(57)【要約】【課題】  ケイ酸塩ガラスが形成しにくい環境障壁被覆膜を提供する。【解決手段】  本発明の一実施形態によれば、物品が開示される。物品は、ケイ素材料から形成されたガスタービン部品と；基板の上に位置し、腐食性硫酸塩にさらされた場合の基板上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する酸化セリウムから形成された環境障壁被覆膜とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素材料から形成されたガスタービンエンジン部品基板と；
前記基板の上に位置し、腐食性硫酸塩にさらされた場合の前記基板上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する酸化セリウムから形成される環境障壁被覆膜とを具備する物品。
【請求項２】
前記環境障壁被覆膜は、
ケイ素材料から形成され、前記基板の上に位置する接合層と；
ムライトから形成され、前記接合層の上に位置する第１の層と；
アルミノケイ酸バリウムストロンチウムから形成され、前記第１の層の上に位置する第２の層と；
酸化セリウムから形成され、前記第２の層の上に位置する第３の層とから構成される多層系を具備する請求項１記載の物品。
【請求項３】
前記基板は、モリブデン‐ケイ素合金、ニオブ‐ケイ素合金、鉄‐ケイ素合金及び鉄‐ニッケル‐ケイ素系合金より成る群から選択されたケイ素含有金属合金である請求項１記載の物品。
【請求項４】
前記第１の層は、４０〜８０質量％の量のムライト及び２０〜６０質量％の量のアルミノケイ酸バリウムストロンチウムを含むムライト‐アルミノケイ酸バリウムストロンチウムから形成される請求項２記載の物品。
【請求項５】
前記接合層は、１２．５〜２５０マイクロメートルの厚さを有し、前記第１の層は、２５〜２５０マイクロメートルの厚さを有し、前記第２の層は、２５〜５００マイクロメートルの厚さを有し、前記第３の層は、５〜７５マイクロメートルの厚さを有する請求項２記載の物品。
【請求項６】
前記環境障壁被覆膜は、希土類ケイ酸塩を更に含む請求項１記載の物品。
【請求項７】
前記環境障壁被覆膜は、アルミノケイ酸バリウムストロンチウムを更に含む請求項６記載の物品。
【請求項８】
ケイ素材料から形成されたガスタービンエンジン部品の基板と；
前記基板の上に直接付着されるか又は前記基板のケイ素材料と混合され、腐食性硫酸塩にさらされた場合の前記基板上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する酸化セリウムとを具備するガスタービンエンジン部品。
【請求項９】
ガスタービンエンジン部品上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する方法において、
ケイ素材料から形成された前記ガスタービンエンジン部品の基板を提供することと；
ケイ素材料から形成され、前記基板の上に位置する接合層を積層することと；
ムライトから形成され、前記接合層の上に位置する第１の層を積層することと；
アルミノケイ酸バリウムストロンチウムから形成され、前記第１の層の上に位置する第２の層を積層することと；
前記第２の層の上に位置し、腐食性硫酸塩にさらされた場合の前記基板上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する酸化セリウムから成る層を積層するか、又は酸化セリウムを前記アルミノケイ酸バリウムストロンチウムと混合することと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンの有害な熱環境において受けるような環境腐食から、ケイ素を含む材料を保護することに関する。特に、本発明は、環境腐食からの保護を実行するために、ケイ素を含有する基板上で使用する環境障壁被覆膜（ＥＢＣ）系に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの効率を向上するために、ガスタービンエンジンの動作温度を高めることは絶えず求められてきた。しかし、動作温度の上昇に伴って、エンジン内部の部品の高温耐久性も向上しなければならない。この点に関して、ケイ素を含む材料、特に、マトリクス材料又は補強材料として炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む材料は、ガスタービンエンジンの燃焼器及び他の高温部分の部品のような高温環境での適用に有用であると考えられる。
【０００３】
