JP2011032161A - 焼結助剤を用いた高温セラミック部品用の耐環境コーティングの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスタービンエンジンに存在する高温水蒸気環境からＣＭＣを保護するための耐環境コーティングを提供する。
【解決手段】耐環境コーティング１２は、少なくとも水と、ムライト、ＢＳＡＳ、又はムライト／ＢＳＡＳ混合物からなる主要遷移材料とを混ぜ合わせて遷移層スラリーを製造する工程、遷移層スラリーをセラミック部品１０に塗布する工程、少なくとも水と、ＢＳＡＳからなる主要外部材料とを混ぜ合わせて外層スラリーを製造する工程、外層スラリーを塗布された遷移層スラリーを有する部品に塗布する工程、部品を焼結させて、少なくとも遷移層１６及び外層１８を有する耐環境バリアコーティングを製造するステップ工程からなり、遷移層スラリー又は外層スラリーの少なくとも１つを塗布した後、部品を乾燥させて、少なくとも１つの層にゾルゲル溶液を浸透させ、遷移層は０〜約３０容量％の気孔率を有し、外層は０〜約１５容量％の気孔率を有する。
【選択図】図１
【解決手段】耐環境コーティング１２は、少なくとも水と、ムライト、ＢＳＡＳ、又はムライト／ＢＳＡＳ混合物からなる主要遷移材料とを混ぜ合わせて遷移層スラリーを製造する工程、遷移層スラリーをセラミック部品１０に塗布する工程、少なくとも水と、ＢＳＡＳからなる主要外部材料とを混ぜ合わせて外層スラリーを製造する工程、外層スラリーを塗布された遷移層スラリーを有する部品に塗布する工程、部品を焼結させて、少なくとも遷移層１６及び外層１８を有する耐環境バリアコーティングを製造するステップ工程からなり、遷移層スラリー又は外層スラリーの少なくとも１つを塗布した後、部品を乾燥させて、少なくとも１つの層にゾルゲル溶液を浸透させ、遷移層は０〜約３０容量％の気孔率を有し、外層は０〜約１５容量％の気孔率を有する。
【選択図】図１
Description
本明細書で説明する実施形態は、概して、焼結助剤を用いた高温セラミック部品用の耐環境コーティングの製造方法に関する。より詳細には、本明細書で説明する実施形態は、概して、少なくとも１つの焼結助剤を用いて製造及び高密度化される耐環境コーティングに関する。
本出願は、その開示全体が参照によって本明細書に組み込まれている２００９年７月３１日出願の米国仮出願第６１／２３０，３４９号の優先権を主張するものである。
ガスタービンエンジンの効率性を高めるために、高い運転温度が絶えず求められている。しかしながら、運転温度が上昇するにつれて、エンジンの部品の高温耐久性もそれに対応して向上させなければならない。高温性能の飛躍的な進歩は、鉄、ニッケル及びコバルト基超合金の調合によって達成された。超合金はガスタービンエンジン全体で使用される部品で広く用いられているが、特に高温部分において、代わりの軽量部品材料が提案されている。
セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）は、セラミックマトリックス相によって取り囲まれる補強材からなる材料の種類である。そのような材料は、特定のモノリシックセラミックス（即ち、補強材を伴わないセラミック材料）と共に、現在高温用途で使用されている。これらのセラミック材料は超合金と比較して軽量であるが、それでもそれらから製造される部品に強度と耐久性を与えることができる。従って、そのような材料は、例えば翼形（例えば、タービン及びベーン）、燃焼器、シュラウド及びその他の、これらの材料によってもたらされる軽量化及び高温性能の恩恵を受ける部品など、ガスタービンエンジンの高温部分に使用される多くのガスタービン部品用として現在考慮されている。
ＣＭＣ及びモノリシックセラミック部品に耐環境コーティング（ＥＢＣ）を被覆して、高温エンジン部分の悪環境から該部品を保護することができる。ＥＢＣは、シリコン含有ＣＭＣ及びモノリシックセラミックスを急速に酸化させる可能性がある高温燃焼環境の腐食性ガスに対して密度の高い気密シールを提供することができる。更に、酸化ケイ素は高温水蒸気の中では安定していないが、揮発性（ガス状）水酸化ケイ素種に変換される。従って、ＥＢＣにより、そのような酸化及び揮発プロセスによるセラミック部品の寸法変化を防止し易くなる。残念なことに、ＥＢＣを塗布するのに現在使用されているプラズマ溶射及び蒸着（即ち、化学蒸着法（ＣＶＤ）及び電子ビーム物理蒸着法（ＥＢＰＶＤ））等の標準の工業被覆プロセスに関連して幾つかの望ましくない問題が存在し得る。
従って、ガスタービンエンジンに存在する高温水蒸気環境からＣＭＣを保護するための耐環境コーティングの必要性が残されている。
本明細書の実施形態は、概して、焼結助剤を用いた耐環境コーティングの製造方法であって、少なくとも水と、ムライト、ＢＳＡＳ、又はムライト／ＢＳＡＳ混合物からなる主要遷移材料とを混ぜ合わせて遷移層スラリーを製造するステップと、該遷移層スラリーをセラミック部品に塗布するステップと、該塗布された遷移層スラリーを有する該部品を乾燥させるステップと、ゾルゲル溶液を該塗布された遷移層スラリーに浸透させるステップと、少なくとも水と、ＢＳＡＳからなる主要外部材料とを混ぜ合わせて外層スラリーを製造するステップと、該外層スラリーを該塗布された遷移層スラリーを有する該部品に塗布するステップと、該部品を焼結させて、その０〜約３０容量％の気孔率を有する遷移層と、その０〜約１５容量％の気孔率を有する外層を少なくとも有する該耐環境コーティングを製造するステップとからなる方法に関する。
本明細書の実施形態はまた、概して、焼結助剤を用いた耐環境コーティングの製造方法であって、少なくとも水と、ムライト、ＢＳＡＳ、又はムライト／ＢＳＡＳ混合物からなる主要遷移材料とを混ぜ合わせて遷移層スラリーを製造するステップと、該遷移層スラリーをセラミック部品に塗布するステップと、少なくとも水と、ＢＳＡＳからなる主要外部材料とを混ぜ合わせて外層スラリーを製造するステップと、該外層スラリーを該塗布された遷移層スラリーを有する該部品に塗布するステップと、該塗布された遷移層スラリー及び外層スラリーを有する該部品を乾燥させるステップと、ゾルゲル溶液を該塗布された層に浸透させるステップと、該部品を焼結させて、その０〜約３０容量％の気孔率を有する遷移層と、その０〜約１５容量％の気孔率を有する外層を少なくとも有する該耐環境コーティングを製造するステップとからなる方法に関する。
本明細書の実施形態はまた、概して、焼結助剤を用いた耐環境コーティングの製造方法であって、少なくとも水と、ムライト、ＢＳＡＳ、又はムライト／ＢＳＡＳ混合物からなる主要遷移材料とを混ぜ合わせて遷移層スラリーを製造するステップと、該遷移層スラリーをセラミック部品に塗布するステップと、該塗布された遷移層スラリーを有する該部品を乾燥させるステップと、ゾルゲル溶液を該塗布された遷移層スラリーに浸透させるステップと、少なくとも水と、ＢＳＡＳからなる主要外部材料とを混ぜ合わせて外層スラリーを製造するステップと、該外層スラリーを該塗布された遷移層スラリーを有する該部品に塗布するステップと、該塗布された遷移層スラリー及び外層スラリーを有する該部品を乾燥させるステップと、ゾルゲル溶液を該塗布された外層スラリーに浸透させるステップと、該部品を焼結させて、その０〜約３０容量％の気孔率を有する遷移層と、その０〜約１５容量％の気孔率を有する外層を少なくとも有する該耐環境コーティングを製造するステップとからなる方法に関する。
これら及びその他の特徴、態様及び利点は、当業者であれば以下の開示から明らかになるであろう。
本明細書は、本発明を詳細に指摘し、且つ明確に主張する特許請求の範囲で結ばれているが、本明細書に記載の実施形態は、同様の参照番号が同様の要素を特定する添付図面と関連した以下の説明から、より良く理解されるであろうと考えられている。
