特表2022-524210リソグラフィによる遮熱コーティングの完全性の保護および向上
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-04-28
(54)【発明の名称】リソグラフィによる遮熱コーティングの完全性の保護および向上
(51)【国際特許分類】
C23C 4/11 20160101AFI20220421BHJP
F01D 5/28 20060101ALI20220421BHJP
F23R 3/42 20060101ALI20220421BHJP
F02C 7/00 20060101ALI20220421BHJP
F01D 9/02 20060101ALI20220421BHJP
【ＦＩ】
C23C4/11
F01D5/28
F23R3/42 C
F02C7/00 C
F02C7/00 D
F01D9/02 102
F23R3/42 D
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2021557097
(86)(22)【出願日】2020-03-30
(85)【翻訳文提出日】2021-11-18
(86)【国際出願番号】 US2020025713
(87)【国際公開番号】W WO2020205733
(87)【国際公開日】2020-10-08
(31)【優先権主張番号】16/373,714
(32)【優先日】2019-04-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(72)【発明者】
【氏名】シュワブ、レイシー リン
(72)【発明者】
【氏名】モーレイ、キャスリーン ブランシュ
【テーマコード（参考）】
3G202
4K031
【Ｆターム（参考）】
3G202EA02
3G202EA05
3G202EA07
3G202EA08
3G202GA10
3G202GB03
4K031AA02
4K031AB05
4K031AB08
4K031CB42
4K031DA01
4K031DA04
(57)【要約】
コンポーネントの表面上のコーティングを保護するための方法が提供される。本方法は、コンポーネントの少なくとも一部分をセラミックスラリーでコーティングするコーティングステップを含む。投影ステップが、リソグラフィックプロセスによってコンポーネントへと光のパターンを投影して、セラミック層を露光および凝固させる。除去ステップが、セラミックスラリーの未露光部分をコンポーネントから除去する。セラミック層は、複数の応力上昇要素または複数のアンカー要素を含む。
【選択図】図２
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
コンポーネント（５００）の表面上のコーティング（２４０）を保護するための方法（１００）であって、前記コンポーネント（５００）の少なくとも一部分をセラミックスラリーでコーティングするステップ（１１０）と、
リソグラフィックプロセスによって前記コンポーネント（５００）へと光のパターンを投影し、セラミック層（２６０）を露光して凝固させるステップ（１３０）と、
前記セラミックスラリーの未露光部分を前記コンポーネント（５００）から除去するステップ（１４０）と
を含んでおり、
前記セラミック層（２６０）は、複数の応力上昇要素（５５０）または複数のアンカー要素を備えている、方法（１００）。
【請求項2】
前記コーティングするステップ（１１０）は、前記セラミックスラリーで結合コーティング（２３０）をコーティングすることをさらに含む、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項3】
前記結合コーティング（２３０）および前記セラミック層（２６０）上に遮熱コーティング（２４０）を適用するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法（１００）。
【請求項4】
前記コンポーネント（５００）を加熱して前記セラミック層（２６０）および前記遮熱コーティング（２４０）の少なくとも一方を焼結するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法（１００）。
【請求項5】
前記複数の応力上昇要素（５５０）または複数のアンカー要素は、長方形（５５０）、台形（５５１）、または蟻ほぞ（５５２）の形状を有している、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項6】
所望の数のセラミック層（２６０）が得られるまで、前記コーティングするステップ（１１０）、前記投影するステップ（１３０）、および前記除去するステップ（１４０）を繰り返すステップ（１５０）をさらに含む、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項7】
前記コンポーネント（５００）は、ガスタービンにおいて使用されるように構成されたブレード、ノズル、燃焼器、つなぎピース、またはシュラウドである、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項8】
前記リソグラフィックプロセスは、フォトリソグラフィ、光リソグラフィ、または紫外線リソグラフィ
のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項9】
前記リソグラフィックプロセスは、マスクによるプロセスまたはマスクレスプロセスである、請求項８に記載の方法（１００）。
【請求項10】
前記セラミックスラリーは、ジルコニア、アルミナ、シリカ、炭化物、チッ化物、ケイ酸塩、またはこれらの組み合わせ
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項11】
