JP6882865B2 - 耐高温ダスト耐環境皮膜 - Google Patents

Description

本発明の技術は耐環境皮膜に関し、より具体的にはダスト堆積物に対する耐性の向上を提供する耐環境皮膜に関する。

ガスタービンエンジンは、効率向上のために、稼働温度の高温化が絶えず求められている。しかし、稼働温度の上昇とともに、エンジン部品を製造する材料の高温耐久性も維持されなければならない。エンジン部品の耐高温性における著しい進歩は、鉄基、ニッケル基、及びコバルト基超合金の配合並びに加工の改良によって実現されている。超合金は、ガスタービンエンジン、特にその高温部の部品に幅広い用途が見いだされているが、代替となる、より軽量でより耐高温性の部品材料が提案されている。

セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）は、セラミックマトリックス相で囲まれた強化材を含む材料群のひとつである。このような材料は、特定のモノリシックセラミックス（すなわち、強化材を含まないセラミック材料）とともに、現在、様々な高温用途で使用されている。これらのセラミック材料は超合金と比較して軽量であるが、さらに、これらから製造される部品に強度及び耐久性をもたらすことができる。したがって、これらの材料が提供するより軽量でより高い温度に耐える性能が有益なものとなり得る翼形部（ブレード及びベーン）、燃焼器ライナ、シュラウド及び他の類似部品などの、ガスタービンエンジンの高温部で使用される多くのガスタービン部品用として、そのような材料は現在検討されている。

ＣＭＣ及びモノリシックセラミック部品は、高温のエンジン部の過酷な環境からそれらを保護するために、耐環境皮膜（ＥＢＣ）で被覆することができる。ＥＢＣは、ケイ素を含有するＣＭＣ及びモノリシックセラミックスを急速に酸化させ得る高温燃焼環境の腐食性ガスに対して、高密度の気密封止を提供することができる。さらに、酸化ケイ素は高温蒸気中で安定でなく、揮発性（ガス状）の水酸化ケイ素種に変換される。したがって、ＥＢＣはそのような酸化及び揮発のプロセスに起因するセラミック部品の寸法変化を防止する役に立つことができる。

ＣＭＣ部品を含む航空機エンジンは世界各地で運用されているが、圧縮空気とともに吸い込まれたダストは、高温状態のＣＭＣ部品の表面に堆積し、ＥＢＣの寿命を短縮する可能性がある。高温ガス通路のエンジン部品は、特にアイドリング、離陸及び着陸時の、周囲の粒子状物質の吸入及び堆積による性能低下を受ける可能性がある。ガスタービン部品表面のダスト粒子の蓄積は、部品の過熱をもたらす可能性がある。さらに、溶融ダスト堆積物はＥＢＣと化学的に反応してＥＢＣの亀裂や剥離の原因となり、ひいてはその下層のＣＭＣに望ましくないエンジン環境への曝露を引き起こし得る。ダスト堆積物はこのようにＥＢＣの耐久性を低減し、ＣＭＣの早期の劣化及び部品寿命の短縮をもたらす可能性がある。ダスト堆積物に対する耐性向上のために、ＥＢＣの組成及び特性の改良が求められている。

米国特許出願公開第２０１１／００５２９２５号明細書

本発明の技術の一実施形態によれば、ガスタービン部品の耐環境皮膜系は、１層以上の希土類二ケイ酸塩層及び１層以上の希土類一ケイ酸塩層を備える。１層以上の希土類二ケイ酸塩層又は１層以上の希土類一ケイ酸塩層のうちの少なくとも１層は、アルカリ土類酸化物ドーパントを含む。

本発明の技術の別の実施例によれば、ガスタービンエンジン部品は、本明細書に記載の耐環境皮膜系で被覆されている。

本明細書に記載した本発明の技術の実施例は、同一参照番号により同一要素を同定する添付図面と併せて、以下の説明からより良く理解されるであろう。
本技術に使用可能な耐環境皮膜系の略断面図である。 本技術による耐環境皮膜系を有する物品又は部品の略断面図である。 希土類酸化物／シリカ／アルカリ土類酸化物組成空間の実施例を、当技術分野で通常使用される種類の三元系組成図で、便宜上描いた略図であって、本発明の技術の実施例に従って特定の組成物を強調して示している図である。