しかし、ケイ素基板の中には、高温の水性環境にさらされた場合に、揮発性Ｓｉ種、特にＳｉ（ＯＨ）ｘ及びＳｉＯを形成し、その結果、退化して質量を失うものがある。そのため、そのような基板の上では、保護被覆膜を使用する必要がある。従って、本明細書中に参考として開示内容がそれぞれ取り入れられている米国特許第５，９８５，４７０号（特許文献１）、第６，４４４，３３５号（特許文献２）、第６，４１０，１４８号（特許文献３）及び第６，７５９，１５１号（特許文献４）に記載されるような方法は、そのようなケイ素基板の上に環境障壁被覆膜（ＥＢＣ）を設けることにより、ケイ素基板の使用に関する欠点に対応している。ＥＢＣは、揮発性ケイ素種Ｓｉ（ＯＨ）ｘ及びＳｉＯの形成を抑止し、それにより、退化及び質量損失を減少する。
【０００４】
熱障壁被覆膜（ＴＢＣ）は、通常、イットリア安定化ジルコニアから形成され、採用される動作条件によっては、ＥＢＣの外側層として使用される場合もある。
【０００５】
通常は多層ＥＢＣである従来のＥＢＣの現状は、セラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）基板の水蒸気退化を防止する上では有効であろうが、ＢＳＡＳ、ＳｉＣ及び米国特許第６，７５９，１５１号に開示されるいくつかのケイ酸塩のようないくつかの希土類ケイ酸塩は、動作条件が上昇し続ける間に堆積する硫酸塩と接触した場合に、ケイ酸塩ガラスを形成しやすいであろう。
【特許文献１】米国特許第５，９８５，４７０号
【特許文献２】米国特許第６，４４４，３３５Ｂ１号
【特許文献３】米国特許第６，４１０，１４８Ｂ１号
【特許文献４】米国特許第６，７５９，１５１Ｂ１号
【特許文献５】米国特許第５，６６０，８８５号公報
【特許文献６】米国特許第５，８５１，６７８号公報
【特許文献７】米国特許第５，８７１，８２０号公報
【特許文献８】米国特許第５，９１４，１８９号公報
【特許文献９】米国特許第６，５６２，４０９Ｂ２号公報
【特許文献１０】米国特許第６，６２７，３２３Ｂ２号公報
【特許文献１１】米国特許第６，７３３，９０８Ｂ１号公報
【特許文献１２】米国特許第４，０５５，７０５号公報
【特許文献１３】米国特許第４，３２８，２８５号公報
【特許文献１４】米国特許第５，２１６，８０８号公報
【特許文献１５】米国特許第５，２３６，７４５号公報
【特許文献１６】米国特許第５，７７３，１４１号公報
【特許文献１７】米国特許第４，９７５，３３０号公報
【特許文献１８】米国特許第５，２６０，０９９号公報
【特許文献１９】米国特許第６，５４４，３５１号公報
【特許文献２０】米国特許第６，８５８，３３４号公報
【特許文献２１】米国特許第６，０２５，０７８号公報
【特許文献２２】米国特許第６，１１７，５６０号公報
【特許文献２３】米国特許第６，１７７，２００Ｂ１号公報
【特許文献２４】米国特許第６，２８４，３２３Ｂ１号公報
【特許文献２５】米国特許第６，３１９，６１４Ｂ１号公報
【特許文献２６】米国特許第６，７３３，９０８Ｂ１号公報
【特許文献２７】米国特許出願第２００２／００２８３４４号公報
【特許文献２８】米国特許出願第２００４／０１７５５９７号公報
【特許文献２９】米国特許第４，５３５，０３３号公報
【特許文献３０】米国特許第５，７９２，５２１号公報
【特許文献３１】米国特許第６，６２０，４６５Ｂ２号公報
【特許文献３２】米国特許第６，７３０，４２２Ｂ２号公報
【特許文献３３】米国特許第６，７３０，９１８Ｂ２号公報
【非特許文献１】WU, J. et al., "Low-Thermal-Conductivity Rare-Earth Zirconates for Potential Thermal-Barrier-Coating Applications", December 2002, Pages 3031-3035, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 85, No. 12.
【非特許文献２】HILL, M.D. et al., "Creating an Effective Barrier", Internet Article Posted 9/04/2003, pages 1-5, http://www.ceramicindustry.com/CDA/ArticleInformation/converstory/BNPCoverstoryIte...
【非特許文献３】"Next Generation Thermal Barrier Coatings Using DVD", pages 1-8, Internet Article http://www.ipm.virginia.edu/newresearch/tbc/home.php, Intelligent Processing of Materials LA, Research at IPM Laboratories.
