(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
約２５〜６６体積％の溶媒と、
約４〜１０体積％のケイ素を含むバインダーと、
約３０〜６５体積％のパッチング材とを含む、ケイ素系パッチ組成物であって、パッチング材が、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子を含み、ケイ素系パッチ組成物内の１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素とケイ素とのモル比が約０．９５〜１．２５である、ケイ素系パッチ組成物。
【請求項２】
１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子が、希土類一ケイ酸塩（ＲＥ2ＳｉＯ5）及び希土類二ケイ酸塩（ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7）からなる群から選択される１以上の希土類材料を含み、希土類材料が、非アクチニドＩＩＩＡ族元素からなる群から選択される、請求項１に記載のケイ素系パッチ組成物。
【請求項３】
１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子が、１以上の二峰性粒度分布を有し、第１の分布のピーク粒度が第２の分布のピーク粒度よりも大きい、請求項１に記載のケイ素系パッチ組成物。
【請求項４】
第１の分布の体積分率が、パッチング材の８０％未満を構成し、第２の分布の体積分率が、パッチング材の８０％未満を構成し、第１及び第２の分布の体積分率が、パッチング材の実質的に１００％を構成する、請求項３に記載のケイ素系パッチ組成物。
【請求項５】
第１の分布の体積分率が、パッチング材の６０％未満を構成し、第２の分布の体積分率が、パッチング材の６０％未満を構成し、第１及び第２の分布の体積分率が、パッチング材の実質的に１００％を構成する、請求項３に記載のケイ素系パッチ組成物。
【請求項６】
第１の分布の粒度が約１０〜５０μｍの範囲内にあり、第２の分布の粒度が約０．５〜１０μｍの範囲内にある、請求項３に記載のケイ素系パッチ組成物。
【請求項７】
１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子が、１以上の三峰性粒度分布を有し、第１の分布のピーク粒度が、第２の分布のピーク粒度よりも大きく、第２の分布のピーク粒度が、第３の分布のピーク粒度よりも大きい、請求項１に記載のケイ素系パッチ組成物。
【請求項８】
第１の分布の体積分率が、パッチング材の８０％未満を構成し、第２の分布の体積分率が、パッチング材の５０％未満を構成し、第３の分布の体積分率が、パッチング材の５０％未満を構成し、第１、第２及び第３の分布の体積分率が、パッチング材の実質的に１００％を構成する、請求項７に記載のケイ素系パッチ組成物。
【請求項９】
第１の分布の体積分率が、パッチング材の６０％未満を構成し、第２の分布の体積分率が、パッチング材の３０％未満を構成し、第３の分布の体積分率が、パッチング材の３０％未満を構成し、第１、第２及び第３の分布の体積分率が、パッチング材の実質的に１００％を構成する、請求項７に記載のケイ素系パッチ組成物。
【請求項１０】
第１の分布の粒度が、約１０〜５０μｍの範囲内にあり、第２の分布の粒度が約５〜１５μｍの範囲内にあり、第３の分布の粒度が、約０．５〜５μｍの範囲内にある、請求項６に記載のケイ素系パッチ組成物。
【請求項１１】
溶媒が、ケイ素を含むバインダーの溶解を促進する有機溶媒を含む、請求項１に記載のケイ素系パッチ組成物。
【請求項１２】
有機溶媒が、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、ドデカノールからなる群から選択される、請求項１１に記載のケイ素系パッチ組成物。
【請求項１３】
バインダーが、架橋ポリオルガノシロキサン樹脂を含む、請求項１に記載のケイ素系パッチ組成物。
【請求項１４】
約２〜１０体積％の硬化ケイ素を含むバインダーと、
約９０〜９８体積％の硬化パッチング材と
を含むケイ素系耐環境性パッチであって、硬化パッチング材が、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子を含み、
ケイ素系耐環境性パッチ内の１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素とケイ素とのモル比が、約０．９５〜１．２５である、ケイ素系耐環境性パッチ。
【請求項１５】
少なくとも約３ＭＰａの接着強さ及び約３．５〜７ｐｐｍ／℃の熱膨張係数をさらに含む、請求項１４に記載のケイ素系耐環境性パッチ。
【請求項１６】
１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子が、希土類一ケイ酸塩（ＲＥ2ＳｉＯ5）及び希土類二ケイ酸塩（ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7）からなる群から選択される１以上の希土類材料を含み、希土類材料が、非アクチニドＩＩＩＡ族元素からなる群から選択される、請求項１４に記載のケイ素系耐環境性パッチ。
【請求項１７】
