(57)【要約】【課題】第１熱膨張係数を有するシリコンを含む構成要素の環境障壁コーティング（１０）を提供すること。【解決手段】環境コーティングは、構成要素の外表面の少なくとも一部に結合されるシリコンボンドコート（３０）を含む。介在層（２５、２７、２９）が、シリコンボンドコートに結合され、第１熱膨張係数に整合された第２熱膨張係数を有する。介在層は、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する。保護層（３６）が、介在層に結合され、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する。表面層（３８）が、保護層に結合される。表面層は、ＲＥを含み、少なくとも２：３のＲＥ対酸素の比率を有する。【選択図】図１
2007197307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１熱膨張係数を有するシリコンを備える構成要素の環境障壁コーティング（１０）であって、
前記構成要素の外表面の少なくとも一部に結合されたシリコンボンドコート（３０）と、
前記シリコンボンドコートに結合され、前記第１熱膨張係数と合う第２熱膨張係数を有し、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する少なくとも１つの介在層（２５、２７、２９）と、
前記介在層に結合され、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する保護層（３６）と、
前記保護層に結合され、ＲＥを備え、少なくとも２：３のＲＥ対酸素の比率を有する表面層（３８）とを備える、環境障壁コーティング（１０）。
【請求項２】
前記保護層（３６）が、前記表面層（３８）が前記少なくとも１つの介在層（２５、２７、２９）と化学反応することによって形成され、前記ボンドコート（３０）、前記少なくとも１つの介在層、前記保護層、および前記表面層の間の各境界面が、ほぼ連続的である、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
【請求項３】
前記表面層（３８）が、ＲＥ２Ｏ３の一般組成を有し、またはＲＥ２Ｏ３の一般組成を形成するように気体相と反応し、ＲＥが、Ｙ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕの少なくとも１つである、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
【請求項４】
多層環境障壁コーティングを形成するために、中間層化学反応を実質的に有さずに、前記保護層（３６）が、前記少なくとも１つの介在層（２５、２７、２９）の上に直接付着され、前記表面層（３８）が、前記保護層の上に直接付着され、前記ボンドコート（３０）、前記少なくとも１つの介在層、前記保護層、および前記表面層の間の境界面が、ほぼ連続的である、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの介在層（２５）が、
前記シリコンボンドコートに結合された内部介在層（２７）と、
前記内部介在層に結合され、複数の微細間隙を形成する外部介在層（２９）と
を備え、前記外部介在層は、前記複数の微細間隙の各間隙を形成する前記保護層（３６）を基板の上に形成するために前記表面層（３８）で湿潤されている請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
【請求項６】
前記第２熱膨張係数が、前記第１熱膨張係数の＋／−１５％の範囲内にある、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
【請求項７】
前記表面層（３８）が、ＲＥ２Ｏ３、ＲＥ金属、ＲＥを備える塩、およびＲＥを備える有機金属材料の少なくとも１つを備える、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
【請求項８】
前記少なくとも１つの介在層（２５、２７、２９）が、７６．２マイクロメートルから２５４マイクロメートルの厚さを有する、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
【請求項９】
前記表面層（３８）が、１０．２マイクロメートルから５０．８マイクロメートルの厚さを有する、請求項１記載の環境障壁コーティング（１０）。
【請求項１０】
シリコンを備え、第１熱膨張係数を有する基板材料（２０）と、
前記基板材料の外表面の少なくとも一部に結合されたシリコンボンドコート（３０）と、
前記シリコンボンドコートに結合され、前記第１熱膨張係数に整合された第２熱膨張係数を有し、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する少なくとも１つの介在層（２５、２７、２９）と、