【非特許文献４】BRUCE, Robert W., "Development of 1232°C (2250°F) Erosion and Impact Tests for Thermal Barrier CoatingsO", 12 pgs., Tribology Transactions, Vol. 41 (1998).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、ケイ素を含む材料、特にＥＢＣ材料におけるケイ酸塩ガラスの形成速度を低下することが要求される。本発明の実施形態は、この要求及びその他の要求を満たす。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態によれば、物品が開示される。物品は、ケイ素材料から形成されたガスタービンエンジン部品基板と；基板の上に位置し、腐食性硫酸塩にさらされた場合の基板上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する酸化セリウムから形成される環境障壁被覆膜とを具備する。
【０００８】
本発明の別の実施形態によれば、物品は、ケイ素材料から形成されたガスタービンエンジン部品基板を具備する。物品は、ケイ素材料から形成され、基板の上に位置する接合層と；ムライトから形成され、接合層の上に位置する第１の層と；アルミノケイ酸バリウムストロンチウムから形成され、第１の層の上に位置する第２の層と；酸化セリウムから形成され、第２の層の上に位置する第３の層とを更に具備する。酸化セリウムは、腐食性硫酸塩にさらされた場合の基板上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する。
【０００９】
本発明の別の実施形態によれば、ガスタービンエンジン部品が開示される。部品は、ケイ素材料から形成された基板と；基板上に位置し、ｉ）酸化セリウムから形成された環境障壁被覆膜及びｉｉ）アルミノケイ酸バリウムストロンチウムと、アルミノケイ酸バリウムストロンチウムの上に位置し、基板上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する酸化セリウムから形成される層との二重層より成る群から選択された少なくとも１つの層とを具備する。
【００１０】
本発明の更に別の実施形態によれば、ガスタービンエンジン部品は、ケイ素材料から形成された基板を具備する。酸化セリウムは、基板上に直接積層されるか又は基板のケイ素材料と混合され、酸化セリウムは、腐食性硫酸塩にさらされた場合の基板上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する。
【００１１】
別の実施形態によれば、ガスタービンエンジン部品上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する方法が開示される。方法は、ケイ素材料から形成されたガスタービンエンジン部品の基板を提供することと；基板の上に酸化セリウムを直接積層するか又は酸化セリウムを基板のケイ素材料と混合することとから成る。酸化セリウムは、腐食性硫酸塩にさらされた場合の基板上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する。
【００１２】
別の実施形態によれば、ガスタービンエンジン部品上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する方法は、ケイ素材料から形成されたガスタービンエンジン部品の基板を提供することを含む。方法は、ケイ素材料から形成され、基板の上に位置する接合層を積層することと；ムライトから形成され、接合層の上に位置する第１の層を積層することと；環境障壁被覆膜から形成され、第１の層の上に位置する第２の層を積層することと；第２の層の上に位置する酸化セリウムから形成される層を積層するか又は酸化セリウムをアルミノケイ酸バリウムストロンチウムと混合することとを更に含む。酸化セリウムは、腐食性硫酸塩にさらされた場合の基板上のケイ酸塩ガラスの形成を低減する。
【００１３】
その他の特徴及び利点は、添付の図面と関連させた以下の更に詳細な説明から明らかになるであろう。図面は、本発明の原理を例によって示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ケイ素含有材料は、堆積した硫酸塩と反応して悪影響を及ぼすおそれがあることを、出願人は試験を通じて判定した。例えば、この材料は、約９２７℃（１，７００°Ｆ）以上の温度でＮａ２ＳＯ４と反応し、約１，２０４℃（２，２００°Ｆ）以上の温度でＭｇＳＯ４／ＣａＳＯ４が反応する。この反応の結果、腐食が発生し、材料を形成するケイ素からケイ酸塩ガラスが形成される。奥深くまで達する点食及びＣＯの放出は、ケイ素含有材料の性能を劣化させる。更に、ケイ酸塩ガラスの退化速度が速いため、ＥＢＣは、基板を形成するケイ素に対して最適の水退化障壁として作用できなくなる。
