JP7106511B2 - 非酸化ケイ素セラミックを有するムライトボンドコートを備えたｅｂｃ - Google Patents
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Description
本発明は一般に、セラミック構成部品、特に、ケイ素系セラミックマトリックス構成部品の環境バリアコーティングとともに使用するためのボンドコート、およびその形成方法および使用方法に関する。
効率を改善するために、ガスタービンエンジンについてはより高い動作温度が常に求められている。しかしながら、動作温度が上がると、エンジンの構成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。高温性能の著しい進歩は、鉄系、ニッケル系、およびコバルト系超合金の配合によって達成されてきた。依然として、超合金から構成された多くの高温ガス通路の構成部品では、構成部品を断熱するために遮熱コーティング（ＴＢＣ：ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ）を使用することがあり、遮熱コーティングは、荷重支持合金とコーティング表面との間に大きな温度差を受けることがあり、したがって、これによって構造部品の熱曝露が制限される。
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用いられる構成部品に超合金が広範に用いら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：ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）材料、特に炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維強化ＳｉＣおよびＳｉＣ－Ｓｉマトリックス複合材、いわゆるＳｉＣ／ＳｉＣ複合材など、より軽量の代替の基材材料が提案されている。ＣＭＣおよびモノリシックセラミック構成部品は、高温エンジンセクションの苛酷な環境からこれらの構成部品を保護するために環境バリアコーティング（ＥＢＣ：ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ）でコーティングされることがある。ＥＢＣは、高温燃焼環境中の腐食ガスに対して密な気密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を受ける。この酸化は、不動態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、不動態酸化ケイ素スケールの形成と、それに続く、酸化ケイ素からガス状の水酸化ケイ素への転換とによって、酸化と減肉の両方が起きる。高温多湿環境における減肉を防ぐために、環境バリアコーティング（ＥＢＣ）を炭化ケイ素および窒化ケイ素材料上に堆積させる。
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閉め出し、水蒸気が炭化ケイ素または窒化ケイ素表面上の酸化ケイ素スケールに達するのを防ぎ、それによって減肉を防ぐ。しかしながら、そのような材料は酸素浸透を防ぐことができず、その結果、下地基材の酸化をもたらす。基材の酸化は、酸化炭素系または酸化窒素系ガスの放出とともに、不動態酸化ケイ素スケールをもたらす。酸化炭素系（すなわち、ＣＯ、ＣＯ２）、または酸化窒素系（すなわち、ＮＯ、ＮＯ２など）のガスを、密なＥＢＣを通して逃がすことができず、したがって、膨れが形成され、それによってＥＢＣが剥離することがある。ケイ素ボンドコートの使用は、今日までのこの膨れの問題に対する解決策であった。ケイ素ボンドコートは、ガス状副生成物を遊離させることなく、酸化する（ＥＢＣの下に不動態酸化ケイ素層を形成する）層を提供する。
しかしながら、金属ケイ素の融点は比較的低いので、ケイ素ボンドコートの存在はＥＢＣに対する上限動作温度を制限する。使用時に、ケイ素ボンドコートは、金属ケイ素の融点である約１４１４℃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、ケイ素ボンドコート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。したがって、ＥＢＣのより高い動作温度限界を達成するために、ＥＢＣのボンドコートを改善することが望ましい。
本発明の態様および利点は、以下の説明で部分的に述べられ、またはその説明から明らかにされ、または本発明の実施を通じて学ぶことができる。
コーティングされた構成部品が、それを製作および使用する方法とともに全体的に提供される。１つの実施形態では、コーティングされた構成部品は、炭化ケイ素を含み、かつ表面を有するセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）基材と、基材の表面上のムライト／ＮＯＳＣボンドコートと、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート上の環境バリアコーティングとを含む。ムライト／ＮＯＳＣボンドコートは、ムライト相内に含まれる非酸化ケイ素セラミック（ＮＯＳＣ：ｎｏｎ－ｏｘｉｄｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｅｒａｍｉｃ）相を含み、６５体積％～９３体積％のムライト相（例えば、７５体積％～９０体積％のムライト相）など、６０体積％～９５体積％のムライト相を含む。
特定の実施形態では、ムライト相は、約３対２～約３．５対２など、３対２の１０％以内の化学量論比でアルミナとシリカとを含む。他に実施形態では、ムライト相は約２対１～約２．２５対１など、２対１の１０％以内の化学量論比でアルミナとシリカとを含む。特定の実施形態では、ムライト相はアルミナとシリカとからなってもよい。
特定の実施形態では、ＮＯＳＣ相は、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、またはそれらの混合物を含んでもよい。例えば、ムライト／ＮＯＳＣボンドコートは、７体積％～３５体積％のＮＯＳＣ（例えば、１０体積％～２５体積％のＮＯＳＣ）など、５体積％～４０体積％のＮＯＳＣを含んでもよい。
