JP2018184662A - 高温用の物品 - Google Patents

Abstract

【課題】高温用の物品を提供する。【解決手段】物品は、基材と、基材に配置された複数のコーティングとを含む。複数のコーティングの少なくとも１つのコーティングは、公称組成ＡｘＢ１−ｙＤｙＯｚの酸化物を含み、式中、Ａは、希土類元素を含み、Ｂは、タンタルまたはニオブを含み、Ｄは、ジルコニウムまたはハフニウムを含み、２≦ｘ≦３、０＜ｙ＜１、および６≦ｚ≦７である。【選択図】図１

Description

本発明は、高温用の物品に関する。

本開示は、一般に、高温用の物品で使用されるコーティングに関する。より具体的には、本開示は、遮熱コーティングを含む物品に関する。

遮熱コーティングは、典型的には、高温で動作する、または高温に曝される物品で使用される。たとえば、航空タービンおよび陸上タービンは、遮熱コーティングによって保護された１つまたは複数の構成要素を含むことができる。遮熱コーティングに使用される材料の例は、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの希土類安定化ジルコニア材料を含む。希土類安定化ジルコニア材料は、緻密な焼結体として評価した場合、約２．２Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有する。ＹＳＺは、その高温性能、低い熱伝導率、および比較的容易な堆積のために、部分的に、ガスタービンのＴＢＣ材料として広く使用されている。近年、ＴＢＣを形成するために使用される材料の総重量、厚さ、および量を減少させるために、遮熱特性のさらなる改善に対する要求が高まっている。したがって、従来使用されている希土類安定化ジルコニアより低い熱伝導率を示し、かつ構成要素の動作温度において良好な相安定性を有するＴＢＣが望ましい。

さらに、通常の動作の条件下では、遮熱コーティングされた構成要素は、侵食、酸化、および環境汚染物質からの攻撃を含む様々なタイプの損傷を受けやすい可能性がある。タービン構成要素の場合、特に懸念される環境汚染物質組成物は、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、およびそれらの混合物の酸化物を含むものである。これらの酸化物は組み合わされて、以後、「ＣＭＡＳ」と呼ばれる混合カルシウム−マグネシウム−アルミニウム−ケイ素−酸化物系（Ｃａ−Ｍｇ−Ａｌ−ＳｉＯ）からなる汚染物質組成物を形成する。高いタービン動作温度では、これらの環境汚染物質は、加熱されたまたは高温の遮熱コーティング表面に付着し、それにより遮熱コーティングを損傷させる可能性がある。たとえば、ＣＭＡＳは、タービンの動作温度で液体である、または溶融する組成物を形成する場合がある。溶融ＣＭＡＳ組成物は、遮熱コーティングを溶解するか、またはコーティングの孔、チャネルまたは他の空洞に浸透することによってその多孔質構造に浸透することがある。冷却すると、浸透したＣＭＡＳ組成物は、凝固してコーティングの歪み耐性を低下させ、したがって亀裂を発生させ伝播し、その亀裂が、コーティング材料の剥離およびスポーリングを引き起こす恐れがある。さらにこれによって、部品または構成要素の下にある金属基材に施された熱保護が部分的にまたは完全に失われることがある。さらに、遮熱コーティングのスポーリングは、金属基材にホットスポットを生じさせ、それによって構成要素が早期に故障することがある。構成要素が早期に故障することによって、予定外のメンテナンスならびに部品交換をまねき、その結果、性能が低下し、運転および修理の費用が増す可能性がある。

したがって、遮熱コーティングとして機能し、ＣＭＡＳ反応性保護コーティングとして機能し、または遮熱コーティングとＣＭＡＳ反応性保護コーティングの両方として機能することができる改善されたコーティング組成物の必要性が存在する。

米国特許出願公開第２０１６／０１６８６８４号

本開示の一実施形態は、基材と、前記基材に配置された複数のコーティングとを含む物品に関する。前記複数のコーティングの少なくとも１つのコーティングは、公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物を含み、式中、Ａは、希土類元素を含み、Ｂは、タンタルまたはニオブを含み、Ｄは、ジルコニウムまたはハフニウムを含み、２≦ｘ≦３、０＜ｙ＜１、および６≦ｚ≦７である。

本開示の別の実施形態は、基材と、前記基材に配置されたボンドコーティングと、前記ボンドコーティングに配置された遮熱コーティングとを含む物品に関する。前記遮熱コーティングは、公称組成Ｇｄ_３Ｂ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物を含み、Ｂは、タンタルまたはニオブを含み、Ｄは、ジルコニウムまたはハフニウムを含み、０＜ｙ＜１、および６．５≦ｚ≦７である。

本開示のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。

本開示の一実施形態による、物品の概略図である。 本開示の一実施形態による、物品の概略図である。 本開示の一実施形態による、物品の概略図である。 本開示の一実施形態による、物品の概略図である。

明細書および特許請求の範囲の全体を通してここで使用する場合、近似を表す言葉は、関係する基本的な機能に変化をもたらすことなく、許容される形で変更すること可能な任意の量の表現を修飾するために適用され得る。したがって、「約」および「実質的に」などの１つまたは複数の用語によって修飾される値は、特定された精確な値に限定されない。いくつかの例では、近似を表す言葉は、値を測定する器具の精度に対応することがある。ここでは、また明細書および特許請求の範囲の全体を通して、範囲の限定を組み合わせる、かつ／または入れ替えることが可能であり、別段文脈または言葉によって示されない限り、そうした範囲は特定され、その中に包含されるすべての部分範囲を含む。