本明細書で説明する実施形態は、概して、焼結助剤を用いた高温セラミック部品用の耐環境コーティングの製造方法に関する。より詳細には、本明細書で説明する実施形態は、概して、少なくとも１つの焼結助剤を用いて製造及び圧縮される耐環境コーティングに関する。
より詳細には、本明細書で以下に説明するＥＢＣは、焼結温度を低下させ得る焼結助剤を含むことによって、本明細書で以下に説明するように、高い焼結温度にさらされることによって部品に損傷を与えることなく、下層の部品を高温燃焼中に発生するガスによる腐食から保護するための気密シールとして作用し得る高密度のＥＢＣ層の形成を促進することができる。
本明細書で説明するＥＢＣは、ＣＭＣ又はモノリシックセラミックスとの併用に適している。本明細書で用いられている「ＣＭＣ」は、シリコン含有マトリックス／補強材を意味する。本明細書で利用できるＣＭＣの一部の例としては、これに限定すべきではないが、炭化ケイ素、窒化ケイ素、及びそれらの混合物からなるマトリックス／補強繊維を有する材料を挙げることができる。本明細書で用いられている「モノリシックセラミックス」は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、及びそれらの混合物からなる材料を意味する。本明細書において、ＣＭＣ及びモノリシックセラミックスは「セラミックス」と総称される。
本明細書で使用する用語「バリアコーティング」とは、例えば、耐環境コーティングを指す。本明細書のバリアコーティングは、ガスタービンエンジンに存在するような高温環境（例えば、約２５００℃の運転温度）で見られる「セラミック部品」又は単に「部品」での使用に適している。そのような部品の例としては、例えば、燃焼器部品、タービンブレード、シュラウド、ノズル、ヒートシールド、及びベーンを挙げることができる。
より詳細には、部品１０は、図１に概略的に示されるように、ボンドコート層１４と、該ボンドコート層に隣接する任意のシリカ層１５と、ボンドコート層１４（又は存在する場合はシリカ層１５）に隣接する少なくとも１つの遷移層１６と、遷移層１６に隣接する外層１８とを含み得るＥＢＣ１２を備えている。ボンドコート層１４はシリコンからなっており、一般的に約０．１ミル〜約６ミルの厚さを有する。本明細書で以下に説明するような塗布方法が原因で、シリコンボンドコート層がない一部の局所領域が存在するが、これは許容できる。例えば、ボンドコート層は、一実施形態では、部品１０の表面１１の約１００％を、別の実施形態では、部品の表面の約９０％以上を覆うことができる。
シリカ層１５は約０．０ミル〜約０．２ミルの所期厚さを有し、シリカ層１５の厚さは時間と共に増加し得る。具体的には、一実施形態では、ボンドコート層１４のシリコンはＥＢＣの耐用年数の間にゆっくり酸化してシリカ層１５を徐々に形成することができる。ボンドコート層１４の酸化によって下層のセラミック部品を酸化から保護することができるが、これはボンドコートがセラミック部品よりも酸化するからである。或いは、後述するように、シリカ層１５は、上記したように従来方法を用いて所期厚さに塗布してもよく、この場合もやはり時間と共に厚さが増加し得る。
遷移層１６は、遷移層の約８５〜約１００容量％の主要遷移材料及び遷移層の約１５容量％以下の二次材料を、一実施形態では、遷移層の約８５〜約９９容量％の主要遷移材料及び遷移層の約１〜約１５容量％の二次材料を含んでいる。
本明細書で用いられている「主要遷移材料」は、ムライト、ＢＳＡＳ、又は両者の混合物（以下、「ムライト／ＢＳＡＳ混合物」）を意味する。「ムライト／ＢＳＡＳ混合物」は「ムライトとＢＳＡＳの混合物」とも呼ばれ、約１〜約９９容量％のムライト及び約１〜約９９容量％のＢＳＡＳ、別の実施形態では、約７０〜約９０容量％のムライト及び約１０〜約３０容量％のＢＳＡＳからなっている。本明細書全体で用いられている「二次材料」は、希土類酸化物（Ｌｎ２Ｏ３）、希土類二ケイ酸塩（Ｌｎ２Ｓｉ２Ｏ７）、希土類一ケイ酸塩（Ｌｎ２ＳｉＯ５）、希土類（Ｌｎ）元素、希土類（Ｌｎ）含有アルミノケイ酸ガラス、希土類（Ｌｎ）−アルカリ土類含有アルミノケイ酸ガラス、希土類アルミン酸塩（例えば、希土類アルミニウムガーネット（Ｌｎ３Ａｌ５Ｏ１２）及び単斜晶系希土類アルミン酸塩（Ｌｎ４Ａｌ２Ｏ９））、五酸化リン（Ｐ２Ｏ５）、リン含有アルミノケイ酸ガラス、リン−アルカリ土類含有アルミノケイ酸ガラス、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ４）、酸化アルミニウム、及びそれらの各種混合物を意味する。一部の実施形態では、二次材料により、コーティングが下層のセラミック部品に、より柔軟により固着し易くなる。その他の実施形態では、二次材料は、カルシウム−マグネシウム−アルミニウムケイ酸塩（ＣＭＡＳ）、又は水蒸気に対する耐性の向上に寄与し得る。その他の実施形態では、二次材料は、主要材料よりも水蒸気劣化耐性があるはずである。
各々の遷移層１６は約０．１ミル〜約６．０ミルの厚さを有し、以下に記載するようにボンドコート層１４に対して製造及び塗布される。一実施形態では、２つ以上の遷移層が存在する。そのような場合、各々の遷移層は主要遷移材料及び二次材料の同じ又は異なる組み合わせからなっている。遷移層１６は、その０〜約３０容量％、別の実施形態では、その約０．０１〜約３０容量％の多孔度を有する。
本明細書全体で用いられている「希土類」又は「Ｌｎ」には、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）、及びルテチウム（Ｌｕ）を意味するのに対して、「希土類酸化物」は、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｐｍ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、及びＬｕ２Ｏ３を意味する。「アルカリ土類」は、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、及びバリウム（Ｂａ）が含まれ得る。
同様に、外層１８は、外層の約８５〜約１００容量％の主要外部材料及び外層の約１５容量％以下の既定の二次材料を、一実施形態では、外層の約８５〜約９９容量％の主要外部材料及び外層の約１〜約１５容量％の二次材料を含んでおり、どんなＥＢＣであっても、外層に含まれる任意の二次材料は遷移層に含まれるのと同じ二次材料である必要はない。本明細書で用いられている「主要外部材料」は、ＢＳＡＳを意味する。外層１８は、約０．１ミル〜約４０ミルの厚さを有し、約２５００°Ｆ（１３７１℃）以下の温度での使用に適している。外層１８は、その０〜約１５容量％、別の実施形態では、その約０．０１〜約１５容量％の多孔度を有する。このようにして、外層により、下層のボンドコート層とセラミック部品を急速に酸化させる可能性がある高温水蒸気を遮断し易くなる。また、外層により、高温水蒸気を遮断することができるので、下層のセラミック部品、即ちＥＢＣ層を気化から保護することができるが、これはかかる材料が高温水蒸気環境においてガス種に転換する傾向があるからである。
本明細書の以下の説明に従って、層状のＥＢＣを製造及び塗布することができる。
ボンドコート層１４は、プラズマ溶射法、化学蒸着法、電子ビーム物理蒸着法、溶融シリコン浸漬、スパッタリング法、及び当業者には公知のその他の従来の塗布方法によって塗布される。
上述したように、一部の実施形態では、シリカ層１５はＥＢＣの耐用年数の間に形成することができる。より詳細には、周囲大気中の酸素がＥＢＣの外層及び遷移層を介して拡散し、ボンドコート層１４のシリコンと反応してシリカ層１５を形成する。或いは、シリカ層１５は、化学蒸着法、プラズマ溶射法、スラリー析出法、又はその他の従来方法によって意図的に堆積させてもよい。
