JP4974209B2 - セラミックマトリックス複合材のシリコン溶浸処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックマトリックス複合材の製造に関し、具体的には、繊維強化セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を溶融シリコンで溶浸処理する方法に関する。

ＭＩ−ＣＭＣの作製について、様々な処理スキームが開発されてきた。１つの方法は、「プリプレグ法」として公知であり、他の方法は、「スラリーキャスト法」として公知である。

「プリプレグ」法における第１のステップは、化学気相蒸着（ＣＶＤ）による繊維コーティングの施工である。繊維コーティングは、複合材処理の間に繊維を保護する働きをしかつ低強度繊維マトリックス界面を形成し、それによって繊維マトリックス剥離及び繊維プルアウト「強化」メカニズムを可能にする。ＣＭＣは一般的に、これまで繊維コーティングとして炭素を用いてきたが、その後耐酸化性向上のために窒化ホウ素又はシリコンドープの窒化ホウ素を組み入れるようになってきた。

繊維コーティング処理に続いて、繊維トウは、プリフォームマトリックス構成物質（ＳｉＣ及び炭素粒子、バインダ並びに溶媒）を含むスラリーを通して引かれ、その後ドラムに巻き取られて、一方向性の予備含浸すなわち「プリプレグ」テープを形成する。テープは次に、乾燥され、ドラムから取外され、形状に切断され、所望の繊維構造になるようにレイアップされ、かつ積層されてグリーン（未処理）複合材プリフォームを形成する。プリフォームの機械加工はこの段階で行うことができ、このことは、緻密化後の部品の最終機械加工の量を低減するのに役立つ。

スラリーキャスト法は、繊維をまずクロスに織るか又は編み、このクロスを次にレイアップして複合材プリフォーム形状を形成する点で、プリプレグ方法とは異なる。次に、化学蒸気浸透（ＣＶＩ）法を用いてプリフォームに繊維コーティングを施工する。一般的に３０〜４０％であるプリフォームの残存空隙は次に、ＳｉＣ粒子をプリフォーム内にスラリーキャスト（スリップキャスト）することによって部分的に充填される。

両方法における最終的な緻密化ステップは、シリコン溶浸ステップである。コーティング処理されたＳｉＣ繊維、ＳｉＣ及び／又は炭素粒子、並びに有機バインダ（プリプレグ法における）を含む複合材プリフォームは、シリコン金属源と接触した状態で約１４２０℃以上に加熱される。溶融シリコン金属は容易にＳｉＣ及び／又は炭素を濡らし、従って毛管作用によってプリフォームの残存空隙内に容易に引き込まれる。浸透に外的駆動力は必要なく、また複合材プリフォームの寸法変化も全くない。

シリコン金属を用いてＣＭＣを溶浸する現行の方法は、溶浸する部品の表面にシリコン金属粉末をスプレーするか又は多孔性炭素ウィックを用いて溶融状態でシリコンを部品に移入させるかのいずれかであるバッチ処理を使用している。炉を溶浸温度に加熱及び溶浸温度から冷却するのには大きな時間がかかる。加えて、現行のバッチ式溶浸処理に必要な時間は、プリフォームが溶融シリコンと接触している間にプリフォームの浸食を許すことになる。現行の溶浸法は、溶融シリコンに対して約１時間露出することを必要とする。

加えて、現行の方法は、プリフォーム全体を濡らしかつ完全に溶浸することを保証するためにシリコンに対してホウ素を少量添加することを必要とする。ホウ素は、燃焼生成物の高圧水蒸気によるプリフォーム内のＳｉ及びＳｉＣの腐食を加速させることが知られている。
米国特許第６，２４５，４２４号公報

本発明の例示的な実施形態によると、繊維強化ＣＭＣプリフォームは、該プリフォームを溶融シリコン浴中に浸漬することによって溶浸される。１つの例示的な実施形態では、部品は、真空及び／又は不活性雰囲気炉内で黒鉛ホルダにより吊り下げられる。ホルダ及びＣＭＣプリフォームは溶融シリコン浴中に下ろされ、溶融シリコン浴中で溶融シリコンが、ＣＭＣプリフォームの表面を濡らし、部品に浸透する。この浸漬処理はＣＭＣプリフォームを溶浸するのに必要な時間を著しく短縮するので、溶融シリコンがプリフォームを浸食することになる可能性が減少する。

