(57)【要約】【課題】高温環境への露出から構成部品を保護し、かつ、封止を提供する際に用いるように動作可能なアブレイダブルコーティングを有する高温コーティングを提供する。【解決手段】物品は、基板と、基板上に配置されたボンドコートと、ボンドコート上に配置された環境バリアコーティングと、第２のトップコート上に配置されたパターニングされたアブレイダブルコーティングとを含む。環境バリアコーティングは、ボンドコート上に配置された中間層と、中間層上に配置された封止層と、封止層上に配置された第１のトップコートと、第１のトップコート上に配置された第２のトップコートとを含む。第１のトップコートは、第２のトップコートとは異なっている。【選択図】図１
2016137708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（２０、２２０）と、
基板（２０、２２０）上に配置されたボンドコート（３０、２３０）と、
ボンドコート（３０、２３０）上に配置された環境バリアコーティング（４０）とを含み、環境バリアコーティング（４０）は、
ボンドコート（３０、２３０）上に配置された中間層（４２）と、
中間層（４２）上に配置された封止層（４４）と、
封止層（４４）上に配置された第１のトップコート（４６）と、
第１のトップコート（４６）上に配置され、第１のトップコート（４６）とは異なる第２のトップコート（４８）と、
第２のトップコート（４８）上に配置されたパターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）とを含む、物品（１０、２００）。
【請求項２】
パターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）は、中実部分（２５２）及び空隙（２６０）を含む、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項３】
中実部分（２５２）は、パターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）の厚さを概して貫通して延在するテーパ側部（２５４）を含む、請求項２に記載の物品（１０、２００）。
【請求項４】
ボンドコート（３０、２３０）は、ケイ素を含み、
中間層（４２）は、希土類二ケイ酸塩を含み、
封止層（４４）は、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩を含み、
第１のトップコート（４６）は、希土類二ケイ酸塩を含み、
第２のトップコート（４８）は、希土類一ケイ酸塩を含む、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項５】
パターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）は、中実部分（２５２）及び空隙（２６０）を含む、請求項４に記載の物品（１０、２００）。
【請求項６】
中実部分（２５２）は、パターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）の厚さを概して貫通して延在するテーパ側部（２５４）を含む、請求項５に記載の物品（１０、２００）。
【請求項７】
基板（２０、２２０）は、セラミックマトリックス複合材料、モノリシックセラミック層、又はこれらの組合せを含む、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項８】
ボンドコート（３０、２３０）は、ケイ素を含む、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項９】
封止層（４４）は、アルカリ土類金属アルミノケイ酸塩及び希土類ケイ酸塩を含む混合物から形成された１以上の気密自己封止層を含む、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項１０】
封止層（４４）は、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩を含む、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項１１】
アブレイダブルコーティング（５０）は、約１／１０ｍｍ〜約２ｍｍの範囲内の厚さを含む、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項１２】
アブレイダブルコーティング（５０）は、ジルコニアを含む、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項１３】
基板（２０、２２０）は、セラミックマトリックス複合材料、モノリシックセラミック層、又はこれらの組合せを含む、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項１４】
ボンドコート（３０、２３０）及び環境バリアコーティング（４０）の層の各々は、連続層を含む、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項１５】
環境バリアコーティング（４０）及びパターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）は、少なくとも２，４００°Ｆの動作温度に耐えることができる、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項１６】
基板（２０、２２０）は、ガスタービン組立体の構成部品を含む、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項１７】
基板（２０、２２０）は、回転タービンブレードの先端部（１２２）に隣接して配置されたアブレイダブル層の外面を有するタービンのシュラウドを含む、請求項１に記載の物品（１０、２００）。
【請求項１８】
物品（１０、２００）を形成するための方法（３００）であって、方法（３００）は、
基板（２０、２２０）を提供するステップと、
基板（２０、２２０）上に配置されたボンドコート（３０、２３０）を形成するステップと、
ボンドコート（３０、２３０）上に中間層（４２）を形成するステップと、
中間層（４２）上に封止層（４４）を形成するステップと、
封止層（４４）上に第１のトップコート（４６）を形成するステップと、
第１のトップコート（４６）上に第２のトップコート（４８）を形成するステップと、
第２のトップコート（４８）上にパターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）を形成するステップとを含む方法（３００）。
【請求項１９】
パターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）を生成するステップは、空隙（２６０）を画定する中実部分（２５２）を含むパターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）を形成するステップを含む、請求項１８に記載の方法（３００）。
【請求項２０】
中実部分（２５２）は、パターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）の厚さを概して貫通して延在するテーパ側部（２５４）を含む、請求項１９に記載の方法（３００）。
【請求項２１】
ボンドコート（３０、２３０）は、ケイ素を含み、
中間層（４２）は、希土類二ケイ酸塩を含み、
封止層（４４）は、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩を含み、
第１のトップコート（４６）は、希土類二ケイ酸塩を含み、
第２のトップコート（４８）は、希土類一ケイ酸塩を含む、請求項２０に記載の方法（３００）。
【請求項２２】
ボンドコート（３０、２３０）、第１の中間層（４２）、封止層（４４）、第１のトップコート（４６）、及び第２のトップコート（４８）を形成するステップの各々は、連続コーティング層を形成するステップを含む、請求項２０に記載の方法（３００）。
【請求項２３】
パターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）を生成するステップは、空隙（２６０）を画定する中実部分（２５２）を含むパターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）を形成するステップを含む、請求項２０に記載の方法（３００）。
【請求項２４】
