JP2020094579A - 表面仕上げ改善用のコーティング - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン用のコーティングを提供する。【解決手段】セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素（１００）は、少なくとも１つのシール表面（６４）であって、少なくとも１つのシール表面（６４）は、インターフェース表面に隣接して配置されてそれらの間にシールを提供する少なくとも１つのシール表面（６４）と、シール表面（６４）に配置されたコーティングとを含む。コーティングは、酸化アルミニウムおよび／または二酸化ケイ素を含む。【選択図】図２

Description

本主題は、一般に、コーティングに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン用のコーティングに関する。

より効率的なガスタービンエンジンの需要により内部動作温度が高くなっていることから、高温材料への移行が金属ニッケル基超合金からセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）への移行を促進し、これは機械的強度ならびに高温耐性の両方を提供する。しかしながら、ＣＭＣは、金属ニッケル基超合金と比較して生産コストが高く、かつ／または製造サイクル時間が長い場合がある。さらに、ＣＭＣ構成要素を形成することができるジオメトリおよび／またはトポロジは、金属ニッケル基超合金と比較して制限される場合がある。

ＣＭＣの直交異方性の性質は、多孔性および一貫性のない機械加工された表面仕上げにつながり得る。ＣＭＣシーリング表面の多孔性（すなわち、ＣＭＣがガスタービンの高温ガス経路（ＨＧＰ）内またはその近くに設置されている用途）により、冷却流がシールを通過して漏れ、それにより効率損失がもたらされる可能性がある。加えて、例えばセラミックマトリックスおよび／または繊維の材料除去の速度が異なることによる一貫性のない機械加工により、仕上げられたＣＭＣ構成要素にリップルまたは粗い表面が生じる場合がある。粗い表面がＣＭＣシールとシール表面との間にうねりおよび隙間を作ることで冷却流が漏れる可能性があり、これもガスタービンエンジンの効率損失につながることになる。

本実施形態の態様を、以下に要約する。これらの実施形態は特許請求する実施形態の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は、実施形態について可能性がある形式の概要を提供しようとするものにすぎない。さらに、実施形態は、特許請求の範囲と同等の、以下に記載の実施形態と同様または異なり得る様々な形態を包含し得る。

一態様では、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素は、少なくとも１つのシール表面であって、少なくとも１つのシール表面は、インターフェース表面に隣接して配置されてそれらの間にシールを提供する少なくとも１つのシール表面と、シール表面に配置されたコーティングとを含む。コーティングは、酸化アルミニウムおよび／または二酸化ケイ素を含む。

別の態様では、ガスタービンは、圧縮機セクションと、圧縮機セクションの下流に流体的に結合された燃焼器セクションと、燃焼器セクションの下流に流体的に結合されたタービンセクションと、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素とを含む。ＣＭＣ構成要素は、インターフェース表面に隣接して配置されてそれらの間にシールを提供する少なくとも１つのシール表面と、シール表面に配置されたコーティングとを含む。コーティングは、酸化アルミニウムおよび／または二酸化ケイ素を含む。

別の態様では、コーティングされたセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素を形成する方法は、ＣＭＣ構成要素を提供することと、ＣＭＣ構成要素の研削およびＣＭＣ構成要素の放電加工（ＥＤＭ）の少なくとも１つを実行することと、コーティングをＣＭＣ構成要素に堆積することとを含む。コーティングは、酸化アルミニウムおよび／または二酸化ケイ素を含む。

本開示のこれらの、ならびに他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、同様の符号は同様の部分を表す。

ガスタービンエンジンの側面概略図である。 タービン翼形部の側面概略図である。 コーティング組成物の試験点の概要である。 さらなる研究のために選択されたコーティング組成物の要約である。 本実施形態の態様による、コーティングが配置されたＣＭＣ構成要素を形成する方法である。

特に明記しない限り、本明細書において提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を図示するものである。これらの特徴は、本開示の１つまたは複数の実施形態を含む多種多様なシステムで適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本明細書に開示される実施形態の実施のために必要とされる当業者に知られているすべての従来の特徴を含むことを意味しない。

以下の明細書および特許請求の範囲において、いくつかの用語に言及するが、それらは以下の意味を有すると規定する。

単数形「１つの（ａ、ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、文脈が特に明確に指示しない限り、複数の言及を含む。

「任意の」または「任意に」は、後で述べられる事象または状況が、起こる場合も起こらない場合もあることを意味し、この記述は、その事象が起こる事例と、起こらない事例とを含むことを意味する。

本明細書および特許請求の範囲を通してここで使用される、近似を表す文言は、関連する基本的機能に変化をもたらすことなく、差し支えない程度に変動できる任意の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、「約」および「実質的に」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限定は組み合わせおよび／または置き換えが可能であり、文脈および文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、それに包含されるすべての部分範囲を含む。

