JP2000247745A - セラミックス基繊維複合材料、その製造方法およびガスタービン部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】炭化ケイ素を主相とするセラミックスのマトリ
ックス中に残留ケイ素が生じるセラミックス基繊維複合
材料において、マトリックスの強度低下を低減して高温
強度を維持できるセラミックス基繊維複合材料およびそ
の製造方法を得る。また、セラミックス基繊維複合材料
をガスタービンの燃焼器内壁、動翼および静翼などに適
用することで、信頼性の高いガスタービン部品を得る。 【解決手段】炭化ケイ素を主相とするセラミックスのマ
トリックス中にセラミックス繊維を複合化させたセラミ
ックス基繊維複合材料であって、セラミックスのマトリ
ックス中に残留ケイ素１４が存在し、セラミックス繊維
表面に界面層１３を有するセラミックス基繊維複合材料
１０において、残留ケイ素１４中に炭化ケイ素微粒子１
５が分散および複合化されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンの動
翼および静翼などのガスタービン部品に適用される材料
およびその製造方法に関するものであり、特に、高温強
度を維持できるセラミックス基繊維複合材料、その製造
方法およびガスタービン部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、セラミックス焼結体は、高温度
まで強度の低下がなく、硬度、電気絶縁性、耐摩耗性、
耐熱性、耐食性および軽量性などの諸特性が従来の金属
材料に比べて優れている。このため、重電設備、航空機
部品、自動車部品、電子機器、精密機器部品および半導
体装置材料などの構造用材料や電子用材料として広い分
野において使用されている。

【０００３】しかし、セラミックス焼結体は、圧縮に比
べ引張りの応力に対して弱い。特に、欠陥が潜在する場
合、欠陥部分に応力が集中して破壊が一気に進行する、
いわゆる、脆性という欠点を有している。特に、ガスタ
ービン部品等では異物の衝突によるセラミックス部品の
破壊が実用化の大きな妨げとなっている。このようなこ
とから、高信頼性が要求される部位へのセラミックス部
品の適用を可能にするため、セラミックス焼結体の高靭
性化および破壊エネルギの増大を図ることが強く求めら
れている。

【０００４】これらの要求に対して、近年、セラミック
ス基複合材料の研究および開発が盛んになされている。
この中でも、特に、連続長繊維を強化素材としたセラミ
ックス基複合材料は、破壊靭性および破壊エネルギの増
大効果に優れ、信頼性の向上に対しては大きな効果を示
す。また、炭化ケイ素をマトリックスとする複合材料は
高い耐熱性を有することから、高温用構造部材を構成す
る材料として有益であることが知られている。

【０００５】このようなセラミックス基繊維複合材料の
製造方法を以下に示す。

【０００６】まず、炭化ケイ素セラミックス繊維を５０
０〜２０００本束ね、繊維束の状態とした後、この炭化
ケイ素セラミックス繊維束の繊維表面に、ＣＶＤ（chem
icalvapor deposition）法を用い窒化ホウ素からなる界
面層を形成した。

【０００７】次に、界面層がコーティングされた繊維束
をブレーディングし、組み糸数２４本、中央糸数８本の
ブレーディング体（繊維構造体）とした。

【０００８】その後、スリップキャスト法で用いるスラ
リーを以下のようにして得た。粒径１〜１０μｍの炭化
ケイ素粉末、粒径０．０１〜１μｍの炭素粉末、分散
剤、乾燥時に粉体の形態を保持するためのバインダーお
よび純水を用い、これらを所定量投入し、１０〜２０時
間ポットミルで湿式混合してスラリーを得た。

【０００９】このスラリーをブレーディング体の繊維間
および繊維周辺に充填した後、スリップキャスト法を用
いて炭化ケイ素セラミックス繊維により強化した成形体
を得た。

【００１０】得られた成形体を、反応焼結法により、真
空中１４２０〜１５００℃に加熱後、溶融ケイ素を含浸
させた。成形体中の炭素成分と溶融ケイ素とを反応焼結
させて、残留ケイ素を含む炭化ケイ素基マトリックスを
得た。

