[go: up one dir, main page]

DE60101868T2 - Gegenstand umfassend ein Silizium enthaltendes Substrat und eine Sperrschicht, die als Schutz- bzw. Wärmedämmschicht dient - Google Patents

Gegenstand umfassend ein Silizium enthaltendes Substrat und eine Sperrschicht, die als Schutz- bzw. Wärmedämmschicht dient Download PDF

Info

Publication number
DE60101868T2
DE60101868T2 DE60101868T DE60101868T DE60101868T2 DE 60101868 T2 DE60101868 T2 DE 60101868T2 DE 60101868 T DE60101868 T DE 60101868T DE 60101868 T DE60101868 T DE 60101868T DE 60101868 T2 DE60101868 T2 DE 60101868T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
silicon
barrier layer
aluminosilicate
weight
additional component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE60101868T
Other languages
English (en)
Other versions
DE60101868D1 (de
Inventor
Jr. Harry E. Woodstock Eaton
Stephen Wallingford Chin
John J. Portland Brennan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RTX Corp
Original Assignee
United Technologies Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by United Technologies Corp filed Critical United Technologies Corp
Publication of DE60101868D1 publication Critical patent/DE60101868D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE60101868T2 publication Critical patent/DE60101868T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/5024Silicates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81Coating or impregnation
    • C04B41/85Coating or impregnation with inorganic materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C23C4/11Oxides
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/28Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/284Selection of ceramic materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/28Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288Protective coatings for blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K1/00Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto
    • F02K1/78Other construction of jet pipes
    • F02K1/82Jet pipe walls, e.g. liners

