(57)【要約】【課題】タービンエンジンの構成要素の腐食を防止するコーティング組成を提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン用の耐食性コーティング（６４）がガラス質のセラミックマトリクス（６３）を含み、ガラス質のマトリクスはシリカベースであり、耐火性粒子および非耐火性ＭＣｒＡｌＸ粒子、およびその組合せから選択された耐食性粒子（６５）を備える。耐食性粒子（６５）は、マトリックス（６３）内で実質的に一様に分布され、コーティング（６４）に耐食性をもたらす。重要なことには、本発明のコーティング（６４）は、エンジン動作温度でアルミナの熱膨張係数より大きい熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。コーティング（６４）が６４８．９℃（１２００°Ｆ）の上の温度での頻繁なエンジンサイクル動作の後に剥離しないように、コーティング（６４）のＣＴＥは、基材（６０）に十分に近似している。【選択図】図１
2007169786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超合金の基材（６０）および耐食コーティング（６４）からなる被覆された物品であって、
前記物品が、超合金基材（６０）と、前記超合金基材（６０）に塗装されたコーティング（６４）とを備え、
前記コーティングが、６価クロムを含まないバインダーと、耐食性粒子（６５）とを含み、
前記バインダーは、シリコーンを備え、前記コーティングの５から７５重量パーセントであり、
前記耐食性粒子（６５）は、６４８．９℃（１２００°Ｆ）の温度で定められるアルミナの熱膨張係数以上の熱膨張係数を有し、重量で前記コーティング（６４）の２５から９５パーセントである、被覆された物品。
【請求項２】
前記バインダーが、第１の予め選択された温度に加熱されるとガラスのマトリクス（６３）を形成し、前記耐食性粒子（６５）が前記マトリクス内で実質的に均一に分布される、請求項１記載の被覆された物品。
【請求項３】
前記バインダーが、第２の予め選択された温度に加熱されるとガラス質のセラミックマトリクス（６３）を形成し、前記第２の予め選択された温度が前記第１の予め選択された温度よりも高くなっている、請求項２記載の被覆された物品。
【請求項４】
前記耐食性粒子（６５）が、アルミナ、ジルコニア、ハフニア、イットリア安定化ジルコニア、イットリア安定化ハフニア、セリア、クロミア、マグネシア、酸化鉄、チタニア、イットリア、ならびにイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、およびその組合せからなる群から選択された耐火性粒子を備える、請求項１記載の被覆された物品。
【請求項５】
前記耐食性粒子（６５）がさらに、ＭＣｒ、ＭＣｒＸ、  ＭＡｌ、ＭＡｌＸ、またはＭＣｒＡｌＸからなる群から選択される非耐火性粒子を含み、ただし、Ｍは、ニッケル、鉄、コバルト、およびその組合せから選択される元素であり、Ｘは、Ｔａ、Ｒｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｌａ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃおよびその組合せからなる群から選択される元素であり、前記非耐火性粒子が６４８．９℃（１２００°Ｆ）の温度で定められるアルミナの熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する、請求項４記載の被覆された物品。
【請求項６】
前記耐食性粒子（６５）が、５から１０重量パーセントの間のコバルト、２５から４０重量パーセントのニッケル、１５から２５重量パーセントのクロム、５から１５重量パーセントのアルミニウム、および０．１０から１．５重量パーセントのイットリウムを含む、請求項５記載の被覆された物品。
【請求項７】
前記耐食性粒子（６５）が、５０から７５重量パーセントの間のニッケル、１５から２５重量パーセントのクロム、５から１５重量パーセントのアルミニウム、および０．１０から１．５重量パーセントのイットリウムを含む、請求項５記載の被覆された物品。
【請求項８】
前記耐食性粒子（６５）が、８５から９５重量パーセントの間の鉄、および５から１５重量パーセントの間のアルミニウムを含む、請求項５記載の被覆された物品。
【請求項９】
前記バインダーがシロキサンを含む、請求項１記載の被覆された物品。
【請求項１０】
前記超合金基材（６０）がさらに、耐食性の下塗りを含み、前記下塗りが  ＭＣｒＡｌＸコーティング、アルミナイド、貴金属改質アルミナイド、およびその組合せからなる群から選択される、請求項１記載の被覆された物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中程度の温度および腐食性環境に曝される非ガス流路のタービンエンジンの構成要素に使用するための腐食防止コーティング、およびタービンエンジンの構成要素にコーティングを塗装する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機のガスタービンエンジンの圧縮機部分では、大気は、大気圧の１０〜２５倍に圧縮され、プロセスで４２６．７℃〜６７６．７２℃（８００°〜１２５０°Ｆ）に断熱的に加熱される。この加熱され圧縮された空気は燃焼器に導かれ、そこでその空気は燃料と混合される。燃料は点火され、燃焼プロセスは、ガスを１６４９℃（３０００°Ｆ）を超える非常に高い温度に加熱する。これらの高温のガスは、エンジンのファンおよび圧縮機を駆動するために、回転するタービンホイールがエネルギーを抽出するタービン、および航空機を推進するためにガスがスラストを供給する排気システムを通過する。航空機のエンジンの動作の効率を向上させるために、燃焼温度を上昇させてきた。当然のことながら、燃焼温度が上昇すると、より高い動作温度の結果としてエンジンの構成要素が劣化するのを直接的および間接的に防ぐ処置を施す必要がある。
【０００３】
より高いスラストおよびより良い燃料経済が性能に要求されると、より新しいエンジンおよび実績のある設計の修正に対して、性能を向上させる要求が引き続き高まっていく。エンジンの動作を向上させるために、燃焼温度を非常に高い温度に上昇させてきた。これにより、スラストをより高くし、および／または燃料経済をより良くすることができる。この燃焼温度は十分に高くなっているので、燃焼通路内にない超合金の構成要素でさえ、劣化に曝されてきた。こうした超合金の構成要素は、以前に一般に経験したことのない仕組みによって劣化に曝され、解決することが必要な以前に表面化しなかった問題を生じる。高性能の航空機エンジンの改修中に最近発見された１つの問題は、タービンディスク、シール、および冷却空気を供給されるその他の構成要素の孔食である。冷却空気は、土ぼこり、火山灰、フライアッシュ、コンクリートの塵、砂、海塩、および金属、硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩、ならびに粒子またはガス状の形の種々様々な酸化物および／または多様な塩類などの吸い込んだ粒子を含む。これらの材料は、基材の表面に堆積する。金属表面に堆積すると、こうした材料は互いに、および金属表面と相互作用して表面を腐食するおそれがある。腐食は高温で加速される。タービンエンジンで使用される材料は一般に、これらの材料が高温での厳しい条件の下で劣化するものであっても、その腐食に耐える能力を含む高い温度特性によって選択される。観察された孔食の問題を調査した際に、孔食は、周囲の空気が運ぶ粒子状の異物およびガス状の物質から生じる腐食生成物の形成によって発生することが発見され、粒子状の異物およびガス状の物質は、それを含む冷却空気の流れの結果として、ディスク、シール、またはその他の構成要素上に堆積する。これらのエンジンの構成要素が受けるより高温の事象と共に、この堆積は、腐食生成物の形成を招くことになった。腐食生成物は、燃料内の汚染物質からの酸化および腐食成生物と通常は関係する、燃焼の高温のガスにエンジンの構成要素を曝した結果ではないことに留意すべきである。シール、タービンディスク、ならびに考慮中の、本明細書に論じられたその他の構成要素は一般に、漏洩が存在すると、空気が、燃焼の高温ガスの流れの方向に漏洩し、考慮中の構成要素の方向には漏洩しないように設計される。
【０００４】
腐食生成物は、エンジンの構成要素を周囲の空気環境から引かれた冷却空気に曝して生じるものであり、航空機が別の互いに異なる大気状態を伴う異なる地理上の場所へ行くので、エンジンが異なれば一様ではない。たとえば、航空機には塩水の環境に曝されるものもあれば、一方で高度先進地域からの大気汚染物質に曝される可能性のあるものもある。その結果、ある構成要素は、その他の構成要素よりも進行した腐食を受ける。
【０００５】
