JP2007008806A - シリコン含有基材の外部ｅｂｌ用の耐食密封剤および同物を製造するプロセス - Google Patents

シリコン含有基材の外部ｅｂｌ用の耐食密封剤および同物を製造するプロセス Download PDF

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Abstract

【課題】雰囲気攻撃に耐性を有し、薄い雰囲気バリアコーティングを提供する。
【解決手段】物品は、シリコン含有基材（３０）、基材（３０）の上に載る、高金属ケイ酸塩含有外部バリア層（６６）を含む雰囲気バリアコーティング（ＥＢＣ）（４２）、および高金属ケイ酸塩含有外部バリア層（６６）用の耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤（７４）を含む。代替えプロセスは、高金属ケイ酸塩含有外部バリア層（６６）の上に耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤層（７４）を形成するプロセスも提供すること。
【選択図】図２

Description

本発明は、広範に、シリコン含有基材用の雰囲気バリアコーティング（ＥＢＣ）の高金属ケイ酸塩含有外部バリア層に対する耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤を含む物品に関する。本発明は、さらに、広範に、ＥＢＣのこの高金属ケイ酸塩含有外部バリア層に対するアルミナ／アルミン酸塩密封剤を形成するためのプロセスに関する。
ガスタービンエンジンのより高い動作温度は、効率を高めるために絶えず追求されている。しかし、動作温度が上昇すると、エンジンのコンポーネントの高温耐久性も、それに応じて高まらなければならない。高温運転能力の著しい向上は、鉄、ニッケル、およびコバルトベースの超合金の製造を介して達成された。超合金は、ガスタービンエンジン全体を通して使用されるガスタービンコンポーネント、および特に高温になるセクションに広範に利用されてきたが、代替えの軽量基材物質が提案され、探し求められている。
炭化ケイ素（ＳｉＣ）をマトリックス材および／または補強材（例えば、ファイバ）として含むものなど、シリコンを含有するセラミック材料は、現在、ガスタービンエンジン、熱交換器、内燃機関などの高温用途向けの基材として使用されている。これらのシリコン含有マトリックス／補強材は、一般に、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）と呼ばれる。マトリックス材および／または補強材として使用されるこれらのシリコン含有材料は、重量を減らす一方で、そのような基材を含むタービンコンポーネントの強度および耐久性を維持することができ、また現在、エーロフォイルを含むタービンコンポーネント（例えば、コンプレッサ、タービン、ベーンなど）、燃焼器、および軽量であることが望ましい他のタービンコンポーネントなどの、ガスタービンエンジンの高温セクションで使用される多数のタービンコンポーネント用に考えられている。
動作温度が上昇すると、そのようなＣＭＣ材料の高温耐久性も、それに応じて高まらなければならない。このようなコーティングは、腐食性含水雰囲気内でシリコン含有材料を劣化させる主要なメカニズム、つまり、揮発性の一酸化ケイ素（ＳｉＯ）および水酸化ケイ素（Ｓｉ（ＯＨ）４）生成物の形成を抑制することにより、雰囲気保護を実現すべきである。したがって、シリコン含有基材に対する雰囲気バリアコーティング（ＥＢＣ）システムの必要な要求条件は、水蒸気を含む高温雰囲気における安定性である。これらのＥＢＣシステムの他の重要な特性としては、シリコン含有基材に適合する熱膨張率（ＣＴＥ）、酸化剤の低透過性、低熱伝導率、ならびにシリコン含有基材および典型的には酸化により形成されるオーバーレイシリカスケールとの化学的親和性が考えられる。
さまざまな単層および多層ＥＢＣシステムを調査したが、それぞれに、雰囲気保護およびシリコン含有基材との親和性に関係する欠点があった。例えば、ＥＢＣシステムは、高温での酸化および水性雰囲気（例えば、蒸気）の存在下での劣化からシリコン含有ＣＭＣ基材を保護するものとして提案されている。これらのＥＢＣシステムとしては、例えば、同一出願人による、２０００年１０月１０日に発行された米国特許第６，１２９，９５４号（Ｓｐｉｔｓｂｅｒｇ他）、および１９９９年２月９日に発行された米国特許第５，８６９，１４６号（ＭｃＣｌｕｓｋｅｙ他）で開示されているムライト（３Ａｌ２Ｏ３．２ＳｉＯ２）を含むものがある。ムライトを含む、または含まない、追加の遮熱コーティングを備える、または備えない、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム（ＢＳＡＳ）を含む他のＥＢＣシステムは、例えば、同一出願人による、１９９９年１１月１６日に発行された米国特許第５，９８５，４７０号（Ｓｐｉｔｓｂｅｒｇ他）、２００２年９月３日に発行された米国特許第６，４４４，３３５号（Ｗａｎｇ他）、２００３年８月１９日に発行された米国特許第６，６０７，８５２号（Ｓｐｉｔｓｂｅｒｇ他）、および２００２年６月２５日発行された米国特許第６，４１０，１４８号（Ｅａｔｏｎ他）で開示されている。
これらの蒸気耐性を有するＥＢＣシステムは、ものによっては、（１）シリコン含有基材の上に載り隣接するシリコン結合コート層、（２）結合コート層に被さり、隣接する組合せムライトＢＳＡＳ（例えば、８０％のムライト２０％ＢＳＡＳ）転位層、および（３）転位層に被さり、隣接するＢＳＡＳを含む外部バリア（障壁）からなる本質的３層を含む。例えば、同一出願人による、２００２年６月２５日に発行された米国特許第６，４１０，１４８号（Ｅａｔｏｎ他）を参照されたい。シリコン結合コート層は、ＥＢＣをシリコン含有基材（例えば、ＳｉＣ／ＳｉＣ ＣＭＣ基材）に確実に接着させ、また犠牲的な酸化層としても機能しうる。ムライトＢＳＡＳ転位層は、典型的にはＢＳＡＳを含む外部バリアとシリコン結合コート層上に形成するシリカスケールとの間の高速反応を妨げる。ＢＳＡＳを含む外部バリア層は、蒸気および他の高温水性雰囲気に対する抵抗性が比較的高い。
蒸気耐性を有する他の種類のＥＢＣシステムは、本質的に、（１）シリコン含有基材の上に被さり隣接する任意選択のシリコン結合コート層、（２）（ａ）結合コート層の上に被さる任意選択のムライト化学物質バリア層、（ｂ）ムライト含有バリア層（ムライト、またはムライトとＢＳＡＳの混合物）、（ｃ）ムライト含有化学物質バリア層の上に被さるムライト、希土類ケイ酸塩、ハフニア、または硫酸ハフニウムの任意選択の化学物質バリア（障壁）、および（ｄ）中間層の上に被さる低ＣＴＥ希土類ケイ酸塩、ハフニア、またはジルコニア複合材外部層を含む中間層を含む。２００４年７月２４日に発行された米国特許第６，７５９，１５１号（Ｌｅｅ他）を参照のこと。
上記の３層ＥＢＣ、さらにLee他の特許文献のＥＢＣの外部低ＣＴＥ複合材層のＢＳＡＳ外部バリア層は、他の腐食剤により引き起こされる雰囲気攻撃に対する十分な耐性を有しない場合がある。例えば、硫酸塩および／または塩化物、カルシウム、マグネシウムなどの酸化物、または一般に「ＣＭＡＳ」と呼ばれる、混合されたカルシウム−マグネシウム−アルミニウム−シリコン−酸化物システムなどのそれらの混合物を含む腐食雰囲気は、ＥＢＣのＢＳＡＳ含有外部バリア層（またはＬｅｅ他の特許文献の低ＣＴＥ外部複合材層）を攻撃する場合があり、それにより、ＥＢＣの劣化に関与しうる。例えば、ＣＭＡＳにより引き起こされる腐食問題を説明している、同一出願人による１９９７年８月２６日に発行された米国特許第５，６６０，８８５号（Ｈａｓｚ他）を参照のこと。
