JP3926737B2

JP3926737B2 - 珪素を含有する基材を有してなる部品

Info

Publication number: JP3926737B2
Application number: JP2002367435A
Authority: JP
Inventors: ワイ．サンエレン; イー．イートンハリー
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: EP1498401A2; US6617037B2; JP2003239087A; EP1323689A3; US20030113553A1; KR100500131B1; EP1498401A3; KR20030051364A; EP1323689A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は珪素を含有する基材と少なくとも一つの層とからなる部品に関し、より詳しくは、少なくとも一つの隣接する層および基材との適合性のある熱膨張係数（ＣＴＥ）を維持ないし保つのに十分である量のＣＴＥ修整用の添加剤を上記層が含んでいる上記部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばガスタービンエンジン、熱交換器、内燃機関などの高温用途に用いられる構造材料として、珪素含有セラミック材料および珪素を含有する金属合金などが提案されている。これらの材料の特に有用な用途は、高温の水性環境で作動するガスタービンエンジンの用途である。これらの珪素含有基材は、高温の水性環境に曝されたときに、揮発性のＳｉ類（Ｓｉ種）、特にＳｉ（ＯＨ）_XおよびＳｉＯを形成し、その結果、厚み痩せや重量損失を起こす可能性があることが知られている。例えば炭化珪素は、水蒸気圧約１気圧の希薄燃料環境に１２００℃で曝された際に重量損失、および１０００時間あたり約０．１５２４ミリメートル（６ミル）の割合の厚み痩せを示す。
【０００３】
ところで、基材上にバリヤ層、接着層、中間層などの、一つまたはそれ以上の層を使用することは珍しくない。最終部品の完全性のためには、珪素含有基材と隣接する層との間、および隣接する層同士の間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の適合性を保つことが重要である。もし隣接する層と基材の間でＣＴＥが適合していないと、適合していない層同士の間の境界面からコーティング全体が剥がれてしまう恐れがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、珪素含有基材と少なくとも一つの層とからなる部品において、上記層が、基材と隣接している場合は基材と適合する熱膨張係数を有し、また他の任意の隣接する層とも適合する熱膨張係数を有している、部品を提供することである。
本発明のその他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のＣＴＥ修整用の添加技術は、珪素を含有する基材上の任意の一つまたは２つ以上の層（バリヤ層、接着層、中間層、その他）に使用できる。以下では、本発明をＣＴＥ添加剤を含有するバリヤ層に関連して説明する。この場合、部品は珪素含有基材と少なくとも一つの層、例えばバリヤ層とからなり、バリヤ層は部品が高温の水性環境に曝されたときに望ましくない揮発性の珪素類（珪素種）の形成を防止し、かつ耐熱保護を与えるという２つの機能を果たす。なお、高温とは、基材中のＳｉが水性環境においてＳｉ（ＯＨ）_ｘおよび／またはＳｉＯを形成するような温度を意味する。また、水性環境とは、水および／または水蒸気環境を意味する。珪素を含有する複合材料は、好適には、珪素を含有するセラミックまたは金属合金である。外部バリヤ層は、その熱膨張係数が、珪素含有基材および／または任意の隣接するバリヤ層の熱膨張係数（ＣＴＥ）に対して、摂氏１度（１℃）当たりプラスマイナス３．０ｐｐｍ（±３．０ｐｐｍ）以内にあることを特徴としている。ＣＴＥの適合性は、望ましいＣＴＥ適合性を保つのに十分な量のＣＴＥ修整用添加剤をバリヤ層に与えることで達成される。本発明によれば、ＮｂＯ_ｘ（ｘ＝１から３）は適切なＣＴＥ修整用添加剤の１つである。なお、ＮｂＯ_ｘは、Ｎｂが１に対してＯがｘであることを意味する。