JP6560266B2 - 遮熱及び耐環境コーティング組成物 - Google Patents
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Description
本発明の諸実施形態は、概してセラミック部品及び／又は金属部品のための遮熱及び耐環境コーティング、並びにその形成方法に関する。
効率向上のため、ガスタービンエンジンについてはより高い運転温度が常に求められている。しかし、運転温度が上がると、エンジンの部品の高温耐久性もそれに応じて向上させる必要がある。高温性能は、鉄基、ニッケル基、及びコバルト基超合金の実現によって大幅に向上してきた。そのうえ、超合金から製造される多くの高温ガス流路部品では、遮熱コーティング（ＴＢＣ）を用いることで部品の断熱を行うことができ、しかもＴＢＣは負荷を受ける合金と被膜表面との間に生じるかなりの温度差に耐えることができる。こうして構成部品の熱暴露が制限される。
超合金はガスタービンエンジン全般（特に高温側部分）に使用される部品に広く用いられるが、より軽量な代替基板材料（例えば、セラミック基複合材（ＣＭＣ）材料）が提案されている。ＣＭＣ部品及びモノリシックセラミック部品は、高温エンジン部の過酷な環境から保護するために耐環境コーティング（ＥＢＣ）で被覆することができる。ＥＢＣは高温燃焼環境において腐食性ガスに対する緻密な気密シールを提供することができる。ケイ素系（非酸化物）のＣＭＣ及びモノリシックセラミックは乾燥した高温環境中で酸化し、酸化ケイ素の保護皮膜を形成する。しかし、酸化ケイ素は高温蒸気（例えば、ガスタービンエンジン内に存在するもの）と急速に反応して揮発性のケイ素種（ｓｐｅｃｉｅｓ）を形成する。この酸化／揮発過程は、エンジン部品の寿命期間にわたってかなりの材料損失（又は減肉）をもたらす可能性がある。この減肉は、酸化アルミニウムを含むＣＭＣ部品及びモノリシックセラミック部品においても生じる。その場合も酸化アルミニウムが高温蒸気と反応し、揮発性のアルミニウム種を形成するためである。
現在、ＣＭＣ部品及びモノリシックセラミック部品に用いられる大半のＥＢＣは三層被膜系から成り、この三層被膜系は一般にボンドコート層と、ボンドコート層に塗膜される１以上の遷移層と、遷移層に塗膜される任意選択の外層とを含む。任意選択により、ボンドコート層と、隣接する遷移層との間にシリカ層が存在しうる。これらの層が全体としてＣＭＣ部品又はモノリシックセラミック部品に対して環境からの保護を実現できる。
より具体的には、ボンドコート層はケイ素を含有しえ、一般に約０．５ミル（約１２．７μｍ）から約６ミル（約１５２μｍ）までの厚さを有しうる。ケイ素系の非酸化物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板の酸化を防止する酸化遮断層の働きをする。シリカ層はボンドコート層に塗膜してもよいし、或いはボンドコート層の上に自然に、又は意図的に形成してもよい。遷移層は一般にムライト、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム（ＢＳＡＳ）、及びそのさまざまな組合せを含有しうるのに対し、任意選択の外層はＢＳＡＳを含有しうる。１層から３層の遷移層が存在しえ、そのそれぞれは約０．１ミル（約２．５μｍ）から約６ミル（約１５２μｍ）までの厚さを有しうる。また、任意選択の外層は約０．１ミル（約２．５μｍ）から約４０ミル（約１ｍｍ）までの厚さを有しうる。
遷移層と外層のそれぞれは異なる多孔率を有していてもよい。多孔率が約１０％以下のとき、その層は燃焼環境において高温ガスに対する気密シールとなる。多孔率が約１０％から約４０％のとき、その層は機械的な完全性を示すことができるが、高温ガスが被覆層を貫通できるため下地のＥＢＣを損傷する恐れがある。遷移層又は外層の少なくとも１つが気密性を有することが必要だが、多孔率が高めの層をいくつか備えることによって、被膜材料と基板との間の熱膨張の不一致から生じる機械的応力を緩和すると、有益である可能性がある。
残念ながら、ガスタービンエンジンの高温側部分の内部（特に、燃焼器及びタービン部の内部）に設けられる部品にアルミノケイ酸カルシウムマグネシウム（ＣＭＡＳ）のデポジットが形成される現象が観察されている。こうしたＣＭＡＳデポジットは遮熱コーティングの寿命に有害な影響を与えることが示されており、またＢＳＡＳとＣＭＡＳとが高温（すなわち、ＣＭＡＳの融点より高い温度（ほぼ１１５０℃から１６５０℃））において化学的に相互作用することが知られている。また、ＢＳＡＳとＣＭＡＳとの相互作用によって形成される反応副産物はＥＢＣに対して有害となりうるうえ、高温かつ蒸気の存在下において揮発しやすい可能性があることも知られている。かかる揮発は、被膜材料の損失並びに下地の部品に対する保護の消失につながる恐れがある。したがって、存在するＣＭＡＳがＥＢＣと相互作用し、それによって部品寿命だけでなく部品の性能まで悪化することが予想される。そのため、ＣＭＡＳ耐性及び耐減肉性を有するＥＢＣ並びにセラミック部品の製造方法が依然として必要とされている。
