Formation in Suspension Plasma-Sprayed Coatings and Resultant Thermal Properties，Journal of Thermal Spray Technology，2011年，20(4)，p.817-828

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ ４／１１

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｆ０２Ｃ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）耐性コーティングシステムであって、
外側コーティングを備え、前記外側コーティングは、
優先的材料蓄積によって材料堆積中に形成された複数の柱状構造であって、複数のランダム配向する粒子スプラット及びＣＭＡＳ反応性材料を含み、前記柱状構造が、５パーセント未満の全多孔度を有する、複数の柱状構造と、
前記外側コーティングの最外面から前記外側コーティングの全体厚さ以下の前記外側コーティングの第１の深さまで延在する複数の概略垂直配向するギャップであって、隣接する柱状構造を分離し、前記複数の垂直配向するギャップのメジアンギャップ幅が、５マイクロメートル未満である、複数の概略垂直配向するギャップと、
を備え、
前記複数の垂直配向するギャップは、隣接する柱状構造を分離する連結多孔度のバンドであり、
前記外側コーティングの少なくとも９０パーセントは、隣接する垂直配向するギャップを連結する概略水平配向するギャップがない、ＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項2】

前記複数の垂直配向するギャップの前記メジアンギャップ幅は、３マイクロメートル未満である、請求項１に記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項3】

前記ＣＭＡＳ反応性材料は、１８～１００モルパーセントの範囲にある希土類元素含有量を含む、請求項１に記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項4】

前記ＣＭＡＳ反応性材料は、ガドリニアを含む、請求項１に記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項5】

前記柱状構造は、３パーセント未満の全多孔度を有する、請求項１に記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項6】

前記外側コーティングは、１０パーセント未満の全多孔度を有する、請求項１に記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項7】

前記外側コーティングは、５パーセント未満の全多孔度を有する、請求項１に記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項8】

前記複数の垂直配向するギャップのそれぞれの間の平均距離は、２５～５００マイクロメートルの範囲にある、請求項１に記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項9】

前記複数の垂直配向するギャップは、クラックであり、複数の垂直配向クラックをさらに有する、請求項１に記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項10】

前記クラックは、前記コーティングの最外面から前記外側コーティングの厚さの６０パーセント未満の深さまで延在する、請求項９に記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項11】

前記複数の垂直配向するギャップの最も外側の部分は、ＣＭＡＳ及び前記ＣＭＡＳ反応性材料の結晶化生成物が充填され、前記複数の垂直配向するギャップは、前記外側コーティングの最外面から前記外側コーティングの第２の深さまで充填され、前記第２の深さは 、前記第１の深さより小さい、請求項１に記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項12】

前記第２の深さは、前記外側コーティングの全体厚さの半分未満である、請求項１１に記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項13】

内側コーティングをさらに備え、前記内側コーティングは、
複数の柱状構造と、
前記外側コーティングの材料と異なる化学組成を有する材料と、
を備える、請求項１に記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【請求項14】

アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）耐性コーティングを形成する方法であって、
液体媒体内に懸濁されたセラミック粒子を含む懸濁液フィードストックを設けることであって、前記セラミック粒子が、ＣＭＡＳ反応性材料を含む、設けることと、
前記セラミック粒子を基材上に堆積させることであって、それにより、５パーセント未満の多孔度を有する複数の柱状構造を形成する、前記堆積させることと、
前記コーティングの第１の厚さを通して前記コーティングの最外面から延在する複数の概略垂直配向するギャップを形成することと、
を含み、前記複数の垂直配向するギャップが、５マイクロメートル未満のメジアンギャップ幅を有し、
前記複数の垂直配向するギャップは、隣接する柱状構造を分離する連結多孔度のバンドであり、
前記懸濁液フィードストックを溶射することが、
前記基材にわたって複数の溶射パスを作ることであって、それにより、層ごとに前記コーティングの全体厚さを増加させる、作ることと、
前記コーティングの少なくとも９０体積パーセントが、前記コーティング内で、隣接する垂直配向するギャップを連結する概略水平配向するギャップがないように、前記コーティングの高密度パス間領域を生成することと、
を含む、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）耐性コーティングを形成する方法。

