DE69907107T2 - Keramik mit oxidierbarer schicht - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Gegenstand, der ein siliziumhaltiges Substrat und eine Zwischenschicht/Überzug mit einem äußeren Trennüberzug aufweist, wie beispielsweise einen schützenden Umgebungs/thermischen Trennüberzug (E/TBC).
  • Siliziumhaltige Substrate sind für Strukturen vorgeschlagen, die in Hochtemperatur-Anwendungen benutzt werden, wie beispielsweise Wärmetauschern und fortgeschrittenen Triebwerken mit Innenverbrennung. Siliziumhaltige Substrate werden auch in Gasturbinentriebwerken benutzt. Höhere Betriebstemperaturen vergrößern den Wirkungsgrad von Gasturbinentriebwerken. Silizium-basierte Verbundkeramiken sind als Materialien für Anwendungen in Brennkammern für kommerzielle Überschall-Flugzeuge vorgeschlagen worden. In vielen Anwendungen mit wasserhaltigen Umgebungen schwindet jedoch ein silizium-basiertes Substrat und verliert Masse aufgrund der Bildung von verdampfbaren Verbindungen, wie beispielsweise Siliziumhydroxid [Si(OH)4]. Die Schwindrate aufgrund der Verdampfung oder Korrosion ist häufig unzulässig hoch, so dass ein äußerer Trennüberzug, wie beispielsweise ein Umgebungs/thermischer Trennüberzug (E/TBC) mit hoher Beständigkeit gegenüber derartigen Umgebungen erforderlich ist.
  • Der äußere Trennüberzug kann ein Umgebungs/thermischer Trennüberzug (E/TBC) sein, der ein chemisch stabilisiertes Zirkonoxid aufweist, wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid. Diese Überzüge sind in der Lage zu verhindern, dass die Substratmaterialien in direkten Kontakt mit Umgebungssauerstoff ist, der recht schnell durch die Überzüge diffundiert und das darunter liegende siliziumhaltige Substrat erreicht. Die Oxidation des siliziumhaltigen Substrates beinhaltet die Bildung von verschiedenen gasförmigen Produkten. Beispielsweise zeigen folgende Gleichungen den Angriff auf Siliziumcarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si3N4)
    SiC(s) + O2(g) → SiO2(s) + COx(g) (x = 1,2)
    Si3N4(s) + O2(g) → SiO2(s) + NOx(g) (x = 0,5 – 3)
  • Die Form der gasförmigen Produkte hängt von dem Sauerstoff-Partialdruck in dem System ab. Diese gasförmigen Verbindungen haben eine geringe Löslichkeit und Difusionsfähigkeit in Siliziumoxid (SiO2) und in anderen Oxiden, was dazu führt, dass sie an der Außenüberzug/Substrat-Grenzfläche eingeschlossen werden, um Hohlräume zu bilden. Der Druck der Gase in den Hohlräumen kann bei erhöhten Temperaturen genügend hoch sein, um ein Brechen zu bewirken. Hohlräume können sich auch miteinander verbinden, um große unbegrenzte Grenzflächenbereiche zu bilden, die ein Abblättern des Überzuges zur Folge haben.
  • Somit besteht ein Bedürfnis, die Bildung von gasförmigen Oxidationsprodukten an einem Grenzflächenbereich zwischen einem Umgebungs/thermischen Trennüberzug (E/TBC) und einem Silizium-basierten Substrat zu verhindern.
  • US-A-5683824 beschreibt ein beschichtetes Keramikteil, das ein Siliziumnitrid- oder Siliziumcarbid-basiertes Keramikbasismaterial, einen Siliziumnitrid- oder Siliziumcarbidfilm, der auf dem Basismaterial durch CVD gebildet ist, und einen Oxidfilm aufweist, der auf dem CVD Film gebildet ist.
  • EP-A-0310043 beschreibt einen oxidationsbeständigen, gegenüber thermischen Wechselbelastungen beständigen, beschichteten Hochtemperatur-Keramikgegenstand für keramische Wärmekraftanwendungen. Das Substrat ist ein Silizium-basiertes Material, d. h. ein Siliziumnitrid- oder Siliziumcarbid-basiertes monolithisches oder zusammengesetztes Material. Die Beschichtung ist eine abgestufte Beschichtung aus wenigstens zwei Schichten: eine Zwischenschicht aus AlN oder AlxNyO2 und eine Außenschicht aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid. Die Zusammensetzung der Beschichtung ändert sich graduell von derjenigen des Substrates zu derjenigen der AlN- oder AlxNy02-Schicht und ferner zu der Zusammensetzung von der Außenschicht aus Alumini umoxid oder Zirkonoxid. Andere Schichten können über der Aluminiumoxidschicht abgeschieden sein.
