JP6496724B2 - 溶浸セラミックマトリックス複合体中のマトリックスクラックの補修方法 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、セラミックマトリックス複合体（ＣＭＣ）中のクラックを補修し、特に、繊維強化溶浸セラミックマトリックス複合体（ＭＩ−ＣＭＣ）中のマトリックスクラックを補修する方法、並びに関連する構成、部品及びアセンブリに関する。

ＳｉＣセラミック等のモノリシックセラミックが何年も前に開発されたが、耐損傷性を欠いており壊滅的に故障するので、高温構造用途に使われることは決してなかった。セラミックマトリックス複合体（ＣＭＣ）、特に繊維強化ＣＭＣが開発されて、モノリシックセラミックの耐損傷性の問題が軽減され、これによって、高温構造用途（ガスタービン機関等）にとって魅力的となった。高温構造用途にとって特に魅力的である繊維強化ＣＭＣの一タイプが、反応性の溶浸繊維強化ＣＭＣ（以降「ＭＩ−ＣＭＣ」）である。

ＭＩ−ＣＭＣにおいて、繊維及びマトリックス構成素のプリフォームに金属が浸入して、マトリックス構成素と反応すると、セラミックマトリックスが生じる。ＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ（浸入金属はケイ素又はケイ素合金であり、マトリックス構成素は、得られるマトリックスが実質的にＳｉＣ（例えばＳｉＣ及び／又はＣの微粒子）である）が、高温構造用途にとって特に魅力的である。というのも、他のＣＭＣと比較して、熱伝導率が高く、熱ショック耐性、クリープ耐性、及び耐酸化性が優れているからである。

ＭＩ−ＣＭＣの現在の一不利点として、比較的費用がかかるということがある。したがって、ＭＩ−ＣＭＣ部品は、長時間、経済的に存続可能であるような作動条件にある必要がある。例えば、ガスタービン用途において、ＭＩ−ＣＭＣ部品は、機関サービスの数インターバルを通じて持続することが期待される。不運にも、典型的な高温構造用途（例えば、ガスタービン用途）での使用中に、ＭＩ−ＣＭＣ部品は、多くの場合、部品のマトリックスクラッキングストレスを超える負荷を受ける。そのようなストレスから部品のマトリックス部分において得られるクラックが、ＭＩ−ＣＭＣ複合体の剛性及び耐酸化性を低下させるように作用して、ＭＩ−ＣＭＣ部品の早期故障の原因となる虞がある。さらに、部品又はツールの脱落等に由来する一時的な超過ストレス状態が、ＭＩ−ＣＭＣ部品の製造、輸送、及び／又は設置の間に起こる虞があり、そしてまたマトリックスクラックをもたらす虞がある。

結果として、ＭＩ−ＣＭＣ部品内のマトリックスクラックを補修して、これを使用可能な状態に戻す方法、並びに関連する構成、部品及びアセンブリの必要性が存在する。

米国特許出願公開第２０１０／０５９１６６号明細書

マトリックス部分が実質的に炭化ケイ素と、炭化ケイ素内に分散したケイ素相の領域とを含む溶浸セラミックマトリックス複合体（ＣＭＣ）部品のマトリックス部分の１以上のクラックを補修する方法が開示される。一部の実施形態では、本方法は、溶浸ＣＭＣ部品をケイ素相の融点を超える第１の温度に加熱して、マトリックス部分内に溶融ケイ素相を形成することを含む。一部の実施形態では、本方法は、溶浸ＣＭＣ部品をケイ素相の融点を超える第１の温度に加熱しながら、溶浸ＣＭＣ部品の周囲の雰囲気を制御することを含む。一部の実施形態では、本方法は、溶浸ＣＭＣ部品を、第１の温度未満である第２の温度に冷却して、１以上のクラック内に流れ込んだ溶融ケイ素相を固化して１以上のクラックの表面を接着することを含む。

本開示のこれらの、そして他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面をともにして、本開示の種々の態様の以下の詳細な説明から、明らかとなるであろう。

本開示に従う、例示的な溶浸繊維強化ＳｉＣ系セラミックマトリックス複合体の断面図である。 本開示に従う、例示的なマイクロクラックを有する、図１の例示的な溶浸繊維強化ＳｉＣ系セラミックマトリックス複合体の断面図である。 図２の例示的な溶浸繊維強化ＳｉＣ系セラミックマトリックス複合体の例示的なマイクロクラックを補修する方法を表すフローチャートである。

