DE602004004832T2

DE602004004832T2 - Beschichtung für siliziumhaltiges Substrat

Info

Publication number: DE602004004832T2
Application number: DE200460004832
Authority: DE
Inventors: Greg C. Ojard; Harry E. Eaton; Shantikumar V. Nair
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2024-05-22
Also published as: EP1479661A2; JP4113857B2; DE602004004832D1; JP2004345353A; EP1479661A3; EP1479661B1; US6777093B1

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 dem Brennerbereich und dem Turbinenbereich von Gasturbinenmaschinen, beschleunigte Oxidationsraten. Um die Oxidationsrate bei Substraten auf Siliciumbasis, 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 Siliciumbasis bereitzustellen, um die Betriebslebensdauer derartiger Bauteile zu erhöhen.
Unter Bezugnahme auf die 1a und 1b bilden 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 sein. 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 Oxidation des Substrats auf Siliciumbasis als schützend, und zusätzlich als anhaftend, erwiesen. Es wurde jedoch nun gefunden, dass bestimmte mechanische Eigenschaften des Substrats auf Siliciumbasis, wie gezeigt, unter einer signifikanten 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, wozu Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und der Bindungsschicht und Spannungen, die als ein Ergebnis von schnellem zyklischen Abkühlen und Erhitzen der Bauteile eingeführt werden, gehören.
Natürlich wäre es hochgradig wünschenswert, eine verbesserte Bindungsauftragsschicht für Silicium-enthaltende Substrate, die nicht zu einem signifikanten Verlust an mechanischen Eigenschaften führen, 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 mittels der vorliegenden Erfindung gelöst, bei der eine Bindungsschicht für ein Substrat auf Siliciumbasis eine Siliciumschicht mit einer Verteilung von teilchenförmigem Material darin aufweist, wobei das teilchenförmige Material ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus (1) Aluminiumoxid, (2) Yttriumoxid, (3) Aluminiumsilicat, (4) Verbindungen von Seltenerdelementen, Erdalkalielementen, Aluminium, Sauerstoff, Yttrium, Stickstoff, Niob, Tantal, Hafnium, Zirconium, Kohlenstoff, Silicium und Gemischen davon besteht.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Bruchzähigkeit der Bindungsschicht oder irgendeiner anderen Schicht, in die die Teilchenmaterialien eingebracht werden, verbessert wird. Zusätzlich können, da ein Teilchenmaterial in der Form von Teilchen, Fasern, Faserkristallen und Gemischen davon sein kann, die Fasern innerhalb einer Bindungsschicht oder irgendeiner anderen Schicht einer Umgebungs-Abschirmbeschichtung entsprechend der Endgebrauchsanwendung angeordnet und ausgerichtet sein.
Das Teilchenmaterial kann nach irgendeinem Verfahren, das in der Technik bekannt ist, aufgebracht werden. Wie beispielsweise nach einem thermischen Spritzverfahren.
Weitere Aufgaben und Vorteile werden hierin unten deutlich.
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 Schutzschicht aufweist. Die Bindungsschicht kann direkt auf dem Substrat auf Siliciumbasis aufgebracht sein, oder alternativ kann zwischen der Bindungsschicht und dem Substrat auf Siliciumbasis eine Siliciumoxid-Zwischenschicht oder eine andere Zwischenschicht vorgesehen sein.
Das Substrat auf Siliciumbasis kann ein Siliciumkeramik-Substrat oder eine Silicium-enthaltende Metalllegierung sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Silicium-enthaltende Substrat ein Silicium-enthaltendes Keramikmaterial wie beispielsweise Siliciumcarbid, Siliciumcarbid-Verbundmaterial, Siliciumnitrid, Siliciumnitrid-Verbundmaterial, Siliciumoxynitrid und Siliciumaluminiumoxynitrid.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Bindungsschicht eine Siliciumschicht mit einer Verteilung von teilchenförmigem Material darin auf, wobei das teilchenförmige Material ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus (1) Aluminiumoxid, (2) Yttriumoxid, (3) Aluminiumsilicat, (4) Verbindungen von Seltenerdelementen, Erdalkalielementen, Aluminium, Sauerstoff, Yttrium, Stickstoff, Niob, Tantal, Hafnium, Zirconium, Kohlenstoff, Silicium und Gemischen davon besteht. Das teilchenförmige Material kann in der Form von Teilchen, Fasern und Gemischen davon sein. Teilchengrößen, die bei der vorliegenden Erfindung brauchbar sind, sind Teilchen, die einen mittleren Durchmesser von zwischen 0,1 bis 100 μ m, bevorzugt zwischen 0,5 bis 10 μm, haben. Wenn das teilchenförmige Material in der Form von Fasern ist, ist es wünschenswert, dass die Fasern eine mittlere Länge von zwischen 0,5 bis 100 μm, bevorzugt 1 bis 20 μm, und einen mittleren Durchmesser von 0,1 bis 50 μm, bevorzugt 0,5 bis 10 μm, haben. Das teilchenförmige Material liegt in einer Menge von zwischen 25 bis 90 Vol.-%, bevorzugt zwischen 40 bis 75 Vol.-%, vor.
Bei der vorliegenden Erfindung ist das teilchenförmige Material in der Bindungsschicht enthalten, und die Bindungsschicht kann direkt auf das Silicium-enthaltende Substrat aufgetragen werden, oder es kann alternativ eine Zwischenschicht, wie beispielsweise Siliciumoxid, zwischen der Bindungsschicht und dem Substrat auf Siliciumbasis vorgesehen werden. Wie beim Stand der Technik anerkannt ist, können bei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung andere Schichten enthalten sein, wozu Deckschichten, andere Schutzschichten und andere Zwischenschichten gehören, und es liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, das teilchenförmige Material in irgendeine oder alle dieser zusätzlichen Schichten einzubeziehen, wie es für einen mechanischen Nutzen erforderlich ist.
Das teilchenförmige Material in der Form von Teilchen und/oder Fasern kann nach irgendeinem in der Technik bekannten Verfahren in der Bindungsschicht ausgebildet werden. Ein besonders geeignetes Verfahren ist ein Prozess zum Plasmaspritzen von Fasern, dass sie an der Oberfläche des Silicium-Substrats anhaften, gefolgt von einer Aufbringung des Bindungsschicht-Materials auf das teilchenförmige Material. Ein geeigneter Prozess ist in dem US-Patent 4 595 637, das auf den Übertragungsempfänger der gegenwärtigen Erfindung übertragen wurde, offenbart. Die Offenbarung des US-Patents 4 595 637 wird hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
Zu den Vorteilen der vorliegenden Erfindung gehören verringertes Reißen und verbesserte Anhaftung der Umgebungs-Abschirmbeschichtung.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht beschränkt ist 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, Anordnung von Teilen und von Details der Wir kungsweise zugänglich sind. Vielmehr ist beabsichtigt, dass die Erfindung alle derartigen Modifizierungen, die innerhalb des Umfangs, wie er durch die Ansprüche definiert wird, sind, umfasst.

