JP2004345945A - ケイ素基材とこの基材上に設けられたボンド層とトップ保護層とを含む物品 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ボンド層とともに保護層を含む、従来技術の耐環境被膜よりも優れた耐環境被膜（ＥＢＣ）を提供する。
【解決手段】 物品は、ケイ素基材と、ボンド層と、トップ保護層と、を含む。トップ層は、希土類二ケイ酸塩、二ケイ酸イットリウム、希土類一ケイ酸塩、一ケイ酸イットリウム、シリカ、およびこれらの混合物からなる群から選択される。保護層は、この保護層とケイ素基材との間に設けられたボンド層とともに使用され、このボンド層は、酸素ゲッタ剤を含んで酸素ゲッタとして機能する。
【選択図】 なし
【解決手段】 物品は、ケイ素基材と、ボンド層と、トップ保護層と、を含む。トップ層は、希土類二ケイ酸塩、二ケイ酸イットリウム、希土類一ケイ酸塩、一ケイ酸イットリウム、シリカ、およびこれらの混合物からなる群から選択される。保護層は、この保護層とケイ素基材との間に設けられたボンド層とともに使用され、このボンド層は、酸素ゲッタ剤を含んで酸素ゲッタとして機能する。
【選択図】 なし
Description
本発明は、耐環境被膜に関し、特に、ケイ素を含む基材に被覆される耐環境被膜に関する。
ケイ素基セラミックスは、ガスタービンエンジンの燃焼器やタービン部などの高温で水を含む環境において酸化速度が加速する。このような環境でセラミック部品として使用されるケイ素基材の酸化速度を減少させて、このような部品の耐用寿命を延長するために、ケイ素基材用の耐環境被膜すなわちバリヤ層を提供する努力がなされてきた。
図１ａ，図１ｂを参照すると、従来技術の耐環境被膜は、ケイ素基材１２と、ケイ素含有金属の密な連続層などの任意のボンドコートすなわちボンド層１４と、バリウムおよびストロンチウム基のアルカリ土類アルミノケイ酸塩、またはケイ酸イットリウムのいずれかなどのバリヤ層１６と、耐熱性酸化物および／またはケイ酸塩層、または酸化ジルコニウムなどの他の金属酸化物などの任意のトップ層１８と、を含む複合物１０を構成する。さらに、ボンドコート１４とトップ層１８との間および／またはバリヤ層１６とトップ層１８との間に中間層２０を設けることができる。この中間層は、例えば、バリヤ層材料とムライトなどの追加の酸化物の混合物を含む。このような従来技術の耐環境システムは、多くのケイ素基材に対して耐酸化性を与えるとともに密着性を有することが実証されてきた。しかし、特にケイ素よりも低い熱膨張率（ＣＴＥ）を有するとともに脆性がある窒化ケイ素などのケイ素を含む基材の中には、特定の機械的特性すなわち室温における４点曲げ強度がかなり減少してしまうものがあることがわかった。さらに、従来技術の耐環境被膜設計において、特に、窒化ケイ素などのケイ素よりも低い熱膨張率を有するとともに脆性があるケイ素を含む基材用の耐環境被膜設計は、基材の酸化を防止する酸素ゲッタ剤を含んでいない。
米国特許出願第１０／４４３３２１号明細書
米国特許出願第１０／４４３３４２号明細書
米国特許出願第１０／４４３３４１号明細書
米国特許出願第１０／４４３３４３号明細書
米国特許出願第１０／４４３２５８号明細書
米国特許第６２９６９４１号明細書
よって、結果として機械的特性を大きく損なうことがなく、かつ酸化に対する保護が向上する、窒化ケイ素などのケイ素を含む基材のための耐環境被膜が求められている。
従って、本発明の主な目的は、ボンド層とともに保護層を含む、従来技術の耐環境被膜よりも優れた耐環境被膜（ＥＢＣ）を提供することである。
上述の目的は、物品がケイ素基材と、ボンド層と、トップ保護層と、を含む本発明によって達成される。本発明によると、トップ層は、希土類二ケイ酸塩、二ケイ酸イットリウム、希土類一ケイ酸塩、一ケイ酸イットリウム、シリカ、およびこれらの混合物からなる群から選択される。本発明によると、上述の保護層は、この保護層とケイ素基材との間に設けられたボンドコート層とともに使用され、このボンドコート層は、酸素ゲッタ剤を含んで酸素ゲッタとして機能する。酸素ゲッタ剤とは、１５００℃より高い融点を有し、かつ（高温でかつ水を含む環境の）動作条件において高融点金属酸化物を形成する構成物を意味し、高融点金属から高融点金属酸化物が形成されるときに生じる負の自由エネルギは１００キロカロリー／モルである。適切な酸素ゲッタ剤には、ケイ素や他の高融点金属が含まれる。保護層にも酸素ゲッタ剤を添加することができる。酸素ゲッタボンドコートと保護層とを含む本発明の物品によって、従来技術で得られなかった利点が提供される。
その他の目的や利点は、以下に記載されている。
本発明は、ケイ素基材とボンド層と保護層とを含む物品に関する。ボンド層は、ケイ素基材に直接被覆することができるが、ボンド層とケイ素基材との間に酸化ケイ素の中間層または他の中間層を設けることもできる。また、保護層は、ボンド層に直接被覆することができるが、ボンド層と保護層との間に中間層を設けることもできる。