以下に示される各実施形態は、本開示のある態様の説明を容易にするものであり、本開示の範囲を限定すると解釈されるべきでない。さらに、本明細書及び特許請求の範囲を通して用いられる近似の文言（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｎｇ ｌａｎｇｕａｇｅ）は、その文言が関連する基本的な機能の変化をもたらすことのないように差し支えなく変わり得る、あらゆる定量的説明を変更するために適用される。したがって、「約」等の用語によって変更される値は、特定された正確な値に限定されない。場合によっては、近似の文言は、値を測定する機器の精度に対応してよい。種々の実施形態の要素を紹介する場合、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」及び「前記（ｓａｉｄ）」は、要素が１つ以上あることを意味することが意図される。用語「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む、備える、挙げられる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であり、一覧にされた要素以外の追加の要素があってよいことを意味することが意図される。本明細書中で用いられる用語「あり得る（ｍａｙ）」及び「あってよい（ｍａｙ ｂｅ）」は、一組の状況内の発生の可能性、指定された性質、特徴、もしくは機能の所有を示し、かつ／又は、条件付きの（ｑｕａｌｉｆｉｅｄ）動詞と関連する能力、機能、もしくは可能性の１つもしくは複数を表すことによって、別の動詞を条件付ける。したがって、「あり得る（ｍａｙ）」及び「あってよい（ｍａｙ ｂｅ）」の使用は、修飾された用語が、示された能力、機能、又は使用について、明らかに適切である、可能である、又は適していることを示す一方で、一部の状況において、修飾された用語は、時折、適切でない、可能でない、又は適していない場合があることを考慮に入れている。作動パラメータのあらゆる例が、開示される実施形態の他のパラメータを除外しない。特定の任意の実施形態に関して本明細書中に記載される、例示される、又はそれ以外で開示される部品、態様、特徴、構成、配置、使用等は、本明細書中で開示される他の任意の実施形態に同様に当てはめられ得る。

様々な生産方法又は製造方法が、溶浸繊維強化セラミックマトリックス複合体（ＭＩ−ＣＭＣ）の製造のために開発されてきた。あるプロセスとして、「プリプレッグプロセス」が知られており、そして別のプロセスとして、「スラリーキャスト」プロセスが知られており、例えば米国特許出願公開第２００６／０１６３７７３号明細書に開示されている。プリプレッグプロセス及びスラリーキャストプロセスの双方が、マトリックス構成素のスラリー（例えばＳｉＣ及び／又は炭素微粒子、バインダー、溶媒等）を利用するが、当該プロセスは主に、素地複合体（green composite）プリフォームが形成される方法が異なる。しかしながら、双方のプロセスにおける最終緻密化工程は、素地複合体プリフォーム中へのケイ素の溶浸工程である。

繊維及びマトリックス構成素を含有するグリーン体の複合体プリフォームが形成されると、加熱されながらケイ素金属又は合金源と接触して、マトリックス構成素と反応したときにセラミックマトリックスが生じる。溶浸ケイ素相は、グリーン体の複合体プリフォームのマトリックス構成素（例えばＳｉＣ及び／又は炭素のマトリックス構成素）を容易に濡らすので、毛管作用によってプリフォームの一部の小孔中に容易に引き入れられる。外部駆動力は典型的に、マトリックス構成素中へのケイ素の浸入に必要とされず、浸入の結果としての複合体プリフォームの寸法は典型的に変わらない（プリフォームの小孔がケイ素で満たされるからである）。ケイ素（例えば、ケイ素金属又は合金）を用いる繊維強化ＣＭＣの溶浸のための現行の従来プロセスは、ケイ素金属粉末がプリフォームの表面上に適用され、又はケイ素が溶融した状態でプリフォームに移されるバッチプロセス（多孔質カーボンウィックを用いる）を利用する。

プリプレッグプロセス及びスラリーキャストプロセスを利用して、溶浸ＳｉＣ系セラミックマトリックス複合体（ＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ）が、繊維強化炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリックス複合体となり、例えば、図１及び図２において、例示的なＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ部品１０の断面図によって示される。ＳｉＣ繊維が利用されると、得られるＣＭＣは、ＳｉＣ／ＳｉＣ ＭＩ−ＣＭＣと呼ばれ得る。一般に、ＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ部品は、ＳｉＣ及び／又は炭素マトリックス構成素中に埋め込まれた繊維（例えば、ＢＮコーティングされた炭化ケイ素繊維）を含有するプリフォーム中への、ケイ素金属又は合金の溶浸によって製造される。