複数の層で形成され、前記複数の層のうちの１つは結合コーティング（２３０）であるコンポーネント（５００）について、前記コンポーネント（５００）の表面上のコーティング（２４０）を保護するための方法（１００）であって、前記結合コーティング（２３０）をセラミックスラリーでコーティングするステップ（１１０）と、
リソグラフィックプロセスによって前記コンポーネント（５００）へと光のパターンを投影し、セラミック層（２６０）を露光して凝固させるステップ（１３０）と、
前記セラミックスラリーの未露光部分を前記コンポーネント（５００）から除去するステップ（１４０）と
を含んでおり、
前記セラミック層（２６０）は、複数の応力上昇要素（５５０）または複数のアンカー要素を備えている、方法（１００）。
【請求項12】
前記結合コーティング（２３０）および前記セラミック層（２６０）上に遮熱コーティング（２４０）を適用するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法（１００）。
【請求項13】
前記コンポーネント（５００）を加熱して前記セラミック層（２６０）および前記遮熱コーティング（２４０）の少なくとも一方を焼結するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法（１００）。
【請求項14】
前記複数の応力上昇要素（５５０）または複数のアンカー要素は、長方形（５５０）、台形（５５１）、または蟻ほぞ（５５２）の形状を有している、請求項１３に記載の方法（１００）。
【請求項15】
所望の数のセラミック層（２６０）が得られるまで、前記コーティングするステップ（１１０）、前記投影するステップ（１３０）、および前記除去するステップ（１４０）を繰り返すステップ（１５０）をさらに含む、請求項１１に記載の方法（１００）。
【請求項16】
前記コンポーネント（５００）は、ガスタービンにおいて使用されるように構成されたブレード、ノズル、燃焼器、つなぎピース、またはシュラウドである、請求項１１に記載の方法（１００）。
【請求項17】
前記コンポーネント（５００）は、ガスタービンにおいて使用されるように構成されたシュラウドである、請求項１１に記載の方法（１００）。
【請求項18】
前記リソグラフィックプロセスは、フォトリソグラフィ、光リソグラフィ、または紫外線リソグラフィ
のうちの少なくとも１つである、請求項１１に記載の方法（１００）。
【請求項19】
前記リソグラフィックプロセスは、マスクによるプロセスまたはマスクレスプロセスである、請求項１８に記載の方法（１００）。
【請求項20】
前記セラミックスラリーは、ジルコニア、アルミナ、シリカ、炭化物、チッ化物、ケイ酸塩、またはこれらの組み合わせ
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の方法（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、遮熱コーティングに関し、より詳細には、遮熱コーティング上のリソグラフィによって適用された層、パターン、応力要素、または犠牲層に関する。
【0002】
ガスタービンエンジンの高温部分のコンポーネントは、多くの場合、下方に位置するコンポーネント基材の温度を下げ、したがってコンポーネントの寿命を長くする遮熱コーティング（ＴＢＣ）によって保護される。セラミック材料、とくにはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が、その高温性能、低い熱伝導率、ならびにプラズマ溶射、フレーム溶射、および物理蒸着（ＰＶＤ）技術による成膜が比較的容易であることにより、ＴＢＣ材料として広く使用されている。空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）などのプラズマ溶射プロセスは、或る程度の不均一性および多孔性を特徴とする非柱状のコーティングをもたらし、比較的低い設備コストおよび適用の容易さという利点を有する。ガスタービンエンジンの最高温度の領域に使用されるＴＢＣは、歪みに耐える柱状の粒子構造をもたらすＰＶＤ、とりわけ電子ビームＰＶＤ（ＥＢＰＶＤ）によって成膜される。
【0003】
ＴＢＣは、効果的であるために、コンポーネントに強力に付着し、多数回の加熱および冷却サイクルを通して付着したままでなければならない。後者の要件は、セラミック材料と、典型的には超合金であるが、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料も使用される保護対象の基材との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の違いに起因して、きわめて厳しい。耐酸化性の結合コートが、接着を促進し、ＴＢＣの耐用年数を延ばし、下方に位置する基材を酸化および高温腐食の攻撃による損傷から保護するために使用されることが多い。超合金基材について使用される結合コートは、典型的には、ＭＣｒＡｌＸ（式中、Ｍは鉄、コバルト、および／またはニッケルであり、Ｘはイットリウムまたは別の希土類元素である）などの上塗りコーティング、または拡散アルミナイドコーティングの形態である。セラミックＴＢＣの成膜、および後のエンジン動作時などの高温への曝露の際に、これらの結合コートは、ＴＢＣを結合コートに付着させる強い付着の薄いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層またはスケールを形成する。
【0004】
