(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを含有する基板と、バリア層とを有する物品であって、
前記バリア層は、前記基板に含まれるシリコンが水分が存在する環境下でSi(OH)２および／またはSiOを生成する高温においてガス状Si化合物の形成を防ぐものであり、また1.00モル以下のBaO、1.00モル以下のSrO、1.00モルのAl2O3、及び2.00モルのSiO2を主成分として含有し、BaOとSrOとの合計は1.00モルである、ことを特徴とする物品。
【請求項２】
シリコンを含有する基板と、バリア層とを有する物品であって、
前記バリア層は、前記基板に含まれるシリコンが水分が存在する環境下でSi(OH)）２および／またはSiOを生成する高温においてガス状Si化合物の形成を防ぐものであり、また1.00モル以下のBaO、1.00モル以下の第２のアルカリ土類金属酸化物、1.00モルのAl2O3、及び2.00モルのSiO2を主成分として含有し、BaOと第２のアルカリ土類金属との合計は1.00モルである、ことを特徴とする物品。
【請求項３】
前記基板は、シリコン含有セラミックとシリコン含有金属合金とから選択されることを特徴とする請求項１または２記載の物品。
【請求項４】
前記基板は、シリコンカーバイド、シリコン窒化物、及びシリコンアルミニウムオキシニトリドから選択されるシリコン含有セラミックであることを特徴とする請求項３記載の物品。
【請求項５】
前記基板は、シリコンベースマトリクスと強化材粒子とを含有する組成物であることを特徴とする請求項３記載の物品。
【請求項６】
前記基板は、シリコンカーバイド繊維強化シリコンカーバイドマトリクス、カーボン繊維強化シリコンカーバイドマトリクス、及びシリコンカーバイド繊維強化シリコンニトリドから選択されることを特徴とする請求項５記載の物品。
【請求項７】
前記基板は、モリブデン−シリコン合金、ニオブシリコン合金、鉄−シリコン合金、及び鉄−ニッケル−シリコンベース合金のうちから選択されるシリコン含有金属合金であることを特徴とする請求項３記載の物品。
【請求項８】
前記バリア層は、0.10モル〜0.90モルのBaOと0.10モル〜0.90モルのSrOとを含むことを特徴とする請求項１記載の物品。
【請求項９】
前記バリア層は、0.25モル〜0.75モルのBaOと0.25モル〜0.75モルのSrOとを含むことを特徴とする請求項１記載の物品。
【請求項１０】
前記バリア層は、0.75モルのBaOと0.25モルのSrOとを含むことを特徴とする請求項１記載の物品。
【請求項１１】
前記バリア層は、0.10モル〜0.90モルのBaOと0.10モル〜0.90モルの第２のアルカリ土類金属酸化物とを含むことを特徴とする請求項２記載の物品。
【請求項１２】
前記バリア層は、0.25モル〜0.75モルのBaOと0.25モル〜0.75モルの第２のアルカリ土類金属酸化物とを含むことを特徴とする請求項２記載の物品。
【請求項１３】
前記バリア層は、0.75モルのBaOと0.25モルの第２のアルカリ土類金属酸化物とを含むことを特徴とする請求項２記載の物品。
【請求項１４】
前記バリア層の結晶構造は、少なくとも５０vol％が重土長石型結晶構造となっていることを特徴とする請求項１または２記載の物品。
【請求項１５】
前記バリア層の熱膨張係数は、前記基板の熱膨張係数の±3.0ppm／℃以内の値であることを特徴とする請求項１または２記載の物品。
【請求項１６】
前記バリア層の熱膨張係数は、前記基板の熱膨張係数の±0.5ppm／℃以内の値であることを特徴とする請求項１または２記載の物品。
【請求項１７】
前記バリア層は、その厚みが0.0127mm(0.0005インチ)以上であることを特徴とする請求項１または２記載の物品。
【請求項１８】
前記基板と前記バリア層との間に中間層が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の物品。
【請求項１９】
前記中間層は、SiO2、ムライト、ムライト−バリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩、ムライト−イットリウム珪酸塩、ムライト−カルシウムアルミノ珪酸塩、及び金属シリコンから選択されることを特徴とする請求項１８記載の物品。
【請求項２０】
前記中間層は、ムライト、バリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩、ムライト−イットリウム珪酸塩、カルシウムアルミノ珪酸塩及びこれらの混合物のうちから選択されることを特徴とする請求項１８記載の物品。