腐食は予期できないものではなかった。しかし、生産中に着手された改善のための努力は効果がなかった。これまでに様々な被覆が提案され、腐食の問題を緩和しようとした。その１つは、本明細書に参照によって組み込まれる、２００４年１２月１５日に提出のＣＯＲＲＯＳＩＯＮ  ＲＥＳＩＳＴＡＮＴ  ＣＯＡＴＩＮＧ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮ，ＣＯＡＴＥＤ  ＴＵＲＢＩＮＥ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＣＯＡＴＩＮＧ  ＳＡＭＥという名称の米国特許出願第１１／０１１６９５号に明記されるフォスフェートベースのものである。その他のものは、フォスフェート／クロマートバインダーシステム、およびアルミニウム／アルミナ微粒子を備える水溶性の耐食被覆組成を含む。たとえば、１９８６年８月１９日発行の米国特許第４６０６９６７号（Ｍｏｓｓｅｒ）（球状アルミニウム粒子）、および１９８５年１０月１日発行の米国特許第４５４４４０８号（Ｍｏｓｓｅｒ等）（分散性酸化アルミニウム三水和物粒子）を参照されたい。耐食拡散コーティングは、アルミニウムまたはクロム、あるいはそれぞれの酸化物（すなわちアルミナまたはクロミア）から形成することもできる。たとえば、共通して譲渡された１９９４年１１月２９日発行の米国特許第５３６８８８８号（Ｒｉｇｎｅｙ）（アルミナイド拡散被覆）、および共通して譲渡された２００１年９月４日発行の米国特許第６２８３７１５号（Ｎａｇａｒａｊ等）（クロム拡散コーティング）を参照されたい。いくつかの耐食性コーティングもタービンディスク／シャフトシール要素に使用するために具体的に検討されてきた。たとえば、２００４年１月２２日刊行の米国特許出願第２００４／００１３８０２Ａ１号（Ａｃｋｅｒｍａｎ等）（タービンディスク上のアルミニウム、ケイ素、タンタル、チタン、または酸化クロム、および保護コーティングを与えるためのシール要素の有機金属化合物化学蒸着）を参照されたい。これらの先行の耐食被覆は、（１）特にこれらの先行の被覆がその下にある金属の基材に拡散するとき、タービンディスク／シャフトおよびシール要素の耐用年数に高い可能性で悪影響を与えること、（２）コーティングをより剥離しやすくする可能性のある、コーティングとその下にある金属の基材との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の起こりうる不整合、（３）金属基材に耐食性コーティングを塗装するためのより複雑で費用のかかるプロセス（たとえば、化学蒸着（ＣＶＤ））を含む、いくつかの不利な点を有する可能性がある。
【０００６】
その他の問題としては、ある種の構成要素に塗装された腐食緩和のコーティングが効果的でないことが証明されたことがある。このコーティングは、ＳｅｒｍａＦｌｏｗ（登録商標）Ｎ３０００として市販されているコーティング組成内で６価クロムを使用するクロマート−フォスフェートバインダのアルミナ顔料であり、高温に曝された後に亀裂を生じた。ＳｅｒｍａＦｌｏｗ（登録商標）は、米国ペンシルベニア州ＰｏｔｔｓｔｏｗｎのＳｅｒｍａｔｅｃｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌの登録商標である。当然のことながら、コーティングは、環境に有害な元素であるクロムを含む欠点も有し、それは塗装中の課題をもたらす。さらにそのようなコーティングは、低い温度で効果的であるが、膨張係数が小さいので、より新しいエンジンによって受けるより高い温度では、０．０１２７〜０．０６３５ｍｍ（０．５〜２．５ミル）程度の薄さで塗布されても、コーティングが亀裂を生じた。実際に０．０３８ｍｍ（１．５ミル）以上の厚さでは、このコーティングは、新しいエンジンに関して可能な動作温度である、７０４．５０℃（１３００°Ｆ）での１つのエンジンサイクルの後に離層を生じた。述べられた問題は、より新しい高性能のエンジンで最も明らかになってきているが、その動作により検出される極端なもののため、問題はそれほど限定されたものではない。ほとんどの航空機エンジンならびにその他のガスタービン機関に関して温度が上昇し続けているので、これらのエンジンも同様に、それに利用される材料に関係する温度閾値を超えるとき問題に直面する。
【特許文献１】米国特許出願第１１／０１１，６９５号
【特許文献２】米国特許第４，６０６，９６７号公報
【特許文献３】米国特許第４，５４４，４０８号公報
【特許文献４】米国特許第５，３６８，８８８号公報
【特許文献５】米国特許第６，２８３，７１５号公報
【特許文献６】米国特許出願第２００４／０，０１３，８０２Ａ１号
【特許文献７】米国特許第４，６１７，０５６号公報
【特許文献８】米国特許第６，５４４，３５１号公報
【特許文献９】米国特許第５，７２３，０７８号公報
【特許文献１０】米国特許第４，５６３，２３９号公報
【特許文献１１】米国特許第４，３５３，７８０号公報
【特許文献１２】米国特許第４，４１１，７３０号公報
【特許文献１３】米国特許第６，２１０，７９１号公報
【特許文献１４】米国特許第６，９２９，８５２Ｂ２号公報
【特許文献１５】米国特許第６，９２６，４９６Ｂ２号公報
【特許文献１６】米国特許第６，８２７，９６９Ｂ１号公報
【特許文献１７】米国特許第６，５６９，２６３Ｂ２号公報
【特許文献１８】米国特許第６，１９７，４２４Ｂ１号公報
【特許文献１９】米国特許第６，０８３，３０８号公報
【特許文献２０】米国特許第６，０７４，４６４号公報
【特許文献２１】米国特許第６，０６６，４０３号公報
【特許文献２２】米国特許第５，９８５，４５４号公報
【特許文献２３】米国特許第５，６８２，５９６号公報
【特許文献２４】米国特許第５，５５２，３６１号公報
【特許文献２５】米国特許第５，２０２，１７５号公報
【特許文献２６】米国特許第４，６５９，６１３号公報
【特許文献２７】米国特許第４，０８０，３１１号公報
【特許文献２８】米国特許第６，２１０，７９１号公報
【特許文献２９】米国特許第６，０３６，７６２号公報
【特許文献３０】米国特許第６，４６１，４１５Ｂ１号公報
【特許文献３１】米国特許第６，１７７，１８６号公報
【特許文献３２】国際公開第９７／０８２４５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多種多様な大気中でタービンエンジンの構成要素が動作温度の上昇に曝される場合でも、タービンエンジンの構成要素の腐食を防止するために塗装される可能性のある６価クロムを含まないコーティング組成が求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
最高の動作温度で使用するためのタービンエンジン構成要素は一般に、鉄、ニッケル、コバルトの超合金、またはその組合せ、あるいは良好な高温靭性および耐疲労性を得るために選択されたステンレス鋼などのその他の耐食材料から作製されている。それらの全てが周知の例示の超合金は、たとえばＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７２２、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７１８などのＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）、たとえばＲＥＮＥ（登録商標）８８ＤＴ、ＲＥＮＥ（登録商標）１０４、ＲＥＮＥ（登録商標）９５、ＲＥＮＥ（登録商標）１００、ＲＥＮＥ（登録商標）８０、ＲＥＮＥ（登録商標）７７などのＲＥＮＥ（登録商標）、たとえばＵｄｉｍｅｔ（登録商標）５００などのＵｄｉｍｅｔ（登録商標）、たとえばＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）Ｘ，ＨＳ１８８などのＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）などの商標名、および当業者に周知のその他の同様の合金によって指定される。そのような合金材料は、酸化および腐食の損傷に耐性があるが、その耐性は、現在ガスタービンエンジン内で到達する、持続する動作温度でそれらを保護するのに十分でない。ディスクおよびその他の回転する構成要素などのエンジン構成要素は、低いレベルのクロムを含む新世代の合金から作製され、したがって腐食の攻撃により影響を受けやすいおそれがある。これらのエンジン構成要素には、タービンディスク、タービンシール要素、タービンシャフト、回転ブレードまたは固定静翼として分類されるエーロフォイル、タービンブレード保持器、センターボディ、エンジンのライナおよびフラップが含まれる。このリストは、例示のものであり、包括的であること意図しない。
【０００９】
