JPH0867549A - Ceramics of layer structure - Google Patents

Ceramics of layer structure

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JPH0867549A
JPH0867549A JP6205589A JP20558994A JPH0867549A JP H0867549 A JPH0867549 A JP H0867549A JP 6205589 A JP6205589 A JP 6205589A JP 20558994 A JP20558994 A JP 20558994A JP H0867549 A JPH0867549 A JP H0867549A
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JP
Japan
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layer
oxide
ceramics
fiber
surface layer
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Application number
JP6205589A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuhiro Itsudo
康広 五戸
Masanori Katou
雅礼 加藤
Takayuki Fukazawa
孝幸 深澤
Toshiaki Mizutani
敏昭 水谷
Fumio Ueno
文雄 上野
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
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Abstract

PURPOSE: To produce a ceramics of a layer structure, excellent in mechanical properties such as strength even at high temperatures and oxidation and corrosion resistances and having high reliability. CONSTITUTION: This ceramics of a layer structure has a surface layer 1 consisting essentially of an oxide ceramics, an inner layer 2 consisting essentially of a nonoxide ceramics and a thermal stress relaxing layer 3, formed in the interfacial part of the surface layer and the inner layers and having the thermal expansion coefficient in the intermediate between those of both or changing the composition thereof. Furthermore, a fiber layer 4 containing one or more three-dimensionally compounded ceramic fibers is constituted in a part, etc., extending from the vicinity of the thermal stress relaxing layer of the surface layer through the thermal stress relaxing layer to the vicinity of the interfacial part of the inner layer.

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、強度等の機械的性質に
優れ、かつ耐酸化性、耐食性にも優れ、さらに、万一亀
裂等が生じた場合にも部品全体が壊れるということがな
く、本材料が使用されている部品等が構成している装置
等の運転等を安全に停止するまで、その役割を果たし得
ることにより、特に高温で苛酷な環境下において高い信
頼性を示す層状構造セラミックスに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention has excellent mechanical properties such as strength, oxidation resistance, and corrosion resistance. Moreover, even if a crack should occur, the entire part will not be broken. , A layered structure that exhibits high reliability, especially under high temperature and harsh environment, by playing its role until the operation of the device etc. composed of parts using this material can be safely stopped Regarding ceramics.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の構造用セラミックスは、炭化ケイ
素、窒化ケイ素、サイアロン等を中心とし、高強度、耐
熱性など多くの優れた特性をもつことから、機械部品等
としての応用が精力的に進められている。特に、ガスタ
ービン部品や自動車用エンジン部品のような高温での利
用が期待され、多くの成果を得ている。しかし、これま
でに得られた材料はガスタービンのガス入口温度にする
とせいぜい1300℃級程度に対応するもので、それ以
上の温度(例えば1500℃級)では、非酸化物セラミ
ックスの耐酸化性、耐食性という材料の本質にかかわる
問題から、そのまま使用することができない。すなわ
ち、優れた耐食性、耐酸化性を藻つこれらの非酸化物セ
ラミックスも、1500℃前後もしくはそれ以上の高温
になると、非酸化物ゆえに、酸化されることが避けられ
ず、必要な寿命は得られないのである。
2. Description of the Related Art Conventional structural ceramics have many excellent characteristics such as high strength and heat resistance centering on silicon carbide, silicon nitride, sialon, etc., and therefore, they are vigorously applied as mechanical parts. It is being advanced. In particular, it is expected to be used at high temperatures such as gas turbine parts and automobile engine parts, and many results have been obtained. However, the materials obtained up to now correspond to about 1300 ° C class at the gas inlet temperature of the gas turbine at most, and the oxidation resistance of the non-oxide ceramics at the temperature higher than that (for example, 1500 ° C class), It cannot be used as it is because of the problem related to the material nature of corrosion resistance. In other words, even these non-oxide ceramics which have excellent corrosion resistance and oxidation resistance are inevitable to be oxidized at high temperatures around 1500 ° C or higher because they are non-oxide, and the required life is obtained. I can't.

【0003】一方、酸化物は高温での強度低下は著しい
が耐酸化性の問題がなく、アルカリなどに対する耐食性
にも優れているものが多くある。
On the other hand, many oxides have a marked decrease in strength at high temperatures, but have no problem of oxidation resistance, and many have excellent corrosion resistance against alkali and the like.

【0004】そこで、表面層を耐酸化性、耐食性の優れ
た酸化物にするということが考えられるが、両者の物性
値の違い、特に熱膨張係数の違いに起因して生じる熱応
力の影響が大きく、特に酸化物側に亀裂を生じやすくな
る。そこで、両者の界面部になんらかの熱応力緩和のた
めの方策を施すことが必要になる。たとえば、発明者等
は特願平4−66430において、アルミナと窒化ケイ
素等の組合せについて、両者の組成や、中間にサイアロ
ンを含む場合には、その中のAlの固溶量が連続的にあ
るいは不連続的に変化している界面部を形成することが
効果的であることを見出した。
Therefore, it is considered to make the surface layer an oxide having excellent oxidation resistance and corrosion resistance. However, the influence of thermal stress caused by the difference in the physical property values of the two, particularly the difference in the thermal expansion coefficient, is considered. It is large, and cracks are likely to occur particularly on the oxide side. Therefore, it is necessary to take some measure for relaxing the thermal stress at the interface between the two. For example, in Japanese Patent Application No. 4-66430, the inventors of the present invention have proposed a combination of alumina and silicon nitride or the like, and in the case of containing sialon in the middle, the solid solution amount of Al in the combination is continuous or It has been found that it is effective to form an interface part that changes discontinuously.

【0005】しかし、1500℃前後もしくはそれ以上
の高温においては、界面部の安定性はこれまでもまだ不
充分であった。また、高強度と言っても、このような温
度範囲では非酸化物セラミックスの強度も減少しはじめ
るため、材料にかかる設計応力と実際の強度の差が縮ま
って、強度の余裕が少なくなる。したがって、もし、例
えば飛翔物等により、どこかに小さな亀裂等を生じた場
合には、それが酸化物層の剥離による非酸化物層の急速
な劣化等により、全体の壊滅的な破壊に繋がりかねない
という懸念を招くことになる。
However, at high temperatures around 1500 ° C. or higher, the stability of the interface has been insufficient until now. In addition, even if the strength is high, the strength of the non-oxide ceramics also begins to decrease in such a temperature range, so that the difference between the design stress applied to the material and the actual strength decreases, and the strength margin decreases. Therefore, if a small crack is generated somewhere due to flying objects, etc., it will lead to catastrophic destruction of the whole due to rapid deterioration of the non-oxide layer due to peeling of the oxide layer. This raises concerns that it could happen.

【0006】例えばガスタービンの翼として用いる場合
など、カタストロフィックな破壊は単にその部材だけで
なく、他の部材の破壊へとも拡大しかねないため、少な
くとも破壊発生から運転を停止するまでの間バラバラに
ならずにいることが特に重要である。
For example, when it is used as a blade of a gas turbine, catastrophic destruction may spread not only to the destruction of the member but also of other components, so that it is scattered at least from the time when the destruction occurs until the operation is stopped. It is especially important that you do not get sick.

【0007】このように、将来の高温ガスタービン材料
のような高温環境下での長期使用に耐え得る必要性があ
る材料においては、高強度、高靭性ならびに優れた耐酸
化性に加え、高破壊抵抗特性をともに満足するという点
において、いまだ十分な解決がなされていないのが現状
である。
As described above, in a material such as a high temperature gas turbine material in the future which is required to withstand long-term use in a high temperature environment, in addition to high strength, high toughness and excellent oxidation resistance, high fracture In terms of satisfying both the resistance characteristics, the current situation is that a sufficient solution has not yet been made.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】1500℃前後もしく
はそれ以上の高温で、かつ酸化腐食性の雰囲気におい
て、強度を担い得る高強度の非酸化物セラミックスと耐
酸化、耐食性を担う酸化物等のセラミックスを、両者の
長所を発揮させるように組合せ、融合させるために、両
者の界面における整合性をとり、かつ亀裂の発生等に関
しても、信頼性の高い構造を見出すことが最大の課題と
なる。
High-strength non-oxide ceramics and ceramics such as oxides which are responsible for oxidation resistance and corrosion resistance at high temperatures of around 1500 ° C. or higher and in an atmosphere of oxidative corrosion. In order to combine and fuse the two so as to exert their merits, it is the most important task to find a structure having high reliability at the interface between the two and also with respect to the occurrence of cracks.

【0009】本発明は、上記した課題を解決し、高温に
おいても強度等の機械的性質に優れ、かつ耐酸化性、耐
食性にも優れた信頼性の高い層状構造セラミックスを提
供しようとするものである。
The present invention is intended to solve the above-mentioned problems and to provide a highly reliable layered structure ceramic which is excellent in mechanical properties such as strength even at high temperature, and is excellent in oxidation resistance and corrosion resistance. is there.

【0010】また本発明は、高温、酸化性雰囲気下での
使用を目的とした、非酸化物系セラミックスの表層部に
酸化物系セラミックスを積層化して強度・靭性と耐酸化
性の両立を可能にする材料に関して、酸化物層の剥離脱
落や欠陥の発生によるカタストロフィックな破壊を防止
する根本的な解決には至っていないという問題点を解決
し、高い強度・靭性と耐酸化性に加えて、破壊損傷に対
する高い抵抗性をともに満足する層状構造セラミックス
を提供しようとするものである。
Further, according to the present invention, it is possible to achieve both strength / toughness and oxidation resistance by laminating oxide-based ceramics on the surface layer of non-oxide-based ceramics for the purpose of use under high temperature and oxidizing atmosphere. With respect to the material to be solved, the problem that the fundamental solution to prevent catastrophic destruction due to peeling off of the oxide layer and the occurrence of defects has not been solved, in addition to high strength / toughness and oxidation resistance, It is an object of the present invention to provide a layered structure ceramic that satisfies both high resistance to fracture damage.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明では、表面層を酸
化物、内部層を非酸化物とした場合の熱応力を緩和し、
界面での整合性をとり、かつ万一亀裂等が生じた場合に
も亀裂進展を抑制して信頼性が高く、1500℃前後も
しくはそれ以上の温度で、かつ酸化腐食性の雰囲気にお
いて、使用可能な構造との実現手段を明らかにした。
In the present invention, the thermal stress when the surface layer is made of oxide and the inner layer is made of non-oxide is relaxed,
The interface has consistency, and even if a crack occurs, it suppresses crack growth and has high reliability. It can be used at a temperature around 1500 ° C or higher and in an oxidative corrosive atmosphere. The means for realizing such a structure was clarified.

【0012】すなわち、請求項1の発明は、酸化物セラ
ミックスを主成分とする表面層と、非酸化物セラミック
スを主成分とする内部層とによって構成される層状構造
セラミックスにおいて、これら表面層と内部層との界面
部に、両者の中間の熱膨張係数をもつ1層あるいは2層
以上の熱応力緩和層、もしくは両者の組成が連続的に、
あるいは不連続的に変化している熱応力緩和層を有し、
さらに、表面層の熱応力緩和層附近から熱応力緩和層を
経て内部層の界面部附近に亘る部分、熱応力緩和層の途
中から内部層の熱応力緩和層附近に亘る部分、表面層の
熱応力緩和層附近から熱応力緩和層の途中に亘る部分、
表面層の熱応力緩和層附近、のいずれかに、1種もしく
は2種以上のセラミック繊維が3次元的に複合する繊維
層を構成してなることを特徴とする。
That is, the first aspect of the present invention is a layered structure ceramic comprising a surface layer containing oxide ceramics as a main component and an inner layer containing non-oxide ceramics as a main component. At the interface with the layer, one or two or more thermal stress relaxation layers having a thermal expansion coefficient intermediate between the two, or the composition of both layers, is continuously formed.
Or having a thermal stress relaxation layer that changes discontinuously,
Furthermore, the part of the surface layer extending from the vicinity of the thermal stress relaxation layer to the vicinity of the interface part of the internal layer via the thermal stress relaxation layer, the part of the middle of the thermal stress relaxation layer to the vicinity of the internal thermal stress relaxation layer, and the heat of the surface layer The part from the vicinity of the stress relaxation layer to the middle of the thermal stress relaxation layer,
It is characterized in that a fiber layer in which one kind or two or more kinds of ceramic fibers are three-dimensionally composited is formed near either the thermal stress relaxation layer of the surface layer.

【0013】請求項2の発明は、表面層を構成するセラ
ミックスが、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸
化イットリウム、マグネシウム・アルミニウムスピネ
ル、酸化クロム、酸化チタン、酸化ケイ素、ムライトの
うちの1種からなり、繊維層を構成する繊維が、炭化ケ
イ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムから選ばれる少な
くとも1種を主成分とする繊維からなり、内部層を構成
するセラミックスが、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイア
ロンから選ばれる少なくとも1種もしくは、2種以上の
複合セラミックスからなることを特徴とする。
In a second aspect of the present invention, the ceramic constituting the surface layer is made of one of aluminum oxide, magnesium oxide, yttrium oxide, magnesium aluminum spinel, chromium oxide, titanium oxide, silicon oxide and mullite. The fiber forming the fiber layer is made of a fiber containing at least one selected from silicon carbide, silicon nitride and aluminum oxide as a main component, and the ceramic forming the inner layer is at least selected from silicon carbide, silicon nitride and sialon. It is characterized by being composed of one kind or two or more kinds of composite ceramics.

【0014】請求項3の発明は、酸化物セラミックスを
主成分とする表面層と、非酸化物セラミックスを主成分
とする内部層とによって構成される層状構造セラミック
スにおいて、前記内部層における前記表面層側の部分、
前記内部層の中心部、または前記表面層と内部層との層
間に亘る部分を、酸化物系長繊維もしくは非酸化物系長
繊維により強化することを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a layered structure ceramic comprising a surface layer containing oxide ceramics as a main component and an inner layer containing non-oxide ceramics as a main component. Side part,
A central portion of the inner layer or a portion between the surface layer and the inner layer is reinforced with an oxide long fiber or a non-oxide long fiber.

