JP6685356B2

JP6685356B2 - 耐火相内に含まれるケイ素相を有するボンドコーティング

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Publication number: JP6685356B2
Application number: JP2018166525A
Authority: JP
Inventors: グレン・ハロルド・カービー; スレシュ・スブラマニアン; スレシュ・ヴィスワナタン; ジェームズ・デール・ステイベル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2020-04-22
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Description

本発明は、一般に、セラミック構成要素の環境障壁コーティングと共に使用するためのボンドコーティング、ならびにそれらの形成および使用方法に関する。

ガスタービンエンジンのより高い動作温度が、その効率を改善するために絶えず求められている。しかし、動作温度が上昇すると、エンジンの構成要素の高温耐久性もそれに応じて高めなければならない。高温性能の著しい進歩は、鉄、ニッケル、およびコバルト基超合金の形成により達成されてきた。依然として、超合金から構成された多くの高温ガス経路構成要素では、遮熱コーティング（ＴＢＣ）を利用して構成要素を断熱することができ、遮熱コーティングは、耐荷重性合金とコーティング表面の間の相当な温度差に耐えることができ、よって構造構成要素の熱曝露を制限する。

超合金がガスタービンエンジン全体で、特に、より高温のセクションで使用される構成要素に広範に使用されるようになってきたが、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料など、代替のより軽量な基材材料が提案されている。ＣＭＣおよびモノリシックなセラミック構成要素は、高温エンジンセクションの苛酷な環境から構成要素を保護するために環境障壁コーティング（ＥＢＣ）でコーティングすることができる。ＥＢＣは、高温燃焼環境中の腐食ガスに対する高密度の密閉シールを提供することができる。

炭化ケイ素および窒化ケイ素セラミックは、高温乾燥環境で酸化する。この酸化は、不活性の酸化ケイ素スケールを材料の表面に生じさせる。タービンエンジンなどの、水蒸気を含む高温多湿環境では、不活性の酸化ケイ素スケールの形成、およびその後の酸化ケイ素からガス状の水酸化ケイ素への転換によって、酸化と減肉の両方が起きる。高温多湿環境での減肉を防止するために、環境障壁コーティング（ＥＢＣ）が炭化ケイ素および窒化ケイ素材料に堆積される。

現在、ＥＢＣ材料は、希土類ケイ酸塩化合物から作られている。これらの材料は、水蒸気を締め出し、水蒸気が炭化ケイ素または窒化ケイ素の表面の酸化ケイ素スケールに達するのを防止することによって、減肉を防止する。しかし、そのような材料は、酸素透過を防止することができず、これは、下地基材の酸化を生じさせる。基材の酸化は、炭素質または窒素系の酸化物ガスの放出と共に、不活性の酸化ケイ素スケールを生じる。炭素質（すなわち、ＣＯ、ＣＯ_２）または窒素系（すなわち、ＮＯ、ＮＯ_２など）の酸化物ガスは、高密度のＥＢＣを通って逃れることができず、よって膨れが形成される。ケイ素ボンドコーティングの使用は、今日まで、この膨れの問題の解決策であった。ケイ素ボンドコーティングは、ガス状副生成物を放出せずに酸化する（ＥＢＣの下に不活性の酸化ケイ素層を形成する）層を提供する。

しかし、ケイ素ボンドコーティングの存在は、金属ケイ素の融点が比較的低いため、ＥＢＣの動作の上限温度を制限する。使用時に、ケイ素ボンドコーティングは、金属ケイ素の融点である約１４１４°Ｃのコーティング温度で溶融する。これらの溶融温度より上では、ケイ素ボンドコーティングは、下地基材から剥離し、それによりボンドコートおよびその上のＥＢＣを除去し得る。よって、ＥＢＣのより高い動作温度限界を達成するために、ＥＢＣのケイ素ボンドコーティングの特性を改善することが望ましい。

米国特許第９５１２５０５号

本発明の態様および利点は、その一部を以下の説明に記載しており、あるいはその説明から明らかになり、あるいは本発明の実施により学ぶことができる。

コーティングされた構成要素が、それを形成する方法と共に一般に提供される。一実施形態では、コーティングされた構成要素は、表面を有する基材と、基材の表面のケイ素系ボンドコーティングと、ケイ素系ボンドコーティングのＥＢＣとを含む。ケイ素系ボンドコーティングは、耐火相内に含まれるケイ素相を含む。ケイ素相は、溶融すると、耐火相内、および基材の表面と環境障壁コーティングの内側表面との間に含まれる。このようなコーティングされた構成要素は、特定の実施形態では、タービン構成要素であってもよい。

コーティングされた構成要素を形成するための方法が、一般に提供される。一実施形態では、方法は、ケイ素系ボンドコーティングを基材の表面に形成することと、環境障壁コーティングをケイ素系ボンドコーティングに形成することとを含む。ケイ素系ボンドコーティングは、耐火相内に含まれるケイ素相を含み、溶融すると、基材の表面と環境障壁コーティングの内側表面との間の耐火相内に含まれる。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することによってよりよく理解されるであろう。添付の図面は、本明細書に組み込まれて、本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を例示し、説明と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。