【請求項15】

前記ＣＭＡＳ反応性材料は、希土類元素を含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記ＣＭＡＳ反応性材料は、ガドリニアを含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記垂直配向するギャップの一部分を溶融ＣＭＡＳの浸入からシールすることをさらに含み、
シールすることは、前記複数の垂直配向するギャップの一部分にＣＭＡＳ及びＣＭＡＳ反応性材料の結晶化生成物を充填することを含み、前記充填される部分は、前記コーティングの最外面から延在する、請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、高温にさらされるコンポーネント用の遮熱コーティング（ＴＢＣ）システムに関する。より詳細には、本発明は、ガスタービンエンジンのコンポーネント（例えば、燃焼器ならびにタービンブレード及びベーン）のための、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）耐性ＴＢＣシステム及びそのＴＢＣシステムを生成する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＴＢＣシステムは、従来、高温及び／または環境汚染にさらされるガスタービンエンジンのコンポーネントに適用されて、そのコンポーネントを保護しその寿命を延長する。ＴＢＣシステムは、基礎にある基材に対して、酸化、腐食、侵食、及び他の環境的損傷を阻止するのに役立ち得る。従来のＴＢＣシステムは、一般に、セラミックトップコート及び金属ボンドコートを含む。運転中、ＴＢＣシステムは、ＣＭＡＳ汚染物質を含む環境的埃及びデブリによる損傷を受け易い可能性がある。高温において、ＣＭＡＳは、溶融し多孔性ＴＢＣシステムに浸透し、それが、ＴＢＣシステムの応力許容度を減少させ、剥離を促進し得る。

【0003】

電子ビーム物理気相堆積（ＥＢ－ＰＶＤ）によって堆積されるＴＢＣに対する代替として、懸濁液プラズマ溶射式ＴＢＣが開発された。懸濁液プラズマ溶射技法は、応力許容度を改善し得る、ＥＢ－ＰＶＤによって生成される構造と同様の柱状構造を有するコーティングを生成し得る。ＥＢ－ＰＶＤコーティングとは異なり、懸濁液プラズマ溶射式コーティングは、通常、厚さ方向に貫通し垂直に配向する大きな柱状部間ギャップによって分離された多孔性柱状部を有する。懸濁液プラズマ溶射を使用して生成される柱状構造は、同様に、垂直配向するギャップを連結し得る、材料堆積パスの間に形成される水平に配向するパス間多孔性バンドまたはクラックを有し得る。概略大きな垂直に配向する柱状部間ギャップ及びパス間多孔性バンドまたはクラックは、セラミックトップコートの厚さを通して材料マトリックスに入る溶融ＣＭＡＳの浸入を受入れ、セラミックトップコートの機械的安定性を実質的に低下させる。代替の、高密度の垂直にクラックしたＴＢＣが、懸濁液プラズマ溶射を使用して開発された。高密度の垂直にクラックしたコーティングは、応力を逃がすために形成された厚さ方向に貫通するクラックを用いる大気プラズマ溶射によって生成されるコーティングと同様、よりラメラに見える構造を有し得る。クラックが狭い可能性があるが、コーティングの全体厚さまたはほぼ全体厚さを通って延在する平行に向く表面は、溶融ＣＭＡＳ浸透のために実質的に直線の経路を提供し得る。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

一態様において、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）耐性コーティングは、優先的材料蓄積によって材料堆積中に形成された複数の柱状構造と、隣接する柱状構造を分離する複数の概略垂直配向するギャップとを有する外側コーティングを含む。柱状構造は、複数のランダム配向する粒子スプラット及びＣＭＡＳ反応性材料を含み、５パーセント未満の全多孔度を有する。複数の概略垂直配向するギャップは、外側コーティングの最外面から外側コーティングの全体厚さ以下の外側コーティングの第１の深さまで延在する。垂直配向するギャップは、５マイクロメートル未満のメジアンギャップ幅を有する。

【0005】

別の態様において、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）耐性コーティングを形成する方法は、液体媒体内に懸濁されたセラミック粒子を含む懸濁液フィードストックを設けることであって、セラミック粒子が、ＣＭＡＳ反応性材料を含む、設けることと、セラミック粒子を基材上に堆積させることであって、それにより、５パーセント未満の多孔度を有する複数の柱状構造を形成する、堆積させることと、コーティングの第１の厚さを通してコーティングの最外面から延在する複数の概略垂直配向するギャップを形成することと、を含み、複数の概略垂直配向するギャップは、５マイクロメートル未満のメジアンギャップ幅を有する。

【0006】

本要約は、限定としてではなく、単に例として提供される。本開示の他の態様は、明細書全体、特許請求の範囲、及び添付図面を含む、本開示の全体を考慮して理解される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】コーティングの一実施形態の略図である。

【図2】図１のコーティングを生成するためのステップの図である。

【図3】コーティングの一実施形態の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

先に特定した図は本発明の実施形態を述べるが、他の実施形態が、議論において留意されるように、同様に企図される。全ての場合に、本開示は、限定としてではなく代表として本発明を提示する。本発明の原理の範囲及び趣旨内に入る多数の他の修正及び実施形態が当業者によって考案され得ることが理解されるべきである。図は、一定の縮尺で描かれなくてもよく、本発明の適用形態及び実施形態は、図面に特に示されない特徴、ステップ、及び／または構成要素を含んでもよい。

