JPS5891089A - 複合部材を製造する方法 - Google Patents
複合部材を製造する方法Info
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
- F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
- F02B1/04—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
ひずみを汲収することのできる沖合拐料を作る方法に関
1−る。 金属部イ・Vをセラミック部片に結合する方法は従来数
多く知られている。たとえば、米国特許第2,9 9
6,4 0 1号にはセラミック体の表面て耐火性金属
を蒸着し、次にこの蒸着被覆に金属部材をろう付けする
電子管製造方法が記載しである。捷た、米国特許第 3、1 1 4,6 1 2号には、セラミックを金属
接合媒体で被覆してから波形ステンレス鋼板に溶接した
、高温相のセラミック積層品が示しである。 これら従来方法は、酸化状態および機械的応力の下での
高温作業、たとえばガスタービンエンジンにおいては意
図した用途に充分なものであるが、タービ/作動中の極
度の熱膨張差や熱勾配(でよるかなりのひずみにも耐え
る能力が積層品になければならない。従来は、熱ひずみ
を吸収する能力の点で問題があり、あらゆる条件におい
て適度に低い応力I/ベベル弾力的に熱ひずみに応答す
る別の方法が求められている。 琲在、セラミック月1(金属材を直接結合するこ七は、
熱膨張係数の差が小さい( 0.5 Xl 0−6in
、/ ]、n 、/’F )かつ構造C,1)幾何学
−にノ差が小さい(セラミック利が用縮状態のitでな
ければならない)という飼料に限られている。熱膨張係
数(α)の差は、αの接近した月利を並べていつC、セ
ラミック(α。)、セルノノト(α]・・・・・・α。 、これは密度の変化する、金属粉とセラミックの混合物
であつ一C埠さが充分であれば無数の層が存在し、各層
のαが少1すつ異なつ之ものでル)る)および金属の勾
配を次に示′fように表わす技術を用いることによって
最小限に抑えることができろ。 α、く、α2〈−α3・・・・・・くα□不幸にも、こ
の技術は、(1)低熱膨張合金の耐酸化性が比較的低い
ということ、および(2)金属、セルメツトおよびセラ
ミックの高を品での膨張差が大きいことによる温度限界
のため(で、低湿用途に限られるのである。 タービンエンジンで用いる高7品ガク、流路用岸耗件シ
ールを開発する((は、膨張率の差とか耐酸化性がない
とかによって限界を与えられないセラミック・金属積層
品を製@する方法を必要とする。 セラミノ、り・り表向が1000°F乃至3000’F
(537,8°C乃至] 648,9℃)になり、セ
ラミックを横切って温度勾配があるこのような高い温度
勾白己条件においては、烏1品の表面の方がより低い温
間の表面よりも大きく膨張でる。セラミック・セルメツ
)・・金属積層物におけろようにとの膨張が抑えられる
と、セラミック材で過剰に応力が冒捷り、熱分解により
そitなi波喚することになる。したがって、この積層
品は、500’l?7”)至1000°F(260°G
乃至537.8°C)の熱勾配が生じろととる(では向
かない。たkえ一′、セラミックがアルミナであり、金
属が+y]−i合金である場合、500’Fの調度勾配
では正しい機能を望めない。 したがって、本発明は、セラミック層と、この層に取付
けてあって可撓性、弾力性がありかつ弾性率、密度の低
い金属構造の三次元界面と、この低弾・卸率金属(マq
造に取付けた金属部材とを包含する。金族部材とセラミ
ックの熱膨張係数差による熱ひすみは、引張強さ、高温
での4酸化性および弾力撓み性が充分にある低弾性率(
