JP3112961B2 - 繊維強化傾斜機能材料の製造方法 - Google Patents

繊維強化傾斜機能材料の製造方法

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JP3112961B2 JP03040223A JP4022391A JP3112961B2 JP 3112961 B2 JP3112961 B2 JP 3112961B2 JP 03040223 A JP03040223 A JP 03040223A JP 4022391 A JP4022391 A JP 4022391A JP 3112961 B2 JP3112961 B2 JP 3112961B2
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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、熱応力緩和性、断熱
性、耐熱性を維持しつつ強度の向上を図るようにした繊
維強化傾斜機能材料の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】シャトル型往還機およびスペースプレー
ンなどの将来型高速機のホットストラクチャーには、耐
熱性、断熱性、熱応力緩和性および強度、剛性に優れた
材料が望まれており、この候補材料の一つとしてセラミ
ックスと金属の組成を板厚方向に変化させた傾斜機能材
料が挙げられている。この種の傾斜機能材料は、気相合
成法、粒子配列法、プラズマ溶射法、薄膜積層法、自己
発熱反応法などの製造手段により試作されている。粒子
配列法として、少なくとも2種類の粒子粉末を液体また
は気体によって別々に搬送し、各々のノズルから噴射さ
せ、各々の粉末の噴射量を制御することで任意の混合比
をもつ粒子混合粉末積層体を作るようにしたものは、特
開昭63−227732号公報に記載されている。傾斜
機能材料の製造方法として、第1成分であるセラミック
スと第2成分である金属あるいは他のセラミックスとの
間に低ヤング率成分あるいは破壊強度に十分耐える高強
度材料の第3成分を分布させることで、作られる傾斜機
能材料が優れた耐熱性、耐食性をもちかつ熱応力破壊に
も耐える特性を有するようにしたものは、特開昭62−
156938号公報に記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】いずれの技術手段によ
って作られる傾斜機能材料も、耐熱性、熱応力緩和性に
重点を置いたものであり、この傾斜機能材料を構造材と
して用いるのには、高比強度、高比剛性において限界が
ある。本発明は上記した点に鑑みてなされたもので、耐
熱性、熱応力緩和性、断熱性を維持しつつ強度の向上を
図るようにした繊維強化傾斜機能材料の製造方法を提供
することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の繊維強化傾斜機
能材料の製造方法は、密度の高い長繊維列に金属粉末と
セラミックス粉末との混合比を金属粉末を多くした混合
粉末をプラズマスプレー手段により溶射し、密度の低い
長繊維列に金属粉末とセラミックスとの混合比を金属粉
末を少なくした混合粉末をプラズマスプレー手段により
溶射して、長繊維の密度および金属粉末とセラミックス
粉末の混合比を変化させたプリフォームを成形し、これ
らプリフォームを長繊維の密度および混合比の順に積層
し、このプリフォーム積層体を加圧、加熱して互いに接
合することで構成される。
【0005】
【作用】本発明の繊維強化傾斜機能材料の製造方法にお
いては、巻き取り工程において、密度の高い長繊維列と
密度の低い長繊維列を形成し、プラズマ溶射工程におい
て、密度の高い長繊維列に金属粉末の混合比を多くした
金属粉末とセラミックスの混合粉末を施しプラズマスプ
レー手段を用いて溶射し、密度の低い長繊維列に金属粉
末の混合比を少なくした金属粉末とセラミックスの混合
粉末をプラズマスプレー手段を用いて溶射することで溶
射プリフォームを成形し、離型工程において、溶射プリ
フォームをドラムより取り外し混合比を変化させた複数
枚のプリフォームを形成し、積層工程において、混合比
を変化させた複数枚のプリフォームを長繊維の密度およ
び混合比の順に積層して積層体を形成し、緻密化工程に
おいて、加圧処理および加熱処理を施すことで従来の熱
応力緩和性、断熱性、耐熱性を維持しつつ強度を向上を
図った繊維強化傾斜機能材料を成形する。形成される繊
維強化傾斜機能材料は、マトリックス組成傾斜方法とし
てプラズマ溶射法に用いることで繊維の容易かつ均一な
含浸と精度の高い密度を保証する。
【0006】
【実施例】以下本発明の一実施例を図面につき説明す
る。
【0007】図1において符号1は直径140ミクロン
の耐熱性SiC(SCS−6)フィラメント(長繊維)
を示し、このSiCフィラメント1はボビン2に巻回さ
れている。このボビン2に巻かれたSiCフィラメント