前記介在層に結合され、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する保護層（３６）と、
前記保護層に結合され、ＲＥを備え、少なくとも２：３のＲＥ対酸素の比率を有する表面層（３８）とを備える、気体タービンエンジン（１５）の構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、環境障壁コーティングに関し、より具体的には、シリコンベース基板材料から製作された構成要素の環境障壁コーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する希土類（ＲＥ）ジシリケート環境障壁コーティング（ＥＢＣ）は、シリコン包含セラミックマトリックス化合物（ＣＭＣ）基板材料または窒素シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）基板材料から製作された気体タービン構成要素を、サービス中の化学的環境に対する有害な曝露から保護する。ＲＥは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕであり、希土類様の元素ＹおよびＳｃを含む。希土類ジシリケートは、ＣＭＣ基板材料のＣＴＥによく整合している熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。そのようなジシリケートは、サービス中および構成要素の熱サイクル中に亀裂が入る最小限の傾向を有する。しかし、ジシリケートは、タービン燃焼大気における水蒸気との化学的相互作用によるＳｉＯ２の浸出および後退に対して脆弱である。そのような浸出により、ＥＢＣにおいて微孔性微細構造が創出され、当初の密なＥＢＣは、必要な設計寿命時間未満において多孔性層に変換される。したがって、そのようなジシリケートは、適用に必要な堅牢性を有していない。
【０００３】
ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する希土類（ＲＥ）モノシリケートが、希土類ジシリケートの代わりにＥＢＣとして使用されてきた。ＲＥモノシリケートは、水蒸気を含む燃焼大気においてより低い揮発率を有し、したがって低い後退率を有する。しかし、モノシリケートは、通常、ＣＭＣ基板材料のＣＴＥに十分に整合していないＣＴＥを有する。その結果、モノシリケートのトップコートは、適用、熱処理、および／またはサービス曝露中に亀裂が入る傾向があり、水蒸気がトップコートに浸透し、表面下の化学反応および／または時期尚早なＥＢＣの破砕が生じることを可能にする。そのような亀裂の程度は、コーティング層の厚さ、およびコーティング層と基板材料のＣＴＥの差に直接依存する。
【０００４】
多くの従来のＥＢＣ材料は、プラズマ噴霧プロセスを使用して構成要素の上に付着される。プラズマ噴霧プロセスは、プロセスを大きく修正せずに、広範なコーティング厚さの範囲内（約０．００２から約０．０４０インチにわたる）において多様な材料を付着させる適応性を提供する。しかし、付着されたコーティング材料は、しばしば、噴霧プロセス中の迅速な急冷のために、本質的に熱力学的に準安定な状態（アモルファス相、より高温の層、あるいは１つまたは複数の非平衡層など）にある。高温に曝露され、平衡状態に移行する際、束縛されたコーティングは、様々なタイプの亀裂行為に至ることがあるコーティングにおける応力をもたらす様々な寸法の変化を受けることがある。亀裂に対するコーティングの性向は、コーティングの厚さに正比例する傾向がある。
【特許文献１】米国特許第６，２９６，９４１号公報
【特許文献２】米国特許第６，３１２，７６３号公報
【特許文献３】米国特許第６，７５９，１５１号公報
【特許文献４】米国特許第６，４１０，１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これは、プラズマ噴霧によって処理されたＲＥ２ＳｉＯ５コーティングでは特に問題であり、高温に曝露される際、コーティングの厚さ全体にわたる破壊的な亀裂および層間剥離の両方に至ることが判明している。この場合、コーティング材料の厚さ全体にわたる亀裂は、ＳｉＣ複合物またはＳｉＣ／ＳｉＣ複合物では、約６×１０−６１／Ｃから約７×１０−６１／Ｃのコーティング材料のＣＴＥと、約４．５×１０−６１／Ｃから約５．０×１０−６１／Ｃの基板材料のＣＴＥとの不整合によって主に駆動されると考えられる。コーティングの層間剥離は、基板材料の非平面領域ならびに／あるいは幾何学的形状の不連続および表面の摂動の周りにおいて主に観測される。さらに、層間剥離は、サービス温度への第１加熱サイクル中の寸法変化に寄与している。亀裂行為は、約０．５１ｍｍ（０．００２インチ）程度に薄い厚さを有するコーティングについて観測されている。