JP2017105704A

JP2017105704A - Ｃｍｃシュラウド用の摩耗性組成物及び方法

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Publication number: JP2017105704A
Application number: JP2016234609A
Authority: JP
Inventors: グレン・ハロルド・カービー; Glen Harold Kirby; ポール・スティーブン・マニッケ; Paul Stephen Manicke
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2017-06-15
Also published as: CN106979039B; CA2950787A1; EP3178799A1; CN106979039A; US20170167279A1; US10145252B2

Abstract

【課題】ＣＭＣシュラウド等のＣＭＣ部品の表面上の皮膜系を提供する。
【解決手段】皮膜系は、ＣＭＣ部品の表面上の耐環境皮膜（２００）及び耐環境皮膜（２００）上にあり、耐環境皮膜（２００）の反対側の外部表面を画成する摩耗性皮膜（２０２）を含む。摩耗性皮膜（２０２）は、式Ｌｎ₂ＡＢＯ₈（式中、Ｌｎはスカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、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、ルテチウム又はそれらの混合物を含み、ＡはＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ又はそれらの組合せを含み、ＢはＭｏ、Ｗ又はそれらの組合せを含む。）の化合物を含む。一実施形態では、摩耗性皮膜（２０２）は、耐環境皮膜（２００）との界面では第１の熱膨張率を有し、第１の熱膨張率は、その外部表面では第２の熱膨張率に変化する。また、ＣＭＣ部品に摩耗性皮膜（２０２）の施工方法が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、概して、特にガスタービンエンジンのＣＭＣシュラウドに使用されるセラミック部品用の耐熱及び耐環境皮膜に関する。

ガスタービンエンジンのタービン区画は、ロータシャフト及び１以上のタービンステージを含み、タービンステージの各々は、シャフトにより設置されているか又はそうでなければシャフトにより保持されているタービンディスク（又はロータ）及びディスクの縁部に設置されており、ディスクの縁部から半径方向に延在するタービンブレードを有する。タービンアッセンブリは、典型的には、燃料の燃焼により生じる高温圧縮ガスを膨張させることにより、シャフトを回転させる力を生み出す。ガスタービンバケット又はブレードは、一般的に、流路ガスの熱エネルギー及び運動エネルギーを、ロータの機械的回転に変換するように設計されている翼形を有する。

タービンエンジン内では、シュラウドは、回転ブレードを取り囲む材料の環である。タービンの性能及び効率は、回転ブレードの先端と静止シュラウドと間の空間を低減して、そうでなければブレードを迂回する空気の流れを、ブレード上部の上方又は周辺に制限することにより向上させることができる。例えば、ブレードは、エンジンの作動中、その先端がシュラウドぎりぎりに嵌め合うように構成されていてもよい。したがって、効率的な先端間隔を生成及び維持することが、効率のためには特に望ましい。

エンジンの作動中、ブレード先端は、時としてシュラウドを擦る場合があり、それにより間隙が増加し、効率の喪失又はある場合にはブレードセットの損傷又は破壊がもたらされる。ＣＭＣシュラウドの場合、炭化ケイ素材料は、ニッケル基超合金よりも著しく硬いため、金属ブレードの損傷は、更により可能性が高い。ＣＭＣシュラウドの場合、高温蒸気浸食に由来する材料喪失による部品の性能／耐久性を達成するために、耐環境皮膜も必要とされる。したがって、ブレード先端との擦れにより皮膜が摩滅されると、ＣＭＣシュラウドは、高温蒸気浸食を起こしやすくなる。

皮膜喪失のリスクを低減するため、ＥＢＣ上部に摩耗層を施して、ブレードの擦れから皮膜を保護する。一般的に、摩耗層は、回転ブレード先端と接触すると剥離する一連のセラミック隆起部である。セラミック材料は、典型的には、耐環境層の１つと同じセラミック材料、例えば、希土類二ケイ酸塩、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩（ＢＳＡＳ）で作られている。

しかしながら、シュラウドの表面に隆起部パターンがあると、エンジンの効率にとって空気力学的損失がもたらされる。加えて、ＥＢＣ材料の厚い連続層（＞２０ミル）を剥離させずに生成するのは難しい。更に、連続セラミック層は、典型的には、非常に硬く、摩耗せずに、むしろ回転ブレードを破損してしまう。

したがって、当技術分野では、ＣＭＣ部品用の、特にシュラウド用の摩耗性皮膜の向上が望まれている。

米国特許第８６５８２５５号明細書

本発明の態様及び利点は、以下の記載で部分的に示されることになるか又は記載から自明であり得るか又は本発明の実施から習得することができる。

皮膜系は、一般的に、ＣＭＣ部品の表面に提供される。一実施形態では、皮膜系は、ＣＭＣ部品表面上の耐環境皮膜及び耐環境皮膜上にあり、耐環境皮膜の反対側の外部表面を画成する摩耗性皮膜を含む。摩耗性皮膜は、式Ｌｎ₂ＡＢＯ₈（式中、Ｌｎはスカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、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、ルテチウム又はそれらの混合物を含み、ＡはＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ又はそれらの組合せを含み、ＢはＭｏ、Ｗ又はそれらの組合せを含む。）の化合物を含む。一実施形態では、摩耗性皮膜は、耐環境皮膜との界面では第１の熱膨張率を有し、第１の熱膨張率は、その外部表面では第２の熱膨張率に変化する。

