DE60002890T2

DE60002890T2 - Siliziumnitridbauteile mit schutzschicht

Info

Publication number: DE60002890T2
Application number: DE60002890T
Authority: DE
Inventors: Chien-Wei Li; Edward Thomas STRANGMAN; Milton Ortiz; Derek Raybould
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1999-08-11
Filing date: 2000-08-10
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2020-08-11
Also published as: US6582779B2; US20020081396A1; ATE240916T1; JP2003506308A; EP1204622A1; WO2001010795A1; DE60002890D1; EP1204622B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Siliziumnitridsubstrats zur Verwendung in Turbomaschinen und ähnlichen Geräten mit Bauteilen, die aus Siliziumnitridkeramikmaterial gebildet sind. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Schutzbeschichtungen für derartige Bauteile.
Bestimmte Bauteile von Gasturbinen sind oft mit Siliziumnitridkeramikmaterial beschichtet oder sogar daraus gebildet, um den nachteiligen Auswirkungen von Oxidation und Wasserdampf entgegenzuwirken, die bei extrem hohen Betriebstemperaturen auftreten können. Zu derartigen Bauteilen können die Turbinenschaufeln, Rotoren und Düsen gehören. Indem Turbomaschinenbauteile aus Siliziumnitrid hergestellt werden, wird es möglich, die Turbomaschinen mit verbesserter Effizienz und verminderten Schadstoffemissionen bei Temperaturen oberhalb von 1200°C zu betreiben. Bei Betriebstemperaturen, die sich 1480°C annähern, können jedoch sogar Siliziumnitridschaufeln, -rotoren und -düsen durch Oxidation und Wasserdampf nachteilig beeinflusst werden, die in dem Fließstrom vorhanden sind.
Es wäre erwünscht, die Siliziumnitridsubstrate der Bauteile in einer Weise zu schützen, die Oxidation verringert und auch eine Wärmebarriere liefert. Teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid (PSZ) ist als Wärmebarrierebeschichtung für aus Superlegierung hergestellte Bauteile verwendet worden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Zirkoniumdioxid (etwa 10 × 10^–6) ist jedoch deutlich verschieden von demjenigen von Siliziumnitrid (etwa 3,5 × 10^–6). Aufgrund dieses ungleichen Temperaturverhaltens kann Temperaturwechselbehandlung leicht die Beschichtung von dem Siliziumnitridsubstrat ablösen. Außerdem ist Zirkoniumdioxid ein rascher Innenleiter für Sauerstoff und eine schlechte Oxidationsbarriere.
Obwohl Siliziumnitridschaufeln und -düsen hervorragende mechanische und Wärmeeigenschaften zeigen, selbst wenn sie in Fließströmen bei Temperaturen oberhalb von 1200°C verwendet werden, ist Siliziumnitrid nicht frei von Nachteilen. Ein Nachteil ist Versagen durch Schlag, das im Allgemeinen durch Fremdkörper wie Kohlenstoff oder Metallteilchen verursacht wird, die in dem Fließstrom des Turbinenmotors vorkommen. Aufgrund dieses Nachteils hat es eine gewisse Zurückhaltung gegeben, Siliziumnitridturbinenbauteile auch nur zu verwenden.
Zur Überwindung der Probleme der geringen Schlagfestigkeit wäre es erwünscht, das Siliziumnitridbauteilsubstrat irgendwie zu festigen, um die Schlagfestigkeit zu verbessern, ohne die Wärmeeigenschaften des Substrats nachteilig zu beeinflussen. Es wäre auch erwünscht, das Gesamtgewicht des Bauteils zu minimieren.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Beschichtung eines Siliziumnitridsubstrats, beispielsweise eines Turbomaschinenbauteils, bereitgestellt, das beispielsweise den Schritt umfasst, in dem eine Zwischenschicht aus einer Pulveraufschlämmung auf Siliziumnitridbasis auf das Substrat gebürstet oder gesprüht wird. Die Aufschlämmung und das Substrat werden dann in der Regel bei einer Temperatur über 1700°C gesintert, um eine poröse β-Siliziumnitridschicht mit Whiskern, die sich in das Substrat hinein erstrecken, zu produzieren. Die poröse Schicht wird dann mit einer Vorläuferlösung infiltriert, die ein Präkeramikpolymer einschließen kann, das dann erhitzt wird, um den Vorläufer in eine Matrix umzuwandeln, die die faserige Siliziumnitridschicht umgibt, um das Bauteil während des Betriebs zu schützen. Die poröse Schicht hat in der Regel eine Dichte im Bereich von 90 bis 98%.