さらに、プラズマ噴霧によって処理されたコーティングは、開放多孔性、および／または通常は閉じたポアおよび間隙を遮断する微細亀裂網を含む傾向がある。ＥＢＣの応用分野では、コーティングにおける開放多孔性は、有害であることがある。開放多孔性は、水蒸気が迅速に浸透する経路を提供し、したがって、水蒸気が介在する酸化および揮発を受けやすい下にある材料は、局所的な劣化および／または悪化が加速する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様において、本発明は、シリコンを含み、第１熱膨張係数を有する、構成要素の環境障壁コーティングを提供する。環境障壁コーティングは、構成要素の外表面の少なくとも一部に結合されるシリコンボンドコートを含む。少なくとも１つの介在層が、シリコンボンドコートに結合され、第１熱膨張係数に整合された第２熱膨張係数を有する。少なくとも１つの介在層は、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する。保護層が、介在層に結合され、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する。表面層が、保護層に結合される。表面層は、ＲＥを有し、少なくとも２：３のＲＥ対酸素の比率を有する。
【０００７】
他の態様において、本発明は、気体タービンエンジンの構成要素を提供する。構成要素は、シリコンを含む基板材料を含み、第１熱膨張係数を有する。シリコンボンドコートが、基板材料の外表面の少なくとも一部に結合される。少なくとも１つの介在層が、シリコンボンドコートに結合される。少なくとも１つの介在層は、第１熱膨張係数に整合された第２熱膨張係数を有し、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７一般組成を有する。保護層が、少なくとも１つの介在層に結合され、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する。表面層が、保護層に結合され、ＲＥを含む。表面層は、少なくとも２：３のＲＥ対酸素の比率を有する。
【０００８】
さらに、環境障壁コーティングを有する構成要素を製作する方法を開示する。方法は、第１熱膨張係数を有するシリコンを含む構成要素を提供することを含む。ボンドコートが、構成要素の外表面の少なくとも一部に結合される。ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する介在層が、ボンドコートに結合される。介在層は、第１熱膨張係数に整合された第２熱膨張係数を有する。ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する保護層が、介在層に結合される。表面層が、保護層に結合される。表面層は、ＲＥを含み、少なくとも２：３のＲＥ対酸素の比率を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態は、例えば、セラミックマトリックス複合物基板材料または窒化ケイ素基板材料を含めて、シリコンベース材料の環境障壁コーティングを提供する。さらに、本発明は、環境障壁コーティングを有する構成要素を製作する方法を提供する。一実施形態では、環境障壁コーティングは、シリコンボンドコート、基板材料の下にある膨張係数に整合された熱膨張係数を有する介在層、およびサービス中に耐亀裂性であり、かつ下にある構成要素の設計寿命にわたって堅牢である薄い一様な耐後退性表面層を含む。
【００１０】
本発明の実施形態は、セラミックマトリックス複合物基板材料、窒化ケイ素基板材料、炭化ケイ素基板材料、および／または金属ケイ化物基板材料から製作された気体タービンエンジンの構成要素と関連する適用に関して以下において記述される。しかし、当業者および本明細書において提供される教示によって誘導される者には、本発明は、シリコンベース基板材料から製作される任意の適切な構成要素に同様に適用可能であることが明らかになるであろう。さらに、そのような構成要素は、非限定的に、他のタービンエンジンを含むシステムに組み込まれ、構成要素は、システム動作中に極度の熱および／または化学条件を受ける。動作条件中、これらの構成要素は、１３２０℃（２４００°Ｆ）を超える可能性がある材料表面温度において最高で約３２０００時間、燃焼環境にさらされる。
【００１１】
一実施形態では、気体タービンエンジンの様々な構成要素は、セラミック材料またはセラミックマトリックス複合物（ＣＭＣ）材料で形成される。特定の実施形態では、ＣＭＣ材料は、ＳｉＣ／ＳｉＣ  ＣＭＣ材料である。ＳｉＣ／ＳｉＣ  ＣＭＣ材料は、シリコンが浸潤され、コーティングされた炭化ケイ素ファイバで強化された炭化ケイ素複合物材料を含む。一実施形態では、セラミック材料は、ＳｉＣなどのモノリシックセラミック材料である。
