(57)【要約】  基材と、基材の上に設けられたボンド層と、ボンド層の上に設けられ水素を含む補強層と、補強層の上に設けられた保護層とを含む物品であって、補強層はボンド層で生成する熱成長酸化物の形成を低減する物品及びその製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材の上に設けられたボンド層と、
ボンド層の上に設けられた補強層であって、水素を含む補強層と、
補強層の上に設けられた保護層と
を備える物品であって、補強層が、ボンド層で生成する熱成長酸化物の形成を低減させる、物品。
【請求項２】
前記基材がセラミック又はセラミックマトリックス複合材料を含む、請求項１記載の物品。
【請求項３】
前記ボンド層がケイ素を含む、請求項１記載の物品。
【請求項４】
前記補強層が、ボンド層で生成する熱成長酸化物と化学的に反応する、請求項１記載の物品。
【請求項５】
前記補強層が、水素結合の形成によってボンド層の表面を不動態化する、請求項１記載の物品。
【請求項６】
追加の補強層が基材とボンド層との間に設けられ、追加の補強層が水素を含んでおり、追加の補強層が、ボンド層で生成する熱成長酸化物の形成を低減させる、請求項１記載の物品。
【請求項７】
前記保護層が２以上の層を含む、請求項１記載の物品。
【請求項８】
前記物品がガスタービンエンジン部品である、請求項１記載の物品。
【請求項９】
前記基材が、タービンブレード、ベーン、シュラウド、ライナ、燃焼器、トランジションピース、ロータ部品、排気フラップ、シール又は燃料ノズルである、請求項１記載の物品。
【請求項１０】
前記保護層が耐環境コーティングである、請求項１記載の物品。
【請求項１１】
基材の上にボンド層を設ける工程と、
水素を含む補強層をボンド層の上に設ける工程と、
補強層の上に保護層を設ける工程と
を含む方法であって、補強層が、ボンド層で生成する熱成長酸化物の形成を低減させる、方法。
【請求項１２】
前記基材がセラミック又はセラミックマトリックス複合材料を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記ボンド層がケイ素を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記補強層が、ボンド層で生成する熱成長酸化物と化学的に反応する、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記補強層が、水素結合の形成によってボンド層の表面を不動態化する、請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
基材とボンド層との間に追加の補強層を設ける工程をさらに含んでおり、追加の補強層が水素を含んでいて、追加の補強層が、ボンド層で生成する熱成長酸化物の形成を低減させる、請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
前記保護層が２以上の層を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
前記基材がガスタービンエンジン部品である、請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
前記基材が、タービンブレード、ベーン、シュラウド、ライナ、燃焼器、トランジションピース、ロータ部品、排気フラップ、シール又は燃料ノズルである、請求項１１記載の方法。
【請求項２０】
前記保護層が耐環境コーティングである、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は、ガスタービンエンジン部品のような補強物品に関し、特に耐クリープ性を有する補強物品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、ガスを加速させて燃焼室に送り、熱を加えてガスの体積を増大させる。膨張ガスは次いでタービンに送られ、膨張ガスで生じたエネルギーが抽出される。ガスタービンエンジン内の高温及び極端な作動条件に耐えるために、タービンブレードのようなガスタービンエンジン部品は、金属、セラミック又はセラミックマトリックス複合材料から作製される。
【０００３】
耐環境コーティングは、ガスタービンエンジン部品の表面に施工されて、ガスタービンエンジンの高温での作動中にガスタービンエンジン部品に追加の保護を提供するとともに部品を遮熱する。耐環境コーティングは、ボンド層を用いて部品又は基材に施工される１以上の保護層である。保護層は、セラミック材料であり、複数の層を含むこともできる。ガスタービンエンジン内の高温ガス環境は、ボンド層の酸化及びボンド層と保護層の間の界面で熱成長酸化物層の形成を生じさせる。
【０００４】
