(57)【要約】【課題】セラミック材料基材と、低い熱伝導率を有する断熱コーティングとを備えるタービン部材が提供される。【解決手段】タービン部材が、モノリシックセラミック材料および複合セラミック材料からなる群より選択されるセラミック材料から形成される基材と、前記基材に結合された断熱コーティングとを有している。１つの実施態様においては、この基材を形成しているセラミック材料は、窒化ケイ素および自己強化性窒化ケイ素からなる群より選択される。また別な実施態様においては、この基材を形成しているセラミック材料は、炭化ケイ素−炭化ケイ素材料および炭素−炭素材料からなる群より選択される。その基材と断熱コーティングとの間には、少なくとも１層のボンディングコート層を挿入してもよい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノリシックセラミック材料および複合セラミック材料からなる群より選択されるセラミック材料から形成される基材と、前記基材に結合された断熱コーティングとを有することを特徴とするタービン部材。
【請求項２】
前記セラミック材料が、窒化ケイ素および自己強化性窒化ケイ素からなる群より選択されることを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項３】
前記セラミック材料が、炭化ケイ素−炭化ケイ素材料および炭素−炭素材料からなる群より選択されることを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項４】
前記断熱コーティングが、少なくとも１５モル％の、少なくとも１種のランタニド三二酸化物と、バランス量の、ジルコニア、セリア、およびハフニアからなる群より選択される第１の酸化物とを含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項５】
前記第１の酸化物が、５０モル％を超える量で存在することを特徴とする請求項４記載のタービン部材。
【請求項６】
前記少なくとも１種のランタニド三二酸化物が、式Ａ2Ｏ3で表され、ここでＡは、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、およびこれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とする請求項４記載のタービン部材。
【請求項７】
前記少なくとも１種のランタニド三二酸化物が、合計して１５〜４５モル％の範囲の量で存在することを特徴とする請求項４記載のタービン部材。
【請求項８】
前記少なくとも１種のランタニド三二酸化物が、合計して少なくとも２５モル％の量で存在することを特徴とする請求項４記載のタービン部材。
【請求項９】
前記断熱コーティングが、３０モル％を超えるＳｃ2Ｏ3と、式Ａ2Ｏ3で表されるランタニド三二酸化物（ここでＡは、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｒ、Ｐｒ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項１０】
前記ジルコニアが、４０モル％を超える量で存在し、そして前記コーティングが、パイロクロア結晶構造を有する相を１０体積％未満の量で含むことを特徴とする請求項９記載のタービン部材。
【請求項１１】
前記ランタニド三二酸化物が、０．００１〜３０モル％の範囲の量で存在することを特徴とする請求項９記載のタービン部材。
【請求項１２】
前記断熱コーティングが、２０モル％を超えるＩｎ2Ｏ3と、式Ａ2Ｏ3で表されるランタニド三二酸化物（ここでＡは、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｐｒ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項１３】
前記ジルコニアが、４０モル％を超える量で存在し、そして前記コーティングが、パイロクロア結晶構造を有する相を１０体積％未満の量で含むことを特徴とする請求項１２記載のタービン部材。
【請求項１４】
前記ランタニド三二酸化物が、０．００１〜４０モル％の量で存在することを特徴とする請求項１２記載のタービン部材。
【請求項１５】
前記断熱コーティングが、概略、５〜６０モル％の、Ｌａ2Ｏ3とＳｍ2Ｏ3の内の少なくとも１種と、５〜６０モル％の、式Ａ2Ｏ3で表される少なくとも１種の酸化物（ここでＡは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項１６】
前記ジルコニアが、４０モル％を超える量で存在し、そして前記コーティングが、パイロクロア結晶構造を有する相を１０体積％未満の量で含むことを特徴とする請求項１５記載のタービン部材。
【請求項１７】
前記断熱コーティングが、０．５〜２２．５モル％の、式Ａ2Ｏ3で表される少なくとも１種の第１の酸化物（ここでＡは、Ｌａ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｔｍ、およびＬｕからなる群より選択される）に組み合わせて、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第２の酸化物を含むことを特徴とする請求項１５記載のタービン部材。
【請求項１８】
前記第２の酸化物が、少なくとも７７．５モル％の量で存在することを特徴とする請求項１７記載のタービン部材。
【請求項１９】
前記コーティングが、０．５〜５９．５モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物をさらに含み、前記第２の酸化物が４０モル％を超える量で存在することを特徴とする請求項１７記載のタービン部材。
【請求項２０】
前記コーティングが、０．５〜２２．５モル％の、ＣｅＯ2、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第３の酸化物をさらに含み、前記少なくとも１種の第１の酸化物と前記少なくとも１種の第３の酸化物が、合計して２２．５モル％未満の量で存在することを特徴とする請求項１７記載のタービン部材。
【請求項２１】