【００１２】
図１を参照すると、一実施形態では、環境障壁コーティング１０は、ＣＭＣ基板材料２０から製作されたタービンエンジン構成要素１５など、シリコンベース材料に加えられる。代替として、タービンエンジン構成要素１５は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）基板材料（図示せず）から製作される。当業者および本明細書において提供される教示によって誘導される者には、タービンエンジン構成要素１５は、任意の適切なシリコンベース材料から製作することができることが明らかである。
【００１３】
環境障壁コーティング１０は、ＣＭＣ基板材料２０に結合された、またはその上に付着された、かつ環境障壁コーティング１０に結合された少なくとも１つの介在層２５を含む。本明細書において使用される際、「結合される」という言及は、直接結合、およびボンドコートまたは介在層などの他の層を経た間接結合を含むことを理解されたい。一実施形態では、介在層２５は、約７６マイクロメートル（３．０ミル）から約２５０マイクロメートル（１０．０ミル）の全体的な厚さを有する。介在層２５は、基板材料２０の熱膨張係数に整合される熱膨張係数を有する。本明細書において使用される際、熱膨張係数に関する「整合される」という用語は、基板材料２０など第２層の熱膨張係数の約＋／−１５％の範囲内にある熱膨張係数を有する介在層２５などの第１層を指すことを理解されたい。一実施形態では、介在層２５は、ＣＭＣ基板材料２０の熱膨張係数と同様の熱膨張係数を有する。特定の実施形態では、介在層２５は、ＣＭＣ基板材料２０の熱膨張係数にほぼ等しい熱膨張係数を有する。図１に示されるように、一実施形態では、環境障壁コーティング１０は、介在層２５がＣＭＣ基板材料２０に加えられる、またはその上に付着される前に、ＣＭＣ基板材料２０に加えられた、またはその上に付着されたシリコンボンドコート３０を含む。特定の実施形態では、ボンドコート３０は、基板材料２０および／または介在層２５に整合された熱膨張係数を有する。
【００１４】
一実施形態では、介在層２５は、非限定的に、Ｙ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔｂ、Ｙｂ、および／またはＬｕを含み、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する少なくとも１つの希土類（ＲＥ）シリケートから形成された少なくとも１つの層を含む。例えば、第１介在層２７が、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７を含む。さらに、介在層２５は、図１に示されるように、第１介在層２７と、耐後退性表面層３５などの外部障壁層との間に位置する第２または外部介在層２９を含む。２つの介在層２７、２９のみが図１に示されているが、当業者および本明細書において提供される教示によって誘導される者には、介在層２５は、任意の適切な数の層を含むことができることが明らかである。一実施形態では、層は、約３．０ミルから約１０．０ミルの組み合わされた厚さを有する。少なくとも１つの希土類シリケートの他に、または代替として、介在層２５は、少なくとも１つの適切な材料層を含むことが可能であり、および／または各介在層２７、２９は、少なくとも１つの適切な材料を含むことが可能である。
【００１５】
耐後退性表面層３５は、介在層２５に加えられる、またはその上に付着される。一実施形態では、耐後退性表面層３５は、物理蒸着または化学蒸着のプロセスを使用して、介在層２５に加えられる、またはその上に付着される。代替として、耐後退性表面層３５は、マイクロポアにおいて望ましい酸化物または金属をもたらすように後に分解する望ましい化合物の塩の水溶液による湿潤を使用して、介在層２５に加えられる。耐後退性表面層３５および／または湿潤層は、非限定的にゾルゲル技術、プラズマ噴霧、スラリ噴霧、および／またはペイント噴霧のプロセスを含めて、当業者および本明細書において提供される教示によって誘導される者には既知の任意の適切なプロセスを使用して加えることができる。
【００１６】
一実施形態では、耐後退性表面層３５は、外部介在層２９に一様に加える、またはその上に一様に付着される。この実施形態では、耐後退性表面層３５は、約１２．７マイクロメートル（０．５ミル）から約５０．８マイクロメートル（２．０ミル）の厚さを有する。耐後退性表面層３５は、サービス中の亀裂、水蒸気による浸透、および／またははがれを防止する、またはそれに抵抗するのに適切な厚さを有する。代替実施形態では、耐後退性表面層３５は、亀裂、水蒸気の浸透、および／またははがれを防止する、またはそれに抵抗する適切な厚さを有する。例えば、一実施形態では、耐後退性層は、約２５マイクロメートル（０．００１インチ）未満の厚さを有する。
【００１７】
