カスケードアークガン技術を用いたYSZ遮熱コーティングソリューション - 研究 By Dieter Sporer, Jim Girgulis, Chris Dambra, Mitch Dorfman

セグメント型遮熱コーティング

TBCの最初のアプリケーションは、固定エンジン部品でした。1980年代後半には、TBCが回転ブレードに初めて使用されました。この用途では、TBCの耐ひずみ性を最大限に高める必要があり、これは通常、垂直セグメンテーションと要約できる特殊なセラミックトップコート構造によって実現されます。垂直セグメンテーションは一般的に、図2に示すようにさまざまな形態をとります。その1つが垂直柱状セグメンテーションです。これは、EB-PVDまたはPS-PVDプロセスにおける気相からの成長、あるいはいわゆるサスペンションプラズマ溶射（SPS）によるクラスター堆積によって、セラミックTBC材料の柱状構造を形成することで実現されます。EB-PVDプロセスによる柱状セグメンテーションは、ジェットエンジンのローターブレードにTBCを適用する際の推奨方法です。

図2：エリコンメテコで、カスケードアーク技術を用いたAPSおよびSPSを含むさまざまなプラズマ溶射プロセスによって製造されたセグメント化された遮熱コーティング。

さらに図 2 には、別の形式のセグメンテーションとして、垂直クラックセグメンテーション (ち密縦割れとも呼ばれる) が示されています。このタイプのセグメンテーションは、溶射パラメータを制御してセラミックトップコートを大気圧プラズマ溶射するか (固有クラック)、鋳造または溶接堆積グリッドなどの 3D 構造表面上にセラミックを堆積することによって実現されます (表面構造誘起クラック)。クラックセグメント化コーティングは、発電用ガスタービンのローターブレードの標準の 1 つです。もう 1 つの標準は、制御された (高い) 多孔性とマイクロクラックの存在を備えた非セグメント化 TBC です。 セラミック遮熱コーティングのセグメント化は、コーティングの歪み耐性を向上させる理想的なツールです。

セグメントは、コンサーティーナのベローズの挙動に似て、部品表面に引張荷重が加わると開き、圧縮荷重が加わると閉じます。

Cascaded Arc Gun Technology

カスケードプラズマ方式は、アーク電圧の制御と安定化を目的としてメテコ社が先駆的に開発しました。カスケードアークチャンバーは、アークチャンバー内に設置された電気的に絶縁された一連の中性リング（いわゆるニュートロード）を介してアーク長を固定することを特徴としています（図3）。アーク長が長く固定されているため、プラズマプルームが安定化し、高振幅の電力振動が抑制されます。これにより、高電圧、低電流運転、電圧振動の低減、そしてガス流やガス種がアーク挙動に与える影響の排除など、多くの重要なメリットが得られます。

図3は、シングルカソー​​ドプラズマガン設計（SinplexProガン）のカスケードアークチャンバーを示しています。これに対し、TriplexProガンは、ガン電流を3つの電極に分割します。これにより、プラズマガスと溶射材料の加熱が均一かつ効率的になり、アーク接続点における陽極の侵食が低減し、アーク接続位置の精度が向上するため、コーティングプロセスがさらに向上します。3つのアークを高い電圧で動作させることで、長時間にわたって非常に安定したガン動作を実現できます。

セグメンテーションクラックコーティング - カスケードアークAPSを使用して製造

本研究の一環として、Amdry 995Cボンドコートと、エリコンメテコ社製のプラズマ稠密化7～8重量%イットリア安定化ジルコニア（8% YSZ）粉末を用いた様々なトップコートを備えたTBCを作製しました。コーティングは、プラズマエンタルピー、供給速度、溶射距離などの様々な溶射条件を用いて溶射されました。SinplexProを用いて溶射したコーティングでは、ガン出力は中程度の45kWに一定に保たれ、ガン・ワーク間溶射距離（本研究では「DS[TW1] 」と表記）は一定に保たれました。変数は溶射材料です。表1に示すように、3種類の標準的な8% YSZ遮熱コーティング材料を使用しました。

