(57)【要約】 【課題】  ケイ素基材の機械的特性を損なわないボンドコートを提供する。【解決手段】  ケイ素基材用のボンド層は、約０．１〜２０ミクロンの厚さを有する耐熱性酸化物を形成する金属を含む。この耐熱性酸化物を形成する金属は、クロム、タンタル、ニオブ、ケイ素、白金、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を含む。【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、０．１〜１０ミクロンの厚さを有する耐熱性酸化物を形成する金属を含む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】
前記耐熱性酸化物を形成する金属は、クロム、タンタル、ニオブ、ケイ素、白金、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３】
前記物品は、追加の層を含み、この層は、バリウムおよびストロンチウム基のアルミノケイ酸塩、希土類ケイ酸塩、ケイ酸イットリウム、およびハフニウム、アルミニウム、タンタル、およびニオブのそれぞれの酸化物、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２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またはケイ酸イットリウムのいずれか、またはハフニウム、アルミニウム、タンタル、およびニオブのそれぞれの酸化物などのその他の高融点金属酸化物を含むバリヤ層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、窒化ケイ素などのいくつかのケイ素基材では、室温での４点曲げ強度試験におけるかなりの減少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】
よって、本発明の主な目的は、ケイ素基材の機械的特性を損なわ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、０．１〜２０ミクロンの厚さを有する耐熱性酸化物を形成する金属を含む本発明によって達成される。耐熱性酸化物を形成する金属は、クロム、タンタル、ニオブ、ケイ素、白金、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。
【０００７】
従来技術に対する本発明の利点は、室温での曲げ試験によって明らかなように、密で連続的なケイ素層に関連する割れがなくなることである。
【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】
本発明は、ケイ素基材とボンド層とを含む物品に関する。ボンド層は、ケイ素基材に直接被覆することができ、またはボンド層とケイ素基材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、および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の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、ボンド層は、約０．１〜２０ミクロンの厚みを有する耐熱性酸化物を形成する金属を含む。耐熱性酸化物は、クロム、タンタル、ニオブ、ケイ素、白金、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。２０ミクロンよりも薄い層は、スパッタリング技術、または化学蒸着や物理蒸着などの他の技術によって被覆可能である。
【００１２】
本発明の物品は、中間層、バリヤ層、および他の保護層などを含む追加の層を含みうる。これらの層は、バリウムおよびストロンチウム基のアルミノケイ酸塩、希土類ケイ酸塩、ケイ酸イットリウム、およびハフニウム、アルミニウム、タンタル、およびニオブのそれぞれの酸化物、およびこれらの混合物からなる材料を含む。また、中間層および保護層は、例えば、特許文献１〜５に開示された従来技術で周知のバリヤ層を含みうる。さらに、これらの層は、隣接する層に対して熱膨張係数を調節するために熱膨張係数調節剤を含みうる。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。
【００１３】
本発明の物品の利点は、以下の実施例の検討によって明瞭となる。
【実施例】
【００１４】
標準的な溶射技術を使用して２０ミクロンよりも厚い被膜を形成するとともに、標準的なスパッタリング技術を使用して２０ミクロンよりも薄い被膜を形成するように、ボンド層の被膜を窒化ケイ素片に被覆した。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してなされた。スパッタリングは、ケイ素のターゲットを使用してなされ、スパッタリングリグは、９ｍｔｏｒｒの圧力のアルゴンガスでＲＦダイオードモードで作動された。窒化ケイ素の基材片は、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。種々の被膜厚さを有する一連のボンド層被膜が、窒化ケイ素上に形成された。これらの被膜は、本発明の薄いボンド層の例であり、特定の例ではケイ素含有金属であった。図２は、４点曲げ強度の試験結果を示している。厚いケイ素ボンド層では、被覆されていない窒化ケイ素基材に比べて窒化ケイ素の曲げ強度が約５０％減少した。しかし、ボンド層の厚さが減少されるに従って、曲げ強度が大きく増加し、被覆されていない元の窒化ケイ素の曲げ強度に近づいた。図２から分かるように、１０ミクロン以下のボンド層厚さでは、曲げ強度の減少値（ｄｅｂｉｔ）は１０％よりも小さい。
【００１５】
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】
【００１６】
【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。
【図１】
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【図２】
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