JP7154806B2 - セグメント化された環境バリアコーティングシステムおよびその形成方法 - Google Patents

Description

環境バリアコーティングは一般に、その形成方法と共に提供される。特に、ガスタービンエンジン内の構成部品として特に有用なセラミック基質複合材料に使用するための環境バリアコーティングが提供される。

現代のガスタービンエンジンの設計は、より高いタービン効率の要求によって推進される。セラミック基質複合材料（「ＣＭＣ」）は、ＣＭＣが高温性能を有し、軽量であるため、タービン用途にとって魅力的な材料である。ＣＭＣ構成部品は、高温の空気流の存在下での酸化および後退を避けるために、タービンエンジン環境における環境バリアコーティング（「ＥＢＣ」）で保護されることが多い。

しかしながら、厚い連続したＥＢＣ、例えば厚い固体アブレイダブル層を有するＥＢＣは、過渡的または熱勾配下でかなりの熱応力を蓄積する傾向がある。例えば、ガスタービンエンジンの動作中に、高い動作温度は、エンジンの構成部品に対する応力を増大させる。このような高い熱応力は、ＥＢＣの亀裂および層間剥離をまねくおそれがある。構成部品が冷却されると、材料が弛緩し、コーティングに亀裂が生じる。ＥＢＣの亀裂および層間剥離は、下にあるＣＭＣ構成部品を露出させ、したがって、ＥＢＣから得られる利益を排除する。

したがって、ＥＢＣコーティングされたＣＭＣ構成部品、特にガスタービンエンジンの構成部品の改良された設計が、当該技術分野において望ましい。

米国特許第９２９０８３６号明細書

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部品が、その形成方法と共に一般的に提供される。一実施形態では、コーティングされた構成部品は、表面を画定し、セラミック複合材料を含む基板と、表面を画定し、基板の表面に沿って配置された内層と、内層の表面に沿って配置された外層と、を含む。内層は、セラミック材料であってもよく、約４０体積％未満の多孔度を有してもよく、外層に沿って連続していてもよい。外層は、ドメイン境界間に画定された複数の成長ドメインを含んでもよく、複数の成長ドメインは比較的高密度のコーティング材料を含み、ドメイン境界は比較的低密度のコーティング材料を含み、成長ドメインは、少なくとも部分的に溶融し固化した複数の粒子を有する。

本発明のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の図面を参照すれば、よりよく理解されよう。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面を参照している。

本開示の一実施形態による、室温における例示的なコーティングの断面図である。 本開示の一実施形態による高温環境における図１Ａの例示的なコーティングの断面図である。 本開示の一実施形態による、室温における別の例示的なコーティングの断面図である。 本開示の一実施形態による高温環境における図２Ａの例示的なコーティングの断面図である。 本開示の一実施形態による例示的なガスタービンアセンブリの断面図である。 本開示の一実施形態による、コーティングを形成する例示的な方法のフローチャートである。

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。

本開示では、ある層が別の層または基板の「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、それらの用語は、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「上部にある」ことを意味してはいない。

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、水素はその通常の化学記号Ｈで表され、ヘリウムはその通常の化学記号Ｈｅで表され、以下同様である。

本明細書で使用される場合、「実質的に」とは、記載された群の少なくとも約９０％またはそれ以上をいう。例えば、本明細書中で使用される場合、「実質的にすべて」は、それぞれの群の少なくとも約９０％またはそれ以上が適用可能な特性を有し、「実質的にない」または「実質的に存在しない」は、それぞれの群の少なくとも約９０％またはそれ以上が適用可能な特性を有していないことを示す。

コーティング、特に環境バリアコーティングが、このようなコーティングを形成する方法と共に、本明細書で一般的に提供される。コーティングは、従来の環境バリアコーティングに存在する高い熱応力を低減し、同時に、いくつかの実施形態では、下にある構成部品を外部環境から保護する連続した気密シール層を維持する。このコーティングは、従来の環境バリアコーティングと比較して寿命を長くすることができ、したがって、下にある構成部品、特にＣＭＣ構成部品の寿命を長くすることができる。

一般に、コーティングは、連続した内層および不連続な外層を含む。コーティングの１つまたは複数の内層が連続的に作られ、いくつかの実施形態では気密性がある。一般に、気密性が要求されない１つまたは複数の外層は、意図的にセグメント化される。温度勾配がシステムに適用されると、厚さ方向の膨張差は外層に圧縮応力を生じさせない。したがって、高温ではクリープ緩和は見込まれず、冷却時には、ランダムで制御されない垂直クラックを開く引張応力は存在しない。このようにして、持続的ピーク低周期疲労（ＳＰＬＣＦ）タイプの故障を緩和することができる。別の場合には、多数の既存の境界によりダウンショックが発生した場合に、境界の根元における応力強度を最小にすることができる。したがって、深い潜在的な亀裂の確率を低減することができる。

