JPH0318487Y2 - - Google Patents

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JPH0318487Y2
JPH0318487Y2 JP5710085U JP5710085U JPH0318487Y2 JP H0318487 Y2 JPH0318487 Y2 JP H0318487Y2 JP 5710085 U JP5710085 U JP 5710085U JP 5710085 U JP5710085 U JP 5710085U JP H0318487 Y2 JPH0318487 Y2 JP H0318487Y2
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whiskers
film
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coating
ceramic
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Description

【考案の詳細な説明】[Detailed explanation of the idea]

[産業上の利用分野] 本考案はセラミツクス被膜を有する部材に係
り、特にこの被膜が強度、耐食性等の特性に著し
く優れている部材に関するものである。 [従来の技術] セラミツクスは、従来の金属材料や合成樹脂材
料にはみられない耐高温特性、高耐食性、高硬度
などの特性を備えている。しかし、周知のよう
に、曲げ強度、引つ張り強度が低く、脆性を有し
ているところから、一体物の独立した部材として
の用途には限りがある。 そこで、セラミツクスを被覆材料として用い、
部材表面に上記の耐高温特性、高耐食性、高硬度
などの優れた特性を付与させることが、従来より
行なわれている。 このようなセラミツクス被膜を形成する被覆方
法としては、溶射の他CVD等の気相蒸着法が知
られている。 [考案が解決しようとする問題点] 溶射法は簡便であつて実用性が高いので、ター
ビンブレードのセラミツクスコーテイングなどに
用いられているが、緻密なセラミツクス層を得が
たいという問題がある。 CVD法は、高純度な膜を得ることができると
いう長所を有する反面、膜厚を大きくとると析出
物が膜面と垂直方向に成長した柱状晶を取り易
く、そのため厚膜にすると機械的特性が低下する
という問題がある。 即ち、CVD処理によつて生じた膜が、膜面と
垂直方向に成長した柱状晶を多く含む場合には、
結晶粒界も膜面と垂直方向に配向するようにな
る。そうすると、膜面と平行方向の応力が被膜に
加えられたときに、該被膜中の柱状晶の結晶粒界
に応力が集中し、この結晶粒界から破壊が開始し
易くなる。 そのため、従来のCVD法によつて形成された
セラミツクス被膜においては、機械的特性に優れ
た膜厚の大きなものを形成しがたかつた。 [問題点を解決するための手段] 本考案は、1層又は2層以上のセラミツクス被
膜によつて部材表面を被覆するに際し、この被膜
は、層の下側界面からウイスカーが層内に成長し
ていることを特徴とする。 [作用] 本考案のセラミツクス被膜を有する部材におい
ては、層界面から成長しているウイスカーにより
被膜の補強が図れる。また、ウイスカーが機械的
或いは熱的緩衝作用を発揮する。更に、ウイスカ
ーの形成により、柱状晶の成長を抑制することが
でき、上記各作用と合せ、一段と優れた機械的特
性が発現される。 [実施例] 以下図面を参照して実施例について説明する。 第1図は本考案の実施例に係るセラミツクス被
膜を有する部材の断面図である。1は部材(母
材)であつて、金属、セラミツクス等の材質から
成つている。この部材1の表面には、1層又は2
層以上のセラミツクス被膜2が形成される。本実
施例においては、3層のセラミツクス被膜3、
4,5が設けられている。このセラミツクス被膜
3〜5は、それぞれの層の下側界面3a,4a,
5aから層内(マトリツクス7内)に向つて成長
しているウイスカー6を含んでいる。 このようなウイスカー6を含む被膜3〜5を形
成するには、例えば次のようにする。 まず第2図に示すように、部材表面にウイスカ
ー析出条件となるもとでCVD処理を施し、ウイ
スカー6を成長させる。次に、被膜が形成される
CVD条件に変更した後、CVD処理を行い、部材
1の表面からセラミツクス被膜のマトリツクス7
を成長させる。(第3図参照) マトリツクス7がウイスカー6を埋めるにまで
成長した後、CVD条件を再度ウイスカー成長条
件に戻し、形成されたセラミツクス被膜3の上に
ウイスカー6を成長させる。(第4図参照) そしてウイスカー6がセラミツクス被膜3の上
に成長した後、CVD条件を被膜形成条件に変更
し、マトリツクス7をセラミツクス被膜3の上に
成長させ、その上に形成されていたウイスカーを
埋めるようにする。このウイスカー成長→マトリ
ツクス形成のプロセスを繰り返すことにより、複
数層のセラミツクス被膜を容易に形成することが
できる。 なお、CVD条件をウイスカー成長条件又は被
膜形成条件に制御するには、CVDガスの濃度や
CVD反応温度条件を適亘変更すれば良い。一般
に、温度を高くするか、或いは、CVDガスの過
飽和度を低くすることによりウイスカー成長傾向
が強まり、逆に、温度を低くするか、或いは
CVDガスの過飽和度を高めることにより、微粒
子多結晶の生成、即ち、被膜形成傾向が強まる。
従つて、このように、CVDガス濃度及びCVD反
応温度を適宜設定、変更することにより、ウイス
カーの成長及び被膜の形成を交互に行なうことが
可能とされる。 このようにして形成されたセラミツクス被膜2
を有する部材は、前述のように、ウイスカー6に
よる被膜3〜5の補強効果と、ウイスカー6によ
る機械的、熱的緩衝作用によりそれらの機械的特
性が著しく優れたものとなつている。更に、上述
のプロセスに従つてセラミツクス被膜を形成する
場合には、桂状晶の形成が殆どない。即ち、一般
にCVD処理によつて被膜を形成する場合におい
て、桂状晶が成長し易くなるのは膜の厚さが次第
に大きくなつてくるCVD処理後半期においてで
ある。上述のプロセスにおいては、マトリツクス
7はウイスカー6を埋めたところでその形成を一
端中断し、その上にウイスカー6を成長させた
後、あらためて被膜(マトリツクス7)の形成を
再開する。このようにマトリツクス7の形成は、
連続して行うものではなく、断続的であるので、
中断時に桂状晶の成長が停止され、層界面3a,
4a,5aよりも上側においては桂状晶が殆ど成
長しなくなるのである。 なお、ウイスカー6が三次元方向にランダムに
成長する場合には、マトリツクス7の一方向への
結晶成長が制限され、これによつても桂状晶の発
達が抑制されるものと推察される。 また、このようにウイスカー6の結晶粒成長抑
制効果により、得られるマトリツクス7が微細な
結晶質と成り、その機械的強度、耐食性等の特性
が一段と高められる。 図示の実施例においては、セラミツクス被膜が
3層形成されているが、本考案においては、1
層、2層、又は4層以上のセラミツクス被膜を形
成してもよい。なお、本考案においては、桂状晶
の成長を抑制するために、膜厚の大きな被膜を形
成する場合には、複数層のセラミツクス被膜を形
成するのが好ましい。 本考案において、セラミツクス被膜の材質とし
ては、特に限定されるものではなく、ウイスカー
6及びマトリツクス7共に酸化物、窒化物、珪化
物等各種のセラミツクスを用いることができる。
またウイスカー6はセラミツクスに限られず、耐
熱性、耐食性の特性を有する耐熱金属をも用いる
ことができる。 本考案においては、ウイスカー6とマトリツク
ス7は同じ材質のものであつてもよく、異なる材
質のものであつてもよい。但し、異なる材質のも
のを用いる場合には、両者の馴染みがよいもの或
いは熱膨張係数が近似しているものを用いるのが
好ましい。 次に具体的な実施例について説明する。 実施例 1 常圧焼結により得られた2mm×3mm×40mmのSiC
基材に、下記のSiCウイスカー成長条件によりウ
イスカーを成長させた後、引き続いて下記SiC被
