JPH0288731A - 繊維強化金属マトリックス材料の製造方法及び複合構造体 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ 本発明は高い温度で使用するための複合構造体に関する
。さらに具体的には比較的低密度の材料から作られ、し
かも高温における高強度とともに改善されたヤング率を
有する複合構造体に関する。

低温で良好な剛性を有するとともに高温で高強度および
その他の両立する物理的性質を有するような物質および
構造体に関心が増している。かかる構造体がジェットエ
ンジンの部分として用いられる場合、構造体の低密度あ
るいは低重量に付随した効果もある。高温で強度を保持
すると考えられるより軽い重さの高強度の材料および構
造体は確認するのが難かしく、しかも定式化しあるいは
構成するのはさらに困難である。しかし、そのような構
造体は非常に価値があり、しかもジェットエンジンの構
成要素としての高い価値の故に、材料および製品のコス
トはそれらが使用温度で示す特性に比べて二次的である
と考えられる。

アルミ化チタンｎ３Ａｌ！およびその他のチタン基合金
は好ましい強度対重量比を有する潜在的に高温高強度材
料として認められている。炭化ケイ素繊維またはフィラ
メントは非常に高い長手方向強度特性を有していること
が認められており、アルミ化チタンおよびその他のチタ
ン基合金の本体に対して強化部材として炭化ケイ素繊維
を用いた構造体を製造することが提案されている。Ｔ＋
ａ＃マトリックス複合体は巻装ロータケーシングおよび
その他の中間温度の高応力用途に用いることができると
予想される。

現在、Ｔｉ２Ｎｉ複合体は、ＴｔａＡｌｌインゴットを
圧延して約０．０１０インチの厚さのシートとし、Ｔ＋
ａ＃シートとＳＬＣ繊維の配列を交互に重ねて積層板を
形成することによって製造される。このようにして形成
した積層板はホットプレスあるいは高温静水圧圧縮（Ｈ
Ｉ　Ｐ）によって合体する。この従来技術の方法はその
ような複合体の製造のための高生産性製造方法として用
いるには不適切であり高価であると考えられる。

本発明によれば新規の独特の構造体がＲＦプラズマ溶射
装置を用いてチタン基合金およびチタン・アルミニウム
金属間化合物をプラズマ溶射堆積させることにより製造
される。

チタンおよびチタン合金ならびに金属間化合物のプラズ
マ溶射堆積物の製造には一般のスーパアロイのごとき多
くの高温高強度材料とは異なる一連の工程上の問題があ
る。ニッケル基、コバルト基あるいは鉄基のスーパーア
ロイのごときスーパーアロイは、粉末の表面上にかなり
の酸素の堆積を生じることなく一４００メツシュ（約３
７μｍ）以下の比較的小さな粒子に細分化できる。

４０Ｇメツシュ未満の粒度を有する粉末のニッケル基ス
ーパーアロイは典型的には約２００〜４００　ｐｐｍの
酸素を含有する。対照的に、類似の粒度を有する粉末チ
タン合金は典型的に１０倍高い酸素濃度を有する。−４
００メツシユの粉末チタン合金は約２０００〜４０００
ｐｐｍの酸素を有する。

さらに、−４００メツシユ未満の粒度のチタン合金粉末
は潜在的に自然発火性であり、特別な取り扱いをして自
然発火を防止する必要があると認められる。

チタン合金の低温延性は含有する窒素および酸素の濃度
が増加するとともに減少することもまた認められる。従
って、チタン基合金の酸素および窒素含有量を最小に維
持することが重要である。

従来のプラズマ溶射技術は主に直流プラズマガンの利用
に基づいている。ニッケル基、コバルト基および鉄基ス
ーパーアロイのようなスーパーアロイの多くの堆積した
ままの状態のプラズマ溶射堆積物は比較的低い延性を有
していること、およびそのような堆積したままの堆積物
は、シートの形状においては十分に鋭角まで曲げたとき
低い延性の故に割れることがあることが認められている
。