図１に示されるように、先に議論されたケイ素浸入プロセス中の例えば毛管作用を介した溶融ケイ素の浸入時に、ケイ素は、マトリックス構成素の一部の小孔中に引き入れられてマトリックス構成素の炭素と反応して、ＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ部品１０を形成する。マトリックス部分１２が、繊維１４（例えば、ＳｉＣ繊維）の周囲に、実質的にＳｉＣ結晶質の構造１６を含む。マトリックス部分１２のセラミックＳｉＣ結晶質構造１６を形成することに加えて、ケイ素浸入プロセスは、マトリックス部分１２の残りの小孔の少なくとも一部を、構成素の炭素と反応しないケイ素金属又は合金で満たす。このようにして、「フリーな」、又は反応しないケイ素相１８の相互連結ポケットが、マトリックス部分１２の内部に形成される。ケイ素相が、元素態ケイ素を、ケイ素相中に溶解した他の任意の元素（ホウ素等）とともに実質的に含有するとして本明細書中で規定される。このように、一部の例示的なＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ１０のマトリックス部分１２は、実質的に、Ｓｉ−ＳｉＣマトリックス部分１２である。一部の実施形態では、マトリックス部分１２中に浸入した「自由」ケイ素相１８（すなわち、ＳｉＣを形成していないＳｉ）の量は、マトリックス部分１２の約２体積％〜約５０体積％、より好ましくはマトリックス部分１２の約５体積％〜約３５体積％、さらにより好ましくはマトリックス部分１２の約７体積％〜約２０体積％である。

一部の例示的な実施形態では、例示的なＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ部品１０が、図２に示されるように、クラック２０が少なくともマトリックス部分１２中に形成されるように、１以上の一時的な負荷又はストレスを受ける場合がある。クラック２０として、あらゆる破壊、不連続性、ボイド、亀裂、異常、分離等が挙げられ得る。例えば、製造、出荷、又は使用中に、部品１０は、一時的に、マトリックス部分１２のマトリックスクラッキングストレス（例えば、Ｓｉ−ＳｉＣマトリックス部分１２のマトリックスクラッキングストレス）を超えるレベルにまで、負荷が与えられる場合がある。このような一部の実施形態では、ＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ部品１０のマトリックス部分１２において形成されるマトリックスクラック２０は、最も広い部分の幅が最大約２０ミクロンであり、より好ましくは最大約５ミクロンであるようなマトリックスマイクロクラック２０となり得る。

マトリックスクラック２０は、合成部品１０の剛性及び耐酸化性を引き下げるように作用し得、これによって、使用中の早期故障の原因となる虞がある。例えば、マトリックスクラック２０、例えば、図２に示される例示的なＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ部品１０の例示的なマトリックスマイクロクラック２０は、クラックのない部品と比較して、ＭＩ−ＣＭＣ部品１０の比例（弾性）限界（ＰＬ）、弾性率（Ｅ）、及び極限強さの少なくとも１つを引き下げるのに有効であり得る。マトリックスクラック２０はまた、ＭＩ−ＣＭＣ部品１０のマトリックス部分１２の、又はＭＩ−ＣＭＣ部品の繊維もしくは繊維コーティングの環境分解の原因となり得、これは今度は、クラックのない部品１０と比較して、部品１０のＰＬ、Ｅ、及び極限強さの少なくとも１つを引き下げるようにさらに作用する。

図３に示されるように、ＭＩ−ＣＭＣ部品のマトリックスクラック（図２に示される例示的なＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ部品１０のマトリックスマイクロクラック２０等）を補修する例示的な方法１００が、マトリックスクラック２０が１以上の超過ストレスイベントから形成されているＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ部品１０を得る１０２ことを含んでよい。一部の実施形態では、マトリックスクラック２０を有するＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ部品１０を得ることは、使用から（例えば、ガスタービンから）そのような部品１０を取り出すことを含んでよい。マトリックスクラック２０を有するＳｉＣ系ＭＩ−ＣＭＣ部品１０が得られる１０２と、マトリックスクラック２０を補修する方法１００は、図３に示されるように、マトリックスミクロ構造部分１２の内部に含有される残りの「フリーの」ケイ素相１８の融点を超える温度に部品１０を加熱１０６することを含んでよい。一部の実施形態では、クラックのある部品１０は、約１３８０℃以上の温度に加熱１０６されてよい。一部の実施形態では、クラックのある部品１０は、約１４２０℃以上の温度に加熱１０６されてよい。一部の実施形態では、部品１０は、比較的短い時間量の間加熱１０６されて、マトリックス部分１２内の溶融Ｓｉが（マトリックスクラック２０中に流れ込んで、マトリックスクラック２０を実質的に満たす以外に）相互作用するのを、又はそうでなければ部品１０の他の構成素を「攻撃する」のを防止する。そのような一部の実施形態では、部品１０は、約５分〜約３０分間、好ましくは約１０分〜約２０分間加熱１０６してもよい。

