DE602004003621T2 - Beschichtung für siliziumhaltiges Substrat - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Umgebungs-Abschirmbeschichtung und, genauer, eine Umgebungs-Abschirmbeschichtung, die auf ein Silicium-enthaltendes Substrat aufgebracht ist.
  • Keramiken auf der Basis von Silicium zeigen in wasserhaltigen Umgebungen hoher Temperatur, wie beispielsweise in dem Brennerbereich und dem Turbinenbereich von Gasturbinenmaschinen, beschleunigte Oxidationsraten. Um die Oxidationsrate bei Substraten auf der Basis von Silicium, die als keramische Bauteile in solchen Umgebungen verwendet werden, zu verringern, wurde beträchtliche Mühe aufgewendet, um eine Umgebungs-Abschirmbeschichtung, d.h. (eine) Abschirmschicht(en), für die Substrate auf der Basis von Silicium bereitzustellen, um die Betriebslebensdauer derartiger Bauteile zu erhöhen.
  • Bezug nehmend auf die 1a und 1b bilden die Umgebungs-Abschirmbeschichtungen des Stands der Technik einen Verbund 10, der ein Substrat 12 auf Siliciumbasis, einen Bindungsauftrag oder eine Bindungsschicht 14, die eine dichte kontinuierliche Schicht aus Siliciummetall aufweist, eine Abschirmschicht 16, die entweder ein Erdalkali-aluminiumsilicat auf der Basis von Barium und Strontium oder ein Yttriumsilicat aufweist, und einen Deckauftrag oder eine Deckschicht 18, die ein hitzebeständiges Oxid und/oder Silicat oder ein anderes Metalloxid wie beispielsweise Zirconiumoxid aufweist, aufweist. Zusätzlich kann eine Zwischenschicht 20 zwischen dem Bindungsauftrag 14 und der Abschirmung 16 und/oder zwischen der Abschirmschicht 16 und der Deckschicht 18 vorgesehen werden. Die Zwischenschicht weist beispielsweise ein Gemisch aus dem Abschirmschicht-Material mit einem zusätzlichen Oxid wie Mullit auf. Diese Umgebungs-Abschirmsysteme des Stands der Technik haben sich hinsichtlich der Oxidation des Substrats auf Siliciumbasis als schützend, und zusätzlich als anhaftend, erwiesen. Es wurde nun jedoch gefunden, dass bestimmte mechanische Eigenschaften des Substrats auf Siliciumbasis, wie gezeigt, unter einer be trächtlichen Verringerung der Vier-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur leiden. Man glaubt, dass sich der Verlust an mechanischen Eigenschaften aus dem Reißen der Bindungsschicht, die an das Silicium-enthaltende Substrat angrenzt, was Spannungskonzentrationen verursacht, die Risse in dem Substrat selbst einleiten, ergibt. Die Risse in dem Bindungsauftrag oder der Bindungsschicht entstehen aus vielen Ursachen, einschließlich Unterschieden im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und der Bindungsschicht, und Spannungen, die als ein Ergebnis von schnellem zyklischen Abkühlen und Erhitzen der Bauteile eingeführt werden.
  • Natürlich wäre es höchst wünschenswert, eine verbesserte Bindungsauftragsschicht für Silicium-enthaltende Substrate, die nicht zu einem beträchtlichen Verlust an mechanischen Eigenschaften führt, bereitzustellen.
  • Dementsprechend ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Bindungsschicht für eine Umgebungs-Abschirmbeschichtung bereitzustellen, die die vorstehenden Probleme des Stands der Technik überwindet.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorstehende Aufgabe wird von der vorliegenden Erfindung gelöst durch Bereitstellen eines Gegenstands, der ein Substrat auf Siliciumbasis, eine Bindungsschicht und eine weitere Schicht auf der Bindungsschicht, wobei die Bindungsschicht eine Siliciumschicht mit einer Verteilung von Fasern aufweist, wobei sich mindestens einige der Fasern zwischen der Bindungsschicht und der weiteren Schicht erstrecken, aufweist. Die Fasern sind aus einem Material gebildet, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus (1) Aluminiumoxid, (2) Yttriumoxid, (3) Aluminiumsilicat, (4) Siliciumcarbid, (5) Siliciumnitrid, (6) Verbindungen der Seltenerdelemente, Erdalkalielemente, Aluminium, Silicium, Yttrium, Stickstoff, Niob, Tantal, Hafnium, Zirconium, Kohlenstoff und Gemischen von (1) bis (6) besteht.
  • Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Fasern, die sich über die Grenzen zwischen den Schichten erstrecken, nicht nur die Bruchzähig keit jeder der Schichten per se verbessern, sondern auch zur Gesamtfestigkeit und Zähigkeit des Systems an der Grenze zwischen den Schichten beitragen.
  • Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich hierin unten zeigen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die 1a und 1b sind schematische Darstellungen von Verbundgegenständen gemäß dem Stand der Technik.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand, der ein Substrat auf Siliciumbasis, eine Bindungsschicht und eine weitere Schicht auf der Bindungsschicht 14' aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Bindungsschicht eine Siliciumschicht mit einer Verteilung von Fasern auf, wobei sich mindestens einige der Fasern 18' zwischen der Bindungsschicht 14' und der weiteren Schicht 16' erstrecken.