前記コーティングが、０．５〜１．０モル％の、ＣｅＯ2、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物に組み合わせて、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第２の酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項２２】
０．５〜２２．５モル％の、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第３の酸化物をさらに含み、前記少なくとも１種の第１の酸化物と前記少なくとも１種の第３の酸化物が合計して２２．５モル％未満の量で存在し、そして、前記第２の酸化物が少なくとも７７．５モル％の量で存在する請求項２１記載のタービン部材。
【請求項２３】
前記断熱コーティングが、２０．５〜２２．５モル％のＣｅＯ2に組み合わせて、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項２４】
前記酸化物が、少なくとも７７．５モル％の量で存在することを特徴とする請求項２３記載のタービン部材。
【請求項２５】
前記断熱コーティングが、０．５〜２２．０モル％のＣｅＯ2と、０．５〜２２．０モル％の、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物とに組み合わせて、ジルコニアおよびハフニアからなる群より選択される第２の酸化物を含み、そして、前記ＣｅＯ2と少なくとも１種の第１の酸化物とが、２２．５モル％以下の量で存在することを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項２６】
前記第２の酸化物が、少なくとも７７．５モル％の量で存在することを特徴とする請求項２５記載のタービン部材。
【請求項２７】
前記断熱コーティングが、概略、０．５〜２２．５モル％のＣｅＯ2と、０．５〜５９．５モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニアおよびハフニアからなる群より選択される酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項２８】
前記断熱コーティングが、９．０〜２２．５モル％の、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物に組み合わせて、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第２の酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項２９】
前記第２の酸化物が、７７．５モル％を超える量で存在することを特徴とする請求項２８記載のタービン部材。
【請求項３０】
前記断熱コーティングが、０．５〜５１モル％の、Ｙｂ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第３の酸化物をさらに含み、そして前記第２の酸化物が、少なくとも４０モル％の量で存在することを特徴とする請求項２８記載のタービン部材。
【請求項３１】
前記断熱コーティングが、１５．０〜２２．５モル％の、Ｄｙ2Ｏ3およびＹｂ2Ｏ3からなる群より選択される第１の酸化物に組み合わせて、少なくとも７７．５モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第２の酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項３２】
前記断熱コーティングが、０．５〜５９．５モル％のＤｙ2Ｏ3と、０．５〜５９．５モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項３３】
前記断熱コーティングが、０．５〜２２．５モル％のＹｂ2Ｏ3と、０．５〜５９．５モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項３４】
前記断熱コーティングが、２０．５〜６０モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物に組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項３５】
前記断熱コーティングが、１５〜５９．５モル％のＹ2Ｏ3と、０．５〜４５．０モル％の、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項３６】
前記断熱コーティングが、９．０〜２３．０モル％のＧｄ2Ｏ3と、０．５〜５１．０モル％の、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項３７】
前記基材と前記断熱コーティングとの間に、少なくとも１層のボンディングコート層をさらに含み、前記少なくとも１層のボンディングコート層が、熱膨張係数の整合、耐酸化性および耐食性を与えることを特徴とする請求項１記載のタービン部材。
【請求項３８】
前記少なくとも１層のボンディングコート層が、Ｔａ2Ｏ5から形成されることを特徴とする請求項３７記載のタービン部材。
【請求項３９】
前記少なくとも１層のボンディングコート層が、式Ｘ2Ｓｉ2Ｏ7で表される希土類二ケイ酸塩（ここでＸは、Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群より選択される）から形成されることを特徴とする請求項３７記載のタービン部材。
【請求項４０】
前記少なくとも１層のボンディングコート層がＹ2Ｓｉ2Ｏ7を含むことを特徴とする請求項３７記載のタービン部材。
【請求項４１】
前記少なくとも１層のボンディングコート層がムライトを含むことを特徴とする請求項３７記載のタービン部材。
【請求項４２】
前記少なくとも１層のボンディングコート層が、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩を含むことを特徴とする請求項３７記載のタービン部材。
【請求項４３】
前記少なくとも１層のボンディングコート層が、イットリウムアルミニウムガーネットを含むことを特徴とする請求項３７記載のタービン部材。
【請求項４４】
前記少なくとも１層のボンディングコート層が、イッテルビウムアルミニウムガーネットを含むことを特徴とする請求項３７記載のタービン部材。
【請求項４５】
