JP2009023340A - 高温使用物品及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基材202及びボンドコート204上に配置された自己封止性の実質的に気密なシール層210に希土類アミノケイ酸塩を含む混合物を適用する。基材は、ケイ素含有セラミックス及びセラミック母材複合材料などの耐熱性材料とする。基材上に自己封止性シール層を配置し、シール層をシール層の少なくとも一部が流れる封止温度に加熱する工程を採用する。
【選択図】図2
Description
炭化ケイ素セラミック母材複合基材を被覆した。基材にケイ素ボンドコートをプラズマ溶射し、次いで組成:62モル%SiO2−13モル%Al2O3−25モル%RE2O3(この場合のREはイットリウム)の希土類アルミノケイ酸塩シール層をプラズマ溶射した。溶射後の基材を切断し、金属顕微鏡で調べ、微細クラック網をアルミノケイ酸塩層全体にわたって観察した。次に被覆基材を空気中1025℃で4時間、さらに1315℃で10時間熱処理した。熱処理済み試料を切断し、金属顕微鏡で調べたところ、熱処理前には見えていた微細クラック網が熱処理後には見えなかった。このことは、熱処理工程中にクラックが封止されたことを示唆する。空気透過度試験で、熱処理後のアルミノケイ酸塩層の空気透過度が溶射したままの状態で測定した透過度より10倍以上低いことが認められ、皮膜の気密性が向上していることが実証された。
プラズマ溶射の堆積法を用いて、二ケイ酸イットリウムの第1層(名目厚さ約100μm)、実施例1に記載した希土類アルミノケイ酸塩の第2層(名目厚さ約75μm)及び二ケイ酸イットリウムの第3層(名目厚さ約175μm)からなる多層皮膜アセンブリを作製した。空気透過度試験で、1315℃で10時間の熱処理後の多層皮膜アセンブリの空気透過度が溶射したままの状態で測定した透過度より10倍以上低いことが認められ、皮膜の気密性が向上していることが実証された。
実施例3
プラズマ溶射の堆積法を用いて、二ケイ酸イットリウムの第1層、実施例1に記載した希土類アルミノケイ酸塩の第2層、二ケイ酸イットリウムの第3層、及び一ケイ酸イットリウムの第4層からなる多層皮膜アセンブリを作製した。第1〜第3層の名目厚さは約75〜125μmで、一ケイ酸塩層の名目厚さは約50〜75μmであった。空気透過度試験で、熱処理(実施例1と同じ)後の多層皮膜アセンブリの空気透過度が溶射したままの状態で測定した透過度より10倍以上低いことが認められ、皮膜の気密性が向上していることが実証された。
この実施例は、シール層が下側のケイ素含有層の劣化を遅延させるのに有効なことを実証する。3つの炭化ケイ素−炭化ケイ素セラミック母材複合試料に、ボンドコートとしてケイ素を名目厚さ約100〜125μmにプラズマ溶射で被覆した。第1試料は、名目厚さ約175〜200μmの二ケイ酸イットリウムの層をプラズマ溶射で被覆した。第2試料は、名目厚さ約75〜100μmの二ケイ酸イットリウムの第1層、名目厚さ約75〜100μmの実施例1の希土類アルミノケイ酸塩の介在(シール)層、及び名目厚さ約175〜200μmの二ケイ酸イットリウムの外層をプラズマ溶射で被覆した。第3試料は、名目厚さ約50〜75μmの一ケイ酸イットリウムの外層を追加した以外は、第2試料と同様の層構成を用いて、プラズマ溶射で被覆した。3つの試料を、90%水蒸気/10%酸素の環境中で1315℃/2時間の曝露サイクルに多数回曝露した。500時間の曝露後、試料を切断し、金属顕微鏡で微細組織について調べ、またケイ素ボンド層とその上の二ケイ酸イットリウム層の界面に形成される酸化物スケールの厚さを測定した。第1試料のケイ素ボンドコートは、厚さが第2及び第3試料について測定した値より5倍程度大きい酸化物層を有し、このことから、第2及び第3試料におけるシール層の存在により優れた気密性が達成され、環境由来種の侵入によるボンドコート劣化を格段に阻止することが実証された。
202 基材
204 ボンドコート