Eine Außenschicht aus Tantaloxid kann durch Elektronenstrahl-PVD auf die Außenoberfläche der Zwischenschicht aufgebracht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung eines Gasturbinenmotors mit erfindungsgemäß gebildeten Bauteilen;
2 ist eine Darstellung eines erfindungsgemäß gebildeten Motorbauteils; und
3 ist ein Fließdiagramm eines Verfahrens zum Beschichten eines Siliziumnitridsubstrats.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf 1 schließt ein Gasturbinenmotor 10 in serieller Fließbeziehung vom Einlass bis zum Auslass einen Einlassrahmen 14, einen zweistufigen Niederdruckkompressor ("LPC") oder Ventilator 16, einen dreistufigen Hochdruckkompressor ("HPC") 18 und einen Combustor 20 ein. Außerdem schließt der Motor 10 eine einstufige Hochdruckturbine ("HPT") 22, eine zweistufige Niederdruckturbine ("LPT") 24 und eine Abgasdüse 28 ein. Jede der Turbinen 22 und 24 schließt eine Vielzahl stationärer Turbinenleitschaufeln 30 und eine Vielzahl rotierender Turbinenschaufeln 32 ein. Das Design des Turbinenmotors 10 als solches wird erörtert, um die Bauteile besser zu verstehen, die die vorliegende Erfindung bilden. Während des Betriebs des Turbinenmotors 10 tritt ein Strom aus Luft S durch Einlass 14 in Motorzusammenstellung 10 ein, bewegt sich durch das offene Innere 27 der Motorzusammenstellung 10 und tritt durch Auslassdüse 28 aus. Wenn der Strom S den Motor 10 passiert, mischen sich Hochtemperaturverbrennungsabgase mit dem Strom S, wenn er das Innere 27 passiert, bevor er durch Düse 28 ausgestoßen wird.
Die Turbinenleitschaufeln 30 und 32 können aus Siliziumnitrid gebildet sein. Falls der Strom S jedoch Temperaturen von etwa 1480°C erreicht, was während des Betriebs des Turbinenmotors 10 durchaus vorkommen kann, werden unbeschichtete Siliziumnitridbauteile durch die zu hohen Temperaturen sowie durch Oxidation von jeglichem vorhandenen Wasserdampf nachteilig beeinflusst. Außerdem kann das unbeschichtete Siliziumnitrid empfindlich gegenüber Schlag durch Fremdkörper sein.
Wie in 2 zu sehen ist, wird eine erfindungsgemäß gebildete mehrschichtige Beschichtung 40 auf ein Außensubstrat 41 eines Turbomaschinenbauteils, wie einer Turbinenleitschaufel 32, aufgebracht. Das Substrat von Turbinenleitschaufel 32 ist aus einem dichten Siliziumnitrid mit einer Dichte von mehr als 99,3% gefertigt. Die mehrschichtige Beschichtung 40 schließt eine Zwischenschicht 42, die direkt auf das Siliziumnitrid substrat 41 aufgebracht wird, und eine Außenschicht 44 ein, die auf Zwischenschicht 42 aufgebracht wird.