ＴＢＣ系の耐用年数は、典型的には、結合コートの酸化、大きな界面応力、および結果として生じる熱疲労によって駆動される破砕事象、または異物による損傷（ＦＯＤ）によって制限される。ＦＯＤは、典型的には、タービンの動作の最中に発生し、異物によって引き起こされるＴＢＣの衝撃が、遮熱コーティングを損傷させる可能性があり、損傷させることが多い。ＴＢＣの摩耗または脱落につれて、ＴＢＣを組み込んだタービンコンポーネントの性能および寿命が低下する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】国際公開第２０１１／０８５３７６号パンフレット
【発明の概要】
【0006】
一態様によれば、コンポーネントの表面上のコーティングを保護するための方法が提供される。本方法は、コンポーネントの少なくとも一部分をセラミックスラリーでコーティングするコーティングステップを含む。投影ステップが、リソグラフィックプロセスによってコンポーネントへと光のパターンを投影して、セラミック層を露光および凝固させる。除去ステップが、セラミックスラリーの未露光部分をコンポーネントから除去する。セラミック層は、複数の応力上昇要素または複数のアンカー要素を含む。
【0007】
別の態様によれば、コンポーネントの表面上のコーティングを保護するための方法が提供される。コンポーネントは、複数の層で形成され、層のうちの１つは結合コーティングである。コーティングステップが、結合コーティングをセラミックスラリーでコーティングする。投影ステップが、リソグラフィックプロセスによってコンポーネントへと光のパターンを投影して、セラミック層を露光および凝固させる。除去ステップが、セラミックスラリーの未露光部分をコンポーネントから除去する。セラミック層は、複数の応力上昇要素または複数のアンカー要素を含む。
【0008】
本発明の上記の目的、特徴、および利点、ならびに他の目的、特徴、および利点が、以下の説明を添付の図面と併せて検討することで、明らかになるであろう。添付の図面において、同様の参照番号は同じ要素を指している。
【0009】
ここで図面を参照すると、いくつかの図において、同様の要素には同様の番号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本開示の一態様によるコンポーネントの表面の遮熱コーティングを強化または保護するための方法を示している。
【図2】本開示の一態様によるコンポーネントの一部分の概略の断面図を示している。
【図3】本開示の一態様による犠牲層の一部分の拡大断面図を示している。
【図4】本開示の一態様による複数の隆起部を有する摩耗用または犠牲コーティングのためのパターンの上面図を示している。
【図5】本開示の一態様によるコンポーネントの一部分の概略の断面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下で、本発明の１つ以上の具体的な態様／実施形態を説明する。これらの態様／実施形態の簡潔な説明を提供しようとする努力において、必ずしも実際の実施例のすべての特徴は、本明細書において説明されないかもしれない。そのようなあらゆる実際の実施例の開発においては、あらゆる工学または設計プロジェクトと同様に、実施例ごとにさまざまでありうる機械関連、システム関連、および事業関連の制約の順守などの開発者の具体的な目標を達成するために、実施例ごとに特有の多数の決定を行わなければならないことを、理解すべきである。さらに、そのような開発の努力が、複雑かつ時間を必要とするものであり得るが、それでもなお本開示の恩恵を被る当業者にとって設計、製作、および製造の日常的な取り組みにすぎないと考えられることを、理解すべきである。
【0012】
本発明の種々の実施形態の構成要素を紹介するとき、冠詞「１つの（ａ、ａｎ）」および「この（ｔｈｅ）」は、その構成要素が１つ以上存在することを意味するように意図される。「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包含的であって、列挙された要素以外のさらなる要素も存在しうるという意味であることを意図している。特性のいかなる例も、開示された実施形態の他の特性を排除するものではない。さらに、本発明の「一実施形態」、「一態様」、または「実施形態」、あるいは「態様」への言及が、そこで述べられている特徴をやはり備えるさらなる実施形態または態様の存在を排除するものとして解釈されるようには意図されていないことを、理解すべきである。ターボ機械は、これらに限られるわけではないが航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービン、および圧縮機など、ロータと流体との間でエネルギーを伝達し、あるいはその反対にエネルギーを伝達する機械として定義される。
【0013】
本明細書に開示される態様によれば、異物による損傷（ＦＯＤ）および腐食に起因する他の損傷に対する保護のための犠牲コーティングを含む改善された遮熱コーティングを提供する方法が開示される。さらに、コンポーネントを、パターン加工による表面を備えて製造することができ、これらの表面を機械加工しなければならないことによって生じる損傷を低減または排除することができる。さらに、遮熱コーティングの性能も、より高い温度での性能が向上したセラミック製の応力上昇要素またはアンカー構造の使用によって改善することができる。
【0014】
