DE69401416T2

DE69401416T2 - Keramischer Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE69401416T2
Application number: DE69401416T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiko Kohtoku; Hideki Ohtsubo; Yoshiharu Waku
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1993-10-08
Filing date: 1994-10-07
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2014-10-08
Also published as: EP0647601A1; DE69401416D1; US5569547A; JP3216683B2; EP0647601B1; JPH07149597A

Description

Hintergrund der Erfindung:

1. Gebiet der Erfindung:

Diese Erfindung betrifft ein keramisches Verbundmaterial, das hohe mechanische Festigkeit und ausgezeichnete Dauerstandfestigkeit in einem weiten Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und hoher Temperatur aufweist und für die Verwendung als Strukturmaterial bei hoher Temperatur geeignet ist.

2. Beschreibung des Standes der Technik:

SiC oder Si&sub3;N&sub4; wurde untersucht, um keramische Materialien für die Verwendung bei hohen Temperaturen zu entwickeln, aber die Hochtemperatureigenschaften sind nicht ausreichend. Als Alternative dazu haben durch Chemical-Vapor-Impregnation hergestellte SiC/SiC-Verbundmaterialien, vorgesehen von Societe Europeene de Propulsion, die Aufmerksamkeit auf sich gezogen, und sie werden jetzt als die besten Hochtemperatur-Strukturmaterialien betrachtet und werden untersucht und entwickelt. Der Temperaturbereich, in dem sie verwendet werden können, wird mit 1400ºC oder darunter angegeben.
T. Parthasarathy et al. offenbarten in Journal of the American Ceramics Society, Vol. 76, Nr. 1, pp. 29-32 (1993) einen Verbundwerkstoff aus Aluminiumoxid und Yttrium-Aluminium-Granat (hier im folgenden manchmal als "YAG" bezeichnet) von eutektischem Al&sub2;O&sub3;-Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2;. Parthasarathy et al. offenbaren auch ein Verfahren zur Herstellung des Verbundstoffes durch gerichtetes (unidirektionales) Schmelzen und Erstarren eines gemischten Pulvers von Al&sub2;O&sub3; und Y&sub2;O&sub3; in einem Tiegel.
Aus der Beschreibung, Seite 29, rechte Spalte, Zeilen 9 bis 10, und den Fig. 1 und 2 der Literaturstelle versteht sich, daß der Verbundstoff polykristallin ist und Korngrenzen enthält. Dies wird deutlich durch die Beschreibung gestützt, die sagt, "Das Versagen erfolgte üblicherweise entlang der Koloniegrenzen, wobei der Riß entlang der Al&sub2;O&sub3;-YAG-Grenzflächen verlief". Diese Koloniegrenzen werden als Abschnitte, in denen die Mikrostruktur gröper als in den anderen Abschnitten ist, in Fig. 2 der Literaturstelle gezeigt.
Dieses Verbundmaterial zeigt Spannungen, die denen von Saphir bei 1530ºC und 1650ºC äquivalent sind, wenn die Verformungsgeschwindigkeit konstant gehalten wurde.
Weiters haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung in Versuchen bestätigt, dap der von Parthasarathy et al. geoffenbarte Verbundstoff Poren oder Hohlräume in der Mikrostruktur einschliept und dap die mechanische Festigkeit des Verbundstoffes bei hoher Temperatur schnell abnimmt.
