JP2004345944A - ケイ素基材とボンド層とを含む物品 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ケイ素基材の機械的特性に悪影響を及ぼすことがないボンドコートを提供する。
【解決手段】 ケイ素基材(12)用のボンド層(14’)は、第1の相(30)と第2の相(40)との混合物を含み、第1の相(30)は、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第2の相(40)は、高融点金属酸化物を形成する金属、SiC、Si3N4、およびこれらの混合物からなる群から選択される。
【選択図】 図2
【解決手段】 ケイ素基材(12)用のボンド層(14’)は、第1の相(30)と第2の相(40)との混合物を含み、第1の相(30)は、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第2の相(40)は、高融点金属酸化物を形成する金属、SiC、Si3N4、およびこれらの混合物からなる群から選択される。
【選択図】 図2
Description
本発明は、耐環境被膜に関し、特に、ケイ素を含む基材に被覆される耐環境被膜に関する。
ケイ素基セラミックスは、ガスタービンエンジンの燃焼器やタービン部などの高温で水を含む環境において酸化速度が加速する。このような環境でセラミック部品として使用されるケイ素基材の酸化速度を減少させて、このような部品の耐用寿命を延長するために、ケイ素基材用の耐環境被膜すなわちバリヤ層を提供する努力がなされてきた。
図1a,図1bを参照すると、従来技術の耐環境被膜は、ケイ素基材12と、ケイ素含有金属の密な連続層を含むボンドコートすなわちボンド層14と、バリウムおよびストロンチウム基のアルカリ土類アルミノケイ酸塩、ケイ酸イットリウム、または酸化アルミニウムなどの他の高融点金属酸化物を含むバリヤ層16と、例えば酸化ジルコニウムなどの耐熱性酸化物および/またはケイ酸塩を含むトップコートすなわちトップ層18と、を含む複合物10を構成する。さらに、ボンドコート14とトップ層18との間および/またはバリヤ層16とトップ層18との間に中間層20を設けることができる。この中間層は、例えば、バリヤ層材料とムライトなどの追加の酸化物の混合物を含む。このような従来技術の耐環境システムは、ケイ素基材に対して耐酸化性を与えるとともに密着性を有することが実証されてきた。しかし、窒化ケイ素などのケイ素基材のいくつかでは、室温における4点曲げ強度がかなり減少することによって示されるように、特定の機械的特性が損なわれる場合があることがわかった。機械的特性の損失は、ケイ素を含む基材に隣接するボンド層の割れに起因し、このような割れによって基材自体の割れを発生させる応力集中が生じるためであると考えられている。ボンドコートすなわちボンド層に生じる割れは、基材とボンド層との間の熱膨張係数の差や、部品の急速な周期的冷却および加熱によって生じる応力を含む多くの原因によって発生する。
米国特許第5985470号明細書
米国特許第6296941号明細書
米国特許第6296942号明細書
米国特許第6352790号明細書
米国特許第6387456号明細書
米国特許出願第10/34677号明細書
よって、結果として機械的特性を大きく損なうことがない、ケイ素を含む基材のための改善されたボンドコート層が求められている。
従って、本発明の主な目的は、ケイ素基材の機械的特性に悪影響を及ぼすことがないボンドコートを提供することである。
上述の目的は、ケイ素基材用のボンド層が第1の相と第2の相との混合物を含む本発明によって達成され、第1の相は、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第2の相は、高融点金属酸化物を形成する金属、SiC、Si3N4、およびこれらの混合物からなる群から選択される。
本発明は、従来技術に対して種々の利点を有する。第一に、密で連続的なケイ素層に関連する割れがなくなる。従来技術では、ケイ素層の割れによって、基材を損なう応力が上昇してしまう。第二に、耐熱性酸化物層に高融点金属酸化物の構成物が分散することによって、基材の酸化が制御されるとともに制限される。第三に、本発明のボンド層に含まれる分散金属相の酸化によって、層の厚さにわたって酸化生成物の拡散領域が形成される。これは、酸化物の構成物が層にわたって分散されるだけでなく、酸化過程でガス状の副酸化物が発生しうるからである。このことは、従来技術に比べて有利である。従来技術では、ケイ素層の酸化が、ケイ素層と近接する層との間の境界面においてケイ素層の表面に密で連続的な酸化層が成長することにつながっていた。この成長層には、隣接層の特性と大きく異なる一連の材料特性が集中するので、被膜に対して破壊的な影響を有する。本発明は、ボンド層の厚さにわたって酸化物の成長を拡散させるとともに、連続的な酸化物(scale)の形成を防止する。よって、特性の勾配が緩やかになり、これにより耐久性がより良好になる。
その他の目的や利点は、以下に記載されている。
図2を参照すると、本発明は、ケイ素基材12とボンド層14’とを含む物品10に関する。ボンド層14’は、ケイ素基材12に直接被覆することができ、またはボンド層14’とケイ素基材12との間に酸化ケイ素の中間層または他の中間層を設けることもできる。