１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子が、１以上の二峰性粒度分布を有し、第１の分布のピーク粒度が第２の分布のピーク粒度よりも大きい、請求項１４に記載のケイ素系耐環境性パッチ。
【請求項１８】
第１の分布の体積分率が、硬化パッチング材の６０％未満を構成し、第２の分布の体積分率が、硬化パッチング材の６０％未満を構成し、第１及び第２の分布の体積分率が、パッチング材の実質的に１００％を構成する、請求項１７に記載のケイ素系耐環境性パッチ。
【請求項１９】
第１の分布の粒度が、約１０〜５０μｍの範囲内にあり、第２の分布の粒度が、約０．５〜１０μｍの範囲内にある、請求項１７に記載のケイ素系耐環境性パッチ。
【請求項２０】
１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子が１以上の三峰性粒度分布を有し、第１の分布のピーク粒度が第２の分布のピーク粒度よりも大きく、第２の分布のピーク粒度が第３の分布のピーク粒度よりも大きい、請求項１４に記載のケイ素系耐環境性パッチ。
【請求項２１】
第１の分布の体積分率が、硬化パッチング材の６０％未満を構成し、第２の分布の体積分率が、硬化パッチング材の３０％未満を構成し、第３の分布の体積分率が、硬化パッチング材の３０％未満を構成し、第１、第２及び第３の分布の体積分率が、パッチング材の実質的に１００％を構成する、請求項２０に記載のケイ素系耐環境性パッチ。
【請求項２２】
第１の分布の粒度が約１０〜５０μｍの範囲内にあり、第２の分布の粒度が約５〜１５μｍの範囲内にあり、第３の分布の粒度が約０．５〜５μｍの範囲内にある、請求項２０に記載のケイ素系耐環境性パッチ。
【請求項２３】
硬化ケイ素を含むバインダーが、硬化架橋ポリオルガノシロキサン樹脂を含み、硬化架橋ポリオルガノシロキサン樹脂がシリカを含む、請求項１４に記載のケイ素系耐環境性パッチ。
【請求項２４】
ケイ素系基材の空洞の中に配置されたケイ素系パッチ組成物を熱処理する工程であって、熱処理する工程が空洞の内部でケイ素系耐環境性パッチを形成することを促進し、ケイ素系耐環境性パッチが硬化したケイ素を含むバインダーと、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子を含む硬化パッチング材とを含み、ケイ素系パッチ内の１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素とケイ素とのモル比が約０．９５〜１．２５である工程を含む、方法。
【請求項２５】
熱処理する工程が、ケイ素系パッチ組成物を硬化させることを含み、ケイ素系パッチ組成物の硬化が、約１０００℃〜１６５０℃の最大温度で実施される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
熱処理する工程が、硬化の前にケイ素系パッチ組成物を安定化させることを含み、ケイ素系パッチ組成物を安定化させることが、約５００℃以下の温度で実施される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
ケイ素系パッチ組成物が、約２５〜６６体積％の溶媒、約４〜１０体積％のケイ素を含むバインダーと、約３０〜６５体積％のパッチング材とを含むケイ素系パッチ組成物を準備することを含み、パッチング材は１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子を含み、ケイ素系パッチ組成物内の１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素とケイ素とのモル比が約０．９５〜１．２５である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子が、希土類一ケイ酸塩（ＲＥ2ＳｉＯ5）及び希土類二ケイ酸塩（ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7）からなる群から選択される１以上の希土類材料を含み、希土類材料が、非アクチニドＩＩＩＡ族元素からなる群から選択される、請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、ケイ素系基材の内部に配置された空洞を修復することに関する。より具体的には、本開示は、例えば、ケイ素系基材の内部の空洞の修復で用いるためのケイ素系パッチ組成物、及び得られるパッチ材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ケイ素系セラミック材料は、現在、ガスタービンエンジンの高温部品、例えば翼形部（例えばブレード及びベーン）、燃焼器ライナ及びシュラウドに用いられている。例として、ケイ素系セラミック材料、例えば、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）は、セラミックマトリックス相を補強する繊維を含んでいてもよいし、その繊維から加工されていてもよい。ＣＭＣは、例えば、他の従来の材料、例えば、鉄基、ニッケル基及び／又はコバルト基超合金などと比較して、高温の機械的性質、物理的性質及び／又は化学的性質の望ましい組合せを提供することができる。
【０００３】
