(57)【要約】【課題】層状配列、高温ガス経路構成部品、および層状配列を形成するプロセスお提供する。【解決手段】層状配列は、基板層と、セラミック・マトリックス複合材料層と、基板層とセラミック・マトリックス複合材料層との間の非金属スペーサであって、１または複数のポケットを画定するように構成された非金属スペーサとを備える。高温ガス経路構成部品は、ニッケル系超合金層と、セラミック・マトリックス複合材料層と、ニッケル系超合金層とセラミック・マトリックス複合材料層との間のセラミック・スペーサとを備えている。セラミック・スペーサは、基板層およびセラミック・マトリックス複合材料層の一方または両方に機械的に固定され、またセラミック・スペーサは、基板層またはセラミック・マトリックス複合材料層に接合されている。プロセスには、層状配列の基板層とセラミック・マトリックス複合材料層との間に非金属スペーサを固定することが含まれている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板層と、
セラミック・マトリックス複合材料層と、
前記基板層と前記セラミック・マトリックス複合材料層との間の非金属スペーサであって、１または複数のポケットを画定するように構成された非金属スペーサと、を備える層状配列。
【請求項２】
前記基板層はニッケル系超合金である請求項１に記載の層状配列。
【請求項３】
前記非金属スペーサはセラミックである請求項１に記載の層状配列。
【請求項４】
前記非金属スペーサには遮熱コーティングが含まれる請求項１に記載の層状配列。
【請求項５】
前記非金属スペーサにはイットリア安定化ジルコニアが含まれる請求項１に記載の層状配列。
【請求項６】
前記非金属スペーサは少なくとも部分的に前記層状配列内の捕捉空気である請求項１に記載の層状配列。
【請求項７】
前記層状配列はタービンの高温ガス経路構成部品である請求項１に記載の層状配列。
【請求項８】
前記層状配列はタービン・ノズルの側壁である請求項１に記載の層状配列。
【請求項９】
前記層状配列は翼表面である請求項１に記載の層状配列。
【請求項１０】
前記層状配列はタービン・シュラウドである請求項１に記載の層状配列。
【請求項１１】
前記非金属スペーサには前記層状配列に沿って延びる尾根部分が含まれる請求項１に記載の層状配列。
【請求項１２】
前記非金属スペーサには交差する尾根部分が含まれる請求項１に記載の層状配列。
【請求項１３】
前記非金属スペーサは前記１または複数のポケットを画定し、前記１または複数のポケットは空気を捕捉するために配列される請求項１に記載の層状配列。
【請求項１４】
前記非金属スペーサは前記１または複数のポケットを画定し、前記１または複数のポケットには熱的に絶縁性の物質が充填される請求項１に記載の層状配列。
【請求項１５】
前記非金属スペーサは前記基板層および前記セラミック・マトリックス複合材料層の一方または両方に機械的に固定される請求項１に記載の層状配列。
【請求項１６】
前記非金属スペーサは前記基板層または前記セラミック・マトリックス複合材料層に接合される請求項１に記載の層状配列。
【請求項１７】
前記非金属スペーサの熱伝導度は前記基板層の熱伝導度の少なくとも１／３である請求項１に記載の層状配列。
【請求項１８】
前記基板層は少なくとも１０ミル厚であり、前記セラミック・マトリックス複合材料層は少なくとも２０ミル厚であり、前記非金属スペーサは最大厚さ寸法が少なくとも３０ミルである請求項１に記載の層状配列。
【請求項１９】
タービンの高温ガス経路構成部品であって、
ニッケル系超合金層と、
セラミック・マトリックス複合材料層と、
前記ニッケル系超合金層と前記セラミック・マトリックス複合材料層との間のセラミック・スペーサと、を備え、
前記セラミック・スペーサは、前記基板層および前記セラミック・マトリックス複合材料層の一方または両方に機械的に固定され、
前記セラミック・スペーサは、前記基板層または前記セラミック・マトリックス複合材料層に接合される、タービンの高温ガス経路構成部品。
【請求項２０】
層状配列を形成するプロセスであって、前記層状配列の基板層とセラミック・マトリックス複合材料層との間に非金属スペーサを固定することを含むプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製造構成部品および製造構成部品を形成するプロセスに関する。より具体的には、本発明は、層状配列と層状配列内にセラミック・マトリックス複合材料層を有する構成部品とに関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック・マトリックス複合材料は高温度耐性を有することが知られている。しかし、このようなセラミック・マトリックス複合材料を用いる構成部品は、応力抵抗が低くて望ましくない可能性がある。対照的に、金属構成部品は応力抵抗が高い可能性がある。しかし、金属構成部品は高温にさらされると（たとえばタービンの高温ガス経路に沿って）、このような応力抵抗はこのような高温時には低下する。
