JP2016097684A - シリコン含有基材のための結合層 - Google Patents
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Abstract
【課題】いくつかの例において、物品は、基材、及び基材上のコーティングを含んでもよい。【解決手段】これらの例のいくつかによれば、コーティングは、結合層と、少なくとも一つの酸化物を含む上層とを含んでもよい。いくつかの例において、結合層は、シリコン金属と、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つとを含む。【選択図】図１
Description
本開示は、超合金基材、セラミック基材、又はセラミックマトリクス複合基材のためのコーティングに関する。
高温機械的システム、例えば、ガスタービンエンジンの部品は、厳しい環境で動作する。例えば、商業的な航空エンジン内の熱い気体に暴露される高圧タービンブレード、羽根、ブレードトラック、及びブレードシュラウドは、約１０００℃、短期的ピークでは１１００℃程度もの高い金属表面温度を経験することがある。
高温機械的システムの部品は、Ｎｉ又はＣｏベースの超合金基材、セラミック基材、又はセラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）基材を含むことがある。いくつかのセラミックス又はＣＭＣは、優れた高温機械的、物理的、及び化学的特性を有し、ガスタービンエンジンが、超合金成分を有するガスタービンエンジンよりも高温で動作することを可能にすることがある。
本開示は、基材と、シリコン金属（例えば、遊離ケイ素）、及び遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを含む結合層を含むコーティングとを含む、物品を記載する。コーティングは、少なくとも一つの酸化物を含む上層もまた含んでもよい。遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、及び遷移金属炭化物は、シリコン金属とは異なる熱膨張係数を有していてもよい。例えば、遷移金属炭化物及び遷移金属ホウ化物は、摂氏１度当たり約５パーツパーミリオン（ｐｐｍ／℃）〜約８ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよく、遷移金属窒化物は、約９ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。シリコン金属と、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つとを混合することによって、結合層のＣＴＥを増加させ、基材のＣＴＥ、上層のＣＴＥ、又はこれらの両方により厳密に適合させてもよい。
いくつかの例において、物品は、基材と、基材上のコーティングとを含んでもよい。これらの例のいくつかによれば、コーティングは、結合層、及び少なくとも一つの酸化物を含む上層を含んでもよい。いくつかの例において、結合層は、シリコン金属と、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つとを含む。
いくつかの例において、方法は、基材上に、シリコン金属と、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つとを含む結合層を形成すること、及び結合層上に、酸化物を含む上層を形成することを含んでもよい。
添付の図面及び下記の説明において、一つ又は複数の例の詳細を説明する。他の特徴、目的、及び利点は、明細書及び図面から、並びに特許請求の範囲から明らかとなる。
本開示は、基材と、シリコン金属（例えば、遊離ケイ素）、及び遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを含む結合層を含むコーティングとを含む物品を記載する。コーティングは、少なくとも一つの酸化物を含む上層もまた含んでもよい。いくつかの例において、セラミック又はセラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）基材は、シリコン金属又はシリコン含有材料（例えば、シリコン炭化物、又はシリコン窒化物）を含んでもよい。シリコン金属又はシリコン含有材料を含む基材は、不純物を含む冷却流体中に存在する種による化学的攻撃に弱いことがある。例えば、水蒸気は、セラミック又はＣＭＣ基材が経験することがある温度において、シリコンを含むセラミック又はＣＭＣ基材を化学的に攻撃して、シリコン水酸化物種を形成し、セラミック又はＣＭＣ基材に損傷を与えることがある。