ケイ素系セラミック材料は望ましい高温特性を示すが、そのような材料は、水蒸気などの反応種に触れることによる揮発に起因する燃焼環境での急速なくぼみという難点があり得る。そのような例では、本明細書において一般に環境バリアコーティング（ＥＢＣ）と呼ばれる保護コーティングが、ケイ素系セラミック材料を揮発プロセスから保護するために使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開２０１２／００７６９４３号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本明細書では、約２５〜６６体積％の溶媒と、約４〜１０体積％のケイ素を含むバインダーと、約３０〜６５体積％のパッチング材とを含むケイ素系パッチ組成物について開示するが、該パッチング材は１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子を含み、該パッチ組成物内の１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素とケイ素とのモル比は約０．９５〜１．２５である。
【０００６】
別の実施形態では、約２〜１０体積％の硬化バインダーを含むケイ素系耐環境性パッチについて開示するが、該硬化バインダーは、硬化ケイ素系バインダーと、約９０〜９８体積％の硬化パッチング材とを含み、該硬化パッチング材は、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族物質を有する粒子を含み、耐環境性パッチ材内の１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素とケイ素とのモル比は約０．９５〜１．２５である。
【０００７】
さらに別の実施形態では、ケイ素系基材の空洞の中に配置されたケイ素系パッチ組成物を熱処理する工程を含む方法について開示するが、該熱処理することは、空洞の内部でケイ素系耐環境性パッチを形成することを促進し、該ケイ素系耐環境性パッチは、硬化されたケイ素を含むバインダーと、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子を含む硬化パッチング材とを含み、ケイ素系耐環境性パッチ内の１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素とケイ素とのモル比は約０．９５〜１．２５である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本開示の１以上の態様に従う、例として高温部品で用いるための構造の一実施形態の断面図を表す図である。該構造は、例としてケイ素系基材と、該ケイ素系基材の上に配置された環境バリアコーティングとを含む。
【図１Ｂ】本開示の１以上の態様に従う、ケイ素系基材の内部に配置された空洞をもつ図１Ａの構造を表す図である。
【図１Ｃ】本開示の１以上の態様に従う、パッチ組成物がその空洞の内部に配置された、図１Ｂの構造を表す図である。
【図１Ｄ】本開示の１以上の態様に従う、耐環境性パッチ材がその空洞の内部に配置された、図１Ｃの構造を表す図である。
【図２】本開示の１以上の態様に従う、パッチング材の中の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子の概略的な二峰性粒度分布グラフを表す図である。
【図３】本開示の１以上の態様に従う、パッチング材の中の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子の概略的な三峰性粒度分布グラフを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書において、一つには、例えば、ケイ素系基材の内部の空洞の修復で用いるための強化されたパッチ組成物が開示される。一態様では、上記のように、多様なケイ素系セラミック材料が、ガスタービンエンジンの高温部品に現在用いられている。例として、ケイ素系セラミック材料は、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）系セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）などの材料を含んでいてもよいし、その材料から加工されていてもよい。ケイ素系材料は望ましい高温特性を示すが、そのような材料は、反応種、例えば水蒸気などに触れると、揮発性（ガス状）水酸化ケイ素種に変換されることによって、急速に消費され得る。そのような例では、本明細書において一般に環境バリアコーティング（ＥＢＣ）と呼ばれる保護コーティングが、ケイ素系材料を高温エンジン部分の厳しい環境から保護するために一般的に使用される。例えば、ＥＢＣ材料は、熱い燃焼環境で水蒸気に対して高密度の気密封止をもたらし、それによりセラミック部品のくぼみを保護することができる。
【００１０】
ＥＢＣ材料は、下にあるケイ素系セラミック材料に望ましい保護をもたらすが、局在化された破砕及び／又はピンホール欠陥が、従来の製造プロセス、及び／又は動作中に時々起こることがある。不都合なことに、これらのピンホール欠陥及び／又は局在化された破砕は、下にあるケイ素系セラミック材料の内部に１以上の空洞をもたらし得る。これらの空洞は、不都合なことに熱い燃焼環境に長期間の触れることによって増大することがあり得、それは例えば、結果として得られるケイ素系セラミック材料の耐力を低下させ、かつ／又は気流を分断することがあり得、それは今度は、ガスタービンエンジンの運転効率及び耐久性に悪影響を及ぼすことがあり得る。
