JP6533211B2 - へこみ耐性セラミック基複合材と耐環境コーティング - Google Patents
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Description
使用目的が発電であれ航空機エンジンであれ、ガスタービンエンジンの運転条件下ではタービンエンジン物品中のSiCにへこみが発生する。へこみの研究に用いるために、速度相関に基づく経験的ないし準経験的なモデルが存在する。これまで使用されてきた1つの式はNASAのSmialekらによる。酸化条件下における揮発速度は以下の式で表すことができる。
本開示は、多孔質酸化物層が耐環境コーティングに対して、また下地の基層のへこみ速度を低減させるために、使用できることをも教示する。
Si3N4(固)+O2(気)→SiO2(固)+N2(気)
酸化炭素(COx)ガスとN2ガスは多くの酸化物中への溶解性及び拡散性が小さく、外部コーティングと基層との界面に補足されて空隙を形成し得る。空隙内のガスの圧力は高温において十分に高く、破裂を生じることがある。空隙は相互接続して無境界の大きな界面領域を形成し、スポーリングに至ることもある。
本開示は、局所スポーリング発生時にCMC部品の寿命を大幅に(場合によっては1桁以上も)延ばす方法並びに関連物品をも教示する。業界では、EBCの局所スポーリングの発生時にCMCのへこみ発生ないし厚さの減少を解決する保護メカニズムを見つけることが強く求められている。一例において、本開示は、動作中に早期に局所スポーリングが発生した場合のエンジン部品の寿命に関する要求事項を満たす。さらに、損傷は限定可能であるため、部品を修理して再利用することがより簡単である。
上述のように、燃焼ガス中に存在する水蒸気によってケイ素含有セラミックが揮発することは問題である。これは材料の損失につながり、一部の条件下では、数万時間のオーダーの部品寿命の間にセラミックの厚さは数百から千ミル減少する可能性がある。比較のために書くと、CMC部品の厚さはもっと薄く、100ミル以下程度であると予想される。下地の基層のへこみ防止のために耐環境コーティング(EBC)が使用される。しかし、一部の条件下においてEBCに剥落もしくは亀裂が生じ、下地の基層が燃焼ガス環境にさらされる可能性がある。したがって、多くの用途においてCMC基層のへこみ耐性を高めることが望ましく、ときに必要でさえあり得る。本開示はCMC基層のへこみ耐性を高めることをも目指している。
CMC基質材料の例として炭化ケイ素と窒化ケイ素がある。CMC強化材の例には炭化ケイ素と窒化ケイ素があるが、これらには限定されない。炭化ケイ素繊維の例は、炭化ケイ素繊維として知られるすべての市販繊維を含み、炭化ケイ素を含む他、酸素、炭素、窒素、アルミニウムなど他の元素をも含み得る。知られている炭化ケイ素繊維の例として、日本カーボン(日本)から入手可能なNICALON(商標)シリーズの炭化ケイ素繊維、COI/ATK(米国ユタ州)から入手可能なSylramic(商標)炭化ケイ素繊維、宇部興産(日本)から入手可能なTyranno(商標)シリーズの繊維、並びにSpecialty Materials,Inc.(米国マサチューセッツ州)が製造するSCS−6又はSCS−Ultraという製品名の繊維などがある。モノリシックセラミックの例には、炭化ケイ素、窒化ケイ素、及び酸窒化ケイ素アルミニウム(SiAlON)がある。
物品又は部品はガスタービンアセンブリの一部を含み得る。例えば、物品又は部品は、燃焼器物品、タービンブレード、シュラウド、ノズル、熱シールド、及びベーンからなる群から選択することができる。
Claims (49)
- a.第1の熱膨張係数を有するケイ素含有基層と、
b.相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物との二相層を備え、かつケイ素の層がその後に続く、ボンドコートと、
を備え、
ボンドコートはへこみ耐性ケイ素含有物品を形成するために基層の上に設けられ、
前記二相層のケイ素の揮発後は、前記酸化物に相互接続される細孔が形成される
へこみ耐性ケイ素含有物品。 - a.第1の熱膨張係数を有するケイ素含有基層と、
b.相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物との二相層を備え、かつケイ素の層がその後に続く、ボンドコートと、
を備え、
ボンドコートはへこみ耐性ケイ素含有物品を形成するために基層の上に設けられ、
相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物との構造は、垂直アレイ、格子アレイ、又は平行アレイの形態を成し、
垂直アレイにおいては、相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物とが基層の表面に対して概ね垂直な垂直アレイを成し、
