JPH08217575A - Carbonaceous member and method for coating surface - Google Patents

Carbonaceous member and method for coating surface

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JPH08217575A
JPH08217575A JP2711995A JP2711995A JPH08217575A JP H08217575 A JPH08217575 A JP H08217575A JP 2711995 A JP2711995 A JP 2711995A JP 2711995 A JP2711995 A JP 2711995A JP H08217575 A JPH08217575 A JP H08217575A
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JP
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diboride
hafnium
zirconium
carbonaceous member
hfb
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Japanese (ja)
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Mikio Sakai
井 幹 雄 酒
Hirohide Ikeda
田 博 英 池
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

PURPOSE: To ensure superior corrosion resistance by coating the desired surface of a carbonaceous member with a surface coating film based on HfB2 and/or ZrB2 by applying a mixture of HfO2 and/or ZrO2 , with B4 C and firing it. CONSTITUTION: A powdery mixture of about 95-50 pts.wt. HfO2 powder and/or ZrO2 powder with about 5-50 pts.wt. B4 C powder is dispersed in an org. solvent such as ethanol. The resultant dispersion liq. is applied to a carbonaceous member of a graphite or carbon fiber reinforced carbon material, etc., by means of a spray gun, etc., and it is dried and fired at about 2,150-2,700 deg.C in an inert gaseous atmosphere to coat the desired surface of the member with a surface coating film based on HfB2 and/or ZrB2 . A carbonaceous member having superior durability such as a rocket nozzle is obtd.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ロケットのノズルや燃
焼室その他の部材を構成する炭素質部材の改良に係わ
り、また、ロケットのノズルや燃焼室その他の耐熱・耐
食性が要求される部位・部品の素材として利用される炭
素質部材の耐熱・耐食性をさらに向上させるのに好適な
表面被覆方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to improvement of a carbonaceous material forming a nozzle of a rocket, a combustion chamber and other members, and a part of a rocket nozzle and a combustion chamber where heat and corrosion resistance are required. The present invention relates to a surface coating method suitable for further improving the heat resistance and corrosion resistance of a carbonaceous member used as a material for parts.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、例えば、ロケットの燃焼室やノズ
ルなどの素材として、耐熱性に優れた黒鉛(炭素繊維/
炭素複合材である場合をも含む。)が使用されており、
その耐食性(耐エロージョン性)を向上させるために、
各種の表面被覆が施されている場合が多い。
2. Description of the Related Art Conventionally, graphite (carbon fiber / carbon fiber) having excellent heat resistance has been used as a material for, for example, a rocket combustion chamber or a nozzle.
Including the case of carbon composite material. ) Is used,
In order to improve its corrosion resistance (erosion resistance),
In many cases, various surface coatings are applied.

【0003】この表面被覆の一例としては、例えば、黒
鉛ノズルの内面に、酸化ジルコニウム(ZrO,融
点:約2700℃)や酸化アルミニウム(Al
融点:約2050℃)などの酸化物セラミックスをプラ
ズマ溶射,レーザ加熱,スパッタリングなどによってコ
ーティングする方法があった。
As an example of this surface coating, for example, zirconium oxide (ZrO 2 , melting point: about 2700 ° C.), aluminum oxide (Al 2 O 3 ,
There has been a method of coating oxide ceramics such as melting point: about 2050 ° C.) by plasma spraying, laser heating, sputtering or the like.

【0004】また、他の一例としては、例えば、黒鉛ノ
ズルの内面に、炭化ジルコニウム(ZrC,融点:約3
540℃),炭化チタン(TiC,融点:約3180
℃)などの炭化物セラミックスをCVD(化学的蒸着
法)などによってコーティングする方法があった。
As another example, for example, zirconium carbide (ZrC, melting point: about 3) is formed on the inner surface of a graphite nozzle.
540 ℃, titanium carbide (TiC, melting point: about 3180
There was a method of coating carbide ceramics such as (° C.) by CVD (chemical vapor deposition) or the like.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の表面被覆では、基材である黒鉛の上に表面皮
膜が堆積付着して形成されているだけのものとなってい
るため、基材と表面皮膜との間の接合強度がかなり低
く、そのため、衝撃が付加された場合に剥離を生じるお
それが多分にあるという問題点があった。
However, in such a conventional surface coating, since the surface coating is formed by depositing and adhering on the graphite as the base material, the base material There is a problem that the bonding strength between the surface coating and the surface coating is considerably low, and therefore there is a possibility that peeling may occur when an impact is applied.

【0006】また、ノズルの素材である黒鉛(熱膨張係
数は約4.6×10−6/℃)と、表面皮膜である酸化
ジルコニウム(熱膨張係数は約10.5×10−6
℃),酸化アルミニウム(熱膨張係数は約8.1×10
−6/℃),炭化ジルコニウム(熱膨張係数は約6.9
×10−6/℃),炭化チタン(熱膨張係数は約7.4
×10−6/℃)とでは、熱膨張係数の差が大きいた
め、例えば、急速に加熱されたときには、熱膨張量の急
激な違いによって、表面皮膜が割れたり、あるいは、上
記したごとく接合強度が低いことも加わって、剥離を生
じたりすることがあるという問題点があった。
[0006] Further, graphite which is a material of the nozzle (coefficient of thermal expansion is about 4.6 x 10 -6 / ° C) and zirconium oxide which is a surface film (coefficient of thermal expansion is about 10.5 x 10 -6 / ° C).
℃), aluminum oxide (coefficient of thermal expansion is about 8.1 × 10
-6 / ° C), zirconium carbide (coefficient of thermal expansion is about 6.9)
× 10 -6 / ° C), titanium carbide (coefficient of thermal expansion is about 7.4)
X 10 −6 / ° C.), the difference in the coefficient of thermal expansion is large, and therefore, for example, when heated rapidly, the surface coating may crack due to a sharp difference in the amount of thermal expansion, or the bonding strength as described above. In addition to this, there is a problem that peeling may occur.