【００１１】
本明細書では、一般的に、一態様では、例えばケイ素系基材の内部の空洞の修復で用いるためのケイ素系パッチ組成物について開示する。ケイ素系パッチ組成物には、例えば、約２５〜６６体積％の溶媒と、約４〜１０体積％のケイ素を含むバインダーと、約３０〜６５体積％のパッチング材が含まれ、該パッチング材は１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子を含み、該パッチ組成物内の１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素とケイ素とのモル比は約０．９５〜１．２５である。
【００１２】
例として、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子は、希土類一ケイ酸塩（ＲＥ2ＳｉＯ5）及び希土類二ケイ酸塩（ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7）からなる群から選択される１以上の希土類材料を含み、該希土類材料は、非アクチニドＩＩＩＡ族元素からなる群から選択される。例として、非アクチニドＩＩＩ族元素は、例えば、スカンジウム、イットリウム、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、イッテルビウム及びルテチウムであってもよいし、又はそれらを含んでよい。本開示の一実施形態では、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子は、１以上の二峰性粒度分布を有し、第１の分布のピーク粒度は第２の分布のピーク粒度よりも大きい。例えば、第１の分布の体積分率は、パッチング材の６０％未満を構成し、第２の分布の体積分率は、パッチング材の６０％未満を構成し、第１及び第２の分布の体積分率は、パッチング材の実質的に１００％を構成する。一例では、第１の分布の粒度は約１０〜５０μｍの範囲内にあり、第２の分布の粒度は約０．５〜１０μｍの範囲内にある。例えば、第１のピークを有する分布に寄与する粒子は、約１０〜５０μｍの範囲内の平均サイズを有し得るが、第２のピークを有する分布に寄与する粒子は、約０．５〜１０μｍの範囲内の平均サイズを有し得る。
【００１３】
別の実施形態では、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子は三峰性の粒度分布を有し、第１の分布のピーク粒度は第２の分布のピーク粒度よりも大きく、第２の分布のピーク粒度は第３の分布のピーク粒度よりも大きい。一例では、第１の分布の体積分率は、パッチング材の６０％未満を構成してよく、第２の分布の体積分率は、パッチング材の３０％未満を構成してよく、第３の分布の体積分率は、パッチング材の３０％未満を構成してよく、第１、第２及び第３の分布の体積分率は、パッチング材の実質的に１００％を構成してよい。例として、第１の分布の粒度は、約１０〜５０μｍの範囲内であり、第２の分布の粒度は、約５〜１５μｍの範囲内であり、第３の分布の粒度は、約０．５〜５μｍの範囲内である。例えば、第１のピークを有する分布に寄与する粒子は、約１０〜５０μｍの範囲内の平均サイズを有し得るが、第２のピークを有する分布に寄与する粒子は、約５〜１５μｍの範囲内の平均サイズを有し得、第３のピークを有する分布に寄与する粒子は、約０．５〜５μｍの範囲内の平均サイズを有し得る。
【００１４】
一実装例では、溶媒には、ケイ素を含むバインダーの溶解を促進する有機溶媒が含まれてよい。一例では、有機溶媒は、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、ドデカノールからなる群から選択されてよい。別の実装例では、バインダーには、架橋ポリオルガノシロキサン樹脂、例えば、シリコーン樹脂などが含まれてよい。
【００１５】
別の態様では、ケイ素系耐環境性パッチは、例えば、ケイ素系基材の内部の空洞の修復を促進する。ケイ素系耐環境性パッチには、例えば、約２〜１０体積％の硬化ケイ素を含むバインダー、約９０〜９８体積％の硬化パッチング材が含まれてよく、硬化パッチング材には、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子が含まれてよく、耐環境性パッチ材内の１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素とケイ素とのモル比は約０．９５〜１．２５である。例として、耐環境性パッチ材は、例えば、少なくとも約３ＭＰａの接着強さ及び約３．５〜７ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有してよい。
【００１６】
さらに別の態様では、例えば、ケイ素系基材の空洞の中に配置されたケイ素系パッチ組成物を熱処理することを含む方法が下に説明され、該熱処理工程は空洞内のケイ素系耐環境性パッチを形成することを促進する。ケイ素系耐環境性パッチは、硬化ケイ素を含むバインダーと、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子を含む硬化パッチング材とを含み、ケイ素系耐環境性パッチ内の１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素とケイ素とのモル比は約０．９５〜１．２５である。