一部の実施形態（図３に示される）において、ＭＩ−ＣＭＣ部品１０のマトリックスクラック２０を補修する例示的な方法１００が、部品１０の周囲の雰囲気を制御１０８しながら、部品１０が加熱１０６されることを含んでよい。一部の実施形態では、部品１０の周囲の雰囲気を制御１０８しながら、部品１０が加熱１０６される工程は、真空炉内で部品１０を加熱１０６することを含む。そのような一部の例示的な実施形態では、真空炉は、非酸化性雰囲気（すなわち、炉内の残留ガスは、浸入ケイ素に対して重大な悪影響を及ぼさない）中で、部品１０を加熱１０６するように構成されてよい。一部の実施形態では、炉は、不活性ガス雰囲気中で部品１０を加熱１０６するように構成されてよい。一部の実施形態では、炉は、真空中で部品１０を加熱１０６して、部品１０内にトラップ又は形成されているガスを実質的に除去するように構成されてよい。例えば、一部の実施形態では、炉は、約０．０１ｔｏｒｒ〜約２ｔｏｒｒの範囲内の、好ましくは約０．１ｔｏｒｒ〜約１ｔｏｒｒの範囲内の真空中で部品１０を加熱１０６するように構成されてよい。

一部の実施形態では、一部のＭＩ−ＣＭＣ部品１０のマトリックスクラック２０は、酸化が起こるような環境にさらされてよい。例えば、一部の実施形態では、環境条件により、シリカ又はＳｉＯ₂等の酸化物膜が、マトリックスクラック２０の表面又は表側（すなわち、マトリックスクラック２０によってさらされる、又は形成されるマトリックス部分１２の表面）の上に形成されてよい。マトリックスクラック２０の表面上の酸化物膜が、溶融ケイ素相の、マトリックスクラック２０中への流を制限し、かつ潜在的に実質的に防止するように作用し得る。部品１０のマトリックスクラック２０のそのような環境分解を説明するために、一部の実施形態では、ＭＩ−ＣＭＣ部品１０のマトリックスクラック２０を補修する例示的な方法１００は、部品１０を前処理１０４して（図３参照）、マトリックスクラック２０上に形成されたあらゆる酸化物膜を、少なくとも部分的に、実質的に除去することを含んでよい。例えば、一部の実施形態では、ＭＩ−ＣＭＣ部品１０のマトリックスマイクロクラック２０を補修する方法は、エッチング液で部品１０を前処理１０４して、マトリックスクラック２０の表面又は表側の上にある酸化物膜を実質的に除去することを含んでよい。一部の他の実施形態では、ＭＩ−ＣＭＣ部品１０のマトリックスマイクロクラック２０を補修する方法１００は、マトリックスクラック２０の表面上に形成された酸化物膜上に炭素膜を適用することによって、部品１０を前処理１０４することを含んでよい。例えば、部品１０を前処理１０４する方法は、マトリックスクラック２０の表面上に形成された酸化物膜上に、炭素質樹脂の化学蒸着（ＣＶＤ）を介して、又は炭素質樹脂の熱分解によって、炭素膜を適用することを含んでよい。一部の実施形態では、炭素膜は、炭素膜の炭素による酸化物（例えば、ＳｉＯ₂）の炭素熱還元を介して、酸化物膜又は表面層を除去するように作用し得、約０．０１ｂａｒ未満の圧力にて揮発性のガス（例えば、ＳｉＯ）を潜在的に産出する。

