JPH04362147A - 遷移液相強化によって金属マトリックス複合物を形成する方法 - 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】

【０００１】

【技術分野】この発明は複合材料に関し、かつ特定的に
は遷移液相強化によって合成された繊維強化合金マトリ
ックス複合物に関する。

【０００２】

【発明の背景】複合材料は靭性、高い強度および低い重
量のような特性を有して設計され得、均一材料が効果的
ではなくまた不適切な多くの応用において有用である。 たとえば、複合物の広い分類である繊維強化材料は典型
的にプラスチックまたは金属のようなマトリックス材に
埋め込まれるガラスまたはセラミックのような材料の繊
維を含み、マトリックス材の強度を改良する。そのよう
な強化材料の製造はしかしながら、繊維とマトリックス
材との間の物理的な不一致によってしばしば困難であり
得る。

【０００３】多重層、連続繊維強化合金マトリックス複
合物を製造する１つの方法はいわゆるホイル／繊維／ホ
イル方法である。この方法において、強化繊維は金属ホ
イルの層の間に挟まれる。圧力および熱はそれから、金
属構造への繊維の固体強化のために積層構造に与えられ
る。

【０００４】基本的なホイル／繊維／ホイル方法は、相
対的に軟質の金属マトリックスでの大きな直径の繊維の
強化に適切だが、それは小さな直径の、脆性繊維、特に
相対的に硬質のマトリックス合金における麻屑（ｔｏｗ
　）の形状においての強化に不十分であるということが
証明された。たとえば、拡散接合に耐える耐クリープ性
合金または他のマトリックス材での強化に必要とされる
高い温度、圧力および露出時間で、強化繊維は工程の間
マトリックス内で完全に強化されないで過度の化学的か
つ機械的損傷を受ける。こうして、完全に強化された強
化繊維での金属マトリックス複合物を形成する新しいか
つ効果的な方法が必要とされる。

【０００５】

【発明の概要】この発明は金属マトリックス材において
強化繊維を強化し金属マトリックス複合物を形成する方
法を含む。アルミナ（Ａｌ２　Ｏ３）繊維のような小さ
な直径の脆性繊維はマットまたは麻屑の形状で与えられ
得、かつ適当な保護被覆を含み得る。たとえば薄いホイ
ル、粉末または被覆の形状であり得る銀（Ａｇ）のよう
な遷移液相拡散接合剤は繊維を金属マトリックス材へと
強化するためのビヒクルとして準備される。接合剤はマ
トリックス材のものよりも低い溶融温度、繊維（または
繊維被覆）との最小反応でのその液相における繊維の良
好な濡れ、マトリックス材における高い溶解性およびま
たは拡散性、ならびにマトリックス材の要素で希釈され
るときの迅速等温凝固を有するように選択される。

【０００６】強化繊維および遷移液相拡散接合剤は金属
マトリックス材の層の間に位置され積層構造を形成する
。積層構造はそれから繊維に対する損傷を避けるために
最小の圧力の下で加熱される。液化の際に、接合剤は繊
維マットまたは麻屑に浸透し、各々の繊維を取囲みかつ
濡らす。同時に、液相接合剤は拡散しかつマトリックス
材で合金にされ、迅速等温凝固およびマトリックスにお
ける繊維の完全な強化という結果に終る。こうして、遷
移液相拡散接合剤は強化繊維に浸透し、繊維を金属に強
化しかつマトリックス材の層を接合する。

【０００７】

【好ましい実施例の説明】この発明は強化繊維が金属マ
トリックス内で強化される金属マトリックス複合物を形
成する方法を含む。一般的には、この方法は固体拡散接
合に耐える金属における繊維の強化に有用である。この
方法は特定的にはアルミナ繊維（多結晶または単結晶形
状のＡｌ２　Ｏ３　）のような小さな直径の脆性繊維を
γ−チタン・アルミナイド合金（γ−ＴｉＡｌ）または
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ超合金のような高温、耐クリープ性合
金に強化するために有用である。

【０００８】この発明の基本的な方法は図１Ａないし図
１Ｄに概略的に示される。金属マトリックス材１０は粒
界の概略的な表示で示され、ホイルシートのような層に
準備される。強化繊維１２は単繊維、マットまたは麻屑
の形状で与えられ得、かつ保護被覆を含み得、遷移液相
拡散接合剤１４の層の間に挟まれる。繊維／接合剤のサ
ンドイッチ構造は順番にマトリックス材１０の層の間に
挟まれる。接合剤１４は二重（図１Ａに示されるように
）または単層のホイルとして与えられ得るが、それはま
た目の粗い粉末、マトリックス１０の繊維１２もしくは
接合表面上の被覆、またはマトリックス１０の表面にお
ける含浸層のような様々な他の形状で効果的に与えられ
得る。