Die Zwischenschicht 42 umfasst vorzugsweise eine faserige Verbundschicht aus β-Siliziumnitrid. Die Zwischenschicht 42 ist porös und hat eine whiskerartige Mikrostruktur, die aufgrund ihrer hohen Bruchzähigkeit und Fähigkeit, Schlagenergie zu absorbieren, hohe Schlagfestigkeit aufweist. Die Zwischenschicht 42 zeigt gute Hafteigenschaften, wodurch gewährleistet ist, dass die Außenschicht 44 sich dauerhaft an die Zwischenschicht 42 bindet. Die Zwischenschicht 42 hat eine Dicke im Bereich von etwa 0,5 mil bis 20,0 mil (etwa 12 μm bis 500 μm) und vorzugsweise etwa 1,0 mil bis 10,0 mil (etwa 25 μm bis 250 μm). Die Dichte des faserigen Siliziumnitrids, das die Zwischenschicht 42 bildet, beträgt etwa 85 bis 98%. Das bedeutet, dass die Porosität der Zwischenschicht 42 zwischen 2 und 15% liegt. Die hohe Dichte wird durch wiederholtes Infiltrieren der Zwischenschicht 42 erreicht, wie nachfolgend erläutert wird. Aufgrund des wiederholten Infiltrierschrittes kann die Dichte der Zwischenschicht 42 90 bis 98% erreichen.
Die Außenschicht 44 umhüllt die Zwischenschicht 42 und wirkt als Wärmebarriere. Die Außenschicht 44 wird so gewählt, dass sie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der sich demjenigen von Siliziumnitrid annähert, oder etwa 3,5 × 10^–6. Die Außenschicht 44 ist vorzugsweise aus dichtem Tantaloxid, Ta₂O₅, gebildet. Alternativ können zum Wärmeverhalten passende Oxidverbindungen, d.h. in einem Bereich von 2,5 bis 5,0 × 10^–6, das Tantal ersetzen. Solche Verbindungen können die Oxide von Hafnium ("Hf"), Niob ("Nb"), Titan ("Ti"), Nickel ("Ni"), Wolfram ("W"), Aluminium ("Al"), Magnesium ("Mg"), Strontium ("Sr") oder Zirkonium ("Zr") einschließen. Eine Außenschicht 44 aus Tantaloxid hat eine Dicke, die im Bereich von etwa 0,2 bis 20,0 mil (etwa 5 μm bis 500 μm) und vorzugsweise etwa 1,0 bis 10,0 mil (etwa 25 μm bis 250 μm) liegt.
Es wird nun auf 3 verwiesen, die ein Verfahren zur Herstellung von Turbomaschinenbauteilen illustriert, wie Düsen 28 und Leitschaufeln 30, 32 aus Siliziumnitrid. Die Bauteile werden vorzugsweise nach dem Pulvermetallurgieverfahren hergestellt. Ein solches Verfahren schließt das Bilden von Grünpulverpresslingen der verschiedenen zu fertigenden Bauteile (Schritt 102) ein. Die Zwischenschicht 42 wird dann gebildet, wenn eine Siliziumnitridpulveraufschlämmung auf das Substrat 41 der Grünbauteile (Schritt 104) gesprüht oder gebürstet 104 wird. Das Pulver in der Aufschlämmung schließt Siliziumnitrid und bestimmte Additive ein.