本発明者はＲＦ（無線周波）プラズマ溶射装置で一般の
直流プラズマ溶射装置よりもかなり大きい粒度の粉末を
溶射することができることを発見した。一般に直流プラ
ズマ溶射装置で用いられるものよりも直径が少くとも３
倍大きい粒子をプラズマ溶射粒子として首尾よく用いる
ことができ、その粒度は１００μｍ乃至２５０μｍ以上
で、従来の直流プラズマ溶射作業で用いていた一４００
メツシュの粒子の１０倍にもできることを発見した。

この大きい粉末粒子を採用できることは、表面において
窒素および酸素のようなガスを吸収しかつ該ガスと反応
し易いチタンのごとき金属粉末にとってはきわめて重要
である。１つの理由は、粒子の質量に対する表面積が直
径に反比例して減少するからである。従って、粒子の直
径が３倍に増加することは粒子の表面積が３分の１に減
少すると解釈される。本発明者は一つの結果としてチタ
ン基合金のＲＦプラズマ溶射堆積構造体をより大きい粒
子を用いて作ることができ、従ってその構造体が従来技
術の実例の知識に基づいて予期され得る含有量よりも低
い酸素含有量を有することを発見した。

本明細書で用いる用語「チタン基台金」とは、各種の合
金成分を重量部たとえば重量％で規定したときチタンが
重量部で組成物の少なくとも半分である合金組成物を意
味する。

チタン・アルミニウム金属間化合物はチタンとアルミニ
ウムが単純な原子数比で存在し、チタンとアルミニウム
が組成物中にＴＩ３／Ｖの場合は３：１、Ｔ＋Ｎｌの場
合は１：１およびＴｉＮ２の場合は１：３の単純な数比
に相当する結晶形で分布しているチタン基合金組成物で
ある。

［発明の詳細な説明］ 従って、本発明の１つの目的は低重量、高強度および高
モジュラスの繊維強化チタン基金属のストリップあるい
はシート構造体を提供することである。

別の目的は炭化ケイ素繊維で強化したアルミ化チタン金
属構造体を製造する方法を提供することである。

別の目的は高温強化チタン基金属マトリックス構造体を
製造する方法を提供することである。

別の目的は少なくとも一つの小さい寸法（デイメンジョ
ン）を有し、高温高強度繊維で強化した新規なチタン基
金属構造体を提供することである。

さらに別の目的は非常に望ましい特性を有する炭化ケイ
素強化アルミ化チタン構造体を製造することができる方
法を提供することである。

本発明の別の目的は炭化ケイ素強化チタン合金構造体を
比較的低コストで再現性をもって望ましい特性が得られ
るように製造することができる方法を提供することであ
る。

本発明のその他の目的および効果は以下の説明から明ら
かになろう。

本発明の一態様によれば、上記目的を達成するための方
法として、比較的大きい粒度のチタン基合金粉末を作成
し、ＲＦプラズマガンを設け、炭化ケイ素繊維の配列を
受け面上に置き、チタン基合金層を繊維および受け面上
に低圧プラズマ堆積によりプラズマ溶射堆積させて金属
含浸炭化ケイ素繊維シートを形成する各工程を有する。

次に、このように形成した多数のシートを組み合せて、
ホットプレスあるいはＨＩＰ法によりこれらのシートを
合体することができる。

アルミ化チタンＴｉａＡＪを堆積させる方法には比較的
高エネルギーのＲＦプラズマガンを用いるのが好ましい
。

チタン基合金中に炭化ケイ素繊維を配した複合体は、炭
化ケイ素繊維をドラム表面にゆっくりと巻き、アルミ化
チタンを、ドラム表面に繊維を巻きつつ、ドラム表面上
にプラズマ溶射堆積することによって製造することもで
きる。この工程の後に堆積物を熱間ＨＩＰ法あるいはホ
ットプレス法により圧密化してもよい。

本発明の詳細は添付の図面を参照した以下の説明から一
層明瞭に理解されよう。

［発明の詳細な説明］ 第１図は低圧ＲＦ（無線周波）プラズマ溶射装置１０を
示し、これは２個の取外し可能なエンドキャップ１４お
よび１６を有するタンク１２並びに図示の関連する装置
からできている。タンクはたとえば約５フイートの長さ
および約５フイートの直径を有する。

タンク１２の頂部の中にＲＦプラズマガン３０を導入す
るために、タンク壁に孔をあけてカラー１８をシーム２
０にそってタンク頂部に溶接することにより開口が形成
される。

