JP2007070222A - 複合材保護層を形成するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック複合材における酸化を減少させる方法を提供する。
【解決手段】本方法は、第１の化学蒸気浸透（ＣＶＩ）プロセスを用いて物品の少なくとも一部分上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックスの第１の部分を堆積させるステップ（１３０）と、第２のＣＶＩプロセスを用いてＳｉＣマトリックスの少なくとも一部分内にケイ素（Ｓｉ）ドープ窒化ホウ素（ＢＮ）層を堆積させるステップ（１４０）と、第３のＣＶＩプロセスを用いてＳｉＣマトリックスの第１の部分の少なくとも一部内に又は該第１の部分に連続してＳｉＣマトリックスの第２の部分を堆積させるステップ（１５０）とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはセラミック複合材に関し、より具体的には、高温における酸化から複合材を保護することに関する。

高温及び／又は高応力環境への長期間の曝露に適した材料は、様々な用途において望まれている。複数のそのような材料が存在しており、例えば被覆したセラミック複合材料が、これらの状況において様々な成功度で用いられてきた。

複合材料は、それらを分離する界面で互いに結合された２つ又はそれ以上の物理的及び／又は化学的に異なる構成物質で構成される。そのような複合材の構成物質は、完全には互いの中に溶解又は他の方法でも融合しない。しかしながら、複合材は、互いに協力して作用する。複合材料は、通常では生じない、また分離した状態の構成物質のいずれによっても達成することができない特性を有する。複合材の使用によって改善することができる性能特性の実例には、材料強度、靭性及び／又は耐熱性の強化が含まれる。少なくとも幾つかの公知の複合材料は、マトリックスとして知られている連続相と補強材として知られている分散非連続相とを含む。補強材は一般的に、マトリックスよりも硬度がありかつ強固である。

例示的な複合材は、高い強度及び熱耐性を必要とする用途に通常用いられる炭素繊維強化炭化ケイ素マトリックス（Ｃ／ＳｉＣ）セラミック複合材である。炭素繊維は、高温（例えば、１６５０℃）においてその特性を保持することができる。しかしながら、炭素繊維は、そのような高温環境内では酸化しやすい傾向をもつおそれがある。界面被覆及び付加的表面密封被覆と共により高い剛性及び耐酸化性を有するＳｉＣマトリックスを組合せることにより、炭素繊維の保護を行うことができる。

高温の酸素濃度の高い環境では、酸素が、セラミック複合材マトリックスに浸透して炭素繊維と反応する可能性がある。酸化反応は、炭素繊維を脆弱化させ、続いて複合材内の領域を脆弱化させる可能性がある。脆弱化した領域は、材料の喪失を生じる可能性があり、最終的には材料の損傷を招くおそれがある。ＳｉＣマトリックスのようなバリヤ被膜は、酸化の遅延に適度に有効であることが判っているが、それでも酸化種は、マトリックス被膜を通り抜けて拡散して炭素繊維に達する可能性がある。
米国特許４６４２２７１号明細書 米国特許５０２６６０４号明細書 米国特許５４７２６５０号明細書 米国特許５８９４０６６号明細書 米国特許５９９００２５号明細書 米国特許６０６９１０１号明細書 米国特許６０８３５６０号明細書 米国特許６２２８４５３号明細書 米国特許６５３７５０６号明細書 米国特許６７０７８７７号明細書 米国特許６８２４８６０号明細書 米国特許６８３８１６２号明細書 米国特許６６２２５０３号明細書

本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。

１つの態様では、セラミック複合材における酸化を減少させる方法を提供する。本方法は、第１の化学蒸気浸透（ＣＶＩ）プロセスを用いて物品の少なくとも一部分上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックスの第１の部分を堆積させるステップと、第２のＣＶＩプロセスを用いてＳｉＣマトリックスの少なくとも一部分内にケイ素（Ｓｉ）ドープ窒化ホウ素（ＢＮ）層を堆積させるステップと、第３のＣＶＩプロセスを用いてＳｉＣマトリックスの第１の部分の少なくとも一部内に又は該第１の部分に連続してＳｉＣマトリックスの第２の部分を堆積させるステップとを含む。

