JPS6119595B2 - - Google Patents

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JPS6119595B2
JPS6119595B2 JP52086767A JP8676777A JPS6119595B2 JP S6119595 B2 JPS6119595 B2 JP S6119595B2 JP 52086767 A JP52086767 A JP 52086767A JP 8676777 A JP8676777 A JP 8676777A JP S6119595 B2 JPS6119595 B2 JP S6119595B2
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mixture
ceramic
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based ceramic
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Roido Mehan Richaado
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General Electric Co
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高温で金属表面と接触して使用され
た場合に金属ケイ化物を形成する傾向を低下され
たケイ素基セラミツク複合材料の製造方法に関す
る。
本発明の以前には、R.L.メハンとD.W.マツキ
ー(R.L.Mehan and D.W.Mc Kee)がジヤーナ
ル・オブ.マテリアルズ.サイエンス
(Journal of Materinals Science(1976))の
「金属とケイ素基セラミツクを含有する合金との
相互反応」(Interaction of Metals and Alloys
With Silicon−Based Ceramics)に発表してい
るように、ケイ素基セラミツクが空気中で約1000
℃で多くの金属及び合金と化学的に相互反応を起
すことが発見されている。この反応生成物には、
ケイ化物、ケイ酸塩、炭化物が含まれる。メハン
等の発見の重要性はケイ素基セラミツク、例え
ば、ケイ素−炭化ケイ素マトリツクス複合材料が
タービンバケツト又は航空機エンジン羽根の形で
使用された場合に、ケイ素基セラミツクが高温で
高性能の金属又は合金と接触すると、金属ケイ化
物を形成するために、ガスタービン又は航空機エ
ンジンの性能を阻害することである。従つて、こ
のようなケイ素基セラミツクは高温で金属面と相
互反応する傾向を低下させるのが望ましい。
本発明は、ケイ素基セラミツクの表面を少なく
とも約0.001インチ(0.00254cm)の深さまで表面
のケイ素が除去されるように食刻し、次にこの食
刻されたセラミツクの空洞を酸化アルミニウムと
二酸化ケイ素の混合物よりなる無機酸化物混合物
で充填した後、これを焼成して食刻段階でセラミ
ツクから除去されたケイ素がこの混合物と入れ替
つた表面セラミツクを形成することによつて、高
温で金属表面と相互反応する傾向の少ないケイ素
基セラミツクが得られることを発見したことにも
とずくものである。
本発明は、遊離ケイ素基を有する炭化ケイ素含
有セラミツクが高温で金属表面に接触した場合
に、ケイ化物等の反応物を生成する傾向を低下さ
せるため、次の工程から成る方法を提供する。
(1) ケイ素基セラミツク複合材料の表面を食刻し
て表面ケイ素を除去する。
(2) 工程(1)で食刻されたケイ素基セラミツク複合
材料の空洞を酸化アルミニウムと二酸化ケイ素
の混合物よりなる無機酸化物混合物で充填す
る。
(3) 工程(2)で処理されたケイ素基セラミツクを少
くとも1250℃まで焼成して、無機酸化物混合物
を密着性のセラミツク被膜に変換する。
本発明の方法を用いて処理できるケイ素基セラ
ミツクには、例えば、ラスコウ(Laskow)とモ
アロツク(Morelock)の米国特許第4141948号
(米国出願番号572,969)や、ヒリツグ
(Hillig)とモアロツクの米国特許第4120731(米
国出願番号第660,261)に記載されているケイ素
−炭化ケイ素マトリツクス複合材料があげられる
が、このほか例えば、ウエイクフイールド
(Wakefield)の米国特許第3459842号、ガイガー
(Geiger)の米国特許第2431327号に発表されて
いるような炭化ケイ素複合材料がある。
本発明のケイ素基セラミツク複合材料の食刻さ
れた表面の処理に使用する酸化アルミニウムと二
酸化ケイ素の無機酸化物混合物には、例えば、カ
ヤナイト、ボールクレー、カオリン等のような酸
化アルミニウムと二酸化ケイ素の混合物があげら
