JP5070910B2 - Ceramic matrix composite member and method for producing ceramic matrix composite member - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックス基複合部材およびセラミックス基複合部材の製造方法に関し、特に、基材とコーティング層との密着強度に優れたセラミックス基複合部材およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a ceramic matrix composite member and a method for producing a ceramic matrix composite member, and more particularly to a ceramic matrix composite member having excellent adhesion strength between a substrate and a coating layer and a method for producing the same.
セラミックス繊維とセラミックスマトリックスとからなるセラミックス基複合材料(Ceramic Matrix Composite:以下、CMCと略称する)は、従来から、ジェットエンジンのシュラウド部品やタービン部品などの材料として用いられている。このような用途の基材としてCMCを用いる場合、一般に、CMC基材の表面に耐環境コーティング(EBC)層が形成される。耐環境コーティング層は、高温ガス環境に対する耐熱性や耐酸化性、耐腐食性(特に耐水蒸気(減肉)性)、快削性を向上させるものであり、例えば、特許文献1〜特許文献4に示すように、希土類酸化物(シリケート)、ハフニア(IVA族金属酸化物)、SAS(Strontium-Almino-Silicate)などからなるものが知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a ceramic matrix composite material (Ceramic Matrix Composite: hereinafter abbreviated as CMC) made of ceramic fibers and a ceramic matrix has been used as a material for jet engine shroud parts and turbine parts. When CMC is used as a substrate for such applications, generally an environmental resistant coating (EBC) layer is formed on the surface of the CMC substrate. The environment-resistant coating layer improves heat resistance, oxidation resistance, corrosion resistance (especially water vapor (thinning resistance) resistance), and free-cutting properties against high-temperature gas environments. For example,
しかし、耐環境コーティング層は、一般に、熱膨張係数が5〜10×10-6/Kであり、熱膨張係数が3×10-6/K程度であるCMC基材との熱膨張係数の差が非常に大きい。このため、従来から、耐環境コーティング層とCMC基材との熱膨張差に起因する残留応力によって、耐環境コーティング層にクラックが発生したり、耐環境コーティング層が剥離したりしてしまうことが問題となっていた。 However, the environment-resistant coating layer generally has a thermal expansion coefficient of 5 to 10 × 10 −6 / K and a difference in thermal expansion coefficient from a CMC base material having a thermal expansion coefficient of about 3 × 10 −6 / K. Is very big. For this reason, conventionally, the residual stress resulting from the difference in thermal expansion between the environmental resistant coating layer and the CMC base material may cause cracks in the environmental resistant coating layer or the environmental resistant coating layer may peel off. It was a problem.
この問題を解決するために、これまでにさまざまな工夫がなされている。例えば、図20(a)に示すように、耐環境コーティング層15とCMC基材11との間に、熱膨張係数が耐環境コーティング層15とCMC基材11との中間の値である中間層13を形成する方法が挙げられる。中間層13としては、アルミノケイ酸バリウムストロンチウム、ムライト、ハフノンなどからなるものが挙げられる。中間層13を形成することで耐環境コーティング層15とCMC11との熱膨張差によって発生する応力を段階的に緩和できる。図20(a)に示す中間層13は、例えば、CMC基材11の表面にアルミノケイ酸バリウムストロンチウム、ムライト、ハフノンなどの中間層13となる材料を溶射する方法などにより形成される。
この場合、CMC基材11と中間層13との接着力(密着強度)が低い場合、界面で剥離が生じてしまうことが新たな問題となる。図20(a)に示すようにボンド層12としてCMC基材11と中間層13の間にSi、希土類シリサイド、Tiなどの活性金属を形成することにより、化学的な接着力(密着強度)を向上させることができる。ボンド層12はCMC基材11の表面にSi、希土類シリサイド、Tiなどのボンド層となる材料を減圧溶射する方法などにより形成される。
Various solutions have been made so far to solve this problem. For example, as shown in FIG. 20A, an intermediate layer having a thermal expansion coefficient intermediate between the environmental
In this case, when the adhesive force (adhesion strength) between the
また、上記の問題を解決する他の技術として、図20(b)に示すように、表面に溝11aを有するCMC基材11上に耐環境コーティング層15を形成する方法が挙げられる。CMC基材11の表面に溝11aを設けることで、耐環境コーティング層15とCMC基材11との密着性を向上させるアンカー効果を得ることができ、耐環境コーティング層15とCMC基材11との物理的な接着力を高めることができる。
しかしながら、図20(a)に示す方法において、Si、希土類シリサイド、Tiなどの活性金属を用いてボンド層12を形成した場合、形成されたボンド層12を構成するSi、希土類シリサイド、Tiなどの活性金属は、安定な酸化物あるいはシリケートに変化する。この活性金属から酸化物あるいはシリケートへの変化は、体積変化を伴う変化であるため、CMC基材11上の全面にボンド層12を形成すると、中間層13と耐環境コーティング層15の剥離が生じてしまう。しかし、中間層13と耐環境コーティング層15の剥離が生じないように、CMC基材11上の一部にボンド層12を形成しない領域を設けると、CMC基材11を保護のための緻密性が不十分となってしまう。
However, in the method shown in FIG. 20A, when the
また、図20(b)に示す方法を用いた場合、耐環境コーティング層15とCMC基材11との熱膨張係数ミスマッチを緩和することができないため、耐環境コーティング層15の密着力のバラツキが大きく、剥離が生じる場合もあり、安定した品質の耐環境コーティング層15を得ることが困難であった。
In addition, when the method shown in FIG. 20B is used, the thermal expansion coefficient mismatch between the environment-
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、コーティング層とCMC基材との熱膨張係数ミスマッチを緩和することができ、コーティング層とCMC基材との密着性を向上させることができるセラミックス基複合部材を提供することを目的とする。
また、本発明は、コーティング層とCMC基材との熱膨張係数のミスマッチを緩和することができ、コーティング層とCMC基材との密着性を向上させることができるセラミックス基複合部材の製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and can reduce the thermal expansion coefficient mismatch between the coating layer and the CMC base material, and can improve the adhesion between the coating layer and the CMC base material. An object is to provide a base composite member.
Further, the present invention provides a method for producing a ceramic matrix composite member that can alleviate a mismatch in thermal expansion coefficient between a coating layer and a CMC substrate, and can improve adhesion between the coating layer and the CMC substrate. The purpose is to provide.
本発明のセラミックス基複合部材は、セラミックス繊維と前記セラミックス繊維に付着されたセラミックスマトリックスとからなるセラミックス基複合材料からなり、コーティング層の形成される被コーティング面を有する基材と、前記被コーティング面に形成されたコーティング層とを有するセラミックス基複合部材であって、前記基材の前記被コーティング面側に、熱膨張係数が前記基材と前記コーティング層との間の値である応力緩和材料が含浸されてなる応力緩和層を有し、前記応力緩和材料が、酸化物セラミックスと、前記酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材とを含むことを特徴とする。 The ceramic matrix composite member of the present invention is made of a ceramic matrix composite material comprising ceramic fibers and a ceramic matrix attached to the ceramic fibers, and has a substrate having a coated surface on which a coating layer is formed, and the coated surface A stress relief material having a thermal expansion coefficient between the substrate and the coating layer on the coated surface side of the substrate. have a stress relieving layer formed by impregnating, said stress relaxation material, characterized by comprising an oxide ceramic, a sintering shrinkage small flame sintered material than the oxide ceramic.
上記のセラミックス基複合部材においては、前記基材が複数の気孔を有するものであり、前記気孔のうちの少なくとも前記被コーティング面に露出された前記気孔が、前記応力緩和材料の充填された充填気孔とされており、前記被コーティング面と、前記充填気孔のうち前記被コーティング面から最も深い位置に存在する前記充填気孔に充填された前記応力緩和材料との間が前記応力緩和層とされていることを特徴とするものとすることができる。 In the ceramic-based composite member, the base material has a plurality of pores, and the pores exposed on at least the coated surface of the pores are filled pores filled with the stress relaxation material. The stress relaxation layer is formed between the surface to be coated and the stress relaxation material filled in the filled pores located at the deepest position from the coated surface among the filled pores. It can be characterized by that.
上記のセラミックス基複合部材においては、前記応力緩和層に存在する気孔のうち前記充填気孔の割合が、前記コーティング層に近づくに従って増加していることを特徴とするものとすることができる。
また、上記のセラミックス基複合部材においては、前記応力緩和層と前記コーティング層との間に、前記応力緩和材料からなり、前記応力緩和層と一体化された中間層を有するものとすることができる。
また、上記のセラミックス基複合部材においては、前記応力緩和材料は、熱膨張係数が3超〜6[×10−6/K] の範囲のものであることを特徴とするものとすることができる。
The ceramic matrix composite member may be characterized in that the ratio of the filled pores among the pores existing in the stress relaxation layer increases as the coating layer is approached.
Further, the ceramic matrix composite member may include an intermediate layer made of the stress relaxation material and integrated with the stress relaxation layer between the stress relaxation layer and the coating layer. .
In the ceramic matrix composite member, the stress relaxation material may have a thermal expansion coefficient in the range of more than 3 to 6 [× 10 −6 / K]. .
また、上記のセラミックス基複合部材においては、前記応力緩和材料が、SiCとYb2SiO5とを含むものとすることができる。 In the ceramic matrix composite described above, the stress relaxation material, can be made containing the SiC and Yb 2 SiO 5.
上記のセラミックス基複合部材においては、前記セラミックス繊維および/または前記セラミックスマトリックスが、SiCからなることを特徴とするものとすることができる。
また、上記のセラミックス基複合部材においては、前記コーティング層が、HfO2からなるものとすることができる。
In the ceramic matrix composite member, the ceramic fiber and / or the ceramic matrix may be made of SiC.
In the ceramic matrix composite described above, the coating layer may be made of HfO 2.