環境バリアコーティングは複数の層を含んでもよく、環境バリアコーティングの層のうちの少なくとも１つは、相互接続された気孔を有する多孔質層など、多孔質層を含む。別の実施形態では、層のすべてが相互接続された気孔を有してもよい。１つの特定の実施形態では、多孔質層は、多孔質層が環境バリアコーティングの内面を画定するように、ムライト／ＮＯＳＣボンドコートに隣り合ってもよい。例えば、多孔質層は酸化アルミニウムを含んでもよい。
ムライト／ＮＯＳＣボンドコートは１６５０℃までの動作温度に曝されることに耐えるように構成することができる。
１つの実施形態では、コーティングされた構成部品を形成するための方法が提供される。例えば、本方法は、ムライト／ＮＯＳＣボンドコートを基材の表面に形成するステップと、環境バリアコーティングをムライト／ＮＯＳＣボンドコート上に形成するステップとを含んでもよい。ムライト／ＮＯＳＣボンドコートは、ムライト相内に含まれるＮＯＳＣ相を含み、６０体積％～９５体積％のムライト相を含む。
本発明のこれらのおよび他の特徴、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れば、よりよく理解されるであろう。添付の図面は、この明細書に組み込まれ、その一部を構成するものであり、本発明の実施形態を例示して、本記述と併せて本発明の原理を説明する働きをしている。
当業者を対象として、最良の態様を含む本発明の完全かつ有効な開示を、添付の図を参照して本明細書に記載する。
本明細書および図面では参照符号を繰り返し使用しているが、これは本発明の同じまたは類似の特徴または要素を表すことを意図している。
次に、１つまたは複数の例が図面に示されている本発明の実施形態を詳細に参照する。それぞれの例は本発明を説明するために提示されており、本発明を限定するためではない。実際、本発明の範囲または精神から逸脱せずに、本発明において様々な修正および変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部分として図示または記述された特徴を別の実施形態とともに使用してさらなる実施形態を得ることができる。したがって、本発明は、このような修正および変更を添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内にあるものとして包含することが意図されている。
用語「第１の」、「第２の」、および「第３の」は、本明細書で使用するとき、１つの構成部品を別の構成部品と区別するために交換可能に使用される場合があり、個々の構成部品の位置または重要性を意味することを意図していない。
本開示では、元素周期表に通常見られるような一般的な化学記号を使用して化学元素を説明する。例えば、水素は、その一般的な化学記号Ｈで表され、ヘリウムは、その一般的な化学記号Ｈｅで表され、その他も同様である。「ＲＥ」は、本明細書で使用するとき、希土類元素または希土類元素の混合物を指す。より詳細には、「ＲＥ」は、希土類元素のスカンジウム（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を指す。
「実質的に含まない」という用語は、本明細書で使用するとき、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％）。
本開示において、ある層が別の層または基材の「上（ｏｎ）」または「上方（ｏｖｅｒ）」にあると記述されるとき、反することが明記されない限り、層は互いに直接接触してもよく、または層と層との間に別の層もしくは要素を有してもよいと理解されたい。したがって、これらの用語は、層同士の互いに対する相対的な位置を単に記述しているに過ぎず、上方または下方という相対的な位置は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「上にある」ことを意味してはいない。
非酸化ケイ素セラミック（「ＮＯＳＣ」）を内部に有するムライトボンドコートを含むコーティングされた構成部品が全体的に提供される。非酸化ケイ素セラミック（本明細書では「ムライト／ＮＯＳＣボンドコート」と呼ぶ）を含むムライトボンドコートは全体的に、基材の表面とその上の環境バリアコーティング（ＥＢＣ）との間に配置される。概して、ムライト／ＮＯＳＣボンドコートは、使用中に酸素と反応して、上にあるＥＢＣ層を通して逃がすことができるガス状酸化物（例えば、酸化炭素および／または酸化窒素）を形成するように犠牲材料として働く非酸化ケイ素セラミック（例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭窒化ケイ素、オキシ炭化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、および／またはそれらの混合物）から形成される。したがって、下地基材の酸化を防ぐことができる。
図１を参照すると、コーティングシステム１０６を上に有する表面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部品１００が示されている。基材１０２は、ケイ素系の非酸化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」）材料から形成される。「ＣＭＣ」は、本明細書で使用するとき、ケイ素含有または酸化物－酸化物マトリックスおよび補強材料を指す。「モノリシックセラミック」は、本明細書で使用するとき、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材料）を指す。本明細書では、ＣＭＣおよびモノリシックセラミックは、「セラミック」と総称する。特定の実施形態では、ＣＭＣ基材１０２は、そのセラミックマトリックスおよび（あれば）繊維内に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む。