コーティングがステータに適用される実施形態では、コーティングは、コーティングが一般的にブレード材料内に食い込まないので、ブレード摩擦を改善することができる。さらに、熱膨張係数が必ずしもＣＭＣ基板のそれと一致する必要がないので、外側のセグメント化された層は、より高い耐水性を有する材料で作製することができる。これにより、コーティングは、従来のＥＢＣよりも設計上の柔軟性がある。

ここで図面を参照すると、図１Ａは、本開示の一実施形態による、室温における例示的なコーティング２０の断面図であり、図１Ｂは、例えば動作中のガスタービンエンジンなどの高温環境における図１Ａのコーティングの断面図である。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、コーティング２０は、基板１０の表面３０上にあり、コーティング２０は、それぞれ内層１２および外層１８ａ、１８ｂを含む。図示するように、内層１２は基板１０の表面３０上に直接存在し、内層１２は表面３２を画定する。図１Ａおよび図１Ｂの実施形態では、内層１２は、図示した構成部品の少なくとも図示した部分において基板１０の表面３０に沿って概ね連続しており、外層１８ａ、１８ｂの下で概ね連続している。以下でより詳細に説明するように、内層１２は、その下にある基板を保護する気密シールを提供する緻密なセラミック層であり、外層１８は、成長ドメイン１４ａ、１４ｂおよびドメイン境界１６ａ、１６ｂのセグメント化された層である。

内層１２は、概ね連続しており、いくつかの実施形態では、気密性であってもよい。例えば、内層１２は、約４０体積％未満（例えば、０体積％～約４０体積％）の多孔度、例えば、約３０体積％未満（例えば、０体積％～約３０体積％）、約２０体積％未満（例えば、０体積％～約２０体積％）、１０体積％未満（例えば、０体積％～約１０体積％）、約５体積％未満（例えば、０体積％～約５体積％）、または約１体積％未満（例えば、０体積％～約１体積％）の多孔度で概ね連続的であり得る。後者の場合、内層１２は緻密で気密性があるとみなすことができる。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、内層１２は、基板１０に沿って実質的に均一な厚さを有し、セグメント化されていない。内層１２は、厚さが約２５μｍ～約５００μｍ、例えば厚さが約５０ｃｍ～約２５０μｍであってもよい。

内層１２は、一実施形態では、希土類ケイ酸塩、アルカリ土類アルミノケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、およびこれらの組み合わせなどのセラミック材料を含む。例えば、内層１２は、希土類ケイ酸塩コーティング（例えば希土類一ケイ酸塩またはスラリーもしくはＡＰＳ堆積イットリウムイッテルビウム二ケイ酸塩（ＹｂＹＤＳ）などの希土類二ケイ酸塩）、アルカリ土類アルミノケイ酸塩（例えば、バリウム－ストロンチウム－アルミニウムケイ酸塩（ＢＳＡＳ）、ＢａＯ、ＳｒＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、および／またはＳｉＯ_２組成物の範囲を有するものなど）、ならびにこれらの組み合わせなどのセラミック材料を含む１つまたは複数の層、例えば複数の層を含むことができる。１つまたは複数の層を所望に応じてドープすることができる。いくつかの実施形態では、ＢＳＡＳ層は、コーティング２０の構造により必要でない場合がある。

内層１２は、空気プラズマスプレー（ＡＰＳ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）、静電スプレー補助蒸着（ＥＳＡＶＤ）、直接蒸着、電気泳動堆積、スラリー浸漬もしくはスプレー、およびこれらの組み合わせなどの任意の適切な方法により形成することができる。

図１Ａおよび図１Ｂに概略的に示すように、外層１８ａ、１８ｂは、複数の細長い材料の成長ドメイン１４ａ、１４ｂを含む。本明細書で使用される「細長い」という用語は、１より大きいアスペクト比を有する構造を指す。成長ドメイン１４ａ、１４ｂは、概ね垂直に配向されており、その最長軸が基板１０の表面３０に対して実質的に垂直であることを意味している。本発明の実施形態によれば、コーティング材料が堆積されて外層１８ａ、１８ｂを形成すると、コーティング材料は比較的低密度（必ずしもゼロではない）のドメイン境界１６ａ、１６ｂによって分離された比較的高密度の領域として画定される成長ドメイン１４ａ、１４ｂに蓄積する。一般に、成長境界１６ａ、１６ｂは、隙間が各個別の成長ドメイン１４ａ、１４ｂの膨張および収縮に対応できるように、隣接する成長ドメイン１４ａ、１４ｂ間にギャップを形成する。これにより、外層１８ａ、１８ｂが、高温用途における高い熱応力を回避する。