オの界面に吸収される。 本発明の目的は、熱膨張差で生じる熱ひずみを低弾性率
、密度の金属マットの構造の界面層で吸収才るようにな
っている腹合飼料を製造する方法を提供することにある
。 これ以外の目的は本発明についての以下の詳細な説明か
ら明らかになろう。 第1図に示で具体例において、これはガスタービンエン
ジン用の高7A M 純性シール100である。セラミ
ック部材1は、高温セラミック、たとえば、アルミナ、
安定化キュービック拳ジルコニア、マグネシア、ジルコ
ン(ZrO2・5102 )、ホステライト(−2Mg
0 ・91.02 ) % ムライト、ムライト・石英
、アルミニウム2硼酸塩、カルシア、イツトリア、ガラ
ス、シリコンカーバイド、窒化シリコ/、アルミノ・硼
珪酸塩等で作”つてもよい。これらの材料は1ことえば
高温摩耗性シールに必要な厚さ、多孔度で加りできる。 セラミック部材1は、約lXl0−6乃至8 X I
O−6インチ/仁インチ/″F程度の非常に低い熱膨張
係数を有する。逆に、このセラミック部材1を最終的に
結合する金属ベース3は、約2 X 1−0−6乃至2
0 X I O−6インチ/インチ/”Fの非常に高い
熱膨張係数を有する。 ガスタービンエンジンでは、セラミックiπ(材1の外
面は1800−3600°F (982,2−1982
,2’O)近くの7品度を受けるのに対し、金属力心出
面はほんの数百度の華氏を精度を受けるだけであり、こ
れら2つの部材を直接結合したならば、膨張係数の差お
よびセラミックの厚さからの温度勾配の影響によりセラ
ミックが直ちに壊れることにな・ろう。したがって、本
発明においては、セラはツク部材lと金属ベース3の間
に、弾性率の低い界面層2が設けられ、これは2つの材
料の熱膨張差および温度勾配で生じろ幾何学形状差を吸
収する。 界面層2は、可撓性、弾性があり、弾性率、密度が低(
、多孔性である三次元のA M!II点金属繊維ウエグ
つるいはマット構造から成り、たとえば、これは米国特
許第3,469,297号、同第3,505,038号
、第3,127,668号に詳しく記帷、しである。こ
の界面層の繊維として用いる代表的な合金は、Hast
ellOy X1t(oski、ns 875、Hay
neS 188、D f■242の登條商標で販売され
ているものとか、ニッケルベースのスーパ・−合金お、
1: ヒ鉄、:I ハ/l/ト、ニッケル、クロム、ア
ルミニウムfc ラフ1にイツトリウム(捷たは希土類
)の四元、五元(quadrj、nary 、 qui
ntj−nary )合金である。 望ましくは、多孔性ウェブまたはマット構造の密度は約
35%であるが、用途によっては、このウェブの密度は
、界面層2を含めて5から80%に変えうる。マットを
作るのに用いる正し7い合金が、最終的な用途でi′音
遇する温度、酸化、応力の各条件に基いて決定されるこ
とになることは明らかであろう。 第1図に示す具体化物を作る1つの方法は、ウェブ界面
層2を20で示すように金属ベース3にろう付けするこ
とである。セラミック層1は界面層2の露出面にセラミ
ック材をプラズマ噴霧して形成し、セラミック材は界面
層?の表面に含;憂してそこの繊維に機械的に結合才ろ
。次に、セラミック層Jが所望の厚さになる壕でプラズ
マ噴霧な続けろ。この」:うに
1−る。 金属部イ・Vをセラミック部片に結合する方法は従来数
多く知られている。たとえば、米国特許第2,9 9
6,4 0 1号にはセラミック体の表面て耐火性金属
を蒸着し、次にこの蒸着被覆に金属部材をろう付けする
電子管製造方法が記載しである。捷た、米国特許第 3、1 1 4,6 1 2号には、セラミックを金属
接合媒体で被覆してから波形ステンレス鋼板に溶接した
、高温相のセラミック積層品が示しである。 これら従来方法は、酸化状態および機械的応力の下での
高温作業、たとえばガスタービンエンジンにおいては意