Die Additive beeinflussen direkt das Sintern des Siliziumnitrids und können aus Seltenerdoxiden, -nitriden und -oxiden/-nitriden, Al, Mg, Sr oder dergleichen bestehen. Pulver, die zur Verhinderung des Sinterns von Siliziumnitrid dienen, wie BN, können auch zugegeben werden, um zu steuern, wie stark die Zwischenschicht 42 schwindet, die während des Fertigungsverfahrens aufgebracht wird. Weil die Zwischenschicht 42 eine niedrigere Gründichte als die darunterliegenden Grünsiliziumnitridbauteile hat, kann die Zwischenschicht 42, nachdem sie auf Substrat 41 aufgebracht worden ist, verglichen mit dem Substrat 41 übermäßig schwinden, falls die Menge des Sinterhilfsmittels in der Aufschlämmung zu hoch ist. Dies führt wiederum zum Trennen der Zwischenschicht 42 von dem Substrat 41. Falls alternativ die Sinterhilfsmittel nicht eingeschlossen werden oder eine unzureichende Menge vorhanden ist, schwindet Zwischenschicht 42 nicht in einem ausreichenden Maße während des Sinterns an Substrat 41 heran, was zur Abtrennung von Zwischenschicht 42 von Substrat 41 führt. Vorzugsweise liegen die Sinterhilfsmittel im Bereich von 2 bis 20 Gew.-% der gesamten vorhandenen Menge.
Nachdem die Zwischenschicht 42 während Schritt 104 auf das Substrat 41 gesprüht oder gebürstet worden ist, gehen die Turbomaschinenbauteile zusammen mit der Zwischenschicht 42 einen Reaktions- oder Sinterschritt 106 bei einer Temperatur von mehr als 1700°C (Schritt 106) ein. Dieser Schritt führt zum Bilden und Wachsen von β-Siliziumnitridfasern sowohl in das Substrat als auch in die Zwischenschicht 42, bis sie eine Länge erreichen, die 100 Mikron (100 μm) überschreiten kann. Die Verwendung eines Verfahrens mit einer Kombination aus flüssiger und Dampfphase zusammen mit dem offenen Raum, der durch Substrat 41 definiert ist, gewährleistet ein rasches und ungehemmtes Wachstum der Fasern. Die Siliziumnitridfasern bilden Whisker, die sich zwischen Substrat 41 und der Zwischenschicht 42 erstrecken, wodurch die Zwischenschicht an das Substrat 41 gebunden wird.
Nachdem das Substrat 41 und Zwischenschicht 42 während Schritt 106 gesintert worden sind, wird ein Lösungsvorläufer in die poröse, faserige Oberfläche von Zwischenschicht 42 infiltriert, indem das Substrat 41 und die angefügte Zwischenschicht 42 in eine flüssige Lösung (Schritt 108) getaucht werden. Die flüssige Infiltrationslösung kann ein Präkeramikpolymer sein, das sich nach Pyrolyse in ein Silizium-Stickstoff-Kohlenstoff-Glas umwandelt, oder ein Präkeramikpolymer, das mit Füllstoffpulvern vorgemischt ist. Ein im Handel erhältliches flüssiges Polyharnstoffsilazanpolymer mit Zusatz von 0,5 Gew.-% Peroxid kann beispielsweise als Initiator verwendet werden. Das Füllstoffpulver kann ein Oxid, Carbid, Nitrid oder Metall sein. Die Lösung ist nicht auf ein Präkeramikpolymer begrenzt. Füllstoffpulver können mit anderen anorganischen Flüssigkeiten für die Infiltrierung gemischt werden.
Der Infiltrierungsschritt 108 wird vorzugsweise unter Vakuum durchgeführt, um das Eindringen von Flüssigkeit in die Zwischenschicht 42 zu unterstützen. Während des nächsten Schritts 110 findet Pyrolyse statt, wenn dem Bauteil und der daran gebundenen Zwischenschicht ein Strom aus Ar oder Stickstoff zugeführt wird, wenn sie in einem Graphitofen für ungefähr dreißig (30) Minuten auf eine Temperatur zwischen 500 und 2000°C erhitzt werden. Das Erhitzen dient dazu, den Vorläufer in kristalline oder amorphe Keramiken umzuwandeln, die eine Matrix bilden, die das faserige Material umgibt. Wenn in dem Infiltrierungsschritt ein Keramikvorläufer verwendet wird, sind Oxid, Carbid, Nitrid oder ihre Kombination vorhanden, nachdem die Pyrolysebehandlung abgeschlossen ist. Es können Verbindungen auf Basis von Si-N-C-X eingeschlossen werden, wobei X andere Ionen, wie B, darstellt.