また、上記の課題を解決するために、本発明のセラミックス基複合部材の製造方法は、セラミックス繊維と前記セラミックス繊維に付着されたセラミックスマトリックスとからなるセラミックス基複合材料からなり、コーティング層の形成される被コーティング面を有する基材と、前記被コーティング面に形成されたコーティング層とを有するセラミックス基複合部材の製造方法であって、前記基材の前記被コーティング面側に、熱膨張係数が前記基材と前記コーティング層との間の値である応力緩和材料を含浸させて応力緩和層を形成する緩和層形成工程と、前記基材の応力緩和層上に前記コーティング層を形成するコーティング工程とを含み、前記緩和層形成工程が、焼結させることにより前記応力緩和材料となるスラリー中に前記基材を含浸する工程と、前記基材に付着した前記スラリーを焼結させる工程とを含み、前記スラリーが、焼結させることにより酸化物セラミックスとなる母材元と前記酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材とを含む原料粉末と、焼結時の酸化物セラミックス粉末の焼結による結合の促進に寄与するゾルと溶媒とからなる分散媒とを含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a method for producing a ceramic matrix composite member according to the present invention comprises a ceramic matrix composite material comprising ceramic fibers and a ceramic matrix attached to the ceramic fibers, and a coating layer is formed. A ceramic-based composite member manufacturing method comprising: a substrate having a coated surface; and a coating layer formed on the coated surface, wherein a thermal expansion coefficient is on the coated surface side of the substrate. A relaxation layer forming step of forming a stress relaxation layer by impregnating a stress relaxation material that is a value between the substrate and the coating layer; and a coating step of forming the coating layer on the stress relaxation layer of the substrate. only including, the relaxed layer forming step, the base material in the slurry to be the stress relaxation material by sintering Including a step of impregnating and a step of sintering the slurry adhering to the base material. It includes a raw material powder containing a small hardly-sinterable material, and a dispersion medium composed of a sol and a solvent that contribute to promoting bonding by sintering the oxide ceramic powder during sintering .
本発明のセラミックス基複合部材は、前記基材の前記被コーティング面側に、熱膨張係数が前記基材と前記コーティング層との間の値である応力緩和材料が含浸されてなる応力緩和層を有するので、応力緩和層によって、コーティング層と基材との熱膨張係数のミスマッチを緩和することができ、コーティング層と基材との密着性を向上させることができる。
しかも、本発明のセラミックス基複合部材では、応力緩和層が、前記基材の前記被コーティング面側に、熱膨張係数が前記基材と前記コーティング層との間の値である応力緩和材料が含浸されてなるものであるので、応力緩和層によって、コーティング層と基材との密着性を向上させるアンカー効果を得ることができ、コーティング層と基材との物理的な接着力を高めることができる。
The ceramic matrix composite member of the present invention includes a stress relaxation layer formed by impregnating a stress relaxation material having a thermal expansion coefficient between the substrate and the coating layer on the surface to be coated of the substrate. Since it has, the stress relaxation layer can relieve the mismatch of the thermal expansion coefficient between the coating layer and the substrate, and the adhesion between the coating layer and the substrate can be improved.
Moreover, in the ceramic matrix composite member of the present invention, the stress relaxation layer is impregnated with the stress relaxation material having a thermal expansion coefficient between the substrate and the coating layer on the coated surface side of the substrate. Therefore, the stress relaxation layer can provide an anchor effect that improves the adhesion between the coating layer and the substrate, and can increase the physical adhesive force between the coating layer and the substrate. .
また、本発明のセラミックス基複合部材の製造方法は、前記基材の前記被コーティング面側に、熱膨張係数が前記基材と前記コーティング層との間の値である応力緩和材料を含浸させて応力緩和層を形成する緩和層形成工程を含む方法であるので、コーティング層と基材との熱膨張係数のミスマッチを緩和することができ、コーティング層と基材との密着性を向上させるアンカー効果の得られる応力緩和層を有する本発明のセラミックス基複合部材が得られる。 In the method for producing a ceramic matrix composite member according to the present invention, the surface to be coated of the base material is impregnated with a stress relaxation material having a thermal expansion coefficient between the base material and the coating layer. Since it is a method including a relaxation layer forming step for forming a stress relaxation layer, it is possible to alleviate the mismatch of the thermal expansion coefficient between the coating layer and the substrate, and to improve the adhesion between the coating layer and the substrate. The ceramic matrix composite member of the present invention having the obtained stress relaxation layer is obtained.
「第1実施形態」
以下、図面を参照して、本発明に係るセラミックス基複合部材およびセラミックス基複合部材の製造方法の一実施形態について説明する。
図1は、本発明のセラミックス基複合部材の一部を拡大して示した概略断面図である。図1に示すセラミックス基複合部材10は、基材1と、応力緩和層2と、中間層3と、コーティング層5とを有するものである。
“First Embodiment”
Hereinafter, an embodiment of a ceramic matrix composite member and a method for producing a ceramic matrix composite member according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an enlarged schematic cross-sectional view showing a part of a ceramic matrix composite member of the present invention. A ceramic
基材1は、図2に示すセラミックス基複合材料(CMC)20からなるものである。図2に示すCMC20は、セラミックス繊維21とセラミックスマトリックス22とからなるものである。また、CMC20は、熱膨張係数が3[×10−6/K]程度で、複数の気孔(図2においては図示略)を有するものである。本実施形態においては、CMC20の気孔率((気孔の体積/CMCの体積)×100)が5%〜60%、好ましくは20%程度のものが用いられる。
セラミックス繊維21としては、C繊維やSiC繊維などからなる所定の繊維束を軸方向と円周方向に繊維を配向させた2次元織物や、ブレーディング織物、繊維束を互いに直交する3軸方向に配向させた3次元織物が用いられている。ブレーディング織物は、軸方向の繊維と、組糸と呼ばれる完全に周方向ではない少し傾いた軸方向の繊維に絡まる繊維からなる織物であり、組紐と同じ構造を有するものである。また、2次元織物やブレーディング織物は、3〜50層程度積層されたものを用いることが好ましい。
また、セラミックスマトリックス22は、CやSiC、Si3N4などからなるものであり、セラミックス繊維21に付着されている。このようなCMC20の中でも特に、セラミックス繊維21とセラミックスマトリックス22のいずれもがCからなるものやSiCからなるもの、セラミックス繊維21がCからなり、セラミックスマトリックス22がSiCからなるものなどを用いることが好ましい。
The
The
The ceramic matrix 22 is made of C, SiC, Si 3 N 4 or the like, and is attached to the
また、図1において、符号1aは、コーティング層5の形成される被コーティング面を示している。基材1の被コーティング面1a側には、後述する応力緩和材料が含浸されてなる応力緩和層2が形成されている。また、基材1の有する複数の気孔のうち、被コーティング面1aに露出された複数の気孔には、応力緩和材料が充填されており、充填気孔1bとされている。そして、図1に示すように、基材1において、被コーティング面1aと、充填気孔1bのうち被コーティング面1aから最も深い位置に存在する充填気孔1bに充填された応力緩和材料との間が応力緩和層2とされている。
Moreover, in FIG. 1, the code |
応力緩和層2の厚み(被コーティング面1aから最も深い位置に存在する充填気孔1bに充填された応力緩和材料と、被コーティング面1aとの間の距離)は、0.2mm〜30mm程度とされることが好ましく、0.5mm〜10mm程度とされることがより好ましい。応力緩和層2の厚みが上記範囲未満であると、コーティング層5と基材1との密着性を向上させるアンカー効果が十分に得られない場合がある。また、応力緩和層2の厚みが上記範囲を超えると、製造が困難となるため好ましくない。
また、図1に示すセラミックス基複合部材では、応力緩和層2における充填気孔1bの割合は、コーティング層5に近づくに従って増加している。なお、図1においては、図面を見やすくするために、基材1の全体に均一に存在する気孔のうち、応力緩和材料の充填された充填気孔の一部のみを図示し、応力緩和材料の充填されていない気孔の図示を省略している。
The thickness of the stress relaxation layer 2 (the distance between the stress relaxation material filled in the filled pores 1b existing at the deepest position from the
In the ceramic matrix composite member shown in FIG. 1, the ratio of the filling
また、応力緩和層2とコーティング層5との間には、応力緩和材料からなり、応力緩和層2と一体化された中間層3が設けられている。
中間層3の厚みは、0.005mm〜2mm程度とされることが好ましく、0.01mm〜0.5mm程度とされることがより好ましい。中間層3の厚みが上記範囲未満であると、中間層3を設けることによるコーティング層と基材との物理的な接着力を高める効果が十分に得られない場合がある。また、中間層3の厚みが上記範囲を超えると、中間層に内在する気孔や亀裂が大きくなり中間層の強度が低下する可能性があるため好ましくない。
応力緩和層2および中間層3を構成する応力緩和材料は、熱膨張係数が基材1とコーティング層5との間の値のものであり、具体的には、熱膨張係数が1〜6[×10−6/K] の範囲であることが好ましい。また。応力緩和材料は、高温ガス環境に対する耐熱性、耐酸化性、耐腐食性に優れ、室温〜1400℃の間で結晶相の変化による体積変化を起こさないものであることが好ましい。
An intermediate layer 3 made of a stress relaxation material and integrated with the
The thickness of the intermediate layer 3 is preferably about 0.005 mm to 2 mm, and more preferably about 0.01 mm to 0.5 mm. If the thickness of the intermediate layer 3 is less than the above range, the effect of increasing the physical adhesive force between the coating layer and the substrate by providing the intermediate layer 3 may not be sufficiently obtained. On the other hand, if the thickness of the intermediate layer 3 exceeds the above range, pores and cracks inherent in the intermediate layer are increased, which may reduce the strength of the intermediate layer, which is not preferable.