この開口を介してタンク中に導入されるＲＦプラズマガ
ンは逆さの帽子の形状の容器２６の中に配置される。容
器２６は側壁２２および底壁２４を有し、またカラー１
８上に載置されて適業で周知の技術で密封シールを形成
するリム２８を有する。

プラズマガン３０自身は第２図を参照して後で詳細に説
明する。プラズマガンは逆さの帽子状容器２６の底壁２
４に取り付けられ、キャリヤーガス中に取り込んだ粉末
およびガス並びに電力が供給される。

ＲＦ電源３２がプラズマガン３０に接続手段３４および
３６を介して電力を供給する。その作用の詳細は第２図
を参照して後で説明する。

プラズマガン３０の内部へガス供給装置４０から供給管
３８を介してガスが供給される。ガス供給装置３８は後
述の実施例に関連して用いたＴＡＦＡ６６型プラズマガ
ンのような一般に入手可能なプラズマガンで必要とされ
る混合ガスあるいは水素ガスあるいはヘリウムガスある
いはアルゴンガスを供給する装置を表わす。使用する具
体的なガスはプラズマ溶射しようとする材料に依存し、
用いるべき具体的なガスは当該分野において周知である
。

キャリヤーガス中に取り込んだ粉末が粉末供給装置４２
から供給管４４を通ってプラズマガンに供給される。タ
ンク１２の内部は、タンク１２に管路４６および弁４８
を介して接続された真空ポンプ５０によって２００〜４
００トルの低い圧力に維持される。

内壁に対するプラズマからのアークの衝突の問題はプラ
ズマガン３０から下方へ伸びる円錐形の金属シールド５
２を組込みかつプラズマガン３０からのプラズマ炎の周
囲に導入したガス噴流５４を用いることにより克服され
る。ガス噴流用のガスは外部のガス供給装置６０から管
５６を介して供給される。ガス噴流５４は円錐形シール
ド５２の下に取り付けた環状の管５８に設けた開口によ
り形成される。管５８はガスの導管として作用すると共
に、底部に設けた開口によりガス噴流形成手段として作
用する。

プラズマ溶射堆積により被覆しようとする対象物は、図
ではタンク１２の一方のエンドキャップ１６を通って伸
びるアーム６４の端部に保持した円筒状ドラム６２とし
て示しである。アーム６４はエンドキャップ１６を介し
てボックス６８内に取り付けたブッシング６６によって
気密封止されている。ボックス６８内には、装置の排気
前にブッシングδ６の垂直方向の位置決めを行なうため
通常の手段が設けられている。この手段によりアーム６
４を上下に動かして、アーム６４の端部に取り付けたド
ラム６２あるいはその他の試料を、タンクの排気前に、
実施しようとする被覆工程に適切な位置に調節すること
ができる。

プラズマ溶射している間に、アーム６４をブッシング６
６を介して左右に動かしてドラム６２の横方向の位置決
めを行ない、しかも通常の手段によりアーム６４の外側
部分に回転運動を与えてドラム６２を回転させることが
できる。

次に第２図を参照して、プラズマガン３０及びその動作
を詳しく説明する。

第１図及び第２図において同一参照番号を付した要素は
同一部品を示す。プラズマガン３０は第１図に説明した
ように同じＲＦ電力の接続手段３４および３６を有する
。これらの接続手段はＲＦエネルギーを伝送するととも
に、水冷のためにプラズマガンに対して水を輸送する中
空の管で構成される。水冷はプラズマガン内で１０００
０〜１２０００’にの高温が生じるために必要である。

プラズマガン３０は、閉じた頂部壁８２、側壁８４およ
びプラズマ炎が延びる低部開孔８６を有するハウジング
を含む。

ガス供給管３８および粉末供給管４４は第１図に示すよ
うにプラズマガン３０の要素に対して所要の供給関係に
設けられている。プラズマガン３０の粉末供給管４４は
水冷されてる。

粉末供給管４４は粉末およびキャリヤーガスを供給する
ための最も内側の中空の中心管を有する三重壁管である
。三重壁管は一組の３つの同心の管で構成され、粉末供
給管として用いるときは同心の管の間の内側および外側
の通路に水のような冷却液が流される。

