JP2015531839A - 補強物品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

基材と、基材の上に設けられたボンド層と、ボンド層の上に設けられた第１の補強層であって、複数のナノ粒子を含む第１の補強層と、第１の補強層の上に設けられた保護層とを備える物品であって、第１の補強層が、ボンド層で発生する熱成長酸化物の形成を低減させる物品、並びにその製造方法。【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、ガスタービンエンジン部品のような補強物品に関し、より具体的には、耐クリープ性の補強物品及びその製造方法に関する。

ガスタービンエンジンは、ガスを加速させて燃焼室に送り、熱を加えてガスの体積を増大させる。膨張ガスは次いでタービンに送られ、膨張ガスで生じたエネルギーが抽出される。ガスタービンエンジン内の高温及び極端な作動条件に耐えるために、タービンブレードのようなガスタービンエンジン部品は、金属、セラミック又はセラミックマトリックス複合材料から作製される。

耐環境コーティングは、ガスタービンエンジン部品の表面に施工されて、ガスタービンエンジンの高温での作動中にガスタービンエンジン部品に追加の保護を提供するとともに部品を遮熱する。耐環境コーティングは、ボンド層を用いて部品又は基材に施工される１以上の保護層である。保護層は、セラミック材料であり、複数の層を含むこともできる。ガスタービンエンジン内の高温ガス環境は、ボンド層と保護層の間の界面でボンド層の酸化及び熱成長酸化物層の形成を生じさせる。

熱成長酸化物層は、例えば、遠心荷重又は耐環境コーティングの外側保護層との熱膨張の不一致などによる剪断応力の結果として、耐環境コーティング中でクリープする。熱成長酸化物層のクリープは、耐環境コーティング及び／又は基材の外側保護層の割れ又は変形を引き起こし、及び／又は部品の全体的な寿命を低下させる。

米国特許出願公開第２００８／０２６２４８号明細書

したがって、上述の課題の１以上を解決する、耐クリープ性、耐酸化性及び／又は耐熱性を向上させた補強物品、及び／又はそれらの製造方法を提供することが望まれる。

本発明の一態様では、物品は、基材と、基材の上に設けられたボンド層と、ボンド層の上に設けられた第１の補強層であって、複数のナノ粒子を含む第１の補強層と、第１の補強層の上に設けられた保護層とを備えており、第１の補強層は、ボンド層で発生する熱成長酸化物の形成を低減させる／抑制させる。

本発明の別の態様では、本方法は、ボンド層を基材の上に設ける工程と、複数のナノ粒子を含む第１の補強層をボンド層の上に設ける工程と、第１の補強層の上に保護層を設ける工程とを含んでおり、第１の補強層が、ボンド層で発生する熱成長酸化物の形成を低減させる。

上記その他の特徴及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。

本発明とみなされる対象については、本明細書に続く特許請求の範囲に具体的かつ明瞭に記載されている。本発明の上記その他の特徴及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。

物品の部分断面図である。 他の物品の部分断面図である。

以下の詳細な説明では、図面を参照しながら、本発明の実施形態について、効果及び特徴と併せて説明する。

本明細書で説明する実施形態は、概して補強粒子及びその製造方法に関する。補強層は、基材、ボンド層及び保護層と共に用いるために提供される。

図１を参照すると、物品１０は、基材２０を含む。ボンド層３０は、基材２０の上に設けられる。第１の補強層４０は、ボンド層３０の上に設けられる。保護層５０は、第１の補強層４０の上に設けられる。

基材２０は、金属、セラミック又はセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）の材料である。一実施形態では、基材２０は、ガスタービンエンジン部品である。別の実施形態では、基材は、タービンブレード、ベーン、シュラウド、ライナ、燃焼器、トランジションピース、ロータ部品、排気フラップ、シール又は燃料ノズルである。さらに別の実施形態では、基材２０は、ＣＭＣ材料を用いて形成されたタービンブレードである。

ボンド層３０は、保護層５０を基材２０に接合するのを助ける。一実施形態では、ボンド層３０は、ケイ素を含む。

保護層５０は、作動中に物品１０が付される高温ガス、水蒸気及び／又は酸素等の環境条件の影響から基材を保護する。保護層５０は、物品１０の作動時に、高温ガス、水蒸気及び／又は酸素との接触から基材２０を保護するのに適した材料である。一実施形態では、保護層５０は、セラミック材料を含む。別の実施形態では、保護層５０は、ケイ素を含む。