図３に示されるように、ＭＩ−ＣＭＣ部品１０のマトリックスクラック２０を補修する方法１００の一部の実施形態は、複合体１０の加熱１０６中に、追加のケイ素相１８を部品又は複合体１０に供給１１０することを含んでよい。一部の実施形態では、加熱１０６中に追加のケイ素相１８を複合体１０に供給１１０することは、ケイ素相１８を複合体１０の外側に適用しながら、複合体１０が加熱１０６されることを含んでよい。例えば、追加のケイ素相１８を複合体１０に供給１１０することは、複合体が加熱１０６されて補修されている複合体１０の１以上の外面と接触するようにケイ素合金を配置することを含んでよい。そのような一部の実施形態では、加熱１０６中の複合体１０の外側に適用されるケイ素相は、ケイ素−ＢＮパックであってよい。一部の実施形態では、加熱１０６中に追加のケイ素相１８を複合体に供給１１０することは、マトリックス部分１２の内部に存在するものよりも上方にある追加のケイ素相１８がマトリックスクラック２０を実質的に満たすことによって補修するようなケイ素合金１８の十分な供給を確実とすることが必要とされるならば、例えば毛管作用を介して、溶融ケイ素相１８をマトリックスクラック２０中に配置するのに有効であり得る。一部の実施形態では、加熱１０６中に追加のケイ素相１８を複合体に供給１１０することは、複合体１０のマトリックス部分１２の内部に含有される溶融ケイ素相１８が、複合体１０から蒸発することを、そして結果として、マトリックスクラック２０の表側を実質的に満たせずに接着できないことを防止するのに有効であり得る。このようにして、加熱１０６中に追加のケイ素相１８を複合体に適用１１０することは、十分な量のケイ素相１８が、マトリックスクラック２０中に移動し、これによって、マトリックスクラック２０の表面又は表側を実質的に接着する（すなわち、マトリックスクラック２０を補修する）ことを確実とし得る。

一部の実施形態では、クラックのある複合体部品１０が、マトリックス部分１２中の残留Ｓｉ相１８の融点を超えて加熱１０６されると、溶融Ｓｉ相１８（マトリックス部分１２の内部のケイ素相１８及び／又は外部から供給された追加のケイ素相１８）は、マトリックスクラック２０中に運ばれる（ｗｉｃｋ ｉｎｔｏ）。溶融Ｓｉ相１８は、毛管作用によってマトリックスクラック２０中に移動し得る。溶融Ｓｉ相１８（溶浸を介して製造中に導入された、かつ／又は加熱中に外部から適用された）は、実質的に、マトリックスクラック２０を満たし得る。例えば、マトリックスミクロ構造部分１２の溶融Ｓｉ金属相１８は、マトリックスクラック２０の容量の少なくとも約５０％、より好ましくはマトリックスクラック２０の容量の少なくとも約８０％を満たす。

図３に示されるように、一部の実施形態では、クラックのある部品１０が、マトリックス部分１２中の残留Ｓｉ相１８の融点を超えて加熱１０６されて、溶融Ｓｉ相１８がマトリックスクラック２０を実質的に満たした後に、マトリックスクラック２０を補修する方法１００は、部品１０を、溶融Ｓｉ相１８の融点未満の温度に冷却１１２して、クラックを補修することを含んでよい。部品をＳｉ相１８の融点未満に冷却１１２して直ぐに、マトリックスクラック２０の内部に存在する溶融Ｓｉ相１８は、実質的に固化して、クラックの表面又は表側（例えば、ＳｉＣ表面）を実質的に接着し得る。このように、図３に示されるＭＩ−ＣＭＣ部品１０のマトリックスクラック２０を補修する例示的な方法１００は、そのようなマトリックスクラック２０を「回復させる」のに有効であり得る。

一部の実施形態では、本明細書中で開示されるマトリックスクラック補修法（例えば、図３参照）により補修される、図２に示されるようなマトリックスクラック２０を有する例示的なＭＩ−ＣＭＣ部品１０が、マトリックスクラック２０の形成直前の、歪みを無視した部品１０と比較して、比例（弾性）限界（ＰＬ）が少なくとも約１０％以内であり、弾性率（Ｅ）が少なくとも約２０％以内であり、極限強さが少なくとも約２０％以内であり得る。