  • EP-A-0427294 beschreibt ein Siliziumcarbidteil, das durch Abscheiden eines Siliziumcarbidüberzuges auf einem Substrat aus siliziumcarbidhaltigem freiem Silizium durch chemische Dampfabscheidung gefertigt ist. Durch graduelles Verringern des Gehaltes an freiem Silizium des Überzuges, so dass der Überzug aus Siliziumcarbid, das freies Silizium enthält, an der Grenzfläche mit dem Substrat, aber aus Siliziumcarbid, das kein freies Silizium enthält, an der äußeren Oberfläche enthält, ist der Überzug fest mit dem Substrat verbunden, durchläuft wenig thermische Beanspruchung und ist beständig gegenüber Rissbildung und Ablösung bei thermischen Wechselbelastungen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt einen Gegenstand bereit, der die Bildung von gasförmigen Produkten an einer Überzug-Substrat-Grenzfläche verhindert oder wesentlich verringert. Die Erfindung ist ein Gegenstand, der ein siliziumhaltiges Substrat und wenigstens einen Außenumgebungs/thermischen Trennüberzug aufweist. Der wenigstens eine Außenumgebugns/thermische Überzug ist permeabel gegenüber Difussion eines Umgebungs-Oxidationsmittels, und das Substrat ist durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel oxidierbar, um wenigstens ein gasförmiges Produkt zu bilden. Der Gegenstand enthält eine Zwischenschicht/Überzug zwischen dem siliziumhaltigen Substrat und dem wenigstens einen Außenumgebungs/thermischen Überzug, der zu einem nichtgasförmigen Produkt oxidierbar ist durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel in Gegenwart der Reaktion des siliziumhaltigen Substrates mit dem Oxidationsmittel, wobei (i) die Zwischenschicht/Überzug Silizium oder eine siliziumhaltige Legierung ist oder (ii) die Zwischenschicht/Überzug eine Endlage hat, die aus Silizium oder einer siliziumhaltigen Legierung besteht.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Bilden eines Gegenstandes, enthaltend: Bilden eines Silizium enthaltenden Substrats, das durch Reakti on mit einem Oxidationsmittel zur Bildung von wenigstens einem gasförmigen Produkt oxidierbar ist, und Aufbringen einer Zwischenschicht/Überzug auf das Substrat, wobei die Zwischenschicht/Überzug zum Bilden eines nicht-gasförmigen Produktes durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel oxidierbar ist, wobei (i) die Zwischenschicht/ Überzug Silizium oder eine siliziumhaltige Legierung ist oder (ii) die Zwischenschicht/Überzug eine Endlage hat, die aus Silizium oder einer siliziumhaltigen Legierung besteht.
  • Kurze Bechreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Mikrophotographie von einem Gegenstand ohne eine Zwischenschicht/Überzug,
  • 2 ist eine Mikrophotographie von einem Gegenstand mit einer Zwischenschicht/Überzug und
  • 3 ist eine weitere Mikrophotographie von einem Gegenstand mit einer Zwischenschicht/Überzug, die aus einer Siliziumschmelzinfiltration gebildet ist.
  • Detaillierte Beschreibug der Erfindung
  • Gemäß der Erfindung enthält ein Gegenstand ein siliziumhaltiges Substrat und eine Zwischenschicht/Überzug. Die Erfindung enthält ferner wenigstens einen Außenumgebungs/ thermischen Trennüberzug (-überzüge), der auf die Zwischenschicht/ Überzug aufgebracht ist. Die Zwischenschicht/Überzug verhindert die Bildung von gasförmigen Produkten, die Hohlräume an der Außenumgebungs/thermischer Trennüberzug-Substrat-Grenzfläche bilden. Die Hohlräume können aufbrechen und sich miteinander verbinden, um große, unbegrenzte Grenzflächenbereiche zu formen. Dies kann ein Abblättern des Überzuges und eine verschlechterte Bindung zwischen dem siliziumhaltigen Substrat und dem Außenumgebungs/thermischen Trennüberzug (-überzügen) zur Folge haben.
  • Gemäß der Erfindung ist eine Zwischenschicht/ Überzug vorgesehen, um die gasförmigen Produkte zu verringern, die anderenfalls durch Reaktion des siliziumhaltigen Substrates mit Oxidationsmitteln emittiert werden würden. Die Zwischenschicht/ Überzug reagiert vorzugsweise mit Oxidationsmitteln, um nichtgasförmige Produkte zu bilden.
  • Die Zwichenschicht/Überzug reagiert bevorzugt mit Oxidationsmitteln, um ein nicht-gasförmiges Produkt zu bilden, und enthält elementares Silizium (Si) und Siliziumlegierungen, wie beispielsweise Silizium-Aluminium (Si-Al), Silizium-Chrom (Si-Cr), Silizium-Magnesium (Si-Mg), Silizium-Kalzium (Si-Ca), Silizium-Molybdän (Si-Mo) und Silizium-Titan (Si-Ti). Die Siliziumlegierung wird so gewählt, dass die Permeabilität von Oxidationsmitteln durch das Oxidationsprodukt der Legierung klein ist (im Vergleich zu Siliziumoxid), um eine rasche Oxidation der Zwischenschicht/Überzug zu verhindern. Vorzugsweise besteht die Zwischenschicht/Überzug aus Silizium.