【請求項２１】
前記中間層は、ムライトを含むことを特徴とする請求項２０記載の物品。
【請求項２２】
前記中間層は、４０wt%〜８０wt%のムライト、２０〜６０wt%のバリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩を含むことを特徴とする請求項２０記載の物品。
【請求項２３】
前記中間層は、４０wt%〜８０wt%のムライト、２０〜６０wt%のイットリウム珪酸塩を含むことを特徴とする請求項２０記載の物品。
【請求項２４】
前記中間層は、４０wt%〜８０wt%のムライト、２０〜６０wt%のカルシウムアルミノ珪酸塩を含むことを特徴とする請求項２０記載の物品。
【請求項２５】
前記基板と前記中間層との間にボンド層が形成されていることを特徴とする請求項１９記載の物品
【請求項２６】
前記ボンド層は、シリコンまたはSiO2であることを特徴とする請求項２５記載の物品。
【請求項２７】
前記中間層の厚みは、0.0127mm(0.5mil)以上であることを特徴とする請求項１９記載の物品。
【請求項２８】
前記バリア層の厚みは、0.0762mm(３mil)〜0.762mm(３０mil)であることを特徴とする請求項１または２記載の物品。
【請求項２９】
前記中間層の厚みは、0.0762mm(３mil)〜0.762mm(３０mil)であることを特徴とする請求項１８記載の物品。
【請求項３０】
前記中間層の厚みは、0.0762mm(３mil)〜0.127mm(５mil)であることを特徴とする請求項１８記載の物品。
【請求項３１】
前記ボンド層の厚みは、0.0762mm(３mil)〜0.1524mm(６mil)であることを特徴とする請求項２５記載の物品。
【請求項３２】
物品の製造方法であって、
シリコン含有基板を用意するステップと、
前記基板上にバリア層を形成するステップを有し、このバリア層は、前記基板に含まれるシリコンが水分が存在する環境下でSi(OH)２および／またはSiOを生成する高温においてガス状Si化合物の形成を防ぐものであり、また1.00モル以下のBaO、1.00モル以下のSrO、1.00モルのAl2O3、及び2.00モルのSiO2を主成分として含有し、BaOとSrOとの合計は1.00モルである、ことを特徴とする方法。
【請求項３３】
物品の製造方法であって、
シリコン含有基板を用意するステップと、
前記基板上にバリア層を形成するステップを有し、このバリア層は、前記基板に含まれるシリコンが水分が存在する環境下でSi(OH)２および／またはSiOを生成する高温においてガス状Si化合物の形成を防ぐものであり、また1.00モル以下のBaO、1.00モル以下の第２のアルカリ土類金属酸化物、1.00モルのAl2O3、及び2.00モルのSiO2を主成分として含有し、BaOと第２のアルカリ土類金属との合計は1.00モルである、ことを特徴とする方法。
【請求項３４】
前記バリア層の熱膨張係数は、前記基板の熱膨張係数の±3.0ppm／℃以内の値であることを特徴とする請求項３２または３３記載の方法。
【請求項３５】
前記バリア層の熱膨張係数は、前記基板の熱膨張係数の±0.5ppm／℃以内の値であることを特徴とする請求項３２または３３記載の方法。
【請求項３６】
前記バリア層を形成する前に、前記基板に対してグリットブラスト処理を行うステップを更に有することを特徴とする請求項３２または３３記載の方法。
【請求項３７】
前記グリットブラスト処理は、粒子サイズが３０ミクロン以下のアルミナパーティクルを用いてなされることを特徴とする請求項３６記載の方法。
【請求項３８】
前記グリットブラスト処理は、150m/s〜200m/sで行われることを特徴とする請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記バリア層は、溶射により形成されることを特徴とする請求項３２または３３記載の方法。
【請求項４０】
前記バリア層を形成する前に、前記基板を予め酸化してSiO2層を形成するステップを更に有することを特徴とする請求項３２または３３記載の方法。
【請求項４１】
前記基板を予め酸化してSiO2層を形成するステップは、８００℃〜１２００℃で１５分〜１００時間なされることを特徴とする請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
前記物品を１２５０℃で２４時間熱処理するステップを更に有することを特徴とする請求項３２または３３記載の方法。
【請求項４３】
前記熱処理は、前記バリア層を形成を形成した後に行われることを特徴とする請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
