JP3926738B2 - 珪素を含有する基材を有してなる部品 - Google Patents

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、熱バリヤとして機能する少なくとも１つのバリヤ層を有する部品に関し、より詳しくは、上記バリヤ層が特に水性環境下で１３００℃以上の温度で有効ないし効果的であるものに関する。
【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、珪素を含有するセラミック材料および珪素を含有する金属合金が提案されている。これらの材料の特に有用な用途は、高温の燃焼ガス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（ガス状）のＳｉ類（Ｓｉ種）、特にＳｉ（ＯＨ）_ｘおよびＳｉＯを形成し、その結果、厚み痩せや質量損失を起こす可能性があることが知得されている。例えば炭化珪素は、水蒸気圧約１気圧の希薄燃料燃焼環境に１２００℃で曝されたときに、重量損失、および１０００時間当たり約０．１５２４ミリメートル（６ミル）の割合の厚み痩せを示す。
【０００３】
１３００℃までの温度において有用であり、高温で水性／水蒸気のある環境で用いる層（熱バリヤ層）についての開発が続けられている。当然のことながら、珪素を含有する基材用のもので、１３００℃以上（あるいは１３００℃を超える）温度の水性環境で有効に機能する熱バリヤ層は非常に望ましいものである。
【０００４】
さらに、基材上に接着層（ボンド層）、中間バリヤ層等のような１つまたはそれより多くの層を用いるのはごく一般的である。隣接する珪素含有の基材の熱膨張係数および／または熱バリヤ層の熱膨張係数間の適合性を保つことが最終的に完全な部品を作るうえで重要である。隣接する層と基材間の熱膨張係数が適合性がない場合、全体を覆うコーティングが適合性のない層間の境目で破壊することがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の主要な目的は、１３００℃以上温度の水性環境で有効ないし効果的に機能ないし動作する熱バリヤ層を備えた上記の如き部品を提供することにある。より具体的には、珪素を含有する基材と、少なくとも１つの熱バリヤ層とを有してなる部品であって、熱バリヤ層が、１３００℃以上で水性環境に曝された場合に基材を保護すると共に、基材と隣接したときには基材と適合性がある熱膨張係数を有し、また隣接するどの層とも適合性がある、部品を提供することにある。
本発明の別の目的および特徴は以下に示す。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも１つのバリヤ層を有する珪素含有基材を有してなる部品に関するものであり、このバリヤ層は、部品が高温で水性環境に曝された場合に望ましくないガス状の珪素化合物の形成を防止ないし阻止すると共に熱保護も提供するものである。ここで、高温とは、１３００℃以上、または１３００℃を超える温度のことである。また、水性環境とは、水および／または水蒸気の存在する環境のことである。珪素を含有する複合材料は、好ましくは珪素を含有する、セラミックまたは金属合金のことである。熱バリヤ層は、珪素含有基材および／または任意の隣接バリヤ層の熱膨張係数(ＣＴＥ）の±３.０ppm／℃以内である熱膨張係数であることにより特徴付けられる。
【０００７】
本発明に係る各層は、ＴａＯ_ｘ（ｘ＝１から３）、例えばＴａ_２Ｏ_５と、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ₂Ｏ_３、Ｒｅ_２Ｏ_３（Ｒは希土類元素）、およびこれらの混合物からなる群から選択された酸化物とを含んでいる。なお、ＴａＯ_ｘは、Ｔａが１に対してＯがｘであることを意味する。本発明によれば、Ｔａ_２Ｏ_５により所望の高温耐性（high temperature capability）がバリヤ層に付与されることが知得された。熱膨張係数の適合性は、熱膨張係数修整用の添加剤を、基材と隣接する層との所望の熱膨張係数の適合性を維持するのに十分な量だけ層に与えることで達成される。これに関しては同時に出願された継続中の米国出願第１０／０３４，５７７号を参照のこと。本発明によれば、ＮｂＯ_ｘ（ｘ＝１から３）は適切な熱膨張係数修整用の添加剤である。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。
【０００８】
