JP2007091585A - セラミック母材の複合材料で作られたｃｍｃ熱構造部品を磨耗から保護する方法、ならびにこの方法によって得られるコーティングおよび部品 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＭＣ材料からなる熱構造部品を磨耗から保護する方法であって、従来技術の欠点を克服することが可能であり、特に高い効果をもたらす方法を提供する。
【解決手段】本発明は、セラミック母材の複合材料で作られた熱構造部品を磨耗から保護する方法に関する。特徴的なやり方において、コーティングが、
ａ）コロイド状シリカ、粉末状シリカアルミニウム、および／またはアルミニウム耐熱セラミック材料、ならびに水を含む混合物を用意するステップと、
ｂ）上記混合物からなる少なくとも１つの層を、部品上に塗布するステップと、
ｃ）上記層を乾燥させるステップと、
ｄ）上記部品を１０００℃を超える温度に配置して、上記層を焼成してエナメルコーティングを形成するステップと、
によって設けられる。
本発明は、ターボジェットノズル用のＳｉＣ可動フラップに適用可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック母材の複合材料で作られた熱構造部品を磨耗から保護する方法、保護用のコーティング、およびこの方法によって得られる部品に関する。

熱構造複合材料は、構造部品の構成に適した機械的特性を有するとともに、それら機械的特性が高温においても維持されることを特徴とする。それらは、繊維補強材を、繊維材料の空隙を少なくとも部分的に満たす耐熱材料の母材によって圧縮強化して構成されている。繊維および母材として選択される材料は、典型的には、カーボンおよびセラミックから選ばれる。

熱構造複合材料として、以下の例を挙げることができる。すなわち、カーボン／カーボン（Ｃ／Ｃ）複合材料、およびＣ／ＳｉＣまたはＳｉＣ／ＳｉＣ（炭化ケイ素母材を有する炭素繊維またはＳｉＣ補強材）などのセラミック母材複合材料（ＣＭＣ）、あるいはＣ／Ｃ−ＳｉＣ（炭素繊維補強材およびカーボンと炭化ケイ素との混合物からなる母材）、またはＣ／ＳｉＢ−Ｃ（炭素繊維補強材および自己修復性の母材）、もしくは実際にはＣ／Ｃ−ＳｉＣ−Ｓｉ（Ｓｉとの反応によってケイ化物化されたＣ／Ｃ複合材料）である。

本発明は、セラミック母材の複合（ＣＭＣ）材料、特に炭化ケイ素を含んでいるＣＭＣ材料について、摩擦および高温（５００℃から１０００℃の範囲、またはそれ以上）に起因する磨耗に対して耐性を向上させるための保護用コーティングの製造に関する。

特に、そのようなＣＭＣ材料について、現在のところ、高温での摩擦による磨耗に対する耐性が、特にターボジェットの排気ノズルの主可動フラップ（被駆動または従動フラップ）としての用途など、特定の用途において限定的であることが明らかになっている。

母材および／または繊維の組成の変更、あるいは材料の構造変更によってＣＭＣ材料を改良する試みは、充分な改善をもたらしていない。

本発明の目的は、ＣＭＣ材料からなる熱構造部品を磨耗から保護する方法であって、従来技術の欠点を克服することが可能であり、特に高い効果をもたらす方法を提供することにある。

本発明によれば、この目的が、コーティングを、
ａ）コロイド状シリカ、粉末状シリカアルミニウム、および／またはアルミニウム耐熱セラミック材料、ならびに水を含む混合物を用意するステップと、
ｂ）上記混合物からなる少なくとも１つの層を、部品上に塗布するステップと、
ｃ）上記層を乾燥させるステップと、
ｄ）上記部品を１０００℃を超える温度に配置し、上記層を焼成してエナメルコーティングを形成するステップと、
によって製造することを特徴とする方法によって、達成される。