Daher ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein keramisches Verbundmaterial vorzusehen, das Saphir, einkristaihnes α-Al&sub2;O&sub3;, und YAG umfapt, das ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Zeitstandverhalten zwischen Raumtemperatur und hoher Temperatur aufweist und bei dem diese Eigenschaften insbesondere bei hoher Temperatur signifikant verbessert sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Das genannte Ziel wird gemäp dieser Erfindung durch Vorsehen eines Verbundmaterials aus im wesentlichen einkristallinem α-Al&sub2;O&sub3; und einkristallinem Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2; erreicht.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Fig. 1 und 2 sind Röntgenbeugungsaufnahmen des im Beispiel 1 erhaltenen Verbundmaterials; Fig. 3 ist eine Mikroaufnahme des Verbundmaterials von Beispiel 1; Fig. 4 ist eine Röntgenbeugungsaufnahme des im Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Verbundmaterials; Fig. 5 ist eine Mikroaufnahme des Verbundmaterials des Vergleichsbeispiels 1.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Der in der Beschreibung verwendete Ausdruck "einkristallin" bedeutet die Kristallstruktur, in der nur ein Beugungspeak von einer bestimmten Kristallebene von α-Al&sub2;O&sub3; oder Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2; bei der Röntgenbeugung des Verbundmaterials beobachtet wird.
Fig. 1 ist eine Röntgenbeugungsaufnahme von einer Ebene senkrecht zur Erstarrungsrichtung des keramischen Verbundmatenais, das im Beispiel 1 hergestellt wurde, das später beschrieben wird, und Fig. 2 ist eine Röntgenbeugungsaufnahme von einer um etwa 760 von der Erstarrungsrichtung geneigten Ebene des gleichen keramischen Verbundmaterials (es war kein Beugungspeak von Al&sub2;O&sub3; von einem Winkel senkrecht zur Erstarrungsrichtung zu erhalten).
Fig. 1 zeigt nur einen Peak bei 2θ= 33,26º, entsprechend der Beugung von der (420)-Ebene von YAG. Fig. 2 zeigt nur einen Peak bei 2θ= 37,78º, entsprechend der Beugung von der (110)-Ebene von Al&sub2;O&sub3;. Diese Tatsachen zeigen klar, dap das erfindungsgemäpe keramische Verbundmaterial aus einkristallinem α-Al&sub2;O&sub3; und einkristallinem YAG besteht.
Fig. 4 ist eine Röntgenbeugungsaufnahme von einem Winkel senkrecht zur Erstarrungsrichtung des im Vergleichsbeispiel 1 hergestellten keramischen Verbundmaterials. Fig. 4 zeigt Beugungspeaks von der (110)-Ebene von Al&sub2;O&sub3; und der (420)-Ebene von YAG, wie oben, sowie die folgenden Peaks: für Al&sub2;O&sub3; Beugungspeaks bei 2θ= 26,62º, 52,7º und 59,78º, entsprechend der (012)-, (024)- bzw. (211)-Ebene, und für YAG Beugungspeaks bei 2θ= 18,1º, 27,8º, 29,780, 36,64º, 38,22º, 41,18º, 46,62º und 60,7º, entsprechend der (211)-, (321)-, (400)-, (422)-, (431)-, (521)-, (532)- bzw. (651)-Ebene. Diese Röntgenbeugung zeigt klar, dap das im Vergleichsbeispiel 1 erhaltene keramische Verbundmaterial polykristallin war.
Die Tatsache, daß das erfindungsgemäpe keramische Verbundmaterial aus einkristallinem α-Al&sub2;O&sub3; und YAG besteht und offensichtlich anders als die von Parthasarathy et al. und im Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Verbundmaterialien ist, wird auch durch Fig. 3 gestützt, die eine Mikroaufnahme des im Beispiel 1 erhaltenen keramischen Verbundmaterials zeigt. In der in Fig. 3 gezeigten Mikroaufnahme sieht man keine Kolonie, Korngrenze oder grobe Körner, im Gegensatz zu den Fig. 1 und 2 in der Literaturstelle von Parthasarathy et al. Diese Mikroaufnahme enspricht dem Ergebnis der Röntgenbeugung, wobei gezeigt wird, daß der keramische Verbundstoff aus einkristallinem α-Al&sub2;O&sub3; und einkristallinem YAG besteht.
Fig. 5 ist eine Mikroaufnahme des im Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen keramischen Verbundmaterials. Die Fig. 5 zeigt, daß das keramische Verbundmaterial Kolonien, Korngrenzen oder grobe Körner sowie Poren oder Hohlräume einschliept, wie in der Literaturstelle von Parthasarathy et al. gezeigt.