ケイ素を含む基材は、ケイ素を含むセラミック基材またはケイ素を含む金属合金とすることができる。好適実施例では、ケイ素を含む基材は、例えば、炭化ケイ素、炭化ケイ素複合材料、窒化ケイ素、窒化ケイ素複合材料、酸窒化ケイ素、および酸窒化ケイ素アルミニウムなどのケイ素を含むセラミック材料である。
本発明によると、本発明の物品で使用される保護層は、希土類二ケイ酸塩、二ケイ酸イットリウム、希土類一ケイ酸塩、一ケイ酸イットリウム、シリカ、およびこれらの混合物からなる群から選択される。二ケイ酸イットリウム、二ケイ酸ルテチウム、二ケイ酸エルビウム、二ケイ酸ランタン、二ケイ酸イットリウム、およびこれらの混合物からなる群から選択された保護層が特に有用であることが分かった。特に有用な一ケイ酸塩は、イットリウム、ランタン、イッテルビウム、ルテチウム、およびエルビウムのそれぞれのケイ酸塩およびこれらの混合物からなる群から選択される。二ケイ酸塩および一ケイ酸塩の組み合わせは上述した通りであり、二ケイ酸塩および／またはケイ酸塩とケイ素との組み合わせが特に有用である。上述した酸素ゲッタ剤を保護層に添加することができる。
本発明によると、上述の保護層は、ケイ素基材と保護層との間に設けられたボンド層と組み合わせて使用され、このボンド層は、酸素ゲッタとして機能する。本発明での使用に特に適したボンド層は、係属中の特許文献１に説明されており、このボンド層は、第１の相と第２の相とを含み、第１の相は、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第２の相は、耐熱性酸化物を形成する金属、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびこれらの混合物からなる群から選択される。第１の相は、好ましくは、クロム、ケイ素、タンタル、チタン、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、希土類金属、アルカリ土類金属のそれぞれの酸化物；クロム、ケイ素、タンタル、チタン、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、希土類金属、アルカリ土類金属のそれぞれのケイ酸塩；およびこれらの混合物からなる群から選択される。第２の相は、好ましくは、クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、アルカリ土類金属、およびこれらの混合物から選択される。第１の相としては、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、およびこれらの混合物が特に有用である。さらに、第２の相の高融点金属酸化物を形成する金属には、ケイ素含有金属が特に有用であることが分かった。
本発明の物品での使用に適した他のボンド層は、係属中の特許文献２に開示されている。このボンド層は、高融点金属の二ケイ化物／ケイ素共晶を含む合金を含む。この共晶は、１３００℃よりも高い融点を有するとともに、１ＭＰａ・ｍ1/2より大きい破壊靭性を有する。また、このボンド層は、高融点金属の二ケイ化物／ケイ素共晶と高融点金属二ケイ化物またはケイ素の一方との多相ミクロ構造を含みうる。ボンド層での使用に特に有用な高融点金属は、モリブデン、クロム、ハフニウム、ニオブ、レニウム、タンタル、チタン、タングステン、ウラン、バナジウム、イットリウム、およびこれらの混合物からなる群から選択される。ボンド層に含まれるケイ素の量は、６６．７原子％以上である。
また他の適したボンド層は、係属中の特許文献３、特許文献４に開示されている。係属中の特許文献３は、分散粒状材料を有するケイ素層を含むボンド層を開示しており、粒状材料は、（１）アルミナ、（２）イットリア、（３）ケイ酸アルミニウム、（４）希土類元素、アルカリ土類元素、アルミニウム、酸素、イットリウム、窒素、および炭素のそれぞれの化合物、およびこれらの混合物からなる群から選択される。係属中の特許文献４は、ボンド層とともにこのボンド層上に設けられた追加の層を開示している。ボンド層は、分散繊維を有するケイ素層を含み、少なくともいくつかの繊維は、ボンド層と追加の層との間に延びている。これらの繊維は、（１）アルミナ、（２）イットリア、（３）ケイ酸アルミニウム、（４）炭化ケイ素、（５）窒化ケイ素、（６）希土類元素、アルカリ土類元素、アルミニウム、ケイ素、ニオブ、タンタル、ハフニウム、酸素、イットリウム、窒素、および炭素のそれぞれの化合物、および（１）〜（６）の混合物からなる群から選択される材料から形成される。
係属中の特許文献５には、０．１〜１５ミクロンの厚さを有する高融点金属酸化物を形成する金属を含むケイ素基材用のボンド層が開示されている。高融点金属酸化物を形成する金属は、クロム、タンタル、ニオブ、ケイ素、白金、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、アルカリ土類金属、およびこれらの混合物からなる群から選択される。