以下の明細書および特許請求の範囲では、単数形「１つの（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、別段文脈において明確に示されない限り、複数の指示対象を含む。本明細書で使用されるとき、用語「または（ｏｒ）」は、別段文脈において明確に示されない限り、排他的であることを意味せず、参照された存在する構成要素の少なくとも１つを指し、かつ参照された構成要素の組合せが存在し得る場合を含む。

本明細書で使用されるとき、用語「可能性がある（ｍａｙ）」および「である可能性がある（ｍａｙ ｂｅ）」は、一連の状況の中で発生する可能性があること、指定された特性、特徴もしくは機能を持つことを示し、かつ／または限定された動詞に関連付けられた能力、性能もしくは可能性の１つもしくは複数を表すことによって、別の動詞を限定する。したがって、「ｍａｙ」および「ｍａｙ ｂｅ」の使用は、修飾される用語が、示された能力、機能、または用法に対して、明らかに妥当、可能、または適切であることを示す一方で、状況によっては、修飾される用語が妥当、可能、または適切ではないことがあることを考慮している。

本明細書で使用されるとき、用語「コーティング」は、連続的または不連続的な形で下にある面の少なくとも一部の上に配置された材料を指す。さらに、用語「コーティング」は、必ずしも配置された材料の均一な厚さを意味するものではなく、配置された材料は均一な厚さを有しても、不均一な厚さを有してもよい。用語「コーティング」は、コーティング材料の単一の層を指すことも、コーティング材料の複数の層を指すこともある。複数の層において、コーティング材料は同じであっても異なっていてもよい。

本明細書で使用されるとき、用語「配置された」は、特に明記しない限り、互いに直接接触して配置された、または間に介在層を有することによって間接的に配置された層またはコーティングを指す。用語「堆積する」は、連続的または不連続的な形で下にあるまたは隣接する面と接触している材料を敷設する方法を指す。本明細書で使用される用語「隣接する」は、２つの材料またはコーティングが連続して配置され、互いに直接接触していることを意味する。

いくつかの実施形態は、基材と、基材に配置された複数のコーティングとを含む物品を提示する。前記複数のコーティングの少なくとも１つのコーティングは、公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物を含み、式中、Ａは、希土類元素を含み、Ｂは、タンタルまたはニオブを含み、Ｄは、ジルコニウムまたはハフニウムを含み、２≦ｘ≦３、０＜ｙ＜１、および６≦ｚ≦７である。用語「公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物」および「酸化物」は、本文全体にわたって交換可能に本明細書で使用される。

本明細書で使用される用語「公称Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚ組成」は、元素Ａ、Ｂ、ＤおよびＯが占める結晶格子部位の異なる元素の一部の置換が、記載された組成物によって包含されることを意味する。たとえば、ある程度の量のフッ素、窒素、または他の適切な陰イオンでＯが占める結晶部位の酸素を置換してもよく、得られた材料が、得られる組成物によって望まれる特性（たとえば、低い熱伝導率またはＣＭＡＳタイプの材料との反応性）を保持する限り、得られる材料は公称組成の範囲内にあると考えられる。同様に、ある程度の量の金属（たとえば、アルカリ土類元素）で希土類元素が占める結晶部位の希土類元素を置換してもよく、得られた材料が、得られる組成物によって望まれる特性（たとえば、低い熱伝導率またはＣＭＡＳタイプの材料との反応性）を保持する限り、得られる材料は公称組成の範囲内にあると考えられる。

当業者は、結晶構造を維持するために電荷補償および格子幾何学的な考察のような特定の制約が満たされ得る限り、上記のようなＡ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚ構造内の様々な元素の置換が適切であり得ることを理解するであろう。たとえば、１つまたは複数の陽イオン部位の置換（または１つまたは複数の空の部位の充填）が化学量論的Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚにおける電荷不均衡をもたらす場合、酸化物の組成物は、見かけの不均衡を補償するためにわずかに少ないまたは多い酸素を含むようにシフトしてもよい。

本明細書で使用されるとき、用語「希土類元素」は、ランタニド系列、イットリウム、およびスカンジウムの元素を包含する。いくつかの実施形態では、Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚのＡは、ランタン、イットリウム、イッテルビウム、セリウム、ガドリニウム、またはそれらの組合せを含む。特定の実施形態では、Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚのＡは、ガドリニウムを含む。さらに、いくつかの実施形態では、Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚのＢは、タンタルを含む。いくつかのそのような例では、酸化物は、公称組成Ｇｄ_ｘＴａ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚを有することができる。特定の実施形態では、Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚのＤは、ジルコニウムを含む。いくつかのそのような実施形態では、酸化物は、公称組成Ｇｄ_ｘＢ_１−ｙＺｒ_ｙＯ_ｚを有することができる。さらに、いくつかのそのような実施形態では、酸化物は、公称組成Ｇｄ_ｘＴａ_１−ｙＺｒ_ｙＯ_ｚを有することができる。

