JP2007197307A5

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Publication number: JP2007197307A5
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Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2026-12-11

Description

部品の環境障壁コーティング及びタービンエンジン部品

本発明は、一般的には、環境障壁コーティングに関し、より具体的には、ケイ素系基板材料製の部品の環境障壁コーティングに関する。

ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する希土類（ＲＥ）二ケイ酸塩環境障壁コーティング（ＥＢＣ）は、ケイ素含有セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）基板材料又は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）基板材料製のガスタービン部品を、供用中の化学的環境に対する有害な曝露から保護する。ＲＥは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕであり、希土類様元素Ｙ及びＳｃも包含する。希土類二ケイ酸塩は、ＣＭＣ基板材料のＣＴＥによく整合している熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。そのような二ケイ酸塩は、部品の供用時及び熱サイクル時に亀裂を生じる傾向が最小限である。しかし、二ケイ酸塩は、タービン燃焼雰囲気中の水蒸気との化学的相互作用によるＳｉＯ２の浸出及び後退に対して脆弱である。そのような浸出により、ＥＢＣにミクロ孔質ミクロ組織を生じ、当初の緻密なＥＢＣが所要の設計寿命未満で多孔質層へと変換される。したがって、そのような二ケイ酸塩は、用途に必要な耐久性を有していない。

ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する希土類（ＲＥ）一ケイ酸塩が、希土類二ケイ酸塩の代わりにＥＢＣとして使用されてきた。ＲＥ一ケイ酸塩は、水蒸気を含む燃焼雰囲気中での揮発製が低く、低い後退率を有する。しかし、一ケイ酸塩は、通常、ＣＭＣ基板材料のＣＴＥに十分に整合していないＣＴＥを有する。その結果、一ケイ酸塩のトップコートは、施工、熱処理及び／又は供用曝露中に亀裂を生じる傾向があり、水蒸気がトップコートに浸透し、表面下の化学反応及び／又は時期尚早なＥＢＣの剥離を生じかねない。そのような亀裂の程度は、コーティング層の厚さ及びコーティング層と基板材料とのＣＴＥの差に直接依存する。

多くの従来のＥＢＣ材料は、プラズマ溶射法を使用して部品の上に堆積される。プラズマ溶射法は、プロセスを大きく修正せずに、広範なコーティング厚さの範囲（約０．００２〜約０．０４０インチ）で多種多様な材料を堆積させる適応性を提供する。しかし、堆積したコーティング材料は、しばしば、溶射プロセス中の迅速な急冷のために、本質的に熱力学的に準安定な状態（無定形相、高温相又は１以上の非平衡相など）にある。高温に曝露されて平衡状態に移行する際に、束縛されたコーティングは様々な寸法変化を受けてコーティング内に応力を生じ、様々なタイプの亀裂挙動を招くことがある。コーティングが亀裂を生じる傾向は、コーティングの厚さに正比例する傾向がある。
米国特許第６，２９６，９４１号公報米国特許第６，３１２，７６３号公報米国特許第６，７５９，１５１号公報米国特許第６，４１０，１４８号公報

このことは、プラズマ溶射によって処理されたＲＥ２ＳｉＯ５コーティングでは特に問題であり、高温曝露時に皮膜厚全体にわたる破壊的な亀裂及び層間剥離の両方をもたらすことが判明している。この場合、コーティング材料の厚さ全体にわたる亀裂は、ＳｉＣ複合材料又はＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料では、約６×１０^-6１／℃〜約７×１０^-6１／℃のコーティング材料のＣＴＥと、約４．５×１０^-6１／℃〜約５．０×１０^-6１／℃の基板材料のＣＴＥとの不整合によって主に駆動されると考えられる。コーティングの層間剥離は、基板材料の非平面領域並びに／或いは幾何学的形状の不連続及び表面の摂動の周りにおいて主に観測される。さらに、層間剥離は、供用温度への最初の加熱サイクル時の寸法変化に起因する。亀裂行為は、約０．５１ｍｍ（０．００２インチ）程度に薄い厚さを有するコーティングについて観測されている。さらに、プラズマ溶射によって処理されたコーティングは、開放気孔、及び／又は通常は閉鎖気孔及び空隙を中断する微小亀裂網を含む傾向がある。ＥＢＣの応用分野では、コーティングにおける開放気孔は、有害であることがある。開放気孔は、水蒸気が迅速に浸透する経路を与えて、水蒸気が介在する酸化及び揮発を受けやすい下にある材料は、局所的な劣化及び／又は悪化が加速する。