いくつかの実施形態では、境界１６ａ、１６ｂは、コーティング厚さの少なくとも約５０％に等しい長さに延在してもよく、この長さは、特定の実施形態では、厚さの少なくとも約７５％であってもよい。一般に、外層１８ａ、１８ｂの歪み耐性は、より長く、明確に画定された境界１６ａ、１６ｂの存在によって強化される。外層１８ａ、１８ｂは、一般に、コーティングの最外層であり、したがって、外部環境に曝される。

成長ドメイン１４ａ、１４ｂ内に含まれる材料の密度は、本明細書では「ドメイン内密度」とも呼ばれ、理論的密度の少なくとも約７５％である。いくつかの実施形態では、この密度はさらに高く、例えば約８５％より高く、特定の実施形態では、約９５％より高く、または約１００％である。ドメイン内密度が高いと、侵食に対する望ましい耐性を提供することができ、外層１８ａ、１８ｂの皮膜引張強さを高めることができる。成長境界１６ａ、１６ｂは、成長ドメイン１４ａ、１４ｂの密度よりも低い密度を有し、理論的密度の約５０％未満、約４０％未満、約３０％未満、約２０％未満、約１０％未満、または約１％未満の密度を有してもよい。例えば、成長境界１６ａ、１６ｂは、理論的密度の０％よりも大きいが、１０％よりも小さい密度を有してもよい。

ドメイン境界１６ａ、１６ｂの存在は、外層１８ａ、１８ｂに対する所望のコンプライアンスおよび歪み許容特性を提供することができる。より狭いドメインを有するコーティングは、ドメイン境界の密度がより大きい。いくつかの実施形態では、成長ドメイン１４ａ、１４ｂの幅は、約１マイクロメートル（ミクロン、μｍ）～約１００μｍの範囲であり得る。例えば、特定の実施形態では、成長ドメイン１４ａ、１４ｂの幅は、約２０μｍ～約９０μｍの範囲であってもよく、特別な実施形態では、幅は約３０μｍ～約８０μｍである。ドメイン境界１６ａ、１６ｂは、約０．５μｍ～約１００μｍ、例えば約１μｍ～約９０μｍ、約１０μｍ～約８０μｍ、または約２０μｍ～約７０μｍの範囲の幅を有することができる。本明細書で使用されるドメイン幅は、外層１８ａ、１８ｂの厚さの３３％および外層１８ａ、１８ｂの厚さの６７％においてコーティングの断面に沿って引かれた既知の長さの線によってそれぞれ区切られる境界の平均数に基づいて測定され、平均ドメイン幅は、単に既知の長さを区切られた境界の数で割ったものである。特定の実施形態では、外層１８ａ、１８ｂの少なくとも約５０体積％が成長ドメイン１４ａ、１４ｂを含み、したがって、外層１８ａ、１８ｂが本明細書に記載の構造を含む必要はない。しかしながら、いくつかの実施形態では、この固有の構造によって提供される利点は、実質的にすべての外層１８ａ、１８ｂが記載された構造を含むことである。

外層１８ａ、１８ｂは、熱スプレー技術を用いて作製することができ、その結果、外側のセグメント化層は、少なくとも部分的に溶融し固化した複数の粒子および実質的に等軸の粒状形態を有する。このような方法は、この固有のミクロ組織を可能にする。レーザースクライビング、スタンピング、テンプレートコーティング、マスクコーティング、およびこれらの組み合わせなどの他の技術も上記のいずれかと組み合わせて使用することができる。

１つの特定の実施形態では、外層１８ａ、１８ｂは一般に熱スプレー技術によって作製される。例えば、液体媒体中に懸濁されたコーティング材料を含む懸濁液が、基板１０の表面３０の接線に対して約９０°以下の角度で基板にスプレーされる。コーティング材料は、コーティングされる材料（例えば、約０．１μｍ～約２μｍの平均粒径）によって変化し得る粒径範囲を有する粒子を含む。

いかなる特定の理論にも束縛されることなく、成長ドメイン１４ａ、１４ｂの特定の特性は、外層１８ａ、１８ｂの堆積メカニズムが、実質的に成長表面での予凝縮物の蓄積によることを示す。この場合、「予凝縮物」は、気相から成長表面で凝縮する物質ではなく、成長表面に衝突する固体および／または液体物質を指す。例えば、成長ドメイン１４ａ、１４ｂは、少なくとも部分的に溶融し固化した複数の粒子（表面に衝突する前に粒子が少なくとも部分的に液体であり、最後に完全に固化することを意味する）を含み、これらは顕微鏡技術によりコーティング２０のミクロ組織中の「先行粒子」としてしばしば（常にではないが）識別可能である。特定の実施形態では、成長ドメイン１４ａ、１４ｂに存在する材料の少なくとも５０％は、少なくとも部分的に溶融し固化した粒子を含む。特定の実施形態では、成長ドメイン１４ａ、１４ｂ内に存在する材料の少なくとも約８０％が少なくとも部分的に溶融し固化した粒子を含み、いくつかの実施形態では、成長ドメイン１４ａ、１４ｂ中の材料の実質的にすべてが、少なくとも部分的に溶融し固化した粒子で作られている。いくつかの実施形態では、成長境界１６ａ、１６ｂは、部分的に溶融し固化した粒子を含むことができるが、そのような場合の成長境界１６ａ、１６ｂの密度は、前述の成長ドメイン１４ａ、１４ｂの密度よりも小さい。

