NO167508B - Oksydasjonsresistent karbongjenstand og fremgangsmaate tilfremstilling derav. - Google Patents
Oksydasjonsresistent karbongjenstand og fremgangsmaate tilfremstilling derav. Download PDFInfo
- Publication number
- NO167508B NO167508B NO853728A NO853728A NO167508B NO 167508 B NO167508 B NO 167508B NO 853728 A NO853728 A NO 853728A NO 853728 A NO853728 A NO 853728A NO 167508 B NO167508 B NO 167508B
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- silicon
- carbon
- boron
- oxidation
- boron oxide
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 76
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims description 71
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 26
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 39
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 39
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 38
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 31
- JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N diboron trioxide Chemical compound O=BOB=O JKWMSGQKBLHBQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 229910052810 boron oxide Inorganic materials 0.000 claims description 29
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 27
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 27
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 24
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 16
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 11
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 10
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 10
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 10
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 9
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 8
- FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N trichloroborane Chemical compound ClB(Cl)Cl FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 4
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 4
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 4
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- -1 boron halide Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims 2
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims 1
- 239000008246 gaseous mixture Substances 0.000 claims 1
- 229910052845 zircon Inorganic materials 0.000 claims 1
- GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N zirconium(iv) silicate Chemical compound [Zr+4].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 14
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 13
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 8
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 238000007739 conversion coating Methods 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 4
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 229910001507 metal halide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000005309 metal halides Chemical class 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 2
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 description 2
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical group CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003074 TiCl4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000000075 oxide glass Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J titanium tetrachloride Chemical compound Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
- C04B41/91—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics involving the removal of part of the materials of the treated articles, e.g. etching
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Description
Foreliggende oppfinnelse vedrører oksydasjonsresistente karbongjenstander og en fremgangsmåte til fremstilling av en karbongjenstand med forbedret oksydasjonsresistens.
Anvendelsen av karbongjenstander med monolittisk eller kompositt-konstruksjon er vanlig der hvor høye temperaturer (f.eks. 1400'C eller mer) anvendes. F.eks. anvendes både monolittisk grafitt og karbon-komposittgjenstander i slike anvendelser som pumpeskovlhJul for håndtering av smeltet metall, elektroder i elektrotermiske prosesser, og i mange anvendelser innen luftfartsindustrien.
Ved temperaturer over 500°C kan karbongjenstander eroderes eller forringes strukturelt i en oksyderende atmosfære. Følgelig finnes innen tidligere teknikk tallrike forsøk på å danne belegg på karbongjenstander for å tilveiebringe oksydasjonsresistens.
Det finnes flere vesentlige problemer i forbindelse med slike belegg. Ett er å tilveiebringe tilstrekkelig vedheng til karbongjenstanden. Karbongjenstander vil, avhengig av forløpermaterialene hvorfra de er fremstilt og avhengig av grafittiseringsgraden, ha svært forskjellige termiske utvidelseskoeffisienter. Den termiske utvidelseskoeffisienten kan være svært forskjellig fra koeffisienten for belegget, dette forårsaker problemer enten i bearbeidelsen eller ved den senere anvendelsen av gjenstanden. F.eks. vil resulterende spenninger ofte forårsake oppsprekking i belegget, derved tillates oksydasjonsangrep. Et annet problem oppstår ved belegging av karbongjenstander som ikke er fullstendig tette. Overflateporøsitet kan forårsake små hull i belegget som medfører dårlig beskyttelsesevne. Til sist kan mekanisk vibrasjon, påførte spenninger, eller nedbrytning av rester forårsake oppsprekking av sprøe beskyttende lag.
Forsøk på å overvinne de ovenfor omtalte problemene har innbefattet tilveiebringelse av såkalte konversjonsbelegg. Disse beleggene innbefatter typisk at karbongjenstanden belegges med et diffusjonslag for å tilveiebringe en gradient i termisk utvidelseskoeffisient fra karbonglenstanden til det ytre oksydasjonsresistente belegget. Tidligere kjente konversjonsbelegg er imidlertid ofte vanskelige og dyre å oppnå, og vil i noen tilfeller ikke tilveiebringe tilfredsstillende resultater under ekstreme forhold, som f.eks. ved svært høye temperaturer eller termiske svingninger, eller langvarig drift ved høy temperatur. Sprekker kan dannes i slike belegg, slik at oksygen får reagere med den underlig-gende karbongjenstanden.
