JP5437555B2 - Ｅｂｃのためのシリコン含有基材の結合コートおよび同物を製造するプロセス - Google Patents
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Description
本発明は、広範に、シリコン含有基材、上塗ケイ素化合物含有結合コート層、および上塗環境障壁コーティング（ＥＢＣ）を含む物品に関する。本発明は、さらに、ＥＢＣをケイ素化合物含有結合コート層の上に形成すると共に、ケイ素化合物含有結合コート層を基材の上に形成するプロセスに関する。
ガスタービンエンジンのより高い動作温度は、効率を高めるために絶えず追求されている。しかし、動作温度が上昇すると、エンジンのコンポーネントの高温耐久性も、それに応じて高まらなければならない。高温運転能力の著しい向上は、鉄、ニッケル、およびコバルトベースの超合金の調合を介して達成されてきた。超合金は、ガスタービンエンジン全体を通して使用されるガスタービンコンポーネント、および特に高温になるセクションに広範に利用されてきたが、代替えの軽量基材物質が提案され、追求されている。
炭化ケイ素（ＳｉＣ）をマトリックス材および／または補強材（例えば、ファイバ）として含むものなど、シリコンを含有するセラミック材料は、現在、ガスタービンエンジン、熱交換器、内燃機関などの高温用途向けの基材として使用されている。これらのシリコン含有マトリックス／補強材は、一般に、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）と呼ばれる。マトリックス材および／または補強材として使用されるこれらのシリコン含有材料は、重量を減らす一方で、そのような基材を含むタービンコンポーネントの強度および耐久性を維持することができ、また現在、エーロフォイルを含むタービンコンポーネント（例えば、コンプレッサ、タービン、ベーンなど）、燃焼器、および軽量であることが望ましい他のタービンコンポーネントなどの、ガスタービンエンジンの高温セクションで使用される多数のタービンコンポーネント用に考えられている。
動作温度が上昇すると、そのようなＣＭＣ材料の高温耐久性も、それに応じて高まらなければならない。多くの用途において、防護コーティングは、シリコン含有基材にとって有益であるか、または必要である。このようなコーティングは、腐食性含水環境内でシリコン含有材料を劣化させる主要なメカニズム、つまり、揮発性の一酸化ケイ素（ＳｉＯ）および水酸化ケイ素（Ｓｉ（ＯＨ）４）生成物の形成を抑制することにより、環境保護を実現すべきである。したがって、シリコン含有基材に対する環境障壁コーティング（ＥＢＣ）システムの必要な要求条件は、水蒸気を含む高温環境における安定性である。これらのＥＢＣシステムの他の重要な特性としては、シリコン含有基材に適合する熱膨張率（ＣＴＥ）、酸化剤の低透過性、低熱伝導率、ならびにシリコン含有基材および典型的には酸化により形成される上塗シリカスケールとの化学的親和性が考えられる。
さまざまな単層および多層ＥＢＣシステムを調査したが、それぞれに、環境保護およびシリコン含有基材との親和性に関係する欠点があった。例えば、ＥＢＣシステムは、高温での酸化および水性環境（例えば、蒸気）の存在下での劣化からシリコン含有ＣＭＣ基材を保護するものとして提案されている。これらの蒸気耐性のあるＥＢＣシステムとしては、例えば、同一出願人による、２０００年１０月１０日に発行された米国特許第６，１２９，９５４号（Ｓｐｉｔｓｂｅｒｇ他）、および１９９９年２月９日に発行された米国特許第５，８６９，１４６号（ＭｃＣｌｕｓｋｅｙ他）で開示されているムライト（３Ａｌ２Ｏ３．２ＳｉＯ２）を含むものがある。ムライトを含む、または含まない、追加の遮熱コーティングを備える、または備えない、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム（ＢＳＡＳ）を含む他の蒸気耐性のあるＥＢＣシステムは、例えば、同一出願人による、１９９９年１１月１６日に発行された米国特許第５，９８５，４７０号（Ｓｐｉｔｓｂｅｒｇ他）、２００２年９月３日に発行された米国特許第６，４４４，３３５号（Ｗａｎｇ他）、２００３年８月１９日に発行された米国特許第６，６０７，８５２号（Ｓｐｉｔｓｂｅｒｇ他）、および２００２年６月２５日に発行された米国特許第６，４１０，１４８号（Ｅａｔｏｎ他）で開示されている。
これらの蒸気耐性を有するＥＢＣは、ものによっては、（１）シリコン含有基材に隣接するシリコン結合コート層、（２）結合コート層に載り、隣接する組合せムライトＢＳＡＳ（例えば、８０％のムライト２０％ＢＳＡＳ）転位層、および（３）ＢＳＡＳを含む外部障壁からなる本質的３層システムを含む。例えば、同一出願人による２００２年６月２５日に発行された米国特許第６，４１０，１４８号（Ｅａｔｏｎ他）を参照されたい。シリコン結合コート層は、シリコン含有基材（例えば、ＳｉＣ／ＳｉＣＣＭＣ基材）に十分接着し、犠牲的な酸化層としても機能しうる。ムライトＢＳＡＳ転位層は、ＢＳＡＳを含む外部障壁と典型的にはシリコン結合コート層上に形成する下にあるシリカスケールとの間の高速反応を妨げる。ＢＳＡＳを含む外部障壁層は、蒸気および他の高温水性環境に対する抵抗性が比較的高い。
これらの蒸気耐性を有する３層ＥＢＣシステムは、元々、シリコン含有ＣＭＣ基材のＥＢＣ表面温度が約１２０４℃（２２００°Ｆ）を超えないガスタービンコンポーネント用途用に開発されたものである。将来のガスタービンコンポーネント用途では、シリコン含有ＣＭＣ基材のＥＢＣ表面温度が、約１２０４℃（２２００°Ｆ）よりも十分に高くなることが予想される。