【0007】さらには、酸化ジルコニウム(融点:約2
700℃)や酸化アルミニウム(融点:約2070℃)
は融点が比較的低いことから、ロケットの燃焼ガス(温
度約3000℃)によって溶融するという問題点があっ
た。
Furthermore, zirconium oxide (melting point: about 2
700 ° C) and aluminum oxide (melting point: about 2070 ° C)
Since has a relatively low melting point, there is a problem that it is melted by the combustion gas of a rocket (temperature of about 3000 ° C.).

【0008】[0008]

【発明の目的】本発明は、このような従来の課題にかん
がみてなされたものであって、耐熱性および耐食性(耐
エロージョン性)に優れた炭素質部材を提供することを
目的としており、かつまた、耐食性(耐エロージョン
性)を向上させるために被覆した表面皮膜の基材に対す
る接合強度が高く、機械的な衝撃や熱的な衝撃に対して
も割れや剥離などの不具合が生じがたい表面被覆方法を
提供することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object thereof is to provide a carbonaceous member having excellent heat resistance and corrosion resistance (erosion resistance), and In addition, the surface coating coated to improve corrosion resistance (erosion resistance) has a high bonding strength to the base material, and the surface is resistant to cracking or peeling even when subjected to mechanical shock or thermal shock. The purpose is to provide a coating method.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明に係わる炭素質部
材は、請求項1に記載しているように、所要表面に、二
硼化ハフニウム(HfB)および二硼化ジルコニウム
(ZrB)のうち少なくともいずれかを主体とし、そ
の他炭化ハフニウム(HfC),炭化ジルコニウム(Z
rC)等を含む表面皮膜が被覆されている構成としたこ
とを特徴としている。
The carbonaceous member according to the present invention has, as described in claim 1, hafnium diboride (HfB 2 ) and zirconium diboride (ZrB 2 ) on the required surface. Of these, at least one of them is the main component, and others are hafnium carbide (HfC) and zirconium carbide (Z
It is characterized in that a surface coating containing rC) or the like is coated.

【0010】そして、本発明に係わる炭素質部材の実施
態様においては、請求項2に記載しているように、炭素
質部材が黒鉛よりなるものとしたり、請求項3に記載し
ているように、炭素質部材が炭素繊維/炭素よりなるも
のとしたりすることができ、同じく実施態様において
は、請求項4に記載しているように、炭素質部材がロケ
ットのノズルであり、ノズルの内面に、二硼化ハフニウ
ム(HfB)および二硼化ジルコニウム(ZrB
のうち少なくともいずれかを主体とし、その他炭化ハフ
ニウム(HfC),炭化ジルコニウム(ZrC)等を含
む表面皮膜が被覆されているものとしたりすることがで
きる。
In an embodiment of the carbonaceous member according to the present invention, as described in claim 2, the carbonaceous member is made of graphite or as described in claim 3. The carbonaceous member may be composed of carbon fiber / carbon, and in the same embodiment, the carbonaceous member is a rocket nozzle, and the inner surface of the nozzle is , Hafnium diboride (HfB 2 ) and zirconium diboride (ZrB 2 )
Of these, at least one of them may be the main constituent, and a surface coating containing hafnium carbide (HfC), zirconium carbide (ZrC), etc. may be covered.

【0011】また、本発明に係わる表面被覆方法は、請
求項5に記載しているように、炭素質部材の所要表面
で、酸化ハフニウム(HfO)および/または酸化ジ
ルコニウム(ZrO)と炭化硼素(BC)とを反応
させ、あるいは場合によっては、ハフニウム(Hf)お
よび/またはジルコニウム(Zr)と炭化硼素(B
C)とを反応させて、炭素質部材の所要表面に、二硼
化ハフニウム(HfB)および/または二硼化ジルコ
ニウム(ZrB)を主体とし、その他炭化ハフニウム
(HfC),炭化ジルコニウム(ZrC)等を含む表面
皮膜を被覆するようにしたことを特徴としている。
Further, in the surface coating method according to the present invention, as described in claim 5, carbonization with hafnium oxide (HfO 2 ) and / or zirconium oxide (ZrO 2 ) is carried out on the required surface of the carbonaceous member. React with boron (B 4 C), or in some cases, hafnium (Hf) and / or zirconium (Zr) and boron carbide (B
4 C) and are reacted, the required surface of the carbonaceous member diboride hafnium (HfB 2) and / or zirconium diboride (ZrB 2) as a main component, other hafnium carbide (HfC), zirconium carbide ( It is characterized in that a surface film containing ZrC) or the like is coated.

【0012】そして、本発明に係わる表面被覆方法の実
施態様においては、請求項6に記載しているように、炭
素質部材の所要表面に、酸化ハフニウム(HfO)お
よび/または酸化ジルコニウム(ZrO)と炭化硼素
(BC)との混合物を塗布したのち、あるいは場合に
よっては、ハフニウム(Hf)および/またはジルコニ
ウム(Zr)と炭化硼素(BC)との混合物を塗布し
たのち、焼成して、炭素質部材の所要表面に、二硼化ハ
フニウム(HfB)および/または二硼化ジルコニウ
ム(ZrB)を主体とし、その他炭化ハフニウム(H
fC),炭化ジルコニウム(ZrC)等を含む表面皮膜
を被覆するようになすことができる。
In an embodiment of the surface coating method according to the present invention, as described in claim 6, hafnium oxide (HfO 2 ) and / or zirconium oxide (ZrO 2 ) are formed on the required surface of the carbonaceous member. 2 ) and a mixture of boron carbide (B 4 C), or optionally a mixture of hafnium (Hf) and / or zirconium (Zr) and boron carbide (B 4 C), After firing, the required surface of the carbonaceous member is mainly composed of hafnium diboride (HfB 2 ) and / or zirconium diboride (ZrB 2 ) and other hafnium carbide (HfB).
fC), zirconium carbide (ZrC), and the like.

【0013】また、同じく、本発明に係わる表面被覆方
法の実施態様においては、請求項7に記載しているよう
に、炭素質部材がロケットのノズルであり、ノズルの内
面に、二硼化ハフニウム(HfB)および/または二
硼化ジルコニウム(ZrB)を主体し、その他炭化ハ
フニウム(HfC),炭化ジルコニウム(ZrC)等を
含む表面皮膜を被覆するようになすことができる。
Also, in the embodiment of the surface coating method according to the present invention, as described in claim 7, the carbonaceous member is a rocket nozzle, and hafnium diboride is formed on the inner surface of the nozzle. A surface film mainly composed of (HfB 2 ) and / or zirconium diboride (ZrB 2 ) and also containing hafnium carbide (HfC), zirconium carbide (ZrC) and the like can be coated.