上記に列挙した全ての構成要素は、本発明に対する利点を見出すことができるが、タービンディスク、タービンシール要素、タービンブレード保持器、およびタービンシャフトなどのエンジン構成要素は、燃焼生成物のガス経路内に直接あるのではなく、また、一般にこれらの腐食性および酸化性の高いガスに曝された結果として遭遇する、腐食性の生成物を伴って認識されるものではない。それにもかかわらず、これらの構成要素はこれまでより高い動作温度を受け、これらのより高い動作温度の結果としてより強い腐食効果を受けている。本発明は、腐食問題を緩和し、または最小限に抑えるために、これらの構成要素に塗装される耐食性コーティングである。
【００１０】
本発明の耐食性コーティング組成は、より高価な方法によって塗装される周知の防食コーティングに取って代わる費用効果の高いものである。本発明は、タービンディスク、タービンシール要素、タービンブレード保持器、およびタービンシャフトなどのエンジン構成要素に対する耐食性コーティングを提供するために塗装および焼成することができる新規のコーティング組成を利用する。このコーティングは、たとえばタービンブレード、タービン静翼、ライナ、および排気フラップを含む、燃焼ガス流体の流路内またはその境界に配置されるタービン構成要素などの高温で腐食性の環境に曝されるその他のタービン構成要素に用途を見出すこともできる。
【００１１】
ガスタービン構成要素で使用される本発明の耐食性のコーティングは、ガラス質のセラミックマトリクスを含み、そのマトリクスは、シリカベースであり、実質的にマトリクス内に均一に分配された耐火性粒子、非耐火性粒子、およびその組合せからなる群から選択される耐食性粒子を含む。シリコーンバインダーは、硬化時に耐食性粒子の周りでガラス化するとシリカベースのマトリクスを形成し、高温の動作においてガラス質のセラミックに転換する。耐食粒子は、コーティングに耐食性を与える。重要なことには、本発明のコーティングは、アルミナ以上の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。耐火性粒子がアルミナなどの耐火性酸化物を含む第１の実施形態では、粒子が耐火性酸化物および生じるコーティングのＣＴＥに近いＣＴＥを有するが剥離を避けるために比較的薄い必要がある。
【００１２】
コーティングの第２の実施形態では、耐食粒子がアルミナのＣＴＥよりも大きなＣＴＥを有するＭＣｒＡｌＸなどの非アルミナの耐食粒子を含む。この実施形態では、ひび割れまたは剥離に対する耐性を損なわずに、耐火性のみの実施形態と比べてコーティングを比較的厚くすることができる。好ましくは、耐食性粒子の選択は、コーティングが高温での頻繁なエンジンサイクリングの後に剥離しないように、コーティングのＣＴＥが基材の材料に十分に近くなるようになされる。
【００１３】
本発明のコーティングは、コーティング組成を物品に塗布することからもたらされる。本発明のコーティング組成は、耐食保護を必要とする高温のタービンエンジン構成要素に塗装される。本明細書では、高温のタービンエンジン構成要素は、タービンディスク、シール、ブレード保持器、またはタービンシャフトなどの少なくとも５９３．３℃（約１１００°Ｆ）の温度によってサイクル動作する構成要素である。本発明のコーティング組成は、耐食粒子およびシリコーンバインダーの混合物を含み、その混合物は、有機溶剤などのキャリア液に懸濁される。耐食性粒子は、耐火性粒子および非耐火性粒子からなる群から選択される。耐火性粒子は、好ましくはアルミナおよび非アルミナ耐火粒子などの少なくとも１つの耐火性酸化物を備える。
【００１４】
第１の実施形態では、耐食性粒子は耐火性粒子である。耐火性粒子は、基材よりもより耐食性があるように選択される。アルミナは、適切な耐火性材料であるが、アルミナよりも大きい（アルミナは、７０４．５０℃（１３００Ｆ°）で約４×１０−６ｉｎ／ｉｎ／ＦのＣＴＥを有する）ＣＴＥを有するその他の耐火性材料が提供されることが好ましい。そのような粒子状の材料の例には、たとえば、ジルコニア、ハフニア、安定化ジルコニアおよび安定化ハフニア（たとえばイットリア安定化）、セリア、クロミア、マグネシア、酸化鉄、チタニア、イットリア、ならびにイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）が含まれる。耐火性粒子は、硬化されたコーティングの密度を増加させるために、少なくとも２つの粒子寸法を与えられることが好ましい。
【００１５】
第２の実施形態では、耐食性粒子は、耐火性粒子および非耐火性粒子からなる群から選択される。例示の非耐火性粒子には、ＭＣｒ、ＭＡｌ、ＭＣｒＸ、ＭＡｌＸ、およびＭＣｒＡｌＸ粒子が含まれる。ただし、Ｍは、鉄、ニッケル、コバルトおよびその組合せから選択される元素であり、Ｘは、たとえばＴａ、Ｒｅからなるガンマプライムフォーマおよび固溶体強化剤、またはＹ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｌａなどの反応性元素、またはＢおよびＣならびにそれらの組合せからなる粒界強化剤の群から選択される元素である。非耐火性粒子は、アルミナのＣＴＥよりも大きなＣＴＥを有する。好ましくは、非耐火性粒子は、約６４８．９℃（約１２００°Ｆ）の上など予め選択された温度で下にある基材のＣＴＥに近いＣＴＥを有する。２つ以上の粒子寸法の分布をもたらすことによってひび割れが減少し、たとえばその全体が参照によって本明細書に組み込まれる、共有される米国特許第４６１７０５６号、および米国特許第６５４４３５１号に概して記載されるように、コーティング組成および生じるコーティングにより高い密度をもたらす。
【００１６】
コーティング組成の各実施形態の調合のための方法がもたらされ、タービンエンジンの構成要素の表面の少なくとも一部分に塗装できるスラリのコーティング組成を形成するように全ての構成要素を混合することによって、均質のコーティング組成がもたらされる。混合によって、粒子を溶剤およびシリコンベースのバインダーによって実質的に均一に覆う必要がある。当然のことながら、スラリのコーティング組成の粘度は、吹付け、またははけ塗り塗装によって構成要素の表面にコーティングを塗装する方法と調和させて調整することができる。
【００１７】
耐食性コーティングを物品に塗装するための方法も提供される。コーティング組成を構成要素の表面に塗装する前に、構成要素の表面は、その接着が向上するように処理される。表面に応じて、この調整は、単に表面の洗浄であっても、化学エッチングまたは機械的な目粗しをさらに含むものであってもよい。好ましくは、この方法は、溶剤洗浄とその後のグリットブラストなどの化学的な洗浄および機械的な目粗しの両方を含む。洗浄および目粗しの後に、スラリのコーティング組成が構成要素の表面の少なくとも一部分に塗装され、乾燥される。乾燥は、一般に２つの段階で遂行される。第１の低温の段階では、スラリから結合していない流体を除去し、構成要素の表面の少なくとも一部分の上に予め選択された厚さのコーティングを形成するために乾燥が遂行される。残留しているいかなる結合した流体、または閉じ込められた流体もコーティングスラリから除去し、表面上に部分的に硬化されたコーティングを形成する目的で組成を最初に硬化させるために、さらなる乾燥が要求される可能性があり、それによって表面との化学的なおよび／または機械的な結合を形成する。乾燥させた後に、部分的に硬化されたコーティングは、均一に分布する粒子を有する少なくともガラス質のマトリクスを形成するために予め選択された温度に焼成される。理想的には、コーティングは、動作中に構成要素の表面が受けることが予測される温度以下の温度に焼成される。本明細書の被覆されるエンジン構成要素の性質により、焼成温度は、動作温度以下である必要があり、そうでなければ部品は、その寸法を歪ませる残留応力の弛緩を受ける。たとえば、５３７．８℃（１０００°Ｆ）でのコーティングの焼成は、動作温度が約７０４．４℃（約１３００°Ｆ）になることが予測される場合に適切である。
【００１８】
本発明の１つの利点は、コーティング組成に６価クロムの存在がない状態で、５９３．３℃（１１００°Ｆ）を超える温度を周期的に受けるエンジン構成要素に耐食性を与えるのに使用できることである。さらに、本発明のコーティングは、１１４９℃（２１００°Ｆ）もの高温を受ける用途に耐える能力を有する。
【００１９】
本発明の非常に重要な利点は、それがアルコールなどの環境的に安全なキャリア液を使用する溶剤ベースの材料として塗装できることである。
【００２０】
本発明のコーティングの別の利点は、周知のフォスフェートベースのコーティングに使用されるようなクロマートがなくなることである。
【００２１】
本発明の耐食性コーティングのその他の利点は、タービンエンジンの物品に使用される多くの合金に適合した熱膨張係数を有することである。したがって、コーティングは、航空機エンジンの動作中の大きな温度変化から生じる熱サイクルの結果として剥離する傾向にならない。
【００２２】
