JP2010143817A - Ｃｍａｓ軽減組成物、該組成物を含む耐環境コーティング、及び該組成物を含むセラミック部材 - Google Patents
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- C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
- C23C28/042—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material including a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxides, ZrO2, rare earth oxides
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
- F01D5/288—Protective coatings for blades
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2300/00—Materials; Properties thereof
- F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
- F05D2300/611—Coating
Abstract
【課題】ＣＭＡＳ（アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム）軽減組成物からなる分離ＣＭＡＳ軽減層を含む耐環境コーティングに関する、ＣＭＡＳ軽減能力を有する高温部材を提供する。
【解決手段】希土類元素、希土類酸化物、ジルコニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したハフニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したジルコニア、酸化マグネシウム、コージライト、リン酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＣＭＡＳ軽減組成物。
【選択図】なし
【解決手段】希土類元素、希土類酸化物、ジルコニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したハフニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したジルコニア、酸化マグネシウム、コージライト、リン酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＣＭＡＳ軽減組成物。
【選択図】なし
Description
本明細書に記載される実施形態は一般に、アルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）軽減組成物、該組成物を含む耐環境コーティング、及び該組成物を含むセラミック部材に関する。
ガスタービンエンジンの効率を向上するために、作動温度の上昇が継続的に追求されている。しかしながら、作動温度が上昇するにつれ、エンジン部材の高温耐久性は相応して上昇する必要がある。鉄基、ニッケル基及びコバルト基超合金の処方により高温性能の大幅な進歩が遂げられている。超合金はガスタービンエンジン全体にわたり、特により高温部分に使用される部材に広く利用されているが、より軽量の代替の基板材料が提案されている。
ＣＭＣ及びモノリシックセラミック部材は、耐環境コーティング（ＥＢＣ）をコーティングして高温エンジン部分の厳しい環境から部材を保護し得る。ＥＢＣは高温燃焼環境における腐食性ガスに対して、高密度で密封したシールを供給し得る。乾燥した高温環境では、シリコン系（非酸化物）ＣＭＣ及びモノリシックセラミックは酸化して酸化ケイ素の保護薄片を形成する。しかしながら、ガスタービンエンジンで見られるように、酸化ケイ素は高温蒸気で急速に反応し、揮発性シリコン種を形成する。この酸化／揮発工程は、エンジン部材の存続期間を通して顕著な材料減少又は後退をもたらし得る。酸化アルミニウムは高温蒸気で反応して揮発性のアルミニウム種を同様に形成するため、この後退は酸化アルミニウムを含むＣＭＣ及びモノリシックセラミック部材においてもまた起こる。
現在、ＣＭＣ及びモノリシックセラミック部材に用いられるほとんどのＥＢＣは一般に、接着コーティング層、接着コーティング層に塗布される少なくとも一つの遷移層、及び遷移層に塗布される任意の外層を含む３層コーティング系からなる。任意に、接着コーティング層と隣接する遷移層の間にシリカ層が存在し得る。これらの層が一緒になり、ＣＭＣ又はモノリシックセラミック部材を環境から保護し得る。