【0014】[0014]

【発明の作用】本発明に係わる炭素質部材は、請求項1
に記載しているように、所要表面に、二硼化ハフニウム
(HfB)および二硼化ジルコニウム(ZrB)の
うち少なくともいずれかを主体とし、その他炭化ハフニ
ウム(HfC),炭化ジルコニウム(ZrC)等を含む
表面皮膜が被覆されているものとしているので、基材お
よび表面皮膜の耐熱性に優れていると共に、耐食性(耐
エロージョン性)にも優れ、しかも、表面皮膜に割れや
剥離などの不具合が生じがたい高品質の炭素質部材とな
る。
The carbonaceous member according to the present invention is characterized by claim 1.
As described in, the required surface is mainly composed of at least one of hafnium diboride (HfB 2 ) and zirconium diboride (ZrB 2 ), and other hafnium carbide (HfC) and zirconium carbide (ZrC). Since it is assumed that the surface film containing such as is coated, it has excellent heat resistance of the base material and surface film as well as excellent corrosion resistance (erosion resistance), and the surface film has defects such as cracks and peeling. It becomes a high quality carbonaceous member that is hard to generate.

【0015】すなわち、二硼化ハフニウム(HfB
は、融点が約3380℃と著しく高く、耐熱性に優れて
いて高温の燃焼ガス(約3000℃)に接触しても溶融
を生じることがないと共に、耐酸化抵抗性にも著しく優
れており、この二硼化ハフニウムの熱膨張係数は約5.
5×10−6/℃であって、黒鉛の熱膨張係数(約4.
6×10−6/℃)と大きな差がないため、急速加熱も
しくは急速冷却されたときでも、熱膨張量もしくは熱収
縮量の違いはあまり大きくならないため、この二硼化ハ
フニウムを主体とする表面皮膜が割れたり剥離したりし
がたいものとなる。
That is, hafnium diboride (HfB 2 )
Has a very high melting point of about 3380 ° C., is excellent in heat resistance, does not melt even if it comes into contact with a high temperature combustion gas (about 3000 ° C.), and has excellent resistance to oxidation. The coefficient of thermal expansion of this hafnium diboride is about 5.
5 × 10 −6 / ° C., and the thermal expansion coefficient of graphite (about 4.
6 × 10 −6 / ° C.), the difference in the amount of thermal expansion or the amount of thermal contraction does not become so large even when rapidly heated or rapidly cooled. The film is difficult to crack or peel off.

【0016】また、二硼化ジルコニウム(ZrB)も
融点が約3245℃と著しく高く、耐熱性に優れていて
高温の燃焼ガスに接触しても溶融を生じることがないと
共に、耐酸化抵抗性,耐腐食抵抗性にも著しく優れてお
り、この二硼化ハフニウムの熱膨張係数は約6.0×1
−6/℃であって、黒鉛の熱膨張係数(約4.6×1
−6/℃)と大きな差がないため、急速加熱もしくは
急速冷却されたときでも、熱膨張量もしくは熱収縮量の
違いはあまり大きくならないため、この二硼化ジルコニ
ウムを主体とする表面皮膜が割れたり剥離したりしがた
いものとなる。
Zirconium diboride (ZrB 2 ) also has a remarkably high melting point of about 3245 ° C. and has excellent heat resistance so that it does not melt even if it comes into contact with high temperature combustion gas, and it has resistance to oxidation. The corrosion coefficient of hafnium diboride is about 6.0 × 1.
0 −6 / ° C., and the thermal expansion coefficient of graphite (about 4.6 × 1
0 -6 / ° C.) and because there is no large difference, even when rapid heating or rapid cooling, because the thermal expansion amount or thermal contraction amount difference is not so large, the surface film mainly composed of the zirconium diboride It is difficult to crack or peel.

【0017】本発明に係わる炭素質部材の実施態様にお
いては、請求項2に記載しているように、炭素質部材が
黒鉛よりなるものとしたり、請求項3に記載しているよ
うに、炭素質部材が炭素繊維/炭素よりなるものとした
りしており、これによって、黒鉛や炭素繊維/炭素より
なる部材(部品,製品およびそれらの素材等)の耐食性
(耐エロージョン性)がより一層向上したものとなる。
In an embodiment of the carbonaceous member according to the present invention, as described in claim 2, the carbonaceous member is made of graphite, or carbon as described in claim 3. The quality member is made of carbon fiber / carbon, which further improves the corrosion resistance (erosion resistance) of the member made of graphite or carbon fiber / carbon (parts, products and their materials, etc.). Will be things.

【0018】また、請求項4に記載しているように、炭
素質部材がロケットのノズルであり、あるいは燃焼室で
あって、ノズルや燃焼室の内面に、二硼化ハフニウム
(HfB)および二硼化ジルコニウム(ZrB)の
うち少なくともいずれかを主体とし、その他炭化ハフニ
ウム(HfC),炭化ジルコニウム(ZrC)等を含む
表面皮膜が被覆されているものとすることによって、ロ
ケットのノズルや燃焼室の耐食性(耐エロージョン性)
がより一層向上したものとなる。
Further, as described in claim 4, the carbonaceous member is a rocket nozzle or a combustion chamber, and hafnium diboride (HfB 2 ) and By using at least one of zirconium diboride (ZrB 2 ) as a main component and a surface coating containing hafnium carbide (HfC), zirconium carbide (ZrC), etc., as a main component, rocket nozzles and combustion Room corrosion resistance (erosion resistance)
Is further improved.