  • Die Dicke der Siliziumzwischenschicht/Überzug kann abgeschätzt werden auf der Basis von Daten von B.E. Deal und A.S. Grove "General Relationship for the Thermal Oxidation of Silicon", J. Appl. Phys., 36[12]3770–78 (1965) für die Oxidation von Silizium. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Berechnungen wurden für Siliziumoxidation in trockener Sauerstoff (O2)-Umgebung ausgeführt, wobei angenommen wurde, dass Wasser (H2O) in dem Verbrennungsgas nicht durch den Oxidüberzug wandert. Die Oxidationszeit bei hohen Temperaturen (1100–1400°C) beträgt 4500 Stunden. Wenn also eine dichte gleichförmige Schicht/Überzug aus Silizium aufgebracht werden kann, reicht eine Überzugsdicke von etwa 0,5 Mil (12,7 μm) für eine 4500 Stunden-Hitzeanwendungen unter etwa 1400°C aus. Jedoch kann eine Dicke von etwa 1–2 Mil praktischer sein.
  • Tabelle 1 Dicke von Silizium, das bei unterschiedlichen Temperaturen für 4500 Stunden oxidiert ist.
    Figure 00050001
  • Geeignete siliziumhaltige Substrate umfassen Siliziumcarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si3N4) und auch Siliziumlegierungen, wie beispielsweise Niob-Silizium-Legierungen, Molybdän-Silizium-Legierungen und ähnliche. Das siliziumhaltige Substrat kann ein Monolith oder eine Verbundmasse sein. Eine Verbundmasse kann eine Verstärkungsfaser, Feststoff oder Whisker und eine Silizium-basierte Matrix aufweisen. Beispiele für Fasern, Feststoff oder Whisker sind siliziumkarbidhaltig, kohlenstoffhaltig, siliziumhaltig oder Mischungen davon. Die Fasern, Feststoff oder Whisker können optional wenigstens einen Überzug haben, wie beispielsweise einen Siliziumnitrid-, Siliziumboridoder Siliziumkarbidüberzug. Die Matrix kann durch Schmelzinfiltration (MI), chemische Dampfinfiltration (CVI) oder eine andere Technik hergestellt sein. Beispiele für siliziumhaltige Substrate umfassen ein monolithisches Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si3N4), eine Siliziumkarbid(SiC)faser-verstärkte Siliziumkarbid(SiC)-Matrixzusammensetzung, Kohlenstofffaserverstärkte Siliziumkarbid(SiC)-Matrixzusammensetzung und eine Siliziumkarbid(SiC)faser-verstärkte Siliziumnitrid (Si3N4)-Zusammensetzung. Das bevorzugte Substrat weist eine Siliziumkarbid(SiC)faser-verstärkte Silizium-Siliziumkarbid (Si-SiC) Matrixzusammensetzung auf, die durch Siliziumschmelzinfiltration verarbeitet ist.
  • Beispiele für Außenumgebungs/thermische Trennüberzüge sind chemisch stabilisierte Zirkonoxide, Aluminiumoxid und Aluminiumoxid-Silikat mit oder ohne Bindungsüberzüge. Chemisch stabilisierte Zirkonoxide umfassen Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, Skandiumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, Kalziumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid und Magnesiumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid. Beispiele für Bindungsüberzüge sind Mullit, modifiziertes Mullit, MCrAlY, wobei M Nickel, Eisen, Kobalt, Nickel und Kobalt und Mischungen davon ist. Modifiziertes Mullit umfasst Mullit und eine Modifiziererkomponente. Modifiziererkomponenten für Mullit umfassen Erdalkali-Alumino-Silikat mit der Formel MO·Al2O3·2SiO2, wobei M ein Erdalkalielement ist. Bevorzugte Modifiziererkomponenten der Formel MO·Al2O3·2SiO2 umfassen Barium-Feldspat (BaO·Al2O3·2SiO2), Strontium-Feldspat (SrO·Al2O3·2SiO2) und Kombinationen von Barium-Feldspat (BaO·Al2O3·2SiO2) und Strontium-Feldspat (SrO·Al2O3·2SiO2). Vorzugsweise hat das Erdalkali-Aluminosilikat eine monolithische celsische kristalline Phase. Die am stärksten bevorzugten Aluminosilikate umfassen (BaO)0,75(SrO)0,25 Al2O3·2SiO2, das als BSAS bezeichnet wird, CaO·Al2O3·2SiO2, das als CAS bezeichnet wird, und BaO·Al2O3·2SiO2. Andere geeignete Modifizierer umfassen Materialien, die als NZP's bezeichnet werden, wie beispielsweise NaZr2P3O12, Ba1,25Zr4P5,5Si0,5O24, Ca0,5Sr0,5Zr4 (PO4)6 und Ca0,6Mg0,4Sr4(PO4)6. Andere bevorzugte Modifiziererkomponenten umfassen Yttrium-Silikate, Kalzium-Aluminate einschließlich 3Ca0,5·5 Al2O3, Aluminium-Titanate einschließlich Al2O3·TiO3, Cordierit (2MgO·Al2O3·5 SiO2) , gebranntes Siliziumdioxid (SiO2) und Silizium (Si). Diese Materialien sind chemisch kompatibel mit Mullit.