【０００３】
異なる材料を有する層状の構成部品は問題があることが知られている。このような問題は、異なる特性を有する材料が直接接触する場合により大きい。たとえば、熱膨張、熱伝導度、および他の特性の係数に差があると、これらの層の間の界面が剥離しおよび／または望ましくない特徴部を形成する可能性があり、その結果、このような層状の構成部品の用途が限定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８，０４７，７７３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記欠点の１または複数を被ることがない層状配列、高温ガス経路構成部品、および層状配列を形成するプロセスがあれば、当該技術分野において望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
典型的な実施形態においては、層状配列が、基板層と、セラミック・マトリックス複合材料層と、基板層とセラミック・マトリックス複合材料層との間の非金属スペーサであって、１または複数のポケットを画定するように構成された非金属スペーサと、を備えている。
【０００７】
別の典型的な実施形態においては、タービンの高温ガス経路構成部品が、ニッケル系超合金層と、セラミック・マトリックス複合材料層と、ニッケル系超合金層とセラミック・マトリックス複合材料層との間のセラミック・スペーサとを備えている。セラミック・スペーサは、基板層およびセラミック・マトリックス複合材料層の一方または両方に機械的に固定され、またセラミック・スペーサは、基板層またはセラミック・マトリックス複合材料層に接合されている。
【０００８】
別の典型的な実施形態においては、層状配列を形成するプロセスには、層状配列の基板層とセラミック・マトリックス複合材料層との間に非金属スペーサを固定することが含まれている。
【０００９】
本発明の他の特徴および利点は、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明を添付図面とともに参照することによって明らかとなる。添付図面では、一例として、本発明の原理を例示する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】開示内容の実施形態による典型的な層状配列の側面図である。
【図２】開示内容の実施形態による典型的な層状配列の斜視図である。
【図３】開示内容の実施形態による層状の側壁を有する典型的なタービン・ノズルの斜視図である。
【図４】開示内容の実施形態による層状表面を有する典型的な翼の断面図である。
【図５】開示内容の実施形態による層状配列を有する典型的なタービン・シュラウドの側面図である。
【図６】図５に示す典型的なタービン・シュラウドのラインＡ−Ａに沿った断面図である。
【図７】開示内容の実施形態による層状配列を有する典型的なタービン・シュラウドの切り欠き斜視図である。
【図８】開示内容による複数の尾根部分を有する典型的な非金属スペーサの斜視図である。
【図９】開示内容による複数の尾根部分を有する典型的な非金属スペーサの斜視図である。
【図１０】開示内容による複数の交差する尾根部分を有する典型的な非金属スペーサの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
可能な限り、図面の全体に渡って同じ参照番号を用いて同じ部品を表わしている。
【００１２】
開示内容による典型的な層状配列、高温ガス経路構成部品、および層状配列を形成するプロセスが提供される。本開示の実施形態によって、たとえば、セラミック・マトリックス複合材料と金属層とが直接接触する層状の構成部品を用いる場合と比べて、構成部品をより高温でおよび／またはより長時間用いることが可能になり、セラミック・マトリックス複合材料および金属または金属基板の積極的な特質を層状の構成部品において用いることが可能になり、タービン効率を増加させることが可能になり、タービン部品（たとえば、高温ガス経路構成部品）の使用／耐久性を拡張することが可能になり、タービン品質を増加させることが可能になり、タービン内の燃焼温度を高くすることが可能になり、構成部品の層の間の温度勾配を高くすることが可能になり、またはそれらの組み合わせが可能になる。
【００１３】
図１および２に層状配列１００を示す。層状配列１００は、基板層１０２と、セラミック・マトリックス複合材料層１０４と、基板層１０２とセラミック・マトリックス複合材料層１０４との間の１または複数の非金属スペーサ１０６とを備えている。一実施形態においては、タービン部品１０１の一部が、層状配列１００を備え、タービン部品１０１の表面１１１を画定している。たとえば、高温ガス経路１０９（図１を参照）、タービン・ノズル３００（図３を参照）の側壁３０２（図３を参照）、翼４００（図４を参照）の翼表面４０２（図４を参照）、タービン・シュラウド５００（図５を参照）、またはそれらの組み合わせである。それに加えてまたはその代わりに、層状配列１００は、応力を受ける構成部品（たとえば、タービン・ケース）とともに用いることができる。