一態様において、本発明は、ケイ素を含み、第１熱膨張係数を有する部品の環境障壁コーティングを提供する。環境障壁コーティングは、部品の外表面の少なくとも一部に結合したケイ素ボンドコートを含む。１以上の中間層がケイ素ボンドコートに結合していて、第１熱膨張係数に整合した第２熱膨張係数を有する。１以上の中間層は、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する。保護層が中間層に結合し、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する。表面層は保護層に結合する。表面層は、ＲＥを有し、２：３以上のＲＥ／酸素比を有する。

他の態様において、本発明は、ガスタービンエンジンの部品を提供する。部品は、ケイ素を含む基板材料を含み、第１熱膨張係数を有する。ケイ素ボンドコートは、基板材料の外表面の少なくとも一部に結合する。１以上の中間層が、ケイ素ボンドコートに結合する。１以上の中間層は、第１熱膨張係数に整合した第２熱膨張係数を有し、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７一般組成を有する。保護層が、１以上の中間層に結合し、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する。表面層が、保護層に結合し、ＲＥを含む。表面層は、２：３以上のＲＥ／酸素比を有する。

さらに、環境障壁コーティングを有する部品を製作する方法を開示する。方法は、第１熱膨張係数を有するケイ素を含む部品を提供することを含む。ボンドコートが、部品の外表面の少なくとも一部に結合する。ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する中間層が、ボンドコートに結合する。中間層は、第１熱膨張係数に整合した第２熱膨張係数を有する。ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する保護層が、中間層に結合する。表面層が、保護層に結合する。表面層は、ＲＥを含み、２：３以上のＲＥ／酸素比を有する。

本発明の実施形態は、例えば、セラミックマトリックス複合材基板材料又は窒化ケイ素基板材料を始めとするケイ素系材料の環境障壁コーティングを提供する。さらに、本発明は、環境障壁コーティングを有する部品を製作する方法を提供する。一実施形態では、環境障壁コーティングは、ケイ素ボンドコート、その下の基板材料の膨張係数に整合した熱膨張係数を有する中間層、及び供用中に耐亀裂性であり、かつ下にある部品の設計寿命にわたって堅牢である薄い一様な耐後退性表面層を含む。

本発明の実施形態は、セラミックマトリックス複合材基板材料、窒化ケイ素基板材料、炭化ケイ素基板材料、及び／又は金属ケイ化物基板材料製のガスタービンエンジンの部品と関連する適用に関して以下において記述される。しかし、当業者及び本明細書において提供される教示によって誘導される者には、本発明は、ケイ素系基板材料から製作される任意の適切な部品に同様に適用可能であることが明らかになるであろう。さらに、そのような部品は、非限定的に、他のタービンエンジンを含むシステムに組み込まれ、部品は、システム動作中に極度の熱及び／又は化学条件を受ける。動作条件中、これらの部品は、１３２０℃（２４００°Ｆ）を超える可能性がある材料表面温度において最高で約３２０００時間、燃焼環境にさらされる。

一実施形態では、ガスタービンエンジンの様々な部品は、セラミック材料又はセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）で形成される。特定の実施形態では、ＣＭＣ材料は、ＳｉＣ／ＳｉＣＣＭＣ材料である。ＳｉＣ／ＳｉＣＣＭＣ材料は、ケイ素で含浸し、被覆炭化ケイ素繊維で強化された炭化ケイ素複合材料を含む。一実施形態では、セラミック材料は、ＳｉＣなどのモノリシックセラミック材料である。

