JP4559670B2

JP4559670B2 - 金属−セラミックス複合部材

Info

Publication number: JP4559670B2
Application number: JP2001255494A
Authority: JP
Inventors: 宏之津戸; 一郎青木; 義文武井; 達也塩貝
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2021-08-27
Also published as: JP2003064428A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属−セラミックス複合部材に関するもので、詳しくは、ガスタービン、ジェットエンジンなどの高温被曝部材として好適に使用できる金属−セラミックス複合部材に関するものである。さらには、本発明の複合部材は、ボイラ、ディーゼル、熱処理炉などに配設されている各種の高温被曝部材としても好適に用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ディーゼル、ボイラ、ガスタービン、及びジェットエンジンなどの原動機関の開発研究は、主として熱効率の向上を目的として精力的に進められているが、その熱効率の向上は構成部材に対する過酷な熱負荷を強いるものである。
したがって、これらの原動機関の高温部に使用される材料としては、使用環境下で高い強度を有することが要求され、従来からＣｒ、Ｎｉなどの非鉄金属を主成分とする、耐熱合金が使用されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの耐熱合金は高温強度を優先するためＡｌ、Ｓｉ等の添加が抑えられ、耐酸化性、耐高温腐食性が不十分であるという問題点があった。したがって、耐酸化性、耐熱性を有する酸化物の皮膜を溶射法により形成させることが検討されているが、Ｎｉ合金などは熱膨張係数が大きく、酸化物溶射皮膜と熱膨張係数が異なるため、使用時に溶射皮膜が剥離するという課題があった。特に、高温ガスと接触するガスタービン部材は、空気や水蒸気による冷却機構を強化したとしても、部材の高温部の被曝温度は９００℃以上になると予想され、このため溶射皮膜の剥離が今まで以上に問題となってきている。
【０００４】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、高温強度を有しながら、しかも耐酸化性、耐高温腐食性を有する材料を信頼性良く提供することを目的としたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記した本発明の目的は、一方の端面が冷却され他方の端面が高温に曝される複合部材であって、該複合部材がＡｌ含有量が４０〜９０体積％であるＡｌ−Ｓｉ合金をマトリックスとしＳｉＣを強化材とする金属−セラミックス複合材料からなり、かつ該複合部材の高温に曝される方の端面にＡｌ₂Ｏ₃溶射皮膜が形成されてなることを特徴とする金属−セラミックス複合部材によって達成される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、さらに詳細に説明する。本発明のＳｉ−Ａｌ合金中にＳｉＣが分散した複合材料は、Ｓｉ−Ａｌ合金中のＡｌ含有量を変化させることにより、複合材料の熱膨張係数を調整でき、Ａｌ₂Ｏ₃と略同一の熱膨張係数とすることができるという特長を有している。ここで、Ｓｉ−Ａｌ合金中のＡｌ含有量は４０〜９０体積％であることが好ましい。その理由は、Ａｌ含有量が４０体積％より少ないと熱膨張が小さくなりＡｌ₂Ｏ₃との熱膨張係数の差が大きくなり、また、Ａｌ含有量が９０体積％より多いと、後述するプリフォーム内にＳｉ−Ａｌ合金を溶融、浸透させるに際して未浸透部分が発生するため好ましくないからである。
【０００７】
本発明におけるＳｉＣの含有率は４０〜８０体積％が好ましい。その理由は、ＳｉＣの含有率が４０体積％より少ないと得られる複合材料の剛性が低くなり好ましくなく、またＳｉＣの含有率が８０体積％より多いとプリフォームの作製が困難となるからである。
【０００８】
ここで、本発明のプリフォームを作製する方法としては慣用の方法が用いられる。すなわち、ＳｉＣ粒子に有機バインダーを添加、混合し、成形用型に充填しプレスした後、非酸化雰囲気中、１０００℃で仮焼し有機バインダーを炭化させプリフォームとすれば良い。
次に、このようにして作製したプリフォームと上記組成のＳｉ−Ａｌ合金を非酸化雰囲気中、１５００℃以上に加熱、溶融し浸透させることによって複合化させることによってＡｌ−Ｓｉ合金をマトリックスとしＳｉＣを強化材とする金属−セラミックス複合材料を作成することができる。
このようにして作製した複合材料の端面に、溶射によりＡｌ₂Ｏ₃皮膜を形成し、必要に応じて機械加工を施すことにより本発明で提案した金属−セラミックス複合部材が得られる。
【０００９】
以下に、本発明を実施例と比較例により詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００１０】
（実施例１）
平均粒径１０μmのＳｉＣ粉末（信濃電気精錬製）１００重量部に有機バインダーとしてフェノール樹脂１０重量部を混合してプレス成形後に、Ｎ₂中で１０００℃で３時間加熱して、ＳｉＣ含有率が５０体積％のプリフォーム（１００×１００×２０ｍｍ）を得た。これと５０体積％Ａｌ-５０体積％Ｓｉの組成の合金をＡｒ中で１５００℃で３時間加熱し、溶融合金をプリフォームに浸透させて複合材料を得た。
次に、得られた複合材料から３×４×４０ｍｍの試験片を切り出してヤング率を測定した。また、切り出した試験片についてＡｌ−Ｓｉ合金の浸透状態を観察した。
さらに、この複合材料の表面に、溶射により厚さ２００μｍのＡｌ₂Ｏ₃膜を形成させた試料を作成し、この試料を室温と２００℃の間を約１０秒で昇降温させる試験を１０回繰り返す耐久性試験を行った。
【００１１】
（比較例１）
ＳｉＣ含有率を３０体積％とした以外は実施例１と同様の方法で複合材料を作製し評価を行った。
【００１２】
（比較例２）
マトリックスであるＳｉ−Ａｌ合金中のＡｌ濃度を２０体積％とした以外は実施例１と同様の方法で複合材料を作製し評価を行った。
【００１３】
（比較例３）
マトリックスであるＳｉ−Ａｌ合金中のＡｌ濃度を９５体積％とした以外は実施例１と同様の方法で複合材料を作製し評価を行った。
【００１４】
以上の評価結果を表１にまとめて示した。
【００１５】
【表１】