ＢＳＡＳ含有外部バリア層を含む３層ＥＢＣは、典型的には、プラズマ溶射などの熱溶射法によりシリコン含有ＣＭＣ基材上に蒸着される。Ｌｅｅ他の特許文献のＥＢＣも、シリコン含有基材上にプラズマ溶射することにより形成される。Ｌｅｅ他の特許文献の列８の「実験手順」を参照のこと。プラズマ溶射では、ＥＢＣのコーティングの厚さを制御することは難しい。特に、プラズマ溶射は、より薄いコーティングが要求される特定の用途、例えば、タービンエーロフォイルには適しない可能性のある比較的厚いコーティングまたは層を形成する傾向がある。プラズマ溶射適用方法は、さらに、比較的高い値の粗さを、結果として得られるコーティングに付与する場合がある。コーティングの粗さが大きいほど、より厚いコーティングを蒸着しておいて、研磨またはタンブリングなどのコーティング後処理によりこのような大きな粗さを減らす必要があるため、処理コストが増大する。
したがって、シリコン含有基材用に、（１）蒸気に加えて他の腐食剤、例えば、硫酸塩および／または塩化物、カルシウム、マグネシウムなどの酸化物、またはＣＭＡＳなどのそれらの混合物などにより引き起こされる雰囲気攻撃に耐性を有し、および／または（２）プラズマ溶射などの熱溶射法により得られるコーティング厚さに比べて薄いコーティング厚さが得られるように形成できるＥＢＣを実現することが望ましいであろう。
米国特許第６，１２９，９５４号 米国特許第５，８６９，１４６号 米国特許第５，９８５，４７０号 米国特許第６，４４４，３３５号 米国特許第６，６０７，８５２号 米国特許第６，４１０，１４８号 米国特許第６，７５９，１５１号 米国特許第５，６６０，８８５号 米国特許第６，０２５，０７８号 米国特許第６，３３３，１１８号 米国特許第６，１７７，５６０号 米国特許第６，１７７，２００号 米国特許第６，２８４，３２３号 米国特許第６，３１９，６１４号 米国特許第６，３８７，５２６号 米国特許第５，７５９，０３２号 米国特許第５，９８５，３６８号 米国特許第６，２９４，２６１号 米国特許出願公開第２００４０１１５４７０号 米国特許第４，５３２，０７２号 米国特許第５，０４７，１７４号 米国特許第５，３２４，５５４号 米国特許第５，５９１，３８０号 米国特許第５，６４５，８９３号 米国特許第５，７１６，７２０号 米国特許第５，３３２，５９８号 米国特許第５，０４７，６１２号 米国特許第４，７４１，２８６号 "Kirk-Othmer's Encyclopedia of Chemical Technology", 3rd Ed., Vol. 24, pp. 882-883 (1984) "Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology", 3rd Ed., Vol. 15, page 255
本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。
本発明の一実施形態は、広範に、シリコン含有基材と、高金属ケイ酸塩含有外部バリア層を含む、基材に被さる雰囲気バリアコーティングと、外部バリア層用の耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤とを含む物品を対象とする。
本発明の他の実施形態は、広範に、（ａ）高金属ケイ酸塩含有外部バリア層を含むオーバーレイ雰囲気バリアコーティングを有するシリコン含有基材を設ける工程と、（ｂ）外部バリア層の上に耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤層を形成する工程とを含むプロセスを対象とする。
本発明の他の実施形態は、広範に、（ａ）多孔性高金属ケイ酸塩含有外部バリア層を含むオーバーレイ雰囲気バリアコーティングを有するシリコン含有基材を設ける工程と、（ｂ）多孔性外部バリア層を、耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤前駆体を含む液体組成物により処理し、多孔性外部バリア層に、耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤に転換されたときに雰囲気攻撃に対する雰囲気バリアコーティングの保護を行える十分な量のアルミナ／アルミン酸塩密封剤前駆体を浸潤させる工程と、（ｃ）多孔性外部バリア層内の浸潤アルミナ／アルミン酸塩密封剤前駆体を耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤に転換する工程とを含むプロセスを対象とする。
本発明の物品およびプロセスの実施形態は、高金属（例えば希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層を有する雰囲気バリアコーティング（ＥＢＣ）システムを持つシリコン含有基材を含む物品に関して多数の長所および利点を備える。高金属ケイ酸塩含有外部バリア層用の耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤を使用することで、カルシウム、マグネシウム、ナトリウムなどの硫酸塩および／または塩化物、またはそれらの混合物（例えば、海塩）により、またはカルシウム、マグネシウムなどの酸化物、またはそれらの混合物（例えば、ＣＭＡＳ）により引き起こされる雰囲気攻撃に対するＥＢＣの耐性を高めることができる。本発明のプロセスのいくつかの実施形態は、さらに、耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤を比較的薄い層として形成することができるか、または密封剤をＥＢＣの多孔性高金属ケイ酸塩含有外部バリア層に浸潤させ、それらの腐食剤により引き起こされる雰囲気攻撃から保護することができる。
本明細書で使用される「雰囲気バリアコーティング」（これ以降「ＥＢＣ」）という用語は、典型的には少なくとも高温水性雰囲気（例えば、蒸気）により引き起こされる雰囲気攻撃に対抗して、また任意選択により、他の腐食雰囲気（腐食雰囲気）に対抗して、雰囲気保護バリアを実現する、例えば、カルシウム、マグネシウム、ナトリウムなどの硫酸塩および／または塩化物、またはそれらの混合物（例えば、海塩）により、またはカルシウム、マグネシウムなどの酸化物、またはそれらの混合物（例えば、ＣＭＡＳ）により引き起こされる雰囲気攻撃から保護するＥＢＣを意味する。ＥＢＣは、高金属ケイ酸塩含有外部バリア層に、１つまたは複数の任意選択の層を加えたものを含む。ＥＢＣの高金属ケイ酸塩含有外部バリア層は、後述のように、耐食アルミナ／アルミン酸塩物質の前駆体による浸潤を可能にする十分な多孔性を有する構造を持つことができる。
