(57)【要約】  基材の表面に配置されるコーティング系が提供される。コーティング系は、基材の表面のボンドコーティングと、ボンドコーティング上の保護コーティングと、保護コーティング上の遮熱コーティングと、遮熱コーティングの空隙の少なくとも一部内に配置された保護剤とを含む。保護コーティングは、セラミック材料で構成され、遮熱コーティングは、表面に接した複数の細長い空隙を画定する。かかるコーティング系を形成するための方法もまた、概ね提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材（１２０）の表面（１１５）に配置されるコーティング系（１０２）であって、
前記基材（１２０）の前記表面（１１５）のボンドコーティング（１４０）と、
前記ボンドコーティング（１４０）上の保護コーティング（１４５）であり、セラミック材料を含む保護コーティング（１４５）と、
前記保護コーティング（１４５）上の遮熱コーティング（１１０）であり、表面に接した複数の細長い空隙（１３０）を画定する遮熱コーティング（１１０）と、
前記遮熱コーティング（１１０）の前記空隙（１３０）の少なくとも一部内に配置された保護剤（１５０）と
を備えるコーティング系（１０２）。
【請求項２】
前記セラミック材料は、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、またはそれらの混合物を含む、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項３】
前記セラミック材料は、安定化酸化ハフニウム、安定化酸化ジルコニウム、またはそれらの混合物を含む、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項４】
前記セラミック材料は、イットリア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、インジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア、ランタナ安定化ジルコニア、ガドリニア安定化ジルコニア、またはそれらの混合物を含む、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項５】
前記遮熱コーティング（１１０）は、約２５ミクロン〜約２０００ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項６】
前記保護コーティング（１４５）は、前記遮熱コーティング（１１０）の前記厚さの約１／４〜約１／８の厚さを有する、請求項５に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項７】
前記保護コーティング（１４５）は、約２ｇ／ｃｍ３〜約６ｇ／ｃｍ３の密度を有する、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項８】
前記保護コーティング（１４５）は、約０％〜約５０％の細孔率を有する、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項９】
前記ボンドコーティング（１４０）上の熱成長酸化物（１４２）をさらに備え、前記熱成長酸化物（１４２）が前記ボンドコーティング（１４０）と前記保護コーティング（１４５）との間に配置されている、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項１０】
前記保護剤（１５０）は、液体名目ＣＭＡＳと化学的に反応して、前記名目ＣＭＡＳの晶析場の範囲外の固体結晶性生成物を形成できる物質を含む、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項１１】
前記保護剤（１５０）は、窒化物、酸化物、またはそれらの組合せを含む、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項１２】
前記保護剤（１５０）は、希土類酸化物を含む、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項１３】
前記酸化物は、ランタン、ネオジム、エルビウム、セリウム、またはガドリニウムを含む、請求項１２に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項１４】
前記酸化物は、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、タンタル、またはニオブをさらに含む、請求項１３に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項１５】
前記保護剤（１５０）は、ウェーバライト結晶構造を有する物質を含む、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項１６】
前記物質は、希土類元素と、酸素と、タンタルおよびニオブから成る群から選択される元素とを含む、請求項１５に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項１７】
前記物質は、名目式Ａ３ＢＸ７を有し、ここで、Ａが希土類金属元素を含み、Ｂがタンタル、ニオブ、またはそれらの組合せを含み、Ｘが酸素、フッ素、またはそれらの組合せを含む、請求項１６に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項１８】
前記保護剤（１５０）は、名目式Ａ１−ｘＢｘＺｒ４−ｙＤｙ（ＰＯ４）ｚを有する酸化物を含み、ここで、ＡおよびＢが、アルカリ土類金属および希土類金属から成る群から選択され、Ｄがハフニウムまたはチタンであり、ｘが０〜１の数であり、ｙが０〜４の数であり、ｚが３〜６である、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項１９】
前記保護剤（１５０）は、ＭＺｒ４（ＰＯ４）６を含み、ここで、Ｍが、少なくとも１つのアルカリ土類金属を含む、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【請求項２０】
前記固体結晶性生成物は、約１２００℃よりも高い融解温度を有する、請求項１に記載のコーティング系（１０２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して、熱保護コーティングを用いる物品に関する。特に、本開示は、微粉材料との高温相互作用による劣化に抵抗するコーティングを用いる物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
遮熱コーティングは典型的に、高温で動作する物品または高温に曝される物品で使用される。航空用タービンおよび陸上型タービンは、例えば、遮熱コーティングによって保護された１つ以上の構成要素を含み得る。通常の動作条件下では、コーティングされた構成要素は、摩耗、酸化、および環境汚染物質からの侵食を含む様々な種類の損傷を受けやすいことがある。
【０００３】