前述のように、ｙは、０より大きく１より小さい数である。いくつかの実施形態では、０．１≦ｙ≦０．９である。いくつかの実施形態では、０．２５≦ｙ≦０．７５である。いくつかの実施形態では、０．１≦ｙ≦０．５である。いくつかの実施形態では、０．５≦ｙ＜１である。いくつかの実施形態では、ｙは、約０．５である。いくつかのそのような例では、酸化物は、公称組成Ａ_ｘＢ_０．５Ｄ_０．５Ｏ_ｚを有することができる。さらに、いくつかの実施形態では、ｘは、２以上３以下の数である。いくつかの実施形態では、２．１≦ｘ≦２．９である。いくつかの実施形態では、２．２≦ｘ≦２．８である。いくつかの実施形態では、ｘは、約３である。そのような例では、酸化物は、公称組成Ａ_３Ｂ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚであり、式中、Ａは、希元素を含み、Ｂは、タンタルまたはニオブを含み、Ｄは、ジルコニウムまたはハフニウムを含み、０＜ｙ＜１、および６≦ｚ≦７である。

さらに、いくつかの実施形態では、ｚは、６以上７以下の数である。いくつかの実施形態では、６．５≦ｚ≦６．９である。当業者によって理解されるように、「ｚ」の値は、酸化物を形成するために使用される対応する酸化物の化学量論によって決定される。

いくつかの実施形態では、酸化物は、公称組成Ｇｄ_３Ｔａ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚであり、式中、Ｄは、ジルコニウムまたはハフニウムであり、０＜ｙ＜１、および６．５≦ｚ＜６．９９である。いくつかの実施形態では、酸化物は、公称組成Ｇｄ_３Ｔａ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚであり、式中、Ｄは、ジルコニウムまたはハフニウムであり、０．１≦ｙ≦５、および６．７５≦ｚ＜６．９５である。いくつかの実施形態では、酸化物は、公称組成Ｇｄ_３Ｔａ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚであり、式中、Ｄは、ジルコニウムまたはハフニウムであり、０．５≦ｙ≦０．９、および６．５５≦ｚ＜６．７５である。いくつかの実施形態では、酸化物は、公称組成Ｇｄ_３Ｔａ_１−ｙＺｒ_ｙＯ_ｚを有し、０．１≦ｙ≦０．５、および６．７５≦ｚ≦６．９５である。特定の実施形態では、酸化物は、公称組成Ｇｄ_３Ｔａ_０．５Ｚｒ_０．５Ｏ_６．７５である。本開示の発明者らは、５＋価の元素（たとえば、Ｔａ）に対して４＋価の元素（たとえば、Ｚｒ）を置換すると、最大ｙ＝０．５の置換レベルでさえ、安定した単相化合物が得られることを見出した。

図１は、本開示の一実施形態による物品１００を示す。図１に示すように、物品１００は、基材１１０に配置された複数のコーティング１２０を含む。前述したように、複数のコーティング１２０の少なくとも１つのコーティングは、公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物を含む。いくつかの実施形態では、複数のコーティング１２０のコーティング１２２は、酸化物を含む遮熱コーティング（ＴＢＣ）である。本明細書で使用されるとき、用語「遮熱コーティング」は、下にある物品の基材への熱の流れを低減し、すなわち、熱障壁を形成することができる材料を含むコーティングを指す。

いくつかの実施形態では、遮熱コーティングは、本質的に酸化物からなることができる。本文脈で使用される用語「本質的になる」は、遮熱コーティングが少なくとも９５ｗｔ％の酸化物からなることを意味する。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングは、最大１００ｗｔ％の量の酸化物を含むことができる。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングは、約９５ｗｔ％〜約１００ｗｔ％、より具体的には約９８ｗｔ％〜約１００ｗｔ％の範囲の量の酸化物を含む。

いくつかの実施形態では、遮熱コーティングは、約５０ｗｔ％〜約９０ｗｔ％の範囲の量の酸化物を含むことができる。いくつかのそのような実施形態では、遮熱コーティングは、酸化物と、追加のセラミック遮熱コーティング材料とを含むことができる。追加のセラミック遮熱コーティング材料の非限定的な例は、ジルコニア、パイロクロア、またはそれらの組合せを含む。いくつかの実施形態では、追加のセラミック遮熱材料は、化学的に安定化されたジルコニア（たとえば、ジルコニアとブレンドした酸化物）、たとえばイットリア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、インジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア、ランタナ安定化ジルコニア、ガドリニア安定化ジルコニア、ならびにそのような安定化ジルコニアの混合物を含む。

特定の実施形態では、追加のセラミック遮熱コーティング材料は、イットリア安定化ジルコニアを含む。適切なイットリア安定化ジルコニアは、約１ｗｔ％〜約２０ｗｔ％のイットリア（イットリアとジルコニアの合計重量に基づく）、より典型的には約３ｗｔ％〜約１０ｗｔ％のイットリアを含むことができる。例示的なイットリア安定化ジルコニア遮熱コーティングは、約７ｗｔ％のイットリアと、約９３ｗｔ％のジルコニアとを含む。これらの化学的に安定化されたジルコニアは、遮熱コーティングの熱伝導率をさらに低下させるために、ジスプロシア、エルビア、ユーロピア、ガドリニア、ネオジミア、プラセオジミア、ウラニア、およびハフニアなどの第２の金属（たとえば、ランタニドまたはアクチニド）酸化物の１つまたは複数をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングは、チタニアなどの追加の金属酸化物をさらに含むことができる。