図１を参照すると、一実施形態では、環境障壁コーティング１０は、ＣＭＣ基板材料２０製のタービンエンジン部品１５のようなケイ素系材料に施工される。代替として、タービンエンジン部品１５は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）基板材料（図示せず）から製作される。当業者及び本明細書において提供される教示によって誘導される者には、タービンエンジン部品１５は、任意の適切なケイ素系材料から製作することができることが明らかである。

環境障壁コーティング１０は、ＣＭＣ基板材料２０に結合又はその上に堆積されてＣＭＣ基板材料２０に結合した１以上の中間層２５を含む。本明細書で用いる「結合」という用語は、直接結合、及びボンドコート又は中間層などの他の層を経た間接結合を含むことを理解されたい。一実施形態では、中間層２５は、約７６μｍ（３．０ミル）〜約２５０μｍ（１０．０ミル）の全体的な厚さを有する。中間層２５は、基板材料２０の熱膨張係数に整合した熱膨張係数を有する。本明細書において使用される際、熱膨張係数に関する「整合」という用語は、基板材料２０など第２層の熱膨張係数の約±１５％以内の熱膨張係数を有する中間層２５などの第１層を指すことを理解されたい。一実施形態では、中間層２５は、ＣＭＣ基板材料２０の熱膨張係数と同様の熱膨張係数を有する。特定の実施形態では、中間層２５は、ＣＭＣ基板材料２０の熱膨張係数にほぼ等しい熱膨張係数を有する。図１に示されるように、一実施形態では、環境障壁コーティング１０は、中間層２５をＣＭＣ基板材料２０上に施工又は堆積する前に、ＣＭＣ基板材料２０上に施工又は堆積されたケイ素ボンドコート３０を含む。特定の実施形態では、ボンドコート３０は、基板材料２０及び／又は中間層２５に整合した熱膨張係数を有する。

一実施形態では、中間層２５は、非限定的に、Ｙ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔｂ、Ｙｂ及び／又はＬｕを含み、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する１種以上の希土類（ＲＥ）ケイ酸塩から形成された１以上の層を含む。例えば、第１中間層２７はＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７を含む。さらに、中間層２５は、図１に示されるように、第１中間層２７と、耐後退性表面層３５などの外部障壁層との間に位置する第２又は外側中間層２９を含む。２つの中間層２７、２９のみが図１に示されているが、当業者及び本明細書において提供される教示によって誘導される者には、中間層２５は、任意の適切な数の層を含むことができることが明らかである。一実施形態では、層は、約３．０ミル〜約１０．０ミルの合計厚さを有する。１種以上の希土類ケイ酸塩の他に、又は代替として、中間層２５は、１以上の適切な材料層を含んでいてもよく、及び／又は各中間層２７、２９は１種以上の適切な材料を含んでいてもよい。

耐後退性表面層３５は、中間層２５上に施工又は堆積される。一実施形態では、耐後退性表面層３５は、物理蒸着又は化学蒸着のプロセスを使用して、中間層２５上に施工又は堆積される。代替として、耐後退性表面層３５は、所望の化合物の塩の水溶液による含浸を用いて中間層２５に施工され、その化合物を後で分解してミクロ孔に所望の酸化物又は金属をもたらす。耐後退性表面層３５及び／又は含浸層は、非限定的にゾルゲル技術、プラズマ溶射、スラリ噴霧、及び／又はペイント噴霧のプロセスを含めて、当業者及び本明細書において提供される教示によって誘導される者には既知の任意の適切なプロセスを使用して加えることができる。

一実施形態では、耐後退性表面層３５は、外側中間層２９上に一様に施工又は堆積される。この実施形態では、耐後退性表面層３５は、約１２．７μｍ（０．５ミル）〜約５０．８μｍ（２．０ミル）の厚さを有する。耐後退性表面層３５は、供用中の亀裂、水蒸気による浸透、及び／又ははがれを防止又は抵抗するのに適切な厚さを有する。代替実施形態では、耐後退性表面層３５は、亀裂、水蒸気の浸透、及び／又ははがれを防止又は抵抗する適切な厚さを有する。例えば、一実施形態では、耐後退性層は、約２５μｍ（０．００１インチ）未満の厚さを有する。