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Chemical Treatment Of Metals (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand, umfassend ein Substrat, welches Silizium enthält, sowie eine Sperrschicht, die als gegen die Umgebung schützende oder als schützende thermische Schutzbeschichtung dient, die die Bildung flüchtiger Si-Verbindungen verhindert, insbesondere von Si(OH)x, wenn der Gegenstand hohen Temperaturen in wasserhaltiger (Wasser und/oder Dampf) Umgebung ausgesetzt ist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Sperrschicht (barrier layer), die eine zusätzliche Komponente enthält, die in der Lage ist, ein Reaktionsprodukt mit freiem Siliziumdioxid (silica) zu bilden, und die dadurch eine Reaktion zwischen freiem Siliziumdioxid und der Sperrschicht verhindern kann.
  • Keramische Materialien, die Silizium enthalten und metallische Legierungen, die Silizium enthalten, wurden für Strukturen, die bei sehr hohen Temperaturen verwendet werden, wie beispielsweise Gasturbinenmotoren, Wärmetauscher, Verbrennungsmotoren u. ä. vorgeschlagen. Ein besonders sinnvoller Anwendungsbereich für diese Materialien ist der Gebrauch in Gasturbinen-Motoren, die bei hohen Temperaturen in wasserhaltiger Umgebung arbeiten. Es hat sich herausgestellt, dass diese siliziumhaltigen Trägermateriale als Resultat der Bildung von flüchtigen Si-Verbindungen, insbesondere von Si(OH)x und SiO schwinden und Masse verlieren können, wenn sie hohen Temperaturen und einer wasserhaltigen Umgebung ausgesetzt sind. Zum Beispiel zeigt Siliziumcarbid, wenn es einer mageren Kraftstoff-Umgebung (lean fuel environment) von ungefähr 1 ATM Wasserdampfdruck bei 1200°C ausgesetzt wird, einen Gewichtsverlust und Schwund mit einer Rate von ungefähr 6 mils (tausendstel inch) pro 1000 Stunden. Es wird angenommen, dass ein möglicher Reaktionsmechanismus die Oxidation des Siliziumcarbids beinhaltet, wobei Siliziumdioxid (silica) und Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid an der Oberfläche des Siliziumcarbids gebildet wird, gefolgt von der Reaktion des Siliziumdioxids mit Dampf, wobei flüchtige Verbindungen von Silizium wie z. B. Si(OH)x gebildet werden. Andere Mechanismen sind ebenfalls möglich, wie z. B. direkte Oxidation von SiC zu Si(OH)x-Verbindungen durch Dampf. Eine Sperrschicht für siliziumhaltige Trägermateriale (Substrate), die ein Reaktionsprodukt mit dem Siliziumdioxid bilden würde, welches während der Oxidation des Siliziumcarbids entsteht, und die dadurch die Bildung von flüchtigen Silizium-Verbindungen, nämlich von Si(OH)x und SiO, verhindern würde, ist bekannt. Gemäß der Erfindung wird ein Zusatzstoff (additive) zur Sperrschicht hinzugefügt, welcher mit jeglichem freien Siliziumdioxid reagiert. Dies verhindert Reaktionen zwischen Siliziumdioxid und der Sperrschicht, was ein Problem hinsichtlich eines niedrigen Schmelzpunkts zur Folge hat. Freies Siliziumdioxid kommt aus 2 Quellen: (1) Ablagerungen an der Oberfläche der Sperrschicht aus der Umgebung, wie z. B. Sand, und (2) weil die Sperrschicht gut arbeitet, führt die Oxidation des siliziumhaltigen Trägermaterials zu Siliziumdioxid, welches stabil ist, weil die Sperrschicht verhindert, dass Wasser an diese Oberfläche gelangt.
  • Die Schrift US-A-5 985 470 beschreibt ein Beschichtungssystem für ein Trägermaterial, das ein Silizium-basiertes Material enthält, wie z. B. siliziumcarbidhaltige keramische Matrix-Materialien, die Siliziumcarbid enthalten und benutzt werden, um Gegenstände herzustellen, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden, einschließlich der feindlichen thermischen Umgebung eines Gas-Turbinen-Motors. Das Beschichtungssystem beinhaltet eine Schicht Barium-Strontium-Alumo-Silikat (BSAS) als Bindeschicht für eine hitzeisolierende Deckschicht (thermal-insulating top coat). In ihrer Funktion als Bindeschicht dient die BSAS-Schicht dazu, die Deckschicht an einem SiC-haltigen Trägermaterial zu halten. Die BSAS-Bindeschicht zeigt eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegenüber der Umgebung, so dass, sollte die Deckschicht abblättern, die BSAS-Bindeschicht weiterhin einen gewissen Grad an Schutz für das darunterliegende SiC-haltige Trägermaterial gegenüber der Umgebung bietet.