一実施形態では、耐後退性保護層３６は、非限定的に、Ｙ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔｂ、Ｙｂ、および／またはＬｕを含めて、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する少なくとも１つの希土類（ＲＥ）シリケートを含む。耐後退性保護層３６は、下にある介在層２５と化学的に共存可能であり、高い耐後退性を有する。例えば、耐後退性保護層３６は、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７外表面を含む介在層２５に加えられた、またはその上に付着されたＹ２ＳｉＯ５を含むことが可能である。表面層３８は、下にある保護層３６と化学的に共存可能であり、高い耐後退性を有する。表面層３８は、保護層３６に加えられた、またはその上に付着されたＹ２Ｏ３を含むことが可能である。当業者および本明細書において提供される教示によって誘導される者には、耐後退性保護層３６および耐後退性表面層３８は、１つまたは複数の希土類金属を含めて、任意の適切な材料を含むことができることが明らかである。
【００１８】
一実施形態では、耐後退性表面層３５は、介在層２５に結合された保護層３６を含む。この実施形態では、保護層３６は、ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する。耐後退性表面層３５は、保護層３６に結合された表面層３８をさらに含む。表面層３８は、少なくとも１つのＲＥ、すなわち、Ｙ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔｂ、Ｙｂ、および／またはＬｕを含み、少なくとも２：３のＲＥ対酸素の比率を有する。表面層３８は、ＲＥ２Ｏ３、ＲＥ金属、ＲＥを備える塩、および／またはＲＥを含む有機金属材料を含む。適切な有機金属材料は、非限定的にＲＥイソプロポキシド（ＲＥ−［ＯＣＨ（ＣＨ３）２］３）、ＲＥ−トリ−ｎ−ブトキシド（ＲＥ−（ＯＣ４Ｈ９）３）、またはＲＥエトキシド（ＲＥ−（ＯＣ２Ｈ５）３）などのＲＥを含む金属種を含む適切なアルコキシドを非限定的に含む。特定の実施形態では、表面層３８は、ＲＥ２Ｏ３の一般組成を有し、または、ＲＥ２Ｏ３の一般組成を形成するように気体相と反応する。
【００１９】
一実施形態では、保護層３６は、表面層３８が介在層２５と化学反応することによって形成される。特定の実施形態では、ボンドコート３０と介在層２５の間の境界面、および保護層３６と表面層３８の間の境界面は、ほぼ連続的である。代替として、多層環境障壁コーティング１０を形成するために、保護層３６は、介在層２５の上に直接付着され、表面層３８は、中間層化学反応をほぼ有さずに、保護層３６に直接付着される。この実施形態では、ボンドコート３０と介在層２５の間、介在層２５と保護層３６の間、および保護層３６と表面層３８の間の境界面も、ほぼ連続的とすることが可能である。
【００２０】
一実施形態では、介在層２５は、微細間隙を形成する保護層３６を表面領域上に形成するために、耐後退性酸化物で湿潤された微細間隙表面領域を含む。微細間隙表面領域または微細構造は、微細間隙微細構造を創出するために、表面層が、選択された時間、十分高い温度において水蒸気と反応することを可能にすることによって創出することが可能である。代替として、微細間隙または多孔性微細構造は、プラズマ噴霧によって創出することが可能である。例えば、微細間隙ＲＥ２ＳｉＯ５の層は、約２４００°Ｆにおいて約１００時間から約５００時間、流れる水蒸気が豊富な大気に曝露することによって、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７を含む介在層２５の上に創出することができる。次いで、微細間隙は、耐後退性表面層３５を創出するために、化学的に共存可能な耐水蒸気酸化物で湿潤される。例えば、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の上に創出された微細間隙ＲＥ２ＳｉＯ５は、下にあるＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７介在層２５、シリコンボンドコート３０、およびＣＭＣ基板材料２５を水蒸気損傷から保護する耐後退性表面層３５（ＲＥ２Ｏ３＋ＲＥ２ＳｉＯ５）を作成するように、ＲＥ２Ｏ３で湿潤することができる。
【００２１】
