LU87647A1 - Oxidisation resistant carbon coated body - comprising a carbon body, an intermediate glass forming coating and an outer refractory coating on the intermediate coating - Google Patents

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LU87647A1
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Vincent Louis Magnotta
Paul Nigel Dyer
Howard P Withers
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Air Prod & Chem
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Abstract

A coated carbon body comprising (i) a carbon body having a converted porous layer formed thereon, and (ii) a glass forming coating, at least a portion of which is within the said converted layer. Method for the mfr. of the said carbon coated body comprising: a) forming a converted layer on the carbon body by converting a porous layer formed by etching and reacting the body with B2O3. The converted layer contains interconnecting interstices and B4C which is formed by reaction between the B2O3 and the carbon body, and b) applying a glass forming coating over the converted layer, at least a portion of which is within the said converted layer. An alternative method for the mfr. of the said carbon coated body comprises: a) forming the said converted layer on the carbon body; b) applying an intermediate glass forming coating over the converted layer, where the intermediate coating comprises Si or a Si-contg. cpd.; c) subjecting the body to a nitriding atmos. to convert the Si or Si-contg. cpd. to Si3N4, and d) applying an outer refractory coating over the intermediate coating. The glass forming layer comprises cpds. selected from Si3N4, SiON2 and mixts. thereof. The glass forming coating comprises a primary glass forming species selected from B, B4C, B2O3, Si, Si alloys, SiO2, GeO2 and mixts. thereof, and may also contain borides and oxides of Zr, Al, Mg, Hf, Ti, carbides of Zr, Hf, Ti, nitrides of Zr, Hf, Ti, Si and mixts. thereof. The refractory coating comprises carbides, borides or nitrides of Si, Zr, Ta, Hf, Nb and Ti, SiON2, AlB, AlN or mixts. thereof. The nitriding atmos. is selected from N2, NH3, N2H4 and mixts. thereof, and also contains O2 or an O-contg. cpd. to convert the Si or Si-contg. cpd. to an oxynitride of Si, where the O-contg. cpd. is H2O or CO/CO2. The glass forming coating is applied by CVD or by sol-gel technology. The converted layer is formed by heating to at least 1500 deg.C. The nitriding step is carried out at a temp. of 1350-1500 deg.C.

Description

CARBONE RESISTANT A L'OXYDATION ET PROCEDE DE PRODOCTION DE CE CARBONEOXIDATION RESISTANT CARBON AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME

Cette invention a trait de façon générale à des corps en carbone qui ont une résistance améliorée à l'oxydation, et plus particulièrement à un procédé de fabrication de corps en carbone ayant une résistance améliorée à l'oxydation aussi bien à des températures élevées qu'à des températures intermédiaires. Cette invention concerne également des corps en carbone résistant à l'oxydation produite moyennant ledit procédé.This invention relates generally to carbon bodies which have improved resistance to oxidation, and more particularly to a method of making carbon bodies which have improved resistance to oxidation both at high temperatures and at intermediate temperatures. The invention also relates to carbon bodies resistant to the oxidation produced by said method.

ETAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART

Le désir et la nécessité de disposer de corps en carbone ayant une haute résistance à l'oxydation sont bien connus. Les matériaux carbonés tels que le carbone monolithique, le graphite, des composés carbone-carbone ou fibres de carbone ont d'excellentes propriétés de résistance par rapport à leur poids à hautes températures, par. ex. à 1400°C et plus, et sont, de façon générale, supérieurs à des matériaux de construction conventionnels, tels que les métaux et superal1iages, à ces températures. De plus, la résistance mécanique d'un corps en carbone augmente avec des températures croissantes, tandis que pour les métaux à structure conventionnelle, leur résistance diminue lorsque la température augmente. L'utilisation de corps en carbone dans des applications à hautes températures a été limitée à cause de la réactivité relativement élevée du carbone, principalement avec l'oxygène, à des températures supérieures à environ 400-500°C, ce qui résulte en une érosion du corps en carbone par la réaction entre le carbone et l'oxygène en produisant du monoxyde et du dioxyde de carbone. En conséquence, beaucoup d'essais ont été entrepris pour munir les corps en carbone d'un revêtement résistant à l'oxydation afin de permettre leur usage dans des environnements oxydants et à des températures élevées.The desire and the need for carbon bodies having a high resistance to oxidation are well known. Carbonaceous materials such as monolithic carbon, graphite, carbon-carbon compounds or carbon fibers have excellent resistance properties relative to their weight at high temperatures, for example. ex. at 1400 ° C and above, and are generally superior to conventional building materials, such as metals and superalloys, at these temperatures. In addition, the mechanical resistance of a carbon body increases with increasing temperatures, while for metals with conventional structure, their resistance decreases when the temperature increases. The use of carbon bodies in high temperature applications has been limited due to the relatively high reactivity of carbon, mainly with oxygen, at temperatures above about 400-500 ° C, which results in erosion of the body into carbon by the reaction between carbon and oxygen producing carbon monoxide and dioxide. As a result, many attempts have been made to provide carbon bodies with an oxidation resistant coating to allow their use in oxidizing environments and at elevated temperatures.

Des difficultés majeures ont été rencontrées en essayant de pourvoir les corps en carbone de revêtements résistants à l'oxydation. L'une des difficultés réside dans la très grande variation du coefficient d'expansion des différents types de corps en carbone et dans les différences existant entre le coefficient d'expansion du corps en carbone et celui du matériau du revêtement. Suivant les matières premières utilisées, le coefficient d'expansion du corps en carbone peut être largement différent de celui du revêtement résistant à l'oxydation.Major difficulties have been encountered in trying to provide carbon bodies with oxidation resistant coatings. One of the difficulties lies in the very large variation in the coefficient of expansion of the different types of carbon body and in the differences between the coefficient of expansion of the carbon body and that of the coating material. Depending on the raw materials used, the expansion coefficient of the carbon body can be significantly different from that of the oxidation-resistant coating.

Les tensions qui résultent de coefficients d'expansion différents entre le revêtement et le corps en carbone sous-jacent provoquent la fracture ou rupture du revêtement, notamment lorsque la pièce est soumise à des cycles thermiques, ce qui entraîne la pénétration d'oxygène dans le revêtement qui attaque le corps en carbone sous-jacent ce qui résulte en la perte de l'intégrité structurelle.The tensions that result from different expansion coefficients between the coating and the underlying carbon body cause the coating to fracture or rupture, especially when the part is subjected to thermal cycles, which leads to the penetration of oxygen into the coating that attacks the underlying carbon body which results in loss of structural integrity.

La porosité de la surface du corps en carbone, qui résulte d'objets ou pièces qui ne sont pas entièrement rendues denses, peut causer la formation de trous d'épingles dans le revêtement lors du processus d'application de celui-ci, ce qui peut également entraîner la possibilité de pénétration d'oxygène jusqu'à la surface du carbone. On a également constaté que des vibrations mécaniques, des chocs ou impacts de débris et autres fragments peuvent provoquer la fracture de revêtements protecteurs fragiles.The porosity of the surface of the carbon body, which results from objects or parts which are not fully made dense, can cause the formation of pinholes in the coating during the application process, which may also result in the possibility of oxygen entering the carbon surface. It has also been found that mechanical vibrations, shocks or impacts of debris and other fragments can cause fracture of fragile protective coatings.

Une résistance à l'oxydation à des températures élevées peut être atteinte avec succès par le procédé décrit dans le brevet américain No. 4,515,860 qui est incorporé dans la présente description à titre de référence. Le corps en carbone résistant à l'oxydation décrit dans ce brevet dispose d'un revêtement d'un alliage de silicium dont le dépôt a été fait par un procédé thermochimique, ledit revêtement contenant un ou plusieurs éléments d'alliage choisis dans le groupe composé par le carbone, l'oxygène, l'aluminium et l'azote. La quantité de silicium présente dans le revêtement est supérieure à la quantité stoechiométrique et l'alliage de revêtement a une distribution en non-colonne des grains, avec des grains sensiblement equiaxials d'un diamètre moyen inférieur à 1 micron. A cause de cette taille exceptionnellement fine des grains et de leur répartition uniforme dans le revêtement, toutes les fentes qui pourraient se produire sont extrêmement minces en largeur et forment un dessin en forme de mosaïque. La quantité en silicium excédant la quantité stoechiométrique remplit ces fines fentes lorsque le corps est chauffé au-delà du point de fusion du silicium, par exemple au-delà de 1410°C et réagit avec tout oxygène pour former un oxyde de silicium vitreux qui agit en tant qu'agent remplisseur ou masse de remplissage qui scelle les fentes. Ce brevet envisage également, à titre facultatif, notamment dans le cas où une résistance à la fracture à des températures plus basses est désirée, l'emploi d'une couche intermédiaire en bore. Le bore réagit avec l'oxygène pour former un enduit étanche d'oxyde de bore vitreux qui coule dans toutes les fentes qui se sont formées. Dans les applications commerciales, le corps en carbone est généralement soumis à un traitement préliminaire dans un mélange d'acide de chrome et d'acide sulfurique.Oxidation resistance at elevated temperatures can be successfully achieved by the method described in US Patent No. 4,515,860 which is incorporated in the present description by reference. The oxidation-resistant carbon body described in this patent has a coating of a silicon alloy, the deposition of which was made by a thermochemical process, said coating containing one or more alloying elements chosen from the group consisting of by carbon, oxygen, aluminum and nitrogen. The amount of silicon present in the coating is greater than the stoichiometric amount and the coating alloy has a non-column grain distribution, with substantially equiaxial grains with an average diameter of less than 1 micron. Because of this exceptionally fine grain size and their uniform distribution in the coating, any cracks that could occur are extremely thin in width and form a mosaic-like pattern. The amount of silicon exceeding the stoichiometric amount fills these fine slits when the body is heated beyond the melting point of silicon, for example above 1410 ° C and reacts with any oxygen to form a vitreous silicon oxide which acts as a filling agent or filling compound which seals the slots. This patent also envisages, on an optional basis, in particular in the case where resistance to fracture at lower temperatures is desired, the use of an intermediate boron layer. Boron reacts with oxygen to form a tight coating of vitreous boron oxide which flows through all the cracks that have formed. In commercial applications, the carbon body is generally subjected to a preliminary treatment in a mixture of chromium acid and sulfuric acid.