セラミック又はＣＭＣ基材への損傷を低減又は実質的に防止するため、セラミック又はＣＭＣ基材を環境バリアコーティング（ＥＢＣ）で被覆して、水蒸気との反応によるＣＭＣ基材の後退を低減又は実質的に防止してもよい。いくつかの例において、結合層を基材とＥＢＣとの間に提供して、ＥＢＣの基材への接着を強化してもよい。ＥＢＣは、いくつかの気体種（例えば、酸素）に対して透過性であることがあるので、結合層は、比較的安定な酸化物を形成する材料、例えばシリコン金属を含んでもよい。温度変化の間、熱膨張差及び収縮によって生じる応力を低減するために、セラミック又はＣＭＣ基材、結合層、及びＥＢＣは、比較的同様の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有してもよい。
シリコンは、安定な酸化ケイ素へと酸化され、いくつかのＥＢＣ（例えば、希土類ジシリケートを含むＥＢＣ）のＣＴＥに比較的近いＣＴＥを有する。シリコン金属及び希土類ジシリケートのＣＴＥは、約４ｐｐｍ／℃である。しかしながら、いくつかのＣＭＣは、シリコン金属のＣＴＥとは異なるＣＴＥを有することがある。例えば、ＳｉＣ−ＳｉＣ ＣＭＣは、約４．３ｐｐｍ／℃〜約５．５ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有することがある。同様に、希土類モノシリケートを含むＥＢＣは、約６．０ｐｐｍ／℃より高いＣＴＥを有することがある。基材とシリコン金属、及びＥＢＣとシリコン金属の間のＣＴＥの違いは、コーティングの機械的な破損につながることがある界面における応力の増加につながることがある。
遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、及び遷移金属窒化物は、シリコン金属とは異なるＣＴＥを有してもよい。例えば、遷移金属炭化物及び遷移金属ホウ化物は、約５ｐｐｍ／℃〜約８ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有してもよく、遷移金属窒化物は、約９ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有してもよい。シリコン金属と、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つとを混合することによって、結合層のＣＴＥを増加させ、基材のＣＴＥ、上層のＣＴＥ、又はこれらの両方に、より厳密に適合させてもよい。これは、物品の熱サイクルの間の、基材と結合層との間、結合層と上層との間、又はその両方の界面における応力を低減することがある。いくつかの例において、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、遷移金属窒化物、又はこれらの組み合わせを添加することは、単一の相を含む結合層と比較して結合層のクリープ強度を改善することがある結合層中の第二の相の形成につながることがある。
更に又は代替として、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、遷移金属窒化物、又はこれらの組み合わせを添加すると、シリコン金属のみを含む結合層と比較して、結合層の耐酸化性が改善されることがある。例えば、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを、熱的に成長させた酸化ケイ素内に取り入れてもよく、このことは、熱的に成長させた酸化ケイ素の結合層に対する接着性を改善することがあり、熱的に成長させた酸化ケイ素中の酸素の拡散係数を低減することがあり（残存する結合層の酸化速度を低減する。）、又はその両方であることがある。
図１は、基材１２と、結合層１６及び上層１８を含むコーティング１４とを含む物品１０の例を示す、概念的及び模式的な図である。結合層１６は、シリコン金属と、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つとの混合物を含んでもよい。
基材１２は、高温機械的システムの部品であってもよい。例えば、基材１２は、ブレードトラック、エアフォイル、ブレード、燃焼室ライナー等であってもよい。いくつかの例において、基材１２は、セラミック、セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）、又はＳｉを含む金属合金を含む。いくつかの例において、基材１２は、シリコンベースの材料、例えばシリコンベースのセラミック、シリコンベースのＣＭＣ、又はシリコンベースの合金を含んでもよい。
