DE4112336A1 - Iridium-silicium-legierung - Google Patents

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.