JP5524238B2 - セラミック基材部品のためのｃｍａｓ低減性能を与える耐環境コーティング - Google Patents
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Description
本明細書で開示する実施形態は、一般に、ＣＭＡＳ低減性能をもたらすセラミック基材部品用の耐環境コーティング（ＥＢＣ；environmental barrier coating）に関する。
ガスタービンエンジンに関しては、その効率を向上させるため作動温度を高めることが絶えず求められている。しかし、作動温度の上昇に伴って、エンジンの部品の高温耐久性もそれに応じて高める必要がある。鉄基、ニッケル基及びコバルト基超合金の創製によって高温性能は大幅に向上してきた。超合金はガスタービン全般、特に高温セクション用の部品に広く使われているが、別の軽量基材も提案されている。
セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）は、強化材をセラミックマトリックス材料で固めた材料である。かかる材料は、ある種のモノリシックセラミック（強化材のないセラミック材料）と同様に、高温用途に用いられている。こうしたセラミック材料を使用すると、タービン部品の強度及び耐久性を維持したまま、軽量化が可能となる。さらに、これらの材料は金属よりも温度性能に優れているので、冷却用空気の大幅な削減が実現でき、タービンエンジンの効率が増す。そのため、これらの材料については、ガスタービンエンジンの高温セクションで用いられる多くのガスタービン部品、例えば翼形部（タービン動翼、ノズルなど）、燃焼器、シュラウド、その他かかる材料による軽量化及び高温性能の向上による恩恵を受ける部品に使用することが検討されている。
ＣＭＣ及びモノリシックセラミック部品は、高温エンジンセクションの過酷な環境から保護するためＥＢＣでコートすることができる。ＥＢＣは高温燃焼環境中の腐食性ガスに対する緻密な気密シールを与えることができる。乾燥高温環境下で、ケイ素系（非酸化物）ＣＭＣ及びモノリシックセラミックは酸化され、酸化ケイ素保護スケールを形成する。しかし、酸化ケイ素はガスタービンエンジンでみられるような高温水蒸気と迅速に反応して揮発性ケイ素種を形成する。こうした酸化／揮発プロセスで、エンジン部品の耐用年数が尽きるまでに、かなりの材料損失つまり減肉を生じるおそれがある。酸化アルミニウムも高温の水蒸気と反応して揮発性アルミニウム種を形成するので、こうした減肉は、酸化アルミニウムを含むＣＭＣ及びモノリシックセラミック部品でも起こる。
現在ＣＭＣ及びモノリシックセラミック部品として使われているＥＢＣの多くは、一般にボンドコート層と、その上に設けられた１以上の遷移層と、その上に適宜設けられた外層を含む三層コーティング系からなる。適宜、ボンドコート層と隣接遷移層との間にシリカ層が存在していてもよい。これらの層が全体としてＣＭＣ又はモノリシックセラミック部品に環境保護をもたらすことができる。
具体的には、ボンドコート層はケイ素を含んでいてもよく、一般に約０．５ミル〜約６ミルの厚さを有する。ケイ素系非酸化物ＣＭＣ及びモノリシックセラミックの場合、ボンドコート層は基材の酸化を防止するための酸化バリアとして機能する。シリカ層をボンドコート層上に施工してもよく、或いは、ボンドコート層上に自然に又は意図的に形成してもよい。遷移層は通例ムライト、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩（ＢＳＡＳ）、希土類二ケイ酸塩及びこれらの組合せを含むことができ、任意要素としての外層はＢＳＡＳ、希土類一ケイ酸塩及びこれらの組合せを含むことができる。１〜３層の遷移層が存在でき、各層は約０．１ミル〜約６ミルの厚さを有し、任意の外層は約０．１ミル〜約４０ミルの厚さを有する。
遷移層及び外層は各々様々な空隙率（ポロシティ）を有する。約１０％以下の空隙率で、燃焼環境中の高温ガスに対する気密シールを形成することができる。約１０％〜約４０％の空隙率で、この層は機械的健全性を示すことができるが、高温ガスはコーティング層を通って浸透することができ、その下のＥＢＣを損傷しかねない。１以上の遷移層又は外層が気密である必要があるが、皮膜材料と基材との熱膨張率の不整合に起因する機械的応力を緩和するために、空隙率の高い層を幾つか有するのが有利なことがある。
残念ながら、カルシウムマグネシウムアルミノケイ酸塩（ＣＭＡＳ）が、ガスタービンエンジンの高温セクション、特に燃焼器及びタービンセクションに位置する部品に付着するのが観察されている。これらのＣＭＡＳ付着は遮熱コーティングの寿命に悪影響を与えることが判明しており、ＢＳＡＳとＣＭＡＳは、高温つまりＣＭＡＳの融点（約１１５０℃〜１６５０℃）を超える温度で化学的相互作用することが知られている。また、ＢＳＡＳとＣＭＡＳの相互作用により形成される反応副生物はＥＢＣに有害であり、高温で水蒸気の存在下で気化し易いことも知られている。かかる気化の結果として、皮膜材料の損失が生じ、その下の部品に対する保護が損なわれかねない。このように、ＣＭＡＳの存在はＥＢＣとの相互作用によって部品の寿命及び部品の性能を損なうと予想される。