図１が、本開示の一態様によるコンポーネントの表面の遮熱コーティングを強化または保護するための方法１００を示している。コンポーネントは、機械部品、ターボ機械部品であってよい。あくまでもこれらに限られるわけではない例として、コンポーネントは、タービンブレード（または、バケット）、ノズル、燃焼器、つなぎピース、またはタービンシュラウドであってよく、これらのコンポーネントはいずれも、ガスタービンにおいて使用されるように構成されてよい。ステップ１１０において、コンポーネントは、セラミックスラリーでコーティングされる。例えば、コンポーネントの全部または一部をセラミックスラリーに浸すことができ、あるいはセラミックスラリーをコンポーネントに噴き付けても、ブラッシングしてもよい。ドクターブレード法を使用してコンポーネントの全部または一部をセラミックスラリーでコーティングすることも可能である。セラミックスラリーは、光反応性ポリマーを含む。セラミックスラリーは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、チッ化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、シリカ（ＳｉＯ２）、１つ以上のケイ酸塩、またはジルコニア、およびこれらの組み合わせで構成されてよい。セラミックスラリーは、結合剤、可塑剤、および分散剤のうちの１つ以上と混合されてよい。セラミックスラリーは、コンポーネントの表面をコーティングする。
【0015】
随意によるステップ１２０において、コンポーネントは、セラミックスラリーから取り去られる。ここで、コンポーネントのうちのセラミックスラリーと接触した部分が、セラミックスラリーでコーティングされる。ここで、コンポーネントは、リソグラフィック装置へと運ばれる。「リソグラフィ」または「リソグラフィック」という用語は、フォトリソグラフィ、光リソグラフィ、および／または紫外線リソグラフィを含むように定義され、一般に、光を使用してマスクから基材またはベース材料上の感光性レジストまたはスラリーに幾何学的パターンを転写するプロセスを指す。あるいは、コンポーネントにロボットシステムによってセラミックスラリーを噴き付けることができ、このロボットシステムは、後に所望の光パターンでコンポーネントの露光を行うためのミラーおよび光学系を備えることができる。ステップ１３０において、リソグラフィ装置は、マスクまたは制御された光源を介してコンポーネントへと光のパターンを投影する。得られた光のパターンは、コンポーネントの表面上のセラミックスラリーの一部を露光し、これらの領域のスラリーをセラミック層へと凝固させる。セラミックスラリーのうちの露光されていない部分は、液状または粘性の状態のままである。リソグラフィプロセスは、光の投影パターンを得るためにマスクを使用することができ、あるいはマスクが使用されず、光源がおそらくは１つ以上のミラーを介してコンポーネント上に所望のパターンを生成するマスクレスプロセスであってよい。
【0016】
ステップ１４０において、セラミックスラリーまたはセラミック層のうちの露光されていない部分が、任意の適切な手段（例えば、流体での洗浄または灌注）によって除去される。除去後に、セラミック層のうちの露光されて凝固した部分だけが、コンポーネントの表面に残る。ステップ１５０において、ステップ１１０、１２０、１３０、１４０、および／または１５０を繰り返すか否かが決定される。さらなるセラミック層が所望される場合、これらのステップ（または、その一部）を繰り返すことができる。あるいは、所望の数のセラミック層が得られた場合、この方法はステップ１６０に進むことができる。
【0017】
所望の数のステップ１１０～１５０が完了した後に、生のセラミック層または未硬化のセラミック層が得られる。得られた「生の」セラミック層を硬化させて固めるために、コンポーネントは、ステップ１６０において、コンポーネントを焼結させるために加熱される。コンポーネントは、結合剤を除去するように加熱され、セラミック層について所望の密度を得るために、所定の時間にわたって所望の高い温度に保持される。加熱プロセスの後に、完成したセラミック層は、使用できる状態である。
【0018】
図２が、本開示の一態様によるコンポーネント２００の一部分の概略の断面図を示している。図３が、本開示の一態様による犠牲層２６０の上面図を示している。コンポーネント２００は、規定のマクロ構造およびミクロ構造を有する複数の層で構成される。ベース層／材料または基材層２１０を、ニッケル、コバルト、鉄、またはこれらの組み合わせを含む超合金材料で形成することができる。タービンブレード、ベーン、シュラウド、および他のコンポーネントなどの多くのガスタービン用途において、ベース層２１０は、一方向凝固または単結晶のニッケル基超合金である。金属間層または中間層２２０を、ベース層または基材２１０上に堆積させることができる。
【0019】
経験から、セラミック絶縁層またはＴＢＣを、（特定の用途において）金属の基材２１０上に直接堆積させるべきではないことが示されており、その理由は、部分的には、これら２つの異なる材料間の接着が充分に大きくないためであり、部分的には、セラミックと金属との熱膨張の差によって熱サイクルの最中にセラミックに亀裂および欠けが生じるためである。すなわち、タービンがオンにされ、さまざまな出力レベルで運転され、オフにされるにつれて、コンポーネント２００が加熱および冷却されると、熱膨張係数の差により、脆いセラミックに亀裂が発生する。亀裂が特定の領域を通って伝播し、最終的にセラミックの破片が影響を受けた領域の基材から分離し、このプロセスは当技術分野において剥離として知られている。次いで、これらの領域内の露出した金属基材が、高温ガスによって急速に劣化する。ブレードの一領域で剥離が発生すると、故障までの寿命がきわめて短くなる可能性がある。
【0020】
良好な接着を保証し、剥離の不具合を回避するために、遮熱コーティング系は、ＴＢＣと基材２１０との間に結合コーティング２３０および中間層２２０を含む。１つの好ましい中間層は、化合物ＮｉＡｌまたはＮｉ２Ａｌ３などの金属間ニッケルアルミナイド、またはＮｉＡｌ－Ｃｒなどの修飾金属間化合物である。中間層２２０は、例えばパックセメンテーションまたは物理蒸着などの任意の許容可能な堆積技術によって基材２１０上に堆積させられる。中間層２２０は、堆積時に約０．００１インチ～約０．００５インチの厚さであってよく、あるいは個々の用途において必要とされるとおりの任意の他の厚さであってよい。
【0021】
