JPH05262585A - SiC基高耐熱セラミックス複合部品 - Google Patents

SiC基高耐熱セラミックス複合部品

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JPH05262585A
JPH05262585A JP4060191A JP6019192A JPH05262585A JP H05262585 A JPH05262585 A JP H05262585A JP 4060191 A JP4060191 A JP 4060191A JP 6019192 A JP6019192 A JP 6019192A JP H05262585 A JPH05262585 A JP H05262585A
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mullite
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ceramic
ceramics
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Toshiaki Mizutani
敏昭 水谷
Akihiko Tsuge
章彦 柘植
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】従来のB−C助剤系SiCセラミックス部材の
機械的破壊強度を損なわずに、高温耐蝕性に優れた新規
SiCセラミックス構造部材を提供することを目的とす
る。 【構成】B−C助剤系の非加圧焼結体であるSiCセラ
ミックスからなる基材の表面を、Al2 3 およびムラ
イト(3Al2 3 ・2SiO2 〜3Al2 3・Si
2 )を含む組成傾斜層で被覆した構造用耐熱セラミッ
クス複合部品であって、前記組成傾斜層において、外表
面のAl成分含有量が最大であり、前記基材との界面に
近付くにつれてAl成分の含有量が漸減していることを
特徴とする構造用耐熱セラミックス複合部品である。ま
た、前記組成傾斜層の好ましい態様においては、外表面
がAl2 3 セラミックス相であって、基材との界面が
ムライト・セラミックス相である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、耐熱性に優れたSiC
基セラミックス構造部品に関する。
【0002】
【従来の技術】共有結合性が高いSiCセラミックスの
内でも、B−C系焼結助剤を用いて焼結されたSiCセ
ラミックスは、1700℃以上の高温まで機械的破壊強
度が劣化しないという特性を有し、真空中1800℃ま
では劣化しない(窯業誌、95(6)、p.638、(1987))。この
特性のため、前記SiCセラミックスは、ガス・タービ
ンなどの高温構造材料として注目されている。
【0003】前記B−C助剤系SiCセラミックスが、
高温の燃焼ガスなどの酸化雰囲気中に長時間曝された場
合、SiCは下記式(1)に示すように、受動的酸化を
受け、その表面にクリストバライトSiO2 (融点17
13℃)被膜が形成される。 SiC+ 3/2O2 →SiO2 +CO↑ 式(1)
【0004】生じた被膜の膜厚dの成長は、SiO2
膜中の酸素拡散によって律速され、時間経過につれて、
SiCの酸化速度は減少する。膜厚dと経過時間tとの
関係を下記式(2)に示す。 d=kt0.5 式(2)
【0005】上記式(2)において、tは時間を表し、
kは定数を表わす。すなわち、表面にSiO2 被膜が形
成されることによって、破壊強度の経時劣化が緩和され
ることになる。
【0006】ところが、前記SiCセラミックスに少量
添加されている焼結助剤のB元素は、長時間の高温酸化
雰囲気においては、焼結体表面に拡散し、酸化物B2
3 (融点470℃、沸点2124℃)を形成して蒸発す
る。または、B2 3 はSiO2 被膜と反応し、B2
3 −SiO2 系ガラス(共晶点372℃)を形成し液化