【0019】また、本発明に係わる表面被覆方法は、請
求項5に記載しているように、炭素質部材の所要表面
で、酸化ハフニウム(HfO)および/または酸化ジ
ルコニウム(ZrO)と炭化硼素(BC)とを、あ
るいは場合によっては、ハフニウム(Hf)および/ま
たはジルコニウム(Zr)と炭化硼素(BC)とを反
応させて、炭素質部材の所要表面に、二硼化ハフニウム
(HfB)および/または二硼化ジルコニウム(Zr
)を主体とし、その他炭化ハフニウム(HfC),
炭化ジルコニウム(ZrC)等を含む表面皮膜を被覆す
るようにしているので、炭素質部材の所要表面で、二硼
化ハフニウムおよび/または二硼化ジルコニウムを主体
とする成分がコーティングにより単に堆積して表面皮膜
を形成しているのではなく、二硼化ハフニウムおよび/
または二硼化ジルコニウムを主体とする表面皮膜は基材
である炭素質材料と冶金的に接合しており、炭素質部材
の内部に二硼化ハフニウムおよび/または二硼化ジルコ
ニウム、さらには炭化ハフニウムおよび/または炭化ジ
ルコニウム等が深く浸透していることから、基材と表面
皮膜との間の接合強度が著しく高いものとなっており、
機械的衝撃や熱的衝撃によっても表面皮膜が基材表面か
ら簡単に剥離しがたいものとなっている。
Further, in the surface coating method according to the present invention, as described in claim 5, carbonization with hafnium oxide (HfO 2 ) and / or zirconium oxide (ZrO 2 ) is performed on the required surface of the carbonaceous member. Boron (B 4 C), or in some cases, hafnium (Hf) and / or zirconium (Zr) is reacted with boron carbide (B 4 C) to form a diboride on the required surface of the carbonaceous member. Hafnium (HfB 2 ) and / or zirconium diboride (Zr
B 2 ), other hafnium carbide (HfC),
Since the surface film containing zirconium carbide (ZrC) is coated, the component mainly composed of hafnium diboride and / or zirconium diboride is simply deposited by coating on the required surface of the carbonaceous member. Rather than forming a surface film, hafnium diboride and /
Alternatively, the surface coating mainly composed of zirconium diboride is metallurgically bonded to the carbonaceous material which is the base material, and hafnium diboride and / or zirconium diboride, and further hafnium carbide are formed inside the carbonaceous member. Since the zirconium carbide and / or the like penetrates deeply, the bonding strength between the base material and the surface coating is extremely high,
It is difficult for the surface coating to be easily peeled off from the surface of the substrate even by mechanical impact or thermal impact.

【0020】すなわち、本発明に係わる表面被覆方法で
は、単に二硼化ハフニウムを直接コーティングするので
はなく、酸化ハフニウム(HfO)を高温において炭
化硼素(BC)と反応させて、 HfO+3C→HfC+2CO↑ HfO+BC+HfC→2HfB+2CO↑ なる反応を生じさせることによって、炭素質部材の表面
に二硼化ハフニウム(HfB,融点:約3380℃)
や炭化ハフニウム(HfC,融点:約3890℃)を生
成させるようにしており、二硼化ハフニウムを主体とす
る皮膜と基材とは冶金的に接合していて、基材の内部に
二硼化ハフニウム等が深く浸透しているので、表面皮膜
の接合強度が著しく高いものとなる。
That is, in the surface coating method according to the present invention, instead of directly coating hafnium diboride, hafnium oxide (HfO 2 ) is reacted with boron carbide (B 4 C) at a high temperature and HfO 2 is reacted. + 3C → HfC + 2CO ↑ HfO 2 + B 4 C + HfC → 2HfB 2 + 2CO ↑ to produce a reaction of hafnium diboride (HfB 2 , melting point: about 3380 ° C.) on the surface of the carbonaceous member.
And hafnium carbide (HfC, melting point: about 3890 ° C.) are produced, and the film mainly composed of hafnium diboride and the base material are metallurgically bonded to each other. Since hafnium and the like penetrate deeply, the bonding strength of the surface coating becomes extremely high.

【0021】また、本発明に係わる表面被覆方法では、
単に二硼化ジルコニウムを直接コーティングするのでは
なく、酸化ジルコニウム(ZrO)を高温において炭
化硼素(BC)と反応させて、 ZrO+3C→ZrC+2CO↑ ZrO+BC+ZrC→2ZrB+2CO↑ なる反応を生じさせることによって、炭素質部材の表面
に二硼化ジルコニウム(ZrB,融点:約3245
℃)や炭化ジルコニウム(ZrC,融点:約3540
℃)を生成させるようにしており、二硼化ジルコニウム
を主体とする皮膜と基材とは冶金的に接合していて、基
材の内部に二硼化ジルコニウム等が深く浸透しているの
で、表面皮膜の接合強度が著しく高いものとなる。
Further, in the surface coating method according to the present invention,
Rather than simply coating zirconium diboride directly, zirconium oxide (ZrO 2 ) is reacted with boron carbide (B 4 C) at elevated temperature to produce ZrO 2 + 3C → ZrC + 2CO ↑ ZrO 2 + B 4 C + ZrC → 2ZrB 2 + 2CO ↑. By causing the above reaction, zirconium diboride (ZrB 2 , melting point: about 3245 is formed on the surface of the carbonaceous member.
° C) and zirconium carbide (ZrC, melting point: about 3540)
(° C), the coating mainly composed of zirconium diboride and the base material are metallurgically bonded, and since zirconium diboride and the like penetrate deeply inside the base material, The bonding strength of the surface coating becomes extremely high.

