NO145468B

NO145468B - Fremgangsmaate for aa nedsette tilboeyeligheten for en siliciumbasert keramisk komposittgjenstand til aa reagere med metalliske overflater ved forhoeyet temperatur

Info

Publication number: NO145468B
Application number: NO774206A
Authority: NO
Inventors: Richard Lloyd Mehan; Charles Robert Morelock
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1976-12-09
Filing date: 1977-12-08
Publication date: 1981-12-21
Also published as: DE2754460A1; NL185662B; JPS5372023A; US4109050A; NO774206L; FR2373501B1; GB1556974A; NO145468C; JPS6119595B2; FR2373501A1; IT1088695B; NL7713109A; NL185662C; DE2754460C2

Description

Oppfinnelsen angår siliciumbaserte keramiske komposittgjen-stander med nedsatt tilbøyelighet til dannelse av metalliske silicider når de anvendes i kontakt med en metallisk overflate ved forhøyet temperatur.

Før den foreliggende oppfinnelse har, som beskrevet av

R.L. Methan og D.W. McKee, Interaction of Metals and Alloys with Silicon-Based Ceramics, Journal of Materials Science II (1976) 1009-1018, siliciumbaserte keramiske materialer vist seg kjemisk å reagere med en rekke metaller og legeringer ved en temperatur av ca. 1000°C i luft. Blant reaksjonsproduktene er silicider, silikater og carbider. Betydningen ved den oppdagelse som Mehan og medarbeidere gjorde, er at når et siliciumbasert keramisk materiale, f.eks. en siliciumcarbid-siliciumgrunnmassekompositt som beskrevet i US patentsøknad nr. 572969, innlevert 30. april 1975, anvendes i form av en turbinskovl eller flymotorblad kan denne innvirke på bruksegenskapene for gassturbinen eller flymotoren på grunn av dannelse av metalliske silicider når det siliciumbaserte keramiske materiale kommer i kontakt med et høykvalitetsmetall eller en høykvalitetsmetallegering ved for-

høyet temperatur. Det vil derfor være ønskelig å nedsette slike siliciumbaserte keramiske materialers tilbøyelighet til å

reagere med metalliske overflater ved forhøyede temperaturer.

Den foreliggende oppfinnelse er basert på den erkjennelse at et siliciumbasert keramisk materiale med nedsatt tilbøyelighet til å reagere med metalliske overflater ved forhøyede temperaturer kan fremstilles dersom det siliciumbaserte keramiske materiales overflate etses for å fjerne overflatesilicium inntil en dybde av minst ca.' 0,0254 mm og fordypningen i det etsede keramiske materiale derefter fylles med en blanding av uorganiske oxyder, bestående av en blanding av aluminiumoxyd og siliciumoxyd, som brennes for er-.holdelse av et keramisk overflatemateriale som i det vesentlige erstatter det silicium som ble fjernet fra det keramiske materiale under etsetrinnet.

Oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte for å nedsette tilbøyeligheten for en siliciumbasert, fortrinnsvis formet, keramisk komposittgjenstand, fortrinnsvis i form av en gassturbinvangeseksjon, en flymotorvangeseksjon eller et gassturbinovergangsstykke, til å reagere med en metallisk overflate ved forhøyede temperaturer under dannelse av metallsilicider, og fremgangsmåten er særpreget ved de trinn at

Cl) overflaten av den siliciumbaserte keramiske kompositt etses

for å fjerne overflatesilicium,

(2) det som er blitt fjernet ved etsingen av den siliciumbaserte, keramiske kompositt i trinn (1) erstattes i det vesentlige med en uorganisk oxydblanding bestående av en blanding av aluminiumoxyd og siliciumoxyd, og (3) den siliciumbaserte, keramiske kompositt fra trinn (2) brennes til en temperatur av fra 1250°C til 1400°C slik at den uorganiske oxydblanding omvandles til et vedheftende keramisk belegg.