前記少なくとも１層のボンディングコート層が、希土類アルミネートガーネットを含み、前記希土類が、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ、およびこれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とする請求項３７記載のタービン部材。
【請求項４６】
前記ボンディングコートが、複数の傾斜機能層から形成されることを特徴とする請求項３７記載のタービン部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえばモノリシックセラミック材料または複合セラミック材料のようなセラミック材料から形成した基材と、セラミック材料から形成した断熱コーティングとを有するタービン部材に関する。
【０００２】
（関連出願の参照）
本出願は、許可された米国特許出願第１０／２２６，１０８号（リットン（Ｌｉｔｔｏｎ）ら、出願日：２００２年８月２１日、発明の名称「低い熱伝導率を有する耐熱コーティング（ＴＨＥＲＭＡＬ  ＢＡＲＲＩＥＲ  ＣＯＡＴＩＮＧＳ  ＷＩＴＨ  ＬＯＷ  ＴＨＥＲＭＡＬ  ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ）」）の一部継続出願であり、また、米国特許出願第１０／６４１，５８５号（リットン（Ｌｉｔｔｏｎ）ら、出願日：２００３年８月１２日、発明の名称「熱伝導率の低い耐熱コーティング（ＴＨＥＲＭＡＬ  ＢＡＲＲＩＥＲ  ＣＯＡＴＩＮＧＳ  ＷＩＴＨ  ＬＯＷ  ＴＨＥＲＭＡＬ  ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ）」）の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンエンジンは、燃料の形態の化学ポテンシャルエネルギーを、熱エネルギー、次いで機械エネルギーに転換させて、航空機のための推力、発電、流体ポンプ輸送などの用途に使用するための、先進的な機械装置である。現在のところ、ガスタービンエンジンの効率を改善するために主として使用されている手段とは、より高い操作温度を使用する方向にあるようである。しかしながら、ガスタービンエンジンにおいて使用される金属材料はすでに、それらの耐熱安定性の上限に極めて近いものとなってしまっている。最新式のガスタービンエンジンにおける最も高温となる部分では、金属材料がそれらの融点よりも高いガス温度で使用されている。それらが耐えられているのは、空冷をしているからである。しかしながら、空冷をすることによってエンジンの効率が低下してしまう。
【０００４】
したがって、冷却使用しているガスタービン航空機用機械設備において使用するための、断熱コーティング（ｔｈｅｒｍａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｃｏａｔｉｎｇ）（ＴＢＣ）については、精力的に検討が行われてきた。断熱コーティングを用いることによって、必要とされる冷却用空気の量を実質的に減少させることが可能となり、それに応じて効率が改善される。
【０００５】
そのようなコーティングは必然的にセラミック系のものとなる。ムライトやアルミナが提案されていたが、最近ではジルコニアが選択の対象となっている。ジルコニアは、その単斜晶系相の生成を抑えるために、安定剤を用いて改良しなければならない。典型的な安定剤としては、イットリア、カルシア（ｃａｌｃｉａ）、セリア、およびマグネシアなどが挙げられる。
【０００６】
ジルコニア系セラミックスは、水による攻撃に対しても抵抗性がある。このことは、地上で使用するガスタービン用途では極めて重要であるが、その理由は、そのようなコーティングは、航空機用エンジン用途の場合に比較すると、はるかに長時間高温に暴露されるからである。したがって、そのような断熱コーティングの腐食は問題となりうるし、事実、シリカ系断熱コーティングやアルミナ系断熱コーティングでは問題があることは公知である。酸化窒素の生成を抑制する目的で、地上で使用するガスタービンの燃焼器の中にスチームを噴射することがよく行われるが、それが水による攻撃の問題をさらに悪化させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
断熱コーティングを用いて多少の成功は得られたものの、優れた断熱性能を示す改良されたコーティング、特に、コーティング密度について正規化した場合における断熱性能の面での改良を望む声は依然として続いている。重量は、ガスタービンエンジン、特に回転部分の設計においては、常に重要な要素となっている。セラミック断熱コーティングは荷重支持材料ではなく、したがってそれらは、重量を増やすだけで強度の増加には寄与しない。セラミック断熱材料については、最高の断熱性能を得ながら、しかも重量増加は最小にとどめることが、強く望まれている。さらに、長寿命、安定性、経済性も通常必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、セラミック材料基材（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）と、低い熱伝導率を有する断熱コーティングとを備えるタービン部材を得ることにある。
【０００９】
前述の目的は、本発明のタービン部材により達成される。
【００１０】
本発明によれば、概略、セラミック材料基材と断熱コーティングとを有するタービン部材が提供される。そのセラミック材料基材はモノリシックセラミック材料であっても、複合セラミック材料であってもよい。本発明の第１の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、少なくとも１５モル％の、少なくとも１種のランタニド三二酸化物（ｌａｎｔｈａｎｉｄｅ  ｓｅｓｑｕｉｏｘｉｄｅ）と、バランス量の、ジルコニア、セリア、およびハフニア（ｈａｆｎｉａ）からなる群より選択される第１の酸化物とを含む。この第１の酸化物は、５０モル％を超える量で存在するのが好ましい。この少なくとも１種のランタニド三二酸化物は、式Ａ2Ｏ3で表され、ここでＡは、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、およびこれらの混合物からなる群より選択される。
【００１１】