特定の実施形態では、耐後退性表面層３５を形成するために、介在層２５は、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７を含み、保護層３６は、Ｙ２Ｏ３で湿潤された微細間隙Ｙ２ＳｉＯ５層を含む。耐後退性酸化物は、ＣＭＣ基板材料２０のＣＴＥおよび／または介在層２５のＣＴＥに十分に整合するＣＴＥを有さない可能性があるが、耐後退性表面層３５は、亀裂および水蒸気浸透を防止する、またはそれに抵抗するように十分薄い。モデリングは、約４．５×１０−６１／ＣのＣＴＥおよび弾性係数Ｅ＝２８０ＧＰａを有するＹ２Ｓｉ２Ｏ７介在層２５を有するＣＭＣ基板材料に加えられた、約６．５×１０−６１／ＣのＣＴＥおよび弾性係数Ｅ＝３０〜４０ＧＰａを有する０．０２５ｍｍ（０．００１インチ）の厚さのＹ２ＳｉＯ５耐後退性表面層が、厚さ全体にわたる亀裂についてひずみエネルギー放出率基準に基づく亀裂限界より下にあるはずであることを示す。
【００２２】
代替実施形態では、耐後退性表面層３６は、耐後退性酸化物の金属酸化物先駆物質で湿潤された微細間隙表面領域を含む。一実施形態では、上述された微細間隙表面領域は、後に耐後退性表面層３５を形成するように酸化される選択濃度の金属で湿潤される。湿潤剤は、可溶性ＲＥ塩の水溶性または非水溶性溶液、サブミクロンＲＥ包含粒子の懸濁液、または乾燥時に金属ＲＥを生成する溶液とすることができる。湿潤ＲＥのその後の反応または酸化は、微細間隙を充填し、ポア表面および／または外表面層の上にＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する耐後退性保護層３６を作成する。
【００２３】
特定の実施形態では、Ｙ２ＳｉＯ５およびＹ２Ｏ３を含む密な耐後退性表面層３５を形成するために、介在層２５は、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７を含み、保護層３６は、Ｙで後に湿潤される微細間隙Ｙ２ＳｉＯ５層を含む。このプロセス中、酸化の際の容積増大により、密な表面微細間隙を創出するために、マイクロポアを充填することが容易になる。Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７などのより厚い介在層２５に結合された密な耐後退性表面層３５は、水蒸気の浸透に対して高度に耐性であり、基板材料２０とのＣＴＥ不整合の結果として亀裂を生じるには薄過ぎる表面領域を作成する。さらに、より厚い介在層２５は、耐後退性表面層３５、ならびに表面の調節に好都合な基板が突破される場合、基板材料２０にさらなる保護を提供する。
【００２４】
ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７の一般組成を有する介在層２５は、当初、水蒸気を含む燃焼大気において不十分な耐後退性を有する可能性がある。一実施形態では、介在層２５は、ＲＥ２Ｏ３の一般組成を有する薄層でコーティングされる。層は、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７と化学的に共存可能であるＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する薄い密な保護層３６をその場で形成するように、高温に曝露される際、化学的に反応する。保護層３６、およびしたがって耐後退性表面層３５は、高い耐後退性および高い耐亀裂性を有する。特定の実施形態では、ＲＥ２Ｏ３などの耐後退性酸化物の薄い一様な表面層が、物理蒸着、化学蒸着、ゾル−ゲルコーティング、スラリコーティング、プラズマ噴霧、またはペイント噴霧プロセスの少なくとも１つを使用して、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７を含む介在層２５に加えられる。ＲＥ２Ｏ３層は、薄いＲＥ２ＳｉＯ５層を形成するように、下にあるＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７層と反応する。ＲＥ２ＳｉＯ５層は、下にあるＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７層に十分ＣＴＥ整合されていないが、ＲＥ２ＳｉＯ５層が、例えば約２５マイクロメートル（０．００１インチ）未満と薄く、反応ＲＥ２Ｏ３＋ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７＝２ＲＥ２ＳｉＯ５の容積変化がわずかに約１％であるために、亀裂は防止または限定される。さらに、ＲＥ２Ｏ３／ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７反応は、表面亀裂およびポアの排除または低減、ならびに微細構造に有利な表面層の生成において有利であることがある。
【００２５】