中実部分（２５２）は、パターニングされたアブレイダブルコーティング（５０、２５０）の厚さを概して貫通して延在するテーパ側部（２５４）を含む、請求項２０に記載の方法（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に高温構成部品に関し、特に、高温環境への露出から構成部品を保護し、かつ、封止を提供する際に用いるように動作可能なアブレイダブルコーティングを有する高温コーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、セラミック、合金、金属間化合物などの高温材料は、ガスタービンエンジン、熱交換器、内燃機関などの用途における高温での業務用に設計された構造で使用するのに魅力的な特性を提供する。通常、燃焼タービンの構成部品は、作業環境の非常に高い温度から下地となる支持材料及び構造を保護するための遮熱コーティングなどのコーティングの使用を必要とする。タービンでは、ガスタービンのタービン部の回転ブレードの各ディスクは、作動ガスがブレード先端部を乗り越えてブレードをバイパスすることを防止するために、ブレード先端部に隣接して配置されたセグメントブレードリングで接近して囲まれている。ブレード先端部とリングセグメントとの間の隙間を最小にすることを可能にするために、断熱コーティングは、コーティングと接触した際の先端部の摩耗を低減するアブレイダブルであることが望ましい。
【０００３】
さらなる高温構成部品、特に、高温環境への露出から構成部品を保護し、かつ、封止を提供する際に用いるように動作可能なアブレイダブルコーティングを有する高温コーティングに対する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０１３００４２号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、第１の態様では、基板と、基板上に配置されたボンドコートと、ボンドコート上に配置された環境バリアコーティングと、第２のトップコート上に配置されたパターニングされたアブレイダブルコーティングとを含む物品を提供する。環境バリアコーティングは、ボンドコート上に配置された中間層と、中間層上に配置された封止層と、封止層上に配置された第１のトップコートと、第１のトップコート上に配置された第２のトップコートとを含む。第１のトップコートは、第２のトップコートとは異なっている。
【０００６】
本開示は、第２の態様では、基板を提供するステップと、基板上に配置されたボンドコートを形成するステップと、ボンドコート上に中間層を形成するステップと、中間層上に封止層を形成するステップと、封止層上に第１のトップコートを形成するステップと、第１のトップコート上に第２のトップコートを形成するステップと、第２のトップコート上にパターニングされたアブレイダブルコーティングを形成するステップとを含む物品を形成するための方法を提供する。
【０００７】
本発明の上述した及び他の特徴、態様、並びに利点は、添付した図面と合わせて、本開示の様々な態様についての以下の詳細な説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の態様による、基板と、ボンドコートと、環境バリアコーティングと、アブレイダブルコーティングとを有する物品の一実施形態の概略図である。
【図２】環境バリアコーティングをさらに示す図１の物品の概略図である。
【図３】アルミナ／シリカ／アルカリ土類酸化物の組成の概略図であって、便宜上、当該技術分野で通常用いられる種類の３元型組成図で、本開示の実施形態に従って特定の組成物を強調して示してある。
【図４】本開示の態様によるシュラウドなどの図１の物品の一部及びブレードの断面図である。
【図５】本開示によるアブレイダブルコーティングを有するシュラウドの例示的な実施形態の上面図であって、通過するタービンブレードのトレースを示してある。
【図６】基板と、ボンドコートと、環境バリアコーティングと、アブレイダブルコーティングとを有する、本開示の態様による物品の一部の別の実施形態の断面図である。
【図７】本開示の態様による物品を作製するための方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に示す各実施形態は、本開示の特定の態様の説明を容易にするものであって、本開示の範囲を限定するものと解釈するべきではない。さらに、近似する文言は、本明細書及び特許請求の範囲の全体にわたってここで用いられるように、それが関連する基本的機能の変更をもたらすことなく許容範囲で変化することができる定量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、たとえば「およそ」という１つ又は複数の用語によって修飾される値は、指定された正確な値に限定されない。場合によっては、近似する文言は、値を測定するための機器の精度に対応してもよい。様々な実施形態の要素を導入する場合に、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」及び「前記（ｓａｉｄ）」は１つ又は複数の要素があることを意味するものである。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味している。本明細書で用いる「することができる（ｍａｙ）」及び「であってもよい（ｍａｙ  ｂｅ）」という用語は、一組の状況内での発生の可能性、指定された性質、特性もしくは機能の所有を示し、及び／又は修飾された動詞と関係する能力、性能、もしくは可能性のうちの１つ又は複数を表現することによって別の動詞を修飾する。したがって、「することができる（ｍａｙ）」及び「であってもよい（ｍａｙ  ｂｅ）」の使用は、修飾された用語が示された能力、機能、又は使用について、明らかに適切であるか、可能であるか、又は好適であることを示すが、いくつかの状況では、修飾された用語が適切でなかったり、可能でなかったり、又は好適でなかったりする場合があり得ることを考慮する。動作パラメータのいかなる例も、開示された実施形態の他のパラメータを排除するものではない。記載され、図示され、又はそうでなければ任意の特定の実施形態に関連して本明細書で開示された構成要素、態様、特徴、構成、配置、及び用途などは、本明細書に開示された他のいずれの実施形態にも同様に適用することができる。
【００１０】
図１は、本開示の態様による物品１０の例示的な実施形態を示す。本実施形態では、ボンドコート３０が基板２０上に形成され、環境バリアコーティング４０がボンドコート３０上に形成され、アブレイダブルコーティング５０が環境バリアコーティング４０上に形成される。特定の実施形態では、物品１０は、たとえば燃焼ライナ、移行部品、シュラウド、ベーン、又はブレードなどのガスタービン組立体の構成部品であってもよい。本開示のこのような技術は、高温の水蒸気への露出から基板２０を保護する環境バリアコーティング４０の能力を可能にし、それはケイ素含有タービン構成部品へ適用するのに有利であり得る。さらに、本開示の技術は、たとえば、ブレード先端部とシュラウドのリングセグメントとの間の隙間を最小に維持して、これらの間の封止をより良好に形成するアブレイダブルコーティング５０の能力を可能にする。本開示の実施形態の用途は、水蒸気による侵食から保護するためのケイ素含有基板への適用に関して説明することができるが、そのような言及は例示的なものであり、本開示の実施形態は、ケイ素含有材料以外の基板材料を含むことを理解されたい。
【００１１】
基板２０は、任意の好適な材料、たとえばセラミック、金属合金、又は金属間材料などから作製することができる。いくつかの実施形態では、基板は、セラミック、たとえば酸化物、窒化物、又は炭化物を含む。基板２０は、ケイ素含有材料、たとえば窒化ケイ素、二ケイ化モリブデン、又は炭化ケイ素などを含むことができる。この材料は、特定の実施形態では、セラミックマトリックス複合材料、たとえばマトリックス相と補強相とからなる材料などであって、特定の実施形態では、マトリックス相及び補強相は炭化ケイ素を含む。本開示の実施形態の用途は、水蒸気による侵食から保護するためのケイ素含有基板への適用に関して説明することができるが、そのような言及は例示的なものであり、実施形態はケイ素含有材料以外の基板材料を含むことができることを理解されたい。
【００１２】
図２は、環境バリアコーティング４０を含むことができる様々な例示的な層を示す。たとえば、環境バリアコーティング４０は、ボンドコート３０上に配置された中間層４２と、中間層４２上に配置された封止層４４と、封止層４４上に配置された第１のトップコート４６と、第１のトップコート４６上に配置された第２のトップコート４８とを含むことができる。
【００１３】
特定の用途では、ボンドコート３０は、基板２０の上に配置される。ボンドコート３０は、たとえば、熱応力を緩和するために、又は基板２０と封止層４４との間の化学反応を阻止するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、ボンドコートは、基板に耐酸化性を提供するように、及び／又は環境バリアコーティング４０の付着性を維持するのを助けるように、働くことができる。基板２０がセラミック又はケイ素含有材料である場合などの、いくつかの実施形態では、ボンドコート３０は、基板２０と環境バリアコーティング４０との間に配置されたＳｉ系ボンドコートを含んでもよい。たとえば、いくつかの実施形態では、ボンドコート３０は、元素ケイ素又はシリサイドであってもよい。
【００１４】