【0009】

懸濁液プラズマ溶射が使用されて、水平配向するギャップによって実質的に連結されていない狭く概略垂直配向するギャップによって分離された高密度で不規則形状の柱状構造を有するアルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）耐性遮熱コーティング（ＴＢＣ）を堆積し、それにより、溶融ＣＭＡＳの浸入を制限することができる。本明細書で使用するとき、用語「垂直配向するギャップ」は、柱状構造を分離する連結多孔度バンド及びクラックを指す。比較的高い多孔度の垂直配向するバンドは、当技術分野で知られているように、カリフラワー型コーティング表面トポロジーによって通常示される、柱状部における優先的な材料蓄積によって堆積中に形成され得る。クラックは、熱応力によって、堆積中にまたは堆積後に形成し得、コーティングの材料マトリックスにおける破断を示し得る。クラックは、多孔度バンドに沿ってかつ孔の間に形成し得る。本明細書で使用するとき、連結多孔度の垂直配向するバンド及びクラックは共に、柱状構造の不規則形状に従う。幾つかの実施形態において、コーティングは、材料堆積中に形成される垂直配向する連結多孔度バンドと垂直配向するクラックの両方を含み得る。幾つかの実施形態において、垂直配向するクラックは、同様に、柱状構造内で形成し得る。本明細書で使用するとき、用語「概略垂直配向する」は、コーティングまたは基材の内側表面からコーティングの外側表面まで延在する方向に配向するギャップを指す。用語「概略垂直配向する」及び「垂直配向する」は、本明細書において、交換可能に使用される。堆積中に形成される垂直配向するギャップは、溶射角度に概略整列し、溶射角度は、通常、基材から４５°から９０°の間で変動し得る。溶射角度が、付着強度等のコーティングの機械的特性を最適化するために設定され得るが、複雑なコンポーネント幾何形状は、時として、基材にわたる溶射角度の変動を必要とし得る。垂直配向するギャップは、垂直配向するギャップと基材との間に形成される角度を指すアライメント角度を有し得る。アライメント角度は、基材にわたってプラズマ溶射ガンを横断させることによって引き起こされるガス流の変動による或る程度の変動を持った状態で溶射角度に実質的に一致し得る。

【0010】

柱状構造は、コーティング厚さを通して幅が変動し、コーティングの最外面の近くで幅が概略増加し、それにより、柱状部に不規則形状を与え得る。柱状構造の境界は、オフ角に影響を与え得る個々の粒子の堆積に依存して不明瞭であり、種々のスプラット形状及び配向を形成し、隣接する柱状構造の間の連結多孔度の蛇行バンド及びクラックを生成し得る。蛇行経路は、運転中に、溶融ＣＭＡＳを含む汚染物質の浸入を制限し得る。

【0011】

本明細書で使用するとき、用語「水平配向するギャップ」は、パス間多孔度バンド及びクラックを指す。パス間多孔度バンドは、堆積中に形成され、プラズマ溶射トーチの各パスによって堆積された材料層の間の境界を示し得る。材料層の数は、所望のコーティング厚さ及び堆積レートに応じて変動し得る。堆積レートは、５から５０より多い数までの層を一般に必要とするコーティングを生成するために、一般に、＜１から２５μｍ／パスの範囲にあり得る。パス間多孔度バンドは、コーティングにわたって概略水平配向で延在し得る。一部のコーティングにおいて、パス間多孔度バンドは、柱状構造にわたって波打ち得る。他のコーティングにおいて、パス間多孔度バンドは、垂直配向するギャップのすぐ隣の領域に制限され、柱状微細構造の全体の幅より小さい長さに延在し得る。パス間多孔度バンドは、垂直配向するギャップから延在し、垂直配向するギャップの領域内に増加した多孔度を有し得る。一部のコーティングにおいて、水平配向するクラックは、パス間境界に沿って形成し得る。クラックは、コーティングの材料マトリックス内の破断を一般に示し、熱応力によって、堆積中にまたは堆積後に形成し得る。パス間多孔度バンドのように、水平配向するクラックは、垂直配向するギャップから柱状微細構造の少なくとも部分的幅にわたって延在し得、垂直配向するギャップとの交差部の近くにより大きな断面積を有し得る。

【0012】

従来の懸濁液プラズマ溶射式コーティングは、大きな垂直配向する柱状部間ギャップならびに水平配向するギャップを有する多孔性柱状構造を一般に有し、多孔性柱状構造は、運転中に溶融ＣＭＡＳの浸入を可能にし得る。図１は、本発明のＴＢＣシステムを示す。図１は、それぞれ、クラック及び連結多孔度のバンドからなる複数の狭い垂直配向するギャップ１２及び１２’によって特徴付けられるＣＭＡＳ耐性ＴＢＣシステム１０の略図を提供する。