ガス供給管３８からのガスはプラズマガン３０の室８８
の上部、すなわち室８８内のプラズマが形成される領域
の上方に導入される。プラズマ９０自身は室８８内のガ
スに無線周波エネルギーを印加することによって発生さ
れる。適切な周波数範囲は２〜５メガヘルツであり、こ
の範囲の低い側が好ましい。

ＲＦ電力はプラズマガン３０の側壁８４に対し同心に配
置された螺旋状のコイルに接続手段３４及び３６を介し
て送られ、このコイルの個々のストランド８０が第２図
に断面で示されている。ストランド８０で作られたＲＦ
コイルは、室８８およびプラズマ９０から、プラズマガ
ン３０内のライナーとして取り付けた石英管９２によっ
て分離される。さらに水冷銅ライナー９４を設けると高
電力でのプラズマガンの動作を助けることがわかった。

側壁８４及び石英管９２の間の空間には水を導入しくし
たがってコイルは水の中にある）、石英管の一側面を直
接水冷する。

出口バッフル９６がプラズマガン３０からの炎を方向付
けするのを助ける。プラズマ９０はプラズマガンの底部
から下方へ、ボルト７０によりアーム６４の端に取り付
けたドラム６２に熱伝達関係で伸びる。

前述のとおり、たとえばステンレス銅のシールド５２と
ガス噴流５４との組合せにより低圧プラズマ溶射装置１
０の容器の壁に対するプラズマからのアークの衝突が防
止される。

動作について説明すると、一種のガスあるいは多種のガ
スがガス供給管３８を介して室８８に通され、このガス
の圧力はタンク１２を含む低圧プラズマ溶射装置に弁４
８及び管路４６を介して接続された真空ポンプ５０の作
用により約２５０トルの低い圧力に維持される。タンク
１２自身は約５フイートの長さ及び約５フイートの直径
を有する。ラジオ周波電力がコイルのストランド８０に
印加され、供給管３８を通ってプラズマガンのハウジン
グ内に導入されたガスを励起する。プラズマ９０はプラ
ズマガン３０のハウジング内で発生される。プラズマ９
０はハウジングから外へ伸び出て、回転するドラム６２
の表面を加熱する。プラズマの温度は約１００００〜１
２０００°にである。

キャリヤーガス中に取り込まれた粉末粒子は供給管４４
を通してプラズマ９０中へ導入される。

プラズマ９０の熱が充分に高いので、粒子はプラズマ中
を動くにつれて溶融し、ドラム６２の表面上に液滴とし
て堆積する。前に述べたように、ＲＦプラズマガンから
のプラズマは１００μｍを越える比較的大きい直径の粒
子を溶融して、それらを本質的に液体状態から受け面（
ドラム表面）に堆積させ得ることを本発明者は発見した
。

真空システムを動作させ容器１２内の低圧プラズマ堆積
室内を約２５０トルの電力に維持する。

ドラム６２は、プラズマを用いて粒子を溶解して溶融液
滴をドラム表面に堆積させるときに、低圧の室内で回転
される。

粉末供給装置４２は一般の市販で入手可能な装置である
。本発明の実施に用いた一つの特定のモデルは米国カリ
フォルニア州のプラズマダイン社（Ｐｌａｓｍａｄｙｎ
ｅ、　Ｉｎｃ、）製の粉末供給装置である。これは頂部
に粉末を保持する箱を有する。その箱の底部のホイール
が回転して粉末供給管４４の中へ粉末を供給する。粉末
はキャリヤーガスによって粉末供給装置から供給管４４
にそってプラズマガン３０の室８８内に送られる。

次に第３図を参照すると、部分的に基体筒を取りつけた
ドラムが示されている。ドラム６２はその外表面に予め
形成した基体筒１０２が取り付けられるように構成され
ている。基体筒は好ましくはドラムの長手方向の端縁を
越えて延在させて、溶射されたすべての物質をドラム上
ではなく基体箔上に受けるようにする。ドラム６２は外
壁１０６と中心軸１０８との間に伸びるリブ１０４を有
するように形成することができる。シャフト７０が軸１
０８から外側に伸びて、第１のタング１２のごとき低圧
プラズマ溶射装置内にドラム６２を支持する手段を構成
する。基体筒１０２はドラム６２上の所定の位置に通常
の手段（図示していない）により取り付けることができ
る。