本発明の第２の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、３０モル％を超えるＳｃ2Ｏ3と、式Ａ2Ｏ3で表されるランタニド三二酸化物（ここでＡは、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｒ、Ｐｒ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含む。
【００１２】
本発明の第３の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、２０モル％を超えるＩｎ2Ｏ3と、式Ａ2Ｏ3で表されるランタニド三二酸化物（ここでＡは、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｐｒ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含む。
【００１３】
本発明の第４の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、５〜６０モル％の、Ｌａ2Ｏ3とＳｍ2Ｏ3の内の少なくとも１種と、５〜６０モル％の、式Ａ2Ｏ3で表される少なくとも１種の酸化物（ここでＡは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含む。
【００１４】
本発明の第５の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、０．５〜２２．５モル％の、式Ａ2Ｏ3で表される少なくとも１種の第１の酸化物（ここでＡは、Ｌａ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｔｍ、およびＬｕからなる群より選択される）に組み合わせて、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第２の酸化物を含む。
【００１５】
本発明の第６の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、０．５〜１．０モル％の、ＣｅＯ2、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物に組み合わせて、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第２の酸化物を含む。
【００１６】
本発明の第７の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、２０．５〜２２．５モル％のＣｅＯ2に組み合わせて、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含む。
【００１７】
本発明の第８の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、０．５〜２２．０モル％のＣｅＯ2と、０．５〜２２．０モル％の、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物とに組み合わせて、ジルコニアおよびハフニアからなる群より選択される第２の酸化物を含む。ＣｅＯ2と少なくとも１種の第１の酸化物は、２２．５モル％以下の量で存在する。
【００１８】
本発明の第９の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、０．５〜２２．５モル％のＣｅＯ2と、０．５〜５９．５モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニアおよびハフニアからなる群より選択される酸化物を含む。
【００１９】
本発明の第１０の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、９．０〜２２．５モル％の、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物に組み合わせて、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第２の酸化物を含む。
【００２０】
本発明の第１１の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、１５．０〜２２．５モル％の、Ｄｙ2Ｏ3およびＹｂ2Ｏ3からなる群より選択される第１の酸化物に組み合わせて、少なくとも７７．５モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第２の酸化物を含む。
【００２１】
本発明の第１２の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、０．５〜５９．５モル％のＤｙ2Ｏ3と、０．５〜５９．５モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含む。
【００２２】
本発明の第１３の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、０．５〜２２．５モル％のＹｂ2Ｏ3と、０．５〜５９．５モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含む。
【００２３】
本発明の第１４の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、２０．５〜６０モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物に組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含む。
【００２４】
本発明の第１５の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、１５〜５９．５モル％のＹ2Ｏ3と、０．５〜４５．０モル％の、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含む。
【００２５】
本発明の第１６の実施態様においては、断熱コーティングは、概略、９．０〜２３．０モル％のＧｄ2Ｏ3と、０．５〜５１．０モル％の、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含む。
【００２６】