【０００９】加熱されると、遷移液相拡散接合剤１４は
、繊維マットまたは麻屑に浸透し、個々の繊維１２を濡
らし、かつそれから等温で凝固させかつマトリックス１
０へと拡散させ、層を接合することによってマトリック
ス１０において繊維１２を強化するためのビヒクルとし
て作用する。高品質の金属マトリックス複合物の製造の
ために、遷移液相拡散接合剤１４が以下の特性を有する
ことが所望であり、すなわち１．マトリックス１０の溶
融温度よりも少ない溶融温度、２．繊維（または繊維被
覆）の良好な浸透および濡れ、３．繊維強度の劣化およ
びまたは脆性中間層の形成を避けるための繊維（または
繊維被覆）の最小の溶解またはそれとの反応、４．主要
なマトリックス合金要素で希薄されるときの迅速等温凝
固（すなわち固相線および液相線における急な上昇）、
５．マトリックス合金（すなわち迅速均質化）における
高い溶解性およびまたは高い拡散性、６．均質マトリッ
クスにおいていずれの平衡低溶融温度または脆性相もな
いこと、さらに、７．均質マトリックス合金における特
性の所望の平衡である。

【００１０】繊維１２および遷移液相拡散接合剤１４が
金属マトリックス１０の層の間に挟まれた後、その構造
は接合剤１４が液化するまで低圧で加熱される。図１Ｂ
に示されるように、液相接合剤１６は繊維麻屑を浸透し
かつ個々の繊維１２を濡らす。液相接合剤１６はまたマ
トリックス材１０へと拡散しかつそれを溶解し始める。 液相接合剤１６による繊維１２の濡れはマトリックス材
１０からの活性要素の溶解によって容易にされ得る。こ
の方法は図１Ｃに示されるように繊維１２のまわりに等
温で凝固された、不均質金属マトリックス１８を迅速に
発生させる。不均質マトリックス１８の発生は本質的に
は等温下であるが、温度および圧力は接合剤１４の液化
の後変化され得、マトリックス１８の所望の特性を達成
する。マトリックス１８の迅速、低圧、本質的に等温凝
固の利点は繊維１２の完全な強化およびそれに対する最
小の損傷およびまたはそれとの反応を含む。さらに、遷
移液相拡散接合剤１４の選択および使用はたとえば、フ
ァイバの濡れの有効性、結合強度および金属マトリック
ス複合物の耐クリープ性のような因子の制御を与える。 最後に、所望であるなら、構造は温度／圧力処理プロフ
ァイルに従って図１Ｄに示されるように完全に強化され
た繊維１２のまわりで金属マトリックス１０を均質化し
てもよい。

【００１１】

【方法例：γＴｉＡｌ／Ａｌ２　Ｏ３　】γ−チタン・
アルミナイド（γ−ＴｉＡｌ）マトリックスにおけるア
ルミナ（Ａｌ２　Ｏ３　）を含む金属マトリックス複合
物は約９８０℃までの温度での高い強度−重力比を有す
る。単結晶（サファイア）または多結晶形でのアルミナ
繊維はその最小化学反応性および金属マトリックスとの
良好な熱膨張整合のために高温、耐クリープ性金属の強
化に有用である。さらに、およそ１１μｍの公称直径を
有する多結晶アルミナ繊維は４００−繊維麻屑の形状で
３Ｍカンパニー（Ｃｏｍｐａｎｙ　）から商業的に利用
可能である。

【００１２】γ−ＴｉＡｌ／Ａｌ２　Ｏ３　システムに
おいて、銀（Ａｇ）は遷移液相拡散接合剤１４として作
用する好ましい金属である。銀は、チタンのγ，α−２
およびβ相の関連の安定性に対してとるに足りない効果
しか有さないＴｉＡｌのγとα−２相とにおいて便利な
溶融温度（９６２℃）および相対的に高い溶解性（約７
重力％）を有する。さらに、銀は相対的に軟質でかつ迎
合的であり、たとえば、ホイル、粉末または被覆のよう
ないくつかの異なる形状で界面材料として与えられ得る
。