206 トップコート
210 シール層
Claims (50)
- 基材上に自己封止性の実質的に気密なシール層が配置された物品。
- シール層が希土類アルミノケイ酸塩を含有し、希土類アルミノケイ酸塩がシリカ、アルミナ及び1種以上の希土類酸化物を混合又は反応した生成物である、請求項1記載の物品。
- 希土類アルミノケイ酸塩が、イットリウム、スカンジウム、ガドリニウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムからなる群から選択される1種以上の元素を含有する、請求項2記載の物品。
- 希土類アルミノケイ酸塩が約62モル%以下のシリカを含有する、請求項2記載の物品。
- 希土類アルミノケイ酸塩が約60モル%以下のアルミナを含有する、請求項2記載の物品。
- 希土類アルミノケイ酸塩が約33モル%以下の希土類酸化物を含有する、請求項2記載の物品。
- 希土類アルミノケイ酸塩の最大シリカ含量が、アルミナ及び希土類酸化物それぞれの含量の関数であり、アルミナ/シリカ/希土類酸化物組成図において第1組成点(10モル%アルミナ、62モル%シリカ、28モル%希土類酸化物)と第2組成点(40.5モル%アルミナ、48.5モル%シリカ、11モル%希土類酸化物)を通る直線で規定される、請求項2記載の物品。
- 希土類アルミノケイ酸塩の最大アルミナ含量が、シリカ及び希土類酸化物それぞれの含量の関数であり、アルミナ/シリカ/希土類酸化物組成図において第1組成点(40.5モル%アルミナ、48.5モル%シリカ、11モル%希土類酸化物)と第2組成点(58.3モル%アルミナ、27.8モル%シリカ、14モル%希土類酸化物)を通る直線で規定される、請求項2記載の物品。
- 希土類アルミノケイ酸塩の最大希土類酸化物含量が、アルミナ及びシリカそれぞれの含量の関数であり、アルミナ/シリカ/希土類酸化物組成図において第1組成点(10モル%アルミナ、62モル%シリカ、28モル%希土類酸化物)と第2組成点(24.5モル%アルミナ、42.5モル%シリカ、33モル%希土類酸化物)を通る直線で規定される、請求項2記載の物品。
- 希土類アルミノケイ酸塩の組成が、アルミナ/シリカ/希土類酸化物組成図において、
第1組成点(10モル%アルミナ、62モル%シリカ、28モル%希土類酸化物)と第2組成点(40.5モル%アルミナ、48.5モル%シリカ、11モル%希土類酸化物)とを結ぶ第1直線と、
第3組成点(58.3モル%アルミナ、27.8モル%シリカ、14モル%希土類酸化物)と第4組成点(24.5モル%アルミナ、42.5モル%シリカ、33モル%希土類酸化物)とを結ぶ第2直線と、
第1組成点と第4組成点とを結ぶ第3直線と、
第2組成点と第3組成点とを結ぶ第4直線と
で規定される領域で囲まれた範囲内にある、請求項2記載の物品。 - 希土類アルミノケイ酸塩の組成が、アルミナ/シリカ/希土類酸化物組成図において、
第1組成点(12.5モル%アルミナ、61モル%シリカ、26.5モル%希土類酸化物)と第2組成点(38.5モル%アルミナ、49.5モル%シリカ、12モル%希土類酸化物)とを結ぶ第1直線と、
第3組成点(49モル%アルミナ、34モル%シリカ、17モル%希土類酸化物)と第4組成点(24モル%アルミナ、45.5モル%シリカ、30.5モル%希土類酸化物)とを結ぶ第2直線と、
第1組成点と第4組成点とを結ぶ第3直線と、
第2組成点と第3組成点とを結ぶ第4直線と
で規定される領域で囲まれた範囲内にある、請求項2記載の物品。 - 希土類アルミノケイ酸塩の組成が、アルミナ/シリカ/希土類酸化物組成図において、第1組成点(12.5モル%アルミナ、61モル%シリカ、26.5モル%希土類酸化物)と第2組成点(17.5モル%アルミナ、53モル%シリカ、29.5モル%希土類酸化物)とを結ぶ第1線分と、第2組成点と第3組成点(24モル%アルミナ、45.5モル%シリカ、30.5モル%希土類酸化物)とを結ぶ第2線分とで規定される複合線分で規定された範囲内にある、請求項2記載の物品。
