JPH03146489A - 複合材用被覆フィラメント - Google Patents

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、チタンマトリックス物質による侵食からフィ
ラメントを保護するために、炭化珪素フィラメントを被
覆することに関する。

［従来技術／発明が解決しようとする課題］フィラメン
ト状の炭化珪素をチタン又はチタンマトリックスに組込
まれた金属マトリックス複合材を製造する際の問題は、
代表的な固体状態の金属マトリックス複合材製造条件（
例えば、９２５℃、１時間）の下で、炭化珪素とチタン
が反応し、フィラメント従って複合材の強度を低下させ
る事から起こる。

金属マトリックス内にうまく組込まれ炭化珪素フィラメ
ントの能力を支持するように炭化珪素フィラメントを処
理する公知の方法が、米国特許第４４１５６０９号に記
述されている。カーボン富化の炭化珪素層が、化学式通
りの炭化珪素の上に付けられ、これにより、層内のシリ
コンとカーボンとの比率が、層の内側のゼロに近い炭化
珪素界面の比率から、層の表面のゼロよりも大きい比率
まで変化する。

本発明は、チタン又はチタンマトリックスに組込まれた
ときに、フィラメントの強度を保持することができる炭
化珪素フィラメントの異なる処理方法を提供する。

［課題を解決するための手段］ 従って、ある観点では、−本発明は、 チタンマトリックス物質による侵食からフィラメントを
保護するために炭化珪素フィラメントを被覆する方法で
あって、 （ｉ）フィラメントにカーボンの第１層を被覆し、（ｉ
ｉ）カーボン層にチタンカーバイド又はホウ化チタンの
第２層を被覆することからなる方法を提供する。

選択的に、チタン又はチタンマトリックスへのフィラメ
ントの組込みを容易゛にするために、チタン又はチタン
合金の層を、チタンカーバイド又はホウ化物の層の上に
備えてもよい。

又、チタンカーバイド層のカーボン含有率、又はホウ化
物層のホウ素含有率を、カーボン層との界面から外面ま
で漸次減少させても良い。

本発明の方法によって被覆されたフィラメントは、後述
する例で明らかにされるように、金属マトリックス複合
材の製造において金属マトリックスに組込まれたときに
フィラメントの強度を維持することがわかった。カーボ
ン層が、フィラメントへの全体の接着力を調整し、又マ
トリックスからチタンと反応する物質を作ってマトリッ
クスがフィラメントと反応しないようにし、かつチタン
カーバイド層又はホウ化物層が拡散バリヤとして作用す
るものと、信じられる。

本発明の実施において、層を付ける方法は、被覆が後の
取り扱い及び工程の間、そのままであり、かつ接着性が
あるように、被覆全体とフィラメントの物理的特性の違
いを適応させる方法を提供するために重要である。その
上、この方法は、特にチタンカーバイド層又はホウ化物
層において、層の変化する組成を提供できなくてはなら
ない。

スパッターイオンブレーティングが、上述した要件を満
すのに特に適した方法であることがわかった。スパッタ
ーイオンブレーティングは、弱い真空室内におけるＤＣ
グロー放電下で、陰極から基材への物質移動を行う方法
であり、この方法では、物質はイオン衝撃の作用、すな
わちスパッタリングによって陰極から発生し、最終的に
基材に拡散して基材に被覆を形成する。スパッターイオ
ンブレーティングは、この分野の多くの文献に、例えば
、コード（Ｊ、　Ｐ、　Ｃａｒｄ）とレスタル（Ｊ、Ｂ
、Ｒｅ５ｔａ１１）による１９８２年９月のメタルテク
ノロジー（Ｍｅｔａｌｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）のＰ
２Ｏ３に、及びコード（Ｊ、　Ｐ、　Ｃａｒｄ）とリッ
カーバイ（Ｄ、　Ｓ、　Ｒｉｃｋｅｒｂｙ）による１９
８４年４月のイタリア、アクアフレッダデマラテア（Ａ
ｃｑｕａｆｒｅｄｄａ　ｄｉ　Ｍａｒａｔｅａ）の「熱
機関用被覆」におけるＮＡＴＯの最新ワークシＭ”７ブ
（ＮＡＴＯＡｄｖａｎｃｅｄＷｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　
’Ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｆｏｒ　Ｈｅａｔ　Ｂｎｇｉｎｅ
ｓ’　　）に詳細に説明されている。