【0022】本発明に係わる表面被覆方法の実施態様に
おいては、請求項6に記載しているように、炭素質部材
の所要表面に、酸化ハフニウム(HfO)および/ま
たは酸化ジルコニウム(ZrO)と炭化硼素(B
C)との混合物を塗布したのち、あるいは場合によっ
ては、ハフニウム(Hf)および/またはジルコニウム
(Zr)と炭化硼素(BC)との混合物を塗布したの
ち、焼成して、炭素質部材の所要表面に、二硼化ハフニ
ウム(HfB)および/または二硼化ジルコニウム
(ZrB)を主体とし、その他炭化ハフニウム(Hf
C),炭化ジルコニウム(ZrC)等を含む表面皮膜を
被覆するようにしているので、著しく簡便な方法によっ
て、炭素質部材の表面に、二硼化ハフニウムおよび/ま
たは二硼化ジルコニウムを主体とする皮膜が生成される
こととなり、しかも、この表面皮膜は基材表面から深く
浸透していて冶金的に接合したものとなっているので、
接合強度が著しく高く、剥離を生じがたいものとなって
おり、請求項7に記載しているように、ロケットのノズ
ルや燃焼室あるいは飛翔体のリーディングエッジなどに
おける耐熱,耐酸化,耐食性が著しく向上したものにな
ると共に、表面皮膜の割れや剥離が生じがたいものとな
る。
In an embodiment of the surface coating method according to the present invention, as described in claim 6, hafnium oxide (HfO 2 ) and / or zirconium oxide (ZrO 2 ) is formed on the required surface of the carbonaceous member. And boron carbide (B
4 C), or in some cases, a mixture of hafnium (Hf) and / or zirconium (Zr) and boron carbide (B 4 C) is applied, followed by firing to give a carbonaceous member. On the required surface of, mainly hafnium diboride (HfB 2 ) and / or zirconium diboride (ZrB 2 ) and other hafnium carbide (HfB).
C), zirconium carbide (ZrC), etc. are coated, so that the surface of the carbonaceous member is mainly composed of hafnium diboride and / or zirconium diboride by a remarkably simple method. A film will be generated, and since this surface film has penetrated deeply from the base material surface and is metallurgically bonded,
The joint strength is remarkably high, and peeling hardly occurs. As described in claim 7, heat resistance, oxidation resistance, and corrosion resistance at a rocket nozzle, a combustion chamber, or a leading edge of a flying object are remarkably high. In addition to being improved, cracking and peeling of the surface film are less likely to occur.

【0023】[0023]

【実施例】この実施例では、図1に示す工程に従って、
炭素質部材としての黒鉛ノズルの内面に表面被覆を行っ
た場合について示す。
EXAMPLE In this example, according to the process shown in FIG.
The case where the surface coating is applied to the inner surface of the graphite nozzle as the carbonaceous member is shown.

【0024】まず、二酸化ハフニウム(HfO)粉末
を95〜50重量部と、炭化硼素(BC)粉末を5〜
50重量部とをそれぞれ秤量し、これらを混粉して二酸
化ハフニウム粉末と炭化硼素粉末との配合比が異なる混
合粉末を得たのち、有機溶剤であるエタノール中に混合
粉末を分散させることによってHfO+BC溶液を
調製し、図2に示すように、このHfO+BC溶液
1をスプレーガン2の中に収容した状態とした。
First, 95 to 50 parts by weight of hafnium dioxide (HfO 2 ) powder and 5 to 5 parts of boron carbide (B 4 C) powder.
50 parts by weight were weighed and mixed together to obtain a mixed powder having different compounding ratios of hafnium dioxide powder and boron carbide powder, and then the mixed powder was dispersed in ethanol as an organic solvent to prepare HfO. A 2 + B 4 C solution was prepared, and the HfO 2 + B 4 C solution 1 was placed in a spray gun 2 as shown in FIG.

【0025】一方、黒鉛ノズル3を加工したのち、黒鉛
ノズル3の内面に、スプレーガン2よりHfO+B
C溶液1を噴霧流1aとして吹き付けることによって、
黒鉛ノズル3の内面にHfO+BC粉末4をスプレ
ー塗布した。
On the other hand, after processing the graphite nozzle 3, HfO 2 + B 4 is applied to the inner surface of the graphite nozzle 3 by the spray gun 2.
By spraying C solution 1 as spray stream 1a,
HfO 2 + B 4 C powder 4 was spray-coated on the inner surface of the graphite nozzle 3.

【0026】次いで、乾燥を行ったのち、図3に示すよ
うに、ヒータ5をそなえた焼成炉6内に黒鉛ノズル3を
収容し、1気圧のArガス雰囲気中で、2150〜27
00℃において約1時間の焼成を行った。
Next, after drying, as shown in FIG. 3, the graphite nozzle 3 is housed in a firing furnace 6 equipped with a heater 5, and 2150 to 27 in an Ar gas atmosphere of 1 atm.
Baking was performed at 00 ° C. for about 1 hour.

【0027】そして、炭化硼素の配合割合を酸化ハフニ
ウム粉末77重量部に対し23重量部とし、焼成温度を
2600℃×1時間として表面被覆を行った黒鉛ノズル
について、表面皮膜最表面のX線回析を行ったところ、
図4に示すように、最表面は二硼化ハフニウム(融点:
約3380℃)となっていた。
With respect to the graphite nozzle which was surface-coated at a baking temperature of 2600 ° C. for 1 hour, the compounding ratio of boron carbide was 23 parts by weight with respect to 77 parts by weight of the hafnium oxide powder, and the X-ray diffraction of the outermost surface of the surface coating After analysis,
As shown in FIG. 4, the outermost surface has hafnium diboride (melting point:
It was about 3380 ° C).

【0028】また、表面皮膜中間部のX線回析を行った
ところ、図5に示すように、中間部は二硼化ハフニウム
(融点:約3380℃)と炭化ハフニウム(融点:約3
89℃)とが混在するものとなっていた。
Further, when X-ray diffraction was performed on the intermediate portion of the surface coating, as shown in FIG. 5, hafnium diboride (melting point: about 3380 ° C.) and hafnium carbide (melting point: about 3) were found on the intermediate portion.
89 ° C.) was mixed.

【0029】さらに、表面皮膜の光学顕微鏡観察を行っ
たところ、図6に示す結果が得られ、図6に示すよう
に、黒鉛ノズル(C)の表面に、下層より順次、HfC
+C層,HfB+HfC層,HfB層よりなる厚さ
約20〜40μmの表面皮膜が形成されていた。
Further, when the surface coating was observed with an optical microscope, the results shown in FIG. 6 were obtained. As shown in FIG. 6, HfC was sequentially deposited on the surface of the graphite nozzle (C) from the lower layer.
A surface coating having a thickness of about 20 to 40 μm and formed of + C layer, HfB 2 + HfC layer, and HfB 2 layer was formed.