- シール層がシール層の内面に配置される追加材料を実質的に含有しない、請求項1記載の物品。
- 基材がケイ素を含有する、請求項1記載の物品。
- 基材が、窒化ケイ素、二ケイ化モリブデン及び炭化ケイ素からなる群から選択される1種以上の材料を含有する、請求項1記載の物品。
- 基材がセラミック母材複合材料を含有する、請求項15記載の物品。
- 複合材料が母材相と補強相とを含み、母材相及び補強相が炭化ケイ素を含有する、請求項15記載の物品。
- 物品がガスタービンアセンブリの部品である、請求項1記載の物品。
- さらに基材とシール層間に配置されたボンドコートを含む、請求項1記載の物品。
- ボンドコートがケイ素を含有する、請求項19記載の物品。
- ボンドコートが、ケイ素元素及びケイ化物から選択される1種以上の材料を含有する、請求項1記載の物品。
- さらにシール層上に配置されたトップコートを含む、請求項1記載の物品。
- トップコートがセラミック材料を含有する、請求項22記載の物品。
- セラミック材料がケイ酸塩、アルミノケイ酸塩及びイットリア安定化ジルコニアからなる群から選択される、請求項23記載の物品。
- トップコートが希土類一ケイ酸塩及び希土類二ケイ酸塩から選択される1種以上の材料を含有する、請求項23記載の物品。
- トップコートが、希土類一ケイ酸塩の外層と希土類二ケイ酸塩の内層を含む、請求項25記載の物品。
- さらに、シール層とボンドコート間に配置された中間層を含み、中間層がシリカに対して実質的に不活性なバリア材料を含有する、請求項19記載の物品。
- バリア材料が希土類二ケイ酸塩を含有する、請求項27記載の物品。
- バリア材料が二ケイ酸イットリウムを含有する、請求項28記載の物品。
- ケイ素を含有する基材と、
基材上に配置された、ケイ素を含有するボンドコートと、
ボンドコート上に配置された、自己封止性の実質的に気密なシール層と、
シール層とボンドコート間に配置された中間層と、
シール層上に配置されたトップコートとを備え、
前記シール層が希土類アルミノケイ酸塩を含有し、希土類アルミノケイ酸塩の組成が、アルミナ/シリカ/希土類酸化物組成図において、第1組成点(10モル%アルミナ、62モル%シリカ、28モル%希土類酸化物)と第2組成点(40.5モル%アルミナ、48.5モル%シリカ、11モル%希土類酸化物)とを結ぶ第1直線と、第3組成点(58.3モル%アルミナ、27.8モル%シリカ、14モル%希土類酸化物)と第4組成点(24.5モル%アルミナ、42.5モル%シリカ、33モル%希土類酸化物)とを結ぶ第2直線と、第1組成点と第4組成点とを結ぶ第3直線と、第2組成点と第3組成点とを結ぶ第4直線とで規定される領域で囲まれた範囲内にあり、
前記中間層がシリカに対して実質的に不活性なバリア材料を含有する、
物品。 - 基材を用意し、
基材上に自己封止性シール層を配置し、
シール層をシール層の少なくとも一部が流れる封止温度に加熱する
工程を含む物品の製造方法。 - 加熱工程で、シール層を封止温度に実質的に気密な層を形成するのに有効な時間維持する、請求項31記載の方法。
- さらに、シール層とボンドコート間に中間層を配置する工程を含み、中間層がシリカに対して実質的に不活性なバリア材料を含有する、請求項31記載の方法。
- バリア材料が二ケイ酸イットリウムを含有する、請求項33記載の方法。
- シール層が希土類アルミノケイ酸塩を含有し、希土類アルミノケイ酸塩がシリカ、アルミナ及び希土類酸化物を混合又は反応した生成物である、請求項31記載の方法。
- 希土類アルミノケイ酸塩が、イットリウム、スカンジウム、ガドリニウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムからなる群から選択される1種以上の元素を含有する、請求項35記載の方法。
- シリカ、アルミナ及び希土類酸化物を約900℃以上の温度でガラス相又は液相を形成するのに有効な相対割合で供給する、請求項35記載の方法。
