JP5070910B2 - Ceramic matrix composite member and method for producing ceramic matrix composite member - Google Patents

Ceramic matrix composite member and method for producing ceramic matrix composite member Download PDF

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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, Patent Document 1 to Patent Document 4 As shown in FIG. 2, those composed of rare earth oxides (silicates), hafnia (IVA group metal oxides), SAS (Strontium-Alumino-Silicate), and the like are known.

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 resistant coating layer 15 and the CMC base material 11 between the environmental resistant coating layer 15 and the CMC base material 11. The method of forming 13 is mentioned. Examples of the intermediate layer 13 include those made of barium strontium aluminosilicate, mullite, hafnon, and the like. By forming the intermediate layer 13, the stress generated by the difference in thermal expansion between the environmental resistant coating layer 15 and the CMC 11 can be relaxed in a stepwise manner. The intermediate layer 13 shown in FIG. 20A is formed by, for example, a method of spraying a material to be the intermediate layer 13 such as barium strontium aluminosilicate, mullite, and hafnon on the surface of the CMC base material 11.
In this case, when the adhesive force (adhesion strength) between the CMC substrate 11 and the intermediate layer 13 is low, a new problem is that peeling occurs at the interface. As shown in FIG. 20 (a), by forming an active metal such as Si, rare earth silicide, or Ti between the CMC base material 11 and the intermediate layer 13 as the bond layer 12, the chemical adhesive strength (adhesion strength) is increased. Can be improved. The bond layer 12 is formed on the surface of the CMC base material 11 by, for example, a method of thermally spraying a material that becomes a bond layer such as Si, rare earth silicide, or Ti under reduced pressure.

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。
特開2006−193830号公報 米国特許出願公開第2006/0121295号明細書 特開2006−52126号公報 特開2005−200226号公報
Further, as another technique for solving the above problem, as shown in FIG. 20B, there is a method of forming an environment resistant coating layer 15 on the CMC base material 11 having a groove 11a on the surface. By providing the groove 11 a on the surface of the CMC base material 11, it is possible to obtain an anchor effect that improves the adhesion between the environmental resistance coating layer 15 and the CMC base material 11. Can increase the physical adhesive strength.
JP 2006-193830 A US Patent Application Publication No. 2006/0112295 JP 2006-52126 A JP 2005-200226 A

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 bond layer 12 is formed using an active metal such as Si, rare earth silicide, or Ti, Si, rare earth silicide, Ti, or the like constituting the formed bond layer 12 is formed. The active metal changes to a stable oxide or silicate. Since the change from the active metal to the oxide or silicate is a change accompanied by a volume change, when the bond layer 12 is formed on the entire surface of the CMC base material 11, the intermediate layer 13 and the environmental resistant coating layer 15 are peeled off. End up. However, if a region where the bond layer 12 is not formed is provided on a part of the CMC base material 11 so that the intermediate layer 13 and the environment-resistant coating layer 15 do not peel off, the CMC base material 11 has a denseness for protection. Will be insufficient.

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-resistant coating layer 15 and the CMC base material 11 cannot be alleviated. In some cases, peeling may occur, and it is difficult to obtain an environmentally resistant coating layer 15 having a stable quality.

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YbSiO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、HfO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 matrix composite member 10 shown in FIG. 1 has a substrate 1, a stress relaxation layer 2, an intermediate layer 3, and a coating layer 5.

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、Si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 substrate 1 is made of a ceramic matrix composite material (CMC) 20 shown in FIG. The CMC 20 shown in FIG. 2 is composed of ceramic fibers 21 and a ceramic matrix 22. The CMC 20 has a thermal expansion coefficient of about 3 [× 10 −6 / K] and has a plurality of pores (not shown in FIG. 2). In this embodiment, the CMC 20 has a porosity ((pore volume / CMC volume) × 100) of 5% to 60%, preferably about 20%.
The ceramic fiber 21 may be a two-dimensional fabric in which a predetermined fiber bundle made of C fiber, SiC fiber, or the like is oriented in the axial direction and the circumferential direction, a braided fabric, or a triaxial direction in which the fiber bundles are orthogonal to each other. An oriented three-dimensional fabric is used. A braided woven fabric is a woven fabric composed of fibers in an axial direction and fibers entangled with a slightly inclined axial fiber called a braid, which is not completely circumferential, and has the same structure as a braid. Moreover, it is preferable to use what laminated | stacked about 3-50 layers for a two-dimensional fabric and a braided fabric.
The ceramic matrix 22 is made of C, SiC, Si 3 N 4 or the like, and is attached to the ceramic fibers 21. Among such CMCs 20, in particular, the ceramic fiber 21 and the ceramic matrix 22 are both made of C or SiC, the ceramic fiber 21 is made of C, and the ceramic matrix 22 is made of SiC. preferable.