  • Die Modifiziererkomponenten können dem modifiziertes Mullit enthaltenden Überzug in einem Volumenprozentbereich zwischen etwa 5 bis etwa 50 zugesetzt werden. Vorzugsweise ist die Modifiziererkomponente in etwa 10 bis etwa 30 Volumenprozent des modifiziertes Mullit aufweisenden Überzuges und am stärksten bevorzugt in etwa 15 bis 25 Volumenprozent vorhanden.
  • Vorzugsweise ist die Zwischenschicht/Überzug Silizium und ist zwischen einem Siliziumkarbid(SiC)- oder Siliziumnitrid (Si3N4)-Substrat und einem Außenumgebungs/thermischen Trennüberzug, wie beispielsweise Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid mit einem modifiziertes Mullit aufweisenden Bindeüberzug aufgebracht.
  • Der Gegenstand gemäß der Erfindung kann als ein diskreter Verbundgegenstand, wie beispielsweise einem Teil von einem Gasturbinentriebwerk, verwendet werden.
  • Wenn die Zwischenschicht/Überzug Silizium ist, reagiert das Silizium vorzugsweise mit Sauerstoff, um ein nichtgasförmiges Produkt zu bilden, um die Bildung von Hohlräumen zu vermindern, die anderenfalls die Bindung zwischen dem Silizium-. haltigen Substrat und dem wenigstens einen Umgebungs/ thermi schen Trennüberzug verschlechtern würde. Zusätzlich hat das entstehende Siliziumoxid (SiO2) eine niedrige Sauerstoff-Permeabilität. Somit wirkt die Zwischenschicht/Überzug als eine schützende Trennung, die die Wanderung von Sauerstoff in die Substratschicht durch wenigstens zwei Mechanismen vermindert. Die Quelle der Gaserzeugung ist eliminiert und Hohlräume werden verhindert, die sich anderenfalls an der Grenzfläche zwischen dem äußeren Überzug und dem silikonhaltigen Substrat ansammeln würden. Ferner bildet das Produkt der bevorzugten Reaktion eine Trennwand gegen eine Permeation von nicht reagiertem Sauerstoff in das silikonhaltige Substrat.
  • Eine Silizium-Zwischenschicht/Überzug kann für zusätzliche Vorteile sorgen. Silizium hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), der demjenigen von Siliziumkarbid (SiC) und Mullit ähnlich ist. Somit kann eine Silizium- Zwischenschicht/Überzug thermische Beanspruchungen zwischen dem wenigstens einen Umgebungs/thermischen Trennüberzug und dem siliziumhaltigen Substrat minimieren, wenn sie in Kombination mit einem Siliziumkarbid(SiC) Substrat und einem Mullit-Überzug oder einem oder mehreren Außenumgebungs/thermischen Trennüberzügen verwendet wird. Ein bevorzugter Gegenstand der vorliegenden Erfindung weist ein siliziumhaltiges Substrat auf, das eine schmelzinfiltrierte Silizium-Siliziumkarbid(Si/SiC)-Matrix, verstärkt mit Siliziumkarbid(SiC)-Fasern, und eine Zwischenschicht/Überzug ist, die Silizium aufweist. Wenigstens ein Außenumgebungs/thermischer Trennüberzug, wie beispielsweise ein Bindungsüberzug (beispielsweise Mullit, MCrAlY, wobei M Nickel, Eisen, Kobald und Mischungen sein kann) und ein Yttriumoxidstabilisiertes Zirkonoxid wird auf die Zwischenschicht/Überzug aus Silizium aufgebracht. Die Matrix von einer schmelzinfiltrierten Silizium-Siliziumkarbid(Si/SiC)-Verbundmasse weist etwa 10 bis 20 Volumenprozent (Vol%) Restsilizium auf. Dieses Restsilizium enthaltende Substrat verringert die Fehlanpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen dem siliziumhaltigen Substrat und der Silizium aufweisenden Zwischenschicht/Überzug. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Silizium aufweisende Zwischenschicht/Überzug als eine Verlängerung des Infiltrationsprozesses aufgebracht werden, bei dem über schüssiges Siliziuminfiltrat verwendet wird, um eine Siliziumoder Silizium-reiche Schicht/Überzug auf der Oberfläche des siliziumhaltigen Substrats aufzubauen. Die Silizium aufweisende Zwischenschicht/Überzug kann auch dadurch aufgebracht werden, dass die siliziumhaltigen Substrate einfach in eine Siliziumschmelze eingetaucht werden. Beide Aufbringungsarten sorgen für eine dichte und gleichförmige Siliziumschicht/Überzug auf der Oberfläche des siliziumhaltigen Substrates. Der Außenumgebungs/thermische Trennüberzug kann dann direkt auf die Silizium aufweisende Zwischenschicht/Überzug ohne jede größere Behandlung aufgebracht werden. Eine Voroxidierung der Siliziumschicht/Überzug, um eine obere Siliziumoxid(SiO2) Schicht zu bilden, kann die Bindung von äußeren Oxidtrennüberzügen verbessern. Die Zwischenschicht/Überzug kann auch durch chemische Dampfabscheidung (CVD), thermisches Sprühen, eine Lösungsbasierte Technik oder andere Verfahren aufgebracht werden.