本実施形態では、遷移層１６及び外層１８の製造及び塗布プロセスは、層を高密度化するために必要な温度を低下させるための焼結助剤を含むスラリー析出サイクルからなっている。スラリー析出サイクルには、後述のように、任意のマスキング、レベリング、焼結助剤浸透、マスク除去、及び有機加工助剤燃焼ステップによるスラリー形成、スラリー塗布、乾燥、及び焼結を一般的に含み得る。当業者は、様々な組成のスラリーを用いて様々な組成のＥＢＣ層を製造することができること、更に複数のスラリー析出サイクルを用いて特定の層（即ち、遷移層又は外層）の全体厚さを増加させることができることを理解するであろう。スラリー析出サイクルごとの平均厚さは、主にスラリー固形物負荷、焼結助剤濃度、及び浸漬、溶射又は塗装パス数によって決まる。
ＥＢＣの遷移及び外層の各々のスラリー組成は、本明細書で以下に記載するように、一般的に、約９ｗｔ％〜約８１ｗｔ％の水；約３ｗｔ％〜約７２ｗｔ％の主要材料；約０ｗｔ％〜約６ｗｔ％の分散剤；約０ｗｔ％〜約７ｗｔ％の可塑剤；約０ｗｔ％〜約１ｗｔ％の界面活性剤；約０ｗｔ％〜約１８ｗｔ％のスラリー焼結助剤、一実施形態では約０．１ｗｔ％〜約１８ｗｔ％のスラリー焼結助剤；約０ｗｔ％〜約１１ｗｔ％の制御分散用二次添加剤；約０ｗｔ％〜約０．５ｗｔ％の増粘剤；及び約０ｗｔ％〜約１５ｗｔ％のラテックス結合剤を含む混合物からなっている。
より詳細には、本明細書で用いられている「主要材料」は、形成されている層によって既定の主要遷移材料又は主要外部材料のいずれかを意味する。主要材料は、０．２〜２ミクロンのＤ５０及び１０〜３０ミクロンのＤ９５の粒度分布を有する粉末からなっている。そのような細かい粒度分布は、適当な時間内（即ち、約２４時間未満）で高密度層に焼結し得る。代替的実施形態では、分布は二峰性であってよく、約０．１ｖｏｌ％〜約４０ｖｏｌ％の主要材料粉末粒子は以下の分布：１０〜３０ミクロンのＤ５０及び１００ミクロン以下のＤ９５によって表される大きなサイズを有する。二峰性分布において大きなサイズの粒子を最大約４０％有することによって、焼結挙動を「緩慢」（即ち、約２４時間以上）にすることなく各々の被覆パスによるより厚い層の形成が可能になる。
本明細書で用いられている「分散剤」は、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸−ポリエチレンオキシド共重合体、ポリメタクリル酸、ポリエチレンイミン、ポリアクリル酸アンモニウム、ポリメタクリル酸アンモニウム、スルホン化ナフタレンホルムアルデヒド縮合物、ポリビニルスルホン酸、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される組成物を意味する。
本明細書で用いられている「可塑剤」は、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、グリセロール、グリセリン、ポリエチレングリコール、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される組成物を意味する。
本明細書で用いられている「界面活性剤」は、フルオロカーボン、ジメチルシリコン、及びアセチレングリコール構造からなる群から選択される組成物（例えば、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ（サーフィノール）（登録商標）シリーズ（エアプロダクツ・アンド・ケミカルズ・インコーポレイテッド）の市販界面活性剤）を意味する。
本明細書で用いられている「スラリー焼結助剤」は、希土類硝酸塩、希土類酢酸塩、希土類塩化物、希土類酸化物、リン酸アンモニウム、リン酸、ポリビニルホスホン酸、及びそれらの組み合わせからなる群から選択することができる、スラリーへの含有に適した焼結助剤組成物を意味する。
本明細書で用いられている「制御分散用二次添加剤」は、クエン酸、グリシン、デキストロース、スクロース、マンノース、酒石酸、シュウ酸、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される組成物を意味する。
本明細書で用いられている「増粘剤」は、キサンタンガム、ポリエチレンオキシド、グアーガム、メチルセルロースとその他の水溶性繊維、ポリアクリル酸、ポリビニルピロリドン、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される組成物を意味する。
本明細書で用いられている「ラテックス結合剤」は、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチロール、スチレンブタジエン共重合体、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、アクリル重合体、ポリメタクリル酸メチル／ポリアクリル酸ブチル、ポリビニルアセテート、ポリビニルマレート、及び天然ラテックスゴムからなる群から選択される組成物を意味する。ラテックス結合剤の幾つかの例としては、Ｒｈｏｐｌｅｘ（ロープレックス）（登録商標）ＨＡ−８、Ｒｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ−１２、Ｐａｖｅｃｒｙｌ（登録商標）２５００（ローム・アンド・ハース社）を挙げることができる。
また、本明細書で用いられている「有機加工助剤」は、スラリーに含まれる任意の分散剤、可塑剤、制御分散用二次添加剤、増粘剤、及びラテックス結合剤を意味する。これらの有機加工助剤は、主に加工中に蒸発して焼結後のコーティングに存在しなくなる炭素及びその他の元素からなっている。
一実施形態では、スラリーの形成は、任意の水、望ましい分散剤、主要材料、界面活性剤、及び可塑剤を容器内の混合体と約３時間〜約１５時間混ぜ合わせることによって可能である。混合物は、当業者には公知の従来技術、例えば、約０．０３９インチ（１ｍｍ）〜０．２５インチ（６．３５ｍｍ）直径のアルミナ又はジルコニア混合体による振とう、約０．２５インチ〜約１インチ（約６．３５ｍｍ〜約２５．４ｍｍ）直径のアルミナ又はジルコニア混合体を用いたボールミル粉砕、約１ｍｍ〜約５ｍｍ直径のジルコニア系混合体を用いたアトライターミル粉砕、約１ｍｍ〜約５ｍｍ直径のジルコニア系混合体を用いた遊星ボールミル粉砕、又は超音波エネルギーの同時適用による機械的混合又は攪拌を用いて混合することができる。混合体又は超音波エネルギーは、スラリー内のどんな凝集したセラミック粒子をも分解することができる。存在する全ての混合体は、その後、例えば機械的引っ張りによって除去される。
増粘剤は必要に応じてスラリーに添加され、得られた混合物は機械的攪拌、圧延、混合、振とうなどの方法、及びその他の同様の方法によって攪拌される。増粘剤が一般的に約５分〜約６０分後に完全に溶解した時点で、任意の制御分散用二次添加剤を必要に応じて添加することができ、得られたスラリーは、やはり約５分〜約６０分後であろうが二次添加剤が溶解するまで、上記に挙げた方法のいずれかを用いてここでも混合される。必要に応じて焼結助剤の添加を続けて行ってもよく、それに加えて約５分〜約６０分間かかるであろうが焼結助剤が溶解するまで前述の方法を用いて混合が行われる。その後、必要に応じてラテックス結合剤が添加され、スラリーは、スラリー内の気泡の捕捉を避けるためにゆっくりした圧延、ゆっくりした機械的混合、又はその他の同様の方法によって混合される。この軽度の混合を無期限に継続してもよく、或いは、混合した時点で、適用の必要があるまでスラリーを取っておいてもよい。一実施形態では、スラリーは加工中に蒸発した量に相当する追加の水を添加することによって再生される。
当業者には理解されるように、先の実施形態は本明細書で説明するスラリー組成物を製造する１つの方法であり、下記の実施例で記載したようにその他の方法も許容できる。