本明細書で使用される「高金属ケイ酸塩」という用語は、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウムなどのアルカリ金属のケイ酸塩、ケイ酸カルシウム、ケイ酸バリウム、ケイ酸ストロンチウムなどのアルカリ土類金属ケイ酸塩、またはそれらの混合物とは別の、任意の金属ケイ酸塩を意味する。これらの高金属ケイ酸塩は、ケイ酸スカンジウム、ケイ酸イットリウム、ケイ酸ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、希土類金属ケイ酸塩（ケイ酸ランタン、ケイ酸セリウム、ケイ酸プラセオジム、ケイ酸ネオジム、ケイ酸プロメチウム、ケイ酸サマリウム、ケイ酸ユウロピウム、ケイ酸ガドリニウム、ケイ酸テルビウム、ケイ酸ジスプロシウム、ケイ酸ホルミウム、ケイ酸エルビウム、ケイ酸ツリウム、ケイ酸イッテルビウム、ケイ酸ルテチウムなど）、さらに、これらの高金属ケイ酸塩のさまざまな組合せを含む。これらの高金属ケイ酸塩は、モノシリケート、ジシリケート、オルトシリケート、メタシリケート、ポリシリケートなど、またはこれらの組合せの形態とすることができる。典型的には、高金属ケイ酸塩は、ケイ酸イットリウム、ケイ酸スカンジウム、ケイ酸ルテチウム、ケイ酸イッテルビウム、ケイ酸ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、またはそれらの組合せ、およびより典型的には、ケイ酸イットリウム、ケイ酸イッテルビウム、またはケイ酸ルテチウムである。これらの高金属ケイ酸塩は、例えばカルシウム、マグネシウム、ナトリウムなどの硫酸塩および／または塩化物、またはそれらの混合物（例えば、海塩）など腐食剤により、またはカルシウム、マグネシウムなどの酸化物、またはそれらの混合物（例えば、ＣＭＡＳ）により、さらには、高温水性雰囲気（例えば、蒸気）などにより引き起こされる雰囲気攻撃に対して少なくとも何らかの耐性を有しうる。
本明細書で使用される「耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤」という用語は、カルシウム、マグネシウム、ナトリウムなどの硫酸塩および／または塩化物、またはそれらの混合物（例えば、海塩）などの腐食剤により、またはカルシウム、マグネシウムなどの酸化物、または、一般に「ＣＭＡＳ」と呼ばれる、混合されたカルシウム−マグネシウム−アルミニウム−シリコン−酸化物システム（Ｃａ−−Ｍｇ−−Ａｌ−−ＳｉＯ）を含む汚染組成物などのそれらの混合物などにより引き起こされる可能性のある雰囲気攻撃から高金属ケイ酸塩含有外部バリア層を保護する耐食アルミナ／アルミン酸塩物質を含む密封剤を意味する。いくつかの耐食密封剤（つまり、耐食アルミン酸塩を含むもの）は、さらに、蒸気などの高温水性雰囲気により引き起こされる雰囲気攻撃から保護することもできる（つまり、蒸気耐性）。密封剤は、そのような雰囲気攻撃から、また特に、ＥＢＣの中へまたはＥＢＣを通して入る腐食剤などから、ＥＢＣの高金属ケイ酸塩含有外部バリア層を保護するだけでなく、ＥＢＣの他の下にある層（例えば、反応バリア層、内部シリコン／シリカスケール結合コート層など）およびシリコン含有基材を保護する任意の形態を取りうる。例えば、密封剤は、典型的には、高金属ケイ酸塩含有外部バリア層の上に載り、腐食剤による雰囲気攻撃に対抗してＥＢＣの高金属ケイ酸塩含有外部バリア層を効果的に封止する耐食アルミナ／アルミン酸塩物質を含む高密度層（後述のように）として形成することができる。それとは別に、高金属ケイ酸塩含有外部バリア層が十分に多くの孔があいている構造を有する場合、密封剤を形成するために（後述のように）、耐食アルミナ／アルミン酸塩物質の前駆体（例えば、アルファアルミナを形成するアルミニウムアルコキシド）を多孔性外部バリア層内に浸潤させ、次いで、多孔性外部バリア層内の前駆体を耐食アルミナ／アルミン酸塩物質に転換し、耐食アルミナ／アルミン酸塩物質が雰囲気攻撃に対抗して多孔性外部バリア層を効果的に封止し、多孔性外部バリア層内の高金属ケイ酸塩と組み合わさって（例えば、前駆体の転換時に）、雰囲気攻撃などに耐性を有する焼結複合体を形成するようにすることができる。
本明細書で使用される「耐食アルミナ／アルミン酸塩」という用語は、カルシウム、マグネシウム、ナトリウムなどの硫酸塩および／または塩化物、またはそれらの混合物（例えば、海塩）により、またはカルシウム、マグネシウムなどの酸化物、または、「ＣＭＡＳ」などの混合されたカルシウム−マグネシウム−アルミニウム−シリコン−酸化物システム（Ｃａ−−Ｍｇ−−Ａｌ−−ＳｉＯ）を含む汚染組成物などのそれらの混合物などにより引き起こされる雰囲気攻撃による劣化、および場合によっては、蒸気などの高温水性雰囲気に耐性のある（例えば、蒸気耐性がある）アルミナ／アルミン酸塩物質を意味する。本明細書に使用するのに適している耐食アルミナ／アルミン酸塩物質は、アルファアルミナ、アルミン酸カルシウム（例えば、ＣａＡｌ２Ｏ４）、アルミン酸タンタル（例えば、ＴａＡｌＯ４）、アルミン酸ニオブ（例えば、ＮｂＡｌＯ４）、アルミン酸スカンジウム、アルミン酸イットリウム、希土類のアルミン酸塩（アルミン酸ランタン、アルミン酸ジスプロシウム、アルミン酸ホルミウム、アルミン酸エルビウム、アルミン酸ツリウム、アルミン酸イッテルビウム、アルミン酸ルテチウム、アルミン酸セリウム、アルミン酸プラセオジウム、アルミン酸ネオジウム、アルミン酸プロメチウム、アルミン酸サマリウム、アルミン酸ユウロピウム、アルミン酸ガドリニウム、アルミン酸テルビウムなど）など、およびそれらの親和性を有する組合せを含む。腐食剤により引き起こされる雰囲気攻撃を防御するほかに、アルミン酸は、蒸気などの高温水性雰囲気により引き起こされる雰囲気攻撃に対する耐性をもたらすことができる（つまり、蒸気耐性）。この点で、アルミン酸カルシウムは、その比較的低いＣＴＥ（約６）および蒸気による攻撃に対する比較的高い耐性のため、特に好適なアルミン酸塩である。
本明細書で使用される「シリコン含有基材」という用語は、シリコン含有セラミック材料、金属ケイ素化合物（組成上、ケイ素化合物含有結合コート層を含むものと異なる場合）、またはそのようなシリコン含有セラミック材料およびシリコン金属合金の組合せを含むものを含む、シリコン含有基材を意味する。シリコン含有基材は、シリコン含有材料の実質的に連続するマトリックスを含むことができ、連続マトリックスなどの中に分散される、埋め込まれるなどされたファイバ、粒子などの離散要素で強化されたシリコン含有材料の連続マトリックスを含む組成物とすることができる。ファイバ、粒子などの離散要素は、シリコン含有セラミック材料から形成されるか、または他の材料、例えば、カーボンファイバから形成されるようにできる。シリコン含有セラミックスの連続マトリックス内に分散、埋め込みなどがなされたファイバ、粒子などのそのような組合せは、典型的にはセラミックマトリックス複合材料またはＣＭＣと呼ばれる。典型的なＣＭＣは、通常シリコーンベースのファイバによりファイバ補強された連続シリコン含有セラミックマトリックスを含む。これらの補強ファイバは、典型的には、複合材料システムの構造的な安全性を付与し、保持するためファイバ表面を完全に被覆するコーティング材料を含む。典型的なファイバコーティング材料は、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭素などを含む。好適なシリコン含有セラミック材料は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸窒化アルミニウムケイ素、またはこれらの組合せを含む。シリコン含有基材として有用な好適な金属ケイ素化合物は、モリブデンシリサイド、ニオブシリサイド、鉄シリサイドなど、またはこれらの組合せを含む。本明細書で使用するのに好適な例示されているシリコン含有基材は、炭化ケイ素コーディング炭化ケイ素ファイバ強化炭化ケイ素粒子およびシリコンマトリックス、カーボンファイバ強化炭化ケイ素マトリックス、炭化ケイ素ファイバ強化シリコン窒化ケイ素マトリックスなどを含む。