一実施形態では、当初のＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７層は、ＲＥ２Ｏ３層の付着の前に、またはその代わりに、無機ＲＥ塩を含む水溶液、ＲＥアルコキシドを含む非水溶液、または金属ＲＥのキャリアなど、少なくとも１つのＲＥを含む先駆物質溶液によって湿潤される。ＲＥ包含先駆物質がＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７層の開放ポアに浸透することにより、高温に曝露されるとき、ＲＥ２ＳｉＯ５がポア壁の上に形成される。そのようなその場で形成されたＲＥ２ＳｉＯ５は、多孔性ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７基板が水蒸気に曝露されるのをさらに保護する。
【００２６】
一実施形態では、本発明は、環境障壁コーティング１０を有する、気体タービンエンジン構成要素１５などの構成要素を製作する方法を提供する。気体タービンエンジン構成要素１５は、シリコンを含み、第１膨張係数を有する。介在層２５は、気体タービンエンジン構成要素１５の外表面に結合される。介在層２５は、気体タービンエンジン構成要素１５の熱膨張係数の約＋／−１５％の範囲内にある第２熱膨張係数を有する。具体的な実施形態では、第２介在層が、第１介在層に結合される。この実施形態では、第２介在層は、第１介在層の熱膨張係数と同様または同一の熱膨張係数を有する。代替として、第２介在層は、第１介在層の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有する。当業者および本明細書において提供される教示によって誘導される者には、環境障壁コーティング１０は、任意の適切な数の介在層を含むことができることが明らかである。
【００２７】
ＲＥ２ＳｉＯ５の一般組成を有する保護層３６は、外部介在層に結合される。一実施形態では、保護層３６は、介在層２５の上に付着される。具体的な実施形態では、保護層３６は、金属酸化物先駆物質材料と介在層２５との反応によって、介在層２５に結合される。例えば、ＲＥ２ＳｉＯ５を含む保護層３６は、ＲＥ２Ｏ３を含む金属酸化物先駆物質材料をＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７を含む介在層２５と反応させることによって形成される。一実施形態では、表面層３８は、保護層３６に結合される。表面層３８は、少なくとも１つのＲＥを含み、少なくとも２：３のＲＥ対酸素の比率を有する。
【００２８】
代替として、保護層３６は、表面層３８が介在層２５の上に付着された後、環境障壁コーティング１０を熱処理することによって形成され、介在層２５に結合される。他の代替実施形態では、保護層３６は、環境障壁コーティングＣＭＣ構成要素のサービス中に保護層３６をその場で形成することによって、介在層２５に結合される。
【００２９】
ＳｉＣ／ＳｉＣ  ＣＭＣまたは窒素ケイ素材料構成要素などのシリコンベース構成要素の上述された環境障壁コーティングは、基板材料と介在層との間のＣＴＥ共存可能性、および有害な亀裂を示すには薄過ぎる密で高度な耐後退性表面層のために、耐亀裂性である。耐後退性表面層は、下にある層が燃焼大気に曝露されるのを防止または限定する。環境障壁コーティングは、約２４００°Ｆの温度において最高で約３２，０００サービス時間の設計寿命目標を達成するのに十分な堅牢性および耐後退性を有する。さらに、介在層は、耐後退性表面層ならびに表面の調節に好都合な基板が突破される場合、下にある基板材料にさらなる保護を提供する。
【００３０】
環境障壁コーティングおよび環境障壁コーティングを含む構成要素を製作する方法の例示的な実施形態が、上記において詳細に記述されている。環境障壁コーティングおよび方法は、本明細書において記述された特定の実施形態に限定されず、むしろ、環境障壁コーティングの構成要素および／または方法のステップは、本明細書において記述された他の構成要素および／またはステップとは独立して別々に使用することが可能である。さらに、記述された構成要素および／または方法ステップは、他のコーティングおよび／または方法において、またはそれと組み合わせて定義する、または使用することもでき、本明細書において記述された環境障壁コーティングおよび方法のみでの実施に限定されるものではない。
【００３１】
本発明は、様々な特定の実施形態について記述されたが、当業者なら、本発明は、請求項の精神および範囲内の修正で実施することができることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態による、環境障壁コーティングでコーティングされた構成要素の部分断面側面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  環境障壁コーティング
１５  気体タービンエンジン構成要素
２０  ＣＭＣ基板材料
２５  下にある介在層
２７  第１介在層、内部介在層
２９  外部介在層
３０  ボンドコート
３５  耐後退性表面層
３６  保護層
３８  表面層
【図１】
2007197307.tif 000003
【外国語明細書】
2007197307000001.pdf