図１を参照すると、ＥＢＣ系３００は、ボンドコート３１０、希土類二ケイ酸塩（ＲＥＤＳ）層３４０及び気密性又は非気密性希土類一ケイ酸塩（ＲＥＭＳ）層３５０を含んでもよい。ＲＥＤＳ層３４０は、好ましくは気密性でなければならない。本明細書で使用する場合、用語「希土類一ケイ酸塩」は、式ＲＥ₂ＳｉＯ₅で表される組成物をいい、ＲＥはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの組合せである。本明細書で使用する場合、用語「希土類二ケイ酸塩」は、式ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇で表される組成物をいい、ＲＥはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの組合せである。本明細書中で使用する場合、用語「希土類ケイ酸塩」は、希土類一ケイ酸塩及び希土類二ケイ酸塩をいう。本明細書で使用する場合、用語「実質的に気密である」とは、層又はコーティングが、通常使用される測定法の検出限界である約２×１０^-14ｃｍ²（約２×１０^-6ダルシー）より低い気体透過率を有することを意味する。ＥＢＣ系３００は、ボンドコート３１０を含んでもよい（例えば、米国特許第６２９９９８８号明細書で開示されたケイ素を参照により本明細書に援用する）。

図２を参照すると、ガスタービンエンジンの部品４００は、図１に示したＥＢＣ系３００を含んでもよい。部品４００は、例えば、モノリシックセラミック又はセラミックマトリックス複合材により形成されてもよい。本明細書中で使用する場合、用語「セラミックマトリックス複合材」は、セラミックマトリックス相に囲まれた強化材を含む材料をいう。

本明細書に開示されたＥＢＣ系３００のボンドコート３１０は、厚さ約１０〜約２００μｍ、例えば約２５〜１５０μｍ、又は約５０〜１２５μｍを有してもよい。希土類二ケイ酸塩を主成分とする層は、厚さ約１０〜約２５０μｍ、例えば約２５〜２００μｍ、又は約５０〜１５０μｍを有してもよい。希土類一ケイ酸塩を主成分とする層は、厚さ約１０〜約１００μｍ、例えば約１０〜７５μｍ、又は約２５〜７５μｍを有してもよい。

本明細書に開示された希土類ケイ酸塩を主成分とする実質的に気密である層の種々の特性及び実施形態は、さらに、希土類ケイ酸塩を主成分とする実質的に気密である層を製造するための溶射原料に関する。例えば、溶射原料によって製造された希土類ケイ酸塩を主成分とする気密層での使用に適した希土類ケイ酸塩（ＲＥＳ）は、イッテルビウム（Ｙｂ）、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、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）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、プロメチウム（Ｐｍ）、及びそれらの混合物、からなる群から選択された希土類元素を含むことができるが、上記に限定されるものではない。

図３を参照すると、アルカリ土類酸化物、例えばＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、又はそれらの組合せを含む成分は、ＥＢＣ層の熱膨張係数を著しく変えることなく（例えば、約１０％未満）、ＥＢＣ系３００に添加することができ、したがって亀裂及び剥離に対するＥＢＣ系３００の完全性を維持した上で、固体又は溶融ダスト堆積物に対するＥＢＣ系の層３４０及び／又は３５０の耐食性を向上させる。ＲＥＤＳ層３４０、ＲＥＭＳ層３５０、又はその両方へのアルカリ土類酸化物の添加は、ＥＢＣ層におけるアパタイト相の形成を促進し、ダスト堆積物との化学反応を進行させる駆動力が低下するレベルまでアルカリ土類酸化物の化学的活性を高める。図３は、便宜上当技術分野で通常使用される種類の三元系組成図で描いた、希土類酸化物／シリカ／アルカリ土類酸化物組成空間の実施例を概略的に示しており、各組成物のモル％は、組成空間の各辺に０〜１００％で定義される。図３の実施例において、希土類酸化物はＹ₂Ｏ₃であり、アルカリ土類酸化物はＣａＯである。