【0013】

図１は、基材１４に適用されたＣＭＡＳ耐性ＴＢＣシステム１０を示す。ＣＭＡＳ耐性ＴＢＣシステム１０は、ボンドコート１６、セラミックトップコート１８、溶融ＣＭＡＳ２０、及び沈殿剤２２を含み得る。基材１４は、ガスタービンエンジンのホットセクション用のコンポーネント（例えば、燃焼器パネル及びタービンブレード、ブレード外側空気シール、ならびに固定ベーン）の製造において一般に使用される、ニッケルまたはコバルトベース超合金、耐熱合金、またはセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）であり得る。ボンドコート１６は、高温酸化及び腐食から基材１４を保護し、セラミックトップコート１８の付着性を改善し得る。ボンドコート１６は、当技術分野で知られているように、基材１４に適用された、例えば、アルミニドまたはＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは、鉄、コバルト、またはニッケルであり得る）を含む拡散またはオーバレイボンドコートであり得る。幾つかの実施形態において、基材１４及び／またはボンドコート１６の表面は、グリットブラスティングまたはピーニング等によって粗化されて、ＴＢＣセラミックトップコート１８の付着性を改善し得る。幾つかの実施形態において、表面粗さは、垂直配向するギャップ１２及び１２’の所望の形成を誘起するために最適化され得る。

【0014】

セラミックトップコート１８は、懸濁液または溶液前駆体プラズマ溶射技法あるいはその組み合わせを使用してボンドコート１６上に堆積され得る。セラミックトップコート１８は、概略垂直配向するギャップ１２及び／または１２’によって分離された複数の柱状構造２４を含み得る。セラミックトップコート１８は、材料密度を増加させるように堆積され、５パーセント未満の全多孔度を有する柱状構造２４を提供し得る。幾つかの実施形態において、柱状構造２４の全多孔度は、４パーセント未満、他の実施形態において、２パーセント未満または３パーセント未満であり得る。本明細書で論じるように、柱状構造２４の全多孔度は、垂直配向するギャップ１２及び／または１２’の多孔度を排除する。柱状構造２４の低い多孔度は、セラミックトップコート１８の耐久性及び靱性を改善し、溶融ＣＭＡＳ等の汚染物質の浸入を低減し得る。先に論じたように、柱状構造２４は、堆積中の材料の優先的な蓄積によって形成され、ランダム配向する粒子スプラット２５を含み得、ランダム配向する粒子スプラット２５は、粒子がいろいろな角度で表面に衝突する際に、形成され得る。

【0015】

セラミックトップコート１８は、基材１４にわたるプラズマ溶射トーチの各パスによって形成される複数の材料層（図示せず）を含み得、複数の材料層は、組み合わされて、セラミックトップコート１８の全体厚さを提供し得る。幾つかの実施形態において、セラミックトップコート１８の全体厚さは５０～５００μｍであり得、各材料層は、＜１から２５μｍまでの平均厚さを有し得る。セラミックトップコート１８は、複数の微細な概略垂直配向するギャップ１２及び／または１２’を含み得る。垂直配向するギャップ１２及び１２’は、セラミックトップコート１８の応力許容度を改善し、それにより、運転中に温度サイクリングにさらされると、セラミックトップコート１８の機械的安定性を増加させ得る。隣接する垂直配向するギャップ間の間隔は、２５～５００μｍの範囲にあり得る。一般に、応力許容度は、垂直配向するギャップ間の間隔が減少するにつれて増加する。垂直配向するギャップ１２及び１２’は、セラミックトップコート１８の外側表面２６からセラミックトップコート１８の部分的または全体厚さに等しいセラミックトップコート１８内の深さまで延在し得る。クラックである垂直配向するギャップ１２は、比較的浅く、一般に全体厚さの約５０パーセントであるが、一般に全体厚さの６０パーセントを超えない深さまで延在し得る。連結多孔度バンド１２’は、継続してクラック１２の下にあって残りのコーティング厚さを通り、コーティングの全体厚さを通して応力許容度を改善し得る。垂直配向するギャップ１２及び１２’の量及びサイズは、セラミックトップコート１８の全多孔度を増加させ得る。幾つかの実施形態において、セラミックトップコート１８は、５パーセント未満の柱状構造２４の全多孔度を有する状態で、１０パーセント未満の全多孔度を有し得る。幾つかの実施形態において、セラミックトップコート１８は、７パーセント未満の全多孔度を有し得る。