  • Die Lehre der Schrift JP 61 068 380 A zeigt eine im Infraroten strahlende Filmschicht (IR radiator film), die auf einer ein oxidtragenden (oxide-bearing) Oberfläche eines gesinterten SiC-Trägermaterials gebildet ist, um einen Infrarot-Strahler (IR radiator) zu bilden. Hierzu wurde ein ungepresstes gesintertes SiC-Trägermaterial mit 1,0 Gewichtsprozent B und 2,0 Gewichtsprozent freiem C und einer Dichte von 3,1 g/cm3, mit einer 1 Gewichtsprozentigen Aluminiumoxid-Lösung (alumina sol.) imprägniert, die 2 g CaCl2 auf 1,00 ml enthält, bei 110° 1 Stunde lang getrocknet und für 8 Stunden auf eine Temperatur von 1400° erhitzt, um eine oxidierte Oberfläche (oxide surface) zu bilden. Eine Mischung aus Cordierit mit 40 Gewichtsprozent, MnO2 mit 36 Gewichtsprozent, Fe-Oxid mit 12 Gewichtsprozent, Co-Oxid mit 6 Gewichtsprozent und Cu-Oxid mit 6 Gewichtsprozent wurde 1 Stunde lang bei 110° vorgebrannt (pre-fired), gemahlen, mit Ethylradiakalzellulose (Et cellulose) und Carbitol-Azetat gemischt, auf die Oxid-Oberfläche des Trägermaterials gestrichen und 1 Stunde auf 1150° erhitzt, um einen Infrarot-Strahler zum Heizen (IR radiator for heating) zu bilden.
  • Eine Sperrschicht für ein siliziumhaltiges Trägermaterial, das die Bildung gasförmiger Silizium-Verbindungen verhindert, wenn das Trägermaterial einer wasserhaltigen Umgebung bei hoher Temperatur ausgesetzt wird, und Calcium-Aluminiumoxid-Silikat (calcium alumina silicate) enthält, wird in der Schrift EP-A-1 044 946 diskutiert. Eine Sperrschicht enthält Aluminiumoxid-Silikat (alumina silicate) mit einer Zusammenstellung aus CaO, Al2O3 und SiO2.
  • Dementsprechend ist es die vorrangige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gegenstand zur Verfügung zu stellen, der ein siliziumhaltiges Trägermaterial mit einer Sperrschicht umfasst, die eine zusätzliche Komponente enthält, die in der Lage ist, ein Reaktionsprodukt mit freiem Siliziumdioxid zu bilden und dadurch die Bildung von Reaktionen zwischen Komponenten der Sperrschicht und Siliziumdioxid zu verhindern.
  • Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden aufgeführt.
  • Die Aufgabe wird durch die Lehre der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Besondere Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand, der ein siliziumenthaltendes Substrat mit einer Sperrschicht auf dem Substrat umfasst, wobei die Sperrschicht dazu dient, sowohl die Bildung unerwünschter gasförmiger Verbindungen von Silizium zu verhindern, wenn der Gegenstand einer wasserhaltigen Umgebung hoher Temperatur ausgesetzt wird, als auch einen thermischen Schutz zur Verfügung zu stellen, wie er z. B. in einer Gas-Turbinen-Verbrennungs-Umgebung (gas turbine combustion environment) vorkommt.
  • Mit hohen Temperaturen sind hier Temperaturen gemeint, bei denen das Si im Trägermaterial in einer wasserhaltigen Umgebung Si(OH)x und/oder SiO bildet. Mit wasserhaltiger Umgebung ist eine wasser- oder wasserdampfhaltige Umgebung gemeint. Das siliziumhaltige Trägermaterial ist vorzugsweise eine keramische oder metallische Legierung, die Silizium enthält. Die Sperrschicht gemäß der vorliegenden Erfindung, enthält ein Alumosilikat (aluminosilicate), welches aus der Gruppe bestehend aus Barium-Alumosilikat, Strontium-Alumosilikat und Barium-Strontium-Alumosilikat gewählt wird und eine zusätzliche Kompo nente, die in der Lage ist, ein Reaktionsprodukt mit freiem Siliziumdioxid zu bilden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Alumosilikat erdalkalibasiert, wie z. B. Barium-Strontium-Alumosilikat, welches 0.75 BaO·0.25 SrO·Al2O3·2SiO2 enthält. Die zusätzliche Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus der Gruppe bestehend aus Al2O3, BaO ·6Al2O3, BaO·Al2O3, SrO·6Al2O3, SrO·Al2O3 und Mischungen daraus gewählt. Das erdalkalibasierte Alumosilikat plus Zusatzstoff kann auch als nicht-stöchiometrisches BAS, BSAS oder SAS bezeichnet werden, insofern als es geringer als stöchiometrisch (sub-stoichiometric) in Bezug auf Siliziumdioxid ist. Die Sperrschicht gemäß der vorliegenden Erfindung hat im Vergleich zu bisher bekannten Sperrschichten eine erhöhte Kapazität für Siliziumdioxid. Durch das Zufügen der zusätzlichen Komponente, können, verglichen mit einer Barium-Strontium-Alumosilikat-Sperrschicht ohne die zusätzliche Komponente, rund 32 Gewichtsprozent mehr Siliziumdioxid toleriert werden.
  • Die Sperrschicht enthält bis zu 50 Gewichtsprozent der zusätzlichen Komponente, der Rest besteht im Wesentlichen aus Barium-Strontium-Alumosilikat, oder bis zu 30 Gewichtsprozent der zusätzlichen Komponente. Die zusätzliche Komponente ist bis zu 30 Gewichtsprozent Al2O3 oder bis zu 30 Gewichtsprozent BaO·6Al2O3 oder SrO·6Al2O3 und enthält zwischen ungefähr 10 bis 25 Gewichtsprozent BaO·6Al2O3 oder SrO ·6Al2O3, zwischen ungefähr 40 Gewichtsprozent BaO·Al2O3 oder SrO·Al2O3 oder zwischen ungefähr 10 bis 25 Gewichtsprozent BaO·Al2O3 oder SrO·Al2O3, der Rest besteht im Wesentlichen aus Barium-Strontium-Alumosilikat.
