絆の向上

Dec 12, 2023

ルイス研究センター、オハイオ州クリーブランド

現在製造されている遮熱コーティング (TBC) は、金属部品の平均温度を 50 ～ 80 °C、ホットスポット温度を最大 140 °C 下げることができることがわかっています。 この大幅な温度低下は、航空機タービンの金属部品の寿命を延ばすために利用されています。 ただし、大幅に高温になるエンジン性能の向上を目的とした重要な用途では、より耐久性の高い TBC が必要です。 金属層とサーメット層を組み込んだ改良されたボンド コートは、プラズマ溶射遮熱コーティング (TBC) の熱疲労寿命を 2 倍以上延長することが実証されています。 これらの TBC は、ガス タービンやディーゼル エンジンのコンポーネントに適用できます。

典型的なTBCは、厚さ0.005～0.008インチ（約0.13～0.020mm）の単一の金属ボンドコート層を含み、その上に厚さ0.005～0.020インチ（約0.13～0.50mm）の単一のセラミックトップコート層でコーティングされています。 ボンドコート層は典型的にはＭＣｒＡｌＸであり、ＭはＮｉ、Ｃｏ、またはＦｅを意味し、ＸはＹ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙｂ、または別の反応性元素を意味する。 セラミックトップコート層は通常、6 ～ 8 重量パーセントのイットリアで部分的に安定化されたジルコニアです。 ボンドコートは通常、プラズマ溶射によって処理されますが、トップコートはプラズマ溶射または電子ビーム物理蒸着によって処理できます。 プラズマ溶射トップコートを使用する TBC の場合、結合を向上させるためにボンド コートは粗い表面で準備されます。

接着力を高めるためにボンドコートの粗さは必要であるにもかかわらず、粗さはセラミックとボンドコートの間の界面で発生する応力を強める傾向もあります。 最近の研究では、粗いボンド コートのピーク付近で高い応力が特に顕著であることが示されています (図 1 を参照)。 詳細な調査により、ボンド コートのピークの熱膨張をセラミック トップ コートに合わせることで応力を最小限にできることがさらにわかりました。

図 2 は、2 層ボンドコートを使用してこれらの問題に対処する TBC 設計を示しています。 ボンドコートの第 1 層は、上記の従来の TBC について説明したように、典型的な MCrAlX です。 ボンドコートの第 2 層には、MCrAlX マトリックス中に微粒子の第 2 相が微細に分散されています。 第 2 相は、イットリア安定化ジルコニア セラミック層と同じか、できればそれよりも低い熱膨張係数をもつ必要があり、意図された使用温度まで安定していて、MCrAlX マトリックスに対して化学的に不活性でなければなりません。熱成長アルミナスケールと化学的に適合すること。 第 2 相の材料の候補には、アルミナ、クロミア、イットリウム - アルミニウム ガーネット、ニッケル - アルミニウム スピネル、イットリア、ムライト、およびその他の酸化物が含まれます。

目標は、第 2 層のピークとイットリア安定化ジルコニアの膨張の一致を達成することであるため、粒子状の第 2 相の寸法はピークの寸法より小さく、通常は 5 μm 未満でなければならず、MCrAlX マトリックス中に十分に分散されている必要があります。 粒子の体積分率は、ピーク膨張とセラミック層の膨張との実質的な一致を達成するのに十分に高くなければならない。 MCrAlX にアルミナを添加した場合、ほぼゼロの熱膨張不一致を達成するには、0.71 のアルミナ体積分率が必要です。 実際には、第 2 層の熱膨張は、延性や耐酸化性などの層の他の要件とバランスを取る必要があります。

これまでのコーティングは、メカニカルアロイングによって生成された出発粉末を使用してプラズマ溶射されてきました。 開発されたメカニカルアロイングプロセスにより、最大20体積パーセントのサブミクロンのアルミナ粒子が微細に分散されたプラズマスプレー出発粉末が生成されました。 わずか 5 体積パーセントのアルミナを添加したボンド コートを使用することで、TBC のセラミック層の寿命が 2 倍になりました。 この技術的に重要で再現​​可能な寿命の延長は、TBC をより高い動作温度に押し上げるために利用できる可能性があります。

最大 20 体積パーセントのアルミナの体積パーセントが高くなると、セラミックとの膨張の適合性が向上するため、さらに長い寿命が得られることが期待されました。 一部のサンプルはより長い寿命を示しましたが、これらの組成物は広範囲に異なる酸化反応も示しました。 不安定な酸化反応の最終的な結果は、これらのコーティングの平均寿命の短縮でした。 高速酸素燃料溶射 (HVOF) などの代替溶射プロセスは、より均一な粒子分布を生成し、TBC 寿命のさらなる向上が期待できることが証明されています。 HVOF コーティングは現在テスト中です。

この研究は、ルイス研究センターのウィリアム・J・ブリンドリー氏とロバート・A・ミラー氏、およびケース・ウェスタン・リザーブ大学のビバリー・J・M・エイキン氏によって行われた。 詳細については、オンライン www.techbriefs.com の「マテリアル」カテゴリから無料のテクニカル サポート パッケージ (TSP) にアクセスしてください。

本発明の商業利用の権利に関するお問い合わせは、下記までご連絡ください。

LEW-16390を参照してください。

この記事は、NASA Tech Briefs Magazine の 1998 年 8 月号に初めて掲載されました。

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