本発明の実施におけるスパッターイオンブレーティング
の使用では、基材は被覆されるべき炭化珪素フィラメン
トであり、陰極は被覆物質すなわちスパッターイオンブ
レーティングの条件下で反応し被覆物質を形成すること
ができる物質で作られる。従って、ステップ（ｉｆ）に
おける層は、チタンカーバイド層であり、陰極は、１つ
又はそれ以上のチタンの陰極と１つ又はそれ以上のカー
ボンの陰極とからなり、従って条件を、順次、本発明の
ステップ（ｉ）のカーボン層、本発明のステップ（ｉｉ
）のチタンカーバイド層、及び選択的な、チタン層又は
チタン合金層を作るように制御する。例えば、陰極がチ
タンとカーボンの両方の陰極からなり、最初にカーボン
陰極だけを衝撃してフィラメントにカーボン層を作る。

次いで、チタンとカーボン両方の陰極をカーボン富化の
チタンカーバイド層を作るのに適したエネルギーレベル
でまず衝撃し、続いて、カーボン陰極を漸次低いエネル
ギーで衝撃して、フィラメントからの距離が増大するに
つれてカーボン含有量が漸次低くなるチタンカーバイド
層を作る。最後に、所望ならば、チタン陰極だけ衝撃し
てチタン層を作る。

スパッターイオンブレーティングは、被覆される直前に
スパッターイオン衝撃によってフィラメントの表面を洗
浄することができる、この発明の実施における特有の利
点を有する。又、被覆内の密４度及び応力は、炭化珪素
フィラメントの基材に適当なバイアス電圧を印加するこ
とによって調節することができる。低温工程（約６００
℃）であるスパッターイオンブレーティングは、被覆す
るとき形成される応力を制御するのに良く適している。

プラズマ活性化化学蒸着及びオンライン化学蒸着のよう
な、スパッターイオンブレーティング以外の被覆方法を
本発明の実施に使用してもよい。

他の観点では、本発明は、チタンマトリックス物質によ
る侵食からフィラメントを保護するための被覆を有し、
該被覆がフィラメント付近のカーボンの第１層と、カー
ボン層の上のチタンカーバイド又はホウ化チタンの第２
層とからなる、炭化珪素フィラメントを提供する。チタ
ンカーバイド層のカーボン含有量、又はホウ化チタン層
のホウ素含有量は゛、カーボン層との界面から外面まで
漸次減少するのが良い。選択的に、チタンカーバイド層
又はホウ化物層が、チタン層又はチタン合金層を支持す
る。

被覆の厚さ、被覆のミクロ構造及び構成層のミクロ構造
は、機能的要件によって決定される。例えば、カーボン
層の厚さは、金属マトリックスに組込まれたとき、炭化
珪素フィラメントの安定性を維持する程のものでなけれ
ばならない。被覆の全体厚さは（マトリックス層を含め
て）、例えば約５０μｍに達する。

この発明による炭化珪素フィラメントは、業界で公知の
方法、例えば、ホットプレスやホットアイソスタティク
ブレスのような固体状態の手段によって金属マトリック
ス内に組込まれても良い。

今、本発明を実施する方法を、添付図面を参照して以下
に単なる例として、特に説明する。

［実施例コ 第１図及び第２図を参照すると、アースした円筒形被覆
室ｌには、冷却ジャケット３を有する外部に取付けた抵
抗ヒータ２が設けられる。被覆室ｌは、バッフル５をも
ったガス流入口４を有し、かつバッフル７をもったガス
流出口６を有する。