タービン構成要素の場合、特に懸念される環境汚染物質の組成物は、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、およびそれらの混合物の酸化物を含むものであり、例えば、ガスタービンエンジンによって吸い込まれる埃、灰、および微粉は、かかる化合物で構成されることが多い。これらの酸化物は、組み合わさって、以下では「ＣＭＡＳ」と称する、カルシウム−マグネシウム−アルミニウム−ケイ素の酸化物が混合された系（Ｃａ−Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ）を含む汚染物質組成物を形成することが多い。高いタービン動作温度では、これらの環境汚染物質は、高温の遮熱コーティング表面に付着し、それにより遮熱コーティングを損傷させることがある。例えば、ＣＭＡＳは、タービンの動作温度で液体である組成物または溶融する組成物を形成することがある。溶融したＣＭＡＳ組成物は、遮熱コーティングを溶解することがあり、またはコーティングの細孔、チャネル、亀裂、または他の空洞に浸透することによって、その多孔質構造を満たすことがある。冷えると、浸透したＣＭＡＳ組成物は、凝固してコーティングの歪み耐性を低下させ、よって、コーティング材料の剥離および破砕を引き起こす恐れがある亀裂を発生させ伝播させる。さらにこれによって、部品または構成要素の下地金属基材に施された熱保護が部分的にまたは完全に失われることがある。さらに、遮熱コーティングの破砕は、金属基材にホットスポットを生じさせ、構成要素の早期の故障を招くことがある。構成要素の早期の故障は、予定外のメンテナンスおよび部品交換を招き、その結果、性能が低下し、運転および修理の費用が増すことがある。
【０００４】
したがって、高温で動作するとき、または高温に曝されるときに、環境汚染物質の悪影響から遮熱コーティングを保護する改良されたコーティング系が必要とされる。特に、堆積したＣＭＡＳの悪影響から保護する、改良されたコーティング系、およびかかるコーティングを製作するための方法が必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第３０３１９５４号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本発明の態様および利点は、その一部を以下の説明に記述しており、またはその説明から明らかになり、または本発明の実施により学ぶことができる。
【０００７】
基材の表面に配置されるコーティング系が、概ね提供される。一実施形態において、コーティング系は、基材の表面のボンドコーティングと、ボンドコーティング上の保護コーティングと、保護コーティング上の遮熱コーティングと、遮熱コーティングの空隙の少なくとも一部内に配置された保護剤とを含む。一般に、保護コーティングは、セラミック材料で構成され、遮熱コーティングは、表面に接した複数の細長い空隙を画定する。かかるコーティング系を形成するための方法もまた、概ね提供される。
【０００８】
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。
【０００９】
本発明の十分かつ実施可能な開示が、本発明のベストモードを含めて、当業者を対象として添付の図を参照して本明細書に記述される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態を例示する概略断面である。
【図２】本発明の別の実施形態を例示する概略断面である。
【００１１】
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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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例示または記述する特徴は、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かかる修正および変更を包含することが意図される。
【００１３】
本明細書で使用するとき、「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用され得、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図するものではない。
【００１４】
「上流」および「下流」という用語は、流体経路における流体の流れに対する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は流体が流れてくる方向を指し、「下流」は流体が流れていく方向を指す。
【００１５】
本明細書で使用するとき、用語「コーティング」は、連続的または不連続的な形で下地表面の少なくとも一部内に配置された材料を指す。さらに、用語「コーティング」は、必ずしも配置された材料の均一な厚さを意味するものではなく、配置された材料は均一な厚さを有してもよく、または不均一な厚さを有してもよい。用語「コーティング」は、コーティング材料の単一の層を指すことも、コーティング材料の複数の層を指すこともある。複数の層において、コーティング材料は同じであってもよく、または異なっていてもよい。
【００１６】
本開示では、ある層が別の層または基材の「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「上端にある」ことを意味してはいない。
【００１７】
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。
【００１８】
コーティング系は一般に、下地材料（例えば、下地コーティングおよび／または表面）を不要な化学相互作用から保護するために設けられる。コーティング系は一般に、ボンドコーティングと遮熱コーティング（ＴＢＣ）との間に保護層を含む。保護層は、下地ボンドコーティングを、特に、ボンドコーティング上の任意の熱成長酸化物を、ＣＭＡＳ侵食、反応粒子侵食、または反応層侵食から保護することが意図される。保護コーティングは、環境汚染物質をコーティング内部に到達させる亀裂および細孔など、表面に接した複数の細長い空隙であって、特に、ＣＭＡＳ侵食、反応粒子侵食、または反応層侵食の経路を提供する空隙を画定する遮熱コーティングを含むコーティング系において有用である。
【００１９】
図１を参照すると、基材１２０の表面１１５に配置されるコーティング系１０２を含む物品１００が全体として示されている。コーティング系１０２は概して、基材１２０の表面１１５のボンドコーティング１４０と、ボンドコーティング１４０上の保護コーティング１４５と、保護コーティング１４５上の遮熱コーティング１１０とを含む。遮熱コーティングは概して、表面に接した複数の細長い空隙１３０を画定し、保護剤１５０が遮熱コーティング１１０の空隙１３０の少なくとも一部内に配置される。これらの層の各々について、以下でより詳細に説明する。
【００２０】
図１および図２に示すように、ボンドコーティング１４０は、一部の実施形態において、コーティング１１０と基材１２０との間に配置される。ボンドコーティング１４０は、かかるコーティングが従来の用途で一般に提供するのと同様の機能（例えば、接着促進および酸化抵抗）を提供する。一部の実施形態において、ボンドコーティング１４０は、ニッケルアルミナイドもしくは白金アルミナイドなどのアルミナイド、または当該分野で周知のＭＣｒＡｌＹ型コーティングを含む。これらのボンドコーティングは、超合金などの金属製基材１２０に適用されると特に有用であり得る。他の実施形態において、ボンドコーティング１４０は、ケイ化化合物またはケイ素元素を含み、それらは、炭化ケイ素で強化された炭化ケイ素セラミック基複合材（ＣＭＣ）などのセラミック系基材と関連付けられることが多い。これらのコーティング１４０は、プラズマ溶射、熱溶射、化学蒸着、イオンプラズマ蒸着、気相アルミナイド法または物理蒸着など、当該分野で知られている様々なコーティング技術のいずれかを用いて適用され得る。
【００２１】