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 | symbol 1a has shown the to-be-coated surface in which the coating layer 5 is formed. On the coated surface 1 a side of the base material 1, a stress relaxation layer 2 that is impregnated with a stress relaxation material described later is formed. Further, among the plurality of pores of the substrate 1, the plurality of pores exposed on the surface to be coated 1a are filled with a stress relaxation material to form the filled pores 1b. As shown in FIG. 1, in the base material 1, the space between the coated surface 1 a and the stress relaxation material filled in the filled pores 1 b existing at the deepest position from the coated surface 1 a among the filled pores 1 b. The stress relaxation layer 2 is used.

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 coated surface 1a and the coated surface 1a) is about 0.2 mm to 30 mm. It is preferable that the thickness is about 0.5 mm to 10 mm. If the thickness of the stress relaxation layer 2 is less than the above range, the anchor effect for improving the adhesion between the coating layer 5 and the substrate 1 may not be sufficiently obtained. Moreover, since manufacture will become difficult when the thickness of the stress relaxation layer 2 exceeds the said range, it is unpreferable.
In the ceramic matrix composite member shown in FIG. 1, the ratio of the filling pores 1 b in the stress relaxation layer 2 increases as the coating layer 5 is approached. In FIG. 1, in order to make the drawing easy to see, only a part of the pores filled with the stress relaxation material is illustrated among the pores uniformly present in the entire substrate 1, and the stress relaxation material is filled. Illustration of pores that are not performed is omitted.

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 stress relaxation layer 2 is provided between the stress relaxation layer 2 and the coating layer 5.
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 stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 has a thermal expansion coefficient of a value between the substrate 1 and the coating layer 5, specifically, a thermal expansion coefficient of 1 to 6 [ × 10 −6 / K] is preferable. Also. It is preferable that the stress relaxation material is excellent in heat resistance, oxidation resistance, and corrosion resistance against a high-temperature gas environment and does not cause a volume change due to a change in crystal phase between room temperature and 1400 ° C.

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、YbSiO、YbSiO、ErSiO、イットリウムシリケート(YSiO)、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、Al、SiO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、YbSiO、YSiO、ErSiO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YbSiO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、Si、AlN、BNなどの窒化物や、SiC、BC、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 pores 1b of the substrate 1, but those having an average particle size of about 1 to 10 μm. It can be preferably used.

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HfO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 substrate 1 with an intermediate layer 3 interposed therebetween. The coating layer 5 is preferably formed of HfO 2 having excellent heat resistance and environmental resistance.

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 matrix composite member 10 shown in FIG. 1 can be manufactured by the following method.
"Relaxation layer formation process"
In the present embodiment, the case where the intermediate layer 3 is formed simultaneously with the formation of the stress relaxation layer 2 will be described as an example. First, the slurry containing the stress relaxation material is filled in at least the pores 1b exposed on the coating surface 1a by impregnating the coated surface 1a of the base material 1 with the slurry containing the stress relaxation material. The impregnation here is preferably performed, for example, by burying the base material 1 in the raw material powder precipitated in the dispersion medium in the slurry and applying vibration to the slurry and the base material using ultrasonic waves. Thus, by impregnating the pores 1b with the slurry, the raw material powder can be impregnated at a high concentration in the pores 1b of the substrate 1. Alternatively, the base material 1 is immersed in a slurry in which the raw material powder is uniformly dispersed in the dispersion medium, the pressure is reduced, the atmosphere is deaerated from the pores in the base material 1, and the slurry is replaced with the base material. The raw material powder can be impregnated into one pore 1b. Further, when the pores 1b of the substrate 1 are continuous pores from the coated surface 1a to the other surface, a slurry in which the raw material powder is uniformly dispersed in the dispersion medium is pressurized and injected from the coated surface 1a. Alternatively, the pores 1b can be impregnated with the slurry by reducing the pressure from a surface other than the coated surface 1a. In this method, the coated surface 1a and the surface other than the coated surface 1a may be reversed.
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、Yb粉末、Y粉末、Er粉末、Al粉末、SiO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、Si粉末、AlN粉末、BN粉末、BC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SiOまたは、ゾルと焼結助剤とに含まれるSiO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 stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3, and at the same time, the raw material powders are bonded to each other. The mixing ratio of the raw material powder and the dispersion medium can be appropriately determined in consideration of the workability during impregnation, the number of dipping times, the thickness of the intermediate layer 3 to be finally obtained, and the like.

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 substrate 1 may not be sufficiently increased. When the volume ratio of the hard-to-sinter material in the raw material powder in the slurry exceeds the above range, the bond strength obtained by sintering for forming the intermediate layer 3 becomes insufficient, and the intermediate layer 3 having sufficient hardness. May not be obtained.