そこで、ＣＭＡＳ低減性能をもたらすセラミック基材部品用の新規な耐環境コーティングに対するニーズが依然として存在する。
本発明の実施形態は、一般に、ケイ素を含有する部品に対するＣＭＡＳ低減能力を有する耐環境コーティングに関し、当該耐環境コーティングは、ケイ素又はシリサイドを含むボンドコート層と、Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9及びＬｎａ4Ｇａ2Ｏ9からなる群から選択される外層とを含む。
また、本発明の実施形態は、一般に、ケイ素を含有する部品に対するＣＭＡＳ低減能力を有する耐環境コーティングに関し、当該耐環境コーティングは、ケイ素又はシリサイドを含むボンドコート層と、ＨｆＯ2又はＬｎＰＯ4を含む遷移層と、Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9、Ｌｎ4Ｇａ2Ｏ9、ＡｅＺｒＯ3、ＡｅＨｆＯ3、ＺｎＡｌ2Ｏ4、ＭｇＡｌ2Ｏ4、Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12、Ｌｎ2Ａｌ5Ｏ12、ＡｅＡｌ12Ｏ19及びＧａ2Ｏ3からなる群から選択される外層とを含む。
また、本発明の実施形態は、一般に、ケイ素を含有する部品に対するＣＭＡＳ低減能力を有する耐環境コーティングに関し、当該耐環境コーティングは、ケイ素又はシリサイドを含むボンドコート層と、Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9又はＬｎａ4Ｇａ2Ｏ9を含む遷移層と、Ｌｎ2ＳｉＯ5、ＡｅＺｒＯ3、ＡｅＨｆＯ3、ＺｎＡｌ2Ｏ4、ＭｇＡｌ2Ｏ4、Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12、Ｌｎ2Ａｌ5Ｏ12、ＡｅＡｌ12Ｏ19、Ｇａ2Ｏ3、ＢＳＡＳ、ＨｆＯ2及びＬｎＰＯ4からなる群から選択される外層とを含む。
また、本発明の実施形態は、一般に、ケイ素を含有する部品に対するＣＭＡＳ低減能力を有する耐環境コーティングに関し、当該耐環境コーティングは、ケイ素又はシリサイドを含むボンドコートと、Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9及びＬｎａ4Ｇａ2Ｏ9からなる群から選択される第１の遷移層と、ＡｅＡｌ12Ｏ19及びＢＳＡＳからなる群から選択される第２の遷移層と、外層とを含み、第２の遷移層がＡｅＡｌ12Ｏ19であるときは、外層はＡｅＡｌ4Ｏ7であり、第２の遷移層がＢＳＡＳであるときは外層はＺｎＡｌＯ4又はＭｇＡｌ2Ｏ4である。
また、本発明の実施形態は、一般に、ケイ素を含有する部品に対するＣＭＡＳ低減能力を有する耐環境コーティングに関し、当該耐環境コーティングは、ケイ素又はシリサイドを含むボンドコートと、ＨｆＯ2又はＬｎＰＯ4から選択される第１の遷移層と、ＡｅＡｌ12Ｏ19を含む第２の遷移層と、ＡｅＡｌ4Ｏ7を含む外層とを含む。
また、本発明の実施形態は、一般に、ケイ素を含有する部品に対するＣＭＡＳ低減能力を有する耐環境コーティングに関し、当該耐環境コーティングは、シリサイドを含むボンドコート層と、Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7を含む第１の遷移層と、ＢＳＡＳを含む第２の遷移層と、ＺｎＡｌ2Ｏ4を含む外層とを含む。
また、本発明の実施形態は、一般に、ケイ素を含有する部品に対するＣＭＡＳ低減能力を有する耐環境コーティングに関し、当該耐環境コーティングは、シリサイドを含むボンドコート層と、Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7を含む遷移層と、Ｌｎ4Ｇａ2Ｏ9又はＬｎ3Ｇａ5Ｏ12からなる群から選択される外層とを含む。
上記その他の特徴、態様及び利点は以下の開示から当業者には明らかとなろう。
本明細書に続く特許請求の範囲には本発明が特に明確に規定されているが、本明細書に記載する実施形態は添付の図面と共に以下の記載を参照することにより一層良好に理解されると考えられる。図面中、類似の参照番号は類似の要素を表す。
本明細書に記載する実施形態は、一般に、セラミック基材部品のためのＣＭＡＳ低減性能をもたらすＥＢＣに関する。
本明細書に記載するＣＭＡＳ低減能力を有する耐環境コーティングは、ＣＭＣ及びモノリシックセラミックを含む基材での使用に適している。本明細書で用いる「ＣＭＣ」とは、ケイ素を含有する又は酸化物−酸化物マトリックス及び強化材をいう。本発明で使用し得るケイ素を含有するＣＭＣの例としては、特に限定されないが、マトリックス並びに炭化ケイ素、窒化ケイ素、ケイ素のオキシ炭化物、ケイ素のオキシ窒化物及びこれらの混合物のような非酸化物ケイ素系材料を含む強化用繊維を有する材料が挙げられる。具体例としては、特に限定されないが、炭化ケイ素マトリックスと炭化ケイ素繊維、窒化ケイ素マトリックスと炭化ケイ素繊維、並びに炭化ケイ素／窒化ケイ素マトリックス混合物と炭化ケイ素繊維を有するＣＭＣがある。また、ＣＭＣはマトリックスと、酸化物セラミックからなる強化用繊維とを有することができる。これらの酸化物−酸化物複合材について以下に記載する。