ボンドコーティング１４０は、約２．５μｍ〜約４００μｍの厚さを有してもよく、基材１２０に対する付加層として適用されてもよく、または基材内に拡散して、特性の勾配を有するように設計された不均質な組成物をもたらし得る。しかし、コーティング系１０２内の全てのコーティング層の厚さが、部品上の位置に応じて変化し得ることに留意されたい。
【００２２】
熱成長酸化層１４２が、ボンドコーティング１４０上に示されている。一般に、熱成長酸化層１４２は、ボンドコーティング１４０の材料の酸化物を含む。例えば、ボンドコーティング１４０がその構造中にケイ素を含むとき、熱成長酸化層１４２は、酸化ケイ素（例えば、二酸化ケイ素など）を含み得る。同様に、ボンドコーティング１４０がその構造中にアルミニウムを含むとき、熱成長酸化層１４２は、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ２Ｏ、ＡｌＯ、Ａｌ２Ｏ３など、またはそれらの混合物）を含み得る。
【００２３】
いくつかの実施形態において、熱成長酸化層１４２は概ね、最大約２０μｍ（例えば、約．０１μｍ〜約６μｍ）の厚さを有し、後続層の加工中の熱暴露による自然生成物とすることができ、または部品の熱処理によってより厚くなるように設計することができる。ＴＧＯ層は、下地のボンドコーティング１４０、加工方法、および暴露条件によっては均一でなくてもよい。
【００２４】
保護コーティング１４５は一般に、セラミック遮熱材料を含む。好適なセラミック遮熱コーティング材料としては、酸化ハフニウム（「ハフニア」）または酸化ジルコニウム（「ジルコニア」）、特に安定化ハフニアまたは安定化ジルコニア、およびこれらの一方または両方を含むブレンドなどの様々な種類の酸化物が挙げられる。安定化ジルコニアの例としては、非限定的に、イットリア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、インジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア、ランタナ安定化ジルコニア、ガドリニア安定化ジルコニア、およびかかる安定化ジルコニアの混合物が挙げられる。同様の安定化ハフニア組成物が、当該分野で知られており、本明細書に記述する実施形態での使用に適している。
【００２５】
いくつかの実施形態において、保護コーティング１４５は、イットリア安定化ジルコニアを含む。好適なイットリア安定化ジルコニアは、（イットリアとジルコニアの合計重量に基づいて）約１重量％〜約２０重量％のイットリア、より典型的には約３重量％〜約１０重量％のイットリアを含み得る。例示的なイットリア安定化ジルコニア遮熱コーティングは、約７％のイットリアおよび約９３％のジルコニアを含む。これらの種類のジルコニアは、遮熱コーティング材料の熱伝導率をさらに低下させるために、ジスプロシア、エルビア、ユーロピア、ガドリニア、ネオジミア、プラセオジミア、ウラニア、およびハフニアなどの第２の金属（例えば、ランタニドまたはアクチニド）酸化物のうちの１つ以上をさらに含み得る。一部の実施形態において、遮熱コーティング材料は、チタニアなどの追加の金属酸化物をさらに含み得る。
【００２６】
好適なセラミック遮熱コーティング材料はまた、一般式Ａ２Ｂ２Ｏ７のパイロクロアを含み得、ここで、Ａは、３＋または２＋の価数を有する金属（例えば、ガドリニウム、アルミニウム、セリウム、ランタンまたはイットリウム）であり、Ｂは、４＋または５＋の価数を有する金属（例えば、ハフニウム、チタン、セリウムまたはジルコニウム）であり、ＡおよびＢの価数の合計は、７である。この種類の代表的な材料としては、ジルコン酸ガドリニウム、チタン酸ランタン、ジルコン酸ランタン、ジルコン酸イットリウム、ハフニウム酸ランタン、ハフニウム酸セリウム、およびセリウム酸ランタンが挙げられる。
【００２７】
保護コーティング１４５は、最大１００重量％の量のセラミック遮熱コーティング材料を含み得る。一部の実施形態において、保護コーティング１４５は、約９５重量％〜約１００重量％、特に約９８重量％〜約１００重量％の範囲のセラミック遮熱コーティング材料を含む。保護コーティング１４５の組成物の選択は、隣接するボンドコーティング層１４０の組成物、保護コーティング１４５にとって望ましい熱膨張率（ＣＴＥ）特性、および保護コーティング１４５にとって望ましい遮熱特性を含む、１つ以上の要素に依存し得る。
【００２８】
保護コーティング１４５の厚さは、基材またはそれが堆積される構成要素に依存し得る。特に、保護コーティング１４５の厚さは、上重ねされる遮熱コーティング１１０の厚さに依存し得る。一部の実施形態において、遮熱コーティング１１０は、保護コーティング上のその遮熱コーティング１１０のための十分なバリアを提供するために、保護コーティング１４５の約４倍〜約８倍厚い（すなわち、保護コーティング１４５は、遮熱コーティング１１０の厚さの約１／４〜約１／８の厚さを有する）。例えば、遮熱コーティング１１０が約２５ミクロン〜約２０００ミクロンの厚さを有するときに、保護コーティング１４５は、約４ミクロン〜約３３５ミクロンの厚さを有し得る。
【００２９】
保護コーティング１４５は、プラズマ溶射、熱溶射、化学蒸着、または物理蒸着など、当該分野で知られている様々なコーティング技術のいずれかを用いて適用され得る。
【００３０】
保護層１４５の構造は、特定の実施形態において、コーティング系１０２が保護剤１５０および／またはバリア１６０の加工中の浸透に対するバリアとして働くように、任意の垂直亀裂または接続細孔を通じた汚染物質の到達を最小限にする。一実施形態において、バリア層１４５は、接続細孔を減らすように３０％未満の細孔率を有する等軸細孔を作り出すプロセスによって製造される。例えば、保護コーティングは、約２ｇ／ｃｍ３〜約６ｇ／ｃｍ３の密度および／または約０％〜約５０％の細孔率を有する。加工液の粘度が、保護コーティングの密度／細孔率の要件を決定する場合がある。
【００３１】
本発明の実施形態は、亀裂、細孔、空隙など、表面に接した空隙である、コーティングの空間であって、前述したように、溶融したＣＭＡＳが典型的にそこを通ってコーティングに浸透し、最終的にコーティングを劣化させる、空間内に配置される、本明細書において「保護剤」と総称する１つ以上の物質を含むコーティングを採用する。保護剤は、ＣＭＡＳ型材料に対して非常に反応しやすいように設計され、もって、液体ＣＭＡＳが生じる典型的な温度で、保護剤がＣＭＡＳと急速に反応して、液体ＣＭＡＳの存在下で熱的および化学的に安定した固体反応生成物を形成し、さらなるＣＭＡＳの侵入に対する固相バリアを形成するようになっている。
【００３２】
上述した機能を実施するために、「保護剤」は、ＣＭＡＳ材料と反応しやすい物質を含む。特に、物質は、特徴的性質、すなわち、大気圧で名目ＣＭＡＳ液体組成物と化学的に反応して、この名目ＣＭＡＳ組成物の晶析場の範囲外にある固体結晶性生成物を形成する能力を有する場合に、本明細書に記述するような保護剤中の使用に適した物質とみなされる。固体結晶性生成物は、液体浸透に対する固体バリアとして残存するように、名目ＣＭＡＳ組成物よりも高い融解温度を有する。
【００３３】
本説明のために、用語「名目ＣＭＡＳ」は、全てのパーセント値がモルパーセントである、以下の組成を指す：４１．６％のシリカ（ＳｉＯ２）、２９．３％のカルシア（ＣａＯ）、１２．５％のアルミナ（ＡｌＯ１．５）、９．１％のマグネシア（ＭｇＯ）、６．０％の酸化鉄（ＦｅＯ１．５）、および１．５％の酸化ニッケル（ＮｉＯ）。この定義において与えられる名目ＣＭＡＳ組成物が、他の物質のＣＭＡＳ反応性と比較できる方法で物質のＣＭＡＳ反応性の指標を定義するための基準組成物を表しており、この基準組成物の使用が勿論、運転中に広範に変化するであろう、動作中にコーティング上に堆積することになる、吸い込まれた材料の実際の組成物を、多少なりとも限定するものではないことが理解されるであろう。