  • Wenn der Außenumgebungs/thermische Trennüberzug ein Oxid ist, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) als das siliziumhaltige Substrat hat, können Beanspruchungen während Temperaturänderungen entstehen, wie beispielsweise während des Anlaufes oder der Abschaltung oder als eine Folge von "heißen Flecken" in dem Überzug bei hohen Temperaturen (über etwa 1000°C). Thermische Beanspruchungen sind ein Hauptgrund von Überzugsfehlern und Bindungsüberzugsfehlern in diesen Gegenständen. Die Zwischenschicht/Überzug gemäß der Erfindung ist von besonderem Vorteil, wenn sie mit diesen Gegenständen verwendet wird, da sie auch als eine Beanspruchungen entspannende Anpassungszone dient. Silizium deformiert sich plastisch bei höheren Temperaturen als etwa 600°C (während eine Scherfestigkeit über 10 Mpa beibehalten wird). Diese Plastizität vermindert thermische Beanspruchungen, die auf die Schicht/ Überzug ausgeübt werden, und verbessert demzufolge die Lebensdauer der Schicht/Überzug.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Fähigkeit einer Zwischenschicht/Überzug an Kundenwünsche angepasst werden, um einer höheren Temperatur zu widerstehen, die durch einen äußeren Trennüberzug verteilt wird, indem eine Si 1iziumlegierungsschicht/Überzug verwendet oder indem eine hochwarmfeste zweite Phase in eine Siliziumzwischenschicht/Überzug zugesetzt wird. Silizium-basierte Verbindungen, Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si3N4), können für diesen Zweck verwendet werden, solange der Anteil an Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si3N4) nicht so eingeschränkt ist, dass der Zweck des Eliminierens der Gaserzeugung nicht beeinträchtigt wird. Im allgemeinen sollte der Volumenprozentsatz an Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si3N4) auf etwa 20 Prozent oder weniger begrenzt sein. Andere kein Gas erzeugende hochwarmfeste Phasen, wie beispielsweise Siliziumdioxid (SiO2) und Aluminiumoxid (Al2O3), können ebenfalls verwendet werden, vorausgesetzt dass sie die Oxidationsbeständigkeit der Zwischenschicht/Überzug nicht verschlechtern.
  • Faserverstärkte Siliziumkarbid(SiC)-Matrixzusammensetzungen können einen CVD Siliziumkarbid(SiC)-Überzug haben, um die Fasern und Matrizen zu schützen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Teil oder das gesamte Siliziumkarbid(SiC) durch die Silizium- oder Siliziumlegierung-Zwischenschicht/ Überzug ersetzt werden. Silizium hat einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) als Siliziumkarbid (SiC). Somit kann die Zwischenschicht/Überzug gemäß der Erfindung eine abgestufte Schicht/Überzug mit einer höheren Siliziumkarbid (SiC)-Konzentration an einer Zwischenschicht/Überzug-Substrat-Grenzfläche haben als an der Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht/Überzug-Außenumgebungs-thermischer Trennüberzug-Grenzfläche. Die Siliziumkonzentration wird größer in Richtung auf die Außenumgebungs-thermische Trennschicht-Zwischenschicht/ Überzug-Grenzfläche als an der Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht/Überzug-Substrat-Grenzfläche. Die letzten Lagen der Zwischenschicht/Überzug bestehen im wesentlichen aus Silizium. Eine gemeinsame Abscheidung von Silizium und Siliziumkarbid ist möglich, z. B. indem das Wasserstoff/Silizium (H/Si)-Verhältnis gesteuert wird, wenn Siliziumtetrachlorid (CH3SiCl3) und Wasserstoff verwendet werden.
  • Die folgenden Beispiele sollen nur zur Darstellung der Erfindung dienen und nicht den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einschränken.