結合コーティング２３０を、中間層２２０上に堆積させることができる。適切な結合コートまたはコーティング２３０として、これらに限られるわけではないが、ニッケルおよび白金アルミナイドなどの従来からの拡散コーティング、ＭＣｒＡｌＹコーティング、などが挙げられる。アルミニウムに富む結合コートは、結合コート２３０の酸化によって成長する酸化アルミニウム（アルミナ）スケールを発生させることが知られている。アルミナスケールは、ＴＢＣを結合コート２３０および基材２１０に化学的に結合させる。結合コーティング２３０の厚さは、当業者であれば理解できるように、意図される用途に合わせた任意の適切な厚さであってよく、結合コーティング２３０は、具体的な用途に応じて省略されてもよい。
【0022】
遮熱コーティング（ＴＢＣ）２４０は、１つ以上の結合コート層２３０を覆って堆積させられる。遮熱コーティング２４０は、任意の適切なセラミック材料を単独で、または他の材料と組み合わせて含むことができる。例えば、遮熱コーティング２４０は、完全または部分的に安定化されたイットリア安定化ジルコニアなど、ならびに当技術分野で知られている他の低伝導性の酸化物コーティング材料を含むことができる。他の適切なセラミックの例として、これに限られるわけではないが、非安定化ジルコニア、あるいはカルシア、マグネシア、セリア、スカンジア、イットリア、希土類酸化物、または他の酸化物のうちの１つ以上によって部分的または完全に安定化されたジルコニアなどの他の既知のセラミック遮熱コーティングの中でもとりわけ、約７～８重量％のイットリアで安定化された約９２～９３重量％のジルコニアが挙げられる。遮熱コーティング２４０は、ハフニア、ジルコニア、あるいはイットリア、スカンジア、マグネシア、カルシア、セリア、およびランタニド系列の酸化物のうちの１つ以上によって安定化されたハフニアとジルコニアとの混合物を含んでもよい。
【0023】
遮熱コーティング２４０を、任意の適切な方法によって適用することができる。堆積のための１つの適切な方法は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ－ＰＶＤ）によるが、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）などのプラズマ溶射堆積プロセスも、燃焼器の用途に使用することができる。適切なＥＢ－ＰＶＤによって適用されたセラミック遮熱コーティング２４０の密度は、他の適切な密度の中でもとりわけ約４．７ｇ／ｃｍ３であってよい。遮熱コーティング２４０を、任意の所望の厚さおよびミクロ構造まで適用することができる。例えば、コーティング２４０は、約７５マイクロメートル～約３，０００マイクロメートルの間の厚さを有することができる。厚さは、例えば最適な冷却のレベルおよび熱応力のバランスをもたらすために、所与の部品の場所ごとに変化してもよい。ＴＢＣ２４０の上部は、層２４０と同一または同様の材料で形成された粗面化層または多孔質層２５０をさらに含んでもよい。層２５０の粗面化および／または多孔質の性質は、犠牲層２６０の形態のセラミック層の結合を容易にする。
【0024】
犠牲層（または、セラミック層）２６０は、層２４０および２５０と同一または同様の材料で構成されてよく、あるいは犠牲層は、希土類ケイ酸塩から構成されてよい。適切な希土類ケイ酸塩として、これらに限られるわけではないが、ランタン、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、スカンジウム、イットリウム、およびこれらの混合物のケイ酸塩が挙げられる。希土類ケイ酸塩は、一ケイ酸塩Ｍ２ＳｉＯ５、二ケイ酸塩Ｍ２Ｓｉ２Ｏ７、またはこれらの組み合わせの形態であってよい。さらに、一ケイ酸塩、二ケイ酸塩、または組み合わせを、希土類酸化物Ｍ２Ｏ３と組み合わせて堆積させてもよい。あるいは、犠牲層２６０を、リソグラフィック法によって堆積させられる結果として緻密なミクロ構造を有することができるアルミナで構成してもよい。犠牲層２６０の機能は、下方に位置する遮熱コーティング層２４０、２６０の異物による損傷を制限、低減、または排除することである。犠牲層２６０の適切な厚さは、約０．１～約２００マイクロメートルの間であってよい。犠牲層２６０は、図１に関連して説明したセラミックスラリーおよびセラミック層、ならびに前述の方法によって形成される。
【0025】
犠牲層２６０は、異物による損傷または衝撃を受けたときに層２６０がどのように破損するかについて特定の制御を可能にする微視的および巨視的な弱点および破断面を有する。破断面は、化学的性質、ミクロ構造、構成、などによって衝撃力を吸収し、下方に位置するＴＢＣ層２４０、２５０への正味の衝撃および応力を低減することによって、異物による損傷を抑えるように設計される。例えば、犠牲層２６０は、その表面によって定められる複数の平行であり、さらには／あるいは交差する破断面を有することができる。
【0026】
図３が、犠牲層（または、セラミック層）２６０の一部分の拡大断面図を示している。犠牲層は、下方に位置する遮熱コーティング層２４０および／または２５０の異物による損傷を低減する複数の要素で構成される。犠牲層２６０は、複数の巨視的な支持部材３１０を含む。巨視的な支持部材３１０を、列３１１に配置することができ、各々の巨視的な支持部材を、（図３の図に関して）垂直方向および／または水平方向に隣接する巨視的な支持部材に連結させることができる。巨視的な支持部材３１０は、おおむね立方体、長方形、ダイヤモンド、または多角形の形状を有することができる。巨視的な支持部材は、その外面に破断面を定める。例えば、巨視的な支持部材３１０によって定められる破断面は、下方に位置する基材層の表面に対して＋４５度および－４５度である。４５度よりも大きい角度または小さい角度を使用してもよいことを、理解すべきである。
【0027】