【００１１】このようにして得られたセラミックス基繊
維複合材料の断面図を図３に示す。

【００１２】図３に示すように、セラミックス基繊維複
合材料１は、炭化ケイ素基マトリックス２中に、断面が
ほぼ円形状の炭化ケイ素セラミックス繊維３が複数本複
合化されて構成される。そして、この炭化ケイ素セラミ
ックス繊維３の外周面には、窒化ホウ素からなる界面層
４が被覆される。また、炭化ケイ素基マトリックス２中
には残留ケイ素５が含まれる。

【００１３】図３に示す界面層４は、実質的に炭化ケイ
素セラミックス繊維３と炭化ケイ素基マトリックス２と
の界面層４を成し、炭化ケイ素セラミックス繊維３と炭
化ケイ素基マトリックス２との結合力を弱める。この結
合力の低下により複合材料の破壊挙動時に破壊エネルギ
を吸収し、炭化ケイ素基マトリックス２のカタストロフ
ィックな破壊を抑制する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなセラミックス基繊維複合材料１では、以下のような
問題を有しており、その解決が望まれている。

【００１５】セラミックス基繊維複合材料１の炭化ケイ
素基マトリックス２中には、残留ケイ素５が標準的に１
５ｖｏｌ％程度含有されている。このため、セラミック
ス基繊維複合材料１をケイ素の融点である１４１４℃以
上の温度条件下で使用すると、含有される残留ケイ素５
が溶融して炭化ケイ素基マトリックス２の強度特性が大
きく低下してしまう。従って、反応焼結炭化ケイ素をマ
トリックスとした材料では、ケイ素の融点温度以上の高
温度下では強度特性が極端に低下するという問題を有し
ていた。

【００１６】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、炭化ケイ素基マトリックス中に
残留ケイ素が生じる反応焼結炭化ケイ素において、高温
強度を維持できるセラミック基繊維複合材料およびその
製造方法を提供することを目的とする。

【００１７】また、セラミック基繊維複合材料をガスタ
ービンの燃焼器内壁、動翼および静翼などのガスタービ
ン部品に適用することで、信頼性の高いガスタービン部
品を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
炭化ケイ素を主相とするセラミックスのマトリックス中
にセラミックス繊維を複合化させたセラミックス基繊維
複合材料であって、前記セラミックスのマトリックス中
に残留ケイ素が存在し、前記セラミックス繊維表面に界
面層を有するセラミックス基繊維複合材料において、前
記残留ケイ素中に炭化ケイ素微粒子が分散および複合化
されることを特徴とする。

【００１９】本発明によれば、炭化ケイ素基マトリック
ス中の残留ケイ素中に炭化ケイ素微粉末を分散および複
合化して、炭化ケイ素基マトリックス中の残留ケイ素を
低減することで、ケイ素の融点温度である１４１４℃以
上の高温度域で使用しても強度特性の低減の少ないセラ
ミックスのマトリックス材料を得られる。

【００２０】請求項２記載の発明は、請求項１記載のセ
ラミックス基繊維複合材料において、分散および複合化
される炭化ケイ素微粒子の粒径は０．２μｍ以下であ
り、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子の含有量は３０ｖ
ｏｌ％以上であることを特徴とする。

【００２１】残留ケイ素中に分散および複合化される炭
化ケイ素微粒子の粒径は、０．２μｍ以下が好ましい。
０．２μｍを超える粒径の炭化ケイ素微粉末を用いた場
合には、溶融ケイ素の含浸が良好に行われない。このた
め、炭化ケイ素基マトリックス中に炭素の未焼結部分が
存在し強度特性が低減する。これは、成形体の開気孔を
炭化ケイ素微粒子が塞ぎ、反応が閉塞してしまうために
生じる。一方、炭化ケイ素微粒子の粒径が０．２μｍ以
下の場合には、このような不都合は生じない。