する。これにより、SiO2 被膜は破壊(発泡現象)さ
れ、SiCの酸化が促進される。したがって、SiCセ
ラミックスの強度の劣化を防止するために、B助剤の添
加量は、できる限り微量にすることが必要である。
【0007】SiCセラミックスに添加する助剤とし
て、Alを使用することもあるが、この場合でも、長時
間の高温酸化雰囲気に曝されると、Al元素は焼結体表
面に拡散し、酸化物Al2 3 (融点2046℃、沸点
2980℃)を形成する。更にAl2 3 は、SiO2
被膜と反応し、Al2 3 −SiO2 系ガラスを形成す
る。生じるAl2 3 −SiO2 系ガラスの共晶点は、
B−C助剤系SiCセラミックスよりも高く、1535
℃である。したがって、Al−C助剤系SiCセラミッ
クスの方が、長時間酸化の後に基材表面に形成されるS
iO2 被膜は安定である。また、Al助剤添加量を減少
させることにより、SiCセラミックスは、約1500
℃までは、長時間の酸化においてもその性能が劣化しな
いことが認められている。
【0008】ところが、ガス・タービンの効率をより向
上させるためには、さらに高温において耐久性および耐
酸化性が低下しないことが望まれる。助剤の添加量を極
限まで減少させた理想的なSiCセラミックスを使用し
た場合でも、SiO2 の融点(1713℃)以上の高温
燃焼ガス流に曝されると、被膜が散逸してしまうため、
到底使用に耐えられない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、B−
C助剤系SiCセラミックスは、1700℃まで即時破
壊強度が低下しない。しかしながら、本セラミックスを
ガス・タービンなどの高温構造部材として応用する際に
は、助剤として添加されているB元素が酸化されること
により、セラミックス表面が腐食される。このため、ガ
ス・タービンの定格運転温度の上限が決まり、高温運転
による効率向上が限界に達する。
【0010】したがって本発明では、このような問題に
鑑み、従来のB−C助剤系SiCセラミックス部材の機
械的破壊強度に関する特徴を損なわずに、高温腐食性に
優れた新規SiCセラミックス構造部材を提供すること
を課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段および作用】上記課題を解
決するために、本発明は、SiCセラミックスからなる
基材の表面を、Al2 3 およびムライト(3Al2
3 ・2SiO2 〜3Al2 3 ・SiO2 )を含む組成
傾斜層で被覆した構造用耐熱セラミックス複合部品であ
って、前記組成傾斜層において、外表面のAl成分含有
量が最大であり、前記基材との界面に近付くにつれてA
l成分の含有量が漸減していることを特徴とする構造用
耐熱セラミックス複合部品を提供する。前記SiCセラ
ミックス基材は、B−C助剤系の非加圧焼結体である。
【0012】また、本発明のセラミックス複合部品の好
ましい態様において、前記組成傾斜層の外表面がAl2
3 セラミックス相であって、前記基材との界面がムラ
イト・セラミックス相である。以下、本発明について、
詳細に説明する。
【0013】本発明のSiC基複合部品において、基材
のSiCセラミックスの種類に特別な限定はない。しか
し、構造用材料として応用するには、機械的破壊強度、
特に破壊靭性値が高い強靭な基材であって、比較的容易
に複雑形状に製造できる種類の部材が望ましい。そのた
め、B−C系、Al−C系あるいはAl2 3 系等の焼
結助剤を少量添加して非加圧焼結法により緻密化した部
材を使用する。また、部材の信頼性を高めるため、炭素
等の長繊維・短繊維あるいは耐熱金属の硼化物・炭化物
などの粒子を意図的に分散複合化して、靭性値を向上さ
せた基材も使用することができる。
【0014】しかし、従来想定されていた1300℃〜
1500℃の温度域を上回る1700℃以上の高温域に
おいて使用する場合には、基材の機械的破壊強度など