本開示の熱スプレー外層１８ａ、１８ｂは、方向性固化を容易に示す細長い結晶粒を含む層状ミクロ組織によって部分的に特徴付けられる「稠密垂直割れ」コーティングとは対照的である。薄層内の細長い結晶粒は、薄層境界に垂直な好ましい配向を有する傾向があり、通常、約４：１よりも大きく、しばしば１０：１の高さのアスペクト比を有する。稠密垂直割れコーティングとは対照的に、本発明の外層１８ａ、１８ｂは、成長ドメイン１４ａ、１４ｂ内に含まれるランダムに配向された実質的に等軸の結晶粒であることと、はっきりしたラメラの特徴がないことによって特徴付けられる。この文脈において、「実質的に等軸」とは、外層１８ａ、１８ｂ内の結晶粒の集団が、約３：１未満のメジアンアスペクト比を有することを意味する。さらに、「ランダムに配向された」とは、結晶粒の長軸（このような長軸が存在する場合）がスプレー方向または固化方向に対して全体として配向されないように、好ましい配向が概ね欠如していることを指す。さらに、いくつかの実施形態では、外層１８ａ、１８ｂは、はっきりした層状特徴が存在しないことによって一般的に特徴付けられる。空間における結晶粒の配置を指す「配向」という用語のこの使用を、結晶学的配向または材料の「テクスチャ」と混同してはならないことに留意されたい。

例えば、特定の一実施形態では、外層１８ａ、１８ｂの構造は実質的に亀裂がない。ケイ酸塩組成物の場合には、構造は一般に多相であり、成長ドメイン内にランダムに積層されたラメラとして現れる。個々のラミネート層は、概ねスプレー方向に対して垂直に配向される。また、ケイ酸塩組成物の場合には、個々のラミネート層は、急速冷却溶融粒子からアモルファス状態で堆積され、制御された熱処理で後処理されて多結晶コーティングを形成する。

本明細書に記載の利点は、高温用途での使用のためのコーティング２０の適合性を高めることができる。いくつかの実施形態では、滑らかな表面上に堆積される従来のＥＢＣとは異なり、コーティング２０は、コーティング内のセグメンテーションクラックが最小限であるかまたは全くない場合があり、本明細書で「実質的に亀裂がない」と呼ばれる状態を有する。業界では垂直クラックとしても知られているセグメンテーションクラックは、通常、稠密コーティング内でより一般的である。これらのタイプの亀裂は、最も外側の表面から全体の厚さまで、または部分的にコーティングの厚さまで延在することがある。このような亀裂は、亀裂内の空間が破断面によって囲まれ、その長さに沿ってコーティング粒子が本質的に存在しないという点で、ドメイン境界と区別される。対照的に、ドメイン境界内の空間は、その長さに沿ってコーティング粒子などの少なくともいくつかの堆積された材料を含む。したがって、コーティング２０、特に外層１８ａ、１８ｂは、実質的に亀裂がないとみなすことができる。

外層１８ａ、１８ｂは、ジルコン酸塩（例えば、ジルコニア）、アルミナ、希土類ケイ酸塩（例えば、希土類一ケイ酸塩）、希土類酸化物、アルカリ土類アルミノケイ酸塩、ハフニウム酸塩、ニオブ酸塩、タンタル酸塩、およびこれらの組み合わせなどのセラミック材料を含むことができる。例えば、コーティング材料は、イットリウム一ケイ酸塩（ＹＭＳ）を含むことができる。外層１８ａ、１８ｂは、高温セラミックを含むことができる。外層１８ａ、１８ｂ、特に成長ドメイン１４ａ、１４ｂおよび成長境界１６ａ、１６ｂの構造により、熱膨張係数をコーティングおよび基板の他の構成部品の熱膨張係数と一致させる必要はもはや必要ではない。これにより、外層１８ａ、１８ｂは、基板の熱膨張係数と一致させる必要なく、従来ＥＢＣコーティングに使用されていたよりも高い耐水性などの他の利点を有する材料を用いて作製することができる。例えば、ＹＭＳは水蒸気の揮発に対する高い耐性を有するが、その高い熱膨張係数のために以前はＥＢＣに多用されていなかった。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、構成部品またはガスタービンエンジンの動作中などにコーティングが加熱されると、成長ドメイン１４ａ、１４ｂが膨張することがある。しかし、外層１８ａ、１８ｂは、成長ドメイン１４ａ、１４ｂよりも少ないコーティング材料を含むドメイン境界１６ａ、１６ｂを有するので、成長ドメイン１４ａ、１４ｂの材料は、外面に圧縮応力を生じさせることなくドメイン境界１６ａ、１６ｂ内に広がることができ、したがって高温でのクリープ緩和は予想されない。冷却時に、引張応力によってランダムで制御されない垂直亀裂が生じることがない。このようにして、持続的ピーク低周期疲労（ＳＰＬＣＦ）タイプの故障を緩和することができる。いくつかの実施形態では、多数の既存のドメイン境界１６ａ、１６ｂに起因してダウンショックが発生すると、ドメイン境界１６ａ、１６ｂの根元における応力強度が最小限に抑えられ、したがって深い潜在的な亀裂の確率を低減することができる。