  • Weitere Vorteile, Eigenschaften und Details der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ersichtlich.
  • 1 bis 3: sind mikrophotografische Aufnahmen, die Bilder einer hochauflösenden Elektronen-Mikrosonde und die Zusammensetzung zeigende Darstellungen (compositional maps) einer Sperrschicht nach der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • 4: ist ein hochaufgelöstes elektronenmikroskopisches Bild der Mikrostrukturen der 1 bis 3.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand, der ein siliziumhaltiges Substrat und eine Sperrschicht beinhaltet, wobei die Sperrschicht die Bildung gasförmiger Silizium-Verbindungen verhindert, wenn der Gegenstand einer hochtemperierten, wasserhaltigen Umgebung ausgesetzt wird, indem verhindert wird, dass Wasser die siliziumhaltige Oberfläche erreicht und indem die Oxidation dieser Oberfläche reduziert wird. Zusätzlich umfasst die vorliegende Erfindung auch einen Zusatzstoff in der Sperrschicht, der mit jeglichem gebildeten Siliziumdioxid reagiert, um Reaktionen zwischen dem freien Siliziumdioxid und der Sperrschicht zu verhindern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das siliziumhaltige Trägermaterial ein siliziumhaltiges keramisches Trägermaterial oder eine siliziumhaltige metallische Legierung sein. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das siliziumhaltige Trägermaterial ein siliziumhaltiges keramisches Material, wie zum Beispiel Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Silizium-Carbon-Nitrid, Silizium- Oxynitrid und Silizium-Aluminium-Oxynitrid. Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält das siliziumhaltige keramische Trägermaterial eine siliziumhaltige Matrix mit Verstärkungen, wie zum Beispiel Fasern, Partikel, und ähnlichem, und hier insbesondere eine auf Siliziumcarbid basierende Matrix, die faserverstärkt ist.
  • Besonders geeignete keramische Trägermaterialien sind mit Siliziumcarbid beschichtete Siliziumcarbid-Faser-verstärkte Siliziumcarbidpartikel und Silizium-Matrixen, eine Kohlenstoff-Faser-verstärkte Siliziumcarbid-Matrix und eine Siliziumcarbid-Faser-verstärkte Silizium-Nitrid-Matrix. Zu den besonders geeigneten Silizium-Metall-Legierungen zum Gebrauch als Trägermaterial für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehören Molybdän-Silizium-Legierungen, Molybdän-Silizium-Bor-Legierungen, Niob-Silizium-Legierungen und andere Silizium enthaltende Legierungen, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mit der Sperrschicht der vorliegenden Erfindung kompatibel ist.
  • Sperrschichten nach dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Alumosilikate ausgewählt aus der Gruppe der Erdalkali-Elemente, wie Barium-Alumosilikat, Strontium-Alumosilikat und Barium-Strontium-Alumosilikat-Schichten mit zusätzlichen Komponenten, die in der Lage sind, ein Reaktionsprodukt mit freiem Siliziumdioxid zu bilden. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ist die Sperrschicht ein Barium-Strontium-Alumosilikat, das 0,75 Gewichtsprozent BaO·0,25 SrO·Al2O3 ·2SiO2 enthält. Die zusätzliche Komponente in der Sperrschicht ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al2O3, BaO·6Al2O3, BaO Al2O3, SrO·6Al2O3, SrO·Al2O3 und Mischungen daraus. Die bevorzugte Zusammensetzung der Sperrschicht hängt von der spezifischen zusätzlichen Komponente, die benutzt wird, ab. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält die Sperrschicht bis zu 50 Gewichtsprozent der zusätzlichen Komponente wobei der Rest hauptsächlich aus Barium-Strontium-Alumosilikat besteht. Eine bevorzugte Sperrschicht enthält bis zu 30 Gewichtsprozent der zusätzlichen Komponente. Es wurde festgestellt, dass, wenn Al2O3 als zusätzliche Komponente benutzt wird, das Al2O3 mit einem Anteil von bis zu 30 und vorzugsweise zwischen 10 bis 25 Gewichtsprozent vorhanden sein kann.