【0030】さらにまた、酸化ハフニウム(HfO
粉末と炭化硼素(BC)粉末との配合比と、焼成温度
とによる表面皮膜の接合状況への影響を調べたところ、
図7に示す結果であり、混合粉末中の炭化硼素(B
C)の配合量が20〜35重量%でかつ焼成温度が2
400〜2700℃近辺で接合強度が十分良好である表
面皮膜を形成させることが可能であった。
Furthermore, hafnium oxide (HfO 2 )
When the influence of the compounding ratio of the powder and the boron carbide (B 4 C) powder and the firing temperature on the bonding condition of the surface coating was examined,
7 shows the results shown in FIG. 7, in which boron carbide (B
The compounding amount of 4 C) is 20 to 35% by weight and the firing temperature is 2
It was possible to form a surface film having a sufficiently good bonding strength in the vicinity of 400 to 2700 ° C.

【0031】上記した実施例では、黒鉛ノズルの表面に
二硼化ハフニウム主体とする皮膜を生成させた場合を示
したが、二硼化ジルコニウムを主体とする皮膜を生成さ
せる場合についてもほぼ同様に実施することができる。
In the above-mentioned embodiments, the case where a film mainly containing hafnium diboride is formed on the surface of the graphite nozzle is shown. However, the case where a film mainly containing zirconium diboride is formed is almost the same. It can be carried out.

【0032】次に、黒鉛質炭素部材(表面被覆なし)
と、黒鉛質炭素部材の表面に従来例のSiC被覆を形成
したものと、SiC被覆に対し同じく従来公知のテトラ
エチルオルトシリケート含浸処理(TEOS処理)を施
したものと、本発明に従って表面にHfB主体の皮膜
を形成して被覆したものと、同じく本発明に従って表面
にZrB主体の皮膜を形成して被覆したものについ
て、大気中バーナー加熱およびレーザー加熱を行って各
々の耐熱性を評価したところ、表1に示す結果であっ
た。
Next, a graphite carbon member (without surface coating)
The one having the conventional SiC coating formed on the surface of the graphite carbon member, the one having the same conventionally known tetraethyl orthosilicate impregnation treatment (TEOS treatment) applied to the SiC coating, and the surface HfB 2 according to the present invention. Heat resistance was evaluated by performing burner heating and laser heating in the atmosphere for the coating formed by coating the main body and the coating coated by forming the coating mainly containing ZrB 2 on the surface according to the present invention. The results are shown in Table 1.

【0033】[0033]

【表1】 [Table 1]

【0034】表1に示すように、HfB被覆およびZ
rB被覆を行った場合には、黒鉛材料の耐酸化性を著
しく向上させることが可能であった。
As shown in Table 1, HfB 2 coating and Z
When the rB 2 coating was performed, it was possible to remarkably improve the oxidation resistance of the graphite material.

【0035】次に、黒鉛材料の表面に、酸化ジルコニウ
ム,酸化アルミニウム,炭化ジルコニウム,炭化チタ
ン,および二硼化ハフニウム,二硼化ジルコニウム皮膜
を形成した供試材について急速加熱を行って、表面皮膜
の状況を調べたところ、表2に示す結果であった。
Next, the sample material having zirconium oxide, aluminum oxide, zirconium carbide, titanium carbide, and hafnium diboride, zirconium diboride coatings formed on the surface of the graphite material was rapidly heated to give a surface coating. When the situation was examined, the results are shown in Table 2.

【0036】[0036]

【表2】 [Table 2]

【0037】表2に示すように、本発明に従って、黒鉛
基材の表面に二硼化ハフニウムや二硼化ジルコニウムを
主体とする皮膜を形成したものでは、基材と皮膜とが冶
金的に接合していることから、急速加熱によっても皮膜
の割れないしは剥離が生じがたく、皮膜の接合強度が著
しく高いものであった。
As shown in Table 2, according to the present invention, in the case where a film mainly composed of hafnium diboride or zirconium diboride is formed on the surface of a graphite substrate, the substrate and the film are metallurgically bonded. Therefore, cracking or peeling of the coating did not occur even by rapid heating, and the bonding strength of the coating was extremely high.

【0038】さらにまた、黒鉛基材の表面にCVD−S
iC被覆を形成した従来の図8に示すX線回折結果のS
iC皮膜を有する複合材料について燃焼試験を行ったと
ころ、10秒間の燃焼試験後においては、図9に示すよ
うに、組成の同定を行うのが困難なほどに表面の組成が
変化しており、耐食性(耐エロージョン性)があまり良
くないものであったのに対して、黒鉛基材の表面にHf
被覆を形成した本発明例の複合材料では、同じく燃
焼試験後において図10に示したX線回折結果となって
いて、図4に示した燃焼試験前の組成と図10に示した
燃焼試験後の組成はともにHfBのみから構成されて
おり、燃焼試験によっても表面は変化を受けなかったこ
とが明らかであって、耐食性(耐エロージョン性)に著
しく優れたものであることが認められた。
Furthermore, CVD-S is formed on the surface of the graphite base material.
S of the conventional X-ray diffraction result shown in FIG. 8 with the iC coating formed
When a combustion test was performed on the composite material having an iC film, after 10 seconds of the combustion test, the composition of the surface changed so that it was difficult to identify the composition, as shown in FIG. While the corrosion resistance (erosion resistance) was not very good, Hf was not formed on the surface of the graphite base material.
In the composite material of the present invention example in which the B 2 coating was formed, the X-ray diffraction results shown in FIG. 10 were also obtained after the combustion test, and the composition before the combustion test shown in FIG. 4 and the combustion shown in FIG. The composition after the test was composed of only HfB 2 and it was clear that the surface was not changed even by the combustion test, and it was recognized that the corrosion resistance (erosion resistance) was remarkably excellent. It was

【0039】[0039]

【発明の効果】本発明に係わる炭素質部材は、請求項1
に記載しているように、所要表面に、二硼化ハフニウム
(HfB)および二硼化ジルコニウム(ZrB)の
うち少なくともいずれかを主体とする表面皮膜が被覆さ
れているものとしているので、基材および表面皮膜の耐
熱性が著しく優れていると共に、耐食性(耐エロージョ
ン性)にも著しく優れ、しかも、表面皮膜に割れや剥離
などの不具合が生じがたい高品質の炭素質部材を提供す
ることが可能であるという格別顕著な効果がもたらされ
る。
The carbonaceous member according to the present invention is characterized in that
As described above, since the required surface is covered with a surface film mainly containing at least one of hafnium diboride (HfB 2 ) and zirconium diboride (ZrB 2 ), Provide a high-quality carbonaceous member in which not only the heat resistance of the base material and surface coating is also excellent, but also the corrosion resistance (erosion resistance) is also outstanding, and the surface coating is resistant to defects such as cracking and peeling. It is possible to bring about a remarkable effect.