本明細書で使用する場合、「軸方向の」という用語は、ガスタービンの中心軸またはシャフトと整列した方向を指す。

本明細書で使用する場合、「円周方向の」という用語は、ガスタービンの外周の周りの（および接線方向の）方向、または例えば、ガスタービンのロータの掃引領域によって画定された円を指す。本明細書で使用する場合、「円周方向の」および「接線方向の」という用語は、同義語である場合がある。

本明細書で使用する場合、「半径方向の」という用語は、ガスタービンの中心軸から離れて外向きに移動する方向を指す。「半径方向内向き」の方向は、中心軸に向かって整列し、半径が減少する方向に向かって移動する。「半径方向外向き」の方向は、中心軸から離れて整列し、半径が増加する方向に向かって移動する。

ここで図面を参照すると、同様の参照符号は同様の構成要素を指し、図１は、本明細書に開示される実施形態の様々な態様を組み込むことができるガスタービン１０の例を示している。示すように、ガスタービン１０は、一般に、圧縮機セクション１２を含み、圧縮機セクション１２は、ガスタービン１０の上流端に配置された入口１４と、圧縮機セクション１２を少なくとも部分的に囲むケーシング１６とを有する。ガスタービン１０は、圧縮機セクション１２から下流に少なくとも１つの燃焼器２０を有する燃焼セクション１８と、燃焼セクション１８から下流のタービンセクション２２とをさらに含む。示すように、燃焼セクション１８は、複数の燃焼器２０を含むことができる。シャフト２４は、ガスタービン１０を通って軸方向に延びる。図１は、半径方向９４、軸方向９２および円周方向９０を示している。

さらに図１を参照すると、ガスタービン１０は、燃焼器２０の下流端とタービンセクション２２の上流端との間に配置されたトランジションピース５２を含むことができる。燃焼器２０は、燃焼器２０の境界を画定する燃焼器ライナ５４を含むことができる。燃焼セクション１８は、ガスタービン１０の周りに円周方向に離間した複数の実質的に円筒形の「缶型」燃焼器２０を含むことができ、この場合、燃焼器ライナ５４も実質的に円筒形とすることができる。他の実施形態では、燃焼セクション１８は、環状燃焼器２０を含むことができ、この場合、燃焼器ライナ５４は、環状燃焼器２０の半径方向内側境界を画定する内側ライナ（図示せず）、ならびに環状燃焼器２０の半径方向外側境界を画定する外側ライナ（図示せず）の両方を含むことができる。ガスタービン１０はまた、タービンセクション２２に位置し、トランジションピース５２の軸方向後方に配置された段１のノズル５６、ならびに第１段タービンロータ３６の下流に配置された第２段ノズル５８を含むことができる。ガスタービン１０はまた、ロータとステータ（すなわち、ブレード３６とノズル３４）との間の軸方向場所でタービンガス経路の半径方向外側境界を画定する１つまたは複数の流路ダクト６０を含むことができる。ガスタービンの「高温セクション」は、燃焼器セクション１８およびその構成要素、ならびにタービンセクション２２およびその構成要素の両方を含むことができる。

動作中、空気２６は、圧縮機セクション１２の入口１４に引き込まれ、次第に圧縮されて圧縮空気２８を燃焼セクション１８に提供する。圧縮空気２８は、燃焼セクション１８に流入し、燃焼器２０の燃料と混合されて可燃性混合物を形成する。可燃性混合物は、燃焼器２０で燃焼され、それにより燃焼器２０からタービンノズル３４の第１段３２を横切ってタービンセクション２２に流れる高温ガス３０を生成する。タービンセクションは、一般に、タービンノズル３４の隣接する列によって軸方向に分離されたロータブレード３６の１つまたは複数の列を含む。ロータブレード３６は、ロータディスクを介してロータシャフト２４に結合される。ロータシャフト２４は、エンジン中心線ＣＬを中心に回転する。タービンケーシング３８は、ロータブレード３６およびタービンノズル３４を少なくとも部分的に包囲する。ロータブレード３６の列の各々または一部は、タービンケーシング３８内に配置されるシュラウドブロックアセンブリ４０によって同心円状に囲まれてもよい。高温ガス３０は、タービンセクション２２を通って流れる際に急速に膨張する。熱および／または運動エネルギーが高温ガス３０からロータブレード３６の各段に伝達され、それによりシャフト２４が回転して機械的仕事が生じる。シャフト２４は、発電機（図示せず）などの負荷に結合されて電気を発生することができる。加えて、または代わりに、シャフト２４を使用して、ガスタービンの圧縮機セクション１２を駆動することができる。

