(57)【要約】【課題】コーティングされた構成部品（１００）を、その形成方法および使用方法とともに提供すること。【解決手段】コーティングされた構成部品（１００）はセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）基材（１０２）を含み、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）基材（１０２）は、炭化ケイ素を含み、その表面（１０３）にムライトボンドコート（１０４）を有する。ムライトボンドコート（１０４）は、ムライト相（１１２）内に含まれる酸素ゲッター相を含む。例えば、ムライトボンドコート（１０４）は、６０体積％〜９８体積％のムライト相（１１２）を含んでもよい。環境バリアコーティング（１０８）は、ムライトボンドコート（１０４）上にある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素を含み、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）内に含まれる酸素ゲッター相を含み、６０体積％〜９８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）上のムライトボンドコート（１０４）と、
前記ムライトボンドコート（１０４）上の環境バリアコーティング（１０８）と
を備えている、コーティングされた構成部品（１００）。
【請求項２】
前記ムライトボンドコート（１０４）が７５体積％〜９５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）。
【請求項３】
前記ムライト相（１１２）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、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
【請求項４】
前記ムライト相（１１２）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、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
【請求項５】
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）。
【請求項６】
前記酸素ゲッター相がケイ素相（１１０）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）。
【請求項７】
前記ケイ素相（１１０）がケイ素元素を含む、請求項６に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
【請求項８】
前記ムライトボンドコート（１０４）が２体積％〜４０体積％のケイ素元素を含む、請求項７に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
【請求項９】
前記ムライト相（１１２）が連続した相であり、前記酸素ゲッター相が前記ムライト相（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）。
【請求項１０】
前記ムライト相（１１２）が前記ムライトボンドコート（１０４）の厚さにわたっており、前記基材（１０２）の前記表面（１０３）および前記環境バリアコーティング（１０８）の内面（１０７）に直接接合された、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
【請求項１１】
前記環境バリアコーティング（１０８）が複数の層を備え、前記環境バリアコーティング（１０８）の前記層のうちの少なくとも１つが気密層（１１６）を備えており、前記気密層（１１６）が前記環境バリアコーティング（１０８）の前記内面（１０７）を画定するように、前記気密層（１１６）が前記ムライトボンドコート（１０４）に隣り合う、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
【請求項１２】
前記酸素ゲッター相がケイ素元素を含み、前記環境バリアコーティング（１０８）がハフニア層、アルミナ層、または両方を含む、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
【請求項１３】
前記酸素ゲッター相がケイ素元素を含み、前記環境バリアコーティング（１０８）が希土類二ケイ酸塩層、希土類一ケイ酸塩層、または両方を含む、請求項１に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
【請求項１４】
前記環境バリアコーティング（１０８）がハフニア層をさらに含む、請求項１３に記載のコーティングされた構成部品（１００）。
【請求項１５】
ムライトボンドコート（１０４）を基材（１０２）の表面（１０３）に形成するステップであって、前記ムライトボンドコート（１０４）が、ムライト相（１１２）内に含まれるケイ素相（１１０）を含み、前記ムライトボンドコート（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、
前記ケイ素相（１１０）が、溶融されると、前記基材（１０２）の前記表面（１０３）と前記環境バリアコーティング（１０８）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（１０８）を前記ムライトボンドコート（１０４）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（１００）を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