例えば、皮膜系は、ガスタービンエンジンのＣＭＣシュラウドの高温ガス経路表面に含まれていてもよい。

また、概して、ガスタービンエンジンのＣＭＣシュラウドに摩耗性皮膜を施工する方法が提供される。一実施形態では、摩耗性皮膜は、ＣＭＣシュラウドの高温ガス経路表面の耐環境皮膜に施され、摩耗性皮膜は、式Ｌｎ₂ＡＢＯ₈（式中、Ｌｎはスカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、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、ルテチウム又はそれらの混合物を含み、ＡはＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ又はそれらの組合せを含み、ＢはＭｏ、Ｗ又はそれらの組合せを含む。）の化合物を含む。一実施形態では、摩耗性皮膜は、耐環境皮膜から外部表面まで勾配をもって変化する熱膨張率を有する。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照すると、より良好に理解されるだろう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成しており、本発明の実施形態を図示し、本記載と共に本発明の原理を説明するためのものである。

当業者に向けた、その最良の実施形態を含む本発明の完全で実施可能な開示が本明細書に示されており、以下の添付の図面が参照されている。

本開示の一実施形態に係るガスタービンエンジンの模式的断面図である。本開示の一実施形態に係るガスタービンエンジンの高圧タービン部分の拡大断面側面図である。本開示の一実施形態に係るシュラウドアッセンブリの断面図である。本明細書で開示する一実施形態に係る例示的な被覆基材の模式的断面図である。本明細書で開示する一実施形態に係る別の例示的な被覆基材の模式的断面図である。本明細書で開示する一実施形態に係る更に別の例示的な被覆基材の模式的断面図である。本明細書で開示する一実施形態に係る別の例示的な被覆基材の模式的断面図である。本明細書で開示する一実施形態に係る更に別の例示的な被覆基材の模式的断面図である。

本明細書及び図面中の参照記号が繰り返して使用されている場合、それは、本発明の同一の又は類似の特徴又は要素を表わすことが意図されている。

以下において、本発明の実施形態を詳細に説明するものとする。それらの１以上の例は、図面に示されている。このような例はいずれも、本発明を説明するために提示されており、本発明を限定するものではない。実際、当業者であれば、本発明の範囲又は趣旨から逸脱せずに、本発明に種々の改変及び変更をなすことができることは明白だろう。例えば、一実施形態の一部として図示又は記載されている特徴を、別の実施形態と共に使用して、なお更なる実施形態を生み出すことができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入るそのような改変及び変更、並びにそれらの均等物を包含することが意図されている。

本明細書で使用される場合、用語「第１の」、「第２の」及び「第３の」は、１つの要素を別の要素と区別するために同義的に使用することができ、個々の要素の位置又は重要性を示すことは意図されていない。

用語「上流」及び「下流」は、流体経路の流体流動に関する相対的方向を指す。例えば、「上流」は、流体が流動して来る方向を指し、「下流」は、流体が流動して行く方向を指す。

本開示では、層が、別の層又は基材「上に（ｏｎ）」又は「の上に（ｏｖｅｒ）」あると記載されている場合、そうではないと明示的に記載されていない限り、その層が互いに直接接触していてもよく又は層間に別の層又は特徴を有していてもよく、そのいずれでもよいことが理解されるべきである。したがって、こうした用語は、互いに対する層の相対位置を記載するに過ぎず、上方又は下方という相対位置はデバイスに対する見る人の向きに依存するため、こうした用語は、「〜の上部に（ｏｎｔｏｐｏｆ）」あること必ずしも意味しない。

化学元素は、本開示では、元素の周期表に通常見出されるもの等の、それらの通常の化学的略語を使用して考察される。例えば、水素は、その通常の化学的略語Ｈにより表わされ、ヘリウムは、その通常の化学的略語Ｈｅにより表わされる等である。「Ｌｎ」は、希土類元素であるスカンジウム（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）又はそれらの混合物をいう。特定の実施形態では、Ｌｎは、ネオジム、ガドリニウム、エルビウム、イットリウム及びそれらの混合物からなる群から選択される。

本明細書には、概して、ＣＭＣシュラウド用の皮膜が、その形成方法と共に提供されている。ＣＭＣシュラウド用の皮膜は、比較的厚さがあり、高密度であり、タービンエンジン環境での剥離及び摩減に機械的な耐性を有する。概して、ＣＭＣ基材上にＥＢＣを形成するための複数の他のより薄い層と組合せた、厚みのある犠牲皮膜が提供される。この犠牲皮膜は、シュラウド表面に施される場合、ブレード先端がシュラウドと接触した際に摩減し得る厚さを提供する。したがって、摩減事象中に犠牲皮膜を犠牲にすることは、次いでＣＭＣを酸化から保護するボンドコートの比較的薄い下部層及び／又は次いでＣＭＣを高温蒸気浸透から保護する希土類二ケイ酸塩の比較的薄い下部層等の、ＥＢＣの下部層を保護する役目を果たす。また、犠牲皮膜それ自体が、高温蒸気浸透からのある程度の保護を提供することもできることに留意すべきである。

ここで、図面を参照すると、図１には、本開示の種々の実施形態を組み込むことができる、本明細書では「ターボファン１０」と呼ばれる、例示的な高バイパスターボファン型エンジン１０の模式的断面図が示されている。図１に示すように、ターボファン１０は、参照目的の、それを通って延在する縦方向又は軸方向の中心線軸１２を有する。一般的に、ターボファン１０は、ファン区画１６から下流に配置されているコアタービン又はガスタービンエンジン１４を含んでいてもよい。

ガスタービンエンジン１４は、一般的に、環状入口２０を画成する実質的に管状の外側筐体１８を含んでいてもよい。外側筐体１８は、複数の筐体で形成されていてもよい。外側筐体１８は、直列流動の関係性で、ブースタ又は低圧（ＬＰ）コンプレッサ２２、高圧（ＨＰ）コンプレッサ２４を有するコンプレッサ区画、燃焼区画２６、高圧（ＨＰ）タービン２８、低圧（ＬＰ）タービン３０を含むタービン区画及びジェット排気ノズル区画３２を収容する。高圧（ＨＰ）シャフト又はスプール３４は、ＨＰタービン２８をＨＰコンプレッサ２４に駆動可能に接続する。低圧（ＬＰ）シャフト又はスプール３６は、ＬＰタービン３０をＬＰコンプレッサ２２に駆動可能に接続する。また、（ＬＰ）スプール３６は、ファン区画１６のファンスプール又はシャフト３８と接続されていてもよい。特定の実施形態では、（ＬＰ）スプール３６は、直接駆動構成等で、ファンスプール３８に直接接続されていてもよい。別の構成では、（ＬＰ）スプール３６は、間接駆動又はギア駆動構成の減速ギアギアボックス等の減速デバイス３７を介してファンスプール３８に接続されていてもよい。そのような減速デバイスは、所望の場合又は必要に応じて、エンジン１０内の任意の好適なシャフト／スプール間に含まれていてもよい。