For å unngå oksydasjon gjennom sprekker dannet i et beskyttende belegg har noen beskyttelsessystemer anvendt et forseglingsmateriale til å fylle sprekkene. Den termiske dekomponeringen av tetraetylortosilikat danner S102 som vil virke som et oksydasjonsresistent forsegllngsmlddel i sprekkene. De selv-helende egenskapene for tidligere kjente belegg har imidlertid begrenset effektivitet, spesielt der hvor bredden av sprekkene er relativt stor.
Et forbedret, oksydasjonsresistent belegg for karbongjenstander er beskrevet i U.S. patentsøknad nr. 416,628 hvor et belegg av silisiumlegering avsettes termokjemisk på en karbongjenstand i form av silisiumkarbid, silisiumnitrid, silisiumoksynitrid, eller en slalon. Legeringsbelegget har en fordeling av ikke-søyleformede korn med i det vesentlige ekviaksiale korn med en gjennomsnittlig diameter på mindre enn én pm. Mengden silisium i legeringsbelegget foreligger i overskudd sammenliknet med den støkiometriske mengden, hvor overskuddet er tilstrekkelig til å gi sprekkhelende egenskaper ved temperaturer hvor oksydasjonsbeskyttelse av karbon er påkrevet.
Oksydasjonsreslstensen som tilveiebringes av belegget beskrevet i den ovenfor nevnte U.S. patentsøknaden tilveiebringer betydelige og overlegne egenskaper sammenliknet med mange av beleggene Ifølge tidligere kjent teknikk. Under noen forhold, spesielt der hvor sterke temperatursvingninger finner sted, kan imidlertid oksydasjonsresistensen som tilveiebringes av et slikt belegg være utilstrekkelig. Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe oksydasjonsresistente karbongjenstander.
Et annet formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte til fremstilling av en oksydasjonsresistent karbongjenstand, som tilveiebringer en svært høy grad av oksydasjonsbeskyttelse selv ved sterke temperatursvingninger.
Ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en oksydasjonsresistent karbongjenstand som er kjennetegnet ved at den innbefatter et legeme av karbon hvor det i overflaten er tilveiebragt et ikke-uniformt, etset lag med fylte hulrom som strekker seg til en forhåndsbestemt dybde i legemet, hvor laget i det vesentlige innbefatter silisium, bor og karbon og er i det vesentlige fritt for boroksyd.
Videre tilveiebringes ifølge oppfinnelsen en fremgangsmåte for fremstilling av en oksydasjonsresistent karbongjenstand som er kjennetegnet ved at den innbefatter oppvarming av en karbongjenstand til en temperatur på minst 1500<*>C, karbongjenstanden bringes i kontakt med gassformig boroksyd, slik at overflaten av karbongjenstanden etses til en forhåndsbestemt dybde under dannelsen av hulrom i gjenstanden som innbefatter et betydelig hulromvolum på opp til 5056 av volumet, som opprinnelig utgjorde karbongjenstanden i den forhåndsbestemte dybden, og hulrommene i karbongjenstanden fylles med silisium eller silisiumlegering, slik at hulrom-volumet i det vesentlige elimineres.
Nærmere bestemt kan gjenstanden av karbonmaterialet, som den belagte gjenstanden utgjøres av, være en hvilken som helst av et antall egnede strukturelle former av karbon. Slike former kan innbefatte monolittisk grafitt, en kompositt av karbonfibrer og karbonmatriks, delvis eller fullstendig grafittisert, eller en hvilken som helst annen egnet form av karbon. Strukturen kan f.eks. være en turbindel, et pumpeskovlhjul, en vingekant på et romfartøy, eller en komponent i en rakettmotor. I ethvert tilfelle er belegget som oppnås ifølge foreliggende oppfinnelse spesielt fordelaktig der hvor grafittgjenstanden underkastes oksydasjon dersom den ikke beskyttes.