これらの予想される高い表面温度からの何らかの断熱は、３層ＥＢＣシステムの上に１つまたは複数の遮熱コーティング（ＴＢＣ）層を含めることにより対応することができる。２００２年９月３日に発行された米国特許第６，４４４，３３５号（Ｗａｎｇ他）を参照のこと（ＹＳＺおよびＢＳＡＳを含む中間層に載る断熱ＹＳＺトップコート層、ムライト、および／または任意選択のシリコン層によりシリコン含有基材に接着できるムライト含有層を覆うアルミナを含むＴ／ＥＢＣシステム）。これらの追加のＴＢＣ層であっても、シリコン結合コート層だけでなくシリコン含有ＣＭＣ基材は、約１２０４℃（２２００°Ｆ）を十分に超える実効温度に曝されることが予想される。
米国特許第６，１２９，９５４号
米国特許第５，８６９，１４６号
米国特許第５，９８５，４７０号
米国特許第６，４４４，３３５号
米国特許第６，６０７，８５２号
米国特許第６，４１０，１４８号
米国特許第５，６６０，８８５号
米国特許第６，０２５，０７８号
米国特許第６，３３３，１１８号
米国特許第６，１１７，５６０号
米国特許第６，１７７，２００号
米国特許第６，２８４，３２３号
米国特許第６，３１９，６１４号
米国特許第６，３８７，５２６号
米国特許第５，７５９，０３２号
米国特許第５，９８５，３６８号
米国特許第６，２９４，２６１号
米国特許第５，６４５，８９３号
米国特許第５，７１６，７２０号
米国特許第５，３３２，５９８号
米国特許第５，０４７，６１２号
米国特許第４，７４１，２８６号
"Kirk-Othmer's Encyclopedia of Chemical Technology", 3rd Ed., Vol. 24, pp. 882-883 (1984)
"Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology", 3rd Ed., Vol. 15, page 255
したがって、ＥＢＣと基材との間が約１２０４℃（２２００°Ｆ）を十分に超える実効接触面温度に曝される場合であっても、ＥＢＣシステムをシリコン含有（例えば、ＣＭＣ）基材に接着することができる結合コート層を実現することができることが望ましいであろう。
本発明の一実施形態は、広範に、シリコン含有基材と、基材の上に載るケイ素化合物含有結合コート層と、任意選択で、結合コート層の上に載る環境障壁コーティングとを含む物品を対象とする。
本発明の他の実施形態は、広範に、シリコン含有基材と、基材の上に載るケイ素化合物含有結合コート層と、結合コート層の上に載る蒸気耐性環境障壁コーティングとを含み、環境障壁コーティングは、（１）結合コート層の上に載る任意選択の内部シリカスケール層と、（２）内部シリカスケール層の上に、または内部シリカスケール層がない場合には結合コート層の上に載り、ムライト、またはムライトとアルミノケイ酸バリウムストロンチウム、ケイ酸イットリウム、またはアルミノケイ酸カルシウムとの組合せを含む中間層と、（３）中間層の上に載り、本質的にアルカリ土類ケイ酸塩／アルミノケイ酸塩からなる外部蒸気耐性障壁層とを含む物品を対象とする。
本発明の他の実施形態は、広範に、（ａ）シリコン含有基材を用意する工程と、（ｂ）基材の上にケイ素化合物含有結合コート層を形成する工程と、（ｃ）任意選択で、結合コート層の上に環境障壁コーティングを形成する工程とを含むプロセスを対象とする。
本発明の物品およびプロセスのいくつかの実施形態は、環境障壁コーティング（ＥＢＣ）システムを有するシリコン含有基材を含む物品に関して多数の長所および利点をもたらす。ケイ素化合物含有結合コート層は、約１２０４℃（２２００°Ｆ）を超える動作温度であっても、また特に約１２０４℃（２２００°Ｆ）を十分に上回る温度であっても、下になるシリコン含有基材へのＥＢＣシステムの接着性を改善する。ケイ素化合物含有結合コート層は、さらに、任意選択の防護シリカスケール層をその上に形成するためのシリコン源を備えることもできる。ケイ素化合物含有結合コート層は、典型的に前シリコン結合コート層よりも融点がかなり高い金属ケイ素化合物を含むため、ケイ素化合物含有結合コート層は、約１２０４℃（２２００°Ｆ）を超える動作温度に曝されたときでも、接着および他の機械特性に対する悪影響に耐えられる。
本明細書で使用される「環境障壁コーティング」（これ以降「ＥＢＣ」）という用語は、環境保護を実現する、つまり、例えば、蒸気などの高温水性環境、さまざまな腐食剤により引き起こされる環境攻撃を防御する際に環境障壁として機能する、つまり、耐食性等を実現し、下にあるケイ素化合物含有結合コート層に関して化学的親和性（例えば、比較的不活性、など）があるコーティングシステムを意味する。
本明細書で使用される「蒸気耐性環境障壁コーティング」という用語は、これらのコーティングシステムに対し、高温水性環境（例えば、蒸気）により引き起こされる環境攻撃に対抗して下にあるケイ素化合物含有結合コート層およびシリコン含有基板の環境保護を実現できるＥＢＣを意味する。蒸気耐性ＥＢＣは、典型的には、本質的にアルカリ土類ケイ酸塩／アルミノケイ酸塩からなる外部蒸気耐性障壁層に、１つまたは複数の任意選択の層を加えたものを含む。
本明細書で使用される「本質的にアルカリ土類ケイ酸塩／アルミノケイ酸塩からなる蒸気耐性障壁層」という用語は、高温水性環境（例えば、蒸気）により引き起こされる環境攻撃に耐性を有し、本質的にアルカリ土類ケイ酸塩／アルミノケイ酸塩からなり、例えば、少なくとも約９０％のアルカリ土類ケイ酸塩／アルミノケイ酸塩、典型的には少なくとも約９５％のアルカリ土類ケイ酸塩／アルミノケイ酸塩、より典型的には少なくとも約９９％のアルカリ土類ケイ酸塩／アルミノケイ酸塩を含む障壁層を意味する。