本発明のコーティングの別の利点は、耐火性粒子および非耐火性粒子、ならびにその組合せの量および選択を変えることによって熱膨張係数が変更でき、そうすることで熱膨張係数が、航空機エンジンに使用されるほとんどの基材に調和し、または近似するように修正され、それによって基材とコーティングの間の熱応力を低減できることである。その結果、コーティングの破損が熱サイクルから生じない。
【００２３】
関連する利点は、コーティングが複数の層として塗装できることであり、各層が異なる熱膨張係数を有するように、各層が異なるローディング（ｌｏａｄｉｎｇ）の耐火性粒子および非耐火性酸化物、ならびにその組合せを有する。この様式で複数の層としてコーティングを塗装することによって、層の間の応力を慎重に制御でき、それによって応力が、層に関する疲労強度限界より低くなり、ここでも同様に熱サイクルによる破損メカニズムとしての剥離をなくす。
【００２４】
本発明の別の利点は、それが、予め選択された塗装方法に対して必要に応じて希釈し、または濃縮でき、硬化なしに乾燥でき、ガラス質のセラミックの仕上げ塗りを定めるサーモセットボンド（ｔｈｅｒｍｏｓｅｔ  ｂｏｎｄ）を形成することなく部分的に硬化できることである。これによって、基材に対する様々な塗装方法が可能になり、材料が非常に有用になる。さらに、塗装方法を変えることによって、層の全体の強度または複数の層の間の強度が変更可能になり、材料を非常に用途の広いものにする。
【００２５】
本発明のその他の特徴および利点は、例として本発明の原理を示す添付図面と関連させて読めば、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明は、タービンエンジンの構成要素または同様の基材の上に塗布される場合に、耐食性コーティングを形成するために硬化できるコーティング組成である。組成は、キャリア液、シリコーンバインダー、耐火性粒子および非耐火性粒子からなる群から選択される耐食粒子を含む。耐食性粒子は、コーティングに基本の耐食性をもたらし、シリコンベースの材料は、塗布中のバインダーであり、硬化後にマトリックスを形成する。耐食性粒子は、吹付け可能なコーティング組成を形成するためにシリコンベースのバインダーおよびキャリア液に実質的に均一に分布される。硬化時に、シリコーンバインダーはガラス質のケイ酸塩マトリックスを形成し、そのマトリックスは、焼成時に少なくとも部分的にガラス質のセラミックマトリックスに転換できる。
【００２７】
第１の実施形態では、耐食性粒子は、たとえば、アルミナ、ジルコニア、ハフニア、安定化ジルコニアおよび安定化ハフニア（たとえばイットリア安定化）、セリア、クロミア、マグネシア、酸化鉄、チタニア、イットリア、ならびにイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）などの耐火性粒子である。
【００２８】
第２の実施形態では、耐食性粒子は、アルミナよりも大きなＣＴＥを有する耐火性粒子、および少なくとも１つの非耐火性粒子材料を含む。例示の非耐火性材料には、ＭＡｌ、ＭＡｌＸ、ＭＣｒ、ＭＣｒＸ、ＭＣｒＡｌＸ粒子またはその組合せが含まれる。ただし、Ｍは、鉄、ニッケル、コバルトおよびその組合せから選択される元素であり、Ｘは、たとえばＴａ、Ｒｅなどからなるガンマプライムフォーマおよび固溶体強化剤、またはＹ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｌａなどの反応性元素、またはＢおよびＣからなる粒界強化剤の群から選択される元素である。好ましくは、非耐火性粒子は、下にある基材のＣＴＥに近似するＣＴＥを有する。
【００２９】
本明細書では、用語「耐食性コーティング」は、本発明の堆積された耐食性コーティング成分の硬化および焼成後に、非晶質でガラス質のマトリクスまたはガラス質−セラミックマトリックスを有し、その中に埋め込まれ、その中に密閉され、それによって封入され、またはそうでなければそこに接着される、耐食粒子構成要素からの粒子を有する金属基材に上に重なる少なくとも１つの層を備えるコーティングを指す。本発明のコーティングが動作する構成要素は一般に、約８１５℃（１５００°Ｆ）の温度に達するが、本発明の耐食性コーティングは、１１５０℃（２１００°Ｆ）以下の高さの温度で、金属（たとえばアルカリ性）硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩、酸化物、および吸い込んだ土ぼこり、火山灰、フライアッシュ、コンクリートの塵、砂、海塩などから生じるその他の腐食する働きの塩類の堆積物を含む、様々な腐食する働きをするものによって生じる腐食に対して耐性を与えることができる。焼成時にケイ酸塩ベースのセラミックコーティングを形成するための元素を加えることによってコーティング組成を変更することも可能であり、コーティングは、１１５０℃（２１００°Ｆ）を超える耐用温度（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ）を有する。
【００３０】
上記に示したように、コーティングを異なる方法によって塗布することを可能にするコーティングの多用性により、本発明の耐食性コーティングは、一体構造の層として要求される工学的な要件と両立する厚さに塗布可能であり、または金属基材の上に重なる複数の個別の層を備えることができる。粒子はマトリックス内に結合され、そのマトリックスは、焼成温度に依存するガラス質またはガラス質−セラミックであることができる。一般に、所望であれば、ガラス質のトップコートは、耐食層の上に塗布することができる。トップコートは、装飾用の目的で、シールのため、腐食の副生成物が構成要素に付着しないように非粘着性を与えるために、または表面粗さの改善のためなどいくつもの理由で塗布可能である。ＳｅｒｍａＳｅａｌ  ５６５、ＳｅｒｍａＳｅａｌ  ５７０Ａの商標名でペンシルベニア州ＰｏｔｔｓｔｏｗｎのＳｅｒｍａｔｅｃｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、およびＡｌｓｅａｌ  ５９８の商標名でペンシルベニア州のＣｏａｔｉｎｇｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｓｏｕｄｅｒｔｏｎによって販売されている市販のフォスフェートトップコートなどのケイ酸塩ガラスまたはフォスフェート（ＡｌＰＯ４またはＭｇＰＯ４）ガラスのトップコートが好ましい。
【００３１】
図１は、エンジンの中心線に沿ったガスタービンエンジンのタービン部の一部分を示す断面図である。タービン部３０は２段タービンであるが、タービン設計に応じて任意の数の段が使用できる。本発明は、タービンの段数によって限定されない。タービンディスク３２は図示のように、エンジンの中心線に沿ったディスク３２のボアを通って延びるシャフト（図示せず）に装着されている。第１段のブレード３８が第１段のディスク３６に装着され、第２段のブレード４２が第２段のディスク４０に装着される。静翼４１０が、ケーシング４２０から延出する。ケーシング４２０の内面は、ガス流路内を流れる燃焼の高温ガス用のライナ４３０を形成する。第１段のブレード３８、第２段のブレード４２、および静翼４１０は、高温のガス流路内に延出する。静翼は固定され、高温のガスの流れを導く働きをし、ディスク３６、４０に装着されたブレード３８、４２は、高温のガスがそれらに衝突すると回転し、エンジンを動作させるエネルギーを取り出す。
【００３２】
シール要素３４、前方シール４４、後方シール４６、段間シール４８、ステージ１後方ブレード保持器５０、およびステージ２後方ブレード保持器５２は、タービンブレードおよびノズルへの圧縮機空気冷却回路を密封し、完全なものにする働きをする。これらのシールはディスクに装着され、ディスクと共に回転する。段間シール４８は、静翼４１０の内側寄り、および第１の段のディスク３６と第２の段のディスク４０の間に配置される。ブレードをディスクに固定する、オプションのブレード保持器５０、５２も図示される。そのような保持器の設計はエンジン設計に応じて変更され、エンジン設計によっては保持器が必要でない。
【００３３】
これらのディスク、シールおよびブレード保持器は、それが導く冷却回路の空気の温度に加熱される。さらに、燃焼通路に最も近い部分も、燃焼経路部分からの伝導的な熱伝達によって加熱される。たとえば、タービンディスクのリムは、タービンブレードによって伝導的に加熱される。冷却空気内の汚染物質は、前述のように、この上昇した温度での汚染源である空気を提供する冷却キャビティを含む、ディスク、シール、および保持器の表面に堆積する。したがって、本発明は、冷却空気の汚染物質の堆積または蓄積による腐食に曝される、これらの表面のいずれにも保護を施すことができる。
【００３４】
