(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品であって、
連続表面を有するセラミックマトリックス複合材料基材と、
前記基材の連続表面上に設けられたボンドコートであって、元素シリコン；１又はそれ以上のシリコン合金；炭化ケイ素；窒化ケイ素；遷移金属シリサイド；シリカ；希土類ケイ酸塩；希土類アルミノケイ酸塩；アルカリ土類 アルミノケイ酸塩；及びこれらの混合物を含有する材料から形成され、凹部、突起部又はこれらの組み合わせを含む表面特徴部を有するボンドコートと、
前記基材の連続表面及びボンドコートの表面の上にある少なくとも１つの外側層と、
前記ボンドコートの表面上で前記ボンドコートと前記少なくとも１つの外側層との間で接触する構成層と、
を備え、
前記構成層が、前記ボンドコートの成分によって形成され且つ前記ボンドコートの表面特徴部に対応する特徴を表面に有していて、
前記表面特徴部が、前記構成層を通じて前記ボンドコートと前記少なくとも１つの外側層とを物理的に相互連結しており、
前記表面特徴部が、前記ボンドコートの表面の内外に４０〜１６０μｍだけ延びており、
前記表面特徴部の厚さが、前記構成層の厚さよりも厚い、
物品。
【請求項２】
前記表面特徴部が、互いに等間隔で配置される、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記表面特徴部が、該表面特徴部が互いに非等間隔で配置されている及び／又は同じでない寸法を有する不規則なパターンを定める、請求項１に記載の物品。
【請求項４】
前記表面特徴部が、前記ボンドコートの表面方向に少なくとも１０μｍの寸法を有する、請求項１から３のいずれかに記載の物品。
【請求項５】
前記表面特徴部が、少なくとも１０μｍ離間して配置される、請求項１から４のいずれかに記載の物品。
【請求項６】
前記表面特徴部が、直線的形状、曲線形状、及び不規則な表面粗度の群からのものである、請求項１から５のいずれかに記載の物品。
【請求項７】
前記ボンドコートが、基本的に元素シリコンからなる、請求項１から６のいずれかに記載の物品。
【請求項８】
前記ボンドコートが、シリコンと、炭化ケイ素及び窒化ケイ素、遷移金属シリサイド及びシリカからなる群から選択された１又はそれ以上の追加の化合物とからなる、請求項１から６のいずれかに記載の物品。
【請求項９】
前記少なくとも１つの外側層が、ムライト；アルカリ土類アルミノシリケート；化学式ＲＥ２ＳｉＯ５又はＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７のＲＥシリケート；アルカリ土類アルミノケイ酸塩；ＲＥ酸化物；ＲＥアルミノケイ酸塩；及びこれらの混合物を含有し、ここでＲＥがＳｃ、Ｙ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ又はこれらの組み合わせである、請求項１から８のいずれかに記載の物品。
【請求項１０】
前記基材が、強化相及び／又はマトリックス相として炭化ケイ素、窒化ケイ素、及び／又はシリコンを含有する、請求項１から９のいずれかに記載の物品。
【請求項１１】
前記基材が、強化相及び／又はマトリックス相として炭化ケイ素を含有する、請求項１０に記載の物品。
【請求項１２】
前記構成層が、非晶質シリカ、シリカリッチガラス、又は少なくとも１つの非晶質シリカ又はシリカリッチガラス相を含む多相混合物を含む、請求項１から１１のいずれかに記載の物品。
【請求項１３】
前記物品が、タービンエンジンの回転構成要素である、請求項１から１２のいずれかに記載の物品。
【請求項１４】
前記構成層が、ホウ素、アルミニウム及び／又は窒素を溶解して含有する、請求項１２または１３に記載の物品。
【請求項１５】