一実施形態において、ＲＥＭＳ層３５０の組成は、点１−２−３に囲まれた空間として定義される領域Ａに示され、点１はＹ₂Ｏ₃であり、点２はＣａ₂Ｙ₈Ｓｉ₆Ｏ₂₆であり、点３はＹ₂ＳｉＯ₅である。ＣａＯドーパントのモル％は、約１〜１６％とすることができ、例えば約１０％などである。ドーパントの添加量は、ＲＥＭＳ層３５０の熱膨張係数（ＣＴＥ）を実質的に変化（すなわち、上昇又は低下）させてはならず、例えばドーパントの添加量がＲＥＭＳ層３５０のＣＴＥにもたらす低下又は上昇は、約１０％未満でなくてはならない。ＲＥＭＳ層３５０のＣＴＥにおける大幅な低下は許容可能である。

ＲＥＤＳ層３４０の組成は、点２−３−４によって囲まれた空間として定義される領域Ｂに示され、点４はＹ₂Ｓｉ₂Ｏ₇である。ＣａＯドーパントのモル％は、約１〜１６％とすることができ、例えば約１０％などである。ドーパントの添加量は、ＲＥＤＳ層３４０の熱膨張係数（ＣＴＥ）を実質的に変化させてはならず、例えばドーパントの添加量がもたらすＲＥＤＳ層３４０のＣＴＥの変化（すなわち、上昇又は低下）は、約１０％未満でなくてはならない。別の実施例の場合、ドーパントの量によるＲＥＤＳ層３４０の熱膨張係数の上昇は約２５％以下である。

別の実施例において、ＲＥＤＳ層３４０の組成は、点２、４、５で囲まれた空間として定義される領域Ｃに示される。ドーパントのモル％は、約５〜２０％とすることができ、例えば約１０％などである。この場合も、ドーパントの量は、ＲＥＤＳ層３４０の熱膨張係数を、約１０％を超えて変化させてはならない。

アルカリ土類−希土類−ケイ酸塩は、短期的な保護のために上記相領域に添加してもよい。アルカリ土類−希土類−ケイ酸塩は、式ＡＥ・ＲＥ・Ｓで表される組成であることができ、ＡＥは、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、又はそれらの組合せであり、ＲＥは、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの組合せであり、Ｓはアニオン性ケイ素化合物を含む化合物である。例えば、Ｃａ₃Ｙ₂Ｓｉ₆Ｏ₁₈（点５）、Ｃａ₂Ｙ₂Ｓｉ₂Ｏ₉（点６）及び／又はＣａ₃Ｙ₂Ｓｉ₃Ｏ₁₂（点７）を含むカルシウムイットリウムケイ酸塩（ＣａＹＳ）は、短期的保護のために上記相領域に添加してもよい。経時的に、これらの添加物の一部は、コーティング層の化学的性質を変化させることが期待される。点２−５−７及び／又は点２−６−７によって定義される組成空間内の任意の組成物は、短期的保護のために相領域Ａ及び／又はＢ／及び／又はＣに添加してもよい。このような場合、ＣａＯドーパントの量は１６％を超えて高くなることができるが、好ましくは２５％未満に維持される。

本明細書において様々な実施例を図示し、詳細に説明してきたが、種々の変更、追加、置換等が可能であることは当業者には明らかであり、したがって、これらは以下の特許請求の範囲内であると考えられる。例えば、図示した実施例では、示されているようにＲＥＭＳ層及びＲＥＤＳ層を備えているが、付加的なＲＥＭＳ層及びＲＥＤＳ層を含む付加的な層が、示された層の間、下、上の層を含めて提供されてもよく、単数又は複数のドーパントは、付加的な層のいずれにも提供されないか、一部又は全部の層に提供されてもよい。

３００耐環境皮膜（ＥＢＣ）系
３１０ボンドコート
３４０希土類二ケイ酸塩（ＲＥＤＳ）層
３５０希土類一ケイ酸塩（ＲＥＭＳ）層
４００部品

Claims (37)