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 base material 1 is sintered in an argon atmosphere at a temperature of 1300 ° C. for about 1 hour, so that the pores filled with the slurry are made into the filled pores 1b filled with the stress relaxation material. The relaxation layer 2 is formed, and the intermediate layer 3 continuously integrated with the stress relaxation layer 2 is formed. The sintering here is preferably performed at a temperature of 1300 ° C. or lower so as not to adversely affect the strength of the substrate 1.

「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 composite member 10 shown in FIG. 1 is obtained by forming a coating layer on the intermediate layer 3 by APS (air spraying in the atmosphere).

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 matrix composite member 10 of the present embodiment, at least one of the plurality of pores of the substrate 1 exposed to the coated surface 1a is a filled pore 1b filled with a stress relaxation material. Since the thermal expansion coefficient of the material is a value between the base material 1 and the coating layer 5, the filling surface 1 a and the filling pores 1 b existing at the deepest position from the coating surface 1 a among the filling pores 1 b are filled. Since the stress relaxation layer 2 is between the formed stress relaxation material, the stress relaxation layer 2 reduces the residual stress accompanying the thermal expansion difference due to the difference in thermal expansion coefficient between the coating layer 5 and the substrate 1. The adhesion between the coating layer 5 and the substrate 1 can be improved.
Moreover, in the ceramic matrix composite member 10 of the present embodiment, the stress relaxation layer 2 is such that at least the pores exposed to the coated surface 1a among the plurality of pores of the substrate 1 are filled pores 1b. The anchoring effect for improving the adhesion between the coating layer 5 and the substrate 1 can be effectively obtained by the stress relaxation layer 2, and the physical adhesive force between the coating layer 5 and the substrate 1 can be enhanced.

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HfOからなるコーティング層を形成する場合、HfO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 stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3, the thermal expansion coefficient of HfO 2 is 9.3 [× so high as 10 -6 / K], the difference in thermal expansion coefficient between the substrate 1 the thermal expansion coefficient of about 3 [× 10 -6 / K] becomes very large. Therefore, when the coating layer in contact with the substrate is formed on the substrate, it is difficult to sufficiently increase the adhesion between the coating layer and the substrate.

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 matrix composite member 10 of the present embodiment, the stress relaxation layer 2 provides an anchoring effect that improves the adhesion between the coating layer 5 and the substrate 1, so that the oxide ceramics alone can relieve stress. Even in the case of oxide ceramics with weak adhesion that cannot form the layer 2 and the intermediate layer 3, it is possible to form the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 with high adhesion.

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 stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 gradually sinter and shrink due to use in a high temperature environment, resulting in a decrease in adhesion and peeling. In the ceramic matrix composite member 10 of the present embodiment, the sintering shrinkage of the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 in a high temperature environment is prevented by the filled pores 1b and the CMC constituting the stress relaxation layer 2. As a result, the rate of sintering shrinkage of the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 can be reduced, and the life until the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 are peeled can be extended by slowing down the adhesion force. it can.

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 matrix composite member 10 of the present embodiment, the stress relaxation layer 2 is such that pores exposed at least on the coated surface 1a among the plurality of pores of the substrate 1 are filled pores 1b. Even if oxygen or water vapor enters through the coating layer 5, since the pores exposed on the surface to be coated 1a serving as a diffusion path of the oxygen and water vapor that has entered therein are filled with the stress relaxation material, Contact between water vapor and the substrate 1 can be prevented. Therefore, deterioration of the base material 1 can be prevented, and the ceramic base composite member 10 having a long life is obtained.

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 matrix composite member 10 of the present embodiment, since the ratio of the filled pores 1b in the stress relaxation layer 2 increases as it approaches the coating layer 5, the thermal expansion coefficient of the stress relaxation layer 2 is increased. The value is gradually close to the coefficient of thermal expansion of the base material 1 as the distance from the center is increased. That is, in the ceramic matrix composite member 10 of the present embodiment, the thermal expansion coefficient is changed in a stepwise manner between the coating layer 5 and the substrate 1, and between the coating layer 5 and the substrate 1. A thermal stress can be relieved effectively and the adhesive force between the coating layer 5 and the base material 1 can be improved effectively.

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 matrix composite member 10 of this embodiment, the intermediate layer 3 made of a stress relaxation material and integrated with the stress relaxation layer 2 is provided between the stress relaxation layer 2 and the coating layer 5. 5 and the base material 1 can be further relaxed, and the adhesion between the coating layer 5 and the base material 1 can be further effectively improved.

