(57)【要約】【課題】  ケイ素基材の機械的特性に悪影響を及ぼすことがないボンドコートを提供する。【解決手段】  ケイ素基材（１２）用のボンド層（１４’）は、第１の相（３０）と第２の相（４０）との混合物を含み、第１の相（３０）は、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第２の相（４０）は、高融点金属酸化物を形成する金属、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、およびこれらの混合物からなる群から選択される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンド層が第１の相と第２の相とを含み、第１の相は、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第２の相は、高融点金属酸化物を形成する金属、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とするケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項２】
第１の相は、クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、およびアルカリ土類金属のそれぞれの酸化物；クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、およびアルカリ土類金属のそれぞれのケイ酸塩；およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項３】
第２の相は、クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、アルカリ土類金属、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項４】
第１の相は、実質的に連続する相を含むことを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項５】
第２の相は、不連続な粒子を含むことを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項６】
第１の相は、第２の相に分散された不連続な粒子を含むことを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項７】
第１の相は、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項８】
第２の相は、ケイ素であることを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項９】
第２の相はケイ素であることを特徴とする請求項７記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項１０】
前記粒子は、３よりも大きい表面積対体積比（ｃｍ2／ｃｍ3）を有することを特徴とする請求項５または６に記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項１１】
前記粒子は、３０よりも大きい表面積対体積比（ｃｍ2／ｃｍ3）を有することを特徴とする請求項５記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項１２】
前記粒子は、３００よりも大きい表面積対体積比（ｃｍ2／ｃｍ3）を有することを特徴とする請求項５記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項１３】
前記粒子は、０．０５〜４．００ミルの平均粒径を有することを特徴とする請求項５記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項１４】
前記粒子は、０．１０〜２．００ミルの平均粒径を有することを特徴とする請求項５記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項１５】
保護層をさらに含み、この保護層は、第１の相と第２の相とを含み、第１の相は、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第２の相は、高融点金属酸化物を形成する金属、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項１６】
前記ボンド層は、前記ケイ素基材に直接被覆されていることを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項１７】
前記ケイ素基材と前記ボンド層との間に少なくとも１つの中間層が設けられていることを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項１８】
前記ボンド層と前記保護層との間に少なくとも１つの中間層が設けられていることを特徴とする請求項１５記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項１９】
前記保護層の上にトップ層が設けられていることを特徴とする請求項１８記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項２０】
前記トップ層は、熱膨張係数調節剤を含むことを特徴とする請求項１９記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項２１】
前記熱膨張係数調節剤は、酸化ニオブであることを特徴とする請求項２０記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項２２】
前記ケイ素基材は、窒化ケイ素であることを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項２３】
第１の相は、１０〜９０体積％の量で含まれ、残部が第２の相であることを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【請求項２４】
第１の相は、３０〜７０体積％の量で含まれ、残部が第２の相であることを特徴とする請求項１記載のケイ素基材とボンド層とを含む物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、ケイ酸イットリウム、または酸化アルミニウムなどの他の高融点金属酸化物を含むバリヤ層１６と、例えば酸化ジルコニウムなどの耐熱性酸化物および／またはケイ酸塩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システムは、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、窒化ケイ素などのケイ素基材のいくつかでは、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。
【特許文献１】米国特許第５９８５４７０号明細書
【特許文献２】米国特許第６２９６９４１号明細書
【特許文献３】米国特許第６２９６９４２号明細書
【特許文献４】米国特許第６３５２７９０号明細書
【特許文献５】米国特許第６３８７４５６号明細書
【特許文献６】米国特許出願第１０／３４６７７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