Der Vergleich der Fig. 1 und 2 und der Fig. 4 sowie der Vergleich der Fig. 3 und Fig. 5 beweist, daß das erfindungsgemäpe keramische Verbundmaterial ein neues Verbundmaterial ist, das aus einkristallinem α-Al&sub2;O&sub3; und einkristallinem YAG besteht und sich von dem von Parthasarathy et al. geoffenbarten Verbundmaterial unterscheidet.
In dem erfindungsgemäpen keramischen Verbundmaterial bilden das einkristalline α-Al&sub2;O&sub3; und das einkristalline YAG eine gleichförmige See-Insel-Struktur, wenn man eine Querschnittsmikrostruktur betrachtet. Es ist nicht sicher, wird aber angenommen, daß der See einkristallines α-Al&sub2;O&sub3; und die Insel einkristallines YAG ist. Die Gröpen von See und Inseln können variiert und durch Wahl der Erstarrungsbedingungen gesteuert werden, sind aber typischerweise im Bereich von 10 bis 50 µm.
Die Mengen an einkristallinem α-Al&sub2;O&sub3; und einkristallinem YAG in dem erfindungsgemäpen Verbundmaterial können im Bereich von etwa 20 bis 80 Vol.-% einkristallinem α-Al&sub2;O&sub3; und etwa 80 bis 20 Vol.-% einkristallinem YAG variiert werden, indem das Verhältnis von Al&sub2;O&sub3;- und YAG-Ausgangspulver verändert wird. Die eutektische Zusammensetzung beträgt 55 Vol.-% Al&sub2;O&sub3; und 45 Vol.-% YAG.
Das erfindungsgemäpe keramische Verbundmaterial kann beispielsweise nach folgendem Verfahren hergestellt werden:
Ein gemischtes Pulver von α-Al&sub2;O&sub3;- und Y&sub2;O&sub3;-Pulver in einem Verhältnis für ein gewünschtes keramisches Verbundmaterial wird durch Wägen und- Mischen hergestellt. Die Mischmethode unterliegt keiner speziellen Einschränkung und kann Trockenoder Naßmischen sein. Bei einem Naßmischverfahren wird im allgemeinen Alkohol, wie Methanol und Ethanol, als Medium verwendet.
Das gemischte Pulver wird dann auf eine Temperatur, bei der beide Ausgangspulver geschmolzen sind, beispielsweise auf 1800 bis 2500ºC, in einem herkömmlichen Ofen, beispielsweise in einem Lichtbogenofen, erhitzt, um das gemischte Pulver zu schmelzen.
Anschliepend wird die Schmelze in einen Tiegel gebracht und dann gerichtet (unidirektional) erstarren gelassen, um ein erfindungsgemäpes keramisches Verbundmaterial herzustellen. Alternativ dazu wird die Schmelze einmal erstarren gelassen und zerkleinert, und das zerkleinerte Material wird dann in einen Tiegel gebracht und geschmolzen und gerichtet erstarren gelassen.
Der Atmosphärendruck während des Schmelzens und Erstarrens beträgt im allgemeinen 10&supmin;³ Torr oder weniger, vorzugsweise 10&supmin;&sup4;Torr oder weniger. Die Geschwindigkeit, mit der der Tiegel für die gerichtete Erstarrung bewegt wird, d.h. die Wachstumsrate des keramischen Verbundmaterials beträgt im allgemeinen 50 mm/h oder weniger, vorzugsweise 1 bis 40 mm/h. Die Regelung der Bedingungen auper dem Atmosphärendruck und der Bewegungsgeschwindigkeit des Tiegels kann wie bei herkömmlichen Methoden erfolgen.
Wenn der Atmosphärendruck oder die Geschwindigkeit der Bewegung des Tiegels während des Schmelzens und Erstarrens außerhalb des genannten Bereichs liegt, kann das Material Polykristall "line" werden, Poren oder Hohlräume können an Koloniegrenzen auftreten, und es ist schwierig, ein Verbundmaterial mit ausgezeichneter mechanischer Festigkeit und ausgezeichnetem Zeitstandverhalten zu erhalten.
Die Vorrichtung für das gerichtete Erstarren kann eine herkömmliche sein, in der ein Tiegel vertikal beweglich in einem vertikal angeordneten zylindrischen Behälter angebracht ist, eine Induktionsheizspule etwa um die Mittelposition des zylindrischen Behälters angebracht ist und eine Vakuumpumpe zum Evakuieren des Behälterraumes vorgesehen ist.