列３１１の間の介在領域に、セラミック材料の複数の平行なシート３２０が配置され、シート３２０は、介在する支持要素３３０によって支持される。シート３２０は、互いに平行、かつ下方に位置する基材層の表面に平行な複数の破断面を定める。例えば、シート３２０によって定められる破断面は、下方に位置する基材層に対して０度または１８０度だけ傾けられると考えられる。支持要素３３０も、セラミック材料で形成され、おおむね三角形または角錐形の形状であってよい。平行なシート３２０に衝突する異物は、衝突の衝撃力を吸収し、衝撃が充分に強い場合には剥がれ落ちることができる。シート３２０への衝撃に関して、衝撃力は、巨視的な支持部材３１０に向かって水平方向に向けられ、この時点で、衝撃力は、＋／－４５度の角度に向けられる。支持要素３３０は、セラミック層２６０およびシート３２０に強度を付加し、支持要素３３０の間隔または位置周波数を、セラミック層２６０内の位置または深さに基づいて変えることができる。あくまでも一例として、セラミック層２６０の上部層は、セラミック層２６０の下部層よりも支持要素３３０の密度が低くてよく、あるいはその逆であってもよい。さらに、複数の破断面は、基材２１０の上面に対して約１０～８０度、１０～７０度、１０～６０度、１０～５０度、１０～４０度、１０～３０度、２０～８９度、２０～８０度、３０～８０度、４０～８０度、５０～８０度、３０～７０度、または４０～６０度の間の角度を形成することができる。傾斜した破断面は、入射する異物（点線のＦＯＤ線によって示される）の力をより横方向に向け直し、したがって、力は、下方に位置するＴＢＣ層に到達する前に犠牲層２６０をより多く通過する。さらに、犠牲層２６０の一部分を破砕するために必要な力が、ＴＢＣ層に到達するＦＯＤの衝撃の正味の力を減少させる。
【0028】
リソグラフィックプロセスは、犠牲層の高度に制御された堆積を可能にし、したがって、きわめて複雑な多数の破断面を含み、力を吸収する形状構成を、犠牲／セラミック層２６０について生成することができる。犠牲層２６０の各々の破断面および各々のレベルが、全体としての衝撃力の一部を吸収することによって、下方に位置するＴＢＣ層２４０、２５０を保護する。
【0029】
図４が、複数の隆起部４１０を定めている摩耗性または犠牲コーティングのためのパターン４０５の代替の例示的な実施形態の図を示している。隆起部４１０を形成する層は、図１に関連して説明したセラミックスラリーおよびセラミック層、ならびに前述の方法によって形成される。パターン４０５は、湾曲部分４２０および直線部分４３０を含む。湾曲部分４２０を、タービンブレード先端がパターンと摩耗可能に連絡している場合、パターンのうちのタービンブレード先端の前部に対応する部分に配置することができる。直線部分４３０は、タービンブレード先端がパターン４０５と摩耗可能に連絡している場合、隆起部４１０のうちのタービンブレード先端の後部に対応する部分に配置される。直線部分４３０は、隆起部４１０の第１の端部に位置する。複数の隆起部４１０が、各々の隆起部４１０が直線部分４３０において他の隆起部４１０と互いに実質的に平行であるように、ＴＢＣ層２４０、２５０上に配置される。隆起部のパターンは、ブレード外面に局所的に位置してもよい。さらに、各々の隆起部４１０は、湾曲部分４２０および直線部分４３０の両方において隣り合う隆起部４１０の間の距離が等しくなるように配置される。各々の隆起部４１０の間の距離４４０は、約１マイクロメートル～約１４ｍｍの間の範囲であってよく、各々の隆起部４１０の間の好ましい距離４４０は、約５０マイクロメートル～約７ｍｍの範囲である。隆起部４１０の一部分は、基準線４５１に対して角度４５０が形成されるように直線部分４３０に配置される。角度４５０は、約２０度～約７０度の範囲である。湾曲部分４２０は、湾曲部分４２０を通る平均反り線形状に実質的に一致するように構成された半径を含む。リソグラフィ印刷の隆起部４１０の利点は、機械加工が不要（または、少なくともきわめて最小限）であり、機械加工がないことで、機械加工プロセスによって引き起こされるであろう残留応力を排除（または、低減）することによってコンポーネントの寿命が延びることである。隆起部は、任意の所望の構成をとることができ、例えば、隆起部４１０は、直線状、湾曲状、曲線状、一方側または他方側へと傾斜、あるいは（ターボ機械に対して）半径方向に沿って幅がテーパ状であってよく、隆起部のマトリックスまたはクロスハッチまたは六角形のグループを形成してもよい。隆起部４１０を利用するコンポーネントの一例は、これに限られるわけではないが、ガスタービンにおいて使用されるように構成されたシュラウドである。
【0030】
図５が、本開示の一態様によるコンポーネント５００の一部分の概略の断面図を示している。コンポーネント５００は、複数の層で構成される。ベース層／材料または基材層２１０を、ニッケル、コバルト、鉄、またはこれらの組み合わせを含む超合金材料で形成することができる。タービンブレード、ベーン、シュラウド、および他のコンポーネントなどの多くのガスタービン用途において、ベース層２１０は、一方向凝固または単結晶のニッケル基超合金である。金属間層または中間層２２０を、ベース層または基材２１０上に堆積させることができる。
【0031】
良好な接着を保証し、剥離の不具合を回避するために、遮熱コーティング系は、遮熱コーティング２４０と基材２１０との間に結合コーティング２３０および中間層２２０を含む。中間層２２０は、例えばパックセメンテーションまたは物理蒸着などの任意の許容可能な堆積技術によって基材２１０上に堆積させられる。結合コーティング２３０が、中間層２２０上に堆積させられる。適切な結合コートまたはコーティング２３０として、これらに限られるわけではないが、ニッケルおよび白金アルミナイドなどの従来からの拡散コーティング、ＭＣｒＡｌＹコーティング、などが挙げられる。
【0032】