一実施形態では、保護層５０は単層からなる。別の実施形態では、保護層５０は、様々な材料の多層を含む。さらに別の実施形態では、保護層は、様々な材料の多層を含む耐環境コーティング（ＥＢＣ）である。

保護層５０は、特に限定されないが、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、ディップコーティング、スピンコーティング、電気泳動蒸着（ＥＰＤ）を始めとする好適な方法を用いて第１の補強層４０の上に設けられる。

物品１０の高温作動中に、高温ガス、水蒸気及び／又は酸素への暴露されると、ボンド層３０の酸化を生じさせる。溶融及び酸化によって、ボンド層３０は、粘稠ガラス層のような粘稠流体層（図示せず）を形成する。粘稠流体層は、熱成長酸化物（ＴＧＯ）を含む。粘稠流体層は、作動中に物品１０に加わる遠心荷重及び保護層５０との熱膨張率の不一致に起因する剪断応力によって、移動又はスライドする。この現象は「クリープ」と呼ばれる。保護層５０のクリープは、割れの発生及び／又は部品の全体寿命の低下をもたらす。

第１の補強層４０は、ボンド層３０で発生する熱成長酸化物の形成を低減又は抑制させる。第１の補強層４０は複数のナノ粒子６０を含む。一実施形態では、ナノ粒子６０は、ナノチューブ、ナノワイヤ又はこれらの１以上を含む組合せを含む。別の実施形態では、ナノ粒子６０は、ケイ素を含む。さらに別の実施形態では、ナノ粒子６０は、炭化ケイ素を含む。さらに別の実施形態では、ナノ粒子６０は、炭化ケイ素ナノワイヤを含む。

ナノ粒子６０の平均粒径は、約１ｎｍ〜約１０μｍである。一実施形態では、ナノ粒子６０の平均粒径は、約１ｎｍ〜約１μｍである。別の実施形態では、ナノ粒子６０の平均粒径は、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍである。さらに別の実施形態では、ナノ粒子６０の平均粒径は、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍである。

第１の補強層４０は、保護層５０の施工に用いたものと同じ方法でボンド層３０の上に設けられる。一実施形態では、第１の補強層４０は、スピンコーティングを用いて施工される。別の実施形態では、第１の補強層４０は、ボンド層３０の表面と連続した連続層である。

ナノ粒子６０は、第１の補強層４０に網状組織を形成する。得られる網状組織は、超疎水性であり、網状組織に形成された細孔内に空気及び高温ガスを捕捉する。高温ガスのナノ多孔性輸送は、通路の直径よりも小さな平均自由行程を生じさせ、第１の補強層４０の表面自由エネルギーを低下させる。高温ガスとボンド層３０の間の接触が低減又は抑制されて、ボンド層３０で発生する熱成長酸化物の量を低減又は抑制させる。第１の補強層４０も、保護層５０に対するボンド層３０の接合又は接着を助ける。

粒子６０の網状組織は、メッシュ形態、三次元織物形態、単一方向形態又はこれらの１以上を含む組合せである。粒子６０の網状組織は、第１の補強層４０に粗面形態をもたせ、第１の補強角度層４０の水接触角を変化させる。

図２を参照すると、一実施形態では、物品１０は、第２の補強層７０をさらに含む。第２の補強層７０は、基材２０とボンド層３０の間で基材２０の上に設けられる。第２の補強層７０は、第１の補強層４０について述べたものと同じ材料を含んでおり、同じ方法で配置され、同じ特性を有する。別の実施形態では、第２の補強層７０は、第１の補強層４０と同じ材料を含んでおり、同じ方法で配置され、同じ特性を有する。さらに別の実施形態では、第２の補強層７０は、第１の補強層４０とは異なる材料を含んでおり、及び／又は異なる方法で基材２０の上に設けられ、及び／又は異なる特性を有する。第２の補強層７０は、ボンド層３０と共に、保護層５０を基材２０に接合するのを助ける。

第１の補強層４０及び／又は第２の補強層７０の厚さは、約１ｎｍ〜約１００μｍである。別の実施形態では、第１の補強層４０及び／又は第２の補強層７０の厚さは、約１ｎｍ〜約５０μｍである。さらに別の実施形態では、第１の補強層４０及び／又は第２の補強層７０の厚さは、約１ｎｍ〜約１０μｍである。さらに別の実施形態では、第１の補強層４０及び／又は第２の補強層７０の厚さは均一又は実質的に均一である。

