DE4112336A1 - Iridium-silicium-legierung - Google Patents
Iridium-silicium-legierungInfo
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C5/00—Alloys based on noble metals
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Legierungen aus Iridium und
Silicium sowie auf Legierungen aus Ruthenium und Silicium und
auf Strukturen, die Überzüge aus solchen Legierungen tragen.
Mehr im besonderen bezieht sich die Erfindung auf Zusammenset
zungen aus Iridium und/oder Ruthenium und Silicium, die der Oxi
dation bei erhöhten Temperaturen widerstehen, und sie bezieht
sich auf Strukturen, die zum Einsatz bei höheren Temperaturen
geeignet sind und die zumindest teilweise dadurch vor Oxida
tion geschützt sind, daß sie Oberflächenüberzüge aus Legierungen
von Iridium und/oder Ruthenium und Silicium aufweisen.
Es ist bekannt, daß es viele Legierungen gibt, die erwünschte
Ansammlungen von Eigenschaften haben, insbesondere Eigenschafts
kombinationen, die sie zur Verwendung als Strukturelemente ge
eignet machen. Der Einsatz solcher Legierungen bei höheren Tem
peraturen führt jedoch nicht nur zur Änderung der Eigenschaften,
die die Legierung zeigt, sondern auch zur Oxidationsneigung der
Legierung an ihrer Oberfläche. Setzt sich die Oxidation fort,
dann kann das Strukturelement selbst wegen der Umwandlung des
Metalles der Struktur in das Oxid oder ein anderes Oxidations
produkt versagen. Die meisten Eisenmetalle und Stähle sind für
den Oxid- oder Rostüberzug bekannt, der sich auf ihrer Oberflä
che bildet, und es ist ein ausgedehntes Überziehen oder Anstrei
chen erforderlich, um die Oberfläche rostfrei zu halten.
Andere Legierungen oder Legierungssysteme unterliegen ebenfalls
stark der Oxidation, und es sind Oxidationsraten gemessen worden,
indem man eine Legierungsprobe über eine Zeitdauer erhitzt und
die Gewichtszunahme der Probe feststellt, wenn sich ein haften
des Oxid auf der Oberfläche bildet oder ein Gewichtsverlust auf
tritt, weil sich eine von der Oberfläche ablösende Oxidhaut bil
det.
In einer Anzahl Von Strukturelementen sind neue und einzig
artige Eigenschaften möglich, wenn man die Elemente vor den
Ergebnissen der Oxidation oder anderer oxidativer Reaktionen
schützen kann. So haben z. B. Kohlefaser-Verbundstoffe eine
einzigartig hohe Festigkeit und andere wertvolle Eigenschaf
ten, doch unterliegen solche Strukturen der Oxidation unter
Bildung gasförmigen Kohlenmonoxids oder Kohlendioxids. Es ist
eine große Vielfalt von Vorschlägen gemacht worden, um Struk
turelemente, die Kohlenstoffaser-Verbundstoffe einschließen,
für verschiedene Zeitdauern vor Oxidation zu schützen, wäh
rend denen die Struktur für ihre beabsichtigte Funktion ein
gesetzt werden kann.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Legierungszusammensetzung zu schaffen, die einen erwünschten
Satz von Eigenschaften und eine relativ geringe Oxidationsrate
aufweist.
Eine andere Aufgabe ist die Schaffung eines Strukturelementes,
das mit einer Legierung einer geringen Oxidationsrate überzo
gen ist.
Eine andere Aufgabe ist die Schaffung einer Legierung, die
zum Einsatz bei erhöhten Temperaturen ohne Beeinträchtigung
aufgrund von Oxidation geeignet ist.
Eine andere Aufgabe ist die Schaffung einer Legierung, die
ein Oberflächenoxid zu bilden in der Lage ist, das schützt und
eine sehr geringe Wachstumsrate aufweist.