も、1700℃以上で顕著な劣化を起こさないことが必
要である。このような類の基材としては、例えば、焼結
体における助剤Bの含有量を、0.1重量%以下に抑制
した非加圧焼結B−C助剤系SiCセラミックスなどが
ある。また、今後さらに開発されるであろう新しいSi
C系基材組成物も使用することができる。
【0015】非酸化物であるSiC系セラミックスは、
基材表面が酸化されて、SiO2 被膜が形成されること
によって、耐酸化性が生じる。SiC基材表面に密着し
た理想的なSiO2 被膜は、その融点である1713℃
まで安定であり、融解しない。また、前記SiO2 被膜
内部における酸素拡散係数が小さいため、被膜が成長す
るにつれて、SiC基材表面への酸素の供給量が減少す
る。したがって、SiC基材表面の酸化が抑制されるこ
とになり、SiO2 被膜は、いわゆる保護皮膜として作
用する。
【0016】通常、SiC系セラミックスにおいては、
緻密化な焼結体を得るために焼結助剤を少量添加してい
る。好ましい焼結助剤としては、B、B4 C等の硼素化
合物、またはAl、Fe等の金属粉が用いられる。Si
C系セラミックスが酸化雰囲気に曝された場合、前記助
剤が酸化し、その酸化物がSiO2 被膜に固溶してく
る。このため、SiO2 の融点は、それぞれの共晶点
(例えばAl2 3 −SiO2 ;1535℃)まで低下
し、酸化性雰囲気中でのSiO2 の耐久可能温度もまた
低下することになる。ただし、固溶酸化物の蒸気圧が高
い場合には、早期にSiO2 被膜より揮散してしまう。
したがって、そのような酸化物は、微量であれば極度に
低い共晶点(例えば、B2 3 −SiO2 ;372℃)
が致命的とならない場合もあるが、多くの場合は、高温
酸化による性能劣化を抑制することが必要である。
【0017】前記SiC系セラミックスの高温酸化によ
る性能劣化を抑制する手法として、本発明者らは、高温
条件下で安定であって、かつその内部における酸素拡散
係数の小さい酸化物被膜により、前記セラミックスの表
面を覆う方法を考案した。被膜として使用する酸化物と
しては、2045℃の高融点を有するAl2 3 が有力
である。しかしながら、Al2 3 セラミックスは、熱
膨脹係数が7.8〜8.1ppmであって、SiCセラ
ミックスの熱膨張係数(4.0〜4.7ppm)との差
が大きい。このため、被膜形成後の昇温降下サイクルに
おいて歪みが蓄積されることにより、被膜に亀裂、剥離
が発生し、実用に供するのが困難となる。すなわち、保
護被膜の外表面においては、Al2 3 を用いることが
好ましいが、SiCセラミックスとの接合面において
は、SiCセラミックスとの物性値の差が小さい、他の
セラミックスが存在することが好ましい。
【0018】そこで本発明者らは、ムライト・セラミッ
クス(3Al2 3 ・2SiO2 〜3Al2 3 ・Si
2 )の物性値が前記両セラミックスの中間の値である
ことに着目した。ムライト・セラミックスは、ヤング率
が220〜250GPaと低く、融点は1850℃であ
る。これに対し、SiCセラミックスおよびAl2 3
セラミックスのヤング率は、それぞれ450GPaおよ
び420GPaである。また、ムライト・セラミックス
の熱膨脹係数は5.6ppmであり、Al2 3 との共
晶点も1840℃と高い。したがって、基材との界面の
マトリックスをムライトとし、外表面のマトリックスを
アルミナとした被膜であって、その内部の組成を連続的
に変化させた保護被膜でSiC基材表面を覆う、構造用
耐熱部品の発明に至った。
【0019】本発明のSiCセラミックス構造用部品に
おける保護被膜は、上述したようにムライトおよびアル
ミナのみを含む複合体であって、その組成に傾斜を持た
せている。前記保護被膜において、SiC基材との界面
では、70〜100%ムライト相組成(3Al2 3
2SiO2 〜3Al2 3 ・SiO2 )であって、残り
の30〜0%がアルミナ分散粒子である。一方、保護被
膜の外表面では、アルミナ相が100%であることが望