1. １層以上の希土類二ケイ酸塩層と、
   １層以上の希土類一ケイ酸塩層と
   を含むガスタービン部品用耐環境皮膜系であって、
   １層以上の希土類二ケイ酸塩層又は１層以上の希土類一ケイ酸塩層のうちの少なくとも１層がアルカリ土類酸化物ドーパントを含み、
   １層以上の希土類一ケイ酸塩層がドープされていて、アルカリ土類酸化物ドーパントの量が層の１〜２５モル％であり、
   ドーピング前における希土類一ケイ酸塩層の熱膨張係数と比較して、１層以上の希土類一ケイ酸塩層の熱膨張係数の上昇が１０％以下となるように、ドーパントの量が制限される、ガスタービン部品用耐環境皮膜。
2. １層以上の希土類二ケイ酸塩層が実質的に気密である、請求項１に記載の耐環境皮膜。
3. １層以上の希土類二ケイ酸塩層がドープされていて、アルカリ土類酸化物ドーパントの量が層の１〜２５モル％である、請求項１に記載の耐環境皮膜。
4. ドーパントの量が層の１０モル％である、請求項３に記載の耐環境皮膜。
5. ドーピング前における希土類二ケイ酸塩層の熱膨張係数と比較して、１層以上の希土類二ケイ酸塩層の熱膨張係数の上昇が２５％以下となるように、ドーパントの量が制限される、請求項３に記載の耐環境皮膜。
6. ドーピング前における希土類二ケイ酸塩層の熱膨張係数と比較して、１層以上の希土類二ケイ酸塩層の熱膨張係数の上昇が１０％未満となるように、ドーパントの量が制限される、請求項５に記載の耐環境皮膜。
7. アルカリ土類酸化物ドーパントがＣａＯを含む、請求項３に記載の耐環境皮膜。
8. １層以上の希土類二ケイ酸塩層が、第１の組成点Ｃａ₂Ｙ₈Ｓｉ₆Ｏ₂₆、第２の組成点Ｙ₂ＳｉＯ₅、及び第３の組成点Ｙ₂Ｓｉ₂Ｏ₇によって定義される希土類酸化物／シリカ／アルカリ土類酸化物組成空間内の領域によって規定される組成を有する、請求項７に記載の耐環境皮膜。
9. １層以上の希土類二ケイ酸塩層が、第１の組成点Ｃａ₂Ｙ₈Ｓｉ₆Ｏ₂₆、第２の組成点Ｃａ₃Ｙ₂Ｓｉ₆Ｏ₁₈、及び第３の組成点Ｙ₂Ｓｉ₂Ｏ₇によって定義される希土類酸化物／シリカ／アルカリ土類酸化物組成空間内の領域によって規定される組成を有する、請求項７に記載の耐環境皮膜。
10. ドーパントの量が層の１０モル％である、請求項１に記載の耐環境皮膜。
11. アルカリ土類酸化物ドーパントがＣａＯを含み、１層以上の希土類一ケイ酸塩層がＹ₂Ｏ₃を含む、請求項１に記載の耐環境皮膜。
12. １層以上の希土類一ケイ酸塩層が、第１の組成点Ｙ₂Ｏ₃、第２の組成点Ｃａ₂Ｙ₈Ｓｉ₆Ｏ₂₆、及び第３の組成点Ｙ₂ＳｉＯ₅によって定義される希土類酸化物／シリカ／アルカリ土類酸化物組成空間内の領域によって規定される組成を有する、請求項１１に記載の耐環境皮膜。
13. ドーピング前における１層以上の希土類二ケイ酸塩層の熱膨張率と比較して、１層以上の希土類二ケイ酸塩層の熱膨張係数の低下が１０％未満となるように、又はドーピング前における１層以上の希土類一ケイ酸塩層の熱膨張率と比較して、１層以上の希土類一ケイ酸塩層の熱膨張係数の上昇が１０％未満となるように、ドーパントの量が制限される、請求項１に記載の耐環境皮膜。
14. １層以上の希土類二ケイ酸塩層又は１層以上の希土類一ケイ酸塩層のうちの少なくとも１層が、式ＡＥ・ＲＥ・Ｓで表されるアルカリ土類−希土類−ケイ酸塩ドーパントをさらに含み、ＡＥはＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、又はそれらの組合せであり、ＲＥはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの組合せであり、Ｓはケイ酸アニオンを含む、請求項１に記載の耐環境皮膜。
