JP3060590B2 - 高温耐熱強度部材 - Google Patents

高温耐熱強度部材

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JP3060590B2 JP3104221A JP10422191A JP3060590B2 JP 3060590 B2 JP3060590 B2 JP 3060590B2 JP 3104221 A JP3104221 A JP 3104221A JP 10422191 A JP10422191 A JP 10422191A JP 3060590 B2 JP3060590 B2 JP 3060590B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高温耐熱強度部材に係
り、特に、耐熱性、耐酸化性、耐水素劣化性に著しく優
れた高温耐熱強度部材に関する。
【0002】
【従来の技術】炭素繊維/炭素複合材料(以下「CCコ
ンポジット」と称す。)は、極めて優れた耐熱性を有す
る反面、耐酸化性が全くなく、また、水素劣化性もある
ことから、その利用分野が限定されるという欠点があ
る。例えば、ロケットエンジンのノズルのような高温酸
化雰囲気にさらされる用途には不適である。また、炉心
管や熱処理用、焼結用セッタでは、不活性雰囲気中、特
に水素による炭素劣化の問題がある。更に、CCコンポ
ジットは、ガスや液の浸透性があるため、この点からも
用途が限定される。
【0003】このため、CCコンポジットの熱酸化性等
を向上させる目的で、従来、各種の表面処理方法が提案
されている。例えば、次の〜の方法がある。 S
i蒸気又は溶融Siの含浸による表面の珪化。即ち、表
面にSiCを形成する。 表面にCVD法によりSi
Cコーティングを施す。 上記の処理後、クラックを
シールするために各種の溶融ガラス(例えば、硼珪酸ガ
ラス)を含浸する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、CCコ
ンポジットとSiCとでは熱膨張係数が大きく異なるこ
とから、前記、のように、表面にSiC層を形成し
たものでは、熱膨張差に起因するクラックが生じ、CC
コンポジットを十分に保護し得ない。の処理を施すこ
とによりクラックをシールすることができるが、クラッ
クを根本的に解決することはできない。
【0005】本発明は上記従来の問題点を解決し、基材
表面に、クラック発生の少ないSiC又はSi34
を形成し、その耐酸化性及び耐水素劣化性を改善した高
温耐熱強度部材を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1の高温耐熱強度
部材は、炭素繊維/SiC複合材料(以下「C/SiC
複合材料」と称す。)よりなる基材の表面に被覆層が形
成されてなる高温耐熱強度部材であって、該被覆層は、
セラミック及び耐熱金属よりなる群から選ばれる少なく
とも1種の粉末及び/又は短繊維を含み、該粉末及び/
又は繊維同志の間隙に、気相蒸着法によりSiC又はS
34 を含浸してなり、該被覆層は、その表面側が緻
密質であり基材側が多孔質であることを特徴とする。
【0007】請求項2の高温耐熱強度部材は、請求項1
の高温耐熱強度部材において、多孔質層を構成する粉末
及び/又は短繊維が酸化によりB23 を生じさせるボ
ロン含有物質よりなることを特徴とする。
【0008】以下に本発明を図面を参照して詳細に説明
する。第1図は本発明の高温耐熱強度部材の一実施例を
示す模式的な断面図である。
【0009】本発明において、基材となるC/SiC複
合材料1は、例えば、炭素繊維割合が35〜60体積
%、マトリックスであるSiCの割合が25〜40体積
%、空孔率が10〜30体積%のものが好ましい。
【0010】このようなC/SiC複合材料は、例え
ば、次のようにして製造することができる。 炭素繊
維を少量の樹脂を用いて成形した後無機化して得られる
多孔質体(プレフォーム)の空孔内へ、CVD法等によ
りSiCを蒸着させる。 焼結法。 SiC繊維用
原料樹脂(ポリカルボシラン等)を用いて成形した後無
機化する操作を繰り返す。場合によって、更に空孔内に
CVD法等によりSiCを蒸着させる。
【0011】このようなC/SiC複合材料1の表面に
形成される被覆層2は、セラミック及び耐熱金属よりな
る群から選ばれる少なくとも1種の粉末及び/又は短繊
維を含み、該粉末及び/又は繊維同志の間隙に、気相蒸