【００３４】
所与の物質が上記の名目組成を有する溶融したＣＭＡＳと反応することで、摂氏約１２００度よりも高い融点を有し、結晶質であり、この名目ＣＭＡＳ組成物の晶析場の範囲外にある反応生成物を形成できる場合、物質は、本明細書に記述するような保護剤中の使用に有用であり得る。材料は、ＣＭＡＳ組成物の成分酸化物の組合せから形成され得る結晶相の組に含まれない場合に、名目ＣＭＡＳの組成物の晶析場の範囲外にある。よって、例えばイッテルビウムなどの希土類元素を含む材料は、名目ＣＭＡＳ組成物の晶析場の範囲外にあるであろう。これは、名目ＣＭＡＳ成分酸化物のいずれもイッテルビウムを含まないためである。他方では、酸化アルミニウムなど、名目ＣＭＡＳ組成物の他の成分の１つ以上を排他的に用いる反応剤は、名目ＣＭＡＳの晶析場の範囲外にある生成物を形成しないであろう。ＣＭＡＳの晶析場の範囲外にあるＣＭＡＳとの反応生成物の形成を促進する保護剤物質の使用は、一部の状況下ではＣＭＡＳとのより速い反応速度をもたらし得、反応速度を加速できる場合に、反応および凝固の前における溶融したＣＭＡＳの侵入を望ましいように抑制し得る。
【００３５】
図１を再び参照すると、遮熱コーティング１１０は、ボンドコーティング１４０および基材１２０の上の保護コーティング１４５上に配置されている。遮熱コーティング１１０は、コーティング１１０の内部に環境汚染物質を到達させる、亀裂および細孔など、表面に接した空隙１３０を含む。典型的に、最も関心のある空隙１３０は細長い。つまり、空隙１３０は、１よりも高いアスペクト比を有し、空隙１３０に入る汚染物質をコーティング１３０の断面厚さ部に案内できるように向いていることが多い。一部の実施形態において、空隙１３０は、（図１のような断面図で見ると）実質的に垂直に向いた亀裂および／もしくは粒界または他のミクロ組織特徴を含む。これらの空隙１３０は、コーティング１１０を堆積させるために使用される堆積プロセスの固有特性によって存在し得、一部の空隙１３０はまた、動作中の通常の損耗によって堆積後に形成され得る。
【００３６】
遮熱コーティング１１０は、所与の用途に適した任意の技術によって適用され得る。例えば、空気プラズマ溶射技術によって堆積されるコーティングは、少なくともコーティングの表面の開放孔から成るスポンジ状多孔質構造をもたらし得る。特定の堆積条件下では、よく発達し、（基材の平面／コーティング界面に対して）垂直に向いた亀裂がまた、遮熱コーティング材料のプラズマ溶射によって形成される。同様に、物理または化学蒸着技術によって堆積される遮熱コーティングが、少なくともコーティングの表面に一連の柱状の溝、隙間またはチャネルを含む構造をもたらし得る。多孔質構造、特に（しかし排他的ではない）上記のような垂直に向いたおよび／または柱状の特徴部を採用した構造が、熱サイクル中の遮熱コーティングによる耐歪み性をもたらす要素の１つとなり得る。さらに、多孔質構造は、コーティングの熱膨張率（ＣＴＥ）と下地材のボンドコート層／基材のＣＴＥとの間の差による応力低減をもたらし得る。
【００３７】
コーティング１１０は概ね、保護コーティングのセラミック材料から独立して選択され得るセラミック遮熱材料を含む。つまり、いくつかの実施形態において、保護コーティングのセラミック材料と遮熱コーティングのセラミック材料は、化学組成に関して実質的に同一である。しかし、他の実施形態において、保護コーティングのセラミック材料と遮熱コーティングのセラミック材料は、化学組成に関して異なっていてもよい。好適なセラミック遮熱コーティング材料としては、酸化ハフニウム（「ハフニア」）または酸化ジルコニウム（「ジルコニア」）、特に安定化ハフニアまたは安定化ジルコニア、およびこれらの一方または両方を含むブレンドなどの様々な種類の酸化物が挙げられる。安定化ジルコニアの例としては、非限定的に、イットリア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、インジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア、ランタナ安定化ジルコニア、ガドリニア安定化ジルコニア、およびかかる安定化ジルコニアの混合物が挙げられる。同様の安定化ハフニア組成物が、当該分野で知られており、本明細書に記述する実施形態での使用に適している。
【００３８】
いくつかの実施形態において、遮熱コーティング１１０は、イットリア安定化ジルコニアを含む。好適なイットリア安定化ジルコニアは、（イットリアとジルコニアの合計重量に基づいて）約１重量％〜約２０重量％のイットリア、より典型的には約３重量％〜約１０重量％のイットリアを含み得る。例示的なイットリア安定化ジルコニア遮熱コーティングは、約７％のイットリアおよび約９３％のジルコニアを含む。これらの種類のジルコニアは、遮熱コーティング材料の熱伝導率をさらに低下させるために、ジスプロシア、エルビア、ユーロピア、ガドリニア、ネオジミア、プラセオジミア、ウラニア、およびハフニアなどの第２の金属（例えば、ランタニドまたはアクチニド）酸化物のうちの１つ以上をさらに含み得る。一部の実施形態において、遮熱コーティング材料は、チタニアなどの追加の金属酸化物をさらに含み得る。
【００３９】
好適なセラミック遮熱コーティング材料はまた、一般式Ａ２Ｂ２Ｏ７のパイロクロアを含み得、ここで、Ａは、３＋または２＋の価数を有する金属（例えば、ガドリニウム、アルミニウム、セリウム、ランタンまたはイットリウム）であり、Ｂは、４＋または５＋の価数を有する金属（例えば、ハフニウム、チタン、セリウムまたはジルコニウム）であり、ＡおよびＢの価数の合計は、７である。この種類の代表的な材料としては、ジルコン酸ガドリニウム、チタン酸ランタン、ジルコン酸ランタン、ジルコン酸イットリウム、ハフニウム酸ランタン、ハフニウム酸セリウム、およびセリウム酸ランタンが挙げられる。
【００４０】
遮熱コーティング１１０は、最大１００重量パーセントの量のセラミック遮熱コーティング材料を含み得る。一部の実施形態において、遮熱コーティング１１０は、約９５重量％〜約１００重量％、特に約９８重量％〜約１００重量％の範囲のセラミック遮熱コーティング材料を含む。コーティング１１０の組成物の選択は、（存在する場合）オプションの隣接するボンドコーティング層１４０の組成物、コーティング１１０にとって望ましい熱膨張率（ＣＴＥ）特性、およびコーティング１１０にとって望ましい遮熱特性を含む、１つ以上の要素に依存し得る。
【００４１】
遮熱コーティング１１０の厚さは、基材またはそれが堆積される構成要素に依存し得る。一部の実施形態において、コーティング１１０は、約２５ミクロン〜約２０００ミクロンの範囲の厚さを有する。一部の実施形態において、コーティング１１０は、約２５ミクロン〜約１５００ミクロンの範囲の厚さを有する。一部の実施形態において、厚さは、約２５ミクロン〜約１０００ミクロンの範囲である。
【００４２】