  • Beispiel
  • In diesen Beispielen wurde eine Zwischenschicht/Überzug auf eine Siliziumkarbid(SiC)faser-verstärkte, schmelzinfiltrierte Silizium-Siliziumkarbid (Si-SiC)-Matrix aufgebracht. Eine 60 μm dicke Siliziumzwischenschicht/Überzug wurde bei 1100°C mit SiCl2H2 und Wasserstoff für etwa 50 Minuten bei einem Druck von etwa 0,9 Torr abgeschieden. Ein Plasma-Mullitbindungsüberzug mit einer Dicke von etwa 1–2 Mil wurde mit einem Plasma-Yttriumoxid-stabilisierten Zirkonoxid-Decküberzug aufgebracht, der etwa 1 Mil dick war. Der Überzug wurde einer Oxidationsprüfung bei 1300°C für etwa 200 Stunden ausgesetzt.
  • Die Vergleichsergebnisse zwischen den Überzügen mit der Siliziumzwischenschicht/Überzug und ohne die Siliziumzwischenschicht/Überzug sind in den SEM Mikrophotographien gezeigt, wobei 1 ohne die Siliziumzwischenschicht/Überzug ist und 2 mit den Siliziumzwischenschicht/Überzug ist.
  • Nach einer Oxidation bei 1300°F für 200 Stunden in Luft wies die Probe ohne die Siliziumzwischenschicht/Überzug schwere Porenbildung und Bindungslösung an der Überzug/Substrat-Grenzfläche auf. Die Probe mit der Siliziumzwischenschicht/Überzug zeigte gute Bindung zwischen der Siliziumzwischenschicht/ Überzug und dem siliziumhaltigen Substrat und zwischen der Siliziumzwischenschicht und dem Außenumgebungs/thermischen Trennüberzug. An der Überzug-Si-Zwischenschicht/Überzug-Grenzfläche wurde keine Porenbildung oder Bindungslösung gesehen.
  • Beispiel
  • In einem anderen Beispiel wurde eine Siliziumzwischenschicht/Überzug durch Schmelzinfiltration auf die Oberfläche von einer Siliziumkarbid(SiC)faser-verstärkten, schmelzinfil trierten Silizium-Siliziumkarbid(Si-SiC)-Matrixzusammensetzung aufgebracht. Ein Yttriumoxid-stabilisierter Zirkonoxid (YSZ)-Mullit-Umgebungs-thermischer Trennüberzug wurde auf die Siliziumzwischenschicht/Überzug aufgebracht. 3 zeigt eine gute Bindung zwischen allen Schichten.
  • Die Beispiele zeigen, dass eine Siliziumzwischenschicht/ Überzug die Bindung verbessern und die Bildung von gasförmigen Oxidationsprodukten an einem Grenzflächenbereich zwischen einem Umgebungs/thermischen Trennüberzug (E/TBC) und einem siliziumhaltigen Substrat vermeiden kann.

Claims (35)

  1. Gegenstand enthaltend: ein Silizium enthaltendes Substrat, das durch Reaktion mit einem Oxidationsmittel in wenigstens ein gasförmiges Produkt oxidierbar ist, und eine Zwischenschicht/Überzug, die auf das Substrat aufgebracht ist, wobei die Zwischenschicht/Überzug zum Bilden eines nichtgasförmigen Produktes durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel oxidierbar ist, wobei (i) die Zwischenschicht/Überzug Silizium oder eine siliziumhaltige Legierung ist oder (ii) die Zwischenschicht/Überzug eine Endlage hat, die aus Silizium oder einer siliziumhaltigen Legierung besteht.
  2. Gegenstand nach Anspruch 1, enthaltend ein siliziumhaltiges Substrat und einen Aussenumgebungs/thermischen Trennüberzug, wobei der Aussenumgebungs/thermische Trennüberzug gegenüber Diffusion eines Umgebungs-Oxidationsmittels permeabel ist und das Substrat durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel oxidierbar ist, um wenigstens ein gasförmiges Produkt zu bilden, und eine Zwischenschicht/Überzug zwischen dem Substrat und dem Aussenumgebungs/thermischen Trennüberzug, die oxidierbar ist zum Bilden eines nicht-gasförmigen Produktes durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel.
  3. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das Substrat Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid-Monolith oder -Verbundkörper ist.
  4. Gegenstand nach Anspruch 2, wobei der Aussenumgebungs/ thermische Trennüberzug Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, Scandiumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, Kalziumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, Magnesiumoxid-stabilisiertes Zirkon, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Silikat oder Mischungen davon aufweist.
  5. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die siliziumhaltige Legierung aus der aus Silizium-Aluminium (Si-Al), Silizium-Chrom (Si-Cr), Silizium-Magnesium (Si-Mg), Silizium-Kalzium (Si-Ca), Silizium-Molybdän (Si-Mo) und Silizium-Titan (Si-Ti) bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  6. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das Substrat Siliziumkarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumkarbidfaserverstärkten Siliziumkarbid (SiC)-Matrixverbund, Kohlefaserverstärkten Siliziumkarbid (SiC)-Matrixverbund oder Siliziumkarbid(SiC)faser-verstärkten Siliziumnitrid(Si3N4)-Matrixverbund enthält.