本発明の断熱コーティングを含むタービン部材のその他の詳細、さらにはその他の目的およびそれに付随する利点などについて、以下の詳細な説明において詳しく述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の本質は、ある種のセラミック材料が、セラミック材料基材の上に、特に、タービンエンジン部材の、部品たとえばエーロフォイルを形成するために使用するものの上に、断熱コーティングとして大いに有用であるということを発見した点にある。それらのセラミックコーティング材料が有用なのは、従来の断熱コーティング、たとえば７重量％イットリア安定化ジルコニアに比較して、より低い熱伝導率を示すからである。
【００２８】
本発明によれば、そのようなより低い熱伝導率を示す断熱コーティングの第１の実施態様は、少なくとも１５モル％の、少なくとも１種のランタニド三二酸化物と、バランス量の、ジルコニア、セリア、およびハフニアからなる群より選択される第１の酸化物とを含む。この第１の酸化物は、５０モル％を超える量で存在するのが好ましい。それぞれのランタニド三二酸化物は、式Ａ2Ｏ3で表され、ここでＡは、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、およびこれらの混合物からなる群より選択される。好ましい実施態様においては、この少なくとも１種のランタニド三二酸化物は、合計して１５〜４５モル％の範囲の量で存在する。最も好ましい実施態様においては、この少なくとも１種のランタニド三二酸化物は、合計して少なくとも２５モル％の量で存在する。本発明の断熱コーティングにおいては、第１の酸化物がジルコニアであって、各ジルコニウムイオンは、平均して１つを超える隣接酸化物空格子点を有し、少なくとも２つの隣接酸化物空格子点を有しているのが好ましい。第１の酸化物がハフニアまたはセリアである場合にも、各ハフニウムイオンおよび各セリウムイオンがやはり、平均して１つを超える隣接酸化物空格子点を有し、少なくとも２つの隣接酸化物空格子点を有しているのが好ましい。それらの酸素空格子点が存在することによって、そのコーティングの熱伝導率を最低にする。したがってそれらは、本発明のコーティングにとっては極めて望ましい特徴である。
【００２９】
本発明による第２の断熱コーティングは、５〜６０モル％の量で存在するランタニド三二酸化物と、バランス量の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第１の酸化物とを含む。このランタニド三二酸化物は、式Ａ2Ｏ3で表され、ここでＡは、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｙ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、およびこれらの混合物からなる群より選択される。このコーティングの好ましい実施態様においては、ランタニド三二酸化物は、１０〜４０モル％の量で存在する。
【００３０】
断熱コーティングの第３の実施態様は、ランタニド三二酸化物と、バランス量の、ジルコニア、ハフニア、セリア、およびこれらの混合物からなる群より選択される第１の酸化物とを含む。このランタニド三二酸化物は、各ジルコニウムイオン、ハフニウムイオン、およびセリウムイオンに隣接して、平均して１つを超える酸化物空格子点を生成するのに充分な量で存在する。
【００３１】
本発明によるより低い熱伝導率を有する断熱コーティングの第４の実施態様は、１５〜６０モル％の式Ａ2Ｏ3で表されるランタニド三二酸化物（ここでＡは、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｌａ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含む。この断熱コーティングは、パイロクロア結晶構造を有する相を１０体積％未満の量で含むのが好ましい。ジルコニアは、４０モル％を超える量で存在するのが好ましい。この断熱コーティングはさらに、１種または複数の以下の成分を含んでいてもよい：  ０．００１〜２．５モル％のイットリア、０．００１〜１０モル％の、ＣａＯとＭｇＯの内の少なくとも１種、０．００１〜１．０モル％のＹｂ2Ｏ3、０．００１〜４．０モル％のＳｃ2Ｏ3、および／または０．００１〜４．０モル％のＩｎ2Ｏ3。
【００３２】
より低い熱伝導率を示す本発明による断熱コーティングの第５の実施態様は、少なくとも１５モル％のイットリアと、式Ａ2Ｏ3で表されるランタニド三二酸化物（ここでＡは、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｐｒ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含む。好ましい実施態様においては、ジルコニアは、４０モル％を超える量で存在し、そのコーティングは、パイロクロア結晶構造を有する相を１０体積％未満の量で含む。このコーティング系におけるイットリアは、１５〜２２モル％の範囲の量で存在することができ、またランタニド三二酸化物は、１．０〜３５モル％の量で存在することができる。この断熱コーティング系の特に有用な実施態様においては、イットリアは２２モル％を超える量で存在し、ランタニド三二酸化物は１．０〜３８モル％の範囲の量で存在する。
【００３３】
本発明の第６の実施態様においては、より低い熱伝導率を有する断熱コーティングは、９〜１５モル％のＹｂ2Ｏ3と、１．０〜４８モル％の式Ａ2Ｏ3で表されるランタニド三二酸化物（ここでＡは、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｐｒ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含む。ジルコニアは４０モル％を超える量で存在し、またこのコーティングは、パイロクロア結晶構造を有する相を１０体積％未満の量で含む。
【００３４】
本発明による断熱コーティングの第７の実施態様は、１５モル％を超えるＹｂ2Ｏ3と、式Ａ2Ｏ3で表されるランタニド三二酸化物（ここでＡは、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｐｒ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含む。ジルコニアは、４０モル％を超える量で存在するのが好ましい。さらにこのコーティングは、パイロクロア結晶構造を有する相を１０体積％未満の量で含むのが好ましい。ランタニド三二酸化物は、０．００１〜４５モル％の量で存在することができる。