Blant de siliciumbaserte keramiske materialer som kan behandles ved den foreliggende fremgangsmåte, kan som eksempler nevnes de siliciumcarbid-siliciumgrunnmassekompositter som er beskrevet i US patentsøknad nr. 572969, innlevert 30. april 1975, og i US patentsøknad nr. 660261, innlevert 23. februar 1976. Ytterligere siliciumbaserte keramiske kompositter som kan behandles ved den foreliggende fremgangsmåte, er f.eks. siliciumcarbidkompositter som beskrevet i US patentskrift nr. 3459842 og i US patentskrift nr. 2431327.

De blandinger av uorganiske oxyder som kan anvendes for å be-handle den etsede overflate til de heri beskrevne siliciumbaserte, keramiske kompositter, er blandinger av aluminiumoxyd og siliciumoxyd, som kyanitt, kuleleire og kaolin. Blandingen av de uorganiske oxyder kan anvendes som en pasta når den er blandet med Ald^PO^)^» H20' etc. Etsende, oppløsninger som kan anvendes, er f.eks. blandinger av flussyre og salpetersyre.

Ved utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte behandles det siliciumbaserte keramiske materiale med et etsemiddel for å fjerne fortrinnsvis 0,025-0,250 imi overflatesilicium fra det siliciumbaserte keramiske materiale. Efter at etsemidlet er blitt skylt bort fra overflaten av det siliciumbaserte keramiske materiale, kan dette behandles med blandingen av de uorganiske oxyder, og det erholdte siliciumbaserte keramiske materiale brennes for å omvandle det uorganiske oxyd til et vedheftende keramisk belegg.

Det .siliciumbaserte keramiske materiale kan etses ved hjelp av forskjellige standardmetoder, som neddypping, påstryking og påsprøyting etc, med et egnet etsemiddel som nærmere presisert ovenfor. Avhengig av etsemidlets type og av den dybde som over-flatesiliciumet skal fjernes i fra det siliciumbaserte keramiske materiale, kan behandlingstiden for det siliciumbaserte keramiske materiale med etsemidlet variere sterkt, som fra noen få minutter eller kortere til flere timer eller lengre. Efter at en tilstrek-kelig siliciummengde er blitt fjernet fra overflaten av det siliciumbaserte keramiske materiale, kan etsemidlet skylles bort fra dette. Det siliciumbaserte keramiske materiale behandles derefter med blandingen av uorganiske oxyder som i form av en pasta kan påføres med en innretning, eller den sprøytes eller males på etc. Avhengig av den ønskede spesifikasjon for det siliciumbaserte keramiske materiale kan et overskudd av blandingen av de uorganiske oxyder fjernes ved hjelp av standardmetoder, som børsting etc, inntil den ønskede overflatetykkelse er blitt oppnådd. Det siliciumbaserte keramiske materiale brennes derefter ved en temperatur av 1250-1400°C for å omvandle det uorganiske overflateoxyd til en vedheftende emalje eller et glatt belegg som i det vesentlige ligner på det opprinne-lige siliciumbaserte keramiske materiale før dette ble etset. Ef ter brenningen kan imidlertid farven til overflaten av det. siliciumbaserte keramiske materiale variere sterkt i avhengighet av sammen-setningen for den anvendte blanding av uorganiske oxyder.

De siliciumbaserte keramiske kompositter og fortrinnsvis siliciumcarbid-siliciumgrunnmassekomposittene som kan behandles ved den foreliggende fremgangsmåte, kan anvendes for en rekke forskjellige formål, som turbinskovler, flymotorblader og avslipbare belegg i form av roterende pakninger etc.

I det nedenstående eksempel er alle deler basert på vekt.