La résistance à l'oxydation produite par les revêtements décrits dans le brevet américain No. 4,515,860 confère des caractéristiques largement supérieures à celles des revêtements connus antérieurement par l'état de la technique. Toutefois, dans certaines circonstances, notamment dans celle où des variations importantes de température ont lieu, ce système de protection pourrait s'avérer insuffisant pour une étanchéisation adéquate des fentes qui se forment dans le revêtement fragile de sorte que le corps en carbone est soumis à une attaque d'oxydation.The resistance to oxidation produced by the coatings described in US Pat. No. 4,515,860 gives characteristics far superior to those of the coatings known previously from the prior art. However, in certain circumstances, in particular in those where significant temperature variations take place, this protection system could prove to be insufficient for an adequate sealing of the slots which form in the fragile coating so that the carbon body is subjected to an oxidation attack.

DESCRIPTION DE L'INVENTIONDESCRIPTION OF THE INVENTION

La présente invention fournit un corps en carbone pourvu d'un revêtement, ledit corps en carbone ayant une résistance à l'oxygène sur une grande gamme de températures comprenant des températures relativement basses allant de 500 à 1000°C et des températures élevées supérieures à 1400°C. Cette invention fournit également un procédé de fabrication de corps en carbone ayant une résistance améliorée à l'oxydation sur une grande gamme de températures et dans des environnements qui impliquent des variations ou cycles élevés de température.The present invention provides a coated carbon body, said carbon body having resistance to oxygen over a wide range of temperatures including relatively low temperatures from 500 to 1000 ° C and high temperatures above 1400 ° C. This invention also provides a method of manufacturing carbon bodies having improved resistance to oxidation over a wide range of temperatures and in environments which involve high temperature variations or cycles.

La présente invention fournit, de plus, des propriétés de résistance à l'ablation et l'érosion de corps en carbone à des températures élevées dans des milieux oxydants et non-oxydants.The present invention further provides properties of resistance to ablation and erosion of carbon bodies at elevated temperatures in oxidizing and non-oxidizing media.

De manière générale, selon le procédé de la présente invention, un corps en carbone est chauffé à une température élevée, généralement au-delà de 1500°C qui suffit à provoquer une réaction entre le corps en carbone et un réactif gazeux d'oxyde de bore. Cette réaction a pour conséquence que la surface du corps en carbone est corrodée et résulte dans la formation de carbure de bore qui est contenu dans cette surface corrodée et transformée. Cette surface corrodée et transformée s'étend sur une zone d'une profondeur ou épaisseur d'environ 2 à 250 microns. Le corps en carbone ainsi transformé est par la suite pourvu d'un revêtement vitreux, dont au moins une partie pénètre dans ladite surface corrodée et transformée. Le revêtement vitreux contient des composés chimiques sélectionnés dans le groupe constitué de nitrure de silicium, d'oxynitrure de silicium ou d'un mélange de ces composés.In general, according to the method of the present invention, a carbon body is heated to a high temperature, generally above 1500 ° C. which is sufficient to cause a reaction between the carbon body and a gaseous oxide reagent. boron. The consequence of this reaction is that the body surface of carbon is corroded and results in the formation of boron carbide which is contained in this corroded and transformed surface. This corroded and transformed surface extends over an area with a depth or thickness of approximately 2 to 250 microns. The carbon body thus transformed is subsequently provided with a vitreous coating, at least part of which penetrates into said corroded and transformed surface. The glass coating contains chemical compounds selected from the group consisting of silicon nitride, silicon oxynitride or a mixture of these compounds.

Selon un mode de réalisation préféré, le corps en carbone est pourvu d'une couche de revêtement extérieur d'une matière réfractaire qui peut contenir du silicium dépassant la valeur stoechiométrique. Le revêtement réfractaire extérieur comprend des composés chimiques choisis dans le groupe constitué par les carbures, borures ou nitrures de silicium, de zirconium, de tantale, de hafnium, de niobium et de titane, d'oxynitrures de silicium, et par les borures d'aluminium ou les nitrures d'aluminium, ou par des mélanges de ces composés.According to a preferred embodiment, the carbon body is provided with an outer coating layer of a refractory material which may contain silicon exceeding the stoichiometric value. The outer refractory lining comprises chemical compounds chosen from the group consisting of carbides, borides or nitrides of silicon, zirconium, tantalum, hafnium, niobium and titanium, oxynitrides of silicon, and by borides of aluminum or aluminum nitrides, or by mixtures of these compounds.

Dans ce mode de réalisation préféré de la présente invention, le corps en carbone revêtu a un revêtement réfractaire extérieur et une couche intermédiaire qui forme un revêtement d'une substance vitreuse qui réagit avec l'oxygène et les autres éléments présents pour former ce matériau vitreux. Le corps en carbone contient également une couche protectrice supplémentaire, essentiellement dans les dimensions d'origine des corps en carbone non-revêtus, qui a été transformée, du moins en partie, en carbure de bore B4C. Le B4C réagit avec l'oxygène qui réussit encore à pénétrer le revêtement intermédiaire pour former B203 qui est également une substance de nature vitreuse.In this preferred embodiment of the present invention, the coated carbon body has an outer refractory lining and an intermediate layer which forms a coating of a glassy substance which reacts with oxygen and the other elements present to form this glassy material . The carbon body also contains an additional protective layer, essentially in the original dimensions of the uncoated carbon bodies, which has been transformed, at least in part, into boron carbide B4C. B4C reacts with oxygen which still succeeds in penetrating the intermediate coating to form B203 which is also a substance of vitreous nature.

Il a été découvert que l'attaque chimique de la surface du corps en carbone avec de l'oxyde de bore gazeux crée une surface très adéquate pour le dépôt d'un revêtement intermédiaire sélectionné et fournit également une mesure supplémentaire de protection contre l'oxydation responsable des attaques d'oxydation du corps en carbone. L'oxygène contenu dans l'oxyde de bore réagit, dans les conditions de traitement, avec le carbone pour former de 1'oxyde de carbone gazeux. I1 en résulte une formation d'interstices ou de pores interconnectés s'étendant dans et jusqu'en dessous de la surface du corps en carbone. Le bore réagit avec le carbone pour former du carbone de bore selon la formule suivante : 2B203 + TC-^B^C + SCO. La surface du corps en carbone n'est pas corrodée de façon uniforme. Il en résulte que des interstices en forme de pores interconnectés sont formés. L'oxyde de bore réagit avec le corps en carbone jusqu'à une profondeur dépendant de la durée du temps de contact. Les interstices contribuent au total de volume vide qui occupe à peu près 50 % du volume de la surface transformée. La surface du corps en carbone, y compris les surfaces internes des interstices, contient du carbure de bore.It has been discovered that chemical attack on the carbon body surface with gaseous boron oxide creates a very suitable surface for the deposition of a selected intermediate coating and also provides an additional measure of protection against oxidation responsible for the body's carbon oxidation attacks. The oxygen contained in the boron oxide reacts, under the treatment conditions, with the carbon to form carbon monoxide gas. This results in the formation of interstices or interconnected pores extending into and below the surface of the carbon body. Boron reacts with carbon to form boron carbon according to the following formula: 2B203 + TC- ^ B ^ C + SCO. The carbon body surface is not uniformly corroded. As a result, interstices in the form of interconnected pores are formed. Boron oxide reacts with the carbon body to a depth depending on the duration of the contact time. The interstices contribute to the total void volume which occupies about 50% of the volume of the transformed surface. The carbon body surface, including the inner surfaces of the interstices, contains boron carbide.

Comme indiqué auparavant, l'action de corrosion du corps en carbone avec de l'oxyde de bore gazeux entraîne deux résultats bénéfiques. Premièrement, les interstices interconnectés agissent en tant que réservoir pour le revêtement intermédiaire, tout en augmentant le volume de la matière du revêtement intermédiaire disponible pour la réaction avec l'oxygène. Deuxièmement, le décapant d'oxyde de bore gazeux réagit avec le carbone présent dans le corps en carbone pour former du carbure de bore qui est contenu dans la surface poreuse. Le carbure de bore réagit avec 1'oxygène pour former de 1'oxyde de bore de nature vitreuse. Ainsi, tout oxygène qui pénètre le revêtement intermédiaire est consommé ou absorbé par le carbone de bore avant qu'il n'ait la possibilité d'attaquer le corps en carbone.As mentioned before, the corrosion action of the carbon body with gaseous boron oxide has two beneficial results. First, the interconnected interstices act as a reservoir for the intermediate coating, while increasing the volume of the intermediate coating material available for reaction with oxygen. Second, the gaseous boron oxide stripper reacts with the carbon in the carbon body to form boron carbide which is contained in the porous surface. Boron carbide reacts with oxygen to form boron oxide of a glassy nature. Thus, any oxygen that penetrates the intermediate coating is consumed or absorbed by the boron carbon before it has the possibility of attacking the carbon body.