膜形成条件にてSiC被膜を成長させ、この工程を
3回繰り返して行なつた。 SiCウイスカー成長条件 CVDガス: SiCl4=8c.c./min H2=2000c.c./min C3H8=2c.c./min 温度:1500℃ 全圧力:300torr 時間:40分 SiC被膜形成条件 CVDガス SiCl4=200c.c./min H2=1200c.c./min C3H8=60c.c./min 温度:1500℃ 全圧力:150torr 時間:30分 その結果、第1図に示す如く、各層にSiCウイ
スカーがその下側界面から成長し、そのウイスカ
ー間の隙間がSiC微結晶で埋められた緻密なる3
層SiC被膜(厚さ800μm)を有する部材が得られ
た。 このようにして得られた10個の部材について、
各々JIS R 1601に準拠して、常温にて4点曲げ
試験を実施し、平均値を求め、結果を第1表に示
した。 比較例 1 実施例1で用いたのと同様のSiC基材に、実施
例1のSiC被膜形成条件(ただし、時間は連続90
分とした。)にてSiC被膜(厚さ800μm)を形成
したものについて、実施例1と同様にして4点曲
げ強度の平均値を求め、結果を第1表に示した。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a member having a ceramic coating, and particularly to a member in which the coating has outstanding properties such as strength and corrosion resistance. [Prior Art] Ceramics have properties such as high temperature resistance, high corrosion resistance, and high hardness that are not found in conventional metal materials or synthetic resin materials. However, as is well known, it has low bending strength, low tensile strength, and brittleness, which limits its use as an independent member. Therefore, using ceramics as a coating material,
BACKGROUND ART Conventionally, it has been carried out to impart excellent properties such as high temperature resistance, high corrosion resistance, and high hardness to the surface of a member. As coating methods for forming such ceramic coatings, vapor deposition methods such as CVD as well as thermal spraying are known. [Problems to be solved by the invention] Since thermal spraying is simple and highly practical, it is used for ceramic coating of turbine blades, etc., but there is a problem that it is difficult to obtain a dense ceramic layer. The CVD method has the advantage of being able to obtain a highly pure film, but on the other hand, when the film thickness is large, the precipitates tend to form columnar crystals that grow perpendicular to the film surface. There is a problem that the value decreases. In other words, if the film produced by CVD treatment contains many columnar crystals grown perpendicular to the film surface,
Grain boundaries also become oriented in a direction perpendicular to the film surface. Then, when stress in a direction parallel to the film surface is applied to the film, the stress concentrates on the grain boundaries of the columnar crystals in the film, making it easier for fracture to start from these grain boundaries. Therefore, in ceramic films formed by conventional CVD methods, it has been difficult to form large film thicknesses with excellent mechanical properties. [Means for Solving the Problems] The present invention provides that when the surface of a member is coated with one or more layers of ceramic coating, whiskers grow into the layer from the lower interface of the layer. It is characterized by [Function] In the member having the ceramic coating of the present invention, the coating can be reinforced by the whiskers growing from the layer interface. In addition, the whiskers exert a mechanical or thermal buffering effect. Furthermore, the growth of columnar crystals can be suppressed by the formation of whiskers, and in combination with the above-mentioned effects, even more excellent mechanical properties are exhibited. [Examples] Examples will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a member having a ceramic coating according to an embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a member (base material), which is made of a material such as metal or ceramics. The surface of this member 1 has one or two layers.