図３は、図１のディスク３６または４０などの一般的なガスタービンエンジンディスク８２の斜視図であり、そのエンジンディスクは一般に、上記に論じられた超合金材料のうちの１つなどの超合金材料から作製される。ディスク８２は、ボアを含むエンジンの中心線に一般的に沿ってハブ７４を備え、そのボアを貫通してシャフト（図示せず）が延びる。ディスクは、ディスクの外周面に沿ってダブテールスロット８６を備え、その中にタービンブレードが挿入される。ディスク８２のウェブ部７８が、ダブテールスロットが配置される外周面とハブの間に延出する。本発明は、ダブテールスロットを含むディスク８２に沿ったどの場所にも利用できるが、ハブ７４とは異なり、冷却空気に直接曝される、ウェブ部７８およびダブテールスロット８６の表面に沿ってその特定の用途が見出される。
【００３５】
図２は、エンジン構成要素に堆積された本発明のコーティング６４を断面でその最も単純な形で示す。耐食性コーティング６４が、基材６０の表面６２に堆積される。基材６０は、第１段のディスク３６または第２段のディスク４０などのタービンエンジンディスクであることができる。基材６０は、タービンディスク８２のウェブ部７８などの一般的な表面であることができる。本発明によれば、ニッケル、コバルト、鉄、およびその組合せに基づいた超合金を含む基材６０は、本発明のコーティング６４をその上に堆積している。適宜、下塗りは、たとえば、ＮｉＣｒＡｌＹまたはＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、ＮｉＡｌなどのアルミナイド、または（Ｐｔ，Ｎｉ）Ａｌなどの貴金属改質アルミナイド（ｎｏｂｌｅ  ｍｅｔａｌ−ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）のＭＣｒＡｌＸコーティングなどを施されていてもよい（図示せず）。上記に論じたように、コーティング６４は、漸変する（ｇｒａｄｅｄ）コーティングの単一の層として硬化でき、表面６６は、表面に対する環境を形成する冷却空気に曝される。あるいは、コーティング６４は、実質的に単一の成分であることができる。コーティングを漸変させる場合には、追加の層がコーティング層６４の上に塗装され、第１の層が外側表面６６の上に塗装され、別の層がそれに続く外側のコーティング層の上に塗装されていてもよい。
【００３６】
本発明の耐食性コーティング６４を金属基材６０の表面６２に形成する前に、金属表面６２は、表面をコーティング６４に対してより受容性のあるものにするために、一般的に機械的に化学的にまたはその両方に前処理される。適切な前処理方法には、グリッドブラスト法を受けない表面のマスキングを使用するまたは使用しないグリッドブラスト法（参照により組み込まれる１９９８年３月３日に発行のＮａｇａｒａｊ等の米国特許第５７２３０７８号、特にコラム４、４６〜６６行目を参照されたい）、微細加工レーザエッチング（参照によって組み込まれる１９９８年３月３日に発行のＮａｇａｒａｊ等の米国特許第５７２３０７８号、特にコラム４、６７行目からコラム５、３行目および１４〜１７行目を参照されたい）、塩酸、フッ化水素酸、硝酸、フッ化水素アンモニウム、およびその組合せを含むものなどの化学的なエッチング剤による処理（たとえば、その全てが参照により組み込まれる、１９９８年３月３日に発行のＮａｇａｒａｊ等の米国特許第５７２３０７８号、特にコラム５、３〜１０行目、１９８６年１月７日に発行のＡｄｉｎｏｌｆｉ等の米国特許第４５６３２３９号、特にコラム２、６７行目からコラム３、７行目、１９８２年１０月１２日に発行のＦｉｓｈｔｅｒ等の米国特許第４３５３７８０号、特にコラム１、５０〜５８行目、１９８３年１０月２５日に発行のＦｉｓｈｔｅｒ等の米国特許第４４１１７３０号、特にコラム２、４０〜５１行目を参照されたい）、研磨粒子によるローディングを使用するまたは使用しない、圧力下の水による処理（すなわち、ウォータジェット処理）、ならびにこれらの方法の様々な組合せが含まれる。一般に、金属基材６０の表面６２は、グリッドブラスト法によって前処理され、その場合表面６２は、炭化ケイ素粒子、鋼鉄粒子、アルミナ粒子、またはその他のタイプの研磨粒子の研磨作用を受ける。グリッドブラスト法で使用されるこれらの粒子は、一般にアルミナ粒子であり、典型的には約６００から約３５メッシュ（約２５から約５００マイクロメートル）、より典型的には約３６０から約３５メッシュ（約３５から約５００マイクロメートル）の粒子寸法を有する。
【００３７】
漸変する複数の層のコーティングを得るために、コーティングの別の層が表面６６の上に塗装される場合、一般に別の層の塗装の前にコーティング表面６６を処理する必要はない。本発明は、約０．００２５４ｍｍ（約０．０００１”（０．１ミル））から約０．１２７ｍｍ（約０．００５”（５ミル））、好ましくは、約０．０１２７ｍｍ（約０．０００５”（０．５ミル））から約０．０６３５ｍｍ（約０．００２５”（２．５ミル））の厚さのコーティングとして吹付け塗装される。コーティングは、またはこれらの範囲で全体的な厚さを達成するために、単一の層としてそのような厚さで塗装され、または複数の別個の層として塗装できる。
【００３８】
コーティング組成は、全体的に実質的に均一に分散された耐食粒子を有するケイ素ベースのマトリックスを形成するために塗装され、乾燥され、硬化される。耐食性は、耐火性酸化物および窒化物などの耐火性粒子（「ＲＰ」で示される）、ならびにＭＡｌ、ＭＡｌＸ、ＭＣｒ、ＭＣｒＸ、ＭＣｒＡｌＸおよびこれらの粒子の組合せなどの非耐火性粒子（「ＮＲＰ」で示される）を含む耐食性粒子（「ＣＲ」で示される）によって与えられる。したがって、示されるＲＰおよびＮＲＰの両方を有する本実施形態は、耐火性および非耐火性の耐食性粒子の両方を有する本発明の第２の実施形態と一致する。
【００３９】
シリカベースのマトリックスは、多くの方式のうちの任意の１つで配合できる。たとえば、溶剤ベースのシステムは、溶剤（本明細書に液体キャリアとしても参照される）と混合されるシリコーンバインダー材料を利用する。一般的なシリコーンバインダー材料は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ社から市販されているＳＲ−３５０である。代替のシリコーンバインダー材料は、コネチカット州ＷｉｌｔｏｎにあるＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社から市販されているＳＲ−３５５である。ＳＲ３５０およびＳＲ３５５は、バインダー組成の約４５重量パーセントまでの量でのポリシロキサン族のメチルセスキシロキサン（ｍｅｔｈｙｌｓｅｓｑｕｉｓ）ｉｌｏｘａｎｅ）の混合物であると理解されている。アルコール（メタノール、エタノール、プロパノール等）、アセトン、またはその他の適切な溶剤などの一般に蒸発性の有機溶剤である溶剤が、以下に論じられるように、塗装の好ましい方法に調和する粘性を得るように混合される。次に、耐食性粒子が溶剤およびシリコーン材料溶液に加えられる。これらの粒子は、たとえば、アルミナ、イットリウム酸化物（Ｙ２Ｏ５）ジルコニウム酸化物（Ｚｒ２Ｏ３）、チタニウム酸化物（ＴｉＯ２）、ジルコニア、ハフニア、安定化ジルコニアおよび安定化ハフニア（たとえばイットリア安定化またはその他の酸化物−希土類、マグネシア、カルシア、スカンジアによって安定化された）、セリア（ＣｅＯ２）、クロミア（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３，Ｆｅ３Ｏ４）、チタニア（ＴｉＯ２）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、ならびにＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）マグネシア（ＭｇＯ）、およびその組合せなどの、コーティングに耐食性を与えることができる耐火性粒子を含むことができる。選択された耐火性材料は、受け入れ可能になるように以下の２つの規準に適合する必要がある。１）粒子は、アルミナ以上のＣＴＥを有する必要がある（アルミナは、６４８．９℃（１２００°Ｆ）で約４×１０−６から約５×１０−６ｉｎ／ｉｎ／ＦのＣＴＥを有する）、２）粒子は基材よりも耐食性がある、好ましくは実質的に腐食作用を起こさない必要がある。第２の実施形態のコーティング組成を調合するために、次に非耐火性粒子が加えられる。上記に述べたように、例示の非耐火性粒子には、ＭＡｌ、ＭＡｌＸ、ＭＣｒ、ＭＣｒＸ、およびＭＣｒＡｌＸ、ならびにその組合せが含まれる。耐食性粒子がスラリを形成するために溶液に加えられた後に、スラリの粘度は、意図する塗装の方法と調和する組成の粘度を生み出すために、混合物に溶剤を加えまたは除去することによって調整される。スラリが吹き付けられる場合、粘度は非常に低く調整する必要があり、それに対してたとえば、厚さを調整するためにドクターブレードを使用してペーストとしてスラリが塗装される場合、スラリが容易に流れないように液体が除去される必要がある。さらに、界面活性剤および分散剤を適宜、必要な時にスラリに加えることができる。耐食性粒子、バインダー、および溶剤の選択および量は、所定のＣＴＥを有する耐食性コーティング層をもたらすために、加え、硬化できるコーティング組成をもたらす。