本発明の態様及び利点はその一部が以下の説明に記載されるが、説明から自明なもの、又は本発明の実施を通して習得されるものもありうる。
基板と、式：Ｌｎ2ＡＢＯ8を有する化合物を含有する遮断被膜とを備え、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、ユーロピウム、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、又はその混合物を含み、ＡはＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、又はその組合せを含み、ＢはＭｏ、Ｗ、又はその組合せを含む、被覆基板が広く提供される。一実施形態ではＢはＭｏを含む。
上記被覆基板を含むガスタービンも広く提供される。一実施形態では、被覆基板は、ガスタービンの高温ガス流路内に配置されたタービン部品の輪郭を規定する。このとき被膜は部品の遮断被膜を形成し、それによって、高温ガス流路にさらされたときにガスタービン内の部品を保護する。
本発明の上記及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照することによってさらによく理解されるだろう。添付の図面は本明細書に援用されてその一部を構成するものであり、下記の説明とともに本発明の諸実施形態を示し、本発明の原理を説明するのに役立つ。
本発明とみなされる主題は本明細書の最後の部分において具体的に指摘し、明確に主張している。しかしながら、本発明は、以下の説明を添付の図面とともに参照することによって最もよく理解できるだろう。
本明細書及び図面における参照符号の反復使用は、本発明の同じもしくは類似の特徴又は要素を表すものとする。
ここで本発明の諸実施形態について詳細に説明する。その１つ以上の例が図面に示されている。各例は本発明を説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲又は趣旨を逸脱することなく、本発明においてさまざまな改変及び変更を実施できることは当業者には明らかだろう。例えば、一実施形態の一部として図示ないし説明する特徴を他の実施形態とともに用いることで、さらに別の実施形態とすることが可能である。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲に収まる、かかる改変及び変更をも対象とすることが意図されている。
本開示において、ある層が他の層又は基板の「上（「ｏｎ」又は「ｏｖｅｒ」）」にあるものとして説明されている場合、そうではないことが明記されないかぎり、それらの層は互いに直接接触しているか、又はそれらの層の間に別の層もしくは特徴物が存在するかのいずれかとすることができる。したがって、上記の語は、層どうしの相対的な位置関係を説明するにすぎない。また、上下の位置関係は観察者から見たデバイスの向きに依存するため、必ずしも「その上面に（ｏｎ ｔｏｐ ｏｆ）」を意味するとはかぎらない。
本開示において、化学元素はその広く知られた化学略語（例えば、元素の周期表によく使用されるもの）を用いて説明している。例えば、水素はその広く知られた化学略語Ｈで表され、ヘリウムはその広く知られた化学略語Ｈｅで表される。以下、同様である。
式：Ｌｎ2ＡＢＯ8の化合物を含有する被膜を有し、Ｌｎはある希土類元素又は希土類元素の混合物を含み；ＡはＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｃｅ（例えば、Ｃｅ4+）、Ｈｆ、Ｚｒ、又はその組合せを含み；ＢはＭｏ、Ｗ、又はその組合せを含む、基板が広く提供される。一実施形態では、化合物は被膜中にジルコン結晶構造を有する。例えば、被膜は単相構造（例えば、ジルコン結晶構造又はシーライト（灰重石）結晶構造）を有することができ、第２結晶相の含有量は約１０体積％未満である。
「Ｌｎ」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）の希土類元素、又はその混合物を指す。いくつかの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、及びその混合物から成る群から選択される。