本発明の完全かつ可能な開示は、その最良の形態を含み、当業者に向けられて、本明細書に記載されており、それは以下の添付の図を参照している。

ケイ素系ボンドコーティングを含む例示的なコーティングされた構成要素の断面側面図である。その上に熱成長酸化物層を有するケイ素系ボンドコーティングを含む例示的なコーティングされた構成要素の別の断面側面図である。ケイ素相および耐火相の絡み合った連続相を有する例示的なケイ素系ボンドコーティングの断面側面図である。別個のケイ素相が分散された連続耐火相を有する別の例示的なケイ素系ボンドコーティングの断面側面図である。本主題の様々な実施形態による例示的なガスタービンエンジンの概略断面図である。耐火相の連続相内に含まれるケイ素相を有するケイ素系ボンドコーティングを形成する例示的な方法の図である。

本明細書および図面における符号の反復使用は、本発明の同じまたは類似の特徴もしくは要素を表すことを意図している。

ここで、本発明の実施形態を詳細に参照するが、その１つまたは複数の例が図面に示されている。各例は、本発明の限定としてではなく、本発明の例示として提示される。実際、本発明の範囲または趣旨を逸脱せずに、様々な修正および変更が本発明において可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または記載する特徴は、別の実施形態と共に用いて、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にあるそのような修正および変更を包含することが意図されている。

本明細書で使用する場合、「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、１つの構成要素と別の構成要素とを区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図しない。

本開示では、元素周期表に通常見られるような通常の化学記号を使用して化学元素について説明する。例えば、水素が、その通常の化学記号Ｈで表され、ヘリウムが、その通常の化学記号Ｈｅで表され、以下同様である。本明細書で使用する場合、「Ｌｎ」は、希土類元素または希土類元素の混合物を指す。より具体的に、「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）、プラセオジウム（Ｐｒ）、ネオジウム（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）、またはそれらの混合物の希土類元素を指す。

本明細書で使用する場合、「実質的に含まない」という用語は、ごくわずかな量しか存在しないことを意味し、完全に含まないことを包含する（例えば、０モル％〜０．０１モル％）。

本開示では、ある層が別の層または基材の「上に」または「上方に」あると記述される場合には、特に明示的にただし書きがない限り、それらの層が互いに直接接触してもよいし、あるいはそれらの層の間に別の層または特徴を有してもよいと理解すべきである。よって、これらの用語は、層同士の互いの相対的な配置を単純に記述しており、上方または下方の相対的な配置が視認者に対するデバイスの向きに依存するので、必ずしも「上端にある」ことを意味してはいない。

基材の表面とその上の環境障壁コーティング（ＥＢＣ）との間に配置されたケイ素系ボンドコーティングを含むコーティングされた構成要素が、一般に提供される。一般に、ケイ素系ボンドコーティングは、耐火相内に含まれるケイ素相から形成される。以下でより詳細に説明するように、ケイ素系ボンドコーティングのケイ素相は、コーティングされた構成要素の動作中に溶融することがあるが、耐火相内に含まれたままであり、ケイ素系ボンドコーティングの機能を維持する。ケイ素系ボンドコーティングのこのような機能は、限定はしないが、基材をその上のＥＢＣに結合させることと、ガス状副生成物をもたらす下地基材の酸化を防止するためにガスを放出することなく酸素をゲッタリングすることとを含むことができる。したがって、液体ケイ素相を、コーティング構成要素の動作中にケイ素系ボンドコーティング内で利用することができる（例えば、ガスタービンエンジン内）。ケイ素系ボンドコーティングは、ケイ素相の融点を超えて機能し続けるので、コーティングされた構成要素は、ケイ素相の融点を超える温度で動作することができる。

図１を参照すると、コーティング系１０６がその上にある表面１０３を有する基材１０２から形成された例示的なコーティングされた構成要素１００が示されている。一般に、コーティング系１０６は、基材の表面１０３のケイ素系ボンドコーティング１０４と、ケイ素系ボンドコーティング１０４のＥＢＣ１０８とを含む。図示の実施形態では、ケイ素系ボンドコーティング１０４は、その間にいかなる層も有さずに表面１０３上に直接存在する。しかし、他の実施形態では、１つまたは複数の層をケイ素系ボンドコーティング１０４と表面１０３との間に配置することができる。

ケイ素系ボンドコーティング１０４は、連続耐火相内に含まれるケイ素相を含む。例えば、図３は、ケイ素相１１０および耐火相１１２の絡み合った連続相を有する、図１または２の例示的なコーティングされた構成要素１００に使用されるような、ケイ素系ボンドコーティング１０４の一実施形態を示す。図４は、別個のケイ素相１１０が分散された連続耐火相１１２を有する、図１または図２の例示的なコーティングされた構成要素１００に使用されるような、ケイ素系ボンドコーティング１０４の一実施形態を示す。