コーティングされた構成部品が、その形成方法および使用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セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）基材を含み、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）基材は、炭化ケイ素を含み、その表面にムライトボンドコートを有する。ムライトボンドコートは、ムライト相内に含まれる酸素ゲッター相を含む。例えば、ムライトボンドコートは６０体積％〜９８体積％のムライト相（例えば、７５体積％〜９５体積％のムライト相など、６５体積％〜９６体積％のムライト相）を含んでもよい。環境バリアコーティングはムライトボンドコート上にある。
【０００９】
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。
【００１０】
特定の実施形態では、酸素ゲッター相はケイ素相（例えば、ケイ素元素）を含む。例えば、ムライトボンドコートは２体積％〜４０体積％のケイ素元素を含んでもよい。
【００１１】
環境バリアコーティングは、ハフニア、アルミナ、希土類二ケイ酸塩、希土類一ケイ酸塩、または両方のうちの１つまたは複数の層を含んでもよい。
【００１２】
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。ムライトボンドコートは、ムライト相内に含まれるケイ素相を含み、ムライトボンドコートは６０体積％〜９５体積％のムライト相を含む。ケイ素相は、溶融されると、基材の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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ケイ素を含むムライトボンドコートを含む例示的なコーティングされた構成部品の側面断面図である。
【図２】連続的したムライト相の中に分離したケイ素相が分散している、ケイ素を含む例示的なムライトボンドコートの側面断面図である。
【図３】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。
【図４】ケイ素を含むムライトボンドコートを形成する例示的な方法の図である。
【図５】実例にしたがって形成された例示的なコーティングされた構成部品の概略図である。
【図６】実例にしたがって作られ、ムライトとＳｉとのボンドコートを有し、ＥＢＰＶＤによってハフニア外層をかぶせられた例示的なコーティングされた構成部品の断面図である。
【図７Ａ】実例による、２７００°Ｆ、１００時間の周期的な蒸気試験後の、図６の例示的なコーティングされた構成部品の断面図である。
【図７Ｂ】実例による、２７００°Ｆ、５００時間の周期的な蒸気試験後の、図６の例示的なコーティングされた構成部品の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
「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％）。
【００２１】
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。
【００２２】
酸素ゲッター相（例えば、ケイ素層）を含むムライトボンドコートを含むコーティングされた構成要素が全体的に提供される。酸素ゲッター相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。
【００２３】
特定の実施形態では、酸素ゲッター相内の酸素ゲッターは、基材とムライトとの熱膨張係数の不一致（例えば、１℃当たり約２〜３ｐｐｍより大きくない）を最小限にしてマトリックスの亀裂を避けることができる。しかしながら、当業者であれば、より大きな膨張係数の不一致はゲッター相の体積分率を下げることによって適応することができることを知っている。別の特定の実施形態では、酸素ゲッターは、ムライト相内の応力およびその亀裂を減らすために、酸化時の体積増大を最小限（例えば、１５０％以下、１００％以下が好ましい、酸化時に体積膨張するよりも体積減少する方がより好ましい）にすべきである。膨張係数の不一致および酸化時の体積変化に対する要件を満足する酸化ゲッター相については多くの実施形態が可能である。１つの実施形態では、ゲッターは純ケイ素である。別の実施形態では、ゲッターはケイ素合金またはケイ化物である。酸素ゲッター相がケイ素相（例えば、ケイ素元素）を含む実施形態では、ムライトボンドコートは、「ムライト／Ｓｉボンドコート」と呼ぶことができる。ケイ素の酸化は、非晶質シリカを形成するときは約１１５％〜約１３０％の体積膨張を引き起こし、結晶シリカを形成するといは約８５％の体積膨張を引き起こす。しかしながら、酸化生成物は、最初は常に非晶質で、それから時間とともに結晶になることがある。
【００２４】
酸素ゲッターの他の実施形態は、限定するものではないが、ニッケル、コバルト、クロム、またはそれらの混合物を含むことができる。これらの酸素ゲッターはまた、ケイ素、ケイ素合金、および／またはケイ化物を有する特定の実施形態で使用することができる。例えば、ニッケルは、基材およびムライトとの膨張の不一致がより大きい（１℃当たりほとんど８ｐｐｍ）。したがって、許容できるニッケルの最大体積分率は、不一致が１℃当たり１ｐｐｍより小さいケイ素よりも少ない。しかしながら、ニッケルは、ケイ素が非晶質ケイ素へ変換するに対して体積膨張が約１１５％〜約１３０％であるのに比べると、酸化時の体積膨張は約６５％である。一方、クロムは、基材およびムライトとの膨張の不一致はニッケルよりも小さい。クロムはまた、その溶融温度（１９０７℃）が、ケイ素（１４１０℃）およびニッケル（１４５５℃）と比べて高い。
【００２５】