一実施形態では、耐後退性保護層３６は、非限定的に、Ｙ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔｂ、Ｙｂ、及び／又はＬｕを含めて、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する１種以上の希土類（ＲＥ）ケイ酸塩を含む。耐後退性保護層３６は、下にある中間層２５と化学的適合性であり、高い耐後退性を有する。例えば、耐後退性保護層３６は、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７外表面を含む中間層２５上に施工又は堆積されたＹ２ＳｉＯ５を含んでいてもよい。表面層３８は、下にある保護層３６と化学的適合性であり、高い耐後退性を有する。表面層３８は、保護層３６上に施工又は堆積されたＹ２Ｏ３を含んでいてもよい。当業者及び本明細書において提供される教示によって誘導される者には、耐後退性保護層３６及び耐後退性表面層３８は、１種以上の希土類金属を含む任意の適切な材料を含むことができることが明らかである。

一実施形態では、耐後退性表面層３５は、中間層２５に結合した保護層３６を含む。この実施形態では、保護層３６は、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する。耐後退性表面層３５は、保護層３６に結合した表面層３８をさらに含む。表面層３８は、１種以上のＲＥ、すなわち、Ｙ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔｂ、Ｙｂ及び／又はＬｕを含み、２：３以上のＲＥ／酸素比を有する。表面層３８は、ＲＥ２Ｏ３、ＲＥ金属、ＲＥ含有塩、及び／又はＲＥ含有有機金属材料を含む。適切な有機金属材料は、非限定的にＲＥイソプロポキシド（ＲＥ−［ＯＣＨ（ＣＨ３）２］３）、ＲＥ−トリ−ｎ−ブトキシド（ＲＥ−（ＯＣ４Ｈ９）３）、又はＲＥエトキシド（ＲＥ−（ＯＣ２Ｈ５）３）などのＲＥ含有金属種を含む適切なアルコキシドを非限定的に含む。特定の実施形態では、表面層３８は、ＲＥ２Ｏ３の一般組成を有しているか、或いは気体相と反応してＲＥ２Ｏ３の一般組成を形成する。

一実施形態では、保護層３６は、表面層３８と中間層２５との化学反応によって形成される。特定の実施形態では、ボンドコート３０と中間層２５の間の境界面、及び保護層３６と表面層３８の間の境界面は、ほぼ連続的である。代替として、保護層３６は中間層２５の上に直接堆積され、表面層３８は保護層３６に直接堆積され、中間層の化学反応を実質的に伴わずに、多層環境障壁コーティング１０を形成する。この実施形態では、ボンドコート３０と中間層２５の間、中間層２５と保護層３６の間、及び保護層３６と表面層３８の間の境界面も、ほぼ連続的とすることが可能である。

一実施形態では、中間層２５に含まれる微小空隙表面領域を耐後退性酸化物で含浸して、微小空隙（ミクロボイド）を形成する表面に保護層３６を形成する。微小空隙表面領域又はミクロ組織は、表面層を、微小空隙を生じるに十分な高温で所定の時間水蒸気と反応させることによって、生成させることができる。代替として、微小空隙又は多孔性ミクロ組織は、プラズマ溶射によって生じさせることができる。例えば、微小空隙ＲＥ２ＳｉＯ５の層は、約２４００°Ｆにおいて約１００時間〜約５００時間、水蒸気に富む流動雰囲気に曝露することによって、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７を含む中間層２５の上に生成させることができる。次いで、微小空隙を、化学的適合性の耐水蒸気酸化物で含浸して、耐後退性表面層３５を生成させる。例えば、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の上に生じさせた微小空隙ＲＥ２ＳｉＯ５をＲＥ２Ｏ３で含浸すれば、下にあるＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７中間層２５、ケイ素ボンドコート３０及びＣＭＣ基板材料２５を水蒸気損傷から保護する耐後退性表面層３５（ＲＥ２Ｏ３＋ＲＥ２ＳｉＯ５）を生成させることができる。