すなわち、接着コーティング層はシリコンを含み得、一般に約０．５ミリから約６ミリの厚さであり得る。シリコン系非酸化物ＣＭＣ及びモノリシックセラミックでは、接着コーティング層は酸化バリアの役割をし、基板の酸化を防ぐ。シリカ層は接着コーティング層に塗布してもよいし、あるいは自然に又は意図的に接着コーティング層上に形成してもよい。遷移層は通常、ムライト、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム（ＢＳＡＳ）及びそれらの種々の組み合わせを含み得、一方、任意の外層はＢＳＡＳを含み得る。１枚から３枚の遷移層が存在し得、各層は約０．１ミリから約６ミリの厚さであり、任意の外層は約０．１ミリから約４０ミリの厚さであり得る。
遷移層及び外層はそれぞれ異なる多孔度を有し得る。約１０％以下の多孔度では、層は燃焼環境における高温ガスに対する密封シールとなる。約１０％から約４０％の多孔度では、層は機械的完全性を見せ得るが、高温ガスはコーティング層を貫通して下層のＥＢＣを損傷し得る。遷移層又は外層の少なくとも一つが密封される必要があるが、より高い多孔度の範囲のいくつかの層を有することは、コーティング材料と基板との間の熱膨張の不一致によって誘発された機械的ストレスを軽減するのに有益であり得る。
残念なことに、ガスタービンエンジンのより高温な部分、特に燃焼器及びタービン部分に位置する部材上にＣＭＡＳの沈着形成が見られている。これらのＣＭＡＳ沈着は、熱バリアコーティングの存続への悪影響があることが示されており、ＢＳＡＳ及びＣＭＡＳは高温、すなわちＣＭＡＳの融点以上（約１１５０℃から１６５０℃）で化学的に相互作用することが公知である。ＢＳＡＳ及びＣＭＡＳの相互作用により形成される反応副産物は、ＥＢＣにとって有害であり得ること、並びに高温の蒸気の存在下で揮発しやすいこともまた公知である。かかる揮発は、コーティング材料及び下層部材の保護の損失をもたらし得る。従って、ＣＭＡＳがあることでＥＢＣと相互作用し合い、それによって部材の存続期間とともに部材の性能を損なうことが予想される。
従って、ＣＭＡＳ軽減組成物、並びに該組成物を含むＥＢＣ及びセラミック基板の必要性が依然として残る。
本明細書の実施形態は一般に、希土類元素、希土類酸化物、ジルコニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したハフニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したジルコニア、酸化マグネシウム、コージライト、リン酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるアルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）軽減組成物に関し、ＣＭＡＳ軽減組成物が高温基板部材のための耐環境コーティングにおける分離ＣＭＡＳ軽減層として含まれる。
本明細書の実施形態はまた一般に、希土類元素、希土類酸化物、希土類ハフニウム酸塩、希土類ジルコン酸塩、ジルコニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したハフニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したジルコニア、酸化マグネシウム、コージライト、アルミン酸マグネシウムスピネル、希土類一ケイ酸塩、希土類二ケイ酸塩、リン酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム、アルミナ及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＣＭＡＳ軽減組成物に関し、ＣＭＡＳ軽減組成物が高温基板部材のための耐環境コーティングにおける統合ＣＭＡＳ軽減層として含まれる。
本明細書の実施形態はまた一般に、接着コーティング層、任意のシリカ層、少なくとも一つの遷移層、任意の外層、及び希土類元素、希土類酸化物、ジルコニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したハフニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したジルコニア、酸化マグネシウム、コージライト、リン酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＣＭＡＳ軽減組成物からなるＣＭＡＳ軽減層を含む、ＣＭＡＳ軽減能力を有する耐環境コーティング（ＥＢＣ）に関する。