【００１６】
表１の結果から明らかなように、本発明の実施例１では、浸透不良な部分は皆無でＡｌ−Ｓｉ合金の浸透状態は良好であった。また、複合材料の熱膨張係数は溶射被膜のＡｌ₂Ｏ₃とほぼ同じであった。この結果、耐久性試験後も溶射皮膜の剥離は観察されなかった。
一方、比較例１では、ヤング率が１８０ＧＰａに低下し、剛性が不十分となった。また、比較例２では、複合材料の熱膨張係数は実施例１の複合材料より４割ほど小さくなりＡｌ₂Ｏ₃との熱膨張係数の差が大きくなった。このため、耐久性試験後にＡｌ₂Ｏ₃溶射皮膜が剥離した。
次に、比較例３では、複合材料から切り出した試験片に浸透不良が発生しており、ヤング率を測定することができなかった。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ａｌ₂Ｏ₃と略同一の熱膨張係数を有する複合材料が容易に作製でき、これにＡｌ₂Ｏ₃溶射皮膜を形成することによってＡｌ₂Ｏ₃との熱膨張差による剥離が生じない信頼性のある高温被曝部材が得られる効果がある。

Claims

一方の端面が冷却され他方の端面が高温に曝される複合部材であって、該複合部材がＡｌ含有量が４０〜９０体積％であるＡｌ−Ｓｉ合金をマトリックスとしＳｉＣを強化材とする金属−セラミックス複合材料からなり、かつ該複合部材の高温に曝される方の端面にＡｌ₂Ｏ₃溶射皮膜が形成されてなることを特徴とする金属−セラミックス複合部材。