(57)【要約】【課題】閉気孔セラミック複合物を提供すること。【解決手段】遮熱システム４８は、アブレイダブルセラミック部材５０を含み、さらにセラミック部材５０と基材４６との間に選択的にボンドコート５２を含む。閉気孔５４内に密閉された空隙容積は、断熱材として機能し、セラミック部材５０を介しての熱の伝達に対して耐性を有し、セラミック部材５０をその焼結温度より低く維持する。さらに、セラミックマトリックス５６内の閉気孔５４の存在は、セラミックマトリックス５６の焼結速度を低下させる。また、閉気孔構造は、デブリがセラミック部材５０の中へ侵入することを防ぐ。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材に固定され、セラミックマトリックス内に複数の閉気孔を含む遮熱材と、
を備える複合物。
【請求項２】
前記複数の閉気孔の各々が、前記セラミックマトリックスによって完全に包囲されている請求項１に記載の複合物。
【請求項３】
前記複数の閉気孔が、前記遮熱材の約２０体積％〜８０体積％を占める請求項１に記載の複合物。
【請求項４】
前記複数の閉気孔が、前記遮熱材の約３３体積％〜６６体積％を占める請求項３に記載の複合物。
【請求項５】
前記複数の閉気孔が、前記遮熱材の約６６体積％を占める請求項３に記載の複合物。
【請求項６】
前記基材と前記遮熱材との間にボンドコートをさらに備える請求項１に記載の複合物。
【請求項７】
前記セラミックマトリックスが、イットリア安定化ジルコニア、ジルコニア、ハフニア、ガドリニア、二ケイ化モリブデン、アルミナまたはムライトのうち少なくとも１つを含む請求項１に記載の複合物。
【請求項８】
前記遮熱材の厚さが、約２０ミル（約０．０５１ｃｍ）〜約１５０ミル（約０．３８１ｃｍ）である請求項１に記載の複合物。
【請求項９】
前記遮熱材の厚さが、約２０ミル（約０．０５１ｃｍ）〜約５０ミル（約０．１２７ｃｍ）である請求項８に記載の複合物。
【請求項１０】
セラミックマトリックス内に複数の閉気孔を有する遮熱材を形成するステップ、
を含む遮熱材を製造する方法。
【請求項１１】
セラミック粉末を４０％〜６０％の理論密度に圧縮成形するステップと、
前記セラミック粉末を焼結するステップと、
をさらに含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記セラミック粉末を５０％の理論密度に圧縮成形することを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
気孔形成剤を有するセラミックから前記遮熱材を形成することをさらに含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記閉気孔を形成するために、前記セラミックを加熱して前記気孔形成剤を除去することを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
有機物質、ポリマーまたはグラファイトのうち少なくとも１つを含むように、前記気孔形成剤を選択することを含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記閉気孔を形成するために、前記気孔形成剤を焼結して前記気孔形成剤のサイズを縮小することを含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
ナノサイズのセラミック粒子を含むように、前記気孔形成剤を選択することを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
加熱されると前記セラミックマトリックスを形成するプリセラミックポリマー或いは塩と、セラミック粒子を含むスラリーと、プリセラミックポリマーおよび溶剤を含むスラリーと、の少なくとも１つから前記遮熱材を形成することをさらに含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
２つの周縁側部の間、前縁と後縁との間、および半径方向内側部と半径方向外側部との間に延在する本体と、
前記本体に固定され、セラミックマトリックス内に複数の閉気孔を含む遮熱材と、
を備えるタービンブレード外側エアシール。
【請求項２０】
前記複数の閉気孔が前記遮熱材の約３３体積％〜６６体積％を占め、前記セラミックマトリックスが、イットリア安定化ジルコニア、ジルコニア、ハフニア、ガドリニア、二ケイ化モリブデン、アルミナまたはムライトのうち少なくとも１つを含み、前記遮熱材の厚さが約２０ミル〜５０ミルである請求項１９に記載のタービンブレード外側エアシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遮熱材に関し、詳しくは、アブレイダブルセラミック遮熱システムおよびこれを製造する方法に関する。