【００２２】残留ケイ素中に分散および複合化される炭
化ケイ素微粒子の量は、３０ｖｏｌ％以上が好ましい。
さらに好ましい炭化ケイ素微粒子の量は、３０〜５０ｖ
ｏｌ％の範囲である。残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子
の量が３０ｖｏｌ％未満の場合には、１４１４℃以上で
の強度特性の向上が図れない。一方、炭化ケイ素微粒子
の量が５０ｖｏｌ％を超える場合には、残留ケイ素中の
炭化ケイ素微粒子の量が多すぎて炭化ケイ素微粒子が成
形体の開気孔を塞ぎ、反応の閉塞が生じてしまう。

【００２３】請求項３記載のセラミックス基繊維複合材
料の製造方法は、セラミックス繊維の表面に界面層を形
成する界面層形成工程と、前記界面層が形成された前記
セラミックス繊維をブレーディングして繊維構造体を形
成する繊維構造体形成工程と、得られた前記繊維構造体
の繊維間および繊維周辺にスラリーを含浸させてセラミ
ックス繊維により強化した成形体を得る成形体形成工程
と、得られた前記成形体を反応焼結後、炭化ケイ素微粒
子を分散させた溶融ケイ素を含浸させる含浸工程とを備
えたことを特徴とする。

【００２４】請求項４記載のガスタービン部品は、請求
項１または２記載のセラミックス基繊維複合材料によっ
て、ガスタービンの燃焼器内壁、動翼、静翼およびその
他の部品を構成したことを特徴とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下において、本発明の実施形態
を図１、図２および表１を用いて説明する。

【００２６】実施例１（表１；試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．
３） 本実施例においては、炭化ケイ素基マトリックス中の残
留ケイ素中に分散および複合させる炭化ケイ素微粉末の
最適量を求めた。

【００２７】まず、炭化ケイ素セラミックス繊維（日本
カーボン社製ハイニカロン）を５００本束ねて繊維束状
態とした。この状態で、炭化ケイ素セラミックス繊維束
の繊維表面に、ＣＶＤ法を用い窒化ホウ素からなる０．
４μｍの界面層を形成した。

【００２８】次に、界面層がコーティングされた繊維束
をブレーディングし、組み糸数２４本、中央糸数８本の
ブレーディング（繊維構造体）を作製した。

【００２９】その後、スリップキャスト法で用いるスラ
リーを以下のようにして得た。

【００３０】粒径１〜１０μｍの炭化ケイ素粉末、粒径
０．０１〜１μｍの炭素粉末、分散剤、乾燥時に粉体の
形態を保持するためのバインダーおよび純水を用い、こ
れらを所定量投入し、湿式混合で１０〜２０時間塊砕混
合して調製した。

【００３１】このスラリーをブレーディング体の繊維間
および繊維周辺に充填後乾燥させて、スリップキャスト
法により炭化ケイ素セラミックス繊維により強化した成
形体を作製した。

【００３２】得られた成形体を、反応焼結法により、真
空中１４２０〜１５００℃に加熱後、溶融ケイ素を含浸
させた。成形体中の炭素成分と溶融ケイ素とを反応焼結
させて、残留ケイ素を含む炭化ケイ素基マトリックスを
得た。

【００３３】この時、用いた溶融ケイ素は、以下に示す
試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．３までのものを用いた。

【００３４】試料Ｎｏ．１ 本試料において、溶融ケイ素は、純度９９．９％、平均
粒径１μｍのケイ素粉末と、粒度分布０．０１〜０．０
３μｍの炭化ケイ素微粒子とを所定量湿式混合したもの
を用いた。そして、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子の
量が４０ｖｏｌ％となるような比率で混合した。

【００３５】試料Ｎｏ．２ 本試料において、溶融ケイ素は、純度９９．９％、平均
粒径１μｍのケイ素粉末と、粒度分布０．０１〜０．０
３μｍの炭化ケイ素微粒子とを所定量湿式混合したもの
を用いた。そして、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子の
量が３０ｖｏｌ％となる比率とした。

【００３６】試料Ｎｏ．３ 本試料において、溶融ケイ素は、純度９９．９％、平均
粒径１μｍのケイ素粉末と、粒度分布０．０１〜０．０
３μｍの炭化ケイ素微粒子とを所定量湿式混合したもの
を用いた。そして、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子の
量が５０ｖｏｌ％となる比率とした。