ボンドコート３０がケイ素又は酸化ケイ素を含む場合などの特定の実施形態では、中間層４２が封止層４４とボンドコート３０との間に配置される。中間層は、コーティング系の化学的安定性を促進するために、酸化ケイ素に対して実質的に不活性なバリア材料から形成することができる。「実質的に不活性」とは、シリカとバリア材料との間に多くとも偶発的な相互作用（溶解性又は反応性）だけがあることを意味する。イットリウム、イッテルビウム、ルテチウム、スカンジウム、及び他の希土類元素の二ケイ酸塩などの希土類二ケイ酸塩は、好適なバリア材料の非限定的な例である。
【００１５】
高温の水蒸気にさらされないように基板２０を保護する封止層４４の能力は、ケイ素含有タービン構成部品への応用に有利であり得る。本開示の実施形態の用途は、水蒸気による侵食から保護するためのケイ素含有基板への適用に関して説明することができるが、そのような言及は例示的なものであり、本開示の実施形態は、ケイ素含有材料以外の基板材料を含むことができることを理解されたい。
【００１６】
本開示の一実施形態によれば、「封止層」を物品の基板の上に配置することができ、それは自己封止性の実質的に気密なコーティングを含む。本明細書で使用される「自己封止」という用語は、コーティングの少なくとも一部が、コーティングのバルクの溶融温度より低い既知の温度（「封止温度」）以上で液相又はガラス相などの流動相を形成することができる材料（「封止材料」）で形成されていることを意味する。液相又はガラス相は封止温度において粘性を有し、流動相がクラック及びポアなどの欠陥に流入して、それを少なくとも部分的に埋めることができるのに好適であり、これによって、有害な化学種が外部環境から基板に移動することを阻止するコーティングの能力を向上させる。この機構により、コーティングはそれ自体を封止することができる。すなわち、たとえば、ポア及びクラック内に堆積される別個の封止材料を使用せずに、有害な化学種の移動に対する耐性を増大させることができる。したがって、いくつかの実施形態では、封止層は、封止層の内部表面内に配置される任意の追加材料を実質的に含まない。この限定は、もちろん、追加の層が封止層の上に配置される実施形態を排除するものではない。本明細書で用いられる「実質的に気密」という用語は、コーティングが、通常用いられる測定技術の検出限界である約２×１０-14ｃｍ2（約２×１０-6ダルシー）より低い気体透過率を有することを意味する。
【００１７】
封止材料からなる封止層の割合は、多くの要因に応じて選択することができ、それは、たとえば封止する必要がある欠陥の予想密度及び流動相の予想粘度を含む。いくつかの実施形態では、この割合は、封止層全体の体積で少なくとも約１％であり、特定の実施形態では、その割合は体積で少なくとも１０％である。
【００１８】
封止温度は、通常、封止材料内で起こる相転移又は変態に関係している。たとえば、封止温度は、封止材料中で形成するガラス相のガラス転移温度より高くなるように選択することができる。或いは、封止温度は、封止材料中に存在する特定の相又は組成について、共晶温度又は固相線温度などの融解温度以上になるように選択することができる。いくつかの実施形態では、封止温度は少なくとも約９５０℃であり、特定の実施形態では、封止温度は少なくとも約１，２２０℃である。特定の実施形態では、物品の動作温度は封止温度より低くなるように選択されるので、コーティングが動作中に流動相を再形成することはない。しかし、動作中に封止層中の流動相があっても許容できる、又は望ましい特定の用途があり得るので、本開示の実施形態は、封止温度が動作温度より低い場合も含む。
【００１９】
一般に、所与の選択された封止温度で、封止層の少なくとも一部が上述したように液相又は流動可能なガラス相のいずれかになるように、封止層の組成が選択される。組成及び温度の関数としての相変態の挙動は、多くの材料の技術分野では周知であり、したがって、本開示の実施形態での使用に適した材料を選択する手順は、本明細書に提示された一般的な説明に基づいて実務者には明らかであろう。上述した相変態特性に加えて、特定の用途に用いる特定の材料を選択する際には、たとえば耐環境性、製造容易性、隣接材料との化学的適合性、及び他の特性などの他の材料特性が一般的に考慮される。
【００２０】
封止層４４は、アルカリ土類アルミノケイ酸塩を含むことができる。これらの材料は、ターボ機械の構成部品などの高温用途に用いる環境バリアコーティングとして有用であるので選択される。本明細書で使用される「アルカリ土類アルミノケイ酸塩」という用語は、（１）少なくとも１種のアルカリ土類酸化物、（２）酸化ケイ素、及び（３）酸化アルミニウムを混合又は反応させた生成物である任意の材料に広く適用可能であり、この用語は、図３に示すように、各頂点にアルカリ土類酸化物、酸化ケイ素、及び酸化アルミニウムを有する三元等温断面図内に入る組成を有する任意の材料に当てはまる。三元等温断面図を示しているが、アルカリ土類酸化物の組成は、いくつかの実施形態では、２種以上のアルカリ土類元素を含んでもよく、それによって材料全体を４種以上の酸化物の混合物又は生成物とすることができることに留意すべきである。たとえば、（１）２種以上のアルカリ土類酸化物、（２）酸化ケイ素、及び（３）酸化アルミニウムを混合及び／又は反応させて作られる組成物は、本明細書で用いられる「アルカリ土類アルミノケイ酸塩」の範囲内であるとみなされる。いくつかの実施形態では、アルカリ土類アルミノケイ酸塩は、ストロンチウム及びバリウムからなるグループから選択される少なくとも１種のアルカリ土類元素を含む。
【００２１】
本明細書全体にわたって、封止層の組成は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3、又は「アルミナ」）、酸化ケイ素（ＳｉＯ2又は「シリカ」）、及びアルカリ土類酸化物の等価モルパーセントにより説明する。この表記法は、当該技術分野において一般的に使用されているものと一致しており、たとえば、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩などの化合物は、（Ｂａ，Ｓｒ）Ａｌ2Ｓｉ2Ｏ8に代えて、（Ｂａ，Ｓｒ）Ｏ．Ａｌ2Ｏ3．２ＳｉＯ2（５０ｍｏｌ．％ＳｉＯ2＋２５ｍｏｌ．％Ａｌ2Ｏ3＋２５ｍｏｌ．％（Ｂａ，Ｓｒ）Ｏ）と書かれることが多い。
【００２２】
特定のアルカリ土類アルミノケイ酸塩組成物は、望ましい流動相（すなわち、液相又はガラス相）の有効量を形成する、高温環境に耐える、経済的に処理される、或いはこれら又は他の要因の組合せた能力による相対的な利点を提供する。一般的に、シリカ、アルミナ、及びアルカリ土類酸化物は、約９５０℃より上の温度でガラス相又は液相の形成を可能にする相対比率で提供される。一実施形態では、アルカリ土類アルミノケイ酸塩は、約８０モル％以下のシリカを含む。別の実施形態では、アルカリ土類アルミノケイ酸塩は、約６０モル％以下のアルミナを含む。さらに別の実施態様では、アルカリ土類アルミノケイ酸塩は、約５０モル％以下のアルカリ土類酸化物を含む。
【００２３】
コーティングに望まれる特定の用途に応じて、他のアルカリ土類アルミノケイ酸塩組成物を業務用に選択することができる。封止層の組成選択の詳細は、いくつかの要因よって制御することができ、その要因としては、これらに限定されないが、流動相の性質及び体積分率、封止層全体の熱膨張係数、封止層の相組成、並びに環境（封止層と大気との間に存在する開放経路）との相互作用の結果として形成される揮発性種の蒸気圧及び化学活性が挙げられる。図３を参照すると、いくつかの実施形態では、アルカリ土類アルミノケイ酸塩は、アルミナ及びアルカリ土類酸化物の各含有率の関数である最大シリカ含量率を有する。一実施形態では、アルカリ土類アルミノケイ酸塩は、図３の四辺形ＡＢＣＤで規定されるアルミナ／シリカ／アルカリ土類酸化物組成領域で囲まれた範囲の組成を有し、ここで、点Ａは（１１．８モル％のアルミナ、７６．１モル％のシリカ、１２．１モル％のアルカリ土類酸化物）であり、点Ｂは（５８．６モル％のアルミナ、２９．８モル％のシリカ、１１．６モル％のアルカリ土類酸化物）であり、点Ｃは（４４．３モル％のアルミナ、８．２モル％のシリカ、４７．５モル％のアルカリ土類酸化物）であり、点Ｄは（１３．６モル％のアルミナ、４３．８モル％のシリカ、４２．６モル％のアルカリ土類酸化物）である。特定の実施形態では、組成物は、図３の多角形ＥＦＧＨＩによって規定される範囲内にあり、ここで、点Ｅは（２２．５モル％のアルミナ、５５モル％のシリカ、２２．５モル％のアルカリ土類酸化物）であり、点Ｆは（４３．８モル％のアルミナ、４４．６モル％のシリカ、１１．６モル％のアルカリ土類酸化物）であり、点Ｇは（４９．３モル％のアルミナ、２９．６モル％のシリカ、２１．１モル％のアルカリ土類酸化物）であり、点Ｈは（３８．４モル％のアルミナ、２３．６モル％のシリカ、３８．０モル％のアルカリ土類酸化物）であり、点Ｉは（１９．３モル％のアルミナ、４６．５モル％のシリカ、３４．２モル％のアルカリ土類酸化物）である。これらの組成物は、一般に、多角形ＥＦＧＨＩの外側の組成物よりも、所与の温度についてより低い体積分率の流動相、及び多くのＳｉ含有基板とのより小さいＣＴＥの不一致を提供する。流動相の体積分率及びＣＴＥの不一致のさらなる低減は、アルカリ土類アルミノケイ酸塩が図３の多角形ＪＫＬＭＮＩによって規定される範囲の組成を有する、特定の実施形態では得ることができ、ここで、点Ｊは（２５モル％のアルミナ、５０モル％のシリカ、２５モル％のアルカリ土類酸化物）であり、点Ｋは（３３．７モル％のアルミナ、４７．５モル％のシリカ、１８．８モル％のアルカリ土類酸化物）であり、点Ｌは（４５．５モル％のアルミナ、３６．４モル％のシリカ、１８．１モル％のアルカリ土類酸化物）であり、点Ｍは（３９．６モル％のアルミナ、３８．０モル％のシリカ、２２．４モル％のアルカリ土類酸化物）であり、点Ｎは（３１．５モル％のアルミナ、３７．０モル％のシリカ、３１．５モル％のアルカリ土類酸化物）であり、点Ｉは上で規定したものと同様である。