前記多相混合物が、イットリウムアルミノケイ酸塩又は希土類ジシリケートをさらに含む、請求項１２から１４のいずれかに記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明技術は、全体的に、タービンエンジンの過酷な熱環境のような高温環境に曝される構成要素を保護するのに好適なコーティングシステム及び方法に関する。より詳細には、本発明技術は、構成要素のシリコン含有領域上の環境障壁コーティング（ＥＢＣ）に関し、並びに高温で剪断荷重を受けたときのＥＢＣのクリープ変位を抑制するためのシリコン含有領域への表面特徴部の組み込みに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンにおいては、その効率を向上させるために、動作温度をより高くすることが継続的に求められている。鉄、ニッケル、及びコバルト基超合金の構築によって高温性能の大幅な進歩が達成されたが、これらの代替材料が研究されている。タービンエンジンの燃焼器ライナ、ベーン、シュラウド、ブレード、及び他の高温セクションの構成要素などのこうした高温用途として、セラミック複合材料が開発されている。複合材料の一部の実施例には、シリコン系複合材、例えば、シリコン、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、及び／又は金属シリサイドを強化相及び／又はマトリックス相として機能させる複合材料が挙げられる。
【０００３】
多くの高温用途において、保護コーティングは、Ｓｉ含有材料に有利又は必要とされる。このようなコーティングは、揮発性シリコン水酸化物（例えば、Ｓｉ（ＯＨ）４）生成物の形成を抑制し、望ましくは酸化面への水蒸気の侵入を阻止することにより環境保護を提供する必要がある。これらの機能を有するコーティングシステムは、以下では環境障壁コーティング（ＥＢＣ）システムと呼ばれる。コーティング材料に望ましい特性には、熱膨張係数（ＣＴＥ）がシリコン含有基材の材料に適合すること、酸化剤に対して透過性が低いこと、熱伝導率が小さいこと、シリカの化学的活性が低いこと、並びに下にあるシリコン含有材料及びシリカ熱成長スケールと化学的適合性があることが挙げられる。
【０００４】
シリコン含有ボンドコートのシリコン含有量は、高温で酸素及び／又は水蒸気と反応して酸化生成物、主成分として非晶質シリカ（ＳｉＯ２）スケールを形成するが、酸化生成物の小部分は、結晶シリカ又はボンドコートの他の成分の（固体又は気体の）酸化物とすることができる。非晶質シリカ生成物は低酸素透過性を示す。その結果、ボンドコート上で熱成長するシリカ生成物は、基材中への酸素の透過を阻止する保護障壁層を形成することができる。
【０００５】
供用中のシリコン含有ボンドコート上に形成する非晶質シリカ生成物は、比較的低粘性であるため、作動温度での剪断荷重を受けて高クリープ速度を有する。高い剪断荷重は、タービンエンジンのブレード（バケット）などの部品の回転によって生じる重力加速度により加わる可能性がある。このような剪断荷重は、基材に対するＥＢＣのクリープ変位を引き起こす恐れがあり、結果として、過酷なＥＢＣ損傷、及び更には、下にある基材のＥＢＣ保護の直接的な喪失を生じる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，２９９，９８８号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２９６，９４１号明細書
【特許文献３】米国特許第６，４１０，１４８号明細書
【特許文献４】欧州特許第２６１５２５０Ａ１号公報
【発明の概要】
【０００７】
本発明技術は、環境障壁コーティング（ＥＢＣ）システム、並びにシリコン含有材料を強化相及び／又はマトリックス相として機能させて、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）のようなシリコン含有材料から形成された物品上にＥＢＣシステムを作製する方法を提供する。ＥＢＣシステム及び方法は、タービンエンジンの過酷な熱環境を含む高温に曝されるシリコン含有物品を保護するのに特に好適である。
【０００８】