基材１２がセラミックを含むいくつかの例において、セラミックは実質的に均一であってもよい。いくつかの例において、セラミックを含む基材１２は、例えば、Ｓｉ含有セラミック、例えばＳｉＯ２、シリコン炭化物（ＳｉＣ）、又はシリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）；Ａｌ２Ｏ３；アルミノシリケート（例えば、Ａｌ２ＳｉＯ５）などを含む。他の例において、基材１０は、Ｓｉを含む金属合金、例えばモリブデン−シリコン合金（例えば、ＭｏＳｉ２）、又はニオブ−シリコン合金（例えば、ＮｂＳｉ２）を含む。
基材１２がＣＭＣを含む例において、基材１２は、マトリクス材料、及び強化材を含む。マトリクス材料は、セラミック材料、例えば、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、アルミノシリケート、ＳｉＯ２等を含んでもよい。ＣＭＣは、連続又は不連続な強化材を更に含む。例えば、強化材は、不連続な、ウィスカー、小片、又は微粒子を含んでもよい。他の例として、強化材は、連続的なモノフィラメント又はマルチフィラメントの織物を含んでもよい。いくつかの例において、強化材は、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、アルミノシリケート、ＳｉＯ２等を含んでもよい。いくつかの例において、基材１２は、ＳｉＣ−ＳｉＣセラミックマトリクス複合材を含む。
基材１２は、上にコーティング１４が配置される表面２０を画定する。図１に示す例において、コーティング１４は、結合層１６及び上層１８を含む。
上層１８は、例えば、環境バリアコーティング（ＥＢＣ）、熱的バリアコーティング（ＴＢＣ）、カルシア−マグネシア−アルミノシリケート（ＣＭＡＳ）−耐性層等を含んでもよい。いくつかの例において、単一の上層１８は、これらの機能の二つ以上を果たしてもよい。例えば、ＥＢＣは、基材１２に環境的保護、熱的保護、及びＣＭＡＳ−耐性を提供してもよい。いくつかの例において、単一の上層１８を含む代わりに、物品１０は、複数の上層、例えば少なくとも一つのＥＢＣ層、少なくとも一つのＴＢＣ層、少なくとも一つのＣＭＡＳ−耐性層、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。
ＥＢＣ層は、希土類酸化物、希土類シリケート、アルミノシリケート、又はアルカリ土類アルミノシリケートの少なくとも一つを含んでもよい。例えば、ＥＢＣ層は、ムライト、バリウムストロンチウムアルミノシリケート（ＢＳＡＳ）、バリウムアルミノシリケート（ＢＡＳ）、ストロンチウムアルミノシリケート（ＳＡＳ）、少なくとも一つの希土類酸化物、少なくとも一つの希土類モノシリケート（ＲＥ２ＳｉＯ５、ここでＲＥは希土類元素である。）、少なくとも一つの希土類ジシリケート（ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７、ここでＲＥは希土類元素である。）、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。少なくとも一つの希土類酸化物、少なくとも一つの希土類モノシリケート、又は少なくとも一つの希土類ジシリケート中の希土類元素は、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｅｕ（ユウロピウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｐｍ（プロメチウム）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｐｒ（プラセオジミウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｙ（イットリウム）、又はＳｃ（スカンジウム）の少なくとも一つを含んでもよい。いくつかの例において、希土類酸化物の少なくとも一つは、Ｙｂ、Ｙ、Ｇｄ、又はＥｒの少なくとも一つの酸化物を含む。
いくつかの例において、ＥＢＣ層は、少なくとも一つの希土類酸化物及びアルミナ、少なくとも一つの希土類酸化物及びシリカ、又は少なくとも一つの希土類酸化物、シリカ、及びアルミナを含んでもよい。いくつかの例において、ＥＢＣ層は、ＥＢＣ層の第一の成分に加えて、添加物を含んでもよい。例えば、ＥＢＣ層は、少なくとも一つのＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＳｉＯ４、アルカリ金属酸化物、又はアルカリ土類金属酸化物を含んでもよい。添加物をＥＢＣ層に加えて、ＥＢＣ層の一つ又は複数の所望の特性を変更してもよい。例えば、添加剤成分は、ＥＢＣ層とＣＭＡＳとの反応速度を増加若しくは減少させてもよく、ＣＭＡＳとＥＢＣ層との反応からの反応生成物の粘度を変更してもよく、ＥＢＣ層の結合層１６への接着性を増加させてもよく、ＥＢＣ層の化学的安定性を増加若しくは減少させる等してもよい。