前記基板を８７０℃から１２００℃に維持して前記溶射を行うことを特徴とする請求項３９記載の方法。
【請求項４５】
前記バリア層の熱膨張係数は、前記基板の熱膨張係数の±3.0ppm／℃以内の値であることを特徴とする請求項４０記載の方法。
【請求項４６】
前記バリア層の熱膨張係数は、前記基板の熱膨張係数の±0.5ppm／℃以内の値であることを特徴とする請求項４０記載の方法。
【請求項４７】
前記バリア層は、0.10モル〜0.90モルのBaOと0.10モル〜0.90モルのSrOとを含むことを特徴とする請求項３２記載記載の方法。
【請求項４８】
前記バリア層は、0.25モル〜0.75モルのBaOと0.25モル〜0.75モルのSrOとを含むことを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項４９】
前記バリア層は、0.75モルのBaOと0.25モルのSrOとを含むことを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項５０】
前記バリア層は、0.10モル〜0.90モルのBaOと0.10モル〜0.90モルの第２のアルカリ土類金属酸化物とを含むことを特徴とする請求項３３記載の方法。
【請求項５１】
前記バリア層は、0.25モル〜0.75モルのBaOと0.25モル〜0.75モルの第２のアルカリ土類金属酸化物とを含むことを特徴とする請求項３３記載の方法。
【請求項５２】
前記バリア層は、0.75モルのBaOと0.25モルの第２のアルカリ土類金属酸化物とを含むことを特徴とする請求項３３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンを含有する基板と環境的／熱的保護バリアコーティング層として機能するバリア層とを有した物品に関する。特に、本発明は、物品が高温で水分が存在する環境にさらされた場合にSi化合物、特にSi(OH)Xの形成を防ぐバリア層に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコンを含有するセラミック材やシリコンを含有する金属合金を高温用途、例えばガスタービンエンジンや熱交換器、内燃機関エンジン等に用いることが提案されている。この材質の特に有用な用途は、水分が存在する高温環境で動作するガスタービンエンジンである。これらのシリコンを含有するセラミック材や金属合金は、一般にシリコン含有基板あるいはシリコン含有サブストレートと称される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このシリコン含有基板は、高温でかつ水分が存在する環境にさらされた場合、揮発性のSi化合物、特にSi(OH)XやSiOを形成し、その結果、縮みや質量損失が生じるおそれがあることが見いだされている。例えば、シリコンカーバイドは、１２００℃で圧力約１ATMの水蒸気が存在する希薄燃料環境下に曝されると、質量が減少し、１０００時間で約６mil(0.1524mm)縮小する。この現象の発生プロセスには、シリコンカーバイドが酸化してシリカがシリコンカーバイド表面に形成され、その後にシリカとスチームとが反応して、Si(OH)x等の揮発性シリコン化合物が形成されると信じられる。当然ながら、Si(OH)xやSiO等の揮発性シリコン化合物の形成を防ぐことのできる、シリコン含有基板のための外部バリアコーティングを提供し、これにより縮みや質量損失を防ぐことが非常に望ましい。
【０００４】
従って、本発明は、高温で水分が存在する環境にさらされたときにおけるガス状Si化合物の形成、特にSi(OH)xの形成を防ぐためのバリア層が形成されたシリコン含有基板を有する物品を提供することを主な目的とする。
【０００５】
また、本発明は、基板の熱膨張係数に非常に近い、熱的保護を与えるバリア層が形成された基板を有する物品を提供することをも目的とする。
【０００６】
更に、本発明は、上述の物品を製造するための方法を提供することも目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、バリア層が形成されているとともにシリコン含有基板を有する物品に関し、このバリア層は、該物品が高温で水分が存在する環境にさらされたときに望ましからざるガス状シリコン化合物が形成されることを防ぐとともに、熱的保護をも提供する。
【０００８】