１つの特定の実施形態では、ムライトボンドコートは、ムライト相内に（ケイ素相として）含まれるケイ素元素から形成される。下でより詳細に説明するように、ムライト内のケイ素元素は、コーティングされた構成部品の作動中に溶融するが、ムライト相内に含まれたままでボンドコートの機能を保つことができる。ムライトボンドコートのこのような機能は、限定するものではないが、基材をその上のＥＢＣに接合し、ガスを放出することなく酸素をゲッタリングすることを含んで、さもなければガス状副生成物を生じる下地基材の酸化を防ぐことができる。したがって、（例えば、ガスタービンエンジン内の）コーティングした構成部品の作動中に、ムライトボンドコート内で液体ケイ素相は利用され得る。ムライトボンドコートは、ケイ素相の融点より上で機能し続けるので、コーティングされた構成部品をケイ素相の融点より上の温度で動作させることができる。
【００２６】
ケイ素は酸化してＳｉＣからＣＯのようなガスを形成することはないが、水酸化ケイ素ガス種を形成する。しかしながら、水酸化ケイ素ガス種の分圧は非常に低いので気泡を形成しない。さらに、これらの分圧は、ガス表面の外側へ相互接続された気孔がなければ、減肉をもたらさない。したがって、外側へ相互接続された気孔が、最小限のわずかな気孔率か、またはないことが望ましい。
【００２７】
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。
【００２８】
一般的に、コーティングシステム１０６は、基材の表面１０３上にムライトボンドコート１０４、ムライトボンドコート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。
【００２９】
図２の例示的な実施形態では、ムライトボンドコート１０４は連続したムライト相１１２を有し、その中に分離したケイ素相１１０が分散している。ケイ素相１１０は分離しているように示されているが、液体ケイ素がコーティングを剥離させない限り、ケイ素相がある程度連続していても許容することができる。ムライトボンドコート１０４のこの構成にもかかわらず、ケイ素相１１０は、溶融時に、基材１０２の表面１０３と環境バリアコーティング１０８の内面１０７との間のムライト相１１２内に含まれている。すなわち、ムライト相１１２は、ムライトボンドコート１０４の厚さにわたって３次元網状組織を形成することができ、それは基材１０２の表面１０３に、およびに環境バリアコーティング１０８の内面１０７に接合される。したがって、ムライト相１１２は、基材１０２の表面１０３から剥離することなく、ムライトボンドコート１０４の完全性を保ちながら基材１０２の表面１０３および環境バリアコーティング１０８と協働して溶融したケイ素相を内部に含む。
【００３０】
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。
【００３１】
ムライト相１１２は、ムライトボンドコート１０４に構造的完全性を提供する量でムライトボンドコート１０４内に含まれ、一方、ケイ素相１１０はケイ素元素の融点（すなわち、約１４１４℃）より上の動作温度で溶融される。したがって、ムライトボンドコート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、ムライトボンドコート１０４は、６５体積％〜９６％体積％のムライトなど、６０体積％〜９８体積％のムライト（例えば、７５体積％〜９５体積％のムライト）を含んでもよい。
【００３２】
逆に、ケイ素相１１０は、酸素ゲッターとして働くのに十分な量でムライトボンドコート１０４に含まれる。１つの特定の実施形態では、ケイ素相１１０は、金属ケイ素（すなわち、ケイ素元素）、ケイ素合金（例えば、ケイ素共晶合金）、約１５００℃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。したがって、ケイ素相１１０は、ケイ素相１１０の組成に応じて、約１４００℃〜約１５００℃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℃（すなわち、ケイ素元素の融点）〜約１４８５℃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℃、１４２５℃、１４５０℃、１４７５℃、および／または１５００℃のボンドコートの温度で溶融するケイ素材料から形成することができる。
【００３３】
例えば、特定の実施形態では、ムライトボンドコート１０４は、４体積％〜３５体積％のケイ素相１１０など、２体積％〜４０体積％のケイ素相１１０（例えば、５体積％〜２５体積％のケイ素相１１０）を含んでもよい。特定の実施形態では、例えば、ケイ素相１１０は、約７重量％〜３５重量％のケイ素元素など、５体積％〜４０体積％のケイ素元素（例えば、５体積％〜２５体積％のケイ素元素）を含んでもよい。ケイ素元素は、約１４１４℃の融点を有する。「ケイ素元素」は、本明細書で使用するとき、付随する不純物を除いて、いかなる合金材料も存在しないケイ素を指す。
【００３４】
特定の実施形態では、約１５００℃以下（例えば、約１４００℃〜約１５００℃）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は、Ｓｉ相図を使用して容易に決定することができる。
【００３５】
特定の実施形態では、ムライト相１１２は、ケイ素相１１０よりも高い溶融温度を有する結晶化ムライトから形成される。特定の実施形態では、ムライトは、約１８２５℃〜１８６０℃（例えば、約１８４０℃）の溶融温度を有し、これはケイ素相１１０のケイ素材料（例えば、ケイ素元素）とは一般的には反応しない。
【００３６】
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。
【００３７】
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、ボンドコート１０４内のＳｉ相の外面に直接生じることがある。
【００３８】
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。
【００３９】
