JPH01224286A - セラミックス複合材料 - Google Patents

セラミックス複合材料

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JPH01224286A
JPH01224286A JP63133037A JP13303788A JPH01224286A JP H01224286 A JPH01224286 A JP H01224286A JP 63133037 A JP63133037 A JP 63133037A JP 13303788 A JP13303788 A JP 13303788A JP H01224286 A JPH01224286 A JP H01224286A
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boride
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスタービンエンジン部品等の高温性能が要
求される製品に適用でき、かつ耐酸化性が向上した炭化
珪素質のセラミックス複合材料に関するものである。
〔従来の技術〕
炭化珪素は高温で優れた機械的および化学的性質を示す
ため、高温機械部品への応用が試みられており、例えば
、炭化珪素焼結体は、1500°C以上の温度でも強度
低下を示さず、ガスタービンエンジン用材料として有望
視されている。
しかしながら、その最大の欠点は破壊靭性値(K r 
c値)が低いことであり、タービンロータを始めとする
部品に炭化珪素焼結体を応用した場合、運転中に飛来す
る異物の衝突により、部品の破損が容易に生じた。
この炭化珪素質材料の破壊靭性を改善するため、他の物
質の粒子を炭化珪素質材料に分散させることが試みられ
ている。その一つの試みとして、炭化珪素質材料に二硼
化チタン(TiB、)を分散させることがある(特開昭
57−27975号。
Aa+、Ceram、Soc、Bull、、vol、 
66 、 Na 2 、 1987 。
P322〜P324及びP325〜P329)。
あるいは炭化珪素質材料に二硼化ジルコニウム(ZrB
2)を分散させる試みもある(窯業協会誌、第93巻、
1985年、P123〜P129)。
このT iBZ 、Z r Bz等の金属硼化物粒子を
分散させた炭化珪素質材料は、高い破壊靭性を示すもの
の、高温、特に1200°Cを越える温度での耐酸化性
が低下してしまう。これは、炭化珪素質材料中に分散し
た金属硼化物が次の反応式(TiB2を例示する。)に
示すように、酸化されやす(、表面に凹凸が生じ、凹面
内部は時間と共にさらに酸化が進み、大きな欠陥となる
ためである。
T i Bz +O□−> T i Oz +BzO3
S i C+ −0□ −一→SiO,+COS iO
,+B、O:l  −一→ B2O3−3i Ot  (g’l a s s )こ
の酸化腐食の度合は、金属硼化物の含有量が多いほど顕
著である。例えば、10体積%のTiB2を含むSiC
質材料は1400°Cを越える温度で、20体積%のT
iBzを含むS i C質材料は1300°Cを越える
温度で、また、30体積%のT i B zを含むSi
C質材料は1200°Cを越える温度で酸化腐食が激し
くなる。
本発明者らは、上記の金属硼化物を分散させた炭化珪素
質材料の耐酸化性を改善することを種々検討し、材料表
面に金属硼化物がない状態にして金属暗化物と酸素との
反応が起こるのを防ぐようにすればよいと考えた。その
ため、炭化珪素質材料の表面を耐酸化性に優れた被覆層
を形成することによって耐酸化性の向上を図った。
炭化珪素質材料の表面に被覆層を形成する方法として気
相反応法あるいは有機珪素化合物の焼成による炭化珪素
被膜を形成させようとする発明がある(特公昭61−2
8626号)。
しかしながらこの発明は、炭化珪素焼結体表面に生じた
焼結時の治具の食い込み、機械加工による傷等の欠陥を
被覆によって無くし、機械強度を再現よく向上させるこ
とを目的としており、酸化防止を目的としたものではな
く、このため、被覆層を形成した材料は本質的に炭化珪
素焼結体と何等変わりがないため、破壊靭性値は極めて
低い。
本発明者らは、さらに検討を進めて、本発明を完成させ
たのである。
〔発明の目的〕
本発明は、高靭性、高温強度のみならず、耐酸化性をも
具備し、酸化雰囲気中で長時間保持しても強度低下を示