この構成にかかわらず、ケイ素相１１０は、溶融時に、基材１０２の表面１０３と環境障壁コーティング１０８の内側表面１０７との間の耐火相１１２内に含まれる。すなわち、耐火相１１２は、ケイ素系ボンドコーティングの厚さにわたる３次元ネットワークを形成し、基材１０２の表面１０３および環境障壁コーティング１０８の内側表面１０７に結合され得る。よって、耐火相１１２は、基材１０２の表面１０３および環境障壁コーティング１０８（および特に内部の密閉層）と協働し、基材１０２の表面１０３から剥離することなく、ケイ素系ボンドコーティング１０４の完全性を保ちながら溶融したケイ素相を内部に含む。

耐火相１１２は、ケイ素相１１０が溶融されている間に構造的完全性をケイ素系ボンドコーティング１０４に提供する量で、ケイ素系ボンドコーティング１０４に含まれる。逆に、ケイ素相１１０は、結合剤および酸素のゲッタリングとして機能するのに十分な量でケイ素系ボンドコーティング１０４に含まれる。例えば、ケイ素系ボンドコーティング１０４は、ある特定の実施形態では、約２５体積％〜約７５体積％のケイ素相１１０、および約２５体積％〜約７５体積％の耐火相１１２（例えば、約３５体積％〜約６５体積％のケイ素相１１０、約３５体積％〜約６５体積％の耐火相１１２）を含んでもよい。

１つの特定の実施形態では、ケイ素相１１０は、金属ケイ素、ケイ素合金（例えば、ケイ素共晶合金）、約１５００°Ｃ以下の融点を有するケイ化物、またはそれらの混合物から形成することができる。よって、ケイ素相１１０は、ケイ素相１１０の組成に応じて、約１４００°Ｃ以上の温度で溶融して溶融状態になり得る。例えば、ケイ素相１１０は、約１４１４°Ｃ〜約１７６０°Ｃ（例えば、約１４１４°Ｃ〜約１４８５°Ｃ）の溶融温度を有し得る。特定の実施形態では、ケイ素相１１０は、１４１５°Ｃ、１４２５°Ｃ、１４５０°Ｃ、１４７５°Ｃ、および／または１５００°Ｃのボンドコーティング温度で溶融するケイ素材料から形成することができる。

特定の実施形態では、例えば、ケイ素相１１０は、約５０重量％以上の金属ケイ素、例えば約７５重量％〜１００重量％の金属ケイ素を含むことができる。純粋な金属ケイ素は、約１４１４°Ｃの融点を有する。

ある特定の実施形態では、約１５００°Ｃ以下（例えば、約１４００°Ｃ〜約１５００°Ｃ）の融点を有するケイ化物もまた、ケイ素相１１０に存在し得る。特定のケイ化物の融点を決定することは、Ｓｉ相図を使用して容易に達成することができる。特に適切なケイ化物は、耐火材料および／またはＥＢＣ材料と適合するように希土類およびケイ素を含むことができる。例えば、約１５００°Ｃ以下の融点を有するケイ化物は、１つの特定の実施形態では、Ｓｉ_１−ｘＹ_ｘを含むことができ、ｘは、０超〜約０．２５である。

特定の実施形態では、耐火相１１２は、３次元ネットワークに設定され、ケイ素相１１０よりも高い溶融温度を有する耐火材料から形成される。特定の実施形態では、耐火相１１２の耐火材料は、約１５００°Ｃ以上（例えば、約１５５０°Ｃ〜約２７６０°Ｃ、これは酸化ハフニウムの融点である）の溶融温度を有する。

耐火材料は、ケイ素相１１０のケイ素材料（例えば、金属ケイ素）と反応しないものであってもよい。耐火材料は、限定はしないが、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、またはそれらの混合物）、希土類酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、約１５００°Ｃ以上の融点を有するケイ化物（例えば、Ｍｏ_５Ｓｉ_３、ＭｏＳｉ_２、ＲｅＳｉ_２、ＲｅＳｉ、ＷＳｉ_２、Ｗ_５Ｓｉ_３、ＣｒＳｉ_２、希土類ケイ化物、またはそれらの混合物）、酸化ケイ素、またはそれらの混合物を含む任意の適切な耐火材料を含んでもよい。特定の実施形態では、耐火材料は、ホウ素、ガリウム、アルミニウム、または別のドーパントでドープされてもよい。そのようなドーパントは、コーティング系１０６の特性を制御することができる。例えば、ホウ素ドーパントを含むことにより、熱成長酸化物（「ＴＧＯ」）の成長速度を大きく促進させることなく、結晶化温度を上昇させることによってケイ素系ボンドコーティングのＴＧＯの結晶化を抑制および防止することができる。すなわち、ケイ素系ボンドコーティング内へのホウ素（Ｂ）の導入は、ＴＧＯ（すなわち、ＳｉＯ）を非晶質相に保つ。したがって、ケイ素系ボンドコーティング（したがって、ＴＧＯおよびＥＢＣコーティング）の動作温度を上昇させることができる。加えて、ホウ素でドープされた耐火化合物は、酸化物スケールの成長速度を制限し得る酸化ケイ素との反応および／または酸化ケイ素に対する溶解度に制限されている。一実施形態では、ケイ素相１１０および耐火相の材料は、互いに相溶性である。例えば、ケイ素相１１０のケイ素材料は、（耐火材料が希土類ケイ酸塩またはケイ化物を含む場合のように）耐火材料との良好な濡れ性を有することができる。