The stress relaxation material constituting the
本実施形態においては、応力緩和材料として、酸化物セラミックスと酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材とを含むもの用いられている。
酸化物セラミックスとしては、耐熱、耐環境性に優れ、熱膨張係数が1〜10[×10−6/K] の範囲にあるものを用いることが好ましい。酸化物セラミックスとしては、具体的には、Yb2SiO5、Yb2SiO5、Er2SiO5、イットリウムシリケート(Y2SiO5)、エリビウムシリケートのような希土類シリケート、アルミノシリケート、マグネシウムシリケートなどの各種シリケートや、Al2O3、SiO2などの単一の酸化物、ボロシリケートガラス(パイレックスガラス(登録商標))などのガラスなどを用いることができる。これらの酸化物セラミックスの中でも、Yb2SiO5、Y2SiO5、Er2SiO5のような希土類シリケートは、水蒸気が含まれる高温大気中における分解速度が遅いため、基材1としてSiCを用いたCMCを使用する場合に、水蒸気によるCMCの減肉を抑制することができるため好ましい。特に、熱膨張係数が6.1[×10−6/K]とCMCに近く、CMCの素材として好ましく使用されるSiCと化学的親和性の高い希土類シリケートであるYb2SiO5などを用いることが好ましい。
In the present embodiment, as the stress relaxation material, a material including an oxide ceramic and a hard-to-sinter material whose sintering shrinkage is smaller than that of the oxide ceramic is used.
As the oxide ceramic, it is preferable to use one having excellent heat resistance and environmental resistance and having a thermal expansion coefficient in the range of 1 to 10 [× 10 −6 / K]. Specific examples of oxide ceramics include Yb 2 SiO 5 , Yb 2 SiO 5 , Er 2 SiO 5 , yttrium silicate (Y 2 SiO 5 ), rare earth silicates such as erbium silicate, aluminosilicate, and magnesium silicate. And various kinds of silicates, single oxides such as Al 2 O 3 and SiO 2 , glass such as borosilicate glass (Pyrex glass (registered trademark)), and the like can be used. Among these oxide ceramics, rare earth silicates such as Yb 2 SiO 5 , Y 2 SiO 5 , and Er 2 SiO 5 have a slow decomposition rate in high-temperature air containing water vapor. When CMC is used, it is preferable because CMC thinning due to water vapor can be suppressed. Especially, Yb 2 SiO 5, which is a rare earth silicate having a thermal expansion coefficient of 6.1 [× 10 −6 / K] and close to CMC and having high chemical affinity with SiC, which is preferably used as a material for CMC, is used. Is preferred.
酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材としては、炭化物や窒化物などの非酸化物セラミックスであって、大気中での酸化温度が1000℃以上であって、酸化した後も酸化物セラミックスとして分解したり蒸発したりしないものを用いることが好ましい。具体的には、難焼結材としては、Si3N4、AlN、BNなどの窒化物や、SiC、B4C、WCなどの炭化物、CrAlなどのアルミ化物を用いることができる。中でも、特に、CMCの素材として好ましく用いられるSiCを用いることが好ましい。なお、焼結収縮の小さい難焼結材の形状や粒径については、基材1の気孔1bの大きさより小さいものであればよく、特に限定されないが、平均粒径1〜10μm程度のものを好ましく使用できる。
Non-oxide ceramics such as carbides and nitrides that have a smaller sintering shrinkage than oxide ceramics, and have an oxidation temperature in the atmosphere of 1000 ° C. or higher and are oxidized after oxidation. It is preferable to use a ceramic that does not decompose or evaporate. Specifically, nitrides such as Si 3 N 4 , AlN, and BN, carbides such as SiC, B 4 C, and WC, and aluminides such as CrAl can be used as the hardly sintered material. Among these, it is particularly preferable to use SiC that is preferably used as a material for CMC. In addition, about the shape and particle size of a difficult-to-sinter material with small sintering shrinkage, it is not particularly limited as long as it is smaller than the size of the
図1に示すように、基材1の被コーティング面1aには、中間層3を介してコーティング層5が形成されている。コーティング層5は、耐熱、耐環境性に優れるHfO2によって形成されることが好ましい。
As shown in FIG. 1, a coating layer 5 is formed on the surface to be coated 1 a of the
図1に示すセラミックス基複合部材10は、以下に示す方法によって製造できる。
「緩和層形成工程」
本実施形態においては、応力緩和層2の形成と同時に中間層3の形成を行なう場合を例に挙げて説明する。まず、基材1の被コーティング面1aを、応力緩和材料を含むスラリー中に含浸することによって、少なくとも被コーティング面1aに露出された気孔1bに、応力緩和材料を含むスラリーを充填する。ここでの含浸は、例えば、スラリー中の分散媒内で沈殿している原料粉末中に基材1を埋め、スラリーと基材とに超音波などを用いて振動を与えながら行なうことが好ましい。このようにして、気孔1bにスラリーを含浸させることで、基材1の気孔1b内に原料粉末を高濃度で含浸させることができる。また、分散媒内に原料粉末を均一に分散させたスラリー中に基材1を浸し、これを減圧して基材1内の気孔から大気を脱気してスラリーと置換することによっても基材1の気孔1b内に原料粉末を含浸させることができる。さらに、基材1の気孔1bが被コーティング面1aから他の面へ連続した気孔である場合には、分散媒内に原料粉末を均一に分散させたスラリーを被コーティング面1aから加圧注入する、または被コーティング面1a以外の面から減圧するなどして気孔1b内にスラリーを含浸させることができる。この方法では被コーティング面1aと被コーティング面1a以外の面が逆でも良い。
次いで、ディッピングにより被コーティング面1aにスラリーを塗布し、適度に表面に皮膜を形成して乾燥する。このディッピングと乾燥は、中間層3の厚みなどに応じて適宜繰り返して行なうことができる。また、ディッピングにおいて用いるスラリーは、含浸時に用いるスラリーと同じものであってもよいし、異なるものであってもよい。
The ceramic
"Relaxation layer formation process"
In the present embodiment, the case where the intermediate layer 3 is formed simultaneously with the formation of the
Next, the slurry is applied to the surface to be coated 1a by dipping, and a film is appropriately formed on the surface and dried. This dipping and drying can be appropriately repeated according to the thickness of the intermediate layer 3 and the like. Moreover, the slurry used in dipping may be the same as or different from the slurry used at the time of impregnation.
ディッピングおよび含浸時に用いるスラリーとしては、原料粉末と、分散媒とからなるものなどが用いられる。原料粉末としては、焼結させることにより酸化物セラミックスとなる母材元と、酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材とを含むものを用いることが好ましい。さらに、原料粉末には、必要に応じて焼結助剤を添加することができる。
母材元としては、Yb2O3粉末、Y2O3粉末、Er2O3粉末、Al2O3粉末、SiO2粉末、MgO粉末、ボロシリケートガラス粉末などが用いられる。また、酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材としては、SiC粉末、Si3N4粉末、AlN粉末、BN粉末、B4C粉末、CrAl粉末、WC粉末、CrAl粉末などが用いられる。また、焼結助剤としては、ボロシリケートガラス粉末などが用いられる。
また、分散媒としては、焼結時の酸化反応に寄与するゾルと、スラリーの粘度を調整するための溶媒とからなる分散媒と含むものを用いることが好ましい。
ゾルとしては、シリカゾル、アルミナゾルなどが用いられる。溶媒としては、エタノールなどが用いられる。
As the slurry used for dipping and impregnation, a slurry composed of a raw material powder and a dispersion medium is used. As the raw material powder, it is preferable to use a raw material powder containing a base material that becomes oxide ceramics by sintering and a hardly sintered material having sintering shrinkage smaller than that of oxide ceramics. Furthermore, a sintering aid can be added to the raw material powder as necessary.
As the base material, Yb 2 O 3 powder, Y 2 O 3 powder, Er 2 O 3 powder, Al 2 O 3 powder, SiO 2 powder, MgO powder, borosilicate glass powder, and the like are used. In addition, SiC powder, Si 3 N 4 powder, AlN powder, BN powder, B 4 C powder, CrAl powder, WC powder, CrAl powder, etc. are used as difficult-to-sinter materials having smaller sintering shrinkage than oxide ceramics. It is done. In addition, borosilicate glass powder or the like is used as a sintering aid.
Moreover, as the dispersion medium, it is preferable to use a dispersion medium including a dispersion medium composed of a sol that contributes to an oxidation reaction during sintering and a solvent for adjusting the viscosity of the slurry.
As the sol, silica sol, alumina sol or the like is used. As the solvent, ethanol or the like is used.