図１を再び参照すると、保護剤１５０が、遮熱コーティング１１０の空隙１３０の少なくとも一部内に配置されている。保護剤１５０は、ＣＭＡＳとのその成分物質の反応性に関して上述した特質を有する。図１に示した例示的な実施形態などの一部の実施形態において、剤１５０は、離散構成で空隙１３０の表面を装飾するが、他の実施形態において、剤は、空隙１３０内に連続的な構造または実質的に連続的な構造を形成する。例えば、柱状のミクロ組織特徴の焼結を防ぐために、セラミックコーティングの内部表面に材料が配置される他の技術について記述してきたが、本技術は、上記の指標として用いられる名目ＣＭＡＳ組成物などのＣＭＡＳが、剤１５０が配置される空隙に侵入することを実質的に防ぐために、有効濃度の剤１５０の配置を伴う。保護剤１５０のこの有効濃度は、主に、ＣＭＡＳと剤１５０との間で形成される反応生成物の具体的な体積、およびコーティング１１０のミクロ組織に依存するであろう。例えば、空隙１３０の幅が比較的大きい場合、または空隙の体積分率が比較的高い場合、溶融したＣＭＡＳの侵入の阻止を有効とするのに必要な剤１５０の量は、空隙幅が比較的小さいおよび／または空隙体積分率が比較的低い場合よりも多くなるであろう。いくつかの実施形態において、コーティング１１０の空隙分率（細孔率）の少なくとも約２５体積％を剤１５０が占める。一部の実施形態において、細孔のうち剤１５０が占める体積分率は、断面深さに依り、コーティング表面またはその近くでの剤の比較的高い濃度が、コーティング表面からの距離が大きくなるにつれて（つまり、基材１２０から離れる距離が小さくなるにつれて）、比較的低い濃度に向かう。例えば、例示的な非限定的な例として、占有細孔率は、コーティング１１０の表面で少なくとも約２５体積％であり、コーティング１１０の厚さの半分よりも下の箇所で約５体積％に向かう。
【００４３】
前記したように、保護剤１５０は、液体ＣＭＡＳと非常に反応しやすい１つ以上の物質を含み、この物質は、空隙１３０への液体ＣＭＡＳのさらなる侵入を防ぐバリアとして機能できる反応生成物を形成することで、コーティング１１０の耐歪み性を維持することを助ける。典型的に、必ずしも排他的ではないが、保護剤は、酸化物または窒化物などのセラミック材料を含む。様々な種類の好適な酸化物について、以下でより詳細に記述する。好適な窒化物の例としては、非限定的に、タンタルまたはチタンの窒化物が挙げられる。
【００４４】
一部の実施形態において、保護剤は、希土類酸化物、すなわち、その構成元素の１つとして希土類元素を含む酸化化合物を含む。本明細書で使用するとき、用語「希土類」および「希土類元素」は、区別なく使用され、ランタニド系列の元素、イットリウム、およびスカンジウムを包含する。例えば、一部の実施形態において、酸化物は、ランタン、ネオジム、エルビウム、セリウム、ガドリニウム、またはこれらのうちの任意の１つ以上を含む組合せを含む。いくつかの複合酸化物、すなわち、２つ以上の金属元素組成物を含む酸化化合物が、一部の状況において液体ＣＭＡＳとの比較的高い反応性をもたらすことが示されている。特定の実施形態において、酸化物は、希土類元素と、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、ニオブ、またはこれらの組合せなどの遷移金属元素とを含む複合酸化物である。ランタン、ネオジム、セリウム、および／またはガドリニウムを含む、ジルコニウム酸塩、ハフニウム酸塩、チタン酸塩、およびニオブ酸塩が、かかる複合酸化物の例である。特定の例は、液体ＣＭＡＳと反応して、液体ＣＭＡＳの侵入に対するバリアとして機能し得る安定した結晶質アパタイト相を形成することが、例えば、カリフォルニア大学サンタバーバラ校のＫｒａｍｅｒ、ＹａｎｇおよびＬｅｖｉによって示されている、ガドリニウムジルコニウム酸塩であり、著者等は、この材料が、バルクコーティング材料として有用となり得ることを示唆している。
【００４５】
他の複合的な希土類化合物構造が、本明細書に記述するような保護剤１５０中のＣＭＡＳ反応物質として有用であり得る。一実施形態において、物質は、ウェーバライト結晶構造を有する。かかる材料のＣＭＡＳ抵抗コーティングとしての使用については、２０１４年１０月２８日に同一出願人により出願された米国特許出願第１４／５２５，５８６号に記載されている。ウェーバライト構造は、アニオン欠乏蛍石関連の超格子構造である。蛍石と比べたアニオン数の減少は、いわゆる「Ｂカチオン」（ＶＩ配位のカチオン）の、「Ａカチオン」（ＶＩＩＩ配位）に対する配位数の減少をもたらし、よって、種々のカチオンの収容を可能にする。本明細書で使用する用語「ウェーバライト結晶構造」は、一般式Ａ２Ｂ２Ｘ７またはＡ３ＢＸ７を有する一群の材料の結晶構造を指し、ここで、Ａが希土類金属イオンを含み、Ｂがタンタル（Ｔａ）および／またはニオブ（Ｎｂ）を含み、Ｘが酸素またはフッ素を含む。構造のさらなる詳細については、「Ｃｏｍｐｌｅｘ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  Ｉ  Ｗｅｂｅｒｉｔｅｓ」，Ｃａｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｃｔａ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａ．Ｐａｒｔ  Ｂ，Ｖｏｌ．６３，Ｐａｒｔ  ３，２００９に記載されている。いくつかの他の化合物（パイロクロア、層状ペロブスカイトなど）が、同じ化学量論を有するが、ウェーバライト化合物は、フッ化鉱物Ｎａ２ＭｇＡｌＦ７と同形である。
【００４６】
一部の実施形態において、ウェーバライト構造を有する物質は、希土類元素と、酸素と、タンタルおよびニオブから成る群から選択される１つ以上の元素とを含む。特定の実施形態において、物質は、名目式Ａ３ＢＸ７を有し、ここで、Ａが希土類金属元素を含み、Ｂがタンタル、ニオブ、またはそれらの組合せを含み、Ｘが酸素、フッ素、またはそれらの組合せを含む。一例において、ウェーバライト結晶構造を有する物質は、ガドリニウムと、酸素と、タンタルおよびニオブから成る群から選択される少なくとも１つの元素とを含む。上記の特許出願に記載されるように、２つの異なるウェーバライト酸化物（Ｇｄ３ＮｂＯ７およびＧｄ３ＴａＯ７）の粉末組成物が、液体ＣＭＡＳと急速かつ完全に反応して、名目組成Ｃａ２Ｇｄ８（ＳｉＯ４）６Ｏ２を有する望ましく安定したアパタイト型構造を有する反応生成物を形成することが確認された。
【００４７】
他の実施形態において、保護剤は、２０１４年１０月２７日に同一出願人により出願された米国特許出願第１４／５２４，０７２号に記載されるようなＮＺＰ型材料を含む。本明細書で使用する用語「ＮＺＰ型材料」は、（名称の由来となる母体化合物）ＮａＺｒ２Ｐ３Ｏ１２と同様の結晶構造を有する一群の材料を指す。ＮＺＰ材料は典型的に、ＰＯ４四面体に結合したＺｒＯ６八面体を有する３次元「開放」骨格構造を有する。一部の実施形態において、ＮＺＰ型材料は六角形構造を有する。上述した他の材料と同様に、ＮＺＰ型材料は、これまでバルクコーティングの候補としてされて説明されてきた。しかし、本説明において、これらの材料は、バルクコーティング１１０の空隙１３０内に配置される。
【００４８】
保護剤１５０の物質としてＮＺＰ型材料を用いる一実施形態において、物質は、式（Ｉ）：Ａ１−ｘＢｘＺｒ４−ｙＤｙ（ＰＯ４）ｚを有する材料であり、ここで、ＡおよびＢが、アルカリ土類金属および希土類金属から成る群から選択され、Ｄがハフニウムまたはチタンであり、ｘが０〜１の数であり、ｙが０〜４の数であり、ｚが３〜６である。好適なアルカリ土類金属の非限定的な例としては、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、またはそれらの組合せが挙げられる。好適な希土類金属の非限定的な例としては、スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、ガドリニウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、またはそれらの組合せが挙げられる。
【００４９】
