DE602004008145T2 - Bindungsschicht für Substrate die auf Silizium basiert sind - Google Patents
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Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Umgebungs-Barrierebeschichtung und, genauer, eine Umgebungs-Barrierebeschichtung, 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-Barrierebeschichtung, d.h. (eine) Barriereschicht(en), für die Substrate auf Siliciumbasis bereitzustellen, um die Betriebslebensdauer derartiger Bauteile zu erhöhen.
- Unter Bezugnahme auf die
1a und1b bilden Umgebungs-Barrierebeschichtungen des Stands der Technik einen Verbund10 , der ein Substrat12 auf Siliciumbasis, einen Bindungsauftrag oder eine Bindungsschicht14 , wie eine dichte kontinuierliche Schicht aus Siliciummetall, eine Barriereschicht16 , wie entweder ein Erdalkali-aluminiumsilicat auf der Basis von Barium und Strontium oder Yttriumsilicat, und eine optionale Deckschicht, wie eine hitzebeständige Oxid- und/oder Silicat-Schicht18 oder ein anderes Metalloxid wie beispielsweise Ziconiumoxid, aufweist. Zusätzlich kann eine Zwischenschicht20 zwischen dem Bindungsauftrag14 und der Barriere16 und/oder zwischen der Barriereschicht16 und der Deckschicht18 vorgesehen sein. Die Zwischenschicht weist beispielsweise ein Gemisch aus dem Barriereschicht-Material mit einem zusätzlichen Oxid wie Mullit auf. Diese Umgebungs-Barrieresysteme des Stands der Technik haben sich für viele Substrate auf Siliciumbasis hinsichtlich Oxidation des Substrats auf Siliciumbasis als schützend erwiesen, und sie sind zusätzlich anhaftend. Es wurde jedoch nun gefunden, dass bestimmte mechanische Eigenschaften einiger Silicium enthaltender Substrate, insbesondere je ner Substrate mit kleineren CTEs als Silicium und jener, die spröde sind, wie Siliciumnitrid, unter einer signifikanten Verringerung der 4-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur leiden. - Es wäre natürlich hochgradig wünschenswert, Umgebungs-Barrierebeschichtungen für Silicium enthaltende Substrate wie Siliciumnitrid, die nicht zu einem signifikanten Verlust an mechanischen Eigenschaften führen, bereitzustellen.
-
US 5 677 060 offenbart ein Verfahren zum Schützen von Produkten, die aus einem hitzebeständigen Material hergestellt sind, gegen Oxidation. - Dementsprechend ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, Bindungsaufträge für Substrate auf Siliciumbasis, die hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften keinen signifikanten ungünstigen Einfluss haben, bereitzustellen.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gegenstand, wie er in Anspruch 1 beansprucht ist, bereitgestellt.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Die vorstehende Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst, indem sie eine verbesserte Bindungsschicht zur Verwendung auf einem Substrat auf Siliciumbasis bereitstellt. Die Bindungsschicht weist eine Legierung auf, die ein hitzebeständiges Metalldisilicid/Silicium-Eutektikum aufweist. Das hitzebeständige Metalldisilicid kann ausgewählt sein aus der Gruppe, die aus Disiliciden von Molybdän, Chrom, Hafnium, Niob, Tantal, Rhenium, Titan, Wolfram, Uran, Vanadium, Yttrium und Gemischen davon besteht. Das hitzebeständige Metalldisilicid/Silicium-Eutektikum kann einen Schmelzpunkt von höher als 1300°C haben.
- Der besondere Vorteil, der durch die vorliegende Erfindung erzielt wird, ist eine Erhöhung der Raumtemperatur-Bruchzähigkeit im Vergleich zu Siliciummetall-Bindungsschichten, wie sie oben diskutiert wurden. Es wurde gefunden, dass die Bruchzähigkeit des Bindungsauftrags gegenüber derjenigen, die mit einem Ein-Phasen-Siliciummetall-Bindungsauftrag erzielbar ist, um mehr als 50% erhöht ist. Diese Erhöhung der Bruchzähigkeit ist dem Mechanismus der Zwei-Phasen-Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung, die mehr Beständigkeit gegen Rissfortpflanzung als die in einer einphasigen Siliciumschicht beobachtete schafft, zuschreibbar.