【００１３】１つの実験において、アルミナ繊維の麻屑
および３８μｍ　　Ａｇホイルの単層は粉末処理された
Ｔｉ−４８Ａｌ−２．５Ｎｂ−０．３Ｔａ鍛造合金から
切断されたマトリックス材の層の間に置かれた。積層構
造は１時間の間１１００℃、３４ＭＰａでホットプレス
された真空であった。水銀はアルミナ繊維麻屑を浸透す
ることにおいて大変効果的でありかつホットプレッシン
グ動作の間マトリックス合金の２つの層の界面に沿って
繊維が自然に広がるのを助けた。さらに、Ｘ線エネルギ
ー分散マイクロ分析は、銀が等温凝固の後非常によく分
散したということを示した。２重量％よりも高いいかな
る銀の濃度もたとえ接合線においても見つけられ得ず、
かつ銀は接合線から６００μｍまで検出された。微小硬
さ測定によって、接合線に接近するかまたはそこから離
れたいずれの軟質の領域も発見されなかった。しかしな
がら、非常に硬質の領域は各々のＡｌ２　Ｏ３　繊維に
隣接するすぐのところで見つかった。透過型電子顕微鏡
回折分析はこの領域がα−２結晶構造を有するというこ
とを示し、それは繊維表面を攻撃するのに十分なチタン
が液体に溶解した後の水銀によるアルミナ繊維の予想さ
れた溶解と一致する。

【００１４】前述の方法によって発生された金属マトリ
ックス複合物は室温から真空での９８０℃への１００熱
サイクルに従った。熱サイクリングは繊維のまわりまた
はその間でいずれのマイクロクラッキングをも発生しな
かった。このことは硬質α−２の「反応」層が有用な複
合物に対して許容可能である事を示し得るが、反応を最
小限にするまたは削減するために様々なステップが評価
されてきた。最も簡単な方策は繊維表面上の液体Ａｇ−
Ｔｉの滞在時間を最小限にすることである。この方策は
、温度サイクルの注意深い制御を伴って、繊維のまわり
でα−２位相材料の量を削減することにおいて幾分か効
果的であるということが証明された。別の方策は、より
効果的であり、それは適当な保護材料の薄層で繊維をプ
レコートすることである。理想的な繊維被覆材料は薄層
として便利に与えられ得、かつ良好な繊維の濡れを促進
するためにちょうど十分な反応性で液体（Ａｇ−γ−Ｔ
ｉ）への露出を切り抜けて残存するものであるが、それ
は著しい繊維の劣化または有害マトリックス反応層の形
成を引起こしはしない。高融点金属と同様にニオブ（Ｎ
ｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タング
ステン（Ｗ）およびレニウム（Ｒｅ）のような様々なセ
ラミック材料は効果的な繊維被覆を提供し得る。評価さ
れた被覆材料のうち、Ｙ２　Ｏ３　およびＥｒ２　Ｏ３
　のみが液相接合剤によって適度に攻撃され、かつＴｉ
Ｂ２　は実質的には影響を受けなかった。Ｍｏの被覆は
、液相接合剤がたとえ繊維のまわりに新しい相を形成す
べく反応するとしても、それからＡｌ２　Ｏ３　繊維を
保護することにおいて効果的であるということが発見さ
れた。現在、ＴｉＢ２　およびＭｏはアルミナ繊維に対
する保護被覆のための主な候補と考えられている。

【００１５】

【方法例：インコロイ（登録商標）９０９／Ａｌ２　Ｏ
３　】インコロイ（登録商標）９０９は低い熱膨張係数
および高温、高圧水素脆性に対するほどよい抵抗を有す
る鉄基の超合金である。繊維が最大動作温度での合金の
低い耐クリープ性を補うことができるので、インコロイ
（登録商標）９０９は繊維強化の候補である。

【００１６】１つの実験において、アルミナ繊維麻屑は
インコロイ（登録商標）９０９の層の間に位置された。 ＮＩＦＬＥＸＴＭ７７ろう付用ホイル（Ｎｉ−７Ｃｒ−
３Ｆｅ−４．５Ｓｉ−３．０Ｂ、５８μｍ厚み）は遷移
液相拡散接合剤１４として使用された。ホウ素（Ｂ）お
よびシリコン（Ｓｉ）は鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）
およびコバルト（Ｃｏ）の主超合金要素に対してのこの
ホイルにおける効果的な溶融温度降下剤である。この発
明の遷移液相強化方法を使用して、インコロイ（登録商
標）９０９マトリックスにおける繊維の完全な強化が達
成された。この金属マトリックス複合物の形成において
液体金属と繊維との間にいずれの逆の反応もないように
思われた。この複合物の評価された温度露出および熱サ
イクリングは繊維またはマトリックス界面領域のいずれ
かのいずれの劣化（反応またはクラッキング）も発生さ
せなかった。