本明細書で使用される「アルカリ土類ケイ酸塩／アルミノケイ酸塩」という用語は、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリ土類アルミノケイ酸塩（「ＡＥＡＳ」ともいう）、またはこれらの組合せを意味する。これらのアルカリ土類ケイ酸塩／アルミノケイ酸塩は、典型的には、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリ土類アルミノケイ酸塩、またはこれらの組合せを含み、ただし、アルカリ土類は、バリウム、ストロンチウム、またはより典型的にはこれらの混合物である。ＡＥＡＳは、典型的には、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム（「ＢＳＡＳ」ともいう）を含む。通常、ＢＳＡＳは、約０．００から約１．００モルのＢａＯ、約０．００から約１．００モルのＳｒＯ、約１．００モルのＡｌ2Ｏ3、および約２．００モルのＳｉＯ2を含み、ＢａＯおよびＳｒＯの組み合わせたモル数は、約１．００モルである。典型的には、ＢＳＡＳは、約０．１０から約０．９０モル（より典型的には約０．２５から約０．７５モル）のＢａＯ、約０．１０から約０．９０モル（より典型的には約０．２５から約０．７５モル）のＳｒＯ、約１．００モルのＡｌ2Ｏ3、および約２．００モルのＳｉＯ2を含み、ＢａＯおよびＳｒＯの組み合わせたモル数は、約１．００モルである。このようなＢＳＡＳの１つは、ＢａＯ約０．７５モル、ＳｒＯ約０．２５モル、Ａｌ2Ｏ3約１．００モル、およびＳｉＯ2約２．００モルを含む。同一出願人による２００２年６月２５日に発行された米国特許第６，４１０，１４８号（Ｅａｔｏｎ他）の特に列３、行６〜２５には、参照により本明細書に組み込まれている関連部分が説明されているので参照されたい。
本明細書で使用される「耐食層」という用語は、カルシウム、マグネシウム、ナトリウムなどの硫酸塩および／または塩化物、またはそれらの混合物（例えば、海塩）により、またはカルシウム、マグネシウムなどの酸化物、または、一般に「ＣＭＡＳ」と呼ばれる、混合されたカルシウム−マグネシウム−アルミニウム−シリコン−酸化物システム（Ｃａ--Ｍｇ--Ａｌ--ＳｉＯ）を含む汚染組成物などのそれらの混合物により引き起こされる環境攻撃を防御する１つまたは複数の層を意味する。例えば、これらのＣＭＡＳ環境汚染組成物を説明している、同一出願人による１９９７年８月２６日に発行された米国特許第５，６６０，８８５号（Ｈａｓｚ他）を参照のこと。好適な耐食層は、耐食金属ケイ酸塩、アルミナなどを含むことができる。
本明細書で使用される「耐食金属ケイ酸塩保護層」という用語は、カルシウム、マグネシウム、ナトリウムなどの硫酸塩および／または塩化物、またはそれらの混合物（例えば、海塩）により、またはカルシウム、マグネシウムなどの酸化物、または、ＣＭＡＳなどの混合されたカルシウム−マグネシウム−アルミニウム−シリコン−酸化物システム（Ｃａ--Ｍｇ--Ａｌ--ＳｉＯ）を含む汚染組成物などのそれらの混合物により引き起こされる環境攻撃を防御できる十分な量またはレベルの耐食金属ケイ酸塩を含む保護耐食層を意味する。耐食金属ケイ酸塩保護層は、耐食金属ケイ酸塩の少なくとも約５０％、典型的には耐食金属ケイ酸塩の少なくとも約８０％、より典型的には耐食金属ケイ酸塩の９９％を含むことができる。
本明細書で使用される「耐食金属ケイ酸塩」という用語は、カルシウム、マグネシウム、ナトリウムなどの硫酸塩および／または塩化物、またはそれらの混合物（例えば、海塩）により、またはカルシウム、マグネシウムなどの酸化物、またはそれらの混合物（例えば、ＣＭＡＳ）により引き起こされる環境攻撃に少なくとも耐性を有する金属ケイ酸塩を意味する。これらの金属ケイ酸塩は、高温水性環境（例えば、蒸気）などを含む、他の環境汚染組成物および腐食剤により起こされる環境攻撃に耐性を有する場合もある。本明細書で使用するのに適している耐食金属ケイ酸塩は、ケイ酸イットリウム、ケイ酸スカンジウム、ケイ酸ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、希土類金属ケイ酸塩、例えばケイ酸ランタン、ケイ酸セリウム、ケイ酸プラセオジム、ケイ酸ネオジム、ケイ酸プロメチウム、ケイ酸サマリウム、ケイ酸ユウロピウム、ケイ酸ガドリニウム、ケイ酸テルビウム、ケイ酸ジスプロシウム、ケイ酸ホルミウム、ケイ酸エルビウム、ケイ酸ツリウム、ケイ酸イッテルビウム、ケイ酸ルテチウムなど、さらに、これらの金属ケイ酸塩のさまざまな組合せを含むことができる。金属ケイ酸塩は、モノシリケート、ジシリケート、オルトシリケート、メタシリケート、ポリシリケートなど、またはこれらの組合せの形態とすることができる。典型的には、耐食金属ケイ酸は、ケイ酸イットリウム、ケイ酸スカンジウム、ケイ酸ルテチウム、ケイ酸イッテルビウム、ケイ酸ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、またはそれらの組合せ、およびより典型的には、ケイ酸イットリウム、ケイ酸イッテルビウム、またはケイ酸ルテチウムである。