【0015】請求項4の発明は、酸化物セラミックスを
主成分とする表面層と、非酸化物セラミックスを主成分
とする内部層とによって構成される層状構造セラミック
スにおいて、前記表面層と内部層との界面に両層を連結
する形で、リング状のセラミックス繊維、表面層側に凸
になる弓状のセラミックス繊維、または波形をしたセラ
ミックス繊維を複合させたことを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in a layered structure ceramics composed of a surface layer containing oxide ceramics as a main component and an inner layer containing non-oxide ceramics as a main component, the surface layer and the internal layer are provided. A ring-shaped ceramic fiber, a bow-shaped ceramic fiber that is convex toward the surface layer, or a corrugated ceramic fiber is compounded in such a manner that both layers are connected to the interface.

【0016】[0016]

【作用】まず、請求項1および2の発明について作用を
説明する。
First, the operation of the inventions of claims 1 and 2 will be described.

【0017】表面層を酸化物セラミックスとした場合、
内部の非酸化物セラミックスは酸化あるいは腐食雰囲気
に直接させされることがなく、耐酸化性、耐食性は大き
く向上する。しかし、単に表面層を酸化物にしただけで
は熱膨張係数の差等に起因して表面層に引張り残留応力
が生じ、亀裂を生じたり、強度の低下を招いたりする。
When the surface layer is made of oxide ceramics,
The internal non-oxide ceramics are not directly exposed to the oxidizing or corrosive atmosphere, and the oxidation resistance and corrosion resistance are greatly improved. However, if the surface layer is simply made to be an oxide, tensile residual stress is generated in the surface layer due to a difference in thermal expansion coefficient and the like, and cracks may occur or strength may be reduced.

【0018】そこで、多くの実験的検討を積み重ねた結
果、これらの界面部に両者の中間の熱膨張係数をもつ1
層あるいは2層以上の熱応力緩和層、もしくは両者の組
成が連続的に、あるいは不連続的に変化している熱応力
緩和層をもたせることが、有効であることを見出した。
Therefore, as a result of accumulating many experimental studies, these interfaces have a coefficient of thermal expansion intermediate between them.
It has been found that it is effective to have a layer, a thermal stress relaxation layer of two or more layers, or a thermal stress relaxation layer in which the composition of both changes continuously or discontinuously.

【0019】界面部に両者の中間の熱膨張係数をもつ1
層あるいは2層以上の熱応力緩和層、もしくは両者の組
成が連続的に、あるいは不連続的に変化している熱応力
緩和層をもたせることで、熱膨張係数、弾性率など物性
値の連続性をもたせ、層間の整合性が増し、引張りの残
留応力がある程度緩和されるが、1500℃前後もしく
はそれ以上の温度で、かつ酸化腐蝕性の雰囲気におい
て、使用できるということを念頭に置くと、これだけで
は不充分である。
1 having an intermediate coefficient of thermal expansion between the two at the interface
Layer or two or more thermal stress relaxation layers, or by providing a thermal stress relaxation layer in which the composition of both changes continuously or discontinuously, the continuity of physical properties such as thermal expansion coefficient and elastic modulus However, it is possible to use it at a temperature around 1500 ° C or higher and in an oxidative and corrosive atmosphere. Is not enough.

【0020】そこで、(1) :表面層の熱応力緩和層附近
から熱応力緩和層を経て内部層の界面部附近に亘る部
分、(2) :熱応力緩和層の途中から内部層の熱応力緩和
層附近に亘る部分、(3) :表面層の熱応力緩和層附近か
ら熱応力緩和層の途中に亘る部分、(4) :(2)(3)の両方
の部分、あるいは(5) :(2) と表面層の熱応力緩和層附
近とに、1種もしくは2種以上のセラミック繊維が3次
元的に複合する繊維層を構成することが、このような苛
酷な条件下で使用できる材料の実現に有効であることが
判明した。この場合、3次元とは繊維が界面に平行方向
と垂直方向の両方に配置しているということを意味して
いる。
Therefore, (1): a portion extending from the vicinity of the thermal stress relaxation layer of the surface layer to the vicinity of the interface portion of the internal layer via the thermal stress relaxation layer, (2): the thermal stress of the internal layer from the middle of the thermal stress relaxation layer (3): Part of the surface layer near the thermal stress relaxation layer to the middle of the thermal stress relaxation layer, (4): Both parts of (2) and (3), or (5): A material that can be used under such harsh conditions is to form a fiber layer in which one or more ceramic fibers are three-dimensionally composited between (2) and the thermal stress relaxation layer of the surface layer. It has been found to be effective in realizing In this case, three-dimensional means that the fibers are arranged both parallel and perpendicular to the interface.

【0021】そして、界面に垂直方向に界面を横切って
配置している繊維は、異種層にまたがって存在している
ことから両者を繋ぎ、界面での整合性を増大させるはた
らきをしている。また、界面に平行方向に配置している
繊維は、例えば飛翔物等により表面層(酸化物層)に亀
裂が生じた場合に、亀裂の進展と開口を止め、亀裂が内
部層(非酸化物層)にまで至って、急速な酸化が起こる
ことを防ぐ役割を果たしている。つまり、亀裂が酸化物
表面に生じても、酸化物の途中で、もしくは、少なくと
も酸化物と非酸化物の界面部(応力緩和層)において亀
裂の進展が止まるように設計されている。
Since the fibers arranged in the direction perpendicular to the interface and across the interface are present over the different layers, they connect the two and serve to increase the consistency at the interface. Further, the fibers arranged in the direction parallel to the interface stop the progress and opening of the cracks when the surface layer (oxide layer) is cracked by flying objects, etc. Layer) and plays a role in preventing rapid oxidation from occurring. That is, even if a crack is generated on the surface of the oxide, the crack is designed to stop in the middle of the oxide or at least at the interface between the oxide and the non-oxide (stress relaxation layer).

【0022】繊維の配置を前述の(1) 〜(5) としたの
は、繊維の効果だけを考慮した場合には、表面層の界面
部(熱応力緩和層)附近から、界面部、内部層の界面部
附近にかけて入れればよい。ただ、このような長繊維の
層をセラミック材料中に入れるということは、従来言わ
れているような、いわゆる強化には必ずしもならず、特
に高温においては、材料全体の強度を上げるよりも、む
しろ若干下げるという場合さえある。
The arrangement of the fibers is set to the above-mentioned (1) to (5) because, when only the effect of the fibers is considered, from the vicinity of the interface portion (thermal stress relaxation layer) of the surface layer to the interface portion and the inside. It may be inserted near the interface of the layer. However, putting such a layer of long fibers in a ceramic material does not necessarily mean so-called strengthening as has been conventionally said, and especially at high temperature, rather than increasing the strength of the entire material, rather than increasing the strength of the entire material. It may even be lowered slightly.

【0023】したがって、特に高強度を強く念頭に置い
た材料を設計するときには繊維層の量を少なめにするこ
とが有効な場合がある。このときには、界面部(熱応力
緩和層)の途中から内部層の界面部附近にかけて、ある
いは表面層の界面部附近から界面部の途中までのいずれ
かに繊維層を入れればよい。材料の組合せによっては、
その両方に繊維層を入れ、界面部の中心部に繊維層をも
たない構造とすることが好ましい場合もある。
Therefore, when designing a material in which high strength is strongly kept in mind, it may be effective to use a small amount of fiber layers. At this time, the fiber layer may be inserted either from the middle of the interface (thermal stress relaxation layer) to the vicinity of the interface of the inner layer or from the vicinity of the interface of the surface layer to the middle of the interface. Depending on the combination of materials,
In some cases, it is preferable to put a fiber layer in both of them and to have a structure in which the fiber layer is not provided at the center of the interface.

【0024】また、繊維層を界面部の途中から内部層の
界面部附近にかけて入れた場合には、界面部で亀裂が止
まったときに、界面部と雰囲気ガスとが反応して、亀裂
が進展してしまわないように、界面部の組成等を設計す
ることが必要である。また、繊維層を界面部の途中から
内部層の界面部附近にかけて入れる場合には、表面層の
界面部附近に繊維層を入れておくことも有効である。
When the fibrous layer is inserted from the middle of the interface to the vicinity of the interface of the inner layer, when the crack stops at the interface, the interface reacts with the atmospheric gas, and the crack propagates. It is necessary to design the composition and the like of the interface portion so as not to cause this. When the fiber layer is inserted from the middle of the interface part to the vicinity of the interface part of the inner layer, it is also effective to insert the fiber layer near the interface part of the surface layer.

【0025】1種もしくは2種以上のセラミック繊維と
したのは、上述したように繊維層の役割は異種セラミッ
ク界面の整合性を取るということと、亀裂進展の阻止と
いう2つであるので、それぞれの役割に適した繊維を入
れることも効果的なのである。例えば、界面に平行方向
に配置する繊維と垂直方向に配置する繊維をそれぞれの
役割によって変える(すなわち、2種以上の繊維によっ
て3次元的な構造をつくる)ことや、2層にわたって繊
維層を入れるときにはそれぞれを構成する繊維を変える
ことも有効になる。
The reason why the ceramic fiber is made of one kind or two or more kinds is that, as described above, the role of the fiber layer is to maintain the consistency of the interfaces between different kinds of ceramics and to prevent the crack growth. It is also effective to add fibers suitable for the role of. For example, fibers arranged in the direction parallel to the interface and fibers arranged in the direction perpendicular to the interface are changed according to their respective roles (that is, a three-dimensional structure is formed by two or more kinds of fibers), or a fiber layer is put over two layers. Sometimes it is effective to change the fibers that make up each.

【0026】したがって、従来のように繊維を入れさえ
すればよいというのではなく、本発明では繊維の効果を
異種セラミック界面の整合性を取るということと、亀裂
進展の阻止という2つの役割を果たすことに重点を置
き、それを実現するための配置と構成材料の組合せを明
らかにしたのである。
Therefore, it is not necessary to insert the fibers as in the conventional case, but the present invention plays two roles of the effect of the fibers to make the interfaces of different ceramics consistent with each other and the prevention of crack propagation. Focusing on that, he clarified the combination of arrangement and constituent materials to realize it.

【0027】このような構造に適用する具体的な材料に
ついて、表面層を酸化アルミニウム、酸化マグネシウ
ム、酸化イットリウム、マグネシウム・アルミニウムス
ピネル、酸化クロム、酸化チタン、酸化ケイ素、ムライ
トのうちの1種としたのは、本発明の基本的な考えであ
る、1500℃前後もしくはそれ以上の温度で、かつ酸
化腐食性の雰囲気において、使用可能な材料ということ
を念頭に置いて、このような環境下において、充分安定
に、その役割を果たし得るもので、かつ次に記述する繊
維層や内部層との整合性がとれ、目的とする効果を発揮
できるものを実験的に選定した結果である。もちろん、
それぞれの物質には固有の特徴もあり、たとえば雰囲気
中に特定の不純物等があるような場合、それらとの反応
性等を考慮して、適した構成材料が選ばれることは言う
までもない。また、腐食性の雰囲気があまり強くない場
合には、酸窒化物であるサイアロンも表面層として有効
であることも判明した。但し、希土類元素等を含まない
純粋なサイアロンであることが条件である。
As a specific material applied to such a structure, the surface layer is one of aluminum oxide, magnesium oxide, yttrium oxide, magnesium-aluminum spinel, chromium oxide, titanium oxide, silicon oxide and mullite. Is the basic idea of the present invention, at a temperature of around 1500 ° C. or higher and in an atmosphere of oxidative corrosion, keeping in mind that it is a material that can be used, in such an environment, This is the result of experimentally selecting a material that can play its role in a sufficiently stable manner, and that can achieve the intended effect with compatibility with the fiber layer and the inner layer described below. of course,
It is needless to say that each substance also has its own characteristic. For example, when the atmosphere contains a specific impurity, a suitable constituent material is selected in consideration of the reactivity with the impurity. It was also found that sialon, which is an oxynitride, is also effective as the surface layer when the corrosive atmosphere is not so strong. However, it is a condition that it is a pure sialon containing no rare earth element.

【0028】繊維層を構成する繊維が炭化ケイ素、窒化
ケイ素または酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも
1種を主成分とする繊維としたのは、高温における安定
性、亀裂進展阻止能力、強度等をもとに、実験的に検討
し、選定した結果である。
The fibers constituting the fiber layer are mainly composed of at least one selected from silicon carbide, silicon nitride and aluminum oxide because of their stability at high temperatures, crack growth inhibiting ability, strength and the like. In addition, it is the result of the experimental selection and selection.

【0029】内部層を炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイア
ロンから選ばれる少なくとも1種もしくは、2種以上の
複合セラミックスとしたのは、高温における強度、安定
性を基準として、実験的に選定したことによる。
The reason why the inner layer is made of at least one type or two or more types of composite ceramics selected from silicon carbide, silicon nitride and sialon is that they are selected experimentally on the basis of strength and stability at high temperature.

【0030】請求項3の発明は従来では両立し得なかっ
た高温での強度・靭性および耐酸化性とカタストロフィ
ック破壊を未然に防止する破壊損傷抵抗性をともに満足
させるセラミックス材料に関するもので、特にガスター
ビンなどの高温構造用部材に適用できる。
The invention according to claim 3 relates to a ceramic material which satisfies both strength and toughness at high temperature and oxidation resistance which have hitherto been incompatible, and fracture damage resistance for preventing catastrophic fracture in advance. It can be applied to high temperature structural members such as gas turbines.

【0031】本発明は、非酸化物系セラミックスの表層
部を酸化物系セラミックスで覆った層状構造を基本構造
とし、酸化物系もしくは非酸化物系長繊維の形態、配置
の仕方等により、高温での強度、靭性、耐酸化性に加え
てカタストロフィックなき裂進展による破壊を防止する
破壊損傷抵抗特性を同時に実現するものである。このよ
うな長繊維の形態、配置の仕方にいくつかの手段があ
り、以下に説明する。
In the present invention, the basic structure is a layered structure in which the surface layer of non-oxide ceramics is covered with oxide-based ceramics. In addition to the strength, toughness, and resistance to oxidation at the same time, it simultaneously achieves fracture damage resistance characteristics that prevent fracture due to catastrophic crack growth. There are several means for the form and arrangement of such long fibers, which will be described below.

【0032】即ち、内部層における表面層側の部分つま
り酸化物層の直下にある非酸化物層を非酸化物系長繊維
で強化する。また、非酸化物層側中心部を非酸化物系長
繊維で複合強化する。
That is, the portion of the inner layer on the surface layer side, that is, the non-oxide layer immediately below the oxide layer is reinforced with the non-oxide long fibers. In addition, the central portion of the non-oxide layer side is composite reinforced with non-oxide long fibers.