【００３７】このようにして得られたセラミックス基繊
維複合材料を、図１に示す。

【００３８】図１に示すように、セラミックス基繊維複
合材料１０は、炭化ケイ素基マトリックス１１中に、断
面がほぼ円形状の炭化ケイ素セラミックス繊維１２が複
数本複合化される。そして、この炭化ケイ素セラミック
ス繊維１２の外周面には、窒化ホウ素からなる界面層１
３が被覆される。また、炭化ケイ素基マトリックス１１
中には残留ケイ素１４が含まれ、この残留ケイ素１４に
は、炭化ケイ素微粒子１５が含有される。

【００３９】また、比較例として、残留ケイ素１４中の
炭化ケイ素微粒子１５の量（ｖｏｌ％）を本発明の範囲
外としたセラミックス基繊維複合材料１０を得た。

【００４０】比較例１（表１；試料Ｎｏ．４〜Ｎｏ．
５） 本比較例１においては、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒
子の量（ｖｏｌ％）を変化させて、表1に示す試料Ｎ
ｏ．４および試料Ｎｏ．５を用いた。

【００４１】試料Ｎｏ．４ 本試料において、溶融ケイ素は、純度９９．９％、平均
粒径１μｍのケイ素粉末と、粒度分布０．０１〜０．０
３μｍの炭化ケイ素微粒子とを所定量湿式混合したもの
を用いた。そして、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子の
量が２０ｖｏｌ％となるような比率で混合した。

【００４２】試料Ｎｏ．５ 本試料において、溶融ケイ素は、純度９９．９％、平均
粒径１μｍのケイ素粉末と、粒度分布０．０１〜０．０
３μｍの炭化ケイ素微粒子とを所定量湿式混合したもの
を用いた。そして、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子の
量が６０ｖｏｌ％となるような比率で混合した。

【００４３】このようにして得られた試料Ｎｏ．１から
試料Ｎｏ．５までのセラミックス基繊維複合材料１０
を、所定の試験片サイズに切り出し、室温および１４５
０℃酸化雰囲気中で３点曲げ強度試験を実施し、初期破
壊強度を測定した。その結果を表１および図２に示す。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１および図２に示すように、１４５０℃
の高温強度曲げ試験では、残留ケイ素中の炭化ケイ素微
粒子量が２０ｖｏｌ％までは、炭化ケイ素微粒子量に対
して強度特性は大きく変化しない。一方、炭化ケイ素微
粒子量が２０ｖｏｌ％を超えると急激に強度が増加し、
室温での強度とほぼ同等の特性を示した。

【００４６】また、炭化ケイ素微粒子量が６０ｖｏｌ％
以上になると、炭化ケイ素基マトリックス中に炭素の未
焼結部分が生じるために、急激に強度が低下する傾向を
示した。

【００４７】従って、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子
量を３０〜５０ｖｏｌ％とすることで、ケイ素の融点で
ある１４１４℃以上の高温域でも強度低下のほとんどな
い材料を得ることができる。

【００４８】次に、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子の
量を４０ｖｏｌ％と一定の比率として、炭化ケイ素微粒
子の粒径を変化させた。なお、セラミックス基繊維複合
材料の製造方法は、実施例１と同様であるため、その説
明を省略する。

【００４９】実施例２（試料Ｎｏ．６〜Ｎｏ．７） 本実施例においては、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子
の最適な粒径（μｍ）を求めた。

【００５０】試料Ｎｏ．６ 本試料において、粒度分布０．０３〜０．０８μｍの炭
化ケイ素微粒子を適用し、ケイ素粉末と炭化ケイ素微粒
子との混合比率は、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子の
量が４０ｖｏｌ％となる比率とした。

【００５１】試料Ｎｏ．７ 本試料において、粒度分布０．０６〜０．２０μｍの炭
化ケイ素微粒子を適用し、ケイ素粉末と炭化ケイ素微粒
子との混合比率は、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子の
量が４０ｖｏｌ％となる比率とした。

【００５２】比較例２（試料Ｎｏ．８） 本比較例２においては、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒
子の粒径（μｍ）を変化させた試料Ｎｏ．８を用いた。