Die Infiltrierungs- und Pyrolyseschritte 108 und 110 können so oft wie nötig wiederholt werden, um eine dichte Beschichtung aus Si-N-C-Material zu bilden, die durch faseriges β-Siliziumnitrid verstärkt wird. Die angefügte Zwischenschicht 42 schützt Substrat 41 vor Oxidation, ist schadensbeständig und wirkt als Wärmebarrierebeschichtung. Die Zwischenschicht 42 liefert auch eine Bindungsbeschichtung für die Außenschicht 44.
Die Außenschicht 44 kann ein Keramikpulver, vorzugsweise Tantaloxid, umfassen, das nach vielen bekannten Verfahren einschließlich Plasmasprühbeschichten, Elektronenstrahl-PVD und chemisches Aufdampfen auf Siliziumnitrid auf die Zwischenschicht 42 aufgebracht werden kann. Anstelle von Tantaloxid können Oxidverbindungen mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 2,5 und 5,0 × 10^–6 verwendet werden, zu denen Hf, Nb, Ti, Ni, W, Al, Mg, Sr, Zr oder dergleichen gehören. Füllstoffe aus Oxid, Carbid, Nitrid können auch nach Wunsch in die Außenschicht 44 eingebaut werden.
Um die Außenschicht 44 aus Tantaloxid auf die Zwischenschicht 42 (die bereits an das Siliziumnitridsubstrat 41 gebunden ist) aufzutragen, kann eine Plasmasprühzusammenstellung verwendet werden. Das Keramiktantaloxidpulver wird in Schritt 112 in einen Hochgeschwindigkeits-Hochtemperaturplasmastrom eingespeist, der gegen das Siliziumnitridsubstrat 41 und die angefügte Zwischenschicht 42 gerichtet wird. Aufgrund der hohen Plasmatemperatur wird das Keramikpulver geschmolzen und nachfolgend abgeschreckt und erstarrt auf der kühleren Siliziumnitridzwischenschicht 42. Das Siliziumnitridbauteil mit angefügter Beschichtung 40 kann während Schritt 114 auf ungefähr 1000°C erhitzt werden, um die Bindung zwischen der plasmagesprühten Außenschicht 44 und Zwischenschicht 42 von Beschichtung 44 zu verbessern.
In einem alternativen Verfahren, um Schritt 112 zu bewirken, kann ein Elektronenstrahl-PVD-(EB-PVD)Verfahren verwendet werden. EB-PVD bietet mehrere bedeutsame Vorteile gegenüber dem Beschichtungsverfahren durch chemisches Aufdampfen (CVD). Die Beschichtungsgeschwindigkeit ist unter Verwendung von EB-PVD viel rascher als diejenige von CVD, und die durch das EB-PVD-Verfahren an ein Siliziumnitridsubstrat erzeugte Bindung ist viel stärker. In dem EB-PVD-Verfahren wird ein Hochenergie-Elektronenstrahl auf einen Barren des abzuscheidenden Materials (z.B. Tantaloxid) fokussiert. Der Elektronenbeschuss führt zu hohem lokalen Erhitzen des Beschichtungsmaterials, wobei das Material auf atomarer Ebene verdampft und auf dem Bauteil kondensiert. Zwischen der Außenschicht 44 und der Zwischenschicht 42 wird eine chemische Bindung gebildet. Das Substrat 41 und die angefügte Zwischenschicht 42 werden vorzugsweise vorgeheizt, um die Bindung mit der Außenschicht 44 zu verbessern.
