JP2005096411A - ケイ素基材とボンド層とこのボンド層上に設けられた追加の層とを含む物品 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐環境被膜用の改善されたボンド層を提供する。
【解決手段】 ボンド層と、このボンド層上に設けられた追加の層であって、ボンド層は、分散繊維を有するケイ素層を含み、少なくともいくつかの繊維は、ボンド層と追加の層との間で延在する。繊維は、（１）アルミナ、（２）イットリア、（３）ケイ酸アルミニウム、（４）炭化ケイ素、（５）窒化ケイ素、（６）希土類元素、アルカリ土類元素、アルミニウム、ケイ素、酸素、イットリウム、窒素、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、および炭素のそれぞれの化合物、および（１）〜（６）の混合物からなる群から選択された材料から構成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、耐環境被膜に関し、特に、ケイ素を含む基材に被覆される耐環境被膜に関する。

ケイ素基セラミックスは、ガスタービンエンジンの燃焼器やタービン部などの高温で水を含む環境において酸化速度が加速する。このような環境でセラミック部品として使用されるケイ素基材の酸化速度を減少させて、このような部品の耐用寿命を延長するために、ケイ素基材用の耐環境被膜すなわちバリヤ層を提供する努力がなされてきた。

図１ａ，図１ｂを参照すると、従来技術の耐環境被膜は、ケイ素基材１２と、ケイ素含有金属の密な連続層を含むボンドコートすなわちボンド層１４と、バリウムおよびストロンチウム基のアルカリ土類アルミノケイ酸塩、またはケイ酸イットリウムのいずれかを含むバリヤ層１６と、耐熱性酸化物および／またはケイ酸塩、または酸化ジルコニウムなどの他の金属酸化物を含むトップコートすなわちトップ層１８と、を含む複合物１０を構成する。さらに、ボンドコート１４とトップ層１８との間および／またはバリヤ層１６とトップ層１８との間に中間層２０を設けることができる。この中間層は、例えば、バリヤ層材料とムライトなどの追加の酸化物の混合物を含む。このような従来技術の耐環境装置は、ケイ素基材に対して耐酸化性を与えるとともに密着性を有することが実証されてきた。しかし、ケイ素基材は、室温における４点曲げ強度がかなり減少することによって示されるように、特定の機械的特性が損なわれる場合があることがわかった。機械的特性の損失は、ケイ素を含む基材に隣接するボンド層の割れに起因し、このような割れによって基材自体の割れを発生させる応力集中が生じるためであると考えられている。ボンドコートすなわちボンド層に生じる割れは、基材とボンド層との間の熱膨張係数の差や、部品の急速な周期的冷却および加熱によって生じる応力を含む多くの原因によって発生する。
米国特許第４５９５６３７号明細書 米国特許第４５９５６３７号明細書

よって、結果として機械的特性を大きく損なうことがない、ケイ素を含む基材のための改善されたボンドコート層が求められている。

従って、本発明の主な目的は、従来技術における上述の問題を解決する耐環境被膜用の改善されたボンド層を提供することである。

上述の目的は、ケイ素基材と、ボンド層と、このボンド層上に設けられた追加の層と、を含む物品を提供する本発明によって達成される。上記ボンド層は、分散繊維を有するケイ素層を含み、少なくともいくつかの繊維は、ボンド層と追加の層との間に延びている。これらの繊維は、（１）アルミナ、（２）イットリア、（３）ケイ酸アルミニウム、（４）炭化ケイ素、（５）窒化ケイ素、（６）希土類元素、アルカリ土類元素、アルミニウム、ケイ素、酸素、イットリウム、窒素、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、および炭素のそれぞれの化合物、および（１）〜（６）の混合物からなる群から選択された材料によって構成される。

本発明の利点は、特に、層の間の境界にわたって延在する繊維が各々の層の破壊靭性を実質的に向上させるだけでなく、層の間の境界において装置の全体的な強度および靭性を増加させることである。

その他の目的や利点は、以下に記載されている。

本発明は、図２に示すように、ケイ素基材１２’と、ボンド層１４’と、このボンド層１４’上に設けられた追加の層１６’と、を含む物品１０’に関する。本発明によると、ボンド層１４’は、繊維１８’が分散したケイ素層を含み、これらの繊維１８’の少なくともいくつかはボンド層１４’と追加の層１６’との間に延びている。