動作について説明すると、ドラムを金属又は比較的安価
なマンドレル材の基体筒で覆う。ドラムを基体筒で覆っ
た後、炭化ケイ素の繊維またはフィラメントの配列を、
基体筒で覆ったドラム上に配置する。繊維は強化材で作
られる。このような−組の繊維は炭素繊維の芯に化学蒸
着法により炭化ケイ素の層を堆積させて作ることができ
る。そのような繊維の外側表面に化学蒸着法あるいは類
似の技術により炭素のごとき別の被覆材の１つ又はそれ
以上の層を適切に被覆して、繊維表面に所望の保護を行
なうことができる。

そのような繊維がたとえばアブコ社（Ａｖｃｏ　Ｃｏｌ
ｌ１ｐａｎｙ）から商品名５ＣＳ−６フイラメントとし
て市販されている。この５Ｃ８−６フイラメントはスプ
ール上に巻いた連続した一本の繊維（フィラメント）で
あってよい。

この種の繊維は３０μｍの炭素芯に化学蒸着法により炭
化ケイ素を被覆したものである。ＳＬＣの被覆は５５μ
ｍ厚さである。

ｓＬｃ被覆の外側表面ハ２つノ１．　　Ｏ−１，５μｍ
の厚さの熱分解炭素層で被覆され、繊維全体の直径が約
１４２μｍである。このような繊維の横断面の顕微鏡写
真を第５図に示す。

炭素芯は繊維の構造部分である炭化ケイ素（ＳＬＣ）を
堆積するための基体として働く。炭素表面層はＳＬＣと
複合体のマトリックス材料との間の相互作用を最小にす
ることを目的とする。

この繊維は少くとも部分的にはアブコ社に譲渡されてい
る米国特許箱４，０６８，０３７号、同第４，１２７，
６５９号、同第４．４８１，２５７号、同第４，３１５
．９６８号、同第４，３４０．６３６号および同第４．
４１５，６０９号のいずれかの明細書に記載の方法で作
製された。

品質管理の部分として、製造者によるスプール上の繊維
の引張り強さの測定値は３１５０ＭＰａ（４５０ｋｓｉ
に相当する）であった。繊維の強さは一般にこの種の繊
維の予想される強さ３４５０〜４１４０ＭＰａの値より
も幾分低い。

製造者アブコ社による５Ｏ８−６繊維のモジュラスの値
は５００ＧＰａであるとされている。

本発明の実施において用いることができるその他の繊維
としては高強度高温炭素繊維が挙げられる。

このような繊維の平行な配列を、ドラムに取り付けられ
る予め形成した基体箔上に形成する。ドラムを回転させ
かつ軸方向に並進させ、そしてプラズマ炎を、繊維を担
持する基体筒で覆ったドラムの表面へ吹き付ける。希望
するチタン基合金組成物の粉末を粉末供給装置に導入し
、ドラムに対して低圧プラズマ溶射装置中で溶射して、
希望する厚さのプラズマ溶射堆積物のシートを基体筒お
よび繊維の表面上に形成する。チタン合金のごとき反応
性の高い合金のシート板の製造には、無線周波電力で作
動するプラズマガンを用いて希望する合金を溶射するこ
とが必要である。このようなＲＦプラズマガンは一般に
入手可能であり、たとえば米国カリフォルニア州のＴＡ
ＦＡ社製造のＴＡＦＡ６６型プラズマガンを用いること
ができる。

ドラム表面上に取り付けた基体筒および繊維上にチタン
層を堆積させて、プラズマ溶射堆積工程を終了させ、ド
ラムを低圧プラズマ溶射装置１０から取り出す。次に、
堆積したチタンを有する予め形成した基体筒をドラムか
ら分離する。そして、基体筒を溶解して、繊維および堆
積物から取り去ることにより、強化チタン堆積物が自己
支持形の独立した要素として得られる。

用いる基体筒がモリブデン箔である場合、基体筒の温度
が堆積時に過度に高くなければ、チタン堆積物をモリブ
デン箔から第４図に示すようにそれらを単純に引きはが
すことにより分離することができることがわかった。こ
の場合、チタン堆積物からモリブデンを溶解して取り去
る必要はない。