  7. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das Substrat Siliziumkarbid(SiC)faser-verstärkten Siliziumkarbid(Si-SiC) Matrixverbund aufweist, der durch Silizium-Schmelzinfiltration hergestellt ist.
  8. Gegenstand nach Anspruch 2, enthaltend ein siliziumhaltiges Substrat, das einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aussenumgebungs/thermischen Trennüberzugs hat, und die Zwischenschicht/Überzug die thermische Beanspruchung zwischen dem Substrat und dem Aussenumgebung/thermischen Trennüberzug senkt.
  9. Gegenstand nach Anspruch 8, wobei die Zwischenschicht/Überzug aus Silizium besteht.
  10. Gegenstand nach Anspruch 2, wobei das Substrat Siliziumkarbid (SiC) aufweist und die Zwischenschicht/Überzug eine abgestufte Schicht/Überzug mit höherer Siliziumkarbid(SiC)-Konzentration an einer Zwischenschicht/Überzug-Substratgrenzfläche als an einer Zwischenschicht/Überzug-Aussen-Umgebungs/thermischen Trennüberzugsgrenzfläche aufweist und die Silizium-Konzentration an einer Grenzfläche zwischen dem Aussenumgebungs/thermischen Trennüberzug und der Zwischenschicht/ Überzug ansteigt.
  11. Gegenstand nach Anspruch 2, wobei das Substrat eine Siliziumbasis-Nichtoxid-Keramikmatrixzusammensetzung ist, die durch Siliziumschmelze-Infiltration gebildet ist, und die Zwischenschicht/Überzug Silizium ist.
  12. Gegenstand nach Anspruch 2, enthaltend ein Siliziumkarbid(SiC)faser-verstärktes, schmelzinfiltriertes Silizium-Siliziumkarbid(Si-SiC)-Matrixsubstrat, einen Mullit-gebundenen Yttriumoxid-stabilisierten Zirkonoxid-Aussenumgebungs/thermischen Trennüberzug und eine Silizium-Zwischenschicht/Überzug.
  13. Gegenstand nach Anspruch 1, der zu einem Triebwerksteil geformt ist.
  14. Gegenstand nach Anspruch 1, enthaltend ein siliziumhaltiges Substrat, das zu einem Teil geformt ist, und einen Aussenumgebungs/thermischen Trennüberzug, wobei der äussere Trennüberzug gegenüber Diffusion eines Umgebungs-Oxidationsmittels permeabel ist und das Substrat durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel zu wenigstens einem gasförmigen Produkt oxidierbar ist; und eine kontinuierliche Zwischenschicht/Überzug zwischen dem Substrat und dem Aussenumgebung/thermischen Trennüberzug, der oxidierbar ist zum Bilden eines nicht-gasförmigen Produktes durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel bevorzugt zu einer Reaktion des Substrates mit.dem Oxidationsmittel.
  15. Gegenstand nach Anspruch 4, wobei der Aussenumgebung/thermische Trennüberzug ferner einen Bindungsüberzug aufweist.
  16. Gegenstand nach Anspruch 15, wobei der Bindungsüberzug Mullit, modifiziertes Mullit oder MCrAlY aufweist, wobei M Nickel, Eisen, Kobalt oder Mischungen davon ist.
  17. Gegenstand nach Anspruch 16, wobei der Mullitüberzug eine Modifiziererkomponente aufweist.
  18. Gegenstand nach Anspruch 17, wobei die Modifiziererkomponente aus der aus Erdalkali-Alumino-Silikat mit der Formel MO·Al2O3·2SiO2 bestehenden Gruppe ausgewählt ist, wobei M ein Erdalkalielement, Yttrium-Silikate (YS), Kalzium-Aluminate, Aluminium-Titanate, Cordierit, gebranntes Siliziumdioxid, Silizium, NaZr2P3O12, Bal,25Zr4P5.5SiO,5024, CaO,5SrO,5Zr4 (PO4)6, CaO,6MgO,4Sr4(PO4)6 und Mischungen davon ist.
  19. Gegenstand nach Anspruch 18, wobei die Formel MO·Al2O3· 2SiO2 Barium-Feldspat (BaO·Al203·2SiO2), Strontium-Feldspat (SrO·Al2O3·2SiO2) und Kombinationen von Barium-Feldspat (BaO·Al2O3·2SiO2) und Strontium-Feldspat (SrO·Al2O3·2SiO2) enthält.
  20. Gegenstand nach Anspruch 19, wobei die Alumino-Silikate (BaO)0,75(Sr0)0,25·Al2O3·2SiO2 (BSAS), CaO·Al2O3·2SiO2 (CAS) oder Kombinationen davon umfassen.