【００２４】
再び図２を参照すると、いくつかの実施形態では、複数のトップコートが封止層４４の上に配置される。トップコートは、断熱、環境からの保護、又はこれらの機能の組合せを提供するために用いることができる。好適なトップコート材料の選択は、物品がさらされる環境の種類、下地のコーティング及び基板の組成、処理コスト、及び当該技術分野で知られている他の要因に依存することがあり得る。いくつかの実施形態では、トップコートはセラミック材料であってもよい。多くのクラスのセラミック材料は、熱及び／又は環境バリアコーティングとして機能する能力を有することが知られている。これらの材料は、これに限定されないが、ケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、及びイットリア安定化ジルコニアを含む。特定の実施形態では、トップコートは、希土類一ケイ酸塩及び／又は希土類二ケイ酸塩を含む。たとえば、複数のトップコートは、２層コーティングとすることができ、希土類二ケイ酸塩の内層すなわち第１のトップコート４６、及び希土類一ケイ酸塩の外層すなわち第２のトップコート４８を有する。いくつかの実施形態では、これらの一ケイ酸塩及び二ケイ酸塩材料と関係する希土類元素は、イットリウム、イッテルビウム、ルテチウム、及びスカンジウムのうちの１つ又は複数を含むことができる。特定の実施形態では、外層がイットリウム一ケイ酸塩であり、内層が希土類二ケイ酸塩（たとえば、二ケイ酸イットリウムなど）である。
【００２５】
上述した種々のコーティング層のいずれかの厚さは、一般に、熱応力を持続可能なレベルに保ちながら所与の使用に対する適切な保護を提供するように選択される。さらに、コーティングの厚さは、堆積領域の上に連続層を生成するために選択されたコーティング方法の能力によって決定することができる。種々のコーティングのための近似的な厚さの範囲の非限定的な例としては、封止層については、約２５マイクロメートル〜約１５０マイクロメートル、ボンドコートについては、約７５マイクロメートル〜約１２５マイクロメートル、中間層については、約５０マイクロメートル〜約１００マイクロメートル、トップコート層については、約５０マイクロメートル〜約５００マイクロメートルを挙げることができる。上述した２層トップコートの実施形態では、イットリウム一ケイ酸塩の外層は、特定の実施形態では、約２５マイクロメートル〜約５０マイクロメートルとすることができる。
【００２６】
上述したコーティングは、当該技術分野で周知のコーティング技術を用いて堆積することができる。通常、実質的な量のクラック及び内部開口気孔率が生じるコーティング堆積の方法が用いられる場合には、本開示の実施形態は特に重要である。プラズマ溶射技術及びスラリーベースのコーティング処理は、このような特徴を有するコーティングを生成する一般的に用いられるコーティング方法の例である。このような場合には、封止層の存在は、コーティングの気密性、したがって保護の有効性を著しく高める働きをする。さらに、いくつかの実施形態では、封止層は、たとえば構成部品の取り付け中又は構成部品の使用中に生じた損傷を含む、処理後に生じ得るコーティングに対する封止クラック又は他の損傷に有効である。
【００２７】
封止層の自己封止性を活性化させるために、封止層は、封止層の少なくとも一部が流動する封止温度（上述した）に加熱され、流動可能な部分がクラック及びポア内に移動し、固化すると、水蒸気などの有害な化学種の環境から基板への経路となるこれらの欠陥を密閉する。コーティングの性質、処理の経済性、及びその他の要因に応じて、加熱工程は、封止層を堆積した直後に行ってもよいし、すべてのコーティングが堆積された後で完成物品を使用する前に行ってもよいし、或いは、使用温度を十分に高くすることが可能な場合であれば使用中に行ってもよい。
【００２８】
流動性材料が欠陥に到達し、少なくとも部分的に欠陥を充填し、又は欠陥を密閉する時間を与えるように、有効な時間の間、封止温度が維持される。これを達成するのに必要な時間の長さは、一般に、封止すべき欠陥の数及び性質、並びに封止層で得られる流動性材料の量に基づいて選択される。一実施形態では、封止層は、約９５０℃〜約１，３５０℃の範囲の封止温度に、約３０分〜約１０時間の範囲の時間で加熱され、特定の実施の形態では、その時間は、約３０分〜約４時間の範囲である。いくつかの実施形態では、温度は約９５０℃〜約１，０５０℃の範囲で、時間は約３０分〜約４時間の範囲であり、他の実施形態では、温度は約１，２５０℃〜約１，３５０℃で、時間は約３０分〜約４時間の範囲である。コーティングを封止する加熱工程は、加熱される材料（すなわち、基板及び存在する場合にはその他のコーティング層）の要求条件に少なくとも部分的に応じて、空気中、真空中、不活性雰囲気、又はその他の環境で実行することができる。
【００２９】
本開示の物品で使用するのに適した環境バリアコーティングのさらなる説明及び例は、米国特許出願公開第２０１１／００５２９２５号のＳａｒｒａｆｉ−Ｎｏｕｒ他による「Ａｒｔｉｃｌｅｓ  Ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｅｒｖｉｃｅ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  Ｆｏｒ  Ｔｈｅｉｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」に記載されており、その全体の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３０】
再び図２を参照すると、基板２０はケイ素含有基板であってもよく、ボンドコート３０は、酸化剤とケイ素含有基板との反応により放出されるガス状生成物を低減するために設けられてもよい。ボンドコートは、非ガス状生成物を形成するために、酸化剤と優先的に反応することができる。好ましくは、ボンドコートはケイ素を含み、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）基板と環境バリアコーティング４０との間に適用される。
【００３１】
好適なケイ素含有基板は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、並びにニオブ−ケイ素合金、モリブデン−ケイ素合金などのケイ素合金を含む。ケイ素含有基板は、モノリス又は複合材料であってもよい。複合材料は、強化繊維、粒状物もしくはウィスカ、及びケイ素系マトリックスを含んでもよい。例示的な繊維、粒状物、又はウィスカは、炭化ケイ素含有、炭素含有、ケイ素含有、又はこれらの混合物である。繊維、粒状物、又はウィスカは、必要に応じて、窒化ケイ素、ホウ化ケイ素、又は炭化ケイ素コーティングなどの１以上のコーティングを任意に有してもよい。マトリックスは、溶浸（ＭＩ）、化学気相浸透（ＣＶＩ）、又はその他の技術により処理することができる。例示的なケイ素含有基板としては、モノリシック炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維で強化された炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックス複合材料、炭素繊維で強化された炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックス複合材料、並びに炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維で強化された窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）複合材料を挙げることができる。好ましい基板は、ケイ素溶浸処理された炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維で強化されたケイ素−炭化ケイ素（Ｓｉ−ＳｉＣ）マトリックス複合材料を含む。
【００３２】
ボンドコートのケイ素は、優先的に酸素と反応して、ケイ素含有基板と環境バリアコーティング４０との間の結合を劣化させる空隙の形成を低減させるために非ガス状生成物を形成する。さらに、得られた酸化ケイ素（ＳｉＯ2）は、低い酸素透過性を有する。したがって、ボンドコートは、２以上の機構により、酸素が基板内に透過するのを阻止する保護バリアとして作用する。ガス発生源が除去され、空隙が外部コーティングとケイ素含有基板との界面に蓄積することを防止する。さらに、優先的な反応の生成物は、未反応酸素がケイ素含有基板内に透過することに対するバリアを提供する。
【００３３】