いくつかの例において、ＥＢＣ層は、ハフニア及び／又はジルコニアを実質的に含まなくてもよい（例えば、含まない、又はほとんど含まない）。ジルコニア及びハフニアは、ＣＭＡＳによる化学的攻撃に影響されやすいことがあるので、ハフニア及び／又はジルコニアを実質的に含まないＥＢＣ層は、ジルコニア及び／又はハフニアを含むＥＢＣ層よりも、ＣＭＡＳの攻撃に対して耐性であってもよい。
いくつかの例において、ＥＢＣ層は、高密度微細構造、柱状微細構造、又は高密度微細構造と柱状微細構造との組合せを有していてもよい。高密度微細構造は、ＣＭＡＳ及び他の環境的混入物の浸透防止においてより効果的であることがあり、一方、柱状微細構造は、熱サイクルの間、より歪み耐性があることがある。高密度微細構造と柱状微細構造との組合せは、完全な高密度微細構造よりも、熱サイクルの間、更に歪み耐性がありながら、完全な柱状微細構造よりも、ＣＭＡＳ又は他の環境的混入物の浸透防止において、更に効果的であることがある。いくつかの例において、高密度微細構造を有するＥＢＣ層は、約２０体積％未満、例えば約１５体積％未満、１０体積％未満、又は約５体積％未満の多孔性を有してもよく、多孔性は、細孔体積をＥＢＣ層の総体積で除した割合として測定される。
いくつかの例において、上層１８はＴＢＣ層を含んでもよい。ＴＢＣ層は、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、単一又は複数の希土類酸化物によって安定化されたジルコニア、単一又は複数の希土類酸化物によって安定化されたハフニア、ジルコニア−希土類酸化物化合物、例えばＲＥ２Ｚｒ２Ｏ７（ＲＥは希土類元素である。）、及びハフニア−希土類酸化物化合物、例えばＲＥ２Ｈｆ２Ｏ７（ＲＥは希土類元素である。）を含んでもよい。上記のように、ＴＢＣ層は、単一の上層１８として用いてもよく、又は少なくとも一つの他の層、例えばＥＢＣ層と組み合わせて用いてもよい。
結合層１６は、基材１２と上層１８との間にある。結合層１６は、シリコン金属と、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つとを含んでもよい。結合層１６は、シリコン金属、及び少なくとも一つの遷移金属炭化物；シリコン金属、及び少なくとも一つの遷移金属ホウ化物；シリコン金属、及び少なくとも一つの遷移金属窒化物；シリコン金属、少なくとも一つの遷移金属炭化物、及び少なくとも一つの遷移金属ホウ化物；シリコン金属、少なくとも一つの遷移金属炭化物、及び少なくとも一つの遷移金属窒化物；シリコン金属、少なくとも一つの遷移金属ホウ化物、及び少なくとも一つの遷移金属窒化物；又はシリコン金属、少なくとも一つの遷移金属炭化物、少なくとも一つの遷移金属ホウ化物、及び少なくとも一つの遷移金属窒化物を含んでもよい。遷移金属は、例えば、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、又はＺｒを含んでもよい。少なくとも一つの遷移金属炭化物は、Ｃｒ３Ｃ２、Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒ２３Ｃ６、Ｍｏ２Ｃ、ＮｂＣ、ＷＣ、ＴａＣ、ＨｆＣ、又はＺｒＣの少なくとも一つを含んでもよい。少なくとも一つの遷移金属ホウ化物は、ＴａＢ、ＴａＢ２、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ、又はＨｆＢ２の少なくとも一つを含んでもよい。少なくとも一つの遷移金属窒化物は、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、Ｍｏ２Ｎ、又はＴａＮの少なくとも一つを含んでもよい。
いくつかの例において、結合層１６は、約４０体積パーセント（体積％）〜約９９体積％のシリコン金属、及び残部の遷移金属炭化物又は遷移金属ホウ化物の少なくとも一つを含んでもよい。例えば、結合層１６は、１体積％〜約６０体積％の遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つ、並びに残部のシリコン金属、及び任意の追加の成分、例えばシリコン炭化物を含んでもよい。いくつかの例において、結合層１６は、約１体積％〜約３０体積％、又は約５体積％〜約２０体積％の、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つ、並びに残部のシリコン金属、及び任意の追加の成分、例えばシリコン炭化物を含んでもよい。特定の組成範囲は、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つのＣＴＥに基づいて変化することがある。表１は、単一の遷移金属炭化物又はホウ化物、Ｙｂ２Ｓｉ２Ｏ７ＥＢＣ、及びＳｉＣ／ＳｉＣ複合基材の使用に基づく、一連の遷移金属炭化物及び遷移金属ホウ化物の量の例を示す。