【０００２】
なお本発明は、米国空軍から授与された契約番号Ｆ３３６１５−０３−Ｄ−２３５４（デリバリオーダ０００９）のもとに、米国政府の支援を受けてなされたものである。したがって、同政府は、本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンエンジン構成要素などの高温にさらされる構成要素は、一般に、１つまたは複数のコーティング層を有する保護コーティングシステムを含む。例えば、タービンブレード、タービンベーンおよびブレード外側エアシールは、一般に、浸食、酸化、腐食などから保護することによってエンジンの耐久性を向上させる又は効率の良いエンジンの運転を維持するコーティングシステムを含む。詳しくは、従来の外側エアシールは、エンジンの運転中にタービンブレードの先端部に接触するアブレイダブルセラミックコーティングを含み、エンジンの運転が開始されると、ブレードがこのコーティングを磨耗させる。コーティングとブレード先端部との間の磨耗により、これらの構成要素の間に最小限のクリアランスがもたらされ、ブレード先端部の周りのガス流が低減することによってエンジン効率が維持される。
【０００４】
アブレイダブルセラミックコーティングの欠点の１つは、浸食および剥落に対する脆弱性である。例えば、剥落は、構成要素から離脱するコーティングの一部分を失うこととして発生する。コーティングの喪失は、外側エアシールとブレード先端部との間のクリアランスを大きくし、タービンエンジンの効率に不利に作用する。剥落の原因の１つは、タービンセクション内の温度が高いことであり、これがセラミックコーティングの焼結を引き起こす。焼結は、コーティングを収縮させ、収縮により、コーティングと構成要素との間に応力が生じる。応力が大きくなると、コーティングは、積層はがれして構成要素から離脱してしまうことがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、エンジンの運転中の焼結および収縮に耐えるように耐熱性が高められた遮熱システムと、この遮熱システムを製造する方法と、が求められている。本発明は、これらの必要性に応えると共に、従来技術の短所および欠点を回避する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一例としての複合物が、基材と、基材に固定された遮熱材と、を含む。遮熱材は、セラミックマトリックス内に複数の閉気孔を含む。閉気孔は、例えば、遮熱材の２０体積％〜８０体積％を占める。
【０００７】
一例としての遮熱材を製造する方法が、セラミックマトリックス内に複数の閉気孔を形成するステップを含む。これらの閉気孔は、例えば、気孔形成剤を使用して形成される。この気孔形成剤は、閉気孔を形成するために後に除去される又は大きさが縮小される。
【０００８】
一例としての複合物は、ガスタービンエンジン内で使用されるためのタービンブレード外側エアシールである。例えば、基材は、本体を含み、遮熱材は、この本体に固定され、高熱ガス流に対する耐熱性をもたらす。
【０００９】
現時点においての好ましい実施例の以下の詳細な説明により、本発明の様々な特徴および利点が当業者に明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、推進用に使用されるガスタービンエンジン１０などの一例としてのガスタービンエンジン１０の選択された部分を示す。この例において、ガスタービンエンジン１０は、エンジン中心線１２の周りに周方向に配置されている。エンジン１０は、ファン１４と、コンプレッサセクション１６と、燃焼セクション１８と、タービンブレード２２およびタービンベーン２４を含むタービンセクション２０と、を含む。周知のように、コンプレッサセクション１６内で圧縮された空気は、燃焼セクション１８内で燃料と混合されてから燃焼されて高温ガスを生成し、この高温ガスは、タービンセクション２０内で膨張する。図１は、例示のための概略図であり、開示例に限定するものではない。さらに、様々な型式のガスタービンエンジンがあり、それらの多くも、本明細書の開示例から、図示した設計に限定されない恩恵を受けることを理解されたい。
【００１１】
図２は、タービンセクション２０の選択された部分を示す。タービンブレード２２は、燃焼セクション１８（図１）から高温ガス流２６を受ける。タービンセクション２０は、タービンセクション２０を通流する高温ガス流２６の外壁として機能するシール部材３０を有するブレード外側エアシールシステム２８を含む。シール部材３０は、支持部３２に固定され、支持部３２は、タービンセクション２０を概ね取り囲むケース３４に固定されている。複数のシール部材３０が、例えば、タービンセクション２０の周りに周方向に設けられている。