【００４０】
コーティング組成のどちらの実施形態においても、吹付け可能な組成にするように、粒子が、重量で全体の溶液の約９２％までを構成し、バランスがバインダーと溶剤になるように、耐食粒子が溶剤およびシリコーンに加えられる。コーティング組成の第１の実施形態では、スラリが、重量で約５％から約４５％のバインダー、約３％から５０％の溶剤、および重量で約１５％から約９２％の耐火性粒子を含む。コーティング組成の第２の実施形態では、スラリが、重量で約５％から約４５％のバインダー、約３％から５０％の溶剤、および重量で約１０％から約８７％の非耐火性粒子、および重量で約５％から約８２％の耐火性粒子を含む。
【００４１】
どちらの実施形態においても、耐食性粒子は２５ミクロン以下の寸法範囲で提供される。好ましくは、粒子は１０ミクロン以下の寸法である。粒子は、実質的に等軸（球形）または非等軸（薄片）であることができる。高い粒子密度が望まれる場合、粒子は少なくとも２つの寸法で提供される必要がある。そのような環境では、平均の粒子寸法は、７から１０倍だけ異なることが好ましい。粒子の間の寸法差は、より小さな粒子がより大きな粒子の間の領域を満たすことを可能にする。これは、粒子が実質的に等軸である場合に特に明らかである。したがって、高い実装密度が必要とされ、粒子寸法が約５ミクロンである場合、粒子の第２の寸法範囲は同様に、粒子が０．５ミクロン以下で含まれることが必要である。
【００４２】
意図された塗布の方法にかかわらず、コーティング組成混合物は完全に攪拌される。攪拌は約０．１〜５時間で、任意の便利な方法によって完遂することが可能である。好ましくは、混合は、約０．１〜０．５時間の間で完遂される。これは、粒子がスラリ全体にわたって実質的に均一に完全に分配されるだけでなく、溶液が完全に粒子を湿潤しまたは被覆することからも重要な段階である。粒子に応じて、粒子の表面が加水分解できると考えられ、それによって、以下に論じられるように、加水分解されるシリカベースの材料と結合できるようにする。
【００４３】
好ましい実施形態では、粘度はスラリが吹付けによって塗装できるように調整される。この環境では、スラリは、塗装の準備が整うまで攪拌装置を混合物に置くことによって連続的に攪拌される。スラリが吹き付けられるときでも、スラリは、吹付け塗装での攪拌ポットを使用することにより空気圧で攪拌できる。スラリは、好ましくは調整可能なオリフィスを有するパーシェスプレーガン（Ｐａａｓｃｈ  ｓｐｒａｙ  ｇｕｎ）を使用することによって塗装される。オリフィスの寸法は、スラリで最大の粒子よりも大きくする必要がある。スラリは、約２０〜６０ｐｓｉの圧力で吹き付けられることが好ましい。コーティング組成は、予め選択された厚さで塗布され、より厚いコーティングが所望される場合より大きなオリフィスが選択される。
【００４４】
コーティング組成の混合物が構成要素の表面に塗装された後に、塗装された組成を乾燥させることができる。乾燥は、２つの段階で遂行される。第１の段階では、乾燥は、結合していない溶剤を除去するために遂行される。これは温度を１００℃（２１２°Ｆ）より低いところに上昇させることによって、組成を構成要素の表面に塗装した後に遂行される。より高い湿度および／またはより低い温度も乾燥をもたらすが、必要な乾燥を遂行するのにより長い時間を必要とすることが、当業者によって認識されるであろう。コーティングが０．０２５４ｍｍ（約０．００１”（１ミル））またはそれより多い厚さに塗装されると、膨れを防止するために約３〜８℃（約５〜１５°Ｆ）／分以下の比率で加熱を遂行する必要がある。次に、水を飛ばし、材料の硬化を開始するために、コーティングが約２０４．４℃（約４００°Ｆ）に加熱される。
【００４５】
最初の硬化の後に、コーティングを実質的に全体的に均一に分散した粒子を伴うガラスまたはガラス質のセラミックに転換するために、被覆された基材が高温に焼成される。好ましくは、焼成は構成要素の予測される動作温度で、またはそれより高い温度で、ただし約３７１．１℃（約７００°Ｆ）以上で遂行される。コーティングは、約１１４９℃（約２１００°Ｆ）まで焼成できる。焼成温度が高ければ高いほど、より高い比率のガラスがガラスからセラミックに転換される。
【００４６】
第１の層およびその後に続く層の上に追加の層を塗装することによって漸変するコーティングを得ることができ、結合していない水を除去するため、および層を硬化させるように適宜焼成するために乾燥させた後に、後に続く各層が塗装される。当然のことながら、各層は、異なるローディングの粒子または異なる成分の粒子を有するように調整され、粒子のローディングおよびタイプは層のＣＴＥを決定する。漸変のコーティングが、この様式で、層の間を焼成せずに塗装されると、層の間の界面でローディングのある程度の混合がある可能性がある。硬化時に、層の間に強い化学結合があり、ローディングを除いて、「層」の様相が消え、コーティングは均一のコーティングとして作用する。ＣＴＥは、厚さによって適合させることができるので、それによって生じる応力および歪みは、コーティング厚さの関数として設計できる。これによって、所望であれば、アルミナなどの耐食性が高くＣＴＥが低い粒子をコーティング層に使用することができ、その層は、基材へのコーティングの接着に悪影響を与えずに、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粒子を含む層などのＣＴＥがより高いコーティング層の上に塗装することができる。適宜、基材での高いＣＴＥから被覆された物品の表面でより低いＣＴＥに移行させるための上塗りとして、コーティング組成の追加の混合層を塗装することができる。第１の層およびその後に続く層の上に追加の層が塗装される場合、後に続く各層は、結合した水を除去するための乾燥、および硬化の後、ならびに適宜焼成の後に塗装される。ここでも同様に、各層は、粒子の異なるローディングを有するように調整され、粒子のローティングは層のＣＴＥを決定する。たとえば、アルミナなどの耐火性粒子、およびＣｏＮｉＣｒＡｌＹなどの非耐火性粒子の比率を調整することは、所与のコーティング層のＣＴＥを変更する。漸変のコーティングがこの様式で塗装されると、層の間の界面で実質的にローディングの混合が全くなく層は明確になる。上塗り層を塗装する前に、適宜１つまたは複数の層が焼成される場合、生じる個別の層が架橋結合されないことが予測され、したがって下塗り層に損傷を招くことなく複数層のコーティングに外層の剥離を起こさせることができるようになる。
【実施例】
【００４７】
ここに示される調合物は、例示のものであり限定するものではない。基材に塗装でき、６価クロムを含む調合物を使用せずに基材を腐食から保護する薄いシリカセラミックマトリクスコーティングを形成するために硬化するコーティング組成を提供することが目的である。
【００４８】
表１に示される第１の実施例は、耐火性の耐食性粒子のみを有する本発明の第１の実施形態による例示のコーティングを示す。表２に示される第２の例は、その下にある基材に適合したＣＴＥを有するコーティングを生じるように耐火性および非耐火性の両方の耐食性粒子を含む本発明の第２の実施形態によるコーティング組成を明示し、それによってガスタービンエンジンの動作的な加熱および冷却サイクルに曝される場合にコーティングが剥離する傾向をさらに低減する。
【００４９】
【表１】
2007169786.tif 000003
【００５０】
【表２】
2007169786.tif 000004
耐火性のみの耐食性粒子
表１の例示のコーティング組成では、コーティング組成の第１の実施形態と一致して、耐食性粒子は耐火性粒子のみ、この場合にはＳＭ８のアルミナ、およびＡ１７ＳＧのアルミナを含む。しかし、その他の耐火性粒子を利用することができ、本明細書にさらに述べられるように、少なくとも２つの粒子寸法の範囲で提供されることが好ましい。
【００５１】
耐火性プラス非耐火性の耐食性粒子
表２の例示のコーティング組成では、本発明の第２の実施形態と一致して、耐食性粒子は、耐火性粒子および非耐火性粒子の両方を含む。この例では、非耐火性粒子は、Ｆｅを含み約１０重量パーセントのアルミニウムを有する鉄ベースの合金であるＦｅＡｌである。例示のＦｅＡｌが  Ｐｒａｘａｉｒ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓによって生産され、Ｆｅ−１２５として明示される。Ｆｅ−１２５は、約２７ミクロンより小さい平均粒子寸法を有すると報告されている。上述の例示の調合物では、Ｆｅ−１２５は、約５ミクロンより小さい平均粒子寸法を有するようにさらに選別された。さらに、ＳＭ８のアルミナは、耐火性粒子として提供された。しかし、本明細書にさらに説明されるように、ＣＯ−２１０−６（ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金パウダー）、Ａ１６ＳＧアルミナ、Ａ１７ＳＧアルミナ、か焼アルミナ、ナノアルミナ、およびその組合せなどのその他の適切な耐火性および非耐火性の粒子を使用することができる。