ここでいう高温とは、基板に含まれるシリコンが、水分が存在する環境下でSi(OH)x及び/またはSiOを生成する温度をいう。また、水分が存在する環境とは、水及び/またはスチームが存在する環境をいう。シリコンを含有する化合物は、好適には、シリコンを含有するセラミックまたはシリコンを含有する金属や合金をいう。外部バリア層は、その熱膨張係数が、シリコン含有基板の熱膨張係数の±3.0ppm／℃にあることを特徴とする。本発明に係る好適なバリア層は、バリウムアルミノ珪酸塩で、好適には、バリウム-アルカリ土類アルミノ珪酸塩であって、好適には、アルカリ土類金属としてはストロンチウムを用いる。本発明の好適実施形態では、上述の物品においては、シリコンベースの基板とバリア層との間に一層またはそれ以上の中間層を設けることが可能となっている。中間層によって、バリア層と基板との間の接着性の向上及び/またはバリア層と基板との間の反応の抑制が得られる。
【０００９】
本発明は、更に、シリコン含有基板とバリア層とを有する物品の製造方法に関し、上述したように、このバリア層は、物品が高温で水分が存在する環境にさらされたときに、ガス状シリコン化合物の形成の抑制及び/または熱からの保護を行う。また、グリットブラスト処理は、約150/m/s〜約200/m/sで行うことが好ましい。
【００１０】
本発明の更なる目的及び利点は、以下の実施形態の記述により明らかとされる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、バリア層とシリコン含有基板を有する物品に関し、このバリア層は、該物品が高温で水分が存在する環境にさらされたときに望ましからざるシリコンガス状化合物が形成されることを防ぐものである。また、本発明は、このような物品の製造方法にも関する。加えて、このバリア層は特に環境的バリア層に関するものの、該バリア層は、熱バリア層としても機能する。従って、本発明は、シリコン含有基板や同等の熱膨張係数を有する基板上に形成された環境的／熱的バリア層、その製造、使用等を広く包含するものである。
【００１２】
本発明によれば、シリコン含有基板は、シリコン含有セラミック基板やシリコン含有金属合金とすることもできる。好適実施形態においては、シリコン含有基板は、シリコン含有セラミック材、例えばシリコンカーバイド(silicon carbide)、シリコン窒化物(silicon nitride)、シリコンカーバイドニトリド(silicon carbide nitride)、シリコンオキシニトリド(silicon odxynitride)、シリコンアルミニウムオキシニトリド(silicon aluminum oxynitride)としている。本発明のある実施形態においては、シリコン含有セラミック基板は、ファイバーやパーティクル等の強化材を含有したシリコン含有マトリクスが用いられ、より具体的には、繊維強化されたシリコンベースマトリクスが用いられる。特に好適なセラミック基板としては、シリコンカーバイドコートされたシリコンカーバイド繊維強化シリコンカーバイドパーティクル及びシリコンマトリクス(silicon carbide coated silicon carbide fiber-reinforced silicon carbide particle and silicon matrix)、カーボン繊維強化シリコンカーバイドマトリクス(carbon fiber-reinforced silicon carbide matrix)、及びシリコンカーバイド繊維強化シリコンニトリドマトリクス(silicon carbide fiber-reinforced silicon nitride matrix)が挙げられる。本発明に係る物品の基板として用いるのに特に有用なシリコン−金属合金としては、モリブデン−シリコン合金、ニオブ−シリコン合金、及び本発明に係るバリア層に適合する(問題なく使用できる程度に近い)熱膨張係数を有するその他のシリコン含有合金を用いることができる。
【００１３】
本発明に係る物品に特に有用なバリア層としては、アルカリ土類金属のアルミノ珪酸塩が挙げられる。好適な実施形態においては、バリウムアルミノ珪酸塩、バリウム−アルカリ土類金属アルミノ珪酸塩、特に、バリウム−ストロンチウムアルミノ珪酸塩が好適である。好適な一実施形態においては、バリア層は、約１モル以下(約0.00〜1.00モル)のBaO、約１モル以下(約0.00〜1.00モル)の第２のアルカリ土類金属の酸化物、好適にはSrO、約1.00モルのAl2O3、及び約2.00モルのSiO2を含有し、ここで、BaOと第２のアルカリ土類金属(SrO)との合計は約1.00モルとなるようにされている。本発明に係る好適なバリア層は、0.10モル〜約0.90モル、好適には約0.25〜約0.75モルのBaOと、0.10モル〜約0.90モル、好適には約0.25〜約0.75モルのSrOと、1.00モルのAl2O3と、約2.00モルのSiO2とを含有し、BaOとSrOとの合計は約1.00モルとなるようにされている。本発明に係る物品におけるシリコン含有セラミック組成物に用いるのに特に好適なバリア層は、約0.75モルのBaO、約0.25モルのSrO、約1.00モルのAl2O3、約2.00のSiO2を含有する。