さない炭化珪素質のセラミックス複合材料を提供するこ
とを目的とする。
〔発明の構成〕
本発明のセラミックス複合材料は、金属硼化物を含有す
る炭化珪素質材料と、該材料の表面に形成されてなり、
金属硼化物を含有しない炭化珪素または窒化珪素のうち
の少なくとも1種からなる被覆層とからなることを特徴
とするものである。
〔発明の効果〕
本発明にかかるセラミックス複合材料は、靭性および強
度、特に高温強度に優れており、しかも耐酸化性にも優
れている。
この優れた効果を奏するのは、次の理由による。
母材である炭化珪素質材料は、その中に金属硼化物が分
散しているので、本来的に高靭性で、しかも高温強度に
も優れる。さらに、金属硼化物が分散していることによ
り炭化珪素材料が酸化されやすいという欠点を、その表
面に被覆されてなる炭化珪素または窒化珪素のうちの少
なくとも1種からなる層が排除している。すなわち、こ
の被覆層が高温酸化雰囲気においてもその表面部がわず
かにSiO□に変化するのみで、酸素を金属硼化物が分
散している炭化珪素材料の内部まで拡散させない。
このように、本発明のセラミックス複合材料は、高靭性
および高温強度を保持しながら耐酸化性を向上している
従って、本発明にかかるセラミックス材料は、酸化雰囲
気で使用する高温機械部品に好適である。
例えば、自動車用ガスタービン部品、発電用ガスタービ
ンの翼、排熱回収用ファン、高温試験機の治具等が挙げ
られる。
〔発明の実施態様〕
以下、本発明の実施態様を説明する。
母材となる炭化珪素質材料は、炭化珪素(SiC)中に
金属硼化物が分散したものである。
上記金属硼化物の形態としては、粒子状でも繊維状でも
よい、また、金属硼化物としては、硼化チタン、硼化ジ
ルコニウム、硼化ハフニウム、硼化バナジウム、硼化ニ
オブ、硼化タンタル、硼化クロム、硼化ニッケル、硼化
鉄、硼化タングステン、硼化モリブデン、硼化マンガン
等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を用
いる。なお、2種以上の場合、それらの固溶体でもよい
上記金属硼化物の金属としては周期律表の第1Va〜V
la族元素が望ましい。また、上記金属硼化物の中でも
TiBz 、ZrBz 、Hf B2 、VBz、Nb
B、 、TaBz 、CrBz 、MoBz、WB。
等の二硼化物、あるいはMO2Bs 、Wz Bsが望
ましく、その中でもTiBz 、ZrB、 、HfB2
の3種類のものおよびそれらの間の固溶体は熱伝導率が
比較的高いために特に望ましい。
この母材中の金属硼化物と炭化珪素との体積比は、金属
硼化物:炭化珪素=5:95〜50:50の範囲内が望
ましい。この範囲よりも金属硼化物の量が少ないと、通
常の炭化珪素焼結体に比べて破壊靭性値の改善効果が小
さく、この範囲より多いと、焼結体の熱膨張率が被覆し
た炭化珪素に比べ大きくなりすぎ、被覆層の剥離が生じ
るおそれがある。
また、金属硼化物が粒子の場合、その粒径としては、複
合材料の強度を害さないよう20μm以下が望ましい。
また、上記母材である炭化珪素質材料の表面に形成する
被覆層は、炭化珪素または窒化珪素のうちの少なくとも
1種である。セラミンクス複合材料が1300°C以上
の高温で保持されても、この被覆層が、母材の金属硼化
物の分散した炭化珪素質材料を酸化させることを防止す
る。
すなわち、1300°C以上の高温下、大気中で長時間
曝しても、被覆層のごく表層部のみがSiO□となるの
みで、酸素は母材である金属硼化物を含む炭化珪素質材
料まで拡散しない。従って、例えば、大気中1300°
Cで100時間加熱しても重量変化はなく、強度低下を
ほとんど示さない。
この炭化珪素または窒化珪素のうちの少なくとも1種か
らなる被覆層は、高温下での使用時に酸素と反応し、そ
の表面はシリカ(Styx)膜で覆われる。この表面か
らのS i Ozの生成は、使用温度が高く、時間が長
くなるほど内部へと進行するので、被覆層は厚いほど望
ましい0例えば、本発明にかかる炭化珪素質材料をガス
タービンエンジン部品として用いた場合、ガスタービン
エンジン入口温度と言われる1400°C1大気中10
0〜1000hr保持した状態でS iOtの生成はほ
ぼ5μmまでに達する。従って、この場合には、被覆層
は5μm以上とするのが望ましい。
該被覆層は、炭化珪素または窒化珪素のうちの少なくと
も1種のみで構成されていてもよいが、核層中に炭化珪
素または窒化珪素のウィスカーまたは粒子のうちの少な