一般的に、コーティングシステム１０６は、基材の表面１０３上にムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４上にＥＢＣ１０８を含む。図示の実施形態では、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４は、間にいかなる層もなく直接表面１０３上にある。
図２の例示的な実施形態では、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４は連続したムライト相１１２を有し、その中に分離したＮＯＳＣ相１１０が分散している。ＮＯＳＣ相１１０は分離しているように示されているが、特に、ＮＯＳＣの濃度が約１０体積％より多い、または約１５体積％より多い場合には、ＮＯＳＣ相がある程度連続していても許容することができる。例えば、ＮＯＳＣ材料は、ムライト相内で互いに接触する粒子を形成して、自然に連続したものになることがある。他の実施形態では、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４は連続したムライト相１１２を有し、一方、ＮＯＳＣ相１１０もその中で相互接続して連続している。
ムライトは一般に、対象となるすべての温度、最高約１６５０℃でさえ（例えば、約１２００℃～約１６５０℃）、酸素に対する拡散速度が比較的遅い。約１２００℃を超える温度において、ムライトよりも酸素拡散速度が低い唯一の他の結晶性酸化物はアルミナであると思われるが、アルミナは、基材に比べて膨張係数が非常に高く、剥離せずに密なコーティングとして堆積させることができない。ムライトは、ＳｉＣのＣＭＣ基材１０２と類似の熱膨張係数（「ＣＴＥ：ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ」）を有するが、ムライトのＣＴＥはＳｉＣと正確には一致しない。ムライトとＳｉＣのＣＴＥのわずかな不一致は、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４が厚すぎる場合、亀裂および／または剥離などの熱膨張に関係する問題につながりかねない。例えば、２０ミル（すなわち、５０８μｍ）の厚さを有するムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４は、動作温度に繰り返し曝された後にＣＴＥの不一致に関係する問題をもたらすと思われる。一方、１ミル～１０ミルなど、１０ミル以下（すなわち、２５．４μｍ～２５４μｍなど、２５４μｍ以下）の最大厚さを有するムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４は、ＣＴＥの不一致からの大きな問題を生じないでこのような動作温度を生き残ると思われる。１つの特定の実施形態では、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４は、３ミル～５ミルなど、５ミル（すなわち、７６．２μｍ～１２７μｍなど、１２７μｍ）の最大厚さを有する。
ムライト相１１２は、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４に構造的完全性を提供する量でムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４内に含まれ、一方、ＮＯＳＣ相１１０は、動作温度において酸素に多く曝される犠牲材料となる。したがって、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４の少なくとも６０％はムライトであってもよい。特定の実施形態では、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４は、６５体積％～９３％体積％のムライトなど、６０体積％～９５体積％のムライト（例えば、７５体積％～９０体積％のムライト）を含んでもよい。
逆に、ＮＯＳＣ相１１０は、犠牲酸素ゲッターとして働くのに十分な量でムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４に含まれる。１つの特定の実施形態では、ＮＯＳＣ相１１０は、炭化ケイ素（すなわち、ＳｉＣ）、窒化ケイ素（すなわち、Ｓｉ３Ｎ５）、またはそれらの混合物から形成することができる。ＳｉＣおよびＳｉＮの両方は、動作温度で溶融しない十分な溶融温度を有し、両方共、酸素と反応して、多孔質ＥＢＣから出すことができるガス状酸化物（例えば、それぞれ酸化炭素および酸化窒素）を形成する。したがって、ＮＯＳＣ相１１０は、酸素が下地基材１０２に達するのを防ぐ。
例えば、特定の実施形態では、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４は、７体積％～３５体積％のＮＯＳＣ相１１０など、５体積％～４０体積％のＮＯＳＣ相１１０（例えば、１０体積％～２５体積％のＮＯＳＣ相１１０）を含んでもよい。特定の実施形態では、例えば、ＮＯＳＣ相１１０は、約７重量％～３５重量％のＳｉＣなど、５体積％～４０体積％のＳｉＣ（例えば、１０体積％～２５体積％のＳｉＣ）を含んでもよい。
特定の実施形態では、ムライト相１１２は、約１８２５℃～１８６０℃（例えば、約１８４０℃）の溶融温度を有する結晶化ムライトから形成され、ＮＯＳＣ相１１０（例えば、ＳｉＣ）とは一般的には反応しない。
ムライトは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とシリカ（ＳｉＯ２）の比が約３対２（例えば、アルミナ対シリカの３対２の１０モル％以内）であるアルミナとシリカの化学化合物である。約２対１の比（例えば、アルミナ対シリカの２対１の１０モル％以内）もまた報告されている。１つの実施形態では、ムライト層は、約１０モル％までの過剰なアルミナを含んでもよい。例えば、ムライト相は、約３対２～約３．５対２の化学量論比、または約２対１～約２．２５対１の化学量論比でアルミナとシリカを含んでもよい。別の実施形態では、ムライト相は過剰なシリカを含んでもよい。過剰なシリカがある場合、それが連続的でないことが好ましい。「アルミナ」は、本明細書で使用するとき、Ａｌ２Ｏ３の形態の酸化アルミニウムを指す。「シリカ」は、本明細書で使用するとき、ＳｉＯ２の形態の酸化ケイ素を指す。