図１に示すように、ファン区画１６は、ファンスプール３８と結合されており、ファンスプール３８から半径方向に外側に延在する複数のファンブレード４０を含む。環状ファン筐体又はナセル４２は、ファン区画１６及び／又はガスタービンエンジン１４の少なくとも部分を円周方向に取り囲む。当業者であれば、ナセル４２は、複数の円周方向に離間されている出口ガイドベーン４４により、ガスタービンエンジン１４に対して支持されるように構成されていてもよい。更に、ナセル４２の下流区画４６（ガイドベーン４４の下流）は、その間にバイパス気流通路４８を画成するように、ガスタービンエンジン１４の外側部分の上方を延在していてもよい。

図２には、本発明の種々の実施形態を組み込むことができる、図１に示されているガスタービンエンジン１４のＨＰタービン２８部分の拡大断面図が提示されている。図２に示すように、ＨＰタービン２８は、タービンロータブレード５８（１つのみ表示）の環状アレイ５６から軸方向に離間されているステータベーン５４（１つのみ表示）の環状アレイ５２を含む、直列流動の関係性にある第１のステージ５０を含む。ＨＰタービン２８は、タービンロータブレード６８（１つのみ表示）の環状アレイ６６から軸方向に離間されている、ステータベーン６４（１つのみ表示）の環状アレイ６２を含む第２のステージ６０を更に含む。タービンロータブレード５８、６８は、ＨＰスプール３４から半径方向に外側に向かって延在し、ＨＰスプール３４と結合されている（図１）。図２に示すように、ステータベーン５４、６４及びタービンロータブレード５８、６８は、燃焼ガスを燃焼区画２６（図１）からＨＰタービン２８へと誘導するための高温ガス経路７０を少なくとも部分的に画成する。

図２に更に示すように、ＨＰタービンは、各々がロータブレードの環状アレイ周囲に環状リングを形成する、１以上のシュラウドアッセンブリを含んでいてもよい。例えば、シュラウドアッセンブリ７２は、第１のステージ５０のロータブレード５８の環状アレイ５６周囲に環状リングを形成してもよく、シュラウドアッセンブリ７４は、第２のステージ６０のタービンロータブレード６８の環状アレイ６６周囲に環状リングを形成してもよい。一般的に、シュラウドアッセンブリ７２、７４のシュラウドは、ロータブレード６８の各々のブレード先端７６、７８から半径方向に離間されている。半径方向間隙又は間隔間隙ＣＬは、ブレード先端７６、７８とシュラウドとの間に画成される。シュラウド及びシュラウドアッセンブリは、一般的に、高温ガス経路７０からの漏出を低減する。

シュラウド及びシュラウドアッセンブリは、更に、低圧コンプレッサ２２、高圧コンプレッサ２４及び／又は低圧タービン３０でも同様の様式で使用することができることに留意すべきである。したがって、本明細書で開示するシュラウド及びシュラウドアッセンブリは、ＨＰタービンでの使用に限定されず、むしろガスタービンエンジンの任意の好適な区画で使用することができる。

ここで、図３を参照すると、シュラウドアッセンブリ１００及びそのシュラウド１０２が開示されている。本明細書で開示するシュラウドアッセンブリ１００は、上記で考察されているシュラウドアッセンブリ７２、７４又は任意の好適なシュラウドアッセンブリの代わりに、エンジン１０に使用することができる。同様に、本明細書で開示するシュラウド１０２は、上記で考察されているシュラウド７６、７８又は任意の好適なシュラウドアッセンブリの代わりに、エンジン１０で使用することができる。

本開示によるシュラウド１０２及びシュラウドアッセンブリ１００は、幾つかの利点を備える。特に、本開示によるシュラウド１０２は、構造的剛性が向上されている「開放」型シュラウドである。本開示によるシュラウド設計は、シュラウドがセラミックマトリックス複合（「ＣＭＣ」）材で形成されることが、特に有利である。

図３には、本開示によるシュラウド１０２及びハンガー１０４を含むシュラウドアッセンブリ１００が図示されている。本開示によるシュラウド１０２は、例えば、シュラウド本体１１０、前方フランジ１２０及び後方フランジ１３０を含んでいてもよい。例示的な実施形態では、シュラウド本体１１０、フランジ１２０、１３０（及び一般的にはシュラウド１０２）は、ＣＭＣ材料で形成されていてもよいが、別の実施形態では、シュラウド本体１１０及びフランジ１２０、１３０（及び一般的にはシュラウド１０２）は、金属等の別の好適な材料で形成されていてもよい。特に、例示的な実施形態では、シュラウド本体１１０及びフランジ１２０、１３０は、一体化されていてもよく、したがって一般的には単一部品として形成されていてもよい。

シュラウド本体１１０は、前方表面１１２及び後方表面１１４を含んでいてもよい。後方表面１１４は、例えば、エンジン１０にある場合は、一般的には中心線１２に沿って、前方表面１１２から軸方向に離間されている。内側表面１１６及び外側表面１１８は各々、前方表面１１２と後方表面１１４との間を延在する。外側表面１１８は、内側表面１１６から半径方向に離間されている。内側表面１１６は、シュラウド１０２がエンジン１０にある場合、高温ガス経路７０と接触してもよく、したがって、外側表面１１８は、高温ガス経路７０から半径方向に離間されている。