【0040】そして、本発明に係わる炭素質部材の実施
態様においては、請求項2に記載しているように、炭素
質部材が黒鉛よりなるものとしたり、請求項3に記載し
ているように、炭素質部材が炭素繊維/炭素よりなるも
のとしたりしており、これによって、黒鉛や炭素繊維/
炭素よりなる部材(部品,製品およびそれらの素材等)
の耐食性(耐エロージョン性)をより一層向上したもの
とすることが可能となる。
In the embodiment of the carbonaceous member according to the present invention, the carbonaceous member may be made of graphite as described in claim 2 or as described in claim 3. , The carbonaceous material is made of carbon fiber / carbon, which allows the use of graphite or carbon fiber / carbon.
Members made of carbon (parts, products and their materials, etc.)
The corrosion resistance (erosion resistance) can be further improved.

【0041】また、請求項4に記載しているように、炭
素質部材がロケットのノズルであり、ノズルの内面に、
二硼化ハフニウム(HfB)および二硼化ジルコニウ
ム(ZrB)のうち少なくともいずれかを主体とする
表面皮膜が被覆されているものとすることによって、ロ
ケットのノズルの耐食性(耐エロージョン性)をより一
層向上したものにすることが可能であると共に、高温の
燃焼ガスによってノズルが溶融するおそれをなくすこと
が可能であるという優れた効果がもたらされる。
Further, as described in claim 4, the carbonaceous member is a rocket nozzle, and the inner surface of the nozzle is
Corrosion resistance (erosion resistance) of the rocket nozzle can be improved by using a surface film mainly containing at least one of hafnium diboride (HfB 2 ) and zirconium diboride (ZrB 2 ). It is possible to make it even more improved, and there is an excellent effect that it is possible to eliminate the risk that the nozzle is melted by the high temperature combustion gas.

【0042】また、本発明に係わる表面被覆方法は、請
求項5に記載しているように、炭素質部材の所要表面
で、酸化ハフニウム(HfO)および/または酸化ジ
ルコニウム(ZrO)と炭化硼素(BC)とを反応
させて、炭素質部材の所要表面に、二硼化ハフニウム
(HfB)および/または二硼化ジルコニウム(Zr
)を主体とする表面皮膜を被覆するようにしている
ので、炭素質部材の所要表面で、二硼化ハフニウムおよ
び/または二硼化ジルコニウムのコーティングにより単
に堆積して表面皮膜を形成しているのではなく、二硼化
ハフニウムおよび/または二硼化ジルコニウムを主体と
する表面皮膜が基材である炭素質材料と冶金的に接合し
ているものとすることができ、炭素質部材の内部に二硼
化ハフニウムおよび/または二硼化ジルコニウムが深く
浸透しているものとすることができることから、基材と
表面皮膜との間の接合強度が著しく高いものとすること
ができ、機械的衝撃や熱的衝撃によっても表面皮膜が基
材表面から簡単に剥離しがたい著しく優れたものとする
ことが可能である。
Further, according to the surface coating method of the present invention, as described in claim 5, carbonization with hafnium oxide (HfO 2 ) and / or zirconium oxide (ZrO 2 ) is carried out on the required surface of the carbonaceous member. By reacting with boron (B 4 C), hafnium diboride (HfB 2 ) and / or zirconium diboride (Zr
Since the surface coating mainly composed of B 2 ) is coated, the surface coating is formed by simply depositing hafnium diboride and / or zirconium diboride on the required surface of the carbonaceous member. Rather than being present, the surface coating mainly composed of hafnium diboride and / or zirconium diboride may be metallurgically bonded to the carbonaceous material that is the base material. Since hafnium diboride and / or zirconium diboride can be deeply penetrated into the substrate, the bonding strength between the base material and the surface coating can be made extremely high, and mechanical impact can be increased. It is possible to make the surface film extremely excellent in that the surface film is not easily peeled off from the surface of the substrate even by thermal shock.

【0043】そして、本発明に係わる表面被覆方法の実
施態様においては、請求項6に記載しているように、炭
素質部材の所要表面に、酸化ハフニウム(HfO)お
よび/または酸化ジルコニウム(ZrO)と炭化硼素
(BC)との混合物を塗布したのち、焼成して、炭素
質部材の所要表面に、二硼化ハフニウム(HfB)お
よび/または二硼化ジルコニウム(ZrB)を主体と
する表面皮膜を被覆するようにしているので、著しく簡
便な方法によって、炭素質部材の表面に、二硼化ハフニ
ウムおよび/または二硼化ジルコニウムを主体とする表
面皮膜を生成させることが可能であり、しかも、この表
面皮膜は基材表面から深く浸透していて冶金的に接合し
たものとすることが可能であることから、接合強度が著
しく高く、剥離を生じがたいものとすることが可能であ
り、請求項7に記載しているように、ロケットのノズル
や燃焼室あるいは飛翔体のリーディングエッジなどにお
ける耐熱,耐酸化,耐食性を著しく向上したものにする
ことが可能であると共に、表面皮膜の割れや剥離を生じ
がたいものとすることが可能であるという顕著な効果が
もたらされる。
In an embodiment of the surface coating method according to the present invention, as described in claim 6, hafnium oxide (HfO 2 ) and / or zirconium oxide (ZrO 2 ) is formed on the required surface of the carbonaceous member. 2 ) and boron carbide (B 4 C) are applied and then fired to deposit hafnium diboride (HfB 2 ) and / or zirconium diboride (ZrB 2 ) on the required surface of the carbonaceous member. Since the main surface film is coated, it is possible to form a surface film mainly containing hafnium diboride and / or zirconium diboride on the surface of the carbonaceous member by a remarkably simple method. Moreover, since this surface film is capable of being deeply penetrated from the surface of the base material and metallurgically bonded, the bonding strength is extremely high, It is possible to prevent peeling, and as described in claim 7, the heat resistance, oxidation resistance, and corrosion resistance of a rocket nozzle, a combustion chamber, or a leading edge of a flying object are remarkably improved. In addition to the above, it is possible to prevent cracking and peeling of the surface coating from occurring, which is a remarkable effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例による表面被覆方法の工程を示
す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory view showing steps of a surface coating method according to an embodiment of the present invention.