過去において、結合コートへのセラミックコーティングのより良好な接着を助けるために、金属のアンカー構造が結合コートに追加されてきた。しかしながら、これらのアンカー構造に使用される金属材料は、金属がセラミックよりも低い温度で溶融して不具合を来すがゆえに、動作時の最大許容温度を制限する。図１に関連して説明した方法を使用して、結合コーティング２３０上に複数の応力上昇要素５５０またはアンカー構造をリソグラフィによって印刷することができる。リソグラフィによって印刷されたセラミックスラリーおよび得られたセラミック層（応力上昇要素５５０を形成する）は、ＴＢＣ層２４０と同一または同様のセラミック材料であってよく、したがって、金属構造と比較して改善された温度性能を示す。応力上昇要素５５０（金属－セラミック複合材料であってもよい）は、ＴＢＣ層２４０が所望の位置で所望の破断面に沿って割れるように促すことで、ＴＢＣコーティング２４０の不具合を低減するように構成および配置される。例えば、応力上昇要素５５０の形状、位置、サイズ、および高さを、所望の場所で砕けるような自然な傾向をＴＢＣコーティングにもたらすように個別に調整することができる。応力上昇要素５５０の形状は、長方形であってよく、あるいは台形５５１、または応力上昇要素の（図５における）上部付近において寸法がより大きい蟻ほぞ５５２であってよい。この「蟻ほぞ形状」は、ＴＢＣコーティング２４０を結合コーティング２３０およびコンポーネント５００に固定する。
【0033】
応力上昇要素５５０がリソグラフィによって堆積させられた後に、遮熱コーティング（ＴＢＣ）２４０が、結合コーティング層２３０および応力上昇要素５５０を覆って堆積させられる。遮熱コーティング２４０は、上述のように、任意の適切なセラミック材料を単独で、または他の材料と組み合わせて含むことができる。リソグラフィックプロセスは、きわめて複雑で力を案内する形状構成を生成することができるように、応力上昇要素５５０の高度に制御された堆積を可能にする。例えば、応力上昇要素５５０の第１のグループを、応力上昇要素の第２のグループよりも大きい高さ（または、厚さ）を有するように設計することができる。さらに、本明細書に記載の方法を、コンポーネントの損傷（例えば、ＦＯＤまたは腐食による損傷）を修復するため、またはコンポーネントの寿命を延ばすために、コンポーネントに対して実行してもよい。セラミック層は、異物による損傷または腐食を被りやすいことが知られているコンポーネント上の位置にのみ局所的に適用されてよく、あるいはセラミック層は、コンポーネントの表面全体に適用されてもよい。
【0034】
さらに、本発明を、例示的な実施形態を参照して説明してきたが、その構成要素について、本発明の技術的範囲から外れることなく、種々の変更および同等物による置き換えが可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。加えて、特定の状況または材料に適応させるために、本発明の教示に対して、その本質的範囲から逸脱することなく、多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明の実施について考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲の技術的範囲に包含されるすべての実施形態を含むことが意図される。さらに、「第１の」、「第２の」、などの用語の使用は、いかなる順序または重要性も意味するものではなく、むしろ「第１の」、「第２の」、などの用語は、或る要素を別の要素から区別するために使用される。さらに、「ａ」、「ａｎ」、などの用語の使用は、量の限定を意味するものではなく、むしろそこで言及される項目が少なくとも１つ存在することを意味する。
【符号の説明】
【0035】
１００ 方法
２００ コンポーネント
２１０ 基材層、基材、ベース層
２２０ 中間層
２３０ 結合コーティング、結合コーティング層、結合コート、結合コート層
２４０ 遮熱コーティング（ＴＢＣ）、遮熱コーティング層、ＴＢＣコーティング、ＴＢＣ層、セラミック遮熱コーティング
２５０ 粗面化層または多孔質層
２６０ 犠牲層、遮熱コーティング層、セラミック層
３１０ 支持部材
３１１ 列
３２０ シート
３３０ 支持要素
４０５ パターン
４１０ 隆起部
４２０ 湾曲部分
４３０ 直線部分
４４０ 距離
４５０ 角度
４５１ 基準線
５００ コンポーネント
５５０ 応力上昇要素
５５１ 台形
５５２ 蟻ほぞ
２００ コンポーネント
２１０ 基材層、基材、ベース層
２２０ 中間層
２３０ 結合コーティング、結合コーティング層、結合コート、結合コート層
２４０ 遮熱コーティング（ＴＢＣ）、遮熱コーティング層、ＴＢＣコーティング、ＴＢＣ層、セラミック遮熱コーティング
２５０ 粗面化層または多孔質層
２６０ 犠牲層、遮熱コーティング層、セラミック層
３１０ 支持部材
３１１ 列
３２０ シート
３３０ 支持要素
４０５ パターン
４１０ 隆起部
４２０ 湾曲部分
４３０ 直線部分
４４０ 距離
４５０ 角度
４５１ 基準線
５００ コンポーネント
５５０ 応力上昇要素
５５１ 台形
５５２ 蟻ほぞ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【手続補正書】
【提出日】2022-03-14
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
コンポーネント（５００）の表面上のコーティング（２４０）を保護するための方法（１００）であって、前記コンポーネント（５００）の少なくとも一部分をセラミックスラリーでコーティングするステップ（１１０）と、
リソグラフィックプロセスによって前記コンポーネント（５００）へと光のパターンを投影し、セラミック層（２６０）を露光して凝固させるステップ（１３０）と、
前記セラミックスラリーの未露光部分を前記コンポーネント（５００）から除去するステップ（１４０）と、