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 matrix composite member 10 of the present embodiment, the stress relaxation material includes an oxide ceramic and a hard-to-sinter material whose sintering shrinkage is smaller than that of the oxide ceramic. The adhesion between the coating layer 5 and the substrate 1 can be further effectively improved.
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 oxide ceramics 17 before sintering and the oxide ceramics 17a after sintering are compared, the oxide ceramics 17a after sintering are adjacent to each other. It can be seen that the proportion of the gap 8 between the ceramic materials 17a is narrow, and the volume is greatly contracted by sintering.
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 oxide ceramics 7a after sintering are compared, the oxide ceramics 7a after sintering are adjacent to each other. The ratio of the gap 8 between the ceramic materials 7a is narrow. However, between the sintered oxide ceramics 7a shown in FIG. 4 (b), the proportion of the gap 8 is larger than that between the sintered oxide ceramics 17a shown in FIG. 3 (b). ing. Moreover, in the oxide ceramics 7a after sintering shown in FIG. 4B, the hardly-sinterable material 6 whose sintering shrinkage is smaller than that of the oxide ceramics partially enters between the oxide ceramics 7a and is sintered. It can be seen that the shrinkage due to squeezing is prevented, and the volumetric shrinkage of the stress relaxation material due to sintering is relaxed.
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 stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 are sintered or exposed to heat. Volume shrinkage can be reduced, and peeling of the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 can be prevented, so that the adhesion between the coating layer 5 and the substrate 1 can be more effectively improved. Can do.

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 substrate 1 are approximated. The adhesion between the substrate 1 and the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 can be further improved, and the adhesion between the coating layer 5 and the substrate 1 can be effectively improved.
Further, in the ceramic matrix composite member 10 of the present embodiment, when the hard-to-sinter material included in the stress relaxation material is SiC and the ceramic fiber and / or ceramic matrix is made of SiC, the thermal expansion coefficient of SiC And the thermal expansion coefficient of the CMC constituting the base material 1 are very close to each other, so that the adhesion between the base material 1 and the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 can be further improved. The adhesion force between the material 1 can be improved more effectively.

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SiO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SiOが形成されると、SiO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SiOがSiOとして蒸発してしまう。このため、SiO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SiO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 substrate 1 is oxidized and changed to SiO 2 in high-temperature air. Then, during or during pressurized圧大air atmospheric pressure, the SiO 2 is formed on the surface of the SiC constituting the substrate 1, SiO 2 serves as a protective layer, oxidation of the additional SiC is suppressed. However, if water vapor is contained in the atmosphere, SiO 2 constituting the protective layer evaporates as SiO. For this reason, the protective layer made of SiO 2 disappears, further oxidation of SiC proceeds, and SiO 2 is further formed and evaporated as SiO. As a result, the CMC constituting the substrate 1 is thinned. Therefore, when CMC using SiC is used in a part exposed to a high-temperature atmospheric environment containing water vapor such as a gas turbine, it is necessary to suppress the progress of SiC oxidation and to reduce CMC thinning due to water vapor. There is.

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、YbSiO、YSiO、ErSiO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SiOになる。SiCが酸化されて得られたSiOは、YbSiO、YSiO、ErSiOがそれぞれYbSi2O、YSi2O、ErSi2O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、SiO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 stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3, The SiC contained in the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 is gradually oxidized to SiO 2 by use in a high-temperature oxidation environment for a long time. SiO 2 of SiC is obtained by being oxidized by Yb 2 SiO 5, Y 2 SiO 5, Er 2 SiO 5 is changed to Yb 2 Si2O 7, Y 2 Si2O 7, Er 2 Si2O 7 respectively, rare earth silicates It is absorbed into and integrated with the rare earth silicate. Therefore, it is possible to prevent the CMC constituting the base material 1 from being thinned by evaporating SiO 2 as SiO.

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、YbSiO、YSiO、ErSiO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SiO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SiO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YbSiO、YSiO、ErSiO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 stress relaxing layer 2 and the intermediate layer 3, When SiC is oxidized to SiO 2 by use in a high-temperature oxidizing environment for a long time, the volume expands. On the other hand, the sintering shrinkage of the rare earth silicate contained in the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 gradually progresses due to the use in a high temperature oxidation environment for a long time. Therefore, the volume expansion due to the change of SiC to SiO 2 is offset by the sintering shrinkage of the rare earth silicate, contributing to the suppression of the volume shrinkage of the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 as a whole, and high-temperature oxidation for a long time. Adverse effects such as a decrease in adhesion due to volumetric shrinkage that gradually proceeds due to use in the environment can be prevented, and the life can be extended.
Moreover, the ceramic-based composite member 10 is used in a portion exposed to a high-temperature atmospheric environment containing water vapor by including a rare earth silicate such as Yb 2 SiO 5 , Y 2 SiO 5 , Er 2 SiO 5 as the stress relaxation material. Even in this case, the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 are difficult to be decomposed and have excellent heat resistance and environmental resistance.