一般に、ケイ素系ボンドコーティング１０４は、比較的薄い。ケイ素系ボンドコーティング１０４は、約２５マイクロメートル（μｍ）〜約２７５μｍ、例えば約２５μｍ〜約１５０μｍ（例えば、約２５μｍ〜約１００μｍ）の厚さを有してもよい。

図２は、熱成長酸化物（「ＴＧＯ」）層１０５を示しており、これは、構成要素１００の酸素に曝露する間（例えば、製造中および／または使用中に）、酸化ケイ素の層（「酸化ケイ素スケール」または「シリカスケール」と呼ばれることもある）など、ケイ素系ボンドコーティング１０４の表面に形成されてもよい。

図１および図２を参照すると、基材１０２は、ケイ素系非酸化物セラミックマトリックス複合材などのセラミックマトリックス複合材（「ＣＭＣ」）材料から形成されてもよい。本明細書で使用する場合、「ＣＭＣ」は、ケイ素含有、または酸化物−酸化物のマトリックスおよび補強材料を指す。本明細書で使用する場合、「モノリシックなセラミック」は、繊維補強を伴わない材料（例えば、マトリックス材料のみを有する）を指す。本明細書では、ＣＭＣおよびモノリシックなセラミックは、「セラミック」と総称される。

本明細書での使用に許容されるＣＭＣのいくつかの例は、限定はしないが、炭化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ炭化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、およびそれらの混合物などの非酸化物ケイ素系材料を含むマトリックスおよび補強繊維を有する材料を含んでもよい。例は、限定はしないが、炭化ケイ素マトリックスおよび炭化ケイ素繊維を有するＣＭＣ、窒化ケイ素マトリックスおよび炭化ケイ素繊維を有するＣＭＣ、炭化ケイ素／窒化ケイ素マトリックス混合物および炭化ケイ素繊維を有するＣＭＣを含む。さらに、ＣＭＣは、酸化セラミックからなるマトリックスおよび補強繊維を有することができる。具体的には、酸化物−酸化物ＣＭＣは、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、アルミノケイ酸塩、およびそれらの混合物などの酸化物系材料を含むマトリックスおよび補強繊維からなることができる。アルミノケイ酸塩は、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３２ＳｉＯ_２）およびガラス質アルミノケイ酸塩などの結晶質材料を含むことができる。

上述のように、ケイ素系ボンドコーティング１０４は、ＥＢＣ１０８と共に使用され、ケイ素ボンドコーティングのみを使用する（耐火相なしで）場合と比較して、動作温度が上昇したコーティングされた構成要素１００を形成することができる。ＥＢＣ１０８は、限定はしないが、希土類ケイ酸塩（例えば、一ケイ酸塩および二ケイ酸塩）、アルミノケイ酸塩（例えば、ムライト、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩（ＢＳＡＳ）、希土類アルミノケイ酸塩など）、ハフニア、ジルコニア、安定化ハフニア、安定化ジルコニア、希土類ハフニウム酸塩、希土類ジルコン酸塩、希土類酸化ガリウムなどを含む、典型的なＥＢＣまたは遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）層化学物質から選択される材料から形成された１つまたは複数の層の任意の組合せを含んでもよい。

ＥＢＣ１０８は、複数の個々の層１１４から形成されてもよい。図示の実施形態では、ＥＢＣ１０８は、ケイ素系ボンドコーティング１０４内に溶融時にケイ素相を包むように、ケイ素系ボンドコーティング１０４に直接配置された密閉層１１６を含む。しかし、他の実施形態では、密閉層１１６は、ＥＢＣ１０８内の他の場所に配置されてもよい。

コーティングされた構成要素１００は、ガスタービンエンジン内に存在する構成要素、例えば、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、およびベーンなど、高温環境に見られる構成要素としての使用に特に適している。特に、タービン構成要素は、ガスタービンの高温ガス流路内に配置されたＣＭＣ構成要素とすることができ、それによりコーティング系１０６は、高温ガス流路に曝されるときに、ガスタービン内の構成要素１００を保護するために下地基材１０２に対して環境障壁を形成する。

図５は、本開示の例示的な実施形態によるガスタービンエンジンの概略断面図である。より具体的には、図５の実施形態に関して、ガスタービンエンジンは、本明細書において「ターボファンエンジン１０」と呼ばれる、高バイパスターボファンジェットエンジン１０である。図５に示すように、ターボファンエンジン１０は、軸方向Ａ（基準となる長手方向中心線１２に平行に延びる）および半径方向Ｒを画定する。一般に、ターボファン１０は、ファンセクション１４と、ファンセクション１４の下流に配置されたコアタービンエンジン１６とを含む。ターボファンエンジン１０を参照して以下で説明するが、本開示は、産業用および海洋用ガスタービンエンジンおよび補助動力ユニットを含む、ターボジェット、ターボプロップおよびターボシャフトガスタービンエンジンを含む一般的なターボ機械に適用可能である。