本明細書で使用される「ケイ素化合物含有結合コート層」という用語は、上塗ＥＢＣシステムのシリコン含有基材への接着の促進、改善などを行い、シリコン金属合金（本明細書では、「金属ケイ素化合物」ともいう）を含む、結合コート層を意味する。典型的には、ケイ素化合物含有結合コート層は、融点が少なくとも約１５３７℃（２８００°Ｆ）、より典型的には少なくとも約１６４８℃（３０００°Ｆ）である金属ケイ素化合物を含む。これらの金属ケイ素化合物は、モノシリサイド、ジシリサイド、トリシリサイドなどとすることができ、またクロム、ハフニウム、モリブデン、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、ジルコニウム、希土類（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、など）など、またはこれらの親和性のある組合せとすることができる。本明細書で使用するのに好適な金属ケイ素化合物は、チタンシリサイド、チタンジシリサイド、クロムトリシリサイド、モリブデントリシリサイド、モリブデンジシリサイド、ニオブトリシリサイド、ニオブジシリサイド、ハフニウムジシリサイド、タンタルトリシリサイド、タンタルジシリサイド、タングステンジシリサイド、ジルコニウムジシリサイド、さらに、ガドリニウムジシリサイド、ランタンジシリサイド、ネオジウムシリサイド、イッテルビウムトリシリサイドなどの希土類ジシリサイドおよびトリシリサイド、またはこれらの親和性のある組合せを含む。
本明細書で使用される「シリコン含有基材」という用語は、シリコン含有セラミック材料、金属ケイ素化合物（組成上、ケイ素化合物含有結合コート層を含むものと異なる場合）、またはそのようなシリコン含有セラミック材料およびシリコン金属合金の組合せを含むものを含む、シリコン含有基材を意味する。シリコン含有基材は、シリコン含有材料の実質的に連続するマトリックスを含むことができ、不連続マトリックスなどの中に分散される、埋め込まれるなどされたファイバ、粒子などの離散要素で強化されたシリコン含有材料の連続マトリックスを含む組成物とすることができる。ファイバ、粒子などの離散要素は、シリコン含有セラミック材料から形成されるか、または他の材料、例えば、カーボンファイバから形成されるようにできる。シリコン含有セラミックスの連続マトリックス内に分散、埋め込みなどがなされたファイバ、粒子などのそのような組合せは、典型的にはセラミックマトリックス複合材料またはＣＭＣと呼ばれる。典型的なＣＭＣは、通常シリコーンベースのファイバによりファイバ補強された連続シリコン含有セラミックマトリックスを含む。これらの補強ファイバは、典型的には、複合材料システムの構造的な完全性を付与し、保持するためファイバ表面を完全に被覆するコーティング材料を含む。典型的なファイバコーティング材料は、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭素などを含む。好適なシリコン含有セラミック材料は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸窒化アルミニウムシリコン、またはこれらの組合せを含む。シリコン含有基材として有用な好適な金属ケイ素化合物は、モリブデンシリサイド、ニオブシリサイド、鉄シリサイドなど、またはこれらの組合せを含む。本明細書で使用するのに好適な例示されているシリコン含有基材は、炭化ケイ素コーディング炭化ケイ素ファイバ強化炭化ケイ素粒子およびシリコンマトリックス、カーボンファイバ強化炭化ケイ素マトリックス、炭化ケイ素ファイバ強化シリコン窒化ケイ素マトリックスなどを含む。
本明細書で使用される「遮熱コーティング」（これ以降「ＴＢＣ」）という用語は、物品のＥＢＣ、結合コート層、シリコン含有基材などへの熱の流れを減らす、つまり、遮熱を形成し、融点が典型的には少なくとも約１４２６℃（２６００°Ｆ）、より典型的には約１９００℃から約２７５０℃（約３４５０°Ｆから約４９８０°Ｆ）までの範囲であるセラミック材料を含むコーティングを意味する。遮熱コーティングに適しているセラミック材料は、酸化アルミニウム（アルミナ）、つまり、未水和および水和形態を含むＡｌ２Ｏ３を含む化合物および組成物、さまざまなジルコニア、特に、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、イッテリビア安定化ジルコニアなど、さらに、そのような安定化されたジルコニアの混合物などの相安定化ジルコニア（例えば、酸化イットリウムなどのさまざまな安定剤金属酸化物とブレンドされたジルコニア）を含む。例えば、好適なジルコニアの説明については、"Kirk-Othmer's Encyclopedia of Chemical Technology", 3rd Ed., Vol. 24, pp. 882-883 (1984)を参照されたい。好適なイットリア安定化ジルコニアは、約１から約２０％のイットリア（イットリアとジルコニアの組合せ重量に基づき）、より典型的には約３から約１０％のイットリアを含むことができる。これらの相安定化ジルコニアは、さらに、ジスプロシア、エルビア、ユウロピア、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の酸化物金属（例えば、ランタニド、またはアクチニド）を含み、遮熱コーティングの熱伝導性をさらに下げることができる。両方とも参照により組み込まれている、２０００年２月１５日に発行された米国特許第６，０２５，０７８号（Ｒｉｃｋｅｒｂｙ他）、および２００１年１２月２１日に発行された米国特許第６，３３３，１１８号（Ａｌｐｅｒｉｎｅ他）を参照のこと。