Gassformig boroksyd (B2O3) bringes i kontakt med overflaten av karbongjenstanden. Karbongjenstanden er på forhånd brakt til en temperatur på minst 1500°C. Den foretrukne temperaturen er 1600-1750"C. Høyere temperaturer er tilfredsstillende, men er ikke påkrevet. For å opprettholde boroksydet på gassform er det foretrukket at karbongjenstanden er plassert i et evakuert reaksjonskammer. Boroksydet føres gjennom reaksjonskammeret som en gasstrøm over den oppvarmede overflaten av karbongjenstanden. Boroksydgassen kan fremstilles ved å oppvarme fast materiale i en digel via den flytende tilstanden til damptilstanden, eller den kan fremstilles ved hjelp av en egnet gassreaksjon som f.eks. i en blanding av bortriklorid med en gassformig oksygenkilde, som f.eks. damp, eller en blanding av karbondioksyd og hydrogen. Slike blandinger vil, når de føres over den oppvarmede delen, reagere slik at det ønskede boroksydet dannes.
Boroksydet foreligger typisk i form av B2O3, men kan ved høyere temperaturer dekomponere delvis til B2O2 og oksygen. Boroksydet reagerer på overflaten av karbongjenstanden ved å etse overflaten i overensstemmelse med følgende reaksjons-lignlng:
Etseprosessen danner hulrom i overflaten av karbongjenstanden, disse strekker seg til en dybde som bestemmes av det tidsrommet boroksydet tillates å være i kontakt med karbongjenstanden. De uetsede delene av karbongjenstanden i hulrommene består generelt av borkarbid (B4C). Følgelig dannes det et porøst lag som, dersom reaksjonen får forløpe fullstendig, generelt danner et hulrom-volum på ca. 5056 av det volumet som opprinnelig utgjøres av karbongjenstanden. Dersom etsingen med boroksyd får forløpe i tilstrekkelig tid, og dersom en tilstrekkelig mengde reaktanter tilveiebringes, kan det etsede laget strekke seg til en hvilken som helst ønsket dybde, også gjennom hele karbonstrukturen. I en komposittgjenstand av karbon omsettes fortrinnsvis matriks-materialet før fibrene.
Fagmannen vil se at reaksjonsligningen angitt ovenfor ligner på den velkjente og meget anvendte prosessen for konversjonsbelegging av silisiumkarbid, som uttrykkes som følger:
I tilfellet med reaksjonen ovenfor er imidlertid volumet som opptas av silisiumkarbidet som dannes ved reaksjonen i overflaten av karbongjenstanden, bare litt mindre enn volumet som opptas av den opprinnelige karbongjenstanden. Følgelig finner betydelig etsing av overflaten av karbongjenstanden ikke sted. På den annen side, i tilfellet med boroksyd, finner som nevnt ovenfor betydelig etsing sted. Reaksjonen med anvendelse av boroksyd ifølge foreliggende oppfinnelse er også langt raskere enn den meget langsomme diffusjonen av bor og karbon ifølge de tidligere kjente bordiffusjonsprosessene.
Dannelsen av det porøse laget som et resultat av etsingen med boroksyd ved foreliggende oppfinnelse, kan av fagmannen ventes å være ufordelaktig. Ikke bare nedbrytes overflaten av karbongjenstanden, men den totale styrken av karbongjenstanden reduseres også. Imidlertid foretas et ytterligere trinn ved foreliggende oppfinnelse for å oppheve slike åpenbare ulemper.
Ifølge oppfinnelsen fylles det porøse laget i karbongjenstanden med silisium eller en sllislumlegerlng, slik at silisiumet eller silisiumlegeringen opptar i det vesentlige alle hulrommene som etterlates som et resultat av etsingen med boroksyd. Følgelig elimineres i det vesentlige hulrom-volumet som dannes ved etsingen, og volumet av karbongjenstanden i det etsede laget rekonstitueres. Ved å gjenopprette den strukturelle helheten av karbongjenstanden har det resulterende produktet i det vesentlige de sammme egenskapene som den opprinnelige karbongjenstanden. Imidlertid tilveiebringer laget av silisium eller silisiumlegering en høy grad av oksydasjonsreslstens.
For å fylle hulrommene som beskrevet ovenfor er flere fremgangsmåter tilgjengelige. Silisium kan avsettes på overflaten av den etsede karbongjenstanden ved en temperatur som er høyere enn smeltepunktet for silisium, eller silisiumet kan avsettes ved en temperatur som ligger under smeltepunktet, og temperaturen deretter heves til over smeltepunktet. I ethvert tilfelle vil silisium, ved temperaturer over smeltepunktet, veketransporteres inn i den porøse overflaten. Dette gjendanner en fullstendig tett overflate av en ønsket sammensetning. Avsetningsfremgangsmåtene kan velges etter ønske og innbefatter fordampning, ionebelegging, katodeforstøvning og kjemisk dampavsetning (CVD). Den siste fremgangsmåten er foretrukket.