図示の例示的なコアタービンエンジン１６は、一般に、環状入口２０を画定する実質的に管状の外側ケーシング１８を含む。外側ケーシング１８は、直列流れ関係で、ブースタもしくは低圧（ＬＰ）圧縮機２２および高圧（ＨＰ）圧縮機２４を含む圧縮機セクションと、燃焼セクション２６と、高圧（ＨＰ）タービン２８および低圧（ＬＰ）タービン３０を含むタービンセクションと、ジェット排気ノズルセクション３２とを収容する。高圧（ＨＰ）シャフトまたはスプール３４は、ＨＰタービン２８をＨＰ圧縮機２４に駆動可能に接続する。低圧（ＬＰ）シャフトまたはスプール３６は、ＬＰタービン３０をＬＰ圧縮機２２に駆動可能に接続する。

図示の実施形態では、ファンセクション１４は、離間してディスク４２に結合された複数のファンブレード４０を有する可変ピッチファン３８を含む。図示のように、ファンブレード４０は、概して半径方向Ｒに沿ってディスク４２から外向きに延びる。各ファンブレード４０は、ファンブレード４０のピッチを同時にまとめて変化させるように構成された適切な作動部材４４に動作可能に結合されたファンブレード４０により、ピッチ軸Ｐを中心にディスク４２に対して回転可能である。ファンブレード４０、ディスク４２、および作動部材４４は、任意の動力ギアボックス４６を横切るＬＰシャフト３６によって長手方向軸１２を中心に共に回転可能である。動力ギアボックス４６は、ＬＰシャフト３６の回転速度をより効率的な回転ファン速度に低下させる複数のギアを含む。

さらに図５の例示的な実施形態を参照すると、ディスク４２は、複数のファンブレード４０を通る空気流を促進するために空気力学的に輪郭づけされた回転可能なフロントナセル４８によって覆われている。加えて、例示的なファンセクション１４は、ファン３８および／またはコアタービンエンジン１６の少なくとも一部を円周方向に囲む環状のファンケーシングまたは外側ナセル５０を含む。ナセル５０は、複数の円周方向に離間して配置された出口ガイドベーン５２によって、コアタービンエンジン１６に対して支持されるように構成することができることを理解されたい。さらに、ナセル５０の下流セクション５４は、コアタービンエンジン１６の外側部分を覆うように延び、それらの間にバイパス空気流通路５６を画定することができる。

ターボファンエンジン１０の動作中、大量の空気５８が、ナセル５０および／またはファンセクション１４の関連する入口６０を通ってターボファン１０に入る。大量の空気５８がファンブレード４０を通過する際に、空気５８の第１の部分は、矢印６２で示すように、バイパス空気流通路５６に誘導されるかまたは送られ、空気５８の第２の部分は、矢印６４で示すように、ＬＰ圧縮機２２に誘導されるかまたは送られる。空気の第１の部分６２と空気の第２の部分６４との間の比は、バイパス比として一般に知られている。次いで、空気の第２の部分６４の圧力が、高圧（ＨＰ）圧縮機２４を通って燃焼セクション２６へと送られるにつれて高められ、燃焼セクション２６において燃料と混合されて燃焼され、燃焼ガス６６を供給する。

燃焼ガス６６は、ＨＰタービン２８を通って送られ、そこで燃焼ガス６６からの熱および／または運動エネルギーの一部は、外側ケーシング１８に結合されるＨＰタービンステータベーン６８およびＨＰシャフトまたはスプール３４に結合されるＨＰタービンロータブレード７０の連続段を介して抽出されてＨＰシャフトまたはスプール３４を回転させ、それによってＨＰ圧縮機２４の動作を支持する。その後、燃焼ガス６６は、ＬＰタービン３０を通って送られ、そこで熱および運動エネルギーの第２の部分は、外側ケーシング１８に結合されるＬＰタービンステータベーン７２およびＬＰシャフトまたはスプール３６に結合されるＬＰタービンロータブレード７４の連続段を介して燃焼ガス６６から抽出されてＬＰシャフトまたはスプール３６を回転させ、それによってＬＰ圧縮機２２の動作および／またはファン３８の回転を支持する。

燃焼ガス６６は、続いてコアタービンエンジン１６のジェット排気ノズルセクション３２を通って送られ、推進力を提供する。同時に、空気の第１の部分６２がターボファン１０のファンノズル排気セクション７６から排出される前にバイパス空気流通路５６を通って送られる際に、空気の第１の部分６２の圧力が実質的に増加し、また推進力を提供する。ＨＰタービン２８、ＬＰタービン３０、およびジェット排気ノズルセクション３２は、コアタービンエンジン１６を通って燃焼ガス６６を送るための高温ガス経路７８を少なくとも部分的に画定する。