遮熱コーティングに適しているセラミック材料は、さらに、一般化学式Ａ２Ｂ２Ｏ７のパイロクロアも含み、Ａは価数３＋または２＋の金属（例えば、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、価数４＋または５＋の金属（例えば、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。このタイプの代表的な材料は、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。２０００年９月１２日に発行された米国特許第６，１１７，５６０号（Ｍａｌｏｎｅｙ）、２００１年１月２３日に発行された米国特許第６，１７７，２００号（Ｍａｌｏｎｅｙ）、２００１年９月４日に発行された米国特許第６，２８４，３２３号（Ｍａｌｏｎｅｙ）、２００１年１１月２０日に発行された米国特許第６，３１９，６１４号（Ｂｅｅｌｅ）、および２００２年５月１４日に発行された米国特許第６，３８７，５２６号（Ｂｅｅｌｅ）は、すべて参照により本明細書に組み込まれているので、参照されたい。
本明細書で使用される「ＣＴＥ」という用語は、材料の熱膨張率を意味し、典型的には、１０−６／°Ｆまたは１０−６／℃単位で定義されている。
本明細書で使用される「含む」という用語は、さまざまな組成物、化合物、成分、コーティング、基材、層、工程などを本発明において結合的に使用できることを意味している。したがって、「含む」という用語は、「本質的に〜からなる」および「〜からなる」というより制限的な用語を包含する。
本明細書で使用されているすべての量、部、比、および割合は、特に断りのない限り、重量単位である。
以前には、ＥＢＣシステム（ＢＳＡＳの外部蒸気耐性障壁層およびムライトＢＳＡＳの中間転位層を含むものを含む）を下にあるシリコン含有基材に接着するための結合コート層は、シリコンを含んでいた。典型的には、この比較的薄いシリコン結合コート層は、厚さが約３から約６ミル（約７６から約１５２ミクロン）の範囲である。例えば、同一出願人による２００２年６月２５日に発行された米国特許第６，４１０，１４８号（Ｅａｔｏｎ他）を参照されたい。
高温用途で使用されるシリコン含有基材のＥＢＣの結合コート層は、約１２０４℃（２２００°Ｆ）よりも高い、約１２０４℃（２２００°Ｆ）よりも特に十分に高い、例えば、約１３１５℃（２４００°Ｆ）の上方の実効温度に曝される場合がある。本発明の物品およびプロセスの実施形態は、シリコンの融点が約１４１０℃（２５７０°Ｆ）であっても、そのような高温に曝されるシリコン結合コート層の接着性および他の機械的特性が悪影響を受ける可能性があるという発見に基づいている。例えば、このような高い温度は、シリコン結合コート層がＥＢＣシステムを下にあるシリコン含有基材に接着する能力だけでなく、ＥＢＣシステム内に他の機械的応力を引き起こす能力に悪影響を及ぼす可能性がある。
本発明の物品およびプロセスのいくつかの実施形態で使用されるケイ素化合物含有結合コート層は、約１２０４℃（２２００°Ｆ）よりも高い、また約２２００°Ｆ（１２０４℃）よりも特に十分に高い、例えば、約１３１５℃（２４００°Ｆ）の上方のより高い実効温度に曝される結合コート層により引き起こされる問題を解決する。これらの結合コート層が含む金属ケイ素化合物は、シリコンよりも融点がかなり高く、例えば、融点は、典型的には少なくとも約１５３７℃（２８００°Ｆ）、より典型的には少なくとも約１６４８℃（３０００°Ｆ）である。その結果、本発明の物品およびプロセスのいくつかの実施形態のケイ素化合物含有結合コート層は、特にシリコン結合コート層に比べて、機械的特性（例えば、接着性および応力特性）に対する悪影響を受けにくい。
より高い温度に効果的に対応できるが、本発明の物品およびプロセスのいくつかの実施形態において使用されるケイ素化合物含有結合コート層は、置き換えられるシリコン結合コート層の他の望ましい物理特性および化学特性を保持する。例えば、ケイ素化合物含有結合コート層は、ＥＢＣシステムが下にあるシリコン含有基材に接着する能力を改善する。さらに、ケイ素化合物含有結合コート層は、任意選択の防護シリカスケール層をその上に形成するためのシリコン源を備えることができる。
これらのケイ素化合物含有結合コート層は、物品が高温腐食環境、特に通常ガスタービンエンジン動作中に出現するより高い温度の腐食環境で動作、またはそこに曝される、上塗ＥＢＣシステムをシリコン含有基材に接着するさまざまな物品の場合に有用である。これらの物品は、タービンエンジン（例えば、ガスタービンエンジン）パーツおよびコンポーネントの形態とすることができ、これらは、タービンブレード、ベーン、およびブリスクなどのタービンエーロフォイル、タービンシュラウド、タービンノズル、ライナ、デフレクタ、およびそれぞれのドームアセンブリなどの燃焼器コンポーネント、ガスタービンエンジンのオーギュメンタハードウェアなどを含む。本発明の物品のいくつかの実施形態で使用されるケイ素化合物含有結合コート層は、タービンブレードおよびベーン、および特にそのようなブレードおよびベーンのエーロフォイル部分の形態のシリコン含有基材を含む物品に特に有用である。しかし、本発明の物品のいくつかの実施形態の以下の説明は、タービンブレードおよびベーン、特にそれらのブレードおよびベーンを含むそのエーロフォイル部分を参照するが、これらのケイ素化合物含有結合コート層は、シリコン含有基材を含む他の物品において上塗ＥＢＣシステムを接着するのに有用であることも理解されたい。