流入口４は、流入導管９を備えたゲッター室８と連−通
し、流出口６は、ポンプポート１１を備えたポンプ室１
０と連通ずる。

基材１２が、被覆室ｌの環状試料ホルダー２２に同軸に
取付られた炭化珪素モノフィラメントのリングの形態の
ものである。基材１２は、バイアス電位電源（図示せず
）に電気接続され、かつ運転中、すべての炭化珪素モノ
フィラメントが均一に被覆されるように回転手段を備え
る。

３枚の矩形のチタンのターゲット板１６と３枚の矩形の
グラファイトのターゲット板１７の形態の陰極が、被覆
室１内に取付けられる。ターゲット板１６．１７は、チ
タンのターゲット板１６とグラファイトのターゲット板
１７が互い違いになった六角形の配列である。チタンの
ターゲット板１６は、絶縁体１９．２１内に固定された
導体１８によって第１陰極電源（図示せず）に電気接続
され、グラフフィトのターゲット板１７は、絶縁体２０
．２４内に固定された導体２３によって、第１電源とは
別の、第２陰極電源（図示せず）に電気接続される。

第１図及び第２図に示す装置の運転において、作動ガス
が流入導管９に供給され、ポンプポート１１におけるポ
ンプ（図示せず）の運転によって、この作動ガスは、矢
印ａで示すようにゲッター室８の中へ吸い込まれ、そこ
から、流入口４を経て被覆室１の中へ吸い込まれる。被
覆室ｌは、基材１２及び陰極のターゲット板１６．１７
を電気し、あらゆる有機物質を蒸発させるために、ヒー
タ２によって加熱される。望ましくないガス及び蒸気は
、流出口６を経て被覆室１を出て、ポンプ室１０に入り
、矢印すで示すように、ポンプポート１１を経て取り出
される。負の高電圧が第１陰極電源及び第２陰極電源（
図示せず）によってターゲット板１６．１７に印加され
てグロー放電を生じ、スパッタリングにより、ターゲッ
ト板から陰極物質が基材１２に移動して基材に被覆を行
う。

この工程が作動温度を維持するのに十分な熱を発生する
ので、外部加熱はこの段階では要求されない。

所望ならば、第１図及び第２図に示す装置は、被覆室ｌ
とゲッター室８との間に位置する付加室を備えても良い
。付加室は又、第１図及び第２図のターゲット板１−６
．１７と異なる物質の矩形板の六角配列からなる陰極を
備える。付加室の陰極は、第１図及び第２図の陰極電源
（図示せず）とは別である陰極電源に電気接続される。

上述した付加室を備えた第１図及び第２図に示す装置の
運転では、被覆室ｌで最初に被覆された基材１２は、付
加室の中へ下げられ、被覆室ｌで被覆を行うのに使用さ
れる条件と類似の条件下で、スパッターイオンブレーテ
ィングによって被覆される。

例 珪　モノフィラメントの 炭化珪素モノフィラメントを入れた、第１図及び第２図
に示す装置の被覆室ｌを、ｔｏ−ｔｏ。

閣トルの圧力まで減圧し、被覆室に高純度のアルボン雰
囲気を流した。圧力を６Ｘ１０−２）ルに調節し、ゲッ
ター室８を作動した。モノフィラメントを試料ホルダー
２２で回転させ、被覆室ｌをヒータ２によって５００℃
まで予熱した。次いで、ヒータ２を切った。

被覆室１内のガス圧力を０．１　）ルに調節し、モノフ
ィラメント表面を５００Ｖ、２２０ｍＡで７分間イオン
洗浄した。次いで、グラファイトのターゲット板１７に
１．２５　ＫＷを印加し、被覆室ｌ内のガス圧力を６．
５Ｘ１０−”）ルに調節し、−４５ｖのバイアス電圧を
モノフィラメントに印加することによって、スパッター
イオンブレーティングにより、４５分間、モノフィラメ
ントにカーボン層を被覆した。

