JPH0247359A - 複合構造とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属マトリックスの中にセットされて、それに
より強力で軽量の複合構造を生ずるセラミック繊維に関
する。

本発明はさらに前記種類のセラミック繊維を含む金属マ
トリックス複合材をも含む。

航空宇宙産業は常に、より軽量で、しかも今日公知の材
料と少なくとも等しい強度の材料を探し求めている。こ
の方向への一歩は、単に実例としてであるが、チタンお
よびチタン系合金の採用であった。軽量と強度は得られ
たが、周囲の環境条件における材料表面の反応のために
、加工上、かなりの経費と困難性を伴つた。

次の一歩は強度を失うことなく、できれば強度を増しな
がら、製品構造の体積当りの軽量金属の体積を減するこ
とに向けられ、この目的のために、除去された金属の部
分にセラミック繊維が代用された。このような複合材の
一例は、シリコンカーバイド繊維をチタンの中に埋め込
んだものである。

しかし、チタンが界面を通って拡散する結果、繊維は急
激に劣化した。

拡散の問題を対決する一つの試みは、シリコンカーバイ
ド繊維にカーボンに富んだ外層を与えることであった。

繊維へのチタンの拡散は鈍化した。

本発明の一局面は、繊維が埋め込まれたマトリックス材
の拡散に対する抵抗力を強めた、改良被膜を有するセラ
ミック繊維を与えることを目的とする。

本発明の一局面によれば、セラミック繊維は、内層被膜
が熱力学的に安定な酸化物を生ずる金属であり、外層被
膜がその金属の、その安定酸化物である、２重被膜を含
む。

さらに本発明は、熱力学的に安定な酸化物を生ずる金属
の第１の内層被膜と、その金属の、その安定酸化物であ
る第２の外層被膜とを有するセラミ・２り繊維を含む、
チタンまたはチタン合金のマトリックスを有する金属マ
トリックス複合構造を与える。

本発明のいま一つの局面によれば、拡散被膜を有するセ
ラミック繊維を与える方法は、イツトリウム、ハフニウ
ムおよびジルコニウムを含む族の中の金属で繊維を包み
、つぎにその金属被膜にその金属の酸化物をかぶせる段
階を含む。

以下に添付図面を参照しつつ、実例により本発明を説明
する。

第１図を参照する。細長いシリコンカーバイド繊維がチ
タン１２のマトリックスの中に配置される。

全体は薄板の形での複合構造を与える。

繊維１０の各々は、タングステンまたはカーボンから構
成されることのできる支持心線１４を有する。

各繊維１０はまた２重被膜に包まれ、その外層被膜１６
は苛酷な条件、殊に高温の環境の下で安定な酸化物を生
ずることのできる金属である。外層被膜１８はその金属
の安定酸化物である。

酸化物の被膜１８はチタンが界面を通過して、究極的に
はセラミック繊維の中に拡散するのを防止する働きがあ
る。そのような拡散は、もしも発生すると、セラミック
を劣化させ、結果的に、そのセラミックが一部を形成す
る複合構造の実用寿命を著しく短縮する。従って、酸化
物１８は、そのイオン形成がチタンのイオン形成に対し
て抑止を生ずるような種類のものでなければならないこ
とになる。よって、陽イオン間の電荷の差とイオン半径
の大きさの差とが拡散の過程を促進するので、陽イオン
の自己拡散性は低くなければならず、イオン半径はでき
るだけマトリックス材のイオン半径と同等近くでなけれ
ばならない。

次表に、適切な酸素親和力を有し、その酸化物が上記の
所要のイオン特性を有する幾つかの金属を例示する。

熱力学および拡散のデータ の要約 つぎに第２図を参照する。　１０００″Ｋから１２００
°Ｋまで変えられた温度にて１０００時間の期間にチタ
ンとイツトリアとの間でなされるであろう反応の量につ
いて行われた計算の結果からグラフを作成した。

拡散値が被膜の厚さの関数としてプロットされ、一定期
間における反応は温度が高いと著しく増加することが判
る。このことは、後述するように製造モードに成る影響
を与える。しかし、このグラフはまた、保護被膜の厚さ
が少なくとも０．７μであるならば、少なくとも１１０
０’Ｋまでは、反応層は約０．０２μに保たれることを
も示す、イツトリア層は第１図のイツトリウム被膜１６
を包むイツトリア被膜１８に相当する。２つの被膜、を
用いることから、２重の利点が得られる。一つの利点は
、イツトリウムの内層被膜１６がイツトリアの外層被膜
１８よりも柔軟性があるので、使用中に成る程度の衝撃
荷重を吸収するのに役立つことである。イツトリアの外
層被膜は脆いかも知れない。しかし剥離が生ずるとして
も、イツトリウムの新鮮な被膜が露出して急速に酸化す
るので、事実上、自然回復性被膜を与える。

イツトリウムは繊維の上にプラズマスパッター被膜され
る。しかし、イツトリアはイツトリウムの上に同じ方法
で被膜されるか、またはその代りに、イツトリウム被膜
された繊維に従来の酸化物生成熱処理を施こすか、また
は単にイツトリウム被膜繊維をマトリックス材で覆って
イツトリウムがそれから酸素を吸収するようにさせて、
イツトリアをイツトリウムの上に適用する。発生する応
力を成る程度制御することができるので、プラズマスパ
ッタリングの方が望ましい。つまり、スパッタされた被
膜に圧縮応力が発生し、これが、被膜の熱膨張係数が繊
維のそれと異なる場合に、冷却に際して発生するかも知
れない引張りのフープ応力に対抗する。

前記の何れかの材料とその酸化物を前記のように被覆し
たシリコンカーバイド繊維を埋め込んだチタン・マトリ
ックス材から成る複合構造は幾つかの方法のうちの任意
の一つにより製造されることができる。例えば、チタン
の薄板を、その密着面の各組の間に細長い被膜繊維１０
をはさんで、重ね合せる。つぎにこの組立体を不活性ふ
ん囲気の中に包んで、適切な期間をかけて圧力と温度に
さらして、チタン薄板の拡散結合を起こさせるものであ
る。しかし欠点は、この方法では、組立体を時間単位の
期間に高温にさらす必要があることである。これは、第
２図で推論されるように、チタンと被膜の間に過度の反
応を促す可能性がある。

いま一つの方法は、被膜繊維１０の配列を含んだ型の中
に、これも不活性ふん囲気の中で溶融チタンを射出する
ことから成る。これにも高温度が使用されるが、冷却期
間が、拡散結合を採用する時に必要な曝露時間に比較し
て、曝露時間を短くする。

いま一つの、そして望ましい方法は、銅のヒートシンク
（ｈｅａｔ　５ｉｎｋ）　　（図示せず）の上に１枚の
チタン薄板を横たえ、薄板の上面に被膜繊維１０を配置
し、繊維１０を所要の厚さで覆うように、この組立体上
にチタンを真空プラズマ・スプレーすることである。

高温にさらしながら、チタン粉末を繊維の上に真空プラ
ズマ・スプレーすることはミリ秒単位の時間になされる
ので、後者の方法が望ましいことになる。これは有害な
反応を生ずる程の時間でない。

下表は、イツトリウムおよびイツトリアを被膜したシリ
コンカーバイド繊維をチタン・マトリックス材で成功裡
に包むのに使用されるプラズマスプレーのパラメータを
示す。

チタン・プラズマスプレー条件 室圧（アルゴン）　　：　１７５　ｍｂａｒガン電流　
　　　ニア５０Ａ プラズマガス流量：アルゴン　ｉ／分 粉末粒子範囲　　：４５〜６３μ ガン・基板距離　：３３０ｆｆ１１１ 粉末供給量　　　：２０ｇ／分 Ｈｅ　　　　　　　　：　２５　！！、／分８１　　　
　　　　　：　　８４！／分第１図に図解するセラミッ
ク繊維ｌＯの配置は制限的なものと見なすべきでない。

製品の複合構造の所要の強度特性によって決まる態様で
セラミック繊維ＩＯを配置することができる。例えば、
セラミック繊維１０を複数の層に、各層を隣りの層に対
して角度を付けて、配置することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による被膜されたセラミック繊維を含
む複合構造の略式断面図、 第２図は被膜厚さに対する界面拡散の深さのグラフであ
る。 １０・・・繊維。 １２・・・チタンマトリックス。 １４・・・支持心線。 １６・・・イツトリウム被膜。 １８・・・外層被膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内層被膜は熱力学的に安定な酸化物を生成すること
   のできる金属であり、外層被膜は前記金属の前記安定な
   酸化物である、２重の被膜を有するセラミック繊維。 ２、前記金属はイットリウム、ジルコニウムおよびハフ
   ニウムを含む群の中の一つである、請求項１記載のセラ
   ミック繊維。 ３、前記セラミックはシリコンカーバイドである、請求
   項１または２記載のセラミック繊維。 ４、イットリウム、ジルコニウムおよびハフニウムを含
   む群から選んだ金属を前記セラミック繊維の上にプラズ
   マスパッターし、つぎに前記金属をその酸化物で包む段
   階を含む、拡散防止被膜をセラミック繊維に施こす方法
   。 ５、前記酸化物が粉末形式の前記酸化物をプラズマ・ス
   パッターすることにより前記金属の上に施こされる、請
   求項４記載の拡散防止被膜をセラミック繊維に施こす方
   法。 ６、前記金属被膜された繊維の熱処理によって前記酸化
   物が前記金属から生成される、請求項４記載の拡散防止
   被膜をセラミック繊維に施こす方法。 ７、前記金属の外面がチタン酸素を吸収することができ
   るように、前記金属被膜されたセラミック繊維をチタン
   マトリックスの中に埋め込む段階を含む、請求項４記載
   の拡散防止被膜をセラミック繊維に施こす方法。 ８、熱力学的に安定な酸化物を生成することのできる金
   属の内側被膜と、前記金属を被覆する前記酸化物の外側
   被膜と、を各々が有する複数の細長いセラミック繊維を
   包むチタンまたはチタン合金のマトリックスを含む複合
   構造。 ９、前記セラミック繊維はシリコンカーバイド繊維であ
   る、請求項８記載の複合構造。 １０、前記金属はイットリウム、ジルコニウムおよびハ
   フニウムを含む群から選ばれた１つである、請求項８ま
   たは９記載の複合構造。