特定の実施形態では、中間層２５はＹ２Ｓｉ２Ｏ７を含んでおり、保護層３６は微小空隙Ｙ２ＳｉＯ５層を含んでいてその微小空隙をＹ２Ｏ３で含浸して耐後退性表面層３５を形成する。耐後退性酸化物は、ＣＭＣ基板材料２０のＣＴＥ及び／又は中間層２５のＣＴＥに十分に整合するＣＴＥを有さない可能性があるが、耐後退性表面層３５は、亀裂及び水蒸気浸透を防止する、又はそれに抵抗するように十分薄い。モデリングは、約４．５×１０^-6１／ＣのＣＴＥ及び弾性係数Ｅ＝２８０ＧＰａを有するＹ２Ｓｉ２Ｏ７中間層２５を有するＣＭＣ基板材料に施工された、約６．５×１０^-6１／℃のＣＴＥ及び弾性係数Ｅ＝３０〜４０ＧＰａを有する０．０２５ｍｍ（０．００１インチ）の厚さのＹ２ＳｉＯ５耐後退性表面層が、厚さ全体にわたる亀裂についてひずみエネルギー放出率基準に基づく亀裂限界より下にあるはずであることを示す。

代替実施形態では、耐後退性表面層３６は、耐後退性酸化物の金属酸化物前駆体で含浸した微小空隙表面領域を含む。一実施形態では、上述された微小空隙表面領域は所定濃度の金属で含浸され、後で酸化して耐後退性表面層３５を形成する。含浸剤は、可溶性ＲＥ塩の水溶性又は非水溶性溶液、サブミクロンＲＥ含有粒子の懸濁液、又は乾燥時に金属ＲＥを生成する溶液とすることができる。含浸ＲＥのその後の反応又は酸化は、微小空隙を充填し、気孔表面及び／又は外表面層の上にＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する耐後退性保護層３６を作成する。

特定の実施形態では、Ｙ２ＳｉＯ５及びＹ２Ｏ３を含む密な耐後退性表面層３５を形成するために、中間層２５はＹ２Ｓｉ２Ｏ７を含んでおり、保護層３６は微小空隙Ｙ２ＳｉＯ５層を含んでいてその微小空隙を後でＹで含浸する。このプロセス中、酸化の際の容積増大により、密な表面微小空隙を生じるために、ミクロ孔を充填することが容易になる。Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７などのより厚い中間層２５に結合した密な耐後退性表面層３５は、水蒸気の浸透に対して高度に耐性であり、基板材料２０とのＣＴＥ不整合の結果として亀裂を生じるには薄過ぎる表面領域を作成する。さらに、より厚い中間層２５は、耐後退性表面層３５、並びに表面の調節に好都合な基板が突破される場合、基板材料２０にさらなる保護を提供する。

ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する中間層２５は、当初、水蒸気を含む燃焼雰囲気中で不十分な耐後退性を有する可能性がある。一実施形態では、中間層２５は、ＲＥ２Ｏ３の一般組成を有する薄層でコーティングされる。層は、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７と化学的適合性であるＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する薄い密な保護層３６をその場で形成するように、高温曝露時に化学的に反応する。保護層３６及び耐後退性表面層３５は、高い耐後退性及び高い耐亀裂性を有する。特定の実施形態では、ＲＥ２Ｏ３などの耐後退性酸化物の薄い一様な表面層が、物理蒸着、化学蒸着、ゾル−ゲルコーティング、スラリコーティング、プラズマ溶射、又はペイント噴霧プロセスの少なくとも１つを使用して、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７を含む中間層２５に施工される。ＲＥ２Ｏ３層は、その下のＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７層と反応して、薄いＲＥ２ＳｉＯ５層を形成する。ＲＥ２ＳｉＯ５層は、下にあるＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７層に十分ＣＴＥ整合していないが、ＲＥ２ＳｉＯ５層が、例えば約２５μｍ（０．００１インチ）未満と薄く、反応ＲＥ２Ｏ３＋ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７＝２ＲＥ２ＳｉＯ５の容積変化がわずかに約１％であるために、亀裂は防止又は限定される。さらに、ＲＥ２Ｏ３／ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７反応は、表面亀裂及び気孔の排除又は低減、並びにミクロ組織に有利な表面層の生成において有利であることがある。

