JPH05287321A - プラズマ焼結用ダイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 機能が滑らかに傾斜した傾斜機能材料を製造
する。原料粉末の製造および原料粉末のダイス内への充
填作業を簡単にする。 【構成】 全体が導電性材料で形成されているとともに
円筒状の原料粉末充填穴２を備えたプラズマ焼結用ダイ
ス１である。ダイス１全体が、軸線が上下方向を向いた
円すい状となっており、その外周面の径は、上端から下
方に向かって漸次大きくなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、たとえば宇宙往還機
の機体用遮熱耐熱材料などとして用いられる傾斜機能材
料を製造するのに適したプラズマ焼結用ダイスに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】傾斜機能材料は、材料の成分組成および
／または組織を傾斜化することにより、材料が使用され
る環境に適したように機能を分布させたものである。た
とえば、宇宙往還機の機体用材料としては、遮熱耐熱機
能、靭性および熱応力緩和機能を傾斜させた傾斜機能材
料が用いられる。

【０００３】従来、このような傾斜機能材料は、たとえ
ばプラズマ焼結法により製造されている。プラズマ焼結
法は、パルス電流あるいは直流に高周波を重畳した特殊
な電源を用することにより、粉末間で起こる放電現象を
利用したものであり、放電によって発生したガスイオ
ン、および電子などの荷電粒子は粉末間の接触部を衝撃
して浄化し、しかも接触部における物質の蒸発も作用し
て粉末表面に強い衝撃圧が加えられる。したがって、数
ｋｇ／ｍｍ² 程度の低い圧力での焼結が可能となる。

【０００４】傾斜機能材料を製造するのに適用されてい
る従来のプラズマ焼結法は、電気抵抗の異なる複数の導
電性材料でそれぞれリング状ダイス構成部材を形成し、
これを同軸上に積層することにより円筒状ダイスを形成
し、ダイス内に原料微粉末を入れるとともにダイス内に
加圧兼通電電極を挿入し、原料粉末を電極で加圧しなが
ら両電極間に通電してプラズマ焼結する方法である。こ
の方法によれば、電気抵抗の大きなダイス構成部材の発
熱量は大きく、電気抵抗の小さなダイス構成部材の発熱
量は小さいので、各構成部材内の粉末の焼結温度が異な
ることになり、これにより傾斜機能材料が得られる。

【０００５】また、傾斜機能材料を製造するのに適用さ
れている従来の他のプラズマ焼結法は、１つの導電材料
で形成された円筒状ダイス内に充填する原料粉末の粒径
を、ダイスの軸方向に漸次変えておき、ダイス内に加圧
兼通電電極を挿入し、原料粉末を電極で加圧しながら両
電極間に通電してプラズマ焼結する方法である。この方
法において、原料粉末の混合比が変わると焼結温度も変
わるが、粒径が小さくなると焼結温度が低くなるという
現象を利用して一定温度で原料粉末の混合比の異なるい
くつかの層を同時に焼結するために、各層の原料粉末の
粒径を変えることが必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た第１の従来方法では、各ダイス構成部材内の粉末の焼
結温度はすべて等しくなるので、焼結温度が段階的に変
化し、その結果得られた焼結体の機能も段階的に変化す
る。したがって、滑らかに傾斜した機能を有する材料を
製造することができないという問題がある。また、第２
の方法では、焼結温度に適した粒径の原料粉末の製造が
面倒であるとともに、粒径がダイスの軸方向に漸次変わ
るように、原料粉末をダイス内へ充填する作業が困難で
あるという問題がある。

【０００７】この発明の目的は、上記問題を解決したプ
ラズマ焼結用ダイスを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明によるプラズマ
焼結用ダイスは、全体が導電性材料で形成されていると
ともに円筒状の原料粉末充填穴を備えたプラズマ焼結用
ダイスであって、外周面の径が軸方向に漸次変化してい
る円すい状部分を備えているものである。

【０００９】

【作用】この発明によるプラズマ焼結用ダイスの円すい
状部分の原料粉末充填穴内に原料粉末を充填するととも
にその両端側から加圧兼通電電極を挿入し、原料粉末を
電極で加圧しながら両電極間に通電しプラズマ焼結を行
うと、周壁外周面の径の小さい部分では、流れる電流の
電流密度が大きくなり、その結果ジュール熱が大きくな
って温度が高くなる。これとは逆に、周壁外周面の径の
大きい部分では、流れる電流の電流密度が小さくなり、
その結果ジュール熱が小さくなって温度が低くなる。し
たがって、焼結温度を直線的に変化させることができ
る。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の実施例を、図面を参照して
説明する。なお、以下の説明において、各図面の上下を
上下というものとする。