以下の実施例は、本明細書中で開示されるＭＩ−ＣＭＣ部品内のマトリックスクラックを補修する方法、並びに関連する構成、部品及びアセンブリをよく示している。

実施例１
約６インチ×６インチ×０．０８インチに測って切った、予備含浸済みＭＩ−ＣＭＣの２つのパネルを試験した。パネルの材料は、ＨｉＰｅｒＣｏｍｐ（商標）の商標名で入手可能である。パネルを、約６インチの長さ×０．５インチの幅のＭＩ−ＣＭＣ試験棒にカットした。製造されたままのＨｉＰｅｒＣｏｍｐ（商標）ＣＭＣは、材料の比例限界ストレスの測定に影響を及ぼす、マトリックス部分における残留ストレスを含むことが知られている。そのような残留ストレスを和らげるために、６つの試験棒を、（ａ）約２４００°Ｆ（約１３１５℃）の空気中で約１００時間加熱することによって、（ｂ）真空下で約２０分間、ケイ素の融点よりも高く再加熱することによって、又は双方の処理（ａ）及び（ｂ）を用いることによって、アニールした。その後、熱処理したＭＩ−ＣＭＣ試験棒を、引張り試験を介して（ＡＳＴＭ Ｃ１２７５において概説される手順を用いて）、室温で破壊試験してして、熱処理した各ＭＩ−ＣＭＣ試験棒のＰＬ、Ｅ、及び極限強さを判定した。ＰＬは、０．００５％の歪みオフセット法を用いて判定した。試験した熱処理したＭＩ−ＣＭＣ試験棒は全て、ＨｉＰｅｒＣｏｍｐ（商標）の正常変動の範囲内の名目上等しい引張り強度特性（ＰＬ、Ｅ、及び極限強さ）を有した。

４つの他の試験ＭＩ−ＣＭＣ試験棒（同じＨｉＰｅｒＣｏｍｐ（商標）パネルからとった）を、約０．１５％の面内引張り歪みにかけて、ＭＩ−ＣＭＣ試験棒のマトリックス部分内にマイクロクラックを生じさせた。クラックのある２つのＭＩ−ＣＭＣ試験棒を、上述のように、引張り破壊試験して、有効ＰＬ、Ｅ、及び極限強さを測定した。１４３５℃、約０．２ｔｏｒｒの真空レベルの真空炉内で約３０分間パネルを加熱することによって、クラックのある他の２つのＭＩ−ＣＭＣ試験棒を補修した。試験棒の表面上に配置されたケイ素−ＢＮパックによって、ケイ素相をＭＩ−ＣＭＣ試験棒に供給しながら、加熱した。補修したＭＩ−ＣＭＣ試験棒を、上述のように、引張り破壊試験し、補修済みの各ＭＩ−ＣＭＣ試験棒のＰＬ、Ｅ、及び極限強さを判定した。

３セットのＭＩ−ＣＭＣ試験棒（アニール済み、クラックあり、及び補修済み）の引張り試験の結果を、以下の表１に示す。表１に示すクラックのあるサンプルの引張り強度データは、アニールされたＭＩ−ＣＭＣ試験棒及び補修されたＭＩ−ＣＭＣ試験棒と比較して、測定した比例限界ストレスが４０％超引き下げられており、かつ初期弾性率が１２％引き下げられ、歪み曝露はマトリックスクラックを導入するのに十分であったことを示している。補修処理の後、試験ＭＩ−ＣＭＣ試験棒の比例限界は、クラックのないアニール済みＭＩ−ＣＭＣ試験棒の２％以内に戻り、初期弾性率は、クラックのないアニール済みＭＩ−ＣＭＣ試験棒の２％以内に戻った（表２に示す）。繊維支配性質であることが知られている極限強さは、クラッキング処理によって引き下げられるとは予想されなかったであろう。アニールされたＭＩ−ＣＭＣ試験棒に対する、クラックのあるＭＩ−ＣＭＣ試験棒について観察された極限強さの８％の低下は、おそらく、材料の正常変動を表している。しかしながら、表２に示すように、補修したＭＩ−ＣＭＣ試験棒の極限強さは、クラックのあるＭＩ−ＣＭＣ試験棒と実質的に同じである。極限強さが実質的に類似するのは、補修熱処理が、ＭＩ−ＣＭＣ試験棒の繊維又は繊維コーティングに対していかなる付加的分解をも引き起こさなかったことを示している。

実施例２
被覆Ｈｉ−Ｎｉｃａｌｏｎ繊維で強化した予備含浸済みＭＩ−ＣＭＣ材料のパネルを、米国特許出願公開第２００７／００９９５２７号明細書及び米国特許第６０２４８９８号明細書に記載される手順に従って製造した。このパネルから試験ＭＩ−ＣＭＣ試験棒を切り取って、実施例１に記載したものと同じ試験手順にかけた。実施例１に関して上述のように、アニール済み状態の３つのＭＩ−ＣＭＣ試験棒を引張り強度試験し、クラックあり状態の１つのＭＩ−ＣＭＣ試験棒を引張り強度試験し、補修済み状態の２つのＭＩ−ＣＭＣ試験棒を引張り強度試験した。アニール済み、クラックあり、及び補修済みのＭＩ−ＣＭＣ試験棒の引張り強度試験の結果を、以下の表２に示す。