本明細書で使用される「遮熱コーティング」（これ以降「ＴＢＣ」）という用語は、物品のＥＢＣ、シリコン含有基材などへの熱の流れを減らす、つまり、遮熱を形成し、融点が典型的には少なくとも約１４２６℃（２６００°Ｆ）、より典型的には約１９００℃から約２７５０℃（約３４５０°Ｆから約４９８０°Ｆ）までの範囲であるセラミック材料を含むコーティングを意味する。遮熱コーティングに適しているセラミック材料は、酸化アルミニウム（アルミナ）、つまり、未水和および水和形態を含むＡｌ２Ｏ３を含む化合物および組成物、さまざまなジルコニア、特に、イットリア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、インジア安定化ジルコニア、イッテリビア安定化ジルコニアなど、さらに、そのような安定化されたジルコニアの混合物などの相安定化ジルコニア（例えば、酸化イットリウムなどのさまざまな安定剤金属酸化物とブレンドされたジルコニア）を含む。例えば、好適なジルコニアの説明については、"Kirk-Othmer's Encyclopedia of Chemical Technology", 3rd Ed., Vol. 24, pp. 882-883 (1984)を参照されたい。好適なイットリア安定化ジルコニアは、約１から約２０％のイットリア（イットリアとジルコニアの組合せ重量に基づき）、より典型的には約３から約１０％のイットリアを含むことができる。これらの相安定化ジルコニアは、さらに、ジスプロシア、エルビア、ユウロピア、ガドリニア、ネオジミア、プラセオジミア、ウラニア、およびハフニアなどの１つまたは複数の第２の金属（例えば、ランタニド、またはアクチニド）酸化物を含み、遮熱コーティングの熱伝導性をさらに下げることができる。両方とも参照により組み込まれている、２０００年２月１５日に発行された米国特許第６，０２５，０７８号（Ｒｉｃｋｅｒｂｙ他）、および２００１年１２月２１日に発行された米国特許第６，３３３，１１８号（Ａｌｐｅｒｉｎｅ他）を参照のこと。遮熱コーティングに適しているセラミック材料は、さらに、一般化学式Ａ２Ｂ２Ｏ７のパイロクロアも含み、Ａは価数３＋または２＋の金属（例えば、ガドリニウム、アルミニウム、セリウム、ランタン、またはイットリウム）であり、Ｂは、価数４＋または５＋の金属（例えば、ハフニウム、チタン、セリウム、またはジルコニウム）であり、ＡおよびＢの価数の合計は７である。このタイプの代表的な材料は、ジルコン酸ガドリニウム、チタン酸ランタン、ジルコン酸ランタン、ジルコン酸イットリウム、ハフニウム酸ランタン、ジルコン酸セリウム、セリウム酸アルミニウム、ハフニウム酸セリウム、ハフニウム酸アルミニウムおよびセリウム酸ランタンを含む。２０００年９月１２日に発行された米国特許第６，１１７，５６０号（Ｍａｌｏｎｅｙ）、２００１年１月２３日に発行された米国特許第６，１７７，２００号（Ｍａｌｏｎｅｙ）、２００１年９月４日に発行された米国特許第６，２８４，３２３号（Ｍａｌｏｎｅｙ）、２００１年１１月２０日に発行された米国特許第６，３１９，６１４号（Ｂｅｅｌｅ）、および２００２年５月１４日に発行された米国特許第６，３８７，５２６号（Ｂｅｅｌｅ）は、すべて参照により本明細書に組み込まれているので、参照されたい。
本明細書で使用される「ＣＴＥ」という用語は、材料の熱膨張率を意味し、典型的には、１０−６／°Ｆまたは１０−６／℃単位で定義されている。
本明細書で使用される「含む」という用語は、さまざまな組成物、化合物、成分、コーティング、基材、層、工程などを本発明において結合的に使用できることを意味している。したがって、「含む」という用語は、「〜本質的になる」および「〜なる」というより制限的な用語を包含する。
本明細書で使用されているすべての量、部、比、および割合は、特に断りのない限り、重量単位である。
本発明の物品およびプロセスのいくつかの実施形態は、高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層を含む、シリコン含有基材用の従来のＥＢＣシステムが、硫酸塩および／または塩化物など、さらには、ＣＭＡＳなどの酸化物などの腐食剤により引き起こされる雰囲気攻撃に対する十分な耐性を有さない場合があるという発見に基づいている。米国特許第６，７５９，１５１号（Ｌｅｅ他）では、外部低ＣＴＥ希土類ケイ酸塩層を含むことができるＥＢＣを開示しているので、参照されたい。これらの腐食剤により引き起こされる雰囲気攻撃のため、高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層は、ＥＢＣの厚さ分全体にわたる経路および界面をもたらし、そのため、これらの腐食剤、さらには蒸気はＥＢＣを容易に、完全に貫通することが可能である。これらの腐食剤（さらに蒸気）は、単純にＥＢＣの表面を（例えば、大量拡散により）攻撃するのではなく、代わりに、ＥＢＣ内に形成される経路および界面のせいでＥＢＣを全面に広がる形で攻撃するため、時間が経つうちに、ＥＢＣの分解速度は典型的に加速される。
ＥＢＣ内に形成されるこれらの多孔性の経路および界面は、雰囲気攻撃速度を加速するほかに、他の悪影響も引き起こしうる。ＥＢＣの厚み全体を通る有害な化学種（例えば、腐食剤など）は、さらに、ムライト反応バリア層およびシリコン／シリカスケール結合コート層、および潜在的に、シリコン含有基材などの、ＥＢＣの耐腐食性の低い層に到達し、そこに悪影響を及ぼしうる。例えば、結合コート層に到達した有害化学種は、結合コート層とＥＢＣの他のオーバーレイ層との間の界面に悪影響を及ぼしうる。その結果、下にある結合コート層から、全体または一部、ＥＢＣのオーバーレイ層の早期破砕が生じる可能性がある。
本発明の物品およびプロセスのいくつかの実施形態では、高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層に対し耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤を付与することによりこれらの腐食剤（例えば、硫酸塩または塩化物、および／またはＣＭＡＳなどの酸化物）による前記のＬｅｅ他の特許文献のＥＢＣの高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層の攻撃により引き起こされる問題を解決する。アルミナ／アルミン酸塩密封剤は、カルシウム、マグネシウム、ナトリウムなどの硫酸塩および／または塩化物、またはそれらの混合物（例えば、海塩）により、またはカルシウム、マグネシウムなどの酸化物、またはＣＭＡＳなどのそれらの混合物などの腐食剤により引き起こされる雰囲気攻撃に耐性を有する。アルミン酸カルシウムなどのアルミン酸塩の場合、耐食密封剤は、さらに、蒸気などの高温水性雰囲気による攻撃に対する耐性をＥＢＣに付与することも可能である。アルミナ／アルミン酸塩密封剤は、ＥＢＣの高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層を分解から保護するだけでなく、シリコン含有基材と共に、シリコン／シリカスケール結合コート層などの、高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層の下のＥＢＣの耐食性の低い層も保護する。例えば、耐食アルミナ／アルミン酸塩層密封剤は、下にある結合コート層からのＥＢＣのオーバーレイ層の早期破砕を防止することができる。