【００１５】
本発明の実施形態は、被覆されたケイ素含有材料、特に、ケイ素含有材料基板の上で使用されるＥＢＣ系を改善する。本発明の実施形態は、相対的に高温である環境の中で動作する部品に一般に適用可能であり、従って、熱サイクリング、熱応力、熱酸化及び熱腐食を受ける。そのような部品の例には、ガスタービンエンジンの燃焼器部品、ブレード、シュラウド、フラップ、シール、羽根及びその他の部品があるが、それらには限定されない。
【００１６】
図１を参照すると、第１の実施形態のＥＢＣ系１０が示される。ＥＢＣ系１０は、ＥＢＣ１２と、部品１８の表面領域１６又は基板とを含む。部品１８又は少なくとも部品１８の表面領域（基板）１６は、ＳｉＣ／ＳｉＣセラミックマトリクス複合材料（ＣＭＣ）などのケイ素含有材料（特に、高温にさらされる物品に使用するためのケイ素含有材料）から形成される。しかし、本発明の実施形態は、他のケイ素含有材料にも一般に適用可能である。ケイ素含有材料の例には、金属マトリクス又は非金属マトリクス中の補強材料としての炭化ケイ素の分散体、炭化ケイ素粒子及び／又はケイ素粒子などがあるが、それらに限定されない。また、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素アルミニウム、窒化ケイ素及び／又はケイ素含有マトリクスを有する材料、特に、炭化ケイ素、窒化ケイ素及び／又はケイ素を補強材料及びマトリクス材料の双方として採用する複合材料（例えば、ＳｉＣ／ＳｉＣセラミックマトリクス複合材料（ＣＭＣ））も含まれる。ケイ素含有材料は、ケイ化モリブデン及びケイ化ニオブを含む金属ケイ化物を更に含むが、金属ケイ化物は、これら２つに限定されない。従って、本発明の実施形態によれば、ケイ素を含有する基板１６は、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ケイ素炭素、酸窒化ケイ素及び酸窒化ケイ素アルミニウムなどのケイ素含有セラミックであってもよい。一実施形態によれば、ケイ素を含有する基板１６は、補強繊維、補強粒子などと共にケイ素含有マトリクス、特に、繊維補強ケイ素系マトリクスを構成する。特に適するセラミック基板は、炭化ケイ素被覆炭化ケイ素繊維補強炭化ケイ素粒子及びケイ素マトリクス、炭素繊維補強炭化ケイ素マトリクス及び炭化ケイ素繊維補強窒化ケイ素マトリクスである。本発明の実施形態の物品の基板１６として使用するのに特に有用なケイ素‐金属合金は、モリブデン‐ケイ素合金、ニオブ‐ケイ素合金、及びここで説明される他の層に適合する熱膨張係数を有する他のＳｉ含有合金を含む。
【００１７】
一実施形態によれば、部品１８の表面領域又は基板１６は、部品１８に対して環境保護機能を果たすＥＢＣ１２を含む多層ＥＢＣ系１０により保護される。所望の動作温度に応じて、下方に位置する層に対して更に断熱を行うために、ＥＢＣ１２の上面に、トップコート又は従来の熱障壁被覆膜（図示せず）、並びに任意の従来の中間層（図示せず）が任意に設けられてもよい。
【００１８】
図１に示される実施形態の多層ＥＢＣ１２は、図示されるような４つの層を有するのが好ましい。それら４つの層は、接合層２２、第１の層２４、第２の層２６及び第３の層２８を含んでもよい。接合層２２は、部品１８の基板１６の上面を被覆し、ケイ素金属及び二酸化ケイ素のうちの少なくとも一方のようなケイ素を含むのが好ましい。この接合層２２は、表面領域１６の酸化抵抗を改善し、特に、表面領域１６が炭化ケイ素又は窒化ケイ素を含む場合に、第１の層２４と表面領域１６との接合を向上する上で有用である。接合層２２の適切な厚さは、約１２．５マイクロメートル（μｍ）〜約２５０μｍである。接合層２２に適する材料は、先に引用された米国特許第６，４１０，１４８号に記載される材料も含む。例えば、接合層２２は、ケイ素金属又はＳｉＯ２層を含んでもよい。
【００１９】
第１の層２４は、接合層２２の上に配置され、ムライトから形成される。ムライトを含有するこの第１の層２４は、第２の層２６を表面領域１６に接着する働きをすると共に、高温における第２の層２６とケイ素を含有する表面領域１６との相互作用を防止する。第１の層２４は、例えば、約１，３００℃を下回る温度のように、さほど条件が厳しくない用途では、ＢＳＡＳを更に含んでもよい。第１の層２４にＢＳＡＳが追加されても、ＳｉＣ／ＳｉＣ ＣＭＣの場合の約４．９ｐｐｍ／℃のＣＴＥと比較して、約５．２７ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有するために、ケイ素を含有する表面領域１６に対して相対的に高い適合性が得られる。第１の層２４は、約４０〜８０質量％の量のムライト及び約２０〜６０質量％の量のＢＳＡＳを含有するムライト‐アルミノケイ酸バリウムストロンチウム（ＢＳＡＳ）から形成されるのが好ましい。ムライトを含有する第１の層２４の適切な厚さの範囲は、約２５μｍ〜約２５０μｍである。