本発明技術の１つの態様によれば、物品は、凹部、突起部又はこれらの組み合わせを含む表面特徴部を表面上に有するシリコン含有領域と、シリコン含有領域の表面の上にある少なくとも１つの外側層と、シリコン含有領域の表面上でシリコン含有領域と少なくとも１つの外側層との間で接触する構成層と、を備え、構成層は、シリコン含有領域の成分によって形成され且つ物品の動作環境内でクリープ変形の影響を受けやすく、表面特徴部は、構成層を通じてシリコン含有領域と少なくとも１つの外側層を物理的に相互連結する。
【０００９】
本発明技術の別の態様によれば、シリコン含有領域を含むコーティング物品の製造方法は、凹部、突起部又はこれらの組み合わせを含む表面特徴部をシリコン含有領域の表面上に形成するステップと、シリコン含有領域の表面の上にある少なくとも１つの外側層を形成するステップと、シリコン含有領域と少なくとも１つの外側層との間でシリコン含有領域の表面上に構成層を形成するステップと、構成層が、シリコン含有領域の成分の酸化によって形成され且つ物品の動作環境内でクリープの影響を受けやすく、表面特徴部が、構成層を通じてシリコン含有領域と少なくとも１つの外側層を物理的に相互連結する。
【００１０】
本発明の他の態様及び利点は、図面を参照しながら以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【００１１】
シリコン含有領域を環境障壁コーティングシステムの第１の層と相互連結することにより、シリコン含有領域上で熱成長する構成層（例えば、シリカ層）のクリープに起因するＥＢＣの変位が実質的に抑制され、これにより環境障壁コーティングシステムの構造的完全性並びに高温用途における物品の保護能力を向上させることができる。本発明技術は、既知の環境障壁コーティング材料と共に用いるのに適用可能であり、相互連結特徴要素は、種々の付加及び除去プロセスを用いて製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明技術の１つの実施例による、表面特徴部の規則的分布を有するように表面が構成されたボンドコートを含有するＥＢＣシステムの概略図。
【図２】本発明技術の別の実施例による、表面特徴部の不規則的分布を有するように表面が構成されたボンドコートを含有するＥＢＣシステムの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明技術は一般に、高温、熱サイクル、熱及び機械的応力、並びに酸化によって特徴付けられる環境内で作動する構成要素に適用可能である。このような構成要素の実施例は、高圧及び低圧タービンベーン（ノズル）及びブレード（バケット）、シュラウド、燃焼器ライナ、オーグメンタ金具、及びタービンエンジンの他の高温セクションの構成要素を含むが、本発明技術は、他の構成要素にも適用可能である。最も注目すべき点は、本発明技術は、ブレード（バケット）などのタービンエンジンの回転構成要素に適用可能なことである。
【００１４】
本発明技術の実施例による多層環境障壁コーティング（ＥＢＣ）システム１４は、構成要素又は物品１０の基材１２を保護するものとして図１及び図２に概略的に示されている。基材１２は、シリコン含有領域を含むことができる。シリコン含有材料の実施例は、マトリックス又は第二相として、炭化ケイ素、窒化ケイ素、シリサイド（例えば、限定ではないが、Ｍｏ、Ｎｂ、又はＷシリサイドを含む、耐火性金属又は遷移金属シリサイド）及び／又はシリコンを有するものを含む。別の実施例は、強化及び／又はマトリックス相として炭化ケイ素を含有するセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含む。
【００１５】