  21. Gegenstand nach Anspruch 1, enthaltend: ein Siliziumkarbid(SiC)faser-verstärktes, schmelzinfiltriertes Silizium-Siliziumkarbid(Si-SiC)-Matrixsubstrat, einen Mullit-Bindungsüberzug, einen Yttriumoxid-stabilisierten Zirkonoxid-Aussenumgebungs/thermischen Trennüberzug und eine Silizium-Zwischenschicht/Überzug.
  22. Gegenstand nach Anspruch 21, wobei der Mullit-Überzug eine modifizierte Komponente aufweist.
  23. Gegenstand nach Anspruch 22, wobei die modifizierte Komponente (BaO)0,75(SrO)0,25·Al2O3·2SiO2 (BSAS), CaO·Al2O3·2SiO2 (CAS) oder Kombinationen davon enthält.
  24. Verfahren zum Bilden eines Gegenstandes, enthaltend: Bilden eines Silizium enthaltenden Substrats, das durch Reaktion mit einem Oxidationsmittel zu wenigstens einem gasförmigen Produkt oxidierbar ist, und Aufbringen einer Zwischenschicht/Überzugs auf das Substrat, wobei die Zwischenschicht/Überzug zum Bilden eines nichtgasförmigen Produktes durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel oxidierbar ist, wobei (i) die Zwischenschicht/Überzug Silizium oder eine siliziumhaltige Legierung ist oder (ii) die Zwischenschicht/ Überzug eine Endlage hat, die aus Silizium oder einer siliziumhaltigen Legierung besteht.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, enthaltend Aufbringen der Zwischenschicht/Überzug durch chemische Dampfabscheidung, Schmelzinfiltration, thermisches Sprühen oder Lösungs-basierte Techniken.
  26. Verfahren nach Anspruch 24, ferner enthaltend Aufbringen eines Aussenumgebungs/thermischen Trennüberzugs auf die Zwischenschicht/Überzug, wobei der Aussenumgebungs/thermische Trennüberzug gegenüber Diffusion des Oxidationsmittels permeabel ist.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Substrat ein Siliziumkarbid(SiC)-Substrat ist, enthaltend Aufbringen einer Siliziumzwischenschicht/Überzug auf das Substrat, um die thermische Beanspruchung zwischen dem Substrat und dem Aussenumgebungs/thermischen Trennüberzug verringern.
  28. Verfahren nach Anspruch 26, enthaltend Aufbringen der Siliziumzwischenschicht/Überzugs als einen abgestuften Überzug mit höherer Siliziumkarbid(SiC)-Konzentration an einer Zwischenschicht/Überzug-Substratgrenzfläche als an einer Zwischenschicht/Überzug-Aussenumgebungs/thermischen Trennüberzuggrenzfläche und Vergrössern der Silizium-Konzentration an einer Grenzfläche zwischen dem Aussenumgebungs/thermischen Trennüberzug und der Zwischenschicht/Überzug.
  29. Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Substrat einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aussenumgebung/thermischen Trennüberzugs hat, enthaltend Aufbringen einer Zwischenschicht/ Überzugs auf das Substrat, um die thermische Beanspruchung zwischen dem Substrat und dem Aussenumgebungs/ thermischen Trennüberzug verringern.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei die Zwischenschicht/Überzug Silizium aufweist.
  31. Verfahren zum Verbessern der Bindefestigkeit des Gegenstandes nach Anspruch 1, enthaltend: Bereitstellen eines Silizium-basierten Nichtoxid-Substrates zum Aufbringen eines Aussenumgebungs/thermischen Trennüberzugs, wobei der Aussenumgebungs/thermische Trennüberzug gegenüber einer Diffusion eines Umgebungs-Oxidationsmittels permeabel ist, und das Substrat oxidierbar ist durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel, um wenigstens ein gasförmiges Produkt zu bilden, und Aufbringen einer Zwischenschicht/Überzug auf das Substrat, wobei die Zwischenschicht zu einem nicht-gasförmigen Produkt oxidierbar ist durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel bevorzugt zu einer Reaktion des Subtrates mit dem Oxidationsmittel.
  32. Verfahren nach Anspruch 24, enthaltend: Bereitstellen eines Silizium-Siliziumkarbid-Substrates, das Siliziumkarbid enthaltende Fasern enthält, und das Substrat einen äusseren Yttriumoxid-stabilisierten Zirkonoxid-Überzug hat, wobei die Zwischenschicht zu einem nicht-gasförmigen Produkt oxidierbar ist durch Reaktion mit dem Oxidationsmittel bevorzugt zu einer Reaktion des Subtrates mit dem Oxidationsmittel.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Aussenumgebung/ thermische Trennüberzug ferner einen Bindungsüberzug aufweist.
  34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Bindungsüberzug Mullit, modifiziertes Mullit oder MCrAlY aufweist, wobei M Nickel, Eisen, Kobalt oder Mischungen davon ist.
  35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Mullitüberzug eine Modifiziererkomponente aufweist.
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