本発明の好適な実施形態によれば、部品は、１つまたはそれより多くの中間層を、珪素ベース基材と熱バリヤ層との間に含んでいる。中間層は、バリヤ層と基材間の接着性を高め、および／またはバリヤ層と基材との反応を防止ないし阻止する機能を果たす。これら各層は、必要に応じて、上記の層間の適合性を確保するために熱膨張係数修整用の添加剤を含んでいる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、珪素含有基材と、少なくとも１つの熱バリヤ層とを有してなる部品に関するものである。熱バリヤ層は熱バリヤ用の添加剤を含んでおり、この熱バリヤ添加剤は、この添加剤を含まない少なくとも１つのバリヤ層と比較して、水性環境下において１３００℃以上または１３００℃を超える温度で、基材の重量損失および厚み痩せの割合ないし率を低減させる。
【００１０】
本発明によれば、珪素含有基材は、珪素含有セラミック基材、あるいは珪素を含有する金属合金とできる。好適な実施形態において、珪素含有基材は、珪素含有セラミック材料、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：silicon aluminium oxynitride)である。本発明の特定の実施形態によれば、珪素含有セラミック基材は、繊維や粒子等の補強剤を備えた珪素含有マトリックスを有してなり、より詳しくは、繊維により補強された珪素ベースマトリックスを有してなる。特に好適なセラミック基材としては、炭化珪素がコーティングされた炭化珪素繊維で補強された炭化珪素粒子、珪素マトリックス、カーボン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マトリックスが挙げられる。本発明に係る部品の基材として使用する特に有用な珪素−金属合金は、モリブデン−珪素合金、ニオブ−珪素合金、および本発明のバリヤ層と適合性のある熱膨張係数を有するその他の珪素含有合金である。
【００１１】
本発明に係るバリヤ層は、ＴａＯ_ｘと、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、およびＲｅ_２Ｏ_３からなる群から選択された酸化物とを含んでいる。ＴａＯ_ｘは１０重量％から７５重量％、好ましくは１０重量％から５０重量％、望ましくは１０重量％から３０重量％だけ存在する。バリヤ層に使用する好適な酸化物は、酸化バリウム、酸化ストロンチウム、およびそれらの混合物から選択される。
【００１２】
熱膨張係数の適合性を確保するため、本発明の熱バリヤ層（および、中間層、最上層、接着層などのいずれかの層において）は、必要に応じて、熱膨張係数修整用の添加剤を含んでいる。
【００１３】
熱膨張修整用の添加剤は、ＮｂＯ_ｘと、ＮｂＯ_ｘにＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、希土酸化物、およびこれらの混合物からなる群から選択された酸化物とからなる群から選択される。なお、ｘ＝１から３である（例えば、ＮｂＯ、Ｎｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５）。添加剤が上記のようにＮｂＯ_ｘと酸化物とからなる場合、この添加剤が層そのものであっても良い。本発明の好適実施形態においては、ＣＴＥ修整用の添加剤は、層の熱膨張係数に適合させるために層材料に添加され、これにより、この層は、基材および任意のその他の使用される隣接層に適合される。ＣＴＥ修整用の添加剤は、それ自体と隣接層および基材との間の適合性を維持するのに十分な量だけ層内に存在することが望ましい。例えば上記のバリヤ層にＮｂＯ_ｘを加える場合、少なくとも５重量％、好ましくは５重量％から５０重量％の量だけ存在する。ＣＴＥ調整用の添加剤がＮｂＯ_ｘと酸化剤とを有してなる場合、少なくとも２重量%、好ましくは２重量％から４０重量％の間で存在するのが望ましい。重要な特徴、は以下に説明する適合性を提供するのに十分な量のＣＴＥ修整用の添加剤が存在していることである。
【００１４】
本発明の重要な特徴は、珪素含有基材とバリヤ層および／または隣接するバリヤ層との熱膨張係数間の適合性を維持させる点である。本発明によれば、バリヤ層の熱膨張係数は、珪素含有基材および／または隣接バリヤ層の熱膨張係数の摂氏１度（１℃）当たり±３．０ppm、好ましくは摂氏１度（１℃）当たり±０.５ppm以内であることが知得されている。
【００１５】
熱バリヤ層は、約０．０１２７ミリメートル（０．５ミル（０．０００５インチ））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）の厚さで、部品内に存在する。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。
【００１６】
ＴａＯ_ｘおよびＴａＯ_ｘ＋酸化物がＣＴＥ修整剤なしでバリヤ層内に存在する場合、層は１４５０℃までの温度で作動する。ＣＴＥ修整剤を添加することで、約１３５０℃までに高温での用途ないし適用が制限される。
【００１７】