前方フランジ１２０及び後方フランジ１３０は各々、例えばその外側表面１１８から、シュラウド本体１１０から延在していてもよい。後方フランジ１３０は、前方フランジ１２０から軸方向に離間されていてもよい。更に、前方フランジ１２０は、一般的には、本体１１０の前方表面１１２近傍に配置されていてもよく、後方フランジ１３０は、一般的には、本体１１０の後方表面１１４近傍に配置されていてもよい。各フランジ１２０、１３０は、前方表面１２２、１３２（それぞれ）及び後方表面１２４、１３４をそれぞれ含んでいてもよい。図示されているように、フランジ１２０、１３０は各々、一般的には、それらの長さに沿って円周方向に延在し、したがって円周方向に配向されてもよい。

更に、１以上のボアホール１２６、１３６が、各フランジ１２０、１３０にそれぞれ画成されていてもよい。例えば、各ボアホール１２６、１３６は、一般的には、対応するフランジ１２０、１３０を通って、対応する前方表面１２２、１３２と対応する後方表面１２４、１３４との間を軸方向に延在していてもよい。ボアホール１２６、１３６は、一般的には、シュラウド１０２をハンガー１０４に結合するために使用される。例えば、ボアホール１２６、１３６及び対応するハンガー１０４の対応するボアホールにピンを挿入して、シュラウド１０２をハンガー１０４に結合してもよい。

図３を手短に参照すると、例示的なハンガー１０４が示されている。ハンガー１０４は、一般的には、シュラウド１０２に結合されており、シュラウド１０２をエンジン１０に支持しており、それ自体は、種々の他の部品によりエンジン１０に支持されている。ハンガー１０４は、例えば、ハンガー本体１６０及びハンガー本体１６０から半径方向に外側に（高温ガス経路７０から遠方に）、ハンガー本体１６０から延在する前方ハンガーアーム１６２及び後方ハンガーアーム１６４を含んでいてもよい。したがって、ハンガー本体１６０は、アーム１６２、１６４間を延在していてもよい。図示されているように、後方アーム１６４は、前方アーム１６２から軸方向に離間されていてもよい。

ハンガー１０４は、例えば、ハンガー本体１６０から半径方向に内側に（高温ガス経路７０に向かって）、ハンガー本体１６０から延在する１以上のフランジを更に含んでいてもよい。例えば、前方フランジ１７２及び後方フランジ１７４が、ハンガー本体１６０から延在していてもよい。後方フランジ１７４は、前方フランジ１７２から軸方向に離間されていてもよい。前方フランジ１７２は、前方ハンガーアーム１６２近傍にあってもよく、後方フランジ１７４は、後方ハンガーアーム１６４近傍にあってもよい。１以上のボアホール１７６、１７８が、フランジ１７２、１７４にそれぞれ画成されていてもよい。

組立て後、シュラウドフランジ１２０、１３０のボアホール１２６、１３６は、一般的には、対応するハンガーボアホール１７６、１７８と整列してもよい。例えば、ボアホール１２６は、ボアホール１７６と整列してもよく、ボアホール１３６は、ボアホール１７８と整列してもよい。１以上のピン１８０を、対応するボアホールに挿入し、したがって対応するボアホールを通過して延在させ、ハンガー１０４及びシュラウド１０２を共に結合させてもよい。幾つかの実施形態では、図示されているように、ピン１８０は、整列したボアホール１２６、１７６、１３６及び１７８を通過して延在してもよい。或いは、整列したボアホール１２６、１７６及び整列したボアホール１３６、１７８用に、個別のピンを使用してもよい。

図４、５及び６には、耐環境皮膜（ＥＢＣ）２００及びその上にある摩耗性皮膜２０２を有するシュラウド本体１１０の内側表面１１６の実施形態の拡大断面図が示されている。図示されているように、ＥＢＣ２００は、内側表面１１６の表面１１１と摩耗性皮膜２０２との間に位置する。摩耗性皮膜２０２は、下層のＥＢＣ２００及びＣＭＣ基材１１０を保護する厚い犠牲皮膜としての役割を果たすように、比較的厚さがあり、高密度であり、タービンエンジン環境での剥離及び摩減に機械的耐性である。

一実施形態では、ＥＢＣ２００は、一般的には、ボンドコート層、１以上の気密層、１以上の遷移層、外側皮膜層等の複数の層を含む。図４を参照すると、ＣＭＣシュラウド１１０と摩耗性皮膜２０２との間にある例示的なＥＢＣ２００が示されている。図示されている例示的な実施形態では、ボンドコート２２０が、ＣＭＣシュラウド１１０の表面１１１に配置されている（例えば、約１μｍ〜約２６００μｍの厚さを有する）。ボンドコート２２０は、ＣＭＣシュラウド１１０の表面１１１に直接配置されているケイ素層であってもよい。第１の希土類ケイ酸塩皮膜２２２は、ボンドコート２２０（例えば、約１μｍ〜約２６００μｍの厚さを有する）に施されており、１以上の希土類ケイ酸塩層（例えば、希土類二ケイ酸塩）で形成されていてもよい。随意の遷移皮膜２２４（例えば、バリウム−ストロンチウム−アルミニウムケイ酸塩（ＢＳＡＳ）を含む）が、随意の第２の気密層２２６（例えば、約１μｍ〜約２６００μｍの厚さを有し及び／又は希土類二ケイ酸塩を含む）と共に、ＥＢＣ２００（例えば、約１μｍ〜約２６００μｍの厚さを有する）内に示されている。また、随意の皮膜皮膜２２６（例えば、希土類一ケイ酸塩を含む）が、ＥＢＣ２００（例えば、約１μｍ〜約１３０μｍの厚さを有する）内に示されている。