表２に示すように、ＭＩ−ＣＭＣ試験棒のクラッキング処理は、アニール済みＭＩ−ＣＭＣ試験棒に対して、ＭＩ−ＣＭＣ試験棒の測定した比例限界の約４０％以上の低下を、そしてＭＩ−ＣＭＣ試験棒の初期弾性率の約２５％以上の低下を引き起こした。表２にも示すように、補修処理は、比例限界を、アニール済みＭＩ−ＣＭＣ試験棒の６％以内に戻した。さらに、補修済みＭＩ−ＣＭＣ試験棒の弾性率は、アニール済みＭＩ−ＣＭＣ試験棒を上回った。

予めクラックを入れる処理及び補修処理の双方が、表２に示すように、ＭＩ−ＣＭＣ試験棒の実験的に測定した極限強さのわずかな増加をもたらした。しかし、メトリクス（ｍｅｔｒｉｃｓ）の値の範囲は、ＭＩ−ＣＭＣ試験棒のこの性質について、材料の正常変動内である。クラックありのＭＩ−ＣＭＣ試験棒に対する補修処理の比例限界及び初期変動率の著しい好転（極限強さの低下はない）は、繊維又は繊維コーティングに対して重大な、又は有効な分解を引き起こすことなく、マトリックスクラックを回復させる補修処理の有効性を実証している。

先の記載は実例となること、そして限定的でないことが意図されると理解されるべきである。以下の特許請求の範囲及びその等価物によって規定される本発明の一般的な精神及び範囲を逸脱することなく、数多くの変更及び修飾が、当業者によって本明細書中でなされてよい。例えば、先に記載された実施形態（及び／又はその態様）は、互いと組合せて用いられてよい。また、特定の状況又は材料を、種々の実施形態の教示に応用するような多くの修飾が、その範囲を逸脱することなくなされてよい。本明細書中に記載される材料の寸法及びタイプは、種々の実施形態のパラメータを規定することが意図される一方で、決して限定ではなく、単に例示的なだけである。他の多くの実施形態は、先の記載を再検討すれば直ぐに、当業者にとって明らかとなろう。したがって、種々の実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲、及び特許請求の範囲が求める等価物の全範囲に関して決定されるべきである。添付の特許請求の範囲において、用語「備える、含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「そこで（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」は、それぞれの用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「そこで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」の平易な（ｐｌａｉｎ）英語の等価物として用いられる。さらに、以下の特許請求の範囲において、用語「第１の」、「第２の」、及び「第３の」等は、単に呼び名として用いられており、それらの目的語に数の要件を課すことが意図されるのではない。また、連結、接続、接合、封入等の用語と併用される用語「作動可能に」は、直接的又は間接的に連結されている別々の異なる部品に由来する接続、及び一体に形成されている（すなわち、ワンピースの、一体化した、又はモノリシックな）部品に由来する接続の双方に言及するように、本明細書中で用いられる。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズ・プラス・ファンクションの形式で記載されておらず、そして、そのような特許請求の範囲の限定が、更なる構造を欠いた機能の記述が続くフレーズ「の手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」を明示的に用いるまで、米国特許法第１１２条第６パラグラフに基づいて解釈されることが意図されない。先に記載されるような目的又は利点の全てが必ずしも、特定の任意の実施形態に従って達成され得るわけでないと理解されるべきである。ゆえに、例えば、当業者であれば、本明細書中に教示又は示唆され得る他の目的又は利点を必ずしも達成せずとも、本明細書中に教示される１つの利点又は利点の群を達成又は最適化するようにして、本明細書中に記載される系及び技術が実現又は実行され得ると認識するであろう。

本発明は、限られた数の実施形態についてのみ詳細に記載されてきたが、本発明は、そのような開示された実施形態に限定されないと容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、これまで記載されていないが、本発明の精神及び範囲に相応する、多数のあらゆる変形、改変、置換、又は等価の配置を組み込むように変更されてよい。加えて、本発明の種々の実施形態が記載されてきたが、本開示の態様が、記載された実施形態の一部しか含んでいない場合があると理解されるべきである。したがって、本発明は、前述の記載によって限定されると見られるべきでなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