一実施形態ではＢはＭｏを含む。いくつかの実施形態では、ＢはＭｏとＷとの組合せを含む。例えば、化合物は式Ｌｎ2ＡＭｏxＷ1-xＯ8を有することができる。ただし、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、高温蒸気（例えば、ガスタービンの高温ガス流路中に存在するもの）中で高い安定性を示すものの、化合物中で最も不安定な元素はＢの部位に存在する（すなわち、Ｍｏ及び／又はＷ）。しかし、たとえＭｏ又はＷの一部が揮発したとしても、高温蒸気による減肉に対して同じく極めて耐性の高いＬｎ2ＡＯ5化合物が表面に生じうる。したがって、一実施形態では、Ｌｎの部位にある材料は、オキシアパタイト相とＬｎ2ＡＯ5相との混合物が被膜の表面に形成されるように選択することができる。この反応によって材料が封止され、溶融したアルミノケイ酸塩がＥＢＣ系まで深く浸透することができない。また、Ｌｎ2ＡＢＯ8の溶融アルミノケイ酸塩反応層中にＬｎ2ＡＯ5成分が存在することで付着性が向上する。これは、Ｌｎ2ＡＯ5の熱膨張がオキシアパタイトよりも小さく、正味の熱膨張が基板の熱膨張に近くなることによる。さらに、溶融したアルミノケイ酸塩とＬｎ2ＡＢＯ8を含む層との反応によって生じるＬｎ2ＡＯ5相及びオキシアパタイト相は、いずれも高温蒸気による減肉に対して高い耐性を有する。
ＡはＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、又はその組合せのいずれもが可能だが、特定の一実施形態では、ＡはＳｉを単独で、もしくはＴｉ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｇｅ、Ｈｆ、及び／又はＺｒとともに含む。例えば、化合物は式：Ｌｎ2ＳｉyＡ1-yＭｏxＷ1-xＯ8を有することができる。ただし、０≦ｘ≦約０．５であり；０＜ｙ≦約０．５であり；ＡはＴｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、又はその組合せである。いくつかの実施形態では、Ａは、単独の、もしくはＴｉ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｇｅ、及び／又はＳｉと組み合わされた、Ｈｆ及び／又はＺｒとすることができる。これは、Ｈｆ及び／又はＺｒの存在が化合物の融点上昇に対して大きな影響を有することによる。
被膜に使用する化合物の成分の選択は、一般に、単相結晶構造（例えば、ジルコン構造）を確保し、かつ基板の熱膨張係数（「ＣＴＥ」）と非常に近くなるように選択することができる。ＣＴＥを一致させる（もしくは、ほぼ一致させる）ことで、基板の表面に緻密かつクラックフリーの被覆層を形成して運用することが可能となり、それによって高温水蒸気が下地の基板にまで浸透することを防止できる。例えば、基板が炭化ケイ素を含むＣＭＣの場合、ＳｉＣとＹ2ＳｉＭｏＯ8の熱膨張係数が近いことから、式：Ｙ2ＳｉＭｏＯ8を有する化合物を含有する被膜は特に好適である可能性がある。したがって、化合物の好ましい実施形態は、式：Ｌｎ2ＳｉyＡ1-yＭｏxＷ1-xＯ8を有することができる。ただし、０≦ｘ≦約０．５であり；０＜ｙ≦約０．５であり；ＡはＴｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、又はその組合せである（特に、化合物がジルコン結晶構造を有する場合）。
他のＬｎ2ＡＢＯ8の化合物の多くは、ＳｉＣ ＣＭＣにほぼ等しいか、又はＳｉＣ ＣＭＣより大きい熱膨張を有しうるシーライト構造を有する。しかし、ＳｉＣより大きい場合、そうした材料で形成されるシーライトで構成され、かつ鉛直方向に亀裂が入った層は、（特に、気密層の働きをするクラックフリーの追加層がその下にある場合に）高温蒸気に対してある程度の耐性を依然として提供することができる。さらに、式Ｌｎ2ＡＢＯ8の化合物（ジルコン構造又はシーライト構造のいずれかを有する）は、溶融したアルミノケイ酸塩（特に、泥や砂を含有するもの）からの保護を行う。すなわち、被膜は溶融したアルミノケイ酸塩それ自体に対して耐性を有し、したがって溶融したアルミノケイ酸塩との反応にもかかわらず、被覆層の気密性が維持される。
いかなる特定の理論にも拘束されないことを望むが、Ｌｎ2ＡＢＯ8化合物の熱膨張係数は、式中「Ａ」によって表される元素の大きさを変えることによって制御できると考えられる。すなわち、Ｌｎ2ＡＢＯ8化合物においてＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、又はその組合せを意図に沿って用いることにより、得られる被膜の熱膨張係数が制御できる。より具体的には、式中「Ａ」で表される位置にある元素のイオンサイズを大きくすると、被膜内の熱膨張係数を上昇させることができると考えられる。この特徴については下記「実施例」においてさらに詳細に説明する。