本明細書に開示した方法は、一般的に耐熱性を必要とするガスタービンエンジン構成部品の製造に使用することができる。溶融浴浸漬法を使用して、溶浸処理部品の品質を改善することができる。浴中にある間のリアルタイムな重量測定値は、部品間のばらつきを減少させ、全体的な信頼性を高めることになる。加えて、プリフォームは、バッチ式炉装入の全部品を廃棄するのではなく、個々に廃棄することができる。

従って、そのより広い態様では、本発明は、繊維強化セラミックマトリックス複合材プリフォームを溶浸処理する方法に関し、本方法は、（ａ）プリフォームを溶融シリコン浴中に浸漬するステップと、（ｂ）プリフォームを所定の時間浴内にそのまま置いておくステップと、（ｃ）プリフォームを浴から引き出すステップと、（ｄ）プリフォームを冷却するステップとを含む。

別の態様では、本発明は、セラミックマトリックス複合材を形成する方法に関し、本方法は、（ａ）繊維トウに繊維コーティングを施工するステップと、（ｂ）高温及び低温バインダ、炭化ケイ素粉末、カーボンブラック並びに水から構成されたスラリー水を通して繊維トウを引き、それによってプリプレグテープを形成するステップと、（ｃ）プリプレグテープをドラムに巻き取るステップと、（ｄ）プリプレグテープを切断し、レイアップしかつ積層して、複合材プリフォームを形成するステップと、（ｅ）プリフォームを溶融シリコン浴中に浸漬することによって該プリフォームを溶浸処理するステップとを含む。

図１は、セラミックマトリックス複合材の製造に用いる従来のプリプレグ法の概略図である。繊維トウ１０をドラム１２からほどいた後に、繊維トウは、容器１４を通って進み、そこでトウには公知の化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によってセラミック繊維コーティングが施工される。このコーティングは、複合材処理の間に繊維を保護する働きをしかつ低強度繊維マトリックス界面を形成し、それによって繊維マトリックス剥離及び繊維プルアウト「強化」メカニズムを可能にする。ＣＭＣは一般的に、それまで繊維コーティングとして炭素を用いているが、その後耐酸化性向上のために窒化ホウ素又はシリコンドープの窒化ホウ素を組み入れるようになってきている。繊維コーティング処理に続いて、繊維トウ１０は、プリフォームマトリックス構成物質（ＳｉＣ及び炭素粒子、バインダ並びに溶媒）を含むスラリーを収容した容器１６を通して引かれ、その後ドラム１８に巻き取られて、一方向性の予備含浸すなわち「プリプレグ」テープ２０を形成する。テープは次に、乾燥され、ドラムから取外され、形状に切断され、所望の繊維構造になるようにレイアップされ、かつ積層されてグリーン複合材プリフォーム２２を形成する。プリフォームの機械加工はこの段階で行うことができ、このことは、緻密化後の部品の最終機械加工の量を低減するのに役立つ。

図２を参照すると、またスラリーキャスト法に関して、繊維トウ２４は、繊維クロス２６に織られるか又は編まれる。クロスは、切断されかつレイアップされて、所望の形状の複合材プリフォーム２８を形成する。プリフォームは次に、チャンバ３０内に配置され、チャンバ内で化学蒸気浸透（ＣＶＩ）法を用いてプリフォーオムに繊維コーティングが施工される。一般的に３０〜４０％であるプリフォームの残存空隙は次に、容器３２内でプリフォームにＳｉＣ粒子をスラリーキャスト又はスリップキャストすることによって部分的に充填される。

両方法における最終的な緻密化ステップは、シリコン溶浸ステップである。コーティング処理されたＳｉＣ繊維、ＳｉＣ及び／又は炭素粒子、並びにプリプレグの場合における有機バインダを含む複合材プリフォームは、シリコン金属源と接触した状態で約１４２０℃以上に加熱される。溶融シリコン金属は容易にＳｉＣ及び／又は炭素を濡らし、従って毛管作用によってプリフォームの残存空隙内に容易に引き込まれる。浸透に外的駆動力は必要なく、また複合材プリフォームの寸法変化も全くない。