本記載は、ベストモードを含む本発明を開示するために、そしてまた、当業者が、任意の装置又は系の製造及び使用、並びに任意の統合された方法の実行が挙げられる本発明を実践することを可能にするために、実施例を用いている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって規定されるが、当業者に思い浮かぶ他の例を含んでもよい。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有するならば、又は特許請求の範囲の文言との差異が実体なく、等価の構造要素を備えるならば、特許請求の範囲内にあると意図される。

Claims (19)

1. マトリックス部分が実質的に炭化ケイ素と、炭化ケイ素内に分散したケイ素相の領域とを含む溶浸セラミックマトリックス複合体（ＣＭＣ）部品のマトリックス部分の１以上のクラックを補修する方法であって、
   溶浸ＣＭＣ部品をケイ素相の融点を超える第１の温度に加熱して、溶融ケイ素相を１以上のクラック内に流れ込ませマトリックス部分内に溶融ケイ素相を形成する工程と、
   溶浸ＣＭＣ部品をケイ素相の融点を超える第１の温度に加熱しながら、溶浸ＣＭＣ部品の周囲の雰囲気を制御する工程と、
   溶浸ＣＭＣ部品を、第１の温度未満である第２の温度に冷却して、１以上のクラック内に流れ込んだ溶融ケイ素相を固化して１以上のクラックの表面を接着する工程と、
   溶浸ＣＭＣ部品をケイ素相の融点を超える温度に加熱しながら、追加の溶融ケイ素相を溶浸ＣＭＣ部品に供給する工程と
   を含む方法。
2. 溶浸ＣＭＣ部品をケイ素相の融点を超える温度に加熱しながら、追加の溶融ケイ素相を溶浸ＣＭＣ部品に供給する工程が、部品の外表面にケイ素相を配置する工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 溶浸ＣＭＣ部品をケイ素相の融点を超える第１の温度に加熱して、マトリックス部分内に溶融ケイ素相を形成する際に、溶融ケイ素相のクラック内への流れ込みが、毛管作用によって行われる、請求項１又は２に記載の方法。
4. ケイ素相が実質的に元素態ケイ素であり、他の元素がケイ素相内に溶解している、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. ホウ素がケイ素相内に溶解している、請求項４に記載の方法。
6. 部品が、マトリックス部分に炭化ケイ素繊維を含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 第１の温度が１３８０℃以上である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 溶浸ＣＭＣ部品の周囲の雰囲気を制御する工程が、部品の周囲に不活性雰囲気を供給する工程を含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 溶浸ＣＭＣ部品の周囲の雰囲気を制御する工程が、部品の周囲に真空をもたらすことを含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 真空が、０．０１ｔｏｒｒ〜２ｔｏｒｒの範囲内である、請求項９に記載の方法。
11. 真空が、０．１ｔｏｒｒ〜１ｔｏｒｒの範囲内である、請求項９に記載の方法。
12. 溶浸ＣＭＣ部品の周囲の雰囲気を制御する工程が、部品の周囲に非酸化性雰囲気を供給する工程を含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
13. 溶浸ＣＭＣ部品を第１の温度に加熱する前に、溶浸ＣＭＣ部品を前処理して、１以上のクラック上に形成された酸化物膜を実質的に除去する工程を含む、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 溶浸ＣＭＣ部品を前処理する工程は、酸化物膜を実質的に除去するためにエッチング液を利用する工程を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 溶浸ＣＭＣ部品を前処理する工程が、炭素質樹脂の化学蒸着（ＣＶＤ）及び熱分解の少なくとも１つを介して、酸化物膜上に炭素膜を形成する工程を含む、請求項１３に記載の方法。
16. 炭素膜を利用して、炭素熱還元を介して酸化物膜を実質的に除去する工程を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 溶浸ＣＭＣ部品をケイ素相の融点を超える第１の温度に加熱して、溶融ケイ素相をマトリックス部分内に形成する工程が、溶浸ＣＭＣ部品の温度を５分〜３０分間ケイ素相の融点よりも高く維持する工程を含む、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 溶浸ＣＭＣ部品をケイ素相の融点を超える第１の温度に加熱して、溶融ケイ素相をマトリックス部分内に形成する工程が、溶浸ＣＭＣ部品の温度を１０分〜２０分間ケイ素相の融点よりも高く維持する工程を含む、請求項１７に記載の方法。
19. ７体積％〜２０体積％のケイ素相が、炭化ケイ素マトリックス内に分散している、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の方法。