【0016】

セラミックトップコート１８は、限定はしないが、溶融ＣＭＡＳ２０と反応し得る希土類ジルコン酸塩、ハフニウム酸塩、またはチタン酸塩を含むＣＭＡＳ反応性材料を含み得、ＣＭＡＳ反応性材料は、運転中にセラミックトップコート１８の最外面を形成し得る。溶融ＣＭＡＳ２０は、柱状構造２４の開口した孔、垂直配向するギャップ１２及び１２’、及び水平配向するギャップに浸入し得る。溶融ＣＭＡＳ２０は、柱状構造２４の希土類元素と反応して、沈殿物を形成し得、その沈殿物は、狭い垂直配向するギャップ１２及び１２’をシールし、それにより、セラミックトップコート１８内への溶融ＣＭＡＳ２０の更なる浸入を阻止し得る。ギャップ１２及び１２’の蛇行性は、運転中に、溶融ＣＭＡＳを含む汚染物質の浸入を制限し得る。隣接する材料マトリックス２４の間に延在する垂直配向するギャップ１２及び１２’の幅は、溶融ＣＭＡＳを含む汚染物質の浸入を低減するために最小化され得る。垂直配向するギャップ１２及び１２’は、隣接する柱状構造２４の間でギャップ１２及び１２’の長さに沿って測定されると、５μｍ未満の、幾つかの実施形態において、２μｍ未満または３μｍ未満のメジアンギャップ幅（ｗ）を有し得る。幾つかの実施形態において、垂直配向するギャップは、セラミックトップコート１８の最外面２６の近くで少なくとも２５μｍにわたって延在する５μｍ未満の全体幅を有して、柱状構造２４と溶融ＣＭＡＳ２０との間の反応レートが、垂直配向するギャップ１２及び１２’内への浸入レートより速いことを保証する。垂直配向するギャップ１２及び１２’は、増加した幅のポケットを有し得るが、こうしたポケットは、数及びサイズが制限され得る。

【0017】

本明細書で使用するとき、用語「希土類」は、ランタン系列ならびにイットリウム及びスカンジウムの元素を指す。一実施形態において、セラミックトップコート１８は、従来のＹＳＺコーティング（ＺｒＯ₂－４モル％Ｙ₂Ｏ₃）より大きなＣＭＡＳ耐性を提供し得るジルコン酸ガドリニウム（ＧＺＯ）を含み得る。溶融ＣＭＡＳ２０は、酸化ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｏ₃）と反応して、溶融ＣＭＡＳを消費し固化し得る結晶化アパタイト相を形成し得る。結晶アパタイト相沈殿物は、５μｍ未満のギャップ幅（ｗ）を有する垂直配向するギャップ１２及び１２’内で、溶融ＣＭＡＳ２０の浸入より速いレートで形成し得、それにより、垂直配向するギャップ１２及び１２’をシールし、セラミックトップコート１８内への溶融ＣＭＡＳ２０の更なる浸入を阻止し得る。溶融ＣＭＡＳ２０は、５μｍより大きいギャップ幅（ｗ）を有する懸濁液プラズマ溶射式コーティングの垂直配向するギャップ１２及び１２’に完全に侵入し得る。先に論じたように、セラミックトップコート１８の垂直配向するギャップ１２及び１２’内への溶融ＣＭＡＳ２０の浸入は、セラミックトップコート１８の応力許容度及び耐久性を減少させる。ギャップ幅（ｗ）を減少させることによって、溶融ＣＭＡＳ２０の浸入は、垂直配向するギャップ１２及び１２’の全体深さに達する前に停止され得、それが、セラミックトップコート１８に対する溶融ＣＭＡＳ２０の影響を制限し得る。一実施形態において、溶融ＣＭＡＳ２０浸入は、垂直配向するギャップ１２及び１２’に入り、セラミックトップコート１８の全体厚さの５０パーセントを超えないセラミックトップコート１８の深さまで延在する。ガドリニア（及び、他の希土類元素）の使用は、同様に、溶融ＣＭＡＳ２０の粘度を著しく増加させ得、それが、溶融ＣＭＡＳ２０の浸入を減少させ得る。セラミックトップコート１８は、１８～１００パーセントの範囲の希土類含有量（例えば、１８～１００モルパーセントＧｄ₂Ｏ₃－残部ＺｒＯ₂）を含んで、溶融ＣＭＡＳ浸入に抗するのに十分な反応性材料を提供し得る。本出願のＣＭＡＳ反応性材料は、ガドリニアまたは希土類元素に限定されない。垂直配向するギャップ１２及び１２’をシールし得る沈殿物を形成するためにＣＭＡＳと反応することが可能ないずれの材料も、本発明の範囲内にあることが当業者によって理解されるであろう。