ディッピングおよび含浸時に用いるスラリーとして、上記原料粉末と、上記分散媒とからなるものを用いた場合、焼結を行なうことにより、ゾルに含まれるSiO2または、ゾルと焼結助剤とに含まれるSiO2が母材元と反応して応力緩和層2および中間層3を構成する酸化物セラミックスになると同時に、上記原料粉末同士が結合する。なお、原料粉末と分散媒との混合割合は、含浸時の作業性や、ディッピング回数、最終的に得たい中間層3の厚みなどを考慮して適宜決定できる。
When a slurry composed of the raw material powder and the dispersion medium is used as a slurry used for dipping and impregnation, it is included in the SiO 2 contained in the sol or the sol and the sintering aid by performing sintering. SiO 2 reacts with the base material element to become oxide ceramics constituting the
また、スラリー中の原料粉末中における難焼結材の体積割合は、30%〜90%の範囲であることが好ましく、40%〜60%の範囲であることがより好ましい。スラリー中の原料粉末中における難焼結材の体積割合が上記範囲未満であると、中間層3を形成する際の焼結による過大な収縮により、中間層3にひび割れが生じたり、中間層3が剥離したりする場合があり、コーティング層5と基材1との接着力を十分に高めることができない恐れがある。スラリー中の原料粉末中における難焼結材の体積割合が上記範囲を超えると、中間層3を形成するための焼結によって得られる結合強度が不十分となり、十分な硬さを有する中間層3が得られなくなる場合がある。
Further, the volume ratio of the hardly sintered material in the raw material powder in the slurry is preferably in the range of 30% to 90%, and more preferably in the range of 40% to 60%. If the volume ratio of the hard-to-sinter material in the raw material powder in the slurry is less than the above range, cracking may occur in the intermediate layer 3 due to excessive shrinkage due to sintering when the intermediate layer 3 is formed, or the intermediate layer 3 May peel off, and the adhesive force between the coating layer 5 and the
次に、基材1に付着したスラリーをアルゴン雰囲気中で1300℃の温度で1時間程度焼結させることにより、スラリーの充填された気孔が応力緩和材料の充填された充填気孔1bにされて応力緩和層2が形成されるとともに、応力緩和層2と連続して一体化された中間層3が形成される。ここでの焼結は、基材1の強度に悪影響を及ぼすことのないように、1300℃以下の温度で行なうことが好ましい。
Next, the slurry adhered to the
「コーティング工程」
緩和層形成工程の後、中間層3上にAPS(大気中溶射)によりコーティング層を形成することにより、図1に示すセラミックス基複合部材10が得られる。
"Coating process"
After the relaxation layer forming step, a ceramic layer
本実施形態のセラミックス基複合部材10は、基材1の複数の気孔のうちの少なくとも被コーティング面1aに露出された気孔が、応力緩和材料の充填された充填気孔1bとされており、応力緩和材料の熱膨張係数が基材1とコーティング層5との間の値であることにより、被コーティング面1aと、充填気孔1bのうち被コーティング面1aから最も深い位置に存在する充填気孔1bに充填された応力緩和材料との間が応力緩和層2とされているので、応力緩和層2によって、コーティング層5と基材1との熱膨張係数の差による熱伸び差に伴う残留応力を低減することができ、コーティング層5と基材1との密着性を向上させることができる。
しかも、本実施形態のセラミックス基複合部材10では、応力緩和層2が、基材1の複数の気孔のうちの少なくとも被コーティング面1aに露出された気孔が充填気孔1bとされたものであるので、応力緩和層2によって、コーティング層5と基材1との密着性を向上させるアンカー効果が効果的に得られ、コーティング層5と基材1との物理的な接着力を高めることができる。
In the ceramic
Moreover, in the ceramic
これに対し、例えば、応力緩和層2および中間層3を形成することなく、CMCからなる基材上にHfO2からなるコーティング層を形成する場合、HfO2の熱膨張係数が9.3[×10−6/K]と非常に高いため、熱膨張係数が3[×10−6/K]程度である基材1との熱膨張係数の差が非常に大きくなってしまう。したがって、基材に接するコーティング層を基材上に形成した場合、コーティング層と基材との密着性を十分に高くすることは困難である。
On the other hand, for example, when the coating layer made of HfO 2 is formed on the base made of CMC without forming the
また、本実施形態のセラミックス基複合部材10では、応力緩和層2が、コーティング層5と基材1との密着性を向上させるアンカー効果の得られるものであるので、酸化物セラミックス単体では応力緩和層2や中間層3を形成できない密着力の弱い酸化物セラミックスであっても、密着力の高い応力緩和層2や中間層3を形成することが可能となる。
Further, in the ceramic
また、応力緩和層2および中間層3は、高温環境での使用により徐々に焼結収縮していき、密着力が低下して剥離にいたる。本実施形態のセラミックス基複合部材10では、応力緩和層2を構成する充填気孔1bおよびCMCによって、高温環境における応力緩和層2および中間層3の焼結収縮が妨げられる。その結果、応力緩和層2および中間層3の焼結収縮の速度を低減することができ、密着力の低下を遅くして応力緩和層2および中間層3の剥離までの寿命を延長することができる。
In addition, the
また、本実施形態のセラミックス基複合部材10は、応力緩和層2が、基材1の複数の気孔のうちの少なくとも被コーティング面1aに露出された気孔が充填気孔1bとされたものであり、コーティング層5を貫通して酸素や水蒸気が入り込んできたとしても、入り込んできた酸素や水蒸気の拡散経路となる被コーティング面1aに露出された気孔に応力緩和材料が充填されているので、酸素や水蒸気と基材1との接触を防止することができる。よって、基材1の劣化が防止でき、寿命の長いセラミックス基複合部材10となる。
Further, in the ceramic
また、本実施形態のセラミックス基複合部材10では、応力緩和層2における充填気孔1bの割合が、コーティング層5に近づくに従って増加しているので、応力緩和層2の熱膨張係数が、コーティング層5から離れるに従って徐々に基材1の熱膨張係数に近い値となるようにされている。すなわち、本実施形態のセラミックス基複合部材10では、コーティング層5と基材1との間で熱膨張係数が段階的に変化するものとされており、コーティング層5と基材1との間の熱応力を効果的に緩和することができ、コーティング層5と基材1との間の密着力を効果的に向上させることができる。
Further, in the ceramic
また、本実施形態のセラミックス基複合部材10では、応力緩和層2とコーティング層5との間に、応力緩和材料からなり、応力緩和層2と一体化された中間層3を有するので、コーティング層5と基材1との熱膨張係数の差をより一層緩和することができ、コーティング層5と基材1との間の密着力をより一層効果的に向上させることができる。
In the ceramic
また、本実施形態のセラミックス基複合部材10では、応力緩和材料を、酸化物セラミックスと、酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材とを含むものとすることで、以下に示すように、コーティング層5と基材1との間の密着力をより一層効果的に向上させることができる。
ここで、例えば、酸化物セラミックスのみからなる中間層を基材上に焼結法により形成した場合を例に挙げて、焼結時における中間層の体積収縮について図面を用いて説明する。図3は、中間層を構成する酸化物セラミックスの焼結による体積収縮を説明するための模式図である。図3(a)は焼結前の酸化物セラミックスの状態を示す図であり、図3(b)は焼結後の酸化物セラミックスの状態を示す図である。
Further, in the ceramic
Here, for example, a case where an intermediate layer made only of oxide ceramics is formed on a substrate by a sintering method will be described with reference to the drawings for volume shrinkage of the intermediate layer during sintering. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining volume shrinkage due to sintering of oxide ceramics constituting the intermediate layer. FIG. 3A is a diagram showing a state of oxide ceramics before sintering, and FIG. 3B is a diagram showing a state of oxide ceramics after sintering.
図3(a)および図3(b)に示すように、焼結前の酸化物セラミックス17と焼結後の酸化物セラミックス17aとを比較すると、焼結後の酸化物セラミックス17aでは隣り合う酸化物セラミックス17a同士間の隙間8の占める割合が狭くなっており、焼結により大きく体積が収縮していることがわかる。
このため、酸化物セラミックスのみからなる中間層を基材上に焼結法により形成した場合、焼結時における酸化物セラミックスの大きな体積収縮により、基材から中間層が剥離してしまう恐れがあった。また、中間層の焼結時における酸化物セラミックスの体積収縮を避けるため、溶射法により酸化物セラミックスのみからなる中間層を基材上に形成することもできる。しかし、この場合、得られた中間層中に微細な亀裂や微細粒子が存在するものとなる。そのため、セラミックス基複合部材の初回の熱暴露時に、中間層を構成する材料が焼結し、焼結による大きな体積収縮が発生して、中間層が基材から剥離してしまう恐れがあった。
As shown in FIGS. 3A and 3B, when the
For this reason, when an intermediate layer made only of oxide ceramics is formed on a substrate by a sintering method, the intermediate layer may peel off from the substrate due to large volume shrinkage of the oxide ceramics during sintering. It was. Moreover, in order to avoid volumetric shrinkage of the oxide ceramics during the sintering of the intermediate layer, an intermediate layer made only of the oxide ceramics can be formed on the substrate by a thermal spraying method. However, in this case, fine cracks and fine particles are present in the obtained intermediate layer. Therefore, when the ceramic matrix composite member is exposed to heat for the first time, the material constituting the intermediate layer is sintered, and a large volume shrinkage occurs due to the sintering, so that the intermediate layer may be peeled off from the base material.
これに対し、応力緩和材料を酸化物セラミックスと酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材とを含むものとした場合の焼結時における応力緩和材料の体積収縮について図面を用いて説明する。図4は、応力緩和材料の焼結による体積収縮を説明するための模式図である。図4(a)は焼結前の応力緩和材料の状態を示す図であり、図4(b)は焼結後の応力緩和材料の状態を示す図である。 On the other hand, with reference to the drawings, the volumetric shrinkage of the stress relaxation material during sintering when the stress relaxation material includes an oxide ceramic and a hard-to-sinter material having a smaller sintering shrinkage than the oxide ceramic. To do. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining volume shrinkage due to sintering of the stress relaxation material. FIG. 4A is a diagram showing a state of the stress relaxation material before sintering, and FIG. 4B is a diagram showing a state of the stress relaxation material after sintering.