Afin de réaliser la surface poreuse désirée, le décapant d'oxyde de bore est de préférence dans l'état gazeux. Il a été constaté que l'oxyde de bore transformé liquide ou solide est trop réactif, et la surface du corps en carbone devient complètement corrodée, par rapport à la formation d'interstices interconnectés au cas où l'oxyde de bore est utilisé sous une forme autre que gazeuse.In order to achieve the desired porous surface, the boron oxide stripper is preferably in the gaseous state. It has been found that the liquid or solid transformed boron oxide is too reactive, and the carbon body surface becomes completely corroded, compared to the formation of interconnected interstices in case boron oxide is used under a form other than gas.

Le corps en carbone auquel est appliqué ce revêtement résistant à l'oxydation, peut être constitué de l'une ou l'autre des structures de carbone convenant pour usage envisagé, et peut inclure du graphite monolithique, un composé mixte de fibres de carbone dispersées dans une matrice de carbone qui à son tour peut être partiellement ou entièrement graphitée, ou tout autre forme de carbone adéquate. Le corps en carbone peut, par exemple, constituer une pièce d'une turbine, le rotor d'une pompe, le bord de l'aile d'un navire spatial, ou encore une pièce de la buse ou du moteur d'une fusée. La forme particulière ou la structure particulière du corps en carbone ne font pas partie de la présente invention.The carbon body to which this oxidation-resistant coating is applied, may consist of either of the carbon structures suitable for the intended use, and may include monolithic graphite, a mixed compound of dispersed carbon fibers in a carbon matrix which in turn can be partially or fully graphitized, or any other suitable form of carbon. The carbon body can, for example, constitute a part of a turbine, the rotor of a pump, the edge of the wing of a spacecraft, or even a part of the nozzle or of the engine of a rocket. . The particular shape or structure of the carbon body is not part of the present invention.

Selon la présente invention, le corps de carbone non encore traité est placé dans un réacteur adéquat, par exemple dans un réacteur pour le dépôt de vapeurs chimiques bien connues par l'état de la technique. Le corps en carbone est chauffé jusqu'à une température au-delà d'environ 1500°C et de préférence à une température entre environ 1600°C et 175Q°C. Des températures plus élevées sont également adéquates mais ne sont pas nécessaires. La pression à l'intérieur de la chambre à réaction est maintenue entre environ 0.1 Torr et environ pression atmosphérique. De l'argon à une température entre environ la température ambiante et 1750°C est circulé comme gaz porteur à travers la chambre à une vitesse d'écoulement entre environ 0 et 100 000 centimètres cube standards par minute (SCCM) pour des réacteurs avec un diamètre intérieur d'environ 36 inches et à une vitesse d'écoulement plus grande que 100 000 SCCM pour des réacteurs plus grands. L'oxyde de bore sous forme gazeuse peut être obtenu par la vaporisation d'oxyde de bore ou bien par réaction dans l'état gazeux, par. ex. par la réaction de trichlorure de bore avec une source d'oxygène telle que la vapeur ou un mélange d'hydrogène et de dioxyde de carbone. Des concentrations accrues et des températures de réaction plus élevées, comme des temps de réaction plus larges provoquent des profondeurs accrues de l'action de corrosion. La vitesse de circulation de l'oxyde de bore est réglée entre environ 1 et 7000 SCCM pour des petits réacteurs et au-delà de 7000 SCCM pour des réacteurs plus grands. Le temps de réaction peut être réglé entre environ 30 secondes et 120 minutes et la profondeur de l'action de corrosion est habituellement entre environ 2 et 250 microns. On peut, s'il est souhaitable, continuer la réaction jusqu'à ce que le corps en carbone soit corrodé entièrement. La couche corrodée du corps en carbone occupe généralement un volume vide qui approche de 50 % du volume d'origine occupé par le corps en carbone.According to the present invention, the body of carbon not yet treated is placed in a suitable reactor, for example in a reactor for the deposition of chemical vapors well known in the art. The carbon body is heated to a temperature above about 1500 ° C and preferably to a temperature between about 1600 ° C and 175 ° C. Higher temperatures are also adequate but are not necessary. The pressure inside the reaction chamber is maintained between about 0.1 Torr and about atmospheric pressure. Argon at a temperature between about room temperature and 1750 ° C is circulated as a carrier gas through the chamber at a flow rate between about 0 and 100,000 standard cubic centimeters per minute (SCCM) for reactors with a inner diameter of about 36 inches and at a flow rate greater than 100,000 SCCM for larger reactors. Boron oxide in gaseous form can be obtained by vaporization of boron oxide or by reaction in the gaseous state, for example. ex. by the reaction of boron trichloride with an oxygen source such as steam or a mixture of hydrogen and carbon dioxide. Increased concentrations and higher reaction temperatures, as well as longer reaction times, cause increased depths of the corrosion action. The boron oxide circulation speed is set between approximately 1 and 7000 SCCM for small reactors and above 7000 SCCM for larger reactors. The reaction time can be set between about 30 seconds and 120 minutes and the depth of the corrosion action is usually between about 2 and 250 microns. If desired, the reaction can be continued until the carbon body is completely corroded. The corroded layer of the carbon body generally occupies an empty volume which approaches 50% of the original volume occupied by the carbon body.

Le corps en carbone corrodé est ensuite pourvu d'une couche vitreuse de revêtement intermédiaire, dont la fonction est de réagir avec tout oxygène qui pourrait pénétrer une fente en rupture pour former un enduit étanche vitreux empêchant l'oxygène d'atteindre la surface de carbone. Dans certains cas où la résistance à l'abrasion ou à l'érosion n'est pas requise, le revêtement intermédiaire peut constituer l'unique couche de protection appliquée au corps en carbone. Toutefois, pour la plupart des conditions d'environnement, et pour une meilleure résistance à l'oxydation, des revêtements extérieurs supplémentaires sont appliqués sur la couche intermédiaire.The corroded carbon body is then provided with a vitreous layer of intermediate coating, the function of which is to react with any oxygen which could penetrate a ruptured slit to form a tight vitreous coating preventing oxygen from reaching the carbon surface . In some cases where resistance to abrasion or erosion is not required, the intermediate coating may constitute the only protective layer applied to the carbon body. However, for most environmental conditions, and for better resistance to oxidation, additional exterior coatings are applied to the intermediate layer.

Le revêtement intermédiaire qui prend une forme vitreuse à basse température contient des produits de formation primaire de verre sélectionnés dans le groupe constitué de nitrures et oxynitrures de silicium et de mélanges de ces composants, qui peuvent être déposés sur la surface corrodée du corps en carbone moyennant tout procédé adéquat tel que la déposition de vapeurs chimiques ou toute autre technique telle que la technique d'imprégnation comme sous la désignation "sol-gel".The intermediate coating which takes a glassy form at low temperature contains primary glass formation products selected from the group consisting of silicon nitrides and oxynitrides and mixtures of these components, which can be deposited on the corroded surface of the carbon body by means of any suitable process such as the deposition of chemical vapors or any other technique such as the impregnation technique as under the designation "sol-gel".

Le revêtement intermédiaire peut également contenir du bore, de l'oxyde de bore, du carbure de bore, du silicium, un alliage de silicium, du dioxyde de silicium, du germanium, des borures et des oxydes de zirconium, aluminium, magnésium, hafnium, titane, des carbures de zirconium, hafnium, titane, des nitrures de zirconium, hafnium, titane, silicium, et des mélanges de ces éléments.The intermediate coating may also contain boron, boron oxide, boron carbide, silicon, a silicon alloy, silicon dioxide, germanium, borides and oxides of zirconium, aluminum, magnesium, hafnium , titanium, zirconium carbides, hafnium, titanium, zirconium nitrides, hafnium, titanium, silicon, and mixtures of these.

Les nitrures et oxynitrures de silicium se laissent incorporer dans le revêtement intermédiaire en utilisant deux approches de base du procédé. L'approche initiale consiste à nitrurer du métal contenant du silicium, ou bien du silicium qui contient des composés qui ont été incorporés dans le revêtement intermédiaire lors d'un traitement antérieur. La seconde approche consiste à incorporer le nitrure de silicium par l'addition directe du composé au revêtement intermédiaire.The silicon nitrides and oxynitrides can be incorporated into the intermediate coating using two basic process approaches. The initial approach is to nitride metal containing silicon, or silicon which contains compounds which were incorporated into the intermediate coating during a previous treatment. The second approach consists in incorporating the silicon nitride by the direct addition of the compound to the intermediate coating.

Dans l'approche initiale, il est préférable de faire la nitruration ou 1'oxynitruration après que le métal contenant du silicium ait été incorporé dans la couche intermédiaire lors d'une étape de traitement antérieur.In the initial approach, it is preferable to carry out nitriding or oxynitriding after the metal containing silicon has been incorporated into the intermediate layer during a previous processing step.