必要に応じて、スラリーを塗布する前にセラミック部品にマスキングを適用して、部品の特定領域の被覆を防ぐことができる。マスキングは、テープ、工具、及び塗装接着剤を含むがこれに限定されるものではない当業者に公知の従来技術を用いて行われる。
セラミック部品の所望のマスキングの全てが完了した時点で、スラリーを塗布して被覆部品を製造することができる。スラリーは、スラリー浴への部品の浸漬、或いは部品へのスラリーの塗装、圧延、スタンピング、溶射、又は注入を含むがこれに限定されるものではない、当業者に公知の任意の従来のスラリー析出法を用いてセラミック部品に直接塗布することができる。一実施形態では、スラリーの塗布を湿潤環境において行うことで、例えば、大量の部品への被覆蒸着中にスラリーレオロジーを変化させる可能性がある水分蒸発を防止し易くなる。環境は、全て室温又はその付近（約２０℃〜約３０℃）で、一実施形態では５０％以上の相対湿度、別の実施形態では７０％以上の相対湿度、更に別の実施形態では９５％以上の相対湿度を有してもよい。スラリーの塗布は、手動で行ってもよく、自動化してもよい。
スラリーがセラミック部品に塗布された時点で、スラリーがまだ濡れている間、スラリーは余分なスラリー材料を除去するために水平にされる。水平化は、余分なスラリー材料を除去するために、例えば、部品のスピニング、回転、つり下げ、場合によって応用振動を用いた滴下だがこれに限らない従来技術を用いて、又はドクターブレードを用いて行われる。スラリー塗布と同様に、水平化を手動で行っても自動化してもよく、スラリーがあまりに速く乾燥すると、水平化中のコーティングの欠陥を招く可能性があるので、湿潤環境において行ってもよい。
次に、被覆部品を乾燥させる。乾燥は、周囲の又は制御された温湿度状況において行われる。一実施形態では、温湿度の制御により、塗布されたスラリーコーティングの完全性を維持し易くなる。より詳細には、乾燥は、一実施形態では約５℃〜約１００℃、別の実施形態では約２０℃〜約３０℃の温度、且つ約１０％の相対湿度〜約９５％の相対湿度、一実施形態では約５０％の相対湿度〜約９０％の相対湿度、更に別の実施形態では約７０％の相対湿度〜約８０％の相対湿度からなる環境において実行される。
乾燥後、存在する全てのマスキングは、テープ及び接着剤の剥離、テープ及び接着剤の熱分解によって、又は汎用工具を取り除くことによって除去される。マスキング除去後に残るでこぼこの縁は、従来手段を用いて削り又は切り取られる。
次に、有機加工助剤の燃焼は、結合水が蒸発して、有機加工助剤が熱分解し易くなるように、高温環境に乾燥した部品を配置することによって行われる。一実施形態では、有機加工助剤の燃焼は、乾燥した部品を約１℃／分〜約１５℃／分の速度で約４００℃〜約１０００℃の温度に加熱し、部品をこの温度で約０〜約２時間保持することによって行われる。別の実施形態では、被覆部品が約２℃／分〜約６℃／分の速度で約６００℃〜約８００℃の温度に加熱され、この温度で部品を約０〜約２時間保持する。別の実施形態では、温度を保持せずに目標温度までゆっくり上昇させた後に、異なる速度で別の温度に上昇又は低下させることによって、この保持時間を省くことができる。別の実施形態では、結合剤の燃焼が、被覆部品を約４００℃〜約１４００℃の温度に加熱された炉に配置することによって急速に起こり得る。
その後、乾燥した部品を焼結させて、耐環境コーティングを有する部品を製造する。焼結により、コーティングの高密度化と強度の付与とを同時に行うことができる。更に、ＥＢＣの外層の場合、焼結により、エンジン環境に存在する高温水蒸気を気密シールすることができる。焼結は、従来の炉を用いて、又は、例えばマイクロ波焼結、レーザ焼結、赤外線焼結等の方法により可能である。
乾燥した部品を約１℃／分〜約１５℃／分の速度で約１１００℃〜約１７００℃の温度に加熱し、部品をその温度で約０〜約２４時間保持することによって、焼結を行うことができる。別の実施形態では、被覆部品を約５℃／分〜約１５℃／分の速度で約１３００℃〜約１３７５℃の温度に加熱し、部品をその温度で約０〜約２４時間保持することによって、焼結を行うことができる。
或いは、別の実施形態では、約１℃／分〜約１５℃／分の速度で約４００℃〜約１０００℃の温度に加熱し、その温度で約０〜約２時間保持することによって、結合剤の燃焼及び焼結を、単一のプロセスで行うことができる。その後、下記の実施例において記載したように、部品を約１℃／分〜約１５℃／分の速度で結合剤燃焼温度から約１１００℃〜約１７００℃まで加熱し、この温度で約０〜約２４時間保持することができる。
代替的実施形態では、マスキングの除去、有機加工助剤の燃焼、及び焼結が行われる前に、ＥＢＣの全ての層を順に重ねて塗布する。当業者には理解されるように、各々の層の塗布後、次の層の塗布前に層を少なくとも部分的に乾燥しなければならない。
別の実施形態では、所望の結果を得るためにスラリーの各層に対して焼結助剤を直接添加する必要はない。例えば、一実施形態では、焼結助剤なしで少なくともムライト又はムライト／ＢＳＡＳ混合物の主要遷移材料からなるスラリーが、遷移層としてセラミック部品に塗布され、乾燥され、真空、不活性雰囲気、又は還元雰囲気（アルゴン、アルゴン４％水素、窒素等）のいずれかにおいて焼結される。次に、焼結助剤を含有するＢＳＡＳ（主要外部材料）スラリーを、外層として塗布することができる。外層が乾燥及び焼結すると、ＢＳＡＳ外層からの焼結助剤が遷移層に拡散して二次材料を形成することができる。或いは、外層は含んでいないが、遷移層スラリーは焼結助剤を含んでもよい。この場合、焼結中、焼結助剤は遷移層から外層へと拡散することができる。別の実施形態では、焼結助剤のない主要材料スラリーは、層を塗布し、それを乾燥させてから、後述するように熱処理前にまた水溶性又は溶剤可溶性焼結助剤からなるゾルゲル溶液を浸透させることによって高密度化することができる。
一部の希土類含有及びリン酸含有焼結助剤は前述の水性スラリーに混合するのが困難なことがあるので、ゾルゲル溶液の浸透は有効である。浸透は、ＥＢＣ材料の厚い層の高密度化も同時に可能にする。更に、浸透は、コーティングが望み通りに高密度でない場合、焼結後により多くの焼結助剤を添加するための方法でもある。浸透に使用されるゾルゲル溶液は、希土類硝酸塩、希土類酢酸塩、希土類塩化物、リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸二アンモニウム、リン酸一アンモニウム、又はポリビニルリン酸からなる群から選択される「水溶性焼結助剤」の水溶液であってもよい。別の実施形態では、ゾルゲル溶液は有機溶剤と「溶剤可溶性焼結助剤」の溶液であってもよい。本明細書で用いられている「溶剤可溶性焼結助剤」は、本明細書で以下に定義されるように、「溶剤可溶性希土類源」又は「溶剤可溶性リン源」を意味する。
本明細書で用いられている「有機溶剤」は、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロパノール、ブチルアルコール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、グリセロール、グリセリン、ポリエチレングリコール、エチレングリコール、アセトン、トルエン、キシレン、ヘプタン、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）、エチルベンゼン、プロピルベンゼン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、及びそれらの混合物を含むがこれに限定されるものではない溶媒を意味する。