Når de slik er fylte, vil silisiumet i hulrommene reagere med borkarbidet ved overflaten av hulrommene, som er etterlatt ved reaksjonen mellom karbon og boroksydetse-middelet. Reaksjonen mellom silisium og borkarbid kan enklest beskrives som:
Der hvor CVD benyttes til å avsette silisium viser røntgen-diffraksjonsresultater at enkelt S1B4 i virkeligheten ikke dannes, men en liknende og mer kompleks forbindelse oppstår, nemlig B4(SI,B,C)H. Dette skyldes trolig det faktum at det under den kjemiske dampavsetningen av silisium benyttes en hydrogenatmosfære.
Alternativt til elementært silisium kan silisium legeres med ett eller flere andre nyttige elementer som f.eks. krom, aluminium, titan, zirkonium, hafnium, vanadium, niob, tantal, wolfram og molybden. Disse elementene kan tilveiebringes i hulrommene sammen med silisiumet ved egnede avsetnings-teknikker som beskrevet ovenfor, eller kan innføres på et senere tidspunkt ved en utvekslingsreaksjon. Det frie eller bundede silisiumet delvis kan utveksles med et av de ovenfor nevnte elementene, ifølge reaksjoner svarende til en av reaksjonene for titan, som kan uttrykkes på følgende måte: TiCl4(g) + 3Si(s) -» TISi2(s) <+> SlCl4(<g>);
eller
2TiCl4(g) + SIC(s) + SlB4(s) + 1/2C -» 2SIC14 + TIC + TiB2 + 1/2B4C.
Omfanget av beskyttelsen som tilveiebringes ved diffusjons-laget fremstilt som beskrevet ovenfor kan, for mange anvendelser, være tilfredsstillende. Imidlertid kan ytterligere beskyttelse være ønskelig. I slike tilfeller kan det påføres et ytre belegg av silisiumkarbid, med eller uten et mellomlag av bor eller en borholdig forbindelse. Tilveie-bringelsen av silke ytre belegg er beskrevet innen tidligere kjent teknikk, innbefattet den tidligere nevnte U.S. patentsøkand nr. 416,628, og kan fremstilles ved kjemisk dampavsetning.
De følgende eksemplene er gitt for mer spesifikt å illustrere noen av de måtene hvorpå foreliggende oppfinnelse kan anvendes.
Eksempel 1.
Et "T-300 Avco Systems" substrat ble oppvarmet til en temperatur på 1650°C med strømnningshastigheter av argon og B2O3 på henholdsvis 2030 cm<»>/min. og 30 cm<5>/min.. Etsetiden var 60 minutter som resulterte i en dybde på ca. 0,127 mm ved 5056 hulrom-volum. Deretter ble det etablert en strøm av S1C14 på 925 cm<5>/min., nitrogen på 10.000 cm<5>/min. og hydrogen på 20.000 cm<5>/min.. Temperaturen av delen ble redusert til 1280°C og strømmen ble fortsatt i 20 minutter. En dybde av silisiumavsetning på 0,107 mm resulterte på overflaten av substratet. Substratet ble deretter oppvarmet til like under smeltepunktet for silisium, slik at silisluir ble veketransportert inn i hulrommene og fylte disse. Oppvarming til 1371°C i luft viste utmerket beskyttelse for grafittsubstratet.
Eksempel 2.
Et substratmaterial av karbonkompositt bestående av "T-300" tilgjengelig fra Avco Systems, ble plassert i en kjemish dampavsetningsreaktor og oppvarmet til en temperatur mellon 1700°C og 1750°C. En strøm av argon på 2030 cm' /min. og er strøm av B203~gass ved en hastighet på 10 cm<5>/min. ble etablert. Strømmen ble fortsatt i et tidsrom på 60 minutter og resulterte 1 en etsing til et hulrom-volum på ca. 50% i en dybde på ca. 0,076 mm. Deretter ble en avsetning av sillsiun dannet på substratet ved en substrattemperatur på 1175°C og et trykk på 250 torr ved å benytte en strøm av S1C14 på 924 cm<5>/min., nitrogen ved 10.000 cm<5>/min. og hydrogen ved 20.00C cm<5>/min.. Den. resulterende CVD-avsetningen ble oppvarmet over smeltepunktet og fylte i det vesentlige hulrom-volumet i det tidligere etsede substratet. Et ytre belegg a\ silisiumkarbid! ble deretter påført over et mellomlag av bor (se eksempel 8). Avsetningen viste svært høy oksydasjonsresistens ved temperatursvingningsforsøk til en maksimal temperatur på 1371°C i luft, og viste mindre enn 1% vekttap i løpet av 24 timer.