くとも1種を配合してもよい。この場合、被覆層自体の
靭性も向上し、母材の優れた靭性とあいまって非常に優
れた靭性を有することになる。これは、材料にクランク
が発生しても、材料内部に分散している金属硼化物と被
覆中に含有する上記ウィスカー等とがクラックを分岐あ
るいは屈折させるためである(実施例1参照)、この炭
化珪素または窒化珪素のウィスカーまたは粒子のうちの
少なくとも1種を配合する場合の配合量としては、被覆
層に対して50体積%までの範囲内が望ましい。これよ
り多く配合すると、被覆層は多孔質になりやすく、強度
および耐酸化性が低下する。
本発明のセラミンクス複合材料は、金属硼化物が分散し
てなる炭化珪素質材料の表面に炭化珪素または窒化珪素
のうちの少なくとも1種からなる被覆層が形成してなる
ものである。
なお、本発明における炭化珪素、窒化珪素の結晶形態は
、α、β等いかなるものでもよい。
本発明のセラミックス複合材料の製造方法としては、母
材となる炭化珪素質材料を形成した後、該材料の表面に
上記被覆層を形成する方法がある。
母材となる、金属硼化物が分散してなる炭化珪素質材料
を形成する方法としては、原料である炭化珪素粉末と金
属硼化物とを焼結助剤と共に機械的に混合し、成形、焼
結する方法があるが、上記原料として金属硼化物ではな
く、そのさらに原料である金属酸化物、金属炭化物、金
属窒化物のうちの少なくとも1種と硼素含有物質とを使
用するのが望ましい。この場合、焼結に至る途中で金属
酸化物、金属炭化物、金属窒化物の少なくとも1種と硼
素含有物質とが反応して金属硼化物が生成し、該金属硼
化物が炭化珪素中に分散・析出する。
また、この場合には、形成された母材である炭化珪素質
材料の靭性が高く、しかも高温での強度が低下しない。
また、金属硼化物を生成した後の余剰の硼素含有物質が
焼結助剤として作用して母相である炭化珪素を緻密化さ
せる。焼結助剤としては、硼素含有物質、炭素または熱
分解後に炭素となる有機物質、A2、A−e4 Cs 
、Aj!N等のアルミニウム含有物質等が挙げられる。
特に、アルミニウム含有物質は、焼結温度を下げる効果
がある。なお、焼結をホットプレスで行う場合には、焼
結助剤としての炭素は必要としない。
また、金属酸化物を用いる場合には、該金属酸化物を還
元するために炭素を必要とする場合がある。この場合に
は、炭素または熱分解後に炭素となる有機物質を添加し
ておくのがよい。
金属炭化物、金属酸化物、金属窒化物のうちの少なくと
も1種と、硼素含有物質と、必要に応じて炭素とを用い
て金属硼化物を生成する反応は、例えば次のような例が
挙げられる。
T I Bg + 2 Co1 T i N +2 B −〉T t B z +   
 N z ↑一→T iB z + CO↑ Ti C+B、Oユ+20−〉 TiBz+3COT ZrOz  +28N+2C−−→ ZrB、十N、↑+2CO↑ 一シT i 6.s Z r O,S Bi +CO↑
HfC+2B −一→ HfB、+C VB、+ −Co1 一−→ NbB2 +CO↑ Cr B2  + −Co↑ これらの反応が生じる温度は、反応により異なるが、い
ずれも真空中または非酸化性雰囲気中で生じる。従って
、炭化珪素と、金属炭化物、金属酸化物、金属窒化物の
少な(とも1種と、硼素含有物質と必要に応じて炭素と
の混合物を、金型成形、静水圧成形、押出成形、射出成
形、湿式プレス成形、スリップキャスティング、ドクタ
ーブレードなどの成形法で望みの形状にした後、真空ま
たは非酸化性雰囲気中1900〜2300°Cで焼結す
る。ホットプレスの場合は1800〜2300°Cで加
圧焼結する。また、ポス1−HXP法あるいは直接HI
P法を利用することもできる。
このようにして得た炭化珪素質材料はそのまま、あるい
は必要に応じて機械加工、放電加工等により望みの形状
にするか、あるいはショツトブラスト、バレル研磨等に
より材料表面の凹凸を小さくした後、表面に炭化珪素ま
たは窒化珪素のうちの少なくとも1種の被覆層を形成さ
せる。
被覆層の形成方法としては、化学的気相蒸着(CVD)
法、あるいは有機珪素高分子熱分解法等がある。このC
VD法と有機珪素高分子熱分解法を以下に説明する。
(A)CVD法 炭化珪素の被覆層を形成する場合、前記の金属硼化物を
含む炭化珪素材料を反応炉内に置き、これに反応ガスと
しての5iCfa、5iHCf3またはS iHa等か