コーティング２０は、基板１０の表面３０の一部に沿って形成されてもよく、いくつかの実施形態では、コーティング２０は、構成部品の動作中に高温に曝されるように構成された基板１０の表面３０の一部に沿って形成されてもよい。基板１０の表面３０の１つまたは複数の部分が、コーティング２０でコーティングされてもよい。

基板１０は、任意の適切なセラミック複合材料、特にセラミック基質複合材料（「ＣＭＣ」）を含むことができる。例えば、基板１０は、ケイ素含有もしくは酸化物含有基質および強化材料を含むことができる。本明細書における使用にふさわしいＣＭＣのいくつかの例としては、非限定的に、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、ケイ化物、およびそれらの混合物などの非酸化ケイ素系材料を含む基質および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、非限定的に、炭化ケイ素基質および炭化ケイ素繊維を有するＣＭＣ、窒化ケイ素基質および炭化ケイ素繊維を有するＣＭＣ、炭化ケイ素／窒化ケイ素基質混合物および炭化ケイ素繊維を有するＣＭＣが挙げられる。さらに、ＣＭＣは、酸化セラミックからなる基質および補強繊維を有することができる。具体的に、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）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、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基質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物質を含むことができる。ジルコニウムカーバイド、ハフニウムカーバイド、または他のセラミック材料を単独または上記の材料と組み合わせて含む、ケイ素または酸素のいずれかを含まない他のセラミック複合材料を使用することができる。

図２Ａおよび図２Ｂは、本開示の別の実施形態、特にコーティング２０にボンドコート２２を組み込んだものを示す。図２Ａは、本開示の一実施形態によるコーティングの断面図であり、図２Ｂは、本開示の一実施形態による高温環境における図２Ａのコーティングの断面図である。図２Ａおよび図２Ｂは、ボンドコート２２、外層１８ａ、１８ｂ、および内層１２を含むコーティング２０でコーティングされた基板１０を含む。基板１０は表面３０を有し、ボンドコート２２は表面３４を有し、内層１２は表面３２を有する。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、内層１２は、図示した構成部品の少なくとも図示した部分において基板１０の表面３０に沿って概ね連続しており、外層１８ａ、１８ｂの下で概ね連続している。

ボンドコート２２は、一般的にケイ素、ケイ化物、またはこれらの組み合わせであり、任意の適切な方法によって基板１０上に形成することができる。理論に縛られるつもりはないが、ボンドコート２２は、セラミックトップコートの接着性を高めることができる。特に、ボンドコート２２は、内層１２および外層１８ａ、１８ｂの基板１０への接着を向上させる。

基板１０と、内層１２と、成長ドメイン１４ａ、１４ｂおよびドメイン境界１６ａ、１６ｂを含む外層１８ａ、１８ｂ、ならびに図２Ａ－２Ｂに示す実施形態で使用される他の構成部品は、付随する特性を有する、本明細書に記載された（例えば、図１Ａ～図１Ｂに関連した）材料のいずれかであってもよい。

図１Ａおよび図１Ｂと同様に、例えば構成部品またはガスタービンエンジンの動作中などに、図２Ａおよび図２Ｂのコーティング２０が加熱されると、成長ドメイン１４ａ、１４ｂが膨張する。しかし、外層１８ａ、１８ｂは、成長ドメイン１４ａ、１４ｂよりも少ないコーティング材料を含むドメイン境界１６ａ、１６ｂを有するので、成長ドメイン１４ａ、１４ｂの材料は、外面に圧縮応力を生じさせることなくドメイン境界１６ａ、１６ｂ内に広がることができ、したがって高温でのクリープ緩和は予想されない。冷却時に、引張応力によってランダムで制御されない垂直亀裂が生じることがない。このようにして、持続的ピーク低周期疲労（ＳＰＬＣＦ）タイプの故障を緩和することができる。いくつかの実施形態では、多数の既存のドメイン境界１６ａ、１６ｂに起因してダウンショックが発生すると、ドメイン境界１６ａ、１６ｂの根元における応力強度が最小限に抑えられ、したがって深い潜在的な亀裂の確率を低減することができる。