A ceramic coating 2 of more than one layer is formed. In this example, three layers of ceramic coating 3,
4 and 5 are provided. The ceramic coatings 3 to 5 have lower interfaces 3a, 4a, and
It includes whiskers 6 growing from 5a toward the inside of the layer (inside the matrix 7). To form the coatings 3 to 5 including such whiskers 6, for example, the following procedure is performed. First, as shown in FIG. 2, CVD treatment is performed on the surface of the member under whisker precipitation conditions to grow whiskers 6. Next, a coating is formed
After changing to CVD conditions, CVD treatment is performed to remove the ceramic coating matrix 7 from the surface of member 1.
grow. (See FIG. 3) After the matrix 7 has grown to fill the whiskers 6, the CVD conditions are returned to the whisker growth conditions again, and the whiskers 6 are grown on the formed ceramic film 3. (See Figure 4) After the whiskers 6 have grown on the ceramic film 3, the CVD conditions are changed to film forming conditions, and the matrix 7 is grown on the ceramic film 3, and the whiskers formed on it are Try to fill in the . By repeating this process of whisker growth→matrix formation, multiple layers of ceramic coatings can be easily formed. In addition, in order to control the CVD conditions to whisker growth conditions or film formation conditions, the concentration of CVD gas and
The CVD reaction temperature conditions may be changed appropriately. In general, increasing the temperature or decreasing the supersaturation degree of CVD gas strengthens the whisker growth tendency, and vice versa.
By increasing the degree of supersaturation of the CVD gas, the tendency to generate polycrystalline particles, that is, to form a film, increases.
Therefore, by appropriately setting and changing the CVD gas concentration and CVD reaction temperature, it is possible to alternately grow whiskers and form a film. Ceramic coating 2 formed in this way
As mentioned above, the mechanical properties of the member having the above-described structure are extremely excellent due to the reinforcing effect of the whiskers 6 on the coatings 3 to 5 and the mechanical and thermal buffering effects of the whiskers 6. Furthermore, when forming ceramic coatings according to the process described above, there is little formation of katinate crystals. That is, when a film is generally formed by CVD processing, Katsura crystals tend to grow in the latter half of the CVD process when the film thickness gradually increases. In the above process, the formation of the matrix 7 is temporarily interrupted when the whiskers 6 are buried, and after the whiskers 6 are grown thereon, the formation of the film (matrix 7) is restarted. In this way, the formation of matrix 7 is
It is not continuous, but intermittent, so
At the time of interruption, the growth of the Katsura crystal is stopped, and the layer interface 3a,
Above 4a and 5a, almost no katinate crystals grow. In addition, when the whiskers 6 grow randomly in three-dimensional directions, the crystal growth of the matrix 7 in one direction is restricted, and it is presumed that this also suppresses the development of Katsura crystals. Further, due to the crystal grain growth suppressing effect of the whiskers 6, the obtained matrix 7 becomes finely crystalline, and its properties such as mechanical strength and corrosion resistance are further improved. In the illustrated embodiment, three layers of ceramic coating are formed, but in the present invention, one layer of ceramic coating is formed.