１つの実施形態では、構成部品１００が酸素に曝されている間（例えば、製造中および／または使用中）、酸化ケイ素層（「酸化ケイ素スケール」または「シリカスケール」と呼ぶこともある）などの熱成長酸化物（「ＴＧＯ：ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｇｒｏｗｎ ｏｘｉｄｅ」）層が、ＮＯＳＣ相１１０の外面に直接生じることがある。
上記のように、基材１０２は、ケイ素系の非酸化物セラミックマトリックス複合材などのＣＭＣ材料から形成されてもよい。本明細書で使用することが許容されるＣＭＣのいくつかの例としては、限定するものではないが、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を有する材料を挙げることができる。本明細書で使用することが許容されるＣＭＣのいくつかの例としては、限定するものではないが、炭素繊維、および／または炭化ケイ素、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補強繊維を有する材料を挙げることができる。例としては、限定するものではないが、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、Ｓｉ－ＳｉＣマトリックスと炭化ケイ素繊維とを有するＣＭＣ、炭化ケイ素マトリックスと炭素繊維とを有する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、ならびに炭化ケイ素／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が挙げられる。１つの特定の実施形態では、基材１０２のマトリックス材料は、ＮＯＳＣ相１１０内のＮＯＳＣ材料と組成が実質的に同一であってもよい。例えば、基材１０２のマトリックス材料とＮＯＳＣ相１１０内のＮＯＳＣ材料の両方がＳｉＣであってもよい。
上記のように、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４は、ケイ素ボンドコートを使用する場合と比べて高い動作温度で、ＥＢＣ１０８とともに使用されて、コーティングされた構成部品１００を形成することができる。ＥＢＣ１０８は、典型的なＥＢＣまたは熱遮蔽コーティング（「ＴＢＣ」）層の化学物質から選択された材料から形成された１つまた複数の層を任意に組み合わせたものを含むことができる。これらの化学物質としては、限定するものではないが、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、希土類ジルコニウム酸塩、希土類酸化ガリウムなどが挙げられる。
外側コーティングの微細構造の要件は、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４内のＮＯＳＣの量によることがある。例えば、ＮＯＳＣがＳｉＣを含むとき、外側コーティングの微細構造の要件は、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４内（すなわち、この実施形態のムライト／ＳｉＣボンドコート内）のＳｉＣの量によることがある。外層が十分密で、ＣＯガスを逃がすことができない場合、少量のＳｉＣに対しては、ＣＯガス形成量は十分少なくて、外層の剥離よりむしろ、局所的な膨れを引き起こすだけのことがある。したがって、１つの実施形態では、外側のＥＢＣ層は少なくとも１つの密な気密層を含む。他方、ＳｉＣの濃度がかなり高い（例えば、約２０モルパーセントを超える、または約３０モル％を超える）場合、ＣＯガス形成量は、外層の剥離を引き起こすには十分なことがある。したがって、このような実施形態では、外側のＥＢＣ層は、ＣＯを逃がす連続的な通路を提供するように十分な気孔を含んでよい。全体の気孔の量は、できるだけ少なくすることが好ましいが、ＣＯを逃がす連続的な通路を形成するのに十分多くすべきで、それは約１０体積パーセントを超える気孔レベルで生じ得る。
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、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４上に直接配置された、相互接続された気孔を有する多孔質層１１６を含む。ガス状酸化物がムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４内に形成されると、多孔質層１１６によってガス状酸化物をＥＢＣ１０８から逃がすことができる。１つの実施形態では、ＥＢＣ１０８の層１１４のそれぞれは多孔質層１１６である。
コーティングされた構成部品１００は、ガスタービンエンジン内にある構成部品、例えば、燃焼器構成部品、タービンブレード、シュラウド、ノズル、ヒートシールド、およびベーンなどの高温環境にある構成部品として使用するために特に適している。特に、タービン構成部品は、ガスタービンの高温ガス流路内に配置されたＣＭＣ構成部品１００とすることができ、その結果、高温ガス流路に曝されているとき、コーティングシステム１０６が下地基材１０２に対して環境バリアを形成して、ガスタービン内の構成部品１００を保護する。特定の実施形態では、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４は、コーティングされた構成部品１００が約１４７５℃～約１６５０℃の動作温度に曝されるように構成される。
図３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。より詳細には、図３の実施形態では、ガスタービンエンジンは、本明細書では「ターボファンエンジン１０」と呼ぶ高バイパスターボファンジェットエンジン１０である。図３に示すように、ターボファンエンジン１０は、軸方向Ａ（参考のために示した長手方向中心線１２に平行に延在する）、および半径方向Ｒを定める。一般に、ターボファン１０は、ファンセクション１４、およびファンセクション１４の下流に配置されたコアタービンエンジン１６を含む。ターボファンエンジン１０を参照して下記で説明するが、本開示は、産業用および舶用ガスタービンエンジン、ならびに補助動力装置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ターボ機械全般に適用可能である。