上述のように、ボンドコート２２０は、ＣＭＣシュラウド１１０に配置されており、ほとんどの実施形態では、表面１１１と直接接触している。ボンドコートは、一般的に、下層のＣＭＣシュラウド１１０に酸化保護を提供する。１つの特定の実施形態では、ボンドコート２２０は、ケイ素ボンドコートである。ボンドコートは、稼動中に（使用後に）酸化して、ボンドコートと第１の希土類ケイ酸塩皮膜との間に位置する酸化ケイ素層を形成することになる。

第１の希土類ケイ酸塩皮膜２２２は、一般的には、高温蒸気に対する気密性を提供する。一実施形態では、第１の希土類ケイ酸塩皮膜２２２は、スラリー塗布したイットリウムイッテルビウム二ケイ酸塩（ＹｂＹＤＳ）層の１以上の層で形成されており、必要に応じてドープされていてもよい。別の実施形態では、第１の希土類ケイ酸塩皮膜２２２は、空気プラズマ噴霧したイットリウムイッテルビウム二ケイ酸塩（ＹｂＹＤＳ）層の１以上の層で形成されている。高温蒸気に対する気密性を提供するために、ＹｂＤＳ、ＬｕＤＳ、ＴｍＤＳ、ＬｕＹＤＳ、ＴｍＹＤＳ（式中、Ｌｕ＝ルテチウム及びＴｍ＝ツリウム）等の他のケイ酸塩層が、第１の希土類ケイ酸塩皮膜２２２に存在していてもよいが、任意の希土類二ケイ酸塩を使用することができる。

遷移層２２４は、随意であり、一連のＢａＯ、ＳｒＯ、Ａｌ₂Ｏ₃及び／又はＳｉＯ₂組成物等を有する、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩（ＢＳＡＳ）材料を含んでいてもよい。

第２の希土類ケイ酸塩皮膜２２６も、高温蒸気に対する気密性を提供する。一実施形態では、第２の希土類ケイ酸塩皮膜２２６は、スラリー塗布したイットリウムイッテルビウム二ケイ酸塩（ＹｂＹＤＳ）層の１以上の層で形成されており、必要に応じてドープされていてもよい。別の実施形態では、第２の希土類ケイ酸塩皮膜２２６は、空気プラズマ噴霧したイットリウムイッテルビウム二ケイ酸塩（ＹｂＹＤＳ）層の１以上の層で形成されている。高温蒸気に対する気密性を提供するために、第１の希土類ケイ酸塩皮膜２２２に関して上述したものと同様の他のケイ酸塩層が、第２の希土類ケイ酸塩皮膜２２６に存在していてもよい。１つの特定の実施形態では、第１の希土類ケイ酸塩皮膜２２２及び第２の希土類ケイ酸塩皮膜２２６は、組成の点で実質的に同一である。

第１の希土類ケイ酸塩皮膜２２２及び第２の希土類ケイ酸塩皮膜２２６は両方とも、スラリー堆積により形成してもよい。別の実施形態では、第１の希土類ケイ酸塩皮膜２２２及び第２の希土類ケイ酸塩皮膜２２６は両方とも、空気プラズマ噴霧処理により形成されていてもよい。

最後に、外側層２２８が、第２の希土類ケイ酸塩皮膜２２６に配置されている。一実施形態では、外側層２２８は、１以上のスラリー塗布したイットリウム一ケイ酸塩（ＹＭＳ）層を含み、必要に応じてドープされていてもよい。別の実施形態では、外側層２２８は、空気プラズマ噴霧したイットリウム一ケイ酸塩（ＹＭＳ）の１以上の層で形成されている。外側層２２８は、蒸気浸食及び溶融ダストからの保護を提供する。希土類ハフニウム酸塩、希土類ジルコン酸塩、希土類ガリウム酸塩（例えば、Ｌｎ₄Ｇａ₂Ｏ₉等の単斜晶系）、希土類モノチタン酸塩（例えば、Ｌｎ₂ＴｉＯ₅）、希土類セリウム酸塩（例えば、Ｌｎ₂ＣｅＯ₅）、希土類ゲルマニウム酸塩（例えばＬｎ₂ＧｅＯ₅）又はそれらの混合物等の、希土類ケイ酸塩以外の材料が、皮膜皮膜内に使用されていてもよい。しかしながら、これら材料は全て、希土類ケイ酸塩と比較して、比較的高い熱膨張率（ＣＴＥ）を有する。したがって、希土類一ケイ酸塩が好ましい。ハフニア、希土類安定化ハフニア及び希土類安定化ジルコニアは、蒸気浸食からの保護を提供するが、ＣＭＡＳは、保護を提供せず、また希土類一ケイ酸塩よりも高いＣＴＥを有する。

図４、５及び６に示すように、摩耗性皮膜２０２は、下層のＥＢＣ２００を摩減事象から保護するように、ＥＢＣ２００の外側表面２０１に配置されている。摩耗性皮膜２０２の厚さは、部品の特定の使用に応じて様々であってもよい。一実施形態では、摩耗性皮膜２０２は、１μｍ〜２５４０μｍ（１００ミル）の厚さに施される。一実施形態では、摩耗性皮膜は、典型的には、下層のＥＢＣ層の各々よりもはるかに厚く施されている。厚さを駆動するのは、熱膨張ミスマッチではないため、摩耗性物は、必要に応じて２５４０μｍよりも厚く施してもよい。

摩耗性皮膜２０２は、式Ｌｎ₂ＡＢＯ₈の化合物（式中、Ｌｎは希土類元素又は希土類元素の混合物を含み、ＡはＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ又はそれらの組合せを含み、ＢはＭｏ、Ｗ又はそれらの組合せを含む。）を含む。上述のように、「Ｌｎ」は、希土類元素であるスカンジウム（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）又はそれらの混合物を指す。特定の実施形態では、Ｌｎは、ネオジム、ガドリニウム、エルビウム、イットリウム及びそれらの混合物からなる群から選択される。