ケイ素ボンドコートは、さらなる利点を提供することができる。ケイ素は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と同程度の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。したがって、ケイ素ボンドコートは、環境バリアコーティングとケイ素含有基板との間の熱応力を最小にすることができる。
【００３４】
本開示の好適な物品は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維で強化された溶浸ケイ素−炭化ケイ素（ＳＶＳｉＣ）マトリックスであるケイ素含有基板、及びケイ素を含有するボンドコートを含むことができる。溶浸ケイ素−炭化ケイ素（Ｓｉ／ＳｉＣ）複合材料のマトリックスは、約１０〜２０体積パーセント（ｖｏｌ％）の残留ケイ素を含む。この残留基板ケイ素は、ケイ素含有基板とケイ素ボンドコートとの間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の不一致を低減させる。本実施形態では、ケイ素ボンドコートは、ケイ素含有基板の表面にケイ素又はケイ素を多く含む層／コーティングを積層するために過剰なケイ素浸潤が用いられる浸透処理の延長として適用することができる。また、ケイ素ボンドコートは、単にケイ素含有基板をケイ素融液中に浸漬するだけで適用することができる。２つの適用は共に、ケイ素含有基板の表面に緻密で均一なケイ素層／コーティングを提供する。それから、環境バリアコーティング４０は、主要な処理をせずにケイ素ボンドコート上に直接付着させることができる。最上部の酸化ケイ素（ＳｉＯ2）層を形成するためのケイ素層／コーティングの予備酸化は、外部バリアコーティング酸化物の結合を向上させることができる。ケイ素ボンドコートは、化学気相堆積（ＣＶＤ）、熱溶射、溶液に基づく技術、又はその他の方法によって適用することもできる。
【００３５】
環境バリアコーティングの残りの層が、ケイ素含有基板よりも熱膨張係数（ＣＴＥ）が大きい酸化物を含んでいる場合には、始動時もしくは停止時、又は高温（約１，０００℃より上）でコーティング中の「ホットスポット」の結果としてなどの温度変化の際に応力が生じることがあり得る。熱応力は、これらの物品におけるコーティング不良及びボンドコート不良の主な原因である。ボンドコートは、応力緩和対応ゾーンとしても働くので、これらの物品と共に使用する場合に特に有利である。ケイ素は、（１０ＭＰａより大きな剪断強度を維持しつつ）約６００℃よりも高い温度で塑性変形する。この可塑性は、層／コーティングに作用する熱応力を減少させるので、層／コーティング寿命を向上させる。
【００３６】
ボンドコートの能力は、ケイ素合金ボンドコートを用いることにより、或いはケイ素ボンドコートに耐熱性の第２の相を付加することにより、環境バリアコーティングの他の層を通して拡散される高い温度に耐えるようにカスタマイズすることができる。ケイ素ベースの耐熱材である、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）の割合が、ガス発生を排除する目的を挫折させないように制限されている限り、この目的のために用いることができる。一般に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）の体積パーセントは、約２０％以下に制限すべきである。酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などの他のガスを発生しない耐熱性相もまた、ボンドコートの耐酸化性を低下させないものであれば、使用することができる。
【００３７】
繊維で強化された炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックス組成物は、繊維とマトリックスを保護するためのＣＶＤ炭化ケイ素（ＳｉＣ）オーバーコートを有することができる。炭化ケイ素（ＳｉＣ）のうちのいくつか或いはすべてを、ケイ素又はケイ素合金ボンドコートと置き換えることができる。ケイ素は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）よりも低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。したがって、ケイ素ボンドコートは、ボンドコートと環境バリアコートとの界面に比べて、ボンドコート−基板界面ではより高濃度の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を有するグレーデッド層／コーティングを含むことができる。ケイ素濃度は、ボンドコート−基板界面よりも環境バリアコートに向かってより大きくすることができる。ボンドコートの最終層は、本質的にケイ素から構成される。四塩化ケイ素（ＣＨ3ＳｉＣｌ3）及び水素を用いる場合には、たとえば、水素／ケイ素（Ｈ／Ｓｉ）比を制御することにより、ケイ素と炭化ケイ素との共蒸着が可能である。
【００３８】
本開示の物品で使用するのに適した基板及びボンドコートのさらなる説明及び例は、Ｗａｎｇ他に付与された米国特許第６，２９９，９８８号の「Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｗｉｔｈ  Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｌａｙｅｒ」に記載されており、その全体の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３９】
再び図１を参照すると、アブレイダブルコーティング５０は、摩耗するよう構成されている実質的に滑らかな表面又はパターニングされた表面を有することができる。たとえば、物品１０は、タービンブレードがシュラウドに接触すると研磨するように構成されたタービンシュラウドであってもよい。シュラウドの実質的に滑らかな摩耗性表面は、流路剛率を維持することができるが、ブレード先端部の激しい摩耗を生じさせる。パターニングされたアブレイダブルシュラウドの表面は、パターニングされていない、又は実質的に滑らかな流路のシュラウドと比較して、ブレード先端部の摩耗を低減させる可能性があるが、タービン効率の低下につながるブレード先端部を横切る漏れが生じるおそれがある。
【００４０】
他の実施形態では、アブレイダブルコーティング５０は、高い流路剛率、ブレード先端部の低い摩耗性、及び高い耐久性という明らかに相反する要求をバランスさせるハイブリッドアーキテクチャとすることができる。
【００４１】
図４を参照すると、アブレイダブルコーティング５０は、第１の領域５２及び第２の領域５４を含むことができる。いくつかの実施形態では、第２の領域５４は、第１の領域５２よりも本質的に摩耗性とすることができる。たとえば、第２の領域５４の材料のみを含む例示的なアブレイダブルシュラウドコーティングは、第２の領域５４の材料の代わりに第１の領域５２の材料を含む実質的に同一な例示的なアブレイダブルシュラウドコーティングと比較して、回転タービンブレードの先端部又はタービンによってより容易に摩耗され得る。第１の領域５２は、ブレードを過度に摩耗することなく、ブレード先端部１２２の侵入を支持しながら機械的完全性を提供する、パターニングされた構造又は比較的緻密な隆起部もしくは相対的に「高い」部分の足場であってもよい。第２の領域５４は、第１の領域すなわち足場５２と比較して、スタンドアロン構造として比較的不十分な機械的完全性を有しながら、ブレード侵入に応じて容易に摩耗する非常に脆いミクロ組織を含むことができる。第２の領域５４の非常に脆いミクロ組織は、たとえば、第１の領域５２と比較して相対的に多孔質の及び／又は微小クラックのミクロ組織を使用することで達成することができる。図４に示すように、典型的な浸食性のガスローディング及び動的条件下での動作を含む典型的なタービン動作中に実質的に無傷のままでブレード侵入を容易にするために、比較的緻密な足場すなわち第１の領域５２によって、第２の領域５４を閉じ込めることができる。いくつかの実施形態では、アブレイダブルコーティング５０の第１の領域５２及び第２の領域５４は、連続する実質的に滑らかな流路表面６０を互いに形成することができる。それによって、アブレイダブルコーティング５０の第１の領域５２及び第２の領域５４は、高い流路剛率、ブレード先端部の低い摩耗性、及び高い耐久性という明らかに相反する要求をバランスさせる熱機械的に堅牢なアブレイダブル構造を形成することができる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、第２の領域５４は、第１の領域５２よりも低密度とすることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、第２の領域５４は、約２０％〜約６５％の空孔率を含むことができ、第１の領域５２は、約２０％未満の空孔率を含むことができる。より好ましくは、いくつかの実施形態では、第２の領域５４は、約２５％〜約５０％の空孔率を含むことができ、第１の領域５２は、約１５％未満の空孔率を含むことができる。いくつかの実施形態では、アブレイダブルコーティング５０の第１の領域５２及び第２の領域５４の両方が少なくとも約１，１５０℃の温度に耐えることができ、より好ましくは、少なくとも約１，３００℃の温度に耐えることができる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、アブレイダブルコーティング５０の第２の領域５４の製造方法は、多孔性の体積分率、サイズ、形状、向き、及び空間分布を規定するために、１つ又は複数の一過性の充填材料の使用を含むことができる。いくつかのそのような実施形態では、充填材料は、たとえば、これに限らないが、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエステル、ナイロン、ラテックス、クルミの殻、無機塩、グラファイト、及びこれらの組合せなどの、一過性の材料及び／又はポア誘導材を含むことができる。第２の領域５４の充填材料は、第２の材料の使用中の密度を低下させる役割を果たすことができる。いくつかの実施形態では、製造工程（後続の熱処理又は化学的処理又は機械的処理など）中に、或いは、たとえばシュラウドなどの物品１０の使用中に、第２の領域５４の充填材料の少なくとも一部を蒸発させ、熱分解させ、溶解させ、浸出させ、又は第２の領域５４から除去することができる。いくつかの実施形態では、アブレイダブルコーティング５０の第２の領域５４の製造方法は、低焼結粉末集塊を形成するなどのために、１つ又は複数の焼結助剤の使用を含んでもよい。