1は、巻取装置のドラム3に所定の密度(密なものや粗
のもの)になるように巻き付けられる。本実施例では、
ドラム3に巻き付けられるSiCフィラメント1の密度
は密なものから粗のものまで5つ選定される。SiCフ
ィラメント1を巻き付けたドラム3は、金属粉末とセラ
ミックスの混合粉末を噴射するためのスプレーノズル4
を備えたプラズマスプレーチャンバー5の内部に配置さ
れる。スプレーノズル4には、ホッパー6に収容された
Al2 3 粉末(平均粒径30ミクロン)とホッパ7に
収容されたAl粉末(平均粒径30ミクロン)が混合比
調整器6a,7aを介して供給される。また、このスプ
レーノズル4は管路8を介してアークガス源(アルゴン
ガスおよびその他のガス)(Al)とセラミックス(A
2 3 )の混合粉末の比は、ホッパ6のAl2 3
末(平均粒径30ミクロン)とホッパ7のAl粉末(平
均粒径30ミクロン)との混合比を混合比調整器6a,
7aを制御することで表1(マトリックスを構成する混
合粉末の組成)に示すような5つの混合比のものが選定
される。この混合比は、必要に応じて連続して変化する
ようにするこ
【0008】とも可能である。
【表1】 そして、SiCフィラメント1を巻き付けたドラム3に
スプレーノズル4から金属粉末(Al)とセラミックス
(Al)の混合粉末を減圧下で吹付けることによ
り、溶射プリフォーム10が成形される。
【0009】ドラム3に巻き付けられるSiCフィラメ
ント1の密度と金属粉末(Al)とセラミックス(Al
)の混合粉末の比との関係を図2に示す。すなわ
ち、密度の密なSiCフィラメント1に対しては金属粉
末(Al)だけのものが吹付けられ、密度の最も粗なS
iCフィラメント1に対してはセラミックス(Al
)と金属粉末(Al)の混合粉末の比が0.75〜
0.82のものが吹付けられ、この中間のものについて
は、SiCフィラメント1の密度に応じて、セラミック
ス(Al)と金属粉末(Al)の混合粉末の比が
0.50〜0.62、0.25〜0.37のものが選ば
れる。なお、溶射に際しては、中間層の組成遷移領域で
条件、組織が最適となるよう、溶射電流、補助ガス圧力
をそれぞれ700〜900A、0〜100PSIの間で
変えながら行うことが望ましい。SiCフィラメント1
の密度とこのSiCフィラメント1に付与される金属粉
末(Al)とセラミックス(Al)の混合粉末の
比は、板厚方向の温度分布、各要素の熱膨張率、ヤング
率を考慮して熱応力を最小にするように選ばれる。
【0010】ドラム3から切断、離型された長繊維の密
度および混合比の異なる4つの溶射プリフォーム10
は、長繊維の密度および混合比の順に積層され、その長
繊維の密度の低い側に金属粉末とセラミックスの混合粉
末層10aを設けることでプリフォーム積層体11を形
成する。このプリフォーム積層体11は、内部を断熱層
12で覆い内部空間にヒータ13を設けたHIP14の
内部に配置され、600〜650℃程度の温度で加圧、
加熱され、プリフォーム間の界面およびマトリックスー
繊維界面の空隙を充填することにより、成形、緻密化さ
れ、繊維強化傾斜機能材料となる。このように成形され
た繊維強化傾斜機能材料(5層)の厚みは約1ミリであ
るが、必要に応じて100層で20ミリ程度とすること
も可能である。繊維強化傾斜機能材料を高温側にセラミ
ックスを配すことで耐熱性と断熱性を確保し、マトリッ
クスの組成を傾斜させることで熱応力緩和機能を図り、
繊維強化による高比強度、高比剛性を確保でき、したが
って、セラミックス側を高温ガスを金属側を冷却用低温
ガス(あるいは液体)を伴なう冷却システムの構造体と
して利用することができる。
【0011】なお、上記実施例では、金属元素として、
比強度が高く繊維強化マトリックスとして実績のあるA
lを用いたが、Tiであってもよく、また、セラミック
スとしてはAlと同時に溶射可能であり、繊維強化マト
リックスとして実績のあるAlを用いたが、3A
・2SiOの基本的な化学式を有するアルミ
ナのケイ酸塩であるムライトであってもよいのはもちろ
んである。
【0012】図3は本発明の他の実施例を示し、この実
施例においては、図2に示す繊維強化傾斜機能材料の成
形手段が異なっている。すなわち、この実施例では、ボ
ヒン2に巻回された直径140ミクロンの耐熱性SiC
(SCS−2)フィラメント1を、巻取装置のドラム3
に所定の密度になるように巻き付け、ついで、このSi
Cフィラメント1を巻き付けたドラム3を、プラズマス
プレーチャンバー5の内部に配置し、スプレーノズル4
からムライト粉末(平均粒径10ミクロン)とAl粉末
(平均粒径60ミクロン)の混合粉末を減圧下で吹付
け、つぎに、混合粉末を吹付けたSiCフィラメント1
を巻き付けたドラム3を、プラズマスプレーチャンバー
5から取り出し、SiCフィラメント1を巻き付けたド
ラム3の溶射材の上に、新たに繊維をその密度を前回よ
り低くして巻き付け、このドラム3をプラズマスプレー
チャンバー5の内部に配置し、スプレーノズル4からム
ライト粉末(平均粒径10ミクロン)とAl粉末(平均