一部の実施形態において、保護剤は、ＭＺｒ４（ＰＯ４）６を含み、ここで、Ｍが、少なくとも１つのアルカリ土類金属を含む。先に記したように、Ｍは、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、またはそれらの組合せを含み得る。いくつかの実施形態において、ＣＭＡＳ反応材料は、ＣａｘＳｒ１−ｘＺｒ４（ＰＯ４）６を含み、ここで、ｘが０〜１の数である。いくつかの実施形態において、ＣＭＡＳ反応材料は、ＣａＺｒ４（ＰＯ４）６、ＳｒＺｒ４（ＰＯ４）６、Ｃａ０．５Ｓｒ０．５Ｚｒ４（ＰＯ４）６、またはそれらの組合せを含む。上記の第１４／５２４，０７２号出願に記されるように、これら３つの組成物のそれぞれが、液体ＣＭＡＳと急速かつ完全に反応して、コーティング１１０の空隙１３０内に形成されたときに望ましいバリア挙動をもたらし得る、ケイ酸塩およびリン酸塩などの安定した固体反応生成物を形成することが確認された。
【００５０】
他の実施形態において、保護剤は、ペロブスカイト結晶構造を有し、（ａ）希土類元素と、（ｂ）タンタル、ニオブ、またはタンタルおよびニオブの組合せと、（ｃ）酸素とを含む。一実施形態において、ペロブスカイト構造化物質は、名目組成ＡＢ３Ｏ９を有する酸化物であり、ここで、Ａが希土類元素を含み、Ｂがニオブ、タンタル、またはタンタルおよびニオブの組合せを含む。名目組成ＧｄＴａ３Ｏ９のペロブスカイト構造化酸化物が、かかる物質の特定の例であり、この組成物は、液体ＣＭＡＳ組成物と急速かつ完全に反応して、コーティング１１０内への液体ＣＭＡＳの進入に対する好適なバリアをもたらし得る、固体であり、稠密であり、ブロック状である望ましい結晶相を形成することが室内試験で確認された。
【００５１】
他の実施形態において、保護剤は、灰重石、フェルグソン石、または鉄マンガン重石の結晶構造を有し、名目式ＡＢＸ４を有する化合物を含み、ここで、Ａが希土類元素（および、オプションのアルカリ土類元素）を含み、Ｂが、タンタル、ニオブ、またはタンタルおよびニオブの組合せを含み、Ｘが、酸素、窒素、または窒素および酸素の組合せを含む。いくつかの実施形態において、この式のＡは、イットリウム、ガドリニウム、ランタン、ネオジム、イッテルビウム、または前記の組合せを含む。かかる材料の特定の例がＹＴａＯ４であり、これは、液体ＣＭＡＳと急速に反応して、安定した結晶質固体反応生成物を形成することが室内試験で確認された。
【００５２】
上記説明から明らかなように、様々な実施形態の多くにおいて、希土類元素が保護剤１５０に含まれる。これらの元素を含むいくつかの化合物が、ＣＭＡＳとの望ましい反応性を示し得るが、コーティング１１０におけるこれらの元素の存在に起因する特定の有害作用が存在し得る。とりわけ、本発明者等は、保護剤１５０がコーティング１１０とボンドコーティング１４０との界面またはその近くに配置される場合に、希土類を含む保護剤と、高温のボンドコーティングによって形成された酸化物−熱成長酸化物すなわちＴＧＯとして知られる−との化学相互作用が、コーティング１１０の早期の破砕をもたらす場合があることを発見した。
【００５３】
この潜在的な問題を軽減するために、保護コーティング１４５は、ボンドコーティング１４０から、ボンドコーティングが存在しない場合には基材１２０から保護剤１５０を実質的に分離するように、オプションのバリア剤１６０と共にボンドコーティング１４０上に配置される。よって、保護コーティング１４５およびオプションのバリア剤１６０は、基材１２０と保護剤１５０との間に介在する。よって、保護コーティング１４５、およびオプションのバリア剤１６０は、保護剤１５０と、基材１２０上、または存在する場合にボンドコーティング１４０上に堆積したＴＧＯとの化学相互作用を実質的に防ぐ。存在するときに、バリア剤１６０は、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、またはそれらの組合せを含む。これらの酸化物の一部は、適切な場合には、昇温中および降温中に応力発生相転移を経験する酸化物の傾向を抑えるために十分な量の安定剤（希土類元素であることが多い）を含んでもよいが、希土類安定剤の量は、上記のＴＧＯとの反応性の問題を軽減するほど十分に少なくあるべきである。希土類安定剤の上限含有量は、使用される具体的な元素、およびバリア剤１６０の性質に依存し、例えば、希土類を含むアルミン酸ガーネットは、アルミナに溶解しない傾向があり、よって、ＴＧＯとの有害な相互作用を伴わずにより多くの量の希土類材料を含有し得る。一部の実施形態において、バリア剤１６０は、約４０原子パーセント未満の含有量の希土類元素を含む。いくつかの実施形態において、バリア剤は、例えば、よく使用される、８モルパーセントのイットリアで安定化されたジルコニア（「８ＹＳＺ」）に見られるように、約１０原子パーセント未満の含有量の希土類元素を含む。バリア剤材料は、保護剤１５０ほどＣＭＡＳと反応しやすい必要はない。これは、典型的に、保護剤によりＣＭＡＳとの接触から分離されるためである。バリア剤の機能は主に、ボンドコーティング１４０および／または基材１２０から保護剤１５０を物理的に分離することである。
【００５４】
コーティング１１０は、図１において単一層として示されているが、図２に例示するような一部の実施形態において、コーティング１１０は、複数の層２２０を含む。図２に例示した実施形態において、コーティング１１０は、第１の材料を含む第１の層２２２と、第２の材料を含む第２の層２２４とを含む。第１の層２２２は、第２の層２２４と基材１２０との間に配置される。第２の材料は、ＣＭＡＳの浸透に抵抗する。材料は、本文脈において、本明細書において前述した名目ＣＭＡＳ組成物を有する液体ＣＭＡＳによる浸透に対して、摂氏１３００度の温度で、８モルパーセントのイットリアで安定化されたジルコニア（「８ＹＳＺ」と上記した）よりも抵抗する場合に、「ＣＭＡＳの浸透に抵抗する」とみなされる。前に記したものと同様に、摂氏１３００度の温度と、この定義で与えられる名目ＣＭＡＳ組成物とは、８ＹＳＺのＣＭＡＳ抵抗性と比較できる方法で材料のＣＭＡＳ抵抗性の指標を定義するための基準温度および基準組成物を表すものと理解されたい。これらの基準値の使用は、物品１００が動作し得る実際の温度、または動作中にコーティング上に堆積することになる、吸い込まれた材料の実際の組成を多少なりとも限定するものではなく、それらの両方は、勿論、運転中に大きく変化する。
【００５５】
多くの異なる材料が、当該分野では、イットリア安定化ジルコニアおよび他の標準的なＴＢＣ材料に対してＣＭＡＳ保護性を向上させるものとして説明されており、これらの材料のいずれも、上述した第２の層２２４中の使用のために考慮され得る。一実施形態において、第２の材料は、酸化物を含む。１つ以上の遷移金属元素、希土類元素、ケイ素、および／またはインジウムを含む酸化物が、当該分野では、ＣＭＡＳに抵抗するものとして説明されている。一実施形態において、酸化物は、ジルコニウム、ハフニウム、チタン、またはそれらの組合せを含む。１つ以上の希土類元素で安定化されたジルコニア、ハフニア、および／またはチタニア材料が、当該分野では、ＣＭＡＳ抵抗コーティングとして説明されている。かかる材料の例としては、ガドリニア安定化ジルコニアなど、ガドリニアおよびジルコニアを含有するコーティングと、ガドリニアおよびハフニアの混合物を含有するコーティングとが挙げられる。他の潜在的に好適な酸化材料の例としては、ランタンジルコニウム酸塩などのパイロクロア、米国特許第７，７２２，９５９号に記載されるようなガーネット、米国特許第７，７２２，９５９号に記載されるようなオキシアパタイトが挙げられる。酸化ナトリウム、ナトリウムケイ酸塩、ナトリウムチタン酸塩などのナトリウム含有酸化物が、ＣＭＡＳ抵抗酸化材料の他の例である。