これらの耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤は、物品が高温腐食雰囲気、特に通常ガスタービンエンジン動作中に出現するより高い温度の腐食雰囲気で動作、またはそこに曝される、シリコン含有基材用の高金属（例えば希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層を含むＥＢＣシステムを含むさまざまな物品と併用される。これらの物品は、タービンエンジン（例えば、ガスタービンエンジン）パーツおよびコンポーネントの形態とすることができ、これらは、タービンブレード、ベーン、およびブリスクなどのタービンエーロフォイル、タービンシュラウド、タービンノズル、ライナ、デフレクタ、およびそれぞれのドームアセンブリなどの燃焼器コンポーネント、ガスタービンエンジンのオーギュメンタハードウェアなどを含む。シリコン含有基材の上に載る高金属（例えば希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層を有するＥＢＣシステム用の本発明のいくつかの実施形態で使用される耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤は、タービンブレードおよびベーン、および特にそのようなブレードおよびベーンのエーロフォイル部分の形態の物品に特に有用である。しかし、本発明の物品のいくつかの実施形態の以下の説明は、タービンブレードおよびベーン、特にそれらのブレードおよびベーンを含むそのエーロフォイル部分を参照しているが、これらの耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤は、高金属（例えば希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層と共にオーバーレイＥＢＣシステムを有するシリコン含有基材を含む他の物品と併用できることも理解されるであろう。
本発明のさまざまな実施形態は、後述のように図面を参照することによりさらに説明される。図面を参照すると、図１は、タービンブレードまたはタービンベーンなどのガスタービンエンジンのコンポーネント物品、および特に、１０と一般に示されているタービンブレードを示している。（タービンベーンは、関連部分に関して類似の外観を有する。）ブレード１０は、一般に、ガスタービンエンジンの運転中に高温燃焼ガスが当てられ、したがって表面が高温水性雰囲気（例えば、蒸気）だけでなく、海塩またはＣＭＡＳなどの他の腐食剤による潜在的雰囲気攻撃に曝される、エーロフォイル１２を備える。エーロフォイル１２は、凹状の１４として示されている「高圧側」、および凸状であり、ときには、「低圧側」または「後側」とも呼ばれる１６として示されている吸引側を有する。動作時に、高温燃焼ガスが、高圧側１４に当てられる。ブレード１０は、ブレード１０の根元部分２０に形成されているダブテール１８でタービンディスク（図に示されていない）に固定される。ブレード１０のいくつかの実施形態では、多数の内部通路は、エーロフォイル１２の内部を通り、エーロフォイル１２の表面内の２２として示されている開口部で終わる。動作中、冷却用空気の流れは、内部通路（図に示されていない）を通り、エーロフォイル１２を冷やすか、または温度を下げる。
図２を参照すると、シリコン含有基材を含むブレード１０のエーロフォイル１２の基部材料は、一般に３０として示されている。基材３０の表面３４は、基材加工汚染を除去して（例えば、表面３４を清浄化する）接着性を改善する、表面３４上の保護または接着改善シリカスケールを実現するなどのため、雰囲気バリアコーティングをその表面に形成する前に前処理することができる。例えば、基材３０は、表面３４をグリットブラスト工程に通すことにより前処理することができる。このグリットブラスト工程は、典型的には、炭化ケイ素ファイバ強化ＣＭＣ基材などの基材３０の表面３４に損傷が生じないように、慎重に行われる。また、グリットブラスト法に使用される粒子は、望ましくない汚染を除去できるように十分堅くなければならないが、基材３０の著しい侵食除去を引き起こすほど堅いものであってはならない。グリットブラスト法で典型的に使用される研磨粒子は、基材３０の表面３４に対する著しい衝撃損傷を防ぐように十分小さい。基材３０、例えば、炭化ケイ素ＣＭＣ基材を加工する場合、グリットブラスト法は、典型的に、アルミナ粒子を使って実行され、その粒子サイズは、典型的には、約３０ミクロン以下、その速度は、典型的には、約１５０から約２００ｍ／秒である。
図２に示されているように、基材３０の表面３４に隣接し、被さっているのは、一般に４２として示されている雰囲気バリアコーティング（ＥＢＣ）である。図２を参照すると、ＥＢＣ４２は、典型的にはＥＢＣ４２の基材３０への接着性を改善する結合コート層を実現する、保護シリカスケール層を実現する、シールコートを実現するなどのために、表面３４に隣接し、それに被さる任意選択の内層５０を含むことができることがわかる。この任意選択の内層５０は、典型的には、約１から約１０ミル（約２５から約２５４ミクロン）、より典型的には、約１から約６ミル（約２５から約１５２ミクロン）の厚さを有する。この任意選択の内層５０は、結合コード層を実現するシリコンを含むことができ、保護および／または結合コート層を実現するシリカスケールを含むことができ、炭化ケイ素シールコートなどのシリコン含有シールコートなどを含むことができる。例えば、シリコン含有基材３０の小さな部分または断片を事前酸化し、保護シリカスケール内層５０を形成すると都合がよい場合がある。この事前酸化されたシリカスケール層５０は、例えば、シリコン含有基材３０（例えば、炭化ケイ素基材）を約８００℃から約１２００℃の温度に、約１５分から約１００時間の間、曝すことにより形成することができる。
図２にさらに示されているように、ＥＢＣ４２は、外部バリア層６６と例えば、内層５０との間の接着性の低下を防ぐために、典型的には高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層６６と任意選択の内層５０またはより高い動作温度で外部バリア層６６内の高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩と潜在的に反応しうるシリコンを含む基材３０との間に反応障壁を備えることを目的として、またはそのような機能のため、内層５０に隣接し、その上に被さり、高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層６６の下にある（つまり、内層５０と外部バリア層６６との間にある）一般に５８として示されている任意選択の中間層を含むこともできる。中間反応バリア層６６は、典型的には、約０．５から約１０ミル（約１３から約２５４ミクロン）、より典型的には、約１から約６ミル（約２５から約１５２ミクロン）の厚さを有する。この任意選択の中間層５８は、例えば、ムライト、希土類ジシリケート、またはそのムライトと希土類ジシリケートの組合せを含むことができる。例えば、これらの組合せは、ムライト約４０から約８０％を、希土類ジシリケート約２０から約６０％と共に含むことができる。この任意選択の中間層５８は、典型的には、本質的に外部バリア層６６内の希土類ケイ酸塩と内層５０または基材３０のいずれかの中のシリコン／シリカスケールとの間に非常に満足のゆく反応障壁をもたらすムライトからなる。この任意選択の中間層５８は、遮熱コーティングを形成することについて以下で説明されているように、または当業者によく知られているように物理的気相成長（ＰＶＤ）法（例えば、電子ビーム物理的気相成長（ＥＢ−ＰＶＤ）、イオンプラズマなど）、熱溶射法（例えば、空気プラズマ溶射などのプラズマ溶射）、化学気相成長（ＣＶＤ）法などの従来のコーティング法を使用することにより形成することができる。