第１の補強層４０及び／又は第２の補強層７０は、向上した耐酸化性、耐クリープ性、及び／又は２４００°Ｆ以上の耐熱性をもたらし、物品１０の性能及び全体的な寿命を向上させる。

一実施形態では、方法は、ボンド層３０を基材２０の上に設ける工程、第１の補強層４０をボンド層３０の上に設ける工程、及び保護層５０を第１の補強層４０の上に設ける工程を含む。別の実施形態では、方法は、第２の補強層７０を基材２０とボンド層３０の間に設ける工程をさらに含む。

限られた数の実施形態に関して本発明を詳しく説明してきたが、本発明がこれらの開示された実施形態に限定されないことは明らかであろう。本発明には、本明細書に記載されていない数多くの変更、修正、置換又は均等な構成を組み込むことができ、これらは本発明の技術的思想及び技術的範囲に属する。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様によっては、その一部しか含んでいないこともある。したがって、本発明は、以上の記載によって限定されるものではなく、専ら特許請求の範囲に記載された範囲によって限定される。

１０ 物品
２０ 基材
３０ ボンド層
４０ 第１の補強層
５０ 保護層
６０ ナノ粒子
７０ 第２の補強層

Claims (20)

1. 基材と、
   前記基材の上に設けられたボンド層と、
   前記ボンド層の上に設けられた第１の補強層であって、複数のナノ粒子を含む第１の補強層と、
   第１の補強層の上に設けられた保護層と、
   を備える物品であって、第１の補強層が、ボンド層で発生する熱成長酸化物の形成を低減させる、物品。
2. 前記基材がセラミック又はセラミックマトリックス複合材料を含む、請求項１記載の物品。
3. 前記ボンド層がケイ素を含む、請求項１記載の物品。
4. 第１の補強層の複数のナノ粒子が炭化ケイ素を含む、請求項１記載の物品。
5. 第１の補強層の複数のナノ粒子が、ナノワイヤ、ナノチューブ又はこれらの１以上を含む組合せを含む、請求項１記載の物品。
6. 前記基材とボンド層の間に第２の補強層が配置され、第２の補強層が複数のナノ粒子を含み、第２の補強層が、ボンド層で発生する熱成長酸化物の形成を低減させる、請求項１記載の物品。
7. 前記保護層が２以上の層を含む、請求項１記載の物品。
8. 前記物品がガスタービンエンジン部品である、請求項１記載の物品。
9. 前記基材がタービンブレード、ベーン、シュラウド、ライナ、燃焼器、トランジションピース、ロータ部品、排気フラップ、シール又は燃料ノズルである、請求項１記載の物品。
10. 前記保護層が耐環境コーティングである、請求項１記載の物品。
11. ボンド層を基材の上に設ける工程と、
    複数のナノ粒子を含む第１の補強層をボンド層の上に設ける工程と、
    第１の補強層の上に保護層を設ける工程と、
    を含んでおり、第１の補強層が、ボンド層で発生する熱成長酸化物の形成を低減させる、方法。
12. 前記基材がセラミック又はセラミックマトリックス複合材料を含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記ボンド層がケイ素を含む、請求項１１記載の方法。
14. 第１の補強層の複数のナノ粒子が炭化ケイ素を含む、請求項１１記載の方法。
15. 第１の補強層の複数のナノ粒子が、ナノワイヤ、ナノチューブ又はこれらの１以上を含む組合せを含む、請求項１１記載の方法。
16. 前記基材とボンド層の間に第２の補強層を設ける工程をさらに含んでおり、第２の補強層が複数のナノ粒子を含んでいて、第２の補強層が、ボンド層で発生する熱成長酸化物の形成を低減させる、請求項１１記載の方法。
17. 前記保護層が２以上の層を含む、請求項１１記載の方法。
18. 前記基材がガスタービンエンジン部品である、請求項１１記載の方法。
19. 前記基材がタービンブレード、ベーン、シュラウド、ライナ、燃焼器、トランジションピース、ロータ部品、排気フラップ、シール又は燃料ノズルである、請求項１１記載の方法。
20. 前記保護層が耐環境コーティングである、請求項１１記載の方法。