いくつかの実施形態では、適切なセラミック遮熱コーティング材料は、一般式Ａ_２Ｂ_２Ｏ_７のパイロクロアを含むことができ、式中、Ａは、３＋または２＋の価数を有する金属（たとえば、ガドリニウム、アルミニウム、セリウム、ランタンまたはイットリウム）であり、Ｂは、４＋または５＋の価数を有する金属（たとえば、ハフニウム、チタン、セリウムまたはジルコニウム）であり、ＡおよびＢの価数の合計は、７である。この種類の代表的な材料は、ジルコン酸ガドリニウム、チタン酸ランタン、ジルコン酸ランタン、ジルコン酸イットリウム、ハフニウム酸ランタン、ジルコン酸セリウム、セリウム酸アルミニウム、ハフニウム酸セリウム、ハフニウム酸アルミニウム、およびセリウム酸ランタンを含む。

セラミック遮熱コーティング材料の種類および量の観点から遮熱コーティングの組成物は、隣接するボンドコート層（存在する場合）の組成物、遮熱コーティングに望まれる熱膨張係数（ＣＴＥ）特性、および遮熱コーティングに望まれる遮熱特性を含む１つまたは複数の要素に依存し得る。

いくつかの実施形態では、酸化物組成物は、遮熱コーティングの特定の厚さにわたって一定であってもよい。そのような例では、酸化物は、層を形成することができ、追加のセラミック層は、遮熱コーティングに別の層を形成することができる。いくつかの他の実施形態では、酸化物の組成物は、遮熱コーティングの厚さにわたって勾配させることができる。

遮熱コーティングの厚さは、基材またはそれが堆積される構成要素に依存し得る。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングは、複数のコーティングの総厚さの約３０％〜約９０％の範囲の厚さを有する。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングは、約２５ミクロン〜約２０００ミクロンの範囲の厚さを有する。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングは、約２５ミクロン〜約１５００ミクロンの範囲の厚さを有する。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングは、約２５ミクロン〜約１０００ミクロンの範囲の厚さを有する。

再び図１を参照すると、いくつかの実施形態では、複数のコーティング１２０のコーティング１２５は、トップコート、保護コーティング、またはそれらの組合せを含むことができる。いくつかの実施形態では、複数のコーティングのコーティング１２５は、ＣＭＡＳ反応性保護コーティング、耐環境性コーティング、または耐侵食性層を含むことができる。

いくつかの実施形態では、物品は、基材と遮熱コーティングとの間に配置されたボンドコーティングをさらに含むことができる。図２は、物品１００がボンドコーティング１２１を含む実施形態を示す。図２に示す実施形態では、複数のコーティング１２０は、ボンドコーティング１２１と、遮熱コーティング１２２と、保護コーティングまたはトップコート１２５とを含み、遮熱コーティング１２２は、酸化物を含む。ボンドコーティングは、下にある基材を保護し、遮熱コーティングがより強固に基材に付着することを可能にする金属耐酸化性材料から形成することができる。ボンドコーティングのための適切な材料は、Ｍ_１ＣｒＡｌＹ合金粉末を含み、式中、Ｍ_１は、鉄、ニッケル、白金またはコバルトのような金属を表す。適切なボンドコート材料の非限定的な例は、ニッケルアルミナイド、白金アルミナイド、またはそれらの組合せなどの金属アルミナイドを含む。ボンドコーティングは、約２５ミクロン〜約５００ミクロンの範囲の厚さを有することができる。

いくつかの実施形態では、基材と、基材に配置されたボンドコーティングと、ボンドコーティングに配置された遮熱コーティングとを含む物品が提示される。遮熱コーティングは、公称組成Ｇｄ_３Ｂ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物を含み、式中、Ｂは、タンタルまたはニオブを含み、Ｄは、ジルコニウムまたはハフニウムを含み、０＜ｙ＜１、および６．５≦ｚ＜６．９９である。いくつかのそのような実施形態では、Ｂは、タンタルを含み、酸化物は、公称組成Ｇｄ_３Ｔａ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚを有する。いくつかの実施形態では、Ｄは、ジルコニウムを含み、酸化物は、公称組成Ｇｄ_３Ｂ_１−ｙＺｒ_ｙＯ_ｚを有する。いくつかの実施形態では、酸化物は、公称組成Ｇｄ_３Ｔａ_１−ｙＺｒ_ｙＯ_ｚを有し、式中、０．１≦ｙ≦０．５、および６．７５≦ｚ≦６．９５である。

いくつかの実施形態では、公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物の熱伝導率は、１０００℃で１．８Ｗ／ｍ−Ｋ未満である。いくつかの実施形態では、公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物の熱伝導率は、１０００℃で約１Ｗ／ｍ−Ｋ〜約１．６Ｗ／ｍ−Ｋの範囲である。いくつかの実施形態では、公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物の熱伝導率は、１０００℃で約１Ｗ／ｍ−Ｋ〜約１．４Ｗ／ｍ−Ｋの範囲である。いくつかの実施形態では、公称組成Ｇｄ_３Ｔａ_１−ｙＺｒ_ｙＯ_ｚの酸化物の熱伝導率は、１０００℃で約１Ｗ／ｍ−Ｋ〜約１．６Ｗ／ｍ−Ｋの範囲であり、式中、０．１≦ｙ≦０．５および６．７５≦ｚ≦６．９５である。