【0018】

いくつかの実施形態では、セラミックトップコート１８は、所望により、別個のコーティング層として堆積された２つ以上の材料を含むことができる。例えば、図１の点線内に示されるように、セラミックトップコート１８は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる内側部分１８ａと、ＧＺＯからなる外側部分１８ｂとを有することができる。図１に示すようなマルチマテリアルコーティングは、機能的及び／または機械的利点を提供することができ、コストを低減することもできる。両コーティングとも、柱状構造２４を形成するような方法で堆積させることができる。垂直配向するギャップ１２及び１２’の幅を狭くすることにより、高価であるが反応性であるＧＺＯを使用することは、溶融ＣＭＡＳ２０が集まる外側表面２６に隣接するセラミックトップコート１８の最外部１８ｂに限定することができる。いくつかの実施形態では、外側部分１８ｂの厚さは５０～４９５μｍとすることができ、内側部分１８ａの厚さは５～１００μｍとすることができる。セラミックトップコート１８の機能的特性及び機械的特性を最適化するために、コーティング部分１８ａ及び１８ｂのそれぞれに異なる材料堆積パラメータを使用することができる。垂直配向するギャップ１２’は、図１に示すように、部分１８ａ及び１８ｂの両方を通って途切れることなく延在することができる。あるいは、部分１８ａ及び部分１８ｂのそれぞれは、独自の垂直配向するギャップ１２及び／または１２’を有することができ、または垂直配向するギャップ１２及び／または１２’のうち少なくともいくつかは、部分１８ｂから部分１８ａまで不連続とすることができる。いくつかの実施形態では、内側部分１８ａの柱状構造２４は、外側部分１８ｂに存在する垂直配向するクラック１２とは対照的に、垂直配向する結合した気孔１２’のバンドによって大部分が画定されることができる。いくつかの実施形態では、外側部分１８ｂ内の柱状構造２４の全多孔度は、内側部分１８ａ内の柱状構造２４の全多孔度と異なることがある。同様に、垂直配向するギャップ１２及び１２’の幅は変化することがある。いくつかの実施形態では、外側部分１８ｂ内の柱状構造２４の全多孔度は、内側部分１８ａ内の柱状構造２４の全多孔度よりも低く、垂直配向するギャップ１２及び１２’の平均の幅は、外側部分１８ｂに対してより狭くなっている。本明細書に記載されている２つの区分を有するセラミックトップコート１８では、溶融ＣＭＡＳ２０の浸潤は、垂直配向するギャップ１２及び１２’の中へ外側部分１８ｂの総厚さ以下であるセラミックトップコート１８の深度まで延在することができる。いくつかの実施形態では、溶融ＣＭＡＳ２０の浸潤は、垂直配向するギャップ１２及び１２’の中へ外側部分１８ｂの全体厚さの５０パーセント未満の深度まで延在する。

【0019】

垂直配向するギャップ１２及び１２’を接続する水平配向するギャップは、溶融ＣＭＡＳ２０のセラミックトップコート１８への浸潤を増加させ、これによってセラミックトップコート１８の破損を起こすことがある。柱状構造２４は、垂直配向するギャップ１２及び１２’を接続する水平に配向されたギャップを実質的に含まなくてもよい。本明細書で使用される場合、「実質的に含まない」とは、柱状構造２４の少なくとも９０パーセントが、垂直配向するギャップ１２及び１２’を接続する概略水平配向するギャップを含まないことを意味する。

【0020】

図２は、ＣＭＡＳ耐性ＴＢＣシステム１０及び１０’を作製するための方法１００を示している。懸濁液フィードストックは、プラズマ溶射トーチに供給され得る（ステップ１０２）。懸濁液フィードストックは、液体媒体中に懸濁したセラミック粒子で構成され得る。セラミック粒子は、ＣＭＡＳ反応性材料を含むことができる。懸濁液フィードストックは、プラズマ溶射トーチでコーティングする基材の表面に向けて溶射することができる（ステップ１０４）。セラミック粒子は基材上に堆積させることができ、柱状構造を分離する狭い垂直配向するギャップと、垂直配向するギャップを連結する水平配向するギャップを実質的に含まない高密度のパス間領域とを有するコーティングを形成することができる（ステップ１０６、１０８、及び１１０）。