少なくともいくつかの遷移金属炭化物、少なくともいくつかの遷移金属ホウ化物、及び少なくともいくつかの遷移金属窒化物は、シリコン金属のＣＴＥより高いＣＴＥを有していてもよく、耐火性であってもよい。例えば、少なくともいくつかの遷移金属炭化物、少なくともいくつかの遷移金属ホウ化物、及び少なくともいくつかの遷移金属窒化物は、約２０００℃を超える、又は約３０００℃さえ超える融点を有する。
いくつかの例において、実質的にシリコン金属のみを含む結合層と比較して、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを添加することは、結合層１６の融点を約５０℃よりも大きく低下させなくてもよい。言い換えれば、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを添加することは、結合層１６の融点を約１３５４℃未満にまで低下させなくてもよい（シリコン金属の融点は、約１４１４℃である。）。したがって、シリコン金属に遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は少なくとも一つの遷移金属窒化物の少なくとも一つを添加することは、実質的にシリコン金属のみを含む結合層と比較して、結合層１６の温度性能を実質的に低下させなくてもよい。
遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、及び遷移金属窒化物は、シリコン金属とは異なるＣＴＥを有してもよい。例えば、遷移金属炭化物及び遷移金属ホウ化物は、約５ｐｐｍ／℃〜約８ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。シリコン金属と、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又はその両方とを混合することによって、結合層１６のＣＴＥを増加させて、基材１２のＣＴＥ、上層１８のＣＴＥ、又はその両方へと、より厳密に適合させてもよい。これは、物品１０の熱サイクルの間の、基材１２と結合層１６との間、及び結合層１６と上層１８との間、又はその両方の界面における応力を低減してもよい。
遷移金属炭化物及び遷移金属ホウ化物は、約５ｐｐｍ／℃〜約８ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよく、遷移金属窒化物は、約９ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。比較として、シリサイド及びいくつかの酸化物は、より高い、例えば、約９ｐｐｍ／℃〜約１３ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有する。遷移金属炭化物及び遷移金属ホウ化物は、いくつかのシリサイド又は酸化物よりも低いＣＴＥを有することがあるので、選択されたＣＴＥを有する結合層１６は、同じＣＴＥ及びシリサイド添加物を有する結合層よりも、高い濃度の遷移金属炭化物又は遷移金属ホウ化物を含んでもよい。いくつかの例において、結合層１６は、約１体積パーセント〜約９０体積パーセントの遷移金属ホウ化物、遷移金属炭化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを含んでもよい。遷移金属ホウ化物、遷移金属炭化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つの濃度が高いと、結合層１６の特性（例えば、反応性、結合層１６の表面に形成される熱的酸化物層内への遷移金属ホウ化物、遷移金属炭化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つの取込みなど）をより大きく変更することが可能になることがある。
更に又は代替として、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを添加すると、シリコン金属のみを含む結合層と比較して、結合層１６の耐酸化性が改善されることがある。例えば、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを、熱的に成長させた酸化ケイ素内に取り入れてもよく、このことは、熱的に成長させた酸化ケイ素の結合層に対する接着性を改善することがあり、熱的に成長させた酸化ケイ素中の酸素の拡散係数を低減することがあり（残存する結合層の酸化速度を低減する。）、又はその両方であることがある。