【００１７】遷移液相拡散接合剤１４としてのＮＩＦＬ
ＥＸＴＭ７７ホイルの代替物はマトリックス界面で発生
された液相の量を最小限にするために使用されかつマト
リックス合金組成の修正を最小限にするように使用され
得る。たとえば、融点（すなわち共融解）を実際的な強
化温度へと下げるべく付加された十分なホウ素およびま
たはシリコンを有するマトリックス合金の細粉は不活性
ガスによる噴霧化のような多数の従来の粉末処理技法に
よって準備され得る。粉末の薄層は、たとえばアルコー
ルキャリヤを使用してマトリックス材の層の接合表面に
与えられ得る。繊維はそれからマトリックス材の粉末被
覆層の間に位置され得、かつ構造は上で説明されたよう
に処理され得る。粉末はまた単繊維、マットまたは麻屑
に直接与えられ得る。従来の低残留有機質粘結剤化合物
は繊維の操作の間粉末を適所に保持するために使用され
得る。第３の代替方法はホウ素のような融点降下剤をマ
トリックス材の被覆、粉末または気相含浸の形状でマト
リックス材の接合表面に直接印加することである。

【００１８】前述の方法例は２つの著しく異なるマトリ
ックス材におけるアルミナ繊維の強化を説明するが、こ
の発明の方法は強化繊維またはマトリックス材のこれら
の特定の型に制限されない。上で説明されたチタンアル
ミナイドおよび超合金材料に加えて、マトリックスはα
−Ｔｉ、β−Ｔｉ、もしくはα＋β−Ｔｉ合金またはＦ
ｅ、Ｎｉ、もしくはＣｏの他の合金を含み得、それは一
般的にはアルミナ繊維で強い接合を形成するためにＣｒ
、ＴｉまたはＺｒを必要とする。マトリックスはまた高
い強度のアルミナ合金を含み得、そこではこの方法は埋
め込まれた光ファイバのような繊細な繊維を組入れるた
めに特に有用であり得る。適当な強化繊維は、たとえば
Ａｌ２　Ｏ３　、ＴｉＢ２　およびＳｉＣ（Ｔｅｘｔｒ
ｏｎ　　ＳＣＳ−６のような）を含み、それはたとえば
ＴｉＢ２　、Ｙ２　Ｏ３　、Ｅｒ２　Ｏ３　または耐火
金属のような保護被覆を有し得る。適当な遷移液相拡散
接合剤１４はたとえばチタン基のマトリックス合金に対
してＡｇ、Ｃｕ、ＡｌならびにＴｉ−Ｃｕ−Ｎｉ、Ａｇ
−ＡｌおよびＣｕ−Ａｌのような合金を含み、アルミニ
ウム基のマトリックス合金に対してＺｎ、Ｍｇ、Ｚｎ−
ＡｌおよびＭｇ−Ａｌを含み、かつＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ超
合金に対して溶融温度降下剤としてＢ、Ｓｉ、Ｐおよび
その合金を含む。

【００１９】上で説明されたように、この発明の遷移液
相強化方法は様々な金属マトリックス複合物システムで
使用され得る。製造の利益は低圧強化、高強度耐クリー
プ性マトリックス合金の使用、繊維マットまたは麻屑の
使用ならびにホイル、粉末および被覆のような様々な形
状の接合剤の使用を含む。方法が繊維の損傷を少なくし
かつ空げきオキサイド、カーバイドおよび金属間粒子の
ような拡散接合の欠点をより少なくするので、金属マト
リックス複合物の品質は改良される。さらに、遷移液相
強化方法は金属マトリックス複合物の繊維／マトリック
スの濡れ、結合強度、および物理的特徴を制御する機会
を与える。

【００２０】この発明はその特定の例に関して説明され
てきたが、様々な変更および修正がこの開示によって当
業者に対して示唆され得る。したがって、この発明は前
掲の特許請求の範囲の範囲内にあるような変更および修
正を包含することが意図される。

【００２１】この発明のさらに完全な理解のためにかつ
そのさらなる利点のために、この発明の以下の詳細な説
明は添付の図面を参照する。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａ〜Ｄは遷移液相強化による金属マトリックス
複合物を合成する基本ステップを示す概略断面図である
。