本発明によるその他のＣＴＥ修整用添加剤は、ＮｂＯ_ｘおよびＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｔａ_２Ｏ₅、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｒｅ_２Ｏ_３（Ｒｅは希土類元素）およびこれらの混合物からなる群から選ばれる酸化物からなるものであり、これらは必要に応じてバリヤ層そのものであってもよい。上記のＣＴＥ修整用添加剤は、基材と組み合わせて用いられる任意の公知のバリヤ層、およびその他の層に用いられてもよい。ＣＴＥ修整用添加剤と共に用いられるのに特に有用なバリヤ層としては、アルカリ土類のアルミノ珪酸塩、珪酸アルミニウム、珪酸イットリウム、アルミノ珪酸イットリウム、希土類のアルミノ珪酸塩、アルミニウム、イットリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、タンタル、ランタンの各酸化物（つまり、アルミニウム酸化物、イットリウム酸化粒、マグネシウム酸化物、カルシウム酸化物、ストロンチウム酸化物、バリウム酸化物、タンタル酸化物、ランタン酸化物）、希土類酸化物、およびこれらの混合物からなる群から選ばれるバリヤ層が含まれる。部品は珪素含有基材とバリヤ層の間に、一つまたはそれ以上の中間層を含んでもよい。中間層は、バリヤー層と基材との間の接着を促進し、および／またはバリヤー層と基材との間の反応を防止する役目をする。これに加えて、当業界で知られるように、接着層および最上層が含まれてもよい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は珪素含有基材と少なくとも一つの層とからなる部品に関するものであり、その層は熱膨張係数（ＣＴＥ）修整用添加剤を有し、その量は、隣接する層の少なくとも一つと基材との適合ＣＴＥを保つのに十分である。
【０００７】
本発明によれば、珪素含有基材は珪素を含有するセラミック基材、または珪素を含有する金属合金であってよい。好ましい実施例によれば、珪素含有基材は珪素を含有するセラミック材料であって、例えば炭化珪素、窒化珪素、窒化炭素珪素、オキシ窒化珪素（酸窒化珪素）、オキシ窒化珪素アルミニウム（酸窒化珪素アルミニウム）などである。本発明の特定の実施例によれば、珪素含有セラミック基材は、珪素含有マトリックスと、繊維、粒子などの補強材とからなり、より具体的には、炭化珪素でコーティングした炭化珪素繊維で補強した炭化珪素粒子と珪素マトリックス、炭素繊維で補強した炭化珪素マトリックス、および炭化珪素繊維で補強した窒化珪素マトリックスなどである。本発明の部品の基材として使用するのに特に有用な珪素−金属合金には、モリブデン−珪素合金、ニオブ−珪素合金、およびその他の、本発明のバリヤー層と適合した熱膨張係数を有する珪素含有合金がある。
【０００８】
ＣＴＥ修整用添加剤は、ＮｂＯ_ｘ、および、ＮｂＯ_ｘにＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｔａ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、希土類酸化物およびこれらの混合物からなる群から選ばれる酸化物を加えたもの、からなる群から選ばれ、またｘ＝１から３（例えばＮｂＯ、ＮｂＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５）である。添加剤が上述のようなＮｂＯ_ｘと酸化物とからなる場合、その添加剤で層全体、つまり層そのものを構成してもよい。本発明の好ましい実施形態においては、ＣＴＥ修整用添加剤は、層のＣＴＥを調節してその層を基材および使用される他の任意の隣接層と適合させるために、層材料に添加される。
【０００９】