第４図において、複合構造体１１０が予め形成した基体
筒１１２とプラズマ溶射堆積筒１１４とよりなることが
示されている。基体筒がモリブデンから成りかつプラズ
マ溶射工程で過度に加熱されない場合には分離する力を
矢印で示す方向に加えてプラズマ溶射堆積筒を基体筒か
ら分離することができる。

次の条件で典型的な作業を行なうことができる。

（１）電力入力　　二　　６０キロワツト（２）タンク
圧力　：　　２５０）ル （３）ＴＡＦＡ６６型プラズマガンにおけるガス流量 アルゴン（半径方向）：１１７跡／分 水素（旋回）　　　　：　　５跡／分 アルゴン（旋回）：１６１！χ／分 アルゴン（低温ガス噴流）：１０６ｇＺ／分（４）粒子
注入 キャリヤーガス（アルゴン）：５？χ／分粉末（チタン
ベース冶金）：２１０〜 ２５０μｍ ノズル上方の注入点ニア、４５印 （５）堆積データ ターゲット材料：予め形成した鋼 ターゲット寸法：４インチ幅、 フインチ直径（ドラム） ターゲット・ノズル間距離：１１．５ インチ 予熱時間：なし 堆積時間＝３分 堆積速度：３０Ｐ／分 質量堆積効率＝９０〜９５％ ［実施例１］ アルミ化３チタンＴＩ３＃合金粉末（ＴＩ−１４＃−２
１Ｃｂ）の試料を入手し、上述の装置および手順を採用
して各種のメツシュ寸法にふるい分けした。ＲＦプラズ
マ溶射を行なってドラムに取り付ケタ基体箔上にＴＩ３
／Ｖ全３／Ｖ堆積させた。この結果、ＲＦプラズマガン
が最大密度に近い密度でｒｉｓＭを堆積できること、お
よびこれが直径の２５０ミクロンまでの平均粒度を有す
る入手可能な粉末を用いて実現できることがわかった。

これは堆積物が２５０ミクロンより大きい粒子を有する
粉末から製造できることを示した。

出発粉末の酸素含有量の測定値は細がいメツシュ寸法の
場合のｔａｏｏｐｐｍから直径２５０ミクロンの粉末の
場合の９００　ｐｐｍ＋までの範囲に及んだ。溶射堆積
物の酸素含有量は大きい粒子の粉末の場合の１９００ｐ
ｐｍから小さい粒子の粉末の場合の２３００　ｐｐｍま
での範囲に及んだ。

堆積したままのアルミ化チタン合金を基体筒から分離し
た。この堆積したままのチタン合金層を破断するまで曲
げた。ＲＦプラズマ溶射堆積物の破断、特にそれを破断
するのに必要な曲げの程度を含めたその破断の態様は、
その堆積物の強度がきく、かつ幾分限られた延性を有し
ていることを示した。

［実施例２］ Ｔｉ３Ａｌ合金インゴット（Ｔｉ　　１４Ｍ２１Ｃｂ）
の試料を得た。インゴットを水素化−脱水素法により粉
末に変えた。この材料から一４００メツシュの粉末を取
り出した。また水素化したが脱水素しなかった一４００
メツシュの粉末も調製した。

［実施例３］ Ｔｌ３Ｍ合金（Ｔｉ　　１４Ａｌ！　　２１Ｃｂ）の直
流アク・プラズマ溶射堆積物を脱水素および水素化状態
で試験した。ＤＣ直流−プラズマ溶射装置は１９８６年
８月５日発行の米国特許明細書節４，６０３．５６８号
明細書に記載されている。形成した堆積物の顕微鏡写真
は直流アーク・プラズマ溶射したＴｔａ／Ｖが完全には
緻密ではないことを示した。さらに、この堆積物は容易
に破断し、延性を示さなかった。