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内には、直列流れ関係で、ブースタまたは低圧（ＬＰ：ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）圧縮機２２および高圧（ＨＰ：ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）圧縮機２４を含む圧縮機セクション、燃焼セクション２６、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、ならびにジェット排気ノズルセクション３２が収まっている。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に駆動接続する。
図示の実施形態では、ファンセクション１４は可変ピッチファン３８を含み、可変ピッチファン３８は、間隔を置くようにディスク４２に結合された複数のファンブレード４０を有する。図示のように、ファンブレード４０は、半径方向Ｒに概ね沿ってディスク４２から外向きに延在する。ファンブレード４０が、ファンブレード４０のピッチを同時にまとめて変え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ることによって、各ファンブレード４０はディスク４２に対してピッチ軸線Ｐの周りを回転することができる。ファンブレード４０、ディスク４２、および作動部材４４は、任意選択の動力歯車装置４６を通るＬＰシャフト３６によって、長手方向軸線１２の周りを一緒に回転することができる。動力歯車装置４６は、ＬＰシャフト３６の回転速度をより効率的なファン回転速度に落とすために複数の歯車を含む。
図３の例示的な実施形態をさらに参照すると、ディスク４２は、空気流が複数のファンブレード４０を通りやすくなるような空気力学的な形状にされた回転可能な前面ナセル４８によって覆われる。さらに、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の少なくとも一部分を周方向に取り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、周方向に離間した複数の出口案内翼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認識すべきである。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の外側部分を覆って延在して、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の作動中、ある量の空気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。その量の空気５８がファンブレード４０を通りすぎると、矢印６２で示した空気５８の第１の部分は、バイパス空気流通路５６内に向けられ、または送られ、矢印６４で示した空気５８の第２の部分は、ＬＰ圧縮機２２内に向けられ、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との比は一般にバイパス比として知られている。次いで、空気の第２の部分６４の圧力は、高圧（ＨＰ）圧縮機２４を通って燃焼セクション２６内に送られると上昇し、そこで燃料と混合されて燃焼して燃焼ガス６６を供給する。
燃焼ガス６６はＨＰタービン２８を通るように送られ、そこで、燃焼ガス６６からの熱エネルギーおよび／または運動エネルギーの一部分が、外側ケーシング１８に結合されたＨＰタービンステータベーン６８と、ＨＰシャフトまたはスプール３４に結合されたＨＰタービンロータブレード７０との連続した段によって取り出され、したがって、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の作動が維持される。次いで、燃焼ガス６６はＬＰタービン３０を通るように送られ、そこで、燃焼ガス６６から、熱エネルギーおよび運動エネルギーの第２の部分が、外側ケーシング１８に結合されたＬＰタービンステータベーン７２と、ＬＰシャフトまたはスプール３６に結合されたＬＰタービンロータブレード７４との連続した段によって取り出され、したがって、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の作動および／またはファン３８の回転が維持される。
続いて、燃焼ガス６６は、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を通るように送られて推進力を与える。同時に、空気の第１の部分６２がバイパス空気流通路５６を通るように送られると、空気の第１の部分６２の圧力が実質的に上昇し、それから、ターボファン１０のファンノズル排気セクション７６から排出されてこれもまた推進力を与える。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を通るように燃焼ガス６６を送るための高温ガス通路７８を少なくとも部分的に画定する。
セラミック構成部品をコーティングするための方法もまた、全体的に提供される。例えば、図４は、基材の表面にコーティングシステムを形成する例示的な方法４００の図である。４０２において、ムライト／ＮＯＳＣボンドコートは、ムライト／ＮＯＳＣボンドコート１０４に関して上記したように、ムライト相内に含まれるＮＯＳＣ相を含むように基材の表面に形成される。