セラミック構成要素をコーティングするための方法もまた、一般に提供される。例えば、図６は、コーティング系を基材の表面に形成する例示的な方法６００の図を示す。６０２において、ケイ素系ボンドコーティングは、ケイ素系ボンドコーティング１０４に関して上述したように、耐火相内に含まれるケイ素相を含むように、基材の表面に形成される。

一実施形態では、ケイ素系ボンドコーティングは、フォームまたはスポンジのような多孔質犠牲材料を使用して形成される。上述のような耐火材料のスラリは、多孔質犠牲材料の細孔に浸透させることができる（例えば、耐火材料を含むスラリ、および場合により焼結剤を使用して）。浸透の前または後に、多孔質犠牲材料は、基材の表面に載置され得る（例えば、図１および図２に示す基材１０２の表面１０３に直接）。その後、耐火材料のスラリで浸透した多孔質犠牲材料を加熱し、（１）多孔質犠牲材料を焼失させ（例えば、約４００°Ｃ〜約７５０°Ｃ）、かつ（２）その内部に細孔を画定する耐火相として耐火材料を硬化させることができる（例えば、約１０００°Ｃ〜約１５００°Ｃ）。最後に、ケイ素材料（例えば、金属ケイ素）を耐火相内に画定された細孔に浸透させ、ケイ素系ボンドコーティングを基材の表面に形成することができる。例えば、ケイ素材料は、金属ケイ素を使用する溶融浸透プロセスおよび／または金属ケイ素を使用する化学蒸気浸透を介して耐火相の細孔に浸透させることができる。

代替の実施形態では、ケイ素相材料（例えば、金属ケイ素）および耐火材料のスラリを所望の比で共に混合し、次いでコーティングされる表面に適用することができる。そして、適用したスラリを焼結する際に、混合層を形成してもよい。特定の実施形態では、焼結は、ケイ素相材料が溶融する温度（例えば、約１４１５°Ｃ以上、例えば約１４１５°Ｃ〜約１７００°Ｃ）で実行され、ケイ素相材料と耐火材料との混合を確実にすることができる。

６０４において、環境障壁コーティング（ＥＢＣ）は、ケイ素系ボンドコーティングに形成される。上述したように、ケイ素相は、溶融すると、基材の表面と環境障壁コーティングの内側表面との間の耐火相内に含まれる。