Während die Zwischenschicht 42 und die Außenschicht 44 zusammenwirken, um den Schutz des Bauteilsubstrats 41 zu maximieren, kann die Außenschicht 44 direkt auf das Substrat 41 aufgebracht werden. Um das Siliziumnitridsubstrat 41 direkt mit Tantaloxid zu beschichten, wird ein reiner Tantal- oder Tantaloxidbarren mit dem EB-PVD-Verfahren verwendet. Unabhängig davon, ob die Außenschicht 44 auf die Innenschicht 42 oder direkt auf Substrat 41 aufgebracht wird, wird Sauerstoff während des Verdampfens des reinen Tantal- oder Tantaloxidbarrens in das EB-PVD-System fließen gelassen, um mit dem tantalhaltigen Dampf unter Bildung von Tantaloxid zu reagieren. Falls die Außenschicht 44 direkt auf das Substrat 41 aufgebracht wird, kann die Außenoberfläche des Substrats 41 aufgeraut werden, um die Bindung mit der Außenschicht 44 zu verbessern.
Die Beschichtung 40 kann eine oder mehrere weitere Schichten einschließen, die auf die Außenschicht 44 aufgebracht werden, um weitere Wärmeisolierung und Schlagfestigkeit gegenüber Fremdkörpern zu liefern, die während des Betriebs der Turbomaschine (siehe 1 bei 46) auf das Bauteil auftreffen. Beispielsweise kann eine Schicht aus Zirkoniumdioxid auf die Außenschicht 44 aufgebracht werden, um ihre Fähigkeit, als Wärmebarriere zu wirken, zu verstärken.
Diese Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, wenn auch nicht durch diese begrenzt.
BEISPIEL 1
Durch Mahlen auf der Kugelmühle für 22 Stunden wurde ein wässriger Siliziumnitridaufschlämmungsschlicker hergestellt. Die wässrige Aufschlämmung schloss eine Siliziumnitridzusammensetzung ein, die aus 82 Gew.-% Si₃N₄, 4 Gew.-% Y₂O₃, 3 Gew.-% La₂O₃, 1 Gew.-% SrO und 10 Gew.-% SiC bestand. Zur Verbesserung der Schlickerqualität wurde 0,5% Darven C Standard-Schlickergießen durchgeführt, wobei die Aufschlämmung zur Bildung eines Grünstücks von etwa 2,2" × 2,2" × 0,7" (etwa 5,6 cm × 5,6 cm × 1,8 cm) verwendet wurde. Ein Teil der Aufschlämmung wurde außerdem auf 50 bis 60% Feststoffbeladung verdünnt, indem Wasser zugegeben wurde, und die verdünnte Aufschlämmung wurde mit einer handelsüblichen Spritzpistole auf den Schlickergussblock aufgebracht. Nachdem der sprühbeschichtete Block getrocknet war, wurde er in einen Graphittiegel einge bracht und in einem Graphitofen bei einer Temperatur von etwa 1850°C für etwa zwei Stunden unter 100 psi (etwa 6,9 × 10⁵ Pa) Stickstoff, 1950°C für etwa drei Stunden unter 170 psi (etwa 1,2 × 10⁶ Pa) Stickstoff und etwa 2025 °C für etwa zwei Stunden unter 400 psi (etwa 2,8 × 10⁶ Pa) Stickstoff gesintert. Nach dem Sintern hatte der Block etwa 99,5% seiner theoretischen Dichte, und es wurde eine kohärente Deckschicht gebildet, die aus einer Schicht aus faserigem β-Siliziumnitrid bestand.