別の態様では、セラミック複合材物品を製作する方法を提供する。本方法は、複数の所定の寸法を有する炭素繊維プリフォーム物品を製作するステップと、炭素繊維プリフォーム物品の少なくとも一部分上の炭素繊維上に熱分解炭素の層を堆積させるステップと、第１の化学蒸気浸透（ＣＶＩ）プロセスを用いて強化熱分解炭素層の少なくとも一部分上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックスの第１の部分を堆積させるステップと、第２のＣＶＩプロセスを用いてＳｉＣマトリックスの少なくとも一部分内にケイ素（Ｓｉ）ドープ窒化ホウ素（ＢＮ）層を堆積させるステップと、第３のＣＶＩプロセスを用いてＳｉＣマトリックスの第１の部分の少なくとも一部分内に又は該ＳｉＣマトリックスに連続してＳｉＣマトリックスの第２の部分を堆積させるステップとを含む。

さらに別の態様では、セラミック複合材保護層を含む物品を提供する。層は、表面領域を含む基体と、酸化剤を含浸させたマトリックス材料で浸透された該基体の少なくとも一部分上で延びる繊維束の領域とを含む。

図１は、複合材保護層を形成する例示的な方法１００のフローチャートである。

例示的な方法１００の方法ステップ１１０は、完成物品の寸法と実質的に同じ外形及び厚さを含む複数の所定の寸法を有する炭素繊維プリフォーム物品を製作するステップを含む。物品には、複数の所定の材料密度を有することができる複数の層が形成され、この複数の所定の材料密度は、実質的に均質とするか或いは物品の円周方向に及び／又は外形に応じて変化させることができる。次の層のための基体の主要界面は、物品の表面である。

例示的な方法１００の方法ステップ１２０は、基体の表面上に熱分解炭素の層を堆積させるステップを含む。炭素の層は、均一かつ均質とすることができる厚さか或いは物品の円周方向に及び／又は外形に応じて変化させることができる複数の厚さで堆積される。

例示的な方法１００の方法ステップ１３０は、化学蒸気浸透（ＣＶＩ）プロセスによって熱分解炭素の層上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックスの第１の部分を堆積させるステップを含む。ＣＶＩプロセスでは、気相の化学反応物質が、物品に導入され、多孔質基体に貫入し、そこで気相反応が発生する。このＣＶＩプロセスの間に、多孔質基体内への蒸気の浸透によってセラミックマトリックスが形成される。

ＣＶＩプロセスの間に、ＳｉＣマトリックスは、物品の表面付近で均質とするか或いは該物品の円周方向に及び／又は外形に応じて変化させることができる所定の炭素（Ｃ）対ケイ素（Ｓｉ）比率で堆積される。ＳｉＣマトリックスは、等温状態（例えば、ＳｉＣのＣＶＩは通常、約１０００℃で実施される）を維持しながら或いはプリフォーム内の所定の温度勾配を維持して該プリフォームの温度を変化させることによって堆積させることができる。さらに、ＳｉＣマトリックスは、物品を固定した状態で或いは物品を所定の軸線の周りでかつ所定の速度で回転させながら堆積させることができる。所望の堆積速度及び厚さは、気体反応物質の温度、圧力、反応物質の流量、反応物質の濃度、及び気体反応物質の基体成分との相互作用により生じる反応によって放出された副生気体の除去率を制御することによって達成される。

例示的な方法１００の方法ステップ１４０は、ＳｉＣマトリックスの堆積を中断し、ＣＶＩプロセスを用いてＳｉＣマトリックス内にケイ素（Ｓｉ）ドープ窒化ホウ素（ＢＮ）層を堆積させるステップを含む。ＣＶＩ ＢＮ被膜は、各繊維及び／又は繊維束の周りに均一に堆積される。ＢＮ被膜は、高温で比較的安定した状態を維持する。高温で酸素と接触すると、ＢＮ被膜は、反応して繊維束を均一に囲むＢ_２Ｏ_３（及び／又はＳｉ−Ｂ−Ｏ）ガラス層を形成し、それによって更なる酸素の拡散を抑制しかつ繊維及び／又は界面の酸化を防止するのを可能にする。ＢＮは、例えばボラジン（Ｂ_３Ｎ_３Ｈ_６）、又は三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）とアンモニア（ＮＨ_３）との混合物のような様々な化合物から得ることができる。