１つの実施形態では、ムライト／ＮＯＳＣボンドコートは空気プラズマ溶射によって形成される。別の実施形態では、ムライトボンドコートは、所望の化学的性質の懸濁液を空気プラズマ溶射に対して使用するサスペンションプラズマ溶射によって形成される。さらに別の実施形態では、コーティングは低圧プラズマ溶射によって形成される。さらに別の実施形態では、コーティングされる層の１つまたは複数は、スラリー式コーティングプロセスに続いて層を焼結することによって形成されてもよい。これらのプロセスの１つまたは複数によって異なるコーティング層が形成されてもよい。
４０４において、環境バリアコーティング（ＥＢＣ）がムライト／ＮＯＳＣボンドコート上に形成される。上記のように、ガス状炭化物はＥＢＣを通って出ることができる。
（実施例）
図５は、ＣＭＣ基材５０２を覆うように施工されたＥＢＣ５００を示し、ＥＢＣ５００は、ムライトと炭化ケイ素との二層構造を有するボンドコート５０４と透過性の外層５０６とを含む。ボンドコート５０４は、ＣＭＣ基材５０２に直接施工される。ボンドコート５０４内の炭化ケイ素は、酸素ゲッターとして働いて、酸化時に酸素が基材５０２と反応して、炭化ケイ素が酸化ケイ素（シリカ）に変換されてＣＯガスを放出することを防ぐ。ムライトはマトリックスとして働き、酸素透過率が低いことに基づいて選択された。この構成では、シリカ酸化生成物相はある程度の連続性を有し、その結果、それが減肉および微小亀裂することによって、ＣＯはボンドコートから出る通路を有する。外層５０６は、ボンドコート５０４内で生じたＣＯを周囲に逃がすことができるように、透過性であるように設計される。外層５０６は酸化物のいくつかの副層を含むことができ、多孔質または柱状構造によってガス透過性を実現することができる。
図５は、ＣＭＣ基材５０２を覆うように施工されたＥＢＣ５００を示し、ＥＢＣ５００は、ムライトと炭化ケイ素との二層構造を有するボンドコート５０４と透過性の外層５０６とを含む。ボンドコート５０４は、ＣＭＣ基材５０２に直接施工される。ボンドコート５０４内の炭化ケイ素は、酸素ゲッターとして働いて、酸化時に酸素が基材５０２と反応して、炭化ケイ素が酸化ケイ素（シリカ）に変換されてＣＯガスを放出することを防ぐ。ムライトはマトリックスとして働き、酸素透過率が低いことに基づいて選択された。この構成では、シリカ酸化生成物相はある程度の連続性を有し、その結果、それが減肉および微小亀裂することによって、ＣＯはボンドコートから出る通路を有する。外層５０６は、ボンドコート５０４内で生じたＣＯを周囲に逃がすことができるように、透過性であるように設計される。外層５０６は酸化物のいくつかの副層を含むことができ、多孔質または柱状構造によってガス透過性を実現することができる。
図５に概略的に示した構成は、図６Ａおよび図６Ｂの実例において示すように、スラリー式プラズマ溶射を用いて形成された。図６Ａの実施形態では、上部層は柱状のアルミナ層から形成された。図６Ｂの実施形態では、上部層は、柱状アルミナとＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の副層とを組み合わせて形成された。これらのコーティングの両方は、繰り返し条件の下での耐減肉性、耐熱衝撃性、および耐ガスエロージョン性を含むいくつかの特性を評価するために試験された。これらの特性は、周期的な蒸気リグ試験、ＪＥＴおよびＨＶＯＦ試験、ならびにこれらの技術を組み合わせた組合せ試験によって評価される。これらのコーティングは、２７００°Ｆ（約１４８２℃）の周期的な蒸気試験後で５００時間を超える耐減肉性を一貫して示し、最長の蒸気試験は１０００時間まで行った。試験した供試品の試験後の断面の特徴は、その劣化の進展が許容可能であることを示した。
図６Ａおよび図６Ｂのコーティングシステムは、ムライト－ＳｉＣ／Ａｌ２Ｏ３およびムライト－ＳｉＣ／Ａｌ２Ｏ３／ＹＳＺである。コーティング構成の他の例として、ムライト－ＳｉＣ／ＨｆＯ２およびムライト－ＳｉＣ／Ａｌ２Ｏ３／ＨｆＯ２がある。
本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実行を含め、当業者が本発明を実践できるようにしている。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。
本発明のさらなる態様は、以下の項の主題によって提示される。
［項１］炭化ケイ素を含み、かつ表面を有するセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）基材と、ムライト相内に含まれる非酸化ケイ素セラミック（ＮＯＳＣ）相を含み、６０体積％～９５体積％の前記ムライト相を含む、前記基材の前記表面上のムライト／ＮＯＳＣボンドコートと、前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコート上の環境バリアコーティングとを備えている、コーティングされた構成部品。
［項２］前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコートが６５体積％～９３体積％の前記ムライト相を含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項３］前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコートが７５体積％～９０体積％の前記ムライト相を含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項４］前記ムライト相が３対２の１０％以内の化学量論比でアルミナとシリカとを含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項５］前記ムライト相が２対１の１０％以内の化学量論比でアルミナとシリカとを含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項６］前記ムライト相がアルミナとシリカとからなる、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項７］前記ムライト相が約３対２～約３．５対２の化学量論比でアルミナとシリカとを含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項８］前記ムライト相が約２対１～約２．