【００３５】
本発明の第８の実施態様においては、２０〜３０モル％のＳｃ2Ｏ3と、式Ａ2Ｏ3で表されるランタニド三二酸化物（ここでＡは、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｐｒ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含む断熱コーティングが得られる。先に述べたのと同様に、ジルコニアは、４０モル％を超える量で存在するのが好ましい。さらに、この断熱コーティングは、パイロクロア結晶構造を有する相を１０体積％未満の量で含む。好ましい実施態様においては、ランタニド三二酸化物は０．００１〜３０モル％の量で存在する。
【００３６】
本発明の第９の実施態様においては、３０モル％を超えるＳｃ2Ｏ3と、式Ａ2Ｏ3で表されるランタニド三二酸化物（ここでＡは、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｅｒ、Ｐｒ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含む断熱コーティングが得られる。ジルコニアは、４０モル％を超える量で存在するのが好ましい。この断熱コーティングは、パイロクロア結晶構造を有する相を１０体積％未満の量で含むことができる。好ましい実施態様においては、ランタニド三二酸化物は０．００１〜３０モル％の範囲の量で存在する。
【００３７】
本発明の第１０の実施態様においては、断熱コーティングは、１１〜２０モル％のＩｎ2Ｏ3と、式Ａ2Ｏ3で表されるランタニド三二酸化物（ここでＡは、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｐｒ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含む。好ましい実施態様においては、ランタニド三二酸化物は０．００１〜３６モル％の量で存在する。ジルコニアは、４０モル％を超える量で存在するのが好ましい。このコーティングも、パイロクロア構造を有する相を１０体積％未満の量で含むのが好ましい。
【００３８】
第１１の実施態様においては、２０モル％を超えるＩｎ2Ｏ3と、式Ａ2Ｏ3で表されるランタニド三二酸化物（ここでＡは、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｐｒ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含む断熱コーティングが得られる。このコーティング系においては、ジルコニアは、４０モル％を超える量で存在するのが好ましく、ランタニド三二酸化物は、０．００１〜４０モル％の量で存在するのが好ましく、またこのコーティングは、パイロクロア構造を有する相を１０体積％未満の量で含む。
【００３９】
本発明の第１２の実施態様においては、断熱コーティングは、５〜６０モル％の、Ｌａ2Ｏ3とＳｍ2Ｏ3の内の少なくとも１種と、５〜６０モル％の、式Ａ2Ｏ3で表される少なくとも１種の酸化物（ここでＡは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）と、バランス量のジルコニアとを含む。このコーティング系においては、ジルコニアは４０モル％を超える量で存在するが好ましく、そのコーティングは、パイロクロア構造を有する相を１０体積％未満の量で含む。
【００４０】
本発明に従う断熱コーティングのその他の実施態様としては以下のようなものが挙げられる。
【００４１】
０．５〜２２．５モル％の、式Ａ2Ｏ3で表される少なくとも１種の第１の酸化物（ここでＡは、Ｌａ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｔｍ、およびＬｕからなる群より選択される）に組み合わせて、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第２の酸化物を含む、断熱コーティング。好ましい実施態様においては、その第２の酸化物は、少なくとも７７．５モル％の量で存在する。このコーティングはさらに、０．５〜５９．５モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第３の酸化物を含んでいてもよいが、この第３の酸化物が存在する場合には、第２の酸化物は４０モル％を超える量で存在する。さらに、このコーティングは、別の変形例では、０．５〜２２．５モル％の、ＣｅＯ2、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第３の酸化物を含んでいてもよいが、その場合、少なくとも１種の第１の酸化物と少なくとも１種の第３の酸化物は、合計して２２．５モル％以下の量で存在する。
【００４２】
０．５〜１．０モル％の、ＣｅＯ2、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物に組み合わせて、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第２の酸化物を含む、断熱コーティング。この断熱コーティングはさらに、０．５〜２２．５モル％の、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第３の酸化物を含んでいてもよいが、その場合、少なくとも１種の第１の酸化物と少なくとも１種の第３の酸化物は、合計して２２．５モル％以下の量で存在し、第２の酸化物は、少なくとも７７．５モル％の量で存在する。
【００４３】
２０．５〜２２．５モル％のＣｅＯ2に組み合わせて、ジルコニアおよびハフニアからなる群より選択される酸化物を含む、断熱コーティング。好ましい実施態様においては、その酸化物は、少なくとも７７．５モル％の量で存在する。
【００４４】
０．５〜２２．０モル％のＣｅＯ2と、０．５〜２２．０モル％の、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物とに組み合わせて、ジルコニアおよびハフニアからなる群より選択される第２の酸化物を含むが、ここでＣｅＯ2と少なくとも１種の第１の酸化物は２２．５モル％以下の量で存在する、断熱コーティング。好ましい実施態様においては、その第２の酸化物は、少なくとも７７．５モル％の量で存在する。