本明細書で用いられている「溶媒可溶性希土類源」は、希土類酢酸塩、希土類シュウ酸塩、希土類イソプロポキシド、希土類メトキシエトキシド、希土類２，２，６，６−テトラメチル−３，５−ヘプタンジオナート、希土類２，４−ペンタジオナート、希土類アセチルアセトネート、及びそれらの混合物を意味するがこれに限定されるものではない。
本明細書で用いられている「溶剤可溶性リン源」は、ポリビニルリン酸；リン酸トリブチル；リン酸トリメチル；リン酸トリエチル；リン酸トリプロピル；尿素リン酸塩；モノメチルリン酸ビス（シクロヘキシルアンモニウム）塩；リン酸ジメチル；リン酸二水素２−アミノエチル；ホスホ（エノール）ピルビン酸シクロヘキシルアンモニウム塩；リン酸トリメチル；リン酸ジエチル；次亜リン酸アニリウム；４−エチル−２，６，７−トリオキサ−１−ホスファビシクロ［２．２．２］オクタン；フィチン酸；リン酸アリルジエチル；スペルミジンリン酸塩六水和物；リン酸ジブチル；ピロリン酸テトラエチル；リン酸トリイソプロピル；１−ナフチルリン酸；ビス（４−ニトロフェニル）リン酸；スペルミン二リン酸塩；リン酸ジフェニル；２，４−ジアミノ−６，７−ジイソプロピルプテリジンリン酸塩；リン酸二シクロヘキシルアンモニウム；リン酸トリブチル；リン酸トリデシル；リン酸ジベンジル；リン酸ビス（２−エチルヘキシル）；リン酸トリフェニル；リン酸トリス（２−ブトキシエチル）；リン酸トリクレジル；ヒドロキシピルビン酸ジメチルケタールリン酸トリ（シクロヘキシルアンモニウム）塩；リン酸トリス（２−エチルヘキシル）；ピロリン酸テトラベンジル；｛３，９−ビス（２，４−ジクミルフェノキシ）−２，４，８，１０−テトラオキサ−３，９−ジホスファスピロ［５．５］ウンデカン｝；又はそれらの混合物を意味するがこれに限定されるものではない。
本明細書で用いられている「焼結助剤」は、予め定義したように、「スラリー焼結助剤」、「水溶性焼結助剤」、又は「溶剤可溶性焼結助剤」のいずれかを意味する。理論によって制限するつもりはないが、本明細書のＥＢＣ実施形態に焼結助剤を含有させることによって主要材料の拡散速度を増加させることができ、表面積の縮小（即ち、高表面積粒子が固化して高密度のコーティングを形成する）は焼結助剤がない場合よりも低温で生じ得るようになる。前述したように、低温（即ち、約１３７５℃以下）での焼結は、エンジン環境からの熱蒸気の透過に左右されない非常に高密度の（即ち、遷移層では約７０％以上、外層では約８５％以上の）コーティングをもたらすだけでなく、高温への長時間の暴露による下層の部品の機械的特性の劣化を防ぐのを助けることもできる。
焼結助剤は、ＥＢＣに含まれる焼結助剤の量及びコーティングが焼結温度にさらされる時間に応じて様々に作用し得る。例えば、一実施形態では、焼結助剤を、主要材料（即ち、主要遷移材料又は主要外部材料）に完全に溶解することができる。別の実施形態では、主要材料に溶解する焼結助剤の量が限度を超える場合、焼結助剤の残りの不溶性部分が主要材料と反応して、二次材料（即ち、二次遷移材料又は二次外部材料）が形成される。別の実施形態では、主要材料及び二次材料を、上記したように残留焼結助剤と共存させることができる。これらの後者の２つの実施形態では、二次材料が高温水蒸気において高揮発性（例えば、リン酸アルミニウム）である場合、ＥＢＣの外層において二次材料の総容積が、気孔率（更に存在する場合は残留焼結助剤）も含めて約１５％以下にとどまる限り、気密シールを維持することができる。或いは、これらの後者の２つの実施形態では、二次材料が高温水蒸気において揮発に強い耐性を示す場合、例えば二次材料が希土類二ケイ酸塩、希土類一ケイ酸塩、又は希土類アルミン酸塩からなる場合、気密シールを維持するためにはＥＢＣの外層における気孔率のみが約１５％以下にとどまっている必要がある。
低級の焼結助剤では、高密度化コーティング層は検出可能な二次材料を最初は何も含んでいない可能性があることに留意する必要がある。一部の実施形態では、二次材料を決して検出することができない。しかしながら、エンジン環境において高温水蒸気に何時間も暴露した後、Ｘ線回析、電子顕微鏡法、電子分散分光法等の技術を用いて、二次材料を検出することができる実施形態もある。
本明細書で説明したＥＢＣ実施形態は、現在のＥＢＣ及びその製造方法を上回る様々な利益をもたらす。具体的には、前述したように、本明細書のＥＢＣ実施形態に焼結助剤を含有させることによって低温（即ち、約１３５７℃以下）での焼結が可能になる。これは、エンジン環境からの熱蒸気の透過に左右されない非常に高密度の（即ち、遷移層では約７０％以上、外層では約８５％以上の）コーティングをもたらすだけでなく、高温への長時間の暴露による下層の部品の機械的特性の劣化防止にも役立つ。また、本明細書に記載の実施形態は、各種層への焼結助剤の取り込みによって可能となるスラリー析出プロセスによって、現在のＥＢＣよりも少ない費用で可能である。更に、本実施形態により、薄層（＜２ミル）を塗布する場合でも、プラズマ溶射等の従来技術よりもより均一な厚さを有するＥＢＣを得ることができる。また、スラリー析出プロセスにより、内部部品通路へのＥＢＣの塗布のみならず、追加の研磨ステップなしで滑らかな表面仕上げを行うことができる。
ＥＢＣは、修復すべき小さい且つ／又は狭い欠陥（例えば、約１０ミクロン〜約５ｍｍの直径、又は約１０ミクロン〜約１ｍｍの幅）を生じる場合がある。以下の修復プロセスは本明細書で説明したＥＢＣに適用でき、本明細書で以下に説明するように、個々のＥＢＣ層の焼結後、又は塗布されたＥＢＣ全体の焼結後に行われる。
一実施形態では、ＥＢＣは本明細書で説明した方法を用いて塗布されているので、修復は１つ以上の個別層の欠陥を改善することを含む。この実施形態では、修復は、所定層の焼結後に欠陥を有する層を製造するのに使用されたのと同じスラリー材料からなる修復スラリーを塗布することによって行うことができる。例えば、遷移層が焼結後に欠陥を生じた場合、最初の遷移層の塗布で使用されたのと同じ遷移層スラリー材料からなる「遷移層修復スラリー」を用いて欠陥を修復することができる。一実施形態では、コーティングの修復部分の乾燥及び焼結時の縮みを減少させることができるように、修復スラリーは、元のスラリー層よりも高い固形物負荷の主要材料セラミック粒子を含んでもよい。特に、修復スラリーにおける主要材料セラミック粒子の固形物負荷は、約３０〜約５５容量％（それとは対照的に層を製造するのに使用された一実施形態の元のスラリーでは約１０容量％以上、別の実施形態の元のスラリーでは約１０〜約５５容量％）であってよい。修復スラリーは前述のものを含む任意の従来方法を用いて塗布され、得られた「修復コーティング」はＥＢＣのその後の層の塗布前に本明細書で前述明したように加工される。
代替的実施形態では、修復は、ＥＢＣ全体の塗布及び焼結後に欠陥を修正することを含む。この実施形態では、修復は、欠陥を有するＥＢＣに対して既定の外層スラリーに含まれるのと同じ材料（即ち、主要外部材料、焼結助剤、及び任意で二次材料）からなる外層修復スラリーを用いて行われる。この特定の修復スラリーは、ＥＢＣに存在するあらゆる欠陥に浸透し、焼結後の修復ＥＢＣコーティングに対して気密シールを提供することができる。また、外層修復スラリーの固形物負荷は少なくとも約３０〜５５容量％であってもよい。
更に、修復プロセスは任意の組成を有するプラズマ溶射ＥＢＣの表面粗度を低下させるために使用される。具体的には、プラズマ溶射ＥＢＣの表面粗度が許容できない場合、その上に前述の外層修復スラリーを塗布することによって、コーティングを滑らかにすることができる。プラズマ溶射ＥＢＣの上に塗布すると、外層修復スラリーは、プラズマ溶射コーティングのあらゆる割れ目、溝、又はでこぼこの部分を埋めて、許容程度まで表面粗度を低下させることができる。より詳細には、外層修復スラリーの厚さに応じて、プラズマ溶射ＥＢＣの表面粗度は、２００マイクロインチＲａ以上、一実施形態では４０マイクロインチＲａ〜２００マイクロインチＲａ、別の実施形態では４０マイクロインチＲａ〜１５０マイクロインチＲａに低下させることができる。外層修復スラリーは、一実施形態では少なくとも約０．５ミル、別の実施形態では約０．５ミル〜約３ミルの厚さを有する。表面粗度が向上した主要外部材料の固形物負荷は、一実施形態では約１０〜約５５容量％、別の実施形態では約３０〜約５５容量％にすることがでる。その後、塗布された外層修復スラリーを前述のように加工して、許容可能な表面粗度を有する修復ＥＢＣを製造することができる。