一実施形態では、Ｂは、Ｍｏを含む。ある実施形態では、Ｂは、Ｍｏ及びＷの組合せを含む。例えば、化合物は式Ｌｎ₂ＡＭｏ_xＷ_1-xＯ₈のものでもよく、式中、０≦ｘ≦約０．５（例えば、約０．１≦ｘ≦約０．５）である。

式Ｌｎ₂ＡＢＯ₈の化合物は、ガスタービンの高温ガス経路に見られるもの等の高温蒸気中で高い安定性を示し、化合物中で最も不安定な元素は、Ｂ部位にある（つまり、Ｍｏ及び／又はＷ）。しかしながら、Ｍｏ又はＷがいくらか揮発しても、高温蒸気浸食に非常に耐性であるＬｎ₂ＡＯ₅化合物が表面にもたらされる結果となり得る。したがって、一実施形態では、オキシアパタイト相及びＬｎ₂ＡＯ₅相の混合物が、皮膜の表面に形成されるように、Ｌｎ部位の物質を選択することができる。この反応は、ＥＢＣ系への溶融アルミノケイ酸塩の深部浸透からこの物質を密封する。また、Ｌｎ₂ＡＯ₅は、オキシアパタイトよりも熱膨張が低いため、Ｌｎ₂ＡＢＯ₈溶融アルミノケイ酸塩反応層中にＬｎ₂ＡＯ₅成分が存在すると、接着性が向上し、基材の熱膨張に近い正味の熱膨張がもたらされる。更に、溶融アルミノケイ酸塩とＬｎ₂ＡＢＯ₈を含む層との反応に起因するＬｎ₂ＡＯ₅相及びオキシアパタイト相は両方とも、高温蒸気浸食に耐性である。

Ａは、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｇｅ又はそれらの組合せのいずれであってもよいが、１つの特定の実施形態では、Ａは、Ｓｉを、単独で又はＴｉ及び／もしくはＧｅとの組合せで含む。例えば、化合物は、式Ｌｎ₂Ｓｉ_yＡ_1-yＭｏ_xＷ_1-xＯ₈のものでもよく、式中、０≦ｘ≦約０．５であり、０＜ｙ≦約０．５であり、Ａは、Ｔｉ、Ｇｅ又はそれらの組合せである。

図４に示されている実施形態では、摩耗性皮膜２０２は、二次結晶相の約１０容積％未満の単一層構造（例えば、ジルコン結晶構造又は灰重石結晶構造）を有していてもよい。この実施形態では、摩耗性皮膜２０２は、一般的に、任意のタイプのＴＢＣ系又はＥＢＣ系の外部露出表面を約１５％未満の多孔度で基材に形成する連続高密度層であると記述される。他の実施形態では、摩耗層２６は、連続多孔層（例えば、約１５％を超える多孔度）及び／又は高密度（例えば、約１５％未満の多孔度）の摩耗性隆起部のパターンを含んでいてもよい。摩耗性皮膜は、単一層又は複数層で形成されていてもよい。

皮膜に使用される化合物中の成分の選択は、一般的には、単一相結晶構造（例えば、ジルコン構造又は灰重石構造）を保証し、ＥＢＣの外側層２２８及び／又は下層のＣＭＣ表面１１１の熱膨張率（「ＣＴＥ」）と緊密に一致するように選択することができる。ＣＴＥが一致すること（又は近似的一致）により、高密度でクラックのない皮膜層をＥＢＣの表面２０１に形成すること及び稼動させることが可能にある。例えば、基材が、炭化ケイ素を含むＣＭＣである場合、ＳｉＣ及びＹ₂ＳｉＭｏＯ₈はＣＴＥが近いため、式Ｙ₂ＳｉＭｏ_xＷ_1-xＯ₈（式中、ｘは、Ｙ₂ＳｉＭｏＯ₈等の、０〜約０．５である）の化合物を含む皮膜が、特に好適であり得る。したがって、化合物の好ましい実施形態は、特に化合物がジルコン結晶構造を有する場合、式Ｌｎ₂Ｓｉ_yＡ_1-yＭｏ_xＷ_1-xＯ₈のものでもよく、式中、０≦ｘ≦約０．５であり、０≦ｙ≦約０．５であり、Ａは、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｚｒ又はそれらの組合せである。ある実施形態では、Ｂがタングステン（Ｗ）を含む場合、特に好適な熱膨張率の化合物は、Ｓｍ₂ＳｉＭｏ_xＷ_1-xＯ₈（式中、ｘは、Ｓｍ₂ＳｉＷＯ₈等の、０〜約０．５である）、Ｇｄ₂ＳｉＭｏ_xＷ_1-xＯ₈（式中、ｘは、Ｇｄ₂ＳｉＷＯ₈等の、０〜約０．５である）及びそれらの組合せを含む。

Ｌｎ₂ＡＢＯ₈の他の化合物の多くは、ＳｉＣＣＭＣとほとんど等しい熱膨張又はＳｉＣＣＭＣよりも高い熱膨張を有していてもよい灰重石構造を有する。しかしながら、ＳｉＣよりも高いと、こうした物質で形成された灰重石で構成されている垂直にひびの入った層でも、依然としてある程度の摩耗性を提供することができる。加えて、式Ｌｎ₂ＡＢＯ₈の化合物（ジルコン構造又は灰重石構造のいずれかを有する）は、溶融アルミノケイ酸塩、特に埃又は砂を含むものからの更なる保護を提供することができる。すなわち、皮膜は、溶融アルミノケイ酸塩自体に耐性であり、皮膜層は、溶融アルミノケイ酸塩との反応にもかかわらず、気密性を維持する。