具体的には、「酸化物−酸化物ＣＭＣ」は、マトリックスと、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、アルミノケイ酸塩及びこれらの混合物のような酸化物系材料を含む強化用繊維とからなるものでよい。アルミノケイ酸塩としては、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3 ２ＳｉＯ2）のような結晶性材料、並びにガラス状アルミノケイ酸塩を挙げることができる。
本明細書で用いる「モノリシックセラミック」とは、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ又はムライトしか含まない材料をいう。本明細書では、ＣＭＣ及びモノリシックセラミックをまとめて「セラミック」という。
本明細書で用いる「耐環境コーティング」という用語は耐環境コーティング（ＥＢＣ）をいう。本発明の耐環境コーティングは、ガスタービンエンジンにおけるような高温環境でみられるセラミック基材部品１０での使用に適している。「基材部品」又は単に「部品」とは、本明細書で定義した「セラミック」からなる部品をいう。
さらに具体的には、本明細書で以下に説明するように、ＥＢＣ１２は、図１に全体を示すように、任意のボンドコート層１４と、任意のシリカ層１５と、適宜１以上の遷移層１６及び外層１８を含む。ボンドコート層１４はケイ素、シリサイド、アルミナイド又は熱成長アルミナイド酸化物スケールを有するアルミナイド（以後、「アルミナイド−アルミナＴＧＯ」という）を含む。「熱成長」とは、金属間アルミナイド層がＣＭＣに付けられた後、その付着したアルミナイド層の上に後の熱的曝露の後に酸化アルミニウム層が形成されることを意味している。本明細書で用いる「シリサイド」には、特に限定されないが、二ケイ化ニオブ、二ケイ化モリブデン、希土類（Ｌｎ）シリサイド、貴金属シリサイド、ケイ化クロム（例えばＣｒＳｉ3）、ケイ化ニオブ（例えばＮｂＳｉ2、ＮｂＳｉ3）、ケイ化モリブデン（例えばＭｏＳｉ2、ＭｏＳｉ3）、ケイ化タンタル（例えばＴａＳｉ2、ＴａＳｉ3）、ケイ化チタン（例えばＴｉＳｉ2、ＴｉＳｉ3）、ケイ化タングステン（例えばＷＳｉ2、Ｗ5Ｓｉ3）、ケイ化ジルコニウム（例えばＺｒＳｉ2）、ケイ化ハフニウム（例えばＨｆＳｉ2）が挙げられる。
本明細書で用いる「Ｌｎ」とは、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）、ユーロピウム（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）及びこれらの混合物の希土類元素をいい、「Ｌｎａ」とは、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）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）及びこれらの混合物の希土類元素をいう。
より具体的には、本明細書で用いる「希土類シリサイド」には、ケイ化スカンジウム（例えばＳｃＳｉ2、Ｓｃ5Ｓｉ3、Ｓｃ3Ｓｉ5、ＳｃＳｉ、Ｓｃ3Ｓｉ4）、ケイ化イットリウム（例えばＹＳｉ2、Ｙ5Ｓｉ3、Ｙ3Ｓｉ5、ＹＳｉ、Ｙ3Ｓｉ4）、ケイ化ランタン（例えばＬａＳｉ2、Ｌａ5Ｓｉ3、Ｌａ3Ｓｉ5、ＬａＳｉ、Ｌａ3Ｓｉ4）、ケイ化セリウム（例えばＣｅＳｉ2、Ｃｅ5Ｓｉ3、Ｃｅ3Ｓｉ5、ＣｅＳｉ、Ｃｅ3Ｓｉ4）、ケイ化プラセオジム（例えばＰｒＳｉ2、Ｐｒ5Ｓｉ3、Ｐｒ3Ｓｉ5、ＰｒＳｉ、Ｐｒ3Ｓｉ4）、ケイ化ネオジム（例えばＮｄＳｉ2、Ｎｄ5Ｓｉ3、Ｎｄ3Ｓｉ5、ＮｄＳｉ、Ｎｄ3Ｓｉ4）、ケイ化プロメチウム（例えばＰｍＳｉ2、Ｐｍ5Ｓｉ3、Ｐｍ3Ｓｉ5、ＰｍＳｉ、Ｐｍ3Ｓｉ4）、ケイ化サマリウム（例えばＳｍＳｉ2、Ｓｍ5Ｓｉ3、Ｓｍ3Ｓｉ5、ＳｍＳｉ、Ｓｍ3Ｓｉ4）、ケイ化ユーロピウム（例えばＥｕＳｉ2、Ｅｕ5Ｓｉ3、Ｅｕ3Ｓｉ5、ＥｕＳｉ、Ｅｕ3Ｓｉ4、Ｅｕ3Ｓｉ4）、ケイ化ガドリニウム（例えばＧｄＳｉ2、Ｇｄ5Ｓｉ3、Ｇｄ3Ｓｉ5、ＧｄＳｉ、Ｇｄ3Ｓｉ4）、ケイ化テルビウム（例えばＴｂＳｉ2、Ｔｂ5Ｓｉ3、Ｔｂ3Ｓｉ5、ＴｂＳｉ、Ｔｂ3Ｓｉ4）、ケイ化ジスプロシウム（ＤｙＳｉ2、Ｄｙ5Ｓｉ3、Ｄｙ3Ｓｉ5、ＤｙＳｉ、Ｄｙ3Ｓｉ4）、ケイ化ホルミウム（ＨｏＳｉ2、Ｈｏ5Ｓｉ3、Ｈｏ3Ｓｉ5、ＨｏＳｉ、Ｈｏ3Ｓｉ4）、ケイ化エルビウム（ＥｒＳｉ2、Ｅｒ5Ｓｉ3、Ｅｒ3Ｓｉ5、ＥｒＳｉ、Ｅｒ3Ｓｉ4）、ケイ化ツリウム（ＴｍＳｉ2、Ｔｍ5Ｓｉ3、Ｔｍ3Ｓｉ5、ＴｍＳｉ、Ｔｍ3Ｓｉ4）、ケイ化イッテルビウム（例えばＹｂＳｉ2、Ｙｂ5Ｓｉ3、Ｙｂ3Ｓｉ5、ＹｂＳｉ、Ｙｂ3Ｓｉ4）、ケイ化ルテチウム（例えばＬｕＳｉ2、Ｌｕ5Ｓｉ3、Ｌｕ3Ｓｉ5、ＬｕＳｉ、Ｌｕ3Ｓｉ4）及びこれらの混合物が挙げられる。非酸化物ケイ素系モノリシックセラミック及び複合材のみがボンドコートを必要とすることに留意されたい。