【００４５】
０．５〜２２．５モル％のＣｅＯ2と、０．５〜５９．５モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニアおよびハフニアからなる群より選択される酸化物を含む、断熱コーティング。
【００４６】
９．０〜２２．５モル％の、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物に組み合わせて、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第２の酸化物を含む、断熱コーティング。好ましい実施態様においては、その第２の酸化物は、７７．５モル％を超える量で存在する。この断熱コーティングはさらに、０．５〜５１．０モル％の、Ｙｂ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第３の酸化物を含んでいてもよく、その場合、第２の酸化物は少なくとも４０モル％の量で存在する。
【００４７】
１５．０〜２２．５モル％の、Ｄｙ2Ｏ3およびＹｂ2Ｏ3からなる群より選択される第１の酸化物に組み合わせて、少なくとも７７．５モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される第２の酸化物を含む、断熱コーティング。
【００４８】
０．５〜５９．５モル％のＤｙ2Ｏ3と、０．５〜５９．５モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含む、断熱コーティング。
【００４９】
０．５〜２２．５モル％のＹｂ2Ｏ3と、０．５〜５９．５モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含む、断熱コーティング。
【００５０】
２０．５〜６０モル％の、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、およびＹ2Ｏ3からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物に組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含む、断熱コーティング。
【００５１】
１５〜５９．５モル％のＹ2Ｏ3と、０．５〜４５．０モル％の、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含む、断熱コーティング。
【００５２】
９．０〜２３．０モル％のＧｄ2Ｏ3と、０．５〜５１．０モル％の、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｔｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｐｒ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｅｕ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、およびこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１種の第１の酸化物とに組み合わせて、少なくとも４０モル％の、ジルコニア、ハフニア、およびセリアからなる群より選択される酸化物を含む、断熱コーティング。
【００５３】
本明細書でこれまで述べてきた各種の断熱コーティングは、柱状組織（ｃｏｌｕｍｎａｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有していることを特徴としていてもよい。
【００５４】
物品、特にガスタービンエンジンにおける部材として有用な物品を、本発明に従って得ることができる。その物品は、金属基材と、その基材に施した１種の上述の断熱コーティングとを有することができる。その断熱コーティングは、基材の表面に直接施すこともできるし、あるいは、その金属基材の１つまたは複数の表面に堆積させたボンディングコートに施すこともできる。本発明の実施態様の１つに従って、断熱コーティングを堆積させるには、当業技術内で公知の各種適当な技術を使用することができる。好適な技術を挙げれば、電子ビーム物理蒸着法、化学蒸着法、ＬＰＰＳ法、拡散法などがある。金属基材の例としては、ニッケル系超合金、コバルト系超合金、鋼などの合金鉄、チタン合金、銅合金などが挙げられる。
【００５５】
タービン部材または物品が、金属基材の代わりに、たとえばモノリシックセラミック材料または複合セラミック材料などのセラミック材料から形成された基材を有していてもよい。本明細書で使用する時、「モノリシックセラミック」という用語の意味には、単一相または多相セラミックス（これらに限定されるわけではない）は含むが、複合材料として加工されたセラミック（すなわち、浸透繊維織物（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ｗｅａｖｅ）など）は含まない。モノリシックセラミック基材の例を挙げれば、窒化ケイ素や自己強化性（ｓｅｌｆ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ）窒化ケイ素があるが、これらに限定される訳ではない。複合セラミック基材の例としては、ＳｉＣ−ＳｉＣ複合材料（蒸気浸透または溶融浸透された二次元または三次元繊維織物）やＣ−Ｃ複合材料（これまた、蒸気浸透または溶融浸透された二次元または三次元繊維織物）などが挙げられるが、これらに限定される訳ではない。
【００５６】