Eksempel 1

En carbonfiberpreform ble fremstilt fra WCA-carbonduk med

lav modul under anvendelse av en vandig, kolloidal suspensjon av

grafitt som bindemiddel. Fiberens egenvekt var ca. 1,38-1,48 g/cm , og den samlede vekt av fibrene i preformen efter at denne var blitt maskinert til en skive med en diameter på 6,35 cm, var ca. 11 g.

En form med en diameter på 7,62 cm ble maskinert ut av grafitt av typen Speei®580 og hadde et formhulrom på ca. 6,35 cm og en tykkelse på 1,07 cm. Fire infiltreringshull med en diameter på 0,318cm ble boret ut i den øvre halvdel av formen, og luftehull med en diameter på 0,318 cm ble boret ut i formens nedre halvdel. Carbon-fiberveker i form av et tau av typen WYK ble ført inn i infiltrer-ingshullene og stakk 0,318 cm ut fra toppen av formen. Den inn-vendige overflate av formen ble behandlet med et bornitridpulver i form av en aerosoldusj.

Carbonfiberpreformen ble derefter anbragt i formen, og denne ble anbragt i en støtteanordning laget av grafitt som selges under handelsnavnet "Armco Speer 580" og som var blitt presisjons-maskinert til spesifikasjonene for formen. En charge med pulver-formig silicium ble derefter helt på toppen av formens overflate. For å anslå siliciummengden ble opp til ca. et 15% overskudd anvendt av den siliciummengde som var nødvendig for å fylle formhul-rommet i smeltet tilstand.

Formen og støtteinnretningen ble derefter anbragt i en ovn som ble holdt under et vakuum på ca. 1 x 10 torr. Et trykk av fra 1 x 10 torr til 3 torr var også brukbart. Ovnen ble holdt ved en temperatur av ca. 1600°C. Det viste seg at siliciumpulveret ble omvandlet til smeltet silicium i løpet av ca. 15 minutter, og det fikk lov til å infiltrere preformsn av carbonfiber. Efter av-kjøling til værelsetemperatur ble formen og støtteinnretningen fjernet fra ovnen og avkjølt under atmosfæriske betingelser. Formen ble derefter åpnet, og en skive ble erholdt som innenfor 0,2% av fbrmhulrommets dimensjoner overensstemte med dette. Avhengig av fremstillingsmetoden var skiven et keramisk siliciumcarbid-siliciummateriale med ca. 16 vekt% carbon i kjemisk bundet form, eller en blanding av kjemisk bundet carbon og elementært carbon og ca. 84 vekt% silicium.

Den ovennevnte skive av siliciumcarbid-siliciumgrunnmassekompositt anbringes i en digel på et flatt stykke av en nikkel-basert legering som betegnes som Haynes^718 . Siliciumkompositt-skiven og metallstrimmelen anbringes derefter i en ovn og oppvarmes derefter til 1150°C under atmosfæriske betingelser. Efter 150 timer fjernes den keramiske siliciumskive og metallstrimmelen fra ovnen og avkjøles til værelsetemperatur. Metallstrimmelens overflate undersøkes derefter nøyaktig under et optisk mikroskop. Det bemerkes at en siliciderende reaksjon har funnet sted på metallstrimmelens overflate tilkjennegitt ved en ru overflate og en rekke kratere som antyder omsetning med metallisk silicium. En fagmann vil vite at dersom en siliciumcarbid- siliciumgrunnmassekompositt var blitt anvendt som del i et kraftgenererende apparat, som et flymotorblad, og denne keramiske del hadde befunnet seg i kon-tinuerlig kontakt med et høykvalitetsmetall, som en krom- og nikkel-holdig legering, ville en slik metalldels overflate ha kunnet på-virkes uheldig og eventuelt ha ført til svikt av konstruksjonen.