本発明の例示的な実施形態によると、従来の化学蒸気浸透（ＣＶＩ）法によって部分的に緻密化された繊維強化ＣＭＣプリフォームは、例えば変性シリコン結晶成長炉中に浸漬される。具体的には、プリフォームは、黒鉛ホルダ内のモリブデンチャックにより吊り下げることができる。溶融シリコン池は、約１４５０℃に維持される。プリフォームは、溶融Ｓｉ池中に下ろされ、そこに所定の時間、例えば約２〜約１０分の間保持するようにされる。溶浸されたプリフォームは次に、浴から引き出され、溶融面の真上で２〜３分間冷却させるようにされる。その後プリフォームは、密閉されかつアルゴンで裏込め注入したエアロックチャンバ内に吊り上げて運ばれる。ＣＭＣが５００℃以下に冷却されると、ＣＭＣは引き出される。プリフォームを浴中に浸漬しかつ該浴から引き出す速度は、かなり重要であることが判った。例えば、５０〜６０インチ／分の法線速度で直接浸漬した場合には、望ましくない気体発生及び泡立ち又は発泡が生じる。しかしながら、法線速度を１／２〜１０インチ／分に低下させた場合には、プリフォームがかなり多くの時間をかけて加熱されかつ残留ガスを排出された後に、シリコンがプリフォームを濡らしてその中に入り込むことになる。

結晶成長炉は、電気抵抗素子、誘導加熱又は直接電気加熱によって加熱してシリコン浴の温度を上昇させることができる。シリコン結晶成長炉が、本発明で用いるのに適当な炉であることは分かっているが、同様な性能を有する他の炉もまた用いることができる。

上記の方法は、現行の溶浸処理時間を約１時間から約２〜約１０分に短縮する。さらに、濡れを保証するためのシリコンへのホウ素の添加は、全く必要ない。

別の実施形態では、ＣＭＣプリフォームは、プリフォームの重量を監視することができるようにするために、炉内のロードセルにより吊り下げることができる。この重量測定値は、溶浸処理の終了点に到達する時点を決定するために用いることができる。この方法はまた、現行のバッチ法よりも大幅なエネルギー節約と同時により高い部品処理能力をもたらすことになる。浴中にある間のリアルタイムな重量測定値は、部品間のばらつきを減少させ、全体品質を高める。プリフォームは、バッチ式炉装入の全部品を廃棄するのではなく、容易に個々に廃棄することができる。さらに、既に述べたように、シリコンへのホウ素の添加は排除することができ、従ってＣＭＣの環境耐久性が向上する。

プリフォームを溶融シリコン浴中に浸漬することを可能にする他の方法も使用することができ、また本発明は本明細書に記載した炉の構成に限定されるものではないことが理解されるであろう。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態と考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、反対に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

ＣＭＣを作製するためのプリプレグ法の概略図。 ＣＭＣを作製するためのスラリーキャスト法の概略図。

符号の説明

２４ 繊維トウ
２６ 繊維クロス
２８ 複合材プリフォーム
３０ チャンバ
３２ 容器

Claims (8)

1. 繊維強化セラミックマトリックス複合材プリフォーム（２２又は２８）を溶浸処理する方法であって、
   （ａ）プリフォームを溶融シリコン浴中に浸漬するステップと、
   （ｂ）前記プリフォームを所定の時間前記浴内にそのまま置いておくステップと、
   （ｃ）前記プリフォームを前記浴から引き出すステップと、
   （ｄ）前記プリフォームを冷却するステップと、
   を含み、前記ステップ（ａ）及び（ｃ）において、前記プリフォームを毎分１／２〜１０インチのプリフォーム速度で移動させることを特徴とする溶解処理方法。
2. 前記溶融浴が約１４５０℃の温度に維持されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記ステップ（ｄ）が、エアロックチャンバ内で実施されることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記ステップ（ｄ）の間、前記チャンバが気体で満たされることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記気体がアルゴンであることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記ステップ（ａ）の間、前記プリフォームがロードセルにより吊り下げられ、それによって該プリフォームの重量が測定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記ステップ（ｂ）の間、前記プリフォームが、２〜１０分間前記浴中に保持されることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. セラミックマトリックス複合材を形成する方法であって、
   （ａ）繊維トウ（１０）に繊維コーティングを施工するステップと、
   （ｂ）有機バインダ、炭化ケイ素粉末、カーボンブラック並びに水から構成されたスラリー水を通して前記繊維トウを引き、それによってプリプレグテープ（２０）を形成するステップと、
   （ｃ）前記プリプレグテープ（２０）をドラム（１８）に巻き取るステップと、
   （ｄ）前記プリプレグテープを切断し、レイアップしかつ積層して、複合材プリフォーム（２２）を形成するステップと、
   （ｅ）請求項１乃至７のいずれか１項記載の溶解処理方法によって該プリフォームを溶浸処理するステップと
   を含むことを特徴とする形成方法。
   

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