本明細書の実施形態はまた一般に、接着コーティング層、任意のシリカ層、少なくとも一つの遷移層、任意の外層、並びにＢＳＡＳ、及び希土類元素、希土類酸化物、希土類ハフニウム酸塩、希土類ジルコン酸塩、ジルコニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したハフニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したジルコニア、酸化マグネシウム、コージライト、アルミン酸マグネシウムスピネル、希土類一ケイ酸塩、希土類二ケイ酸塩、リン酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム、アルミナ及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＣＭＡＳ軽減組成物からなる統合ＣＭＡＳ軽減層を含む、ＣＭＡＳ軽減能力を有するＥＢＣに関する。
本明細書の実施形態はまた一般に、接着コーティング層、任意のシリカ層、少なくとも一つの遷移層、任意の外層、及び希土類元素、希土類酸化物、ジルコニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したハフニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したジルコニア、酸化マグネシウム、コージライト、リン酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＣＭＡＳ軽減組成物からなる分離ＣＭＡＳ軽減層を含む耐環境コーティングを備える、ＣＭＡＳ軽減能力を有する高温部材に関する。
本明細書の実施形態はまた一般に、接着コーティング層、任意のシリカ層、少なくとも一つの遷移層、任意の外層、並びにＢＳＡＳ、及び希土類元素、希土類酸化物、希土類ハフニウム酸塩、希土類ジルコン酸塩、ジルコニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したハフニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したジルコニア、酸化マグネシウム、コージライト、アルミン酸マグネシウムスピネル、希土類一ケイ酸塩、希土類二ケイ酸塩、リン酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム、アルミナ及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＣＭＡＳ軽減組成物からなる統合ＣＭＡＳ軽減層を含む耐環境コーティングを備える、ＣＭＡＳ軽減能力を有する高温部材に関する。
これら及びその他の特徴、側面及び利点は、下記の開示から当業者に明らかになる。
本明細書は、本発明を特に指摘して区別して請求する請求項に結論付けるが、本明細書に示す実施形態は、同様の符号が同様の要素を示す添付図面と併せて、以下の記載からより明確に理解されると考えられる。
本明細書に記載される実施形態は一般に、ＣＭＡＳ軽減組成物、並びに該組成物を含むＥＢＣ及びセラミック部材に関する。
本明細書に記載されるＣＭＡＳ軽減組成物は、ＥＢＣと併せて、ＣＭＣ及びモノリシックセラミックを含む基板に用いるのに適し得る。本明細書で使用する場合、「ＣＭＣ」はシリコン含有又は酸化物−酸化物のマトリックス及び補強材を意味する。本明細書で使用するのを許容されるＣＭＣのいくつかの例として、限定されないが、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸炭化ケイ素、酸窒化ケイ素及びそれらの混合物などの非酸化物シリコン系材料を含む、マトリックス及び補強繊維を有する材料が挙げられる。例として、限定されないが、炭化ケイ素マトリックス及び炭化ケイ素繊維のＣＭＣ、窒化ケイ素マトリックス及び炭化ケイ素繊維のＣＭＣ、及び炭化ケイ素／窒化ケイ素マトリックス混合物及び炭化ケイ素繊維のＣＭＣが挙げられる。さらに、ＣＭＣは酸化物セラミックからなるマトリックス及び補強材を有し得る。これらの酸化物−酸化物複合材料を以下に記載する。
具体的に、酸化物−酸化物ＣＭＣは、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、アルミノケイ酸塩及びそれらの混合物などの酸化物系材料を含むマトリックス及び補強繊維からなり得る。アルミノケイ酸塩としては、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３ ２ＳｉＯ２）などの結晶性材料、並びにガラス状アルミノケイ酸塩が挙げられる。
本明細書で使用する場合、「モノリシックセラミック」とは炭化ケイ素のみ、窒化ケイ素のみ、アルミナのみ、ケイ素のみ、又はムライトのみを含む材料をいう。本明細書中で、ＣＭＣ及びモノリシックセラミックは総称して「セラミック」と呼ぶ。