次いで、スパッターイオンブレーティングによって、４
５分間、モノフィラメントに段階的に変化する組成のチ
タンカーバイド層を被覆した。すなわち、最初にチタン
のターゲット板１６には、３ＫＷの公称電力設定を与え
、グラファイトのターゲット板１７には９００Ｖの電圧
設定を与え、被覆室ｌ内のガス圧力を６．２Ｘ１０−”
トルに維持し、モノフィラメントに対するバイアス電圧
設定は一４５Ｖであり、グラフディトのターゲット板１
７に一対する電圧設定を５分間毎に１００ｖで下げた。

かくして、チタンカーバイド層のカーボン含有量は、カ
ーボン層との界面からチタンカーバイド層の外面まで、
漸次減少した。

試料ホルダ２２の被覆したモノフィラメントを、上述し
たように付加被覆室の中へ下ろした。この付加被覆室で
は、陰極の矩形板はＴｉ−６ＡＩ−４Ｖ（重量で）の組
成のチタン合金製であった。

ターゲット板に対する３ＫＷの公称電力設定、６×１０
−”）ルのガス圧力、及びモノフィラメントに対する一
２０Ｖのバイアス電圧設定を使用してスパッターイオン
ブレーティングによってモノフィラメントに、チタン合
金層を更に付けた。

その結果得られた被覆を第３図に示す。ここで、参照番
号は以下のものを示す。

３０：モノフィラメント用のタングステン線基材 ３１二炭化珪素モノフイラメントの主本体３２：純カー
ボン層 ３３：段階的に変化する化学式通りのチタンカーバイド
層 ３４：チタン合金層 層３２．３３及び３４からなる全体の被覆厚さは、４５
μｍと５０μｍの間であった。

被　した　化珪素モノフィラメントの試験上述したよう
に準備した被覆モノフィラメントは、標準試験において
、０．２５の公称モノフィラメント体積率で、１．６　
Ｇ　Ｐ　ａの平均引張強度を有することがわかった。次
いで、被覆モノフィラメントを製造用の熱サイクルを模
擬するために、９２５℃で１時間、真空下で熱処理し、
その平均引張強度を再び決定した。１．７　Ｇ　Ｐ　ａ
の値が得られ、従って、熱処理は強度のいかなる損失も
生じさせないことを示した。

比較のため、炭化珪素モノフィラメントにスパッターイ
オンブレーティングによってチタン合金だけの層を被覆
した。すなわち、純カーボン層、及びチタンカーバイド
層を付けなかった。上述した条件下で熱処理後、被覆モ
ノフィラメントは、０．２６の公称モノフィラメント体
積率で０．８９　ＧＰ、ａの平均引張強度を有すること
がわかった。従って、中間のカーボン層及びチタンカー
バイド層を備えることにより、熱処理後の平均引張強度
が８０％以上改善された。

炭化珪素繊維の被覆は又、化学的蒸着として知られた工
程によって行うことができる。かかる工程は、化学分野
で良く知られている。代表的工程では、被覆すべき加熱
したフィラメント又は薄板をガスを入れた蒸着室に連続
的に通し、このガスが高温フィラメントと接触したとき
所望の被覆を蒸着させる。