A ceramic coating may be formed in one layer, two layers, or four or more layers. In the present invention, in order to suppress the growth of Katsura crystals, when forming a thick coating, it is preferable to form a plurality of layers of ceramic coating. In the present invention, the material of the ceramic coating is not particularly limited, and various ceramics such as oxides, nitrides, and silicides can be used for both the whiskers 6 and the matrix 7.
Furthermore, the whiskers 6 are not limited to ceramics, and heat-resistant metals having heat-resistant and corrosion-resistant properties can also be used. In the present invention, the whiskers 6 and the matrix 7 may be made of the same material or may be made of different materials. However, when using different materials, it is preferable to use materials that are compatible with each other or materials that have similar coefficients of thermal expansion. Next, specific examples will be described. Example 1 2 mm x 3 mm x 40 mm SiC obtained by pressureless sintering
After growing whiskers on the base material under the following SiC whisker growth conditions, a SiC film was subsequently grown under the following SiC film forming conditions, and this process was repeated three times. SiC whisker growth conditions CVD gas: SiCl 4 = 8 c.c./min H 2 = 2000 c.c./min C 3 H 8 = 2 c.c./min Temperature: 1500°C Total pressure: 300 torr Time: 40 minutes SiC coating Formation conditions CVD gas SiCl 4 = 200c.c./min H 2 = 1200c.c./min C 3 H 8 = 60c.c./min Temperature: 1500℃ Total pressure: 150torr Time: 30 minutes As a result, the first As shown in the figure, SiC whiskers grow from the lower interface in each layer, and the gaps between the whiskers are filled with SiC microcrystals, forming a dense 3-layer structure.
A component with a layered SiC coating (thickness 800 μm) was obtained. Regarding the 10 members obtained in this way,
A four-point bending test was conducted at room temperature in accordance with JIS R 1601, the average value was determined, and the results are shown in Table 1. Comparative Example 1 The SiC film formation conditions of Example 1 were applied to the same SiC substrate as used in Example 1 (however, the time was 90 days continuously).
It was a minute. ) on which a SiC film (thickness: 800 μm) was formed, the average value of the four-point bending strength was determined in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.

【表】 第1表より、本考案によれば、800μmという厚
膜にもかかわらず、高強度なSiC被膜を有する部
材が提供されることが明らかである。 [効果] 以上詳述した通り、本考案によつて提供される
部材は、耐熱性、高硬度、耐食性等セラミツクス
が本来有する特性の他、機械的強度、耐熱衝撃性
も高い極めて優れた特性のセラミツクス被膜によ
つて被覆されている。 しかして、この被膜を複数層設けることによ
り、この優れた特性を具備した厚膜被覆が可能で
ある。
[Table] From Table 1, it is clear that according to the present invention, a member having a high-strength SiC coating is provided despite the thickness of 800 μm. [Effects] As detailed above, the member provided by the present invention has extremely excellent properties such as high mechanical strength and thermal shock resistance, in addition to the inherent properties of ceramics such as heat resistance, high hardness, and corrosion resistance. Covered with a ceramic coating. By providing a plurality of layers of this coating, a thick film coating with these excellent properties can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本考案の実施例に係る部材の表面近傍
部分の断面図、第2図、第3図及び第4図はそれ
ぞれセラミツクス被膜の形成方法を説明する断面
図である。 1……部材(母材)、3,4,5……セラミツ
クス被膜、6……ウイスカー、7……マトリツク
ス。
FIG. 1 is a sectional view of a portion near the surface of a member according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2, 3, and 4 are sectional views each illustrating a method of forming a ceramic coating. 1... Member (base material), 3, 4, 5... Ceramic coating, 6... Whisker, 7... Matrix.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 部材の表面に1層又は2層以上のセラミツクス
の被膜が設けられている部材において、セラミツ
クス層中には、その下側界面から成長したウイス
カーが存在していることを特徴とするセラミツク
ス被膜を有する部材。
A member having one or more layers of ceramic coating on the surface of the member, which has a ceramic coating characterized by the presence of whiskers growing from the lower interface in the ceramic layer. Element.
JP5710085U 1985-04-17 1985-04-17 Expired JPH0318487Y2 (en)

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