例示的な方法１００の方法ステップ１５０は、一旦ＢＮ層が完全に堆積されると、ＣＶＩ ＳｉＣマトリックス堆積を継続するステップを含む。ＳｉＣマトリックス堆積を完了させるＣＶＩプロセスは、第１の堆積に用いたＣＶＩプロセスと同一のものとすることができ、或いはマトリックス堆積の先の中断及びマトリックス内へのＢＮ層の導入を考慮するようにパラメータを調整することができる。

本明細書に記載したセラミック複合材製作方法は、セラミック複合材物品の酸化を減少させるのを可能にする。より具体的には、上述のガラス層は、酸素の更なる拡散を防止する。その結果、セラミック複合材物品の劣化及び物品損傷によって引き起こされる維持費の増加を、低減又は排除することができる。

本明細書に記載及び／又は図示した方法は、セラミック複合材物品、より具体的にはＣ／ＳｉＣセラミック複合材を製作することに関して記載及び／又は図示しているが、本明細書に記載及び／又は図示した方法の実施は、Ｃ／ＳｉＣセラミック複合材物品に限定されるものではなく、或いは炭素以外の繊維で強化された複合材にもセラミック複合材全般にも限定されるものではない。むしろ本明細書に記載及び／又は図示した方法は、あらゆる材料のあらゆる物品を製作するのに適用可能である。

以上、Ｃ／ＳｉＣセラミック複合材の例示的な実施形態を詳細に説明している。本方法、装置及びシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態にも特定の製作したＣ／ＳｉＣ物品にも限定されるものではなく、むしろセラミック複合材を製作する本方法は、本明細書に記載した他の方法、装置及びシステムから独立してかつ別個に利用することができ、或いは本明細書に記載していないセラミック複合材を製作するのに利用することができる。例えば、他のセラミック複合材もまた、本明細書に記載した方法を用いて組立てることができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。

複合材保護層を形成する例示的な方法のフローチャート。

符号の説明

１００ 複合材保護層を形成する方法
１１０ 完成物品の寸法と実質的に同じ外形及び厚さを含む複数の所定の寸法を有する炭素繊維プリフォーム物品を製作するステップ
１２０ 基体の表面上に熱分解炭素の層を堆積させるステップ
１３０ 化学蒸気浸透（ＣＶＩ）プロセスによって熱分解炭素の層上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックスの第１の部分を堆積させるステップ
１４０ ＳｉＣマトリックスの堆積を中断し、ＣＶＩプロセスを用いてＳｉＣマトリックス内にケイ素（Ｓｉ）ドープ窒化ホウ素（ＢＮ）層を堆積させるステップ
１５０ 一旦ＢＮ層が完全に堆積されると、ＣＶＩ ＳｉＣマトリックス堆積を継続するステップ

Claims (10)