堆積物の気孔度があまりにも高く、延性が低すぎると考
えられたので、直流アーク・プラズマ溶射を用いてＴｌ
３Ｍと炭化ケイ素繊維の複合体の製作は行なわなかった
。

［実施例４］ 炭化ケイ素繊維を平行に配列した１つの層を予め用意し
た。繊維の間隔は約１２８本／インチであった。この繊
維の配列を平らな鋼板に固定した。

次に、板の上に置いた炭化ケイ素繊維プラズマ溶射によ
り０．０１０インチの厚さのＴｌ３Ａ１合金（Ｔ＋−１
４＃−２１Ｃｂ）　（１）層で被覆した。Ｔ＋ｓ＃堆積
物は、水素化−脱水素法により調製した粉末を上記のＲ
Ｆプラズマガンを用いて溶射することにより形成した。

Ｔ＋ｓＮｌと炭化ケイ素繊維の複合体の顕微鏡分析によ
り、Ｔ１３＃金属が溶射面上の配列した繊維の間に浸透
していることがわかった。ニッケル基チタン合金の堆積
したままの層の中に埋め込んだ炭化ケイ素繊維の配列の
顕微鏡写真を第６図に示す。

本発明の方法により複合体を有利に形成できる１つの要
因は、非常に急速に繊維をチタン基合金で包み込むこと
である。この独特の現象では、その結果を第６図に示す
ように、溶融金属が雨滴のように繊維に接触して繊維の
下側へ落ちてその下側の周辺を覆い、非常に急速に凝固
して繊維を包み込んでしまうため、チタン基合金と繊維
との間に反応が起こる機会がほとんどない。

５Ｏ８−６繊維は２つの熱分解炭素表面層を有している
。溶融チタン金属は表面炭素層を破壊することなく各々
の繊維のまわりに効果的にさやを形成する。したがって
、堆積したままのチタン金属の場合、炭素表面層は効果
的に保存される。この構造はチタン金属と繊維の炭化ケ
イ素との間の反応を効果的に減少または防止する。

ＲＦプラズマ溶射による一層の複合体と他の同様な複合
体とを組み合わせて多層複合体を形成し、そして数層の
複合体を第６図に示すような圧縮成形する時、この構造
体を最終的な成形体とするのにチタン・マトリックス金
属を広範に流動させる必要はない。これは、個々の繊維
がすでに実質的にチタン基合金の中に包み込まれており
、従って合金を繊維の間で流動させる必要がないからで
ある。この理由により、箔および繊維のマットを用いる
従来技術のものより熱間静水圧圧縮（ＨＩ　Ｐ＞に要す
る時間を短くすることができる。

［実施例５］ 実施例４に記載の方法で形成した材料の試料をＨＩＰ法
により合体した。−組４枚の繊維強化シートおよび１枚
の繊維のないシートをＨＩＰ法により合体したものの顕
微鏡写真を第７図に示す。

この構造体を形成するのに通常のＨＩＰ処理温度および
時間を用いた。この構造物の新規な特徴は、−層が他の
層に対して形成するニット・ライン（ｋｎｉｔ　１ｉｎ
ｅ）が−列内の数本の繊維に対する接線にほぼ沿って生
じ、従来技術の構造におけるように繊維最も近い距離の
点に生じるのと異なることである。

［実施例６］ 実施例４の手順を繰り返したが、しかしこの例ではＴｉ
６２４２の商品名で知られているＴ＋−６Ａｌｌ　　７
Ｓｎ　　４Ｚｒ−２Ｍｏなるチタン合金をプラズマ溶射
した。

この方法で形成した複合体の初期引張り強さを混合物の
規則にもとずいて推定した。混合物の規則は、複合体の
引張り特性が各構成成分の引張り特性を各構成成分の占
める体積割合にもとずいて用いて定められると規定する
。

存在する炭化ケイ素繊維の体積割合は２２（体積）％で
あった。チタン合金単体では室温で１４０ｋｓｉの引張
り強さを有する。複合体は次の引張これらの強さは混合
物の規則から得られる理論強さにほぼ合致する。

したがって、複合体はチタン合金自身の室温における引
張り強さよりも実質的に高い引張り強さを１０００’ｌ
”で有する。

これらのデータはＲＦプラズマ溶射したチタン合金系が
軽重量高強度金属複合体構成要素の製造にマトリックス
材料として用いることのできることを示している。

ここに用いる用語「高強度高温度繊維」とは、強化用繊
維としてその中に埋め込むチタン基合金のようなマトリ
ックス金属よりも高い引張り強さ、好ましくは２００　
ｋｓｉを越える引張り強さを有する繊維を意味する。こ
のような繊維で、それを埋め込むチタン基金属のような
マトリックス金属よりも大きい引張り強さを１０００℃
以上の使用温度で保持することができるものは、高温繊
維である。