らなるSi源ガスと炭化水素等からなるC源ガスとを共
に流すか、あるいはSi源であると共にC源でもあるC
 H:I S i Cf3または(CH3)4Si等の
ガスを流し、必要に応じてN2や不活性ガスをカロえ、
1000〜1500°Cの温度で炭化珪素質材料を加熱
することにより、炭化珪素質材料の表面にSiC被覆層
を形成せしめる。被覆層を構成する原子比はS i /
 C=1に近いほど望ましく、Cが過剰な場合にも、S
iが過剰な場合にも、共に耐酸化性が低下する。
′また、プラズマCVD法によって600〜800°C
の低温で、上記反応ガスを用いてSiC層を形成せしめ
ることもできるが、この層はアモルファス状であり、し
かも塩素等を含んでいることが多く、1200°C以上
の高温で使用した場合に、層からガスが発生したり、層
が結晶化してβ−3iCとなる際に層に割れや剥離を生
じることがあるので、前述の1000〜1500°Cで
行う熱CVDがより望ましい。
また、窒化珪素の被覆層を形成する場合、前記しSi源
ガスとNH3またはN2等のN′aガスとを用い、上記
炭化珪素質材料を1000〜1500°Cに加熱するこ
とにより、材料表面に窒化珪素被覆層を形成せしめる。
なお、SiC被覆層中に炭化珪素または窒化珪素のウィ
スカーまたは粒子のうちの少なくとも1種(以下、フィ
ラーと称する)を配合する場合には、金属硼化物を含む
炭化珪素質材料の表面に予めフィラーを付着させておき
、その後CVD法により被覆層を形成する。炭化珪素質
材料表面にフィラーを付着させる方法としては、フィラ
ーが必要に応じてバインダーや界面活性剤が溶解した水
または有機溶媒に分散したスラリーに炭化珪素質材料を
浸漬した後取り出して乾燥させてもよいし、また、フィ
ラーに有機化合物、あるいはさらに有機溶媒を添加し、
射出成形、塗布、吹き付は等により付着せしめた後、加
熱により上記有機化合物、有機溶媒を熱分解・除去して
もよい。
CB)有機珪素高分子熱分解法 金属硼化物を含む炭化珪素質材料の表面にポリメチルカ
ルボシラン、ポリシラスチレン等のポリカルボシラン類
あるいはポリシラザン等の有機珪素高分子を溶解した有
機溶媒を塗布し乾燥後、真空中、あるいはAr、Nz等
非酸化性雰囲気中において600〜1500°Cの温度
で熱分解により、表面に被覆層を生じせしめる。
なお、被覆層中にフィラーを配合する場合には、炭化珪
素質材料の表面にフィラーを付着せしめて、該フィラー
に上記有機珪素高分子を溶解した有機溶媒を含浸させて
もよく、あるいは上記有機珪素高分子を溶解した有機溶
媒に予めフィラーを分散させておき、これを炭化珪素質
材料表面に塗布してもよい。
〔実施例〕
以下、本発明の詳細な説明する。
実施例1 SiC(α型、粉末の平均粒径0.4μm)にTi0z
(ルチル型、0.4 am) 、T ’r C(1,5
am) 、B、C(1,5μm) 、C(カーボンブラ
・ツク、0.02μm)を添加し、混合、成形した後、
Ar中2150°Cで常圧焼結することにより得られた
、S i C: T i B z = 80 : 20
 (体積比)のT i B z析出強化炭化珪素質材料
から3×4×40mo+のJIS規格抗折試験片を製作
し、次に示すような表面処理を行った。
(試料Nα1)上記炭化珪素質材料からなる試験片表面
を研磨した後、キャリアガスとしてN2ガスを毎分5c
c、CH3S i C13を毎分20g供給しながら1
400 ’Cの温度に加熱し、焼結体試料の表面に厚さ
約20μmのβ−3iC層を形成した。
(試料量2)上記試験片を、SiCウィスカーを分散さ
せたポリビニルアルコール(PVA)溶iに浸漬した後
、窒素中400℃で脱脂することにより、試験片表面に
SiCウィスカーを付着させた。この試験片を試料量1
と同様に処理して、その表面にSiCウィスカーを含む
厚さ約30μmのβ−3iC被覆層を形成した。
(試料Nα3)上記試験片を研磨した後、キシレンに溶
解したポリメチルカルボシランを塗布し、乾燥した後、
Ar雰囲気中1200°Cで加熱し、熱分解を行った。
熱分解後にはβ−3iCの被覆の形成が確認されたが、
一部に層の剥離もあった。
この試料に対し、〔ポリメチルカルボシラン塗布→乾燥
→熱分解〕をさらに3回、計4回繰り返したところ、厚
さ20〜50μmのβ−5iC層が形成された。
(試料量4)試料量2と同様の方法で表面にSiCウィ
スカーを付着せしめた上記試験片を、キシレンに溶解し
たポリメチルカルボシラン中に浸し、この容器全体を真