図１及び図２のＥＢＣシステム１４は、図１及び図２に示すシリコン含有ボンドコート１６を基材１２の表面３４に直接施工するように組み込むことができる様々な異なるＥＢＣシステムのうちの１つを示している。シリコン含有ボンドコートの１つの実施例は、例えば、米国特許第６，２９９，９８８号において開示されている。ボンドコート１６は更に、基材１２への第１のＥＢＣ層２０及び任意選択的にＥＢＣシステム１４の少なくとも１つの追加層２２、２４、１８の接合として表される。ＥＢＣシステム１４は、下にある基材１２に対して環境保護を提供すること、並びに構成要素１０の動作温度を潜在的に低下させ、これにより構成要素１０が他の場合に可能な温度よりも高いガス温度で動作できるようにすることを目的としている。図１及び図２は、シリコン含有ボンドコートを含むものとしてＥＢＣシステム１４を表しており、この場合、第１のＥＢＣ層２０は、ボンドコート１６によって形成されるシリコン含有表面領域上に直接堆積されるが、本発明技術はまた、本明細書で記載されるボンドコート１６を含まないＥＢＣシステム１４にも適用可能であり、この場合には、第１のＥＢＣ層２０は、基材１２によって形成されるシリコン含有表面領域上に直接堆積される。以下でより詳細に説明される構成層３０又は構成層３０の一部は、第１のＥＢＣ層２０の施工前に存在することができる点は理解すべきである。
【００１６】
燃焼環境におけるシリコン含有材料の劣化により、水蒸気と反応して揮発性のシリコン水酸化（例えば、Ｓｉ（ＯＨ）４）生成物が形成される。ＥＢＣ層２５（以下、ＥＢＣと呼称）は、水蒸気とボンドコート１６及び／又は基材１２の化学反応による減肉を抑制し、又は構成要素１０の作動温度を低下させる温度勾配をもたらし、或いはその両方の役割を果たすことができる。本発明技術で使用するのに好適なＥＢＣは、限定ではないが、例えば、米国特許第６，２９６，９４１号、米国特許第６，４１０，１４８号で開示されたものを含む。ＥＢＣは、シール、反応障壁、耐減肉性、及び／又は熱障壁などの多くの機能を実施することができる。
【００１７】
上述のように、ボンドコート１６及び基材１２は、シリコンを含有する構成要素１０の表面領域を定めることができる。例えば、ボンドコート１６は、元素シリコンを含む、又は基本的に元素シリコンからなることができる。或いは、ボンドコート１６は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、金属シリサイド、元素シリコン、シリコン合金、又はこれらの組み合わせを含有することができる。ボンドコート１６は、更に、シリカ、希土類ケイ酸塩、希土類アルミノケイ酸塩、及び／又はアルカリ土類アルミノケイ酸塩などの酸化物相を含有することができる。ボンドコート１６用にシリコン含有組成物を使用することで、基材１２の耐酸化性が改善され、基材１２と第１のＥＢＣ層２０との間の結合が強化される。このために、ボンドコート１６の厚さは、例えば、約２５〜約３５０μｍ、例えば約５０〜約２５０μｍ、例えば約１００〜２００μｍ、例えば約１２５〜１７５μｍ、例えば約１５０μｍとすることができる。図１及び図２に概略的に示されるように、ボンドコート１６のシリコンは、高温で酸素と反応して、表面３２上で主成分として非晶質シリカ（ＳｉＯ２）の構成層３０を熱成長させる。結果として得られる非晶質シリカは、低酸素透過性を示す。その結果、構成層３０は、シリコン含有領域ボンドコート１６と併せて、ボンドコート１６及び基材１２への酸素の透過を阻止することができる。構成層の成長の間、非晶質シリカの一部は結晶化して結晶シリカになる場合がある。
【００１８】
構成層３０は、純粋シリカ以外の組成を有するが、ボンドコート１６の酸化から生じた成分としてシリカを含有することができる。例えば、構成層３０は、限定ではないが、ホウ素、アルミニウム、及び／又は窒素などの他の元素を溶解して含有することができる。構成層３０はまた、イットリウムアルミノケイ酸塩（ＹＡＳ）又は希土類ジシリケート（ＲＥＤＳ）などの他の相を含有することができる。構成層３０として種々の可能性のある組成は、少なくとも一部には、ボンドコート１６の組成から生成することができる。
【００１９】