さらに図２に示されているように、ＥＢＣ４２は、さらに、典型的には高温水性雰囲気（例えば、蒸気）から保護することを目的とする、またはそのような機能のための、中間層５８に隣接し、その上に被さる一般に６６として示されている高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層を含む。この外部バリア層６６は、少なくとも約０．５ミル（約１３ミクロン）の厚さ、典型的には、約１から約３０ミル（約２５から約７６２ミクロン）の厚さ、より典型的には約２から約８ミル（約５１から約２０３ミクロン）の範囲の厚さを有する。この外部バリア層６６は、遮熱コーティングを形成することについて以下で説明されるような物理的気相成長（ＰＶＤ）法（例えば、電子ビーム物理的気相成長（ＥＢ−ＰＶＤ）、イオンプラズマなど）、熱溶射法（例えば、空気プラズマ溶射などのプラズマ溶射）、化学気相成長（ＣＶＤ）法などの従来のコーティング法、さらには、耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤層を形成することについて以下で説明されているようなスラリゲルコーティング蒸着法、拡散表面焼結または反応焼結／結合法などを使用することにより形成することができる。他のバリア層６６も、酸化物反応結合により形成することができる。この方法では、コーティングされるべき下にある層の表面（例えば、基材３０の表面３４）は、まず最初に事前酸化処理し、適切な高さの（例えば、約１３５０℃までの）温度で、十分に長い期間（例えば、約１００時間まで）をかけてシリカを形成し、シリカスケール（例えば、内層５０）を形成する。このシリカスケール層を、高金属酸化物（例えば、希土類金属酸化物）「粉体層」に「ディッピング」するか、または他の何らかの方法で接触させ、次いで、発火または加熱し（例えば、最高約１３５０℃までの温度に）、シリカを金属酸化物と反応させて外側バリア層６６を形成し、基材３０の表面３４に結合する。
さらに図２に示されているように、外部バリア層６６に隣接し、またその上に被さるのは、一般に７４として示されている外部耐食密封剤層の形態の耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤の一実施形態である。外部耐食密封剤層７４の厚さは、典型的には最大約３０ミル（約７６２ミクロン）までであり、より厚い層の厚さは、より典型的には約２から約３０ミル（約２５から約７６２ミクロン）の範囲である。より典型的には、外部耐食密封剤層７４は、比較的薄い。このような比較的薄い外部耐食密封剤層７４の厚さは、最大約３ミル（約７６ミクロン）までであり、厚さは典型的には約０．０８から約３ミル（約２から約７６ミクロン）の範囲とすることができる。耐食密封剤層７４は、典型的には、ＥＢＣ４２および特に外部バリア層６６を腐食剤（例えば、硫酸塩または塩化物、および／またはＣＭＡＳなどの酸化物）による雰囲気攻撃から保護するために比較的密度の高い構造を持つように形成される。耐食密封剤層７４用にこのような高密度構造を作るのに適したプロセスは、後述のように、遮熱コーティングを蒸着する、当業者によく知られている、化学気相成長（ＣＶＤ）法、パックセメンテーション法など、さらには、物理的気相成長（ＰＶＤ）法（例えば、電子ビーム物理的気相成長（ＥＢ−ＰＶＤ）、イオンプラズマなど）、熱溶射法（例えば、空気プラズマ溶射などのプラズマ溶射）など、および特に、後述のようなスラリゲルコーティング蒸着法および反応焼結／結合法を含む。
厚さ例えば最大約３ミルまで（７６ミクロン）の比較的薄い耐食密封剤層７４を形成する際に、本発明のスラリゲルコーティング蒸着プロセスのいくつかの実施形態は、特に有用な場合がある。比較的薄い耐食密封剤層７４を形成するスラリゲルコーティング蒸着は、典型的には、スラリまたはゲルコーティング組成物からの耐食アルミナ／アルミン酸塩物質の粒子を蒸着し、その後、蒸着された粒子を十分に高い温度まで加熱し、粒子を溶融または焼結して溶融耐食密封剤層７４にすることを伴う。同一出願人による、１９９８年６月２日に発行された米国特許第５，７５９，０３２号（Ｓａｎｇｅｅｔａ他）、１９９９年１１月１６日に発行された米国特許第５，９８５，３６８号（Ｓａｎｇｅｅｔａ他）、および２００１年９月２５日に発行された米国特許第６，２９４，２６１号（Ｓａｎｇｅｅｔａ他）（関連部分は参照により本明細書に組み込まれている）には、好適なスラリゲルコーティング蒸着法が説明されているので参照されたい。
耐食アルミナ／アルミン酸塩物質の粒子に加えて、スラリまたはゲル組成物は、液体担体も含む。液体担体の制限しない実施例としては、水、エタノールなどの低級アルコール（つまり、主鎖内の炭素原子が１〜４個ある）、テトラクロロメタンなどのハロゲン化炭化水素系溶剤、およびこれらの物質のどれかの親和性のある混合物がある。液体担体の選択は、後処理時に必要な蒸発速度、下にある外部バリア層６６へのスラリまたはゲルの接着に対する担体の効果、担体内の添加物およびその他の成分の溶解度、担体内の粒子の「分散性」（例えば、粉末）、さらに、取り扱い要件、コスト、入手性、環境／安全上の注意などのさまざまな因子に依存する。液体担体の量は、通常、懸濁液中のスラリまたはゲルの粒子を保持しつつ最小にされる。そのレベルよりも高い量を使用して、スラリまたはゲルからの粒子を蒸着するために使用される方法に応じて、スラリまたはゲル組成物の粘度を調整することができる。
スラリまたはゲル組成物は、スリップキャスティング、ブラシペインティング、ディッピング、溶射、またはスピンコーティングを含む、当業でよく知られているさまざまな手法により蒸着することができる。溶射コーティングは、多くの場合、スラリまたはゲルからの粒子をエーロフォイル１２などのタービンコンポーネントに蒸着する最も簡単な方法である。溶射用のスラリまたはゲルコーティングの粘度は、使用する液体担体の量を変えることにより頻繁に調整することができる。
スラリまたはゲルからの粒子を蒸着した後、蒸着粒子を十分な温度になるまで加熱または発火させ、粒子を溶融または焼結して、溶融耐食密封剤層７４にする。蒸着粒子を加熱／発火させる適切な温度は、もちろん、スラリまたはゲル中の特定のアルミナ／アルミン酸塩粒子を含む、さまざまな因子に左右される。典型的には、蒸着粒子を約１２０４℃から約１３１５℃（約２２００°Ｆから約２４００°Ｆ）までの範囲、より典型的には、約１２３２℃から約１２８８℃（約２２５０°Ｆから約２３５０°Ｆ）までの範囲の温度に加熱／発火させることは、蒸着粒子を溶融し焼結して溶融耐食密封剤層７４にするのに、通常は十分である。典型的には、蒸着されるスラリ内のアルミナ／アルミン酸塩粒子の粒子サイズは、約１０ナノメートルから約１０ミクロンまでの範囲である。アルミナ／アルミン酸塩粒子の粒子サイズは、所定のアルミナ／アルミン酸塩組成物の焼結能力（拡散速度）に基づいて選択されるべきである。前記の温度範囲内で発火／加熱するときには、通常、蒸着粒子を溶融し焼結して、溶融密封剤層７４にできるようにするためにさらに細かい（小さい）粒子サイズが望ましい。それとは別に、このような比較的薄い耐食密封剤層７４は、アルミナ酸化物および金属酸化物粉末がスラリ内で組み合わされ、次いで、蒸着され組み合わされた粉末が焼結され、耐食密封剤層７４を形成する反応焼結／結合を伴う本発明のプロセスの一実施形態により形成することができる。この焼結工程において、蒸着粉末中のアルミナおよび金属酸化物は反応して、所望のアルミン酸塩密封剤層７４を形成する。
比較的薄い耐食密封剤層７４をもたらすことに加えて、本発明のスラリゲルコーティング蒸着法のいくつかの実施形態、さらに、本発明の反応焼結／結合法のいくつかの実施形態を使用して、ＥＢＣ４２の１つまたは複数の層を比較的薄い層として形成し、耐食密封剤層７４およびＥＢＣ４２の比較的薄い組合せを得ることができる。例えば、外部バリア層６６は、この方法で形成できるであろう。それとは別に、ＥＢＣ４２を含む層のすべて（例えば、層５０、５８、および６６）は、この方法で形成できる。