Un gaz réactif de nitruration est utilisé pour transformer le métal contenant du silicium ou bien le composé chimique contenant du silicium en nitrures ou oxynitrures.A reactive nitriding gas is used to transform the metal containing silicon or the chemical compound containing silicon into nitrides or oxynitrides.

Les sources suivantes d'azote réactif résulteront en une formation de nitrures : N2 , NH3, N2H4 ou des mélanges de ces composés. Il est préférable d'employer des températures au-delà d'environ 1000°C, mais en-dessous de 2000°C. Des températures entre 1350 et 1500°C résulteront en une formation importante de nitrures pendant 24 à 48 heures de réaction. Au cas où N2 est utilisé comme agent de nitruration, il est préférable d'utiliser une atmosphère N2 presque pure.The following sources of reactive nitrogen will result in the formation of nitrides: N2, NH3, N2H4 or mixtures of these compounds. It is preferable to use temperatures above about 1000 ° C, but below 2000 ° C. Temperatures between 1350 and 1500 ° C will result in significant formation of nitrides during 24 to 48 hours of reaction. If N2 is used as the nitriding agent, it is preferable to use an almost pure N2 atmosphere.

Au cas où NH3 est utilisé, des concentrations au-delà de 10 vol. % de N2 sont à préférer. L'addition de petites quantités de H2 à l'atmosphère réactive a également révélé un effet bénéfique en augmentant la vitesse de la nitruration. De l'oxygène peut être incorporé dans le nitrure. Il en résulte la formation d'un oxynitrure, l'incorporation de l'oxygène se faisant par plusieurs moyens adéquats. Par exemple, un composé contenant de l'oxygène peut être ajouté à l'atmosphère de nitruration. Les composés chimiques suivants peuvent être utilisés séparément ou en combinaison : 02, H2.0, C0/C02 . De basses concentrations d'oxygène dans l'atmosphère de nitruration sont à préférer. Par exemple, l'addition d'environ 600 ppm (vol) d'oxygène moléculaire à une atmosphère N2 de nitruration résultait en un degré plus élevé de transformation de la phase solide de silicium de nitrures en oxynitrures.In case NH3 is used, concentrations above 10 vol. % of N2 are to be preferred. The addition of small amounts of H2 to the reactive atmosphere also revealed a beneficial effect by increasing the rate of nitriding. Oxygen can be incorporated into the nitride. This results in the formation of an oxynitride, the incorporation of oxygen being done by several suitable means. For example, an oxygen-containing compound can be added to the nitriding atmosphere. The following chemical compounds can be used singly or in combination: 02, H2.0, C0 / C02. Low oxygen concentrations in the nitriding atmosphere are preferred. For example, the addition of about 600 ppm (vol) of molecular oxygen to an N2 nitriding atmosphere resulted in a higher degree of transformation of the solid silicon phase from nitrides to oxynitrides.

Dans la seconde approche, le produit, nitrure de silicium, est ajouté directement à la couche de revêtement intermédiaire. Ceci peut être réalisé en utilisant une technologie du genre comme sous la désignation CVD (chemical vapor infiltration), c'est-à-dire infiltration de vapeur chimique, pour pénétrer ou infiltrer la couche corrodée poreuse de nitrure ou oxynitrure de silicium. La technologie comme sous la désignation "sol-gel" peut également être employée. Les précurseurs du produits Si-O-N peuvent être tout composé adéquat résultant en une formation de nitrures ou oxynitrures dans la couche intermédiaire de revêtement.In the second approach, the product, silicon nitride, is added directly to the intermediate coating layer. This can be achieved by using a technology of the kind as under the designation CVD (chemical vapor infiltration), that is to say chemical vapor infiltration, to penetrate or infiltrate the porous corroded layer of silicon nitride or oxynitride. The technology as under the designation "sol-gel" can also be used. The precursors of the Si-O-N products can be any suitable compound resulting in the formation of nitrides or oxynitrides in the intermediate coating layer.

De préférence, le revêtement intermédiaire remplit partiellement les interstices résultant de l'action d'attaque par l'oxyde de bore. Ainsi, le volume vide produit par cette action de corrosion est partiellement rempli et le produit résultant est essentiellement le même en ce qui concerne ses caractéristiques que le corps en carbone d'origine.Preferably, the intermediate coating partially fills the interstices resulting from the attack action by boron oxide. Thus, the void volume produced by this corrosion action is partially filled and the resulting product is essentially the same in terms of its characteristics as the original carbon body.

Le silicium peut être déposé sur la surface du corps en carbone corrodé à une température plus élevée que le point de fusion du silicium, ou bien le silicium peut être déposé à une température en dessous de son point de fusion et la pièce revêtue peut par la suite être chauffée au-dessus dudit point de fusion. Dans tous les cas, le silicium, à la température au-dessus de son point de fusion s'infiltre et remplit les interstices de la surface corrodée en créant ainsi une surface complètement dense.The silicon can be deposited on the surface of the body in corroded carbon at a temperature higher than the melting point of the silicon, or else the silicon can be deposited at a temperature below its melting point and the coated part can by the thereafter be heated above said melting point. In all cases, the silicon, at the temperature above its melting point, infiltrates and fills the interstices of the corroded surface, thus creating a completely dense surface.

Le silicium peut réagir partiellement avec le revêtement en carbure de bore qui provient de l'action de corrosion par l'oxyde de bore, selon la formule suivante : 2Si + B4C_^SiB4 + Sic. Dans le cas où le procédé de dépôt de vapeur chimique est employé pour déposer le silicium, des informations et données obtenues par diffraction de rayons X montrent que SiB4 simple n'est en fait pas formé mais qu'un composé similaire et plus complexe en résulte, à savoir B4(SiCeci provient probablement du fait que lors du dépôt par vapeur chimique du silicium, un gaz porteur est utilisé qui contient de l'hydrogène.The silicon can partially react with the boron carbide coating which comes from the action of corrosion by boron oxide, according to the following formula: 2Si + B4C_ ^ SiB4 + Sic. In the case where the chemical vapor deposition method is used to deposit silicon, information and data obtained by X-ray diffraction show that simple SiB4 is in fact not formed but that a similar and more complex compound results therefrom , namely B4 (SiThis probably comes from the fact that during the chemical vapor deposition of silicon, a carrier gas is used which contains hydrogen.

Dans le cas où un revêtement intermédiaire d'un alliage de silicium est désiré, le silicium peut être allié à un ou plusieurs éléments utiles à cet effet, dont par exemple le chrome, l'aluminium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le niobium, le tantale, le tungstène et le molybdène. Ces éléments peuvent être fournis aux interstices en même temps que le silicium par une des techniques appropriées de dépôt décrites ci-avant ou bien ils peuvent être introduits par la suite moyennant une réaction de substitution. Le silicium libre ou combiné peut être substitué partiellement à l'un des éléments cités auparavant selon des réactions similaires à celles qui sont données par la suite pour le titane.In the case where an intermediate coating of a silicon alloy is desired, the silicon can be alloyed with one or more elements useful for this purpose, including for example chromium, aluminum, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, tungsten and molybdenum. These elements can be supplied to the interstices at the same time as the silicon by one of the appropriate deposition techniques described above or else they can be introduced subsequently by means of a substitution reaction. The free or combined silicon can be partially substituted for one of the elements mentioned above according to reactions similar to those given below for titanium.

Figure LU87647A1D00161

Quand un corps en carbone est soumis à des cycles thermiques qui sont tels qu'il est exposé aussi bien à des températures élevées au-delà du point de fusion du silicium qu'à des températures basses dans le voisinage du point de fusion de l'oxyde de bore, il peut être souhaitable d'utiliser l'un et l'autre de ces revêtements, c'est-à-dire le revêtement en silicium et le revêtement en bore.When a carbon body is subjected to thermal cycles which are such that it is exposed both to high temperatures above the melting point of silicon and to low temperatures in the vicinity of the melting point of boron oxide, it may be desirable to use either of these coatings, i.e., the silicon coating and the boron coating.

Le revêtement en bore est appliqué par la technique de dépôt de vapeur chimique en chauffant le corps en carbone à une température au-delà d'environ 500°C, de préférence entre environ 800°C et 1600°C. La pression est maintenue entre environ 0.1 et 760 torr, de préférence entre environ 1 et 200 torr. ün mélange gazeux d' un gaz décomposable de bore, par exemple du trihalogénure de bore, de préférence du trichlorure de bore, d'acide hydrochlorique, d'hydrogène, et d'argon de la composition suivante peut être circulé sur le corps en carbone corrodé :The boron coating is applied by the chemical vapor deposition technique by heating the carbon body to a temperature above about 500 ° C, preferably between about 800 ° C and 1600 ° C. The pressure is maintained between approximately 0.1 and 760 torr, preferably between approximately 1 and 200 torr. A gaseous mixture of a decomposable boron gas, for example boron trihalide, preferably boron trichloride, hydrochloric acid, hydrogen, and argon of the following composition can be circulated over the carbon body corroded:

Figure LU87647A1D00171

La température du gaz est maintenue entre environ la température ambiante et 1600°C et le temps de contact peut varier entre environ 30 secondes et 4 heures. Une vitesse de circulation (au total) d'entre environ 100 et 100 000 SCCM, de préférence entre environ 2600 et environ 47 000 SCCM, peut être utilisée pour un réacteur dont le diamètre intérieur est moins d'un pieds (foot « 0,3048). Ceci résulte en un revêtement intermédiaire de bore ayant une épaisseur d'environ 0,1 micron à 500 microns.The gas temperature is maintained between approximately room temperature and 1600 ° C and the contact time can vary between approximately 30 seconds and 4 hours. A circulation speed (in total) of between approximately 100 and 100,000 SCCM, preferably between approximately 2,600 and approximately 47,000 SCCM, can be used for a reactor whose internal diameter is less than one foot (foot “0, 3048). This results in an intermediate coating of boron having a thickness of about 0.1 micron to 500 microns.