【００５６】
具体的な一例において、第２の材料は、典型的な８ＹＳＺよりも高いイットリア含有量（ＹＳＺ含有量全体に対する）を有するイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む。一般に、この例のイットリア含有量は、３８重量パーセントよりも高く、特定の実施形態において、少なくとも約５５重量パーセントである。本明細書に記述するような、３８重量パーセントよりも高いイットリア含有量を有するＹＳＺを用いるコーティングは、イットリア含有量の低いＹＳＺ材料で作られたコーティングよりもＣＭＡＳ抵抗性に優れていた。
【００５７】
酸化物以外の他の材料が、ＣＭＡＳに抵抗する使用のために説明されており、また第２の層２２４の第２の材料として潜在的に有用であるとみなされる。かかる代替的な材料の例としては、炭化物（炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化チタン、その他）、窒化物（窒化ケイ素、窒化ジルコニウム、窒化タンタル、窒化ホウ素、その他）、ケイ化物（ケイ化クロム、ケイ化モリブデン、ケイ化タンタル、ケイ化チタン、その他）が挙げられる。
【００５８】
保護剤１５０は、前述したように、表面に接したコーティング空隙１３０内に分布し、複数の層２２０（図２）を伴う実施形態の文脈において、保護剤１５０は、一部の実施形態では、第２の層２２４のみ、または第１の層２２２のみのように、層２２０の一部分のみに配置されるが、図２に例示した例などのいくつかの実施形態では、保護剤１５０は、全ての層２２０に配置される。バリア剤１６０は同様に、１つ以上の層２２０に配置され得、図２に例示した実施形態などの実施形態では、バリア剤１６０は、ボンドコーティング１４０および／または基材１２０を保護剤１５０との相互作用から保護するために第１の層２２２に配置される。
【００５９】
本明細書に記述される技術の潜在的な一利点は、ＣＭＡＳ抵抗材料（すなわち、保護剤１５０）を最も必要とされる場所に配置しながら、望ましい摩滅、摩耗、熱的、または他の特性を有する、層２２２などの最外層の使用が可能になることである。ＣＭＡＳと非常に反応しやすい材料の多くは、例えば、ガスタービンの周囲運転環境に曝されるバルクコーティングのための望ましい選択となる、好適なレベルの機械的特性または他の特性に欠ける。他方で、７重量％〜９重量％のイットリアで安定化されたジルコニアは、その有利な熱的および機械的特性のために、遮熱コーティング中の使用にとって非常に魅力的な材料であるが、そのＣＭＡＳ抵抗性は、それほど高くない。かかるコーティング材料の寿命は、それ自体が摩耗または他の劣化メカニズムに対してＹＳＺよりも脆弱であり得るＣＭＡＳ抵抗材料で作られたバルクトップコートの使用に頼らずに、脆弱なエリア（本明細書に記す、表面に接した空隙１３０など）に保護剤１５０を適用することによって向上し得る。
【００６０】
物品１００などの物品を製作するための方法は、保護コーティング１４５およびオプションのボンドコーティング１４０の上に配置された遮熱コーティング１１０の表面に接した空隙１３０内に保護剤１５０を配置することであり、剤１５０が配置される空隙１３０内への上記した名目ＣＭＡＳなどのＣＭＡＳ材料の侵入を実質的に防ぐための有効濃度で配置することを含む。
【００６１】
前記したように、コーティング１１０は、プラズマ溶射技術（例えば、乾燥もしくは液体の供給原料材料を用いる空気プラズマ溶射）、化学蒸着、物理蒸着（例えば、電子ビーム物理蒸着または蒸発）、スラリー堆積、ゾルゲル技術、および他のコーティング方法など、いくつかの異なるコーティング技術のうちのいずれかによって、基材１２０上に配置され得る。
【００６２】
保護剤を配置することは典型的に、既存のコーティング１１０においてコーティング１１０の表面に接した空隙１３０内に蒸気または液体を浸透させることを伴う。蒸気浸透の場合、保護剤１５０は、コーティング１１０の材料との反応など、空隙１３０内の環境との化学相互作用によって形成され得る。液体浸透材は、他方で、水などの１つ以上の液体、または、アルコールもしくはアセトンなど、炭素を含む液体を含む。液体浸透材を伴う一実施形態において、液体は、分散媒と、分散媒内に懸濁した複数の粒子とを含む。粒子は、保護剤１５０の組成物を含んでもよく、または、加工中もしくは運転中にさらに反応して保護剤１５０を生成するように設計された、この組成物の化学前駆体であってもよい。代替的な実施形態において、液体は、溶剤と、溶剤に溶けた溶質とを含む。溶質は、硝酸塩、硫酸塩、他の塩、または他の化合物タイプなど、保護剤１５０の前駆体であってもよく、溶剤は、所望の溶質を適切に収容するように選択される。２つ以上の溶質が、溶剤に溶けていてもよい。溶質は、溶質を加熱して分解すること、複数の溶質を一緒に反応させること、１つ以上の溶質をコーティング１１０の材料と反応させること、またはこれらの何らかの組合せなどにより、反応して剤１５０を形成し得る。
【００６３】
液体浸透材は、任意の適切な技術を用いて、表面に接した空隙１３０に浸透される。一部の実施形態において、液体は、ディッピングまたはブラッシングなどによって、単にコーティング１１０と接触され、毛管現象によって液体および剤１５０（またはその前駆体）が空隙１３０に引き込まれることを可能にする。真空浸透技術が、一部の実施形態において、液体をコーティング１１０内に推進させることをさらに支援するために適用される。電気泳動堆積などの他の技術が、剤の粒子または剤１５０の前駆体を空隙１３０内に堆積させるために、懸濁液と共に使用されてもよい。セラミックコーティングの空隙内に材料を堆積させるための電気泳動堆積の使用については、Ｈａｓｚによって米国特許第７，７８０，８３２号に記載されている
液体浸透材が適用される場合、液体が、粒子懸濁液を運ぶか、液体に溶けた溶質を有するかにかかわらず、一部の実施形態において、方法は、液体を揮発させて、空隙１３０内に配置する残留物を形成することをさらに含む。残留物は、剤１５０の前駆体であってもよく、または剤の組成物自体であってもよい。揮発は典型的に、浸透されたコーティングを液体が許容可能な速度で発散する温度まで加熱することによって行われる。揮発のための所望の温度に達する加熱速度（「傾斜率」）は、コーティングを損傷させ得る、および／または、バブルの急速な形成および放出による液体の押し出しによって保護剤の不完全な堆積をもたらし得る、コーティング内での過度の圧力の形成を避けるように制御されることが多い。
【００６４】
一部の実施形態において、方法は、例えば、ボンドコーティング１４０とコーティング１１０が接触する場所で細孔１３０内にバリア剤１６０を配置することにより、保護剤１５０と基材１２０との間にバリア剤１６０を介在させることをさらに含む。このバリア剤の配置は、保護剤１５０の配置について上述した手段などの任意の手段によって達成され得る。一部の実施形態において、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、またはそれらの組合せなど、所望のバリア剤組成物を含む粒子の懸濁液が、コーティングの空隙１３０内に浸透される。この懸濁液の液体部分は揮発し、次いで保護剤は、上述したように配置される。代替的な実施形態において、バリア剤の前駆体の溶液が、コーティング１１０内に浸透され、液体は発散し、後で反応してバリア剤を形成する残留物が空隙１３０内に残る。この反応は、所望の加工および材料分布に依存して保護剤の配置前、配置中、または配置後に生じることができる。