本発明の部品に特に有用な、ＣＴＥ修整用添加剤が添加されるバリヤー層としては、アルカリ土類のアルミノ珪酸塩、珪酸アルミニウム、珪酸イットリウム、アルミノ珪酸イットリウム、希土類のアルミノ珪酸塩、アルミニウム、イットリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ランタンの各酸化物（アルミニウム酸化物、イットリウム酸化物、マグネシウム酸化物、カルシウム酸化物、ストロンチウム酸化物、バリウム酸化物、ランタン酸化物）、希土類酸化物、およびこれらの混合物がある。特に有用なバリヤー層としては、化学式ａ（アルカリ土類金属酸化物）・ｂ（ＮｂＯ_ｘ）で表されるニオブ酸塩（ｘ＝１から３、ｂ＝１／３ａから３ａ）と、ＮｂＯ_ｘを１から７５重量％の割合でＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、希土類酸化物およびこれらの混合物からなる群から選ばれる酸化物に加えたもの（ｘ＝１から３、例えばＮｂＯ、ＮｂＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５）とがある。特にＮｂ_２Ｏ_５・Ａｌ_２Ｏ_３および２ＢａＯ・２ＳｒＯ・３Ｎｂ_２Ｏ_５が有用である。他の好ましいバリヤー層には、ＣＴＥ修整用添加剤を１ないし７５重量％の割合でストロンチウムアルミノ珪酸塩および／またはバリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩などのアルカリ土類アルミノ珪酸塩に加えたものがある。
【００１０】
ＣＴＥ修整用添加剤が層中に存在する量は、層自体と隣接層および基材との間に適合性を保つのに十分な量でなければならない。例えば上述のようなバリヤ層にＮｂＯ_ｘを添加する場合は、層中に存在する量は少なくとも５重量％、好ましくは２０重量％から８０重量％、理想的には５０から８０重量％でなければならない。ＣＴＥ修整用添加剤がＮｂＯ_ｘに酸化物を加えたものである場合は、層中に存在する量は少なくとも２０重量％、好ましくは２０重量％から８０重量％、理想的には５０から８０重量％でなければならない。層がＮｂＯ_ｘに酸化物を加えたものそれ自体から構成されるものの場合は、ＮｂＯ_ｘが層中に存在する量は少なくとも５重量％、好ましくは１０重量％から９０重量％、理想的には５０から８０重量％でなければならない。重要な特徴は、ＣＴＥ修整用添加剤の存在量が以下に述べるような適合性を与えるのに十分であることである。
【００１１】
本発明の重要な特徴は、珪素含有基材と、層および／または隣接層の熱膨張係数の間に適合性を保つことである。本発明によれば、層の熱膨張係数は珪素含有基材および／または隣接層の熱膨張係数に対して摂氏１度（１℃）当たり±３．０ｐｐｍ、好ましくは摂氏１度（１℃）当たり±１．０ｐｐｍ、理想的には０．５ｐｐｍ／℃以内になければならないことが知得された。
【００１２】
部品中に存在する層の厚さは、約０．０１２７ミリメートル（０．５ミル（０．０００５インチ））と同等またはそれ以上、好ましくは約０．０７６２から約０．７６２ミリメートル（約３から約３０ミル）、理想的には約０．０７６２から約０．１２７ミリメートル（約３から約５ミル）でなければならない。層は珪素ベース基材に、当業界公知の任意の適当な方法で施されるが、層は溶射法で施されるのが好ましい。
【００１３】
本発明の部品の他の実施例によれば、珪素を含有する基材とバリヤ層との間に一つまたはそれ以上の中間層が設けられてもよい。中間層はバリヤ層と基材との間の接着を促進し、および／またはバリヤ層と基材との間の反応を防止する役目をする。一つまたはそれ以上の中間層は、必要に応じて隣接する層との間の適合性を確保するために、ＣＴＥ修整用添加剤を含有してもよい。このようにして、修整された中間バリヤ層を用いて基材から例えば最上層までのＣＴＥの橋渡しをさせることで、基材と任意の好ましい機能バリヤ層との間に大きなＣＴＥ不適合がある場合でも、ＣＴＥ適合が確保された部品を製造できる。中間層の厚さは上記においてバリヤ層に関連して説明したことに準じたものであり、また中間層は同様に先行技術に知られた任意の方法で施すことができる。
【００１４】
本発明はその主旨または本質から逸脱することなく他の形式で実現されてよく、また他の方法で実施されてよい。従って、本実施形態はすべての点において説明的なものであって制限的なものではなく、本発明の範囲はその特許請求の範囲によって示され、均等の意味および範囲内における全ての変更は請求の範囲に包含される。

Claims

珪素を含有する基材、および
少なくとも一つの層を有してなり、
前記少なくとも一つの層が、熱膨張係数（ＣＴＥ）修整用の添加剤を含み、前記基材の熱膨張係数と適合する熱膨張係数（ＣＴＥ）を有しており、