【００１４】
図１および２を参照して、基板層１０２、セラミック・マトリックス複合材料層１０４、および非金属スペーサ１０６には、所望の特性に基づいて任意の好適な寸法が含まれている。たとえば、基板層１０２に対する好適な基板厚さ１０３は、少なくとも約１０ミル、少なくとも約１５ミル、少なくとも約２０ミル、約１０ミル〜約３０ミル、約１５ミル〜約２５ミル、約１０ミル〜約２０ミル、約２０ミル〜約３０ミル、約２０ミル、またはその任意の好適な組み合わせ、部分組み合わせ、範囲、もしくは部分範囲である。セラミック・マトリックス複合材料層１０４に対する好適なセラミック・マトリックス複合材料厚さ１０５は、少なくとも約２０ミル、少なくとも約３０ミル、少なくとも約４０ミル、約３０ミル〜約５０ミル、約３０ミル〜約４０ミル、約４０ミル〜約５０ミル、約３５ミル〜約４５ミル、約４０ミル、またはその任意の好適な組み合わせ、部分組み合わせ、範囲、もしくは部分範囲である。以下でより詳細に説明するように、非金属スペーサ１０６の寸法は非金属スペーサ１０６の形状に依存する。
【００１５】
基板層１０２は任意の好適な材料である。好適な材料としては、これらに限定されないが、ニッケル系合金および超合金、クロム系合金および超合金、コバルト系合金および超合金、鉄系合金および超合金、またはそれらの組み合わせが挙げられる。一実施形態においては、基板層１０２の応力抵抗特性は、セラミック・マトリックス複合材料層１０４および／または他の同様のセラミック・マトリックス複合材料のそれを上回っている。
【００１６】
セラミック・マトリックス複合材料層１０４は、所望の応用例に対する特性を与える任意の好適な材料である。特性は、たとえば高温ガス経路１０９に沿っての温度耐性であり、タービン部品の温度は１，０００℃を超える。セラミック・マトリックス複合材料層１０４に対する好適な材料としては、これらに限定されないが、炭素、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ムライト（Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ4）、またはそれらの組み合わせが挙げられる。セラミック・マトリックス複合材料層１０４の繊維強化材は、炭素、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ムライト（Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ4）、またはそれらの組み合わせを用いる。
【００１７】
非金属スペーサ１０６によって、セラミック・マトリックス複合材料層１０４の任意の好適な部分または全部が基板層１０２から分離されている。一実施形態においては、非金属スペーサ１０６を、基板層１０２およびセラミック・マトリックス複合材料層１０４の一方または両方に機械的に固定すること（たとえば、図６に示すように）を、突出する特徴部６０２（セラミック・マトリックス複合材料層１０４および／または基板層１０２上）と溝６０４（セラミック・マトリックス複合材料層１０４および／または基板層１０２上）とを噛み合わせることによって行なう。それに加えてまたはその代わりに、非金属スペーサ１０６は、基板層１０２またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４に接合されている。
【００１８】
非金属スペーサ１０６の寸法および形状は、基板層１０２およびセラミック・マトリックス複合材料層１０４の構成に依存する。図５に示すように、一実施形態においては、複数の非金属スペーサ１０６の寸法は、位置決めに基づいて一貫していない。他の実施形態においては、図３に示すように、非金属スペーサ１０６の寸法は実質的に一定である。それに加えてまたはその代わりに、いくつかの実施形態においては、非金属スペーサ１０６を個別のスペーサ・ボディ１０８として配列する。スペーサ・ボディ１０８は、スペーサ・コーティング１１０から延び（図２に示す通り）、基板層１０２から延び（図７に示す通り）、および／またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４から延びる。
【００１９】
図８〜１０に示すように、いくつかの実施形態においては、非金属スペーサ１０６は、配列１００（図１を参照）に沿って延びる１または複数の尾根部分８０２として配列されている。尾根部分８０２には、プラトー８０４（図８を参照）、ピーク９０２（図９を参照）、交差する尾根部分１００２（図１０を参照）、またはそれらの組み合わせが含まれている。図１に示すように、一実施形態においては、スペーサ厚さ１０７（スペーサ・ボディ１０８と、もしあればスペーサ・コーティング１１０との厚さ）は、少なくとも約３５ミル、少なくとも約４０ミル、少なくとも約４５ミル、約３５ミル〜約５５ミル、約３５ミル〜約４５ミル、約４５ミル〜約５５ミル、約４０ミル〜約５０ミル、約４５ミル、またはその任意の好適な組み合わせ、部分組み合わせ、範囲、もしくは部分範囲である。