本明細書は、最良の形態を含んだ本発明の開示のために、また、任意のデバイスまたはシステムの製作および使用、ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含んだ本発明の実施がいかなる当業者にも可能になるように、実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的な差異を有さない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。
［実施態様１］
表面（１０３）を有する基材（１０２）と、
前記基材（１０２）の前記表面（１０３）にあり、耐火相（１１２）内に含まれるケイ素相（１１０）を備えるケイ素系ボンドコーティング（１０４）と、
前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）の環境障壁コーティング（１０８）であって、前記ケイ素相（１１０）は、溶融すると、前記耐火相（１１２）内、および前記基材（１０２）の前記表面（１０３）と前記環境障壁コーティング（１０８）の内側表面（１０７）との間に含まれる環境障壁コーティング（１０８）と
を備える、コーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様２］
前記ケイ素相（１１０）が、金属ケイ素、ケイ素合金、約１５００°Ｃ以下の融点を有するケイ化物、またはそれらの混合物を含む、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様３］
前記ケイ素相（１１０）が、約５０重量％〜１００重量％の量の金属ケイ素を含む、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様４］
前記ケイ素相（１１０）が、約１４００°Ｃ以上の温度で溶融する、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様５］
前記ケイ素相（１１０）が、約１４５０°Ｃの温度で溶融される、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様６］
前記ケイ素相（１１０）および前記耐火相（１１２）が、絡み合った連続相を形成する、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様７］
前記耐火相（１１２）が、連続相であり、前記ケイ素相（１１０）が、前記耐火相（１１２）内に複数の別個の粒状相を形成する、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様８］
前記耐火相（１１２）が、前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）の厚さにわたる３次元ネットワークを形成し、前記基材（１０２）の前記表面（１０３）および前記環境障壁コーティング（１０８）の前記内側表面（１０７）に結合される、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様９］
前記耐火相（１１２）が、前記ケイ素相（１１０）の前記融点よりも高い融点を有する材料を含む、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様１０］
前記耐火相（１１２）が、約１５００°Ｃ以上の融点を有する材料を含む、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様１１］
前記耐火相（１１２）が、希土類ケイ酸塩、希土類酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、約１５００°Ｃ以上の融点を有するケイ化物、酸化ケイ素、またはそれらの混合物である、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様１２］
前記耐火相（１１２）が、ホウ素、ガリウム、アルミニウム、またはそれらの混合物でドープされる、実施態様１１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様１３］
前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）が、約２５体積％〜約７５体積％の前記ケイ素相（１１０）、および約２５体積％〜約７５体積％の前記耐火相（１１２）を含む、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様１４］
前記環境障壁コーティング（１０８）が、複数の層（１１４）を含み、前記環境障壁コーティング（１０８）の前記層（１１４）の少なくとも１つが、密閉層（１１６）を含み、前記密閉層（１１６）が、前記密閉層（１１６）が前記環境障壁コーティング（１０８）の前記内側表面（１０７）を画定するように前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）に隣接する、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様１５］
前記基材（１０２）が、炭化ケイ素、窒化ケイ素、またはそれらの組合せを含むセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含み、前記基材（１０２）が、複数のＣＭＣプライを含む、実施態様１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
［実施態様１６］
セラミックマトリックス複合材を備え、表面（１０３）を有する基材（１０２）と、
前記基材（１０２）の前記表面（１０３）にあり、耐火相（１１２）内に含まれるケイ素相（１１０）を備えるケイ素系ボンドコーティング（１０４）と、
前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）の環境障壁コーティング（１０８）であって、前記ケイ素相（１１０）は、溶融すると、前記耐火相（１１２）内、および前記基材（１０２）の前記表面（１０３）と前記環境障壁コーティング（１０８）の内側表面（１０７）との間に含まれる環境障壁コーティング（１０８）と
を備える、タービン構成要素（１００）。
［実施態様１７］
コーティングされた構成要素（１００）を形成する方法であって、
ケイ素系ボンドコーティング（１０４）を基材（１０２）の表面（１０３）に形成することであって、前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）は、耐火相（１１２）内に含まれるケイ素相（１１０）を備えることと、
環境障壁コーティング（１０８）を前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）に形成し、それにより前記ケイ素相（１１０）は、溶融すると、前記基材（１０２）の前記表面（１０３）と前記環境障壁コーティング（１０８）の内側表面（１０７）との間の耐火相（１１２）内に含まれることと
を含む、方法。
［実施態様１８］
前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）を前記基材（１０２）の前記表面（１０３）に形成することが、
多孔質材料を耐火材料のスラリで浸透させることと、
前記多孔性犠牲材料を前記基材（１０２）の前記表面（１０３）に適用することと、
その後、前記耐火材料のスラリで浸透した前記多孔質犠牲材料を加熱して前記多孔質材料を焼失させ、かつその内部に細孔を画定する前記耐火相（１１２）として前記耐火材料を硬化させることと、
ケイ素を前記耐火相（１１２）内に画定された細孔に浸透させ、前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）を前記基材（１０２）の前記表面（１０３）に形成することと
を含む、実施態様１７に記載の方法。
［実施態様１９］
前記多孔質材料が、前記耐火相（１１２）が前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）内の連続相であるようにスポンジまたはフォームである、実施態様１８に記載の方法。
［実施態様２０］
前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）を前記基材（１０２）の前記表面（１０３）に形成することが、
耐火材料と金属ケイ素の粉末との混合物を前記基材（１０２）の前記表面（１０３）に適用することと、
前記耐火材料が前記耐火相（１１２）として硬化し、前記金属ケイ素が溶融して前記耐火相（１１２）内の細孔を充填するような温度に前記混合物を加熱することと、
前記金属ケイ素が前記ケイ素相（１１０）を前記耐火相（１１２）内に画定された前記細孔内に形成し、前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）を前記基材（１０２）の前記表面（１０３）に形成するように前記混合物を冷却することと
を含む、実施態様１７に記載の方法。

１０ターボファンエンジン、ターボファン、高バイパスターボファンジェットエンジン
１２長手方向中心線、長手方向軸
１４ファンセクション
１６コアタービンエンジン
１８外側ケーシング
２０環状入口
２２低圧（ＬＰ）圧縮機
２４高圧（ＨＰ）圧縮機
２６燃焼セクション
２８高圧（ＨＰ）タービン
３０低圧（ＬＰ）タービン
３２ジェット排気ノズルセクション
３４高圧（ＨＰ）シャフト／スプール
３６低圧（ＬＰ）シャフト／スプール
３８可変ピッチファン
４０ファンブレード
４２ディスク
４４作動部材
４６動力ギアボックス
４８フロントナセル
５０外側ナセル
５２出口ガイドベーン
５４下流セクション
５６バイパス空気流通路
５８空気
６０入口
６２空気の第１の部分、矢印
６４空気の第２の部分、矢印
６６燃焼ガス
６８ＨＰタービンステータベーン
７０ＨＰタービンロータブレード
７２ＬＰタービンステータベーン
７４ＬＰタービンロータブレード
７６ファンノズル排気セクション
７８高温ガス経路
１００コーティングされた構成要素
１０２基材、下地基材
１０３表面
１０４ケイ素系ボンドコーティング
１０５熱成長酸化物（ＴＧＯ）層
１０６コーティング系
１０７内側表面
１０８環境障壁コーティング（ＥＢＣ）
１１０ケイ素相
１１２耐火相、連続耐火相
１１４層
１１６密閉層