【符号の説明】

１０　　金属マトリックス材 １２　　強化繊維 １４　　遷移液相拡散接合剤 １６　　液相接合剤 １８　　不均質金属マトリックス

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　金属材料（１０）のマトリックス内で
   強化された繊維（１２）を含む金属マトリックス複合物
   を形成する方法であって、遷移液相拡散接合剤（１４）
   を準備するステップと、積層構造を形成するためにマト
   リックス材（１０）の層の間に繊維（１２）および前記
   接合剤（１４）を配置するステップと、前記接合剤（１
   ６）を液化するために前記積層構造を加熱するステップ
   と、前記液化された接合剤（１６）で繊維（１２）を濡
   らすステップと、さらに、マトリックス（１０）におい
   て繊維（１２）を強化するために前記接合剤（１８）を
   凝固させるステップとを特徴とする方法。
2. 【請求項２】　　前記接合剤を凝固させるステップが、
   接合合金（１８）を形成するために前記液化された接合
   剤（１６）においてマトリックス材（１０）のいずれか
   を溶解するステップと、前記接合合金（１８）を等温で
   凝固させるステップとをさらに含む、請求項１に記載の
   方法。
3. 【請求項３】　　均質マトリックス（１０）において繊
   維（１２）を強化するために前記接合合金（１８）を拡
   散するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 【請求項４】　　繊維（１２）を準備するステップがア
   ルミナ繊維（１２）のマットまたは麻屑を提供するステ
   ップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】　　マトリックス材（１０）としてチタン
   アルミナイド合金を与えるステップをさらに含む、請求
   項４に記載の方法。
6. 【請求項６】　　Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ＴｉＢ
   ２　、Ｙ２　Ｏ３　およびＥｒ２　Ｏ３　からなる材料
   のグループから選択された保護被覆で前記アルミナ繊維
   （１２）を被覆するステップをさらに含む、請求項５に
   記載の方法。
7. 【請求項７】　　遷移液相拡散接合剤（１４）を与える
   ステップがＡｇ、Ｃｕ、ＡｌならびにＴｉ−Ｃｕ−Ｎｉ
   、Ａｇ−ＡｌおよびＣｕ−Ａｌ合金からなる材料のグル
   ープから前記接合剤（１４）を選択することを含む、請
   求項５に記載の方法。
8. 【請求項８】　　遷移液相拡散接合剤（１４）を準備す
   るステップがホイル、粉末または被覆として前記接合剤
   （１４）を与えることを含む、請求項３に記載の方法。
9. 【請求項９】　　マトリックス材（１０）として超合金
   を与えかつＢ、Ｓｉ、Ｐおよびその合金からなる材料の
   グループから前記接合剤（１４）を選択するステップを
   さらに含む、請求項３に記載方法。
10. 【請求項１０】　　マトリックス材（１０）としてアル
    ミニウム合金を準備しかつＺｎ、Ｍｇ、Ｚｎ−Ａｌおよ
    びＭｇ−Ａｌからなる材料のグループから前記接合剤（
    １４）を選択するステップをさらに含む、請求項３に記
    載の方法。
11. 【請求項１１】　　金属材料（１０）内で強化された小
    さな直径の、脆性繊維（１２）のマットまたは麻屑を含
    む金属マトリックス複合物を形成する方法であって、遷
    移液相拡散接合剤（１４）を準備するステップと、積層
    構造を形成するためにマトリックス材（１０）の層の間
    に繊維（１２）および前記接合剤（１４）を配置するス
    テップと、前記接合剤（１６）を液化するために前記積
    層構造を加熱するステップと、マットまたは麻屑を浸透
    しかつ前記液化された接合剤（１６）で繊維（１２）を
    濡らすステップと、さらに、マトリックス材（１０）に
    おいて繊維（１２）を強化するために前記接合剤（１８
    ）を等温で凝固させかつそれから拡散させるステップと
    を特徴とする方法。
12. 【請求項１２】　　金属材料（１０）のマトリックスを
    準備するステップがチタン合金、チタンアルミナイド合
    金、アルミニウム合金およびＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ超合金か
    らなるグループから選択された材料（１０）のマトリッ
    クスを与えることを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 【請求項１３】　　繊維（１２）のマットまたは麻屑を
    準備するステップがＡｌ２　Ｏ３　強化繊維（１２）の
    マットまたは麻屑を与えることを含む、請求項１２に記
    載の方法。
14. 【請求項１４】　　遷移液相拡散接合剤（１４）を準備
    するステップがホイル、粉末または被覆の形状で前記接
    合剤（１４）を与えることを含む、請求項１３に記載の
    方法。
15. 【請求項１５】　　Ａｌ２　Ｏ３　繊維（１２）のマッ
    トまたは麻屑を準備するステップがＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、
    Ｗ、Ｒｅ、ＴｉＢ２　、Ｙ２　Ｏ３　およびＥｒ２　Ｏ
    ３　からなる材料のグループから選択された被覆を有す
    るＡｌ２　Ｏ３　繊維（１２）を与えることを含む、請
    求項１３に記載の方法