格子アレイにおいては、相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物とが基層の表面に対して格子もしくはグリッドの形態を成し、
平行アレイにおいては、相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物とが基層の表面に対して互いに平行である
へこみ耐性ケイ素含有物品。 - ケイ素含有基層は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、金属ケイ化物、セラミック基複合材材料、及びその組合せからなる群から選択される、請求項1又は2に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- 基層はSiC/SiCセラミック基複合材を含む、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- 酸化物は5ppm/℃の膨張係数を有し、
酸化物は水分を含有する環境中で化学的に安定であり、かつ/又は水蒸気との反応に関連して示す負の体積変化は30%以下であり、さらに、
酸化物は酸化ケイ素に対して化学的に安定である、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。 - 酸化物は、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuからなる群から選択される元素の酸化物を含有する、希土類二ケイ酸塩(RE2Si2O7)である、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- 酸化物は、元素Y及び/又はYb及び/又はLuの酸化物を含有する希土類二ケイ酸塩である、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- 酸化物は酸化ハフニウムである、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- 酸化物は、Ba、Sr、Ca、及びMgのうちの1種類以上の元素のアルカリ土類ケイ酸塩を含むアルカリ土類アルミノケイ酸塩である、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- ガスタービンエンジン部品の動作中にEBCの外側酸化物層が剥落した後にインサイツで形成される多孔質酸化物保護層をさらに備える、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- ケイ素含有物品からのケイ素の揮発をさらに含み、このときの下地の基層のへこみ速度は、EBCの外側酸化物層の少なくとも一部が剥落した後の対照へこみ速度に比べて5分の1から100分の1に低下する、請求項1乃至の10いずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- 相互接続されるケイ素と酸化物との層は第2の熱膨張係数を有し、第1と第2の熱膨張係数の値の差は20%以下である、請求項1乃至11のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- 基層と二相層との間に位置するケイ素層をさらに備える、請求項1乃至12のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- 基層はセラミック基複合材であり、ボンドコートはケイ素の層を備え、5%から50%の相互接続されるケイ素と50%から95%の酸化物との層がその後に続き、ケイ素の層がその後に続く、請求項1乃至13のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- ケイ素の第1層は254マイクロメートル(10ミル)厚以下であり、第2層は50.8マイクロメートル(2ミル)から508マイクロメートル(20ミル)厚であり、第3層は50.8マイクロメートル(2ミル)から254マイクロメートル(10ミル)厚である、請求項14に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- ケイ素はCVD処理によって堆積される、請求項1乃至15のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- 酸化物はプラズマ溶射処理又はスラリ被覆処理によって堆積される、請求項1乃至15のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- ガスタービンアセンブリの部品を含む、請求項1乃至17のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- 燃焼器部品、タービンブレード、シュラウド、ノズル、熱シールド、及びベーンからなる群から選択されるガスタービンエンジン部品である、請求項1乃至18のいずれか1項に記載のへこみ耐性ケイ素含有物品。