【００１１】図１はこの発明の第１実施例を示す。図１
において、プラズマ焼結用ダイス(1) は全体が黒鉛で形
成されており、上下にのびる円筒状の原料粉末充填穴
(2) を備えている。また、ダイス(1) 全体が、軸線が上
下方向を向いた円すい状となっており、その外周面の径
は、上端から下方に向かって漸次大きくなっている。

【００１２】このダイス(1) を用いて傾斜機能材料を製
造する方法は次の通りである。たとえばセラミックス粉
末と、アモルファス合金粉末と、セラミックス粉末とア
モルファス合金粉末とを両者の混合比を変えて混合して
なる複数の混合粉末とを用意する。そして、上記各粉末
を、上端部にはセラミックス粉末単独で形成される層(3
A)が位置し、下端部にはアモルファス合金粉末単独で形
成される層(3E)が位置し、中間部に混合粉末からなる複
数の層(3B)〜(3D)が位置するように、ダイス(1) の原料
粉末充填穴(2) 内に積層状に充填する。このとき、中間
部の層(3B)〜(3D)においては、セラミックス粉末の量が
上の層(3B)から下の層(3D)に向かって徐々に減少すると
ともに、これとは逆にアモルファス合金粉末の量が徐々
に増加するようにしておく。

【００１３】そして、原料粉末充填穴(2) 内に上下両側
から黒鉛からなる加圧兼通電電極(4) を挿入し、各粉末
を電極(4) で加圧しながら両電極(4) 間に通電しプラズ
マ焼結を行う。このとき、電流は図１に鎖線の矢印で示
すように流れ、ダイス(1) の外周面の径の小さい部分で
は、流れる電流の電流密度が大きくなり、ジュール熱が
大きくなって温度が高くなる。これとは逆に、外周面の
径の大きい部分では、流れる電流の電流密度が小さくな
り、ジュール熱が小さくなって温度が低くなる。その結
果、原料粉末充填穴(2) 内の焼結温度は、上端が最も高
温となり、下方に向かって徐々に低くなるとともに、温
度勾配が直線的となる。したがって、成分組成および組
織が１方向に傾斜化された傾斜機能材料が製造される。

【００１４】図２はこの発明の第２実施例を示す。図２
において、プラズマ焼結用ダイス(10)は全体が黒鉛で形
成されており、上下にのびる円筒状の原料粉末充填穴(1
1)を備えている。また、ダイス(10)は、軸線が上下方向
を向きかつ大端径どうしか一体化された２つの円すい状
部分(10A)(10B)を備えている。すなわち、ダイス(10)の
外周面の径は、上下の中央部が最も大きく、上下両側に
向かって漸次小さくなっている。

【００１５】このダイス(10)を用いて傾斜機能材料を製
造する方法は次の通りである。たとえばセラミックス粉
末と、アモルファス合金粉末と、セラミックス粉末とア
モルファス合金粉末とを両者の混合比を変えて混合して
なる複数の混合粉末とを用意する。そして、上記各粉末
を、上下両端部にはセラミックス粉末単独で形成される
層(12A)(12I)が位置し、上下の中央部にはアモルファス
合金粉末単独で形成される層(12E) が位置し、上下両端
の層(12A)(12I)と中央部の層(12E) との間に混合粉末か
らなる複数の層(12B) 〜(12D) および(12F) 〜(12H) が
位置するように、ダイス(10)の原料粉末充填穴(11)内に
積層状に充填する。このとき、中間部の層(12B) 〜(12
D) および(12F) 〜(12H) においては、セラミックス粉
末の量が上下両端寄りの層(12B)(12H)から中央寄りの層
(12D)(12F)に向かって徐々に減少するとともに、これと
は逆にアモルファス合金粉末の量が徐々に増加するよう
にしておく。