ましいが、ムライト分散粒子を0〜95%含有すること
ができる。
【0020】本発明に係るSiCセラミックス構造用部
品が、長時間にわたって高温酸化雰囲気に曝された場
合、基材と保護被膜との界面で生成するSiO2 は、被
膜内のアルミナ分散粒子と反応してムライト相を形成す
る。これにより、保護被膜内のムライト相が、基材との
界面から徐々に表面方向に成長する。また、生じたSi
2 が非化学量論組成のムライトに固溶することによ
り、化学量論組成のムライトが生成される。時間経過と
ともに、被膜内のアルミナ分散粒子が、ムライト化のた
めに全て消費され、また、SiO2 の固溶により、ムラ
イト相が全て化学量論組成のムライトになると、新生S
iO2 は、ムライト−SiC界面に滞留する以外は行き
場を失うことになる。その結果、界面に形成されたSi
2 相が、1700℃以上で流動液化し、保護被膜を破
壊する危険が高まる。したがって、1700℃以上で使
用する製品の場合には、外表面のムライト相の含有率
は、最高でも95%に抑えて、界面にSiO2 相が出現
することは避けなければならない。
【0021】本保護被膜内のある深さの微小領域におい
ては、いずれの成分も、少量結晶相が多量結晶相のなか
に粒状に分散している。このような相互分散によりアル
ミナ相とムライト相との熱膨張係数の差異に由来する歪
みが緩和される。このため、両相の強固な接合が得ら
れ、冷熱サイクルにおいても、被膜内の亀裂の発生や剥
離を抑制することができる。
【0022】前記保護被膜の厚さは、製品の使用温度と
もに、製品の耐久性に直接的に影響を及ぼす。被膜厚さ
が10μm以下では、耐熱性の向上の効果は皆無に等し
く、顕著な効果を得るためには、約50μm以上の厚さ
が必要である。製品が肉厚形状で被膜も厚くできる場合
には、0.5〜1.0mm程度の厚さが好ましい。さら
に、燃焼器内壁などの大型ブロック形状品の場合には、
数mmに至るものも可能である。
【0023】次に、本発明の耐熱SiCセラミックス基
材複合部品の製造方法について詳細に説明する。本発明
の製品は、そのサイズ、形状および形成される被膜に応
じて、以下の様々な方法で製造可能である。
【0024】燃焼器内壁等の大型単純形状製品の場合は
通常の粉末冶金手法を適用することができる。基材とし
ては、非加圧法により作製した肉厚5mm以上のSiC
セラミックス平板を使用し、組成傾斜保護被膜の原料と
しては、サブミクロンのSiO2 粉末/Al2 3 粉末
を用いる。保護被膜用の各粉末を、40モル/60モ
ル、30モル/70モル、20モル/80モル、10モ
ル/90モルおよび0モル/100モルの5種類の造粒
粉末に調合した後、各々の造粒粉末を金型成形して、厚
さ1mmの平板を5種類製作する。得られた平板を、S
iO2 成分の多いものから順に前記基材の上に積み重
ね、大気中において、反応ホットプレス焼結する。焼結
条件は、1100℃〜1400℃、100〜300kg
/cm2 である。ホットプレス焼結によりSiCとアル
ミナとが反応し、ムライトが生成される。このようにし
て、肉厚約5mmのSiC基材上に約3mm厚さのムラ
イト/アルミナ複合傾斜保護被膜が形成される。保護被
膜内の組成について分析した結果、最外表面の純アルミ
ナ相から内側に向かって、ムライト粒子の分散量が漸次
増加し、ムライト・マトリックス内にアルミナ粒子が分
散した形態に移行していた。さらにアルミナ粒子の分散
量が漸次減少して、SiC基材との接合界面の純ムライ
ト相に至っているが、幾分階段状の変化が残っていた。
この組成傾斜保護被膜面をガス・バーナーで1700℃
以上に10時間加熱したところ、外見上は何等の変化も
認められなかったのに対し、裏側のSiC面の場合に
は、SiO2発泡ガラスが発生し、三日月状に付着し
て、酸化腐食の進行が確認された。
【0025】組成傾斜保護被膜は、ムライトとアルミナ
の微粉を出発原料として使用し、通常ホットプレス焼結
によって得ることもできる。また、ゾル・ゲル法でムラ