Andere Aufgaben sind teilweise offensichtlich und ergeben sich
teilweise aus der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß einem seiner weiteren Aspekte werden die der vorliegen
den Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben gelöst durch Schaf
fung einer Legierung aus Iridium und Silicium, die zwischen
30 und 75 Atom-% Silicium enthält.
Gemäß einem anderen seiner weiteren Aspekte werden die der
vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben gelöst
durch Schaffen einer Legierung aus Ruthenium und Silicium,
die zwischen 30 und 75 Atom-% Silicium enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können Kombinationen von
Iridium und Ruthenium in allen Verhältnissen in Silicide um
gewandelt werden, die zwischen 30 und 75 Atom-% Silicium ent
halten.
Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden gelöst
durch Schaffen eines Strukturteiles und Schaffen eines Schutz
überzuges aus einer Legierung aus Iridium und/oder Ruthenium
sowie Silicium, um das Strukturelement vor einem Angriff durch
eine oxidierende Umgebung zu schützen.
Die folgende Beschreibung nimmt auf die Zeichnung Bezug, in
deren einziger Figur das Quadrat des Verhältnisses von Ge
wichtszunahme zu Probenoberfläche gegen die Zeitdauer aufge
tragen ist, während der die Probe einer oxidierenden Umgebung
bei hoher Temperatur ausgesetzt ist.
In der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise fest
gestellt, daß eine Legierung aus Iridium und Silicium eine sehr
viel geringere Oxidationsrate hat als erwartet.
Es ist bekannt, daß eine Iridiumlegierung, die 60 Atom-% Alu
minium enthält, eine erwünscht geringe Oxidationsrate aufweist.
Die Legierung aus Iridium mit 60 Atom-% Aluminium ist vermut
lich Gegenstand eines Patentes von Professor W. L. Worrell
der University of Pennsylvania, obwohl die Anmelderin die
Nummer dieses Patentes nicht kennt. Die Legierung aus Iridium
und Aluminium ist als eine Legierung mit einer außerordentlich
geringen Oxidationsrate anerkannt, und sie ist wegen dieser
Eigenschaftskombination begrüßt worden.
Es war daher einigermaßen überraschend festzustellen, daß eine
Zusammensetzung aus Iridium mit 50 Atom-% Silicium eine Oxi
dationsrate aufwies, die beträchtlich geringer war als die
der Iridiumlegierung, die 60 Atom-% Aluminium enthielt.
Um die bekannte Oxidationsrate der Zusammensetzung aus
Iridium mit 60 Atom-% Aluminium mit einer Iridium-Silicium-
Zusammensetzung zu vergleichen, wurden die bekannten Daten
für die Legierung aus Iridium und 60 Atom-% Aluminium in der
anliegenden Figur aufgetragen. In dieser Figur ist die Ge
wichtszunahme repräsentiert als eine Kombination der Gewichts
zunahme dividiert durch die Fläche, und dieser Wert ist qua
driert. Die Gewichtszunahmewerte sind bei der graphischen Dar
stellung der Figur auf der Ordinate aufgetragen. Die Zeit ist
in Stunden auf der Abszisse aufgetragen.
Es wurde ein Experiment ausgeführt unter Anwendung einer Probe
aus einer Iridiumlegierung mit 50 Atom-% Silicium, und die Er
gebnisse dieser Probe sind in der anliegenden Figur zusammen
mit den Ergebnissen aufgetragen, die von Professor W. L. Worrell
hinsichtlich der Oxidationsrate der Zusammensetzung aus Iridium
mit 60 Atom-% Aluminium erhalten wurden.
Der Figur läßt sich entnehmen, daß die Oxidationsrate der Zu
sammensetzung aus Iridium mit 50 Atom-% Silicium sehr sehr viel
geringer ist als die der Zusammensetzung mit Iridium und 60
Atom-% Aluminium. Die tatsächliche Gewichtszunahme beträgt ge
mäß der anliegenden Figur für die Iridium-Aluminium-Legierung
etwa 11,3 und für Iridium-Silicium-Legierung etwa 1,3. Somit
ergibt sich aus den in der Figur aufgetragenen Daten eine
sehr beträchtliche Verbesserung hinsichtlich der Oxidationsbe
ständigkeit, tatsächlich eine mehr als acht-fache Verbesserung
für die Iridium-Silicium-Legierung, verglichen mit der
Iridium-Aluminium-Legierung.