かかる被膜は、基板上の独立した被覆層として（ボンド層があってもなくてもよい）、基板上のＥＢＣ系の任意の層内に、及び／又はＥＢＣ系上の摩耗層として、含めることができる。
図１を参照すると、例えば、基板１２と、基板１２の表面１３上のボンドコート層１４と、ボンドコート層１４上の遮断被膜１６とを備えた例示的な被覆基板１０が示されている。ボンドコート層１４と遮断被膜１６は全体として被覆基板１０のＥＢＣ系１８を形成する。この実施形態では、遮断被膜１６は、上でより詳細に説明した、式Ｌｎ2ＡＢＯ8を有する任意の化合物を含有する。
Ｉ．ＣＭＣ基板
基板は一実施形態ではセラミック基複合材（ＣＭＣ）材料を含有する。本明細書にいう「ＣＭＣ」は、ケイ素含有もしくは酸化物−酸化物のマトリックス及び強化材料を指す。本明細書において用いることが許容されるＣＭＣの例として、ケイ素系の非酸化物材料（例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、及びその混合物）を含有するマトリックス及び強化繊維を有する材料を挙げることができるが、これらには限定されない。例として、炭化ケイ素マトリックスと炭化ケイ素繊維とを有するＣＭＣ、窒化ケイ素マトリックスと炭化ケイ素繊維とを有するＣＭＣ、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とを有するＣＭＣ、が挙げられるが、これらには限定されない。さらに、ＣＭＣは酸化物セラミックで構成されるマトリックス及び強化繊維を有することができる。そのような酸化物−酸化物複合材料について以下に説明する。
Ｉ．ＣＭＣ基板
基板は一実施形態ではセラミック基複合材（ＣＭＣ）材料を含有する。本明細書にいう「ＣＭＣ」は、ケイ素含有もしくは酸化物−酸化物のマトリックス及び強化材料を指す。本明細書において用いることが許容されるＣＭＣの例として、ケイ素系の非酸化物材料（例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、及びその混合物）を含有するマトリックス及び強化繊維を有する材料を挙げることができるが、これらには限定されない。例として、炭化ケイ素マトリックスと炭化ケイ素繊維とを有するＣＭＣ、窒化ケイ素マトリックスと炭化ケイ素繊維とを有するＣＭＣ、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とを有するＣＭＣ、が挙げられるが、これらには限定されない。さらに、ＣＭＣは酸化物セラミックで構成されるマトリックス及び強化繊維を有することができる。そのような酸化物−酸化物複合材料について以下に説明する。
具体的には、酸化物−酸化物ＣＭＣは、酸化物系の材料（例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、アルミノケイ酸塩、及びその混合物）を含有するマトリックス及び強化繊維で構成されうる。アルミノケイ酸塩は、結晶性材料（例えば、ムライト（３Ａｌ2Ｏ3 ２ＳｉＯ2））並びにガラス状アルミノケイ酸塩を含むことができる。
本明細書にいう「モノリシックセラミック」は、炭化ケイ素のみ、窒化ケイ素のみ、アルミナのみ、シリカのみ、又はムライトのみを含有する材料を表す。本明細書ではＣＭＣとモノリシックセラミックとを総称して「セラミック」と呼ぶ。
被膜は、かかるＣＭＣ上の耐環境コーティング（「ＥＢＣ」）として機能することができる。例えば、本明細書のＥＢＣは、高温環境（例えば、ガスタービンエンジン内に存在するもの）中に置かれるセラミック基板部品（例えば、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）において用いるのに好適でありうる。
図１に示すように、Ｌｎ2ＡＢＯ8の化合物を含有する遮断被膜１６は、ボンドコート層１４上の単独ＥＢＣ層（すなわち、これ以外にＥＣＢ層が存在しない）（例えば、酸化ケイ素の熱成長酸化物（ＴＧＯ）を有するケイ素金属もしくはケイ素金属層）として用いることができる。この単独ＥＢＣ層は、Ｌｎ2ＡＢＯ8の化合物が緻密かつクラックフリーの性質を高温用途において維持する能力によって実現できる。この能力は、遮断被膜１６の熱膨張係数が基板１２とほぼ一致することによる。遮断被膜１６はＣＭＡＳ耐性及び耐減肉性をも有する。これは、Ｂの部位が揮発した場合に表面のＬｎ2ＡＯ5が容易に形成されることによる。
Ｌｎ2ＡＯ5をその場に形成させる代わりに、別の実施形態では、それを外層２４としてＬｎ2ＡＢＯ8の上面に意図的に堆積させることができる。