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YbSiO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YbSiO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HfO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 matrix composite member 10 of the present embodiment, the stress relaxation material contains SiC and Yb 2 SiO 5 , so that the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 have excellent heat resistance and environmental resistance, and gas There is little deterioration in a high-temperature gas environment such as a turbine, the adhesion force can be maintained for a long time, and the life is long. Further, by including SiC and Yb 2 SiO 5 as the stress relaxation material, the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 become denser than the coating layer 5 made of HfO 2 formed by APS (air spraying in the atmosphere). . Therefore, even if high-temperature oxidation / corrosion gas such as water vapor enters through the coating layer 5, the substrate 1 can be effectively suppressed from being exposed to the high-temperature oxidation / corrosion gas. It is possible to prevent a decrease in strength.

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HfO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 matrix composite member 10 of the present embodiment, the ceramic matrix composite member 10 having excellent heat resistance and environmental resistance is obtained by forming the coating layer 5 from HfO 2 .

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 stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 is not limited to the above method, and thermal spraying, sintering, CVD, PVD, dipping of molten glass, etc., depending on the material of the stress relaxation material. Can be used in appropriate combinations.

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 matrix composite member 10 of the present embodiment, by providing a groove or the like on the coated surface 1a of the substrate 1, it is possible to improve the adhesion of the coated surface 1a of the substrate 1, A sufficiently high adhesion force between the coating layer 5 and the substrate 1 can be obtained, but a groove may be provided in the coated surface 1a of the substrate 1 to further improve the adhesion force.
In the present invention, as described above, it is preferable to provide the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 made of the stress relaxation material, but the intermediate layer 3 may not be provided.

また、コーティング層5は、HfO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LuSi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.
"Experiment 1"
A stress relaxation layer and an intermediate layer were formed on the substrate according to the flowchart shown in FIG.
That is, the coated surface 1a of the substrate 1 shown below was impregnated for 10 minutes in a slurry obtained by the raw materials and manufacturing method shown below (S1 shown in FIG. 5). In the impregnation of the base material 1, the base material 1 is embedded in the raw material powder precipitated in the dispersion medium contained in the slurry, and the container containing the slurry and the base material 1 is placed in an ultrasonic cleaner, and the base material 1 and The slurry was vibrated, the substrate 1 was impregnated with the slurry, and the pores 1b were filled with the raw material powder. Next, the excess slurry stuck to the base material 1 is removed (S2 shown in FIG. 5), the raw material powder precipitated in the dispersion medium of the slurry is scooped up and placed on the coated surface 1a of the base material 1 and applied ( S3) shown in FIG. 5 was performed. Then, it dried in air | atmosphere for 20 minutes at 100 degreeC (S4 shown in FIG. 5), and formed the membrane | film | coat on the to-be-coated surface 1a. Next, the slurry adhered to the substrate 1 is sintered in an argon atmosphere at a temperature of 1300 ° C. for about 1 hour (S5 shown in FIG. 5), so that the stress relaxation layer 2 having a thickness of 4 mm and an intermediate thickness of 0.15 mm are obtained. Layer 3 was formed.

「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、Yb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)
Yb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Yb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%、Yb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、Yb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SiOがYbと反応してYbSiO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 base material 1 in which the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 were formed was observed. As a result, the intermediate layer was fixed on the base material, and did not peel off, and no cracks were generated.

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YbSiO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YbSiO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YbSiOであり、明部がSiCであり、SiCとYbSiO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 substrate 1 on which the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 are formed. 6 (b) and 6 (c) are photomicrographs showing an enlarged part of FIG. 6 (a), and FIG. 6 (b) is a photomicrograph of the stress relaxation layer 2, FIG. 6 (c) is a photomicrograph of the vicinity of the coated surface 1 a of the substrate 1.
From FIG. 6A and FIG. 6B, the pores exposed on the coated surface 1a of the substrate 1 are filled with the stress relaxation material SiC and Yb 2 SiO 5 to form the stress relaxation layer 2. It turns out that it is set as the filling pore 1b. Further, FIG. 6A shows that an intermediate layer 3 made of SiC and Yb 2 SiO 5 as stress relaxation materials is formed on the stress relaxation layer 2. Further, in FIG. 6 (c), the dark portion of the stress relaxation material constituting the intermediate layer 3 is Yb 2 SiO 5, the bright portion is SiC, and the SiC and Yb 2 SiO 5 are uniformly dispersed I understand that.

「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HfO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 base material 1 having a stress relaxation layer 2 and an intermediate layer 3 obtained in the same manner as in Experimental Example 1 is prepared, and a coating layer having a thickness of 70 mm made of HfO 2 is formed on the intermediate layer 3 by APS (air spray). 5 was obtained, and the ceramic matrix composite member 10 shown in FIG. 1 was obtained.
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 substrate 1 had sufficient adhesion.