それとは別に、耐食密封剤層７４の利点は、耐食アルミナ／アルミン酸塩物質の前駆体（例えば、アルファアルミナを形成するためのアルミニウムアルコキシド）で十分に多孔性である高金属（例えば希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層６６を処理し、次いで、多孔性外部バリア層６６内の浸潤前駆体を耐食アルミナ／アルミン酸塩物質に転換し、耐食アルミナ／アルミン酸塩物質が雰囲気攻撃に対抗して多孔性外部バリア層６６を効果的に封止し、多孔性外部バリア層６６内の高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩と組み合わさり（例えば、前駆体の転換時に）、雰囲気攻撃などに耐性を有する焼結組成物を形成するようにすることにより得られる。同一出願人による２００４年６月１７日に発行された米国特許出願公開第２００４０１１５４７０号（Ａｃｋｅｒｍａｎ他）（関連部分が参照により組み込まれている）では、アルファアルミナなどの浸潤アルミナを形成するのに適している浸潤法の一実施形態が説明されているので参照されたい。Ａｃｋｅｒｍａｎ他の特許文献の方法では、アルファアルミナなどの浸潤アルミナの形成を開示しているが、これは、適切な修正により、アルミン酸塩化合物、特にアルミン酸タンタルおよびアルミン酸ニオブなどを浸潤するために使用することもできる。
Ａｃｋｅｒｍａｎ他の特許文献の方法では、当業者によく知られている、アルミニウムアルコキシド、アルミニウムβ−ジケトナート、アルミニウムアルキル、アルミニウムゾルなどの、アルミナに転換できるアルミナ前駆体を溶解した、または他の何らかの方法で中に分散させた液体浸潤組成が形成される。例えば、１９８５年７月３０日に発行された米国特許第４，５３２，０７２号（Ｓｅｇａｌ）、１９９１年９月１０日に発行された米国特許第５，０４７，１７４号（Ｓｈｅｒｉｆ）、１９９４年６月２８日に発行された米国特許第５，３２４，５５４号（Ｓｐｅｎｃｅ他）、および１９９７年１月７日に発行された米国特許第５，５９１，３８０号（Ｗｒｉｇｈｔ）は、すべて参照により本明細書に組み込まれており、参照されたい。本明細書で使用されるのに好適ないくつかの代表的なアルミニウムアルコキシドは、アルミニウムメトキシド、アルミニウムエトキシド、アルミニウムプロポキシドまたはイソプロポキシド、アルミニウムブトキシド、アルミニウムｓｅｃ−ブトキシド、およびそれらの混合物を含む。両方とも参照により組み込まれている、１９８５年７月３０日に発行された米国特許第４，５３２，０７２号（Ｓｅｇａｌ）、および１９９７年１月７日に発行された米国特許第５，５９１，３８０号（Ｗｒｉｇｈｔ）を参照のこと。これらのアルミナ前駆体、特にアルミニウムアルコキシドは、通常は、当業者によく知られている水、または水と、アルコール、例えば、エタノール、メタノール、イソプロパノール、およびブタノール、およびアルデヒド、ケトン、例えば、アセトンなどの極性有機溶媒液体、および他の極性有機溶媒、さらに、極性有機溶媒の混合物との組合せの中に溶け、液体浸潤組成物を形成する。典型的には、この液体浸潤組成物は、約５から約５０％のアルミナ前駆体、より典型的には、約１０から約２０％のアルミナ前駆体を含む。
液体浸潤組成物を、アルミナ前駆体が外部バリア層６６の多孔性構造内に浸かり、その多孔性構造により吸着され、その多孔性構造に浸潤することができるような方法で、多孔性外部バリア層６６上に、またはそこへ注ぐ、蒸着する、または他の何らかの方法で塗布することができる。使用される液体浸潤組成物の量は、多孔性外部バリア層６６を浸潤するアルミナ前駆体が、アルファアルミナに転換されたときに、多孔性外部バリア層６６を雰囲気攻撃から保護する十分な量の耐食アルファアルミナを十分供給できるような量である。アルミナ前駆体を十分に浸潤させるために要する期間は、使用される特定の液体浸潤組成物、液体浸潤組成物内のアルミナ前駆体の濃度、液体浸潤組成物を多孔性バリア層６６に施す方法、層６６の組成および構造を含むさまざまな因子、および当業者によく知られている同様の因子に依存する。典型的には、多孔性外部バリア層６６は、約０．１から約３０分まで、より典型的には、約１から約５分までの期間に、液体浸潤組成物で処理される。
多孔性外部バリア層６６が、アルミナ前駆体を十分に浸潤させられる期間の間に液体浸潤組成物で処理された後、多孔性外部バリア層６６内の浸潤アルミナ前駆体は、アルミナに転換される。浸潤アルミナ前駆体をアルミナに転換する特定の方法は、さまざまな因子、特に使用されるアルミナ前駆体の種類に依存する。アルミニウムアルコキシドなどのアルミニウム前駆体の場合、浸潤前駆体は、通常、アルファアルミナにその場で熱転換される。これは、典型的には、浸潤アルミニウムアルコキシドを少なくとも約１２００°F（６４９℃）に、より典型的には、約６４９℃から約８３３℃（約１２００°Ｆから約１５００°Ｆ）までの範囲の温度まで、浸潤アルミニウムアルコキシドをアルファアルミナに転換できる十分な期間、典型的には、少なくとも約２時間、より典型的には少なくとも約４時間かけて、加熱することにより達成される。熱的に加熱されたアルミニウムアルコキシドは、典型的には、微粉化されたアルファアルミナに転換される。熱転換時に、浸潤アルファアルミナは、さらに、多孔性外部バリア層６６内の高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩と組み合わせるか、または焼結し、雰囲気攻撃に耐える焼結組成物を形成することができる。
さらに図２に示されているように、ＥＢＣ５０は、さらに、遮熱コーティング物質を含む、一般に８０として示されている１つまたは複数の断熱層を含む任意選択のオーバーレイ遮熱コーティング（ＴＢＣ）を備えることもできる。ＴＢＣ８０は、図２に、耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤層７４に隣接するものとして示されているが（アルミナ／アルミン酸塩密封剤が外部バリア層６６内で浸潤される場合は、ＴＢＣ８０は、外部バリア層６６に隣接するであろう）、ＣＴＥ親和性のため追加の転位層を間に入れることができる（つまり、ＴＢＣ８０と耐食密封剤層７４との間）。ＣＴＥ親和性のためＴＢＣと共にＢＳＡＳ、ムライト、および／またはアルミナを含むそのような転位層を使用することについては、同一出願人による２００２年９月３日に発行された米国特許第６，４４４，３３５号（Ｗａｎｇ他）（その関連部分は参照により組み込まれている）を参照のこと。
ＴＢＣ８０は、断熱特性をもたらす適当な厚さを持つことができる。ＴＢＣ８０は、典型的には、約１から約３０ミル（約２５から約７６９ミクロン）、より典型的には、約３から約２０ミル（約７５から約５１３ミクロン）の厚さを有する。ＴＢＣ８０（転位層あり、またはなし）は、さまざまな従来の遮熱コーティング法により耐食密封剤層７４上に、またはそれに被さるように形成することができる。例えば、ＴＢＣ８０は、電子ビームＰＶＤ（ＥＢ−ＰＶＤ）、フィルタードアーク蒸着などの物理的気相成長（ＰＶＤ）、またはスパッタリングにより形成することができる。本明細書で使用するのに適しているスパッタリング法は、限定はしないが、直流ダイオードスパッタリング、高周波スパッタリング、イオンビームスパッタリング、反応性スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、およびステアードアークスパッタリングを含む。ＰＶＤ法は、垂直マイクロクラック構造などの歪み耐性または許容性のある微細構造を持つＴＢＣ８０を形成することができる。ＥＢ−ＰＶＤ法は、コーティング密着性を増強する、歪み耐性の高い柱状構造を形成することができる。例えば、ＥＢ−ＰＶＤ法を含むＰＶＤ法によりＴＢＣを適用するためのさまざまな装置および方法を開示している、１９９７年７月８日に発行された米国特許第５，６４５，８９３号（Ｒｉｃｋｅｒｂｙ他）（特に列３、行３６〜６３）および１９９８年２月１０日に発行された米国特許第５，７１６，７２０号（Ｍｕｒｐｈｙ）（特に列５、行２４〜６１）を参照のこと（すべて、参照により本明細書に組み込まれている）。