【００１７】
下文において図面への参照が行われる。図面は、理解を容易にするために一定の縮尺で描かれておらず、異なる図面を通して使用される同じ参照番号は同じ又は同様の部品を示す。
【００１８】
例として、図１Ａ〜１Ｄは、例えば、ケイ素系基材の内部の空洞の修復で用いるための強化されたパッチ組成物の一例を描く。有利には、下に記載されるように、パッチ組成物は、硬化すると、本開示の１以上の態様に従うケイ素系基材の内部に配置された１以上の空洞を修復することを促進する、耐環境性パッチ材を形成する。
【００１９】
図１Ａは、本開示の１以上の態様に従う、例えば、高温部品、例えば、ガスタービンエンジンなどで用いるための構造の一実施形態の断面図である。図示例では、ケイ素系基材であってよい、基材１０２が提供される。例として、高温の機械的、物理的、及び／又は化学的性質で選択されうる基材１０２には、あらゆるケイ素含有基材材料、例えば、ケイ素含有セラミック（例、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4））、ＳｉＣ又はＳｉ3Ｎ4マトリックスを含む複合材料、酸窒化ケイ素、酸窒化ケイ素アルミニウム、ケイ素含有金属合金又は金属間化合物（例、モリブデン−ケイ素合金、ニオブ−ケイ素合金）などを挙げることができる。一例では、基材１０２には、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）が含まれてよく、それには炭化ケイ素繊維で強化したセラミックマトリックスが含まれる。別の例では、基材１０２は、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素又はその組合せを含むモノリシックなセラミック材料であってもよい。一実施形態では、基材１０２は、２０，０００時間を超える持続時間の間、約２１００°Ｆ（１１４９℃）よりも高い動作温度の燃焼環境にさらすことのできる材料から製作することができることに注意されたい。
【００２０】
続けて図１Ａでは、保護コーティング１０４（本明細書において環境バリアコーティング（ＥＢＣ）とも呼ばれる）が基材１０２の上に提供されてよい。例として、上記のように、ケイ素系基材の上に提供された保護コーティングは、水蒸気などの反応種と触れることによる酸化及び揮発のために、ガスタービンエンジンの熱い燃焼環境において、ＣＭＣ材料がくぼむことを阻止するか又は妨げることを有利に促進する。一例では、保護コーティング１０４は、例えば、ボンドコート層１０６、１以上の移行層１０８、１１０、１１１及び随意の耐くぼみ性表面層１１２を含む１以上の層を含むか又はそれらから製作されてよい。図１Ａの様々な層は、多様な異なる材料及び多様な二次加工技術、例えばゾル−ゲル化学、プラズマ溶射、燃焼溶射、電気泳動堆積法、スラリーディップ法、スラリースプレー法、スラリーペインティング（ｓｌｕｒｒｙ  ｐａｉｎｔｉｎｇ）法、化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて形成されてよい。表された層の厚さも特定の用途に応じて様々であってよい。
【００２１】
例として、ボンドコート層１０６は、例えば、基材１０２と１以上の移行層との間の化学反応を阻害するために、又は、ＥＢＣ保護コーティング１０４の接着を促進するために使用されてよい。別の実施形態では、ボンドコート層１０６は、基材１０２が熱い燃焼環境で酸素に触れることを阻止するか又は妨げるための酸素バリアとしても使用されてよい。一例では、ボンドコート層１０６は、元素のケイ素、金属シリサイド又はその組合せを含んでよく、約１０〜２５０μｍの厚さを有してよい。図には描かれていないが、シリカ層が所望によりボンドコート層１０６の上に提供されてよい。一例では、堆積したシリカ層は、下にあるボンドコート層の酸化のためにさらに増加することのある初期厚さを有することがある。
【００２２】
保護コーティング１０４は、ボンドコート層１０６の上に配置された１以上の移行層１０８、１１０、１１１をさらに含んでよい。一例として、第１の移行層１０８には、約１０〜２５０μｍの厚さを有する希土類ケイ酸塩が含まれてよい。一例では、希土類ケイ酸塩は、例えば、希土類一ケイ酸塩（ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ5）又は希土類二ケイ酸塩（ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7）又はその組合せであってもよいし、それを含んでもよく、希土類元素は１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素からなる群から選択される。例として、非アクチニドＩＩＩＡ族元素は、例えば、スカンジウム、イットリウム、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、イッテルビウム及びルテチウム又はその組合せなどの元素であってもよいし、それを含んでいてもよい。第１の移行層１０８は、第２の移行層１１０によって保護されてよい。