いかなる特定の理論に束縛されることは望まないが、Ｌｎ₂ＡＢＯ₈化合物のＣＴＥは、式中の「Ａ」で表わされる元素のサイズを変更することにより制御することができると考えられる。すなわち、Ｌｎ₂ＡＢＯ₈化合物にＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ又はそれらの組合せを意図的に使用することにより、得られる皮膜のＣＴＥを制御することができる。より詳しくは、式中の「Ａ」で表わされる位置の元素のイオンサイズを増加させると、皮膜のＣＴＥ増加に結び付く場合があると考えられる。

図６を参照すると、摩耗性皮膜２０２は、マトリックス材料２０４内に画成されている非連続二次相２０６を有するように示されている。一実施形態では、非連続二次相は、上述の式Ｌｎ₂ＡＢＯ₈の化合物で形成されている。マトリックス材料は、摩耗性材料、希土類ケイ酸塩（例えば、希土類二ケイ酸塩、希土類一ケイ酸塩又はそれらの組合せ）等又はそれらの組合せで形成されていてもよい。１つの特定の実施形態では、マトリックス材料２０４は、希土類二ケイ酸塩で形成されており、連続マトリックスであり、連続相内に混合されている希土類一ケイ酸塩を含むか又は含まない。

図４〜６の実施形態は、摩耗性皮膜２０２が、シュラウド部品の外部表面を画成することを示す。そのため、摩耗性皮膜２０２は、あらゆるブレード衝突の衝撃を受容しつつ、下層のＥＢＣ層を保護することができる。

スラリー法、スプレー堆積法、積層造形法（つまり、層を構築することによる３Ｄ印刷）等の後で、熱処理して堆積した層を単一層に融合することを含む、任意の好適な方法を使用して、摩耗性皮膜２０２をＥＢＣに施すことができる。一実施形態では、摩耗性皮膜２０２は、摩耗性皮膜２０２内に組成、摩耗性及び／又は多孔度の勾配が形成されるように形成されている。例えば、摩耗性皮膜２０２は、下層のＥＢＣ付近で比較的低いＣＴＥを有するが、露出面付近ではＣＴＥがより高くなるように勾配をつけてもよい。それに加えて又はその代わりに、摩耗性皮膜２０２は、下層のＥＢＣ付近で比較的低い摩耗性を有するが、露出面付近では摩耗性がより高くなるように勾配をつけてもよい。そのため、摩耗性皮膜２０２は、露出面では摩擦事象をより起こしやすいが、下層のＥＢＣに接近するほどより強度が高くなってもよい。

一実施形態では、密度／多孔度に勾配をつけるのではなく又は勾配をつけることに加えて、摩耗性皮膜２０２の組成を、特に厚さの深さに応じて勾配させることにより、層の特性が制御される。例えば、基本化合物Ｌｎ₂ＡＢＯ₈に含まれる特定の元素の組成に勾配をつけて、ＣＴＥ及び／又は摩耗性を調節することができる。一実施形態では、下層の表面の材料に最も近いＣＴＥを有する組成を使用し、下層の材料から遠ざかって延在すると共に、異なるＣＴＥ（例えば、より高いＣＴＥ）に変化させることができる。

一実施形態では、Ｌｎ成分の組成は、摩耗性皮膜２０２内の特定の厚さで異なっていてもよい（例えば、勾配がついていてもよい）。例えば、ＳｍがＬｎ成分に含まれていてもよく、それを、より小さなイオン半径を有する別の元素に（例えば、Ｇｄ等、周期表に沿って右方向に）遷移させて、より高いＣＴＥをもたらすことができる。組成変化は、厚さにわたって部分的な変化であってもよく（例えば、ＬｎはＧｄを含み、下層の層からの距離が離れると共に、Ｓｍ及びＧｄを両方とも含むが、Ｓｍに対するＧｄの濃度が増加するように変化する）又は完全な変化（例えば、下層の層からの距離が離れると共に、Ｓｍから、Ｓｍ及びＧｄの両方に、そしてＧｄへと変化する等、開始組成が、第２の異なる組成へと変化する）であってもよい。

また、Ａ成分の組成は、摩耗性皮膜２０２内の特定の厚さで異なっていてもよい（例えば、勾配がついていてもよい）。例えば、ＳｉがＡ成分に含まれていてもよく、それを、より大きなイオン半径を有する別の元素に遷移させて（例えば、ＧｍからＴｉへと等）、より高いＣＴＥをもたらすことができる。組成変化は、厚さにわたって部分的な変化であってもよく又は完全な変化であってもよい。

また、Ｂ成分の組成は、摩耗性皮膜２０２内の特定の厚さで異なっていてもよい（例えば、勾配がついていてもよい）。例えば、Ｗが、Ｂ成分に含まれていてもよく、それを、大きなイオン半径を有する別の元素に遷移させて（例えば、Ｍｏへと）、ＣＴＥを低下させ、摩耗性を増加させることができる。組成変化は、厚さにわたって部分的な変化であってもよく又は完全な変化であってもよい。

図７を参照すると、組成勾配は、スプレー堆積、スラリー堆積、積層造形等により、ＥＢＣ２００の表面２０１に、層２７０、２７２、２７４、２７６、２７８の複数の層２６５を堆積させるにより形成することができる。ある実施形態では、各層は、異なる組成及び／又は多孔度を有するように形成することができる。一実施形態では、例えば、Ｌｎ、Ａ及び／又はＢの少なくとも１つが、層２６５の各々毎に変化する。例えば、図８に示すように、複数の層２６５は、隣接する層２７０、２７２、２７４、２７６、２７８間に階段的な組成の変化を含み、熱処理時に勾配摩耗性皮膜２０２を得ることができる。得られた勾配摩耗性皮膜２０２は、勾配摩耗性皮膜２０２の厚さにわたって、線形的な変化（つまり、変化率が実質的に一定）を有していてもよい。或いは、組成変化は、勾配摩耗性皮膜２０２の全体にわたって様々であってもよく、例えば、厚さの前半は、特定の変化率を示していてもよいが、厚さの後半は、第２の変化率を示していてもよい。例えば、組成変化率は、厚さの前半にわたって比較的高いが、組成変化率は、厚さの後半にわたって比較的低い。