本発明のさらなる実施形態は、上述のコーティング２０を含む物品を含む。コーティング２０のための上記の利点によって、それが高温用途における使用に適したものになる。したがって、いくつかの実施形態では、物品は、例えば、発電用または船舶、航空機または他の乗物の推進のためのガスタービンアセンブリを含む、ガスタービンアセンブリの構成部品であってもよい。例示的な構成部品は、タービンブレード、ステータベーン、および燃焼部品を含む。

本発明のコーティングは、それらの顕著な構造および特性を、少なくとも部分的には、それらの製造に使用される処理に頼っている。このプロセスは、ＰＶＤまたは真空プラズマスプレー堆積などの真空装置の使用を必要とするプロセスよりも経済的および製造上の利点を提供する空気プラズマスプレーを含むことができる。特に、このプロセスは、制御された方法でプラズマスプレートーチに供給され、基板上への堆積のためにプラズマプルームに注入される液体剤中に懸濁された微粒子を含む供給原料を使用する。

当業者であれば、所与の空気プラズマスプレープロセスにおける調整のために多くの異なる処理パラメータが利用可能であり、これらのパラメータの様々な組み合わせが異なる構造および特性を有するコーティングをもたらすことができることを理解するであろう。

本方法は、セラミック基質複合材料を含む様々な構成部品を作製するために使用することができる。例えば、本方法は、航空産業において構成部品を作製するために使用することができる。本方法は、空中および陸上のガスタービンエンジンの両方の高圧圧縮機（ＨＰＣ）、ファン、ブースタ、高圧タービン（ＨＰＴ）、および低圧タービン（ＬＰＴ）などの、ガスタービンエンジン用の構成部品を作製するために用いることができる。例えば、本方法は、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み、工業用および海洋用のガスタービンエンジンおよび補助動力ユニットを含む、ターボファンエンジンまたはターボ機械全体の部品を作製するために使用することができる。例えば、燃焼ライナー、シュラウド、ノズル、ブレードなどの構成部品は、本方法および材料で作製することができる。本開示は、ＣＭＣタービン部品用のコーティングに焦点を当てることができるが、コーティングは、ガスタービンエンジンの様々な部分ならびにガスタービンエンジンとは無関係の構成部品の保護を提供することができる。

図３は、本開示の一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。以下に一般的にターボファンエンジン１００を参照してさらに説明するが、本開示はまた、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み、工業用および海洋用のガスタービンエンジンおよび補助動力ユニットを含む、ターボファンエンジンまたはターボ機械全体に適用することもできる。

図３に示すように、ターボファン１００は、参照目的のために、それを貫通して延在する長手方向または軸方向中心軸線１０２を有する。一般に、ターボファン１００は、ファン部１０６の下流側に配置されたコアタービンまたはガスタービンエンジン１０４を含むことができる。

ガスタービンエンジン１０４は、一般的に、環状入口１２０を画定する実質的に管状の外側ケーシング１０８を含むことができる。外側ケーシング１０８は、複数のケーシングから形成することができる。外側ケーシング１０８は、直列の流れの関係で、ブースタもしくは低圧（ＬＰ）圧縮機１２２および高圧（ＨＰ）圧縮機１２４を有する圧縮機部と、燃焼部１２６と、高圧（ＨＰ）タービン１２８および低圧（ＬＰ）タービン１３０を含むタービン部と、ジェット排気ノズル部１３２と、を収容する。高圧（ＨＰ）シャフトすなわちスプール１３４は、ＨＰタービン１２８をＨＰ圧縮機１２４に駆動可能に接続する。低圧（ＬＰ）シャフトすなわちスプール１３６は、ＬＰタービン１３０をＬＰ圧縮機１２２に駆動可能に接続する。ＬＰスプール１３６はまた、ファン部１０６のファンスプールまたはシャフト１３８に連結することができる。特定の実施形態では、ＬＰスプール１３６は、直接駆動構成などでファンスプール１３８に直接連結することができる。代替的な構成では、ＬＰスプール１３６は、間接駆動またはギヤ駆動構成で、減速ギヤ変速装置などの減速装置１３７を介してファンスプール１３８に連結することができる。所望または必要に応じて、そのような減速装置をエンジン１００内の任意の適当なシャフト／スプールの間に含むことができる。

図３に示すように、ファン部１０６は、ファンスプール１３８に連結され、それから半径方向外向きに延在する複数のファンブレード１４０を含む。環状ファンケーシングまたはナセル１４２は、ファン部１０６および／またはガスタービンエンジン１０４の少なくとも一部を円周方向に囲む。ナセル１４２は、円周方向に離間した複数の出口ガイドベーン１４４により、ガスタービンエンジン１０４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、当業者であれば理解されたい。さらに、ナセル１４２の下流部分１４６（ガイドベーン１４４の下流）は、ガスタービンエンジン１０４の外側部分の上に延在し、その間にバイパス空気流路１４８を画定することができる。