最後に、上述のボンド層に加えて、特許文献６に開示された純ケイ素のボンド層も本発明で使用可能である。
ボンド層と保護層との間に、係属中の特許文献４に関して上述した追加の層などの中間層を設けることができる。この中間層は、ムライト、コージライト、シリマナイトからなる群から選択された層を含みうる。
本発明の物品は、従来技術の耐環境被膜に比べて基材の酸化耐性および破壊靭性が大きく向上する。
本発明は、ここで説明および開示した実施例に限定されない。これらの実施例は、単に本発明の好適実施例を示しており、その形態、寸法、部品構成、および動作の詳細は変更される余地がある。本発明は、請求の範囲によって定められる本発明の趣旨および範囲内に含まれるこのような全ての変更を含むことを意図している。
Claims (11)
- ケイ素基材と、この基材上に設けられたボンド層と、トップ保護層と、を含む物品であって、前記トップ保護層が、希土類二ケイ酸塩、二ケイ酸イットリウム、希土類一ケイ酸塩、一ケイ酸イットリウム、シリカ、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする物品。
- 前記保護層は、二ケイ酸イットリウム、二ケイ酸ルテチウム、二ケイ酸エルビウム、二ケイ酸ランタン、二ケイ酸イットリウム、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の物品。
- 前記保護層は、前記二ケイ酸塩と前記一ケイ酸塩との組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の物品。
- 前記保護層は、前記二ケイ酸塩とケイ素との組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の物品。
- 前記一ケイ酸塩は、イットリウム、ランタン、イッテルビウム、ルテチウム、およびエルビウムのそれぞれのケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の物品。
- 前記ボンドコートは、
（ａ）純ケイ素と、
（ｂ）２つの相を含むボンド層であって、第１の相が、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第２の相が、耐熱性酸化物を形成する金属、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびこれらの混合物からなる群から選択されるボンド層と、
（ｃ）高融点金属の二ケイ化物／ケイ素共晶を含む合金を含むボンド層と、
（ｄ）分散粒状材料を有するケイ素層を含むボンド層であって、分散粒状材料が、（１）アルミナ、（２）イットリア、（３）ケイ酸アルミニウム、（４）希土類元素、アルカリ土類元素、アルミニウム、酸素、イットリウム、窒素、および炭素のそれぞれの化合物、およびこれらの混合物からなる群から選択されるボンド層と、
（ｅ）分散繊維を有するケイ素含有金属を含むボンド層であって、少なくともいくつかの繊維が、ボンド層と追加の層との間に延びており、これらの繊維が、（１）アルミナ、（２）イットリア、（３）ケイ酸アルミニウム、（４）炭化ケイ素、（５）窒化ケイ素、（６）希土類元素、アルカリ土類元素、アルミニウム、ケイ素、ニオブ、タンタル、ハフニウム、酸素、イットリウム、窒素、および炭素のそれぞれの化合物、および（１）〜（６）の混合物からなる群から選択される材料から形成されるボンド層と、
（ｆ）０．１〜１５ミクロンの厚さを有する高融点金属酸化物を含むボンド層であって、高融点金属酸化物が、クロム、タンタル、ニオブ、およびケイ素のそれぞれの酸化物、およびこれらの混合物からなる群から選択されるボンド層と、からなる群から選択されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の物品。 - 前記ボンド層と前記保護層との間に少なくとも１つの中間層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の物品。
- 前記中間層は、酸化ケイ素、ムライト、コージライト、シリマナイト、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項７記載の物品。
- 前記ケイ素基材は、窒化ケイ素基材であることを特徴とする請求項１記載の物品。
- 前記保護層は、酸素ゲッタ剤を含むことを特徴とする請求項１記載の物品。
- 前記酸素ゲッタ剤は、１５００℃より高い融点を有する酸化物を形成するとともに、酸化物の形成時に１００Ｋｃａｌ／モルより大きい負の自由エネルギを発生させる高融点金属酸化物の構成物であることを特徴とする請求項１０記載の物品。
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