15. アルカリ土類−希土類−ケイ酸塩ドーパントがマグネシウム−希土類−ケイ酸塩ドーパントである、請求項１４に記載の耐環境皮膜。
16. アルカリ土類−希土類−ケイ酸塩ドーパントがカルシウム−希土類−ケイ酸塩ドーパントである、請求項１４に記載の耐環境皮膜。
17. カルシウム−希土類−ケイ酸塩ドーパントがＣａＹＳである、請求項１６に記載の耐環境皮膜。
18. アルカリ土類−希土類−ケイ酸塩ドーパントを含む層が、希土類酸化物／シリカ／アルカリ土類酸化物組成空間内の組成点Ｃａ₂Ｙ₂Ｓｉ₂Ｏ₉を含む組成を有する、請求項１７に記載の耐環境皮膜。
19. アルカリ土類−希土類−ケイ酸塩ドーパントを含む層が、希土類酸化物／シリカ／アルカリ土類酸化物組成空間内の組成点Ｃａ₃Ｙ₂Ｓｉ₃Ｏ₁₂を含む組成を有する、請求項１７に記載の耐環境皮膜。
20. アルカリ土類−希土類−ケイ酸塩ドーパントを含む層が、希土類酸化物／シリカ／アルカリ土類酸化物組成空間内の組成点Ｃａ₃Ｙ₂Ｓｉ₆Ｏ₁₈を含む組成を有する、請求項１７に記載の耐環境皮膜。
21. アルカリ土類酸化物ドーパントがＣａＯである、請求項１に記載の耐環境皮膜。
22. ＣａＯドーパントの量が層の１〜２５モル％である、請求項２１に記載の耐環境皮膜。
23. 前記量が層の２〜２０モル％である、請求項２２に記載の耐環境皮膜。
24. 前記量が層の２〜１０モル％である、請求項２３に記載の耐環境皮膜。
25. 前記量が層の１０モル％である、請求項２４に記載の耐環境皮膜。
26. アルカリ土類酸化物ドーパントがＭｇＯである、請求項１に記載の耐環境皮膜。
27. アルカリ土類酸化物ドーパントがＳｒＯである、請求項１に記載の耐環境皮膜。
28. １層以上の希土類二ケイ酸塩層が式ＲＥ₂Ｓｉ₂Ｏ₇で表される組成物であり、ＲＥはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの組合せである、請求項１に記載の耐環境皮膜。
29. １層以上の希土類一ケイ酸塩層が式ＲＥ₂ＳｉＯ₅で表される組成物であり、ＲＥはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はそれらの組合せである、請求項１に記載の耐環境皮膜。
30. １層以上の希土類一ケイ酸塩層及び１層以上の希土類二ケイ酸塩層がともにアルカリ土類酸化物ドーパントを含む、請求項１に記載の耐環境皮膜。
31. １層以上の希土類二ケイ酸塩層が２層の希土類二ケイ酸塩層を備え、２層の希土類二ケイ酸塩層のうちの少なくとも１層が、アルカリ土類酸化物ドーパントを含む、請求項１に記載の耐環境皮膜。
32. 請求項１に記載の耐環境皮膜で被覆されている部品である、ガスタービンエンジン部品。
33. セラミックマトリックス複合材料で形成されている部品である、請求項３２に記載の部品。
34. 耐環境皮膜が厚さ１０〜２００μｍのボンドコートをさらに備える、請求項３３に記載の部品。
35. １層以上の希土類一ケイ酸塩層が厚さ１０〜１００μｍである、請求項３４に記載の部品。
36. １層以上の希土類二ケイ酸塩層が厚さ１０〜２５０μｍである、請求項３５に記載の部品。
37. 請求項３２に記載の部品を含むガスタービンエンジン。

Images