先に述べたように、いくつかの実施形態では、酸化物は、ＣＭＡＳ反応性材料として機能することができる。いくつかのそのような実施形態では、酸化物は、（たとえば、図１および図２に示すような）遮熱コーティングとして配置されてもよく、遮熱コーティング材料とＣＭＡＳ反応性材料の両方として機能してもよい。そのような実施形態では、別個のＣＭＡＳ反応性保護コーティングは、物品に必要とされない場合がある。いくつかの他の実施形態では、酸化物は、追加の遮熱材料と共に物品にＣＭＡＳ反応性材料として存在する。そのような例では、複数のコーティングは、遮熱コーティングと、公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物を含むＣＭＡＳ反応性材料とを含む。本開示のいくつかの実施形態によれば、ＣＭＡＳ反応性材料は、ＣＭＡＳ組成物と接触したときに化学的変化および物理的変化の一方または両方を受けることによって遮熱コーティングを保護する。

本明細書で使用される用語「ＣＭＡＳ」または「ＣＭＡＳ組成物」は、カルシウム、マグネシウム、アルミニウムおよびケイ素を含む汚染物質組成物を指す。いくつかの実施形態では、ニッケル、鉄、チタンおよびクロムのような他の元素もまた、ＣＭＡＳ組成物中に存在し得る。そのような例では、追加の元素は、存在するＣＭＡＳ組成物の総量の少量、たとえば、約１０重量％未満で存在してもよい。ＣＭＡＳ組成物の特定の組成物特性は、環境汚染物質の源泉および反応温度に依存し得る。ＣＭＡＳ組成物の源泉は、これらに限定されないが、砂、塵埃、火山灰、フライアッシュ、セメント、走路の汚れ、燃料および空気源、エンジン構成要素からの酸化および摩耗生成物、またはそれらの組合せを含む。

本明細書で使用されるとき、用語「ＣＭＡＳ反応性材料」は、ＣＭＡＳ組成物と反応して、ＣＭＡＳ組成物より高い溶融温度および粘度の一方または両方を有する反応生成物を形成することができる材料を指す。いくつかの例では、反応生成物は、ＣＭＡＳ堆積物が付着することができないか、または付着しにくいガラス状（典型的には薄い）保護生成物を形成し得る。

いくつかの実施形態では、ＣＭＡＳ反応性材料（公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物）は、遮熱コーティングに保護オーバーレイコーティングとして配置することができる。特定の実施形態では、オーバーレイＣＭＡＳ反応性材料は、遮熱コーティングに隣接して配置される。いくつかの実施形態では、ＣＭＡＳ反応性材料は、物品の最外層（「トップコート層」と呼ばれることもある）として配置される。いくつかの他の実施形態では、物品は、保護コーティングに配置されてトップコート層を形成する１つまたは複数の追加の層をさらに含むことができる。適切なトップコート層の非限定的な例は、耐侵食性層を含む。

図３は、基材１１０と、基材１１０に配置された複数のコーティング１２０とを含む物品１００を示す。複数のコーティング１２０は、基材１１０に配置された遮熱コーティング１２２と、遮熱コーティング１２２に配置された保護オーバーレイ層１２４とを含む。そのような実施形態では、保護オーバーレイ層１２４は、酸化物を含む。図３に示す実施形態では、保護オーバーレイ層１２４は、遮熱コーティングの上に重なって隣接して配置される。複数のコーティング１２０は、任意選択で、基材１１０と遮熱コーティング１２２との間に配置されたボンドコーティング１２１または保護オーバーレイコーティング１２４に配置されたトップコート層１２５をさらに含むことができる。そのような例では、遮熱コーティング１２２は、上述したような任意の適切なセラミック遮熱材料を含むことができる。いくつかのそのような例では、遮熱コーティング１２２は、酸化物とセラミック遮熱材料との組合せを含むことができる。

先に述べたように、遮熱コーティングは、典型的には、ＣＭＡＳのような溶融環境汚染物質によって浸透され得る孔、チャネル、空隙、または他の空洞を含む。特定の実施形態は、ＣＭＡＳ反応性材料（公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物）が複数の表面接続孔内に配置されるように、公称組成の酸化物を組み込む表面接続孔を有する遮熱コーティングを含む。いくつかの実施形態では、酸化物は、遮熱コーティングの複数の表面接続孔内に配置されてもよく、また、保護オーバーレイコーティングとして遮熱コーティングに配置されてもよい。

本明細書で使用されるとき、用語「表面接続孔」は、表面に開いている孔を指す。表面接続孔は、単一の孔または複数の孔の組合せであってもよく、孔は、相互接続され、最終的に表面への１つまたは複数の開口部を介して表面に接続される。さらに、本明細書で「表面接続孔」の文脈で使用される「表面」は、参照される層の上面である。たとえば、遮熱コーティングの表面接続孔は、遮熱コーティングの上部に保護層が存在するか否かにかかわらず、遮熱コーティングの上面に開いている孔である。