２５対１の化学量論比でアルミナとシリカとを含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項９］前記ＮＯＳＣ相が、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、またはそれらの混合物を含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項１０］前記ＮＯＳＣ相が炭化ケイ素よりなる、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項１１］前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコートが５体積％～４０体積％のＮＯＳＣを含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項１２］前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコートが、７体積％～３５体積％のＮＯＳＣを含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項１３］前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコートが、１０体積％～２５体積％のＮＯＳＣを含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項１４］前記ムライト相が連続した相であり、前記ＮＯＳＣが前記ムライト相内に複数の分離した微粒子相を形成する、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項１５］前記ムライト相が連続した相であり、前記ＮＯＳＣ微粒子相もまた相互接続されて連続している、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項１６］前記環境バリアコーティングが複数の層を備え、前記環境バリアコーティングの前記層のうちの少なくとも１つが相互接続された気孔を有する多孔質層を含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項１７］前記層のすべてが相互接続された気孔を有する、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項１８］前記多孔質層が前記環境バリアコーティングの内面を画定するように、前記多孔質層が前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコートに隣り合い、前記多孔質層が酸化アルミニウムを含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項１９］前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコートが１６５０℃までの動作温度に曝されることに耐えるように構成された、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
［項２０］ムライト／ＮＯＳＣボンドコートを基材の表面に形成するステップであって、前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコートが、ムライト相内に含まれるＮＯＳＣ相を含み、前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコートが６０体積％～９５体積％の前記ムライト相を含む、ステップと、前記ＮＯＳＣ相が、前記基材の前記表面と環境バリアコーティングの内面との間のムライト相内に含まれるように、前記環境バリアコーティングを前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコート上に形成するステップとを含む、コーティングされた構成部品を形成する方法。
１０ ターボファンエンジン
１２ 長手方向中心線
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）シャフトまたはスプール
３６ 低圧（ＬＰ）シャフトまたはスプール
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 動力歯車装置
４８ 前面ナセル
５０ ナセル
５２ 出口案内翼
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
６４ 空気の第２の部分
６６ 燃焼ガス
６８ ＨＰタービンステータベーン
７０ ＨＰタービンロータブレード
７２ ＬＰタービンステータベーン
７４ ＬＰ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 高温ガス通路
１００ コーティングされた構成部品
１０２ 基材
１０３ 表面
１０４ ムライト／ＮＯＳＣボンドコート
１０６ コーティングシステム
１０７ 内面
１０８ ＥＢＣ
１１０ ＮＯＳＣ相
１１２ ムライト相
１１４ 層
１１６ 多孔質層
４００ 方法
５００ ＥＢＣ
５０２ ＣＭＣ基材
５０４ ボンドコート
５０６ 外層
Ａ 軸方向
Ｐ ピッチ軸線
Ｒ 半径方向
１２ 長手方向中心線
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）シャフトまたはスプール
３６ 低圧（ＬＰ）シャフトまたはスプール
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 動力歯車装置
４８ 前面ナセル
５０ ナセル
５２ 出口案内翼
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
６４ 空気の第２の部分
６６ 燃焼ガス
６８ ＨＰタービンステータベーン
７０ ＨＰタービンロータブレード
７２ ＬＰタービンステータベーン