すなわち、単に水を主体とする混合物を塗布し、乾燥させ、高温で焼成するだけで、高温での摩擦磨耗に対して保護をもたらすエナメルコーティングがなされる。

この解決策は、実施がきわめて容易であって、低コストで工業化が可能であるというさらなる利点も提供する。

さらに、この本発明による方法によれば、高温における摩擦磨耗に耐えるコーティングをもたらすことができるだけでなく、放射特性を変更する目的で選択された添加剤および／またはフィラーを添加することによって、被覆領域の放射特性を変更すべく使用できるコーティングをもたらすことができることが見出されている。例えば、フラップの内面（軸に面する表面）に被覆を設ける場合、エンジンの内部からの反射を減らすべく放射率を高めるフィラーを使用するように決定することができる。これに代え、あるいはこれに加えて、フラップの外面に被覆を設ける場合には、同様にジェットの赤外の痕跡を少なくする目的で、放射率および見かけ上の温度を低下させるフィラーを使用するように決定することができる。

全体として、本発明の課題解決策によって、高温での摩擦磨耗に耐える特性を強化するという目的で、任意のＣＭＣ部品へとエナメル状のコーティングを提供することができる。

特に、部品の表面層が炭化ケイ素（ＳｉＣ）および／または炭化ホウ素（ＢＣ）を含んでいるときに、そのような表面層へと混合物を塗布した場合に、顕著に改善された結果を得ることができる。

意図する用途に応じて、部品の外表面のすべてに混合物を塗布してもよく、あるいは外表面の一部に塗布してもよいことに、気が付くべきである。例えば、スラスターノズルの発散部分について、混合物を摩擦にさらされる表面のみに塗布することができ、特に発散部分の可動フラップの外表面または内表面のみに塗布することができる。

混合物において、耐熱セラミック材料は、好ましくは、アルミナケイ酸塩（特にムライトであるが、シリマナイトも）、アルミニウムケイ酸塩（例えば、カイアナイト）、およびアルミナからなる族に属している。

耐熱セラミック材料は、好ましくはムライトであり、混合物が、さらにオルトリン酸Ｈ_３ＰＯ_４を含んでいる。

好都合には、層が、乾燥後に約２００マイクロメートル（μｍ）の厚さを呈している。

本発明の方法は、好ましくは、ステップｄ）に先立ち、平滑な表面の達成およびコーティング表面上での摺動の改善のために、チッ化ホウ素を含んでいる研磨用媒体で研磨を行なうステップをさらに含んでいる。

さらに本発明は、ＣＭＣ材料熱構造部品を磨耗から保護するためのコーティングであって、上述の方法を使用して製造されるコーティングを提供する。

特に、本発明は、ＣＭＣ材料熱構造部品を磨耗から保護するためのコーティングであって、シリカアルミニウムおよび／またはアルミニウム耐熱材料を含んでいるエナメルを形成することを特徴とするコーティングをさらに提供する。

さらに、本発明は、シリカアルミニウムおよび／またはアルミニウム耐熱材料を含んでいるエナメルによって構成された耐磨耗保護用コーティングを備えていることを特徴とするＣＭＣ材料熱構造部品を提供する。

上述の２つの状況のいずれにおいても、コーティングの下方に位置する部品の表面層は、好ましくは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）および／または炭化ホウ素（ＢＣ）を含んでいる。

例えば、本発明の部品は、スロットルによって可変である部位のターボジェット排気ノズルの排気用可動フラップを構成することができ、このフラップの表面（外表面および／または内表面）の少なくとも一部に、磨耗に対する保護用コーティングが設けられる。

本発明の他の利点および特徴は、実施例および添付の図面を参照しつつ行なわれる以下の説明を検討することによって明らかになるが、本発明が以下の説明に限定されるわけではない。

（実施例）
以下の原料から混合物を製造した。
・１グラム当たり２００平方メートル（ｍ^２／ｇ）から３００ｍ^２／ｇの比表面積を有するコロイド状シリカ、
・４０μｍ未満の直径を有する粒子の形態のムライト（２ＳｉＯ_２、３Ａｌ_２Ｏ_３）、
・水、および
・オルトリン酸Ｈ_３ＰＯ_４
これらの原料を混合して均一な懸濁液を得、塊または凝塊を除くため５０マイクロメートルでふるいにかけた。

下記の表１のムライト系コーティング組成物を与える特性を有する混合物が得られた。

混合物は、スプレーガン、塗布ブラシ、または実際にはパッドを使用し、および／または浸漬（ディッピング）によるなど、幾多のやり方で１つ以上の層として堆積させることができる水溶液を形成している。