Beispiele

Beispiel 1:

α-Al&sub2;O&sub3;-Pulver (Sumitomo Chemical Co., Ltd., AKP-30) und Y&sub2;O&sub3;-Pulver (Shin-etsu Chemical Co., Submikron-Typ) wurden in einem Molverhältnis von 82% des ersteren zu 18% des letzteren in einer Naßkugelmühle unter Verwendung von Ethanol gemahlen. Die erhaltene Aufschlämmung wurde in einem Rotationsverdampfer zur Entfernung von Ethanol getrocknet.
Das erhaltene gemischte Pulver von α-Al&sub2;O&sub3; und Y&sub2;O&sub3; wurde in einen Tiegel gebracht, der in einer Kammer angebracht war, in der der Atmosphärendruck auf 10&supmin;&sup5; Torr gehalten wurde, und der Tiegel wurde durch eine Induktionsspule auf 1850 bis 1900ºC erhitzt, um das gemischte Pulver in dem Tiegel zu schmelzen. Anschliepend erfolgte gerichtetes Erstarren, indem der Tiegel mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/h unter dem obigen Atmosphärendruck gesenkt wurde, um einen keramischen Verbundstoff zu erhalten.
Die Fig. 1 und 2 zeigen Röntgenbeugungsaufnahmen des erhaltenen Verbundstoffes, von Ebenen senkrecht zur und um etwa 76º geneigt von der Erstarrungsrichtung des Verbundstoffes. Es wird nur ein Beugungspeak von der (420)-Ebene von einkristallinem YAG in Fig. 1 beobachtet und nur ein Beugungspeak von der (110)-Ebene von einkristallinem α-Al&sub2;O&sub3; in Fig. 2, was zeigt, dap das obige Verbundmaterial aus einkristallinem YAG und α-Al&sub2;O&sub3; besteht.
Fig. 3 ist eine Mikroaufnahme des Verbundmaterials. Fig. 3 zeigt, dap das Verbundmaterial keine Kolonie oder Korngrenze enthält, Poren oder Hohlräume nicht existieren und eine gleichförmige See-Insel-Struktur gebildet ist.
Die mechanischen Festigkeiten des Verbundmaterials werden in der Tabelle 1 gezeigt, wo die Dreipunkt-Biegefestigkeit und die Druckstandeigenschaften in Luft gemessen wurden.

Vergleichsbeispiel 1

Die Vorgangsweise des Beispiels 1 wurde wiederholt, außer daß der Atmosphärendruck in der Kammer Normaldruck war, um ein keramisches Verbundmaterial zu erhalten. Die Röntgenbeugungsaufnahme und die Lichtmikroskopaufnahme des erhaltenen Verbundmaterials werden in den Fig. 4 und 5 gezeigt.
Fig. 4 zeigt Beugungspeaks von den (012)-, (024)-, (110)- und (211)-Ebenen von Al&sub2;O&sub3; und Beugungspeaks von den (211)-, (321)-, (400)-, (420)-, (422)-, (431)-, (521)-, (532)- und (651)-Ebenen von YAG, was zeigt, dap das Verbundmaterial ein Polykristall ist. Fig. 5 zeigt, dap das Verbundmaterial Kolonie- oder Korngrenze-Phasen und Poren enthält.
Die mechanischen Festigkeiten dieses Verbundmaterials werden ebenfalls in der Tabelle 1 gezeigt. Die Tabelle 1 enthält auch die mechanischen Eigenschaften der Saphirfaser von Journal of the American Ceramic Society, Vol. 63, Nr. 7, pp. 429-435. Tabelle 1

Claims

1. Ein keramisches Verbundmaterial, welches im wesentlichen besteht aus einkristallinem α-Al&sub2;O&sub3; und einkristallinem Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2;.

2. Keramisches Verbundmaterial nach Anspruch 1, welches 20 bis 80 Volumenprozent des einkristallinen α-Al&sub2;O&sub3; und 80 bis 20 Volumenprozent des einkristallinen Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2; enthält.

3. Keramisches Verbundmaterial nach Anspruch 1, bei dem das einkristalline α-Al&sub2;O&sub3; und das einkristalline Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2; eine gleichförmige See-Insel-Struktur bilden, in der See und Inseln eine Größe von 10 bis 50 µm haben.

4. Keramisches Verbundmaterial nach Anspruch 1, welches weder Kolonien, noch Korngrenzenporen oder Hohlräume enthält.