また、本明細書で用いる「アルミナイド」には、特に限定されないが、ルテニウムアルミナイド、白金アルミナイド、ニッケルアルミナイド、チタンアルミナイド又はこれらの混合物が挙げられる。
ケイ素を含有する部品を選択する場合、ボンドコート層１４はケイ素ボンドコート層、シリサイドボンドコート層又はアルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層のいずれかからなるものでよい。その各々について以下に記載する。本明細書で用いる「ケイ素を含有する部品」はケイ素を含有するＣＭＣ、モノリシック炭化ケイ素セラミック及びモノリシック窒化ケイ素セラミックを含む。
一実施形態では、ケイ素を含有する部品はケイ素ボンドコート層１４を含む。この場合、ＥＢＣは以下の構造のいずれかからなるものでよい。ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎ4Ｇａ2Ｏ9外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ2ＳｉＯ5外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ4Ｇａ2Ｏ9外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9遷移層１６／Ｌｎ2ＳｉＯ5外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9遷移層１６／Ｌｎ2ＳｉＯ5外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ2ＳｉＯ5外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9遷移層１６／ＡｅＺｒＯ3外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9遷移層１６／ＨｆＯ2外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9遷移層１６／ＬｎＰＯ4外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9遷移層１６／ＨｆＯ2外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9遷移層１６／ＬｎＰＯ4外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9遷移層１６／ＡｅＨｆＯ3外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9遷移層１６／ＡｅＺｒＯ3外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9遷移層１６／ＡｅＨｆＯ3外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＨｆＯ2遷移層１６／ＡｅＺｒＯ3外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＨｆＯ2遷移層１６／ＡｅＨｆＯ3外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層１６／ＡｅＺｒＯ3外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層１６／ＡｅＨｆＯ3外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＨｆＯ2遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＨｆＯ2遷移層１６／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層１６／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9遷移層１６／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9遷移層／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7第１の遷移層／Ｌｎ2ＳｉＯ5第２の遷移層／Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＨｆＯ2遷移層／Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層／Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9遷移層／Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9遷移層／Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7第１の遷移層／Ｌｎ2ＳｉＯ5第２の遷移層／Ｌｎ3Ａｌ5Ｏ12外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＨｆＯ2遷移層／Ｌｎ3Ａｌ5Ｏ12外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層／Ｌｎ3Ａｌ5Ｏ12外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9遷移層／Ｌｎ3Ａｌ5Ｏ12外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9遷移層／Ｌｎ3Ａｌ5Ｏ12外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＨｆＯ2遷移層／ＡｅＡｌ12Ｏ19外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層／ＡｅＡｌ12Ｏ19外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9遷移層／ＡｅＡｌ12Ｏ19外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9遷移層／ＡｅＡｌ12Ｏ19外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＨｆＯ2遷移層／ＡｅＡｌ12Ｏ19遷移層／ＡｅＡｌ4Ｏ7外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4第１の遷移層／ＡｅＡｌ12Ｏ19第２の遷移層／ＡｅＡｌ4Ｏ7外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9第１の遷移層／ＡｅＡｌ12Ｏ19第２の遷移層／ＡｅＡｌ4Ｏ7外層、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9第１の遷移層１６／ＡｅＡｌ12Ｏ19第２の遷移層１６／ＡｅＡｌ4Ｏ7外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＨｆＯ2遷移層１６／Ｇａ2Ｏ3外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／ＬｎＰＯ4遷移層１６／Ｇａ2Ｏ3外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9遷移層１６／Ｇａ2Ｏ3外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9遷移層１６／Ｇａ2Ｏ3外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9遷移層１６／ＢＳＡＳ外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ｇａ2Ｏ9遷移層１６／ＢＳＡＳ外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9第１の遷移層１６／ＢＳＡＳ第２の遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ｇａ2Ｏ9第１の遷移層１６／ＢＳＡＳ第２の遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9第１の遷移層１６／ＢＳＡＳ第２の遷移層１６／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８、ケイ素ボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ4Ｇａ2Ｏ9第１の遷移層１６／ＢＳＡＳ第２の遷移層１６／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８。本明細書で用いる「Ａｅ」はマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）及びこれらの混合物のアルカリ土類元素を表す。本明細書で用いる「ムライト／ＢＳＡＳ混合物」とは、約１％〜約９９％のムライトと約１％〜約９９％のＢＳＡＳを含む混合物をいう。
同様に、別の実施形態では、ケイ素を含有する部品はシリサイドボンドコート層１４を含む。この場合、ＥＢＣは、ケイ素ボンドコート層がシリサイドボンドコート層と置き換わることを除いて、既に挙げた構造のいずれかからなるものでよい。さらに、シリサイドボンドコート層１４を使用する場合、ＥＢＣは、シリサイドボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7第１の遷移層１６／ＢＳＡＳ第２の遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、シリサイドボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7遷移層１６／Ｌｎ4Ｇａ2Ｏ9外層１８、シリサイドボンドコート層１４／任意のシリカ層１５／Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7遷移層１６／Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12外層１８のいずれかの構造からなるものでよい。