Das Testen der Iridium-Silicium-Legierung wurde in der Weise
ausgeführt, daß man die Legierungsprobe in einer Sauerstoff
atmosphäre auf etwa 1400°C erhitzte und während der gesamten
25stündigen Testperiode dort hielt. Während der 25 Stunden
wurde die Probe kontinuierlich gewogen, da sie an einem Pla
tindraht eines Wiegemechanismus befestigt war. Die Datenpunkte
für die stündlichen Gewichtsmessungen erscheinen in der Figur.
Die tatsächlich getestete Legierung, deren Daten in der Figur
aufgetragen sind, enthielt 50 Atom-% Silicium und 50 Atom-%
Iridium. Auf der Grundlage dieses Experiments wurde geschlos
sen, daß Zusammensetzungen mit 30 bis 75 Atom-% Silicium in
Iridium eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit mit Bezug
auf die bekannten Legierungssysteme haben. Es wird davon aus
gegangen, daß Legierungen mit 40 bis 70 Atom-% Silicium eine
noch größere Oxidationsbeständigkeit aufweisen.
Die Zusammensetzung, die zwischen 45 und 55 Atom-% Silicium
enthält, ist eine bevorzugte Zusammensetzung, und die Zusam
mensetzung mit 50 Atom-% Silicium ist die in der Figur aufge
tragene Testzusammensetzung.
Der in der vorliegenden Anmeldung benutzte Ausdruck "Rest im
wesentlichen Iridium" wird dazu benutzt, eine Zusammensetzung
zu bezeichnen, die Verunreinigungen enthalten kann, die nor
malerweise zusammen mit den Bestandteilen der Legierung in
untergeordneten Mengen vorkommen, sowie eine Zusammensetzung,
die untergeordnete Mengen an Zusätzen enthalten kann, die die
nützlichen Eigenschaften der Legierung nicht beeinträchtigen.
Werden die erfindungsgemäßen Legierungen Sauerstoff bei er
höhter Temperatur ausgesetzt, dann bildet sich eine Oberflä
chenschicht aus Siliciumoxid. Elemente, von denen bekannt ist,
daß sie die Haftung von Oxidschichten verbessern, wie Metalle,
ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkonium, Titan,
Hafnium, Yttrium, Scandium, Lanthan und anderen Selten-Erd-
Elementen können in den Legierungen aus Silicium mit Iridium
und/oder Ruthenium bis zu etwa 2 Gew.-%, bevorzugter bis zu
etwa 0,5 Gew.-% vorhanden sein.
Betrachtet man als nächstes die Silicide des Rutheniums auf
der Grundlage der erhaltenen experimentellen Daten und der
wesentlichen Eigenschaften anderer Edelmetalle, wird angenom
men, daß Ruthenium ein Silicid ähnlich dem des Iridiums bil
det, sowohl hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit als auch
des hohen Schmelzpunktes. Es wird davon ausgegangen, daß die
erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zum Einsatz bei hohen Tem
peraturen oberhalb von etwa 1000°C geeignet sind und solchen
Temperaturen, die sich 1800 bis 2000°C annähern.