着法によりSiC又はSi34 を含浸してなるベース
層3を有するものである。
【0012】本発明において、該ベース層3の粉末及び
/又は繊維を構成するセラミック及び耐熱金属として
は、黒鉛、炭素、SiC、B4 C、AlN、TiB2
MoSi2 、TaN、WC、W2 C等のセラミック、及
びW、Mo等の耐熱金属よりなる群から選ばれる1種又
は2種以上の粉末及び/又は短繊維が挙げられる。な
お、粉末の場合、その平均粒径は0.2〜100μm程
度とするのが好ましい。また、短繊維の場合、その平均
繊維径は0.2〜30μm、平均繊維長さは20〜20
0μmであることが好ましい。
【0013】本発明においては、特に、ベース層3を構
成する粉末及び/又は短繊維がボロン(B)元素を含む
物質よりなることが好ましい。即ち、Bを含む物質より
なる多孔質層であれば、万が一クラックが発生した場合
でも、含有されるBが酸素により酸化されてB23
なり(2B+2/3O2 →B23 )、このものがガラ
ス状となって、或いはこのものとSiC又はSi34
との酸化により生成した硼珪酸ガラスがクラックをシー
ルする。このため、C/SiC複合材料の耐酸化性、耐
水素劣化性はより確実に向上する。このようなことか
ら、ベース層3を構成する物質はBを含有することが好
ましいが、Bの含有割合が過度に高いと耐熱性が低下す
る。従って、本発明においては、多孔質層のB含有率
(SiC又はSi34 含浸前の値)は1〜30重量%
であることが好ましい。なお、Bを含む物質としては、
ボロン、ボロンカーバイド(B4 C)、ボロンナイトラ
イド(BN)等が挙げられる。
【0014】本発明において、ベース層3の粉末及び/
又は短繊維同志の間の間隙が狭過ぎると十分なSiC又
はSi34 の含浸がなされない。従って、含浸前の粉
末及び/又は短繊維の層の空孔率(SiC又はSi3
4 含浸前の値)は40〜99%であることが好ましい。
また、被覆層2の厚さは薄過ぎると十分なクラック防止
効果が得られず、厚過ぎると基材表面までSiC又はS
34 が蒸着含浸できず、被覆層と基材との結合が不
十分になり、被覆層が脱落、剥離しやすくなる。従っ
て、ベース層3の厚さは0.05〜0.5mm程度が好
ましい。
【0015】このような粉末及び/又は短繊維は、例え
ば、C/SiC複合材料表面へフェノール樹脂等の接着
剤をスプレーガン又はハケにて塗布した後、粉末及び/
又は短繊維をふりかけ、ハケ又はヘラで余分の粉末及び
/又は短繊維を除去し、次いで、接着剤を硬化させ、更
に無機化することにより容易にC/SiC複合材料に固
着させることができる(以下、この方法を「接着法」と
称す。)。
【0016】本発明の高温耐熱強度部材では、このC/
SiC複合材料表面に固着された粉末及び/又は短繊維
同志の間隙に、CVD法又はCVI等の気相蒸着法によ
りSiC又はSi34 を、被覆層表面側が緻密質、基
材側が多孔質となるように、含浸、蒸着させる。ここ
で、CVI法又はCVD法の好適なSiCの蒸着条件の
一例を下記表1に示す。
【0017】
【表1】
【0018】このような条件にてSiC又はSi34
を蒸着することにより、自ずと、表面側により多量のS
iC又はSi34 が蒸着されて緻密質となり、基材側
により少量のSiC又はSi34 が蒸着されて多孔質
となる、SiC又はSi34 含有率がその厚さ方向で
表面側ほど高くなるように変化する被覆層2が得られ
る。
【0019】被覆層2のSiC又はSi34 含浸率
は、少な過ぎるとSiC又はSi34 による耐酸化性
等の改善効果が十分に得られず、多すぎてもそれ以上の
効果は得られず経済的ではない。従って、SiC又はS
34 は、被覆層中の体積%で1〜50%となるよう
に含浸させるのが好ましい。
【0020】本発明において、被覆層2は、更に、表面
にSiC又はSi34 の気相蒸着膜5が形成されたも
のであっても良い。このような気相蒸着膜5を形成する
ことにより、耐酸化性、耐水素劣化性はより一層向上す
る。
【0021】このような本発明の高温耐熱強度部材は、
次のような高温部材用途等に極めて有用である。 ロケットエンジンのノズル等の高温部材 炉心管 熱処理用、焼結用セッタ(被処理物を置く台)
【0022】
【作用】本発明の高温耐熱強度部材は、C/SiC複合
材料の表面に、セラミック及び耐熱金属よりなる群から
選ばれる少なくとも1種の粉末及び/又は短繊維で形成
された層が形成されており、かつ、この層の空孔が気相