本発明に関連して用いることができる他の繊維には炭素
、酸化アルミニウムあるいは酸化ベリリウムの高強度高
温繊維がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はプラズマ溶射受け面を構成する回転するドラム
上に低圧ＲＦプラズマ溶射堆積物を形成する装置の構成
図である。 第２図は低圧ＲＦプラズマガンおよび堆積装置の拡大図
である。 第３図は予め形成した基体筒を取り付けるように構成し
たドラムの斜視図である。 第４図はモリブデンのような基体箔上に堆積したチタン
合金の箔よりなる複合体の斜視図であり、一端部が引き
はがされて２枚の箔に分離される様子を示す。 第５図は本発明の方法に関連して用いることができるよ
うな炭化ケイ素繊維の断面の顕微鏡写真である。 第６図は炭化ケイ素繊維の配列上の堆積したままのチタ
ン基合金マトリックスの断面の顕微鏡写真である。 第７図はチタン基合金のマトリックスの中に炭化ケイ素
繊維の配列を埋め込んでＨＩＰ法により合体した構造体
の断面の顕微鏡写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）繊維強化金属マトリックス材料を製造する方法に
   おいて、 受け面上に整列した高強度高温繊維列を配置し、上記繊
   維に対してマトリックスとして作用するチタン基合金の
   粉末を用意し、 上記合金を上記繊維の配列上に無線周波プラズマ溶射堆
   積させて少くとも部分的に該配列に含浸し、上記繊維を
   プラズマ溶射により形成した上記合金の箔状の堆積物中
   に埋め込む各工程を有することを特徴とする繊維強化金
   属マトリックス材料の製造方法。 （２）上記高強度高温繊維が炭化ケイ素で構成されてい
   る特許請求の範囲第（１）項に記載の製造方法。 （３）上記無線周波数が２〜５メガヘルツである特許請
   求の範囲第（１）項に記載の製造方法。 （４）上記無線周波数が２〜３メガヘルツである特許請
   求の範囲第（１）項に記載の製造方法。 （５）上記チタン基合金がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖである特
   許請求の範囲第（１）項に記載の製造方法。 （６）上記チタン基合金がＴｉ−６２４２である特許請
   求の範囲第（１）項に記載の製造方法。 （７）上記チタン基合金がＴｉ−１４Ａｌ−２１Ｃｂで
   ある特許請求の範囲第（１）項に記載の製造方法。 （８）上記チタン基合金がＴｉＡｌである特許請求の範
   囲第（１）項に記載の製造方法。（９）上記チタン基合
   金がＴｉＡｌ＿３である特許請求の範囲第（１）項に記
   載の製造方法。 （１０）急速に凝固させたチタン基合金の母材中に埋め
   込んだ複数の整列した高強度高温繊維を有することを特
   徴とする複合構造体。 （１１）上記チタン基合金の酸素含有量が２０００ｐｐ
   ｍ以下である特許請求の範囲第（１０）項に記載の複合
   構造体。 （１２）上記母材の平均厚さが埋め込まれた上記繊維の
   直径の４倍以下である特許請求の範囲第（１０）項に記
   載の複合構造体。 （１３）上記母材中に存在する上記繊維の体積百分率が
   ３〜８０％である特許請求の範囲第（１０）項に記載の
   複合構造体。 （１４）上記母材中に存在する上記繊維の体積百分率が
   ２０〜４０％である特許請求の範囲第（１０）項に記載
   の複合構造体。 （１５）９０％を越える密度を有するチタン基合金マト
   リックス中に埋め込んだ複数の層の整列した高強度高温
   繊維を有し、上記マトリックスが高温高圧で合体した複
   数の層から成り、これらの層の接合された界面が上記整
   列した繊維から延びる接線にほぼ沿って伸びており、上
   記接線が互いに対してほぼ平行に伸びていることを特徴
   とする複合構造体。