ケイ素を含む基材12は、ケイ素を含むセラミック基材またはケイ素を含む金属合金とすることができる。好適実施例では、ケイ素を含む基材は、例えば、炭化ケイ素、炭化ケイ素複合材料、窒化ケイ素、窒化ケイ素複合材料、酸窒化ケイ素、酸窒化ケイ素アルミニウム、およびケイ素を含むモルブデンやニオブ合金などのケイ素を含むセラミック材料である。
本発明によると、ボンド層14’は、第1の相30と第2の相40とを含み、第1の相は、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第2の相は、高融点金属酸化物を形成する金属、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびこれらの混合物からなる群から選択される。第1の相は、好ましくは、クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、およびアルカリ土類金属のそれぞれの酸化物;クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、アルカリ土類金属のそれぞれのケイ酸塩;およびこれらの混合物からなる群から選択される。第2の相は、好ましくは、クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、アルカリ土類金属、およびこれらの混合物から選択される。第1の相としては、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、およびこれらの混合物が特に有用である。さらに、第2の相の高融点金属酸化物を形成する金属には、ケイ素含有金属が特に有用であることが分かった。
第1の相は、10〜90体積%、好ましくは30〜70体積%の量で含まれ、残部は第2の相である。60体積%よりも多くの量で含まれる相は、連続した相として現れ、他方の相は不連続な粒子として現れうる。よって、図2に示すように、体積%が低い方の相は、分散された粒状材料40、すなわち粒子、ホイスカ、繊維などとして含まれうる。不連続な粒子は、0.05〜4.00ミル、好ましくは0.10〜2.00ミルの平均粒径を有する。さらに、粒状材料は、3よりも大きい、好ましくは30よりも大きい、理想的には300よりも大きい表面積対体積比(cm2/cm3)を有する。各々の相の体積%が50体積%に近づくと、連続した相が現れず、両方の相の不連続な分散粒子が分散した状態で基材に付着して現れる。これらの粒子は、溶射などの周知の技術によって基材に施される。
本発明の物品は、バリヤ層などを形成する層16や、層18などの他の保護層などの中間層を含みうる。これらの層のいずれかまたは両方を、上述した本発明の2相を含む層として形成可能であり、すなわち、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる第1の相と、高融点金属酸化物を形成する金属、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびこれらの混合物から選択される第2の相と、を含むように形成可能である。また、中間層および保護層は、例えば、特許文献1〜5などに開示された従来技術で周知のバリヤ層を含むことができる。さらに、隣接する層に対して熱膨張係数を調節するために、これらの層のどれかに熱膨張係数調節剤を加えることができる。このような熱膨張係数調節剤(CTE)は、特許文献6に開示されている。この調節剤は、酸化ニオブである。
本発明の物品の利点は、以下の実施例を検討することで明らかになる。
ボンド層の被膜が、標準的な溶射技術を使用して窒化ケイ素片に形成された。被膜粉末は、原料をスプレイドライして適切な溶射粉末となるように造粒することによって準備した。溶射は、約30kwの電力レベルでアルゴン/水素の溶射アークガスを使用することでなされた。窒化ケイ素基材片は、材料の従来の4点曲げ強度の測定に使用される4点曲げバー試験の説明であるASTM C1164−94に従った寸法とされた。毎回、約125ミクロン(5ミル)のボンド層被膜が基材上に被覆された。従って、窒化ケイ素上に一連のボンド層被膜が形成された。これらの被膜は、本発明の第1の相および第2の相の混合物の例であり、具体的な実施例は、ムライトまたは酸化ニオブの第1の相にケイ素含有金属の第2の相が含まれたものからなる。図3は、4点曲げ強度の試験結果を示している。第1の相がない場合、すなわち被膜にケイ素のみが含まれる場合には、窒化ケイ素の曲げ強度は、被膜されていない窒化ケイ素基材の曲げ強度に比べて約50%減少する。しかし、ムライトまたは酸化ニオブである第1の相を追加していくことによって第2の相の成分が減少していくと、曲げ強度が大きく増加して元の被膜されていない窒化ケイ素の曲げ強度に近づいた。
本発明は、ここで説明および開示した実施例に限定されない。これらの実施例は、単に本発明の好適実施例を示しており、その形態、寸法、部品構成、および動作の詳細は変更される余地がある。本発明は、請求の範囲によって定められる本発明の趣旨および範囲内に含まれるこのような全ての変更を含むことを意図している。
10…物品
12…ケイ素基材
14’…ボンド層
16…バリヤ層
18…トップ層
30…第1の相
40…第2の相
12…ケイ素基材
14’…ボンド層
16…バリヤ層
18…トップ層
30…第1の相
40…第2の相
Claims (24)