【0033】この場合、望ましくは、非酸化物層に複数
の層状の非酸化物系長繊維強化層を複合し、また表層部
の酸化物層を酸化物系長繊維もしくは非酸化物系長繊維
にて複合強化する。
In this case, preferably, a plurality of layered non-oxide long fiber reinforced layers are compounded in the non-oxide layer, and the oxide layer in the surface layer portion is made of oxide long fibers or non-oxide long fibers. Combine to strengthen.

【0034】さらに、表層部酸化物層を酸化物系長繊維
にて、非酸化物層を非酸化物系長繊維にて複合強化し、
または表層部を除き、酸化物層と非酸化物相あるいは異
なる非酸化物層同士を層間にまたがって非酸化物系長繊
維で複合強化する。
Further, the surface layer oxide layer is composite reinforced with oxide long fibers, and the non-oxide layer is composite reinforced with non-oxide long fibers,
Alternatively, except for the surface layer portion, the oxide layer and the non-oxide phase or different non-oxide layers are compositely reinforced with non-oxide type long fibers across the layers.

【0035】さらに望ましくは、酸化物層と非酸化物層
の層間にまたがって長繊維を複合し、酸化物層側には酸
化物系長繊維を非酸化物側には非酸化物系長繊維が配置
されるよう構成する。これにより前記特性の同時実現を
図るものである。
More preferably, long fibers are compounded across the layers of the oxide layer and the non-oxide layer, and the long oxide fibers are on the oxide layer side and the non-oxide long fibers are on the non-oxide side. Are arranged. Thereby, the above-mentioned characteristics are simultaneously realized.

【0036】請求項4の発明においては、酸化物セラミ
ックスの表面層と非酸化物セラミックスの内部層との界
面に繊維が複合してあることにより、界面が強化される
とともに、酸化物と非酸化物との界面に亀裂が進入して
も瞬時には両者の剥離が起こらず、破壊エネルギーが増
大する。このときリング状の繊維を用いた場合、リング
状であるため繊維にかかる応力が分散され、繊維が破断
しにくくなり、繊維を弓状または波形に複合した場合、
繊維の弾性力により、表面の亀裂開口を防止する効果も
ある。さらに繊維を酸化物と非酸化物とで構成すれば、
酸化物部分が表面層の酸化物セラミックス側、非酸化物
部分が内部層の非酸化物セラミックス側に位置させるこ
とで、より耐酸化性および耐食性が向上する。
In the invention of claim 4, since the fibers are compounded at the interface between the surface layer of the oxide ceramics and the inner layer of the non-oxide ceramics, the interface is strengthened and the oxide and the non-oxidized layer are mixed. Even if a crack enters the interface with the object, the two do not instantly separate and the fracture energy increases. At this time, when a ring-shaped fiber is used, the stress applied to the fiber is dispersed because it is ring-shaped, the fiber is less likely to break, and when the fiber is compounded into an arc shape or a wavy shape,
The elastic force of the fiber also has the effect of preventing crack opening on the surface. Furthermore, if the fiber is composed of oxide and non-oxide,
By arranging the oxide portion on the oxide ceramic side of the surface layer and the non-oxide portion on the non-oxide ceramic side of the inner layer, the oxidation resistance and the corrosion resistance are further improved.

【0037】[0037]

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0038】実施例1(図1〜図3,表1,2) 図1は本実施例によるセラミックスの断面の模式図であ
る。同図(a)は第1実施例の構成例を示し、酸化物セ
ラミックスAを主成分とする表面層1と、非酸化物セラ
ミックスBを主成分とする内部層2と、これらの界面部
に形成された熱応力緩和層3とからなり、熱応力緩和層
3は両セラミックスA,Bの組成が連続的または不連続
的に変化する傾斜組成をなしている。同図(b)は第2
の構成例を示し、熱応力緩和層3が表面層1および内部
層2の中間の熱膨張係数をもつ複数層のセラミックスC
によって構成されている。
Example 1 (FIGS. 1 to 3, Tables 1 and 2) FIG. 1 is a schematic view of a cross section of a ceramic according to this example. FIG. 1A shows a configuration example of the first embodiment, in which a surface layer 1 containing oxide ceramics A as a main component, an inner layer 2 containing non-oxide ceramics B as a main component, and an interface between these The thermal stress relaxation layer 3 is formed, and the thermal stress relaxation layer 3 has a graded composition in which the composition of both ceramics A and B changes continuously or discontinuously. The same figure (b) is the second
The following is an example of the configuration of the above, wherein the thermal stress relaxation layer 3 has a plurality of layers of ceramics C having an intermediate coefficient of thermal expansion between the surface layer 1 and the inner layer 2.
It is composed by.

【0039】表1は、図1(a)のタイプを適用したも
ので、同表に示す表面層、繊維層、内部層の構成で、1
〜24までの試料を作製した。
Table 1 is an application of the type shown in FIG. 1A, and shows the constitution of the surface layer, fiber layer and inner layer shown in the table.
Samples up to 24 were prepared.

【0040】熱応力緩和層3となる界面部には、それぞ
れの表面層1と内部層2の組成(酸化物セラミックスA
と非酸化物B)を10重量%ずつ変えた合計9つの層を
形成した。内部層2を炭化ケイ素(SiC)とした場合
には、焼結助剤としてホウ素(B)と炭素(C)とをそ
れぞれ1重量%加え、窒化ケイ素(Si3 4 )とした
場合には、焼結助剤としてYb2 3 5重量%とHfO
2 2重量%とを加え、サイアロンとした場合には、z=
0.5となるようにSi3 4 にAl2 3 とAlNを
加えた。
At the interface portion which becomes the thermal stress relaxation layer 3, the composition of the surface layer 1 and the internal layer 2 (oxide ceramics A
And non-oxide B) were changed by 10 wt% to form a total of 9 layers. When the inner layer 2 is made of silicon carbide (SiC), when boron (B) and carbon (C) are added as 1 wt% each as a sintering aid and silicon nitride (Si 3 N 4 ) is made, , 5% by weight of Yb 2 O 3 and HfO as sintering aids
2 2 wt% were added and when a sialon, z =
The Si 3 N 4 to 0.5 by adding Al 2 O 3 and AlN.

【0041】そして、内部層2および界面部を構成する
各熱応力緩和層3の組成となるように所定の粉末をボー
ルミルにより混合し、乾燥して出発原料となる混合粉末
を得た。これらの各粉末及び表面層1を構成する各材料
の粉末を水に分散して、それぞれのスラリーを作製し
た。
Then, predetermined powders were mixed by a ball mill so that the composition of each of the thermal stress relaxation layers 3 constituting the inner layer 2 and the interface portion was obtained, and dried to obtain a mixed powder as a starting material. These respective powders and the powders of the respective materials constituting the surface layer 1 were dispersed in water to prepare respective slurries.

【0042】製作に当っては、石膏で形成した矩形の型
(50×60mm)を用意し、これにまず、内部層2を構
成するスラリーを流し込んで鋳込み成形した。この成形
体の上にSiCを主成分とする連続繊維を3次元的に編
上げたプリフォームを置き、内部層2を構成するスラリ
ーの残り、次に界面部を構成する各熱応力緩和層3のス
ラリー、最後に表面層1を構成する酸化物のスラリーを
順に流し込んでは、水分を吸引して成形するということ
を繰り返し、図1の(1)で示すように、繊維のプリフ
ォームが表面層1の熱応力緩和層3附近から熱応力緩和
層3を横切って内部層2の熱応力緩和層3附近に至るよ
うに配置した繊維層4を有する多層の成形体を得た。
At the time of manufacture, a rectangular mold (50 × 60 mm) made of gypsum was prepared, and the slurry constituting the inner layer 2 was poured into the mold for casting. A preform obtained by three-dimensionally knitting continuous fibers containing SiC as a main component is placed on this molded body, and the rest of the slurry that forms the inner layer 2 and then the thermal stress relaxation layers 3 that form the interface are formed. The slurry and finally the slurry of the oxide constituting the surface layer 1 are sequentially poured, and moisture is sucked to perform molding. This is repeated as shown in (1) of FIG. A multilayer molded body having a fiber layer 4 arranged so as to cross the thermal stress relaxation layer 3 from above to reach the thermal stress relaxation layer 3 of the inner layer 2 was obtained.

【0043】これらの成形体を1700℃、プレス圧力
400kg/cm2 、120分の条件でホットプレスした。
但し、SiCを内部層2とした場合には、表面層1が S
iO2以外の場合はホットプレス温度を1900℃とし、
表面層1がSiO2 の場合には、雰囲気を9.5気圧の
アルゴンとして1800℃で行った。
These molded bodies were hot pressed under the conditions of 1700 ° C., a pressing pressure of 400 kg / cm 2 and 120 minutes.
However, when SiC is used as the inner layer 2, the surface layer 1 is
If other than iO 2 , set the hot press temperature to 1900 ° C,
When the surface layer 1 was made of SiO 2 , the atmosphere was set at 1800 ° C. with argon at 9.5 atm.

【0044】雰囲気は、内部層2がSi2 4 及びサイ
アロンの場合には窒素、SiCの場合にはアルゴンとし
た。これらの試料を1700℃、2000気圧、30分
の条件でHIP処理した。ガスは上記と同様に内部層2
がSi3 4 及びサイアロンの場合には窒素、SiCの
場合にはアルゴンとした。
The atmosphere was nitrogen when the inner layer 2 was Si 2 N 4 and sialon, and was argon when the inner layer 2 was SiC. These samples were subjected to HIP treatment under the conditions of 1700 ° C., 2000 atmospheric pressure and 30 minutes. Gas is the same as above
Was Si 3 N 4 and sialon, nitrogen was used, and SiC was argon.

【0045】得られた焼結体試料は4mm×3mm×40mm
の試験片に加工し、JISに基づく3点曲げ試験によっ
て、1500℃および1550℃において強度を求め
た。但し表面層1となる酸化物側に引張り応力がかかる
ようにセットして測定した。この 測定の結果、表1に
示したように、いずれの試料についても大きい強度を有
することが認められた。
The obtained sintered body sample is 4 mm × 3 mm × 40 mm
Was processed into a test piece of and the strength was determined at 1500 ° C. and 1550 ° C. by a three-point bending test based on JIS. However, the measurement was carried out by setting so that tensile stress was applied to the oxide side which becomes the surface layer 1. As a result of this measurement, as shown in Table 1, it was confirmed that all the samples had high strength.

【0046】また、同様の大きさの各試験片について、
表面層1の中央に荷重1kgでヴィッカース圧痕を付けた
のち、上記と同様に表面層1側に引張り応力がかかるよ
うにセットして曲げ試験を実施し、その時の荷重−変位
曲線を記録した。この曲線は図3に模式的に示すよう
に、圧痕から亀裂が動き出すとき(D点)の荷重と、亀
裂が繊維層4によって止められるとき(E点)の荷重と
を表わしており、E点以降の荷重はほぼ一定することに
なる。この両者の荷重の比をR(%)として計算し、そ
の結果を表1に記載した。このRの値が大きいほど繊維
層4による亀裂の進展阻止能力が大きいということを現
している。繊維層4がない場合には、ほとんど脆性的な
破壊をするため、E点が表われずに荷重が下降するの
で、Rの値はほぼゼロになる。
For each test piece of the same size,
After Vickers indentation was applied to the center of the surface layer 1 with a load of 1 kg, a bending test was carried out by setting the surface layer 1 side so that tensile stress was applied in the same manner as above, and the load-displacement curve at that time was recorded. As schematically shown in FIG. 3, this curve represents the load when the crack starts to move from the indentation (point D) and the load when the crack is stopped by the fiber layer 4 (point E). Subsequent loads will be almost constant. The ratio of the two loads was calculated as R (%), and the results are shown in Table 1. It is shown that the larger the value of R, the larger the crack growth inhibiting ability of the fiber layer 4. When the fiber layer 4 is not present, the brittle fracture occurs, so that the point E does not appear and the load drops, so the value of R becomes almost zero.

【0047】この結果から、本実施例の構成による層状
構造セラミックスは、1500℃以上の非常な高温にお
いて、優れた強度を示し、亀裂進展阻止能力にも優れて
いることが明らかとなった。
From these results, it was revealed that the layered structure ceramics according to the structure of this example exhibited excellent strength at a very high temperature of 1500 ° C. or higher and also had excellent crack growth inhibiting ability.

【0048】表2は、本実施例に対する比較例として、
熱応力緩和層3または繊維層4がない試料を1a〜16
aを本実施例と同様の方法で作製し、実施例1と同じ方
法で評価した場合の結果を示している。
Table 2 shows, as a comparative example to this embodiment,
Samples without the thermal stress relaxation layer 3 or the fiber layer 4 were tested as 1a to 16
The result when a is manufactured by the same method as this example and evaluated by the same method as Example 1 is shown.

【0049】図1(a)の熱応力緩和層3を含むが繊維
層4を含まない場合(試料1a〜8a)には、Rの値は
ゼロとなるが、それだけでなく、強度についても、繊維
を含ませた場合に比べて、明らかに低下している。これ
は、界面での整合性が不足していることに起因してお
り、界面部の熱応力緩和層3のみでは効果が少ないこと
が分かる。しかし、繊維層4と組合せた場合よりは低下
するが、表面層1が、酸化マグネシウム、酸化イットリ
ウム、マグネシウム・アルミニウムスピネル、酸化クロ
ム、酸化チタン、酸化ケイ素の場合には、他の酸化アル
ミニウムあるいはムライトの場合に比べて、ある程度の
強度を保つことも判明した。これについては、内部層2
を変えた場合にもほぼ同じような傾向を示したが、内部
層2をSiCにした場合には表面層1が酸化アルミニウ
ムあるいはムライトの場合でも、他の表面層とほぼ同等
の強度レベルを示した。
When the thermal stress relaxation layer 3 of FIG. 1A is included but the fiber layer 4 is not included (Samples 1a to 8a), the value of R becomes zero, but not only that, but also the strength is Compared with the case where the fiber is included, the amount is obviously lower. This is because the conformity at the interface is insufficient, and it is understood that the effect is small with only the thermal stress relaxation layer 3 at the interface. However, when the surface layer 1 is made of magnesium oxide, yttrium oxide, magnesium aluminum spinel, chromium oxide, titanium oxide, or silicon oxide, it is lower than that in combination with the fiber layer 4, but other aluminum oxide or mullite is used. It was also found that it retains some strength as compared with the case of. For this, the inner layer 2
However, when the inner layer 2 is made of SiC, even when the surface layer 1 is made of aluminum oxide or mullite, the same strength level as other surface layers is obtained. It was

【0050】表2より、界面部に熱応力緩和層3を含ま
ず繊維層4のみを有する場合(試料9a〜16a)に
は、強度の低下とともに、繊維層4による亀裂進展阻止
の効果も非常に低くなることが分かる。
From Table 2, when the interface portion does not include the thermal stress relaxation layer 3 but only the fiber layer 4 (Samples 9a to 16a), the strength is lowered and the effect of preventing the crack growth by the fiber layer 4 is very high. It turns out to be low.