本例では、フィラメントは供給スプールから環状反応室
を経て受取りスプールまで通される。繊維は、反応室の
端にある液体金属電極を通って反応室に入り反応室を出
る。電極は、フィラメントに電流を供給し所望の温度ま
でフィラメントを加熱する電気加熱回路の一部を形成す
る。不活性キャリアガスと混合される蒸着ガスは、一端
で反応室に供給され、他端で排出される。蒸着ガスは、
繊維の運動方向と向流をなして流れるのが好ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、スパッターイオンブレーティングによる被覆
装置の概略図であり、 第２図は、第１図のＡ−Ａ線における概略図であり、 第３図は、本発明により被覆されたモノフィラメントの
四分円の概略図である。 １・・・被覆室、　　　２・・・ヒータ、３・・・冷却
ジャケット、４・・・流入口、５・・・バッフル、　６
・・・流出口、７・・・バッフル、　　８・・・ゲッタ
ー室、９・・・入口導管、　　ｌＯ・・・ポンプ室、１
１・・・ポンプポート、１２・・・基材、１６．１７・
・・ターゲット板、 １８．２３・・・導体、 １９．２０．２１，２４・・・絶縁体、・試料ホルダー １１ ＼

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）チタンマトリックス物質による侵食からフィラメ
   ントを保護するために炭化珪素フィラメントを被覆する
   方法であって、 （ａ）フィラメントにカーボンの第１層を被覆し、 （ｂ）カーボン層にチタンカーバイド又はホウ化物の第
   ２層を被覆する、 ことからなる方法。
2. （２）第２層は、カーボン又はホウ素の含有量が、カー
   ボン層との界面から外面まで漸次減少するように蒸着さ
   れる、請求項第（１）項に記載の方法。
3. （３）第２層の上にチタン又はチタン合金の第３層を蒸
   着させる工程を更に含む、請求項第（１）項又は第（２
   ）項に記載の方法。
4. （４）炭化珪素フィラメントが、互い違いに配置され、
   独立した電源に接続されたチタンとカーボン又はホウ素
   のターゲット板の円筒形配列からなる陰極内のホルダー
   に位置決めされ、該ホルダーは別の電源に接続され、ホ
   ルダーと陰極の両方は真空室内にあり、真空室は排気さ
   れ、作動ガスが真空室に入れられ、バイアス電位がホル
   ダーに印加され、バイアス電位がカーボン又はホウ素の
   ターゲット板に十分印加されて、カーボン又はホウ素の
   ターゲット板付近にグロー放電を生じさせかつスパッタ
   リングによりカーボン又はホウ素のターゲット板から炭
   化珪素フィラメントへ物質移動を生じさせ、これにより
   炭化珪素フィラメントの表面にカーボン又はホウ素の第
   １層を形成し、次いで、同様の電位をチタンのターゲッ
   ト板に印加して、炭化珪素フィラメントにチタンを移動
   させ、チタンカーバイド又はホウ素の第２層を第１層の
   上に形成する、請求項第（１）項に記載の方法。
5. （５）カーボン又はホウ素のターゲット板に印加される
   電位を漸次減少させ、第２層の組成を同様に変化させる
   、請求項第（４）項に記載の方法。
6. （６）第３層が、第１層及び第２層を蒸着するのに必要
   とされる物質のターゲット板の円筒形配列からなる陰極
   組立体によって第１層及び第２層と同じ方法で蒸着され
   る、請求項第（３）項乃至第（５）項のいずれかに記載
   の方法。
7. （７）第３層はチタンであり、第２層を形成するのに使
   用されたチタン板が利用され、カーボン又はホウ素のタ
   ーゲット板には電位が印加されない、請求項第（６）項
   に記載の方法。
8. （８）チタンマトリックス物質による侵食からフィラメ
   ントを保護するための被覆を有し、該被覆は、フィラメ
   ント付近のカーボンの第１層と、カーボンの第１層の上
   のチタンカーバイド又はホウ素の第２層とからなる、炭
   化珪素フィラメント。
9. （９）第２層の上に蒸着されたチタン又はチタン合金の
   第３層を有する、請求項第（８）項に記載の炭化珪素フ
   ィラメント。
10. （１０）第２層のカーボン又はホウ素の含有量は、第１
    層との界面から外面まで漸次減少する、請求項第（８）
    項又は第（９）項に記載の炭化珪素フィラメント。