【００１４】
本発明では、シリコン含有基板とバリア層それぞれの熱膨張係数を、互いに適合する値、即ち近い値に維持することが重要な特徴となっている。本発明によれば、バリア層の熱膨張係数は、シリコン含有基板の熱膨張係数と比較して、１℃あたり±3.0ppm以内の値とすべきであり、好適には、１℃あたり±0.5ppm以内の値とする。シリコン含有セラミック基板、例えばシリコンカーバイドまたはシリコンニトリドマトリクス等を、上述のように強化ファイバーを含有させてあるいは含有させずに、本発明に係る好適なバリウム−ストロンチウムアルミノ珪酸塩バリア層とともに用いる場合、バリア層に安定な重土長石型結晶質構造を少なくとも５０wt%形成することが必要である。これは、バリア層の構造一体性と、シリコン含有基板とバリア層との間の熱膨張係数に関して所望の熱的適合性と、の双方が確実に得られるようにするために必要となっている。バリウム−ストロンチウムアルミノ珪酸塩バリア層の結晶構造は、後述するように、好適な処理を適用しかつ熱処理を行うステップにより得られる。
【００１５】
物品におけるバリア層は、約0.0127mm(0.5mil＝0.0005インチ)以上、好適には約0.0762mm(３mil)〜約0.762mm(３０mil)で、更に好適には約0.0762mm(３mil)〜約0.127mm(5mil)とする。バリア層は、シリコンベース基板上に、適宜任意の従来の手法によって形成することができるが、好適には、バリア層は、後述するように溶射(thermal spray)により形成する。
【００１６】
本発明の他の実施形態においては、シリコン含有基板とバリア層との間に、中間層が設けられる。この中間層により、バリア層と基板との間の接着力向上及び/またはバリア層と基板との間の反応の抑制がなされる。例えば、中間層は、SiO2、ムライト、ムライト−バリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩、ムライト−イットリウム珪酸塩、ムライト−カルシウムアルミノ珪酸塩、及び金属シリコン(silicon metal)により形成することができる。特に、ムライトは、中間層として好適であることがわかった。しかし、ムライト自体は、溶射ステップの結果としてクラックを生じる傾向がある。従って、バリア層は、好適には、ムライト−バリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩、ムライト−イットリウム珪酸塩、またはムライト−カルシウムアルミノ珪酸塩とし、約４０wt%〜約８０wt%をムライト、約２０〜６０wt%をバリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩又はイットリウム珪酸塩又はカルシウムアルミノ珪酸塩とする。中間層の厚みは、上述のバリア層に関する厚みと同様であり、また、中間層の形成も、同様に従来の手法により行うことができ、好適には、後述するように溶射により行う。
【００１７】
中間層に加えて、シリコン含有基板と中間層との間にボンド層を形成してもよい。好適なボンド層としては、膜厚約0.0762mm(３mil)〜約0.1524mm(６mil)のシリコンが挙げられる。あるいは、シリコン含有基板をSi02ボンド層が得られるように予め酸化させた後に中間層を形成するようにしてもよい。
【００１８】
本発明に係る方法では、バリア層とシリコン含有基板部を有する物品が提供される。このバリア層は、該物品が高温で水分が存在する環境にさらされたときに望ましからざるガス状シリコン化合物が形成されることを防ぐものである。本発明において、バリア層は、溶射により形成することが望ましい。バリア層は、溶射されてスプラットクエンチされたマイクロストラクチャーを平衡状態とするため、また、層間剥離を防ぐための張力を調整するための手段を得るために、約８７０℃〜１２００℃で溶射を行うべきであることが見いだされた。
【００１９】