本明細書で使用する場合、用語「耐コーティング」とは耐環境コーティング（ＥＢＣ）をいう。本明細書中の耐コーティングは、ガスタービンエンジンに存在するセラミック基板部材など高温環境で見られるセラミック基板部材１０、例えば燃焼器部材、タービン翼、炉心隔壁、ノズル、遮熱材及び羽根に用いるのに適し得る。「基板部材」又は単に「部材」とは、本明細書に記述されるように「セラミック」から作られる部材をいう。
すなわち、ＥＢＣ１２は図１に概略的に示すように、シリコン接着コーティング層１４、接着コーティング層１４に隣接する任意のシリカ層１５、接着コーティング層１４（又はもしあればシリカ層１５）に隣接する少なくとも一つの遷移層１６、遷移層１６に隣接する任意の外層１８及び遷移層１６（又はもしあれば外層１８）に隣接する任意の摩耗層２２を一般に含む任意の既存の耐環境コーティング系を一般に含み得る。前述のように、「遷移層」１６とはムライト、ＢＳＡＳ、及びそれらの種々の組み合わせのいずれかをいい、一方、「外層」１８とはＢＳＡＳをいう。
既存のＥＢＣと異なり、前述した層に加え、本実施形態はまたＣＭＡＳ軽減組成物を含み、高温エンジン環境におけるＣＭＡＳとの反応によるＥＢＣの分解を防ぐのに役立ち得る。かかるＣＭＡＳ軽減組成物は、後述のように、既存のＥＢＣ系の上の分離ＣＭＡＳ軽減層として、ＢＳＡＳ外層における粒界相として、又はＢＳＡＳ外層における離散分散耐熱粒子として存在し得る。
図２に示すように、ＣＭＡＳ軽減が既存の系に加えて分離軽減層としてＥＢＣに含まれるときは、「分離ＣＭＡＳ軽減層」２０は少なくとも一つのＣＭＡＳ軽減組成物を含み得る。本明細書で使用する場合、「ＣＭＡＳ軽減組成物」とは、希土類元素（Ｌｎ）、希土類酸化物、ジルコニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したハフニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したジルコニア、酸化マグネシウム、コージライト、リン酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム及びそれらの組み合わせからなる群より選択される組成物をいう。統合ＣＭＡＳ軽減層として含まれるときは、以下に説明するように、「ＣＭＡＳ軽減組成物」はまたアルミナ、希土類ハフニウム酸塩、希土類ジルコン酸塩、希土類一ケイ酸塩及び希土類二ケイ酸塩を含み得る。
本明細書で使用する場合、「Ｌｎ」とはスカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、及びそれらの混合物の希土類元素をいう。さらに、本明細書で使用する場合、「希土類酸化物」とはＳｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｐｍ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３又はそれらの混合物をいう。
限定ではなく例として、分離ＣＭＡＳ軽減層２０を含むときは、ＥＢＣは以下の構造、シリコン接着コーティング層１４、任意のシリカ層１５、ムライト遷移層１６、ＢＳＡＳ外層１８、分離ＣＭＡＳ軽減層２０及び任意に摩耗層２２；シリコン接着コーティング層１４、任意のシリカ層１５、ムライト−ＢＳＡＳ遷移層１６、ＢＳＡＳ外層１８、分離ＣＭＡＳ軽減層２０及び任意に摩耗層２２、のうちの一つを含み得る。
前例において、任意の摩耗層２２は分離ＣＭＡＳ軽減層２０に含まれるのと同じ材料、希土類二ケイ酸塩（Ｌｎ２Ｓｉ２Ｏ７）又はＢＳＡＳを含み得る。摩耗層は約５０％以下の多孔度をもつ高度に多孔質な層であり得、又は高密度で（約１０％未満の多孔度）又は多孔質な（約５０％以下の多孔度）パターン畝からなり得る。摩耗層２２は隣接する回転エンジン部材からの影響で摩耗し得る。摩耗コーティングに吸収されたエネルギーは、隣接する回転エンジン部材が損傷を受けるのを防ぐのに役立ち得る。例えば、一実施形態において、ＥＢＣに摩耗層を加えたものは、ＣＭＣ炉心隔壁上に存在し得る。炉心隔壁との間隔がきつい隣接する回転翼は、衝突イベントをもたらし得る。摩耗層２２があることは回転翼への損傷を防ぐのに役立ち得る。
図３に示すように、また前述のように、ＣＭＡＳ軽減はあるいは統合ＣＭＡＳ軽減層１２０として含まれ得る。この場合、「統合ＣＭＡＳ軽減層」１２０とは、ＢＳＡＳと一緒にＣＭＡＳ軽減組成物を含む層のことをいう。すなわち、ＣＭＡＳ軽減組成物は、ＢＳＡＳに離散分散した耐熱粒子又はＢＳＡＳにおける粒界相のいずれかとして含まれ得る。
統合ＣＭＡＳ軽減層として含まれるとき、「統合ＣＭＡＳ軽減層」は本明細書に前述したＣＭＡＳ軽減組成物、並びにアルミナ、希土類ハフニウム酸塩（Ｌｎ２Ｈｆ２Ｏ７）、希土類ジルコン酸塩（Ｌｎ２Ｚｒ２Ｏ７）、希土類一ケイ酸塩及び希土類二ケイ酸塩のいずれかに加えてＢＳＡＳを含み得る。