本発明のさまざまな実施形態は、後述のように図面を参照することによりさらに説明される。図面を参照すると、図１は、タービンブレードまたはタービンベーンなどのガスタービンエンジンのコンポーネント物品、および特に、１０として一般に示されるタービンブレードを示している。（タービンベーンは、関連部分に関して類似の外観を有する。）ブレード１０は、一般に、ガスタービンエンジンの運転中に高温燃焼ガスが当てられ、したがって表面が高温水性環境（例えば、蒸気）、さらには、海塩またはＣＭＡＳなどの他の環境汚染物質による潜在的環境攻撃に曝される、エーロフォイル１２を備える。エーロフォイル１２は、凹状の１４として示されている「高圧側」、および凸状であり、ときには、「低圧側」または「後側」とも呼ばれる１６として示されている吸引側を有する。動作時に、高温燃焼ガスが、高圧側１４に当てられる。ブレード１０は、ブレード１０の根元部分２０に形成されているダブテール１８でタービンディスク（図に示されていない）に固定される。ブレード１０のいくつかの実施形態では、多数の内部通路は、エーロフォイル１２の内部を通り、エーロフォイル１２の表面内の２２として示されている開口部で終わる。動作中、冷却用空気の流れは、内部通路（図に示されていない）を通り、エーロフォイル１２を冷やすか、または温度を下げる。
図２を参照すると、シリコン含有基材を含むブレード１０のエーロフォイル１２の基部材料は、一般に３０として示されている。基材３０の表面３４は、基材加工汚染を除去し（例えば、表面３４を清浄化する）接着性などを改善するために、結合コート層をその表面に形成する前に前処理することができる。例えば、基材３０は、表面３４をグリットブラスト工程に通すことにより前処理することができる。このグリットブラスト工程は、典型的には、炭化ケイ素ファイバ強化ＣＭＣ基材などの基材３０の表面３４に損傷が生じないように、慎重に行われる。また、グリットブラスト法に使用される粒子は、望ましくない汚染を除去できるように十分堅くなければならないが、基材３０の著しい侵食除去を引き起こすほど堅いものであってはならない。グリットブラスト法で典型的に使用される研磨粒子は、基材３０の表面３４に対する著しい衝撃損傷を防ぐように十分小さい。基材３０、例えば、炭化ケイ素ＣＭＣ基材を加工する場合、グリットブラスト法は、典型的に、アルミナ粒子を使って実行され、その粒子サイズは、典型的には、約３０ミクロン以下、その速度は、典型的には、約１５０から約２００ｍ／秒である。
図２に示されているように、基材３０の表面３４に隣接し、載るのは、一般に４２として示されているケイ素化合物含有結合コート層である。結合コート層４２は、典型的には、約０．５から約１０ミル（約１３から約２５４ミクロン）、より典型的には、約１から約６ミル（約２５から約１５２ミクロン）の厚さを有する。この結合コート層４２は、遮熱コーティングを形成することについて後述するように、または当業者によく知られているように、気相成長法、パックセメンテーション法、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）法、電子ビーム物理的気相成長（ＥＢ−ＰＶＤ）、イオンプラズマなどの物理的気相成長（ＰＶＤ）法、プラズマ溶射（例えば、空気プラズマ溶射）などの熱溶射法、化学気相成長（ＣＶＤ）法などを含む、金属ケイ素化合物から層を形成するのに好適なプロセスにより表面３４上に施すか、または蒸着するか、または他の何らかの形で形成することができる。
また図２に示されているように、結合コート層４２に隣接し、その上に載るのは、一般に５０として示されているＥＢＣ、例えば、蒸気耐性ＥＢＣである。このようなＥＢＣ５０の一実施形態は、２００２年６月２５日に発行された同一出願人による米国特許第６，４１０，１４８号（Ｅａｔｏｎ他）（関連部分が参照により本明細書に組み込まれている）、特に列３、行６から列４、行１７で開示されている。図２に示されているように、ＥＢＣ５０は、任意選択で、保護内部シリカスケール層５８を含むことができる。例えば、ケイ素化合物含有結合コート層４２の小さな部分または断片を事前酸化し、保護内部シリカスケール層５８を形成すると都合がよい場合がある。この事前酸化されたシリカスケール層５８は、例えば、ケイ素化合物含有結合コート層４２を約８００℃から約１３００℃の温度に、約１５分から約１００時間の間、曝すことにより形成することができる。
さらに図２に示されているように、ＥＢＣ５０は、典型的には外部障壁層７４と任意選択の内層５８または結合コート層４２との間の接着性を強化することを目的として、またはそのような機能のために、内層５８に隣接し、その上に載り、また外部障壁層７４の下にある（つまり、内層５８と外部障壁層７４との間にある）一般に６６として示される任意選択の中間層を含むこともできる。この中間層６６は、典型的には、約０．５から約１０ミル（約１３から約２５４ミクロン）、より典型的には、約０．５から約６ミル（約１３から約１５２ミクロン）の厚さを有する。この任意選択の中間層６６は、例えば、ムライト、ムライト−ＢＳＡＳの組合せ、ムライト−ケイ酸イットリウムの組合せ、ムライト−アルミノケイ酸カルシウムの組合せなど、またはそれらの組合せを含むことができる。この任意選択の中間層６６は、本質的にムライトからなるようにできる。しかし、ムライトは、中間層６６の形成時に熱溶射法が適用された結果としてひび割れする傾向があるため、中間層６６は、より典型的には、ムライトとＢＳＡＳとの組合せ（ムライト−ＢＳＡＳ）、ムライトとケイ酸イットリウムとの組合せ（ムライト−ケイ酸イットリウム）、ムライトとアルミノケイ酸カルシウムとの組合せ（ムライト−アルミノケイ酸カルシウム）等を含む。例えば、これらの組合せは、ムライト約４０から約８０％を、ＢＳＡＳ、ケイ酸イットリウム、アルミノケイ酸カルシウムなど約２０から約６０％と共に含むことができる。この任意選択の中間層６６は、遮熱コーティングを形成することについて以下で説明されているように、または当業者によく知られているように、物理的気相成長（ＰＶＤ）法（例えば、電子ビーム物理的気相成長（ＥＢ−ＰＶＤ）、イオンプラズマなど）、熱溶射法（例えば、空気プラズマ溶射などのプラズマ溶射）、化学気相成長（ＣＶＤ）法などの従来のコーティング法を使用することにより形成することができる。