- 希土類アルミノケイ酸塩の組成が、アルミナ/シリカ/希土類酸化物組成図において、
第1組成点(10モル%アルミナ、62モル%シリカ、28モル%希土類酸化物)と第2組成点(40.5モル%アルミナ、48.5モル%シリカ、11モル%希土類酸化物)とを結ぶ第1直線と、
第3組成点(58.3モル%アルミナ、27.8モル%シリカ、14モル%希土類酸化物)と第4組成点(24.5モル%アルミナ、42.5モル%シリカ、33モル%希土類酸化物)とを結ぶ第2直線と、
第1組成点と第4組成点とを結ぶ第3直線と、
第2組成点と第3組成点とを結ぶ第4直線と
で規定される領域で囲まれた範囲内にある、請求項35記載の方法。 - 希土類アルミノケイ酸塩の組成が、アルミナ/シリカ/希土類酸化物組成図において、
第1組成点(12.5モル%アルミナ、61モル%シリカ、26.5モル%希土類酸化物)と第2組成点(38.5モル%アルミナ、49.5モル%シリカ、12モル%希土類酸化物)とを結ぶ第1直線と、
第3組成点(49モル%アルミナ、34モル%シリカ、17モル%希土類酸化物)と第4組成点(24モル%アルミナ、45.5モル%シリカ、30.5モル%希土類酸化物)とを結ぶ第2直線と、
第1組成点と第4組成点とを結ぶ第3直線と、
第2組成点と第3組成点とを結ぶ第4直線と
で規定される領域で囲まれた範囲内にある、請求項35記載の方法。 - 希土類アルミノケイ酸塩の組成が、アルミナ/シリカ/希土類酸化物組成図において、第1組成点(10モル%アルミナ、62モル%シリカ、28モル%希土類酸化物)と第2組成点(17.5モル%アルミナ、53モル%シリカ、29.5モル%希土類酸化物)とを結ぶ第1線分と、第2組成点と第3組成点(24モル%アルミナ、45.5モル%シリカ、30.5モル%希土類酸化物)とを結ぶ第2線分とで規定される複合線分で規定された範囲内にある、請求項35記載の方法。
- 加熱工程を、物品を用途に送り出す前に行う、請求項31記載の方法。
- 基材がケイ素を含有する、請求項31記載の方法。
- 基材がセラミック母材複合材料を含有する、請求項31記載の方法。
- 物品がガスタービンアセンブリの部品である、請求項31記載の方法。
- さらに、シール層上にトップコートを配置する工程を含む、請求項31記載の方法。
- トップコートが、ケイ酸塩、アルミノケイ酸塩及びイットリア安定化ジルコニアからなる群から選択されるセラミック材料を含有する、請求項45記載の方法。
- さらに、基材とシール層間にボンドコートを配置する工程を含む、請求項31記載の方法。
- ボンドコートがケイ素を含有する、請求項47記載の方法。
- ボンドコートが、ケイ素元素及びケイ化物から選択される1種以上の材料を含有する、請求項48記載の方法。
- ケイ素を含有する基材を用意し、
ケイ素を含有するボンドコートを基材上に配置し、
シリカに対して実質的に不活性なバリア材料を含有する中間層をボンドコート上に配置し、
中間層上に自己封止性シール層を配置し、
ここで前記シール層が希土類アルミノケイ酸塩を含有し、希土類アルミノケイ酸塩の組成が、アルミナ/シリカ/希土類酸化物組成図において、第1組成点(10モル%アルミナ、62モル%シリカ、28モル%希土類酸化物)と第2組成点(40.5モル%アルミナ、48.5モル%シリカ、11モル%希土類酸化物)とを結ぶ第1直線と、第3組成点(58.3モル%アルミナ、27.8モル%シリカ、14モル%希土類酸化物)と第4組成点(24.5モル%アルミナ、42.5モル%シリカ、33モル%希土類酸化物)とを結ぶ第2直線と、第1組成点と第4組成点とを結ぶ第3直線と、第2組成点と第3組成点とを結ぶ第4直線とで規定される領域で囲まれた範囲内にあり、
シール層をシール層の少なくとも一部が流れる封止温度に加熱するとともに、シール層を封止温度に実質的に気密な層を形成するのに有効な時間維持し、
シール層上にトップコートを配置する
工程を含む物品の製造方法。
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