れるが、もし、無機酸化物混合物をリン酸二水素
アルミニウム、Al(H2PO43・H2O等とブレンド
する場合にはペーストとして用いることができ
る。一方本発明で使用する食刻溶液には、例え
ば、フツ化水素酸と硝酸の混合物が使用可能であ
る。
本発明の実施にあたつては、ケイ素基セラミツ
クを食刻剤で処理して、表面ケイ素の少なくとも
0.001〜0.010インチ(0.00254〜0.0254cm)を除去
し、その表面から食刻剤を洗い落した後に、無機
酸化物混合物で処理する。次に、この処理された
ケイ素基セラミツクを焼成して無機酸化合物を密
着性のセラミツク被膜に変換する。
ケイ素基セラミツクは、例えば前以て決定して
適当な食刻剤を用いた液浸、塗布、スプレー等の
標準技術で食刻することができる。ケイ素基セラ
ミツクを食刻剤で処理する時間は、食刻剤の性質
及び表面ケイ素をケイ素基セラミツクから除去す
る深さによつて数分から数時間の範囲で広く変動
する。このようにして、ケイ素基セラミツクの表
面から所定のケイ素を除去した後、余分の食刻剤
はケイ素基セラミツク表面から洗滌除去される。
次に、ケイ素基セラミツクは、無機酸化物混合
物をペーストの形でへらを用いた塗布、スプレ
ー、塗装等の方法で処理する。過剰の無機酸化物
混合物は、ケイ素基セラミツクに要求される仕様
書に従つて、ブラツシング等の標準技術で所定の
表面厚さまで除去することができる。次に、この
ケイ素基セラミツクは少くとも1250℃、好ましく
は1250〜1400℃に焼成して、表面無機酸化物を食
刻前の元のケイ素基セラミツクと非常に類似した
密着性のエナメル又は平滑な被膜に変換する。併
し、焼成後のケイ素基セラミツクの表面色は、使
用した無機酸化物混合物の組成によつて広範囲に
変動する。
本発明の方法で処理して得られるケイ素基セラ
ミツク複合材料、特にケイ素−炭化ケイ素マトリ
ツクス複合材料は、タービンバケツト、航空機エ
ンジン羽根、回転シーラント式研摩被膜等多くの
利用面がある。
この技術分野の専問技術者が、本発明を容易に
実施できるための説明として、次の実施例をあげ
るが、勿論これは本発明を限定するためのもので
はない。
以下、実施例中の「部」は全て(重量)部を示
したものである。
実施例 1 ユニオン カーバイド社(Union Carbide
Corporation)製の伸び率の小さい炭素布から、
黒鉛のコロイダル懸濁水溶液を結合剤として使用
して炭素繊維予備成型品を調製した。繊維の密度
は約1.38〜1.48g/c.c.で、これを原料として直径
2.5インチ(6.35cm)の円板に加工した予備成形
品中の全繊維重量は約11gであつた。
直径約2.5インチの型空洞と、厚さ約0.42イン
チ(1.07cm)を有するアームコスピアー580黒鉛
(商品名:Armco Speer 580、American Rolling
Mill Co.製、以下同じ)から直径3インチ(7.62
cm)型を製作した。型の上部半分に直径0.125イ
ンチ(0.32cm)の浸入穴4つと、型の下部半分に
同直径の浸出穴4つをあけ、WYK編ひも(商品
名)形の炭素繊維の灯心を浸入穴にそう入し、型
の頂部から約0.125インチ(0.32cm)の突き出さ
せた。又型の内面はエーロゾル状の粉末窒化ホウ
素を処理した。
炭素繊維予備成形品は、まず、型の中に入れ、
次にこれを型の仕様通りに正確に加工したアーム
コ・スピア−580黒鉛で製作した支持構造物中に
配置した。型表面の頂部には一定量の粉末ケイ素
を添加したが、この量は溶融状態で型空洞を満す
のに必要なケイ素量に対して約15%過剰の量とし
た。
型と支持構造物は次に炉に入れて約1×10-2
ル(mmHg、以下同じ)の真空に保持した。この
圧力は1×10-2〜3トルの間であれば操業可能で
あつた。炉の温度を約1600℃とすると、粉末ケイ
素は約15分で溶融し、炭素繊維プレプレグ中に浸
入した。炉を室温まで冷却した後、型と支持構造
物は炉から取り出し大気中で冷却した。次に、型
を開放したところ、型空洞寸法と誤差範囲0.2%
以下で相似した円板が得られた。調製方法によつ
て、円板は化学的に結合した炭素の形態又は化学
的に結合した炭素と元素炭素の混合物の形態とし
ての炭素約16(重量)%と、ケイ素約84(重量)
%を含有するケイ素−炭化ケイ素セラミツクとな
つた。
上記したケイ素−炭化ケイ素マトリツクス複合
材料円板を坩堝中のニツケル基合金即ちヘインズ
718(Haynes718:商品名)製の平板上に置き、
次に、このケイ素複合材料円板と合金板を炉に入
れて大気条件で1150℃に加熱し、150時間経過後
に炉から取り出し、室温まで冷却した。この合金
板の表面を光学顕微鏡で注意深く観察した。ケイ
素と金属間に反応が起つた証拠になる面のでこぼ
こした外観と一連のクレーターの存在から、合金
板の表面にケイ化反応が起つたことを知ることが
できた。本技術分野の専問技術者には、ケイ素−
炭化ケイ素マトリツクス複合材料が航空機エンジ
ン羽根のような動力装置の部品として使用され、
しかも、このセラミツク部品がクロム、ニツケル
基合金のような高性能金属と継続して接触された
場合は、金属部品の表面は悪影響を受けて、結局
構造破壊につながることを理解できるであろう。
もう1つのケイ素−炭化ケイ素マトリツクス複
合材料円板をフツ化水素酸と硝酸の混合物から成
る食刻剤を塗布する前述した方法で調製し、この
際食刻剤はケイ素基セラミツクに15秒間接触させ
た後、水洗して除去した。このセラミツク円板の
食刻された表面を顕微鏡で観察したところ、この
表面は食刻剤によつて平均約0.004インチ(0.01
cm)のケイ素が除去されていることが判明した。
このケイ素セラミツク円板の食刻された面に強化
アルミニウム、二酸化ケイ素、次リン酸アルミニ
ウムの混合物であるルライトのペーストをへらを
用いて均一に塗布し、そのペーストの厚さを食刻
剤の作用で生じた空洞の深さにほぼ等しくした。
このセラミツク円板を次に炉中で大気条件で1250
℃に15時間加熱した後冷却したところ、無機酸化
物ペーストはケイ素ケイ素基セラミツク円板表面
の均一なうわぐすりに変化していた。
次に、ケイ素−炭化ケイ素マトリツクス複合材
料円板をニツケルクロム合金薄板(ヘインズ
715)の上に配置するが、ケイ素セラミツクの面
上で焼成された無機酸化物被膜の面を合金薄板と
接触させるために上記セラミツク円板を合金薄板
上に配置して前述した方法に繰り返して実施し
た。ケイ素セラミツクを金属薄板と接触させて上
記の方法で同一時間、同一条件で加熱した後に冷
却した。得られた金属薄板を観察したところ、ケ
イ素セラミツク円板には表面反応はなんら起つて
なく、このことから、ケイ素基セラミツク円板を
焼成した無機酸化物被膜で処理すると、ケイ素−
セラミツク円板がヘインズ715合金と1000℃ない
しそれ以上の温度で150時間経過しても反応する
傾向が消失しているとが判明した。
上記した実施例は、本発明の方法が適用される
非常に数多い方法の中の極く一部のみを対象とし
ているにすぎない。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 (1) ケイ素基セラミツク複合材料の表面を食
    刻して表面ケイ素を除去し、 (2) (1)の工程で食刻された該ケイ素基セラミツク
    複合材料の空洞を、酸化アルミニウムと二酸化
    ケイ素の混合物よりなる無機酸化物混合物で実
    質的に充填し、 (3) (2)工程で処理された該ケイ素基セラミツクを
    少くとも温度1250℃まで焼成して、該無機酸化
    物混合物を密着性のセラミツク被膜に変換す
    る。 ことよりなる、 遊離のケイ素を有する、炭化ケイ素含有セラミ
    ツクが高温度で金属表面と反応して金属ケイ化物
    を形成する傾向を低下させることを特徴とするケ
    イ素基セラミツク複合材料の製造方法。 2 該複合材料が炭化ケイ素−ケイ素マトリツク
    ス複合材料である特許請求の範囲第1項記載の方
    法。 3 食刻剤がフツ化水素酸と硝酸の混合物である
    特許請求の範囲第1項記載の方法。 4 遊離のケイ素を有する、炭化ケイ素含有セラ
    ミツクの食刻表面に、酸化アルミニウムと酸化ケ
    イ素の混合物を少くとも温度1250℃まで焼成して
    得られた0.00254〜0.0254cmを持つ上記無機酸化
    物の密着性のセラミツク被膜を持つ、高温度で金
    属表面と反応して金属ケイ化物を形成する傾向を
    低下したケイ素基セラミツク複合材料成形物。 5 該成形物がガスタービンのシユラウド断面部
    である特許請求の範囲第4項記載の成形物。 6 該成形物が航空機エンジンのシユラウド断面
    部である特許請求の範囲第4項記載の成形物。 7 該成形物がガスタービンの遷移部分である特
    許請求の範囲第4項記載の成形物。
JP8676777A 1976-12-09 1977-07-21 Method of manufacturing silicon base ceramic composite material Granted JPS5372023A (en)

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JP (1) JPS5372023A (ja)
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FR (1) FR2373501A1 (ja)
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