混合物は、時間とともに濃くなるため、調製後きわめて速やかに（調製の開始後、１０分（ｍｉｎ）から１５分以内に）塗布を行なわなければならない。

スプレーガンを使用し、２ｂａｒの圧力を使用して、スプレーガンのノズルを部品から２５ミリメートル（ｍｍ）から３５ｍｍの距離に位置させて噴霧を行なった。

ＣＭＣノズルフラップへの具体的適用においては、良好な厚さは、１層または２層での塗布で２００マイクロメートル（乾燥後の厚さ）である。過剰な厚さが割れにつながる一方で、厚さが不充分であると、部品を構成している素材の粗さを隠すことができない。

この段階において、欠陥を呈する堆積物を単に洗浄することによって取り除くことができ、乾燥後に新たな層を塗布することができることに、気付くべきである。

さらに、混合物をただ１つの厚い層として塗布した後に乾燥作業を実行するのではなく、混合物を、間に乾燥工程をはさんで２つ（または、それ以上）の微細な層として塗布することが好ましい。なぜならば、これが、コーティングの割れの恐れを回避するうえで役に立つからである。

ひとたび堆積物が部品へと塗布されると、ストーブにおいて６０℃で３０分間、乾燥が行なわれる。

乾燥の際に、粒子がお互いに向かって移動し、混合物が、シリカが粒状のフィラーであってムライトがセメントである一種のモルタルを形成する。

乾燥後、堆積物の表面が、チッ化ホウ素でコートされた研磨紙を使用して仕上げされ、研磨される。これは、コーティングの摺動特性を向上させるため、堆積物の表面を削り取ることによって堆積物の厚さをより均一にするうえで役に立つ（チッ化アルミナまたはチッ化ケイ素など、他のチッ化物を使用することも可能である）。

このようにして、焼成に先立って表面がより平滑になり、焼成は、１０００℃超（特に、１１００℃）の炉内に、部品の質量に応じて５分から１５分の期間にわたり、部品を直接配置することからなる。

磨耗耐性テストを実行するために、４０ｍｍ×５０ｍｍの寸法を有するトラックトラックを形成しているプレート、および３０ｍｍの長さおよび８ｍｍの幅を有するペグという２つの部品の全表面について、これらの工程を実行した。

磨耗耐性テストは、ペグを静止した状態に保持し、トラックをペグの端部に接触させ、平行移動で往復直線運動を加えることによって行なった。

図２が、標準的なＣＭＣ材料（具体的には、Ｃ／ＳｉＣ）およびムライト系のコーティングによって覆われた同じ材料について、完全に同一のテスト条件における磨耗の結果を示している。

この図は、棒グラフの形式であって、基準として使用される標準的なＣＭＣ材料のトラックが被る磨耗に基づいて、正規化されている。

これらの結果から、磨耗に対する保護用コーティングを加えて磨耗テストを実行した場合に、トラックの磨耗が顕著に低減され、特に半分未満に低減されたことを、見て取ることができる。ペグの磨耗も、コーティングの存在下においてより小さくなった。この比較的小さな差も、テスト条件によって説明することができる。

磨耗に対する保護を提供するための本発明の方法について、考えられる用途の１つを説明するため、図１を参照することができ、収束コーンを形成すべく最も密に閉じられた状態で示されているノズル１０を見て取ることができる。

ノズル１０は、基本的には、特に制御レバー１８を有する制御システム１６によって動かされる被駆動フラップ１２および従動フラップ１４を有している。

特に、図１に示されているノズル１０は、ＣＭＣ材料製の被駆動フラップ１２と、金属製の従動フラップ１４とを備えることができる。このような状況において、磨耗は、金属製の従動フラップ１４に摩擦接触する被駆動フラップ１２の表面において、もっとも顕著に観察される。