また、さらに別の実施形態では、ケイ素を含有する部品はアルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４を含む。この実施形態では、ＥＢＣはシリカ層を必要とせず、以下の構造のいずれかからなるものでよい。アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＡｅＡｌ2Ｏ19外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2外層、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＬｎＰＯ4外層、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＡｅＡｌ2Ｏ19遷移層１６／ＡｅＡｌ4Ｏ7外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＡｅＨｆＯ3外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＡｅＺｒＯ3外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／Ｌｎ3Ａｌ5Ｏ12外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／Ｇａ2Ｏ3外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＢＳＡＳ遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８又は、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＢＳＡＳ遷移層１６／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＢＳＡＳ遷移層１６／Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＢＳＡＳ遷移層１６／ＨｆＯ2外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＢＳＡＳ遷移層１６／ＬｎＰＯ4外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＢＳＡＳ遷移層１６／Ｌｎ2ＳｉＯ5外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2遷移層１６／ＡｅＡｌ2Ｏ19外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2遷移層１６／ＡｅＨｆＯ3外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2遷移層１６／ＡｅＺｒＯ3外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2遷移層１６／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9外層１９、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎ3Ａｌ5Ｏ12外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎ2ＳｉＯ5外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＨｆＯ2遷移層１６／Ｇａ2Ｏ3外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＹＰＯ4遷移層１６／ＡｅＡｌ2Ｏ19外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＹＰＯ4遷移層１６／ＡｅＨｆＯ3外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＹＰＯ4遷移層１６／ＡｅＺｒＯ3外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＹＰＯ4遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＹＰＯ4遷移層１６／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＹＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＹＰＯ4遷移層１６／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9外層１９、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＹＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ3Ａｌ5Ｏ12外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＹＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＹＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＹＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ2ＳｉＯ5外層１８、アルミナイド−アルミナＴＧＯボンドコート層１４／ＹＰＯ4遷移層１６／Ｇａ2Ｏ3外層１８。
酸化物部品を利用する実施形態では、ボンドコートもシリカ層も必要ない。本明細書で用いる「酸化物部品」は酸化物−酸化物ＣＭＣ、モノリシックアルミナセラミック及びモノリシックムライトセラミックを含む。従って、以下のＥＢＣ構造が酸化物部品として可能である。ＡｅＡｌ2Ｏ19外層１８、ＡｅＡｌ2Ｏ19遷移層１６／ＡｅＡｌ4Ｏ7外層１８、ＡｅＨｆＯ3外層１８、ＡｅＺｒＯ3外層１８、ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８、Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9外層１８、Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9外層１８、Ｌｎ3Ａｌ5Ｏ12外層１８、Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12外層１８、Ｇａ2Ｏ3外層１８、ＢＳＡＳ遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、ＢＳＡＳ遷移層１６／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８、ＢＳＡＳ遷移層１６／Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7外層１８、ＢＳＡＳ遷移層１６／ＬｎＰＯ4外層１８、ＢＳＡＳ遷移層１６／Ｌｎ2ＳｉＯ5外層１８、ＨｆＯ2遷移層１６／ＡｅＡｌ2Ｏ19外層１８、ＨｆＯ2遷移層１６／ＡｅＨｆＯ3外層１８、ＨｆＯ2遷移層１６／ＡｅＺｒＯ3外層１８、ＨｆＯ2遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、ＨｆＯ2遷移層１６／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８、ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9外層１８、ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9外層１９、ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎ3Ａｌ5Ｏ12外層１８、ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12外層１８、ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7外層１８、ＨｆＯ2遷移層１６／Ｌｎ2ＳｉＯ5 外層１８、ＨｆＯ2遷移層１６／Ｇａ2Ｏ3外層１８、ＹＰＯ4遷移層１６／ＡｅＡｌ2Ｏ19外層１８、ＹＰＯ4遷移層１６／ＡｅＨｆＯ3外層１８、ＹＰＯ4遷移層１６／ＡｅＺｒＯ3外層１８、ＹＰＯ4遷移層１６／ＺｎＡｌ2Ｏ4外層１８、ＹＰＯ4遷移層１６／ＭｇＡｌ2Ｏ4外層１８、ＹＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9外層１８、ＹＰＯ4遷移層１６／Ｌｎａ4Ｇａ2Ｏ9外層１９、ＹＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ3Ａｌ5Ｏ12外層１８、ＹＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12外層１８、ＹＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7外層１８、ＹＰＯ4遷移層１６／Ｌｎ2ＳｉＯ5外層１８、ＹＰＯ4遷移層１６／Ｇａ2Ｏ3外層１８。
総合して、既に記載したＥＢＣ層は、ガスタービンエンジン内に存在し、日常のエンジン作動中に約３０００Ｆ（１６４９℃）の温度に曝される燃焼器部品、タービンブレード、シュラウド、ノズル、熱シールド及びベーンのような高温セラミック部品にＣＭＡＳ低減性能をもたらすことができる。
