JPH04228479A - セラミック表面の保護方法および積層構造体 - Google Patents

セラミック表面の保護方法および積層構造体

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JPH04228479A
JPH04228479A JP11476391A JP11476391A JPH04228479A JP H04228479 A JPH04228479 A JP H04228479A JP 11476391 A JP11476391 A JP 11476391A JP 11476391 A JP11476391 A JP 11476391A JP H04228479 A JPH04228479 A JP H04228479A
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ceramic
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group
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Albert G Tobin
アルバート　ジー　トビン
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミック表面の対荷
重性能を高めるための、セラミック表面への金属層の接
着に関している。
【０００２】
【従来の技術】セラミックスは高温、腐蝕環境での使用
に耐え、そして構造金属以上に、対高温性能における潜
在的な重要性の増大を提供する材料として脚光を浴びて
いるとともに、構造金属に比して、重量とコストを顕著
に削減する材料でもある。しかしながら、セラミックス
は、固有的に、脆弱であり、そして表面損傷を受け易い
ので、高温、重荷重の構造体用途に対しては殆ど使用さ
れていない。セラミックスのこの二つの性質は、広範な
構造体用途に適応させるために、改善されなければなら
ない。近来、セラミックマトリックスの中に繊維を入れ
ることにより、材料の損壊に至るまでのより大きな耐ス
トレーン性能を許容し、そして高い損壊強度を有するセ
ラミック複合材を得ることが可能となったので、セラミ
ックスの耐ストレーン性能が飛躍的に改善されている。 このような好結果を反映して、セラミックスのぎりぎり
の構造体用途への適用の可能性が増大していると言える
。
【０００３】
【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、こ
のことは、セラミックスの物理的そして／または化学的
損傷に対する表面敏感性の問題を改善するものではない
。この表面敏感性の問題は、或る種のぎりぎりの用途に
おけるセラミックスの使用を極度に制限している、何故
ならば、セラミック部材の損傷は、表面から始る可能性
が極めて高く、損傷が始まれば、そのことが材料の急速
で悲劇的な損壊に繋がってゆくからである。
【０００４】本発明の目的は、セラミック表面に耐酸化
性の金属層を接着することによって、表面の耐用性と損
傷抵抗を高めることにある。延性のある金属層の存在は
、熱的および機械的なショックを吸収し、また、セラミ
ックの表面フローを回復せしめるので、表面の耐用性を
高め、それによって、表面から誘起される損傷の可能性
を減少する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の上記の目的なら
びに利益は、図面を参照しながら述べる以下の記述によ
って、より明瞭に理解されるであろう。
【０００６】図面には、セラミックの基板またはベース
が示されている。本発明の主たる目的は、セラミック表
面にかかる点荷重を分散して、これ等の荷重を減少せし
め、それによって表面クラックの発生を最小限にするた
めに、金属被覆をセラミック基板上に接着せしめること
である。前に述べたように、セラミックへの金属層の接
着は、熱膨張の不整合をもたらし、その結果、大きな熱
履歴に応答した金属−セラミック間の残留応力が発生す
る。本発明によれば、図面に示されるように、セラミッ
クと外側金属層の間に複数の中間層が採用される。中間
層１は、隣接する中間層２よりも低い膨張係数を有して
いる。その結果、中間層１および２は、比較的低い膨張
係数を有するセラミックと比較的高い膨張係数を有する
外側金属層との間に、膨張係数の傾斜を形成する。内側
のセラミックと外側の金属層との間の膨張係数のこの傾
斜は、内外層の間の熱膨張の不整合を効果的に橋渡しす
る、それによって、インターフェイスにおける残留スト
レスを発生することなしに、セラミックへの金属の接着
を可能ならしむる。
【０００７】二つの中間金属層のみが図示されているけ