図２は、本開示の様々な実施形態による、例示的なロータブレード３６およびシュラウドブロックアセンブリ４０の一部を含むタービンセクション２２の一部の拡大側面図を示している。タービンロータブレードまたは翼形部３６は、軸方向前方の前縁４４から軸方向後方の後縁４６に、および半径方向内向きの根元４８から半径方向外側の先端４２に延びる。翼形部３６は、高温ガス経路の半径方向内側境界を画定するプラットフォーム５０を含む。図２に示すように、シュラウドブロックアセンブリ４０は、一般に、タービンケーシング３８（図示せず）とロータブレード３６の先端部分４２との間で翼形部３６から外向きに半径方向９４に延びる。シュラウドブロックアセンブリ４０は、一般に、複数のシュラウドブロックセグメント１００をシュラウドブロックアセンブリ４０に固定するための装着ハードウェア６２を含む。複数のシュラウドブロックセグメント１００は、タービンケーシング３８（図示せず）内のロータブレード３６の周りに環状配列で円周方向９０に配置することができる。

さらに図２を参照すると、各シュラウドブロックセグメント１００は、隣接するシュラウドブロックセグメント１００と円周方向のインターフェースを形成するスラッシュ面６４を含むことができる。別の言い方をすれば、複数のシュラウドブロックセグメント１００は、円周方向９０に配置することができ、各シュラウドブロックセグメント１００のスラッシュ面６４は、隣接するシュラウドブロックセグメント１００のスラッシュ面６４に接触および／または隣接することができる。各シュラウドブロックセグメント１００はまた、シュラウドセグメント前方縁６８と、シュラウドセグメント後方縁６６と、シュラウド高温ガス表面７６とを含むことができる。シュラウドセグメント前方縁６８およびシュラウドセグメント後方縁６６は、各シュラウドブロックセグメント１００の軸方向前方および後方端にそれぞれ位置し、一方、シュラウド高温ガス表面７６は、各シュラウドブロックセグメント１００の半径方向内向き表面に配置され、タービン高温ガス経路の半径方向外側境界を形成する。プラットフォーム５０はまた、各プラットフォーム５０の軸方向前方、軸方向後方および円周方向端にそれぞれ配置されたプラットフォーム前方縁７２、プラットフォーム後方縁７０、およびプラットフォーム円周方向縁７４を含むことができる。本明細書に開示される実施形態のコーティングは、トランジションピース５２、燃焼器ライナ５４、第１段ノズル５６、第２段ノズル５８、他のタービンノズル３４、流路ダクト６０、スラッシュ面６４、シュラウドセグメント前方縁６８、シュラウドセグメント後方縁６６、シュラウド高温ガス表面７６、プラットフォーム前方縁７２、プラットフォーム後方縁７０、プラットフォーム円周方向縁７４、ならびにＣＭＣ構成要素の他のシール表面の１つまたは複数に配置されてもよい。

図３および図４は、本明細書に開示される実施形態のコーティングの様々な材料特性を定量化するために行われた、一連の試験点を要約している。いずれの場合も、約０．０１インチ〜約０．０７インチの厚さのコーティングが、様々な方法を使用して坩堝に塗布された。１つまたは複数の場合、約０．０２インチ〜約０．０５インチの厚さのコーティングが使用された。適切な耐熱性および表面品質を有する任意の坩堝が使用可能である。例えば、坩堝は、１つまたは複数の黒鉛坩堝、丸みを帯びた縁を有するセラミックロッド、機械加工されたセラミック表面、および／または他の適切な坩堝を含んでもよい。コーティングは、テープ、モールド、エアスプレーを介して坩堝に塗布され、手動でブラッシングされ、粉末として塗布され、続いて結晶化され、および／または他の適切な技法を介して行われてもよい。加えて、所望のコーティング厚さ、密度などに到達するために、塗布プロセスに様々な修正を加えることができる。例えば、コーティングがエアスプレー塗布プロセスを介して塗布される流量を調整することができる。加えて、坩堝が塗布装置の下で移送される速度（および／または塗布装置が坩堝の上を移動する速度）を調整することができる。コーティングが塗布される高さならびにコーティングが塗布される圧力の両方もまた、調整されてもよい。