  • Während es günstig ist, so viel von der zusätzlichen Komponente wie möglich dazu zu geben, um die Bildung des Reaktionsprodukts aus Siliziumdioxid und Zusatzstoff zu maximieren, ist die Obergrenze des Anteils der zusätzlichen Komponente dadurch gegeben, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Sperrschicht zu dem des siliziumhaltigen Trägermaterials kompatibel sein muss. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung der zusätzlichen Komponente, wird daher der maximale Anteil jeder zusätzlichen Komponente in der Sperrschicht variieren. Wie oben beschrieben, kann die Sperrschicht bis zu 30 Gewichtsprozent Al2O3 enthalten, wenn Al2O3 die zusätzliche Komponente ist. Wenn BaO·6Al2O3 als zusätzliche Komponente verwendet wird, kann die Sperrschicht entsprechend bis zu 30 Gewichtsprozent BaO·6Al2O3 enthalten, und vorzugsweise zwischen 10 und 25 Gewichtsprozent BaO ·6Al2O3. Wenn BaO·Al2O3 als zusätzliche Komponente verwendet wird, kann die zusätzliche Komponente in einer Menge von bis zu 40 Gewichtsprozent vorhanden sein, und vorzugsweise zwischen 25 und 35 Gewichtsprozent. Wenn SrO·6Al2O3 die zusätzliche Komponente ist, kann die Sperrschicht entsprechend bis zu 30 Gewichtsprozent SrO·6Al2O3 enthalten und vorzugsweise zwischen 10 und 25 Gewichtsprozent SrO·6Al2O3. Wenn SrO·Al2O3 als zusätzliche Komponente verwendet wird, kann die zusätzliche Komponente in einer Menge von bis zu 40 Gewichtsprozent und vorzugsweise zwischen 25 und 35 Gewichtsprozent vorhanden sein.
  • Wie oben beschrieben, ist es wieder wichtig, die Kompatibilität zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizient des siliziumhaltigen Trägermaterials und der Sperrschicht zu bewahren. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Sperrschicht sollte innerhalb von +/– 3.0 ppm pro Grad Celsius vom thermischen Ausdehnungskoeffizient des siliziumhaltigen Trägermaterials liegen.
  • Die Dicke der Sperrschicht im Gegenstand sollte einen Wert von größer als oder gleich etwa 0,5 mils, vorzugsweise zwischen etwa 3 und etwa 30 mils und idealerweise zwischen etwa 3 und etwa 5 mils haben. Die Sperrschicht kann mit jeder bekannten geeigneten Methode auf das Silizium- basierte Trägermaterial aufgebracht werden.
  • Die Vorteile des Gegenstands der vorliegenden Erfindung werden unter Betrachtung des folgenden Beispiels klar werden.
  • Beispiel
  • Ein siliziumhaltiges Trägermaterial wurde mit einer Sperrschicht aus Barium-Strontium-Alumosilikat beschichtet, die 0,75 BaO·0,25 SrO·Al2O3·2SiO2 mit einer zusätzlichen Komponente von 15 Gewichtsprozent Al2O3 enthält. Die 1 bis 4 zeigen Aufnahmen einer hochauflösenden Elektronen-Mikrosonde und die Zusammensetzung zeigende Röntgenanalysen (x-ray maps) für Barium, Strontium, Aluminium und Silizium sowie Analysen jeder an der Kontaktstelle zwischen einem SiC/SiC-Verbund und der Barium- Strontium-Alumosilikat-Beschichtung vorliegenden Phase in atomarer prozentualer Zusammensetzung plus 15% Aluminiumoxid-Zusatzstoff nachdem sie für 100 Stunden bei 1350°C Luft ausgesetzt wurde.
  • Phase „A" (vergleiche Zusammensetzung in Tabelle 1) ist eine dünne Siliziumdioxid-Schicht, die sich auf dem Siliziumdioxid-Bildner bildet und die Zusammensetzung SiO2 hat. Die oberhalb des Siliziumdioxids liegenden Phasen „B" und „C" (siehe Tabelle 1) sind Alumosilikate, die eine nominelle Zusammensetzung von AlSi4O18 oder ½Al2O3·4SiO2 haben. Es ist zu erwarten, dass ½Al2O3·4SiO2 sehr hitzebeständig (refractory) sein wird, und basierend auf dem Al2O3·BaO·SiO2-3-Phasen-Diagramm (556, „Phase Diagrams for Ceramists", M. Resor – Hrsg.: The American Ceramic Society, Columbus, Ohio), einen Schmelzpunkt von über 1700°C haben wird. Die Barium-Anteile von 1,2 bis 1,6% und Strontium-Anteile von 0,1 bis 0,2%, die in der ½Al2O3·4SiO2-Phase zu sehen sind, könnten den Schmelzpunkt geringfügig herabsetzen, aber er würde immer noch weit über 1600°C liegen.
  • Phase „D" ist ein Alumosilikat mit der nominellen Zusammensetzung Al6Si2O12, was 3Al2O3 ·2SiO2 entspricht, und das gemeinhin als Mullit bekannt ist. Mullit ist ebenfalls ein sehr hitzebeständiges Material, das einen Schmelzpunkt von über 1800°C hat (siehe die oben angegebene Referenzstelle). Vom Barium-Anteil von 0,1%, der in Phase „D" zu sehen ist (siehe Tabelle 1) wird angenommen, dass er einen sehr geringen Einfluss auf den Schmelzpunkt des Mullits hat. Schließlich ist in Phase „E" (siehe Tabelle 1) das Barium-Strontium-Alumosilikat plus Aluminiumoxid-Additiv, das der vorliegenden Erfindung entspricht, zu sehen. Das Beispiel zeigt, dass die Reaktion zwischen der Erfindung und einem Siliziumdioxid-Bildner unter Oxidations-Bedingungen bei hoher Temperatur (high temperature oxidizing conditions) eher dazu führt, dass hochtemperaturbeständige Phasen gebildet werden als dass Niedrigtemperatur-Phasen, wie Barium-Alumosilikat plus Siliziumdioxid mit einem Schmelzpunkt von ungefähr 1300°C (siehe die oben angegebene Referenzstelle, 4544), gebildet werden.
  • TABELLE 1 Atomare Anteile der Zusammensetzung der Phasen A, B, C, D, E Fig. 1-4
    Figure 00090001