限定ではなく例として、粒界相として又は離散分散耐熱粒子としてのいずれかとして統合ＣＭＡＳ軽減層１２０を有するＥＢＣは、以下の構造、シリコン接着コーティング層１４、任意のシリカ層１５、ムライト−ＢＳＡＳ遷移層１６及び統合ＣＭＡＳ軽減層１２０；シリコン接着コーティング層１４、任意のシリカ層１５、ムライト遷移層１６及び統合ＣＭＡＳ軽減層１２０、のうちの一つを含み得る。
ＣＭＡＳ軽減能力をもつＥＢＣの特定の構造に関わらず、基板部材は当業者に公知の従来方法を用いてコーティングされ、全ての所望の層を生成し、分離層、ＢＳＡＳにおける粒界相として、又はＢＳＡＳに離散分散した耐熱粒子のいずれかとして、ＣＭＡＳ軽減組成物を選択的に配置し得る。かかる従来方法は限定されないが、プラズマ溶射、高速プラズマ溶射、低圧プラズマ溶射、溶液プラズマ溶射、懸濁液プラズマ溶射、化学的蒸着（ＣＶＤ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、ゾルゲル、スパッタリング、浸漬、溶射、テープキャスティング、圧延及び塗装などのスラリー工程、並びにこれらの方法の組み合わせを一般に含み得る。一度コーティングしたら、従来の方法、又はマイクロ波焼結、レーザー焼結もしくは赤外線焼結などの非従来の方法のいずれかを用いて、基板部材を乾燥し焼結し得る。摩耗層がなければ、ＣＭＡＳ軽減層は分離されていようと統合されてようと、ＥＢＣの最外層であり得る。
すなわち、ＣＭＡＳ軽減粒界相は粒子コーティング及びスラリー法を含む様々なやり方で生成され得る。一例を挙げると、ＣＭＡＳ粒界相は、当業者に公知の従来法を用いてＢＳＡＳをセラミック基板に蒸着する前にＢＳＡＳの粒子を単数又は複数の所望のＣＭＡＳ軽減組成物でコーティングすることにより得ることができる。ＢＳＡＳ粒子のコーティングは流動層反応器での粒子への化学的蒸着により、又はＣＭＡＳ軽減組成物の前駆体を液層からのＢＳＡＳ粒子に蒸着し、続いてＢＳＡＳ粒子を熱処理して所望のＣＭＡＳ軽減組成物をＢＳＡＳ粒子の表面上に形成する溶液（ゾルゲル）型工程により達成され得る。一度ＣＭＡＳ軽減組成物を有するＢＳＡＳ粒子を得たら、当業者に公知の前述の方法のいずれかを用いて基板部材をコーティングし、乾燥し、焼結し得る。最終的に、ＢＳＡＳ粒子上のＣＭＡＳ軽減組成物の表面層は、コーティングにおける粒界相となる。これらの例では、粒界相を形成するため、耐熱粒子の平均サイズは約１００ｎｍ未満であり得る。耐熱粒子が約１００ｎｍより大きい場合、粒子は粒界相を形成するのに必要なＥＢＣ粒子を適切にコーティングするには大き過ぎ、代わりに以下に説明するように分散耐熱粒子として存在する。
スラリー法を用いた別の例では、（ＣＭＡＳ軽減組成物コーティングなしの）ＢＳＡＳ粒子を用い得る。かかる例では、粒界相はスラリーにおいてゾルゲル前駆体を用いることにより、ゾルゲル前駆体のドライコーティングへの浸透により、又はゾルゲル前駆体の焼結コーティングへの浸透、それに続くさらなる焼結工程により得ることができる。
ＢＳＡＳ層への耐熱粒子の分散は、耐コーティングを蒸着するのに選択される工程に応じた種々の手段により起こり得る。プラズマ溶射工程では、ＢＳＡＳ粒子はコーティング蒸着前にＣＭＡＳ軽減耐熱粒子と混合し得る。混合は液体なしでＢＳＡＳと耐熱粒子を混ぜ合わせることからなし得、又はＢＳＡＳと耐熱粒子のスラリーを混合することよってなし得る。乾燥粒子又はスラリーはその後、ローラーミル、遊星ミル、混合器、パドルミキサ、超音波ホーン、又は当業者に公知の任意のその他の方法を用いて機械的に撹拌し得る。スラリー工程では、スラリー中に分散した耐熱粒子は、スラリー蒸着層の乾燥及び焼結後のコーティング中の分散粒子になる。
離散した耐熱粒子を微細構造中に維持するために、スラリー中のＣＭＡＳ軽減耐熱粒子の平均サイズは約２０ｎｍより大きく、一実施形態では約２００ｎｍから約１０マイクロメータの大きさであり得る。耐熱粒子は層の約１％から約６０％の体積を占め、残りはＢＳＡＳ又はＢＳＡＳ及び孔の組み合わせであり得る。
ＣＭＡＳ軽減組成物が既存のＥＢＣ系に加えた分離軽減層として存在するか、統合軽減層として存在するか（例えば、ＢＳＡＳにおける離散分散耐熱粒子、又はＢＳＡＳにおける粒界相）に関わらず、利点はいくつかある。すなわち、ＣＭＡＳ軽減組成物は、高温エンジン環境においてＣＭＡＳとの反応によりＥＢＣが分解するのを防ぐのに役立ち得る。より具体的には、ＣＭＡＳ軽減組成物は、ＣＭＡＳと、蒸気中で急速に揮発する二次相を形成し得る耐コーティングの反応を阻止するか又は遅らせるのに役立ち得る。さらに、ＣＭＡＳ軽減組成物は、粒界相から非酸化物シリコン系基板に沿った耐コーティングへのＣＭＡＳの浸透を防ぐか又は遅らせるのに役立ち得る。窒化シリコンや炭化シリコンなどの基板とのＣＭＡＳの反応は、それぞれ窒素含有ガス及び炭素ガスを放出する。このガス放出からの圧力はＥＢＣコーティング中に気泡発生をもたらし得る。これらの気泡はまず第一にＥＢＣにもたらされた水蒸気に対する密封シールを容易に破裂し破壊し得る。