シリコン含有ボンドコート１６が存在しない場合、ＥＢＣ２５の第１の層２０は、基材１２により定められる構成要素１０のシリコン含有表面領域上に直接堆積することができ、この場合、基材１２は、高温で酸素と反応して上述の保護シリカ構成層３０を形成するのに十分なシリコン含有量の組成を有するように形成される。更に、基材１２の組成に応じて、この層は、主成分として非晶質シリカ生成物、シリカリッチガラス、又は相の１つがシリカリッチである多相混合物とすることができる。便宜上、残りの開示では、図１及び図２において示されるボンドコート１６を含む実施形態について言及するが、本開示は、基材１２の表面３４上に形成される構成層３０にも等しく適用されることは理解すべきである。
【００２０】
高温の供用中にシリコン含有ボンドコート１６（又は基材１２のような別のシリコン含有表面領域）上に形成される構成層３０は、用途に応じて、最大で約５０μｍ又はそれ以上の厚さまで成長させることができる。構成層３０は、比較的低粘性であり、そのためタービンエンジンのブレード（バケット）などの回転部品で生じる重力加速度により加わる可能性がある剪断荷重を受けて高クリープ速度を有する可能性がある。構成層３０のクリープの結果として、上にあるＥＢＣ２５の基材１２に対する変位が、約１３１５°Ｃ（約２４００°Ｆ）にて２５，０００時間供用を過ぎて１００ｍｍを超える可能性がある。このような大きなクリープ変位は、ＥＢＣシステム１４に対して大きな損傷をもたらし、下にある基材１２の環境保護の直接喪失を生じる可能性がある。
【００２１】
シリコン含有ボンドコート１６の表面３２上（又はボンドコート１６が存在しない場合には、基材１２の表面３４上）に形成される構成層３０のクリープは、凹部（陥凹）２６及び／又は突起部（突出部）２８それぞれの形態で図１及び図２に概略的に示される表面特徴部をボンドコート１６の表面３２に含めるようにすることによって抑制することができる。凹部２６及び／又は突起部２８は、図１及び２にはボンドコート１６の表面３２上にのみ示されているが、同様の表面特徴部を基材１２の表面に設けてもよい点は理解されたい。
【００２２】
ＥＢＣシステム１４のボンドコート１６と上にある層２０との間の界面にて望ましい相互連結作用を提供するために、表面特徴部は、構成要素１０の供用間隔にわたって表面３２上に成長する構成層３０の厚さにほぼ等しいか又はそれ以上の厚さだけボンドコート表面３２から延びるのが好ましい。このため、表面特徴部２６，２８は、ボンドコート１６の表面３２の内外に、例えば、約１０〜約２００μｍ、例えば約４０〜約１６０μｍ、例えば約８０〜約１２０μｍ、例えば約１００μｍだけ延びることができるが、この寸法は、構成層３０の最大予想厚さ及び特定の用途に関連する他の要因によって決定されることができる。例えば、約５０〜約１００μｍの平均深さを有する凹部が効果的とすることができ、また、約５０〜約１００μｍの平均高さを有する突起部２８が効果的とすることができる。
【００２３】
凹部２６及び突起部２８の横方向寸法は、構成層３０のクリープの結果としてＥＢＣ２５が受ける可能性がある許容可能変位によって決定することができる。ＥＢＣ２５の相対変位は、凹部２６の深さ及び横方向寸法、及び／又は突起部２８の高さ及び突起部２８間の平均距離によって制限される。従って、凹部２６及び突起部２８の横方向寸法は、ＥＢＣシステム１４の特定の組成及び構造、並びにＥＢＣシステム１４によって保護される構成要素１０の特定の用途に応じて決定することができるが、横方向寸法はまた、約１０μｍの最小値から物品１０の寸法にほぼ等しい最大値までとすることができる。凹部２６及び／又は突起部２８は、図１に示すように同じサイズ及び形状（均質又は均一）とすることができ、又は、図２に示すように異なるサイズ及び／又は形状（異質又は不規則）とすることができる。凹部２６及び突起部２８の可能性のある形状は、限定ではないが、方形、矩形、及び三角形などの直線的形状、及び円又は楕円のような曲線形状を含む。このような凹部２６及び突起部２８は、不連続又は連続的であり、ボンドコート１６を堆積するプロセスの結果として生じる方形波形、正弦波形又はランダム波形、テーパ付きトレンチ、及び不規則な表面粗度により定めることができる。
【００２４】