図３は、試験された特定の組成物３５４を含む多数の材料系３５２の処理温度３５６、ならびに結果として生じる熱膨張係数（ＣＴＥ）３５８および軟化点３６０を示している。試験点３０２、３０４、３０６、および３０８はすべて、様々な質量百分率の酸化バリウム（すなわち、ＢａＯおよび「Ｂ−Ａ−Ｓ」中の「Ｂ」）、酸化アルミニウム（すなわち、Ａｌ２Ｏ３および「Ｂ−Ａ−Ｓ」中の「Ａ」）および二酸化ケイ素（すなわち、ＳｉＯ２および「Ｂ−Ａ−Ｓ」中の「Ｓ」）を有する組成物を含むＢ−Ａ−Ｓ材料系で実行された。例えば、図３の組成物欄３５４に列挙された組成百分率によって示されるように、試験点３０２は、３３質量パーセントの二酸化ケイ素、６１．５質量パーセントの酸化バリウム、および５．５質量パーセントの酸化アルミニウムを含み、試験点３０４は、４０．３質量パーセントの二酸化ケイ素、５１．３質量パーセントの酸化バリウム、および８．４質量パーセントの酸化アルミニウムを含む。１３００℃の処理温度３５６で実行された試験点３０２は、１２．４（×１０＾−６／（℃））のＣＴＥ３５８および１２００℃を超える軟化点３６０をもたらした。試験点３０２により１２００℃を超える良好な軟化点３６０が得られたが、ＣＴＥ３５８は望ましい値よりも高かった。試験点３０４も１３００℃の処理温度３５６で実行されたが、試験点３０２とは異なるＢ−Ａ−Ｓ組成物で、８．９（×１０＾−６／（℃））のＣＴＥ３５８および８１５℃の軟化点３６０をもたらした。したがって、試験点３０４は、所望のＣＴＥ３５８も所望の軟化点３６０ももたらさなかった。それぞれ１４００℃および１３００℃において様々なＢ−Ａ−Ｓ組成物で実行された試験点３０６と３０８の両方が良好なＣＴＥ３５８（すなわち、約８．０（×１０＾−６／（℃））以下）をもたらしたが、望ましい軟化点３６０よりも低かった。ＣＴＥ３５８は、試験点３０８に対して定量化されなかった。

さらに図３を参照すると、組成物欄３５４に示すように、試験点３１０、３１２、および３１４は、Ｂ−Ａ−ＳおよびＳｉＣ（炭化ケイ素）の質量による組成物を含むＢ−Ａ−Ｓ／ＳｉＣ材料系で実行された。試験点３１０、３１２、および３１４の各々で使用されたＢ−Ａ−Ｓ材料系は、６６．７質量パーセントの二酸化ケイ素、２０質量パーセントの酸化バリウム、および１３．３質量パーセントの酸化アルミニウムを含んでいた（すなわち、試験点３０６と同じＢ−Ａ−Ｓ材料系）。試験点３１０は、９８％のＢ−Ａ−Ｓおよび２％のＳｉＣの組成物で実行され、試験点３１２は、８０％のＢ−Ａ−Ｓおよび２０％のＳｉＣの組成物のコーティングで実行された。試験点３１０、３１２、および３１４の各々は、１４００℃の処理温度３５６で実行され、良好なＣＴＥ３５８（すなわち、約８．０（×１０＾−６／（℃））以下）をもたらしたが、望ましい軟化点３６０よりも低かった。加えて、試験点３１２および３１４は、多孔質コーティングをもたらした。

さらに図３を参照すると、試験点３１６、３１８、および３２０は各々、５４質量パーセントの二酸化ケイ素（すなわち、ＳｉＯ２および「Ｓ−Ａ−Ｙ」の「Ｓ」）、１８．０７質量パーセントの酸化アルミニウム（すなわち、Ａｌ２Ｏ３および「Ｓ−Ａ−Ｙ」の「Ａ」）、および２７．９３質量パーセントの酸化イットリウム（すなわち、Ｙ２０３および「Ｓ−Ａ−Ｙ」の「Ｙ」）を含むＳ−Ａ−Ｙ材料系で実行された。試験点３１６、３１８、および３２０は、それぞれ１３００℃、１３５０℃、および１４００℃の処理温度３５６で実行され、各々が良好なＣＴＥ３５８（すなわち、約８．０（×１０＾−６／（℃））以下）および良好な軟化点３６０（すなわち、１２００℃を超える）をもたらした。しかしながら、試験点３１６は、多孔質コーティングをもたらした。

さらに図３を参照すると、試験点３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、および３３２は各々、Ｓ−Ａ−ＹおよびＢ２Ｏ３材料系の混合物を含むコーティング組成物で実行された。試験点３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、および３３２の各々のＳ−Ａ−Ｙ材料系は、試験点３１６、３１８、および３２０のＳ−Ａ−Ｙ材料系と同様に、５４質量パーセントの二酸化ケイ素（すなわち、ＳｉＯ２および「Ｓ−Ａ−Ｙ」の「Ｓ」）、１８．０７質量パーセントの酸化アルミニウム（すなわち、Ａｌ２Ｏ３および「Ｓ−Ａ−Ｙ」の「Ａ」）、および２７．９３質量パーセントの酸化イットリウム（すなわち、Ｙ２０３および「Ｓ−Ａ−Ｙ」の「Ｙ」）を含む。試験点３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、および３３２の各々はまた、酸化ホウ素（すなわち、Ｂ２Ｏ３）を含む。例えば、試験点３２２は、９７質量パーセントのＳ−Ａ−Ｙ材料および３質量パーセントの酸化ホウ素を含み、試験点３２４、３２６、および３２８は各々、９５質量パーセントのＳ−Ａ−Ｙ材料および５質量パーセントの酸化ホウ素を含む。試験点３２２、３２４、３２６、３２８、３３０、および３３２の各々は良好なＣＴＥ３５８（すなわち、約８．０（×１０＾−６／（℃））以下）をもたらしたが、試験点３２２、３２４、３２６、および３２８のみが良好な軟化点３６０（すなわち、１２００℃を超える）をもたらした。加えて、試験点３２２、３２４、および３２６はすべて、多孔質コーティングをもたらした。