一実施形態では、当初のＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７層を、ＲＥ２Ｏ３層の堆積前に、又はその代わりに、無機ＲＥ塩を含む水溶液、ＲＥアルコキシドを含む非水溶液、又は金属ＲＥのキャリアなど、１種以上のＲＥを含む前駆体溶液で含浸する。ＲＥ含有前駆体がＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７層の開放気孔に浸透することにより、高温に曝露されるとき、ＲＥ２ＳｉＯ５が気孔壁の上に形成される。そのようなその場で形成されたＲＥ２ＳｉＯ５は、多孔性ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７基板が水蒸気に曝露されるのをさらに保護する。

一実施形態では、本発明は、環境障壁コーティング１０を有する、ガスタービンエンジン部品１５などの部品を製作する方法を提供する。ガスタービンエンジン部品１５は、ケイ素を含み、第１膨張係数を有する。中間層２５は、ガスタービンエンジン部品１５の外表面に結合される。中間層２５は、ガスタービンエンジン部品１５の熱膨張係数の約±１５％の範囲内にある第２熱膨張係数を有する。具体的な実施形態では、第２中間層が、第１中間層に結合される。この実施形態では、第２中間層は、第１中間層の熱膨張係数と同様又は同一の熱膨張係数を有する。代替として、第２中間層は、第１中間層の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有する。当業者及び本明細書において提供される教示によって誘導される者には、環境障壁コーティング１０は、任意の適切な数の中間層を含むことができることが明らかである。

ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する保護層３６は、外側中間層に結合される。一実施形態では、保護層３６は、中間層２５の上に堆積される。具体的な実施形態では、保護層３６は、金属酸化物前駆体材料と中間層２５との反応によって、中間層２５に結合される。例えば、ＲＥ２ＳｉＯ５を含む保護層３６は、ＲＥ２Ｏ３を含む金属酸化物前駆体材料をＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７を含む中間層２５と反応させることによって形成される。一実施形態では、表面層３８は、保護層３６に結合される。表面層３８は、１種以上のＲＥを含み、２：３以上のＲＥ／酸素比を有する。

代替として、保護層３６は、表面層３８が中間層２５の上に堆積された後、環境障壁コーティング１０を熱処理することによって形成され、中間層２５に結合される。他の代替実施形態では、保護層３６は、環境障壁コーティングＣＭＣ部品の供用中に保護層３６をその場で形成することによって、中間層２５に結合される。

ＳｉＣ／ＳｉＣＣＭＣ又は窒化ケイ素材料部品などのケイ素系部品の上述された環境障壁コーティングは、基板材料と中間層との間のＣＴＥ共存可能性、及び有害な亀裂を示すには薄過ぎる密で高度な耐後退性表面層のために、耐亀裂性である。耐後退性表面層は、下にある層が燃焼大気に曝露されるのを防止又は限定する。環境障壁コーティングは、約２４００°Ｆの温度において最高で約３２，０００供用時間の設計寿命目標を達成するのに十分な堅牢性及び耐後退性を有する。さらに、中間層は、耐後退性表面層並びに表面の調節に好都合な基板が突破される場合、下にある基板材料にさらなる保護を提供する。

環境障壁コーティング及び環境障壁コーティングを含む部品を製作する方法の例示的な実施形態が、上記において詳細に記述されている。環境障壁コーティング及び方法は、本明細書において記述された特定の実施形態に限定されず、むしろ、環境障壁コーティングの部品及び／又は方法のステップは、本明細書において記述された他の部品及び／又はステップとは独立して別々に使用することが可能である。さらに、記述された部品及び／又は方法ステップは、他のコーティング及び／又は方法において、又はそれと組み合わせて定義する、又は使用することもでき、本明細書において記述された環境障壁コーティング及び方法のみでの実施に限定されるものではない。