【0051】実施例2(表3) 表3に示す構成の試料を、前記実施例1と同様の方法で
作製し、評価した。ここでは、繊維の種類、繊維層4の
配置等を変えた結果を示してある。
Example 2 (Table 3) Samples having the constitution shown in Table 3 were prepared in the same manner as in Example 1 and evaluated. Here, the results of changing the types of fibers, the arrangement of the fiber layers 4, etc. are shown.

【0052】繊維層4の配置については、図2に(1)
〜(5)で模式的に示した配置を適用している。即ち、
繊維層4の種類は、(1) :表面層1の熱応力緩和層3附
近から内部層2の熱応力緩和層3附近に亘る部分、(2)
:熱応力緩和層3の途中から内部層2の熱応力緩和層
3附近に亘る部分、(3) :表面層1の熱応力緩和層3附
近から熱応力緩和層3の途中に亘る部分、(4) :(2)(3)
の両方に亘る部分、あるいは(5) :(2) と表面層1の熱
応力緩和層3附近に、1種もしくは2種以上のセラミッ
ク繊維を3次元に複合している。なお、熱応力緩和層3
の構成は、実施例1と同様に図1(a)に示す傾斜組成
となっている。
The arrangement of the fiber layer 4 is shown in FIG.
The arrangements schematically shown in (5) to (5) are applied. That is,
The type of the fiber layer 4 is (1): a portion extending from the vicinity of the thermal stress relaxation layer 3 of the surface layer 1 to the vicinity of the thermal stress relaxation layer 3 of the inner layer 2, (2)
: A portion extending from the middle of the thermal stress relaxation layer 3 to the vicinity of the thermal stress relaxation layer 3 of the inner layer 2, (3): A portion extending from the vicinity of the thermal stress relaxation layer 3 of the surface layer 1 to the middle of the thermal stress relaxation layer 3, ( 4): (2) (3)
, Or (5): (2) and one or more kinds of ceramic fibers are three-dimensionally composited in the vicinity of the thermal stress relaxation layer 3 of the surface layer 1. The thermal stress relaxation layer 3
1 has the gradient composition shown in FIG. 1A as in the first embodiment.

【0053】本実施例の試料27については、界面に垂
直な方向にはSi3 4 を主成分とする繊維を配し、ま
た平行な方向にはSiCを主成分とする繊維を配した構
成のプリフォームを用いている。また、本実施例の試料
28については、界面に垂直な方向にはSiCを主成分
とする繊維、平行な方向にはAl2 3 を主成分とする
繊維で構成したプリフォームを用いている。
The sample 27 of this example has a structure in which fibers containing Si 3 N 4 as a main component are arranged in the direction perpendicular to the interface, and fibers containing SiC as a main component are arranged in the parallel direction. The preform of is used. Further, as to the sample 28 of this example, a preform composed of fibers containing SiC as a main component in a direction perpendicular to the interface and fibers containing Al 2 O 3 as a main component in the parallel direction was used. .

【0054】試料33では、表面層1の熱応力緩和層3
附近から熱応力緩和層3の途中にかけてはAl2 3
主成分とする繊維を配し、熱応力緩和層3の途中から内
部層2の熱応力緩和層3附近にかけてはSiCを主成分
とする繊維を配した構成となっている。また、試料34
では、表面層1の熱応力緩和層3附近にはAl2 3
主成分とする繊維に配し、熱応力緩和層3の途中から内
部層2の熱応力緩和層3附近にかけてはSiCを主成分
とする繊維を配している。
In the sample 33, the thermal stress relaxation layer 3 of the surface layer 1 was used.
A fiber containing Al 2 O 3 as a main component is arranged between the vicinity of the thermal stress relaxation layer 3 and SiC as a main component from the middle of the thermal stress relaxation layer 3 to the vicinity of the thermal stress relaxation layer 3 of the inner layer 2. It has a structure in which fibers are arranged. In addition, sample 34
Then, a fiber containing Al 2 O 3 as a main component is arranged near the thermal stress relaxation layer 3 of the surface layer 1, and SiC is provided from the middle of the thermal stress relaxation layer 3 to the vicinity of the thermal stress relaxation layer 3 of the inner layer 2. The fibers that are the main components are arranged.

【0055】本実施例によれば、前記実施例1と同様
に、強度が高く、かつRの値が大きく、高温部材に対す
る適用が有効であることが認められる。
According to this example, as in Example 1, the strength is high and the value of R is large, and it is recognized that the application to the high temperature member is effective.

【0056】実施例3(表4) 表4に示した構成の試料を上記と同様の方法で作製し、
評価を行った。結果も表4に示してある。ここでは熱応
力緩和層3の構成を図1(b)に示す中間組成とした。
即ち、表面層1と内部層2との中間の熱膨張係数をもつ
熱応力緩和層3として、ムライトを用いた。ムライト1
層ではなく、ムライトと表面層1及び内部層2との間に
は、それぞれ50重量%ずつで構成した層を配する3層
の界面部とした。
Example 3 (Table 4) Samples having the constitution shown in Table 4 were prepared in the same manner as above,
An evaluation was made. The results are also shown in Table 4. Here, the structure of the thermal stress relaxation layer 3 has the intermediate composition shown in FIG.
That is, mullite was used as the thermal stress relaxation layer 3 having a thermal expansion coefficient intermediate between those of the surface layer 1 and the internal layer 2. Mullite 1
Instead of layers, between the mullite and the surface layer 1 and the inner layer 2, there was a three-layer interface portion in which layers each composed of 50% by weight were arranged.

【0057】この結果、界面部を表面層及び内部層以外
の第3の成分で構成しても、高温において優れた結果を
示すことが明らかになった。
As a result, it was revealed that even if the interface portion was constituted by the third component other than the surface layer and the inner layer, excellent results were obtained at high temperatures.

【0058】実施例4(図4〜図7) 図4は実施例に係る層状複合セラミックスを模式的に示
したものである。
Example 4 (FIGS. 4 to 7) FIG. 4 schematically shows a layered composite ceramic according to an example.

【0059】本実施例では、表面層1が耐熱性および耐
食性に優れた酸化物セラミックスであるアルミナ(Al
2 3 )、ムライト(3Al2 3 ・2SiO2 )、M
gO、Y2 3 、MgAl2 4 、Cr2 3 、TiO
2 、SiO2 等からなり、好ましくはアルミナもしくは
ムライトである。
In this embodiment, the surface layer 1 is made of alumina (Al which is an oxide ceramic having excellent heat resistance and corrosion resistance).
2 O 3 ), mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ), M
gO, Y 2 O 3 , MgAl 2 O 4 , Cr 2 O 3 , TiO
2, consists of SiO 2 or the like, preferably alumina or mullite.

【0060】また、内部層2は、高温での強度、靭性、
耐熱衝撃性等に優れた非酸化物セラミックスであるSi
3 4 、SiC、サイアロン等からなり、好ましくはS
3 4 層である。
The inner layer 2 has strength, toughness, and
Si, which is a non-oxide ceramic with excellent thermal shock resistance
3 N 4, SiC, consists sialon and the like, preferably S
i 3 N 4 layer.

【0061】なお、熱応力緩和層3は、例えば表面層1
および内部層2の界面部における内部応力緩和のため傾
斜組成等により構成した積層構造を基本構造としてお
り、さらに実施例においては、内部層2のうち、表面層
1の直下にあたる部分に、耐熱性ニカロン等のSiC系
非酸化物セラミックス長繊維により複合強化した繊維複
合セラミックスからなる繊維層4を形成している。
The thermal stress relaxation layer 3 is, for example, the surface layer 1.
In order to relieve internal stress at the interface between the inner layer 2 and the inner layer 2, a basic structure is a laminated structure composed of a graded composition or the like. Further, in the embodiment, the heat resistance of the inner layer 2 immediately below the surface layer 1 is improved. The fiber layer 4 is formed of a fiber composite ceramic that is composite-reinforced with SiC-based non-oxide ceramic long fibers such as Nicalon.

【0062】ここで用いる長繊維は、一次元繊維の積み
重ねでも二次元的に編まれたものの積層であっても、三
次元的に編まれたものであっても構わないが、より好ま
しくは二次元的もしくは三次元的に編んだものである。
The long fibers used here may be a stack of one-dimensional fibers, a laminate of two-dimensionally knitted ones, or a three-dimensionally knitted one, but more preferably two-dimensionally knitted ones. It is a dimensional or three-dimensional knit.

【0063】表面層1および繊維層4の厚さは、それぞ
れ全構成層厚さの15%以下および50%以下とし、好
ましくは繊維層4を5〜40%とする。これらの層は、
厚すぎると層状構造の強度を低下させ、逆に薄すぎると
耐酸化性あるいは亀裂進展阻止の点において役目を果た
さなくなる。
The thicknesses of the surface layer 1 and the fiber layer 4 are 15% or less and 50% or less, respectively, of the total thickness of the constituent layers, and preferably the fiber layer 4 is 5 to 40%. These layers are
If it is too thick, the strength of the layered structure will be reduced, and if it is too thin, it will not serve its role in terms of oxidation resistance or prevention of crack growth.

【0064】以下に製造方法について説明する。The manufacturing method will be described below.

【0065】表面層1を構成する酸化物セラミックスと
してAl2 3 を適用し、内部層2を構成する非酸化物
セラミックスとしてSi3 4 を適用した例を示す。α
型ないしβ型窒化ケイ素粉に焼結助剤として例えば5wt%
Yb2 3 +2wt%HfO2 +3wt%AlNを添加してボー
ルミルで均一に湿式混合し、その後乾燥,通篩して混合
粉末を作製する。混合粉末を金型に入れ、軽い成形圧で
所定の大きさに成形する。表面層1として用いる例えば
Al2 3 に関しても、焼結時に全構成層厚さの15%
以下になるように秤量し、同じ大きさに軽く成形してお
く。
An example is shown in which Al 2 O 3 is applied as the oxide ceramics forming the surface layer 1 and Si 3 N 4 is applied as the non-oxide ceramics forming the inner layer 2. α
Type or β type silicon nitride powder as a sintering aid, for example, 5 wt%
Yb 2 O 3 +2 wt% HfO 2 +3 wt% AlN is added and uniformly wet mixed in a ball mill, then dried and sieved to prepare a mixed powder. The mixed powder is put into a mold and molded into a predetermined size with a light molding pressure. For example, Al 2 O 3 used as the surface layer 1 also has a thickness of 15% of the total layer thickness during sintering.
Weigh as follows and lightly mold to the same size.

【0066】また、SiC長繊維プリフォームに、Si
3 4 もしくはSi3 4 とAl2 3 を適量比混合し
た粉末を含浸させた成形体を作製する。全体の繊維含有
量はおよそ30体積%になるようにする。同じ断面積の
カーボンモールドを用意し、まずSi3 4 を置き、そ
の上に長繊維複合成形体を重ね、さらにAl2 3 成形
体を積み重ねて、全体を再度プレスして押し固める。
Further, the SiC long fiber preform is
A molded body is prepared by impregnating a powder in which 3 N 4 or Si 3 N 4 and Al 2 O 3 are mixed in an appropriate ratio. The total fiber content should be approximately 30% by volume. A carbon mold having the same cross-sectional area is prepared, first, Si 3 N 4 is placed, a long-fiber composite molded body is stacked thereon, and an Al 2 O 3 molded body is further stacked thereon, and the whole is pressed and pressed again.

【0067】このようにして作製した積層体成形体をN
2 雰囲気中、1700℃にてホットプレス焼結して焼結
体を得る。ホットプレス圧は300kg/cm2 である。さ
らに、N2 ガス雰囲気下で、1700℃,2000atn
の条件でHIP処理を行った。
The laminated body formed in this manner is treated with N
In a 2 atmosphere, hot press sintering is performed at 1700 ° C. to obtain a sintered body. The hot press pressure is 300 kg / cm 2 . Furthermore, under N 2 gas atmosphere, 1700 ° C., 2000 atn
HIP processing was performed on the conditions of.

【0068】本実施例では、得られた焼結体を、積層方
向が厚さ方向になるようにJIS−R1601曲げ試験
片に加工した。この試験片のAl2 3 側を下面にして
室温から1500℃までの三点曲げ強度試験を行い、破
壊強度と応力−ひずみの関係を得た。
In this example, the obtained sintered body was processed into a JIS-R1601 bending test piece such that the laminating direction was the thickness direction. A three-point bending strength test from room temperature to 1500 ° C. was performed with the Al 2 O 3 side of this test piece as the lower surface to obtain the relationship between fracture strength and stress-strain.

【0069】試験温度に対する積層焼結体の強度を図5
に特性線Fで示す。試験温度の上昇にともない強度の低
下は見られるものの、1500℃においても600MP
aを越える強度を有している。これは表面層1の酸化物
による耐熱性、耐酸化性の向上による効果であると考え
られる。
FIG. 5 shows the strength of the laminated sintered body against the test temperature.
Is indicated by the characteristic line F. Although the strength decreases with increasing test temperature, 600MP even at 1500 ℃
It has strength exceeding a. This is considered to be an effect due to the improvement of heat resistance and oxidation resistance due to the oxide of the surface layer 1.