熱成長酸化物層は、例えば、遠心荷重又は耐環境コーティングの外側保護層との熱膨張の不一致などによる剪断応力の結果として、耐環境コーティング中にクリープを生じる。熱成長酸化物層のクリープは、耐環境コーティング及び／又は基材の外側保護層の割れ又は変形を引き起こし、及び／又は部品の全体的な寿命を低下させる。
【０００５】
したがって、上述の課題の１以上を解決する、耐クリープ性、耐酸化性及び／又は耐熱性が向上した補強物品、及び／又はそれらの製造方法を提供することが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】英国特許出願公開第２４７６５５１号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明の一態様では、物品は、基材と、基材の上に設けられたボンド層と、ボンド層の上に設けられた補強層であって、水素を含む補強層と、補強層の上に設けられた保護層とを備えており、補強層は、ボンド層で生成する熱成長酸化物の形成を低減させる。
【０００８】
本発明の別の態様では、方法は、基材の上にボンド層を設ける工程と、水素を含む補強層をボンド層の上に設ける工程と、補強層の上に保護層を設ける工程とを含み、補強層が、ボンド層で生成する熱成長酸化物の形成を低減させる。
【０００９】
上記その他の特徴及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。
【００１０】
本発明とみなされる対象については、本明細書に続く特許請求の範囲に具体的かつ明瞭に記載されている。本発明の上記その他の特徴及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】物品の部分断面図である。
【図２】別の物品の部分断面図である。
【図３】別の物品の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の詳細な説明では、図面を参照しながら、本発明の実施形態について、効果及び特徴と併せて説明する。
【００１３】
本明細書に記載した実施形態は、概して補強物品及びその製造方法に関する。補強層は、基材、ボンド層及び保護層と共に用いるために提供される。
【００１４】
図１を参照すると、物品１０は基材２０を含む。ボンド層３０は、基材２０上に設けられる。補強層４０は、ボンド層３０上に設けられる。保護層５０は、補強層４０上に設けられる。
【００１５】
基材２０は、金属、セラミック又はセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）である。一実施形態では、基材２０は、ガスタービンエンジン部品である。別の実施形態では、基材は、タービンブレード、ベーン、シュラウド、ライナ、燃焼器、トランジションピース、ロータ部品、排気フラップ、シール又は燃料ノズルである。さらに別の実施形態では、基材２０は、ＣＭＣ材料を用いて形成されたタービンブレードである。
【００１６】
ボンド層３０は、保護層５０を基材２０に接合するのを助ける。一実施形態では、ボンド層３０はケイ素を含む。
【００１７】
保護層５０は、作動中に物品１０が付される高温ガス、水蒸気及び／又は酸素等の環境条件の影響から基材を保護する。保護層５０は、物品１０の作動時に、高温ガス、水蒸気及び／又は酸素との接触から基材２０を保護するのに適した材料である。一実施形態では、保護層５０はセラミック材料を含む。別の実施形態では、保護層５０はケイ素を含む。
【００１８】
一実施形態では、保護層５０は単層からなる。別の実施形態では、保護層５０は、様々な材料の多層を含む。さらに別の実施形態では、保護層は、様々な材料の多層を含む耐環境コーティング（ＥＢＣ）である。
【００１９】
保護層５０は、特に限定されないが、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、ディップコーティング、スピンコーティング、電気泳動堆積（ＥＰＤ）を始めとする好適な方法を用いて補強層４０の上に設けられる。
【００２０】
物品１０の高温作動中に、高温ガス、水蒸気及び／又は酸素に暴露されると、ボンド層３０の酸化が生じる。溶融及び酸化によって、ボンド層３０は、粘稠ガラス層のような粘稠流体層（図示せず）を形成する。粘稠流体層は、熱成長酸化物（ＴＧＯ）を含む。粘稠流体層は、作動中に物品１０に加わる遠心荷重及び保護層５０との熱膨張率の不一致に起因する剪断応力によって、移動又はスライドする。この現象は「クリープ」と呼ばれる。保護層５０のクリープは、割れの発生及び／又は部品の全体寿命の低下をもたらす。
【００２１】
補強層４０は、保護層５０の施工に用いたものと同じ方法で、ボンド層３０と保護層５０との界面に設けられる。一実施形態では、補強層４０は、スピンコーティングで施工される。別の実施形態では、補強層４０は、ボンド層３０の表面と連続した連続層である。