７４ ＬＰ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 高温ガス通路
１００ コーティングされた構成部品
１０２ 基材
１０３ 表面
１０４ ムライト／ＮＯＳＣボンドコート
１０６ コーティングシステム
１０７ 内面
１０８ ＥＢＣ
１１０ ＮＯＳＣ相
１１２ ムライト相
１１４ 層
１１６ 多孔質層
４００ 方法
５００ ＥＢＣ
５０２ ＣＭＣ基材
５０４ ボンドコート
５０６ 外層
Ａ 軸方向
Ｐ ピッチ軸線
Ｒ 半径方向
Claims (14)
- 炭化ケイ素を含み、かつ表面（１０３）を有するセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）基材（１０２）と、
ムライト相（１１２）内に分散した非酸化ケイ素セラミック（ＮＯＳＣ）相を含み、６０体積％～９５体積％の前記ムライト相（１１２）を含む、前記基材（１０２）の前記表面（１０３）上のムライト／ＮＯＳＣボンドコート（１０４）と、
前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコート（１０４）上の環境バリアコーティングであって、高温多湿環境における減肉を防ぐ環境バリアコーティング（１０８）と
を備え、
前記ＮＯＳＣ相（１１０）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、またはそれらの混合物を含む、コーティングされた構成部品（１００）。 - 前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコート（１０４）が７５体積％～９０体積％の前記ムライト相（１１２）を含む、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
- 前記ムライト相（１１２）が２．５対２～３．５対２の化学量論比でアルミナとシリカとを含む、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
- 前記ムライト相（１１２）が１．７対１～２．３対１の化学量論比でアルミナとシリカとを含む、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
- 前記ムライト相（１１２）がアルミナとシリカとからなる、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
- 前記ＮＯＳＣ相（１１０）が炭化ケイ素よりなる、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
- 前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコート（１０４）が、５体積％～４０体積％のＮＯＳＣを含む、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
- 前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコート（１０４）が、１０体積％～２５体積％のＮＯＳＣを含む、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
- 前記ムライト相（１１２）が連続した相であり、前記ＮＯＳＣが前記ムライト相（１１２）内に複数の分離した微粒子相を形成する、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
- 前記ムライト相（１１２）が連続した相であり、前記ＮＯＳＣ相もまた相互接続されて連続している、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
- 前記環境バリアコーティングが複数の層（１１４）を備え、前記環境バリアコーティングの前記層（１１４）のうちの少なくとも１つが相互接続された気孔を有する多孔質層（１１６）を含む、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
- 前記層（１１４）のすべてが相互接続された気孔を有する、請求項１１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
- 前記多孔質層（１１６）が前記環境バリアコーティングの内面（１０７）を画定するように、前記多孔質層（１１６）が前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコート（１０４）に隣り合い、前記多孔質層（１１６）が酸化アルミニウムを含む、請求項１１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
- ムライト／ＮＯＳＣボンドコート（１０４）を基材（１０２）の表面（１０３）に形成するステップであって、前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコート（１０４）が、ムライト相（１１２）内に分散したＮＯＳＣ相（１１０）を含み、前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコート（１０４）が６０体積％～９５体積％の前記ムライト相（１１２）を含む、ステップと、
前記ＮＯＳＣ相（１１０）が、前記基材（１０２）の前記表面（１０３）と環境バリアコーティングの内面（１０７）との間のムライト相（１１２）内に含まれるように、前記環境バリアコーティングを前記ムライト／ＮＯＳＣボンドコート（１０４）上に形成するステップであって、前記環境バリアコーティング（１０８）が、高温多湿環境における減肉を防ぐ、ステップと
を含み、
前記ＮＯＳＣ相（１１０）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、またはそれらの混合物を含む、コーティングされた構成部品（１００）を形成する方法。
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