引き続き図３を参照すると、試験点３３４、３３６、３３８、３４０、３４２、３４４、３４６、３４８、および３５０は各々、異なる比率および異なる処理温度３５６で、Ｓ−Ａ−ＹおよびＢ−Ａ−Ｓ材料系の混合物を含むコーティング組成物で実行された。試験点３３４、３３６、３３８、３４０、３４２、３４４、３４６、３４８、および３５０の各々は、試験点３１６〜３３２のＳ−Ａ−Ｙ材料系と同様に、５４質量パーセントの二酸化ケイ素（すなわち、ＳｉＯ２および「Ｓ−Ａ−Ｙ」の「Ｓ」）、１８．０７質量パーセントの酸化アルミニウム（すなわち、Ａｌ２Ｏ３および「Ｓ−Ａ−Ｙ」の「Ａ」）、および２７．９３質量パーセントの酸化イットリウム（すなわち、Ｙ２０３および「Ｓ−Ａ−Ｙ」の「Ｙ」）を含むＳ−Ａ−Ｙ材料系を含む。試験点３３４、３３６、３３８、３４０、３４２、３４４、３４６、３４８、および３５０の各々は、６６．７質量パーセントの二酸化ケイ素、２０質量パーセントの酸化バリウム、および１３．３質量パーセントの酸化アルミニウムを含むＢ−Ａ−Ｓ材料系を含む（すなわち、試験点３０６、３１０、３１２、および３１４と同じＢ−Ａ−Ｓ材料系）。試験点３３４、３３６、３３８、３４０、３４２、３４４、３４６、３４８、および３５０の各々は、良好なＣＴＥ３５８をもたらした（すなわち、約８．０（×１０＾−６／（℃））以下）。試験点３３４、３３６、３３８、３４０、３４２、３４６、および３４８（すなわち、試験点３４４および３５０を除くすべて）は、良好な軟化点３６０（すなわち、１２００℃を超える）をもたらした。加えて、試験点３３４、３３６および３４０は、多孔質コーティングをもたらした。

図４は、図３からの良好なＣＴＥ３５８および軟化温度３６０を含む非多孔質コーティングの各々の概要を示している。そのようなものとして、試験点３１８、３２０、３２８、３３８、３４２、３４６、および３４８から得られたコーティングは、図４に含まれて要約される。これらの７つの試験点から得られたコーティングは、表面粗さを理解するためにさらに研究された。試験点３１８、３２０、３２８、３３８、および３４６から得られたコーティングは粗い表面を有することが見出された一方、試験点３４２および３４８から得られたコーティングは滑らかな表面を有することが見出された。表面仕上げは、マイクロインチ（インチ×１０＾−６）単位の平均粗さＲａで定量化された。平均粗さＲａは、表面の測定された微細な山と谷の平均として算出される。粗い表面は、平均粗さが約１５０Ｒａを上回る、または約１５０Ｒａ〜約２５０Ｒａの表面を含み得る。滑らかな表面は、平均粗さが約１５０Ｒａを下回る、または約１００Ｒａを下回る表面を含み得る。他の実施形態では、滑らかな表面は、平均粗さが約１０Ｒａ〜約８０Ｒａの表面を含むことができる。他の実施形態では、滑らかな表面は、平均粗さが約１５Ｒａ〜約６０Ｒａの表面を含むことができる。他の実施形態では、滑らかな表面は、平均粗さが約２０Ｒａ〜約５０Ｒａの表面を含むことができる。他の実施形態では、滑らかな表面は、平均粗さが約３０Ｒａ〜約４０Ｒａの表面を含むことができる。滑らかな表面は、平均粗さが約１０Ｒａ〜約１５０Ｒａの表面と、その間のすべての部分範囲を含む。