或いは、遮断被膜１６は、ＣＭＣ基板上の任意のＥＢＣ系内の一層として含めることができる。図２及び図３に示す実施形態は、遮断被膜１６を内包する例示的なＥＢＣ系１８を表している。例えば、ボンドコート層１４の上に任意選択のシリカ層１５が存在し、それがボンドコート層１４と遮断被膜１６との間に位置していてもよい。シリカ層１５はボンドコート層１４に塗膜してもよいし、或いはボンドコート層１４の上に自然に、又は意図的に形成してもよい。
ＥＢＣ系１８内には、図２及び図３の例示的な被覆基板１０内に示すような気密層２０（すなわち、層）が任意選択で存在してもよい。存在する場合、気密層２０は希土類二ケイ酸塩、ムライト、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム（ＢＳＡＳ）、及び／又はその組合せを含みうる。かかる気密層２０は高温水蒸気の浸透を防止するが、ＣＭＡＳ低減性能を備えていないことがある。
それに加えて、又はその代わりに、図２及び図３に示すように、任意選択の遷移層２２がＥＢＣ系１８内に存在してもよい。遷移層２２は、希土類元素（Ｌｎ）、希土類酸化物、ジルコニア、ハフニア、アルカリ土類金属元素又は希土類元素で部分安定化もしくは完全安定化したハフニア、アルカリ土類金属元素又は希土類元素で部分安定化もしくは完全安定化したジルコニア、希土類ハフニウム酸塩、希土類ジルコン酸塩、希土類一ケイ酸塩、アルミナ、コージライト、及び／又はその組合せを含有しうる。かかる遷移層２２は、ＥＢＣ系積層体における隣接層間の反応を防止する。また、高温水蒸気の浸透に対する保護を行わない場合もあり、ＣＭＡＳ低減性能は備えていても、いなくてもよい。
かかる諸実施形態では、式Ｌｎ2ＡＢＯ8の化合物（ジルコン又はシーライトのいずれか）を含む遮断被膜１６を、別のＥＢＣ層（例えば、気密層２０（例えば、Ｙｂ2Ｓｉ2Ｏ7を含む気密層２０）、遷移層２２（例えば、ＨｆＯ2）、又はその組合せ）の上面に堆積すると、提供できるＣＭＡＳ耐性が向上する。
図２の例示的な被覆基板１０では、遮断被膜１６は、図１に示す実施形態と同様の、ＥＢＣ系１８の外面１７の輪郭を規定する。かかる実施形態では、露出した遮断被膜１６は、さらにＥＢＣ系１８上及びＣＭＣ基板１２上の摩耗層としても機能できる。
しかし、図３に示す実施形態では、遮断被膜１６の上に任意選択の外側被覆層２４及び任意選択の摩耗層２６が存在することができる。かかる外側被覆層２４はＬｎ2ＡＯ5とすることができ、摩耗層２６はＢＳＡＳ又は希土類二ケイ酸塩（例えば、二ケイ酸イッテルビウム、すなわちＹｂ2Ｓｉ2Ｏ7）とすることができる。ただし、摩耗層が最外層となる。
例えば、図４に示す特定の実施形態は、基板１２（例えば、ＳｉＣ ＣＭＣ基板）上のボンドコート層１４（例えば、ケイ素のもの）と、遮断被膜１６（例えば、上述したＬｎ2ＳｉyＡ1-yＭｏxＷ1-xＯ8）と、外側被覆層２４（例えば、上述したＬｎ2ＳｉＯ5（例えば、Ｙ2ＳｉＯ5））とを備えたＥＢＣ系１８を有する。本明細書で説明するように、この例示的なＥＢＣ系には他の層も含めることができる。
既述のように、被覆基板はガスタービン向けのタービン部品として利用することができる。特に、タービン部品はガスタービンの高温ガス流路内に配置されたＣＭＣ部品とすることができる。このとき、被膜は部品上に耐環境コーティングを形成し、それによって、高温ガス流路にさらされたときにガスタービン内の部品を保護する。
ＩＩ．金属基板
他の実施形態では、基板は超合金材料（例えば、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、チタン基超合金、又は鉄基超合金）を含有する。被膜（上述のようにＬｎ2ＡＢＯ8の化合物を含有する）は、かかる超合金上の遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）として機能することができる。例えば、本明細書のＴＢＣは、高温環境（例えば、ガスタービンエンジン内に存在するもの）中に置かれる超合金基板の部品（例えば、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）において用いるのに好適でありうる。
ＩＩ．金属基板
他の実施形態では、基板は超合金材料（例えば、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、チタン基超合金、又は鉄基超合金）を含有する。被膜（上述のようにＬｎ2ＡＢＯ8の化合物を含有する）は、かかる超合金上の遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）として機能することができる。例えば、本明細書のＴＢＣは、高温環境（例えば、ガスタービンエンジン内に存在するもの）中に置かれる超合金基板の部品（例えば、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）において用いるのに好適でありうる。