ＨＰタービン１２８は、直列の流れの関係で、タービンロータブレード１５８（１つのみ示す）（「タービンブレード」とも呼ばれる）から軸方向に離間した第１段のステータベーン１５４（１つのみ示す）と、タービンロータブレード１６８（１つのみ示す）（「タービンブレード」とも呼ばれる）から軸方向に離間した第２段のステータベーン１６４（１つのみ示す）と、を含む。

図４は、本開示の一実施形態によるコーティングを形成する方法のフローチャートである。特に、図４は、ＣＭＣ構成部品をコーティングする方法を示す。方法４００は、基板の少なくとも一部に沿って内層を形成するステップ４１０と、内層に沿って第１の表面および第２の表面を有する外層を形成するステップ４２０と、を含む。内層は、空気プラズマスプレー（ＡＰＳ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）、静電スプレー補助蒸着（ＥＳＡＶＤ）、直接蒸着、およびこれらの組み合わせなどの任意の適切な方法により形成することができる。特定の実施形態では、外層は、熱スプレー技術を用いて作製することができ、その結果、外側のセグメント化層は、少なくとも部分的に溶融し固化した複数の粒子および実質的に等軸の粒状形態を有する。レーザースクライビング、スタンピング、テンプレートコーティング、マスクコーティング、およびこれらの組み合わせなどの他の技術も上記のいずれかと組み合わせて使用することができる。いくつかの実施形態では、方法４００は、内層を形成する前に、基板の少なくとも一部に沿ってボンドコートを形成するステップをさらに含む。

本発明が１つまたは複数の特定の実施形態に関して記述されてきたが、当業者により他の形態を採用できることは明らかである。本明細書に記述されるコーティング組成物と併せた「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」の使用は、コーティング組成物が指定された成分「から実質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ）」（つまり、指定された成分を含み、開示される基本的かつ新規な特徴に著しい悪影響を及ぼす他の成分を含まない）実施形態と、コーティング組成物が指定された成分「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ）」（すなわち、指定された成分のそれぞれに本来的かつ不可避的に存在する混入物を除けば、指定された成分のみを含む）実施形態を具体的に開示し、含むことが理解されるべきである。

本明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意の装置またはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。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。

１０ 基板
１２ 内層
１４ａ 成長ドメイン
１４ｂ 成長ドメイン
１６ａ ドメイン境界／成長境界
１６ｂ ドメイン境界／成長境界
１８ 外層
１８ａ 外層
１８ｂ 外層
２０ コーティング
２２ ボンドコート
３０ 表面
３２ 表面
３４ 表面
１００ ターボファンエンジン
１０２ 軸方向中心軸線
１０４ ガスタービンエンジン
１０６ ファン部
１０８ 外側ケーシング
１２０ 環状入口
１２２ ＬＰ圧縮機
１２４ ＨＰ圧縮機
１２６ 燃焼部
１２８ ＨＰタービン
１３０ ＬＰタービン
１３２ ジェット排気ノズル部
１３４ ＨＰスプール
１３６ ＬＰスプール
１３７ 減速装置
１３８ ファンスプール／シャフト
１４０ ファンブレード
１４２ ナセル
１４４ 出口ガイドベーン
１４６ 下流部分
１４８ バイパス空気流路
１５４ ステータベーン
１５８ タービンロータブレード
１６４ ステータベーン
１６８ タービンロータブレード

Claims (16)