図３および図４に含まれる材料系の組成物は、示されている正確な成分の周囲において異なる場合がある。例えば、約５４％のＳ、１８％のＡおよび２８％のＹ（すなわち、試験点３１６、３１８、および３２０）を含むＳ−Ａ−Ｙ組成物は、成分の各々の周囲において２％、３％、さらには５％の許容帯域を含み得る。例えば、Ｓ−Ａ−Ｙ組成物は、５％の許容帯域を想定して、約４９％〜約５９％のＳ、約１３％〜約２３％のＡ、および約２３％〜約３３％のＹを含むことができる。同様に、Ｓ−Ａ−Ｙ組成物は、３％の許容帯域を想定して、約５１％〜約５７％のＳ、約１５％〜約２１％のＡ、および約２５％〜約３１％のＹを含むことができる。同様に、Ｓ−Ａ−Ｙ組成物は、２％の許容帯域を想定して、約５２％〜約５６％のＳ、約１６％〜約２０％のＡ、および約２６％〜約３０％のＹを含むことができる。したがって、Ｓ−Ａ−ＹとＢ−Ａ−Ｓ材料系の混合物を含む試験点（すなわち、試験点３３４〜３５０）は、組成物全体にＳ−Ａ−Ｙ材料系の７０％しか含まず、組成物全体は、５％の許容帯域に起因する範囲の各々の下限の７０％しか含み得ない。例えば、７０：３０の比率のＳ−Ａ−Ｙ：Ｂ−Ａ−Ｓ材料系は、Ｓ−Ａ−Ｙ材料系の成分を考慮すると、約３４．３質量パーセントのＳ（すなわち、二酸化ケイ素）、約９．１質量パーセントの酸化アルミニウム、および約１６．１質量パーセントの酸化イットリウムしか含み得ない。Ｂ−Ａ−Ｓ材料系も考慮すると、９０：１０のＳ−Ａ−Ｙ：Ｂ−Ａ−Ｓ比率では、二酸化ケイ素は、約３４．３パーセントから約４０．５パーセントに増加し得（すなわち、Ｂ−Ａ−Ｓ材料系の二酸化ケイ素により、組成物全体の６．２％が追加される）、一方、酸化アルミニウムは、約９．１から約９．９パーセントに増加し得る（すなわち、Ｂ−Ａ−Ｓ材料系の酸化アルミニウムにより、組成物全体の約０．８％が追加される）。

試験点３０６のＢ−Ａ−Ｓ材料組成物は、ＣＴＥ３５８が低いため、試験点３１０〜３１４および３３４〜３５０に対して再度繰り返された。この材料組成物は、６６．７％のＳ、２０％のＢ、および１３．３％のＡを含んでいた。５％の許容帯域によって囲まれているとき、これらの割合は、約６２％〜約７２％のＳ、約１５％〜約２５％のＢ、および約８％〜約１８％のＡの範囲である。３％の許容帯域によって囲まれているとき、これらの割合は、約６４％〜約７０％のＳ、約１７％〜約２３％のＢ、および約１０％〜約１６％のＡの範囲である。２％の許容帯域によって囲まれているとき、これらの割合は、約６５％〜約７９％のＳ、約１８％〜約２２％のＢ、および約１１％〜約１５％のＡの範囲である。

図５は、本明細書に開示される実施形態による、コーティングでコーティングされたＣＭＣ構成要素を形成する方法５００を示している。ステップ５０２において、方法は、ＣＭＣ構成要素を提供することを含む。ＣＭＣ構成要素は、仕上げられたＣＭＣ構成要素、グリーン状態のＣＭＣ構成要素、および／または固化されているが熱処理および／または機械加工などの１つまたは複数の後処理ステップを必要とし得るＣＭＣ構成要素を含んでもよい。ステップ５０４において、方法は、ＥＤＭ（放電加工）プロセスをＣＭＣ構成要素に実行することを含むことができる。ステップ５０６において、方法５００は、研削プロセスをＣＭＣ構成要素に実行することを含むことができる。ステップ５０４および５０６は、任意の順序で実行されてもよい。いくつかの実施形態では、ステップ５０４と５０６の両方が実行される。いくつかの実施形態では、ステップ５０４もステップ５０６も実行されない。いくつかの実施形態では、ステップ５０４および５０６の一方のみが実行される。ステップ５０８において、方法５００は、コーティングをＣＭＣ構成要素に堆積することを含むことができる。コーティングは、スプレー、プラズマスプレー、および／もしくはエアスプレー、テープ、手動ブラッシングを介して、ならびに／または粉末を介してＣＭＣ構成要素に堆積され、続いてＣＭＣ構成要素上で結晶化および／もしくは反応し得る。ステップ５１０において、方法５００は、コーティングされたＣＭＣ構成要素を熱処理することを含むことができる。ステップ５１２において、方法５００は、コーティングされたＣＭＣ構成要素を研削することを含むことができる。ステップ５１４において、方法５００は、コーティングされたＣＭＣ構成要素をホーニング加工することを含むことができる。ステップ５１６において、方法５００は、コーティングされたＣＭＣ構成要素を押出ホーニング加工することを含むことができる。ステップ５１８において、方法５００は、コーティングされたＣＭＣ構成要素を研磨することを含むことができる。いくつかの実施形態では、他のステップが実行されてもよい。いくつかの実施形態では、ステップ５０２〜５１８の１つまたは複数は、省略されてもよい。いくつかの実施形態では、ステップ５０２〜５１８の１つまたは複数は、図５に示されるものとは異なる順序で実行されてもよい。