「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.
(Sample 1 to Sample 10)
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 coated surface 1a of the substrate 1 at the time of application is 1 mm thicker than usual. Except for the above, a substrate 1 having a stress relaxation layer 2 having a thickness of 4 mm and an intermediate layer 3 having a thickness of 1 mm was obtained in the same manner as in Experimental Example 1.
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.

Figure 0005070910
Figure 0005070910

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 base material 1 in which the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 of Sample 1 to Sample 10 thus obtained were formed, cracks and hardness were evaluated based on the following evaluation criteria, and from the results Comprehensive evaluation was performed as shown below. The results are shown in Table 1.

「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 base material 1 in which the stress relaxation layer 2 and the intermediate | middle layer 3 were formed is shown in FIGS. 8 (a) is a photograph of sample 1, FIG. 8 (b) is a photograph of sample 2, FIG. 8 (c) is a photograph of sample 3, FIG. 9 (a) is a photograph of sample 4, and FIG. 9 (b) is a photograph. 10A is a photograph of sample 6, FIG. 10B is a photograph of sample 7, FIG. 11A is a photograph of sample 8, FIG. 11B is a photograph of sample 9, and FIG. 11 (c) is a photograph of Sample 10.

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 Sample 1 to Sample 3 was x. This is considered to be because the shrinkage of sintering was large in Samples 1 to 3 because the SiC mixing amount was small.
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YbSiO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、YbSiO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 Sample 1 to Sample 7 was “◯”, and that of Sample 8 to Sample 10 was “Δ”. Since Samples 8 to 10 have a large SiC mixing amount of 70% or more, the bonding strength due to sintering of the Yb 2 SiO 5 powder was weakened, and it was considered that only a hardness that could be scraped with a nail was obtained.
However, even in the sample 10 in which the SiC mixing amount is 90%, the predetermined shape as the intermediate layer is maintained, and the bonding between the powders is not so weak that it breaks when touched. From this, it is considered that the sample 10 is also bonded to the powder by sintering the Yb 2 SiO 5 powder.

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 base material 1 was not immersed in the slurry and the raw material powder precipitated in the dispersion medium of the slurry was applied to the coated surface 1a of the base material 1 and applied, the same as in Experimental Example 1. The base material 1 in which the intermediate layer was formed was obtained.
Thus, the base material 1 of Experimental Example 4 in which the intermediate layer was formed was observed. As a result, many cracks were generated in the intermediate layer or between the substrate 1 and the intermediate layer, and there were portions where the intermediate layer was peeled off from the substrate.

「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 base material 1 made of samples A and B having different shapes is impregnated in the following impregnation slurry in the same manner as in Experimental Example 1 (S1 shown in FIG. 12). ), And excess slurry stuck to the base material 1 was dropped in the same manner as in Experimental Example 1 (S2 shown in FIG. 12). Subsequently, it was dried in the air at room temperature for 10 minutes and in the air at 100 ° C. for 20 minutes (S41 shown in FIG. 12). Next, dipping (S32 shown in FIG. 12) was performed by dipping in the dipping slurry shown below and applying the dipping slurry to the surface to be coated 1a.

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 base material 1 is installed in a state where the contact between the base material 1 and the floor surface or the wall surface is reduced as much as possible so that the dipping slurry naturally flows down from the surface of the base material 1. For 20 minutes in air at 100 ° C. for 20 minutes (S41 shown in FIG. 12). As a result, the raw material powder contained in the dipping slurry was thinly adhered to the surface of the substrate 1. Thereafter, as shown in FIG. 12, dipping S32 and drying S41 were repeated until the weight of the raw material powder in the slurry adhering to the substrate 1 reached a predetermined weight. In addition, at the time of the second and subsequent drying, the vertical direction of the base material 1 was reversed and installed in the previous drying so that the coating thickness of the dipping slurry was uniform.
Thereafter, sintering (S5 shown in FIG. 12) was performed in the same manner as in Experimental Example 1 to form a stress relaxation layer 2 having a thickness of 4 mm and an intermediate layer 3 having a thickness of 10 to 30 μm.

「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、Yb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、Yb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Yb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 base material 1 on which the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 thus obtained were observed was observed. The result is shown in FIG. FIG. 13 is a photograph of the base material on which the stress relaxation layer and intermediate layer of Experimental Example 5 were formed. 13A is a photograph of the base material of sample A, and FIG. 13B is a photograph of the base material of sample B. As shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), both the sample A and the sample B have a stress relaxation material in pores existing between the textures of the ceramic fibers exposed on the surface of the CMC constituting the substrate. It was confirmed that it was filled. In both Sample A and Sample B, the intermediate layer was fixed on the base material, and did not peel off, and no cracks were generated.