【0021】

［実施例］
図３は、Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ１００ＨＥ（商標）プラズマトーチを使用してＡｌｌｏｙ７１８基材１４に生成された内部ＹＳＺ部分１８ａ及び外部ＧＺＯ部分１８ｂを有する２部分構成のセラミックトップコート１８の斜視図を提供する。ＧＺＯ部分は、９５ｋＷの総トーチ電力、及び８５ＳＬＭのアルゴン、５７ＳＬＭの水素、及び５７ＳＬＭの窒素からなる１９９ＳＬＭの総ガス流量を用いて堆積されている。プラズマトーチは、５９３ｍｍ／秒の速度及び７６．２ｍｍのスタンドオフ距離（プラズマトーチノズルと基材との間の距離）で、基材を横断してラスター化される。フィードストック材料は、エタノールに懸濁した１．０μｍのメジアン粒径（ｄ₅₀）を有する２５重量％のＧＺＯ粉末（３３モル％のＧｄ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂の残部）である。懸濁液の供給速度は、９０ｍｌ／分の組み合わせた供給速度のために、２つの直径２３０μｍのインジェクタのそれぞれを介した４５ｍｌ／分に維持される。

【0022】

走査型電子顕微鏡で評価した、得られたセラミックコーティングは、２μｍ未満のメジアンギャップ幅（ｗ）及び約１００μｍの平均間隔を有する複数の概略垂直配向するギャップ１２及び１２’を有するＧＺＯ部分１８ｂを含む。ＹＳＺ層１８ａはまた、垂直配向するギャップ１２’（符号なし）を有する。セラミックトップコート１８は、水平配向するギャップを実質的に含まない。ＧＺＯ部分１８ｂの全多孔度は３．０パーセントである。柱状構造２４（ＹＳＺ層１８ａを除く）の全多孔度は２．７パーセントである。多孔度は、走査型電子顕微鏡の２５０倍の倍率でのコントラストによって決定される。マトリックス多孔度は、２μｍ²未満の個々の気孔面積を有する全ての気孔の合計によって、ギャップ気孔率と区別される。気孔率分析は、ＹＳＺ部分１８ａ及びＧＺＯ部分１８ｂの厚さの上部２５パーセントを除外する。懸濁液プラズマ溶射と一致して、柱状構造２４の微細構造は、ランダムに配向された粒子スプラットと、衝突の前に少なくとも部分的に溶融して凝固した粒子とによって画定され、その両方が顕微鏡写真で視認できる。

【0023】

わずかに調整したスプレーパラメータで同様の微細構造を作製することもできる。一実施形態では、プラズマトーチの総電力は１０５ｋＷに増加させることができ、総ガス流量は１４２ＳＬＭのアルゴン、５０ＳＬＭの水素、及び７６ＳＬＭの窒素からなる２６８ＳＬＭに増加させることができる。全ての実施形態において、材料供給速度は９０ｍｌ／分に維持することができ、インジェクタの直径及びインジェクタの数は（一般的には１～３の間で）変化させることができる。メジアン粒径（ｄ₅₀）は、０．８～１．８μｍの間で変化させることができる。列挙した範囲内の粒子径は、メジアン径（ｄ₅₀）が０．５μｍ以下の粒子と比較して、プラズマ流の液滴サイズを増加させることが見出されている。５μｍ未満である垂直配向する狭いギャップを有する高密度の垂直に亀裂の入ったコーティング（図１）は、粒子の１．８～２．６μｍの範囲の増加したメジアン粒子直径（ｄ₅₀）を有する上記実施例に開示されたスプレーパラメータを用いて形成することができる。

【0024】

ＣＭＡＳ反応性セラミックトップコート、及び幅が５μｍ未満である狭い垂直配向するギャップによって分離された柱状構造を有し、垂直配向するギャップを接続する水平に配向したギャップを実質的に有さない高密度ＣＭＡＳ耐性ＴＢＣシステムを生成するために、懸濁液プラズマスプレーが使用されることができる。狭い垂直配向するギャップと、ＣＭＡＳ反応性材料マトリックスと、垂直配向するギャップを接続する水平配向するギャップの欠如とは、作動中に溶融ＣＭＡＳのセラミックトップコートへの浸潤を制限し、かつ／または防止することができる。

【0025】

要約
「実質的に」、「本質的に」、「一般に」、「おおよそ」などの本明細書で使用される相対用語または程度の用語は、本明細書に明示的に適用される定義または限界に従って解釈されるべきである。すべての例において、本明細書で使用される相対用語または程度の用語は、関連する開示された実施形態、及び本開示の全体を考慮して当業者によって理解される範囲または変形を広く包含するものと解釈されるべきであり、例えば、通常の製造許容値変動、偶発的な位置決め変化、温度、回転または振動の動作条件などによって誘発される一時的な位置決め変化または形状変化を包含する。さらに、本明細書で使用されるあらゆる相対用語または程度の用語は、適格な相対用語または程度の用語が所与の開示や詳細説明で利用されなかったかのように、指定された品質、特性、パラメータまたは値を明示的に含む範囲を包含するものと解釈されるべきである。