Eksempel 3.
Boroksyd (B203)-gass kan fremstilles ved å plassere fast boroksyd i en digel, fortrinnsvis over delen, og oppvarme det faste materialet i digelen, slik at boroksydet smeltes og deretter fordampes. Dampen strømmer deretter ned over delen sammen med en argon bærergass, slik at overflate-etsingen dannes.
Eksempel 4.
Som et alternativ til fordampning av boroksyd kan hydrogen eller argongass mettes med vanndamp ved å boble den oppvarmede gassen gjennom vann. Ved et trykk på 40 torr og ved romtemperatur er resultatet en bærergass hvor det er like store molare volumer av vann og hydrogen eller argon. En strøm av borklorid eller annet halogenid av bor kan så innføres i kammeret i et forhold til bærergassen på ca. 1:3. Ved en substrat-temperatur på 1600°C vil substratoverflaten bli etset og omvandlet til B4C i løpet av flere timer til en dybde på noen tiendedels millimeter med et hulrom-volum på ca. 50S6. En dypere etsedybde kan oppnås ved høyere substrat-temperaturer.
Ekesmpel 5.
Som et alternativ til det foregående eksempelet kan borklorid (BCI3) blandes med karbondioksyd og hydrogen i like deler med et forhold mellom karbondioksyd-hydrogenblanding og borklorid på ca. 3:1. Ved en substrat-temperatur på 1600°C etses overflaten av substratet til et hulrom-volum på ca. 5056 og omvandles til B4C. Etsehastigheten er betydelig lavere enn hastigheten i det foregående eksempelet på grunn av nærværet av store mengder karbonmonoksyd som dannes ved reaksjonen.
Eksempel 6.
Ved avsetning av silisiumfyllstoff-belegg på delen etter etsetrinnet kan ett eller flere flyktige halogenider av krom, aluminium, titan, zirkonium, hafnium, eller vanadium tilsettes til silisiumhalogenid-hydrogenblandingen i gasstrømmen. Siden metallene avsettes senere enn silisium vil den resulterende avsetningen inneholder små andeler av disse metallene i forhold til silisium. Betingelsene hvorunder slike avsetninger kan oppnås tilsvarer betingelsene i eksemplene ovenfor, og kan foregå ved konvensjonelle dampavsetningsfremgangsmåter.
Eksempel 7.
Som et alternativ til det foregående eksempelet kan silisiumbelegget legeres ved avsetning av silisium og etterfølgende fremstilling av en strøm av hydrogen og et metall-halogenid eller argon og et metall-halogenid fra gruppen angitt i eksempel 6. Argon og et metall-halogenid av niob, tantal, wolfram eller molybden kan også benyttes ved eller under smeltetemperaturen for silisium. Et diffusjonsbelegg av metallet vil resultere i silisium-avsetningen.
Eksempel 8.
Et ytre belegg av silisiumkarbid kan påføres på gjenstanden for ytterligere beskyttelse. Det ytre belegget kan fremstilles med et mellomlag av bor. Fremgangsmåter for å oppnå dette er angitt i U.S. patentsøknad nr. 416,628, som innbefattes heri som referanse.
Det fremgår følgelig at oppfinnelsen tilveiebringer en forbedret fremgangsmåte for tilveiebringelse av oksydasjonsresistens i en karbongjenstand, og følgelig en forbedret karbongjenstand som et resultat. Borkarbidkonversjons-belegget fremstilt ved boroksydetsingen tillater så dyp penetrering i karbongjenstanden som ønsket. Dyp penetrering forbedrer oksydasjonsresistensen, selv om man da muligens vil måtte godta en viss reduksjon i styrke- og sprøhets-egenskapene for den belagte gjenstanden. Den åpne strukturen som tilveiebringes ved boroksydetsingen tillater dyp penetrering med et antall nyttige legerende spesies. De smeltede spesles kan Innføres 1 hulrommene på en rekke forskjellige måter som f.eks. ved avsetning av et faststoff etterfulgt av oppvarming slik at veketransport forårsakes, eller ved avsetning av den smeltede fasen. Alternativt tillater den åpne strukturen direkte inntrengning ved kjemiske dampavsetningsteknikker. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen tillater mange valgmuligheter når det gjelder å tilveiebringe et system for tilpasning av forskjeller i termisk utvidelseskoeffisient mellom karbongjenstanden og de ønskede beleggene. Dette gjør det mulig å sikre godt vedheng og strukturell helhet. Borkarbid-konversjonsbelegget, slik det her er modifisert, tillater innføring av en betydelig mengde av spesles i det beskyttende systemet som danner lavt smeltende oksydglass som heler sprekker, brister og defekter som skyldes skade på belegget ved bruk.