「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SiOに変化したためと考えられる。
"Oxidation resistance test"
The substrate 1 on which the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 thus obtained were formed was exposed to the atmosphere at 1300 ° C. for 100 hours, and the change in appearance was confirmed.
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LuSi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、LuSi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、SiO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 substrate 1 to form a coating layer consisting of Lu 2 Si 2 O 7, to obtain a ceramic-based composite member 10 shown in FIG. The ceramic matrix composite member 10 thus obtained was exposed to the atmosphere of 1300 ° C., a total pressure of 9.5 atm, and a water vapor partial pressure of 1.5 atm for 2000 hours, and its appearance change was confirmed.
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 stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 arranged under the coating layer 5 are used in the water vapor resistance test. Similarly to the oxidation resistance test, it is considered that part or all of SiC is oxidized and changed to SiO 2 . Therefore, even if SiC contained in the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 is oxidized by the water vapor resistance test, the coating layer 5 is not peeled off or cracked. From this, the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 do not cause excessive shrinkage or expansion that lowers the adhesion strength of the coating layer 5 by the water vapor resistance test, and the CMC and coating constituting the substrate 1. It was confirmed that no chemical reaction that would reduce the strength of the layer 5 occurred.

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 substrate 1 and the coating layer 5 can be sufficiently obtained by providing the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 of Experimental Example 5. It was.

「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"
(Sample 11 to Sample 24)
The thickness of the slurry to be placed on the coated surface 1a of the substrate 1 at the time of dipping in order to clarify the sintering shrinkage of the intermediate layer 3 using the composition shown in Table 2 consisting of the following materials as the slurry The substrate 1 on which the stress relaxation layer 2 having a thickness of 4 mm and the intermediate layer 3 having a thickness of 1 mm were formed was obtained in the same manner as in Experimental Example 1 except that the thickness was set to 1 mm thicker than usual.
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.

Figure 0005070910
Figure 0005070910

「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)
Si粉末(1):平均粒径約1μm、宇部興産株式会社製、SN-E10(商品名)
Si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)
C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

Yb粉末:平均粒径約1μm 、信越化学工業株式会社製
粉末:平均粒径約1μm 、信越化学工業株式会社製
Er粉末:平均粒径約1μm、信越化学工業株式会社製
Al粉末:平均粒径約0.3μm、住友化学株式会社製、AKP50(商品名)
SiO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 base material 1 on which the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 of Samples 11 to 24 thus obtained were formed was evaluated for hardness in the same manner as in Experimental Example 3. The results are shown in Table 2.

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 base material 1 in which the stress relaxation layer 2 and the intermediate | middle layer 3 were formed is shown in FIGS. 14 (a) is a photograph of sample 11, FIG. 14 (b) is a photograph of sample 12, FIG. 14 (c) is a photograph of sample 13, FIG. 15 (a) is a photograph of sample 14, and FIG. FIG. 15 (c) is a photograph of sample 16, FIG. 16 (a) is a photograph of sample 17, FIG. 16 (b) is a photograph of sample 18, FIG. 17 (a) is a photograph of sample 19, and FIG. 17 (b) is a photograph of sample 20, FIG. 18 (a) is a photograph of sample 21, FIG. 18 (b) is a photograph of sample 22, FIG. 19 (a) is a photograph of sample 23, and FIG. 19 (b) is a sample. It is 24 photographs.

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Si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、Si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 sample 12, sample 13, sample 15 to sample 20, and sample 22 to sample 24, and “Δ” in sample 11, sample 14, and sample 21.
In Sample 11, Sample 14, and Sample 21, whose hardness was evaluated as Δ, it was necessary to add ethanol to form a liquid slurry in a state where the raw material powder and the dispersion medium were mixed, and the liquid became liquid. Also became a paste, and the raw material powder did not precipitate. This is because the particle size of Si 3 N 4 used in sample 11 and MgO used in sample 21 is small and the specific surface area is large, so that a large amount of dispersion medium is required to wet between the particles of the raw material powder to make it liquid. It is considered that the precipitation was slow because the particle size of Si 3 N 4 and MgO was small. The BN used in the sample 14 has a particle size of 7 μm and is not small, but has a plate shape. For this reason, also in the sample 14, like the sample 11 and the sample 21, it is thought that the specific surface area was large, a large amount of dispersion medium was required, and precipitation was also slow. As a result, in Sample 11, Sample 14, and Sample 21, the slurry was in a paste form and the raw material powder was dispersed at a low concentration in the dispersion medium. Therefore, the concentration of the raw material powder in the slurry applied to the surface of the base material is low, the density of the raw material powder in the fired intermediate layer is low, the bond strength due to sintering of the raw material powder is weak, and it can be scraped with a nail It is thought that only hardness was obtained.

また、実験例6より、難焼結材として、SiCの他に、Si、AlN、BNなどの窒化物や、BC、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、YbSiO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、Al、SiO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.