- ボンド層が第1の相と第2の相とを含み、第1の相は、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第2の相は、高融点金属酸化物を形成する金属、SiC、Si3N4、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とするケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 第1の相は、クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、およびアルカリ土類金属のそれぞれの酸化物;クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、およびアルカリ土類金属のそれぞれのケイ酸塩;およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 第2の相は、クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、アルカリ土類金属、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 第1の相は、実質的に連続する相を含むことを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 第2の相は、不連続な粒子を含むことを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 第1の相は、第2の相に分散された不連続な粒子を含むことを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 第1の相は、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 第2の相は、ケイ素であることを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 第2の相はケイ素であることを特徴とする請求項7記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 前記粒子は、3よりも大きい表面積対体積比(cm2/cm3)を有することを特徴とする請求項5または6に記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 前記粒子は、30よりも大きい表面積対体積比(cm2/cm3)を有することを特徴とする請求項5記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 前記粒子は、300よりも大きい表面積対体積比(cm2/cm3)を有することを特徴とする請求項5記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 前記粒子は、0.05〜4.00ミルの平均粒径を有することを特徴とする請求項5記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 前記粒子は、0.10〜2.00ミルの平均粒径を有することを特徴とする請求項5記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 保護層をさらに含み、この保護層は、第1の相と第2の相とを含み、第1の相は、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第2の相は、高融点金属酸化物を形成する金属、SiC、Si3N4、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 前記ボンド層は、前記ケイ素基材に直接被覆されていることを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 前記ケイ素基材と前記ボンド層との間に少なくとも1つの中間層が設けられていることを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 前記ボンド層と前記保護層との間に少なくとも1つの中間層が設けられていることを特徴とする請求項15記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 前記保護層の上にトップ層が設けられていることを特徴とする請求項18記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 前記トップ層は、熱膨張係数調節剤を含むことを特徴とする請求項19記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 前記熱膨張係数調節剤は、酸化ニオブであることを特徴とする請求項20記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 前記ケイ素基材は、窒化ケイ素であることを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 第1の相は、10〜90体積%の量で含まれ、残部が第2の相であることを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
- 第1の相は、30〜70体積%の量で含まれ、残部が第2の相であることを特徴とする請求項1記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
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