図4(a)および図4(b)に示すように、焼結前の酸化物セラミックス7と焼結後の酸化物セラミックス7aとを比較すると、焼結後の酸化物セラミックス7aでは隣り合う酸化物セラミックス7a同士間の隙間8の占める割合が狭くなっている。しかし、図4(b)に示す焼結後の酸化物セラミックス7a同士間では、図3(b)に示す焼結後の酸化物セラミックス17a同士間と比較して隙間8の占める割合が広くなっている。また、図4(b)に示す焼結後の酸化物セラミックス7aでは、酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材6が、酸化物セラミックス7a同士間に部分的に入り込み、焼結による収縮を妨げ、焼結による応力緩和材料の体積収縮を緩和していることがわかる。
このように、応力緩和材料を、酸化物セラミックスと酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材とを含むものとすることで、応力緩和層2および中間層3の焼結時や熱暴露時における体積収縮を低減することができ、応力緩和層2および中間層3の剥離を防止することができるので、コーティング層5と基材1との間の密着力をより一層効果的に向上させることができる。
As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, when the oxide ceramics 7 before sintering and the
As described above, the stress relaxation material includes the oxide ceramic and the hardly sintered material whose sintering shrinkage is smaller than that of the oxide ceramic, so that the
さらに、応力緩和材料に含まれる酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材をSiCとした場合、SiCの熱膨張係数と基材1を構成するCMCの熱膨張係数とが近似するので、基材1と応力緩和層2および中間層3との密着力をより一層向上させることができ、コーティング層5と基材1との間の密着力を効果的に向上させることができる。
また、本実施形態のセラミックス基複合部材10において、応力緩和材料に含まれる難焼結材をSiCとし、かつ、セラミックス繊維および/またはセラミックスマトリックスをSiCからなるものとした場合、SiCの熱膨張係数と基材1を構成するCMCの熱膨張係数とが非常に近くなるので、基材1と応力緩和層2および中間層3との密着力をより一層向上させることができ、コーティング層5と基材1との間の密着力をより効果的に向上させることができる。
Further, when SiC is a hard-to-sinter material whose sintering shrinkage is smaller than that of oxide ceramics contained in the stress relaxation material, the thermal expansion coefficient of SiC and the thermal expansion coefficient of CMC constituting the
Further, in the ceramic
なお、セラミックス繊維および/またはセラミックスマトリックスがSiCからなるものである場合、高温大気中では基材1を構成するSiCが酸化されてSiO2に変化される。そして、大気圧中や加圧大気中において、基材1を構成するSiCの表面にSiO2が形成されると、SiO2が保護層となり、さらなるSiCの酸化が抑制される。しかし、雰囲気中に水蒸気が含まれていると、保護層を構成するSiO2がSiOとして蒸発してしまう。このため、SiO2からなる保護層がなくなり、SiCのさらなる酸化が進行し、さらにSiO2が形成されてSiOとして蒸発する。その結果、基材1を構成するCMCが減肉してしまう。したがって、ガスタービンのように水蒸気を含む高温大気環境にさらされる部位にSiCを用いたCMCを使用する場合には、SiCの酸化の進行を抑制するとともに、水蒸気によるCMCの減肉を抑制する必要がある。
When the ceramic fiber and / or the ceramic matrix is made of SiC, SiC constituting the
ここで、応力緩和層2および中間層3を構成する応力緩和材料として、SiCと、Yb2SiO5、Y2SiO5、Er2SiO5のような希土類シリケートとを含むものを用いた場合、応力緩和層2および中間層3に含まれるSiCは、長時間の高温酸化環境での使用により徐々に酸化されてSiO2になる。SiCが酸化されて得られたSiO2は、Yb2SiO5、Y2SiO5、Er2SiO5がそれぞれYb2Si2O7、Y2Si2O7、Er2Si2O7に変化することによって、希土類シリケート中に吸収されて希土類シリケートと一体化される。よって、SiO2がSiOとして蒸発することにより、基材1を構成するCMCが減肉することを防止することができる。
Here, when using a material including SiC and a rare earth silicate such as Yb 2 SiO 5 , Y 2 SiO 5 , Er 2 SiO 5 as the stress relaxation material constituting the
また、応力緩和層2および中間層3を構成する応力緩和材料として、SiCと、Yb2SiO5、Y2SiO5、Er2SiO5のような希土類シリケートとを含むものを用いた場合、長時間の高温酸化環境での使用によりSiCが酸化されてSiO2とされると体積が膨張する。一方、長時間の高温酸化環境での使用により、応力緩和層2および中間層3に含まれる希土類シリケートの焼結収縮も徐々に進む。したがって、SiCがSiO2に変化することによる体積膨張が、希土類シリケートの焼結収縮によって相殺され、応力緩和層2および中間層3の全体としての体積収縮の抑制に寄与し、長時間の高温酸化環境での使用により徐々に進行する体積収縮に起因する密着力の低下などの悪影響が防止され、寿命を延長することができる。
また、応力緩和材料をYb2SiO5、Y2SiO5、Er2SiO5のような希土類シリケートを含むものとすることで、水蒸気を含む高温大気環境にさらされる部位にセラミックス基複合部材10を用いた場合にも、応力緩和層2および中間層3が分解されにくく、耐熱、耐環境性に優れるものとなる。
In addition, when a material containing SiC and a rare earth silicate such as Yb 2 SiO 5 , Y 2 SiO 5 , Er 2 SiO 5 is used as the stress relaxing material constituting the
Moreover, the ceramic-based
また、本実施形態のセラミックス基複合部材10において、応力緩和材料をSiCとYb2SiO5とを含むものとすることで、応力緩和層2および中間層3の耐熱、耐環境性に優れるものとなり、ガスタービン等の高温ガス環境中での劣化が少なく、長時間密着力を維持でき、寿命の長いものとなる。さらに、応力緩和材料をSiCとYb2SiO5とを含むものとすることで、APS(大気中溶射)により形成されたHfO2からなるコーティング層5よりも緻密な応力緩和層2および中間層3となる。よって、コーティング層5を貫通して水蒸気などの高温酸化・腐食ガスが入り込んできたとしても、基材1が高温酸化・腐食ガスにさらされるのを効果的に抑制することができ、基材1の強度低下を防止することができる。
Moreover, in the ceramic
また、本実施形態のセラミックス基複合部材10において、コーティング層5をHfO2からなるものとすることで、耐熱、耐環境性に優れたセラミックス基複合部材10となる。
Moreover, in the ceramic
なお、応力緩和層2および中間層3の形成方法としては、上記の方法に限定されるものではなく、溶射、焼結、CVD、PVD、溶融ガラスのディッピングなどを応力緩和材料の材質などに応じて適宜組み合わせて用いることができる。
Note that the method of forming the
また、本実施形態のセラミックス基複合部材10においては、基材1の被コーティング面1aに溝などを設けることにより、基材1の被コーティング面1aの密着力を向上させるようにしなくても、十分に高いコーティング層5と基材1との間の密着力が得られるが、基材1の被コーティング面1aに溝を設け、より一層密着力を向上させてもよい。
また、本発明においては、上述したように、応力緩和材料からなる応力緩和層2および中間層3を設けることが好ましいが、中間層3は設けなくてもよい。
Further, in the ceramic
In the present invention, as described above, it is preferable to provide the
また、コーティング層5は、HfO2に限定されるものではなく、例えば、高温ガス環境に対する耐熱性、耐酸化性、耐腐食性、快削性の高いLu2Si2O7などの酸化物セラミックスなどを用いることができる。また、コーティング層5の形成方法としては、溶射の他、焼結、CVD、PVD、溶融ガラスのディッピングなどを用いることができ、コーティング層の材質などに応じて適宜決定できる。 Further, the coating layer 5 is not limited to HfO 2 , and for example, oxide ceramics such as Lu 2 Si 2 O 7 having high heat resistance, oxidation resistance, corrosion resistance, and free-cutting property against a high temperature gas environment. Etc. can be used. Moreover, as a formation method of the coating layer 5, in addition to thermal spraying, sintering, CVD, PVD, dipping of molten glass, or the like can be used, and can be appropriately determined according to the material of the coating layer.
(実施例)
次に、本発明の実施例について説明する。
「実験例1」
図5に示すフローチャートに従って基材に応力緩和層および中間層を形成した。
すなわち、以下に示す基材1の被コーティング面1aを、以下に示す原料および製造方法で得られたスラリー中に10分間含浸した(図5に示すS1)。基材1の含浸は、スラリーに含まれる分散媒内で沈殿している原料粉末中に基材1を埋め、スラリーと基材1の入った容器を超音波洗浄器に入れて基材1およびスラリーに振動を与え、基材1にスラリーを含浸させて気孔1bに原料粉末を充填する方法によって行った。次いで、基材1にこびりついた余分なスラリーを取り除き(図5に示すS2)、スラリーの分散媒内に沈殿している原料粉末をすくい取って基材1の被コーティング面1aに盛り付けて塗布(図5に示すS3)を行った。その後、大気中100℃で20分間乾燥(図5に示すS4)して、被コーティング面1aに皮膜を形成した。次に、基材1に付着したスラリーをアルゴン雰囲気中で1300℃の温度で1時間程度焼結(図5に示すS5)させることにより、厚み4mmの応力緩和層2および厚み0.15mmの中間層3を形成した。
(Example)
Next, examples of the present invention will be described.
"
A stress relaxation layer and an intermediate layer were formed on the substrate according to the flowchart shown in FIG.
That is, the
「基材」
材質:3次元強化SiC長繊維からなるセラミックス繊維とSiCからなるセラミックスマトリックスとからなるセラミックス基複合材料
気孔率:約40%
寸法:縦10mm、横10mm、厚み4mm
"Base material"
Material: Ceramic matrix composite material consisting of ceramic fiber made of 3D reinforced SiC long fiber and ceramic matrix made of SiC Porosity: about 40%
Dimensions: 10mm long, 10mm wide, 4mm thick
「スラリー」
SiC粉末3.35g、Yb2O3粉末3.78g、ボロシリケートガラス粉末0.89g、シリカゾル1ml、エタノール1mlからなるものを用いた。
(原料)
SiC粉末:平均粒径約4μm、昭和電工株式会社製、グリーンデンシック(商品名)
Yb2O3粉末:平均粒径約1μm、信越化学工業株式会社製
ボロシリケートガラス(パイレックスガラス:商品名(登録商標))粉末:200メッシュ、フルウチ化学株式会社製
シリカゾル:粒子径10〜20nm、日産化学工業株式会社製、スノーテックス(商品名)
エタノール:純度99.5%、昭和化学株式会社製
"slurry"
A powder composed of 3.35 g of SiC powder, 3.78 g of Yb 2 O 3 powder, 0.89 g of borosilicate glass powder, 1 ml of silica sol, and 1 ml of ethanol was used.
(material)
SiC powder: Average particle size of about 4 μm, Showa Denko KK, Green Densick (trade name)
Yb 2 O 3 powder: average particle size of about 1 μm, borosilicate glass (Pyrex glass: trade name (registered trademark)) manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. powder: 200 mesh, manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd. silica sol: particle size of 10-20 nm, Made by Nissan Chemical Industries, Snowtex (trade name)
Ethanol: purity 99.5%, Showa Chemical Co., Ltd.