En annen siliciumcarbid-siliciumgrunnmassekomposittskive ble fremstilt ved anvendelse av den ovenfor beskrevne fremgangsmåte

og ble påstrøket et etsemiddel i form av en blanding av fluss-syre og salpetersyre. Efter at etsemidlet hadde vært i kontakt med den på silicium baserte keramiske skive i 15 sekunder, ble den behandlede keramiske skive vasket med vann for å fjerne etsemidlet. En undersøkelse av den etsede overflate av den keramiske skive viste at etsemidlet hadde fjernet gjennomsnittlig 0,102 mm silicium fra overflaten. En pasta bestående av "Mullite", en blanding av aluminiumoxyd og siliciumoxyd og aluminiumhypofosfat ble jevnt påført på den etsede overflate av den keramiske siliciumskive under anvendelse av en s<p>atel. Tykkelsen av den påførte pasta var tilnærmet ekvivalent med tykkelsen av det lag som ble f jernet, ved innvirkningen av etsemidlet. Den behandlede keramiske skive ble derefter anbragt i en ovn og oppvarmet i 15 timer ved 1250°C under atmosfæriske betingelser. Den keramiske skive ble derefter avkjølt. Det viste seg at den uorganiske oxydpasta var blitt omdannet til en jevn glasur over overflaten av den keramiske siliciumskive.

Fremgangsmåten ble gjentatt hva gjaldt å anbringe siliciumcarbid-siliciumgrunnmassekomposittskiven på toppen av en metall-strimmel av nikkel/kromlegering, men med den unntagelse at det keramiske materiale ble anbragt på metallstrimmelen slik at overflaten av det uorganiske belegg som var blitt brent på overflaten av det keramiske siliciummateriale, kom i kontakt med strimmelen av metallegering. Efter at det keramiske siliciummateriale var blitt oppvarmet i kontakt med metallstrimmelen i samme tid og under de samme betingelser, ble det avkjølt. En undersøkelse av metallstrimmelen viste at den var fri for enhver overflatereak-

sjon med den keramiske siliciumskive. Dette antyder at behand-

lingen av den siliciumbaserte keramiske skive med det brente uorganiske oxydbelegg nedsetter den keramiske s^liciumskives til-bøyelighet til å reagere med legeringen Haynes 715 ved en temperatur av 1000°C eller derover efter 150 timer.

Selv om det ovenstående eksempel bare angår noen få av de

mange variable som kan anvendes ved utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte, vil det forstås at det ved oppfinnelsen kan anvendes en langt videre gruppe av siliciumbaserte keramiske kompositter eller uorganiske oxydblandinger etc. som er angitt i beskrivelsen foran dette eksempel.

Claims

1. Fremgangsmåte for å nedsette tilbøyeligheten for en siliciumbasert, fortrinnsvis formet, keramisk komposittgjenstand, fortrinnsvis i form av en gassturbinvangeseksjon, en flymotorvangeseksjon eller et gassturbinovergangsstykke, til å reagere med en metallisk overflate ved forhøyede temperaturer under dannelse av metallsilicider, karakterisert ved de trinn at

(1) overflaten av den siliciumbaserte keramiske kompositt etses for å fjerne overflatesilicium,

(2) det som er blitt fjernet ved etsingen av den siliciumbaserte, keramiske kompositt i trinn (1) erstattes i det vesentlige med en uorganisk oxydblanding bestående av en blanding av aluminiumoxyd og siliciumoxyd, og

(3) den siliciumbaserte, keramiske kompositt fra trinn (2) ° o brennes til en temperatur av fra 1250 C til 1400 C slik at den uorganiske oxydblanding omvandles til et vedheftende keramisk belegg.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som etsemiddel anvendes en blanding av flussyre og salpetersyre.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den siliciumbaserte keramiske kompositt etses for å fjerne minst 0,025-0,250 mm overflatesilicium som derefter erstattes med den uorganiske oxydblanding i en slik mengde at det efter brenningen fås et vedheftende, keramisk uorganisk oxydbelegg med en tykkelse som i det vesentlige svarer til den fjernede tykkelse av overflatesilicium.