【００２２】
補強層４０は、ボンド層３０で生成する熱成長酸化物を低減、妨害又は阻害する。補強層４０は水素を含む。
【００２３】
一実施形態では、補強層４０中の水素分子がボンド層３０と水素結合を形成して、ボンド層３０の表面を不動態化することによって、ボンド層３０で生成する熱成長酸化物を低減又は阻害する。こうした水素結合の形成によって、酸素又は酸素イオンが接触したときにボンド層３０の酸化に利用可能な潜在的反応部位が減る。
【００２４】
別の実施形態では、補強層４０中の水素分子とボンド層３０との相互作用及び水素結合の形成によって、補強層４０中にメッシュ状網目構造が形成される。この網目構造は、ボンド層３０の酸化に対する機械的／化学的障壁として作用する。得られる網目構造は超疎水性であり、網目構造に形成された細孔内に空気及び高温ガスをトラップする。高温ガスのナノ多孔性輸送は、通路の直径よりも小さな平均自由行程を生じ、補強層４０の表面自由エネルギーを低下させる。高温ガスとボンド層３０との接触が低減又は抑制されて、ボンド層３０で生成する熱成長酸化物の量が低減又は抑制される。補強層４０は、ボンド層３０と保護層５０との接合又は接着を助ける。
【００２５】
さらに別の実施形態では、補強層４０中の水素分子の一部又は全てが、ボンド層３０で生成する熱成長酸化物層に存在する酸素分子と反応する。補強層４０中の水素分子は、ボンド層３０の反応に対して競合反応を提供する。この競合反応は、ボンド層３０の酸化による材料損失量を減少させる。また、この競合反応は、ボンド層３０で生成する熱成長酸化物の形成を低減又は抑制する。
【００２６】
図２を参照すると、さらに別の実施形態では、補強層４０はボンド層３０の酸化を反転させ、それによってクリープの効果を反転させる。補強層４０中の水素分子は、ボンド層３０の酸化により生じる熱成長酸化物層６０の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）と反応する。水素分子は、二酸化ケイ素の酸素原子を除去し、結合する。熱成長酸化物層６０から酸素を除去することにより、熱成長酸化物層６０の形成を逆転させ、クリープを低減又は抑制する。
【００２７】
図３を参照すると、一実施形態では、物品１０は追加の補強層７０をさらに含む。追加の補強層７０は、基材２０上に、基材２０とボンド層３０との間に設けられる。追加の補強層７０は、補強層４０について述べたものと同じ材料を含んでおり、同じ方法で配置され、同じ特性を有する。一実施形態では、追加の補強層７０は、補強層４０と同じ材料を含んでおり、同じ方法で配置され、同じ特性を有する。別の実施形態では、追加の補強層７０は、補強層４０とは異なる材料を含んでおり、及び／又は異なる方法で基材２０の上に設けられ、及び／又は異なる特性を有する。追加の補強層７０は、ボンド層３０と共に、保護層５０を基材２０に接合するのを助ける。
【００２８】
補強層４０及び／又は追加の補強層７０の厚さは、約１ｎｍ〜約１００μｍである。別の実施形態では、補強層４０及び／又は追加の補強層７０の厚さは、約１ｎｍ〜約５０μｍである。さらに別の実施形態では、補強層４０及び／又は追加の補強層７０の厚さは、約１ｎｍ〜約１０μｍである。さらに別の実施形態では、補強層４０及び／又は追加の補強層７０の厚さは均一又は実質的に均一である。
【００２９】
補強層４０及び／又は追加の補強層７０は、向上した耐酸化性、耐クリープ性及び／又は２４００°Ｆ以上の耐熱性をもたらし、物品１０の性能及び全体の寿命を向上させる。
【００３０】
一実施形態では、方法は、基材２０上にボンド層３０を設ける工程と、ボンド層３０上に補強層４０を設ける工程と、補強層４０上に保護層５０を設ける工程とを含む。別の実施形態では、本方法は、基材２０とボンド層３０との間に追加の補強層７０を設ける工程をさらに含む。
【００３１】
限られた数の実施形態に関して本発明を詳しく説明してきたが、本発明がこれらの開示された実施形態に限定されないことは明らかであろう。本発明には、本明細書に記載されていない数多くの変更、修正、置換又は均等な構成を組み込むことができ、これらは本発明の技術的思想及び技術的範囲に属する。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様によっては、その一部しか含んでいないこともある。したがって、本発明は、以上の記載によって限定されるものではなく、専ら特許請求の範囲に記載された範囲によって限定される。
【符号の説明】
【００３２】
１０  物品
２０  基材
３０  ボンド層
４０  補強層
５０  保護層
６０  熱成長酸化物層
７０  追加の補強層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2015530963.tif 000007
2015530963.tif 000008