第２の移行層１１０は、（例えば）約１０〜２５０μｍの厚さをもつ第１の移行層に類似した材料であってもよいし、それを含んでいてもよい多様な材料から製作されてよい。別の実施形態では、第２の移行層１１０は、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ノケイ酸塩（（Ｂａ、Ｓｒ）Ｓｉ2Ａｌ2Ｏ8、一般にＢＳＡＳと呼ばれるものなどを含んでもよいし、それから製作されてもよい。第３の移行層１１１は、例えば、希土類二ケイ酸塩（ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7）であってもよいし、それを含んでいてもよい多様な材料から製作されてよく、希土類元素は、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素からなる群から選択される。一実施形態では、１以上の移行層１０８、１１０、１１１が、下にある層、特に基材１０２の熱膨張係数に実質的に近い熱膨張係数を有することに注意されたい。一例では、１以上の移行層は、約３．５〜７／℃の範囲内の熱膨張係数を有してよい。或いは、保護コーティング１０４には、１以上の層も含まれてよく、それには、例えば、その内容が参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第１４／２０４，３６７号に記載されるように、ボンドコート層、及び、ＢＳＡＳを含まない１以上の移行層が含まれる。
【００２３】
さらに続けて図１Ａでは、耐くぼみ性表面層１１２は、１以上の移行層１０８、１１０、１１１の上にさらに提供されてよい。耐くぼみ性表面層１１２は、例えば、下にある層と化学的に適合性であって、例えば水蒸気などの反応種に対しても抵抗性であってよい。一例として、耐くぼみ性表面層１１２には、例えば、希土類一ケイ酸塩（ＲＥ2ＳｉＯ5）などの希土類ケイ酸塩が含まれてよく、該希土類元素は、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素からなる群から選択される。
【００２４】
図１Ｂは、本開示の１以上の態様に従う、保護コーティング１０４及びケイ素系基材１０２の内部に空洞１１４が配置された図１Ａの構造を表す。例として、上記のように、局所的破砕及び／又はピンホール欠陥は、製造又は運転中に保護コーティング１０４の内部に時々起こることがある。これらの欠陥は、結果的にケイ素基材１０２の内部に空洞１１４をもたらすことがある。一実施形態では、空洞のサイズは、例えば、基材１０２の材料、動作環境、及び／又は発見までの時間などのパラメータによって決まりうる。
【００２５】
図１Ｃは、本開示の１以上の態様に従う、ケイ素系パッチ組成物１１６が構造１００の空洞１１４（図１Ｂ）の内部に配置されている図１Ｂの構造を表す。例として、パッチ組成物は、例えば、約２５〜６６体積％の溶媒、約４〜１０体積％のケイ素を含むバインダー、及び約３０〜６５体積％のパッチング材であってもよいし、それを含んでいてもよい。具体的な例では、パッチ組成物は、例えば、３８．１体積％の溶媒、５．９体積％のケイ素を含むバインダー、及び５６体積％のパッチング材であってもよいし、それを含んでいてもよく、そこでケイ素系パッチ組成物内の非アクチニドＩＩＩＡ族元素とケイ素とのモル比は、１．０２５である。
【００２６】
例として、パッチング材は、例えば、希土類一ケイ酸塩（ＲＥ2ＳｉＯ5）及び希土類二ケイ酸塩（ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7）を含むか又はそれらから選択されてよい、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子であってもよいし、それを含んでいてもよい。一例では、希土類元素は、スカンジウム、イットリウム、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、イッテルビウム及びルテチウム又はその組合せからなる群から選択されてよいことに注意されたい。具体的な例では、パッチング材は、二ケイ酸イットリウム（ＹＤＳ）、一ケイ酸イッテルビウム（ＹＭＳ）、二ケイ酸イットリウムイッテルビウム（ＹｂＹＤＳ）又はその組合せであってよい。
【００２７】
一実施形態では、パッチング材は、非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子の多峰性粒度分布、特に、二峰性粒度分布を有してよい。本明細書において、多峰性粒度分布とは、１以上の明確な粒度分布をもち、非アクチニドＩＩＩＡ族元素を含有する粒子の集まりを有するパッチング材をさし、そこで、各々の明確な分布の下位の集まりは実質的に均一な粒度を有する。例えば、二峰性粒度分布とは、２つの明確な粒度分布をもつ粒子の集まりをさす。一例では、図２の粒度分布グラフに示されるように、２つの明確な粒度分布は、例えば、ピークＢを有する粒度分布によって提供される非アクチニドＩＩＩＡ族元素の粗い粒度と、ピークＡを有する粒度分布によって提供される細かい粒度でありうる。例えば、図２の横軸は、非アクチニド材料の粒度（μｍ）を示し、縦軸は非アクチニド材料の頻度（％）を示す。なお、この例では、２つの分布が重なっていて実質的に等しいピーク高さを有することが示されているが、当業者は２つの分布が別個であって実質的に異なるピーク高さを有することがあることが分かるであろう。