Ruthenium kann Iridium in den Silicidlegierungen der vorlie
genden Erfindung in allen Anteilen einschließlich 100% er
setzen. Silicium sollte in solchen Zusammensetzungen vor
zugsweise in einer Menge von 30 bis 75% vorhanden sein, wie
oben angegeben. Die bevorzugten Zusammensetzungen sollten
zwischen 40 und 70 Atom-% Silicium und die noch bevorzugteren
Zusammensetzungen 45 bis 55 Atom-% Silicium enthalten. Solche
Silicide von Iridium und/oder Ruthenium bilden eine sehr sta
bile Oxidschicht auf ihrer Oberfläche, die im wesentlichen
aus Siliciumoxid besteht. Der Einschluß geringer Mengen von
Yttrium, Hafnium oder Zirkonium oder einer Kombination dieser
Elemente in Konzentrationen von weniger als 2 Gew.-% und
vorzugsweise weniger als 0,5 Gew.-% kann die erwünschte Aus
wirkung haben, daß die Haftung der Siliciumoxidschicht an der
Oberfläche der Legierung verbessert wird, und auf diese Weise
kann die Oxidationsbeständigkeit der Legierung gefördert wer
den. Wie oben erwähnt, kann eine breitere Gruppe von Elementen,
von denen bekannt ist, daß sie die Haftung von Oxidschichten
an einem Metallsubstrat verbessern, in Konzentrationen bis
zu etwa 0,5 Gew.-% oder mehr bis zu etwa 2 Gew.-% benutzt wer
den.
Claims (16)
1. Legierung umfassend etwa 30 bis 75 Atom-% Silicium, Rest im
wesentlichen Iridium.
2. Legierung nach Anspruch 1, bei der der Siliciumgehalt zwischen
40 und 70 Atom-% liegt.
3. Legierung nach Anspruch 1, bei der der Siliciumgehalt zwischen
45 und 55 Atom-% liegt.
4. Legierung nach Anspruch 1, bei der der Siliciumgehalt etwa
50 Atom-% beträgt.
5. Strukturelement zum Einsatz bei Temperaturen oberhalb von
etwa 1000°C, das innerhalb einer Hülle eingeschlossen ist,
die zumindest teilweise aus einer Legierung aus Silicium
und einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe
bestehend aus Iridium und Ruthenium.
6. Gegenstand nach Anspruch 5, bei dem die Legierung zwischen
30 und 75 Atom-% Silicium enthält.
7. Gegenstand nach Anspruch 5, bei dem die Legierung zwischen
40 und 70 Atom-% Silicium enthält.
8. Gegenstand nach Anspruch 5, bei dem die Legierung zwischen
45 und 55 Atom-% Silicium enthält.
9. Gegenstand nach Anspruch 5, bei dem die Legierung etwa
50 Atom-% Silicium enthält.
10. Überzug umfassend eine Schicht aus einer für Sauerstoff un
durchlässigen Legierung, die auf einem Substrat ausgebildet
ist, wobei die Legierung zwischen 30 und 75 Atom-% Silicium
umfaßt und der Rest im wesentlichen ein Metall ist, ausge
wählt aus der Gruppe bestehend aus Iridium und Ruthenium.
11. Überzug nach Anspruch 10, bei dem der Siliciumgehalt der
Legierung zwischen 40 und 70 Atom-% liegt.
12. Überzug nach Anspruch 10, bei dem der Siliciumgehalt der Le
gierung zwischen 45 und 55 Atom-% liegt.
13. Strukturkörper enthaltend Kohlenstoffaser-Verbundstoffe, der
durch eine Hülle aus einer Legierung gegen oxidativen Angriff
geschützt ist, die zwischen 30 und 75 Atom-% Silicium ent
hält, der Rest ist im wesentlichen ein Metall, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Iridium und Ruthenium.
14. Bauteil aus einer Niobbasislegierung, der durch eine Hülle
aus einer Legierung gegen oxidativen Angriff geschützt ist,
die zwischen 30 und 75 Atom-% Silicium enthält, der Rest
ist im wesentlichen ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe
bestehend aus Iridium und Ruthenium.
15. Legierung nach Anspruch 1, die zusätzlich weniger als
2 Gew.-% mindestens eines Metalles enthält, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Yttrium, Hafnium und Zirkonium.
16. Legierung nach Anspruch 1, enthaltend zusätzlich weniger
als 0,5 Gew.-% mindestens eines Metalles ausgewählt aus der
Gruppe bestehend aus Yttrium, Hafnium und Zirkonium.
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Representative=s name: SIEB, R., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT., PAT.-ANW., 6947 |
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