- ガスタービンエンジン向けのへこみ耐性物品であって、物品は、
a.ケイ素を含み、第1の熱膨張係数を有する基層材料と、
b.基層材料の外表面の少なくとも一部に接合されたケイ素のボンドコートと、
c.基層材料とケイ素のボンドコートとの間に位置する、相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物との二相層であって、第2の熱膨張係数を有する、相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物との二相層と、
を備え、
第1と第2の熱膨張係数の値の間に20%以下の差が存在し、
前記二相層のケイ素の揮発後は、前記酸化物に相互接続される細孔が形成される
へこみ耐性物品。 - ガスタービンエンジン向けのへこみ耐性物品であって、物品は、
a.ケイ素を含み、第1の熱膨張係数を有する基層材料と、
b.基層材料の外表面の少なくとも一部に接合されたケイ素のボンドコートと、
c.基層材料とケイ素のボンドコートとの間に位置する、相互接続されるケイ素と酸化物との層であって、第2の熱膨張係数を有する、相互接続されるケイ素と酸化物との層と、
を備え、
第1と第2の熱膨張係数の値の間に20%以下の差が存在し、
相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物との構造は、垂直アレイ、格子アレイ、又は平行アレイの形態を成し、
垂直アレイにおいては、相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物とが基層の表面に対して概ね垂直な垂直アレイを成し、
格子アレイにおいては、相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物とが基層の表面に対して格子もしくはグリッドの形態を成し、
平行アレイにおいては、相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物とが基層の表面に対して互いに平行である、
へこみ耐性物品。 - ケイ素含有基層は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、金属ケイ化物、セラミック基複合材材料、及びその組合せからなる群から選択される、請求項20又は21に記載のへこみ耐性物品。
- 基層はSiC/SiCセラミック基複合材材料を含む、請求項20又は21に記載のへこみ耐性物品。
- 酸化物は5ppm/℃の膨張係数を有し、
酸化物は水分を含有する環境中で化学的に安定であり、かつ/又は水蒸気との反応に関連して示す負の体積変化は30%以下であり、さらに、 酸化物は酸化ケイ素に対して化学的に安定である、
請求項20乃至23のいずれか1項に記載のへこみ耐性物品。 - 酸化物は、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuからなる群から選択される元素の酸化物を含有する、希土類二ケイ酸塩(RE2Si2O7)である、請求項20に乃至24のいずれか1項記載のへこみ耐性物品。
- 酸化物は、元素Y及び/又はYbの酸化物を含有する希土類二ケイ酸塩である、請求項20乃至24のいずれか1項に記載のへこみ耐性物品。
- 酸化物は酸化ハフニウムである、請求項20乃至24のいずれか1項に記載のへこみ耐性物品。
- 酸化物は、Ba、Sr、Ca、及びMgのうちの1種類以上の元素のアルカリ土類ケイ酸塩を含むアルカリ土類アルミノケイ酸塩である、請求項20乃至24のいずれか1項に記載のへこみ耐性物品。
- ガスタービンエンジン物品の動作中にコーティングの外側酸化物層が剥落した後にインサイツで形成される多孔質酸化物保護層をさらに備える、請求項20乃至28のいずれか1項に記載のへこみ耐性物品。
- ケイ素含有物品からのケイ素の揮発をさらに含み、このときの下地の基層のへこみ速度は、EBCの外側酸化物層の少なくとも一部が剥落した後の対照へこみ速度に比べて5分の1から100分の1に低下する、請求項20乃至29のいずれか1項に記載のへこみ耐性物品。
- 基層はセラミック基複合材であり、ボンドコートはケイ素の層を備え、5%から50%の相互接続されるケイ素と50%から95%の酸化物との層がその後に続き、ケイ素の層がその後に続く、請求項20乃至30のいずれか1項に記載のへこみ耐性物品。
- ケイ素の第1層は254マイクロメートル(10ミル)厚以下であり、第2層は50.8マイクロメートル(2ミル)から508マイクロメートル(20ミル)厚であり、第3層は50.8マイクロメートル(2ミル)から254マイクロメートル(10ミル)厚である、請求項30乃至31のいずれか1項に記載のへこみ耐性物品。
- ケイ素含有基層はCVD処理によって堆積される、請求項20乃至32のいずれか1項に記載のへこみ耐性物品。