1. セラミック複合材における酸化を減少させる方法であって、
   第１の化学蒸気浸透（ＣＶＩ）プロセスを用いて物品の少なくとも一部分上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックスの第１の部分を堆積させるステップ（１３０）と、
   第２のＣＶＩプロセスを用いて前記ＳｉＣマトリックスの少なくとも一部分内にケイ素（Ｓｉ）ドープ窒化ホウ素（ＢＮ）層を堆積させるステップ（１４０）と、
   第３のＣＶＩプロセスを用いて前記ＳｉＣマトリックスの第１の部分の少なくとも一部内に又は該第１の部分に連続してＳｉＣマトリックスの第２の部分を堆積させるステップ（１５０）と、
   を含む方法。
2. 前記第１のＣＶＩプロセスを用いて物品の少なくとも一部分上にＳｉＣマトリックスの第１の部分を堆積させるステップ（１３０）が、
   前記物品の表面付近で均質とするか或いは該物品の円周方向に及び／又は外形に応じて変化させることができる所定の炭素（Ｃ）対ケイ素（Ｓｉ）比率でＳｉＣマトリックスを堆積させるステップと、
   等温状態を維持しながら或いは前記物品内の所定の温度勾配を維持して該物品の温度を変化させながらＳｉＣマトリックスを堆積させるステップと、
   前記物品を固定した状態で或いは該物品を所定の軸線の周りでかつ所定の速度で回転させながらＳｉＣマトリックスを堆積させるステップと、を含む、
   請求項１記載のセラミック複合材における酸化を減少させる方法。
3. 前記所定のＣ対Ｓｉ比率でＳｉＣマトリックスを堆積させるステップが、複数の第１のＣＶＩプロセス条件を制御するステップを含み、前記複数の第１のＣＶＩプロセス条件を制御するステップが、複数の気体反応物質の温度、圧力、前記複数の反応物質の流量、前記複数の反応物質の複数の濃度、及び複数の反応によって放出された複数の副生気体の複数の濃度の除去率を制御するステップをさらに含む、請求項２記載のセラミック複合材における酸化を減少させる方法。
4. セラミック複合材物品を製作する方法であって、
   複数の所定の寸法を有する炭素繊維プリフォーム物品を製作するステップ（１１０）と、
   前記炭素繊維プリフォーム物品の少なくとも一部分上に熱分解炭素の層を堆積させるステップ（１２０）と、
   第１の化学蒸気浸透（ＣＶＩ）プロセスを用いて前記強化層の少なくとも一部分上に炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックスの第１の部分を堆積させるステップ（１３０）と、
   第２のＣＶＩプロセスを用いて前記ＳｉＣマトリックスの少なくとも一部分内にケイ素（Ｓｉ）ドープ窒化ホウ素（ＢＮ）層を堆積させるステップ（１４０）と、
   第３のＣＶＩプロセスを用いて前記ＳｉＣマトリックスの第１の部分の少なくとも一部分内に又は該第１の部分に連続してＳｉＣマトリックスの第２の部分を堆積させるステップ（１５０）と、
   を含む方法。
5. セラミック複合材保護層を含む物品であって、前記層が、
   表面領域を含む基体と、
   酸化剤を含浸させたマトリックス材料で浸透された前記基体の少なくとも一部分上で延びる繊維束の領域と、を含む、
   物品。
6. 前記基体が、所定の寸法を有する炭素繊維プリフォームをさらに含む、請求項５記載のセラミック複合材保護層を含む物品。
7. 前記所定の寸法を有する炭素繊維プリフォームが、
   完成物品の寸法と実質的に同じである所定の外形及び厚さのセットに予め成形された物品と、
   複数の所定の材料密度を有することができる複数の層と、を含み、
   前記複数の所定の材料密度が、実質的に均質とするか或いは前記物品の円周方向に及び／又は外形に応じて変化させることができる、
   請求項６記載のセラミック複合材保護層を含む物品。
8. 前記酸化剤を含浸させたマトリックス材料で浸透された前記基体の少なくとも一部分上で延びる繊維束の領域が、前記プリフォームの少なくとも一部分上に堆積された強化炭素繊維束の層を含む、請求項５記載のセラミック複合材保護層を含む物品。
9. 前記酸化剤を含浸させたマトリックス材料で浸透された前記基体の少なくとも一部分上で延びる繊維束の領域が、窒化ホウ素（ＢＮ）酸化剤を含浸させた炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックスを含む、請求項５記載のセラミック複合材保護層を含む物品。
10. 前記ＢＮ酸化剤を含浸させたＳｉＣマトリックスが、前記物品の表面付近で均質とするか或いは該物品の円周方向に及び／又は外形に応じて変化させることができる所定の炭素（Ｃ）対ケイ素（Ｓｉ）比率で堆積させることができる、請求項９記載のセラミック複合材保護層を含む物品。

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