本明細書に開示される実施形態のコーティングおよび／またはシーラントは、ＣＭＣ表面および／または構成要素が流路境界を画定し、かつ／または隣接する構成要素とのインターフェース表面を画定する（すなわち、それによりシールを形成する）、上述の場所の各々に配置され得る。別の言い方をすれば、本実施形態のコーティングは、強化されたシールおよび／または改善された表面仕上げが望まれる任意のＣＭＣ境界および／またはインターフェース表面に配置することが望ましい場合がある。コーティングを配置することができる表面は、トランジションピース５２、燃焼器ライナ５４、第１段ノズル５６、第２段ノズル５８、他のタービンノズル３４、流路ダクト６０、１つまたは複数のスラッシュ面６４、１つまたは複数のシュラウドセグメント前方縁６８、１つまたは複数のシュラウドセグメント後方縁６６、１つまたは複数のシュラウド高温ガス表面７６、プラットフォーム前方縁７２、プラットフォーム後方縁７０、プラットフォーム円周方向縁７４、ならびにＣＭＣ構成要素の他のシール表面の１つまたは複数を含んでもよい。

本明細書に開示される実施形態によるコーティングの各々は、上に列挙されたもの以外の他の酸化物を含んでもよい。例えば、酸化ホウ素は、二酸化ホウ素、三酸化ホウ素、一酸化ホウ素、および／または亜酸化ホウ素を含んでもよい。同様に、酸化アルミニウムは、酸化アルミニウム（Ｉ）、酸化アルミニウム（ＩＩ）、および／または酸化アルミニウム（ＩＩＩ）を含んでもよい。本明細書に開示される実施形態によるコーティングの各々は、動作中に滑らかなままであるガラス状表面を含んでもよい。対照的に、他の従来のＥＢＣ（環境障壁コーティング）および／またはＴＢＣ（熱障壁コーティング）は、ガスタービンの内部動作温度にさらされると、時間がたつにつれて脆くなり、剥がれる場合がある。本明細書に開示される実施形態によるコーティングの各々は、それらが配置されるＣＭＣ基材と実質的に同様のＣＴＥ（熱膨張係数）を含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるコーティングのＣＴＥは、それらが配置されるＣＭＣ基材のＣＴＥの約５０％以内である。他の実施形態では、本明細書に開示されるコーティングのＣＴＥは、それらが配置されるＣＭＣ基材のＣＴＥの約２０％以内である。他の実施形態では、本明細書に開示されるコーティングのＣＴＥは、それらが配置されるＣＭＣ基材のＣＴＥの約１０％以内である。他の実施形態では、本明細書に開示されるコーティングならびにそれらが配置されるＣＭＣ基材の両方は、約８．０（×１０＾−６／（℃））以下のＣＴＥを含む。従来のコーティングでは、うねりがシール表面に形成される可能性があり、望ましくない漏れが流れ出ることがある。高い軟化温度を含むことにより、および内部ガスタービンの動作温度にさらされても滑らかに保つことにより、配置されるＣＭＣ基材にほぼ一致するＣＴＥを含むことによって、本明細書に開示されるコーティングは、実質的にうねりのない滑らかなシーリング表面を提供し、それにより強化されたシーリングをもたらすことができる。別の言い方をすれば、本明細書に開示されるコーティングは、望ましくない漏れ流の増加につながり得る、ＣＭＣシール表面の嵌合および／またはインターフェースによるうねりおよび／または隙間の発生を防止することができる。

本開示の様々な実施形態の特定の特徴は、一部の図面に示され、他の図面には示されていないかもしれないが、これは単に便宜上にすぎない。本開示の原理によれば、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または特許請求することができる。

本明細書は、本開示の実施形態を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。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、任意のデバイスまた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。本明細書に記載した実施形態の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められ、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は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図されている。