れども、これはごく単純な例を示しているに過ぎない。 中間層の数は、外側金属層と使用する特定のセラミック
の選択に応じて変る。セラミックの選択は、積層セラミ
ック（金属−セラミックの積層物）が使用される環境に
依存していることは勿論である。外側金属層に何を用い
るかをきめる主要な考慮は、予測される環境下で受ける
熱履歴による酸化に抵抗するこの層の能力である。また
、遭遇する環境下での腐蝕と酸化に抵抗するこの層の能
力でもある。或る種の用途において、この金属はまた、
環境の予測される浸蝕作用にも抵抗するように選択され
なければならない。
【０００８】膨張係数の相違を橋渡しするために、外側
金属層とセラミックとの間の順次的な中間層（複数）を
形成せしめるという本発明のコンセプトを実現するに当
り、実際の材料は、この技術分野で通常の知識を有する
者が通常行う実験の結果に従って選択される。しかしな
がら、これ等の選択は、第一に、次のような冶金学的な
原則に従っていなければならない。すなわち、中間金属
層１は、使用中の割れを防止する延性を有していなけれ
ばならない。第二に、各層に用いられる金属は、それぞ
れ、冶金学的に新和性のあるものでなければならない。 すなわち、外側層の金属は、中間層２の中に冶金学的に
溶解するものでなければならない。同様の関係が、中間
層２と中間層１との間に存在しなければならない。そう
ではなくて、互に不新和性の金属を用いた場合には、形
成された積層体の構造的破壊の可能性を増大させる脆化
が起こる。
【０００９】少なくとも、次の５つの「セラミック」材
料が、本発明に従って、有用なものとして期待される。 勿論、これ等は例示的なものであり、全てを含んでいる
わけではない。該セラミックスは、窒化シリコン、シリ
コンカーバイド、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム
、およびカーボン−カーボン（カーボン繊維複合材）を
含んでいる。顕著な酸化抵抗を有し、それ故、外側金属
層として有力な候補である延性合金は、ＦｅＣｒＡｌｙ
　、ＮｉＣｒ、ＦｅＮｉＣｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ
、Ｐｄ、そしてＮｉＣｒＡｌｙ　よりなる群の中の材料
を含んでいる。
【００１０】有用な中間金属層に用いられる金属として
、例示的に、次のような金属を挙げることができる。 これ等の金属は、セラミック相と外側金属層との中間の
熱膨張係数を有することのできる材料である。すなわち
：Ｔｉ、Ｖ　、および　Ｚｒ　である。これ等の金属は
セラミックの表面に化学的に接着し、カーバイド、ニト
ライド、またはサブオキサイドの何れかを形成する。そ
して、これ等の物質はセラミックと外側金属層との中間
的な熱膨張係数を有する。
【００１１】
【実施例】本発明の一つの実施例において、窒化シリコ
ン（シリコンニトライド）セラミックス（Ｓｉ３　Ｎ　
４　）がセラミック基板として利用される。このものは
、Ｓｉ３　Ｎ　４　基板に接する最も内側の中間層が　
Ｚｒ　である４層構造の複合体である。次の中間層は　
　Ｔｉ　　よりなる。これに続く中間層は　Ｖ　　であ
り、そして外側金属層はＦｅＣｒＡｌｙ　　合金である
。この系に対する高温真空アニーリング熱処理の間に、
Ｚｒ　　はＺｒＮ　　層を形成することによって、Ｓｉ
３　Ｎ　４　に化学的に接着する。Ｔｉ　　層は　Ｚｒ
　層に溶解可能であり、また　Ｖ　　層は　Ｔｉ　層に
溶解可能である。一方、ＦｅＣｒＡｌｙ　層は　Ｖ　　
層に溶解可能である。この系の膨張係数は、次の順に傾
斜している：Ｓｉ３　Ｎ　４　、Ｚｒ、Ｔｉ、ＦｅＣｒ
Ａｌｙ　。かくして、延性と酸化抵抗性を有する金属−
セラミック層によって、Ｓｉ３　Ｎ　４　の表面を保護
することが可能になる。各層の厚さは、セラミック部品
が受ける時間−温度への暴露中の各金属層相互間の拡散
率（ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ）　によって、そしてまた
、予測される環境への暴露の程度によって、決められる
。このような決定は、当該技術分野で通常の知識を有す
る者が行う通常の実験結果によって達成される。
【００１２】ＳｉＣ　セラミック材は、Ｓｉ３　Ｎ　４
　セラミックの場合と同じように、傾斜した熱膨張係数
を有している金属層（複数）によって保護され得る。と
いうのは、Ｚｒ　　がカーバイト層を容易に形成して　
ＳｉＣ　　へ化学的に接着するからである。従って、次
のような層構成が有効である：　ＳｉＣ、Ｚｒ、Ｔｉ、
Ｖ　、および　ＦｅＣｒＡｌｙ　　。
【００１３】カーボン−カーボン基板材料に対しては、
次のような層構成が提案される：Ｃ−Ｃ　、Ｚｒ、Ｔｉ