ボンディングコートを使用する場合は、そのボンディングコートは、適当であれば、当業技術内で公知のどのようなボンディングコートであってもよい。たとえば、ボンディングコートは、アルミニウム含有材料、アルミニド（ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）、白金アルミニド、セラミック材料たとえば７重量％イットリア安定化ジルコニア、またはＭＣｒＡｌＹ材料などから形成させることができる。別な方法として、ボンディングコートが多層のセラミックであってもよく、そのような多層は、熱膨張係数の整合をさせたり、さらには耐酸化性の付与（酸化拡散の抑制による）や耐食性の付与（腐食性の酸化物液体による攻撃の防御による）をしたりするように設計されている。好適なボンディングコートは、たとえばＴａ2Ｏ5、式Ｘ2Ｓｉ2Ｏ7で表される各種希土類二ケイ酸塩（ここでＸは、Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、およびこれらの混合物）、Ｙ2Ｓｉ2Ｏ7、ムライト、ＢＳＡＳ（バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩または重土長石（ｃｅｌｓｉａｎ））、イットリウムアルミニウムガーネット、イッテルビウムアルミニウムガーネット、およびその他の希土類アルミネートガーネット（ここでその希土類元素は、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ、およびこれらの混合物からなる群より選択される）などから形成させることができる。その多層ボンディングコート層は、同一または異なった材料から形成される、複数の明瞭に異なった別々の層であってもよい。さらに、そのような多層ボンディングコート層が、上記のものの混合物による傾斜機能層であってもよい。整合層とボンディングコート層として使うことに加えて、それらの層に環境に対する障壁や酸素に対する障壁の働きをさせることもできる。傾斜機能を用いて、異種材料の２層の間に明瞭な界面を持たせる代わりに、その２つの材料の混合物の領域を与えて、総合的な濃度が第１の材料１００％から、第２の材料１００％に向けて徐々に変化するようにさせることもできる。このようにすると、濃度を段階的に変化させる代わりに、濃度傾斜を持って徐々に変化させることができる。この方法は、たとえば熱膨張の点で大きなずれがあるような材料の層の間での残留応力を低下させるのに効果がある。
【００５７】
ボンディングコートは、当業技術内で公知の適当な方法、たとえば、低圧プラズマ溶射、電子ビーム物理蒸着法、拡散法および化学蒸着法などの方法（これらの方法に限定される訳ではない）を用いて、基材である金属またはセラミックの上に形成させることができる。所望により、ボンディングコートは外側表面に酸化物スケール（ｓｃａｌｅ）を持たせることも可能であるが、そのような酸化物スケールは実質的にはアルミナからなる。本発明の断熱コーティングは、当業技術内で公知の各種適当な技術を用いて、酸化物スケールに結合させることができる。
【００５８】
所望により、セラミック層をその断熱コーティングに接合させることもできる。そのような追加のセラミック材料としては、酸素の拡散を抑制し、腐食および摩耗抵抗性を与え、および／または０．７の光放射率を与えるような材料からなる群より選択することができる。使用可能な、高い放射率を有するセラミック材料の例としては、アルミナおよびムライトが挙げられる。放射率が高いと、内部放射（断熱コーティング材料そのものの放射）による断熱コーティングを横切る伝熱が減少するが、その理由は、より温度の高いコーティングの外側表面と、より温度の低いコーティング／ＴＧＯ界面との間での温度差であって、それにより、ＴＧＯの、したがってボンドコーティングの、さらには合金の温度が低下する。このようにして、放射率が高いと、ＴＢＣの断熱性が向上する。この追加のセラミック層は、断熱コーティングの外側表面の上に形成させることもできる。
【００５９】
いくつかの実施態様においては、物品はその表面上に酸化物スケールを有していて、本発明の断熱コーティングの１つを、その酸化物スケールの上に直接施して結合させるが、それには、当業技術内で公知の各種適当な堆積技術、たとえば拡散法、電子ビーム物理蒸着法、および／または化学蒸着法技術などが使用できるが、これらに限定される訳ではない。その酸化物スケールは実質的にアルミナでできていてよい。
【００６０】
本発明の断熱コーティングは、ガスタービンエンジンにおいて使用するために開発されたものではあるが、このコーティングは、高温環境にある、たとえば炉や内燃機関などその他の用途でも有用である。
【００６１】
以下の実施例において、本発明のコーティングの利点について説明する。
【００６２】
［実施例１］
２７．３モル％のＹ2Ｏ3とバランス量のＺｒＯ2とのサンプルを、コールドプレスにより製造し、その混合粉末を焼結させて、理論の９５％の密度とした。この厚み０．０２５インチの複数のサンプルディスクにグラファイトをコーティングした。レーザーフラッシュ装置を使用して、比熱と熱拡散率の測定を行った。バルク密度は、慎重に測定したサンプルの寸法と、重量とから求めた。１２００゜Ｆにおける測定データを、理論密度に対して直線的に補正して、熱伝導率の値は１．９５Ｗ／ｍＫと計算された。
【００６３】
［実施例２］
同様にして、１６．７モル％のＹ2Ｏ3と、１６．７モル％のＧｄ2Ｏ3とバランス量のＺｒＯ2とからのサンプルを、コールドプレスを用いて製造し、混合粉末を焼結させると、理論値の９０．８％の密度となった。厚み０．０２５インチの複数のサンプルを、この場合もグラファイトでコーティングし、レーザーフラッシュ装置で測定した。慎重に測定したサンプルの重量と寸法とから、サンプルのバルク密度を求めた。１６００゜Ｆにおける測定データを、理論密度に対して直線的に補正して、熱伝導率の値は平均で１．３７Ｗ／ｍＫと計算された。
【００６４】
［実施例３］
１９モル％のＳｍ2Ｏ3とバランス量のＺｒＯ2からなる平均組成を有するコーティングを、複数のアルミナディスクの上に、電子ビーム物理蒸着法により堆積させた。熱拡散率についての高温測定はレーザーフラッシュ装置を用いて行った。高温比熱の値は、モノリシックな、３３モル％のＳｍ2Ｏ3とバランス量のＺｒＯ2の複数のサンプルについての過去の測定値から推測した。このサンプルのバルク密度は、コーティングの際のディスクの重量および厚みの変化、それにその直径から計算した。１４００゜Ｆで測定したデータから、熱伝導率の平均値は１．２６Ｗ／ｍＫと計算されたが、密度の補正はしなかった。
【００６５】
本発明によって、本明細書にここまで説明してきた目的、手段および利点を完全に満たすような低い熱伝導率を有する断熱コーティングが得られたことは明らかである。本発明について、特定の実施態様の文脈において説明してきたが、ここまでの記述を読めば、当業者にとっては別の代替え、修正、変更などは明らかであろう。したがって、それらの代替え、修正、変更などは、添付の特許請求項の広い範囲の内にあると、受け取るべきであると考える。