上記のように、ムライトボンドコート１０４は、（ムライト相のない）ケイ素ボンドコートのみ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要素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。
【００４０】
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、ケイ素相１１０を溶融時にムライトボンドコート１０４内に収容するように、ムライトボンドコート１０４に直接配置された気密層１１６を含む。１つの実施形態では、この気密層は、２ミルまでの厚さ、好ましくは約０．１ミル〜約１ミルの厚さ（例えば、約０．１ミル〜約０．５ミルの厚さ）のムライトの層である。ケイ素相１１０は酸素と反応して酸化ケイ素を形成するので、構成部品１００が動作温度で酸素に曝されると最小限のガス状酸化物（例えば、酸化炭素）しか生成されない。したがって、ムライトボンドコート１０４を通ってガスを逃がす層の必要がなく、気密層はＥＢＣ１０８内に含まれてもよい。水蒸気がボンドコートに入らないよう気密層を有することがいっそう望ましい。１つの実施形態では、気密層１１６は、ムライトボンドコート１０４に直接配置されてもよいが、ＥＢＣ１０８内のどこか別なところに配置されてもよい。
【００４１】
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。
【００４２】
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。例えば、炭化水素燃料の燃焼から生じるガス相の水蒸気を含む他の高温用途にも適用可能である。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、ムライトボンドコートは、ムライトボンドコート１０４に関して上記したように、ムライト相内に含まれるケイ素相を含むように基材の表面に形成される。
【００５０】
１つの実施形態では、ムライト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。
【００５１】
４０４において、環境バリアコーティング（ＥＢＣ）がムライトボンドコート上に形成される。上記のように、ケイ素相は、溶融されると、基材の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。
【００５２】
（実施例）
図５は、基材５０２上のコーティングシステム５００の概略を示しており、このコーティングシステム５００は、ムライトとケイ素との二層構造であるボンドコート５０４と密な外層５０６よりなる。このボンドコート５０４では、ケイ素が酸素ゲッターで、酸化してシリカを形成する。ケイ素相もシリカ酸化生成物相も、この実施形態では連続的である必要はない。使用温度では、ケイ素は液体の場合がある。外層は、酸化物のいくつかの副層を含むことがある。
【００５３】
図６は、図５に示した構成にしたがって形成された例示的なコーティングを示す。ムライト−Ｓｉボンドコートはスラリー式プラズマ溶射によって施工され、外層は電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって施工され、ハフニアから形成された。この実施形態では、外層は、スラリー式プラズマ溶射によって生成された柱状構造よりも実質的に高密度であるが、それでも柱状構造を保っており、したがって完全には密ではない。この構造の外層は、ＣＴＥの不一致から生じる熱応力に対してある程度の耐性を維持しながら、耐エロージョン性が改善されるように設計されている。
【００５４】
図６に示したコーティングは、２７００°Ｆ（約１４８２℃）において周期的な蒸気試験を受けた。供試品は、５００時間〜１０００時間の試験を剥離することなく生き残った。図７Ａ（１００時間後）および図７Ｂ（５００時間後）に示すように、ボンドコートは、耐酸化性が改善されたことが示された。このコーティングは耐エロージョン性も優れていた。これは、高温ガスエロージョン試験では、ＥＢ−ＰＶＤのＨｆＯ２のトップコートの代わりのスラリー式プラズマ溶射のアルミナのトップコートでの類似の供試品に比べると、５倍のサイクルを生き残った。
【００５５】
図６および図７の供試品は、ムライト−Ｓｉ／ＨｆＯ２のコーティング構成を有していた。ムライト−Ｓｉボンドコート層を有するコーティングシステムの他の例としては、ムライト−Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３／ＨｆＯ２、ムライト−Ｓｉ／ＲＥＤＳ（Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ  Ｄｉ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ、希土類二ケイ酸塩）／ＲＥＭＳ（Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ  Ｍｏｎｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ、希土類一ケイ酸塩）、ムライト−Ｓｉ／ＨｆＯ２／ＲＥＤＳ／ＲＥＭＳ、ムライト−Ｓｉ／ＨｆＳｉＯ４／ＲＥＤＳ／ＲＥＭＳ、およびムライト−Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３／ＲＥＤＳ／ＲＥＭＳが挙げられる。希土類（ＲＥ：Ｒａｒｅ  Ｅａｒｔｈ）を含む構造は、希土類一ケイ酸塩の外層を有してもよいし、有さなくてもよい。対象となるいくつかの特定の希土類金属はイッテルビウムおよびルテチウムである。
【００５６】
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。
【００５７】
本発明のさらなる態様は、以下の項の主題によって提供される。
【００５８】