1. ガスタービンエンジンのコーティングされた構成部品であって、
   表面（３０）を画定し、セラミック複合材料を含む基板（１０）と、
   表面（３２）を画定し、前記基板（１０）の前記表面（３０）に沿って配置された内層（１２）と、
   前記内層（１２）の前記表面（３２）に沿って配置された外層（１８ａ，１８ｂ）と、を含み、
   前記内層（１２）はセラミック材料を含み、４０体積％未満の多孔度を有し、前記外層（１８ａ，１８ｂ）に沿って連続し、
   前記外層（１８ａ，１８ｂ）は、ドメイン境界（１６ａ，１６ｂ）間に画定された複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）を含み、前記複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）は前記内層（１２）の前記セラミック材料と異なるコーティング材料を含み、前記ドメイン境界（１６ａ，１６ｂ）は前記複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）よりも低密度の前記コーティング材料を含み、前記成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）および前記ドメイン境界（１６ａ，１６ｂ）は、前記内層（１２）の前記表面（３２）に衝突する前に少なくとも部分的に溶融し該表面（３２）上で固化した複数の予凝縮物粒子を有し、前記ドメイン境界（１６ａ，１６ｂ）は、０％を超える密度の前記コーティング材料を含むとともに、前記成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）の膨張および収縮に対応できるように構成され、
   前記成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）の幅は２０μｍ～１００μｍであり、前記ドメイン境界（１６ａ，１６ｂ）の幅は、０．５μｍ～１００μｍである、ガスタービンエンジンのコーティングされた構成部品。
2. 前記外層（１８ａ，１８ｂ）の前記複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）の密度は、理論的密度の少なくとも７５％である、請求項１に記載のガスタービンエンジンのコーティングされた構成部品。
3. 前記内層（１２）は、希土類ケイ酸塩、アルカリ土類アルミノケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、およびこれらの組み合わせのうちの１つまたは複数を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジンのコーティングされた構成部品。
4. 前記複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）および前記ドメイン境界（１６ａ，１６ｂ）の前記コーティング材料は、ジルコニア、アルミナ、希土類ケイ酸塩、アルカリ土類アルミノケイ酸塩、およびこれらの組み合わせのうちの１つまたは複数を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジンのコーティングされた構成部品。
5. 前記複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）および前記ドメイン境界（１６ａ，１６ｂ）の前記コーティング材料は、希土類一ケイ酸塩を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジンのコーティングされた構成部品。
6. 前記複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）の各成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）は、２０μｍ～１００μｍの範囲の幅を有する、請求項１に記載のガスタービンエンジンのコーティングされた構成部品。
7. 前記複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）の密度は、理論的密度の少なくとも８５％である、請求項２に記載のガスタービンエンジンのコーティングされた構成部品。
8. 前記外層（１８ａ，１８ｂ）の５０体積％未満は、前記成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジンのコーティングされた構成部品。
9. 前記外層（１８ａ，１８ｂ）の少なくとも５０体積％以上は、前記成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジンのコーティングされた構成部品。
10. 前記基板（１０）と前記内層（１２）との間に配置されたボンドコート（２２）をさらに含む、請求項１に記載のガスタービンエンジンのコーティングされた構成部品。
11. ガスタービンエンジンのコーティングされたＣＭＣ構成部品を形成する方法（４００）であって、
    基板（１０）の少なくとも一部に沿って、表面（３２）を画定する内層（１２）を形成するステップ（４１０）と、
    前記内層（１２）の前記表面（３２）上にコーティング材料の熱スプレーを行うことにより、前記内層（１２）に沿って外層（１８ａ，１８ｂ）を形成するステップ（４２０）と、を含み、
    前記基板（１０）はセラミック複合材料を含み、
    前記内層（１２）は前記コーティング材料と異なるセラミック材料を含み、４０体積％未満の多孔度を有し、前記外層（１８ａ，１８ｂ）に沿って連続し、
    前記外層（１８ａ，１８ｂ）は、ドメイン境界（１６ａ，１６ｂ）間に画定された複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）を含み、前記複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）は前記コーティング材料を含み、前記ドメイン境界（１６ａ，１６ｂ）は前記複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）よりも低密度の前記コーティング材料を含み、前記成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）および前記成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）は、少なくとも部分的に溶融し固化した複数の粒子を有し、前記ドメイン境界（１６ａ，１６ｂ）は、０％を超える密度の前記コーティング材料を含むとともに、前記成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）の膨張および収縮に対応できるように構成され、
    前記成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）の幅は２０μｍ～１００μｍであり、前記ドメイン境界（１６ａ，１６ｂ）の幅は、０．５μｍ～１００μｍである、方法（４００）。
12. 前記外層（１８ａ，１８ｂ）の前記複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）の密度は、理論的密度の少なくとも７５％である、請求項１１に記載の方法（４００）。
13. 前記外層（１８ａ，１８ｂ）を形成するステップは、レーザースクライビング、スタンピング、テンプレートコーティング、マスクコーティング、またはこれらの組み合わせを、前記熱スプレーと組み合わせて使用することを含む、請求項１１に記載の方法（４００）。
14. 前記外層（１８ａ，１８ｂ）を形成するステップは、液体媒体中に懸濁した前記コーティング材料を含む懸濁液を提供するステップと、前記基板（１０）の表面（３０）の接線に対して９０度以下の角度で前記基板（１０）にスプレーするステップを含む、請求項１１に記載の方法（４００）。
15. 前記内層（１２）は、希土類ケイ酸塩、アルカリ土類アルミノケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、およびこれらの組み合わせのうちの１つまたは複数を含む、請求項１１に記載の方法（４００）。
16. 前記複数の成長ドメイン（１４ａ，１４ｂ）および前記ドメイン境界（１６ａ，１６ｂ）の前記コーティング材料は、ジルコニア、アルミナ、希土類ケイ酸塩、アルカリ土類アルミノケイ酸塩、およびこれらの組み合わせのうちの１つまたは複数を含む、請求項１１に記載の方法（４００）。

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