空排気することによりポリメチルカルボシランを試料表
面に含浸した。この試験片に、試料量3と同様にして、
〔ポリメチルカルボシラン含浸→乾燥→Ar中1200
°Cで熱分解〕の処理を4回繰り返して、SiCウィス
カーを含む厚さ30〜70μmのβ−3iC被覆層を試
験片表面に形成した。
(試料N115)試験片の表面を研磨した後、SiC粒
子(α型、平均粒径0.65μm)を分散させた、ポリ
カルボシラン−キシレン溶液を塗布し、乾燥した後、A
r雰囲気中1200“Cで熱分解した。
〔塗布→乾燥→熱分解〕の処理を計3回繰り返すことに
より、SiC粒子を約30体積%含む厚さ20〜60μ
mのSiC被覆層を試験片表面に形成した。
(試料Nt16)試験片の表面を研磨した後、キャリア
ガスとして水素を毎分5cc、5iCI!4を毎分15
g、およびNH,を毎分5Qcc供給しながら1350
℃に加熱し、試験片の表面に厚さ約15μmのα−3i
、N、被覆層を形成した。
(比較試料N11C1、C2)上記試験片にSiC被覆
処理を施さない試料を比較試料N+1LC1とした。
また、金属硼化物が分散していない密度3.tg/C−
のSiC常圧焼結体に試料N11lと同様の方法にてS
iC被覆処理を行い、表面に厚さ20μmのβ−3iC
被覆層を形成した試料を比較試料NQC2とした。
(評価)上記8種類の試料について、IM(インデンテ
ーション・マイクロッラフチャー)法により靭性値(K
1c値)を測定し、さらに大気中1300°CX100
hrの酸化処理後の強度および酸化による重量変化を測
定した。なお、強度はJIS規格R1601に準拠した
4点曲げ試験により評価した。その結果を第1表に示す
第1表より明らかなように、本実施例の試料は、比較例
(C1)の試料に比べて、酸化による重量増加が少なく
、酸化されにく(、酸化後の強度低下が実質的にないこ
とがわかる。また、比較例筒   1   表 (C2)の試料に比べてK IC値が高いことがわかる
。従って、優れた耐酸化性と高靭性を合わせ持つ材料で
あることがわかる。
実施例2 SiC(β型、0.3μm)に対し、それぞれ第2表に
示すような原料粉末を添加し、混合、成形した後、Ar
雰囲気中2100°Cでホットプレスすることにより、
種々の金属硼化物を含む炭化珪素質焼結体を得た。いず
れの焼結体もSiC:金属硼化物=80:20(体積比
)となるように設定した。これらの焼結体の表面を研磨
し、実施例1の試料Nα2と同様な方法で、焼結体表面
にStCウィスカーを含む厚さ約20〜40μmのβ−
3iC被覆層を形成した。
また、比較のため、上記の金属硼化物を含む炭化珪素質
焼結体に被覆処理をせずに比較試料とした。
上記試料について、実施例1と同様にして、Kば値、4
点曲げ強度、および酸化処理による重量変化を測定した
。その結果を第2表に示す。
第2表より明らかなように、本実施例の試料は、比較例
の試料に比べて、酸化による重量増加が少なく、酸化さ
れにくく、酸化後の強度低下が実質的にないことがわか
る。また、KIC値、4点曲げ強度とも大きく、高靭性
、高強度(特に高い高温強度)であることがわかる。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)金属硼化物を含有する炭化珪素質材料と、該材料
    の表面に形成されてなり、金属硼化物を含有しない炭化
    珪素または窒化珪素のうちの少なくとも1種からなる被
    覆層とからなることを特徴とするセラミックス複合材料
  2. (2)上記被覆層は、炭化珪素または窒化珪素のウィス
    カーまたは粒子のうちの少なくとも1種を含有してなる
    特許請求の範囲第(1)項記載のセラミックス複合材料
JP63133037A 1987-09-17 1988-05-31 セラミックス複合材料 Expired - Lifetime JP2660346B2 (ja)

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JP63133037A JP2660346B2 (ja) 1987-09-17 1988-05-31 セラミックス複合材料

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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