Claims (10)

  1. Gegenstand umfassend ein Silizium enthaltendes Substrat; und eine Sperrschicht, aufweisend ein Erdalkali-Alumosilikat, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Barium-Alumosilikat, Strontium-Alumosilikat und Barium-Strontium-Alumosilikat besteht, mit einem Zusatzbestandteil, der ein Reaktionsprodukt mit freiem Siliziumdioxid bilden kann, wobei der Zusatzbestandteil aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Al2O3, BaO·6Al2O3, BaO·Al2O3, SrO·6Al2O3, SrO·Al2O3 und Mischungen daraus besteht.
  2. Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem das Alumosilikat Barium-Strontium-Alumosilikat ist, das 0,75BaO 0,25 SrO·Al2O3 2SiO2 aufweist.
  3. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Sperrschicht bis zu 50 Gew.-% des Zusatzbestandteiles umfasst, der Rest im Wesentlichen aus Barium-Strontium-Alumosilikat besteht.
  4. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Sperrschicht bis zu 30 Gew.-% des Zusatzbestandteiles umfasst, der Rest im Wesentlichen aus Barium-Strontium-Alumosilikat besteht.
  5. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Zusatzbestandteil aus bis zu 30 Gew.-% Al2O3 besteht.
  6. Gegenstand nach Anspruch 5, bei dem die Sperrschicht zwischen 10 und 25 Gew.-% Al2O3 umfasst, der Rest im Wesentlichen aus Barium-Strontium-Alumosilikat besteht.
  7. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Zusatzbestandteil aus bis zu 30 Gew.-% BaO·6Al2O3 oder SrO·6Al2O3 besteht.
  8. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Zusatzbestandteil zwischen 10 und 25 Gew.-% BaO·6Al2O3 oder SrO·6Al2O3 umfasst, der Rest im Wesentlichen aus Barium-Strontium-Alumosilikat besteht.
  9. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Zusatzbestandteil bis zu 40 Gew.-% BaO·Al2O3 oder SrO·Al2O3 umfasst, der Rest im Wesentlichen aus Barium-Strontium-Alumosilikat besteht.
  10. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Zusatzbestandteil zwischen 25 und 35 Gew.-% BaO·Al2O3 oder SrO·Al2O3 umfasst, der Rest im Wesentlichen aus Barium-Strontium-Alumosilikat besteht.
DE60101868T 2000-06-29 2001-05-09 Gegenstand umfassend ein Silizium enthaltendes Substrat und eine Sperrschicht, die als Schutz- bzw. Wärmedämmschicht dient Expired - Lifetime DE60101868T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/606,912 US6352790B1 (en) 2000-06-29 2000-06-29 Substrate containing silicon and a barrier layer which functions as a protective/thermal barrier coating
US606912 2000-06-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE60101868D1 DE60101868D1 (de) 2004-03-04
DE60101868T2 true DE60101868T2 (de) 2004-10-28