【0070】図6には破壊挙動を特性線Gで模式的に示
した。長繊維複合の効果により破壊はカタストロフィッ
クな破壊を起こさず、安定したき裂進展の様相を呈し
た。表面層1に入った亀裂は一旦停止し、ゆっくりした
進展とともにさらに荷重を増加させている。最大荷重以
後は若干不安定的な破壊を示したが、図7に示す従来材
料のカタストロフィックな破壊の特性線Hと比較する
と、本実施例による材料の安定性が明確に認められる。
また、衝撃試験による結果では、材料がバラバラになら
ず、破壊損傷抵抗の高いことが示された。
In FIG. 6, the breaking behavior is schematically shown by a characteristic line G. Due to the effect of the long fiber composite, the fracture did not cause catastrophic fracture and exhibited a stable crack growth pattern. The cracks that have entered the surface layer 1 have stopped once, and the load is further increased with slow progress. Although a little unstable fracture was shown after the maximum load, the stability of the material according to the present example is clearly recognized as compared with the characteristic line H of catastrophic fracture of the conventional material shown in FIG.
In addition, the result of the impact test showed that the materials did not fall apart and the fracture damage resistance was high.

【0071】実施例5(図8〜図9) 図8は、本実施例に係る繊維複合式の層状構造セラミッ
クスを模式的に示している。本実施例の構成は、前記実
施例4に類似しているが、異なる点は、内部層2として
の非酸化物セラミックスの中心部に繊維層4により複合
強化した点である。
Example 5 (FIGS. 8 to 9) FIG. 8 schematically shows a fiber composite type layered structure ceramics according to this example. The structure of this embodiment is similar to that of the fourth embodiment, but the difference is that the central portion of the non-oxide ceramic as the inner layer 2 is composite reinforced by the fiber layer 4.

【0072】このような構造を有する焼結体の1500
℃の高温での破壊挙動を模式的に図9に特性線Iで示
す。図示の如く、本実施例の材料は比較的高い強度を示
し、最大荷重以後に一瞬急速な荷重低下を伴なう亀裂の
進展は、繊維により妨げられ、特に大きな破壊抵抗を示
した。
1500 of a sintered body having such a structure
The characteristic curve I is schematically shown in FIG. 9 for the fracture behavior at a high temperature of ° C. As shown in the figure, the material of this example showed a relatively high strength, and the development of cracks accompanied by a rapid load drop for a moment after the maximum load was hindered by the fibers, and a particularly large fracture resistance was exhibited.

【0073】実施例6(図10,11) 図10は、本実施例に係る繊維複合式の層状構造セラミ
ックスを模式的に示している。
Example 6 (FIGS. 10 and 11) FIG. 10 schematically shows a fiber-composite layered structure ceramics according to this example.

【0074】本実施例では、強化用の繊維層4を内部層
2内に3層成形している。このようなセラミックスの製
造に際しては、カーボンのモールドに、例えば実施例4
と同様に作製した助剤を含むSi3 4 混合粉末を入れ
て軽くプレスし、二次元もしくは三次元に編んだ長繊維
を載せ、Si3 4 /Al2 3 混合粉末を入れ、さら
に長繊維を載せ、またSi3 4 /Al2 3 混合粉末
を入れる。
In this embodiment, three reinforcing fiber layers 4 are formed in the inner layer 2. In manufacturing such ceramics, a carbon mold is used, for example, in Example 4.
Put the Si 3 N 4 mixed powder containing the auxiliary agent prepared in the same manner as above, press lightly, put the two-dimensionally or three-dimensionally knitted long fiber, put Si 3 N 4 / Al 2 O 3 mixed powder, and A long fiber is placed, and a Si 3 N 4 / Al 2 O 3 mixed powder is placed.

【0075】そして、Si3 4 /Al2 3 を徐々に
変え、これを数回繰り返して最後に100%Al2 3
層を形成する。その後、強く機械プレスして一体成形
し、N2 雰囲気中1700℃でホットプレス焼結する。
Then, Si 3 N 4 / Al 2 O 3 was gradually changed, this was repeated several times, and finally 100% Al 2 O 3 was added.
Form the layers. After that, it is strongly mechanically pressed to be integrally molded, and hot pressed and sintered at 1700 ° C. in an N 2 atmosphere.

【0076】このようにして製造した繊維層4を3層有
する層状構造セラミックスについて、試験温度1500
℃での応力−ひずみ関係を図11に模式的に示す。同図
に特性線Jで示したように、最大荷重まではほぼ実施例
4と同様の破壊挙動を示すが、それ以後は、繊維層数に
応じて破壊の進行−停止が繰り返された。繊維層4に
は、表面層1から発生した亀裂の進展を有効に抑える効
果が認められた。
With respect to the layered structure ceramic having three fiber layers 4 thus produced, the test temperature was 1500.
The stress-strain relationship at ° C is schematically shown in Fig. 11. As shown by the characteristic line J in the figure, the fracture behavior was almost the same as in Example 4 up to the maximum load, but thereafter, the progress-stoppage of the fracture was repeated according to the number of fiber layers. The fiber layer 4 was confirmed to have an effect of effectively suppressing the development of cracks generated from the surface layer 1.

【0077】実施例7(図12〜図14) 図12は、本実施例に係る繊維複合式の層状構造セラミ
ックスを模式的に示している。本実施例では、機械的特
性に劣る酸化物セラミック材料を強化する目的で、表面
層1に、長繊維からなるクロスによって繊維層4を形成
したものである。
Example 7 (FIGS. 12 to 14) FIG. 12 schematically shows a fiber composite type layered structure ceramics according to this example. In this embodiment, a fiber layer 4 is formed on the surface layer 1 by a cloth made of long fibers for the purpose of reinforcing an oxide ceramic material having poor mechanical properties.

【0078】図12は、その製造方法を示している。例
えばSi3 4 の焼結体2aの上に、Al2 3 長繊維
を編んだクロスでプリフォーム4aを作り、その後Al2
3やムライト等の酸化物スラリ1aを含浸させ、14
00〜1500℃で熱処理を行い、表面層1としての繊
維強化酸化物セラミック層を形成したものである。
FIG. 12 shows the manufacturing method thereof. For example, on a sintered body 2a of Si 3 N 4, a preform 4a is made of a cloth in which Al 2 O 3 long fibers are woven, and then Al 2
Impregnate oxide slurry 1a such as O 3 or mullite,
The fiber-reinforced oxide ceramic layer as the surface layer 1 was formed by performing heat treatment at 00 to 1500 ° C.

【0079】作製した焼結体よりJIS−R1601試
験片を切り出し、酸化物セラミック層を引張り側にして
1500℃の試験温度で曲げ試験を行った。その時の応
力−ひずみ曲線を模式的に図14に示す。
A JIS-R1601 test piece was cut out from the produced sintered body, and a bending test was conducted at a test temperature of 1500 ° C. with the oxide ceramic layer on the tensile side. The stress-strain curve at that time is schematically shown in FIG.

【0080】同図に特性線Kで示すように、表面層1の
強化により強度特性は向上し、Al2 3 の流動性を抑
えるように繊維層4が働き、若干の破壊抵抗の増加の
後、Si3 4 の粒界すべりに起因する破壊へと移行す
る。この場合も長繊維は亀裂進展を抑える効果として働
いている。酸化物系長繊維を非酸化物系長繊維に置き換
えても、機械的特性に関してはより大きな効果が期待で
きるが、一旦亀裂が生じた後に繊維の酸化,腐食による
急激な低下がみられた。
As indicated by the characteristic line K in the figure, the strength characteristics are improved by strengthening the surface layer 1, and the fiber layer 4 works so as to suppress the fluidity of Al 2 O 3 , and the fracture resistance is slightly increased. After that, the Si 3 N 4 transitions to fracture due to the grain boundary slip. In this case as well, the long fibers work as an effect of suppressing crack growth. Even if the oxide-based long fibers were replaced with non-oxide-based long fibers, a larger effect could be expected in terms of mechanical properties, but a sharp decrease due to oxidation and corrosion of the fibers was observed after the cracks once occurred.

【0081】実施例8(図15,16) 図15は、本実施例に係る繊維複合式の層状構造セラミ
ックスを模式的に示している。
Example 8 (FIGS. 15 and 16) FIG. 15 schematically shows a fiber composite type layered structure ceramics according to this example.

【0082】本発明は実施例4あるいは5,6と、実施
例7とを組合せた構造を持つものである。図15に示し
たものは、実施例4と実施例7とを組み合わせた例であ
り、例えば、Al2 3 長繊維で強化したAl2 3
4AとSiC長繊維により強化されたSi3 4 4Bと
の積層材料とされている。
The present invention has a structure in which the fourth or fifth and sixth embodiments and the seventh embodiment are combined. Figure 15 shows is an example of combining the Example 4 and Example 7, for example, Al 2 Al reinforced with O 3 long fiber 2 O 3 layer 4A and Si 3 reinforced by SiC filament It is a laminated material with N 4 4B.

【0083】図16は、応力−ひずみの関係を模式的に
示しており、同図に特性線Lで示すように、Al2 3
層4AとSi3 4 層4Bとの破壊において、繊維複合
は有効に作用し、強度の維持とともに破壊エネルギーの
増大という特徴をもつ。
FIG. 16 schematically shows the stress-strain relationship. As shown by the characteristic line L in the figure, Al 2 O 3 is used.
When the layer 4A and the Si 3 N 4 layer 4B are broken, the fiber composite effectively acts, and is characterized by maintaining the strength and increasing the breaking energy.

【0084】実施例9(図17,18) 図17は、本実施例に係る繊維複合式の層状構造セラミ
ックスを模式的に示している。同図に示すように、本実
施例では、酸化物セラミックスからなる表面層1と非酸
化物セラミックスからなる内部層2の層間にまたがっ
て、繊維層4が複合されている。例えば表面層1はAl
2 3 からなり、内部層2はSi3 4 からなり、これ
らの両層間にSiC長繊維が複合している。
Example 9 (FIGS. 17 and 18) FIG. 17 schematically shows the fiber-composite layered structure ceramics according to this example. As shown in the figure, in this embodiment, the fiber layer 4 is compounded across the surface layer 1 made of oxide ceramics and the inner layer 2 made of non-oxide ceramics. For example, the surface layer 1 is Al
2 O 3 , the inner layer 2 is made of Si 3 N 4 , and SiC long fibers are compounded between these two layers.

【0085】図18はスリップキャストをベースとする
製造法の概略図である。例えば、型5に入れたSiC長
繊維プリフォーム4bに、Al2 3 スラリー1bを注
入し、脱水して第1層を形成した後、Si3 4 スラリ
ーを重ねて注入、脱水後第2層を形成する。ただし、表
面層1はAl2 3 100%層となるようにした。
FIG. 18 is a schematic view of a slip cast-based manufacturing method. For example, the Al 2 O 3 slurry 1b is injected into the SiC long fiber preform 4b placed in the mold 5 and dehydrated to form the first layer, and then the Si 3 N 4 slurry is overlapped and injected, followed by dehydration to the second. Form the layers. However, the surface layer 1 was an Al 2 O 3 100% layer.

【0086】このような方法で製造したセラミックス
は、Al2 3 とSi3 4 層の間に両者の組成を少し
づつ変えた傾斜的組成をもつ構造を形成することも可能
である。
In the ceramics manufactured by such a method, it is possible to form a structure between the Al 2 O 3 and Si 3 N 4 layers having a graded composition by slightly changing the composition of both.

【0087】得られた成形体を脱脂して、1700℃で
ホットプレス焼結した。この材料の破壊特性は実施例4
で示したものとほぼ同様であった。一方、この構造にお
いては異なる2層間の物性ミスマッチにより発生する応
力を緩和できる特徴を有しており、将来的に有望であ
る。
The obtained molded body was degreased and hot pressed and sintered at 1700 ° C. The fracture characteristics of this material are shown in Example 4.
It was almost the same as that shown in. On the other hand, this structure has a feature that stress generated by a physical property mismatch between two different layers can be relaxed, and is promising in the future.

【0088】実施例10(図19) 図19は、本実施例に係る繊維複合式の層状構造セラミ
ックスを模式的に示している。本実施例の特徴は、前記
実施例9に類似するもので、基本構造はほぼ同様であ
る。
Example 10 (FIG. 19) FIG. 19 schematically shows the fiber-composite layered structure ceramics according to this example. The features of this embodiment are similar to those of the ninth embodiment, and the basic structure is almost the same.

【0089】ただし、表面層1には酸化物系長繊維層4
Cが、また内部層2には非酸化物系長繊維層4Dがそれ
ぞれ形成されるように長繊維を編み合せて構成してい
る。
However, the oxide-based long fiber layer 4 is used as the surface layer 1.
C and the inner layer 2 are formed by braiding long fibers so that a non-oxide long fiber layer 4D is formed.

【0090】このような構造によると、仮に酸化物層に
き裂が入っても、直ちに材料劣化につながらないように
するものである。例えば、Al2 3 繊維−Al2 3
/SiC繊維−Si3 4 を例に積層体を作製した。製
法ならびに機械的特性に関しては実施例9とほぼ同様で
あった。酸化特性に関してはより優れた特性を示した。
According to such a structure, even if a crack is formed in the oxide layer, it will not immediately lead to material deterioration. For example, Al 2 O 3 fiber-Al 2 O 3
/ The SiC fibers -Si 3 N 4 was prepared a laminate in Examples. The manufacturing method and mechanical properties were almost the same as in Example 9. As for the oxidation characteristics, it showed better characteristics.

【0091】実施例11(図20,表5) 本実施例の層状構造セラミックスでは、基体としての内
部層2である窒化ケイ素と、表面層1である酸化物セラ
ミックスとの界面に、繊維6が複合されている。表面層
1は、耐酸化性および耐食性に優れた酸化物で形成され
ているので、基体が酸化または腐食雰囲気に直接さらさ
れるのを防止する。また、界面における繊維のため、破
壊エルルギーが増大する。
Example 11 (FIG. 20, Table 5) In the layered structure ceramics of this example, the fibers 6 were formed at the interface between the silicon nitride as the inner layer 2 as the substrate and the oxide ceramics as the surface layer 1. It is compounded. Since the surface layer 1 is formed of an oxide having excellent oxidation resistance and corrosion resistance, it prevents the substrate from being directly exposed to an oxidizing or corrosive atmosphere. Also, the fiber at the interface increases the failure energy.