【００５２】
上記の実施例の防食性粒子は、それぞれ、エンジン動作温度でアルミナのＣＴＥ以上のＣＴＥを有するコーティングを提供するのに十分な量でアルミナ以上のＣＴＥを有するように選択される少なくとも１つの耐食性粒子を含む。そのような粒子は、アルミナのＣＴＥよりも大きなＣＴＥを有する任意の耐火性酸化物、窒化物、金属または合金であることができる。好ましくは、非耐火性耐食性粒子は、鉄ベースの合金、ニッケルベースの合金、コバルトベースの合金、ＭＣｒ、ＭＣｒＸ、ＭＡｌ、ＭＡｌＸ、またはＭＣｒＡｌＹ、あるいはその任意の組合せである。１つのそのような適切な合金は、約３８．５重量パーセントのコバルト、３２重量パーセントのニッケル、２１重量パーセントのクロミウム、８重量パーセントのアルミニウム、および０．５０重量パーセントのイットリウムからなる霧化された粉末合金であるＣＯ−２１０−６である。ＣＯ−２１０−６は、米国インディアナ州ＩｎｄｉａｎａｐｏｌｉｓのＰｒａｘａｉｒ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ社の商標名であり、そこから市販されている。ＣＯ−２１０−６はさらに、最大で約５パーセントが１．９４ミクロンの下、約５０パーセントが５から７ミクロンの間、最小で約９５パーセントが１６ミクロンの下、および１００パーセントが２２ミクロンの下である（累積的な重量ベースで）凝集する寸法分布を有するものとして特定される。しかし、ＣＯ−２１０−６およびその他の非アルミナ合金は、いくつかの異なる粒子サイズ範囲で提供でき、上述の広い仕様に収まる金属の様々な重量パーセントも有する。さらに、ＣＯ−２１０−６が好ましいが、同様のＣＴＥ特性（すなわち、アルミナと同一でないＣＴＥ特性）を有するその他の合金も本発明のコーティング組成に使用するのに適している。
【００５３】
耐火性酸化物も同じく、例示の組成において防食性粒子として提供される。好ましくは耐火性酸化物はアルミナであり、より好ましくは少なくとも２つの粒子サイズのアルミナを含む。最も好ましくは、アルミナ粒子は、０．０５マイクロメータと０．８マイクロメータの間の数平均粒子サイズ（直径）を有し、より好ましくは、たとえば０．１５マイクロメータの平均粒子サイズを有する、０．１０マイクロメータと０．６マイクロメータの間の数平均粒子サイズ（直径）を有する第１のアルミナ構成物質を備える。適切な第１のアルミナ構成物質は、重量で９９．９９パーセントのＡｌ２Ｏ３、１０＋／−１の平方メートル当りグラムの固有のＢＥＴ表面積、９５パーセントメジャーフェーズ（ｍａｊｏｒ  ｐｈａｓｅ）のアルファのメジャーフェーズ、平方センチメートル当り３．９８グラムの水晶密度、立方センチメートル当り０．９３グラムのバルク密度、２２００ｐｓｉでの立方センチメートル当り１．８５グラムの圧縮密度、および６５重量パーセントが０．３マイクロメータより下、７８パーセントが０．４マイクロメータより下、９０パーセントが０．５マイクロメータより下、９５パーセントが０．６マイクロメータより下、１００パーセントが１．０マイクロメータより下の累積的な重量ベースでの凝集する寸法分布、および８ｐｐｍのＮａ、３５ｐｐｍのＫ、３５ｐｐｍのＳｉ、６ｐｐｍのＶ、および３ｐｐｍのＣａを有する、Ｂａｉｋａｌｏｘ  ＳＭ８（以下「ＳＭ８」）の商標名でＢａｉｋｏｗｓｋｉ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から市販されている。
【００５４】
様々な粒子寸法の中からの選択、ならびに粒子およびバインダー構成要素の重量パーセントの調整は、密度および多孔度などのわずかに異なるコーティング特性を生み出す。これまでに説明したように、この効果の少なくとも一部分は、物理的粒子パッキングの結果、コーティングの乾燥および硬化によるひび割れの傾向、ならびにシリコーンバインダーなどのガラスまたはガラス質セラミックを形成するための任意の非セラミック構成要素の焼結の効果である。
【００５５】
したがって、好ましい実施形態では、防食性粒子の耐火性部分はさらに、２５ミクロンより少ない数平均粒子寸法（直径）を有する複数の耐火性構成物質を含む。適切な第２の耐火性粒子生成物は、Ａ１６ＳＧ  およびＡ１７ＳＧの商標名でＡｌｃｏａから市販されているアルミナ（以下「Ａ１６ＳＧ」および「Ａ１７ＳＧ」）である。Ａ１６ＳＧは、ミクロン以下のアルミナであり、Ａ１７ＳＧは、スーパーグラインドされた（ｓｕｐｅｒｇｒｏｕｎｄ）ミクロンサイズのアルミナであり、製造業者により低ソーダ含有量（０．１０パーセントより少ないＮａＯ２）、約８．２または２．５ｍ２／ｇの表面積、およびそれぞれ約０．４８および２．９ミクロンの中間の粒子サイズを有すると報告されている。
【００５６】
バインダー
バインダーは、好ましくはシリコーンバインダーであり、より好ましくはポリメチルシロキサンバインダーである。前述したように、好ましいシリコーンバインダーには、Ｇｅｎｅｒａｌ  ＥＬＥＣＴＲＩＣ  Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ社によるＳＲ３５０およびＳＲ３５５が含まれる。たとえば、ＳＲ３５０は、１．０５から１．１０の比重、立方センチメートル当り１．０２から１．１４グラムのバルク密度、最大０．３のゲルのパーセント、および４００から２０００ｃｐｓの溶融粘度を有するポリシロキサン族のメチルセスキシロキサン混合物である。シリコーン樹脂は、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第６２１０７９１号の図４に明記される調合によって代表することができ、Ｒ’、Ｒ、およびＲ”は、好ましくは１から１４の炭素原子を有するアルキル基から選択され、最も好ましくはメチル基であり、ｎは好ましくは１〜１０００、たとえば１から５００から選択される。ＳＲ３５５も同様にポリシロキサン族のメチルセスキシロキサン混合物として分類されている。
【００５７】
溶剤
溶剤は、メタノール、エタノール、プロパノール、またはその組合せなどのアルコールを含むが、アセトンまたはトリクロロエチレンなどのその他の極性有機溶剤もさらにまたは選択的に使用できる。より好ましくは、溶剤は無水アルコールを含む。最も好ましくは、溶剤は約９５重量パーセントのエチルアルコール、および約５重量パーセントのイソプロピルアルコールを含む。
【００５８】
表面活性剤
表面活性剤は適宜含まれる。適切な表面活性剤は、Ｗｈｉｔｃｏ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社からＰＳ２１Ａとして販売されている市販の表面活性剤である。ＰＳ２１Ａは、アルキル有機フォスフェートエステル酸の表面活性剤として製造業者により定められ、アルミナ粒子および／または組成のその他の耐火性粒子の湿潤を促進すると考えられている。任意の表面活性剤は、好ましくは１重量パーセントより少ない組成を含む。
【００５９】
当分野で周知の任意の適切な吹付け器を使用して基材の上に吹き付けられた後に、組成は室温で乾燥でき、次いで実質的に均質な保護コーティングを生じるように焼成される。吹付け方法によって堆積されたコーティングの適切な厚さは、約２．５４μｍ（０．１ミル）から約０．１２７ｍｍ（５ミル）、より好ましくは約０．０１２７ｍｍ（０．５ミル）と０．０６３５ｍｍ（２．５ミル）の間の範囲にある。
【００６０】
発明者によりＭｏｄ３〜４として明示された表１の例示のコーティング組成は、図４〜８に示されるような結果を伴って超合金の切取り試片（ＲＥＮＥ（登録商標）８８ＤＴ）に塗装され、試験された。この第１の実施形態の好ましい組成的な調合は、下記に示す、ＳＭ８アルミナが約３３から４０重量パーセントの範囲、ＳＲ３５０などのシリコーンバインダーが約２５から約３５重量パーセントの範囲、エチルアルコールが約４０から６０重量パーセントの範囲、Ａ１７ＳＧアルミナが約４５から約５５重量パーセントである。しかし、前述のように、コーティング組成の第１の実施形態に関しては、コーティング組成が重量で約５％から約４５％のバインダー、約３％から５０％の溶剤、および重量で約１５％から約９２％の耐火粒子を含み、さらに効果的な耐食性コーティングを生じることが可能であることが予測される。
【００６１】