【図2】黒鉛ノズルの内面にHfO+BC粉末を塗
布する要領を示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a procedure for applying HfO 2 + B 4 C powder on the inner surface of a graphite nozzle.

【図3】内面にHfO+BC粉末を塗布した黒鉛ノ
ズルを焼成する要領を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a procedure for firing a graphite nozzle having an inner surface coated with HfO 2 + B 4 C powder.

【図4】HfBを主体とする表面皮膜の最表面におけ
るX線回析結果を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an X-ray diffraction result on the outermost surface of a surface coating mainly composed of HfB 2 .

【図5】HfBを主体とする表面皮膜の中間部におけ
るX線回析結果を示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an X-ray diffraction result in an intermediate portion of a surface film mainly composed of HfB 2 .

【図6】HfBを主体とする表面皮膜が生成された黒
鉛ノズル表面の光学顕微鏡観察結果を示す写真の模写図
である。
FIG. 6 is a copy of a photograph showing an optical microscope observation result of the surface of a graphite nozzle on which a surface film mainly composed of HfB 2 is formed.

【図7】BC添加量と生成温度によるHfB主体の
表面皮膜の接合状態への影響を調べた結果を例示する説
明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating the results of examining the influence of the addition amount of B 4 C and the generation temperature on the bonding state of the surface coating mainly composed of HfB 2 .

【図8】従来のCVD−SiC被覆を形成した複合材料
の表面皮膜の燃焼試験前におけるX線回折結果を示す説
明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an X-ray diffraction result before a combustion test of a surface coating of a composite material formed with a conventional CVD-SiC coating.

【図9】従来のCVD−SiC被覆を形成した複合材料
の表面皮膜の燃焼試験後におけるX線回折結果を示す説
明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing an X-ray diffraction result after a combustion test of a surface coating of a composite material having a conventional CVD-SiC coating formed thereon.

【図10】本発明例のHfB被覆を形成した複合材料
の表面皮膜の燃焼試験後におけるX線回折結果を示す説
明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an X-ray diffraction result after a combustion test of a surface coating of a composite material having a HfB 2 coating according to an example of the present invention.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 所要表面に、二硼化ハフニウム(HfB
)および二硼化ジルコニウム(ZrB)のうち少な
くともいずれかを主体とする表面皮膜が被覆されている
ことを特徴とする炭素質部材。
1. Hafnium diboride (HfB) on the required surface
2 ) and zirconium diboride (ZrB 2 ), a carbonaceous member characterized by being coated with a surface film mainly containing at least one of them.
【請求項2】 炭素質部材が黒鉛よりなる請求項1に記
載の炭素質部材。
2. The carbonaceous member according to claim 1, wherein the carbonaceous member is made of graphite.
【請求項3】 炭素質部材が炭素繊維/炭素よりなる請
求項1に記載の炭素質部材。
3. The carbonaceous member according to claim 1, wherein the carbonaceous member is composed of carbon fiber / carbon.
【請求項4】 炭素質部材がロケットのノズルであり、
ノズルの内面に、二硼化ハフニウム(HfB)および
二硼化ジルコニウム(ZrB)のうち少なくともいず
れかを主体とする表面皮膜が被覆されている請求項1な
いし3のいずれかに記載の炭素質部材。
4. The carbonaceous member is a rocket nozzle,
The carbon according to any one of claims 1 to 3, wherein an inner surface of the nozzle is coated with a surface film mainly containing at least one of hafnium diboride (HfB 2 ) and zirconium diboride (ZrB 2 ). Quality material.
【請求項5】 炭素質部材の所要表面で、酸化ハフニウ
ム(HfO)および/または酸化ジルコニウム(Zr
)と炭化硼素(BC)とを反応させて、炭素質部
材の所要表面に、二硼化ハフニウム(HfB)および
/または二硼化ジルコニウム(ZrB)を主体とする
表面皮膜を被覆することを特徴とする表面被覆方法。
5. Hafnium oxide (HfO 2 ) and / or zirconium oxide (Zr) on the required surface of the carbonaceous member.
O 2 ) and boron carbide (B 4 C) are reacted to form a surface coating mainly containing hafnium diboride (HfB 2 ) and / or zirconium diboride (ZrB 2 ) on the required surface of the carbonaceous member. A method for coating a surface, comprising:
【請求項6】 炭素質部材の所要表面に、酸化ハフニウ
ム(HfO)および/または酸化ジルコニウム(Zr
)と炭化硼素(BC)との混合物を塗布したの
ち、焼成して、炭素質部材の所要表面に、二硼化ハフニ
ウム(HfB)および/または二硼化ジルコニウム
(ZrB)を主体とする表面皮膜を被覆する請求項5
に記載の表面被覆方法。
6. Hafnium oxide (HfO 2 ) and / or zirconium oxide (Zr) is formed on a required surface of the carbonaceous member.
O 2 ) and boron carbide (B 4 C) are applied and then fired to form hafnium diboride (HfB 2 ) and / or zirconium diboride (ZrB 2 ) on the required surface of the carbonaceous member. 5. A surface film mainly composed of
The surface coating method according to.
【請求項7】 炭素質部材がロケットのノズルであり、
ノズルの内面に、二硼化ハフニウム(HfB)および
/または二硼化ジルコニウム(ZrB)を主体とする
表面皮膜を被覆する請求項5または6に記載の表面被覆
方法。
7. The carbonaceous member is a rocket nozzle,
The surface coating method according to claim 5 or 6, wherein the inner surface of the nozzle is coated with a surface coating mainly containing hafnium diboride (HfB 2 ) and / or zirconium diboride (ZrB 2 ).
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101160140B1 (en) * 2009-12-30 2012-06-27 한국세라믹기술원 Manufacturing method of zirconium diboride-silicon carbide composite
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