１０ ガスタービン
１２ 圧縮機セクション
１４ 入口
１６ ケーシング
１８ 燃焼セクション、燃焼器セクション
２０ 環状燃焼器
２２ タービンセクション
２４ ロータシャフト
２６ 空気
２８ 圧縮空気
３０ 高温ガス
３２ 第１段
３４ タービンノズル
３６ タービンロータブレード、翼形部、第１段タービンロータ
３８ タービンケーシング
４０ シュラウドブロックアセンブリ
４２ 先端、先端部分
４４ 前縁
４６ 後縁
４８ 根元
５０ プラットフォーム
５２ トランジションピース
５４ 燃焼器ライナ
５６ 第１段ノズル、段１のノズル
５８ 第２段ノズル
６０ 流路ダクト
６２ 装着ハードウェア
６４ スラッシュ面
６６ シュラウドセグメント後方縁
６８ シュラウドセグメント前方縁
７０ プラットフォーム後方縁
７２ プラットフォーム前方縁
７４ プラットフォーム円周方向縁
７６ シュラウド高温ガス表面
９０ 円周方向
９２ 軸方向
９４ 半径方向
１００ シュラウドブロックセグメント
３０２ 試験点
３０４ 試験点
３０６ 試験点
３０８ 試験点
３１０ 試験点
３１２ 試験点
３１４ 試験点
３１６ 試験点
３１８ 試験点
３２０ 試験点
３２２ 試験点
３２４ 試験点
３２６ 試験点
３２８ 試験点
３３０ 試験点
３３２ 試験点
３３４ 試験点
３３６ 試験点
３３８ 試験点
３４０ 試験点
３４２ 試験点
３４４ 試験点
３４６ 試験点
３４８ 試験点
３５０ 試験点
３５２ 材料系
３５４ 組成物欄、組成物
３５６ 処理温度
３５８ 熱膨張係数（ＣＴＥ）
３６０ 軟化点、軟化温度
５００ 方法
ＣＬ エンジン中心線

Claims (10)

1. 少なくとも１つのシール表面（６４）を有する第１のシュラウドブロックセグメント（１００）であって、前記少なくとも１つのシール表面（６４）は、第２のシュラウドブロックセグメント（１００）のインターフェース表面（６４）に隣接して配置されて前記第１のシュラウドブロックセグメント（１００）と前記第２のシュラウドブロックセグメント（１００）との間にシールを提供する第１のシュラウドブロックセグメント（１００）と、
   前記少なくとも１つのシール表面（６４）に配置されたコーティングと
   を備え、
   前記コーティングは、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、または酸化アルミニウムと二酸化ケイ素の両方を含む、
   セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素。
2. 前記コーティングが、平均粗さが約１０Ｒａ〜約１５０Ｒａの表面仕上げを含む、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素。
3. 前記コーティングが、約１２００℃を超える軟化点（３６０）を含む、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素。
4. 前記コーティングが、約８．０（×１０＾−６／（℃））以下の熱膨張係数（３５８）を含む、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素。
5. 前記コーティングの熱膨張係数（３５８）の約２０％以内である熱膨張係数（３５８）をさらに含む、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素。
6. 前記コーティングが、酸化バリウム、酸化イットリウム、または酸化イットリウムと酸化ホウ素の両方をさらに含む、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素。
7. 圧縮機セクション（１２）と、
   前記圧縮機セクション（１２）の下流に流体的に結合された燃焼器セクション（１８）と、
   前記燃焼器セクション（１８）の下流に流体的に結合されたタービンセクション（２２）と
   を備え、
   前記タービンセクション（２２）は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素を含む、
   ガスタービン（１０）。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のコーティングされたセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素を形成する方法（５００）であって、
   シュラウドブロックセグメント（１００）であるＣＭＣ構成要素を提供すること（５０２）と、
   前記ＣＭＣ構成要素の研削および前記ＣＭＣ構成要素の放電加工（ＥＤＭ）の少なくとも１つを実行すること（５０４、５０６）と、
   研削または放電加工の後にコーティングを前記ＣＭＣ構成要素に堆積すること（５０８）と
   を含み、
   前記コーティングは、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、または酸化アルミニウムと二酸化ケイ素の両方を含む、
   方法（５００）。
9. コーティングを前記ＣＭＣ構成要素に前記堆積すること（５０８）の後、前記ＣＭＣ構成要素を熱処理すること（５１０）、
   コーティングを前記ＣＭＣ構成要素に前記堆積すること（５０８）の後、前記ＣＭＣ構成要素をホーニング加工すること（５１４）、
   コーティングを前記ＣＭＣ構成要素に前記堆積すること（５０８）の後、前記ＣＭＣ構成要素を押出ホーニング加工すること（５１６）、
   コーティングを前記ＣＭＣ構成要素に前記堆積すること（５０８）の後、前記ＣＭＣ構成要素を研削すること（５１２）、および
   コーティングを前記ＣＭＣ構成要素に前記堆積すること（５０８）の後、前記ＣＭＣ構成要素を研磨すること（５１８）
   の少なくとも１つをさらに含む、請求項８に記載の方法（５００）。
10. コーティングを前記ＣＭＣ構成要素に堆積すること（５０８）が、
    前記コーティングを前記ＣＭＣ構成要素上にスプレーすること、
    前記コーティングを１つまたは複数のテープを介して前記ＣＭＣ構成要素上に塗布すること、
    前記コーティングを前記ＣＭＣ構成要素上に手動でブラッシングすること、
    前記コーティングを粉末として前記ＣＭＣ構成要素上に塗布し、続いて前記ＣＭＣ構成要素上で前記粉末を結晶化すること
    の少なくとも１つをさらに含む、請求項８に記載の方法（５００）。

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