コーティング全体を剥がして再塗布するのとは対照的に、そのような修復プロセスにより、コーティングの塗布又は寿命の間様々な場所で局在欠陥を修復することができるようになる。これは、更に、時間、労力、及び材料の節約をもたらし得る。
従来の空気プラズマ溶射法を用いて、ＳｉＣ−ＳｉＣ ＣＭＣコーティングにシリコンボンドコートを塗布した。次に、主要遷移材料スラリーを、まずプラスチック容器内で、十分な０．２５インチ（６．３５ｍｍ）直径の円筒状アルミナ媒体を容器の底に並べて、ムライト、ＢＳＡＳ、水、ポリアクリル酸、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ５０２（登録商標）、及びグリセリンを混合することによって製造した。この混合物を１５時間ローラーミルに配置した。ローラーミルから容器を取り除いた後、アルミナ媒体を除去した。キサンタンガムを添加してから、ペイントシェーカーを用いて混合物を１５分間振とうした。最後に、Ｒｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤を添加して、容器を（媒体なしで）１時間ローラーミルに戻した。
得られた主要遷移材料スラリー（スラリーＡ）は、４０．６８％のムライト、１０．１７％のＢＳＡＳ、２．５４％のポリアクリル酸、０．１４％のＳｕｒｆｙｎｏｌ ５０２（登録商標）、０．２３％のキサンタンガム、６．７１％のＲｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤、４．９２％のグリセリン、及び残部水（全て重量パーセント）からなっていた。このスラリーには焼結助剤は添加しなかった。シリコン被覆セラミック部品をスラリーＡに浸漬し、周囲条件で乾燥し、３℃／分で１０００℃まで熱処理して結合剤を燃焼させた。次に、部品を５℃／分で１０００℃〜１３４４℃に加熱し、５時間保持することによって焼結させて、ムライト／ＢＳＡＳ混合物（８０ｖｏｌ％のムライトと２０ｖｏｌ％のＢＳＡＳ）からなる遷移層を形成した。全ての熱処理を真空で行った。加熱環境によって、１０容量％未満の気孔率を有するムライト／ＢＳＡＳ遷移層が得られた。
次に、主要外部材料スラリーを、まずプラスチック容器内で、十分な０．２５インチ（６．３５ｍｍ）直径の円筒状アルミナ媒体を容器の底に並べて、ＢＳＡＳ、水、ポリアクリル酸、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ５０２（登録商標）、及びグリセリンを混合することによって製造した。この混合物を１５時間ローラーミルに配置した。ローラーミルから容器を取り除いた後、アルミナ媒体を除去した。次に、グリシン、キサンタンガム、及び硝酸イットリウム六水和物を添加し、ペイントシェーカーを用いて混合物を１５分間振とうした。最後に、Ｒｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤を添加して、容器を（媒体なしで）１時間ローラーミルに戻した。
得られた主要外部材料スラリー（スラリーＢ）は、４９．４９％のＢＳＡＳ、１．８４％の硝酸イットリウム六水和物（スラリー焼結助剤）、２．４７％のポリアクリル酸、４．９１％のグリシン、０．１３％のＳｕｒｆｙｎｏｌ（登録商標）５０２、６．３６％のＲｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤、４．３４％のグリセリン、及び残部水（全て重量パーセント）からなっていた。ボンドコート及び遷移層を有するＳｉＣ−ＳｉＣ ＣＭＣをスラリーＢに浸漬し、周囲条件で乾燥し、３℃／分で１０００℃まで熱処理して結合剤を燃焼させた。次に、部品を５℃／分で１０００℃〜１３４４℃に加熱し、５時間保持することによって焼結させて、高密度外層を形成した。全ての熱処理を周囲条件で行った。スラリーＢ被覆プロセス及び熱処理をもう一度繰り返して、外層の厚さを増加させた。外層は、スラリーＢ内の硝酸イットリウムスラリー焼結助剤のおかげで１０容量％未満の気孔率を有していた。
図２は、空気プラズマ溶射シリコンボンドコート（１００）、遷移層（１０２）、及び外層（１０４）を有する本コーティング微細構造のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。外層及び遷移層は主に主要材料（それぞれ、ＢＳＡＳ及びムライト／ＢＳＡＳ混合物）からなっているように見えたが、Ｘ線回析はＥＢＣに二次材料、即ち二ケイ酸イットリウムが存在することを示した。Ｘ線回析及びＥＤＳ（電子分散分光）分析の組み合わせは、少量の希土類アルミノケイ酸ガラス及びアルカリ土類アルミノケイ酸ガラス二次材料が同様に外層に存在することを示した。
従来の空気プラズマ溶射法を用いて、ＳｉＣ−ＳｉＣ ＣＭＣにシリコンボンドコートを塗布した。次に、主要遷移材料スラリーを、まずプラスチック容器内で、十分な０．２５インチ（６．３５ｍｍ）直径の円筒状アルミナ媒体を容器の底に並べて、ムライト、ＢＳＡＳ、水、ポリアクリル酸、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ５０２（登録商標）、及びグリセリンを混合することによって製造した。この混合物を１５時間ローラーミルに配置した。ローラーミルから容器を取り除いた後、アルミナ媒体を除去した。キサンタンガム及びリン酸一アンモニウムを添加してから、ペイントシェーカーを用いて混合物を１５分間振とうした。最後に、Ｒｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤を添加して、容器を（媒体なしで）１時間ローラーミルに戻した。
得られた主要遷移材料スラリー（スラリーＣ）は、３４．０７％のムライト、８．５２％のＢＳＡＳ、４．５１％のリン酸一アンモニウム（スラリー焼結助剤）、２．１３％のポリアクリル酸、０．１６％のＳｕｒｆｙｎｏｌ（登録商標）５０２、０．２９％のキサンタンガム、５．６２％のＲｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤、２．５６％のグリセリン、及び残部水（全て重量パーセント）からなっていた。シリコン被覆セラミック部品をスラリーＣに浸漬し、周囲条件で乾燥し、３℃／分で１０００℃まで熱処理して結合剤を燃焼させた。次に、部品を５℃／分で１０００℃〜１３４４℃に加熱し、５時間保持することによって焼結させて、ムライト／ＢＳＡＳ混合物（８０ｖｏｌ％のムライトと２０ｖｏｌ％のＢＳＡＳ）からなる高密度遷移層を形成した。全ての熱処理を周囲条件で行った。高密度遷移層は、スラリーＣ内のリン酸一アンモニウムスラリー焼結助剤のおかげで１０容量％未満の気孔率を有していた。
次に、主要外部材料スラリーを、まずプラスチック容器内で、十分な０．２５インチ（６．３５ｍｍ）直径の円筒状アルミナ媒体を容器の底に並べて、ＢＳＡＳ、水、ポリアクリル酸、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ５０２（登録商標）、及びグリセリンを混合することによって製造した。この混合物を１５時間ローラーミルに配置した。ローラーミルから容器を取り除いた後、アルミナ媒体を除去した。キサンタンガム及びリン酸一アンモニウムを添加してから、ペイントシェーカーを用いて混合物を１５分間振とうした。最後に、Ｒｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤を添加して、容器を（媒体なしで）１時間ローラーミルに戻した。