本発明は、１以上の特定の実施形態の観点で記載されているが、当業者であれば、他の形態を使用することができることは明らかである。本明細書に記載の皮膜組成物と共に「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」が使用されている場合、皮膜組成物が、指定の成分「から本質的になる」（つまり、指定の成分を含有するが、開示されている基本的な新規特徴に著しい悪影響を及ぼす他の成分を含有しない）実施形態及び皮膜組成物が、指定の成分「からなる」（つまり、指定の成分の各々に必然的に及び不可避的に存在する夾雑物を除いて、指定の成分しか含有しない）実施形態が開示及び含まれることが理解されるべきである。

この書面による説明では、最良の実施形態を含む例を使用して、本発明が開示されており、また当業者による本発明の実施を可能なものにしており、任意のデバイス又はシステムを製作すること及び任意の組み込まれている方法を実施することが含まれる。本発明の特許性の範囲は、特許請求の範囲により規定されており、当業者であれば想起するであろう他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文字通りの文言と相違しない構造要素を含む場合又は特許請求の範囲の文字通りの文言と実質的に相違しない等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図されている。

１００シュラウドアッセンブリ
１０２シュラウド
１０４ハンガー
１１０シュラウド本体
１１２前方表面
１１４後方表面
１１６内側表面
１１８外側表面
１２０前方フランジ
１２２前方表面
１２４後方表面
１２６ボアホール
１３０後方フランジ
１３２前方表面
１３４後方表面
１３６ボアホール
１６０ハンガー本体
１６２アーム
１６４アーム
１７２前方フランジ
１７４後方フランジ
１７６ボアホール
１７８ボアホール
２００耐環境皮膜
２０２摩耗性皮膜
２０４マトリックス材料
２０６二次相
２２０ボンドコート
２２２第１の希土類ケイ酸塩皮膜
２２４遷移皮膜
２２６第２の希土類ケイ酸塩皮膜
２２８外側層

Claims

ＣＭＣ部品の表面上の皮膜系であって、
ＣＭＣ部品の表面上の耐環境皮膜（２００）と、
耐環境皮膜（２００）上にあって、耐環境皮膜（２００）とは反対側に外部表面を画成する摩耗性皮膜（２０２）であって、式Ｌｎ₂ＡＢＯ₈（式中、Ｌｎはスカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、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、ルテチウム又はそれらの混合物を含み、ＡはＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ又はそれらの組合せを含み、ＢはＭｏ、Ｗ又はそれらの組合せを含む。）の化合物を含んでいて、耐環境皮膜（２００）との界面では第１の熱膨張率を有し、第１の熱膨張率が、その外部表面では第２の熱膨張率に変化する摩耗性皮膜（２０２）と
を含む皮膜系。
摩耗性皮膜（２０２）が耐環境皮膜（２００）から外部表面まで勾配をもって変化する熱膨張率を有し及び／又は摩耗性皮膜（２０２）が耐環境皮膜（２００）から外部表面まで勾配をもって変化する多孔度を有する、請求項１に記載の皮膜系。
摩耗性皮膜（２０２）が、耐環境皮膜（２００）から外部表面まで勾配をもって変化する化合物のＬｎ組成を有し及び／又は摩耗性皮膜（２０２）が、耐環境皮膜（２００）から外部表面まで勾配をもって変化する化合物のＡ組成を有する、請求項１又は請求項２に記載の皮膜系。
化合物が式Ｌｎ₂ＡＭｏ_xＷ_1-xＯ₈（式中、０≦ｘ≦約０．５である。）のものである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の皮膜系。
０＜ｘ≦約０．５である、請求項４に記載の皮膜系。
化合物が式Ｌｎ₂Ｓｉ_yＡ_1-yＭｏ_xＷ_1-xＯ₈（式中、０≦ｘ≦約０．５であり、０＜ｙ≦約０．５、ＡはＴｉ、Ｇｅ又はそれらの組合せである。）のものである、請求項１に記載の皮膜系。
化合物が式Ｙ₂ＳｉＭｏ_xＷ_1-xＯ₈（式中、ｘは０〜約０．５である。）、式Ｓｍ₂ＳｉＭｏ_xＷ_1-xＯ₈（式中、ｘは０〜約０．５である。）、式Ｇｄ₂ＳｉＭｏ_xＷ_1-xＯ₈（式中、ｘは０〜約０．５である。）又はそれらの組合せである、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の皮膜系。
化合物が、摩耗性皮膜（２０２）中にジルコン結晶構造を形成するか又は摩耗性皮膜（２０２）中に灰重石構造を形成し、摩耗性皮膜（２０２）が約１５％未満の多孔度である多孔度を有する、請求項１に記載の皮膜系。
摩耗性皮膜（２０２）が、マトリックス材料中に画成されている非連続二次相を含み、式Ｌｎ₂ＡＢＯ₈の化合物が二次相を形成する、請求項１に記載の皮膜系。
ガスタービンエンジン（１４）のＣＭＣシュラウドの高温ガス経路（７０）表面上の皮膜系であって、
ＣＭＣシュラウドの高温ガス経路（７０）表面上の耐環境皮膜（２００）と、
耐環境皮膜（２００）上にあって、式Ｌｎ₂ＡＢＯ₈（式中、Ｌｎはスカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、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、ルテチウム又はそれらの混合物を含み、ＡはＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ又はそれらの組合せを含み、ＢはＭｏ、Ｗ又はそれらの組合せを含む。）の化合物を含む摩耗性皮膜（２０２）と
を含む皮膜系。