【0092】表面層1の厚さは、焼結体全体の厚さの2
0%以下とすることが好ましい。表面層1の持つ、本来
の高い耐酸化性等の効果を十分発揮させるため、ある程
度の厚さが必要であるが、20%を越えると、表面層の
影響が大きくなり、焼結体の強度および靭性が低下する
ためである。
The thickness of the surface layer 1 is 2 times the total thickness of the sintered body.
It is preferably 0% or less. A certain amount of thickness is required to fully exhibit the original high oxidation resistance and other effects of surface layer 1, but if it exceeds 20%, the effect of the surface layer will increase and the strength of the sintered body will increase. And toughness decreases.

【0093】本実施例の焼結体は、酸化物原料粉末、窒
化ケイ素粉末、および繊維をモールド中に積層した後、
成形、焼結して作製することができる。繊維6がウィス
カーの場合は、所定の分量をマトリックスである粉末に
複合させ、ボールミルで混合して得た粉末を、上述と同
様に積層する。
The sintered body of this example was obtained by stacking oxide raw material powder, silicon nitride powder, and fibers in a mold,
It can be formed by molding and sintering. When the fiber 6 is a whisker, a predetermined amount is compounded with a powder which is a matrix, and the powder obtained by mixing with a ball mill is laminated in the same manner as described above.

【0094】また、内部層2の原料となる窒化ケイ素粉
末には、焼結助材としてイットリア(Y2 5 )および
アルミナ(Al2 3 )をボールミルで混合する。
Further, yttria (Y 2 O 5 ) and alumina (Al 2 O 3 ) as a sintering aid are mixed with the silicon nitride powder which is a raw material of the inner layer 2 by a ball mill.

【0095】こうして準備された原料を用いて、本実施
例の焼結体を製造するに当たり、まず、任意形状のモー
ルド中に、基体を形成する窒化ケイ素粉末を充填する。
その後、ウィスカーを複合した粉末、あるいは酸化物の
粉末を繊維とともに積層し、コールドプレスにより予備
成形体を作製する。得られた予備成形体をホットプレス
焼結して、本実施例の焼結体が得られる。以下に、本実
施例を具体的に説明する。
In producing the sintered body of this example using the raw material thus prepared, first, a mold of an arbitrary shape is filled with silicon nitride powder for forming a substrate.
Then, a powder in which whiskers are compounded or an oxide powder is laminated with fibers, and a preform is prepared by cold pressing. The obtained preformed body is hot-press sintered to obtain the sintered body of this example. Hereinafter, the present embodiment will be specifically described.

【0096】本実施例の層状構造セラミックスの原料と
して、アルミナ粉末、チタニア(TiO2 )粉末、スピ
ネル(MgAl2 4 )粉末、マグネシア(MgO)粉
末、クロミア(Cr2 3 )粉末、イットリア粉末およ
び窒化ケイ素粉末を使用した。繊維6には炭化ケイ素
(SiC)長繊維を用い、基体である窒化ケイ素には、
焼結助剤として、イットリア5重量%およびアルミナ2
重量%を加え、ボールミルを用いて混合した。
Alumina powder, titania (TiO 2 ) powder, spinel (MgAl 2 O 4 ) powder, magnesia (MgO) powder, chromia (Cr 2 O 3 ) powder and yttria powder were used as raw materials for the layered structure ceramics of this example. And silicon nitride powder was used. Silicon carbide (SiC) long fibers are used for the fiber 6, and silicon nitride, which is the substrate, is
As a sintering aid, yttria 5 wt% and alumina 2
Weight% was added and mixed using a ball mill.

【0097】上記酸化物粉末および窒化ケイ素粉末、炭
化ケイ素繊維を用いて、積層体を作製した。まず、内部
層2となる窒化ケイ素粉末を任意の形状のモールド中に
充填し、リング状の繊維6をモールドの底面と垂直に、
また繊維と繊維は平行になるように配置する。その上か
ら表面層1である酸化物粉末を充填し、コールドプレス
して成形体を得る。その後、カーボンモールド中でホッ
トプレス焼結して焼結体試料とした。
A laminate was prepared using the above oxide powder, silicon nitride powder, and silicon carbide fiber. First, a silicon nitride powder serving as the inner layer 2 is filled in a mold having an arbitrary shape, and the ring-shaped fiber 6 is perpendicular to the bottom surface of the mold,
The fibers are arranged so that they are parallel to each other. The oxide powder which is the surface layer 1 is filled from above and cold pressed to obtain a molded body. Then, hot press sintering was performed in a carbon mold to obtain a sintered body sample.

【0098】焼結条件は、焼結温度1800℃、プレス
圧力30MPa、焼結温度保持時間は1時間である。ま
た、雰囲気は1MPa窒素とした。得られた焼結体を、
厚さ方向に表面層、基体を有するように、4mm×3m
m×40mmの試験片に加工し、試料とした。
The sintering conditions are a sintering temperature of 1800 ° C., a pressing pressure of 30 MPa, and a sintering temperature holding time of 1 hour. The atmosphere was 1 MPa nitrogen. The obtained sintered body,
4 mm x 3 m so that the surface layer and the substrate are provided in the thickness direction.
A test piece of m × 40 mm was processed and used as a sample.

【0099】図20は、得られたセラミックス焼結体の
断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に
示したものである。窒化ケイ素セラミックスからなる内
部層2と、酸化物セラミックスからなる表面層1との界
面にリング状の炭化ケイ素繊維6が設けられている。
FIG. 20 schematically shows a cross-sectional state of the obtained ceramic sintered body, which is taken by a micrograph. A ring-shaped silicon carbide fiber 6 is provided at the interface between the inner layer 2 made of silicon nitride ceramics and the surface layer 1 made of oxide ceramics.

【0100】実施例12(図21,表5) 本実施例では、前記実施例11の界面における炭化ケイ
素繊維に代え、炭化ケイ素−アルミナ繊維6に適用し
て、実施例11と同様の方法で積層体を作製した。この
際、表面層1の酸化物セラミックスに繊維6のアルミナ
部分6aが、また内部層2の窒化ケイ素には繊維6の炭
化ケイ素部分6bが位置するようにする。
Example 12 (FIG. 21, Table 5) In this example, instead of the silicon carbide fiber at the interface of Example 11, silicon carbide-alumina fiber 6 was applied, and the same method as in Example 11 was applied. A laminated body was produced. At this time, the alumina portion 6a of the fiber 6 is located on the oxide ceramics of the surface layer 1, and the silicon carbide portion 6b of the fiber 6 is located on the silicon nitride of the inner layer 2.

【0101】図21は、得られた層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示したものである。内部層2の窒化ケイ素セラミック
スと、表面層1の酸化物セラミックスとの界面に、複合
リング状の炭化ケイ素−アルミナ繊維6が配置してい
る。
FIG. 21 schematically shows a cross-sectional state of the obtained layered structure ceramics, which is taken by a micrograph. A composite ring-shaped silicon carbide-alumina fiber 6 is arranged at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the oxide ceramics of the surface layer 1.

【0102】実施例13(図22,表5) 本実施例は、繊維6cを弓状に形成して複合したもので
ある。その他の構成は前記実施例11,12とほぼ同様
である。作製に際しては、カーボンモールドの底面に垂
直な面において、曲率半径が大きくなるように複合した
繊維6cが、曲率半径が小さくなるように複合された繊
維6cの内側に位置するようにした。
Example 13 (FIG. 22, Table 5) In this example, fibers 6c are formed in an arc shape and are combined. Other configurations are almost the same as those of the eleventh and twelfth embodiments. In the production, the fibers 6c compounded so as to have a large radius of curvature were positioned inside the fiber 6c compounded so as to have a small radius of curvature on the surface perpendicular to the bottom surface of the carbon mold.

【0103】図22は、得られたセラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
ものである。同図に示すように、内部層2の窒化ケイ素
セラミックスと、表面層1の酸化物セラミックスとの界
面に、弓状に複合された炭化ケイ素繊維6cが配置され
ている。
FIG. 22 schematically shows an image of a cross section of the obtained ceramic, taken by a micrograph. As shown in the figure, at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the oxide ceramics of the surface layer 1, silicon carbide fibers 6c which are compounded in an arc shape are arranged.

【0104】実施例14(図23,表5) 本実施例は、繊維6dを、炭化ケイ素−アルミナ繊維と
したものである。その他の構成は前記実施例13と同様
である。作製に際しては、表面層1の酸化物セラミック
ス側に繊維6dのアルミナ部分が、また内部層2の窒化
ケイ素側には繊維6dの炭化ケイ素部分が位置するよう
にする。
Example 14 (FIG. 23, Table 5) In this example, the fiber 6d is silicon carbide-alumina fiber. The other structure is the same as that of the thirteenth embodiment. At the time of fabrication, the alumina portion of the fiber 6d is located on the oxide ceramic side of the surface layer 1, and the silicon carbide portion of the fiber 6d is located on the silicon nitride side of the inner layer 2.

【0105】図23は、得られたセラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
ものである。同図に示したように、内部層2の窒化ケイ
素セラミックスと、表面層1の酸化物セラミックスとの
界面に、弓状に複合された炭化ケイ素−アルミナ繊維6
dが配置されている。
FIG. 23 schematically shows an image of a cross section of the obtained ceramic, taken by a micrograph. As shown in the figure, at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the oxide ceramics of the surface layer 1, a silicon carbide-alumina fiber 6 which is composited in an arc shape is formed.
d is arranged.

【0106】実施例15(図24,表5) 本実施例は、繊維6eを、波型の炭化ケイ素繊維とした
ものである。その他の構成は前記実施例11と同様であ
る。作製に際しては、カーボンモールドの底面に垂直な
面において、波型の位相を変えた繊維6eを重ねるよう
に配置する。
Example 15 (FIG. 24, Table 5) In this example, the fiber 6e is a corrugated silicon carbide fiber. The other structure is the same as that of the eleventh embodiment. At the time of manufacture, the fibers 6e with the corrugated phase of which the phase is changed are arranged so as to be stacked on the surface perpendicular to the bottom surface of the carbon mold.

【0107】図24は、得られたセラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
ものである。同図に示すように、内部層2の窒化ケイ素
セラミックスと表面層1の酸化物セラミックスとの界面
に、複合された波型の炭化ケイ素繊維6eが配置されて
いる。
FIG. 24 is a schematic diagram showing an image of a cross section of the obtained ceramic, taken by a micrograph. As shown in the figure, a composite corrugated silicon carbide fiber 6e is arranged at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the oxide ceramics of the surface layer 1.

【0108】実施例16(図25,表5) 本実施例は、繊維6fを、波型の炭化ケイ素−アルミナ
繊維にしたものである。その他の構成は前記実施例15
と同様である。作製に際しては、表面層1の酸化物側に
繊維6fのアルミナ部分を、また内部層2の窒化ケイ素
側には繊維6fの炭化ケイ素部分を配置する。
Example 16 (FIG. 25, Table 5) In this example, the fiber 6f is a corrugated silicon carbide-alumina fiber. Other configurations are the same as those of the fifteenth embodiment.
Is the same as. In the production, the alumina portion of the fiber 6f is arranged on the oxide side of the surface layer 1, and the silicon carbide portion of the fiber 6f is arranged on the silicon nitride side of the inner layer 2.

【0109】図25は、得られたセラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
ものである。同図に示すように、内部層2の窒化ケイ素
セラミックスと、表面層1の酸化物セラミックスとの界
面に、複合された波型の炭化ケイ素−アルミナ繊維6f
が配置している。
FIG. 25 schematically shows an image of a cross section of the obtained ceramic, taken by a micrograph. As shown in the figure, the corrugated silicon carbide-alumina fiber 6f is compounded at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the oxide ceramics of the surface layer 1.
Has been placed.

【0110】比較例(図26,表6) 本実施例は、界面に繊維を複合させていない。それ以外
の構成および製造方法は、上記実施例11と同様であ
る。
Comparative Example (FIG. 26, Table 6) In this example, fibers were not compounded at the interface. Otherwise, the configuration and manufacturing method are the same as in Example 11 above.

【0111】図26は、得られたセラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
ものである。同図に示すように、内部層2の窒化ケイ素
セラミックスと、表面層1の酸化物セラミックスとが層
状構造をなしている。
FIG. 26 schematically shows an image of a cross section of the obtained ceramic, taken by a micrograph. As shown in the figure, the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the oxide ceramics of the surface layer 1 form a layered structure.

【0112】実施例17(図27,28,表7) 本実施は、のセラミックス原料として、アルミナ粉末、
アルミナウィスカー、窒化ケイ素粉末、窒化ケイ素ウィ
スカーを用いたものである。内部層2である窒化ケイ素
には、焼結助剤として、イットリア5重量%およびアル
ミナ2重量%を加え、ボールミルを用いて混合した。
Example 17 (FIGS. 27 and 28, Table 7) In this example , as the ceramic raw material, alumina powder,
Alumina whiskers, silicon nitride powder, and silicon nitride whiskers were used. 5% by weight of yttria and 2% by weight of alumina were added to the silicon nitride as the inner layer 2 as a sintering aid, and they were mixed using a ball mill.

【0113】また、アルミナと窒化ケイ素との組成が傾
斜的に変化している熱応力緩和層3としての中間層は、
アルミナ粉末と窒化ケイ素ウィスカー、あるいはアルミ
ナウィスカーと、上記の窒化ケイ素粉末を、ボールミル
を用いて混合した。このとき、アルミナと窒化ケイ素を
比べて、相対的にモル%が低い方には、ウィスカーを用
い、逆に、相対的にモル%が高い方には通常の粉末を用
いた。
The intermediate layer as the thermal stress relaxation layer 3 in which the composition of alumina and silicon nitride changes in a gradient,
Alumina powder and silicon nitride whiskers, or alumina whiskers were mixed with the above silicon nitride powder using a ball mill. At this time, whiskers were used for the one having a relatively low mol% compared to alumina and silicon nitride, and conversely, a normal powder was used for the one having a relatively high mol%.