【００４４】
いくつかの実施形態では、アブレイダブルコーティング５０の第１の領域５２及び第２の領域５４は、実質的に同一の組成又は材料を含んでもよい。たとえば、第１の領域５２及び第２の領域５４は、いずれも安定化ジルコニア（金属基板などと共に）又は希土類ケイ酸塩（セラミック基板などと共に）を実質的に含んでもよい。いくつかの実施形態では、第１の領域５２及び第２の領域５４は、いずれも安定化ジルコニアを実質的に含んでもよく、基板２０（図１）は、ニッケル系又はコバルト系のものであってもよい。いくつかの実施形態では、第１の領域５２及び第２の領域５４は、いずれも希土類ケイ酸塩を実質的に含んでもよく、基板は、ＳｉＣ系及び／又はＭｏ−Ｓｉ−Ｂ系のものであってもよい。他のいくつかの実施形態では、第１の領域５２及び第２の領域５４の組成又は材料は、実質的に異なってもよい。いくつかの実施形態では、第１の領域５２及び第２の領域５４の少なくとも一方は、下地の環境バリアコーティング４０の１つ又は複数の材料を実質的に含んでもよく、或いはそれから形成されてもよい。
【００４５】
図４に示すように、第２の領域５４は、第１の領域すなわち足場５２によって実質的に閉じ込められ（すなわち、足場５２のパターンの中間又はその中に配置され）てもよい。第１の領域５２及び第２の領域５４は、通過するタービンブレードが流路表面６０の上を通過し、流路表面６０を潜在的に摺擦し、それによって第１の領域５２及び第２の領域５４の両方を除去するように、配置又は構成することができる。このようにして、第１の領域すなわち足場５２は、過度にブレードを摩耗させずにブレード先端部１２２の侵入を支持しながら、たとえば、侵食による動作中の損傷から、実質的に脆い第２の領域５４を保護するために、機械的な完全性を提供することができる。第１の領域５２及び第２の領域５４は、図４に示すように、第２の領域５４が第１の領域５２の間に位置するように（すなわち、閉じ込められるように）、任意のパターン、配列、又は方向などに配置することができる。いくつかの実施形態では、第１の領域５２及び第２の領域５４は、より緻密な第１の領域５２がより脆い第２の領域５４を侵食性フラックスから効果的に遮蔽するように配置されてもよい。
【００４６】
いくつかの例示的な実施形態では、第１の領域５２は、環境バリアコーティング４０から流路表面６０へ延在する隆起部を含んでもよく、或いはそれによって画定されてもよい。たとえば、第１の領域５２は、環境バリアコーティング４０から延在する周期的な隆起部を含んでもよい。いくつかの実施形態では、第１の領域５２の隣接する隆起部は、互いに分離してもよい。他のいくつかの実施形態では、図４に示すように、第１の領域５２の隣接する隆起部は、その基部を介して連続してもよい。いくつかの実施形態では、隆起部（及び／又は第１の領域５２の他の部分）は、たとえば、少なくとも通過するタービンブレードの方向に対してほぼ垂直な方向に沿って延在してもよい。いくつかの実施形態では、第１の領域５２は、タービンブレードの反り線と実質的に一致する経路又は形状に沿って延在してもよい。いくつかの実施形態では、第１の領域５２は、周期的な隆起部の平行移動の方向がブレードの通過方向と実質的に平行となるように配置された実質的に周期的に離間した一組の隆起部を含む。いくつかの代替的な実施形態では、第１の領域５２の隆起部は、互いに非平行な部分を有してもよく、平行四辺形、六角形、円形、楕円形、又はその他の開いたもしくは閉じた形状などのパターニングされた隆起部アーキテクチャを含んでもよい。いくつかの実施形態では、第１の領域すなわち足場５２の各々は、隣接する第１の領域すなわち足場５２から実質的に等距離である。いくつかの代替的な実施形態では、１つ又は複数の第１の領域すなわち足場５２は、隣接する第１の領域すなわち足場５２から可変に離間してもよい。
【００４７】
いくつかの実施形態では、第１の領域５２及び第２の領域５４の少なくとも一方は、直線的もしくは非直線的に延在してもよいし（たとえば、１つ又は複数の曲線、屈曲、もしくは角度を含んでもよい）、互いに交差してもしなくてもよいし、規則的もしくは不規則的なパターンを形成してもよいし、或いは、これらの組合せ、又は、侵入中にタービンブレードが第１の領域５２及び第２の領域５４を通過し、第１の領域５２が第２の領域５４を閉じ込める（すなわち、第２の領域５４は、第１の領域５２の間に配置される）ような他の任意の配置、パターン、もしくは向きから構成されてもよい。
【００４８】
図４に示す例示的な実施形態では、第１の領域５２は、厚さ平均の隆起部の剛率が約３０％となるように、比較的厚い隆起部を含む。いくつかの実施形態では、第１の領域５２は、環境バリアコーティング４０の上に延在することができ、第２の領域５４は、第１の領域５２の谷部すなわち比較的薄い部分の上に実質的に延在することができる。このようにして、第２の領域５４は、第１の領域５２の谷部を埋めることができる。いくつかの他の実施形態（図示せず）では、第１の領域及び第２の領域は、環境バリアコーティング４０から流路表面６０まで延在することができる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、第１の領域５２の隣接した隆起部間の中心間距離は、約１ｍｍ〜６ｍｍの範囲内とすることができ、より好ましくは、約２ｍｍ〜５ｍｍの範囲内とすることができる。いくつかの実施形態では、第１の領域５２の剛率は、第１の領域５２からなる流路表面６０の全表面積に対する割合として定義され、約２％〜約５０％の範囲内とすることができ、より好ましくは、約５％〜約２０％の範囲内とすることができる。
【００５０】
図５に示すように、シュラウドなどの物品１０は、シュラウド１０の少なくとも一部、たとえばシュラウド１０の環境バリアコーティング系４０の外部表面などを覆う例示的なアブレイダブルコーティング５０を含むことができる。いくつかの実施形態では、アブレイダブルコーティング５０は、シュラウド１０及びロータを組み立てる時に流路表面６０がタービンの中心線に対向するように、シュラウド１０の流路表面６０を画定することができる。たとえば、アブレイダブルコーティング５０は、少なくとも一般的には、流路表面６０がシュラウド１０の流路表面６０を通過する先端部１２２（図４）を有する回転タービンブレード１００に対向するように、又はその方向に向くように、流路表面６０を形成することができる。いくつかの実施形態では、タービンブレード１００がアブレイダブルコーティング５０の上を通過する（及び貫通する）際に、ブレード１００が、摩耗痕１２４に沿ってアブレイダブルコーティング５０の一部を研磨し、摩耗させ、又は除去することができる。アブレイダブルコーティング５０内のタービンブレード先端部１２２（図４）の侵入は、接触時にアブレイダブルコーティング５０内の摩耗痕１２４を形成することができる。図５に示すように、矢印１０２は、タービンロータの回転によって生じる、アブレイダブルコーティング５０に対するタービンブレード１００の平行移動の方向を示す。矢印１０４は、アブレイダブルコーティング５０及びブレード１００に対する流体の流れの軸方向を示す。タービンブレード先端部１２２（図４）は、前縁１１２及び後縁１０８を含むことができ、前縁１１２及び後縁１０８は、図５に破線で示すように摩耗痕１２４の境界を画定することができる。摩耗痕１２４の境界の外側に位置するアブレイダブルコーティング５０の１以上の非摩耗部分１２６が摩耗されずに残る場合があるので、摩耗痕１２４は、アブレイダブルコーティング５０の一部のみを含む場合があり得る。アブレイダブルコーティング５０は、第２の領域５４を閉じ込めている第１の領域５２を含むことができるので、摩耗痕１２４は、第１の領域５２及び第２の領域５４を横切って（たとえば、複数の第１の領域５２及び第２の領域５４を横切って）延在することができる。
【００５１】