粒径60ミクロン)の混合比を変えた混合粉末を減圧下
で吹付け、以下同様な操作を繰り返すことにより得られ
た長繊維の密度および混合比の順に積層されたプリフォ
ーム積層体11を、ホットプレス15により、600℃
(マトリックスの固液共存温度以下)程度の温度で加
圧、加熱し、プリフォーム間の界面およびマトリックス
−繊維界面の空隙を充填することで、成形、緻密化し、
繊維強化傾斜機能材料を構成する。図4は、このように
して得られた繊維強化傾斜機能材料の模式図を示し、同
図において一面側はムライト100%の層であり、他面
側はAl100%層であり、中間層は、層を構成するム
ライトとAlの重量%割合を示す。図5は繊維強化傾斜
機能材料の断面図を示し、この繊維強化傾斜機能材料
は、繊維を含まない材料と比較して、曲げ強度で約4倍
の強さを示した。
【0013】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、密度
の高い長繊維列に金属粉末とセラミックスとの混合比を
金属粉末を多くした混合粉末を、密度の低い長繊維列に
金属粉末とセラミックスとの混合比を金属粉末を少なく
した混合粉末を、プラズマスプレー手段により溶射して
長繊維の密度および金属粉末とセラミックスの混合比を
変化させた複数枚のプリフォームを成形し、これらプリ
フォームを長繊維の密度および混合比の順に積層し、加
圧、加熱して互いに接合するので、熱応力緩和性、断熱
性、耐熱性を維持しつつ強度を高めた繊維強化傾斜機能
材料を成形でき、また、この繊維強化傾斜機能材料を高
温側にセラミックスの粉末層を配すことで耐熱性と断熱
性を確保し、マトリックスの組成を傾斜させることで熱
応力緩和機能を図り、繊維強化による高比強度、高比剛
性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による繊維強化傾斜機能材料の製造方法
の工程順を示す図。
【図2】本発明により作られた繊維強化傾斜機能材料の
構成を示す図。
【図3】本発明の他の実施例を示す図。
【図4】本発明により作られた繊維強化傾斜材料の一側
を示す模式図。
【図5】本発明により作られた繊維強化傾斜材料の一側
の断面組織を示す図。
【符号の説明】
1 SiCフィラメント 3 ドラム 5 プラズマスプレーチャンバー 10 溶射プリフォーム 11 プリフォーム積層体 14 HIP
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B32B 1/00 - 35/00 C04B 35/00 - 35/84

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】密度の高い長繊維列に金属粉末とセラミッ
    クス粉末との混合比を金属粉末を多くした混合粉末をプ
    ラズマスプレー手段により溶射し、密度の低い長繊維列
    に金属粉末とセラミックス粉末との混合比を金属粉末を
    少なくした混合粉末を、プラズマスプレー手段により溶
    射して長繊維の密度および金属粉末とセラミックス粉末
    の混合比を変化させたプリフォームを長繊維の密度およ
    び混合比の順に積層し、このプリフォーム積層体を加
    圧、加熱して互いに接合することを特徴とする繊維強化
    傾斜機能材料の製造方法。
  2. 【請求項2】プリフォーム積層体の長繊維の密度の低い
    側の面に金属粉末とセラミックス粉末の混合粉末のみの
    層を設けたことを特徴とする請求項1に記載の繊維強化
    傾斜機能材料の製造方法。
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DE19610113C2 (de) * 1996-03-14 1998-01-22 Reinhausen Maschf Scheubeck Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Isolierkörpers
US7279230B1 (en) * 2004-02-23 2007-10-09 United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Hybrid composite materials
WO2009010297A1 (de) * 2007-07-18 2009-01-22 Alcan Technology & Management Ag Duplex-aluminium-werkstoff auf basis von aluminium mit einer ersten phase und einer zweiten phase und verfahren zur herstellung des duplex-aluminium-werkstoffs

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