図１を再び参照すると、Ｌｎ2ＡＢＯ8の化合物を含有する遮断被膜１６は、超合金材料上の単独ＴＢＣ層（すなわち、これ以外にＴＢＣ層が存在しない）として用いることができる。遮断被膜１６はＣＭＡＳ耐性及び耐減肉性をも有する。これは、Ｂの部位が揮発した場合に表面のＬｎ2ＡＯ5が容易に形成されることによる。或いは、金属基板１２と遮断被膜１６との間にボンドコート層１４が存在することができる。ボンドコートは、酸化アルミニウムの熱成長酸化物（ＴＧＯ）を形成する材料（例えば、白金及び他の貴金属のアルミナイド（例えば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金、又はその混合物を含むアルミナイド）、ニッケルアルミナイド、及びＭＣｒＡｌＹ類（式中、Ｍはニッケル、コバルト、鉄、又はその組合せである））を含むことができるか、又は酸化ケイ素のＴＧＯを形成する材料（例えば、金属ケイ化物（例えば、ケイ化モリブデン、ケイ化鉄、等））を含むことができる。
或いは、遮断被膜１６は、合金基板上の任意のＴＢＣ系内の一層として含めることができる。図２及び図３に示す実施形態を参照すると、任意選択の酸化物層１５（例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、及び／又は酸化亜鉛；安定剤としてイットリア等の遷移金属が存在してもよい）がボンドコート層１４上に存在し、それがボンドコート層１４と遮断被膜１６との間に位置していてもよい。酸化物層１５はボンドコート層１４に塗膜してもよいし、或いはボンドコート層１４の上に自然に、又は意図的に形成してもよい。
それに加えて、又はその代わりに、図２及び図３に示すように、任意選択のＴＢＣ層２２及び／又は任意選択のＴＢＣ層２４がＴＢＣ系１８内に存在してもよい。任意選択のＴＢＣ層は、希土類元素（Ｌｎ）、希土類酸化物、希土類没食子酸塩、希土類アルミン酸塩、希土類鉄酸化物、アルカリ土類金属元素又は希土類元素で部分安定化もしくは完全安定化したハフニア、アルカリ土類金属元素又は希土類元素で部分安定化もしくは完全安定化したジルコニア、希土類ハフニウム酸塩、希土類ジルコン酸塩、希土類一ケイ酸、及び／又はその組合せを含有しうる。かかる任意選択のＴＢＣ層は、層１６に対して下の位置に（任意選択のＴＢＣ層２２）、外側の位置に（任意選択のＴＢＣ層２４）、又はその組合せとして設けられうる。
かかる実施形態では、式Ｌｎ2ＡＢＯ8の化合物（ジルコン又はシーライトのいずれか）を含有する遮断被膜１６を、任意選択のＴＢＣ層２２（例えば、希土類元素で部分安定化もしくは完全安定化したジルコニア）の上面に堆積すると、提供できるＣＭＡＳ耐性が向上する。その場合、任意選択のＴＢＣ層２２は、遮断被膜１６と、合金基板１２、ボンドコート層１４、又はボンドコートＴＧＯ１５との間の反応の防止も行いうる。
図２の例示的な被覆基板１０において、遮断被膜１６は、図１に示す実施形態と同様の、ＴＢＣ系１８の外面１７の輪郭を規定する。かかる実施形態では、露出した遮断被膜１６は、さらにＴＢＣ系１８上及び基板１２上の摩耗層としても機能できる。
例えば、図５に示す特定の実施形態は、基板１２（例えば、超合金基板）上のボンドコート層１４（例えば、白金アルミナイドのもの）と、ボンドコート層１４上の酸化物層１５（例えば、イットリア安定化ＺｒＯ2を含有するもの）と、遮断被膜１６（例えば、上述したＬｎ2ＡＢＯ8）とを備えたＴＢＣ系１８を有する。本明細書で説明するように、この例示的なＴＢＣ系には他の層も含めることができる。
しかし、図３に示す実施形態では、遮断被膜１６の上に任意選択のＴＢＣ層２４及び任意選択の摩耗層２６が存在することができる。任意選択の摩耗層２６は、Ｌｎ2ＡＢＯ8、任意選択のＴＢＣ層２４の上記材料のうちの任意のもの、又はその組合せを含有しうる。
既述のように、被覆基板はガスタービン向けのタービン部品として利用することができる。特に、タービン部品はガスタービンの高温ガス流路内に配置された超合金部品とすることができる。このとき、被膜は部品上に遮熱コーティングを形成し、それによって、高温ガス流路にさらされたときにガスタービン内の部品を保護する。
ＩＩＩ．摩耗層
上述した式：Ｌｎ2ＡＢＯ8の化合物は、基板上の任意の種類のＴＢＣ系又はＥＢＣ系の外部露出面を形成する摩耗被膜としても利用できる。摩耗被膜は、単一層から形成することもできるし、複数層から形成することもできる。例えば、諸実施形態の摩耗層２６は、連続緻密層（例えば、多孔率が約１５％未満）、連続多孔層（例えば、多孔率が約１５％超）、及び／又はあるパターンで配列された緻密な（例えば、多孔率が約１５％未満）摩耗突起列（ａｂｒａｄａｂｌｅ ｒｉｄｇｅ）から形成することができる。