いくつかの例において、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを添加することは、結合層１６内の（シリコン金属を含む第一の相に加えて）第二の相の形成につながることがある。いくつかの例において、シリコン金属を含む第一の相は、実質的に連続相でもよい。いくつかの例において、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを含む第二の相は、実質的に連続な第一の相内に、個別の相を含んでもよい。第一の相及び第二の相を含む結合層１６は、単一の相を含むいくつかの結合層と比較して、改善したクリープ強度を有していてもよい。
いくつかの例において、結合層１６は、シリコン金属、及び少なくとも一つの遷移金属炭化物を含み、少なくとも一つの遷移金属炭化物は炭素欠損型であってもよい。言い換えれば、少なくとも一つの遷移金属炭化物は、化学量論比より少ない炭素を含んでもよい。これは、遷移金属炭化物のシリコン金属との反応性を増加させることがある。いくつかの例において、遷移金属炭化物は、シリコン金属と反応して、遷移金属、シリコン金属、及び炭素を含む三元炭化物を形成してもよい。
物品１０は、一つ又は複数の技術、例えばスラリー堆積、プラズマ溶射、物理蒸着（ＰＶＤ）、又は化学蒸着（ＣＶＤ）を使用して形成してもよい。図２は、シリコン金属と、遷移金属炭化物及び遷移金属ホウ化物の少なくとも一つとを含む結合層１６を含む、物品１０を形成するための技術の例を示すフロー図である。図１の物品１０を同時に引用して図２の技術を記載するが、しかしながら、図２の技術を使用して異なる物品を形成してもよく、図１の物品１０は、異なる技術を使用して形成してもよい。
図２の技術は、基材１２（３２）の表面２０上に、結合層１６を形成することを含む。いくつかの例において、結合層１６は、プラズマ溶射、ＰＶＤ、又はＣＶＤを用いて、基材の表面２０上に堆積してもよい。他の例において、スラリーベースのコロイド処理技術に続いてシリコン溶融物の浸透を用いて、基材１２（３２）の表面上に結合層１６を成形してもよい。図３は、スラリーベースのコロイド処理技術に続いてシリコン溶融物の浸透を用いて、結合層１６を形成する技術の例を示すフロー図である。
図３の技術は、スラリーベースの処理技術（４２）を用いて、遷移金属を含む層を堆積することを含んでもよい。いくつかの例において、スラリーベースの処理技術は、テープキャスティングを含んでもよい。テープキャスティングでは、遷移金属を含むスラリーを形成してもよい。スラリーは、溶媒（例えば、水、エタノール、イソプロピルアルコール、メチルエチルケトン、トルエン等）、及び遷移金属粒子を含んでもよい。いくつかの例において、スラリーは、バインダー（例えば、ポリエチレングリコール、アクリレートコポリマー、ラテックスコポリマー、ポリビニルピロリドンコポリマー、ポリビニルブチラール等）、分散剤（例えば、アンモニウムポリアクリレート、ポリビニルブチラール、リン酸エステル、ポリエチレンイミン、ＢＹＫ（登録商標）１１０（ＢｙｋＵＳＡ社（ウォリングフォード、コネチカット州）から入手可能）などをさらに含んでもよい。次にスラリーを、ライナー上の層（テープ）へと形成して、少なくとも部分的に乾燥して、少なくともいくらかの溶媒を除去してもよい。得られたテープは遷移金属を含み、基材１２（３２）の表面２０上の結合層１６を形成する一部として、セラミックマトリクス複合材又はセラミックマトリクス複合材プレフォームへと適用してもよい。
他の例において、基材１２（３２）の表面２０上に結合層１６を形成することは、溶媒及び遷移金属粒子を含むスラリーから遷移金属を堆積することを含んでもよい。いくつかの例において、スラリーは、バインダー、分散剤等をさらに含んでもよい。スラリーは、例えば、スプレーコーティング、スピンコーティング、浸漬コーティング、ブラッシング等を使用して、基材１２の表面２０上に適用してもよい。
いくつかの例において、基材１２の表面２０上に堆積される、又はテープの形成に使用されるスラリーは、シリコン炭化物粒子を含んでもよい。シリコン炭化物粒子は、結合層１６の特性に影響を及ぼすことがある。例えば、シリコン炭化物粒子は、結合層１６の耐酸化性を変更することがあり、結合層１６の耐化学性を変更することがあり、結合層１６のＣＴＥに影響することがあり、結合層１６内へのシリコン溶融物の浸透を改善することなどがある。いくつかの例において、スラリーは、結合層１６が約１体積％〜約４０体積％のシリコン炭化物、例えば約１体積％〜約２０体積％のシリコン炭化物、又は約５体積％〜約４０体積％のシリコン炭化物、又は約５体積％〜約２０体積％のシリコン炭化物を含む程度に充分なシリコン炭化物粒子を含んでもよい。
遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又はその両方を形成する、後の炭素又はホウ素源との反応を促進する粒子径に少なくとも部分的に基づいて、遷移金属粒子の径を選択してもよい。例えば、大きな遷移金属粒子は、遷移金属粒子と炭素源又はホウ素源とを実質的に完全に（例えば、完全、又はほとんど完全に）反応させて、実質的に粒子の全体積にわたって遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又はその両方を形成するのに必要な時間を増加させることがある。反対に、小さな遷移金属粒子は、遷移金属粒子と炭素源又はホウ素源とを実質的に完全に（例えば、完全、又はほとんど完全に）反応させて、実質的に粒子の全体積にわたって遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又はその両方を形成するのに必要な時間を低減することがある。いくつかの例において、遷移金属粒子は、１μｍ〜２０μｍ、例えば約１μｍ〜約１０μｍの径を有してもよい。
遷移金属を、テープキャスティング、スラリー堆積、又は他のスラリーベースのコロイド処理技術を使用して表面２０へと適用するか否かにかかわらず、いくつかの例において、遷移金属をセラミックマトリクス複合材プレフォームの表面へと適用してもよい。例えば、セラミックマトリクス複合材プレフォームは、セラミックマトリクス複合材のマトリクス材料の一つ又は複数の成分を含むスラリーを浸透させた、繊維性強化材を含んでもよい。いくつかの例において、繊維性強化材はシリコン炭化物（ＳｉＣ）繊維を含んでもよく、スラリーは、シリコン炭化物粒子又は炭素源を含んでもよい。スラリーは、繊維性強化材の間に画定される細孔の全体にわたって浸透させてもよく、乾燥又は反応させてゲルを形成してもよく、これはセラミックマトリクス複合材プレフォーム内にマトリクス材料の一つ又は複数の成分を保持するのを助けることがある。
図３の技術もまた、遷移金属を含む層を、炭素、ホウ素、又は窒素（４４）の少なくとも一つの気体源に暴露することによって、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを形成することを含んでもよい。例えば、遷移金属炭化物を形成するために、遷移金属を含む層を加熱して、炭素源、例えばメタン、一酸化炭素等を含む気体に暴露してもよい。遷移金属を含む層を加熱して、遷移金属粒子及び層の実質的に全体にわたって遷移金属炭化物が形成されるのに十分な時間、炭素源を含む気体に暴露してもよい。
同様に、遷移金属ホウ化物を形成するために、遷移金属を含む層を加熱して、ホウ素源、例えば気体三塩化ホウ素等を含む気体に暴露してもよい。遷移金属窒化物を形成するために、遷移金属を含む層を加熱して、窒素源、例えば窒素、気体アンモニア等を含む気体に暴露してもよい。遷移金属を含む層を加熱して、遷移金属粒子及び層の実質的に全体にわたって遷移金属ホウ化物又は遷移金属窒化物が形成されるのに十分な時間、ホウ素源又は窒素源を含む気体に暴露してもよい。遷移金属を含む層を、気体炭素源、気体ホウ素源、又は気体窒素源の少なくとも一つに暴露することで、物品の表面上に、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを形成することによって、いくつかの例において、得られる遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つは、実質的に純粋（例えば、純粋、又はほとんど純粋）であってもよい。
遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを形成した後、図３の技術は、多孔質基材前駆体、及び遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを含む多孔質層に、溶融シリコン金属又は溶融シリコン合金（４６）を浸透することを更に含む。
他の例において、スラリーから層へと遷移金属を適用し、遷移金属をホウ化、窒化、又は炭化し、層にシリコン金属を溶融浸透させるよりむしろ、スラリーから遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物、及びシリコン金属を堆積することによって、結合層１６を形成してもよい。スラリーは、シリコン金属又はシリコン合金の粒子、及び遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つの粒子を含んでもよい。いくつかの例において、スラリーは、バインダー、分散剤等、例えば、上記に開示したもののいずれかをさらに含んでもよい。スラリーは、例えば、スプレーコーティング、スピンコーティング、浸漬コーティング、ブラッシング等を使用して、基材１２の表面２０上に適用してもよい。次にスラリーを乾燥させて余分な溶媒を除去し、焼結して結合層１６を形成してもよい。