(スラリーの製造方法)
まず、SiC粉末とYb2O3粉末とボロシリケートガラス粉末とからなる原料粉末を、所定量計り取り混合した。原料を上記の混合割合とすることで、原料粉末中のSiC粉末の体積率が50%となる。すなわち、SiC粉末の体積割合が50%、Yb2O3粉末とボロシリケートガラス粉末との合計の体積割合が50%となる。また、Yb2O3粉末と、ボロシリケートガラス粉末と、分散媒中のシリカゾルとの分量は、ボロシリケートガラス粉末とシリカゾルとに含まれるSiO2がYb2O3と反応してYb2SiO5となる分量になるように調整した。
次に、シリカゾルとエタノールを所定量計り取り、混合して分散媒とした。次いで、原料粉末と分散媒を混合してスラリーとした。
(Slurry production method)
First, a predetermined amount of raw material powder composed of SiC powder, Yb 2 O 3 powder and borosilicate glass powder was measured and mixed. By setting the raw material to the above mixing ratio, the volume ratio of the SiC powder in the raw material powder becomes 50%. That is, the volume ratio of SiC powder is 50%, and the total volume ratio of Yb 2 O 3 powder and borosilicate glass powder is 50%. Further, the amount of Yb 2 O 3 powder, borosilicate glass powder, and silica sol in the dispersion medium is such that SiO 2 contained in the borosilicate glass powder and silica sol reacts with Yb 2 O 3 to yield Yb 2 SiO 5. It adjusted so that it might become quantity.
Next, a predetermined amount of silica sol and ethanol were measured and mixed to obtain a dispersion medium. Next, the raw material powder and the dispersion medium were mixed to form a slurry.
このようにして応力緩和層2および中間層3の形成された基材1を観察した。その結果、中間層が基材上に固着しており、剥がれ落ちることはなく、クラックも発生していなかった。
Thus, the
また、図6(a)は、応力緩和層2および中間層3の形成された基材1の断面の顕微鏡写真である。また、図6(b)および図6(c)は図6(a)の一部を拡大して示した顕微鏡写真であり、図6(b)は応力緩和層2の顕微鏡写真であり、図6(c)は基材1の被コーティング面1a近傍の顕微鏡写真である。
図6(a)および図6(b)より、基材1の被コーティング面1aに露出された気孔に応力緩和材料であるSiCとYb2SiO5が充填されて、応力緩和層2を構成する充填気孔1bとされていることが分かる。また、図6(a)より、応力緩和層2上に応力緩和材料であるSiCとYb2SiO5とからなる中間層3が形成されていることが分かる。また、図6(c)において、中間層3を構成する応力緩和材料中の暗部がYb2SiO5であり、明部がSiCであり、SiCとYb2SiO5とが均一に分散していることが分かる。
FIG. 6A is a photomicrograph of a cross section of the
From FIG. 6A and FIG. 6B, the pores exposed on the
「実験例2」
実験例1と同様にして得られた応力緩和層2および中間層3の形成された基材1を用意し、中間層3上にAPS(大気中溶射)によりHfO2からなる厚み70mmのコーティング層5を形成し、図1に示すセラミックス基複合部材10を得た。
その結果を図7に示す。図7は実験例2のセラミックス基複合部材の写真である。図7に示すように、コーティング層5に亀裂は生じておらず、コーティング層5と基材1との密着性を十分に有することが確認できた。
"Experimental example 2"
A
The result is shown in FIG. FIG. 7 is a photograph of the ceramic matrix composite member of Experimental Example 2. As shown in FIG. 7, no crack was generated in the coating layer 5, and it was confirmed that the coating layer 5 and the
「実験例3」
スラリー中の原料粉末中におけるSiC粉末の好ましい体積割合を決定するために、以下に示す実験を行なった。
(サンプル1〜サンプル10)
スラリーとして表1に示す配合のものを用いたことと、中間層3の焼結収縮を明確にするために、塗布時に基材1の被コーティング面1aに盛り付けるスラリーの厚みを通常よりも厚い1mmとしたこと以外は、実験例1と同様にして厚み4mmの応力緩和層2および厚み1mmの中間層3の形成された基材1を得た。
なお、原料粉末と分散媒を混ぜたときに分散媒が少なくて流動性を有しない場合には、適宜エタノールを追加して流動性のある液状となるようにした。
また、中間層3の厚みが厚く、乾燥が急激であったため、乾燥後、焼結前にすべてのサンプルにおいて中間層3にひびができていた。
"Experiment 3"
In order to determine a preferable volume ratio of the SiC powder in the raw material powder in the slurry, the following experiment was performed.
(
In order to clarify the sintering shrinkage of the intermediate layer 3 using the formulation shown in Table 1 as the slurry, the thickness of the slurry to be placed on the
In addition, when the raw material powder and the dispersion medium are mixed and the dispersion medium is small and does not have fluidity, ethanol is added as appropriate to obtain a fluid liquid.
Moreover, since the intermediate layer 3 was thick and dried rapidly, the intermediate layer 3 was cracked in all samples after drying and before sintering.
このようにして得られたサンプル1〜サンプル10の応力緩和層2および中間層3の形成された基材1について、以下に示す評価基準に基づいてクラックと硬さの評価を行ない、その結果から以下に示すように総合評価を行なった。その結果を表1に示す。
About the
「クラック(ひび)」
○:焼成後に、乾燥時あったひびの幅の広がりや、乾燥時にはなかった新たなひびの発生は見られなかった
△:焼成後に、乾燥時あったひびの幅が多少広がっていたが、乾燥時にはなかった新たなひびの発生はなかった。
×:焼成後に、乾燥時にあったひびの幅が広くなり、乾燥時にはなかったひびが発生した。
"Crack"
○: After firing, there was no spread of cracks that were dry, and new cracks that were not dry were not seen. △: After firing, the width of cracks that were dry was somewhat widened, but dried. There were no new cracks that sometimes did not.
X: After firing, the width of cracks that were present during drying widened, and cracks that were not present during drying occurred.
「硬さ」
○:爪で表面が削れない硬さを有する。
△:爪で表面が削り取れる程度の硬さである。
×:中間層としての所定の形状を保てない。
"Hardness"
○: The hardness is such that the surface cannot be shaved with a nail.
(Triangle | delta): It is the hardness of the grade which can scrape off the surface with a nail.
X: The predetermined shape as an intermediate layer cannot be maintained.
「総合」
○:クラックと硬さの評価のいずれもが○である。
△:クラックと硬さの評価のいずれか一方が△であって、他方が○である。
×:クラックと硬さの評価のいずれかが×である。
"Comprehensive"
◯: Both crack and hardness evaluations are ◯.
Δ: Either one of crack and hardness evaluation is Δ, and the other is ○.
X: Either crack or hardness evaluation is x.
また、応力緩和層2および中間層3の形成された基材1の写真を図8〜図11に示す。図8(a)はサンプル1の写真、図8(b)はサンプル2の写真、図8(c)はサンプル3の写真、図9(a)はサンプル4の写真、図9(b)はサンプル5の写真、図10(a)はサンプル6の写真、図10(b)はサンプル7の写真、図11(a)はサンプル8の写真、図11(b)はサンプル9の写真、図11(c)はサンプル10の写真である。
Moreover, the photograph of the
図8〜図11に示すように、すべてのサンプルにおいて、中間層が基材上に固着しており、剥がれ落ちることはなかった。
また、表1より、サンプル1〜サンプル3については、クラックの評価が×となった。これは、サンプル1〜サンプル3ではSiC混合量が少ないため、焼結収縮が大きかったためと考えられる。
また、サンプル4については、クラックの評価が△となり、サンプル5〜サンプル10については、クラックの評価が○となった。このことにより、SiCが40%以上混合されているサンプル4〜サンプル10については、焼結収縮が抑制されたと考えられる。
As shown in FIGS. 8 to 11, in all the samples, the intermediate layer was fixed on the base material and did not peel off.
From Table 1, the evaluation of cracks for
Further, for sample 4, the evaluation of the crack was Δ, and for samples 5 to 10, the evaluation of the crack was ○. As a result, it is considered that sintering shrinkage was suppressed for Samples 4 to 10 in which SiC was mixed by 40% or more.
また、表1より、サンプル1〜サンプル7は、硬さの評価が○となり、サンプル8〜サンプル10では△となった。サンプル8〜サンプル10はSiC混合量が70%以上と多いためYb2SiO5粉末の焼結による結合強度が弱くなり、爪で削れる程度の硬さしか得られなかったと考えられる。
しかし、SiC混合量が90%であるサンプル10でも、中間層としての所定の形状を保っており、触って崩れるほど粉末同士の結合が弱いということはない。このことから、サンプル10でも、Yb2SiO5粉末の焼結による粉末の結合はなされていると考えられる。
Moreover, from Table 1, the evaluation of hardness of
However, even in the
以上の結果より、スラリー中の原料粉末中におけるSiC粉末の好ましい体積割合は、30〜90%であり、さらに40〜60%の範囲では、体積収縮が小さくて、硬い中間層が得られるため、より好ましいことが分かった。 From the above results, the preferred volume ratio of the SiC powder in the raw material powder in the slurry is 30 to 90%, and in the range of 40 to 60%, the volume shrinkage is small, and a hard intermediate layer is obtained. It turned out to be more preferable.
「実験例4」
基材1をスラリー中に浸さずに、スラリーの分散媒内に沈殿している原料粉末を基材1の被コーティング面1aに盛り付けて塗布を行ったこと以外は、実験例1と同様にして中間層の形成された基材1を得た。
このようにして中間層の形成された実験例4の基材1を観察した。その結果、中間層内や基材1と中間層の間にクラックが多数発生しており、中間層が基材上から剥がれ落ちた部分があった。
"Experimental example 4"
Except that the
Thus, the
「実験例5」
図12に示すフローチャートに従って基材に応力緩和層および中間層を形成した。
すなわち、以下に示すように形状の異なるサンプルAおよびサンプルBからなる基材1の被コーティング面1aを、以下に示す含浸用スラリー中に実験例1と同様にして含浸し(図12に示すS1)、実験例1と同様にして基材1にこびりついた余分なスラリーを落とし(図12に示すS2)た。次いで、室温大気中で10分間、100℃の大気中で20分間乾燥(図12に示すS41)した。次いで、以下に示すディッピング用スラリー中に浸漬し、被コーティング面1aにディッピング用スラリーを塗布するディッピング(図12に示すS32)を行った。
“Experimental Example 5”
A stress relaxation layer and an intermediate layer were formed on the substrate according to the flowchart shown in FIG.