ＴＢＣ８０を形成するための他の手法は、熱溶射である。本明細書で使用される「熱溶射」という用語は、セラミック材料の加熱および典型的にはその少なくとも一部または全部の熱溶融、および典型的には加熱されたガス流内への封じ込めによる耐食密封剤層７４上への加熱／溶融されたセラミック材料の蒸着を伴うＴＢＣ８０の溶射、塗布、または他の何らかの方法による蒸着を行う方法を意味する。好適な熱溶射蒸着法は、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）および真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）などのプラズマ溶射、高速フレーム（ＨＶＯＦ）溶射、爆発溶射、ワイヤ溶射など、さらにこれらの手法の組合せを含む。本明細書で使用するのに特に好適な熱溶射蒸着法は、プラズマ溶射である。適当なプラズマ溶射法は、当業者によく知られている。例えば、"Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology", 3rd Ed., Vol. 15, page 255、およびそこに挙げられている参考文献、さらに１９９４年７月２６日に発行された米国特許第５，３３２，５９８号（Ｋａｗａｓａｋｉ他）、１９９１年９月１０日に発行された米国特許第５，０４７，６１２号（Ｓａｖｋａｒ他）、および１９９８年５月３日に発行された米国特許第４，７４１，２８６号（Ｉｔｏｈ他）（参照により本明細書に組み込まれる）には、プラズマ溶射を実行するための装置を含む、本明細書で使用するのに適しているプラズマ溶射のさまざまな態様を説明しているので、参照されたい。
本発明のさまざまな実施形態について説明されているが、これは、付属の請求項で定義されているように、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、さまざまな修正を加えられることは当業者には明白なことであろう。
耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤、雰囲気バリアコーティング（ＥＢＣ）、およびシリコン含有基材を含む本発明のいくつかの実施形態が有用であるタービンブレードの斜視図である。 シリコン含有基材、ＥＢＣシステム、耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤層、および任意選択の遮熱コーティング（ＴＢＣ）を備える、本発明の物品の一実施形態を示す、直線２−２にそって取った、図１のタービンブレードのエーロフォイル部分を通る拡大断面図である。
符号の説明
１０ タービンブレード
１２ エーロフォイル
１４ エーロフォイル１２の高圧側
１６ エーロフォイル１２の低圧側
１８ ダブテール
２０ ブレード１０の根元部分
２２ 冷却用孔
３０ シリコン含有基材
３４ 基材表面
４２ 雰囲気バリアコーティング（ＥＢＣ）
５０ ＥＢＣ４２の任意選択の内部シリコン結合コート、シリカスケールまたはＳｉＣシールコート層
５８ ＥＢＣの任意選択の中間ムライト／希土類ジシリケート反応バリア層
６６ ＥＢＣ４２の高金属（例えば、希土類）ケイ酸塩含有外部バリア層
７４ 耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤層
８０ 任意選択の遮熱コーティング（ＴＢＣ）

Claims (10)

  1. 物品（１０）であって、
    シリコン含有基材（３０）と、
    高金属ケイ酸塩含有外部バリア層（６６）を含む、前記基材（３０）を覆う雰囲気バリアコーティング（４２）と、
    前記外部バリア層（６６）用の耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤（７４）とを含む物品（１０）。
  2. 前記耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤は、前記外部バリア層（６６）に隣接するオーバーレイ層（７４）を形成する請求項１記載の物品（１０）。
  3. 前記耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤層（７４）は、最大７６２ミクロンまでの厚さを有する請求項１乃至２のいずれか１項記載の物品（１０）。
  4. 前記耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤層（７４）は、２から７６ミクロンまでの厚さを有する請求項１乃至３のいずれか１項記載の物品（１０）。
  5. 前記耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤は、多孔性外部バリア層（６６）内に浸潤される請求項１記載の物品（１０）。
  6. 前記耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤は、アルファアルミナを含む請求項１乃至５のいずれか１項記載の物品（１０）。
  7. 前記耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤は、アルミン酸カルシウム、アルミン酸タンタル、アルミン酸ニオブ、アルミン酸スカンジウム、アルミン酸イットリウム、アルミン酸ランタン、アルミン酸ジスプロシウム、アルミン酸ホルミウム、アルミン酸エルビウム、アルミン酸ツリウム、アルミン酸イッテルビウム、アルミン酸ルテチウム、アルミン酸セリウム、アルミン酸プラセオジウム、アルミン酸ネオジウム、アルミン酸プロメチウム、アルミン酸サマリウム、アルミン酸ユウロピウム、アルミン酸ガドリニウム、アルミン酸テルビウム、またはそれらの親和性を有する組合せを含む請求項１乃至５のいずれか１項記載の物品（１０）。
  8. 前記耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤は、アルミン酸カルシウムを含む請求項７記載の物品（１０）。
  9. 前記外部バリア層（６６）は、ケイ酸スカンジウム、ケイ酸イットリウム、ケイ酸ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、希土類ケイ酸塩、またはそれらの組合せを含む請求項１乃至８のいずれか１項記載の物品（１０）。
  10. プロセスであって、
    （ａ）高金属ケイ酸塩含有外部バリア層（６６）を含むオーバーレイ雰囲気バリアコーティング（４２）を有するシリコン含有基材（３０）を設ける工程と、
    （ｂ）外部バリア層（６６）の上に耐食アルミナ／アルミン酸塩密封剤層（７４）を形成する工程とを含むプロセス。
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