図４〜５に示されるように、生じるコーティング組成は、ＲＥＮＥ（登録商標）８８切取り試片に吹き付けられ、本明細書で前述したように、それに続いて乾燥、焼成、および硬化を含んで処理する。コーティングに生じた第１のクーポンを形成するための組成の硬化は約０．０７６ｍｍ（３．０ミル）の厚さであった。図５の顕微鏡写真に反映されるように、その切取り試片は、接着を最適にするように厚さまたは多孔率を最適化されていないが、基材からの分離、ひび割れ、またはその他の破損なしに３００サイクルの火炉サイクル試験（「ＦＣＴ」）（ＦＣＴサイクルは、約９３．３３℃（２００°Ｆ）／分で７６０℃（１４００°Ｆ）に加熱し、４５分間７６０℃（１４００°Ｆ）に保持し、約９３．３３℃（２００°Ｆ）／分で２６０℃（５００°Ｆ）より低く冷却するものである）を完了した。
【００６２】
図６にさらに示されるように、切取り試片上の約０．０３８ｍｍ（１．５ミル）のコーティングの腐食テストは、コーティングの劣化を全く示さず、前述の商標、ＳｅｒｍａＦｌｏｗ（登録商標）Ｎ３０００のレイヤードペイント試験（ｌａｙｅｒｅｄ  ｐａｉｎｔ  ｔｅｓｔｉｎｇ）の性能に適合した。腐食テストが行なわれた（エンジンで発見された腐食性の種類のものを再現するために作られた独自開発の腐食性の物質が１２．７ｍｍ（０．５”）×３．１７５ｍｍ（０．１２５”）のストライプで表面に塗装され、２時間の間７０４．４℃（１３００°Ｆ）に曝され、洗浄され、観察されることが１試験サイクルになっている）。本発明およびＳｅｒｍａＦｌｏｗ（登録商標）Ｎ３０００の両方は、素地のＲＥＮＥ（登録商標）８８に優る５倍以上の改善を示し、破損のためでなく継続時間のために中断された。切取り試片は、ロータ腐食試験を受け、本発明のコーティングが被覆されていないＲＥＮＥ（登録商標）８８ＤＴに優る少なくとも５倍の改善をもたらし、ＳｅｒｍａＦｌｏｗ（登録商標）Ｎ３０００の従来技術のコーティングによってもたらされた防食に実質的に等しい。しかし、従来技術のコーティングとは異なり、本発明のコーティングは、６価クロムを含まない組成を有する。
【００６３】
図７は、それぞれ厚さが約０．０５１ｍｍ（２．０ミル）および約０．０２５ｍｍ（１．０ミル）のコーティングをもたらすように吹付けによって同様に加工された２つの切取り試片の結果を示す。両方の厚さにおいて、本発明のコーティングは、ＦＣＴに従う損傷を全く生じなかった。しかし、厚さが０．０２５ｍｍ（１ミル）のおよび０．０５１ｍｍ（２ミル）のＳｅｒｍａＦｌｏｗ（登録商標）Ｎ３０００を使用して加工された切取り試片は、それぞれ縁部欠損および剥離を含むコーティング破損を受けた。ＦＣＴは、前述した実施例でのように７６０℃（１４００°Ｆ）で行なわれた。
【００６４】
本発明のＭｏｄ＃３〜４として示された例示のコーティングも低サイクル疲労（「ＬＣＦ」）で試験された。ＬＣＦ試験は、０．０２５〜０．０５１ｍｍ（１〜２ミル）の厚さで表１のコーティング調合物のＭｏｄ＃３〜４を利用し、６４８．９℃（１２００°Ｆ）、０．７８の歪み範囲において、１．０のＡ比率によって破損するように繰り返すものであった。図８に示されるように、ＬＣＦ試験の結果は、ライブ（ｌｉｖｅｓ）が素地のＲＥＮＥ（登録商標）８８ＤＴとほぼ等価であることを示し、被覆された領域外で開始した破損は、Ｍｏｄ＃３〜４が被覆されていないＲＥＮＥ（登録商標）８８ＤＴと比較して疲労寿命に全く劣化を示さなかったことを表した。
【００６５】
発明者によってＭｏｄ８〜１８として明示された表２の例示のコーティング組成は、約２０重量パーセントのＳＭ８アルミナ、約２５〜３５重量パーセントのＳＲ３５０シリコーンバインダーが、約４５〜５５重量パーセントのエチル／イソプロピル（９５／５）、約６５重量パーセントから約７５アルコール重量パーセントの間で提供されるＦｅ−１２５（５ミクロンより大きき粒子寸法）を含む。この第２の実施形態での試験の結果および塗装されたコーティング組成の分析は、図９〜１１に示されている。
【００６６】
図９ａ〜９ｃは、Ｍｏｄ＃３〜４として明示された第１の実施形態の例示のコーティング組成のＦＣＴ試験の、Ｍｏｄ＃８〜１８として明示された本発明の第２の実施形態の例示のコーティング組成に対する比較結果を２つの厚さで示す。第２の組成のＣＴＥは、超合金基材ＲＥＮＥ（登録商標）８８ＤＴのＣＴＥに近似して適合するように選択された。とりわけ、Ｍｏｄ＃８〜１８の組成は、耐火性および非耐火性粒子の比率によってだけでなく、図１０〜１１に示された耐食性粒子の少なくとも２つの粒子寸法の充填効果によって示されるような厚さによっても試行された。図９に示されるように、図９ｂ〜９ｃＦＣＴの結果は、非耐火性を含み、少なくとも２つの粒子寸法範囲の使用と結びついて、図９ａのＭｏｄ３〜４の被覆された切取り試片に示される細かなひび割れを防止する。図１０ａおよび１０ｂは、約０．０３８ｍｍ（１．５ミル）の厚さで塗装されたＭｏｄ８〜１８の調合物を有し、耐食性粒子の少なくとも２つの粒子寸法を使用することから生じる粒子寸法の分布および充填効果を表す、図９ｂの切取り試片の断面顕微鏡写真図を示す。図１１ａおよび１１ｂは、約０．０６４ｍｍ（２．５ミル）の厚さで塗装されたＭｏｄ８〜１８の調合物を有し、耐食粒子の粒子寸法の分布を表す、図９ｃの切取り試片の断面顕微鏡写真図を示す。
【００６７】
上記は例示のものであり、限定するものではない。成分および量のその他の組合せおよび変形は、本発明の範囲内にある。したがって、本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者は本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変更を行なうことができ、その要素に対して等価物が代用できることを理解するであろう。さらに、本発明の実質的な範囲から逸脱せずに本発明の教示に対して特定の状況または材料を適合させるために、多くの変更を行なうことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図された最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、本発明が添付の特許請求の範囲内に収まる全ての実施形態を含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】ガスタービンエンジンのタービン部の一部分の断面図である。
【図２】本発明のコーティングによって被覆された表面を有する超合金基材の断面図である。
【図３】本発明の耐食性コーティングがどこに望ましく配置できるかを示す、ガス流れの方向でエンジンの前面またはファン部分から見た、タービンディスクの斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態のコーティング組成によって被覆された周期的な熱接着試験（ＦＣＴ）および腐食試験前の超合金（ＲＥＮＥ（登録商標）８８ＤＴ）切取り試片を示す図である。
【図５】図４の切取り試片の周期的な熱接着試験（ＦＣＴ）後の顕微鏡写真である。
【図６】腐食試験後に示された本発明の第１の実施形態によって被覆された例示の超合金（ＲＥＮＥ（登録商標）８８ＤＴ）切取り試片を示す図である。
【図７】周期的な熱接着試験（ＦＣＴ）後のコーティング組成の第１の実施形態によって被覆された超合金（ＲＥＮＥ（登録商標）８８ＤＴ）切取り試片の、ＳｅｒｍａＦｌｏｗ（登録商標）３０００によって被覆された切取り試片に対する比較結果を示す図である。
【図８】本発明のコーティング組成の第１の実施形態によって被覆された超合金（ＲＥＮＥ（登録商標）８８ＤＴ）切取り試片の低サイクル疲労テストの結果をさらに示するグラフである。
【図９】第２の組成のＣＴＥが超合金の基材のＣＴＥに近似して適合するように選択され、２つのコーティング厚さが第２の実施形態にもたらされる、本発明の第１の実施形態の例示のコーティング組成の、本発明の第２の実施形態の例示のコーティング組成に対するＦＣＴ試験の比較結果を示す図である。
【図１０】耐食粒子の粒子寸法の分布およびコーティング厚さを示す、図９ｂの切取り試片の断面顕微鏡写真図を示す図である。
【図１１】耐食粒子の粒子寸法の分布およびコーティング厚さを示す、図９ｃの切取り試片の断面顕微鏡写真図を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
３０  タービン部
３２  タービンディスク
３４  シール要素
３６  第１段のディスク
３８  第１段のブレード
４０  第２段のディスク
４２  第２段のブレード
４４  前方シール
４６  後方シール
４８  段間シール
５０  ステージ１後方ブレード保持器
５２  ステージ２後方ブレード保持器
６０  基材
６２  表面
６３  マトリクス
６４  コーティング
６５  粒子
６６  表面
７４  ハブ
７８  ウェブ部
８２  ディスク
８６  ダブテールスロット
４１０  静翼
４２０  ケーシング
４３０  ライナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
2007169786000001.pdf