イトとアルミナを沈降させ、比重差による組成傾斜を利
用する方法もある。この方法を利用すれば、組成を傾斜
させるために多くの平板を準備する必要がなく、階段状
でない滑らかな傾斜を持った組成傾斜保護被膜が得られ
る。
【0026】また、動翼、静翼等の複雑曲面形状部材の
表面に1mm内外の組成傾斜保護被膜を形成する場合に
は、溶射法が好ましい。原料として、粒径をそろえたア
ルミナおよびとムライトの微細粉末とを用いる。両粉末
の混合比を、0〜100%に順次変化させた溶射用調整
粉末を十種類以上用意する。被溶射用SiC基材を溶射
槽内にセットした後、1500℃まで真空予熱し、基材
表面を清浄にする。その後、Arガス雰囲気とし、基材
温度を400〜1200℃の間で制御する。基材表面か
ら10〜25cmの距離をおいて、プラズマ溶射ガンを
基材表面に沿ってXYに走査させ、基材表面に第一層の
混合粉末を溶射する。この際、1パス当たりの溶射厚が
20〜30μmになるように、ガンの走査速度、調整粉
末およびガスの供給量、ガン電力などを設定する。一層
の溶射が完了したら、供給調合粉をアルミナ含有率の一
段高い混合粉末に切り替えて、次の溶射を継続する。こ
のようにして、順次溶射を繰り返すが、この過程で基材
温度も順次高温化させるほうが、良好な被膜となる。最
後に100%アルミナ粉末を溶射することにより、一連
の工程が終了する。溶射被膜断面を走査型電子顕微鏡で
観察し、被膜内に分散閉気孔が認められる場合には、完
成品をさらに1800℃のAr雰囲気でHIP処理する
ことによって、分散閉気孔を消滅させることができる。
【0027】数10μmの薄い傾斜被膜を形成する場合
には、化学気相成長法を使用することが好ましく、緻密
で高品質な組成傾斜保護被膜を形成することができる。
しかし、製造コストおよび能率の点から、酸化物懸濁液
を複雑形状基材曲面に塗布する方法が有望である。この
方法を用いる際には、アルミナとシリカあるいはムライ
トのサブミクロン粉末の、調合比率を少しずつ変えた混
合粉末を数十種類用意する。各混合粉末を、任意の有機
溶媒中に均一に分散させた懸濁液を調製し、塗布溶液と
する。シリカ成分の多い懸濁液から順に複雑形状SiC
基材曲面に塗布する。最も簡便な方法は、刷毛で塗る方
法である。一層塗布するごとに、加熱乾燥し、次の塗布
に移り、層の塗布ごとに1000℃付近まで加熱して焼
結した後に次の塗布に進めるのが、緻密で良質の被膜を
形成する上で好ましい。最表面にアルミナを塗布して加
熱焼結した後に、表面をレーザ照射光で走査して、アル
ミナの焼結を充実させることにより、ピン・ホールのな
い良好な組成傾斜被膜を完成させることができる。
【0028】以上に述べたような条件および方法によ
り、大小の単純形状から複雑形状までの各種ガス・ター
ビン部品等を耐熱性耐久性に優れた構造用製品に仕上げ
ることができる。
【0029】
【実施例】基材となるSiCセラミック焼結体は、B−
C系助剤を用い、非加圧法により作製した。助剤として
はB4 粉末とC粉末とを使用し、基体における助剤Bの
含有量は0.2重量%とした。原料粉末および助剤を湿
式で混合し、乾燥造粒後、金型により成形した。その
後、2050℃のAr雰囲気の条件下で焼結し、焼結体
を作製し、得られた焼結体を、5mm×50mm×50
mmの平板に加工した。
【0030】保護皮膜の原料としては、アルミナ粉末/
ムライト粉末を使用した。それぞれの原料粉末を0〜1
00%の混合比に順次変化させた調製粉末を5種類用意
した。なお、混合粉末のSiO2 /Ai2 3 混合比
は、40モル/60モルから0モル/100モルの範囲
内で任意に変化させた。準備した混合粉末を用いて、前
述の溶射法により、SiCセラミック基材上に0.5m
m厚さの組成傾斜保護被膜を施した複合部品を作製し
た。
【0031】得られた溶射被膜について、断面を研磨し
て、走査型電子顕微鏡で観察したところ、外表面側では
アルミナにムライト粒子が、SiC基材との接合面側で