いくつかの例では、遮熱コーティング表面の孔、チャネル、空隙、または他の空洞は、堆積プロセスのために生じる可能性がある。たとえば、（空気）プラズマ溶射技術によって堆積される遮熱コーティングは、少なくともコーティングの表面に開放孔のスポンジ状多孔質構造をもたらすことがある。同様に、たとえば電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）のような物理蒸着技術によって堆積される遮熱コーティングは、少なくともコーティングの表面に一連の柱状の溝、隙間またはチャネルを含む多孔質構造をもたらすことがある。

特定の実施形態では、遮熱コーティングの表面接続孔の少なくとも一部は、複数の細長い表面接続空隙を含む。電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）は、遮熱コーティングの堆積のために使用されるプロセスの典型的な例であり、その結果、細長い表面接続空隙が形成され得る。本明細書で使用されるとき、用語「細長い表面接続空隙」は、１より高いアスペクト比を有する空隙を指し、空隙に入る汚染物質を遮熱コーティングの断面厚さ内に導くことができるように配向されることが多い。いくつかの実施形態では、細長い表面接続空隙は、（断面図の観点から）実質的に垂直に配向された亀裂、粒界、または他のミクロ組織特徴を含む。いくつかの実施形態では、公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物は、複数の細長い表面接続空隙の少なくとも一部の空隙内に配置される。

図４は、本開示のいくつかの実施形態による物品２００を示す。物品２００は、基材２１０に配置された複数のコーティング２２０を含む。複数のコーティング２２０は、遮熱コーティング２２２の内部への環境汚染物質へのアクセスを可能にする、たとえば細長い表面接続空隙２４０のような表面接続孔を有する遮熱コーティング２２２を含む。複数のコーティングは、遮熱コーティング２２２と基材２１０との間に配置されたボンド層２１１をさらに含む。いくつかの実施形態では、ＣＭＡＳ反応性材料（公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物）２２４は、遮熱コーティング２２２の空隙２４０の少なくとも一部内に配置される。特定の実施形態では、ＣＭＡＳ反応性材料２２４は、図４に示すように、遮熱コーティング２２２の上部にさらに配置される。遮熱コーティング２２２の上部に配置されるＣＭＡＳ反応性材料２２４は、連続層であってもよく、または表面接続空隙２４０に（２４２によって示されるように）接続されるか、もしくは表面接続空隙２４０から（２４４によって示されるように）分離される孔を有してもよい。図４に示す例示的な実施形態などのいくつかの実施形態では、ＣＭＡＳ反応性材料２２４は、空隙２４０の表面を別個の配置で装飾する。特定の実施形態では、ＣＭＡＳ反応性材料２２４は、空隙２４０内に連続的または実質的に連続的な構造を形成する。

いくつかの実施形態では、バリア材料２５０が、任意選択で、図４に示すように空隙２４０内に配置される。バリア材料２５０は、ＣＭＡＳ反応性材料２２４と基材２１０または存在する場合にはボンドコーティング２１１に配置されたＴＧＯとの間の化学的相互作用を実質的に防止する。いくつかの実施形態では、バリア材料２５０は、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、またはそれらの組合せを含む。

いくつかの実施形態では、酸化物は、約０．５体積％〜約７５体積％の範囲の量で複数のコーティング中に存在する。いくつかの実施形態では、酸化物は、約１０体積％〜約５０体積％の範囲の量で複数のコーティング中に存在する。いくつかの実施形態では、酸化物は、約１０体積％〜約２５体積％の範囲の量で複数のコーティング中に存在する。

本開示のコーティングは、高温で動作されるか、または高温に曝される多種多様なタービン構成要素（たとえば、タービンエンジン構成要素）において有用であり得る。いくつかの実施形態では、タービンエンジン構成要素も提示される。適切なタービンエンジン構成要素の非限定的な例は、ブレードおよびベーンなどのタービン翼形部、タービンシュラウド、タービンノズル、バケット、ライナおよびデフレクタなどの燃焼器構成要素、熱シールド、ガスタービンエンジンのオーグメンタハードウェアなどを含む。複数のコーティングは、金属基材の一部またはすべての上に配置されてもよい。たとえば、ブレードのような翼形部に関して、複数のコーティングは、典型的には、その先端だけでなく翼形部の金属基材の部分を保護する、覆う、または上に重なるために使用され、たとえば、遮熱コーティングは、翼形部の前縁および後縁ならびに他の表面を覆う。

いくつかの実施形態では、物品を製造する方法が提示される。いくつかの実施形態では、方法は、遮熱コーティングとして基材に酸化物を配置することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、遮熱コーティングを配置することと、ＣＭＡＳ反応性材料として遮熱コーティングに酸化物を配置することとを含む。

（図１および図２に示すような）遮熱コーティングは、物理蒸着（ＰＶＤ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）などの蒸着；空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、サスペンションプラズマ溶射（ＳＰＳ）、および真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）などのプラズマ溶射；高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射、爆発、またはワイヤ溶射などの他の溶射堆積法；化学蒸着（ＣＶＤ）、ゾル−ゲル法、または上記の技術の２つ以上の組合せを含む様々な従来の技術のいずれかによって直接ボンドコーティング（存在する場合）または基材に配置または形成することができる。

遮熱コーティングを配置、堆積または形成するために使用される特定の技術は、遮熱コーティングの組成物、厚さ、および遮熱コーティングに望ましい物理的構造の１つまたは複数に依存し得る。特定の実施形態では、遮熱コーティングは、プラズマ溶射技術を使用して基材に配置される。様々な種類のプラズマ溶射技術が当業者に周知であり、本開示の遮熱コーティングを配置するために利用されてもよい。