Le revêtement réfractaire extérieur peut comprendre des carbures, borures ou nitrures de silicium, zirconium, tantale, hafnium, niobium, titane, borures ou nitrure d'aluminium ou un mélange de ces composés. Le revêtement réfractaire peut en plus comprendre des oxynitrures de silicium.The outer refractory coating may include carbides, borides or nitrides of silicon, zirconium, tantalum, hafnium, niobium, titanium, borides or aluminum nitride or a mixture of these compounds. The refractory lining may additionally comprise silicon oxynitrides.

Les revêtements réfractaires extérieurs en nitrure ou oxynitrure de silicium peuvent être formés par plusieurs moyens y compris la technique de dépôt de vapeurs chimiques (CVD). Les analyses suivantes ont été jugées efficaces pour la formation de revêtements : Sic14 /NH3 ; Si(CH3)4/NH3 , SiH«/NH3.External refractory linings of silicon nitride or oxynitride can be formed by several means including the chemical vapor deposition (CVD) technique. The following analyzes were found to be effective for the formation of coatings: Sic14 / NH3; Si (CH3) 4 / NH3, SiH "/ NH3.

Ces revêtements ont été préparés à de grandes vitesses de dépôt (>1 mm/h) moyennant les réactions suivantes : (a) de S1CI4/ NH3 et H* à des températures de 1100-1500°C, et des pressions de 5-300 Torr ; reference est faite à K. Niihara, Ceramics Bulletin, Vol. 63, page 1160 (1984) et K. Niihara et T. Hirai, Journel o£ Material Science, Vol. 11, page 604 (1976) (b) de SiF4 et NH3 à environ 1450°C et 2 torr ; référence est faite à F.S. Galasso, R.D. Veltri et W.J. Craft, Ceramics Bulletin, Vol. 57, page 453 (1978) and (c) par la réaction de Si(CH3)4 avec NH3 à des températures de 1100-1500°C et 8 Torr ; K.F. Lartique, M. Ducarroir and B. Amos, Proceedings IX International Conference CVD, page 561 (1984) et K.F. Lartique and F. Sibieude, Proceedings IX International Conference CVD, page 583 (1984). Aussi bien le SiCl4 que le SiHC13 réagissent très vite avec NH3 à température ambiante ; toutefois, un haut degré de nucléarisation de la phase gazeuse peut être évité en travaillant à de basses pressions, en utilisant des tubes concentriques d'alimentation des gaz afin de réduire au maximum un mélange entre les deux composés réactifs, et par une chauffe très rapide avant l'action de dépôt ; référence est faite à W. Hanni et H.E. Hintermann, Proceedings VXII International Conference CVD, page 597 (1981). Par ces moyens, des films ou couches cohérentes de Si3N4 peuvent être déposés sans formation de Si(NH)2 ou NH4c1 .These coatings were prepared at high deposition rates (> 1 mm / h) by the following reactions: (a) S1CI4 / NH3 and H * at temperatures of 1100-1500 ° C, and pressures of 5-300 Torr; reference is made to K. Niihara, Ceramics Bulletin, Vol. 63, page 1160 (1984) and K. Niihara and T. Hirai, Journel o £ Material Science, Vol. 11, page 604 (1976) (b) of SiF4 and NH3 at about 1450 ° C and 2 torr; reference is made to F.S. Galasso, R.D. Veltri and W.J. Craft, Ceramics Bulletin, Vol. 57, page 453 (1978) and (c) by the reaction of Si (CH3) 4 with NH3 at temperatures of 1100-1500 ° C and 8 Torr; K.F. Lartique, M. Ducarroir and B. Amos, Proceedings IX International Conference CVD, page 561 (1984) and K.F. Lartique and F. Sibieude, Proceedings IX International Conference CVD, page 583 (1984). Both SiCl4 and SiHC13 react very quickly with NH3 at room temperature; however, a high degree of nucleation of the gas phase can be avoided by working at low pressures, by using concentric gas supply tubes in order to minimize mixing between the two reactive compounds, and by very rapid heating. before the filing action; reference is made to W. Hanni and H.E. Hintermann, Proceedings VXII International Conference CVD, page 597 (1981). By these means, coherent films or layers of Si3N4 can be deposited without the formation of Si (NH) 2 or NH4c1.

Aussi bien le Si3N4 amorphe que le a-Si3N4 cristalline peuvent être déposés suivant les conditions de traitement. A basse pression et à des températures <1300°C le S13N4 amorphe est déposé ; référence est faite à K.H. Lartique et F. Sibieude, Proceedings IX International Conference CVP, page 583 (1984) et à K. Niihara et T. Hirai, Journel of Material Science, Vol. 11 page 604 (1976). A des températures >1400°C le a-Si3N« est la phase préférée. Toutefois, la résistance à l'oxydation de Si3N4 amorphe déposé par la technique CVD est révélée à 1550°C dans l'air comme étant au moins trois fois plus grande que celle de la forme cristalline ; référence est faite à A.K. Gaind and E.W.. Hearn, Journel Electrochemical Society, Vol. 125, page 139 (1978).Both amorphous Si3N4 and crystalline a-Si3N4 can be deposited according to the processing conditions. At low pressure and at temperatures <1300 ° C the amorphous S13N4 is deposited; reference is made to K.H. Lartique and F. Sibieude, Proceedings IX International Conference CVP, page 583 (1984) and to K. Niihara and T. Hirai, Journel of Material Science, Vol. 11 page 604 (1976). At temperatures> 1400 ° C a-Si3N "is the preferred phase. However, the resistance to oxidation of amorphous Si3N4 deposited by the CVD technique is revealed at 1550 ° C. in air as being at least three times greater than that of the crystalline form; reference is made to A.K. Gaind and E.W .. Hearn, Journel Electrochemical Society, Vol. 125, page 139 (1978).

De faibles quantités d'oxygène dans l'analyse vont très vite provoquer la formation d'oxynitrure de silicium de stoechiométrie variable, par exemple, quand de l'oxygène à un niveau de 10-100 ppm est introduit dans un courant diluant d'azote pendant le procédé CVD ; référence est faite à V.A. Wells et M.V. Hanson, Proceedings VII International Conference CVD, page 190 (1979). L'oxynitrure de silicium a également été déposé dans la réaction de SiH4/NH3/H2 en incluant C02 ou NO à des températures de la gamme de 850-1000°C ; référence est faite à M.J. Rand et J. Roberts, Journel Electrochemical Society, Vol. 125, page 139 (1978) et à A.K. Gaind et E.W.. Hearn, Journel Electrochemical Society, Vol. 120, page 446 (1973).Small amounts of oxygen in the analysis will very quickly cause the formation of silicon oxynitride of variable stoichiometry, for example, when oxygen at a level of 10-100 ppm is introduced into a diluting stream of nitrogen during the CVD process; reference is made to V.A. Wells and M.V. Hanson, Proceedings VII International Conference CVD, page 190 (1979). Silicon oxynitride has also been deposited in the SiH4 / NH3 / H2 reaction including CO2 or NO at temperatures in the range of 850-1000 ° C; reference is made to M.J. Rand and J. Roberts, Journel Electrochemical Society, Vol. 125, page 139 (1978) and to A.K. Gaind and E.W .. Hearn, Journel Electrochemical Society, Vol. 120, p. 446 (1973).

Il est généralement souhaitable de prévoir un revêtement extérieur de carbure de silicium sur la couche de revêtement intermédiaire. La disposition de prévoir de tels revêtements superposés est décrite dans l'état de la technique qui comprend le brevet américain No 4,515,860 ci-avant mentionné, ces revêtements superposés pouvant être produits par la technique CVD.It is generally desirable to provide an outer coating of silicon carbide on the intermediate coating layer. The arrangement to provide such superimposed coatings is described in the state of the art which includes the aforementioned US Pat. No. 4,515,860, these superimposed coatings being able to be produced by the CVD technique.

Les exemples suivants qui sont donnés pour illustrer quelques façons selon lesquelles le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre ne peuvent en aucun cas limiter la portée des revendications. Ils illustrent plusieurs modes de réalisation de la présente invention. Dans plusieurs des applications proposées de matériaux carbonés revêtus, ces éléments revêtus seront exposés à un environnement humide et/ou à l'eau. Il a par ailleurs été rapporté par la littérature que des structures revêtues qui contiennent du bore ont des performances inférieures lors de tests à l'oxydation quand ces structures sont exposées de façon intermittente à un environnement humide ou à 1'eau.The following examples which are given to illustrate some ways in which the method according to the invention can be implemented can in no way limit the scope of the claims. They illustrate several embodiments of the present invention. In several of the proposed applications of coated carbonaceous materials, these coated elements will be exposed to a humid environment and / or to water. It has moreover been reported in the literature that coated structures which contain boron have poorer performance in oxidation tests when these structures are exposed intermittently to a humid environment or to water.