さらに図２に示されているように、ＥＢＣ５０は、さらに、典型的には高温水性環境（例えば、蒸気）から保護することを目的とする、またはそのような機能のための、中間層６６に隣接し、その上に載る一般に７４として示されている外部障壁層を含む。この外部蒸気耐性障壁層７４は、本質的にアルカリ土類ケイ酸塩／アルミノケイ酸塩（例えば、ＢＳＡＳ）からなり、少なくとも約０．５ミル（約１３ミクロン）の厚さ、典型的には、約１から約３０ミル（約２５から約７６２ミクロン）の厚さ、より典型的には約２から約１０ミル（約５１から約２５４ミクロン）の範囲の厚さを有する。この外部障壁層７４は、遮熱コーティングを形成することについて以下で説明されているような、物理的気相成長（ＰＶＤ）法（例えば、電子ビーム物理的気相成長（ＥＢ−ＰＶＤ）、イオンプラズマなど）、熱溶射法（例えば、プラズマ溶射など）、化学気相成長（ＣＶＤ）法などの従来のコーティング法、さらに、当業者によく知られている、拡散表面焼結または反応焼結／結合、スラリゲルコーティング蒸着法などを使用することにより形成することができる。例えば、同一出願人による、１９９８年６月２日に発行された米国特許第５，７５９，０３２号（Ｓａｎｇｅｅｔａ他）、１９９９年１１月１６日に発行された米国特許第５，９８５，３６８号（Ｓａｎｇｅｅｔａ他）、および２００１年９月２５日に発行された米国特許第６，２９４，２６１号（Ｓａｎｇｅｅｔａ他）（関連部分は参照により本明細書に組み込まれている）には、好適なスラリゲルコーティング蒸着法が説明されているので参照されたい。
さらに図２に示されているように、ＥＢＣ５０は、さらに、外部障壁層７４に隣接し、その上に載る８０として示されている耐食層を含むことができる。任意選択の耐食層８０は、耐食金属ケイ酸塩などの耐食物質を含む１つまたは複数の層を含むことができる。耐食保護層８０は、典型的には、約０．５から約１０ミル（約１３から約２５４ミクロン）、より典型的には、約１から約６ミル（約２５から約１５２ミクロン）の厚さを有する。耐食金属ケイ酸塩層などの耐食層８０は、遮熱コーティングを形成することについて以下で説明されているように、物理的気相成長（ＰＶＤ）法（例えば、電子ビーム物理的気相成長（ＥＢ−ＰＶＤ）、イオンプラズマなど）、熱溶射法（例えば、空気プラズマ溶射などのプラズマ溶射）、化学気相成長（ＣＶＤ）法などの従来のコーティング法を使用することにより、さらに、当業者によく知られている、スラリディップ法、酸化物結合法、パックセメンテーション法などにより、形成することができる。
さらに図２に示されているように、ＥＢＣ５０は、遮熱コーティング物質を含む、一般に８４として示されている、１つまたは複数の断熱層を含む任意選択の上塗遮熱コーティング（ＴＢＣ）を備えることができる。ＴＢＣ８４は、図２には、耐食層８０（または耐食層８０がない場合は外部障壁層７４）に隣接するものとして示されているが、ＣＴＥ親和性のために、間に（つまり、ＴＢＣ８４と耐食層８０または外部障壁層７４との間に）追加の転位層を備えることができる。ＣＴＥ親和性のためＴＢＣと共にＢＳＡＳ、ムライト、および／またはアルミナを含むそのような転位層を使用することについては、同一出願人による２００２年９月３日に発行された米国特許第６，４４４，３３５号（Ｗａｎｇ他）（その関連部分は参照により組み込まれている）を参照のこと。
ＴＢＣ８４は、断熱特性をもたらす適当な厚さを持つことができる。ＴＢＣ８４は、典型的には、約１から約３０ミル（約２５から約７６９ミクロン）、より典型的には、約３から約２０ミル（約７５から約５１３ミクロン）の厚さを有する。ＴＢＣ８４（転位層あり、またはなし）は、さまざまな従来の遮熱コーティング法により耐食層８０上に、またはそれに被さるように形成することができる。例えば、ＴＢＣ８４は、電子ビームＰＶＤ（ＥＢ−ＰＶＤ）、フィルタードアーク蒸着などの物理的気相成長（ＰＶＤ）、またはスパッタリングにより形成することができる。本明細書で使用するのに適しているスパッタリング法は、限定はしないが、直流ダイオードスパッタリング、無線周波数スパッタリング、イオンビームスパッタリング、反応性スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、およびステアードアークスパッタリングを含む。ＰＶＤ法は、垂直マイクロクラック構造などの歪み耐性または許容性のある微細構造を持つＴＢＣ８４を形成することができる。ＥＢ−ＰＶＤ法は、コーティング密着性をさらに増強する、歪み耐性の高い柱状構造を形成することができる。例えば、ＥＢ−ＰＶＤ法を含むＰＶＤ法によりＴＢＣを適用するためのさまざまな装置および方法を開示している、１９９７年７月８日に発行された米国特許第５，６４５，８９３号（Ｒｉｃｋｅｒｂｙ他）（特に列３、行３６〜６３）および１９９８年２月１０日に発行された米国特許第５，７１６，７２０号（Ｍｕｒｐｈｙ）（特に列５、行２４〜６１）を参照のこと（すべて、参照により本明細書に組み込まれている）。