遮熱コーティングがセラミック遮熱材料をさらに含む実施形態では、酸化物およびセラミック遮熱材料は、基材またはボンドコーティング（存在する場合）に共堆積されてもよい。いくつかの実施形態では、共堆積は、酸化物とセラミック遮熱コーティング材料とを共に（たとえば、粉末として）ブレンド、混合または組み合わせて、次に基材／ボンドコーティング上に堆積させる混合物を提供することによって達成することができる。いくつかの実施形態では、共堆積は、それぞれのＣＭＡＳ反応性材料およびセラミック遮熱コーティング材料を、これらの材料が共にブレンド、混合または組み合わされて混合物を形成するように、別々に基材／ボンドコーティング上に（たとえば、別個のプラズマ溶射ストリームとして）堆積させることによって達成することができる。

いくつかの実施形態では、遮熱コーティングは、ボンドコーティングに配置されてもよい。そのような例では、ボンドコーティングは、物理蒸着（ＰＶＤ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）などの蒸着；空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）および真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）などのプラズマ溶射；高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射、爆発、またはワイヤ溶射などの他の溶射堆積法；化学蒸着（ＣＶＤ）、ゾル−ゲル法、または上記の技術の２つ以上の組合せを含む様々な従来の技術のいずれかによって基材に塗布、堆積または形成することができる。いくつかの実施形態では、遮熱コーティングに使用されるようなプラズマ溶射技術を用いて、ボンドコーティングを基材に配置することができる。

いくつかの実施形態では、物品（図３に示す）を形成する方法は、遮熱コーティングに保護オーバーレイ層として酸化物を配置することを含む。保護オーバーレイ層が主として酸化物からなる実施形態では、遮熱コーティングを配置するために使用される上記の技術の１つまたは複数を使用して、遮熱コーティングに酸化物を塗布、堆積または形成する。

物品（図４に示す）を作製するための方法は、遮熱コーティングの表面接続孔／空隙内に酸化物を配置することを含むことができる。酸化物は、液体または蒸気浸透剤として孔内に配置することができる。方法は、遮熱コーティングの孔／空隙にバリア材料を浸透させることをさらに含むことができる。遮熱コーティングの孔／空隙に浸透させるために適した技術および方法は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１６／０１６８６８４号に記載されている。

本開示のいくつかの実施形態によれば、本明細書に開示される酸化物組成物は、所望の熱伝導率を提供することができ、遮熱コーティング材料として費用効果を高くすることができる。さらに、本開示のいくつかの実施形態によれば、本明細書に開示される酸化物組成物は、通常のタービン動作中にそのようなコーティングの表面に堆積し得る環境汚染物質組成物の悪影響に対して少なくとも部分的で完全な保護および緩和を有する遮熱コーティングを提供することができる。

酸化物組成物Ｇｄ_３Ｔａ_０．５Ｚｒ_０．５Ｏ_６．７５を、対応する酸化物を化学量論量で接触させることによって合成した。本開示の発明者らは、５＋価の元素（たとえば、Ｔａ）に対して４＋価の元素（たとえば、Ｚｒ）を置換すると、最大ｙ＝０．５の置換レベルでさえ、安定した単相化合物が得られることを見出した。これは、得られた組成物の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）顕微鏡写真によって立証された。

表１は、９００℃および１１００℃で、本開示のいくつかの実施形態による酸化物のペレットの熱伝導率データ（約５８Ｋ ＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）で）を示す。比較のために、８ＹＳＺ、２０ＹＳＺおよびＧｄ_３ＴａＯ_７試料の熱伝導率データも提供されている。

Ｇｄ_３Ｔａ_０．５Ｚｒ_０．５Ｏ_６．７５の熱伝導率は、８ＹＳＺおよび２０ＹＳＺの熱伝導率より著しく低いことが観察された。さらに、Ｇｄ_３Ｔａ_０．５Ｚｒ_０．５Ｏ_６．７５の熱伝導率は、Ｇｄ_３ＴａＯ_７の熱伝導率に匹敵していた。しかし、Ｇｄ_３ＴａＯ_７中のＴａをＺｒに置換することは、最も費用効果の高い遮熱コーティングを提供することができる。

前述の実施例は単なる例示であり、本発明の特徴のいくつかを例示する役割を果たす。添付の特許請求の範囲は、発明が広く理解されるように本発明を請求することを意図しており、本明細書中の実施例は、すべての可能な実施形態の多様体から選択された実施形態を例示するものである。したがって、出願人の意図は、本発明の特徴を説明するために利用される実施例の選択によって、添付の特許請求の範囲が制限されないことである。特許請求の範囲で使用されているように、「備える」という用語およびその文法上の変形は、たとえば、限定されるものではないが、「実質的に含む」および「からなる」などの様々なおよび異なる範囲のフレーズを論理的にも包含し、含む。必要に応じて、範囲が与えられ、それらの範囲はその間のすべての部分範囲を包括する。当業者にはこれらの範囲の変形がそれ自体によって示唆されるものとなり、まだ一般に公開されていない場合には、それらの変形は、可能ならば、添付の特許請求の範囲に含まれると解釈すべきであることが予想されるはずである。科学および技術の進歩が、言葉の不正確さのために今は企図されていない均等物および代用物を可能にすることになり、これらの変形もまた、可能ならば、添付の特許請求の範囲に含まれると解釈すべきであることもまた予期される。