Un test de performance a été développé pour évaluer la résistance à l'oxydation y compris le cas de l'immersion de façon intermittente dans l'eau. La résistance à l'oxydation a été testée en chauffant des échantillons revêtus dans l'air dans un four et en changeant de façon cyclique la température, d'une température de base de 650°C à une température entre 1200 et 1375°C. Le poids des échantillons a été mesuré toutes les heures et un pourcentage donné de perte de poids a été défini comme limite ou point de défaut ou d'échec. De façon plus précise, les échantillons ont été placés dans un four d'oxydation et, par la suite, élevés à une température de 1375°C. Le cycle de test a alors été complété par un échauffement répété de façon cyclique de l'échantillon entre 500°C et 1000°C. Après 20 heures de test à l'oxydation, les échantillons revêtus sont trempés dans l'eau pendant 30 minutes à température ambiante. Par la suite, les échantillons sont séchés à l'air pendant 30 minutes, suivies par un retour au test d'oxydation. Ce cycle de tests a été continué jusqu'à ce que les échantillons enlevés du four aient une perte de poids de >_ 2wt%. Le nombre d'heures du cycle de tests à l'oxydation (consommés pour atteindre ce critère de perte en poids) est défini comme durée de vie du revêtement dans les exemples qui suivent.A performance test has been developed to assess resistance to oxidation, including the case of intermittent immersion in water. The oxidation resistance was tested by heating coated samples in air in an oven and changing the temperature cyclically, from a base temperature of 650 ° C to a temperature between 1200 and 1375 ° C. The weight of the samples was measured hourly and a given percentage of weight loss was defined as the limit or point of defect or failure. More specifically, the samples were placed in an oxidation oven and subsequently raised to a temperature of 1375 ° C. The test cycle was then completed by repeatedly heating the sample cyclically between 500 ° C and 1000 ° C. After 20 hours of oxidation test, the coated samples are soaked in water for 30 minutes at room temperature. Subsequently, the samples are air dried for 30 minutes, followed by a return to the oxidation test. This test cycle was continued until the samples removed from the oven had a weight loss of> _ 2wt%. The number of hours of the oxidation test cycle (consumed to reach this weight loss criterion) is defined as the life of the coating in the examples which follow.

Le matériau carboné utilisé comme matériau de base pour les exemples qui suivent a été un substrat ou support composite de carbone-carbone utilisé bi-dimentionnellement obtenu de "Science application international Corporation" et identifié par ICC-S1. Chaque échantillon particulier avait environ les dimensions 1/2" X 3/4" X 1/8".The carbonaceous material used as base material for the examples which follow was a carbon-carbon composite substrate or support used bi-dimensionally obtained from "Science application international Corporation" and identified by ICC-S1. Each particular sample was approximately 1/2 "X 3/4" X 1/8 "in size.

Exemple 1Example 1

Un lot d'échantillons a été soumis à une action de corrosion et de transformation par l'oxyde de bore ; une température de 1651°C et une pression de 23 torr ont été utilisées pour une durée totale de traitement de 32 minutes. Le revêtement intermédiaire de silicium a, par la suite, été appliqué en traitant le lot d'échantillons à 1180°C et 260 torr pendant 45 minutes pour chaque côté. Les matières premières utilisées furent 924 SCCM tétrachlorure de silicium, 20 000 SCCM d'hydrogène et 12 500 SCCM d'azote. Ces échantillons ont de plus été traités par nitruration dans une atmosphère réactive à une température de 1400°C et une pression de 760 Torr. Le gaz de nitruration, composé de 1% d'hydrogène dans de l'azote moléculaire, a été circulé sur les échantillons pendant une période de 24 heures. L'analyse XRD des échantillons traités indiquait la formation de ß-nitrure de silicium comme forme cristalline prédominante de nitrure de silicium résultant de la nitruration. Trois échantillons du lot furent alors soumis au test d'oxydation/immersion dans l'eau décrit auparavant. La durée de vie moyenne de ces trois échantillons testés fut 27 cycles/heure. A titre de comparaison, un échantillon non-revêtu de ce même substrat a une durée de vie de seulement quelques cycles/heure.A batch of samples was subjected to a corrosion and transformation action with boron oxide; a temperature of 1651 ° C and a pressure of 23 torr were used for a total treatment time of 32 minutes. The silicon intermediate coating was then applied by treating the batch of samples at 1180 ° C and 260 torr for 45 minutes for each side. The raw materials used were 924 SCCM silicon tetrachloride, 20,000 SCCM hydrogen and 12,500 SCCM nitrogen. These samples were further processed by nitriding in a reactive atmosphere at a temperature of 1400 ° C and a pressure of 760 Torr. The nitriding gas, composed of 1% hydrogen in molecular nitrogen, was circulated over the samples for a period of 24 hours. XRD analysis of the treated samples indicated the formation of silicon β-nitride as the predominant crystal form of silicon nitride resulting from nitriding. Three samples from the batch were then subjected to the oxidation / immersion in water test described above. The average lifespan of these three samples tested was 27 cycles / hour. By way of comparison, a sample not coated with this same substrate has a lifespan of only a few cycles / hour.

Exemple 2Example 2

Un lot supplémentaire d'échantillons a été traité initialement par le dépôt de silicium comme décrit dans 1'exemple 1.An additional batch of samples was initially treated by the deposition of silicon as described in Example 1.

Le lot d'échantillons a par la suite été traité thermiquement à 1450°C, 40 Torr dans un courant d'argon ayant une vitesse de circulation d'environ 12000 SCCM pour une durée de 13 minutes. Ces échantillons furent ensuite traités dans une atmosphère de nitruration, employant comme gaz de nitruration 1% d'hydrogène dans de l'azote moléculaire.The batch of samples was subsequently heat treated at 1450 ° C., 40 Torr in a stream of argon having a circulation speed of approximately 12000 SCCM for a duration of 13 minutes. These samples were then treated in a nitriding atmosphere, using as nitriding gas 1% hydrogen in molecular nitrogen.

Les conditions de traitement furent 1500eC, 760 Torr et une période de 24 heures. L'analyse XRD des échantillons traités indique la formation de anitrure de silicium. Ces échantillons furent par la suite pourvus d'un revêtement réfractaire de surface de nitrure de silicium. Les conditions de revêtement utilisées pour le revêtement réfractaire de surface furent 1200°C, 4 Torr et 60 minutes de temps de réaction par côté. Les réacteurs utilisés pour constituer ces gaz réactifs furent l'ammoniac (100 SCCM), le tetramethylsilane (50 SCCM), 1' hydrogène (3000 SCCM) et l'azote (4000 SCCM). Le revêtement réfractaire de surface appliquée avait une épaisseur d'environ 25 microns et une dureté d'environ 2100 HV. Trois échantillons traités entièrement furent soumis au test d'oxydation/immersion dans l'eau décrit auparavant, la moyenne de cycles/heure jusqu'au point de défaut de ce lot fut 60.The processing conditions were 1500eC, 760 Torr and a 24 hour period. XRD analysis of the treated samples indicates the formation of silicon anitride. These samples were subsequently provided with a refractory coating of silicon nitride surface. The coating conditions used for the refractory surface coating were 1200 ° C, 4 Torr and 60 minutes reaction time per side. The reactors used to constitute these reactive gases were ammonia (100 SCCM), tetramethylsilane (50 SCCM), hydrogen (3000 SCCM) and nitrogen (4000 SCCM). The applied surface refractory coating had a thickness of about 25 microns and a hardness of about 2100 HV. Three fully processed samples were subjected to the oxidation / water immersion test described above, the average cycles / hour to the point of failure for this batch was 60.

Exemple 3Example 3

Un lot supplémentaire d'échantillons "carbone-carbone" fut soumis au traitement thermique à 1450°C décrit dans l'exemple 2. Par la suite, un revêtement en bore vitreux a été formé dans un réacteur CVD à une température de 1400°C et une pression de 150 Torr. Un courant de gaz composé de trichlorure de bore (700 SCCM), de chlorure d'hydrogène (700SCCM), d'hydrogène (1000 SCCM) et d'argon (5800 SCCM) a été circulé sur les échantillons pour une durée de traitement de 30 minutes par côté. Les échantillons furent ensuite pourvus d'un revêtement réfractaire de surface de nitrure de silicium amorphe comme décrit dans l'exemple 2. Par la suite, cinq échantillons du lot entièrement traité ont été testés dans le cycle d'oxydât ion/immersion dans l'eau et avaient une durée de vie de 60 heures.An additional batch of "carbon-carbon" samples was subjected to the heat treatment at 1450 ° C. described in example 2. Subsequently, a coating of vitreous boron was formed in a CVD reactor at a temperature of 1400 ° C. and a pressure of 150 Torr. A gas stream composed of boron trichloride (700 SCCM), hydrogen chloride (700SCCM), hydrogen (1000 SCCM) and argon (5800 SCCM) was circulated over the samples for a treatment time of 30 minutes per side. The samples were then provided with a refractory surface coating of amorphous silicon nitride as described in example 2. Subsequently, five samples of the fully treated batch were tested in the oxidate ion / immersion in cycle. water and had a lifespan of 60 hours.