凹部２６及び／又は突起部２８は、図１の凹部２６により表されるような均一な又は規則的（均質）なアレイ又はパターンを定めるように配列されるか、又は、図２の突起部２８により表されるような不均一な又は不規則（異質）な分布又はパターンを定めるように配列されるか、或いは、両方の組み合わせとすることができる。均一なパターンとしては、凹部２６及び／又は突起部２８は、互いにほぼ等間隔に配置することができ、ほぼ等しい寸法を有することができ、他方、不規則なパターンは、互いに非等間隔で及び／又は不均一な寸法を有する凹部２６及び／又は突起部２８によって特徴付けることができる。隣接する表面特徴部２６／２８間の好適なスペースは、少なくとも約１０μｍ、より好ましくは、約２０〜約２０００μｍの範囲、及び特に約５０〜約１０００μｍとすることができる。凹部２６及び／又は突起部２８の密集度は、ボンドコート１６の表面積の１平方センチメートル当たりの離散的表面特徴部により測定したときに、一つには、表面特徴部の高さ／深さ、形状、  及び／又は横方向寸法、及び構成要素１０の動作環境（例えば、時間、温度、及び剪断応力）に依存することができる。
【００２５】
凹部２６及び／又は突起部２８は、ボンドコート１６の堆積中、又は堆積後、並びに第１の層２０の堆積前に形成することができる。凹部２６及び／又は突起部２８は、種々のプロセスによって作製することができる。例えば、凹部２６は、限定ではないが、グリットブラスティング、化学エッチング、プラズマエッチング、及びレーザ加工などの様々な材料除去（減）法により製作することができ、突起部２８は、化学蒸着（ＣＶＤ）、イオンプラズマ蒸着（ＩＰＤ）、及び溶射などの材料堆積（付加）法によって製作することができる。凹部２６及び／又は突起部２８のサイズ及び分布は、マスキングなどの好適な方法で制御することができる。
【００２６】
ボンドコート１６上の凹部２６及び／又は突起部２８は、ボンドコート１６上に成長する構成層３０とボンドコート１６上に堆積される第１のＥＢＣ層２０がボンドコート１６と物理的に相互連結できるようにすると共に、構成層３０が凹部２６内及び突起部２８上を含むボンドコート１６の表面３２上に成長し続ける手段を提供する。ボンドコート１６上の凹部２６及び／又は突起部２８は、構成層３０の変位を、従ってＥＢＣ２５の相対変位を制限する。凹部２６及び／又は突起部２８は、構成層３０を通じてボンドコート１６とボンドコート１６上に堆積される層を相互連結することによって、ボンドコート１６の表面３２が微視的に平滑である場合、特に構成要素１０がタービンエンジンのバケット／ブレードのような回転構成要素である場合にボンドコート１６及び基材１２に関して生じる可能性があるＥＢＣ２５の長距離の滑動を抑制することができる。凹部２６及び／又は突起部２８によって抑制されない場合には、このような滑動は、上にあるＥＢＣ２５の亀裂形成及び剥離、並びに多層ＥＢＣシステム１４によって提供される環境保護の後続の損失を生じることになる。凹部２６及び／又は突起部２８によって抑制されない場合には、このような滑動は、上にあるＥＢＣ２５の亀裂形成及び剥離、並びに多層ＥＢＣシステム１４によって提供される環境保護の後続の損失を生じることになる。極端な場合には、構成要素１０の大きな表面領域にわたるＥＢＣシステム１４の損失は、急激な環境劣化、及び最終的には構成要素１０の不具合につながる可能性がある。
【００２７】
本発明技術は、開示された実施例に関して説明してきたが、当業者であれば他の形態を採用してもよいことは理解されたい。
【符号の説明】
【００２８】
１０  構成要素又は物品
１２  基材
１４  多層環境障壁コーティング（ＥＢＣ）システム
１６  シリコン含有ボンドコート
１８  追加層
２０  第１のＥＢＣ層
２２  追加層
２４  追加層
２６  凹部（陥凹）
２８  突起部（突出部）
３０  構成層
３２  ボンドコート１６の表面
３４  基材１２の表面
【図１】
0006405315.tif 000002
【図２】
0006405315.tif 000003