本発明に係る方法により得られた物品が、バリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩バリア層が形成されたシリコン含有セラミックである場合、好適には、バリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩バリア層は、重土長石型結晶構造(celsian crystallographic structure)がこのバリア層に少なくとも５０vol％含まれるようにすることが好ましい。重土長石型結晶構造相を成長させることで、上述のように、シリコン含有セラミックとバリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩バリア層との間で熱膨張係数が確実に適合されるようになる、即ち、両者を共に用いることができるまでに熱膨張係数が互いに近い値となることが確実となる。
【００２０】
バリア層を形成する前に、基板の製造時に混入した異物が除去されるようにシリコン含有基板の清浄化を行うことが好ましい。好適には、バリア層を形成する前にシリコンベースの基板をグリットブラスト処理する。このグリットブラスト処理ステップは、シリコンカーバイド繊維強化組成物等のようなシリコン含有基板の表面が損傷を受けることがないように、注意深く行わなければならない。グリットブラスト処理に用いられるパーティクルは、望ましからざる異物を除去するに十分な硬度を有し、かつ、浸食により基体の材質が除去されるまでには硬くないことが必要であることがみいだされた。更に、パーティクルは、基体に対しての衝突のダメージを抑えるように小さくせねばならない。シリコンカーバイドセラミック組成物を基板として用いた物品を処理する場合、グリットブラスト処理は、Al2O3パーティクルで行うべきであり、好適には、パーティクルサイズを３０μｍ以下とし、パーティクルの速度は約１５０〜２００m/secとする。これらに加えて、接着性を向上するために、中間層及び/またはバリア層の形成を行う前に、シリコンベースの基板を予め酸化することが特に有用である。また、接着層は、１００nm〜２０００nmとすることが好適であることが見いだされた。シリコン−カーバイド基板を８００℃〜１２００℃で約１５分〜１００時間にわたって酸化することで、SiO2接着層をこのような所望の厚みとすることができる。
【００２１】
シリコン接着層は、グリットブラスト処理された表面に、膜厚約0.0762mm(３mil)〜約0.1524mm(６mil)となるように８７０℃で直接溶射を行うことで形成することもできる。
【００２２】
上述したバリア層の場合と同様にして溶射を行うことにより、基体及び/またはボンド層と、バリア層と、の間に中間層を形成するか、あるいは、ボンド層とバリア層との間に中間層を形成することも可能である。上述したように、好適な中間層としては、ムライト、ムライト−バリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩、ムライト−イットリウム珪酸塩、ムライト−カルシウムアルミノ珪酸塩等が挙げられる。
【００２３】
シリコンベースの基板上に所望の層を形成した後に、物品に対して熱処理を行う。この熱処理は、溶射構造の応力緩和、溶射されたパウダー状のパーティクル間の接着の促進や各層と基体との間の接着の促進、及び溶射した時点では実質的にアモルファス状態であるBSASバリア層(バリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩バリア層)への重土長石型結晶構造の出現がそれぞれなされるように行われる。この熱処理ステップは、約１２５０℃で２４時間行われる。
本発明に係る物品の利点は、以下の実施例により明らかとされる。
【００２４】
実施例１
図１に、高濃度スチーム(high steam)、希薄燃焼条件とした同時燃焼環境下、室温と１２００℃との間での熱サイクルを２５０サイクル行うことで、加熱プレスされて0.75BaO・0.25SrO・Al2O3・２SiO2の組成を有するBSASのバルク試験体を、シリコンカーバイドと比較した結果を示す。その結果、シリコンカーバイドでは８mg／cm２の質量損失が生じたのに対し、BSASにおいては、質量損失は0.4mg／cm２以下と非常に小さいことが示された。この結果から、シリコンカーバイドはこの環境下では不安定であり、一方BSAS系は、これに比較して非常に安定であることがわかった。
【００２５】
実施例２
図２に、SiC組成物上にコーティングされて0.75BaO・0.25SrO・Al2O3・２SiO2の組成を有する厚さ0.1016mm(4mil)のBSASの断面の写真を示す。このBSASは、シリコンカーバイド組成物上に以下のパラメータに示される条件で溶射された。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