【００１２】
図３は、一例としてのシール部材３０の部分４４を示す。この例において、シール部材３０は、基材４６を含み、基材４６の上に遮熱システム４８が配置されている。遮熱システム４８は、アブレイダブルセラミック部材５０を含み、さらにセラミック部材５０と基材４６との間に選択的にボンドコート５２を含む。セラミック部材５０は、基材４６の表面に対してほぼ垂直の方向に厚さ６６を有する。厚さ６６は、例えば、約２０ミル（約０．０５１ｃｍ）〜１５０ミル（約０．３８１ｃｍ）である。他の例において、厚さ６６は、約２０ミル（約０．０５１ｃｍ）〜５０ミル（約０．１２７ｃｍ）である。特定の遮熱システム４８を開示しているが、開示例は、図示した構成に限定するものではなく、層を追加してもよいことを理解されたい。さらに、シール部材３０が示されているが、開示例は、タービンブレード２２またはタービンベーン２４などの他の種類のエンジン構成要素にも、あるいは非エンジン構成要素にも適用できることを理解されたい。
【００１３】
この開示例において、セラミック部材５０は、セラミックマトリックス５６に埋設された複数の閉気孔５４を含む。すなわち、複数の閉気孔５４は、互いに流体的に接続されておらず、セラミック部材５０の周囲環境とも流体的に接続されていない。
【００１４】
セラミック部材５０は、いくつかの利便性を提供する。例えば、閉気孔５４が存在することにより、タービンセクション２０内において高温により生じる焼結および収縮に耐えるためのセラミック部材５０の耐熱性が向上する。すなわち、閉気孔５４内に密閉された空隙容積は、セラミック部材５０を介しての熱の伝達に対して耐性を有する断熱材として機能することによって、セラミック部材５０をその焼結温度より低く維持する。さらに、セラミックマトリックス５６内に閉気孔５４が存在することにより、セラミックマトリックス５６の焼結速度が低下する。すなわち、閉気孔５４は比較的大きな平均曲率半径（ａｖｅｒａｇｅ  ｒａｄｉｕｓ  ｏｆ  ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）を有するとともに、比較的大きな平均気孔径（ａｖｅｒａｇｅ  ｐｏｒｅ  ｓｉｚｅ）を有し、セラミック部材５０の内部表面積に対する体積の比が増えることにより、セラミックマトリックス５６の焼結速度が低下する。これは、閉気孔構造を製造する方法が、完全またはほぼ完全に緻密化されたマトリックスをつくるためである。したがって、タービンセクション２０内の温度が焼結温度を超過する場合、複数の閉気孔５４は、セラミック部材５０が焼結する速度を低下させる。
【００１５】
また、セラミック部材５０の閉気孔構造は、タービンエンジン１０の効率を維持し、さらには向上させる利便性を提供する。例えば、タービンセクション２０を通流する高温ガス流は、概ね、タービンブレード２２の先端部の周りを流れる。閉気孔構造は、高温ガス流がセラミックマトリックス５６を通過してブレード先端部の周りに流れること（開気孔構造の場合には起こり得る）を高温ガス流の少なくとも一部分について防ぐ。さらに、閉気孔構造は、デブリ（ｄｅｂｒｉｓ）がセラミック部材５０の中へ侵入することを防ぐが、さもなければ、デブリが溶融し、セラミックマトリックス５６、ボンドコート５２、または基材４６と反応し、外側エアシール３０の機械的な一体性に不利益を与える汚染相を形成する恐れがある。
【００１６】
セラミック部材５０は、選択された種類のセラミック材料からなり、選択された体積の閉気孔５４を含む。例えば、セラミックマトリックス５６は、イットリア安定化ジルコニア、ジルコニア、ハフニア、ガドリニア、二硫化モリブデン、アルミナまたはムライトのうち少なくとも１つを含む。他の例において、開示例のハフニア、ジルコニア、またはガドリニアは、米国特許第６，２８４，３２３号明細書または米国特許第６，９２４，０４０号明細書に開示されている組成から選択される。この説明が与えられれば、当業者であれば、具体的な要求を満たす他の種類のセラミック材料も有効であることを理解されるであろう。
【００１７】
所望のレベルの耐熱性を実現するために、選択された体積の閉気孔５４を有するセラミック部材５０を製造することができる。例えば、閉気孔５４の体積は、セラミック部材５０の２０体積％〜８０体積％である。他の例において、閉気孔５４の体積は、３３体積％〜６６体積％である。他の例において、閉気孔５４の体積は、約６６体積％である。比較的大きな体積の閉気孔５４を使用することにより、さらに大きな断熱効果、対応する大きな被削性、および低い弾性係数を実現できることが理解されよう。