【0026】

可能性のある実施形態の考察
以下は、本発明の可能性のある実施形態の包括的な説明である。

【0027】

アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）耐性コーティングは、優先的な材料蓄積のために材料堆積中に形成された複数の柱状構造と、隣接する柱状構造を分離する複数の概略垂直配向するギャップとを有する外側コーティングを含む。柱状構造は、複数のランダムに配向された粒子スプラット及びＣＭＡＳ反応性材料を含み、５パーセント未満の全多孔度を有する。複数の概略垂直配向するギャップは、外側コーティングの最外面から外側コーティングの全体厚さ以下の外側コーティングの第１の深さまで延在している。垂直配向するギャップは、５マイクロメートル未満のメジアンギャップ幅を有する。

【0028】

前項のＣＭＡＳ耐性コーティングは、所望により、以下の特徴、構成及び／または追加構成要素のうちの任意の１つまたは複数を追加的及び／または代替的に含むことができる。

【0029】

複数の垂直配向するギャップのメジアンギャップ幅が３マイクロメートル未満である、前項のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0030】

ＣＭＡＳ反応性材料が、１８～１００モルパーセントの範囲の希土類元素含有量を含む、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0031】

ＣＭＡＳ反応性材料がガドリニアを含む、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0032】

柱状構造が３パーセント未満の全多孔度を有する、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0033】

外側コーティングが１０パーセント未満の全多孔度を有する、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0034】

外側コーティングが５パーセント未満の全多孔度を有する、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0035】

各複数の垂直配向するギャップの間の平均距離が、２５～５００マイクロメートルの範囲である、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0036】

複数の垂直配向するギャップが、隣接する柱状構造を分離する連結多孔度のバンドである、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0037】

複数の垂直配向するギャップがクラックである、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0038】

クラックがコーティングの最外面から外側コーティングの厚さの６０パーセント未満の深さまで延在する、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0039】

複数の垂直配向するギャップの最も外側の部分は、ＣＭＡＳ及びＣＭＡＳ反応性材料の結晶化生成物が充填され、また、複数の垂直配向するギャップは、外側コーティングの最外面から外側コーティングの第２の深さまで充填され、第２の深さが第１の深さ未満である、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0040】

第２の深さが外側コーティングの全体厚さの半分未満である、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0041】

外側コーティングの少なくとも９０パーセントが、隣接する垂直配向するギャップを連結する概略水平配向するギャップを含まない、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0042】

複数の柱状構造と、外側コーティングの材料とは異なる化学組成を有する材料とを有する内側コーティングをさらに含む、前項のいずれかに記載のＣＭＡＳ耐性コーティングシステム。

【0043】

アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）耐性コーティングを形成する方法が、液体媒体中に懸濁されたＣＭＡＳ反応性材料からなるセラミック粒子を含む懸濁液フィードストックを提供することと、５パーセント未満の多孔度を有する複数の柱状構造を形成するためにセラミック粒子を基材上に堆積することと、５マイクロメートル未満のメジアンギャップ幅を有し、コーティングの最外面からコーティングの第１の厚さを通じて延在する、複数の概略垂直配向するギャップを形成することとを含む。

【0044】

前項の方法は、所望により、以下の特徴、構成及び／または追加の構成要素のうちの任意の１つまたは複数を追加的及び／または代替的に含むことができる。

【0045】

ＣＭＡＳ反応性材料が希土類元素を含む、前項に記載の方法。

【0046】

ＣＭＡＳ反応性材料がガドリニアを含む、前項のいずれかに記載の方法。

【0047】

懸濁液フィードストックを溶射することが、層ごとの方法でコーティングの全体厚さを増加させるために基材を横切る複数の溶射パスを形成することと、コーティングの容積の少なくとも９０パーセントが、コーティング内で隣接する垂直配向するギャップを接続する概略水平配向するギャップを含まないように、コーティングの高密度のパス間領域を形成することとを含む、前項のいずれかに記載の方法。

【0048】

溶融ＣＭＡＳの浸入から垂直配向するギャップの一部をシールすることであって、シールすることが、複数の垂直配向するギャップの一部にＣＭＡＳ及びＣＭＡＳ反応性材料の結晶化生成物を充填することを含む、前項のいずれかに記載の方法。充填された部分は、コーティングの最外面から延在している。

【0049】

例示的実施形態（複数可）を参照して本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われることができ、その等価物がそれらの要素と置き換えられ得ることは当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況や材料を本発明の教示に適合させるために多くの変更が行われ得る。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態（複数可）に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に当てはまるすべての実施形態を含むことを意図している。

【図1】

【図2】

【図3】