従って、本発明の主な目的は、ケイ素基材の機械的特性に悪影響を及ぼすことがないボンドコートを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の目的は、ケイ素基材用のボンド層が第１の相と第２の相との混合物を含む本発明によって達成され、第１の相は、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第２の相は、高融点金属酸化物を形成する金属、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、およびこれらの混合物からなる群から選択される。
【０００７】
本発明は、従来技術に対して種々の利点を有する。第一に、密で連続的なケイ素層に関連する割れがなくなる。従来技術では、ケイ素層の割れによって、基材を損なう応力が上昇してしまう。第二に、耐熱性酸化物層に高融点金属酸化物の構成物が分散することによって、基材の酸化が制御されるとともに制限される。第三に、本発明のボンド層に含まれる分散金属相の酸化によって、層の厚さにわたって酸化生成物の拡散領域が形成される。これは、酸化物の構成物が層にわたって分散されるだけでなく、酸化過程でガス状の副酸化物が発生しうるからである。このことは、従来技術に比べて有利である。従来技術では、ケイ素層の酸化が、ケイ素層と近接する層との間の境界面においてケイ素層の表面に密で連続的な酸化層が成長することにつながっていた。この成長層には、隣接層の特性と大きく異なる一連の材料特性が集中するので、被膜に対して破壊的な影響を有する。本発明は、ボンド層の厚さにわたって酸化物の成長を拡散させるとともに、連続的な酸化物（ｓｃａｌｅ）の形成を防止する。よって、特性の勾配が緩やかになり、これにより耐久性がより良好になる。
【０００８】
その他の目的や利点は、以下に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図２を参照すると、本発明は、ケイ素基材１２とボンド層１４’とを含む物品１０に関する。ボンド層１４’は、ケイ素基材１２に直接被覆することができ、またはボンド層１４’とケイ素基材１２との間に酸化ケイ素の中間層または他の中間層を設けることもできる。
【００１０】
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、酸窒化ケイ素アルミニウム、およびケイ素を含むモルブデンやニオブ合金などのケイ素を含むセラミック材料である。
【００１１】
本発明によると、ボンド層１４’は、第１の相３０と第２の相４０とを含み、第１の相は、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる群から選択され、第２の相は、高融点金属酸化物を形成する金属、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびこれらの混合物からなる群から選択される。第１の相は、好ましくは、クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、およびアルカリ土類金属のそれぞれの酸化物；クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、アルカリ土類金属のそれぞれのケイ酸塩；およびこれらの混合物からなる群から選択される。第２の相は、好ましくは、クロム、ケイ素、タンタル、ニオブ、ハフニウム、イットリウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、希土類金属、アルカリ土類金属、およびこれらの混合物から選択される。第１の相としては、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、およびこれらの混合物が特に有用である。さらに、第２の相の高融点金属酸化物を形成する金属には、ケイ素含有金属が特に有用であることが分かった。
【００１２】
第１の相は、１０〜９０体積％、好ましくは３０〜７０体積％の量で含まれ、残部は第２の相である。６０体積％よりも多くの量で含まれる相は、連続した相として現れ、他方の相は不連続な粒子として現れうる。よって、図２に示すように、体積％が低い方の相は、分散された粒状材料４０、すなわち粒子、ホイスカ、繊維などとして含まれうる。不連続な粒子は、０．０５〜４．００ミル、好ましくは０．１０〜２．００ミルの平均粒径を有する。さらに、粒状材料は、３よりも大きい、好ましくは３０よりも大きい、理想的には３００よりも大きい表面積対体積比（ｃｍ2／ｃｍ3）を有する。各々の相の体積％が５０体積％に近づくと、連続した相が現れず、両方の相の不連続な分散粒子が分散した状態で基材に付着して現れる。これらの粒子は、溶射などの周知の技術によって基材に施される。
【００１３】
本発明の物品は、バリヤ層などを形成する層１６や、層１８などの他の保護層などの中間層を含みうる。これらの層のいずれかまたは両方を、上述した本発明の２相を含む層として形成可能であり、すなわち、高融点金属酸化物、高融点金属ケイ酸塩、およびこれらの混合物からなる第１の相と、高融点金属酸化物を形成する金属、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびこれらの混合物から選択される第２の相と、を含むように形成可能である。また、中間層および保護層は、例えば、特許文献１〜５などに開示された従来技術で周知のバリヤ層を含むことができる。さらに、隣接する層に対して熱膨張係数を調節するために、これらの層のどれかに熱膨張係数調節剤を加えることができる。このような熱膨張係数調節剤（ＣＴＥ）は、特許文献６に開示されている。この調節剤は、酸化ニオブである。
【００１４】
本発明の物品の利点は、以下の実施例を検討することで明らかになる。
【実施例】
【００１５】
ボンド層の被膜が、標準的な溶射技術を使用して窒化ケイ素片に形成された。被膜粉末は、原料をスプレイドライして適切な溶射粉末となるように造粒することによって準備した。溶射は、約３０ｋｗの電力レベルでアルゴン／水素の溶射アークガスを使用することでなされた。窒化ケイ素基材片は、材料の従来の４点曲げ強度の測定に使用される４点曲げバー試験の説明であるＡＳＴＭ  Ｃ１１６４−９４に従った寸法とされた。毎回、約１２５ミクロン（５ミル）のボンド層被膜が基材上に被覆された。従って、窒化ケイ素上に一連のボンド層被膜が形成された。これらの被膜は、本発明の第１の相および第２の相の混合物の例であり、具体的な実施例は、ムライトまたは酸化ニオブの第１の相にケイ素含有金属の第２の相が含まれたものからなる。図３は、４点曲げ強度の試験結果を示している。第１の相がない場合、すなわち被膜にケイ素のみが含まれる場合には、窒化ケイ素の曲げ強度は、被膜されていない窒化ケイ素基材の曲げ強度に比べて約５０％減少する。しかし、ムライトまたは酸化ニオブである第１の相を追加していくことによって第２の相の成分が減少していくと、曲げ強度が大きく増加して元の被膜されていない窒化ケイ素の曲げ強度に近づいた。
【００１６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術に係る複合物の概略説明図である。
【図２】本発明に係る複合物の一実施例の概略説明図である。
【図３】本発明に係るボンドコートの影響を示す４点ボンド試験の結果のグラフである。
【符号の説明】
【００１８】
１０…物品
１２…ケイ素基材
１４’…ボンド層
１６…バリヤ層
１８…トップ層
３０…第１の相
４０…第２の相
【図１】
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【図２】
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【図３】
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