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。FIG. 1 is an enlarged schematic cross-sectional view showing a part of a ceramic matrix composite member of the present invention. 図2は、本発明のセラミックス基複合部材を構成するセラミックス基複合材料(CMC)の一例を説明するための断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining an example of a ceramic matrix composite material (CMC) constituting the ceramic matrix composite member of the present invention. 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。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining volume shrinkage due to sintering of oxide ceramics constituting the intermediate layer. 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。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining volume shrinkage due to sintering of the stress relaxation material. 図5は、実験例1において応力緩和層および中間層を形成する方法を説明するためのフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart for explaining a method of forming the stress relaxation layer and the intermediate layer in Experimental Example 1. 図6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。FIG. 6 is a photomicrograph of a cross section of the substrate 1 on which the stress relaxation layer 2 and the intermediate layer 3 are formed. 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。FIG. 7 is a photograph of the ceramic matrix composite member of Experimental Example 2. 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の写真である。8A is a photograph of Sample 1, FIG. 8B is a photograph of Sample 2, and FIG. 8C is a photograph of Sample 3. 図9(a)はサンプル4の写真、図9(b)はサンプル5の写真である。9A is a photograph of sample 4, and FIG. 9B is a photograph of sample 5. 図10(a)はサンプル6の写真、図10(b)はサンプル7の写真である。10A is a photograph of Sample 6, and FIG. 10B is a photograph of Sample 7. 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。11A is a photograph of Sample 8, FIG. 11B is a photograph of Sample 9, and FIG. 11C is a photograph of Sample 10. 図12は、実験例5において応力緩和層および中間層を形成する方法を説明するためのフローチャートである。FIG. 12 is a flowchart for explaining a method of forming the stress relaxation layer and the intermediate layer in Experimental Example 5. 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。FIG. 13 is a photograph of the base material on which the stress relaxation layer and intermediate layer of Experimental Example 5 were formed. 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の写真である。14A is a photograph of the sample 11, FIG. 14B is a photograph of the sample 12, and FIG. 14C is a photograph of the sample 13. 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の写真である。15A is a photograph of the sample 14, FIG. 15B is a photograph of the sample 15, and FIG. 15C is a photograph of the sample 16. 図16(a)はサンプル17の写真、図16(b)はサンプル18の写真である。16A is a photograph of Sample 17, and FIG. 16B is a photograph of Sample 18. 図17(a)はサンプル19の写真、図17(b)はサンプル20の写真である。17A is a photograph of the sample 19, and FIG. 17B is a photograph of the sample 20. 図18(a)はサンプル18の写真、図18(b)はサンプル20の写真である。18A is a photograph of sample 18, and FIG. 18B is a photograph of sample 20. 図19(a)はサンプル21の写真、図19(b)はサンプル22の写真である。FIG. 19A is a photograph of the sample 21, and FIG. 19B is a photograph of the sample 22. 図20は、従来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。FIG. 20 is an enlarged schematic cross-sectional view showing a part of a conventional ceramic matrix composite member.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 ... Base material, 1a ... Coated surface, 1b ... Pore, 2 ... Stress relaxation layer, 3 ... Intermediate layer, 5 ... Coating layer, 8 ... Crevice, 7, 7a, 17, 17a ... Oxide ceramics, 10 ... Ceramics Matrix composite member, 20 ... Ceramic matrix composite material (CMC), 21 ... Ceramic fiber, 22 ... Ceramic matrix.

Claims (9)

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請求項1または請求項2に記載のセラミックス基複合部材。 3. The ceramic-based composite member according to claim 1, wherein a ratio of the filled pores among the pores existing in the stress relaxation layer increases as the coating layer is approached. 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ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載のセラミックス基複合部材。 The intermediate layer made of the stress relaxation material and integrated with the stress relaxation layer is provided between the stress relaxation layer and the coating layer. Ceramic based composite material. 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請求項1〜請求項4のいずれかに記載のセラミックス基複合部材。 5. The ceramic matrix composite member according to claim 1, wherein the stress relaxation material has a thermal expansion coefficient in the range of more than 3 to 6 [× 10 −6 / K]. . 前記応力緩和材料が、SiCとYbSiOとを含むことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載のセラミックス基複合部材。 The ceramic-based composite member according to claim 1, wherein the stress relaxation material includes SiC and Yb 2 SiO 5 . 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請求項1〜請求項6のいずれかに記載のセラミックス基複合部材。 The ceramic base composite member according to any one of claims 1 to 6, wherein the ceramic fiber and / or the ceramic matrix is made of SiC. 前記コーティング層が、HfOからなることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載のセラミックス基複合部材。 The ceramic base composite member according to claim 1, wherein the coating layer is made of HfO 2 . 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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