１００ 物品
１１０ 基材
１２０ コーティング
１２１ ボンドコーティング
１２２ 遮熱コーティング
１２４ 保護オーバーレイ層
１２５ 保護コーティング、トップコート
２００ 物品
２１０ 基材
２１１ ボンドコーティング
２２０ コーティング
２２２ 遮熱コーティング
２２４ ＣＭＡＳ反応性材料
２４０ 表面接続空隙
２５０ バリア材料

Claims (20)

1. 基材（１１０、２１０）と、
   前記基材（１１０、２１０）に配置された複数のコーティング（１２０、２２０）とを含み、前記複数のコーティング（１２０、２２０）の少なくとも１つのコーティングは、公称組成Ａ_ｘＢ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物を含み、式中、Ａは、希土類元素を含み、Ｂは、タンタルまたはニオブを含み、Ｄは、ジルコニウムまたはハフニウムを含み、２≦ｘ≦３、０＜ｙ＜１、および６≦ｚ≦７である、物品（１００、２００）。
2. Ｂが、タンタルを含む、請求項１に記載の物品（１００、２００）。
3. Ｄが、ジルコニウムを含む、請求項１に記載の物品（１００、２００）。
4. Ａが、ランタン、イットリウム、セリウム、ガドリニウム、イッテルビウム、またはそれらの組合せを含む、請求項１に記載の物品（１００、２００）。
5. ０．１≦ｙ≦０．５である、請求項１に記載の物品（１００、２００）。
6. 前記酸化物が、公称組成Ａ_３Ｂ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚであり、式中、Ａが、希元素を含み、Ｂが、タンタルまたはニオブを含み、Ｄが、ジルコニウムまたはハフニウムを含み、０＜ｙ＜１、および６≦ｚ≦７である、請求項１に記載の物品（１００、２００）。
7. 前記酸化物が、公称組成Ｇｄ_３Ｔａ_１−ｙＺｒ_ｙＯｚであり、０＜ｙ＜１および６．５≦ｚ≦７である、請求項１に記載の物品（１００、２００）。
8. 前記複数のコーティング（１２０、２２０）が、前記酸化物を含む遮熱コーティング（１２２、２２２）を含む、請求項１に記載の物品（１００、２００）。
9. 前記酸化物の濃度が、前記遮熱コーティング（１２２、２２２）の厚さにわたって勾配される、請求項８に記載の物品（１００、２００）。
10. 前記複数のコーティング（１２０、２２０）が、遮熱コーティング（１２２、２２２）と、前記酸化物を含むカルシウム−マグネシウム−アルミニウム−ケイ素−酸化物（ＣＭＡＳ）反応性材料（２２４）とを含む、請求項１に記載の物品（１００、２００）。
11. 前記ＣＭＡＳ反応性材料（２２４）が、前記遮熱コーティング（１２２、２２２）に保護オーバーレイコーティング（１２４）として配置される、請求項１０に記載の物品（１００、２００）。
12. 前記遮熱コーティング（１２２、２２２）が、表面接続孔を含み、前記ＣＭＡＳ反応性材料（２２４）が、複数の前記表面接続孔内に配置される、請求項１０に記載の物品（１００、２００）。
13. 前記表面接続孔の少なくとも一部が、複数の細長い表面接続空隙（２４０）を含み、前記ＣＭＡＳ反応性材料（２２４）が、前記複数の前記細長い表面接続空隙（２４０）内に配置される、請求項１２に記載の物品（１００、２００）。
14. 前記遮熱コーティング（１２２、２２２）が、イットリウム安定化ジルコニアを含む、請求項１０に記載の物品（１００、２００）。
15. 請求項１に記載の物品（１００、２００）を含むタービンエンジン構成要素。
16. 前記物品（１００、２００）が、燃焼器構成要素、タービンブレード、シュラウド、ノズル、熱シールド、またはベーンである、請求項１５に記載のタービンエンジン構成要素。
17. 基材（１１０、２１０）と、
    前記基材（１１０、２１０）に配置されたボンドコーティング（１２１、２１１）と、
    前記ボンドコーティング（１２１、２１１）に配置された遮熱コーティング（１２２、２２２）と含み、前記遮熱コーティング（１２２、２２２）は、公称組成Ｇｄ_３Ｂ_１−ｙＤ_ｙＯ_ｚの酸化物を含み、Ｂは、タンタルまたはニオブを含み、Ｄは、ジルコニウムまたはハフニウムを含み、０＜ｙ＜１、および６．５≦ｚ≦７である、物品（１００、２００）。
18. Ｂが、タンタルを含み、Ｄが、ジルコニウムを含む、請求項１７に記載の物品（１００、２００）。
19. 前記酸化物が、公称組成Ｇｄ_３Ｔａ_１−ｙＺｒ_ｙＯ_ｚを有し、０．１≦ｙ≦０．５および６．７５≦ｚ≦６．９５である、請求項１７に記載の物品（１００、２００）。
20. 前記酸化物が、公称組成Ｇｄ_３Ｔａ_０．５Ｚｒ_０．５Ｏ_６．７５を有する、請求項１７に記載の物品（１００、２００）。

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