Exemple 4Example 4

Un lot supplémentaire d'échantillons "carbone-carbone" fut testé de façon identique à celle décrite dans l'exemple 3, exception faite de ce qui concerne les conditions de traitement de la formation du revêtement réfractaire de surface. Le revêtement réfractaire de surface fut réalisé dans exactement les mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 3, mais on avait en plus ajouté 4 SCCM d'oxygène moléculaire aux gaz réactifs. L'analyse XRD du revêtement résultant indiquait qu'il était amorphe. De plus, les résultats d'une spectroscopie photoélectronique à rayons X indiquent que le revêtement réfractaire de surface a approximativement une stoechiométrie Si2.70N2 ; la stoechiométrie a été estimée après nettoyage de la surface par la vaporisation d'argon pour éliminer les effets de surface. La performance moyenne de cinq échantillons de ce lot fut 52 cycles/heure jusqu'au point de défaut.An additional batch of "carbon-carbon" samples was tested in an identical manner to that described in Example 3, except for what concerns the conditions for treatment of the formation of the refractory surface coating. The refractory surface coating was carried out under exactly the same conditions as those described in Example 3, but in addition 4 SCCM of molecular oxygen were added to the reactive gases. XRD analysis of the resulting coating indicated that it was amorphous. In addition, the results of an X-ray photoelectron spectroscopy indicate that the surface refractory coating has approximately a Si2.70N2 stoichiometry; the stoichiometry was estimated after cleaning the surface by the spraying of argon to eliminate the surface effects. The average performance of five samples from this batch was 52 cycles / hour to the point of failure.

Exemple 5Example 5

Un lot d'échantillons a été traité initialement jusqu'au revêtement intermédiaire de silicium comme décrit dans l'exemple 1. Les échantillons furent ensuite soumis à une atmosphère de nitruration contenant du N2 à haut degré de pureté à 1500°C pendant 24 heures. Après ce traitement, l'analyse XRD n'a pas détesté la formation de Si3N4 cristalline. Le même lot d'échantillons a de nouveau été placé dans une atmosphère de nitruration. Dans ce processus, le N2 à haut degré de pureté a été remplacé par du N2 à haut degré de pureté contenant 1% (vol.) H2. L'analyse XRD des échantillons ainsi traités indiquait clairement la formation de a-Si3N4 cristalline. Cet exemple montre clairement l'effet spectaculaire que l'addition d'une quantité faible d'hydrogène a sur le degré de nitruration.A batch of samples was initially treated up to the intermediate coating of silicon as described in Example 1. The samples were then subjected to a nitriding atmosphere containing N2 with high degree of purity at 1500 ° C. for 24 hours. After this treatment, the XRD analysis did not detest the formation of crystalline Si3N4. The same batch of samples was again placed in a nitriding atmosphere. In this process, the high purity N2 has been replaced by high purity N2 containing 1% (vol.) H2. XRD analysis of the samples thus treated clearly indicated the formation of crystalline a-Si3N4. This example clearly shows the dramatic effect that the addition of a small amount of hydrogen has on the degree of nitriding.

Exemple 6Example 6

Un lot d'échantillons "carbone-carbone" a été traité jusqu'à la phase de dépôt de silicium comme décrit dans l'exemple 1. Ces échantillons ont ensuite été soumis à une réaction dans une atmosphère de 2-53 % NH3 dans de l'argon à 1380°C pour une période de 24 heures. Les échantillons en résultant furent analysés par XRD. Cette analyse XRD a révélé la formation de Si2N20, d'oxynitrure de silicium durant le traitement à 1380°C. Une faible quantité d'air, qui fut la source d'oxygène pour la formation d'oxynitrure a été ajoutée durant la réaction à 1380^0 dans l'atmosphère réactive.A batch of "carbon-carbon" samples was treated up to the silicon deposition phase as described in example 1. These samples were then subjected to a reaction in an atmosphere of 2-53% NH3 in argon at 1380 ° C for a period of 24 hours. The resulting samples were analyzed by XRD. This XRD analysis revealed the formation of Si2N20, of silicon oxynitride during the treatment at 1380 ° C. A small amount of air, which was the source of oxygen for the formation of oxynitride, was added during the reaction at 1380 ^ 0 in the reactive atmosphere.

Claims (30)