はムライトにアルミナ粒子が、それぞれ分散しているこ
とが認められた。
【0032】さらに、得られた部材の傾斜被膜層を、厚
さ方向の一表面に残すようにJIS規格サイズ(4mm
×3mm×40mm)の抗折試験片を作製し、試料aと
した。試料aと同様の方法で、基材上に1.0mm厚の
アルミナ/ムライト傾斜保護被膜を形成した後、同様に
傾斜被膜層を一表面に残すようにJIS規格サイズの抗
折試験片を作製し、試料bとした。
【0033】比較例として、基材SiCセラミックスお
よびアルミナ・セラミックスでも同様にJIS規格サイ
ズの抗折試験片を作製し、それぞれ試料cおよび試料d
とした。
【0034】得られた4種類の試料について、室温(2
5℃)から1700℃(真空中)までの範囲において、
即時強度試験を行なった。なお、試験片は、傾斜保護被
膜面より破壊亀裂を発生、進延させるようセットした。
強度試験の結果を下記の表1に示す。
【0035】
【表1】 表中の数字は強度を現わし、単位はkg/mm2 であ
る。また、**は試料が変形したことを表す。
【0036】上述の結果より、抗折試験片断面に占める
傾斜被膜厚さの割合が増加するにつれて1700℃の強
度は低下していることがわかる。しかし、比較例のアル
ミナ・セラミックスの惨澹たる様相に比べると、程々の
強度が維持されており、裏側SiC基材の効果が大きい
ことが示されている。
【0037】さらに、アルミナ・セラミックスを除いた
前述の試料について、ガス・バーナーによる腐食試験を
行なった。5mm×50mm×50mmの平板3種の表
面側の中央部分をガス・バーナーで1700℃以上に1
0時間加熱した。その結果、SiCセラミックス表面の
場合には腐食跡が認められたが、いずれの傾斜保護被膜
面の場合にも腐食跡は認め難かった。
【0038】また、ガス・バーナーの火炎の当たった中
央部およびその左右端部表面をX線回折測定して、アル
ミナ/ムライト構成比率を評価した。その結果、上述の
3種の試料の表面については、有意差は認められなかっ
た。試料の傾斜保護被膜を約0.1mmステッブで研削
により削除しては、同様に構成比率を評価した。その結
果、研削を深くするにつれて、相対的にアルミナの回折
ピークが弱くなり、ムライトの回折ピークが強くなっ
た。さらに、残留保護被膜を0.1mm以下に薄くした
ところで、中央部のアルミナ含有率が左右周辺部の平均
値よりも幾分低下していることが認められた。これは、
分散アルミナ粒子の一部が、SiCの酸化により生成し
たSiO2 と反応して、ムライト化したことを表わす。
【0039】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明により、従
来想定されていた以上の高温においても、耐食性に優
れ、かつ、B−C助剤系SiCセラミックスの有する機
械的破壊強度を備えた高強度耐酸化構造用材料として、
SiCセラミックス基高耐熱複合部品を提供することが
できる。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 SiCセラミックスからなる基材の表面
    を、Al2 3 およびムライトを含む組成傾斜層で被覆
    した構造用耐熱セラミックス複合部品であって、該組成
    傾斜層において、外表面のAl成分含有量が最大であ
    り、該基材との界面に近付くにつれてAl成分の含有量
    が漸減していることを特徴とする構造用耐熱セラミック
    ス複合部品。
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WO1998040326A1 (en) * 1997-03-14 1998-09-17 Massachusetts Institute Of Technology Functionally-graded materials
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