【００５３】試料Ｎｏ．８ 本試料において、平均粒径０．４５μｍの炭化ケイ素微
粒子を適用し、ケイ素粉末と炭化ケイ素微粒子との混合
比率は、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子の量が４０ｖ
ｏｌ％となる比率とした。

【００５４】このようにして試料Ｎｏ．６〜試料Ｎｏ．
８により得られたセラミックス基繊維複合材料を、所定
の試験片サイズに切り出し、室温および１４５０℃の酸
化雰囲気中で３点曲げ強度試験を実施し、初期破壊強度
を測定した。その結果を表１に示す。

【００５５】表１に示すように、粒度分布０．０２μｍ
以下の炭化ケイ素微粒子を適用した場合には、焼結性お
よび初期破壊強度ともに優れていることが判明した。

【００５６】従って、残留ケイ素中の炭化ケイ素微粒子
量および適用する炭化ケイ素微粒子の粒度分布を最適化
することで、優れた高温強度を有するセラミックス基繊
維複合材料を得ることができる。

【００５７】

【発明の効果】以上で説明したように、本発明によるセ
ラミックス基複合材料およびその製造方法によれば、ケ
イ素の融点である１４１４℃以上の高温域においても強
度低下のほとんどない材料を得ることができる。また、
この材料をガスタービンの燃焼器内壁、動翼および静翼
などに適用することで、信頼性の高いガスタービン部品
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における、セラミックス基繊
維複合材料を示す断面図。

【図２】本発明の実施形態における、残留ケイ素中の炭
化ケイ素微粒子量（ｖｏｌ％）と３点曲げ強度（ＭＰ
ａ）との関係を示す図。

【図３】従来における、セラミックス基繊維複合材料を
示す断面図。

【符号の説明】

１０ セラミックス基繊維複合材料 １１ 炭化ケイ素基マトリックス １２ 炭化ケイ素セラミックス繊維 １３ 界面層 １４ 残留ケイ素 １５ 炭化ケイ素微粒子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早川 義則 神奈川県川崎市川崎区日進町７番地１ 東 芝電子エンジニアリング株式会社内 Ｆターム(参考） 3G002 EA08 EA09 4G001 BA22 BA33 BA60 BA62 BA86 BB22 BB33 BB62 BB86 BC02 BC13 BC33 BC46 BC47 BD14 BD15 BE13 BE22

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化ケイ素を主相とするセラミックスの
   マトリックス中にセラミックス繊維を複合化させたセラ
   ミックス基繊維複合材料であって、前記セラミックスの
   マトリックス中に残留ケイ素が存在し、前記セラミック
   ス繊維表面に界面層を有するセラミックス基繊維複合材
   料において、前記残留ケイ素中に炭化ケイ素微粒子が分
   散および複合化されることを特徴とするセラミックス基
   繊維複合材料。
2. 【請求項２】 請求項１記載のセラミックス基繊維複合
   材料において、分散および複合化される炭化ケイ素微粒
   子の粒径は０．２μｍ以下であり、残留ケイ素中の炭化
   ケイ素微粒子の含有量は３０ｖｏｌ％以上であることを
   特徴とするセラミックス基繊維複合材料。
3. 【請求項３】 セラミックス繊維の表面に界面層を形成
   する界面層形成工程と、前記界面層が形成された前記セ
   ラミックス繊維をブレーディングして繊維構造体を形成
   する繊維構造体形成工程と、得られた前記繊維構造体の
   繊維間および繊維周辺にスラリーを含浸させてセラミッ
   クス繊維により強化した成形体を得る成形体形成工程
   と、得られた前記成形体を反応焼結後、炭化ケイ素微粒
   子を分散させた溶融ケイ素を含浸させる含浸工程とを備
   えたことを特徴とするセラミックス基繊維複合材料の製
   造方法。
4. 【請求項４】 請求項１または２記載のセラミックス基
   繊維複合材料によって、ガスタービンの燃焼器内壁、動
   翼、静翼およびその他の部品を構成したことを特徴とす
   るガスタービン部品。