Claims

表面（１０３）を有する基材（１０２）と、
前記基材（１０２）の前記表面（１０３）上にあり、耐火相（１１２）内に含まれるケイ素相（１１０）を備えるケイ素系ボンドコーティング（１０４）と、
前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）上の環境障壁コーティング（１０８）と、
を備える、コーティングされた構成要素（１００）であって、
前記コーティングされた構成要素は、前記ケイ素相（１１０）が前記環境障壁コーティング（１０８）の動作温度限界よりも低い温度で溶融し、溶融した前記ケイ素相が前記耐火相（１１２）内、および前記基材（１０２）の前記表面（１０３）と前記環境障壁コーティング（１０８）の内側表面（１０７）との間に含まれるように構成される、コーティングされた構成要素（１００）。
前記ケイ素相（１１０）が、金属ケイ素、ケイ素合金、約１５００°Ｃ以下の融点を有するケイ化物、またはそれらの混合物を含む、請求項１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
前記ケイ素相（１１０）が、約５０重量％〜１００重量％の量の金属ケイ素を含む、請求項１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
前記ケイ素相（１１０）が、約１４００°Ｃ以上の温度で溶融する、請求項１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
前記ケイ素相（１１０）が、約１４５０°Ｃの温度で溶融される、請求項１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
前記ケイ素相（１１０）および前記耐火相（１１２）が、絡み合った連続相を形成する、請求項１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
前記耐火相（１１２）が、連続相であり、前記ケイ素相（１１０）が、前記耐火相（１１２）内に複数の別個の粒状相を形成する、請求項１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
前記耐火相（１１２）が、前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）の厚さにわたる３次元ネットワークを形成し、前記基材（１０２）の前記表面（１０３）および前記環境障壁コーティング（１０８）の前記内側表面（１０７）に結合される、請求項１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
前記耐火相（１１２）が、前記ケイ素相（１１０）の融点よりも高い融点を有する材料を含む、請求項１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
前記耐火相（１１２）が、希土類ケイ酸塩、希土類酸化ガリウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、約１５００°Ｃ以上の融点を有するケイ化物、酸化ケイ素、またはそれらの混合物である、請求項１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
前記耐火相（１１２）が、ホウ素、ガリウム、アルミニウム、またはそれらの混合物でドープされる、請求項１０に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）が、約２５体積％〜約７５体積％の前記ケイ素相（１１０）、および約２５体積％〜約７５体積％の前記耐火相（１１２）を含み、
前記環境障壁コーティング（１０８）が、複数の層（１１４）を含み、前記環境障壁コーティング（１０８）の前記層（１１４）の少なくとも１つが、密閉層（１１６）を含み、前記密閉層（１１６）が、前記密閉層（１１６）が前記環境障壁コーティング（１０８）の前記内側表面（１０７）を画定するように前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）に隣接し、
前記基材（１０２）が、炭化ケイ素、窒化ケイ素、またはそれらの組合せを含むセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含み、前記基材（１０２）が、複数のＣＭＣプライを含む、請求項１に記載のコーティングされた構成要素（１００）。
コーティングされた構成要素（１００）を形成する方法であって、
ケイ素系ボンドコーティング（１０４）を基材（１０２）の表面（１０３）上に形成することであって、前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）は、耐火相（１１２）内に含まれるケイ素相（１１０）を備えることと、
環境障壁コーティング（１０８）を前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）上に形成することと、を含み、
前記コーティングされた構成要素は、前記ケイ素相（１１０）が前記環境障壁コーティング（１０８）の動作温度限界よりも低い温度で溶融し、溶融した前記ケイ素相が前記基材（１０２）の前記表面（１０３）と前記環境障壁コーティング（１０８）の内側表面（１０７）との間の耐火相（１１２）内に含まれるように構成される、方法。
前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）を前記基材（１０２）の前記表面（１０３）上に形成することが、
多孔質犠牲材料を耐火材料のスラリで浸透させることと、
前記多孔質犠牲材料を前記基材（１０２）の前記表面（１０３）に適用することと、
その後、前記耐火材料のスラリで浸透した前記多孔質犠牲材料を加熱して前記多孔質犠牲材料を焼失させ、かつその内部に細孔を画定する前記耐火相（１１２）として前記耐火材料を硬化させることと、
ケイ素を前記耐火相（１１２）内に画定された細孔に浸透させ、前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）を前記基材（１０２）の前記表面（１０３）上に形成することと
を含む、請求項１３に記載の方法。
前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）を前記基材（１０２）の前記表面（１０３）上に形成することが、
耐火材料と金属ケイ素の粉末との混合物を前記基材（１０２）の前記表面（１０３）に適用することと、
前記耐火材料が前記耐火相（１１２）として硬化し、前記金属ケイ素が溶融して前記耐火相（１１２）内の細孔を充填するような温度に前記混合物を加熱することと、
前記金属ケイ素が前記ケイ素相（１１０）を前記耐火相（１１２）内に画定された前記細孔内に形成し、前記ケイ素系ボンドコーティング（１０４）を前記基材（１０２）の前記表面（１０３）上に形成するように前記混合物を冷却することと
を含む、請求項１３に記載の方法。