得られた主要外部材料スラリー（スラリーＤ）は、５０．５５％のＢＳＡＳ、１．６０％のリン酸一アンモニウム（スラリー焼結助剤）、２．５３％のポリアクリル酸、０．１３％のＳｕｒｆｙｎｏｌ（登録商標）５０２、０．２５％のキサンタンガム、６．５０％のＲｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤、５．９１％のグリセリン、及び残部水からなっていた。ボンドコート及び遷移層を有するＳｉＣ−ＳｉＣ ＣＭＣをスラリーＤに浸漬し、周囲条件で乾燥し、３℃／分で１０００℃まで熱処理して結合剤を燃焼させた。次に、部品を５℃／分で１０００℃〜１３４４℃に加熱し、５時間保持することによって焼結させて、高密度外層を形成した。全ての熱処理は周囲条件で行った。スラリーＤ被覆プロセス及び熱処理を繰り返して、外層の厚さを増加させた。高密度外層は、スラリーＤ内のリン酸一アンモニウムスラリー焼結助剤のおかげで１０容量％未満の気孔率を有していた。
図３は、空気プラズマ溶射シリコンボンドコート（１０６）、遷移層（１０８）、及び外層（１１０）を有する本コーティング微細構造を有するＣＭＣ（１０５）のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。外層及び遷移層は主要材料（それぞれ、ＢＳＡＳ及びムライト／ＢＳＡＳ混合物）からなっているように見えたが、Ｘ線回析は酸化アンモニウム及びアルミン酸イットリウム（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）等の二次材料が存在することを示した。
従来の空気プラズマ溶射法を用いて、ＳｉＣ−ＳｉＣ ＣＭＣにシリコンボンドコートを塗布した。次に、主要遷移材料スラリーを、まずプラスチック容器内で、十分な０．２５インチ（６．３５ｍｍ）直径の円筒状アルミナ媒体を容器の底に並べて、ムライト、ＢＳＡＳ、水、ポリアクリル酸、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ５０２（登録商標）、及びグリセリンを混合することによって製造した。この混合物を１５時間ローラーミルに配置した。ローラーミルから容器を取り除いた後、アルミナ媒体を除去した。グリセリン、キサンタンガム、及び硝酸イットリウム六水和物を添加してから、ペイントシェーカーを用いて混合物を１５分間振とうした。最後に、Ｒｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤を添加して、容器を（媒体なしで）１時間ローラーミルに戻した。
得られた主要遷移材料スラリー（スラリーＥ）は、３２．２３％のムライト、８．０６％のＢＳＡＳ、８．０４％の硝酸イットリウム六水和物（スラリー焼結助剤）、２．０１％のポリアクリル酸、５．５５％のグリシン、０．１５％のＳｕｒｆｙｎｏｌ（登録商標）５０２、０．１０％のキサンタンガム、５．３１％のＲｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤、３．６３％のグリセリン、及び残部水（全て重量パーセント）からなっていた。シリコン被覆セラミック部品をスラリーＥに浸漬し、周囲条件で乾燥し、３℃／分で１０００℃まで熱処理して結合剤を燃焼させた。次に、部品を５℃／分で１０００℃〜１３４４℃に加熱し、５時間保持することによって焼結させて、ムライト／ＢＳＡＳ混合物（８０ｖｏｌ％のムライトと２０ｖｏｌ％のＢＳＡＳ）からなる高密度遷移層を形成した。全ての熱処理は周囲条件で行った。硝酸イットリウム六水和物スラリー焼結助剤は、１０容量％未満の気孔率まで遷移層の高密度化を促進させた。
次に、主要外部材料スラリーを、まずプラスチック容器内で、十分な０．２５インチ（６．３５ｍｍ）直径の円筒状アルミナ媒体を容器の底に並べて、ＢＳＡＳ、水、ポリアクリル酸、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ５０２（登録商標）、及びグリセリンを混合することによって製造した。この混合物を１５時間ローラーミルに配置した。ローラーミルから容器を取り除いた後、アルミナ媒体を除去した。キサンタンガムを添加してから、ペイントシェーカーを用いて混合物を１５分間振とうした。最後に、Ｒｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤を添加して、容器を（媒体なしで）１時間ローラーミルに戻した。
得られた主要外部材料スラリー（スラリーＦ）は、５７．０７％のＢＳＡＳ、２．８５％のポリアクリル酸、０．１２％のＳｕｒｆｙｎｏｌ（登録商標）５０２、０．１９％のキサンタンガム、７．３４％のＲｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤、５．３０％のグリセリン、及び残部水（全て重量パーセント）からなっていた。スラリーＦには焼結助剤は添加しなかった。ボンドコート及び遷移層を有するＳｉＣ−ＳｉＣ ＣＭＣをスラリーＦに浸漬し、周囲条件で乾燥し、３℃／分で１０００℃まで熱処理して結合剤を燃焼させた。次に、部品を５℃／分で１０００℃〜１３４４℃に加熱し、５時間保持することによって焼結させて、高密度外層を形成した。全ての熱処理は周囲条件で行った。この場合、遷移層からの残留焼結助剤が外層に拡散して、１０容量％未満の気孔率まで外層の高密度化を促進させた。
図４は、空気プラズマ溶射シリコンボンドコート（１１２）、遷移層（１１４）、及び外層（１１６）を有する本コーティング微細構造を有するＣＭＣ（１１１）のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。外層及び遷移層は主に主要材料（それぞれ、ＢＳＡＳ及びムライト／ＢＳＡＳ混合物）からなっているように見えるが、Ｘ線回析は二次材料、即ちイットリウム二ケイ酸塩が存在することを示した。更に、ムライトとＢＳＡＳの間の反応によって何らかのガラス状物質も遷移層内に形成された。
従来の空気プラズマ溶射法を用いて、ＳｉＣ−ＳｉＣ ＣＭＣにシリコンボンドコートを塗布した。次に、主要遷移材料スラリーを、プラスチック容器内で、十分な０．２５インチ（６．３５ｍｍ）直径の円筒状アルミナ媒体を容器の底に並べて、ムライト、ＢＳＡＳ、水、ポリアクリル酸、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ５０２（登録商標）、及びグリセリンを混合することによって製造した。この混合物を１５時間ローラーミルに配置した。ローラーミルから容器を取り除いた後、アルミナ媒体を除去した。キサンタンガムを添加してから、ペイントシェーカーを用いて混合物を１５分間振とうした。最後に、Ｒｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤を添加して、容器を（媒体なしで）１時間ローラーミルに戻した。
得られた主要遷移材料スラリー（スラリーＧ）は、４０．６８％のムライト、１０．１７％のＢＳＡＳ、２．５４％のポリアクリル酸、０．１４％のＳｕｒｆｙｎｏｌ（登録商標）５０２、０．２３％のキサンタンガム、６．７１％のＲｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤、４．９２％のグリセリン、及び残部水（全て重量パーセント）からなっていた。スラリーＧには焼結助剤は添加しなかった。シリコン被覆セラミック部品をスラリーＧに浸漬し、周囲条件で乾燥した。続いて、焼結助剤溶液が未焼成コーティング内の孔隙に流入できるように、被覆部品を８ｗｔ％イットリウムメトキシエキトキシド（溶剤可溶焼結助剤）及び９２ｗｔ％エチルアルコール（有機溶剤）の焼結助剤溶液に浸漬した。エチルアルコールは周囲条件下で蒸発し、被覆部品を３℃／分で１０００℃まで熱処理して結合剤を燃焼させた。次に、部品を５℃／分で１０００℃〜１３４４℃に加熱し、５時間保持することによって焼結させて、ムライト／ＢＳＡＳ混合物（８０ｖｏｌ％のムライトと２０ｖｏｌ％のＢＳＡＳ）からなり、１０容量％未満の気孔率を有する高密度遷移層を形成した。