［項１］炭化ケイ素を含み、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酸素ゲッター相を含み、６０体積％〜９８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ボンドコートと、前記ムライト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。
【００５９】
［項２］前記ムライトボンドコートが６５体積％〜９６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。
【００６０】
［項３］前記ムライトボンドコートが７５体積％〜９５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。
【００６１】
［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。
【００６２】
［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。
【００６３】
［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。
【００６４】
［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。
【００６５】
［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。
【００６６】
［項９］前記酸素ゲッター相がケイ素相を含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
【００６７】
［項１０］前記ケイ素相がケイ素元素を含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
【００６８】
［項１１］前記ムライトボンドコートが２体積％〜４０体積％のケイ素元素を含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
【００６９】
［項１２］前記ムライト相が連続した相であり、前記酸素ゲッター相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。
【００７０】
［項１３］前記ムライト相が前記ムライトボンドコートの厚さにわたっており、前記基材の前記表面および前記環境バリアコーティングの内面に直接接合された、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
【００７１】
［項１４］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つが気密層を備えている、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
【００７２】
［項１５］前記気密層が前記環境バリアコーティングの前記内面を画定するように、前記気密層が前記ムライトボンドコートに隣り合う、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
【００７３】
［項１６］前記ムライトボンドコートが約１４７５℃〜約１６５０℃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。
【００７４】
［項１７］前記酸素ゲッター相がケイ素元素を含み、前記環境バリアコーティングがハフニア層、アルミナ層、または両方を含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
【００７５】
［項１８］前記酸素ゲッター相がケイ素元素を含み、前記環境バリアコーティングが希土類二ケイ酸塩層、希土類一ケイ酸塩層、または両方を含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
【００７６】
［項１９］前記環境バリアコーティングがハフニア層をさらに含む、任意の前項に記載のコーティングされた構成部品。
【００７７】
［項２０］ムライト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、前記ムライトボンドコートが、ムライト相内に含まれるケイ素相を含み、前記ムライトボンドコートが６０体積％〜９５体積％の前記ムライト相を含む、ステップと、前記ケイ素相が、溶融されると、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。
【符号の説明】
【００７８】
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）スプール
３６  低圧（ＬＰ）スプール
３８  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  基材の表面
１０４  ムライトボンドコート
１０６  コーティングシステム
１０７  環境バリアコーティングの内面
１０８  環境バリアコーティング
１１０  ケイ素相
１１２  ムライト相
１１４  層
１１６  気密層
４００  方法
５００  コーティングシステム
５０２  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
【図１】
2020100545.tif 000003
【図２】
2020100545.tif 000004
【図３】
2020100545.tif 000005
【図４】
2020100545.tif 000006
【図５】
2020100545.tif 000007
【図６】
2020100545.tif 000008
【図７Ａ】
2020100545.tif 000009
【図７Ｂ】
2020100545.tif 000010
【外国語明細書】
2020100545000001.pdf