【0114】上記アルミナ粉末、アルミナウィスカー、
窒化ケイ素粉末および窒化ケイ素ウィスカーを用いて、
層状構造セラミックスを作製する方法は以下の通りであ
る。まず、内部層2としての基体となる窒化ケイ素粉末
を任意形状のモールド中に充填する。その上に、組成が
傾斜的に変化するようにして、熱応力緩和層3となる中
間層を積層し、最後に表面層1のアルミナ粉末を充填
し、コールドプレスして成形体を得る。
The above alumina powder, alumina whiskers,
Using silicon nitride powder and silicon nitride whiskers,
The method for producing the layered structure ceramics is as follows. First, a mold having an arbitrary shape is filled with silicon nitride powder serving as a substrate as the inner layer 2. An intermediate layer to be the thermal stress relaxation layer 3 is laminated thereon so that the composition gradually changes, and finally the alumina powder of the surface layer 1 is filled and cold pressed to obtain a molded body.

【0115】その後、カーボンモールド中でホットプレ
ス焼結して焼結体試料とする。焼結条件は、焼結温度1
800℃、プレス圧力30MPa、焼結温度保持時間は
1時間である。また、雰囲気は例えば1MPa窒素とす
る。得られた焼結体を、厚さ方向に表面層1および内部
層2が積層するように、4mm×3mm×40mmの試
験片に加工し、試料とする。
Then, hot press sintering is carried out in a carbon mold to obtain a sintered body sample. Sintering conditions are sintering temperature 1
The temperature is 800 ° C., the pressing pressure is 30 MPa, and the sintering temperature holding time is 1 hour. The atmosphere is, for example, 1 MPa nitrogen. The obtained sintered body is processed into a test piece of 4 mm × 3 mm × 40 mm so that the surface layer 1 and the inner layer 2 are laminated in the thickness direction, and used as a sample.

【0116】図27は、得られたセラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
ものである。同図に示すように、内部層2の窒化ケイ素
セラミックスと、表面層1のアルミナセラミックスとの
界面に、組成が傾斜的に変化している熱応力緩和層3と
しての中間層が形成されており、その中間層にはアルミ
ナセラミックス粒子1および窒化ケイ素セラミックス粒
子2′とともに窒化ケイ素ウィスカー7、アルミナウィ
スカー8が分散している。
FIG. 27 schematically shows a cross-sectional state of the obtained ceramics, which is taken by a micrograph. As shown in the figure, an intermediate layer as a thermal stress relaxation layer 3 whose composition changes in a gradient is formed at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the alumina ceramics of the surface layer 1. In the intermediate layer, silicon nitride whiskers 7 and alumina whiskers 8 are dispersed together with the alumina ceramic particles 1 and the silicon nitride ceramic particles 2 '.

【0117】また、EPMAにより界面近傍のアルミニ
ウム(Al)とシリコン(Si)との元素分布を調べた
結果を図28に示す。アルミニウムはアルミナの量を、
またシリコンは窒化ケイ素の量を表していることにな
る。
Further, FIG. 28 shows the results of examining the element distribution of aluminum (Al) and silicon (Si) near the interface by EPMA. Aluminum is the amount of alumina,
Further, silicon means the amount of silicon nitride.

【0118】比較例(図29) 本比較例は、中間層に用いるアルミナウィスカーおよび
窒化ケイ素ウィスカーを、それぞれ通常のアルミナ粉末
および窒化ケイ素粉末としたものである。なお、実施例
17と同様の方法で焼結体を得た。
Comparative Example (FIG. 29) In this comparative example, the alumina whiskers and silicon nitride whiskers used for the intermediate layer were ordinary alumina powder and silicon nitride powder, respectively. A sintered body was obtained in the same manner as in Example 17.

【0119】図29は、得られたセラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
ものである。同図に示すように、内部層2の窒化ケイ素
セラミックスと、表面層1のアルミナセラミックスとの
界面に熱応力緩和層3としての中間層が形成されてお
り、中間層には窒化ケイ素粒子9およびアルミナ粒子1
0が分散している。
FIG. 29 is a schematic view showing an image of a cross section of the obtained ceramic, taken by a micrograph. As shown in the figure, an intermediate layer as a thermal stress relaxation layer 3 is formed at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the alumina ceramics of the surface layer 1, and the silicon nitride particles 9 and Alumina particles 1
0 is dispersed.

【0120】実施例18(図30,表7) 本実施例は、前記実施例17の中間層に、さらに前記実
施例11と同様にリング状の炭化ケイ素繊維を複合さ
せ、実施例17と同様の方法で焼結体を得たものであ
る。
Example 18 (FIG. 30, Table 7) In this example, a ring-shaped silicon carbide fiber was added to the intermediate layer of Example 17 in the same manner as in Example 11, and the same procedure as in Example 17 was performed. The sintered body was obtained by the method of.

【0121】図30は、得られたセラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
ものである。同図に示すように、内部層2の窒化ケイ素
セラミックスと表面層1のアルミナセラミックスとの界
面に熱応力緩和層3としての中間層が形成され、その中
間層に窒化ケイ素ウィスカー7、アルミナウィスカー8
およびリング状の炭化ケイ素繊維6が分散している。
FIG. 30 is a schematic view showing an image of a cross section of the obtained ceramic, taken by a micrograph. As shown in the figure, an intermediate layer as a thermal stress relaxation layer 3 is formed at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the alumina ceramics of the surface layer 1, and the silicon nitride whiskers 7 and the alumina whiskers 8 are formed in the intermediate layers.
And ring-shaped silicon carbide fibers 6 are dispersed.

【0122】実施例19(図31,表7) 本実施例では、前記実施例17の中間層に、さらに前記
実施例12と同様にリング状の炭化ケイ素−アルミナ繊
維を複合させ、実施例17と同様の方法で焼結体を得た
ものである。
Example 19 (FIG. 31, Table 7) In this example, the intermediate layer of Example 17 was further compounded with ring-shaped silicon carbide-alumina fiber in the same manner as in Example 12 to prepare Example 17. A sintered body was obtained in the same manner as in.

【0123】図31は、得られたセラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
ものである。同図に示すように、内部層2の窒化ケイ素
セラミックスと表面層1のアルミナセラミックスとの界
面に熱応力緩和層3としての中間層が形成され、その中
間層には窒化ケイ素ウィスカー7、アルミナウィスカー
8およびリング状の炭化ケイ素−アルミナ繊維6が分散
している。
FIG. 31 schematically shows an image of a cross section of the obtained ceramic, taken by a micrograph. As shown in the figure, an intermediate layer as a thermal stress relaxation layer 3 is formed at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the alumina ceramics of the surface layer 1, and the silicon nitride whiskers 7 and the alumina whiskers are formed in the intermediate layers. 8 and ring-shaped silicon carbide-alumina fibers 6 are dispersed.

【0124】実施例20(図32,表7) 本実施例は、前記実施例17の中間層に、さらに実施例
13と同様に、炭化ケイ素繊維を弓状に複合させ、実施
例17と同様の方法で焼結体を得たものである。
Example 20 (FIG. 32, Table 7) This example was similar to Example 17 in that the intermediate layer of Example 17 was further compounded with silicon carbide fibers in the shape of an arc in the same manner as in Example 13. The sintered body was obtained by the method of.

【0125】図32は、得られたセラミックス積層体の
断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に
示したものである。同図に示すように、内部層2の窒化
ケイ素セラミックスと表面層1のアルミナセラミックス
との界面に熱応力緩和層3としての中間層が形成され、
その中間層に窒化ケイ素ウィスカー7、アルミナウィス
カー8および弓状に複合された炭化ケイ素繊維6cる。
FIG. 32 schematically shows an image of a cross section of the obtained ceramic laminate, taken by a micrograph. As shown in the figure, an intermediate layer as a thermal stress relaxation layer 3 is formed at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the alumina ceramics of the surface layer 1,
Silicon nitride whiskers 7, alumina whiskers 8 and bow-shaped composite silicon carbide fibers 6c are provided in the intermediate layer.

【0126】実施例21(図33,表7) 本実施例は、前記実施例17の中間層に、さらに実施例
14と同様に、炭化ケイ素−アルミナ繊維を弓状に複合
させ、実施例17と同様の方法で焼結体を得たものであ
る。
Example 21 (FIG. 33, Table 7) In this example, a silicon carbide-alumina fiber was compounded in an arc shape in the same manner as in Example 14 in the intermediate layer of Example 17 described above. A sintered body was obtained in the same manner as in.

【0127】図21は、得られたセラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
ものである。同図に示すように、内部層2の窒化ケイ素
セラミックスと表面層1のアルミナセラミックスとの界
面に熱応力緩和層3としての中間層が形成され、その中
間層に窒化ケイ素ウィスカー7、アルミナウィスカー8
および弓状に複合された炭化ケイ素−アルミナ繊維6d
が分散している。
FIG. 21 schematically shows an image of a cross section of the obtained ceramic, taken by a micrograph. As shown in the figure, an intermediate layer as a thermal stress relaxation layer 3 is formed at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the alumina ceramics of the surface layer 1, and the silicon nitride whiskers 7 and the alumina whiskers 8 are formed in the intermediate layers.
And silicon carbide-alumina fiber 6d composited in an arc shape
Are dispersed.

【0128】実施例22(図34,表7) 本実施例は、前記実施例17の中間層に、さらに実施例
15と同様に波型の炭化ケイ素繊維を複合させ、実施例
17と同様の方法で焼結体を得たものである。
Example 22 (FIG. 34, Table 7) In this example, a corrugated silicon carbide fiber was further added to the intermediate layer of Example 17 in the same manner as in Example 15, and the same procedure as in Example 17 was performed. The sintered body was obtained by the method.

【0129】図22は、得られたセラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
ものである。同図に示すように、内部層2の窒化ケイ素
セラミックスと表面層1のアルミナセラミックスとの界
面に熱応力緩和層3としての中間層が形成され、その中
間層に窒化ケイ素ウィスカー7、アルミナウィスカー8
および波型の炭化ケイ素繊維6eが分散している。
FIG. 22 schematically shows an image of a cross section of the obtained ceramic, taken by a micrograph. As shown in the figure, an intermediate layer as a thermal stress relaxation layer 3 is formed at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the alumina ceramics of the surface layer 1, and the silicon nitride whiskers 7 and the alumina whiskers 8 are formed in the intermediate layers.
And corrugated silicon carbide fibers 6e are dispersed.

【0130】実施例23(図35,表7) 本実施例は、実施例17の中間層に、さらに実施例16
と同様に弓状の炭化ケイ素−アルミナ繊維を複合させ、
実施例17と同様の方法で焼結体を得たものである。
Example 23 (FIG. 35, Table 7) This example is the same as the intermediate layer of Example 17 except that Example 16 was used.
In the same manner as in the above, composite arcuate silicon carbide-alumina fibers,
A sintered body was obtained by the same method as in Example 17.

【0131】図23は、得られたセラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
ものである。同図に示すように、内部層2の窒化ケイ素
セラミックスと表面層1のアルミナセラミックスとの界
面に熱応力緩和層3としての中間層が形成され、この中
間層に窒化ケイ素ウィスカー7、アルミナウィスカー
8、および波型の炭化ケイ素−アルミナ繊維6fが分散
している。
FIG. 23 schematically shows an image of a cross section of the obtained ceramic, taken by a micrograph. As shown in the figure, an intermediate layer as a thermal stress relaxation layer 3 is formed at the interface between the silicon nitride ceramics of the inner layer 2 and the alumina ceramics of the surface layer 1, and the silicon nitride whiskers 7 and the alumina whiskers 8 are formed on this intermediate layer. , And corrugated silicon carbide-alumina fibers 6f are dispersed.

【0132】実施例11〜23の効果 以上の実施例11〜23の各試料39〜81について、
それぞれJISに基づく3点曲げ試験を行い、室温にお
ける破壊エネルギーを求めた。強度測定の際は、表面層
1の酸化物セラミックス側に引張り応力がかかるように
試料をセットして行った。得られた測定結果を、各試料
の表面層1の酸化物および強化繊維の種類と形状ととも
に表5、7に記す。表7においては表面の酸化物は全て
アルミナである。
Effects of Examples 11 to 23 For the samples 39 to 81 of Examples 11 to 23,
Each was subjected to a three-point bending test based on JIS to determine the breaking energy at room temperature. The strength was measured by setting the sample so that tensile stress was applied to the oxide ceramics side of the surface layer 1. The obtained measurement results are shown in Tables 5 and 7 together with the types and shapes of the oxide and the reinforcing fibers of the surface layer 1 of each sample. In Table 7, all oxides on the surface are alumina.

【0133】表5,6,7より、実施例11〜23の各
試料39〜81と比較例の各試料39a〜44aとを比
較すると、界面に繊維を複合させたことが、破壊エネル
ギーの増大につながり、結果的には亀裂が界面に進入し
ても酸化物層と窒化ケイ素層とが剥離しにくくなるとい
うことがわかる。
From Tables 5, 6 and 7, comparing each of Samples 39 to 81 of Examples 11 to 23 with each of Samples 39a to 44a of Comparative Example, the fact that the fibers are compounded at the interface increases the breaking energy. As a result, it can be seen that even if a crack enters the interface, the oxide layer and the silicon nitride layer are difficult to separate.

【0134】次に、以上の各実施例における層状構造セ
ラミックスを酸化雰囲気中にさらし、耐酸化性を調べ
た。窒化ケイ素からなる内部層2の全ての表面に、酸化
物の表面層を有する焼結体を作製することが、最も好ま
しいが、耐酸化性を検証するには、一表面のみで十分で
あると考えられるため、実施例11〜23のセラミック
ス焼結体を、耐酸化性試験の試料とした。また、表面層
に使用した酸化物原料粉末からのみなる酸化物焼結体を
作製し、比較例とした。
Next, the layered structure ceramics in each of the above examples were exposed to an oxidizing atmosphere to examine the oxidation resistance. It is most preferable to prepare a sintered body having an oxide surface layer on all the surfaces of the inner layer 2 made of silicon nitride, but it is considered that only one surface is sufficient to verify the oxidation resistance. Therefore, the ceramic sintered bodies of Examples 11 to 23 were used as samples for the oxidation resistance test. In addition, an oxide sintered body made only from the oxide raw material powder used for the surface layer was prepared as a comparative example.

【0135】得られた焼結体を試料として、1500℃
の大気中で1000時間の耐酸化性試験を行った。その
結果、上記の全ての実施例のセラミックス積層体では、
酸化物単独の場合と同様に酸化増量は十分少なく、耐酸
化性の試験結果は良好であった。
Using the obtained sintered body as a sample, 1500 ° C.
The oxidation resistance test was performed for 1000 hours in the atmosphere. As a result, in the ceramic laminates of all the above examples,
As in the case of the oxide alone, the amount of increase in oxidation was sufficiently small, and the results of the oxidation resistance test were good.