That is, as shown below, the surface to be coated 1a of the
その後、ディッピング用スラリーが基材1の表面から自然に流れ落ちるように、基材1と床面や壁面との接触を極力少なくした状態で基材1を設置して、再度、室温大気中で10分間、100℃の大気中で20分間乾燥(図12に示すS41)した。このことにより、ディッピング用スラリー中に含まれる原料粉末を、基材1の表面に薄く付着させた。その後、図12に示すように、ディッピングS32と乾燥S41とを、基材1に付着したスラリーの中の原料粉末の重量が所定の重量となるまで、繰り返し行なった。なお、2回目以降の乾燥時には、前回の乾燥時と基材1の上下方向を反転させて設置し、ディッピング用スラリーの塗布厚が均一になるようにした。
その後、実験例1と同様にして焼結(図12に示すS5)させることにより、厚み4mmの応力緩和層2および厚み10〜30μmの中間層3を形成した。
Then, the
Thereafter, sintering (S5 shown in FIG. 12) was performed in the same manner as in Experimental Example 1 to form a
「基材」
材質:3次元強化SiC長繊維からなるセラミックス繊維とSiCからなるセラミックスマトリックスとからなるセラミックス基複合材料
気孔率:約10%
寸法:縦3mm、横4mm、高さ45mm(サンプルA)
縦35mm、横50mm、厚み3mm(サンプルB)
"Base material"
Material: Ceramic matrix composite material consisting of ceramic fiber made of 3D reinforced SiC long fiber and ceramic matrix made of SiC Porosity: about 10%
Dimensions: Length 3mm, width 4mm, height 45mm (sample A)
Length 35mm, width 50mm, thickness 3mm (sample B)
「含浸用スラリー」
実験例1と同じ原料を用い、実験例1のスラリーと同様にして製造した。配合を以下に示す。
SiC粉末17.76g、Yb2O3粉末32.25g、ボロシリケートガラス粉末3.99g、シリカゾル4.8ml、エタノール4.8mlからなるものを用いた。
"Slurry for impregnation"
The same raw materials as in Experimental Example 1 were used, and the same raw material as in Experimental Example 1 was produced. The formulation is shown below.
A powder composed of 17.76 g of SiC powder, 32.25 g of Yb 2 O 3 powder, 3.99 g of borosilicate glass powder, 4.8 ml of silica sol, and 4.8 ml of ethanol was used.
「ディッピング用スラリー」
原料は、実験例1と同じものを用いた。配合を以下に示す。
SiC粉末17.76g、Yb2O3粉末32.25g、ボロシリケートガラス粉末3.99g、シリカゾル12.2ml、エタノール12.2mlからなるものを用いた。
(ディッピング用スラリーの製造方法)
まず、SiC粉末とYb2O3粉末とボロシリケートガラス粉末とからなる原料粉末を、所定量計り取り混合した。原料を上記の混合割合とすることで、ディッピング用スラリー中の原料粉末の体積率が30%となる。次に、シリカゾルとエタノールとを所定量計り取り、混合して分散媒とした。次いで、原料粉末と分散媒とを原料粉末の沈殿がなくなるように混合してディッピング用スラリーとした。
"Slipping slurry"
The same raw material as in Experimental Example 1 was used. The formulation is shown below.
A powder composed of 17.76 g of SiC powder, 32.25 g of Yb 2 O 3 powder, 3.99 g of borosilicate glass powder, 12.2 ml of silica sol, and 12.2 ml of ethanol was used.
(Method for producing slurry for dipping)
First, a predetermined amount of raw material powder composed of SiC powder, Yb 2 O 3 powder and borosilicate glass powder was measured and mixed. By setting the raw material to the above mixing ratio, the volume ratio of the raw material powder in the dipping slurry becomes 30%. Next, a predetermined amount of silica sol and ethanol were weighed and mixed to obtain a dispersion medium. Next, the raw material powder and the dispersion medium were mixed so as to eliminate the precipitation of the raw material powder to obtain a dipping slurry.
このようにして得られた応力緩和層2および中間層3の形成された基材1を観察した。その結果を図13に示す。図13は実験例5の応力緩和層および中間層の形成された基材の写真である。図13(a)はサンプルAの基材の写真であり、図13(b)はサンプルBの基材の写真である。図13(a)および図13(b)に示すように、サンプルA、サンプルBともに、基材を構成するCMCの表面に露出していたセラミックス繊維の織り目間に存在する気孔に応力緩和材料が充填されていることが確認できた。また、サンプルA、サンプルBともに、中間層が基材上に固着しており、剥がれ落ちることはなく、クラックも発生していなかった。
The
「耐酸化試験」
このようにして得られた応力緩和層2および中間層3の形成された基材1を1300℃の大気中に100時間暴露し、その外観変化を確認した。
その結果、サンプルA、サンプルBともに、中間層が基材上に固着しており、剥がれ落ちることはなく、クラックも発生していなかった。また、サンプルA、サンプルBともに、薄緑色だった中間層3が白色に変化した。これは、耐酸化試験によって、緑色であるSiCの一部または全部が酸化して、白色または透明であるSiO2に変化したためと考えられる。
"Oxidation resistance test"
The
As a result, in both sample A and sample B, the intermediate layer was fixed on the substrate, and did not peel off, and no cracks were generated. Further, in both sample A and sample B, the intermediate layer 3 which was light green changed to white. This is presumably because part or all of the green SiC was oxidized and changed to white or transparent SiO 2 by the oxidation resistance test.
「耐水蒸気試験」
また、基材1の中間層3上にAPS(大気中溶射)によりLu2Si2O7からなるコーティング層を形成し、図1に示すセラミックス基複合部材10を得た。このようにして得られたセラミックス基複合部材10を1300℃、全圧9.5atm、水蒸気分圧1.5atmの大気中に2000時間暴露し、その外観変化を確認した。
その結果、サンプルA、サンプルBともに、コーティング層5の剥離やクラックは観察されなかった。
ここで、Lu2Si2O7からなるコーティング層5は、高温で酸素を透過するものであるので、コーティング層5の下層に配置された応力緩和層2および中間層3は、耐水蒸気試験においても耐酸化試験の場合と同様に、SiCの一部または全部が酸化して、SiO2に変化されていると考えられる。したがって、耐水蒸気試験により応力緩和層2および中間層3中に含まれるSiCが酸化されても、コーティング層5には剥離やクラックが発生していないことになる。このことから、応力緩和層2および中間層3が、耐水蒸気試験によって、コーティング層5の密着強度を低下させるような過大な収縮や膨張を起こさないことと、基材1を構成するCMCやコーティング層5の強度を低下させるような化学反応を起こさないこととが確認できた。
"Water vapor resistance test"
In addition, the APS (atmospheric spraying) onto the intermediate layer 3 of the
As a result, neither sample A nor sample B was observed to be peeled off or cracked from the coating layer 5.
Here, since the coating layer 5 made of Lu 2 Si 2 O 7 transmits oxygen at a high temperature, the
耐酸化試験および耐水蒸気試験の結果より、実験例5の応力緩和層2および中間層3を設けることにより、基材1とコーティング層5との間の密着力が十分に得られることが確認できた。
From the results of the oxidation resistance test and the steam resistance test, it can be confirmed that the adhesion force between the
「実験例6」
(サンプル11〜サンプル24)
スラリーとして以下に示す材料からなる表2に示す配合のものを用いたことと、中間層3の焼結収縮を明確にするために、ディッピング時に基材1の被コーティング面1aに盛り付けるスラリーの厚みを通常よりも厚い1mmとしたこと以外は、実験例1と同様にして厚み4mmの応力緩和層2および厚み1mmの中間層3の形成された基材1を得た。
なお、表2に示す配合では、原料粉末中の難焼結材粉末の体積率が50%となる。また、原料粉末と分散媒を混ぜたときに分散媒が少なくて流動性を有しない場合には、適宜エタノールを追加して流動性のある液状となるようにした。また、難焼結材としてWCを用いた場合と、CrAlを用いた場合においては、難焼結材の分解温度が低いため焼結温度を1000℃とした。
また、中間層3の厚みが厚く、乾燥が急激であったため、乾燥後、焼結前にすべてのサンプルにおいて中間層3にひびができていた。
"Experimental example 6"
(
The thickness of the slurry to be placed on the
In the formulation shown in Table 2, the volume ratio of the hardly sintered material powder in the raw material powder is 50%. In addition, when the raw material powder and the dispersion medium are mixed, if the dispersion medium is small and does not have fluidity, ethanol is added as appropriate to obtain a fluid liquid. In addition, when WC was used as the hardly sintered material and when CrAl was used, the sintering temperature was set to 1000 ° C. because the decomposition temperature of the hardly sintered material was low.
Moreover, since the intermediate layer 3 was thick and dried rapidly, the intermediate layer 3 was cracked in all samples after drying and before sintering.