図２に戻れば、技術は、結合層１６（３４）上に上層１８を形成することをさらに含んでもよい。上記のように、上層１８は、例えば、ＥＢＣ、ＣＭＡＳ−耐性層等を含んでもよい。上層１８は、例えば、プラズマ溶射などの溶射技術、ＣＶＤ、ＰＶＤ、電子ビームＰＶＤ（ＥＢ−ＰＶＤ）、指向性蒸着（ＤＶＤ）、スラリーベースのコーティング技術等を使用して形成してもよい。
様々な例を記載した。これら及び他の例は、以下の請求項の範囲内である。
Claims (9)
- 基材と；
前記基材上のコーティングと
を含む、物品であって、
前記コーティングは、結合層と、少なくとも一つの酸化物を含む上層とを含み、前記結合層は、シリコンと、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つとを含む、物品。 - 少なくとも一つの前記遷移金属炭化物が、Ｃｒ３Ｃ２、Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒ２３Ｃ６、Ｍｏ２Ｃ、ＮｂＣ、ＷＣ、ＴａＣ、ＨｆＣ、又はＺｒＣの少なくとも一つを含む、請求項１に記載の物品。
- 少なくとも一つの前記遷移金属ホウ化物が、ＴａＢ、ＴａＢ２、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ、ＨｆＢ２の少なくとも一つを含む、請求項１又は２に記載の物品。
- 少なくとも一つの前記遷移金属窒化物が、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、Ｍｏ２Ｎ、又はＴａＮの少なくとも一つを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の物品。
- 前記結合層が、シリコンを含む第一の相と、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つを含む第二の相とを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の物品。
- シリコンと、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、又は遷移金属窒化物の少なくとも一つとを含む結合層を基材上に形成すること；及び
前記結合層上に、酸化物を含む上層を形成すること
を含む、方法。 - 前記結合層は、シリコン及び遷移金属炭化物を含み、前記結合層を形成することは：
多孔質基材プレフォームのバルク表面上に、スラリーから、遷移金属を含む層を堆積すること；
前記遷移金属を含む前記層を、炭素を含む気体に暴露することによって、前記遷移金属炭化物を形成し、前記遷移金属炭化物を含む多孔質層を形成すること；及び
前記多孔質基材プレフォーム及び前記遷移金属炭化物を含む前記多孔質層に、溶融シリコンを浸透させて、セラミックマトリクス複合基材と、シリコン及び遷移金属炭化物を含む結合層とを含む物品を形成すること
を含む、請求項６に記載の方法。 - 前記結合層は、シリコン及び遷移金属ホウ化物を含み、前記結合層を形成することは：
多孔質基材プレフォームのバルク表面上に、スラリーから、遷移金属を含む層を堆積すること；
前記遷移金属を含む前記層を、ホウ素を含む気体に暴露することによって、前記遷移金属ホウ化物を形成し、前記遷移金属ホウ化物を含む多孔質層を形成すること；及び
前記多孔質基材プレフォーム及び前記遷移金属ホウ化物を含む前記多孔質層に、溶融シリコンを浸透させて、セラミックマトリクス複合基材と、シリコン及び遷移金属ホウ化物を含む結合層とを含む物品を形成すること
を含む、請求項６に記載の方法。 - 前記結合層は、シリコン及び遷移金属窒化物を含み、前記結合層を形成することは：
多孔質基材プレフォームのバルク表面上に、スラリーから、遷移金属を含む層を堆積すること；
前記遷移金属を含む前記層を、窒素を含む気体に暴露することによって、前記遷移金属窒化物を形成し、前記遷移金属窒化物を含む多孔質層を形成すること；及び
前記多孔質基材プレフォーム及び前記遷移金属窒化物を含む前記多孔質層に、溶融シリコンを浸透させて、セラミックマトリクス複合基材と、シリコン及び遷移金属窒化物を含む結合層とを含む物品を形成すること
を含む、請求項６に記載の方法。
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