Family

ID=24430023

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE60101868T Expired - Lifetime DE60101868T2 (de) 2000-06-29 2001-05-09 Gegenstand umfassend ein Silizium enthaltendes Substrat und eine Sperrschicht, die als Schutz- bzw. Wärmedämmschicht dient

Country Status (5)

Country Link
US (1) US6352790B1 (de)
EP (1) EP1167322B1 (de)
JP (1) JP2002097580A (de)
KR (1) KR100417802B1 (de)
DE (1) DE60101868T2 (de)

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6697130B2 (en) * 2001-01-16 2004-02-24 Visteon Global Technologies, Inc. Flexible led backlighting circuit
US20030112931A1 (en) * 2001-12-19 2003-06-19 Wendell Brown Facilitating navigation of an interactive voice response (IVR) menu to establish a telephone connection
US6699607B1 (en) 2002-10-30 2004-03-02 General Electric Company Thermal/environmental barrier coating for silicon-containing substrates
US7226668B2 (en) 2002-12-12 2007-06-05 General Electric Company Thermal barrier coating containing reactive protective materials and method for preparing same
US6777093B1 (en) 2003-05-22 2004-08-17 United Technologies Corporation Bond layer for silicon containing substrate
US7063894B2 (en) * 2003-05-22 2006-06-20 United Technologies Corporation Environmental barrier coating for silicon based substrates
US7056574B2 (en) 2003-05-22 2006-06-06 United Technologies Corporation Bond layer for silicon containing substrate
US6902836B2 (en) * 2003-05-22 2005-06-07 United Technologies Corporation Environmental barrier coating for silicon based substrates such as silicon nitride
US20040234782A1 (en) * 2003-05-22 2004-11-25 Sun Ellen Y. Environmental barrier coating for silicon based substrates
US7060360B2 (en) * 2003-05-22 2006-06-13 United Technologies Corporation Bond coat for silicon based substrates
US6969555B2 (en) * 2003-10-06 2005-11-29 General Electric Company Aluminate coating for a silicon containing substrate
US6844075B1 (en) 2003-10-06 2005-01-18 General Electric Company Environmental barrier coating
US7919187B2 (en) 2004-04-27 2011-04-05 General Electric Company Environmental barrier coating for silicon-containing substrates and process therefor
US7341797B2 (en) * 2004-04-27 2008-03-11 General Electric Company Environmental barrier coating for silicon-containing substrates and process therefor
US7666512B2 (en) 2004-08-09 2010-02-23 United Technologies Corporation Thermal resistant environmental barrier coating
US7422671B2 (en) 2004-08-09 2008-09-09 United Technologies Corporation Non-line-of-sight process for coating complexed shaped structures
US7326468B2 (en) * 2005-01-21 2008-02-05 General Electric Company Thermal/environmental barrier coating for silicon-comprising materials
US7449254B2 (en) * 2005-01-21 2008-11-11 General Electric Company Environmental barrier coating with physical barrier layer for silicon-comprising materials
US7115326B2 (en) * 2005-01-21 2006-10-03 General Electric Company Thermal/environmental barrier coating with transition layer for silicon-comprising materials
US20060166019A1 (en) * 2005-01-21 2006-07-27 Irene Spitsberg Thermal/environmental barrier coating for silicon-comprising materials
US7115327B2 (en) 2005-01-21 2006-10-03 General Electric Company Thermal/environmental barrier coating with transition layer for silicon-comprising materials
US7357994B2 (en) * 2005-06-14 2008-04-15 General Electric Company Thermal/environmental barrier coating system for silicon-containing materials
EP1984173A2 (de) * 2006-01-25 2008-10-29 Ceramatec, Inc. Umgebungs- und wärmesperrbeschichtung für den schutz eines vorbeschichteten substrats
US20080026248A1 (en) * 2006-01-27 2008-01-31 Shekar Balagopal Environmental and Thermal Barrier Coating to Provide Protection in Various Environments
US8497018B2 (en) * 2010-01-27 2013-07-30 Applied Thin Films, Inc. High temperature stable amorphous silica-rich aluminosilicates
US9945036B2 (en) 2011-03-22 2018-04-17 General Electric Company Hot corrosion-resistant coatings and components protected therewith
US10183895B2 (en) * 2014-01-10 2019-01-22 Jfe Steel Corporation Method for suppressing rear face oxidation of carbon-containing refractory, lining structure, and carbon-containing refractory
FR3038624B1 (fr) * 2015-07-08 2019-10-25 Safran Aircraft Engines Revetement de protection formant une barriere thermique, substrat recouvert d'un tel revetement, et piece de turbine a gaz comprenant un tel substrat