「スラリー」
(原料)
SiC粉末:平均粒径約4μm、昭和電工株式会社製、グリーンデンシック(商品名)
Si3N4粉末(1):平均粒径約1μm、宇部興産株式会社製、SN-E10(商品名)
Si3N4粉末(10):平均粒径約10μm、宇部興産株式会社製、SN-E01(商品名)
AlN粉末:平均粒径約5μm、古河電子株式会社製、FAN-f05(商品名)
BN粉末:平均粒径約7μm、電気化学工業株式会社製、AP650(商品名)
B4C粉末:平均粒径約2.5μm、H.C.Starck GRADE HP
WC粉末:平均粒径約5μm 、社内調整粉末
CrAl粉末:平均粒径約5μm、社内調整粉末
"slurry"
(material)
SiC powder: Average particle size of about 4 μm, Showa Denko KK, Green Densick (trade name)
Si 3 N 4 powder (1): average particle size of about 1 μm, manufactured by Ube Industries, SN-E10 (trade name)
Si 3 N 4 powder (10): average particle size of about 10 μm, manufactured by Ube Industries, SN-E01 (trade name)
AlN powder: average particle diameter of about 5 μm, Furukawa Electronics Co., Ltd., FAN-f05 (trade name)
BN powder: average particle size of about 7 μm, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., AP650 (trade name)
B 4 C powder: average particle diameter of about 2.5 μm, HC Starck GRADE HP
WC powder: average particle size about 5μm, in-house adjusted powder CrAl powder: average particle size about 5μm, in-house adjusted powder
Yb2O3粉末:平均粒径約1μm 、信越化学工業株式会社製
Y2O3粉末:平均粒径約1μm 、信越化学工業株式会社製
Er2O3粉末:平均粒径約1μm、信越化学工業株式会社製
Al2O3粉末:平均粒径約0.3μm、住友化学株式会社製、AKP50(商品名)
SiO2粉末:平均粒径約6μm、電気化学工業株式会社製、 溶融シリカFS-30(商品名)
MgO粉末:平均粒径約1μm、添川理化学株式会社製
Yb 2 O 3 powder: average particle size of about 1 μm, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Y 2 O 3 powder: average particle size of about 1 μm, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Er 2 O 3 powder: average particle size of about 1 μm, Shin-Etsu Chemical Al 2 O 3 powder manufactured by Kogyo Co., Ltd .: average particle size of about 0.3 μm, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., AKP50 (trade name)
SiO 2 powder: average particle size of about 6 μm, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., fused silica FS-30 (trade name)
MgO powder: average particle size of about 1 μm, manufactured by Soekawa Riken
ボロシリケートガラス粉末(パイレックスガラス:商品名(登録商標)):200メッシュ、フルウチ化学株式会社製
シリカゾル:粒子径10〜20nm、日産化学工業株式会社製、スノーテックス(商品名)
アルミナゾル:日産化学工業株式会社製、アルミナゾル100(商品名)
エタノール:純度99.5%、昭和化学株式会社製
Borosilicate glass powder (Pyrex glass: trade name (registered trademark)): 200 mesh, manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd. Silica sol: particle diameter 10-20 nm, manufactured by Nissan Chemical Industries, Snowtex (trade name)
Alumina sol: manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd., Alumina sol 100 (trade name)
Ethanol: purity 99.5%, Showa Chemical Co., Ltd.
このようにして得られたサンプル11〜サンプル24の応力緩和層2および中間層3の形成された基材1について、実験例3と同様にして硬さの評価を行なった。その結果を表2に示す。
The
また、応力緩和層2および中間層3の形成された基材1の写真を図14〜図19に示す。図14(a)はサンプル11の写真、図14(b)はサンプル12の写真、図14(c)はサンプル13の写真、図15(a)はサンプル14の写真、図15(b)はサンプル15の写真、図15(c)はサンプル16の写真、図16(a)はサンプル17の写真、図16(b)はサンプル18の写真、図17(a)はサンプル19の写真、図17(b)はサンプル20の写真、図18(a)はサンプル21の写真、図18(b)はサンプル22の写真、図19(a)はサンプル23の写真、図19(b)はサンプル24の写真である。
Moreover, the photograph of the
図14〜図19に示すように、すべてのサンプルにおいて、中間層が基材上に固着しており、剥がれ落ちることはなかった。また、焼成後に、乾燥時あったひびの幅の広がりや、乾燥時にはなかった新たなひびの発生は見られなかった。また、粉末同士の結合が弱く触って崩れるということもない。 As shown in FIGS. 14 to 19, in all the samples, the intermediate layer was fixed on the base material and did not peel off. Further, after firing, there was no broadening of the crack width that was present during drying and no new cracks that were not present during drying. In addition, the bond between the powders is weak and does not break when touched.
また、表2より、サンプル12、サンプル13、サンプル15〜サンプル20、サンプル22〜サンプル24では、硬さの評価が○となり、サンプル11、サンプル14、サンプル21では△となった。
硬さの評価が△であるサンプル11、サンプル14、サンプル21では、原料粉末と分散媒とを混ぜた状態で液状のスラリーにするにはエタノールの追加が必要であった上、液状になってもペースト状になり、原料粉末が沈殿にはならなかった。これは、サンプル11で使用したSi3N4やサンプル21で使用したMgOの粒径が小さく、比表面積が大きいため、原料粉末の粒子間を濡らして液状にするのに多くの分散媒が必要であったことと、Si3N4やMgOの粒径が小さいために、沈殿が遅かったことによると考えられる。また、サンプル14で使用したBNは、粒径が7μmであり小さくはないが、板状の形状をしている。このためサンプル14でもサンプル11およびサンプル21と同様、比表面積が大きく、分散媒が多く必要であり、また、沈殿も遅かったと考えられる。その結果、サンプル11、サンプル14、サンプル21では、スラリーがペースト状で、原料粉末が分散媒中に低濃度で分散している状態であった。そのため基材の表面に塗布されたスラリー中の原料粉末の濃度が低く、焼成された中間層中における原料粉末の密度が低くなり、原料粉末の焼結による結合強度が弱く、爪で削れる程度の硬さしか得られなかったと考えられる。
Moreover, from Table 2, the evaluation of hardness was “good” in
In
また、実験例6より、難焼結材として、SiCの他に、Si3N4、AlN、BNなどの窒化物や、B4C、WCなどの炭化物、CrAlなどのアルミ化物も適用できることが確認できた。
また、酸化物セラミックスとして、Yb2SiO5の他に、イットリウムシリケート、エリビウムシリケート、アルミノシリケート、マグネシウムシリケートなどの各種のシリケートや、Al2O3、SiO2などの単一の酸化物、ボロシリケートガラス(パイレックスガラス(登録商標))などのガラスも適用できることが確認できた。
また、ゾルとしては、シリカゾルの他に、アルミナゾルが適用できることが確認できた。
Further, from Experimental Example 6, as a hardly sintered material, in addition to SiC, nitrides such as Si 3 N 4 , AlN, and BN, carbides such as B 4 C and WC, and aluminides such as CrAl can be applied. It could be confirmed.
As oxide ceramics, in addition to Yb 2 SiO 5 , various silicates such as yttrium silicate, erbium silicate, aluminosilicate, magnesium silicate, single oxides such as Al 2 O 3 , SiO 2 , It was confirmed that glass such as borosilicate glass (Pyrex glass (registered trademark)) can also be applied.
Moreover, as a sol, it was confirmed that an alumina sol can be applied in addition to a silica sol.
1…基材、1a…被コーティング面、1b…気孔、2…応力緩和層、3…中間層、5…コーティング層、8…隙間、7、7a、17、17a…酸化物セラミックス、10…セラミックス基複合部材、20…セラミックス基複合材料(CMC)、21…セラミックス繊維、22…セラミックスマトリックス。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記基材の前記被コーティング面側に、熱膨張係数が前記基材と前記コーティング層との間の値である応力緩和材料が含浸されてなる応力緩和層を有し、前記応力緩和材料が、酸化物セラミックスと、前記酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材とを含むことを特徴とするセラミックス基複合部材。 A base material having a coated surface on which a coating layer is formed, and a coating layer formed on the coated surface, the ceramic matrix composite material comprising a ceramic fiber and a ceramic matrix attached to the ceramic fiber. A ceramic-based composite member,
To the object to be coated surface side of the substrate, the thermal expansion coefficient have a stress relieving layer value at which stress relaxation material, which are impregnated between the coating layer and the base material, the stress relaxation material, A ceramic-based composite member comprising an oxide ceramic and a hardly sintered material having a sintering shrinkage smaller than that of the oxide ceramic .
前記被コーティング面と、前記充填気孔のうち前記被コーティング面から最も深い位置に存在する前記充填気孔に充填された前記応力緩和材料との間が前記応力緩和層とされていることを特徴とする請求項1に記載のセラミックス基複合部材。 The substrate has a plurality of pores, and the pores exposed to at least the coated surface of the pores are filled pores filled with the stress relaxation material,
The stress relaxation layer is formed between the surface to be coated and the stress relaxation material filled in the filled pores present at the deepest position from the coated surface among the filled pores. The ceramic matrix composite member according to claim 1.
前記基材の前記被コーティング面側に、熱膨張係数が前記基材と前記コーティング層との間の値である応力緩和材料を含浸させて応力緩和層を形成する緩和層形成工程と、
前記基材の応力緩和層上に前記コーティング層を形成するコーティング工程とを含み、
前記緩和層形成工程が、焼結させることにより前記応力緩和材料となるスラリー中に前記基材を含浸する工程と、前記基材に付着した前記スラリーを焼結させる工程とを含み、
前記スラリーが、焼結させることにより酸化物セラミックスとなる母材元と前記酸化物セラミックスよりも焼結収縮の小さい難焼結材とを含む原料粉末と、焼結時の酸化物セラミックス粉末の焼結による結合の促進に寄与するゾルと溶媒とからなる分散媒とを含むことを特徴とするセラミックス基複合部材の製造方法。 A base material having a coated surface on which a coating layer is formed, and a coating layer formed on the coated surface, the ceramic matrix composite material comprising a ceramic fiber and a ceramic matrix attached to the ceramic fiber. A method for producing a ceramic matrix composite member, comprising:
A relaxation layer forming step of forming a stress relaxation layer by impregnating a stress relaxation material whose thermal expansion coefficient is a value between the substrate and the coating layer on the coated surface side of the substrate;
Look including a coating step of forming the coating layer on the stress relaxation layer of the substrate,
The relaxation layer forming step includes a step of impregnating the base material in a slurry that becomes the stress relaxation material by sintering, and a step of sintering the slurry attached to the base material,
The slurry comprises a raw material powder containing a base material which becomes oxide ceramics by sintering and a hardly sintered material having a sintering shrinkage smaller than that of the oxide ceramics, and sintering of the oxide ceramic powders during sintering. A method for producing a ceramic matrix composite member comprising a dispersion medium comprising a sol and a solvent that contribute to the promotion of bonding by bonding .
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