【００１８】
基材４６またはボンドコート５２上のコーティング、あるいは基材４６またはボンドコート５２に後に結合される別個の部分を含めて、様々な異なる方法でセラミック部材５０を製造することができる。図４は、セラミック部材５０を形成する方法７０の一例を示す。この例では、上記のうち１つまたは複数のセラミック材料を含むセラミック粉末を加圧下で圧縮成形する（ステップ７２）。粉末圧縮成形技術を利用するセラミック加工は、典型的には、１００％近くの理論密度にまで粉末を圧縮成形する。しかし、後に閉気孔５４を形成するために、ステップ７２でセラミック粉末を４０％〜６０％の理論密度に圧縮成形する。他の例において、セラミック粉末を５０％の理論密度に圧縮成形する。開示例のレベルの理論密度に圧縮成形することによって、セラミック粉末粒子どうしの間に粒子間気孔が形成され、後にセラミック粉末を焼結緻密化（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ  ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）したときに閉気孔５４が形成される。本明細書に使用される「理論密度」という術語は、完全に緻密な材料を指し、共通の参照材料を用いて見つけることもできるし、既知の計算により決定することもできる。
【００１９】
ステップ７２の前に、セラミック粉末粒子に様々な結合剤および潤滑剤を選択的に混合することができる。典型的には、圧縮成形を防ぐために、最小限の量の結合剤および潤滑剤を使用する。しかし、ステップ７２では部分的な圧縮成形が望ましいので、所望のレベルの圧縮成形理論密度にするために、比較的多くの結合剤および潤滑剤を使用してもよい。
【００２０】
ステップ７２での圧縮成形の後で、セラミック部材５０を形成するために、圧縮成形されたセラミック粉末を焼結する（ステップ７４）。この焼結は、例えば、セラミック粉末粒子の拡散が生じるように、圧縮成形されたセラミック粉末粒子を所定の焼結温度で加熱することを含む。セラミック粉末粒子の部分的拡散は、ステップ７２での部分的圧縮成形で生じた粒子間気孔を完全に満たすことはなく、焼結ステップ７４の後に閉気孔５４を残す。一例において、ステップ７２で４０％〜６０％の理論密度でセラミック粉末粒子を圧縮成形することにより、セラミック部材５０の３０体積％を占める閉気孔５４が得られる。第２の例として、セラミックの組成および焼結温度によっては、セラミック材料が部分的に溶融し、緻密化を容易にする液体相が形成される場合もある。
【００２１】
さらに、圧縮成形されたセラミック粉末粒子は、１００％未満で焼結される。選択された焼結温度および焼結時間の結果としてセラミック粉末粒子が１００％未満で焼結されるように、例えば、焼結時間および焼結温度を実験的に定めてもよい。セラミック粉末粒子を１００％未満で焼結することにより、粒子間気孔中にセラミック粉末粒子が拡散することを防ぎ、それによって、最終的に形成される閉気孔５４の体積をさらに大きくする。
【００２２】
他の例において、圧縮成形されたセラミック粉末粒子は、完全に焼結されたセラミックマトリックス５６を形成するように焼結される（すなわち、セラミックマトリックス５６は、閉気孔５４の体積を考慮しない場合、１００％または約１００％の理論密度にある）。これは、例えば、セラミック結晶が等軸となり、かつ焼結の推進力が減少して焼結収縮が無視できるほどに減速するまで、比較的長時間、比較的高温でサブミクロンのセラミック粒子を焼結することによって実現することができる。代替的に、ごくわずかの中空球、浮遊粒子、凝集サブミクロン粒子つまり凝集ナノ粒子などを使用することにより、圧縮成形されたセラミック粉末粒子どうしの間に、二極化した気孔径分布をもつ複数の粒子間気孔を形成させてもよい。すると、小さい方の粒子間気孔がはるかに速く焼結し、セラミック部材５０全体の見掛け密度よりも密度の高いセラミックマトリックス５６が提供される。すると、セラミックマトリックス５６は、これ自体の見掛け密度、気孔径、および焼結速度によって特徴づけることができ、一方、全体としてのセラミック部材５０は、これ自体の見掛け密度、気孔径、および焼結速度によって特徴づけることができる。
【００２３】