前記層が、アルカリ土類のアルミノ珪酸塩、珪酸アルミニウム、珪酸イットリウム、アルミノ珪酸イットリウム、希土類のアルミノ珪酸塩、タンタル酸化物、アルミニウム酸化物、イットリウム酸化物、マグネシウム酸化物、カルシウム酸化物、ストロンチウム酸化物、バリウム酸化物、ランタン酸化物、その他の希土類酸化物、およびこれらの混合物からなる群から選ばれたものであり、および、
前記ＣＴＥ修整用の添加剤が、ＮｂＯ_ｘ、および、ＮｂＯ_ｘにＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｔａ_２Ｏ₅、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、その他の希土類酸化物およびこれらの混合物からなる群から選ばれる酸化物を加えたもの、からなる群から選ばれたものであり、ｘ＝１から３である、ことを特徴とする部品。
珪素を含有する基材、および
少なくとも一つの層を有してなり、
前記少なくとも一つの層が、熱膨張係数（ＣＴＥ）修整用の添加剤を含み、前記基材の熱膨張係数と適合する熱膨張係数（ＣＴＥ）を有しており、
前記層が、Ｎｂ_２Ｏ_５・Ａｌ_２Ｏ_３および２ＢａＯ・２ＳｒＯ・３Ｎｂ_２Ｏ_５からなる群から選ばれたものであり、および、
前記ＣＴＥ修整用の添加剤が、ＮｂＯ_ｘ、および、ＮｂＯ_ｘにＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｔａ_２Ｏ₅、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、その他の希土類酸化物およびこれらの混合物からなる群から選ばれる酸化物を加えたもの、からなる群から選ばれたものであり、ｘ＝１から３である、ことを特徴とする部品。
前記基材が、珪素含有セラミック、および珪素を含有する金属合金からなる群から選ばれたものである、ことを特徴とする請求項１または２記載の部品。
前記基材が、炭化珪素、窒化珪素、およびオキシ窒化珪素アルミニウムからなる群から選ばれた珪素含有セラミックである、ことを特徴とする請求項３載の部品。
前記基材が、炭化珪素繊維で補強された炭化珪素マトリックス、炭素繊維で補強された炭化珪素マトリックス、および炭化珪素繊維で補強された窒化珪素からなる群から選ばれたものである、ことを特徴とする請求項３記載の部品。
前記基材が、モリブデン−珪素合金、ニオブ−珪素合金、鉄−珪素合金、および鉄−ニッケル−珪素をベースとする合金からなる群から選ばれる珪素を含有する金属合金である、ことを特徴とする請求項３記載の部品。
前記層が、８０重量％以下の前記ＣＴＥ修整用の添加剤を有してなるものである、ことを特徴とする請求項１または２記載の部品。
バリヤ層が、２０重量から８０重量％の前記ＣＴＥ修整用の添加剤を有してなるものである、ことを特徴とする請求項７記載の部品。
前記基材と前記層との間に中間層を含んでいる、ことを特徴とする請求項１または２記載の部品。
前記中間層がＣＴＥ修整用の添加剤を含んでいる、ことを特徴とする請求項９記載の部品。
前記ＣＴＥ修整用の添加剤が、ＮｂＯ_ｘ、およびＮｂＯ_ｘにＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ₅、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、その他の希土類酸化物およびこれらの混合物からなる群から選ばれる酸化物を加えたもの、からなる群から選ばれたものであり、ｘ＝１ないし３である、ことを特徴とする請求項１０記載の部品。
前記層の熱膨張係数が、前記基材の熱膨張係数に対して±１．０ｐｐｍ／℃以内である、ことを特徴とする請求項１または２記載の部品。
前記層の熱膨張係数が、基材の熱膨張係数に対して±０．５ｐｐｍ／℃以内である、ことを特徴とする請求項１または２記載の部品。
前記中間層の熱膨張係数が、前記基材および前記層の熱膨張係数に対して±１．０ｐｐｍ／℃以内である、ことを特徴とする請求項１０記載の部品。
前記中間層の熱膨張係数が、前記基材および前記層の熱膨張係数に対して±０．５ｐｐｍ／℃以内である、ことを特徴とする請求項１０記載の部品。
バリヤ層が、５０から８０重量％の前記ＣＴＥ修整用の添加剤を有してなるものである、ことを特徴とする請求項７記載の部品。