いくつかの実施形態では、アブレイダブルコーティング５０（すなわち、第１の領域５２及び第２の領域５４）の厚さは、環境バリアコーティング４０の最も外側の表面から流路表面６０まで測定されるが、約１／１０ｍｍ〜約２ｍｍの範囲内とすることができ、より好ましくは、約１／５ｍｍ〜約１と１／２ｍｍの範囲内とすることができる。いくつかのこのような実施形態では、アブレイダブルコーティング５０（すなわち、第１の領域５２及び第２の領域５４）は、最初は上述したものよりも厚く製造され、そして機械加工されるか、或いは上記の厚さを達成するように処理することができる。たとえば、第１の領域５２及び第２の領域５４を有するアブレイダブルコーティング５０を形成又は製造した後に、アブレイダブルコーティング５０を機械加工し、研磨し、或いはアブレイダブルコーティング５０から材料を除去することによって処理して、ブレード先端部１２２（図４）と流路表面６０との間の所望のクリアランスを提供することができる。所望の流路表面６０を作製するために、製造時の状態のアブレイダブルコーティング５０を処理することによって、アブレイダブルコーティング５０の厚さを低減することができる。いくつかの実施形態では、流路表面６０は、実質的に滑らかであってもよい。いくつかの実施形態では、流路表面６０は、円周方向及び／又は軸方向にいくらかの曲率を含んでもよい。別の例として、基板２０（図１及び図２）は曲率を含んでもよく、流路表面６０の曲率は、基板２０（図１及び図２）の曲率に実質的に適合することができる。
【００５２】
本開示の物品での使用に適したアブレイダブルコーティングのさらなる説明及び例は、２０１４年６月１０日に出願された、Ｌｉｐｋｉｎ他による米国特許出願第１４／３００，５２０号の「Ａｂｒａｄａｂｌｅ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ」に記載されており、その全体の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００５３】
図６は、本開示の態様による物品２００の別の例示的な実施形態を示す。本実施形態では、ボンドコート２３０は基板２２０の上に形成され、環境バリアコーティング２４０はボンドコート２３０の上に形成され、パターニングされたアブレイダブルコーティング２５０は環境バリアコーティング２４０の上に形成される。ボンドコート及び環境バリアコーティングは、上述した物品１０（図１及び図２）のボンドコート及び環境バリアコーティングの態様と同様であり、それを組み込むことができる。
【００５４】
本実施形態では、パターニングされたアブレイダブルコーティング２５０は、複数の空隙２６０を画定する離間した中実部分２５２を有するパターニングされた表面を含むことができる。パターニングされたアブレイダブルコーティング２５０は、環境バリアコーティングの上に延在する基底部分２５１を有することができる。基底部分は、環境バリアコーティングの上に完全に延在することができる。空隙に対する中実部分の比は、約１対１とすることができる。他の実施形態では、中実部分は、中実部分及び空隙部分を画定するパターニングされたアブレイダブルコーティングの一部分の約４０％〜約６０％を占めることができる。いくつかの実施形態では、パターニングされたアブレイダブルコーティングは、テーパ側部２５４及び平坦な上側表面２５６を有する複数の突起であってもよい。テーパ側部は、パターニングされたアブレイダブルコーティングの厚さを概して貫通してもよい。突起は、円錐台形であってもよいし、他の適切な構成を有してもよい。パターニングされたアブレイダブルコーティングは、少なくとも約１，１５０℃の温度に耐えることができ、より好ましくは、少なくとも約１，３００℃の温度に耐えることができる。
【００５５】
パターニングされたアブレイダブルコーティング２５０は、上述したアブレイダブルコーティング５０（図１及び図２）を形成するための材料のうちの１つ又は複数を含んでもよい。アブレイダブルコーティング２５０は、上述したアブレイダブルコーティング５０（図１及び図２）を堆積又は形成するための処理工程のうちの１つ又は複数を用いて堆積又は形成することができる。たとえば、空隙は、超音波加工などの方法により連続した中実材料表面から材料を除去することによって、形成することができる。他の方法は、エンドミル、ドリル加工、レーザアブレーション、及び電子ビームアブレーションを含む。表面から材料を除去する方法の代替例は、表面の空隙が材料を形成する方法から生じるように、材料を準備することである。さらに、アブレイダブルコーティング２５０の中実部分は、上述したアブレイダブルコーティング５０（図１及び図２）の第１の領域又は第２の領域のいずれかと同様の形状で構成することができる。たとえば、パターニングされたアブレイダブルコーティングは、任意のパターン、配置、方向などに配置することができる。たとえば、空隙が中実部分を囲んでもよいし、中実部分が空隙を囲んでもよいし、空隙又は中実部分のいずれも他方を囲まなくてもよいし、或いはこれらの組合せであってもよい。たとえば、中実部分は、環境バリアコーティングから流路表面まで延在する細長いテーパ状隆起部であってもよい。いくつかの実施形態では、アブレイダブルコーティング２５０の厚さは、環境バリアコーティング２４０の最も外側の表面から流路表面まで測定されるが、約１／１０ｍｍ〜約２ｍｍの範囲内とすることができ、より好ましくは、約１／５ｍｍ〜約１と１／２ｍｍの範囲内とすることができる。
【００５６】
図７は、シュラウドなどの物品を形成するための方法３００を示す。この例示的な実施形態では、方法３００は、基板を提供するステップ３１０と、基板上に配置されたボンドコートを堆積させるステップ３２０と、ボンドコート上に中間層を堆積させるステップ３３０と、中間層上に封止層を堆積させるステップ３４０と、封止層上に第１のトップコートを堆積させるステップ３５０と、第１のトップコート上に第２のトップコートを堆積させるステップ３６０と、３７０で第２のトップコート上にアブレイダブルコーティングを堆積させるステップ３７０とを含む。
【００５７】
基板、ボンドコート、環境バリアコーティング、及びアブレイダブルコーティングは、上述した材料を含むことができる。いくつかの例示的な実施形態では、ボンドコート及び環境バリアコーティングを堆積させるステップは、基板の表面の少なくとも一部の上にコーティング系をスプレーし、ローリングし、印刷し、或いは機械的及び／又は物理的に適用することを含むことができる。いくつかの実施形態では、堆積させるステップは、硬化させ、乾燥させ、拡散させ、焼結させ、或いは十分に材料を基板に結合させ、また十分に材料を互いに結合させるように、適用された状態の材料を処理することを含むことができる。
【００５８】
いくつかの実施形態では、アブレイダブル層の堆積は、比較的緻密なアブレイダブルな足場すなわち第１の領域を形成し、緻密なアブレイダブルな足場の間に比較的多孔質の脆い充填領域を形成することを含んでもよい。たとえば、比較的緻密なアブレイダブルな足場すなわち第１の領域を形成するステップは、足場パターンもしくは構造体を形成するパターニングされたマスクを通して比較的緻密なアブレイダブルな材料を溶射すること、比較的緻密なアブレイダブル材料を足場の形に直接書込み溶射すること、コーティング系にグリーン足場パターンの形にスラリーペーストを分配し、その後にスラリーペーストを熱処理して焼結させ、比較的緻密な足場を形成すること、比較的緻密なアブレイダブルな材料の連続的なブランケット層を適用し、その後にブランケット層の一部を除去して比較的緻密なアブレイダブルな材料の足場もしくはパターンを選択的に画定すること、並びに／又はスクリーン印刷、スラリースプレー、もしくはバインダー及び潜在的に１つもしくは複数の焼結助剤を用いてセラミック粉末をパターニングされたテープキャスティングして、グリーン足場又はパターンを形成することを含んでもよい。
【００５９】
たとえば、比較的多孔質の脆い充填領域を形成するステップは、比較的緻密なアブレイダブルな足場もしくはパターン間で、（マスクを用いて、又は用いずに）溶射すること、スラリーを適用すること、及び／又は比較的多孔質の脆い充填剤をテープキャスティング又はスクリーン印刷により適用することを含んでもよい。
【００６０】
アブレイダブルコーティングを処理することができる。たとえば、処理は、研削、研磨、エッチングなどの機械的処理、及び焼結などの熱処理を含むことができる。アブレイダブルコーティングの形成は、上述した処理によって、又は他の処理によって、最初に比較的多孔質の脆い部分を形成し、続いて上述した処理によって、又は他の処理によって、比較的緻密な足場部分を形成することを含んでもよい。アブレイダブルコーティングの形成は、比較的多孔質で脆い材料の実質的に連続したブランケット層を形成し、続いて比較的多孔質の脆い材料の実質的に連続したブランケット層の一部を選択的に緻密にして、比較的緻密なアブレイダブルな足場を形成することを含んでもよい。
【００６１】
比較的緻密なアブレイダブルな足場すなわち第１の領域は、セラミック材料を含んでもよく、脆い充填剤は、一過性の充填材料、ポア誘発剤、及び／又は焼結助剤などの１以上の添加剤を含み得るセラミック粉末であってもよく、１以上の添加剤は、溶射などによりセラミック粉末と共に共蒸着される。
【００６２】