コーティングに先立って、27ミクロンのアルミナパーティクルを用いて衝突速度150〜200mpsのグリットブラスト処理によって基板を清浄化した。図２に示されるように、本発明によって、優れたバリア層構造が得られている。
【００２８】
実施例３
図３に、シリコンカーバイド組成物上にシリコン層、厚さ0.1016±0.0254mm(４±１mil)のムライト／BSAS中間層、0.75BaO・0.25SrO・Al2O3・２SiO2バリア層がこの順に形成されたBSASの断面図を示す。以下のパラメータを用いてこのコーティングを形成した。
【００２９】
【表２】
0003723719.tif 000003
【００３０】
コーティングに先立って、27ミクロンのアルミナパーティクルを用いて衝突速度150〜200mpsのグリットブラスト処理によって基板を清浄化した。図３に示されるように、本発明によって、優れたバリア層構造が得られている。
【００３１】
実施例４
BSAS(バリウムストロンチウムアルミノ珪酸塩)ベースバリア層コーティング系のコーティングを、後述する中間層を有する各シリコンカーバイド組成物基板上に行った。このコーティングは、コーティングを行っていない炭化水素組成物(98-17A)とともに、ガスタービンエンジン内で生じる状態と同様の高圧、燃焼環境でのバーナーリグテストを行った。すべてのサンプルにおいてBSASコーティングの組成は、0.75BaO・0.25SrO・Al2O3・２SiO2とした。
BSASコーティングは、厚み0.1016±0.0254mm(４±１mil)で、中間層の厚みも0.1016±0.0254mm(４±１mil)として、後述する溶射により形成した。これらのコーティングは、ムライト上に形成されたBSAS(BSAS on mullite)(98-17C)、ムライトにBSASを加えてその上に形成されたBSAS(BSAS on mullite plus BSAS)(98-17B,98-17D)よりなる。試験条件は、テスト温度１２００℃で２００時間、燃料／空気比を0.053として６気圧下で行った。２００時間試験を行った結果、コーティングしていない基板では約６５mgの重量減少がみられ、一方コーティングを行ったものでは重量が増加指定が。このことは、重量変化から、コーティングが基板を保護したことを示している。これらの例では、接着コート(ボンディングコート)は用いなかった。溶射パラメータは以下の通りである。
【００３２】
【表３】
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【００３３】
図４に示されるように、本発明のバリア層により優れた効果が得られた。
【００３４】
実施例５
重土長石含有量の異なる0.75BaO・0.25SrO・Al2O3・２SiO2のBSAS系物質における熱膨張係数(coefficient of thermal expansion:CTE)を測定した。重土長石成分は、BSASのホットプレス試験片(hot press coupons)のｘ線解析によって測定された。熱膨張係数に対しての重土長石成分の影響は以下のとおりであった。
【００３５】
【表４】
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【００３６】
本発明は、その趣旨及び本質的特徴を逸脱することなく上述した形態とは異なる形態でも実施可能である。従って、上述の実施形態は、単に例示的なものと解すべきものであり、本発明の特許請求の範囲に記載された範囲を何ら制限するものではない。等価とみなされる範囲内の変更は、すべて特許請求の範囲に包含されるものである。
尚、本発明は、ＮＡＳＡとの契約No.NAS3-26385に基づいて米国政府の支援の元になされたものであり、米国政府もこの発明に相応の権利を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るバリア層の縮み及び/または質量損失に対しての安定性を示すグラフ。
【図２】炭化水素基板上の本発明に係るバリア層のサンプルの状態を示す顕微鏡写真。
【図３】本発明に係るバリア層の、シリコンカーバイド基板上の中間層に形成された状態でのサンプルの状態を示す顕微鏡写真。
【図４】本発明に係るバリア層の３種の化合物の、高温で水分が存在する状態での質量損失に対する効果を示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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