【００２０】
図８〜１０を再び参照して、一実施形態においては、非金属スペーサ１０６によってポケット８０６が画定されている。ポケット８０６は、物質１１２（図１を参照）を収容することができる。物質１１２は、たとえば空気および／または任意の他の好適な物質であって、基板層１０２および／またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４よりも大きな断熱が可能な物質である。好適な物質としては、これらに限定されないが、停滞空気、流動空気、繊維、燃料、冷却液（停滞および／または流動）、液体、ゲル、蒸気、またはそれらの組み合わせが挙げられる。一実施形態においては、非金属スペーサ１０６およびポケット８０６は、基板層１０２およびセラミック・マトリックス複合材料層１０４によって完全に囲まれており、その結果、ポケット８０６内への流れが防止されている。あるいは、非金属スペーサ１０６およびポケット８０６は完全には囲まれておらず、その結果、ポケット８０６の１または複数内への流れおよびそこから出る流れが可能になっている。
【００２１】
非金属スペーサ１０６は、任意の好適な材料であって、セラミック・マトリックス複合材料層１０４と基板層１０２との間の熱伝達を低減することができ、また基板層１０２からセラミック・マトリックス複合材料層１０４への応力の影響を低減することができる材料である。非金属スペーサ１０６に対する好適な材料としては、これらに限定されないが、セラミックス、イットリア安定化ジルコニア、ジルコン酸ガドリニウム、希土類ジルコン酸塩、遮熱コーティング、またはそれらの組み合わせが挙げられる。たとえば、好適な材料の熱伝導度は、少なくとも基板層１０２を下回る所定の量であり、たとえば、基板層１０２の熱伝導度の約１／１０〜約１／３、基板層１０２の熱伝導度の約１／３〜約１／２、基板層１０２の熱伝導度の約１／４〜約１／２、基板層１０２の熱伝導度の約１／４〜約１／３、基板層１０２の熱伝導度の約１／１０〜約１／３、約１／２、約１／４、約１／３、約１／１０、またはその任意の好適な組み合わせ、部分組み合わせ、範囲、もしくは部分範囲である。
【００２２】
非金属スペーサ１０６、個別のスペーサ・ボディ１０８、スペーサ・コーティング１１０、またはそれらの組み合わせは、基板層１０２および／またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４に対して成長および／または付加される。一実施形態においては、このような付加は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、大気プラズマ・スプレー（ＡＰＳ）、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）、静電スプレー・アシスト蒸着（ＥＳＡＶＤ）、ダイレクト蒸着、他の好適なスプレー技術、またはそれらの組み合わせである。さらなる実施形態においては、非金属スペーサ１０６を、基板層１０２を機械加工した後および／またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４を形成した／硬くした後に配置することによって、基板層１０２および／またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４の幾何学的特徴を補完する。たとえば、この実施形態においては、非金属スペーサ１０６内のポケット８０６は、少なくとも部分的に、基板層１０２および／またはセラミック・マトリックス複合材料層１０４の非平面特徴部によって画定される。別の実施形態においては、非金属スペーサ１０６が付加されるのは、既存の層を剥がした後である。既存の層は、たとえば、長時間使用後の非金属スペーサ１０６、基板層１０２、セラミック・マトリックス複合材料層１０４、またはそれらの組み合わせである。
【００２３】
本発明を、好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者であれば分かるように、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変形を施しても良く、またその要素の代わりに均等物を用いても良い。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの変更を施しても良い。したがって本発明は、本発明を行なうために考えられたベスト・モードとして開示された特定の実施形態には限定されず、本発明には、添付の請求項の範囲に含まれるすべての実施形態が含まれることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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