【００２０】
第２の層２６は、ムライトを含有する第１の層２４の上に位置し、通常、ＢＳＡＳを含有し、本質的にはＢＳＡＳから形成されてもよい。この層は、熱伝導率が低いために、優れた環境保護特性及び熱障壁特性を示す。特に、ＢＳＡＳは、高温で水蒸気にさらされた場合に著しく大きなシリカの活動及び揮発を示すと考えられる下方のムライト含有層２４に対して、環境障壁として作用することができる。更に、ＢＳＡＳは、表面領域１６に適するようなＳｉＣ含有基板に対して物理的に追従し、ＣＴＥに関して、ムライトを含有する第１の層２４及びケイ素を含有する表面領域１６に対して相対的に高い適合性を示す。第２の層２６の適切な厚さの範囲は、特定の用途に応じて、約２５μｍ〜約５００μｍである。
【００２１】
上記の構成の代わりに又は上記の構成に加えて、第２の層２６は、米国特許第６，７５９，１５１号に記載されるような希土類ケイ酸塩を含んでもよい。例えば、米国特許第６，７５９，１５１号に記載されるような希土類ケイ酸塩は、ここで説明されるＢＳＡＳの代わりに採用されてもよく、あるいはＢＳＡＳと混合されてもよい。更に別の例として、希土類ケイ酸塩は、ＲＥ２Ｏ３、ＳｉＯ２、２ＲＥ２Ｏ３．３ＳｉＯ２、ＲＥ２Ｏ３．２ＳｉＯ２及びそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない。尚、ＲＥは、Ｓｃ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ及びそれらの組み合わせより成る群から選択された希土類元素である。
【００２２】
図１に示される実施形態においては、ＥＢＣ１２は、第２の層２６の上に配置された酸化セリウム（ＣｅＯ２）層２８（第３の層２８）を更に具備する。この層の適切な厚さの範囲は、同様に特定の用途に応じて、約５μｍ〜約７５μｍである。あるいは、酸化セリウムは、第２の層２６と混合されてもよい。例えば、酸化セリウムは、５０：５０質量％の量の割合で、第２の層２６の成分と混合されてもよい。
【００２３】
本発明の別の実施形態においては、ＥＢＣ１２は、ケイ素を含有する基板の上に直接付着された第２の層２６及び第２の層２６の上に付着された第３の層２８を具備してもよい。あるいは、ケイ素を含有する基板の上に、第２の層２６と第３の層２８の混合層が付着されてもよい。尚、これらの実施形態において、接合層２２が採用され、ケイ素を含有する基板の上に直接付着され、接合層２２の上に追加の複数の層が付着されてもよい。
【００２４】
従って、本発明の実施形態によれば、先に説明したように、下方に位置するケイ素含有材料に対して環境保護を行うために、ＢＳＡＳ及びそれと混合されたＣｅＯ２から成る単層ＥＢＣが使用されてもよい。この実施形態は、約１，３７１℃（３，０００°Ｆ）を下回る動作温度の場合に特に有用である。あるいは、先に説明したようなＣｅＯ２層がＢＳＡＳ層の上に付着されてもよい。
【００２５】
層２２、２４、２６及び２８は、エアプラズマ溶射（ＡＰＳ）及び真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）により個別に付着されることが可能であるが、化学気相成長（ＣＶＤ）及び高速オキシ燃料（ＨＶＯＦ）などの他の技術により付着が実行可能であると予測できる。また、高い付着温度からの冷却中に発生する応力を解放するために、個々の層の付着後に熱処理を実行してもよい。
【００２６】
従って、出願人は、この高融点酸性化合物ＣｅＯ２の付着の結果、塩基性腐食溶融物への溶解が起こり、共融温度が上昇し且つ／又は溶液の塩基性度が低下すると判定した。これは、融点を上昇させるか又は腐食性混合物から成るケイ酸塩ガラスの塩基性を低下することにより、ケイ素含有材料の表面上のケイ酸塩ガラスの形成を遅延及び／又は阻止するのに好都合である。
【００２７】
種々の実施形態を説明したが、明細書中の要素の種々の組み合わせ、変形及び改善は当業者により実施可能であり、本発明の範囲内に含まれることが明細書から理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】Ｓｉを含む材料から形成され、本発明の一実施形態に従って、材料の上に環境障壁被覆膜を有するガスタービンエンジン部品を示した横断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０…ＥＢＣ系、１２…多層ＥＢＣ、１６…表面領域（基板）、１８…部品、２２…接合層、２４…第１の層、２６…第２の層、２８…第３の層
【図１】
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【外国語明細書】
2007051364000001.pdf