【0136】これより、本実施例の層状構造セラミック
スは、表面層1の酸化物焼結体と同等の耐酸化性を有す
ることが明らかとなった。
From this, it is clear that the layered structure ceramics of this example has the same oxidation resistance as the oxide sintered body of the surface layer 1.

【0137】[0137]

【表1】 [Table 1]

【0138】[0138]

【表2】 [Table 2]

【0139】[0139]

【表3】 [Table 3]

【0140】[0140]

【表4】 [Table 4]

【0141】[0141]

【表5】 [Table 5]

【0142】[0142]

【表6】 [Table 6]

【0143】[0143]

【表7】 [Table 7]

【0144】[0144]

【発明の効果】以上で詳述したように、本発明によれ
ば、1500℃もしくはそれ以上の温度において、すぐ
れた強度を示し、亀裂の進展を阻止する能力にもすぐ
れ、表面層を上記したような酸化物とするため、従来の
非酸化物では耐えられない環境下においても使用可能な
耐酸化性および耐食性を示す材料構成を得ることができ
る。また、破壊エネルギーを向上させ、かつ酸化物セラ
ミックスと同等の耐酸化性および耐食性を有する、高温
用構造材料に適した層状構造セラミックスを得ることが
できる。
As described in detail above, according to the present invention, at a temperature of 1500 ° C. or higher, it exhibits excellent strength and has an excellent ability to prevent the development of cracks. Since such an oxide is used, it is possible to obtain a material structure exhibiting oxidation resistance and corrosion resistance that can be used even in an environment where conventional non-oxides cannot withstand. Further, it is possible to obtain the layered structure ceramics having improved fracture energy and having the oxidation resistance and the corrosion resistance equivalent to those of the oxide ceramics, which are suitable for the structural material for high temperature.

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

【図1】本発明の実施例1〜3を示すもので、界面部構
成の模式図。
FIG. 1 shows Examples 1 to 3 of the present invention and is a schematic view of an interface structure.

【図2】同実施例1における荷重変位曲線の模式図。FIG. 2 is a schematic diagram of a load displacement curve in the first embodiment.

【図3】同実施例1における繊維総配置を示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing a total fiber arrangement in Example 1;

【図4】本発明の実施例4に係る層状構造セラミックス
の断面構造を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a sectional structure of a layered structure ceramics according to Example 4 of the present invention.

【図5】前記実施例4に係る層状構造セラミックスの強
度の試験温度による影響を示すグラフ。
5 is a graph showing the influence of the test temperature on the strength of the layered structure ceramics according to Example 4. FIG.

【図6】前記実施例4に係る層状構造セラミックスの破
壊挙動の模式図。
FIG. 6 is a schematic diagram of the fracture behavior of the layered structure ceramics according to Example 4.

【図7】前記実施例に対応する比較として、従来例によ
る破壊挙動を示す模式図。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a fracture behavior according to a conventional example as a comparison corresponding to the example.

【図8】本発明の実施例5に係る層状構造セラミックス
の断面構造を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional structure of a layered structure ceramics according to Example 5 of the present invention.

【図9】前記実施例5に係る層状構造セラミックスの破
壊挙動を示す模式図。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the fracture behavior of the layered structure ceramics according to Example 5.

【図10】本発明の実施例6に係る層状構造セラミック
スの断面構造を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing a cross-sectional structure of a layered structure ceramics according to Example 6 of the present invention.

【図11】前記実施例6に係る層状構造セラミックスの
破壊挙動を示す模式図。
FIG. 11 is a schematic diagram showing the fracture behavior of the layered structure ceramics according to Example 6.

【図12】本発明の実施例7に係る層状構造セラミック
スの断面構造を示す図。
FIG. 12 is a diagram showing a sectional structure of a layered structure ceramics according to Example 7 of the present invention.

【図13】前記実施例7に係る層状構造セラミックスの
製造方法を示す図。
FIG. 13 is a view showing a method for manufacturing a layered structure ceramics according to the seventh embodiment.

【図14】前記実施例7に係る層状構造セラミックスの
破壊挙動を示す模式図。
FIG. 14 is a schematic diagram showing the fracture behavior of the layered structure ceramics according to Example 7.

【図15】本発明の実施例8に係る層状構造セラミック
スの断面構造を示す図。
FIG. 15 is a diagram showing a sectional structure of a layered structure ceramics according to Example 8 of the present invention.

【図16】前記実施例8に係る層状構造セラミックスの
破壊挙動を示す模式図。
FIG. 16 is a schematic diagram showing the fracture behavior of the layered structure ceramics according to Example 8.

【図17】本発明実施例9に係る層状構造セラミックス
の断面構造を示す図。
FIG. 17 is a diagram showing a cross-sectional structure of layered structure ceramics according to Example 9 of the present invention.

【図18】前記実施例9に係る層状構造セラミックスの
製造方法を示す図。
FIG. 18 is a view showing a method for producing a layered structure ceramics according to the ninth embodiment.

【図19】本発明実施例10に係る層状構造セラミック
スの断面構造を示す図。
FIG. 19 is a diagram showing a sectional structure of a layered structure ceramics in accordance with Example 10 of the present invention.

【図20】本発明の実施例11の層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示した図。
FIG. 20 is a diagram schematically showing an image taken by a micrograph of the cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 11 of the present invention.

【図21】本発明の実施例12の層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示した図。
FIG. 21 is a diagram schematically showing an image taken by a micrograph of the cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 12 of the present invention.

【図22】本発明の実施例13の層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示した図。
FIG. 22 is a diagram schematically showing a microscopic image of the cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 13 of the present invention.

【図23】本発明の実施例14の層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示した図。
FIG. 23 is a diagram schematically showing an image taken by a micrograph of the cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 14 of the present invention.

【図24】本発明の実施例15の層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示した図。
FIG. 24 is a view schematically showing a microscopic image of a cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 15 of the present invention.

【図25】本発明の実施例16の層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示した図。
FIG. 25 is a diagram schematically showing an image taken by a micrograph of the cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 16 of the present invention.

【図26】本発明に対応する比較例の層状構造セラミッ
クスの断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模
式的に示した図。
FIG. 26 is a diagram schematically showing an image taken by a micrograph of a cross-sectional state of a layered structure ceramic of a comparative example corresponding to the present invention.

【図27】本発明の実施例17の層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示した図。
FIG. 27 is a view schematically showing an image taken by a micrograph of the cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 17 of the present invention.

【図28】前記実施例17の層状構造セラミックスの、
界面近傍のEPMA分析による元素分布を示す図。
FIG. 28 shows the layered structure ceramics of Example 17,
The figure which shows the element distribution by EPMA analysis of the interface vicinity.

【図29】本発明に対応する比較例の層状構造セラミッ
クスの断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模
式的に示した図。
FIG. 29 is a diagram schematically showing an image taken by a micrograph of a cross-sectional state of a layered structure ceramic of a comparative example corresponding to the present invention.

【図30】本発明の実施例18の層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示した図。
FIG. 30 is a diagram schematically showing a microscopic image of a cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 18 of the present invention.

【図31】本発明の実施例19の層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示した図。
FIG. 31 is a diagram schematically showing an image taken by a micrograph of the cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 19 of the present invention.

【図32】本発明の実施例20の層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示した図。
FIG. 32 is a diagram schematically showing an image taken by a micrograph of the cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 20 of the present invention.

【図33】本発明の実施例21の層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示した図。
FIG. 33 is a diagram schematically showing an image taken by a micrograph of the cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 21 of the present invention.

【図34】本発明の実施例22の層状構造セラミックス
の断面状態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的
に示した図。
FIG. 34 is a view schematically showing a microscopic image of a cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 22 of the present invention.

【図35】実施例23の層状構造セラミックスの断面状
態について、顕微鏡写真で撮影した像を模式的に示した
図。
FIG. 35 is a diagram schematically showing an image taken by a micrograph of the cross-sectional state of the layered structure ceramics of Example 23.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 表面層 2 内部層 3 熱応力緩和層 4 繊維層 1b スラリー 4b 長繊維プリフォーム 4C 酸化物系長繊維 4D 非酸化物系長繊維 5 型枠 6 リング状の炭化ケイ素繊維 6(6a,6b) リング状の炭化ケイ素−酸化物繊維 6c 弓状に複合された炭化ケイ素繊維 6d 弓状に複合された炭化ケイ素−酸化物繊維 6e 波型の炭化ケイ素繊維 6f 波型の炭化ケイ素−酸化物繊維 7 窒化ケイ素ウィスカー 8 アルミナウィスカー 9 窒化ケイ素粒子 10 アルミナ粒子 1 Surface Layer 2 Inner Layer 3 Thermal Stress Relaxation Layer 4 Fiber Layer 1b Slurry 4b Long Fiber Preform 4C Oxide Long Fiber 4D Non-Oxide Long Fiber 5 Form 6 Ring Silicon Carbide Fiber 6 (6a, 6b) Ring-shaped silicon carbide-oxide fiber 6c Silicon carbide fiber composited in an arc shape 6d Silicon carbide-oxide fiber composited in an arc shape 6e Corrugated silicon carbide fiber 6f Corrugated silicon carbide-oxide fiber 7 Silicon nitride whiskers 8 Alumina whiskers 9 Silicon nitride particles 10 Alumina particles

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // F01D 5/28 (72)発明者 水谷 敏昭 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 上野 文雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Reference number within the agency FI technical display location // F01D 5/28 (72) Inventor Toshiaki Mizutani 1 Komukai Toshiba-cho, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Incorporated company Toshiba Research and Development Center (72) Inventor Fumio Ueno 1 Komukai Toshiba-cho, Kouki-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸化物セラミックスを主成分とする表面
層と、非酸化物セラミックスを主成分とする内部層とに
よって構成される層状構造セラミックスにおいて、これ
ら表面層と内部層との界面部に、両者の中間の熱膨張係
数をもつ1層あるいは2層以上の熱応力緩和層、もしく
は両者の組成が連続的に、あるいは不連続的に変化して
いる熱応力緩和層を有し、さらに、表面層の熱応力緩和
層附近から熱応力緩和層を経て内部層の界面部附近に亘
る部分、熱応力緩和層の途中から内部層の熱応力緩和層
附近に亘る部分、表面層の熱応力緩和層附近から熱応力
緩和層の途中に亘る部分、表面層の熱応力緩和層附近、
のいずれかに、1種もしくは2種以上のセラミック繊維
が3次元的に複合する繊維層を構成してなることを特徴
とする層状構造セラミックス。
1. A layered structure ceramic composed of a surface layer containing oxide ceramics as a main component and an internal layer containing non-oxide ceramics as a main component, wherein an interface between the surface layer and the internal layer comprises: One or two or more thermal stress relaxation layers having a thermal expansion coefficient intermediate between the two, or a thermal stress relaxation layer in which the composition of the both changes continuously or discontinuously, and further the surface Of the thermal stress relaxation layer of the layer, from the vicinity of the thermal stress relaxation layer to the vicinity of the interface of the internal layer, from the middle of the thermal stress relaxation layer to the vicinity of the thermal stress relaxation layer of the internal layer, and the thermal stress relaxation layer of the surface layer The part from the vicinity to the middle of the thermal stress relaxation layer, near the thermal stress relaxation layer of the surface layer,
In any one of the above, a layered structure ceramics characterized by comprising a fiber layer in which one kind or two or more kinds of ceramic fibers are three-dimensionally composited.
【請求項2】 表面層を構成するセラミックスが、酸化
アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、
マグネシウム・アルミニウムスピネル、酸化クロム、酸
化チタン、酸化ケイ素、ムライトのうちの1種からな
り、繊維層を構成する繊維が、炭化ケイ素、窒化ケイ
素、酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも1種を主
成分とする繊維からなり、内部層を構成するセラミック
スが、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロンから選ばれ
る少なくとも1種もしくは、2種以上の複合セラミック
スからなることを特徴とする請求項1記載の層状構造セ
ラミックス。
2. The ceramic constituting the surface layer is aluminum oxide, magnesium oxide, yttrium oxide,
It is made of one of magnesium / aluminum spinel, chromium oxide, titanium oxide, silicon oxide, and mullite, and the fiber constituting the fiber layer has at least one selected from silicon carbide, silicon nitride, and aluminum oxide as a main component. 2. The layered structure ceramics according to claim 1, wherein the ceramics which is made of fibers and which constitutes the inner layer is at least one kind selected from silicon carbide, silicon nitride and sialon, or two or more kinds of composite ceramics.
【請求項3】 酸化物セラミックスを主成分とする表面
層と、非酸化物セラミックスを主成分とする内部層とに
よって構成される層状構造セラミックスにおいて、前記
内部層における前記表面層側の部分、前記内部層の中心
部、または前記表面層と内部層との層間に亘る部分を、
酸化物系長繊維もしくは非酸化物系長繊維により強化す
ることを特徴とする繊維強化型の層状構造セラミック
ス。
3. A layered structure ceramic comprising a surface layer containing oxide ceramics as a main component and an inner layer containing non-oxide ceramics as a main component, wherein a portion of the inner layer on the surface layer side, The central portion of the inner layer, or the portion extending between the surface layer and the inner layer,
A fiber-reinforced layered structure ceramics characterized by being reinforced by oxide long fibers or non-oxide long fibers.
【請求項4】 酸化物セラミックスを主成分とする表面
層と、非酸化物セラミックスを主成分とする内部層とに
よって構成される層状構造セラミックスにおいて、前記
表面層と内部層との界面に両層を連結する形で、リング
状のセラミックス繊維、表面層側に凸になる弓状のセラ
ミックス繊維、または波形をしたセラミックス繊維を複
合させたことを特徴とする層状構造セラミックス。
4. A layered structure ceramic composed of a surface layer containing oxide ceramics as a main component and an internal layer containing non-oxide ceramics as a main component, wherein both layers are provided at an interface between the surface layer and the internal layer. A layered ceramic structure comprising a ring-shaped ceramic fiber, a bow-shaped ceramic fiber convex to the surface layer side, or a corrugated ceramic fiber in a combined form.
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