本発明は、様々な特定の実施形態について記述されたが、当業者なら、本発明は、請求項の精神及び範囲内の修正で実施することができることを理解するであろう。

本発明の一実施形態による、環境障壁コーティングでコーティングされた部品の部分断面側面図である。

１０環境障壁コーティング
１５ガスタービンエンジン部品
２０ＣＭＣ基板材料
２５下にある中間層
２７第１中間層、内側中間層
２９外側中間層
３０ボンドコート
３５耐後退性表面層
３６保護層
３８表面層

Claims

第１熱膨張係数を有するケイ素を含む部品の環境障壁コーティング（１０）であって、
前記部品の外表面の少なくとも一部に結合したケイ素ボンドコート（３０）と、
前記ケイ素ボンドコートに結合し、前記第１熱膨張係数の±１５％以内の第２熱膨張係数を有する１以上の中間層（２５、２７、２９）であって、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７（式中、ＲＥは希土類元素である。）の一般組成を有する１以上の中間層（２５、２７、２９）と、
前記中間層に結合し、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する保護層（３６）と、
前記保護層に結合し、ＲＥを含む表面層（３８）であって、２：３以上のＲＥ／酸素比を有する表面層（３８）と
を備える、環境障壁コーティング（１０）。
前記保護層（３６）が、前記表面層（３８）と前記１以上の中間層（２５、２７、２９）との化学反応によって形成され、前記ボンドコート（３０）、前記１以上の中間層、前記保護層及び前記表面層の間の各境界面がほぼ連続的である、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
前記表面層（３８）がＲＥ２Ｏ３の一般組成を有しているか、或いは気相と反応してＲＥ２Ｏ３の一般組成を形成する（ただし、ＲＥはＹ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕの１種以上である。）、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
前記保護層（３６）が前記１以上の中間層（２５、２７、２９）の上に直接堆積され、前記表面層（３８）が前記保護層の上に直接堆積されて、中間層の化学反応を伴わずに、多層環境障壁コーティングを形成し、前記ボンドコート（３０）、前記１以上の中間層、前記保護層及び前記表面層の間の境界面がほぼ連続的である、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
前記１以上の中間層（２５）が、
前記ケイ素ボンドコートに結合した内側中間層（２７）と、
前記内側中間層に結合し、複数の微小空隙を形成する外側中間層（２９）と
を含んでいて、前記外側中間層が前記表面層（３８）で含浸されて前記複数の微小空隙の各空隙を形成する表面に前記保護層（３６）を形成している、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
前記表面層（３８）が、ＲＥ２Ｏ３、ＲＥ金属、ＲＥ含有塩、及びＲＥ含有有機金属材料の少なくとも１つを含む、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
前記１以上の中間層（２５、２７、２９）が、７６．２μｍ〜２５４μｍの厚さを有する、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
前記表面層（３８）が、１０．２μｍ〜５０．８μｍの厚さを有する、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
第１熱膨張係数を有するケイ素を含む基板材料（２０）と、
前記基板材料の外表面の少なくとも一部に結合したケイ素ボンドコート（３０）と、
前記ケイ素ボンドコートに結合し、前記第１熱膨張係数の±１５％以内の第２熱膨張係数を有する１以上の中間層（２５、２７、２９）であって、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７（式中、ＲＥは希土類元素である。）の一般組成を有する１以上の中間層（２５、２７、２９）と、
前記中間層に結合し、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する保護層（３６）と、
前記保護層に結合し、ＲＥを含む表面層（３８）であって、２：３以上のＲＥ／酸素比を有する表面層（３８）と
を備える、ガスタービンエンジン（１５）部品。
環境障壁コーティングを有する部品の製造方法であって、
第１熱膨張係数を有するケイ素を含む部品を準備する段階と、
前記部品の外表面の少なくとも一部にケイ素ボンドコートを結合させる段階と、
前記第１熱膨張係数の±１５％以内の第２熱膨張係数を有する１以上の中間層であって、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７（式中、ＲＥは希土類元素である。）の一般組成を有する１以上の中間層を前記ケイ素ボンドコートに結合させる段階と、
ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する保護層（３６）を前記中間層に結合させる段階と、
ＲＥを含む表面層（３８）であって、２：３以上のＲＥ／酸素比を有する表面層（３８）を前記保護層に結合させる段階と
を含む方法。