  • Das Silicium-enthaltende Substrat kann ein Silicium-enthaltendes keramisches Substrat oder eine Silicium-enthaltende Metalllegierung sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Silicium-enthaltende Substrat ein Silicium-enthaltendes keramisches Material sowie beispielsweise Siliciumcarbid, Siliciumcarbid-Verbundmaterialien, Siliciumnitrid, Siliciumnitrid-Verbundmaterialien, Siliciumoxynitrid und Siliciumaluminiumoxynitrid. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind in der Bindungsschicht 14' Fasern 18' verteilt, wobei sich mindestens einige der Fasern 18' über die Grenze zwischen der Bindungsschicht 14' und der weiteren Schicht 16' erstrecken. Die Fasern 18' sind aus einem Material gebildet, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus (1) Aluminiumoxid, (2) Yttriumoxid, (3) Aluminiumsilicat, (4) Siliciumcarbid, (5) Siliciumnitrid, (6) Verbindungen der Seltenerdelemente, Erdalkalielemente, Aluminium, Silicium, Sauerstoff, Yttrium, Stickstoff, Niob, Tantal, Hafnium, Zirconium, Kohlenstoff und Gemischen von (1) bis (6) besteht. Die Fasern 18' können eine mittlere Länge von zwischen 10 bis 5000 μm, bevorzugt zwischen 50 bis 2000 μm, und einen mittleren Durchmesser von 1 bis 1000 μm, bevorzugt zwischen 5 bis 100 μm, haben. Die Fasern 18' können in der Bindungsschicht 14' in einer Menge von zwischen 10 bis 90 Vol.-%, bevorzugt zwischen 40 bis 75 Vol.-%, vorliegen. Gemäß der vorliegenden Erfindung erstrecken sich mindestens einige der Fasern in der Bindungsschicht zwischen der Bindungsschicht 14' und der weiteren Schicht 16'. Zusätzlich könnte die weitere Schicht 16' eine Verteilung von Fasern zusätzlich zu jenen, die sich zwischen der Bindungsschicht 14' und der weiteren Schicht 16' erstrecken, enthalten. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass sich mindestens 5 Vol.-% der in der Bindungsschicht 14' verteilten Fasern 18' zwischen der Bindungsschicht 14' und der weiteren Schicht 16' erstrecken. Die weitere Schicht 16' kann eine Schutzschicht in einem Umgebungs-Abschirmschichtsystem, eine Zwischensicht oder irgendeine andere Schicht, die in konventionellen Umgebungs-Abschirmschichten verwendet wird, sein. Der Bindungsauftrag 14' kann direkt auf das Substrat 12' auf Siliciumbasis aufgebracht werden, oder es können alternativ eine Siliciumoxid-Zwischenschicht oder andere Zwischenschichten zwischen der Bindungsschicht 14' und dem Silicium-enthaltenden Substrat 12' vorgesehen werden.
  • Die Fasern 18' können auf irgendeine im Stand der Technik bekannte Weise aufgebracht werden. Ein besonders brauchbarer Prozess zum Aufbringen der Fasern ist ein Prozess zum Plasmaspritzen, wie er in dem US-Patent 4 595 637 offenbart ist, das auf den Übertragungsempfänger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde.
  • Die Vorteile des Gegenstands der vorliegenden Erfindung umfassen ein verringertes Reißen und eine verbesserte Anhaftung an der Umgebungs-Abschirmbeschichtung.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die hierin beschriebenen und gezeigten Darstellungen, die als lediglich veranschaulichend für bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung betrachtet werden, und die einer Modifizierung von Form, Größe und Anordnung von Teilen und von Details der Wirkungsweise zugänglich sind, beschränkt ist. Vielmehr ist beabsichtigt, dass die Erfindung alle derartigen Modifizierungen, die innerhalb des Umfangs, wie er durch die Ansprüche definiert wird, sind, umfasst.

Claims (6)

  1. Gegenstand (10') aufweisend ein Substrat (12') auf Siliciumbasis, eine Bindungsschicht (14') und eine weitere Schicht (16') auf der Bindungsschicht (14'), wobei die Bindungsschicht (14') eine Siliciumschicht mit einer Verteilung von Fasern (18') aufweist, wobei sich mindestens einige der Fasern (18') zwischen der Bindungsschicht und der weiteren Schicht (16') erstrecken, wobei die Fasern (18') aus einem Material gebildet sind, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus (1) Aluminiumoxid, (2) Yttriumoxid, (3) Aluminiumsilicat, (4) Siliciumcarbid, (5) Siliciumnitrid, (6) Verbindungen der Seltenerdelemente, Erdalkalielemente, Aluminium, Silicium, Yttrium, Stickstoff, Niob, Tantal, Hafnium, Zirconium, Kohlenstoff und Gemischen von (1) bis (6) besteht.
  2. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die Fasern (18') eine mittlere Länge von 10 bis 5.000 μm und einen mittleren Durchmesser von 1 bis 1.000 μm haben.
  3. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die Fasern (18') eine mittlere Länge von 50 bis 2.000 μm und einen mittleren Durchmesser von 5 bis 100 μm haben.
  4. Gegenstand nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Fasern (18') in der Bindungsschicht in einer Menge von zwischen 10 bis 90 Vol% vorliegen.
  5. Gegenstand nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem die Fasern (18') in der Bindungsschicht in einer Menge von zwischen 40 bis 75 Vol% vorliegen.
  6. Gegenstand nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem sich mindestens 5 Vol% der Fasern (18') zwischen der Bindungsschicht (14') und der weiteren Schicht (16') erstrecken.
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