前記セラミック層（２６０）上に、前記セラミック層（２６０）の不具合を軽減するための所望の位置における所望の破断面に沿った割れを促すように前記セラミック層（２６０）上に構成および配置された複数の応力上昇要素（５５０）を形成するステップと
を含む方法（１００）。
【請求項2】
前記コーティングするステップ（１１０）は、前記セラミックスラリーで結合コーティング（２３０）をコーティングすることをさらに含む、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項3】
前記結合コーティング（２３０）および前記セラミック層（２６０）上に遮熱コーティング（２４０）を適用するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法（１００）。
【請求項4】
前記コンポーネント（５００）を加熱して前記セラミック層（２６０）および前記遮熱コーティング（２４０）の少なくとも一方を焼結するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法（１００）。
【請求項5】
前記複数の応力上昇要素（５５０）または複数のアンカー要素は、長方形（５５０）、台形（５５１）、または蟻ほぞ（５５２）の形状を有している、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項6】
所望の数のセラミック層（２６０）が得られるまで、前記コーティングするステップ（１１０）、前記投影するステップ（１３０）、および前記除去するステップ（１４０）を繰り返すステップ（１５０）をさらに含む、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項7】
前記コンポーネント（５００）は、ガスタービンにおいて使用されるように構成されたブレード、ノズル、燃焼器、つなぎピース、またはシュラウドである、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項8】
前記リソグラフィックプロセスは、フォトリソグラフィ、光リソグラフィ、または紫外線リソグラフィ
のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項9】
前記リソグラフィックプロセスは、マスクによるプロセスまたはマスクレスプロセスである、請求項８に記載の方法（１００）。
【請求項10】
前記セラミックスラリーは、ジルコニア、アルミナ、シリカ、炭化物、チッ化物、ケイ酸塩、またはこれらの組み合わせ
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法（１００）。
【請求項11】
複数の層で形成され、前記複数の層のうちの１つは結合コーティング（２３０）であるコンポーネント（５００）について、前記コンポーネント（５００）の表面上のコーティング（２４０）を保護するための方法（１００）であって、前記結合コーティング（２３０）をセラミックスラリーでコーティングするステップ（１１０）と、
リソグラフィックプロセスによって前記コンポーネント（５００）へと光のパターンを投影し、セラミック層（２６０）を露光して凝固させるステップ（１３０）と、
前記セラミックスラリーの未露光部分を前記コンポーネント（５００）から除去するステップ（１４０）と、
前記セラミック層（２６０）上に、前記セラミック層（２６０）の不具合を軽減するための所望の位置における所望の破断面に沿った割れを促すように前記セラミック層（２６０）上に構成および配置された複数の応力上昇要素（５５０）を形成するステップと
を含む方法（１００）。
【請求項12】
前記結合コーティング（２３０）および前記セラミック層（２６０）上に遮熱コーティング（２４０）を適用するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法（１００）。
【請求項13】
前記コンポーネント（５００）を加熱して前記セラミック層（２６０）および前記遮熱コーティング（２４０）の少なくとも一方を焼結するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法（１００）。
【請求項14】
前記複数の応力上昇要素（５５０）または複数のアンカー要素は、長方形（５５０）、台形（５５１）、または蟻ほぞ（５５２）の形状を有している、請求項１３に記載の方法（１００）。
【請求項15】
所望の数のセラミック層（２６０）が得られるまで、前記コーティングするステップ（１１０）、前記投影するステップ（１３０）、および前記除去するステップ（１４０）を繰り返すステップ（１５０）をさらに含む、請求項１１に記載の方法（１００）。
【請求項16】
前記コンポーネント（５００）は、ガスタービンにおいて使用されるように構成されたブレード、ノズル、燃焼器、つなぎピース、またはシュラウドである、請求項１１に記載の方法（１００）。
【請求項17】
前記コンポーネント（５００）は、ガスタービンにおいて使用されるように構成されたシュラウドである、請求項１１に記載の方法（１００）。
【請求項18】
前記リソグラフィックプロセスは、フォトリソグラフィ、光リソグラフィ、または紫外線リソグラフィ
のうちの少なくとも１つである、請求項１１に記載の方法（１００）。
【請求項19】
前記リソグラフィックプロセスは、マスクによるプロセスまたはマスクレスプロセスである、請求項１８に記載の方法（１００）。
【請求項20】
前記セラミックスラリーは、ジルコニア、アルミナ、シリカ、炭化物、チッ化物、ケイ酸塩、またはこれらの組み合わせ
のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の方法（１００）。
【国際調査報告】