【００１６】そして、原料粉末充填穴(2) 内に上下両側
から黒鉛からなる加圧兼通電電極(4) を挿入し、各粉末
を電極(4) で加圧しながら両電極(4) 間に通電しプラズ
マ焼結を行う。このとき、電流は図２に鎖線の矢印で示
すように流れ、ダイス(10)の外周面の径の小さい部分で
は、流れる電流の電流密度が大きくなり、ジュール熱が
大きくなって温度が高くなる。これとは逆に、外周面の
径の大きい部分では、流れる電流の電流密度が小さくな
り、ジュール熱が小さくなって温度が低くなる。その結
果、原料粉末充填穴(11)内の焼結温度は、上下両端が最
も高温となり、中央部に向かって徐々に低くなるととも
に、温度勾配が直線的となる。したがって、成分組成お
よび組織が中央部から上下２方向に傾斜化された傾斜機
能材料が製造される。

【００１７】なお、この発明のダイスを用いれば、１種
類の原料粉末を用いて組織だけを傾斜化させた傾斜機能
材料を製造することもできる。また、ダイスおよび電極
は黒鉛性のものに限られない。

【００１８】次に、この発明のダイス(1)(10) を用いて
行った具体的実験例について説明する。

【００１９】具体的実験例１ これは第１実施例のダイス(1) を用いて行ったものであ
る。使用した黒鉛ダイスの寸法は、長さ４０ｍｍ、大端
径４５ｍｍ、小端径３５ｍｍ、原料粉末充填穴(2) の内
径２０ｍｍである。

【００２０】そして、まずＴｉ₅₀Ａｌ₅₀の原子量割合か
らなる金属間化合物粉末を、メディア撹拌型ボールミル
を用いてメカニカルアロイング法によりアモルファス化
し、平均粒径２５μｍのアモルファス合金粉末をつくっ
た。ついで、Ｙ₂ Ｏ₃ ３mol%を含むＺｒＯ₂ 粉末と、ア
モルファス合金粉末とを、遊星ボールミルを用いて混合
し、両者の混合比が体積割合で３：１、１：１、および
１：３である混合粉末をつくった。その後、Ｙ₂ Ｏ₃ ３
mol%を含むＺｒＯ₂ 粉末、上記割合が３：１である混合
粉末、上記割合が１：１である混合粉末、上記割合が
１：３である混合粉末、およびＴｉ₅₀Ａｌ₅₀アモルファ
ス合金粉末を、この順序で上側から黒鉛ダイス(1) の原
料充填穴(2) 内に充填するとともに、その上下両側に電
極(4) を配置した。各粉末層の厚さは１ｍｍとした。

【００２１】次に、電極(4) により４９ＭＰａの圧縮応
力を負荷するとともに、両電極(4)間に１４００Ａのパ
ルス電流を通電して５分間プラズマ焼結を行い、焼結体
を成形した。ダイス(1) の温度を測定したところ、Ｙ₂
Ｏ₃ を含むＺｒＯ₂ 粉末からなる層の存在する部分の温
度は１４４０℃、Ｔｉ₅₀Ａｌ₅₀アモルファス合金粉末か
らなる層の存在する部分の温度は１１００℃で、ほぼ直
線的な温度勾配を持っていた。

【００２２】得られた焼結体は、上端側がＹ₂ Ｏ₃ を含
むＺｒＯ₂ 、下端側がＴｉ₅₀Ａｌ₅₀からなり、中間部で
はＹ₂ Ｏ₃ を含むＺｒＯ₂ の量は上端側から下端側に向
かって漸次減少し、これとは逆にＴｉ₅₀Ａｌ₅₀の量は上
端側から下端側に向かって漸次増加している傾斜機能材
料となっていた。また、焼結体の各部分はクラックやポ
アーの存在しない真密度となっており、部分安定化Ｚｒ
Ｏ₂ の硬度はＨｖ１５００であった。

【００２３】また、ディフラクトメータを用いて焼結体
にＸ線回折を施したところ、ＴｉＡｌ相はアモルファス
相から熱処理により生成したα相のＴｉ₃ Ａｌからなる
分散粒子を有する１００ｎｍのγ相の金属間化合物とな
っていた。

【００２４】さらに、焼結体の各部の硬度を測定したと
ころ、ＴｉＡｌ単相ではＨｖ９８０であり、Ｙ₂ Ｏ₃ を
含むＺｒＯ₂ の量が増加するにつれて硬度も増大し、そ
の量が２５％となっている部分ではＨｖ１５００であっ
た。