Claims (5)
- Oksydasjonsresistent karbongjenstand, karakterisert ved at den innbefatter et legeme av karbon hvor det I overflaten er tilveiebrakt et ikke-uniformt, etset lag med fylte hulrom som strekker seg til en forhåndsbestemt dybde i. legemet, hvor laget i det vesentlige innbefatter silisium, bor og karbon og er i det vesentlige fritt for boroksyd.
- 2. Oksydasjonsresistent karbongjenstand ifølge krav 1,karakterisert ved at laget innbefatter, i form av karbid eller borid, ett eller flere elementer valgt fra gruppen bestående av krom, aluminium, titan, zirkonium, hafnium, vanadium, niob, tantal, wolfram og molybden.
- 3. Oksydasjonsresistent karbongjenstand ifølge krav 1,karakterisert ved at det er inkludert et ytre belegg som innbefatter silisiumkarbid.
- 4. Oksydasjonsresistent karbongjenstand ifølge krav 3,karakterisert ved at det er tilveiebrakt et mellomlag som inneholder bor mellom det ytre silisium-karbidlaget og resten av den oksydasjonsresistente karbongjenstanden.
- 5. Fremgangsmåte til fremstilling av en oksydasjonsresistent karbongjenstand, karakterisert ved at den innbefatter oppvarming av en karbongjenstand til en temperatur på minst 1500°C, karbongjenstanden bringes I kontakt med gassformig boroksyd, slik at overflaten av karbongjenstanden etses til en forhåndsbestemt dybde under dannelsen av hulrom 1 gjenstanden som Innbefatter et betydelig hulromvolum på opp til 50 H> av volumet som opprinnelig utgjorde karbongjenstanden i den forhåndsbestemte dybden, og hulrommene 1 karbongjenstanden fylles med silisium eller sllisium-legering, slik at hulrom-volumet i det vesentlige elimineres. 6.Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at karbongjenstanden oppvarmes og etses i evakuert kammer. 7.Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at karbongjenstanden får reagere med gassformig boroksyd, slik at det dannes et lag borkarbid på og under den opprinnelige overflaten. 8.Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at silisiumet eller silisiumlegeringen får reagere med borkarbidet, slik at det dannes et lag som i det vesentlige består av silisiumkarbid og silisiumborid. 9.Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at hulrommene er fylt med silisium og minst ett legerende element valgt fra gruppen bestående av krom, aluminium, titan, zirkon, hafnium, vanadium, niob, tantal, wolfram og molybden. 10.Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at legeringsmiddelet innføres i en utveksllngs-reaksjon. 11.Fremgangsmåte Ifølge krav 5, karakterisert ved at boroksydet fremstilles ved å fordampe boroksyd fra flytende tilstand. 12.Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at boroksydet tilveiebringes ved en gassformig blanding av et borhalogenid og en oksyderende gass. 13.Fremgangsmåte Ifølge krav 12, karakterisert ved at boroksydet fremstilles ved å tilveiebringe en blanding av gassformig bortriklorid og damp. 14.Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at boroksydet dannes ved å tilveiebringe en blanding av bortriklorid, karbondioksyd og elementært hydrogen. 15.Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at silisium eller silisiumlegering dampavsettes ved en temperatur som er høyere enn smeltepunktet for silisiumet eller silisiumlegeringen. 16.Fremgangsmåte ifølge ' krav 5, karakterisert ved at silisiumet eller silisiumlegeringen avsettes ved en temperatur som er lavere enn smeltepunktet, og hvor temperaturen deretter heves slik at det forårsakes veketransport av flytende silisium eller den flytende silisiumlegeringen inn i hulrommene. 17.Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at et ytre belegg av metall eller halvmetall eller metallegering eller halvmetallegering tilveiebringes på den fylte karbongjenstanden. 18.Fremgangsmåte ifølge krav 17, karakterisert ved at det ytre belegget innbefatter silisiumkarbid. 19.Fremgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert ved at et mellomlag som inneholder bor dannes før avsetning av det ytre laget av silisiumkarbid.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US65432984A | 1984-09-24 | 1984-09-24 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