、Ｖ　、および　ＦｅＣｒＡｌｙ　　。
【００１４】また、ＺｒＯ　２　　　のセラミック基板
に対しては、二つの中間層が望ましい。すなわち、Ｖ　
と　ＦｅＣｒＡｌｙ　　である。
【００１５】この　ＦｅＣｒＡｌｙ　　タイプの合金は
、外側金属層として次のような合金系の何れかによって
、酸化条件の如何に従って、置き換えることができる：
１）　ＮｉＣｒ　 ２）　ＦｅＣｒＮｉ　（ステンレススチール）３）　Ｐ
ｔ　、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、および　Ｐｄ　上記　２）　
のグループ、すなわち、ステンレススチールの利用は、
比較的温度の低い場合に好ましい。また、ステンレスス
チールはコスト低減に役立つ。これとは対照的に、上記
　３）　のグループは、より高温の環境での利用に適し
てはいるが、それ相応の材料コストの増加を免れない。
【００１６】各層間の相互拡散は、系の相互拡散係数な
らびにセラミック基板の反応速度に基づいて決められる
温度および時間での真空アニーリング処理中に行われる
。処理条件の選択は、通常の実験結果によって決められ
る。金属層（複数）の形成は、物理的な蒸着、電着、プ
ラズマアークスプレイ、またはその他のコーティング処
理、のような各種基板への金属メッキに関して、熟練技
術者が慣用的に用いる方法によって行うことができる。 加えて、拡散接着操作を介して金属ホイルの層を結合す
ることも可能であろう。
【００１７】本発明に関する上記の記述を取りまとめて
述べれば、そこには、セラミックの熱的、機械的、又は
化学的な原因による表面損傷に対する抵抗性を高めるた
めの、セラミック表面へ酸化抵抗性の延性金属層を接着
する方法が提供される。このことは、或る種の金属（複
数）のセラミックに対する化学反応性を利用することに
より、またこれ等の種々の金属層の熱膨張率を傾斜させ
るように多層構造体の中間層を形成せしめることによっ
て、達成される。中間金属層は相互に冶金学的に親和性
があり、そして外側金属層は予測される環境に対して、
その酸化抵抗性と浸蝕抵抗性を考慮して選択される。多
層積層体の各層を形成するに当り、慣用のコーティング
手法またはホットプレスを介しての慣用のコーティング
手法が用いられ、これに引続く適切なアニーリング処理
を施すことによって、金属層（複数）の部分相互拡散と
セラミック相への接着が達成される。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明により、セ
ラミックの熱的、機械的、又は化学的な原因による表面
損傷に対する抵抗性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に従った、典型的な多層構造体の
線図的な断面図である。

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　下記　ａ）　、ｂ）、および　ｃ）　
    の工程よりなる、セラミック表面の損傷抵抗性を高める
    ための方法：ａ）　　セラミック基板の上に少なくとも
    一つの化学反応性の中間金属層を形成する工程と、 ｂ）　　前記中間層の上に、これと冶金学的に親和性の
    ある外側の延性および酸化抵抗性の金属層をコーティン
    グまたはフォイルの形で形成する工程と、しかして、該
    基板と該外側の金属層との間には、熱膨張係数の傾斜を
    存在せしめ、 ｃ）　　該形成された積層体を熱処理して、該中間およ
    び外側層の部分相互拡散を生ぜしめるとともに、中間層
    と基板との間に接着を生ぜしめる工程。
  2. 【請求項２】　　セラミック基板の材料が、Ｓｉ３　Ｎ
    　４　、ＳｉＣ　、Ａｌ２　Ｏ　３　、ＺｒＯ　２　、
    およびカーボン−カーボンよりなる群から選ばれる請求
    項１に記載した方法。
  3. 【請求項３】　　中間金属層の材料が、Ｔｉ、Ｚｒ、お
    よび　Ｖ　　よりなる群から選ばれる請求項１に記載し
    た方法。
  4. 【請求項４】　　外側金属層が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉ
    ｒ、Ｒｈ、および合金系　ＦｅＣｒＡｌｙ、ＦｅＮｉＣ
    ｒ、ＮｉＣｒ、および　ＮｉＣｒＡｌｙ　　よりなる群
    から選ばれる請求項１に記載した方法。
  5. 【請求項５】　　中間金属層の材料が、Ｔｉ、Ｚｒ、お
    よび　Ｖ　　よりなる群から選ばれ、そして外側金属層
    の材料が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒｈ、および合金
    系　ＦｅＣｒＡｌｙ、ＦｅＮｉＣｒ、および　ＮｉＣｒ