ケイ素を含む基材１２’は、ケイ素を含むセラミック基材またはケイ素を含む金属合金とすることができる。好適実施例では、ケイ素を含む基材１２’は、例えば、炭化ケイ素、炭化ケイ素複合材料、窒化ケイ素、窒化ケイ素複合材料、酸窒化ケイ素、および酸窒化ケイ素アルミニウムなどのケイ素を含むセラミック材料である。

本発明によると、ボンド層１４’内に繊維１８’が分散されており、少なくともいくつかの繊維１８’は、ボンド層１４’と追加の層１６’との間の境界にわたって延在する。これらの繊維１８’は、（１）アルミナ、（２）イットリア、（３）ケイ酸アルミニウム、（４）炭化ケイ素、（５）窒化ケイ素、（６）希土類元素、アルカリ土類元素、アルミニウム、ケイ素、酸素、イットリウム、窒素、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、および炭素のそれぞれの化合物、および（１）〜（６）の混合物からなる群から選択された材料から構成される。また、これらの繊維１８’は、１０〜５０００ミクロン、好ましくは５０〜２０００ミクロンの平均長さを有し、１〜１０００ミクロン、好ましくは５〜１００ミクロンの平均径を有する。これらの繊維１８’は、１０〜９０体積％、好ましくは４０〜７５体積％の量でボンド層１４’に含まれている。ボンド層１４’内の繊維１８’の少なくともいくつかが、ボンド層１４’と追加の層１６’との間に延びるように設けることも本発明の範囲に含まれる。さらに、追加の層１６’は、ボンド層１４’と追加の層１６’との間に延びる繊維に加えて、分散繊維を含むことができる。本発明では、ボンド層１４’に分散された繊維１８’の少なくとも５体積％がボンド層１４’と追加の層１６’との間に延びていることが好ましい。追加の層１６’は、耐環境層装置の保護層、中間層、または従来の耐環境層に含まれる他の層であってもよい。ボンドコート１４’は、ケイ素基材１２’に直接被覆することができるが、ボンド層１４’とケイ素基材１２’との間に酸化ケイ素の中間層や他の中間層を設けることもできる。

繊維は、従来技術で周知の方法で加えることができる。繊維を加えるための有用な処理は、特に、本出願人が有する特許文献１および特許文献２に開示されているプラズマ溶射用の処理である。

本発明の物品の利点には、割れの減少、および耐環境用被膜の密着性の向上が含まれる。

本発明は、ここで説明および開示した実施例に限定されない。これらの実施例は、単に本発明の好適実施例を示しており、その形態、寸法、部品構成、および動作の詳細は変更される余地がある。本発明は、請求の範囲によって定められる本発明の趣旨および範囲内に含まれるこのような全ての変更を含むことを意図している。

従来技術に係る複合物の概略説明図である。 本発明に係る複合物の概略説明図である。

符号の説明

１０’…物品
１２’…ケイ素基材
１４’…ボンド層
１６’…追加の層
１８’…繊維

Claims (6)

1. ケイ素基材と、ボンド層と、このボンド層上に設けられた追加の層と、を含む物品であって、前記ボンド層は、分散繊維を有するケイ素層を含み、少なくともいくつかの繊維は、前記ボンド層と前記追加の層との間に延びており、これらの繊維は、（１）アルミナ、（２）イットリア、（３）ケイ酸アルミニウム、（４）炭化ケイ素、（５）窒化ケイ素、（６）希土類元素、アルカリ土類元素、アルミニウム、ケイ素、酸素、イットリウム、窒素、ニオブ、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、および炭素のそれぞれの化合物、および（１）〜（６）の混合物からなる群から選択された材料から構成されていることを特徴とする物品。
2. 前記繊維は、１０〜５０００ミクロンの平均長さと１〜１０００ミクロンの平均径を有することを特徴とする請求項１記載の物品。
3. 前記繊維は、５０〜２０００ミクロンの平均長さと５〜１００ミクロンの平均径を有することを特徴とする請求項１記載の物品。
4. 前記繊維は、１０〜９０体積％の量で含まれていることを特徴とする請求項２記載の物品。
5. 前記繊維は、４０〜７５体積％の量で含まれていることを特徴とする請求項３記載の物品。
6. 前記繊維の少なくとも５体積％は、前記ボンド層と前記追加の層との間に延びていることを特徴とする請求項１記載の物品。

Images