- Weitere Aufgaben und Vorteile werden hierin unten deutlich.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die
1a und1b sind schematische Darstellungen von Verbundgegenständen gemäß dem Stand der Technik. - GENAUE BESCHREIBUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand, der ein Substrat auf Siliciumbasis und eine Bindungsschicht 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 Silicium enthaltende Substrat 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 Legierung auf, die ein hitzebeständiges Metalldisilicid/Silicium-Eutektikum aufweist. Die Bindungsschicht kann 100% des hitzebeständigen Metalldisilicid/Silicium-Eutektikums aufweisen, oder die Bindungsschicht kann eine Mehrphasen-Mi krostruktur des hitzebeständigen Metalldisilicid/Silicium-Eutektikums alleine oder mit entweder Silicium oder dem hitzebeständigen Metalldisilicid aufweisen. In beiden Fällen kann das hitzebeständige Metalldisilicid/Silicium-Eutektikum einen Schmelzpunkt von größer als 1300°C haben. Der Siliciumgehalt der Bindungsschicht kann größer als oder gleich 66,7 Atom-% Silicium, bevorzugt 80 Atom-% Silicium, sein, wobei der Rest das hitzebeständige Metall ist.
- Bevorzugte hitzebeständige Metalle, die in der Bindungsschicht der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind ausgewählt aus der Gruppe, die aus Molybdän, Chrom, Hafnium, Niob, Tantal, Rhenium, Titan, Wolfram, Uran, Vanadium, Yttrium und Gemischen davon besteht. Bevorzugte hitzebeständige Metalle sind Molybdän und Chrom, und das am meisten bevorzugte hitzebeständige Metall ist Molybdän. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung zeigt eine signifikante Verbesserung der Bruchzähigkeit gegenüber im Stand der Technik bekannten Siliciummetall-Bindungsschichten, d.h., eine Bruchzähigkeit von größer als 1 MPa·m1/2.
- Es versteht sich, dass die Erfindung nicht beschränkt ist auf die hierin beschriebenen und gezeigten Darstellungen, die als lediglich veranschaulichend für die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung betrachtet werden, und die einer Modifizierung von Form, Größe, Anordnung von Teilen und von Details der Wirkungsweise 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 (9)
- Gegenstand (
10 ) aufweisend ein Substrat (12 ) auf Siliciumbasis, mindestens eine Umgebungs-Barriereschicht, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die im Wesentlichen aus einem Erdalkali-aluminiumsilicat auf der Basis von Barium und Strontium und Yttriumsilicat besteht, und eine Bindungsschicht (14 ) zwischen dem Substrat und der Umgebungs-Barriereschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindungsschicht (14 ) eine Legierung aufweist, die ein hitzebeständiges Metalldisilicid/Siliciusm-Eutektikum aufweist. - Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem das hitzebeständige Metalldisilicid ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Disiliciden von Molybdän, Chrom, Hafnium, Niob, Rhenium, Tantal, Titan, Wolfram, Uran, Vanadium, Yttrium und Gemischen davon besteht.
- Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das hitzebeständige Metalldisilicid/Silicium-Eutektikum einen Schmelzpunkt von größer als 1300°C hat.
- Gegenstand nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem die Bindungsschicht (
14 ) eine Mehrphasen-Mikrostruktur aus dem hitzebeständigen Metalldisilicid/Silicium-Eutektikum und Silicium aufweist. - Gegenstand nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Bindungsschicht (
14 ) eine Mehrphasen-Mikrostruktur aus dem hitzebeständigen Metalldisilicid/Silicium-Eutektikum und einem hitzebeständigen Metalldisilicid aufweist. - Gegenstand nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Bindungsschicht (
14 ) eine Mehrphasen-Mikrostruktur aus dem hitzebeständigen Metalldisilicid/Silicium-Eutektikum und einer der Komponenten Silicium und hitzebeständiges Metalldisilicid aufweist. - Gegenstand nach Anspruch 4, 5 oder 6, bei dem die Bruchzähigkeit größer als 1 MPa·m1/2 ist.
- Gegenstand nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem Silicium in der Bindungsschicht in einer Menge von größer als oder gleich 66,7 Atom-% vorliegt.
- Gegenstand nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem Silicium in der Bindungsschicht in einer Menge von größer als oder gleich 80 Atom-% vorliegt.
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