次に、主要外部材料スラリーを、プラスチック容器内で、十分な０．２５インチ（６．３５ｍｍ）直径の円筒状アルミナ媒体を容器の底に並べて、ＢＳＡＳ、水、ポリアクリル酸、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ５０２（登録商標）、及びグリセリンを混合することによって製造した。この混合物を１５時間ローラーミルに配置した。ローラーミルから容器を取り除いた後、アルミナ媒体を除去した。キサンタンガムを添加してから、ペイントシェーカーを用いて混合物を１５分間振とうした。最後に、Ｒｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤を添加して、容器を（媒体なしで）１時間ローラーミルに戻した。
得られた主要外部材料スラリー（スラリーＨ）は、５１．４８％のＢＳＡＳ、２．５７％のポリアクリル酸、０．１４％のＳｕｒｆｙｎｏｌ（登録商標）５０２、０．２３％のキサンタンガム、６．６２％のＲｈｏｐｌｅｘ（登録商標）ＨＡ８乳化剤、４．８６％のグリセリン、及び残部水（全て重量パーセント）からなっていた。スラリーＨには焼結助剤は添加しなかった。ボンドコート及び遷移層を有するＳｉＣ−ＳｉＣ ＣＭＣをスラリーＨに浸漬し、周囲条件で乾燥した。続いて、焼結助剤溶液が未焼成コーティング内の孔隙に流入できるように、被覆部品を８ｗｔ％イットリウムメトキシエキトキシド及び９２ｗｔ％エチルアルコールの焼結助剤溶液に浸漬した。上記したようにエチルアルコールを乾燥させた後、サンプルを３℃／分で１０００℃まで熱処理して結合剤を燃焼させた。次に、部品を５℃／分で１０００℃〜１３４４℃に加熱し、５時間保持することによって焼結させて、１０容量％未満の気孔率を有する高密度外層を形成した。全ての熱処理は周囲条件で行った。
図５は、空気プラズマ溶射シリコンボンドコート（１１８）、ムライト／ＢＳＡＳ遷移層（１２０）、及びＢＳＡＳ外層（１２２）を有する本コーティング微細構造を有するＣＭＣ（１１７）のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。ＢＳＡＳ外層及びムライト／ＢＳＡＳ遷移層は主に主要材料からなっているように見えるが、Ｘ線回析は二次材料、即ちイットリウム二ケイ酸塩が存在することを示した。Ｘ線回析及びＥＤＳ分析の組み合わせは、少量の希土類アルミノケイ酸ガラス及びアルカリ土類アルミノケイ酸ガラス二次材料が同様に外層に存在することを示した。
本明細書は、本発明を開示すると共に、当業者であれば誰でも本発明を製造し使用することができるように、最良の形態を含む例を用いている。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求項によって定義され、当業者が想到し得る他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求項の文言と相違しない構成要素を有する場合、或いは特許請求項の文言と実質的な差異のない同等の構成要素を含む場合、特許請求の範囲に属するものとする。
Claims (10)
- 焼結助剤を用いた耐環境コーティング（１２）の製造方法であって、
少なくとも水と、ムライト、ＢＳＡＳ、又はムライト／ＢＳＡＳ混合物からなる主要遷移材料とを混ぜ合わせて遷移層スラリーを製造するステップと、
前記遷移層スラリーをセラミック部品（１０）に塗布するステップと、
少なくとも水と、ＢＳＡＳからなる主要外部材料とを混ぜ合わせて外層スラリーを製造するステップと、
前記外層スラリーを前記塗布された遷移層スラリーを有する前記部品に塗布するステップと、
前記部品を焼結させて、少なくとも遷移層（１６）及び外層（１８）を有する前記耐環境バリアコーティングを製造するステップとからなり、
前記遷移層スラリー又は前記外層スラリーの少なくとも１つを塗布した後、前記部品を乾燥させて、前記少なくとも１つの層にゾルゲル溶液を浸透させ、前記遷移層はその０〜約３０容量％の気孔率を有し、前記外層はその０〜約１５容量％の気孔率を有する、方法。 - 前記ゾルゲル溶液は、水溶性焼結助剤の水溶液、又は溶剤可溶性焼結助剤の有機溶剤溶液である、請求項１に記載の方法。
- 約９ｗｔ％〜約８１ｗｔ％の水、約３ｗｔ％〜約７２ｗｔ％の主要遷移材料、及び選択的に任意の有機加工助剤を混ぜ合わせて、前記遷移層スラリーを製造するステップと、
約９ｗｔ％〜約８１ｗｔ％の水、約３ｗｔ％〜約７２ｗｔ％の主要外部材料、及び選択的に任意の有機加工助剤を混ぜ合わせて、前記外層スラリーを製造するステップとを有する、請求項１又は２のいずれかに記載の方法。 - ５０％以上の相対湿度を有する湿潤環境において前記遷移層スラリー及び前記外層スラリーを前記部品に塗布するステップを有する、請求項１、２、又は３のいずれかに記載の方法。
- 乾燥ステップは、約５０％〜約９０％の相対湿度を有する湿潤環境において前記部品（１０）を約５℃〜約１００℃の温度に暴露することを含む、請求項１、２、３、又は４のいずれかに記載の方法。
- 前記部品（１０）を約１℃／分〜約１５℃／分の速度で約４００℃〜約１０００℃の温度に加熱し、前記部品をその温度で最大約２時間保持することによって、乾燥後であるが焼結前に前記有機加工助剤を燃焼させるステップを有する、請求項３、４、又は５のいずれかに記載の方法。
- 前記部品（１０）を約１℃／分〜約１５℃／分の速度で約１１００℃〜約１７００℃の温度に加熱し、前記部品をその温度で最大約２４時間保持することによって、前記有機加工助剤の燃焼後に前記部品を焼結させるステップを有する、請求項３、４、５、又は６のいずれかに記載の方法。
- 前記セラミック部品（１０）は、セラミックマトリックス複合体、即ち、燃焼器部品、タービンブレード、シュラウド、ノズル、ヒートシールド、及びベーンからなる群から選択されるモノリシックセラミックタービンエンジン部品である、請求項１、２、３、４、５、６、又は７のいずれかに記載の方法。
- 前記水溶性焼結助剤は、希土類硝酸塩、希土類酢酸塩、希土類塩化物、リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸二アンモニウム、リン酸一アンモニウム、又はポリビニルホスホン酸からなる群から選択される、請求項２、３、４、５、６、７、又は８のいずれかに記載の方法。
- 前記有機溶剤は、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロパノール、ブチルアルコール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、グリセロール、グリセリン、ポリエチレングリコール、エチレングリコール、アセトン、トルエン、キシレン、ヘプタン、メチルイソブチルケトン、エチルベンゼン、プロピルベンゼン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、及びそれらの混合物から選択され、前記溶剤可溶性焼結助剤は、溶剤可溶性希土類源、又は溶剤可溶性リン源である、請求項２、３、４、５、６、７、又は８のいずれかに記載の方法。
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