図５は、閉気孔５４を形成する方法８０の他の例を示す。この例において、セラミック前駆体が、所望の形状に形成される（ステップ８２）。例えば、セラミック前駆体は、セラミック粉末粒子と、浮遊物質などの気孔形成剤と、を有するスラリーである。この浮遊物質は、浮遊物質を液化する又は気化するように所定の温度で加熱することなどによって、後に除去することができる物質である。浮遊物質は、例えば、コーンスターチまたはワックスなどの有機物質を含み得る。他の実施例において、浮遊物質は、ポリエステルまたはポリメタクリル酸メチル（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）などのポリマー、あるいはグラファイトを含む。この説明が与えられれば、当業者であれば、浮遊物質として使用することができる他の種類のポリマーおよび固体も使用され得ることを理解されるであろう。
【００２４】
他の例において、上述の例のスラリーは、プリセラミックポリマー（ｐｒｅｃｅｒａｍｉｃ  ｐｏｌｙｍｅｒ）、塩、または加熱されるとセラミックマトリックス５６を形成するように変化を受ける他の複合物などのセラミック前駆体を含む。上述の例のスラリー中で、これらの種類のセラミック前駆体を結合剤として使用してもよく、または単独で使用してもよい。いくつかの例において、これらの種類のセラミック前駆体は、熱処理の間に、体積が収縮し、ガスを放出する。このことは、閉気孔５４の構造を制御するために有利となり得る。
【００２５】
浮遊物質は、セラミック粉末粒子から除去される（ステップ８４）。一定期間にわたる気化、所定の温度でのスラリーの加熱、あるいは浮遊物質の除去との組み合わせにより、初めに、溶剤を除去することができる。浮遊物質を液化または気化させるように、所定の温度で加熱することにより、浮遊物質を除去する。例えば、グラファイトを空気中で酸化させ、気体の二酸化炭素生成物を形成させてもよい。
【００２６】
浮遊物質を除去することにより、セラミック粉末粒子どうしの間に粒子間気孔が残る。セラミック粉末粒子は、少なくとも部分的に緻密化されるように、所定の焼結温度で焼結される（ステップ８６）。上述のように、セラミック粉末粒子が拡散することにより、粒子間気孔が完全に緻密化しない。したがって、セラミック粉末粒子は、閉気孔５４を形成するように気孔の周囲で緻密化する。
【００２７】
図６は、閉気孔５４を形成する方法９０の他の例を示す。この例では、図５に示した例と同様に、セラミック前駆体を使用して、セラミック部材５０を形成する。セラミック前駆体は、セラミック粉末粒子を有するスラリーと、溶剤中に懸濁された気孔形成剤と、を含み得る。テープ鋳造法（ｔａｐｅ  ｃａｓｔｉｎｇ）などにより、スラリーを所望の形状に形成することができる。
【００２８】
気孔形成剤は、周囲を取り囲むセラミック粉末粒子または緻密化されたセラミックマトリックス５６内に気孔体積を残すように、焼結したときにサイズが縮小する（すなわち収縮する）焼結物質を含む。例えば、焼結物質は、所定の焼結温度に加熱されると同時に収縮するナノサイズのセラミック粒子の凝集体からなる。
【００２９】
溶剤を除去した後に、セラミック前駆体および焼結物質を所定の温度で加熱して焼結物質を焼結させ、セラミック粉末粒子どうしの間に粒子間気孔を生成させる（ステップ９４）。粒子間気孔の周囲でセラミックマトリックス５６を緻密化して閉気孔５４を形成するために、焼結物質の収縮をセラミック粉末粒子の焼結から独立して行ってもよいし、焼結と共に行ってもよい。
【００３０】
図示した例において、特徴の組合せが示されているが、本開示の様々な実施例の利点を具現化するために、これらの特長のすべてを組み合わせる必要はない。換言すれば、本開示の一実施例にしたがって設計されたシステムが、１つの図面に示される全特徴を含む必要もなければ、すべての図面に概略的に示される部分のすべてを含む必要もない。さらに、一実施例における選択された特徴を、他の実施例における選択された特徴と組み合わせてもよい。
【００３１】
上述の説明は、本質的に限定するものではなく、例示的なものである。当業者であれば、本開示の本質から逸脱することなく、開示例に対していくつかの変形および修正がなされ得ることを理解されるであろう。本開示に与えられる法的保護の範囲は、添付の特許請求の範囲を考察することによってのみ決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】一例としてのスタービンエンジンを示す図。
【図２】ガスタービンエンジンのタービンセクションを示す図。
【図３】タービンセクション内のシール部材の一部分を示す図。
【図４】閉気孔を有するセラミック部材を形成する方法の一例を示すフローチャート。
【図５】閉気孔を有するセラミック部材を形成する方法の他の例を示すフローチャート。
【図６】閉気孔を有するセラミック部材を形成する方法の他の例を示すフローチャート。
【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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