ＴＢＣ８４を形成するための他の手法は、熱溶射である。本明細書で使用される「熱溶射」という用語は、セラミック材料の加熱および典型的にはその少なくとも一部または全部の熱溶融、および典型的には加熱されたガス流内への封じ込めによる耐食層８０または外部障壁層７４上への加熱／溶融されたセラミック材料の蒸着を伴うＴＢＣ８４の溶射、塗布、または他の何らかの方法による蒸着を行う方法を意味する。好適な熱溶射蒸着法は、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、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、爆発溶射、ワイヤ溶射など、さらにこれらの手法の組合せを含む。本明細書で使用するのに特に好適な熱溶射蒸着法は、プラズマ溶射である。適当なプラズマ溶射法は、当業者によく知られている。例えば、"Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology", 3rd Ed., Vol. 15, page 255、およびそこに挙げられている参考文献、さらに１９９４年７月２６日に発行された米国特許第５，３３２，５９８号（Ｋａｗａｓａｋｉ他）、１９９１年９月１０日に発行された米国特許第５，０４７，６１２号（Ｓａｖｋａｒ他）、および１９９８年５月３日に発行された米国特許第４，７４１，２８６号（Ｉｔｏｈ他）（参照により本明細書に組み込まれる）には、プラズマ溶射を実行するための装置を含む、本明細書で使用するのに適しているプラズマ溶射のさまざまな態様を説明しているので、参照されたい。
本発明のさまざまな実施形態について説明されているが、これは、付属の請求項で定義されているように、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、さまざまな修正を加えられることは当業者には明白なことであろう。
１０ タービンブレード
１２ エーロフォイル
１４ エーロフォイル１２の高圧側
１６ エーロフォイル１２の低圧側
１８ ダブテール
２０ ブレード１０の根元部分
２２ 冷却用孔
３０ シリコン含有基材
３４ 基材表面
４２ ケイ素化合物含有結合コート層
５０ Ｔ／ＥＢＣコーティング
５８ コーティング５０の任意選択の内部シリカスケール層
６６ コーティング５０の中間転位層
７４ コーティング５０の外部障壁層
８０ コーティング５０の任意選択の耐食層
８４ 任意選択の遮熱コーティング（ＴＢＣ）
１２ エーロフォイル
１４ エーロフォイル１２の高圧側
１６ エーロフォイル１２の低圧側
１８ ダブテール
２０ ブレード１０の根元部分
２２ 冷却用孔
３０ シリコン含有基材
３４ 基材表面
４２ ケイ素化合物含有結合コート層
５０ Ｔ／ＥＢＣコーティング
５８ コーティング５０の任意選択の内部シリカスケール層
６６ コーティング５０の中間転位層
７４ コーティング５０の外部障壁層
８０ コーティング５０の任意選択の耐食層
８４ 任意選択の遮熱コーティング（ＴＢＣ）
Claims (8)
- 高温腐食性環境に曝されるガスタービンエンジン部品（１０）であって、
ケイ素含有基材（３０）と、
上記基材（３０）上に設けられたボンドコート層（４２）であって、三ケイ化チタン、三ケイ化クロム、二ケイ化ハフニウム、二ケイ化ガドリニウム、二ケイ化ランタン、ケイ化ネオジム、三ケイ化イッテルビウム、希土類の二ケイ化物及び三ケイ化物、又はこれらの親和性のある組合せからなる群から選択される金属ケイ化物からなるボンドコート層（４２）と、
前記ボンドコート層（４２）に隣接し、ボンドコート層（４２）の上に設けられた環境障壁コーティング（５０）であって、アルカリ土類ケイ酸塩及び／又はアルカリ土類アルミノケイ酸塩からなる外部蒸気耐性障壁層（７４）を含む環境障壁層（５０）と
を含む部品（１０）。 - 前記金属ケイ化物が２８００°Ｆ（１５３７℃）以上の融点を有する、請求項１記載の部品（１０）。
- 前記金属ケイ化物が３０００°Ｆ（１６４８℃）以上の融点を有する、請求項２記載の部品（１０）。
- 前記ボンドコート層（４２）が基材（３０）に隣接していて、０．５〜１０ミル（１３〜２５４μｍ）の厚さを有する、請求項１乃至請求項３のいずれか記載の部品（１０）。
- 前記ボンドコート層（４２）が基材（３０）に隣接していて、１〜６ミル（２５〜１５２μｍ）の厚さを有する、請求項４記載の部品（１０）。
- 前記基材（３０）が、ケイ素含有セラミック材料、ケイ素金属合金又はこれらの組合せを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか記載の部品（１０）。
- 前記外部蒸気耐性障壁層（７４）がアルミノケイ酸バリウムストロンチウムからなる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の部品（１０）。
- 前記環境障壁コーティング（５０）が、（１）前記ボンドコート層（４２）の上に設けられた内部シリカスケール層（５８）、（２）前記内部シリカスケール層（５８）の上に設けられ、ムライト、又はムライトとアルミノケイ酸バリウムストロンチウム、ケイ酸イットリウムもしくはアルミノケイ酸カルシウムとの組合せを含む中間層（６６）、及び（３）前記中間層（６６）の上に設けられた外部蒸気耐性障壁層（７４）を含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の部品（１０）。
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