蒸着法により生成したSiC又はSi34 で、表面側
が緻密質、基材側が多孔質となるように含浸されてい
る。
【0023】このような、SiC又はSi34 含有率
が傾斜し、空孔率が厚さ方向に徐々に変化する被覆層
は、基材のC/SiC複合材料に対して応力緩和層とし
て作用するため、C/SiC複合材料とSiC又はSi
34 との熱膨張係数の差に起因する被覆層のクラック
発生は少なくなる。このため、C/SiC複合材料は、
SiC又はSi34 が含浸された被覆層により、良好
な耐酸化性、耐水素劣化性、ガス、液不透性が与えられ
る。なお、C/SiC複合材料は、CCコンポジットに
比べて表面被覆層とのなじみが良く、クラックが発生し
難く、本発明に有効である。
【0024】特に、被覆層を構成する物質がBを含む場
合には、万が一被覆層にクラックが入った場合において
も、Bのガラス化による目詰め作用で、基材の劣化は防
止される。
【0025】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明する。
【0026】実施例1、比較例1,2 炭素繊維含有率:40体積%、マトリックスSiC含有
率:40体積%、空孔率:20体積%のC/SiC複合
材料に、接着法にて、平均粒径2μmのSiC粉末を用
いて、厚さ0.3mm、空孔率70体積%の層を形成し
た。次いで、この多孔質層に前記表1のCVI法の条件
にて、SiCを含浸させた。SiCの含浸率は、得られ
る被覆層に対して30体積%とし、更に、表面に厚さ5
0μmのSiC蒸着膜を形成した。
【0027】得られた高温耐熱強度部材を大気中で13
00℃に100時間加熱したときの重量減少率を調べた
ところ、重量減少率は18%であった。一方、比較例1
として同一のC/SiC複合材料に、また、比較例2と
して、CCコンポジット(炭素含有率40体積%、マト
リックス炭素含有率35体積%、空孔率25体積%)
に、各々、直接50μm厚さのCVD−SiCコーティ
ング膜を形成したものについて同様に加熱試験を行なっ
たところ、C/SiC複合材料中の炭素繊維とCCコン
ポジットはほぼ完全に燃焼した。
【0028】実施例2 実施例1で用いたと同様のC/SiC複合材料に、接着
法にて、平均粒径2μmのSiC粉末及び平均粒径3μ
mのB4 C粉末を用いて、厚さ0.3mm、B含有率2
0重量%、空孔率70体積%の多孔質層を形成した。次
いで、この多孔質層に前記表1のCVI法の条件にて、
SiCを含浸させた。SiCの含浸率は、得られる被覆
層に対して30体積%とし、更に、表面に厚さ50μm
のSiC蒸着膜を形成した。
【0029】得られた高温耐熱強度部材を大気中で13
00℃に100時間加熱したときの重量減少率を調べた
ところ、重量減少率は6%であった。
【0030】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の高温耐熱強
度部材によれば、耐熱性、耐酸化性、耐水素劣化性及び
ガス、液不透性が大幅に改善された高温耐熱強度部材が
提供される。特に、請求項2の高温耐熱強度部材であれ
ば、より優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1図は本発明の高温耐熱強度部材の一実施例
を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
1 C/SiC複合材料 2 被覆層 3 ベース層

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭素繊維/SiC複合材料よりなる基材
    の表面に被覆層が形成されてなる高温耐熱強度部材であ
    って、該被覆層は、セラミック及び耐熱金属よりなる群
    から選ばれる少なくとも1種の粉末及び/又は短繊維を
    含み、該粉末及び/又は繊維同志の間隙に、気相蒸着法
    によりSiC又はSi34 を含浸してなり、該被覆層
    は、その表面側が緻密質であり基材側が多孔質であるこ
    とを特徴とする高温耐熱強度部材。
  2. 【請求項2】 多孔質層を構成する粉末及び/又は短繊
    維が酸化によりB23 を生じさせるボロン含有物質よ
    りなることを特徴とする請求項1に記載の高温耐熱強度
    部材。
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