- 酸化物はプラズマ溶射処理又はスラリ被覆処理によって堆積される、請求項20乃至33のいずれか1項に記載のへこみ耐性物品。
- 燃焼器部品、タービンブレード、シュラウド、ノズル、熱シールド、及びベーンからなる群から選択されるガスタービンエンジン物品である、請求項20乃至34のいずれか1項に記載のへこみ耐性物品。
- ボンドコートの上に耐環境コーティングをさらに備える、請求項30に記載のへこみ耐性物品。
- ガスタービンエンジン向けへこみ耐性物品の製造方法であって、方法は、
a.第1の熱膨張係数を有するケイ素含有基層を提供する工程と、
b.物品の外表面の少なくとも一部に、二相層ボンドコートを接合する工程と、
を含み、
二相層ボンドコートは相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物との二相層を備え、かつケイ素の層がその後に続き、
二相層ボンドコートは第2の熱膨張係数を有し、
前記二相層のケイ素の揮発後は、前記酸化物に相互接続される細孔が形成される
方法。 - ガスタービンエンジン向けへこみ耐性物品の製造方法であって、方法は、
a.第1の熱膨張係数を有するケイ素含有基層を提供する工程と、
b.物品の外表面の少なくとも一部に二相層ボンドコートを接合する工程と、
を含み、
二相層ボンドコートは相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物との層を備え、かつケイ素の層がその後に続き、
二相層ボンドコートは第2の熱膨張係数を有し、
相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物との構造は、垂直アレイ、格子アレイ、又は平行アレイの形態を成し、
垂直アレイにおいては、相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物とが基層の表面に対して概ね垂直な垂直アレイを成し、
格子アレイにおいては、相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物とが基層の表面に対して格子もしくはグリッドの形態を成し、
平行アレイにおいては、相互接続されるケイ素と相互接続される酸化物とが基層の表面に対して互いに平行である
方法。 - 物品は、基層と、ケイ素と酸化物との二相層との間に、ケイ素の層をさらに備え、
ガスタービンエンジン物品の動作中にEBCの外側酸化物層が剥落した後に、ケイ素が基層から揮発する工程と、多孔質酸化物保護層を基層の上にその場形成する工程と、をさらに含む、
請求項37又は38に記載の方法。 - ケイ素含有物品からのケイ素の揮発をさらに含み、このときの下地の基層のへこみ速度は、EBCの外側酸化物層の少なくとも一部が剥落した後の対照へこみ速度に比べて5分の1から100分の1に低下する、請求項37乃至39のいずれか1項に記載の方法。
- 第1と第2の熱膨張係数の値の間に20%以下の差が存在する、請求項37乃至40のいずれか1項に記載の方法。
- ケイ素含有基層は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、金属ケイ化物、セラミック基複合材材料、及びその組合せからなる群から選択される、請求項37乃至41のいずれか1項に記載の方法。
- 基層はSiC/SiCセラミック基複合材材料を含む、請求項37乃至41のいずれか1項に記載の方法。
- 酸化物は5ppm/℃の膨張係数を有し、
酸化物は水分を含有する環境中で化学的に安定であり、かつ/又は水蒸気との反応に関連して示す負の体積変化は30%以下であり、さらに、
酸化物は酸化ケイ素に対して化学的に安定である、
請求項37乃至43のいずれか1項に記載の方法。 - 酸化物はSc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuからなる群から選択される元素の酸化物を含有する、希土類二ケイ酸塩(RE2Si2O7)である、請求項37乃至44のいずれか1項に記載の方法。
- 酸化物は、元素Y及び/又はYbの酸化物を含有する希土類二ケイ酸塩である、請求項37乃至44のいずれか1項に記載の方法。
- 酸化物は、Ba、Sr、Ca、及びMgのうちの1種類以上の元素のアルカリ土類ケイ酸塩を含むアルカリ土類アルミノケイ酸塩である、請求項37乃至44のいずれか1項に記載の方法。
- 耐環境コーティングを備えた表面層を二相層ボンドコートの上に接合する工程をさらに含む、請求項37乃至47のいずれか1項に記載の方法。
- へこみ耐性物品は燃焼器部品、タービンブレード、シュラウド、ノズル、熱シールド、及びベーンからなる群から選択されるガスタービンエンジン物品である、請求項37乃至48のいずれか1項に記載の方法。
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