    Ａｌｙ　　よりなる群からから選ばれる請求項２に記載
    した方法。
  6. 【請求項６】　　下記　ａ）　、ｂ）、および　ｃ）　
    の工程よりなる、セラミック表面の損傷抵抗性を高める
    ための方法：ａ）　　セラミック基板の上にコーティン
    グまたはフォイルの形で化学反応性の中間金属層の複数
    を形成する工程と、 ｂ）　　冶金学的に親和性のある中間層に対して、延性
    および酸化抵抗性の外側金属層を形成する工程と、しか
    して、該中間層は、該基板と該外側金属層との間に、熱
    膨張係数を順次的に傾斜せしめ、 ｃ）　　　上記　ａ）　、ｂ）　　工程で得られた積層
    体を熱処理して、中間層と外側金属層の部分相互拡散を
    生ぜしめるとともに、基板とそれに隣接する中間層との
    間に接着を生ぜしめる工程。
  7. 【請求項７】　　セラミック基板に接着された、少なく
    とも一つの、該基板と化学的に反応した、中間金属層と
    、冶金学的に親和性の該中間層に相互拡散された、延性
    および酸化抵抗性の外側金属層と、よりなり、形成され
    た積層構造体が、基板と外側層との間に熱膨張係数の傾
    斜を有することを特徴とするセラミック基板の表面の耐
    用性を高める、セラミック基板のための、被覆。
  8. 【請求項８】　　セラミック基板の材料が、Ｓｉ３　Ｎ
    　４　、ＳｉＣ　、Ａｌ２　Ｏ　３　、ＺｒＯ　２　、
    およびカーボン−カーボンよりなる群から選ばれる請求
    項７に記載した構造体。
  9. 【請求項９】　　中間金属層の材料が、Ｔｉ、Ｚｒ、お
    よび　Ｖ　　よりなる群から選ばれる請求項７に記載し
    た構造体。
  10. 【請求項１０】　　外側金属層が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｏｓ、
    Ｉｒ、Ｒｈ、および合金系　ＦｅＣｒＡｌｙ、ＦｅＮｉ
    Ｃｒ、ＮｉＣｒ、および　ＮｉＣｒＡｌｙ　　よりなる
    群からから選ばれる請求項７に記載した構造体。
  11. 【請求項１１】　　中間金属層の材料が、Ｔｉ、Ｚｒ、
    および　Ｖ　　よりなる群から選ばれ、そして外側金属
    層の材料が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒｈ、および合
    金系　ＦｅＣｒＡｌｙ、ＦｅＮｉＣｒ、ＮｉＣｒ、およ
    び　ＮｉＣｒＡｌｙ　　よりなる群からから選ばれる請
    求項８に記載した構造体。
  12. 【請求項１２】　　下記　ａ）　、ｂ）　　よりなる、
    セラミック基板の表面耐用性を高めるセラミック基板の
    ための積層構造体：　　 ａ）　　コーティングまたはフォイルの形でセラミック
    基板の上に形成された、化学的に反応した中間金属層の
    複数、しかして、該基板に直に隣接する中間層は該基板
    に接着され、また、他の中間層は相互に冶金学的に親和
    性を有しており、 ｂ）　　中間層と相互拡散されそしてそれ等に冶金学的
    に親和性を有する延性および酸化抵抗性の外側層、しか
    して、熱膨張の傾斜が、セラミックと外側金属層の異な
    った熱膨張係数を橋渡しする中間層によって、生じてい
    る。
  13. 【請求項１３】　　セラミック基板の材料が、Ｓｉ３　
    Ｎ　４　、ＳｉＣ　、Ａｌ２　Ｏ　３　、ＺｒＯ　２　
    、およびカーボン−カーボンよりなる群から選ばれる請
    求項１２に記載した構造体。
  14. 【請求項１４】　　中間金属層の材料が、Ｔｉ、Ｚｒ、
    および　Ｖ　　よりなる群から選ばれる請求項１２に記
    載した構造体。
  15. 【請求項１５】　　外側金属層が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｏｓ、
    Ｉｒ、Ｒｈ、および合金系　ＦｅＣｒＡｌｙ、ＦｅＮｉ
    Ｃｒ、ＮｉＣｒ、および　ＮｉＣｒＡｌｙ　　よりなる
    群からから選ばれる請求項１２に記載した構造体。
  16. 【請求項１６】　　中間金属層の材料が、Ｔｉ、Ｚｒ、
    および　Ｖ　　よりなる群から選ばれ、そして外側金属
    層の材料が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒｈ、および合
    金系　ＦｅＣｒＡｌｙ、ＦｅＮｉＣｒ、ＮｉＣｒ、およ
    び　ＮｉＣｒＡｌｙ　　よりなる群からから選ばれる請
    求項１２に記載した構造体。
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