【００６５】
バリア剤１６０を供給するために、そうでなければ基材１２０またはボンドコーティング１４０を保護剤１５０との相互作用から保護するために、他の技術が適用されてもよい。一実施形態において、コーティング１１０の初期層が、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）などによって適用される。この初期層は、上述したように浸透されて、コーティング１１０のこの初期層の（コラム間などの）空隙内にバリア剤１６０を堆積させる。浸透された層は次いで、清掃されてコーティング１１０の後続層でコーティングされる。この後続層は、図２に記述した構造について上記したように、初期層に使用されたのと同じ材料であってもよく、または異なる材料であってもよい。後続層は次いで、浸透されて、その空隙１３０内に保護剤１５０を配置するように加工される。別の実施形態において、コーティングの初期層が、比較的高い密度のコーティングを提供する堆積技術を用いて堆積される。この稠密な初期層は、保護剤１５０と基材１２０またはボンドコーティング１４０との間のバリアとして機能するのに十分な密度を有し得る。後続の技術または堆積パラメータの変更が次いで、比較的多孔質の材料の後続層を比較的稠密な初期層の上に堆積させるために適用されてもよい。この後続層は次いで、その空隙１３０内に保護剤１５０を配置するために浸透およびさらなる加工を施される。
【００６６】
コーティング系１０２は一般に、基材１２０の表面１１５に配置されて物品１００を形成する。特定の実施形態において、物品１００は、ガスタービンアセンブリの構成要素など、高温環境下で動作する任意の構成要素であり得る。かかる構成要素の例としては、非限定的に、ブレードおよびベーンなどのタービン翼形部と、ライナおよびトランジションピースなどの燃焼構成要素とを含む構成要素が挙げられる。そして、基材１２０は、かかる用途の使用に適した任意の材料であってもよく、例えば、いくつか挙げるとすれば、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、およびセラミック基複合材が挙げられる。
【００６７】
例えば、図３を参照すると、例示的な高バイパスターボファンジェットエンジン１０（「ターボファン１０」）の概略的な部分側断面図が一般に知られており、本発明の様々な実施形態を採用し得る。以下では、ターボファンエンジン１０を参照してさらに記述するが、本開示はまた、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することができる。
【００６８】
図１に示すように、ターボファン１０は、参照目的のために、それを貫通して延びる長手方向または軸方向中心軸線１２を有する。一般に、ターボファン１０は、ファンアセンブリ１４と、ファンアセンブリ１４の下流側に配置されたコアタービンエンジンまたはガスタービンエンジン１６とを含み得る。
【００６９】
ガスタービンエンジン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を含み得る。外側ケーシング１８は、直列の流れ関係で、ブースタもしくは低圧（ＬＰ）圧縮機２２および高圧（ＨＰ）圧縮機２４を有する圧縮機部と、燃焼部２６と、高圧（ＨＰ）タービン２８、低圧（ＬＰ）タービン３０、およびジェット排気ノズル部３２を含むタービン部とを収容するかまたは少なくとも部分的に形成する。高圧（ＨＰ）ロータシャフト３４は、ＨＰタービン２８をＨＰ圧縮機２４に駆動可能に接続する。低圧（ＬＰ）ロータシャフト３６は、ＬＰタービン３０をＬＰ圧縮機２２に駆動可能に接続する。ＬＰロータシャフト３６はまた、ファンアセンブリ１４のファンシャフト３８に接続され得る。図１に示すような特定の実施形態において、ＬＰロータシャフト３６は、間接駆動またはギヤ駆動構成などで減速ギヤ４０を介してファンシャフト３８に接続され得る。
【００７０】
図３に示すように、ファンアセンブリ１４は、ファンシャフト３８に連結され、それから半径方向外向きに延びる複数のファンブレード４２を含む。環状ファンケーシングまたはナセル４４は、ファンアセンブリ１４および／またはガスタービンエンジン１６の少なくとも一部分を円周方向に囲む。ナセル４４は、円周方向に離間した複数の出口ガイドベーンまたはストラット４６により、ガスタービンエンジン１６に対して支持されるように構成され得ることを、当業者であれば理解されたい。さらに、ナセル４４の少なくとも一部分は、ガスタービンエンジン１６の外側部分を覆うように延び、それらの間にバイパス空気流通路４８を画定し得る。
【００７１】
ターボファン１０の運転中、矢印７４で概略的に示すようなある量の空気が、ナセル４４および／またはファンアセンブリ１４の関連する入口７６を通ってターボファン１０に入る。空気７４がファンブレード４２を通過する際に、矢印７８で概略的に示すような空気の一部分が、バイパス空気流通路４８に誘導されるかまたは送られ、矢印８０で概略的に示すような空気の別の部分が、ＬＰ圧縮機２２に誘導されるかまたは送られる。空気８０は、ＬＰおよびＨＰ圧縮機２２、２４を通じて燃焼部２６に向かって流れながら次第に圧縮される。そこで、燃焼ガス８６が燃焼チャンバ６２内で発生し、燃焼器部２６からＨＰタービン２８に流入し、ＨＰロータシャフト３４を回転させることで、ＨＰ圧縮機２４の動作を支援する。図３に示したように、燃焼ガス８６は次いでＬＰタービン３０を通じて送られ、よって、ＬＰロータシャフト３６を回転させることで、ＬＰ圧縮機２２の動作および／またはファンシャフト３８の回転を支援する。燃焼ガス８６は次いで、ガスタービンエンジン１６のジェット排気ノズル部３２を通じて排出され、推進力をもたらす。
【００７２】
本明細書は、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を用いている。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み得る。かかる他の実施例は、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。
【符号の説明】
【００７３】
１０  ターボファン、ターボファンエンジン、高バイパスターボファンジェットエンジン
１２  軸方向中心軸線
１４  ファンアセンブリ
１６  ガスタービンエンジン
１８  外側ケーシング
２０  環状入口
２２  ＬＰ圧縮機
２４  ＨＰ圧縮機
２６  燃焼部、燃焼器部
２８  ＨＰタービン
３０  ＬＰタービン
３２  ジェット排気ノズル部
３４  ＨＰロータシャフト
３６  ＬＰロータシャフト
３８  ファンシャフト
４０  減速ギヤ
４２  ファンブレード
４４  ナセル
４６  ストラット
４８  バイパス空気流通路
６２  燃焼チャンバ
７４  空気、矢印
７６  入口
７８  矢印
８０  空気、矢印
８６  燃焼ガス
１００  物品
１０２  コーティング系
１１０  遮熱コーティング、バルクコーティング
１１５  表面
１２０  基材、金属製基材
１３０  空隙、コーティング空隙、コーティング、細孔
１４０  ボンドコーティング、ボンドコーティング層
１４２  熱成長酸化層
１４５  保護コーティング、バリア層、保護層
１５０  保護剤、バリア剤、剤
１６０  バリア剤、バリア、保護剤
２２０  複数の層
２２２  第１の層
２２４  第２の層
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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