本開示での使用に適したアブレイダブルコーティングを形成するための方法のさらなる説明及び例は、２０１４年６月１０日に出願された、Ｌｉｐｋｉｎ他による米国特許出願第１４／３００，６６６号の「Ｍｅｔｈｏｄｓ  Ｏｆ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ａ  Ｓｈｒｏｕｄ  Ａｂｒａｄａｂｌｅ  Ｃｏａｔｉｎｇ」に記載されており、その全体の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００６３】
以上説明したように、本開示の技術は、ボンドコート及び環境バリアコーティングが適用され、続いて間隙制御のためのパターニングされたアブレイダブルコーティングが適用されるセラミックマトリックス複合材料又はモノリシックセラミックを含むことができるタービン構成部品などの物品に関する。いくつかの実施形態では、ボンドコートは、基板を覆うケイ素層をコーティングし、環境バリアコーティングは、用途のために、希土類二ケイ酸塩を含む中間層、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩（ＢＳＡＳ）を含む又はそれからなる封止層もしくは水蒸気バリア層、希土類二ケイ酸塩の別の層、並びに希土類一ケイ酸塩の層を含むことができる。これらの層の各々は、溶射技術を用いて連続コーティング層として適用することができる。ボンドコート及び４層の環境バリアコーティングの上に、アブレイダブルコーティングを溶射技術により適用することもできる。この５層アーキテクチャ及び摩耗性は、ガスタービンや航空タービン環境などにおいて、少なくとも２，４００°Ｆの動作温度に耐えることができる高性能かつ高温のコーティング系を提供することができる。
【００６４】
理解されるように、各層は、基板又はＣＭＣ部品の保護の具体的な役割を有することができる。たとえば、ケイ素ボンドコートは、ＣＭＣ構成部品の主要な酸化保護を提供することができる。次の希土類二ケイ酸塩層は、次の層であるＢＳＡＳとケイ素ボンドコート層との間の化学的バリア遷移層として作用することができる。ＢＳＡＳ層は、たとえば、タービンの動作環境内の高温燃焼ガスによって生成された水蒸気の浸入による加速された酸化に起因する劣化からケイ素ボンドコートを保護する水蒸気バリアとして機能することができる。ＢＳＡＳ層の上方には別の希土類二ケイ酸塩層があり、揮発からＢＳＡＳを保護するように機能することができる。同様に、希土類一ケイ酸塩の最終的な連続層は、過剰な揮発からその下の希土類二ケイ酸塩を保護する。最終アブレイダブルコーティングの目的は、固定されたＣＭＣ構成部品と翼形部品などの回転構成部品との間の間隙制御を提供することであって、タービンエンジンの動作効率を向上させることができる。
【００６５】
本説明から、ガスタービン及びジェットエンジンなどの高温にさらされるＣＭＣ構成部品は、水蒸気酸化及びＣＭＣ構成部品のケイ素とケイ素カーバイドの蒸発から保護する必要があることが望ましいこと、また、アブレイダブルコーティングと共に環境バリアコーティングは、高温でそのような保護を提供することが理解されよう。アブレイダブルコーティングと共に環境バリアコーティングは、ガスタービン及びジェットエンジン内で遭遇する動作温度において、下地のＣＭＣ構成部品に十分な長期間の保護を提供することができる。
【００６６】
上記の説明は例示するものであって、限定することを意図したものではないことを理解すべきである。添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される本開示の一般的な趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者は多くの変更及び修正を行うことができる。たとえば、上記の実施形態（及び／又はその態様）は、互いに組合せて用いることができる。さらに、本発明の範囲を逸脱せずに特定の状況又は材料を様々な実施形態の教示に適応させるために、多くの修正を行うことができる。本明細書に記載した材料の寸法及び種類は、様々な実施形態のパラメータを規定するためのものであるが、それらは決して限定的なものではなく、単に例示的なものにすぎない。多くの他の実施形態は、上記の説明を検討することにより当業者には明らかであろう。したがって、様々な実施形態の範囲は、添付した特許請求の範囲に与えられる均等物の完全な範囲と共に、添付した特許請求の範囲によって決定されなければならない。添付した特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「そこにおいて（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」という用語は、それぞれ「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「そこにおいて（ｗｈｅｒｅｉｎ）」という用語の平易な英語に相当するものとして用いられる。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第１の」、「第２の」、及び「第３の」等の用語は、単にラベルとして用いており、それらの対象物に対して数の要件を課すことを意図するものではない。また、結合された、接続された、接合された、封止されたなどの用語と併用された「動作可能に」という用語は、本明細書において、分離した個別の構成要素が直接的又は間接的に結合されることによる接続と、構成要素が一体に（すなわち、ワンピースに、一体に、又はモノリシックに）形成されることによる接続と、の両方を指すものとして使用される。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、そのような特許請求の範囲の限定が「のための手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」の後にさらなる構造のない機能についての記載が続くフレーズを明白に用いない限り、そしてそうするまでは、ミーンズプラスファンクション形式で書かれたものではなく、米国特許法第１１２条第６項に基づいて解釈されることを意図するものではない。任意の特定の実施形態に基づいて、上述したすべてのこのような対象物又は利点が必ずしも達成できるわけではないことを理解すべきである。したがって、たとえば、当業者には明らかなように、本明細書に記載されたシステム及び技術は、本明細書で教示又は示唆されるように他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示される１つの利点もしくは１群の利点を達成又は最適化する態様で具現化又は実施してもよい。
【００６７】
本開示について限られた数の実施形態にのみ関連して詳述しているが、本開示がこのような開示された実施形態に限定されないことが直ちに理解されるべきである。むしろ、これまでに記載されていない任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を組み込むために、本開示を修正することができ、それらは本開示の趣旨と範囲に相応している。さらに、様々な実施形態について記載しているが、本開示の態様は記載した実施形態のうちのいくつかのみを含んでもよいことを理解すべきである。したがって、本開示は、上記の説明によって限定されるとみなされるのではなく、添付した特許請求の範囲によって限定されるだけである。
【００６８】
この明細書は、最良の形態を含む実施例を用いており、また、いかなる当業者も本開示を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイス又はシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本開示の特許され得る範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、又は、それらが請求項の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００６９】
１０  物品
２０  基板
３０  ボンドコート
４０  環境バリアコーティング／環境バリアコーティング系
４２  中間層
４４  封止層
４６  第１のトップコート
４８  第２のトップコート
５０  アブレイダブルコーティング
５２  第１の領域／足場
５４  第２の領域
６０  流路表面
１００  タービンブレード
１０２  矢印
１０４  矢印
１０８  後縁
１１２  前縁
１２２  タービンブレード先端部
１２４  摩耗痕
１２６  非摩耗部分
２００  物品
２２０  基板
２３０  ボンドコート
２４０  環境バリアコーティング
２５０  パターニングされたアブレイダブルコーティング
２５１  基底部分
２５２  中実部分
２５４  テーパ側部
２５６  平坦な上側表面
２６０  空隙
【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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【外国語明細書】
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