1. Un corps en carbone revêtu ayant une résistance améliorée à l'oxydation à température élevée comprenant : un corps en carbone, - ledit corps ayant un couche de surface transformée poreuse formée en soumettant ledit corps en carbone à une action de corrosion et de réaction à de l'oxyde de bore, ladite surface transformée contenant des interstices interconnectés et du carbure de bore formé par la réaction d'oxyde de bore avec ledit corps en carbone et - un revêtement formant une couche vitreuse dont au moins une partie est contenue dans la couche de surface transformée, ledit revêtement comprenant des composés chimiques sélectionnés parmi le groupe constitué par du nitrure de silicium, de l'oxynitrure de silicium et par un mélange de ces éléments.1. A coated carbon body having improved resistance to oxidation at high temperature comprising: a carbon body, said body having a porous transformed surface layer formed by subjecting said carbon body to a corrosion and reaction action to boron oxide, said transformed surface containing interconnected interstices and boron carbide formed by the reaction of boron oxide with said carbon body and - a coating forming a vitreous layer of which at least part is contained in the transformed surface layer, said coating comprising chemical compounds selected from the group consisting of silicon nitride, silicon oxynitride and a mixture of these elements. 2. Un corps revêtu selon la revendication 1, dans laquelle le revêtement réfractaire est appliqué sur la couche de revêtement vitreux.2. A coated body according to claim 1, wherein the refractory coating is applied to the glassy coating layer. 3. Un corps revêtu selon la revendication 2, dans laquelle le revêtement réfractaire comprend des carbures, borures ou nitrures de silicium, zirconium, tantale, hafnium, niobium et titane, de l'oxynitrure de silicium et de borure ou nitrure d'aluminium ou des mélanges de ces éléments.3. A coated body according to claim 2, in which the refractory coating comprises carbides, borides or nitrides of silicon, zirconium, tantalum, hafnium, niobium and titanium, oxynitride of silicon and boride or nitride of aluminum or mixtures of these elements. 4. Un corps revêtu selon la revendication 3, dans laquelle la couche transformée a une profondeur d'environ 3 à 250 microns.4. A coated body according to claim 3, wherein the transformed layer has a depth of about 3 to 250 microns. 5. Un corps revêtu selon la revendication 4, dans laquelle la couche transformée a un volume vide allant jusqu'à 50% du volume d'origine occupé par la couche de carbone.5. A coated body according to claim 4, in which the transformed layer has an empty volume of up to 50% of the original volume occupied by the carbon layer. 6. Un corps revêtu selon la revendication 1, dans laquelle le revêtement formant la masse vitreuse remplit partiellement les interstices de ladite couche transformée.6. A coated body according to claim 1, wherein the coating forming the vitreous mass partially fills the interstices of said transformed layer. 7. Un corps en carbone revêtu ayant une résistance améliorée à l'oxydation à température élevée comprenant : - un corps en carbone, - ledit corps ayant une couche poreuse transformée qui a été formée en soumettant ledit corps en carbone à une action de corrosion et de réaction à de l'oxyde de bore, ladite couche transformée contenant des interstices interconnectés et du carbure de bore formé par la réaction de bore avec ledit corps en carbone, - un revêtement vitreux intermédiaire contenant du bore contenu dans ladite couche transformée, ledit revêtement intermédiaire comprenant des composés chimiques sélectionnés du groupe constitué par le nitrure de silicium, l'oxynitrure de silicium et par un mélange de ces éléments, et, - un revêtement réfractaire extérieur appliqué sur ledit revêtement intermédiaire.7. A coated carbon body having improved resistance to oxidation at high temperature comprising: - a carbon body, - said body having a transformed porous layer which has been formed by subjecting said carbon body to a corrosion action and of reaction with boron oxide, said transformed layer containing interconnected interstices and boron carbide formed by the reaction of boron with said carbon body, - an intermediate vitreous coating containing boron contained in said transformed layer, said coating intermediate comprising chemical compounds selected from the group consisting of silicon nitride, silicon oxynitride and a mixture of these elements, and, - an external refractory coating applied to said intermediate coating. 8.8. Un corps revêtu selon la revendication 7, dans laquelle le revêtement réfractaire est du nitrure de si 1icium. 9. ün corps revêtu selon la revendication 7, dans laquelle le revêtement réfractaire est de l'oxynitrure de silicium.A coated body according to claim 7, wherein the refractory coating is silicon nitride. 9. A coated body according to claim 7, wherein the refractory coating is silicon oxynitride. 10.10. Un corps en carbone revêtu ayant une résistance améliorée à l'oxydation à haute température comprenant: - un corps en carbone, A coated carbon body having improved resistance to high temperature oxidation comprising: - a carbon body, - ledit corps ayant une couche poreuse transformée qui a été formée en soumettant ledit corps en carbone à une action de corrosion et de réaction à de l'oxyde de - Said body having a transformed porous layer which has been formed by subjecting said carbon body to an action of corrosion and of reaction to oxide of une action de corrosion et de réaction à de l'oxyde de bore gazeux, ladite couche transformée contenant des interstices interconnectés et du carbure de bore formé par la réaction du bore avec ledit corps en carbone, - un revêtement intermédiaire formé d'une couche vitreuse contenant du bore et du silicium, cette couche étant contenue dans ladite couche transformée, ledit revêtement intermédiaire comprenant des composés chimiques sélectionnés dans le groupe comprenant du nitrure de silicium, de l'oxynitrure de silicium, et un mélange de ces éléments, et, - un revêtement réfractaire extérieur appliqué sur ledit revêtement intermédiaire. 11. ün corps revêtu selon la revendication 10, selon laquelle le revêtement réfractaire est du nitrure de silicium. 12. ün corps revêtu selon la revendication 10, dans laquelle le revêtement réfractaire est de l'oxynitrure de silicium. 13. ün procédé de fabrication d'un corps en carbone revêtu ayant une résistance améliorée à l'oxydation à des températures élevées comprenant : - se pourvoir d'un corps en carbone, - mettre ledit corps en carbone en contact avec de l'oxyde de bore à une température suffisamment élevée pour provoquer une réaction entre le corps en carbone et l'oxyde de bore pour former une couche poreuse transformée contenant des interstices interconnectés dans ledit corps, ladite couche contenant du carbure de bore, appliquer un revêtement formant une couche vitreuse sur ladite couche transformée, ledit revêtement formant une couche vitreuse comprenant des composés chimiques sélectionnés dans le groupe composé de nitrure de silicium, d'oxynitrure de silicium et d'un mélange de ces composés.a corrosion and reaction action on gaseous boron oxide, said transformed layer containing interconnected interstices and boron carbide formed by the reaction of boron with said carbon body, - an intermediate coating formed by a vitreous layer containing boron and silicon, this layer being contained in said transformed layer, said intermediate coating comprising chemical compounds selected from the group comprising silicon nitride, silicon oxynitride, and a mixture of these elements, and, - an outer refractory coating applied to said intermediate coating. 11. A coated body according to claim 10, according to which the refractory coating is silicon nitride. 12. A coated body according to claim 10, wherein the refractory coating is silicon oxynitride. 13. A method of manufacturing a coated carbon body having improved resistance to oxidation at high temperatures comprising: - providing a carbon body, - bringing said carbon body into contact with oxide of boron at a temperature high enough to cause a reaction between the carbon body and the boron oxide to form a transformed porous layer containing interstices interconnected in said body, said layer containing boron carbide, applying a coating forming a layer vitreous on said transformed layer, said coating forming a vitreous layer comprising chemical compounds selected from the group consisting of silicon nitride, silicon oxynitride and a mixture of these compounds. 14. Un procédé selon la revendication 13, dans laquelle un revêtement réfractaire extérieur est appliqué sur ledit revêtement vitreux.14. A method according to claim 13, in which an external refractory coating is applied to said vitreous coating. 15. On procédé selon la revendication 13, dans laquelle la température élevée pour provoquer la réaction est au moins d'environ 1500°C afin de produire une couche transformée ayant une profondeur entre environ 2 et 250 microns.15. The method of claim 13, wherein the elevated temperature to cause the reaction is at least about 1500 ° C to produce a transformed layer having a depth between about 2 and 250 microns. 16. Un procédé selon la revendication 13, dans laquelle ladite couche transformée a un volume vide d'environ 50% du volume d'origine occupé par la couche de carbone.16. A method according to claim 13, wherein said transformed layer has an empty volume of about 50% of the original volume occupied by the carbon layer. 17. Un procédé selon la revendication 13, dans laquelle le revêtement formant une couche vitreuse comprend un élément d'espèce primaire de formation de la couche vitreuse sélectionnée dans le bore, le carbure de bore, l'oxyde de bore, le silicium, des alliages de silicium, du dioxyde de silicium, du germanium et un mélange de ces composés.17. A method according to claim 13, in which the coating forming a vitreous layer comprises a primary species element for forming the vitreous layer selected from boron, boron carbide, boron oxide, silicon, silicon alloys, silicon dioxide, germanium and a mixture of these compounds. 18. Un procédé selon la revendication 13, dans laquelle le revêtement formant une couche vitreuse comprend également des borures et des oxydes de zirconium, aluminium, magnésium, hafnium, titane, des carbures de zirconium, hafnium, titane, des nitrures de zirconium, hafnium, titane, silicium et des mélanges de ces composés.18. A method according to claim 13, in which the coating forming a vitreous layer also comprises borides and oxides of zirconium, aluminum, magnesium, hafnium, titanium, zirconium carbides, hafnium, titanium, zirconium nitrides, hafnium , titanium, silicon and mixtures of these compounds. 19. Un procédé selon la revendication 13, dans laquelle le revêtement intermédiaire est appliqué par une technologie de dépôt de vapeur chimique.19. A method according to claim 13, in which the intermediate coating is applied by chemical vapor deposition technology. 20. Un procédé selon la revendication 13, dans laquelle le revêtement réfractaire est appliqué par une technologie de dépôt de vapeur chimique.20. A method according to claim 13, in which the refractory coating is applied by chemical vapor deposition technology. 21. Un procédé selon la revendication 13, dans laquelle le revêtement réfractaire extérieur comprend des carbures, des borures, ou nitrures de silicium, de zirconium, de tantale, de hafnium, de niobium, de titane, de borure ou nitrure d'aluminium ou de mélange de ces composés.21. A method according to claim 13, in which the outer refractory lining comprises carbides, borides, or nitrides of silicon, zirconium, tantalum, hafnium, niobium, titanium, boride or aluminum nitride or mixing these compounds. 22. Un procédé selon la revendication 13, dans laquelle le revêtement réfractaire est du nitrure de silicium.22. A method according to claim 13, wherein the refractory coating is silicon nitride. 23. Un procédé selon la revendication 13, dans laquelle le revêtement réfractaire est de l'oxynitrure de silicium.23. A method according to claim 13, wherein the refractory coating is silicon oxynitride. 24. Un procédé selon la revendication 13, dans laquelle le revêtement intermédiaire est appliqué par une technologie dite "sol-gel".24. A method according to claim 13, in which the intermediate coating is applied by a technology called "sol-gel". 25. Un procédé de fabrication d'un corps en carbone revêtu ayant une résistance améliorée à l'oxydation à des température élevées comprenant : - se pourvoir d'un corps en carbone, - mettre ledit corps en carbone en contact avec de l'oxyde de bore gazeux à une température suffisamment élevée pour provoquer une réaction entre le corps en carbone et 1'oxyde de bore pour former une couche poreuse transformée contenant des interstices interconnectés dans ledit corps, ladite couche contenant du carbure de bore, - appliquer un revêtement intermédiaire formant une couche vitreuse sur ladite couche transformée, ledit revêtement intermédiaire comprenant du silicium, ou un composé chimique comprenant du silicium, soumettre ledit corps à une atmosphère de nitruration pour transformer ledit silicium ou composé contenant du silicium en nitrure de silicium et, - appliquer un revêtement réfractaire extérieur sur ledit revêtement intermédiaire.25. A method of manufacturing a coated carbon body having improved resistance to oxidation at elevated temperatures comprising: - providing a carbon body, - bringing said carbon body into contact with oxide of gaseous boron at a temperature high enough to cause a reaction between the carbon body and the boron oxide to form a transformed porous layer containing interstices interconnected in said body, said layer containing boron carbide, - applying an intermediate coating forming a vitreous layer on said transformed layer, said intermediate coating comprising silicon, or a chemical compound comprising silicon, subjecting said body to a nitriding atmosphere to transform said silicon or compound containing silicon into silicon nitride and, - applying a outer refractory lining on said intermediate lining. 26. Un procédé selon la revendication 25, dans laquelle l'atmosphère de nitruration est choisie dans le groupe composé par les éléments N2 , NH3, N2H4/ et par un mélange de ces composés.26. A method according to claim 25, in which the nitriding atmosphere is chosen from the group composed of the elements N2, NH3, N2H4 / and by a mixture of these compounds. 27. Un procédé selon la revendication 26, dans laquelle ledit corps en carbone est soumis à une atmosphère de nitruration à une température située dans une moyenne d'environ 1350 à 1500°C.27. A method according to claim 26, wherein said carbon body is subjected to a nitriding atmosphere at a temperature of about 1350 to 1500 ° C on average. 28. Un procédé selon la revendication 27, dans laquelle l'atmosphère de nitruration contient de faibles quantités d'hydrogène.28. A process according to claim 27, wherein the nitriding atmosphere contains small amounts of hydrogen. 29. Un procédé selon la revendication 25, dans laquelle l'atmosphère de nitruration contient de l'oxygène ou un composé chimique contenant de l'oxygène pour transformer le silicium ou le composé contenant du silicium en oxynitrure de silicium.29. A method according to claim 25, in which the nitriding atmosphere contains oxygen or an oxygen-containing chemical compound to transform the silicon or the silicon-containing compound into silicon oxynitride. 30. Un procédé selon la revendication 29, dans laquelle le composé contenant de l'oxygène est H20 ou C0/C0230. A method according to claim 29, wherein the oxygen-containing compound is H20 or C0 / C02
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114605173A (en) * 2022-04-18 2022-06-10 中南大学 Ablation-resistant and thermal shock-resistant zirconium silicate-high-alumina glass/HTBS high-entropy ceramic coating and preparation method and application thereof

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