しかしながら、ノズル１０が、どちらもＣＭＣ材料で作られた被駆動フラップ１２および従動フラップ１４を有してもかまわない。

ジェットエンジンがアフターバーナーを備える場合、これらのフラップは、主たる流れの出口において、温度が７００℃から９５０℃の範囲にある高温の流れの中に位置する。

このような状況において、磨耗に対する本発明の保護用コーティングは、両方の種類のフラップ１２および１４の全表面積を覆って、あるいは被駆動フラップ１２の内表面および従動フラップ１４の外表面のみを覆って、あるいは実際には上記表面のうちの考えられる種々の位置において互いに接する領域のみへと、上述のやり方で設けられる。

耐熱材料は、当然ながら、当該コーティングが設けられる部品のセラミック母材複合材料の膨張係数と実質的に同一な膨張係数を呈するように、選択される。

保護しようとする部品がＣ／Ｃ複合材料で作られている場合には、混合物をこの部品へと直接塗布してもよく、あるいは耐熱アンダーコート、特にＳｉＣアンダーコートを形成した後に、塗布してもよい。

当然ながら、本発明は、ノズルのフラップには限定されず、特にＳｉＣを含むＣＭＣ材料熱構造部品であるが、表面の全体または一部分にわたって摩擦による磨耗を受けなければならないあらゆるＣＭＣ材料熱構造部品へと、適用可能である。特に、本発明は、燃焼室、ケーシング、アフターバーナーアーム、などの壁面に適用される。

後方からの投影にて眺めたターボジェットの一部分の図である。 磨耗テストの結果を示している。

符号の説明

１０ ノズル
１２ 被駆動フラップ
１４ 従動フラップ
１６ 制御システム
１８ 制御レバー

Claims (14)

1. セラミック母材の複合材料で作られた熱構造部品を磨耗から保護する方法であって、コーティングが、
   ａ）コロイド状シリカ、粉末状シリカアルミニウム、および／またはアルミニウム耐熱セラミック材料、ならびに水を含む混合物を用意するステップと、
   ｂ）該混合物からなる少なくとも１つの層を、部品上に塗布するステップと、
   ｃ）該層を乾燥させるステップと、
   ｄ）該部品を１０００℃を超える温度に配置して、該層を焼成してエナメルコーティングを形成するステップと、
   によって設けられ、前記コーティングが約２００μｍの厚さを有していることを特徴とする、方法。
2. 該混合物が、該部品の炭化ケイ素（ＳｉＣ）および／または炭化ホウ素（ＢＣ）を含んでいる表面層へと塗布されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 該混合物中の耐熱セラミック材料が、アルミナケイ酸塩、アルミニウムケイ酸塩、およびアルミナからなる族に属していることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 該混合物中の耐熱セラミック材料が、ムライトであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 該混合物が、さらにオルトリン酸を含んでいることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. ステップｄ）に先立って、チッ化ホウ素を含んでいる研磨用媒体で研磨を行なうステップをさらに含んでいることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. セラミック母材の複合材料で作られた熱構造部品のための耐磨耗保護用コーティングであって、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法によって製造されることを特徴とする、コーティング。
8. セラミック母材の複合材料で作られた熱構造部品のための耐磨耗保護用コーティングであって、シリカアルミニウムおよび／またはアルミニウム耐熱材料を含んでいるエナメルを形成しており、かつ約２００μｍの厚さを有していることを特徴とする、前記コーティング。
9. 当該コーティングの下方に位置する部品の表面層が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）および／または炭化ホウ素（ＢＣ）を含んでいることを特徴とする、請求項８に記載のコーティング。
10. セラミック母材の複合材料で作られた熱構造部品であって、シリカアルミニウムおよび／またはアルミニウム耐熱材料を含んでいるエナメルで構成され、約２００μｍの厚さを有している耐磨耗保護用コーティングを備えていることを特徴とする、部品。
11. 該コーティングの下方に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）および／または炭化ホウ素（ＢＣ）を含む表面層を有していることを特徴とする、請求項１０に記載の部品。
12. スロットルによって可変である部位のターボジェット排気ノズル（１０）の可動フラップ（１２、１４）を構成しており、該フラップが、自身の外表面の少なくとも一部分に耐磨耗保護用コーティングを備えている、請求項１０または１１に記載の部品。
13. 請求項１２に記載の部品を備えているノズル。
14. 請求項１２に記載の部品を備えているターボジェット。

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