溶射距離に加え、プラズマエンタルピーもセグメント化TBCの微細構造の形成に重要な役割を果たします。一定の溶射距離と粉末供給速度において、高エンタルピー溶射は、高いクラック密度を有する、比較的緻密なコーティングを生成します[図6]。プラズマエンタルピーを下げるとクラック密度は低下しますが、達成可能なコーティングの気孔率は増加します。気孔率の増加はコーティングの熱伝導率を低下させるため、クラックセグメンテーションを有するTBCコーティングにおいても望ましい特性となり得ます。 供給速度を上げるとクラック密度はさらに低下しますが、クラックセグメンテーションを有する厚膜TBCの成膜の経済性は大幅に向上します[図6]。TriplexProおよびMetco 204F粉末では、最大150 g/分という極めて高い粉末供給速度が実証されています。

セグメンテーションクラックコーティングー性能

従来のAPS（カスケードアークガン）技術を用いて製造されたセグメント化TBCの性能を評価するため、セグメント化クラック密度と気孔率の異なるコーティングを、標準的なAPS多孔質参照コーティングと比較し、エロージョン試験およびサイクリックバーナーリグ試験を実施しました。

 溶射距離とプラズマエンタルピーを変化させることで、TriplexPro-210カスケードガンを用いて、高（3.3/mm）、中（2.3/mm）、低（1.5/mm）のクラック密度のコーティングと、クラック密度は低いが気孔率が高い（2.2/mm）コーティングを製造しました。

表2に示すバーナーリグ試験の結果から、セグメント化コーティングが多孔質参照コーティングよりも優れた性能を示し、セグメント化TBCの中ではクラック密度が最も高いコーティングが最も優れた性能を示すことが明らかになりました。同時に、セグメント化TBCコーティングは多孔質APS参照コーティングよりもはるかに高い耐エロージョン性を示しました[図7]。 全体として、クラックセグメント化コーティングは、多孔質参照コーティングと比較して性能が大幅に向上します。さらに、カスケードアークガン技術により、これらのセグメント化コーティングを非常に経済的に適用できます。

セグメント化クラックを有するコーティング - カスケードアークサスペンションプラズマ溶射による作製

従来の大気圧プラズマ溶射（APS）に加え、サスペンションプラズマ溶射（SPS）もセグメント型TBCの製造に使用できます。サスペンションプラズマ溶射では、サブミクロンの微細粉末粒子を使用し、セラミックと液体（通常はエタノール）の懸濁液として溶射ガンに供給します。

要約と結論

カスケードアークプラズマガン技術は、ガスタービンエンジンの高温部に使用される遮熱コーティング（TBC）の製造に使用されるジルコニア粉末材料を最も均一に加熱・溶融できるという利点があります。この技術により、従来の多孔質TBCと比較して、サイクル寿命と耐エロージョン性が向上したセグメント型TBCを製造できます。

カスケードアークガン技術は、従来のAPSを用いたセグメント型TBCの製造において大きな利点があります。SinplexProおよびTriplexProを用いたセグメント型TBCの溶射では、高い粉末供給速度を実現できます。さらに、これらのガンでは優れた付着効率も達成されています。これらの特性を組み合わせることで、セグメント型TBCを非常に経済的かつ迅速かつ効率的に作製することが可能になります。さらに、カスケードアークプロセスは非常に安定しており、高い再現性とコーティング品質の一貫性を保証します。

本研究では、より大きな溶射距離とジルコニア粉末材料の様々な粒度が、得られるコーティングの微細構造、特にコーティングにおけるセグメンテーションクラックの密度に及ぼす影響を調査しました。TriplexProでは、最大2DSの溶射距離でもセグメント構造が形成されることが示されました。これらの大きな溶射距離は、タービンブレードやベーンなどの複雑な部品を溶射する際のガン操作とロボットプログラミングに役立ちます。

SinplexProでは、粗めの粉末（Metco 204C-NS）を含む様々な粒度の粉末を使用して、中程度のガン出力設定でセグメント型TBCを製造できることが実証されました。生成されたデータにより、セグメント型TBCの製造において、様々なガンと粉末の組み合わせを想定することが可能になります。

さらに、カスケードアーク技術は、サスペンションプラズマ溶射（SPS）プロセスを用いたセグメント型TBC作製のための優れたプラットフォームであることも実証されています。

参考文献

1. Forecast International: www.forecastinternational.com
2. Hongbo Guo, Hideyuki Murakami and Seiji Kuroda: Segmentation Cracks in Plasma Sprayed Thin Thermal Barrier Coatings; in Advanced Ceramic Coatings and Interfaces; D. Zhu and U. Schulz (eds); John Wiley and Sons, 2007