ＩＩＩ．摩耗層
上述した式：Ｌｎ2ＡＢＯ8の化合物は、基板上の任意の種類のＴＢＣ系又はＥＢＣ系の外部露出面を形成する摩耗被膜としても利用できる。摩耗被膜は、単一層から形成することもできるし、複数層から形成することもできる。例えば、諸実施形態の摩耗層２６は、連続緻密層（例えば、多孔率が約１５％未満）、連続多孔層（例えば、多孔率が約１５％超）、及び／又はあるパターンで配列された緻密な（例えば、多孔率が約１５％未満）摩耗突起列（ａｂｒａｄａｂｌｅ ｒｉｄｇｅ）から形成することができる。
図６を参照すると、基板１２上のＥＢＣもしくはＴＢＣ系１８と、ＥＢＣもしくはＴＢＣ系１８上の摩耗被膜２６とを有する例示的な実施形態が示されている。ここでは、摩耗被膜２６は外面の輪郭を規定する。その外面は別の部品と接触したときに摩耗するように構成されており、下地のＥＢＣもしくはＴＢＣ系１８を効果的に保護する。上記の式：Ｌｎ2ＡＢＯ8の化合物を使用することで、ＥＢＣもしくはＴＢＣ系１８の遮断特性をさらに高めることができるうえ、熱膨張係数を特定のＥＢＣもしくはＴＢＣ系１８及び／又は基板１２に合わせることができる。
例えば、基板１２がＳｉＣ ＣＭＣの場合、ＥＢＣ系１８は、ボンドコート層（例えば、ケイ素のもの）と、気密層（例えば、希土類二ケイ酸塩を含むもの）と、遷移層（例えば、上述したＬｎ2ＳｉＯ5（例えば、Ｙ2ＳｉＯ5））と、式：Ｌｎ2ＡＢＯ8の化合物を含有する摩耗層２６とを含むことができる。ＥＢＣ系１８には、ＥＢＣ層（例えば、ＢＳＡＳを含有するもの）、及び／又は追加的な気密層（例えば、希土類二ケイ酸塩を含有するもの）も、例えばボンドコート層と気密層との間等に存在しうる。
式中「Ａ」で表される位置にある元素のイオンサイズを大きくすると、被膜内の熱膨張係数を上昇させることができると考えられる。なお、これについてはいかなる特定の理論にも拘束されないことを望む。図７は、さまざまな例示的Ｌｎ2ＡＢＯ8化合物の熱膨張係数を、超合金材料（Ｎ５の商品名でゼネラル・エレクトリック・カンパニイから市販されるもの）、ＣＭＣ材料（ＳｉＣ−ＳｉＣ ＣＭＣ）、既知の希土類一ケイ酸塩のＥＢＣ材料、及び別の既知の希土類一ケイ酸塩のＥＢＣ材料、並びに既知のＴＢＣ層（８ＹＳＺ）と比較したものを示す。図に示すように、式中「Ａ」で表される位置に大きい元素を用いるほど、Ｌｎ2ＡＢＯ8化合物の熱膨張係数は概して大きくなった。同様に、より大きいＷを用いることで、「Ｂ」の位置にあるＬｎ2ＡＢＯ8化合物の熱膨張係数がＭｏの場合に比べて上昇した。Ｌｎの部位についてはその逆が真であり、小さいＬｎ元素を使うほどＬｎ2ＡＢＯ8化合物の熱膨張係数が上昇した。Ｌｎ、Ａ、及びＢの元素を調整することにより、材料の熱膨張係数をＳｉＣ ＣＭＣ（熱膨張係数は小さい）又はニッケル基超合金（熱膨張係数は大きい）向けの被膜に合わせることができる。
本発明はこれまで１つ以上の特定の実施形態について説明してきたが、当業者が他の形態を採用しうることは明らかである。本明細書に記載する被膜組成物に関して「含有する」の語を用いる場合、それはその被膜組成物が「本質的に」記載成分「から成る」（すなわち、記載成分を含有し、かつ開示される基本的な新規の特徴に対して重大な悪影響を及ぼすそれ以外の成分を含有しない）実施形態と、その被膜組成物が記載成分「から成る」（すなわち、記載成分のそれぞれの中に自然かつ不可避的に存在する汚染物質を除いて記載成分のみを含有する）実施形態とを具体的に開示及び内包することを理解するべきである。
本明細書は、最良の形態を含む例を用いて本発明を開示している。また、装置もしくはシステムの製造と使用、並びに内包される方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるように書かれている。本発明の特許可能範囲は特許請求の範囲によって規定されるとともに、当業者が想到する他の例を含みうる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言とは異ならない構造要素を有する場合、或いは特許請求の範囲の文言と大差のない等価な構造要素を有する場合に、特許請求の範囲の範囲内にあるものと考えられる。
１０ 被覆基板
１２ 合金基板、ＣＭＣ基板、金属基板
１３ 表面
１４ ボンドコート層
１５ シリカ層、酸化物層
１６ 遮断被膜、層
１７ 外面
１８ ＥＢＣ系、ＴＢＣ系
２０ 気密層
２２ 遷移層、ＴＢＣ層
２４ 外層、ＴＢＣ層、外側被覆層
２６ 摩耗層、摩耗被膜
１２ 合金基板、ＣＭＣ基板、金属基板
１３ 表面
１４ ボンドコート層