NO853728L NO853728L (no) | 1986-03-25 |
NO167508B true NO167508B (no) | 1991-08-05 |
NO167508C NO167508C (no) | 1991-11-13 |
Family
ID=24624410
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
NO853728A NO167508C (no) | 1984-09-24 | 1985-09-23 | Oksydasjonsresistent karbongjenstand og fremgangsmaate tilfremstilling derav. |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR890002249B1 (no) |
BR (1) | BR8504614A (no) |
DE (1) | DE3567483D1 (no) |
DK (1) | DK425585A (no) |
NO (1) | NO167508C (no) |
ZA (1) | ZA857293B (no) |
-
1985
- 1985-09-19 DK DK425585A patent/DK425585A/da not_active Application Discontinuation
- 1985-09-20 DE DE8585111955T patent/DE3567483D1/de not_active Expired
- 1985-09-20 BR BR8504614A patent/BR8504614A/pt unknown
- 1985-09-23 KR KR1019850006933A patent/KR890002249B1/ko not_active IP Right Cessation
- 1985-09-23 ZA ZA857293A patent/ZA857293B/xx unknown
- 1985-09-23 NO NO853728A patent/NO167508C/no unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3567483D1 (en) | 1989-02-16 |
DK425585A (da) | 1986-03-25 |
NO853728L (no) | 1986-03-25 |
DK425585D0 (da) | 1985-09-19 |
KR890002249B1 (ko) | 1989-06-26 |
BR8504614A (pt) | 1986-07-15 |
ZA857293B (en) | 1987-05-27 |
KR860002418A (ko) | 1986-04-26 |
NO167508C (no) | 1991-11-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0176055B1 (en) | Oxidation resistant carbon body and method for making same | |
US5368938A (en) | Oxidation resistant carbon and method for making same | |
US4515860A (en) | Self protecting carbon bodies and method for making same | |
CA1334569C (en) | Oxidation resistant carbon and method for making same | |
Wang et al. | Oxidation and ablation resistant properties of pack-siliconized Si-C protective coating for carbon/carbon composites | |
US5304397A (en) | Oxidation resistant carbon and method for making same | |
US5330838A (en) | Coated carbonaceous articles and method for making same | |
CN113149713B (zh) | 一种在碳基材料表面制备难熔金属碳化物涂层的方法 | |
AU740009B2 (en) | Support body with a protective coating | |
CA1309903C (en) | Deposition of titanium aluminides | |
US10233126B2 (en) | Forming a ceramic matrix composite having a silicide layer | |
US3264135A (en) | Method of coating carbonaceous base to prevent oxidation destruction and coated base | |
EP0495095B1 (en) | Process for forming crack-free pyrolytic boron nitride on a carbon structure and article | |
WO1992002662A2 (en) | Process for forming crack-free pyrolytic boron nitride on a carbon structure and article | |
NO167508B (no) | Oksydasjonsresistent karbongjenstand og fremgangsmaate tilfremstilling derav. | |
CN112299882A (zh) | 一种碳材料表面HfC基三元碳化物梯度涂层的原位制备方法 | |
US4591514A (en) | Method for making self-protecting carbon bodies | |
US4775565A (en) | Vessel for refractory use having multi-layered wall | |
WO1997037058A1 (en) | Process for forming pyrolytic sibn coatings | |
Gaillard-Allemand et al. | Silicide coatings for niobium: mechanisms of chromium and silicon codeposition by pack cementation | |
AU664824B1 (en) | Oxidation resistant carbon and method for making same | |
Cockeram et al. | The formation and oxidation resistance of boron-modified and germanium-doped silicide diffusion coatings for titanium and molybdenum | |
JPH03249172A (ja) | アルミニウム蒸発用るつぼ | |
JPH024123Y2 (no) | ||
JP3484505B2 (ja) | ホウ素と炭素から成る熱分解生成物の層を有する炭素材料 |