一例では、粗い粒度は、約１０〜５０μｍの範囲内のピーク粒度を有してよく、細かい粒度は、約０．５〜１０μｍの範囲内のピーク粒度を有してよい。さらに、上記のように、２つの明確な粒度分布を有する固体の総体積分率は、パッチング材の約３０〜６５体積％であってよく、そのうち固体の体積分率内に分布する粗い粒度の体積分率は、パッチング材の８０％未満であってよく、一方、細かい粒度の体積分率は、パッチング材の８０％未満であってよく、粗い粒子と細かい粒子の量を合計するとパッチング材固体粒子の実質的に１００％となる。具体的な例では、固体の体積分率内に分布する粗い粒度の体積分率は、パッチング材の７０％未満であってよく、一方、細かい粒度の体積分率は、パッチング材の７０％未満であってよく、粗い粒子と細かい粒子の量を合計するとパッチング材固体粒子の実質的に１００％となる。別の具体的な例では、固体の体積分率内に分布する粗い粒度の体積分率は、パッチング材の６０％未満であってよく、一方、固体の総体積分率内の細かい粒度の体積分率は、パッチング材の６０％未満であってよく、粗い粒子と細かい粒子の量を合計するとパッチング材固体粒子の実質的に１００％となる。
【００２８】
別の態様では、パッチング材は、非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子の三峰性粒度分布を有してよい。本明細書において、三峰性粒度分布とは、３つの明確な粒度分布をもつ粒子の集まりをさす。一例では、図３の粒度分布グラフに示されるように、３つの明確な粒度分布は、例えば、ピークＣを有する粒度分布によって提供される非アクチニドＩＩＩＡ族物質の粗い粒度、ピークＢを有する粒度分布によって提供される中間の粒度、及びピークＡを有する粒度分布によって提供される細かい粒度でありうる。図２に関連して上に述べたように、図３の横軸は、非アクチニド材料の粒度（μｍ）を示し、縦軸は非アクチニド含有材料の頻度（％）を示す。なお、この例では、等しいピーク高さの３つの分布が重なっていることが示されているが、当業者は３つの分布が別個であって実質的に異なるピーク高さを有することがあることが分かるであろう。そのような例では、粗い粒度は、約１０〜５０μｍの範囲内のピーク粒度を有してよく、中間の粒度は約５〜１５μｍの範囲内のピーク粒度を有してよく、細かい粒度は、約０．５〜５μｍの範囲内のピーク粒度を有してよい。さらに、上記のように、３つの明確な粒度分布を有する固体の総体積分率は、パッチング材の約３０〜６５体積％であってよく、そのうち粗い粒度の体積分率は、パッチング材の８０％未満であってよく、中間の粒度の体積分率は、パッチング材の５０％未満であってよく、細かい粒度の体積分率は、パッチング材の５０％未満であってよく、粗い粒子、中間の粒子、及び細かい粒子のこれらの量を合計するとパッチング材固体粒子の実質的に１００％となる。具体的な例では、固体の総体積分率内の粗い粒度の体積分率は、パッチング材の７０％未満であってよく、中間の粒度の体積分率は、パッチング材の４０％未満であってよく、細かい粒度の体積分率は、パッチング材の４０％未満であってよく、粗い粒子、中間の粒子、及び細かい粒子のこれらの量を合計するとパッチング材固体粒子の実質的に１００％となる。別の具体的な例では、固体の総体積分率内に分布する粗い粒度の体積分率は、パッチング材の６０％未満であってよく、固体の総体積分率内の中間の粒度の体積分率は、パッチング材の３０％未満であってよく、固体の総体積分率内の細かい粒度の体積分率は、パッチング材の３０％未満であってよく、粗い粒子、中間の粒子、及び細かい粒子のこれらの量を合計するとパッチング材固体粒子の実質的に１００％となる。具体的な例では、固体の総体積分率内に分布する粗い粒度の体積分率は、パッチング材の約５２％であってよく、中間の粒度の体積分率は、パッチング材の約２３％であってよく、細かい粒度の体積分率は、パッチング材の約２５％であってよい。
【００２９】
さらに、パッチ組成物のバインダーは、ケイ素系樹脂材料、例えば、架橋ポリオルガノシロキサン樹脂などであってもよいし、それを含んでいてもよい。一例では、架橋ポリオルガノシロキサン樹脂としては、限定されるものではないが、例えば、シリコーン樹脂ダウ・コーニング（登録商標）２４９フレーク樹脂（ダウ・ケミカルより入手可能）を挙げることができ、それは例えば、フェニル及びメチルシルセスキオキサン並びにメチルシロキサンを含みうる。その上、溶媒は、一実施形態ではケイ素系バインダーの溶解を促進する有機溶媒であってもよいし、それを含んでいてもよい。一例では、有機溶媒は、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、ノナノール、デカノール及びドデカノールからなる群から選択される。具体的な例では、有機溶媒、例えばブタノールなどは、シリコーン樹脂を溶解して２５℃で約５〜１５０Ｐａ．ｓの範囲内の粘度を有する液体混合物を形成する。
【００３０】
さらに続けて図１Ｃでは、構造は、所望により、パッチ組成物を安定化させるために１以上の加工工程に付されてよい。一例では、パッチ組成物の安定化は、例えば、約１０分間の持続時間で約５００℃以下の温度で構造を加熱することによって達成することができる。そのような加熱工程は、揮発性有機溶媒を蒸発させ、かつ／又はケイ素系バインダーを部分的に酸化することを促進し、それによってパッチ組成物を安定化させる。これは今度は、ガスタービン環境の高温にもかかわらず、材料を失うことなく、配合物が空洞１１４（図１Ｂ）の内部に残っているように、結果として得られるパッチ組成物の粘度を調整する。