１５ シリカ層、酸化物層
１６ 遮断被膜、層
１７ 外面
１８ ＥＢＣ系、ＴＢＣ系
２０ 気密層
２２ 遷移層、ＴＢＣ層
２４ 外層、ＴＢＣ層、外側被覆層
２６ 摩耗層、摩耗被膜
Claims (12)
- 基板（１２）と、
式：
Ｌｎ２ＡＢＯ８
を有する化合物を含有する遮断被膜（１６）と、
を備え、
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、ユーロピウム、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、又はその混合物を含み、
ＡはＴｉ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、又はその組合せを含み、
ＢはＭｏ、Ｗ、又はその組合せを含む、
被覆基板（１０）。 - Ｌｎ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）、及びその混合物から成る群から選択される、請求項１に記載の被覆基板（１０）。
- Ｌｎはイットリウムを含む、請求項１に記載の被覆基板（１０）。
- ＢはＭｏを含む、請求項１又は２に記載の被覆基板（１０）。
- 化合物は式：
Ｌｎ２ＡＭｏｘＷ１−ｘＯ８
（ただし、０≦ｘ≦約０．５）
を有する、請求項４に記載の被覆基板（１０）。 - ＢはＷ、又はＭｏとＷとの組合せを含む、請求項１又は２に記載の被覆基板（１０）。
- 被覆基板（１０）であって、
基板（１２）と、
式：
Ｌｎ２ＳｉｙＡ１−ｙＭｏｘＷ１−ｘＯ８
を有する化合物を含有する遮断被膜（１６）と、
を備え、
０≦ｘ≦約０．５であり、
０＜ｙ≦約０．５であり、
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、ユーロピウム、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、又はその混合物を含み、
ＡはＴｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、又はその組合せであり、
ＢはＷ、又はＭｏとＷとの組合せを含む、
被覆基板（１０）。 - ＡはＨｆ及び／又はＺｒを含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の被覆基板（１０）。
- 化合物はジルコン結晶構造又はシーライト（灰重石）構造を含む、請求項１乃至６、８のいずれか１項に記載の被覆基板（１０）。
- 被覆基板（１０）であって、
基板（１２）と、
式：
Ｌｎ ２ ＡＢＯ ８
を有する化合物を含有する遮断被膜（１６）と、
を備え、
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、ユーロピウム、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、又はその混合物を含み、
ＡはＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、又はその組合せを含み、
ＢはＭｏ、Ｗ、又はその組合せを含み、
基板（１２）はセラミック基複合材を含有し、被覆基板（１０）は基板（１２）と遮断被膜（１６）との間に配置されたボンドコート層（１４）をさらに備える、被覆基板（１０）。 - ボンドコート層（１４）はケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ケイ化モリブデン、ケイ化レニウム、又はその組合せを含有する、請求項１０に記載の被覆基板（１０）。
- 被覆基板（１０）であって、
基板（１２）と、
式：
Ｌｎ ２ ＡＢＯ ８
を有する化合物を含有する遮断被膜（１６）と、
を備え、
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、ユーロピウム、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、又はその混合物を含み、
ＡはＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ｚｒ、又はその組合せを含み、
ＢはＭｏ、Ｗ、又はその組合せを含み、
被覆基板（１０）は遮断被膜（１６）の上の外側被覆層（２４）をさらに備え、外側被覆層（２４）はＬｎ２ＳｉＯ５を含有し、Ｌｎ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）、又はその混合物である、被覆基板（１０）。
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