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6168380A (ja) * 1984-09-06 1986-04-08 イビデン株式会社 セラミツクス赤外線放射体とその製造方法
JPH01107420A (ja) * 1987-10-21 1989-04-25 Hitachi Ltd 酸化物超伝導体
US5741596A (en) * 1989-02-21 1998-04-21 Boeing North American, Inc. Coating for oxidation protection of metal surfaces
US5214004A (en) * 1992-06-04 1993-05-25 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Ceramic fiber reinforced glass-ceramic matrix composite
US5985470A (en) * 1998-03-16 1999-11-16 General Electric Company Thermal/environmental barrier coating system for silicon-based materials
US6296942B1 (en) * 1999-04-15 2001-10-02 General Electric Company Silicon based substrate with calcium aluminosilicate environmental/thermal barrier layer

Also Published As

Publication number Publication date
DE60101868D1 (de) 2004-03-04
KR100417802B1 (ko) 2004-02-05
EP1167322B1 (de) 2004-01-28
US6352790B1 (en) 2002-03-05
JP2002097580A (ja) 2002-04-02
EP1167322A1 (de) 2002-01-02
KR20020014665A (ko) 2002-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60101868T2 (de) Gegenstand umfassend ein Silizium enthaltendes Substrat und eine Sperrschicht, die als Schutz- bzw. Wärmedämmschicht dient
DE60021464T2 (de) Substrat auf der Basis von Silizium mit einer Wärmedämmschicht
DE60205204T2 (de) Barriereschicht für siliziumhaltiges Substrat
DE60310851T2 (de) Umwelt/Wärmedämmschicht für siliziumhaltiges Substrat
DE60114495T2 (de) Umwelt/thermische Sperrschicht für einen Substrat auf der Basis von Silizium
DE60132144T2 (de) Hoch hitze- und oxidationsbeständige Beschichtung und hoch hitze- und oxidationsbeständiger, mehrschichtiger Werkstoff
DE60017823T2 (de) Verfahren zum Aufbringen einer Barriereschicht auf ein siliziumhaltiges Substrat und nach diesem Verfahren hergestellter Gegenstand
DE69907107T2 (de) Keramik mit oxidierbarer schicht
DE69210000T2 (de) Verfahren zum Schützen eines Kompositmaterials gegen Oxydation sowie derart geschützte Produkte
DE602004002721T2 (de) Umweltsperrschicht für Substrate auf der Basis von Silizium
DE60307254T2 (de) Schutz von teilen aus verbundmaterial gegen oxidation
DE60012605T2 (de) Silizium enthaltendes Substrat mit Calciumaluminiumsilikat-Wärmedämmschicht
DE19746598C2 (de) Keramikverbundwerkstoff und seine Verwendung
DE69106835T2 (de) Verfahren zur Herstellung eines gegen Korrosion geschützten, feuerfesten Verbundwerkstoffes.
EP2197813B1 (de) Keramischer schichtverbund
DE19616217C2 (de) Schutzbeschichtung und Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks
DE3829039C2 (de) Verbundbauteil, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung
DE112020000384T5 (de) Wärmeableitungselement
DE69229513T2 (de) Verfahren zum Schützen eines Materials gegen Oxydation, wobei wenigstens seine Oberfläche aus Silicium-Keramik besteht, sowie hergestelltes Material
DE69324767T2 (de) Oxidationsbeständiger Kohlenstoff-Kohlenstoff Verbundstoff mit SiC-dotierter Matrix und dessen Herstellungsverfahren
DE602004006336T2 (de) Brennkammer oder Turbinenteil einer Gasturbinenanlage
DE3523027C2 (de)
DE102004053959A1 (de) Keramikmaterial
DE602004004286T2 (de) Mikroporöses wärme- isolierendes material
DE69924065T2 (de) Formkörper mit einem überzug aus modifiziertem mullit und verfahren zu dessen herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition