JPS63185861A - 複合焼結体 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスタービンブレード等の高温で高強度及び
高じも性の構造材料に好適な繊維強化ＳｉＣに関する。

〔従来の技術〕

高温構造材料として、Ｓｉｎ、５ｉａＮａ及びサイアロ
ンが注目されているが、これらの材料はもろいという欠
点を持っている。この欠点を克服する一手法が繊維を添
加しての強じん化である。

たとえば、特開昭５８−９５６４８号公報に、ＳｉＣフ
ァイバーにＢをコーティングして、ＢとＣとの焼結助剤
でＳｉＣ焼結体を製造するという開示がある。

５ｉＣ１ｌ維をＳｉＣに添加することについては、特開
昭５９−１２８２７３号公報で、セラミックス母相に。

母相の焼成温度より高い再結晶温度をもつセラミックフ
ァイバーを添加して、耐衝撃性がすぐれた焼結体を得て
いる。同様に、特開昭５９−１３７３７２号公報では、
グラス及びＳｉＣ等の繊維を添加したＳｉＣ及び５ｉｓ
Ｎ４等に樹脂を混合して、成形、焼成する製法が開示さ
れている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

特開昭５９−３０７７０号公報における材料は、母材が
５ｉｓＮａ主体の８ｉＣ繊維添加焼結体である。

５ｉａＮａの耐熱温度は、最高でも１２００℃付近であ
り、１２００℃以上になると強度が落ちて、構造材料と
しての使用は困難となる。そこで、１５００℃程度の高
温での使用を考えたときに、５ｉａＮａ主体の材料の適
用はむづかしい、１５００℃でも強度が保たれる材料は
ＳｉＣに限られる。だから。

高温構造材料の主成分はＳｉＣである必要がある。

この従来技術中に、ＳｉＣ主体の母材混合粉末に５ｉＣ
Ｉｌ維を添加した材料が含まれている。しかし、焼結後
の被覆層の状態や破壊しん性値についての記述はなかっ
た０発明者らが実験した結果では、焼結途中で母材のＳ
ｉＣとＳｉＣ繊維との界面が結合して、繊維添加の効果
がなかった。これは、ＳｉＣ繊維に被覆層があっても同
様であり、この場合、被覆層は焼結時に消失した。

このような界面の結合により、母材ＳｉＣとＳ　ｘ　Ｃ
繊維との一体化が起こり、破壊しん性値向上の効果がな
かった。

本発明の目的は、ＳｉＣ主体の母材とＳｉＣ繊維との界
面にある被覆層の消失を防止して、焼結体中に被覆層を
残すことであり、それによって、破断時に、破面付近で
、母材と繊維との界面ですべりを生じ、繊維の引き抜け
を起こし、より大きな破壊しん性値を得る繊維強化Ｓｉ
Ｃを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

ＳｉＣ粉末中に不可避的に存在している５ｉＯｚは、繊
維を覆っている被覆層（たとえば、Ｃ，Ｂ及びＢＮ等）
と焼結時に反応を起こし、被覆層は消失する。従って、
この被覆層を焼結後まで残しておくため、５ｉｎｓを取
り除く必要がある。

発明者らは、母材ＳｉＣ中にＣを添加することにより、
５ｉｎｓをＣと反応させ、被覆層の消失が防げることを
見出し１本発明に至った。

このとき、Ｃ添加量は母材中３〜３０重量％が望ましい
、この範囲より少ない場合には、被ｙｉ層と５ｉｎｓと
の反応の抑制力が不足する。多ければ、焼結体の強度が
下がる＊　Ｓ　ｘ　Ｃ粉末中に含まれる５ｉｎｓの量が
ＳｉＣ粉末により異なることや耐熱性等も考慮すると、
５〜１５重景％重量ましい。

Ｃ添加方法はＣ粉末でも、非酸化性雰囲気中で焼結中に
分解してＣとなるフェノール樹脂粉末のようなものでも
よい。均一に分散できる点では、フェノール樹脂粉末を
溶剤に溶かして添加する方法で有効であるが、焼結時に
ガスを多量に発生して、成形体と焼結体との体積変化が
大きいという欠点がある。必要に応じて、Ｃ粉末とフェ
ノール樹脂粉末等との使い分け、又は、混合利用が良い
。

また、被覆層の厚さは、繊維と母材との間のＳｉＣ同士
の結合を押さえる必要があるので、最低で０．１　μｍ
、また、あまりにも厚くなると被覆層としての効果がな
くなるので、最高で３０μｍが良い。

繊維が焼結体中５体積％以上を占めるとき、ｌａ維の引
き抜け、又は、界面でのクラックの折れ曲がりの効果が
呪われ、じん性の向上が起きる。逆に、４０体積％を越
えると焼結の如げとなり、密度が上がらず、強度が落ち
る。

破断時の繊維の引き抜けは、被覆層と繊維又は母材との
間で起きる。被覆層が複数ある場合には、被覆層同士の
間でも起きる。

〔作用〕

母材中に添加されたＣは、ＳｉＣ粉末中の５ｉＯｚと下
記のような反応を起こす。

Ｓ　ｉ　Ｏｘ　＋Ｃ−＋Ｓ　ｉ　ＯＴ十ＣＯ↑及び／又
は ５ｉＯｎ　＋２Ｃ−４ＳｉＣ＋２ＣＯ↑この二つの反応
が独立、あるいは、混合で起こり。

５ｉｎｓの量が減少して、繊維表面の被覆層が５ｉｎｓ
と反応するのが抑制される。従って、焼結後も被覆層の
形態が保たれ、破断時に引き抜けを起こす。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を示す。

〔実施例１〕 本実施例では、ＳｉＣ粉末は結晶形αで平均粒径０．５
　　μｍ、焼結助剤として用いたＡｕＮ粉末は結晶形が
六方晶であり、かつ、平均粒径が０．８μｍでＣは粉末
状のものを用いた。

母材となる混合粉粒は以下の手順により製造した。Ｓｉ
Ｃ粉末２９．０ｇ　、ＡＱＮ粉末１．０ｇ。

Ｃ粉末０．３ｇ　を秤取し、これにエタノール６閣Ωを
加えて、らいかい機混合を１．５時間行った。

さらに、上記と同一の手順により、第１表に示す組成の
混合粉末を製造した。

上記の組成は第１表に示したＮα１と同一である。

ＳｉＣ繊維は、直径１０μｍのＣ繊維にＳｉＣを積層し
て、１４０μｍとしたものを用いた。その表面にＣとＳ
ｉＣとの混合物を二層、各々３μｍの厚さに被覆した。

層全体のＣとＳｉＣとの割合は一対一であるが、層の内
側付近はＣの割合が多く、外側ではＳｉＣの割合が多い
混合状態とした。

このＳｉＣ繊維を先の混合粉末中に一方向を向くように
並べ、成形体を作成した＠　Ｓ　ｉＣｌｌｌ維の量は焼
結体中で２０体積％とした。

成形体は、ホットプレスで、真空中、２０５０℃、一時
間保持及び加圧力３０ＭＰａの条件で焼成した。

この焼結体から繊維と平行に、幅３．Ｏ＋ｍＸ厚さ４．
０　ｍ長さ３５．Ｏｎａの大きさの試片を切り出し、こ
れを研磨して試験片とした。

この試験片を用いて、曲げ強さと破壊しん性値を測定し
た。破壊しん性値は、ＳＥＮＢ（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｅｄｇ
ｅＮｏｔｃｈｅｄ　Ｂａａｉａ）法で計算した。ノツチ
の大きさは幅０．１ｍ＋、深さ０．５　ｒｍとした。測
定の結果は。

組成とあわせて第１表に記載した。Ｎα１で破壊じん性
値が低いのは、被覆層が消失して、破壊時に。

繊維の引き抜けが起きなかったためであり、Ｎα６で曲
げ強さ及び破壊じん性値が低いのは、焼結体密度があが
っていないためである。

〔実施例２〕 出発原料であるＳｉＣ粉末、ＡＱＮ粉末及びＣは実施例
１に記載したものと同一の粉末を用いた。

ただし、組成はＳｉＣ粉末２９．０　　ｇ、ＡＱＮ粉末
１．０　　ｇ及びＣ粉末２．０　　ｇとした。この粉末
を実施例１と同様の要領で混合し、母材混合粉を得、Ｓ
ｉＣ繊維は焼結体中２０体積％を占めるように添加して
、成形体を作った。

成形体は、ホットプレスで、真空中、第２表に示した各
々の温度で一時間保持し、加圧力５０ＭＰａの条件で焼
成した。

この焼結体から試験片を切り出し、評価した。

これらの手法は実施例１と同様の手法で行った。

評価の結果は第２表に焼結温度とあわせて示した。ホッ
トプレス温度が１７００〜２１００℃の範囲であれば、
高強度高じん性の焼結体が得られる。

〔実施例３〕 本実施例では、ＳｉＣ粉末は結晶形βかつ平均粒径０．
３　　μｍ、ＢａＣ粉末は平均粒径２．０μｍを用いた
。また、Ｃ添加はフェノール樹脂粉末をアセトンに溶解
して行った。

母材となる混合粉末は以下の手順で製造した。

ＳｉＣ粉末３．０　　ｇ、８４Ｇ粉末２．０　　ｇ及び
フェノール樹脂粉末３．０　　ｇをアセトン４０ｍＡに
溶かした液をらいかい機で二時間混合し、アセトンを充
分に蒸発させ、さらに一時間混合した。

ＳｉＣ繊維は、直径１０μｍのものを用い５表面に２μ
ｍの厚さでＣを被覆した。長さは平均１鷹とした。この
ＳｉＣ繊維は８．０　ｇ秤量した。

ＳｉＣ繊維と混合粉末とを、らいかい機で一時間混合し
、その後１円盤状に成形し、さらにコールドアイソスタ
ティックプレスで１００　Ｍ　Ｐ　ａの圧力をかけて、
成形体とした。

この成形体は、真空中、第３表に示した各々の温度で１
・５時間保持、加圧力無しの条件で焼結した。

焼結体からの試験片の切り出しは実施例１と同様の要領
で行った６曲げ強さ及び破壊しん性値の測定も実施例１
と同様に行った。

評価結果は、第３表に焼結温度とあわせて示した。

１７００〜２１００℃の温度範囲で曲げ強さ及び破壊し
ん性値がすぐれた焼結体が得られることがわかった。

〔実施例４〕 ＳｉＣ粉末は実施例１に記載したものと同一のものを用
い、ＹｚＯａ粉末は平均粒径１．０　μｍのものを用い
た。Ｃ添加は実施例３と同様の要領で行”）た、ＳｉＣ
粉末２８．０ｇ、ＹｚＯａ粉末２．０ｇ、フェノール樹
脂粉末３．０　ｇ及びアセトン４０ｍＱを秤量して用い
た。

以上の出発原量を用いて、混合及び成形は実施例３と同
様の手法で行った。

成形体は、ホットアイソスタティックプレスで、第４表
に示した各々の温度で一時間保持し、Ａｒ雰囲気中、加
圧力１００　Ｍ　Ｐ　ａの条件で焼成した。

この焼結体から試験片を切り出し、かつ、評価する方法
は実施例１と同様の要領で行った。この評価結果は焼結
温度とあわせて第４表に示した。

第４表 １７００〜２１００℃の範囲で１曲げ強さ及び破壊じん
性値がすぐれた焼結体が得られることがわかった。

〔実施例５〕 ＳｉＣ粉末は実施例１に記載したものと同一とした。金
属ＡＱ粒粉末２００メツシユを通過したものを用いた。

Ｃ添加は実施例１と同一のＣ粉末と実施例３と同一のフ
ェノール樹脂粉末との併用とした。

ＳｉＣ粉末２９．０　　ｇ、ＡＩ２粉末１．０ｇｔＣ粉
末３ｇ及びフェノール樹脂粉末３．０　　ｇをアセトン
４０　ｍ　Ｑに溶解したものを混合して、アセトン蒸発
させながら、らいかい機混合を二時間行なった。

ＳｉＣ繊維は実施例１に記載したものと同一のものを用
いた。

これらの繊維と混合粉末を用いて、実施例１と同様の要
領で成形体を製造した。このとき、焼結体中の繊維の量
は第５表に示した各々の値に変化させた。

第　　５　　表 焼結はホットプレスで、真空中、２０５０℃、一時間保
持、加圧力３０　Ｍ　Ｐ　ａの条件で行った。

試験片製作と評価は実施例１と同様の要領で行った。評
価結果は第５表に示した。

繊維の添加量は、５体積％以上で破壊じん性値の向上に
効果があり、４０体積％を越えると、焼結をさまたげる
ので、曲げ強さ、及び、破壊しん性値は小さくなる。

〔比較例〕

ＳｉＣ粉末及びＡＱＮ粉末は実施例１に記載したものと
同一のものとした。

ＳｉＣ粉末２９．０　　ｇ及びＡＱＮ粉末１．０　　ｇ
を実施例１と同様のやり方で混合した。

ＳｉＣ繊維も実施例１に記載のものと同一であり、成形
、焼結、試験片の来り出しについても、実施例１と同様
の要領で行った。

この試験片は曲げ強さ４００　Ｍ　Ｐ　ａ及び破壊しん
性値４．ＯＭＮ／ｍａ／”ｔ’あつ７’＝。

破面をＳＥＭで観察した結果、繊維と母材とが完全に結
合しており、引き抜けは見られなかった。

このため、繊維添加の効果が表れず、破壊じん性値の向
上がなかった。

〔発明の効果〕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、表面に被覆層をもつＳｉＣ繊維を添加した焼結体に
   おいて、 焼結前の母材粉末中に炭素を添加することを特徴とする
   複合焼結体。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記母材粉末の組成がＣ３〜３０重量％、焼結助剤１〜
   １０重量％及び残部がＳｉＣであることを特徴とする複
   合焼結体。 ３、特許請求の範囲第１項、または第２項において、 前記炭素添加の方法が、炭素粉末添加及び非酸化性雰囲
   気中で加熱することにより炭素となるフェノール樹脂粉
   末添加のどちらか一方、あるいは、両方の併用であるこ
   とを特徴とする複合焼結体。 ４、特許請求の範囲第１項において。 添加した前記ＳｉＣ繊維の量が焼結体の５〜４０体積％
   であることを特徴とする複合焼結体。 ５、特許請求の範囲第１項、または、第４項において、 添加した前記ＳｉＣ繊維の直径が、被覆層のある状態で
   ５〜３００μｍの範囲であることを特徴とする複合焼結
   体。 ６、特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項ま
   たは、第５項において。 添加した前記ＳｉＣ繊維の被覆層の組成が。 Ｃ、ＳｉＣ又はＣとＳｉＣとの混合物であることを特徴
   とする複合焼結体。 ７、特許請求の範囲第１項、第４項、第５項または、第
   ６項において、 添加した前記ＳｉＣ繊維の被積層一層の厚さが０．１〜
   ３０μｍの範囲であることを特徴とする複合焼結体。 ８、特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、
   第５項、第６項または、第７項において、前記母材粉末
   中のＳｉＣの平均粒径が１μｍ以下であることを特徴と
   する複合焼結体。 ９、特許請求の範囲第１項ないし第８項のいずれかにお
   いて、 前記母材粉末中のＳｉＣの結晶形が、α及びβのどちら
   か、あるいは、両方の混合であることを特徴とする複合
   焼結体。 １０、特許請求の範囲第１項ないし第９項のいずれかに
   おいて、 前記焼結助剤は、ＡｌＮ、Ｂ＿４Ｃ、Ｙ＿２Ｏ＿３及び
   Ａｌのうちの少なくとも一つ以上を含むことを特徴とす
   る複合焼結体。 １１、特許請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれか
   において、 前記繊維と前記母材との界面に一層以上の被覆層を設け
   たことを特徴とする複合焼結体。