【００２５】具体的実験例２ これは第２実施例のダイス(10)を用いて行ったものであ
る。使用した黒鉛ダイス(10)の寸法は、長さ１００ｍ
ｍ、中央部の最大径７０ｍｍ、上下両端の小径３５ｍ
ｍ、原料粉末充填穴(11)の内径２０ｍｍである。

【００２６】そして、Ｙ₂ Ｏ₃ ３mol%を含むＺｒＯ₂ 粉
末と、上記具体的実験例１と同様にして得られた平均粒
径２５μｍのアモルファス合金粉末とを、遊星ボールミ
ルを用いて混合し、両者の混合比が体積割合で３：１、
１：１、および１：３である混合粉末をつくった。その
後、Ｙ₂ Ｏ₃ ３mol%を含むＺｒＯ₂ 粉末、上記割合が
３：１である混合粉末、上記割合が１：１である混合粉
末、上記割合が１：３である混合粉末、Ｔｉ₅₀Ａｌ₅₀ア
モルファス合金粉末、上記割合が１：３である混合粉
末、上記割合が１：１である混合粉末、上記割合が３：
１である混合粉末、およびＹ₂ Ｏ₃ ３mol%を含むＺｒＯ
₂ 粉末を、この順序で上端部側から黒鉛ダイス(10)の原
料粉末充填穴(11)内に充填するとともに、その上下両側
に電極(4) を配置した。各粉末層の厚さは１ｍｍとし
た。

【００２７】次に、電極(4) により４９ＭＰａの圧縮応
力を負荷するとともに、両電極(4)間に１５００Ａのパ
ルス電流を通電して２分間プラズマ焼結を行い、焼結体
を成形した。ダイス(10)の温度を測定したところ、上下
両端部のＹ₂ Ｏ₃ を含むＺｒＯ₂ 粉末からなる層の存在
する部分の温度は１２００℃、中央部のＴｉ₅₀Ａｌ₅₀ア
モルファス合金粉末からなる層の存在する部分の温度は
１０００℃で、上下両端部から中央部に向かってほぼ直
線的な温度勾配を持っていた。

【００２８】得られた焼結体は、上下両端側がＹ₂ Ｏ₃
を含むＺｒＯ₂ 、中央部がＴｉ₅₀Ａｌ₅₀からなり、これ
らの中間部ではＹ₂ Ｏ₃ を含むＺｒＯ₂ の量は上下両端
部から中央部に向かって漸次減少し、これとは逆にＴｉ
₅₀Ａｌ₅₀の量は上下両端側から中央部に向かって漸次増
加している傾斜機能材料となっていた。また、焼結体の
各部分はクラックやポアーの存在しない真密度となって
おり、部分安定化ＺｒＯ₂ の硬度はＨｖ８００であっ
た。

【００２９】また、ディフラクトメータを用いて焼結体
にＸ線回折を施したところ、ＴｉＡｌ相はアモルファス
相から熱処理により生成したα相のＴｉ₃ Ａｌからなる
分散粒子を有する１００ｎｍのγ相の金属間化合物とな
っていた。

【００３０】さらに、焼結体の各部の硬度を測定したと
ころ、ＴｉＡｌ単相ではＨｖ８５０であった。

【００３１】

【発明の効果】この発明のプラズマ焼結用ダイスによれ
ば、上述のように、プラズマ焼結を行ったさいに、周壁
外周面の径の小さい部分ではジュール熱が大きくなって
温度が高くなり、これとは逆に、周壁外周面の径の大き
い部分ではジュール熱が小さくなって温度が低くなり、
しかも温度勾配はほぼ直線的となる。したがって、焼結
温度を直線的に変化させることが可能になって、機能が
滑らかに傾斜した傾斜機能材料を製造することができ
る。さらに、原料粉末の製造および原料粉末のダイス内
への充填作業が、従来の第２の方法に比べて極めて簡単
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示す垂直縦断面図であ
る。

【図２】この発明の第２実施例を示す垂直縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１ プラズマ焼結用ダイス ２ 原料粉末充填穴 １０ プラズマ焼結用ダイス １０Ａ 円すい状部分 １０Ｂ 円すい状部分 １１ 原料粉末充填穴

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 全体が導電性材料で形成されているとと
   もに円筒状の原料粉末充填穴を備えたプラズマ焼結用ダ
   イスであって、外周面の径が軸方向に漸次変化している
   円すい状部分を備えているプラズマ焼結用ダイス。