【００３１】
図１Ｄを参照すると、構造１００は、構造の空洞１１４（図１Ｂ）の内部にケイ素系耐環境性パッチ１１８を形成することを促進するために１以上の硬化工程に付されてよい。この実施形態では、１以上の硬化工程は、ケイ素を含むバインダーを酸化させてシリカにすること、及び／又はパッチング材を酸化させることを促進するために、例えば、ガスタービン動作条件で構造を加熱することによって実施することができ、結果として耐環境性パッチ１１８が得られる。一例では、結果として得られる耐環境性パッチは、約２〜１０体積％の硬化バインダー、例えば、シリカなど、及び約９０〜９８体積％の硬化パッチング材であってもよいし、それを含んでいてもよい。この例では、硬化パッチング材は、例えば、希土類一ケイ酸塩（ＲＥ2ＳｉＯ5）及び希土類二ケイ酸塩（ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7）を含むか又はそれらから選択されてよい、１以上の非アクチニドＩＩＩＡ族元素を有する粒子であってもよいし、それを含んでいてもよい。一実施形態では、結果として得られる耐環境性パッチ内のケイ素（例えば、シリカ由来）と非アクチニドＩＩＩＡ族元素（例えば、硬化パッチング材由来）とのモル比は、約０．９５〜１．２５であることに注意されたい。さらに、ケイ素系耐環境性パッチは、高いタービン動作温度に付されると、結果として得られる耐環境性パッチの個々の化学成分を均質化させ、相組成形状及びサイズにおいて変化させる転移を受けることがあることにも注意されたい。
【００３２】
さらに、硬化工程中に用いるプロセスパラメータはパッチング材を酸化させることを促進するが、硬化パッチング材の多峰性粒度分布は乱されていないことに注意されたい。例えば、一実施形態では、図１Ｃに関連して上に記載されるように、硬化パッチング材は、非アクチニドＩＩＩＡ族物質を有する粒子の多峰性粒度分布、特に、二峰性粒度分布又は三峰性粒度分布を有することがある。その上、結果として得られる耐環境性パッチ１１８が、望ましい特徴、例えば、接着強さ、熱膨張係数（ＣＴＥ）、充填密度、及び／又は構造１００を環境による劣化、例えば水蒸気により誘発されるくぼみなどから保護する化学組成などを有するよう設計されていることに注意されたい。例えば、結果として得られる耐環境性パッチ１１８は、約３ＭＰａの接着強さ及び約３．５〜７ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有してよい。
【００３３】
当業者は、有利に、ケイ素系パッチ組成物及び結果として得られるケイ素系耐環境性パッチが、例えば、ガスタービンエンジンの高温部品で用いるための強化された特徴を提供するよう設計されていることに気付くであろう。例えば、これらの強化された特徴としては、低温硬化後の良好な強度、初期エンジン始動中の熱ショックに対する抵抗性、エンジン動作温度の強度、及びケイ素を含む基材の酸化によって生じるガスの漏れを許容する多孔質構造の保持が挙げられる。さらに、パッチ組成物及び結果として得られる耐環境性パッチ材は、環境バリアコーティング（ＥＢＣ）などの上に重なる保護コーティング及び下にあるケイ素を含む基材と適合性であるよう設計される。
【００３４】
本明細書中で明細書及び特許請求の範囲の全体を通して使用される近似を表す語は、その関連する基本機能を変えることなく許容範囲内で変化し得る任意の量的表現を修飾するために適用され得る。従って、「約」などの１又は複数の用語によって修飾された値は、特定される正確な値に限定されない。一部の例では、近似を表す語は、値を測定するための計測器の正確さに相当し得る。ここで、そして明細書及び特許請求の範囲の全体を通して、範囲の限界は、組合せ、かつ／又は交換することができる。文脈又は語が別に指定する場合を除いて、そのような範囲は特定され、その中に含まれるすべての下位範囲を含む。本開示は、いくつかの具体的な実施形態を参照して記載されているが、本開示の真の精神及び範囲は、本明細書によって支持され得る特許請求の範囲に関してのみ決定されるべきであることが理解されるであろう。さらに、システム及び装置及び方法が特定の数の要素を有すると記載される本明細書中の多数の例において、そのようなシステム、装置及び方法は、言及された特定の数の要素よりも少ないか又は多い要素で実行することができることが理解されるであろう。また、いくつかの特定の実施形態が記載されたが、各々の特定の実施形態に関して記載された特徴及び態様は、各々が特に記載される実施形態のままで使用することができることが理解されるであろう。
【００３５】
本開示の特定の特徴だけが本明細書に例示され、記載されたが、多くの修正及び変更が当業者に思い浮かぶであろう。そのため、添付される特許請求の範囲は、本開示の真の精神の範囲内にあるすべてのそのような修正及び変更に及ぶことが意図されることは理解される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３】
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