ＣＭＡＳ軽減組成物の存在は、ＥＢＣに対する溶融ケイ酸塩の攻撃を防ぐか又は遅らせ、それによりＥＢＣが高温蒸気中で腐食攻撃からＣＭＣを密封する役割を行うのに役立ち得る。さらに、ＣＭＡＳ軽減組成物はＣＭＣ、またＣＭＡＳがそれと反応すると蒸気による後退を起こしやすい可能性のあるＥＢＣのいずれの層の後退を防止し、蒸気−揮発性二次相を形成するのに役立ち得る。蒸気の後退によるセラミック部材の寸法変化はタービンエンジン応用における部材の寿命及び／又は機能を限定し得る。
特に粒界相又は分散粒子としてＣＭＡＳ軽減組成物を有する統合ＣＭＡＳ軽減層は、いくつかの独特の利益をもたらし得る。例えば、統合ＣＭＡＳ軽減層を使用することにより、より少ない全層及び加工段階でＥＢＣを作ることができ、依然として下層の基板部材に同様の保護を供給する。統合層はより少ないＣＭＡＳ軽減組成物を用いてＣＭＡＳ腐食からの保護を実現し、費用削減をもたらし得る。さらに統合層は、外層組成物の所望の性質（すなわち、高温での優れた密封を形成するＢＳＡＳの傾向）の組み込み及び単層におけるＣＭＡＳ耐食性を可能にする。
従って、ＣＭＡＳ軽減は分離されていようと統合されてようと、耐コーティングが機能を果たすことを可能にし、それによりＣＭＣ部材が意図された期間、適切に機能するために重要である。
本明細書は、最良の形態を含む例を利用して本発明を開示し、当業者が本発明を利用できるようにしている。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲に規定され、当業者が想到する他の例も含み得る。これらの他の例は、特許請求の範囲の用語と相違ない構成要素を有する場合、あるいは特許請求の範囲の用語とほぼ相違ない同等の構成要素を含む場合は、特許請求の範囲内とする。
Claims (6)
- 接着コーティング層（１４）と、
任意のシリカ層（１５）と、
少なくとも一つの遷移層（１６）と、
任意の外層（１８）、及び
ＣＭＡＳ軽減層（２０、１２０）とを含み、
前記ＣＭＡＳ軽減層が統合ＣＭＡＳ軽減層（１２０）であるときは、前記統合ＣＭＡＳ軽減層は、
ＢＳＡＳ、及び
希土類元素、希土類酸化物、希土類ハフニウム酸塩、希土類ジルコン酸塩、ジルコニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したハフニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したジルコニア、酸化マグネシウム、コージライト、アルミン酸マグネシウムスピネル、希土類一ケイ酸塩、希土類二ケイ酸塩、リン酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム、アルミナ及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＣＭＡＳ軽減組成物を含み、
前記ＣＭＡＳ軽減層が分離ＣＭＡＳ軽減層（２０）であるときは、前記分離ＣＭＡＳ軽減層は、
希土類元素、希土類酸化物、ジルコニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したハフニア、アルカリ土類元素又は希土類元素で部分的又は全体的に安定化したジルコニア、酸化マグネシウム、コージライト、リン酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム及びそれらの組み合わせからなる群より選択されるＣＭＡＳ軽減組成物からなる、
耐環境コーティングを含む、
ＣＭＡＳ軽減能力を有する高温部材（１０）。 - 接着コーティング層（１４）がシリコンを含み、遷移層（１６）がムライト、ＢＳＡＳ及びそれらの組み合わせからなる群より選択される組成物を含み、外層（１８）がＢＳＡＳを含む、請求項１に記載の部材（１０）。
- 統合ＣＭＡＳ軽減層（１２０）は、ＢＳＡＳにおける粒界相として、又はＢＳＡＳに分散した耐熱粒子としてＣＭＡＳ軽減組成物を含む、請求項１又は２のいずれかに記載の部材（１０）。
- 部材（１０）は、セラミックマトリックス複合材料又はモノリシックセラミックである、請求項１、２又は３のいずれかに記載の部材（１０）。
- 部材（１０）は、燃焼器部材、タービン翼、炉心隔壁、ノズル、遮熱材及び羽根からなる群より選択されるタービンエンジン部材を含む、請求項１、２、３又は４のいずれかに記載の部材（１０）。
- 分離ＣＭＡＳ軽減層（２０）に塗布された摩耗層（２２）をさらに含む、請求項１、２、３、４又は５のいずれかに記載の部材（１０）。
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| US12/339,974 | 2008-12-19 | ||
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