Claims

Gegenstand aufweisend ein Substrat (12) auf Siliciumbasis, eine Bindungsschicht (14) und eine Schutzschicht (16, 18), wobei die Bindungsschicht (14) eine Siliciumschicht mit einer Verteilung von teilchenförmigem Material darin aufweist, wobei das teilchenförmige Material ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus (1) Aluminiumoxid, (2) Yttriumoxid, (3) Aluminiumsilicat, (4) Verbindungen von Seltenerdelementen, Erdalkalielementen, Aluminium, Sauerstoff, Yttrium, Stickstoff, Niob, Tantal, Hafnium, Zirconium, Köhlenstoff, Silicium und Gemischen davon besteht.
Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem das Teilchenmaterial mindestens ein Material aus Teilchenmaterial und Fasern aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Teilchenmaterial Teilchenmaterial mit einem mittleren Durchmesser von zwischen 0,1 bis 100 μm aufweist.
Gegenstand nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem das Teilchenmaterial ein Teilchenmaterial mit einem mittleren Durchmesser von zwischen 0,5 bis 10 μm aufweist.
Gegenstand nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem das Teilchenmaterial in einer Menge von zwischen 25 bis 90 Vol.-% anwesend ist.
Gegenstand nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem das Teilchenmaterial in einer Menge von zwischen 40 bis 75 Vol.-% anwesend ist.
Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Teilchenmaterial Fasern mit einer mittleren Länge von 0,5 bis 100 μm und einem mittleren Durchmesser von 0,1 bis 5,0 μm aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Teilchenmaterial Fasern mit einer mittleren Länge von 1 bis 20 μm und 0,5 bis 10 μm aufweist.
Gegenstand nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Teilchenmaterial in einer Menge von zwischen 25 bis 90 Vol.-% anwesend ist.
Gegenstand nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Teilchenmaterial in einer Menge von zwischen 40 bis 75 Vol.-% anwesend ist.