存在するボンドコート層１４、シリカ層１５、遷移層１６及び外層１８はいずれも、当技術分野で公知の伝統的な方法を用いて作成できる。より具体的には、またＣＭＡＳ低減能力を有するＥＢＣの特定の構造に関係なく、基材部品は、当技術分野で公知の従来法、例えば、特に限定されないが、プラズマ溶射、高速プラズマ溶射、低圧プラズマ溶射、溶液プラズマ溶射、懸濁プラズマ溶射、化学蒸着（ＣＶＤ）、電子線物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、ゾル−ゲル、スパッタリング、スラリー例えば浸漬、噴霧、テープキャスティング、圧延及び塗装、並びにこれらの方法の組合せを用いて施工することができる。塗工後、この基材部品は、乾燥し、従来の方法又はこれまでにない方法、マイクロ波焼結、レーザー焼結又は赤外焼結を用いて焼結することができる。
ＣＭＡＳ低減能力を有するＥＢＣの構造に関係なく利益は同じである。すなわち、本ＣＭＡＳ緩和性組成物を含ませることで、高温のエンジン環境内でのＣＭＡＳとの反応による劣化からＥＢＣを防止するための役に立つことができる。より具体的には、これらのＣＭＡＳ緩和用組成物はＣＭＡＳと耐環境コーティングとの反応を防止するか又は遅くするのに役立つことができ、水蒸気中で急速に揮発する二次相を形成することができる。また、本ＣＭＡＳ緩和用組成物は、ＣＭＡＳが耐環境コーティングを通って粒界に沿って非酸化物ケイ素系基材中に浸透するのを遅くするのに役立ち得る。ＣＭＡＳと硝酸ケイ素及び炭化ケイ素のような基材との反応では、それぞれ窒素含有ガス及び炭素含有ガスが発生する。このガスの発生による圧力の結果、ＥＢＣコーティング内にブリスターが形成され得る。これらのブリスターは容易に破裂し、第１の場合にＥＢＣによって提供される水蒸気に対して気密シールを破壊し得る。
本明細書に記載したＣＭＡＳ緩和組成物の存在は、ＥＢＣに対する溶融ケイ酸塩の攻撃を防止するか又は遅くするのを助けることにより、ＥＢＣが高温の水蒸気内でセラミック部品を腐食性攻撃から密閉するというその機能を果たすことができるようにし得る。さらに、ＣＭＡＳ緩和組成物はセラミック部品の減肉、またＣＭＡＳと反応すると水蒸気減肉を起こす可能性があるＥＢＣのあらゆる層の減肉も防止するのに役立ち得、水蒸気−揮発性の二次相を形成することができる。水蒸気減肉に起因するセラミック部品の寸法変化はその部品のタービンエンジン用途における寿命及び／又は機能性を制限する可能性がある。このように、ＣＭＡＳ緩和組成物は、耐環境コーティングがその機能を果たすことができるようにするために重要であり、これによりセラミック部品はその意図された時間中的確に機能することができる。さらに、遷移層は存在する場合高温水蒸気の浸透に対して適度な〜強固な障壁を提供することができる。これは、耐環境コーティングの層間の反応の発生を低減するのに役立つことができる。耐環境コーティングの長期の熱曝露の後に起こり得る層間反応の発生を低減するのをさらに補助するために複数の遷移層を含ませることができる。
本明細書の以上の記載では例を用いて、最良の態様を含めて本発明を開示し、また当業者が本発明を実施し利用できるようにした。本発明の特許性がある範囲は特許請求の範囲に定義されており、当業者には明らかな他の例を包含し得る。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有するか又は特許請求の範囲の文言と実質的に差のない等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内に含まれるものである。
Claims (3)
- ケイ素含有部品に対するＣＭＡＳ低減能力を有する耐環境コーティングであって、
ケイ素又はシリサイドからなるボンドコート層と、
ＬｎＰＯ 4 からなる遷移層と、
Ｌｎ4Ａｌ2Ｏ9、Ｌｎ4Ｇａ2Ｏ9、ＡｅＺｒＯ3、ＡｅＨｆＯ3、ＺｎＡｌ2Ｏ4、Ｌｎ3Ｇａ5Ｏ12、Ｌｎ2Ａｌ5Ｏ12、ＡｅＡｌ12Ｏ19、Ｌｎ2ＳｉＯ5、Ｌｎ2Ｓｉ2Ｏ7及びＧａ2Ｏ3からなる群から選択される外層と
を含んでいて、前記ボンドコート層が前記遷移層とケイ素含有部品の間にあり、前記遷移層が前記ボンドコート層と外層の間にある、耐環境コーティング。 - 前記外層がＬｎ2ＳｉＯ5又はＬｎ2Ｓｉ2Ｏ7からなる、請求項１記載の耐環境コーティング。
- ケイ素含有部品に対するＣＭＡＳ低減能力を有する耐環境コーティングであって、
ケイ素又はシリサイドからなるボンドコートと、
ＨｆＯ2又はＬｎＰＯ4から選択される第１の遷移層と、
ＡｅＡｌ12Ｏ19からなる第２の遷移層と、
ＡｅＡｌ4Ｏ7からなる外層と
を含んでいて、前記ボンドコート層が前記第１の遷移層とケイ素含有部品の間にあり、前記２の遷移層が前記第１の遷移層と外層の間にある、耐環境コーティング。
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