本発明における部品の別の実施形態において、１つまたはそれより多くの中間層が珪素含有基材とバリヤ層の間に設けられる。中間層は、バリヤ層と基材の間の接着性を高め、および／またはバリヤ層と基材との間の反応を防ぐ役割を果たす。必要に応じて、１つまたはそれより多くの中間層は、隣接層間の適合性を維持ないし保証するためにＣＴＥ修整用の添加剤を含んでいる。
このようにすれば、基材から例えば最上のバリヤ層におけるＣＴＥ値を橋渡しするＣＴＥが修整された中間バリヤ層を使用することで、基材といずれかの好適な機能を有するバリヤ層との間の熱膨張係にの大きな非適合性がある場合でも、このような非適合性に拘わらず、ＣＴＥの適合性が確保ないし保証された部品を作ることができる。中間層の厚さは、上記のバリヤ層に関して説明したものに典型的には同様であり、中間層は従来公知の任意の技術を用いて処理される。
【００１８】
本発明は、その趣旨および本質的な特徴を逸脱することなく、上記した実施形態とは異なる形態でも実施可能である。従って、上述の実施形態は単に例示的なものであり、本発明の特許請求の範囲に記載された範囲を制限するものではない。等価とみなされる範囲内の変更は全て特許請求の範囲に包含される。

Claims (20)

1. 珪素を含有する基材と、
   少なくとも１つのバリヤ層とを有してなり、
   前記少なくとも1つのバリヤ層が、ＴａＯ_ｘ（ｘ＝１から３）と、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｒｅ_２Ｏ_３（ＲｅはＹ，Ｌａを除く希土類元素）およびこれらの混合物からなる群から選択された酸化物とからなる添加剤を有してなり、
   前記バリヤ層が１０重量％から７５重量％のＴａＯ _ｘ を有してなる、ことを特徴とする部品。
2. 前記基材が、珪素含有セラミックと、珪素を含有する金属合金とからなる群から選択されたものである、ことを特徴とする請求項１記載の部品。
3. 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択さ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２記載の部品。
4. 前記基材が、珪素ベースマトリクスと、補強粒子とからなる複合材料である、ことを特徴とする請求項２記載の部品。
5. 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、カーボン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択されたものである、ことを特徴とする請求項４記載の部品。
6. 前記基材が、モリブデン−珪素合金、ニオブ珪素合金からなる群から選択された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２記載の部品。
7. 前記バリヤ層が、１０重量％から５０重量％のＴａＯ _ｘ を有してなる、ことを特徴とする請求項６記載の部品。
8. 前記バリヤ層が、熱膨張係数修整用の添加剤をさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１または７記載の部品。
9. 前記基材と前記バリヤ層の間に中間層を含んでなる、ことを特徴とする請求項１記載の部品。
10. 前記中間層が、熱膨張係数修整用の添加剤を含んでなる、ことを特徴とする請求項９記載の部品。
11. 前記バリヤ層の熱膨張係数が、前記基材の熱膨張係数の±３．０ｐｐｍ／℃以内である、ことを特徴とする請求項１記載の部品。
12. 前記バリヤ層の熱膨張係数が、前記基材の熱膨張係数の±０．５ｐｐｍ／℃以内である、ことを特徴とする請求項１記載の部品。
13. 前記中間層の熱膨張係数が、前記基材と前記バリヤ層の熱膨張係数の±３．０ｐｐｍ／℃以内の値である、ことを特徴とする請求項９記載の部品。
14. 前記中間層の熱膨張係数が、前記基材と前記バリヤ層の熱膨張係数の±０．５ｐｐｍ／℃以内である、ことを特徴とする請求項９記載の部品。
15. 前記熱膨張係数修整用の添加剤がＮｂＯ_ｘであり、ｘ＝１から３である、ことを特徴とする請求項８記載の部品。
16. 前記熱膨張係数修整用の添加剤がＮｂＯ_ｘであり、ｘ＝１から３である、ことを特徴とする請求項１０記載の部品。
17. 前記ＮｂＯ _ｘ が前記バリア層に少なくとも５重量％存在する、ことを特徴とする請求項１５記載の部品。
18. 前記ＮｂＯ _ｘ が前記バリア層に５重量％から５０重量％存在する、ことを特徴とする請求項１５記載の部品。
19. 前記ＮｂＯ _ｘ が前記バリア層に少なくとも５重量％存在する、ことを特徴とする請求項１６記載の部品。
20. 前記ＮｂＯ _ｘ が前記バリア層に５重量％から５０重量％存在する、ことを特徴とする請求項１６記載の部品。