Ein im Handel erhältliches flüssiges Polyharnstoffsilazanpolymer mit 0,5 Gew.-% Peroxid als Initiator wurde hergestellt. Das gesinterte Siliziumnitrid mit faseriger Deckbeschichtung wurde in das flüssige Polymer getaucht, und es wurde Vakuum angelegt, um das Polymer in die poröse faserige Schicht zu infiltrieren. Nachdem der Infiltrierschritt abgeschlossen war, wurde die beschichtete Keramik in einem Graphitofen unter strömendem Stickstoff für 30 Minuten bei 1000°C pyrolysiert. Nachdem die Pyrolyse abgeschlossen war, war das Polymer in ein Si-N-C-Material überführt worden. Nach wiederholter Polymerinfiltrierung und abgeschlossener Pyrolyse war eine dichte Beschichtung aus Si-N-C-Material gebildet worden, das durch das faserige β-Siliziumnitrid verstärkt war. Ein Block wurde maschinell in Abschnitte von etwa 2" × 0,12" × 0,16" (etwa 5,1 cm × 0,3 cm × 0,4 cm) geteilt, um EB-PVD-Beschichtung mit Tantaloxid unterzogen zu werden. Die Abschnitte wurden entfettet und dann in ein EB-PVD-System eingebracht. Die Abschnitte wurden so befestigt, dass die beschichtete Siliziumnitridzwischenschicht einem Tantalbarren gegenüberlag, wo ein Tantaldampf durch Beschuss mit einem Elektronenstrahl erzeugt wurde. Während des Beschichtungsschritts wurden die Abschnitte auf etwa 1000°C erhitzt, um die Bindung zu verbessern, und Sauerstoff wurde in das System fließen gelassen, um eine Tantaloxidaußenschicht zu bilden, die an die Siliziumnitridzwischenschicht gebunden war.
BEISPIEL 2
Eine Beschichtung aus Tantaloxid wurde auf einen Abschnitt mit etwa 2" × 1" × 0,12" (etwa 5,1 cm × 2,5 cm × 0,3 cm) Siliziumnitridsubstrat mit einem Plasmasprühverfahren aufgebracht, wobei ein im Handel erhältliches Tantaloxidkeramikpulver als Einsatzmaterial verwendet wurde. Der Abschnitt wurde entfettet und dann entweder durch einen Schweißbrenner oder einen Ofen auf etwa 1000°C vorgeheizt. Das Tantaloxidpulver wurde dann in einen Hochgeschwindigkeits-Hochtemperaturplasmastrom eingespeist. Das Keramikpulver wurde geschmolzen und nachfolgend abgeschreckt und erstarrte auf dem faserigen Siliziumnitridabschnitt.
Erfindungsgemäß können von Schaufeln, Düsen und Rotoren verschiedene Turbomotorbauteile beschichtet werden. Turbinenschaufelverstärkungsbänder können beispielsweise erfindungsgemäß beschichtet werden. Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung in Turbinenmotoren begrenzt.
Obwohl die vorliegende Erfindung oben unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie nicht in dieser Weise eingeschränkt. Stattdessen ist die vorliegende Erfindung nach den folgenden Ansprüchen aufgebaut.

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Siliziumnitridsubstrats, das die folgenden Schritte aufweist: Aufbringen einer Pulveraufschlämmung auf Siliziumnitridbasis auf das Siliziumnitridsubstrat (104); Sintern der aufgebrachten Aufschlämmung zur Herstellung einer porösen β-Siliziumnitridschicht mit Whiskerfasern, die sich in das Substrat hinein erstrecken, um die Schicht an das Substrat (106) zu binden; Infiltrieren der porösen äußeren Oberfläche der porösen Schicht mit einer Vorläuferlösung (108); und Erhitzen, um die Vorläuferlösung in eine Matrix umzuwandeln, die das faserige Material (110) umgibt.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Infiltrierungsschritt das Eintauchen des Substrats in eine flüssige Lösung, die aus einem Präkeramikpolymer gebildet ist, umfasst.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Pulveraufschlämmung auf Siliziumnitridbasis und das Substrat bei einer Temperatur über 1700°C gesintert werden.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des Beschichtens des faserigen Siliziumnitrids und der umgebenden Matrix mit einer Oxidverbindung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 2,5 bis 5,0 × 10^–6 (112) umfasst.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 4, bei dem die Oxidverbindung durch Elektronenstrahl-PVD aufgebracht wird.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 4, bei dem die Oxidverbindung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ta, Hf, Nb, Ti, Ni, W, Al, Mg, Sr und Zr.