図した用途に充分なものであるが、タービ/作動中の極
度の熱膨張差や熱勾配(でよるかなりのひずみにも耐え
る能力が積層品になければならない。従来は、熱ひずみ
を吸収する能力の点で問題があり、あらゆる条件におい
て適度に低い応力I/ベベル弾力的に熱ひずみに応答す
る別の方法が求められている。 琲在、セラミック月1(金属材を直接結合するこ七は、
熱膨張係数の差が小さい( 0.5 Xl 0−6in
、/ ]、n 、/’F )かつ構造C,1)幾何学
−にノ差が小さい(セラミック利が用縮状態のitでな
ければならない)という飼料に限られている。熱膨張係
数(α)の差は、αの接近した月利を並べていつC、セ
ラミック(α。)、セルノノト(α]・・・・・・α。 、これは密度の変化する、金属粉とセラミックの混合物
であつ一C埠さが充分であれば無数の層が存在し、各層
のαが少1すつ異なつ之ものでル)る)および金属の勾
配を次に示′fように表わす技術を用いることによって
最小限に抑えることができろ。 α、く、α2〈−α3・・・・・・くα□不幸にも、こ
の技術は、(1)低熱膨張合金の耐酸化性が比較的低い
ということ、および(2)金属、セルメツトおよびセラ
ミックの高を品での膨張差が大きいことによる温度限界
のため(で、低湿用途に限られるのである。 タービンエンジンで用いる高7品ガク、流路用岸耗件シ
ールを開発する((は、膨張率の差とか耐酸化性がない
とかによって限界を与えられないセラミック・金属積層
品を製@する方法を必要とする。 セラミノ、り・り表向が1000°F乃至3000’F
(537,8°C乃至] 648,9℃)になり、セ
ラミックを横切って温度勾配があるこのような高い温度
勾白己条件においては、烏1品の表面の方がより低い温
間の表面よりも大きく膨張でる。セラミック・セルメツ
)・・金属積層物におけろようにとの膨張が抑えられる
と、セラミック材で過剰に応力が冒捷り、熱分解により
そitなi波喚することになる。したがって、この積層
品は、500’l?7”)至1000°F(260°G
乃至537.8°C)の熱勾配が生じろととる(では向
かない。たkえ一′、セラミックがアルミナであり、金
属が+y]−i合金である場合、500’Fの調度勾配
では正しい機能を望めない。 したがって、本発明は、セラミック層と、この層に取付
けてあって可撓性、弾力性がありかつ弾性率、密度の低
い金属構造の三次元界面と、この低弾・卸率金属(マq
造に取付けた金属部材とを包含する。金族部材とセラミ
ックの熱膨張係数差による熱ひすみは、引張強さ、高温
での4酸化性および弾力撓み性が充分にある低弾性率(
オの界面に吸収される。 本発明の目的は、熱膨張差で生じる熱ひずみを低弾性率
、密度の金属マットの構造の界面層で吸収才るようにな
っている腹合飼料を製造する方法を提供することにある
。 これ以外の目的は本発明についての以下の詳細な説明か
ら明らかになろう。 第1図に示で具体例において、これはガスタービンエン
ジン用の高7A M 純性シール100である。セラミ
ック部材1は、高温セラミック、たとえば、アルミナ、
安定化キュービック拳ジルコニア、マグネシア、ジルコ
ン(ZrO2・5102 )、ホステライト(−2Mg
0 ・91.02 ) % ムライト、ムライト・石英
、アルミニウム2硼酸塩、カルシア、イツトリア、ガラ
ス、シリコンカーバイド、窒化シリコ/、アルミノ・硼
珪酸塩等で作”つてもよい。これらの材料は1ことえば
高温摩耗性シールに必要な厚さ、多孔度で加りできる。 セラミック部材1は、約lXl0−6乃至8 X I
O−6インチ/仁インチ/″F程度の非常に低い熱膨張
係数を有する。逆に、このセラミック部材1を最終的に
結合する金属ベース3は、約2 X 1−0−6乃至2
0 X I O−6インチ/インチ/”Fの非常に高い
熱膨張係数を有する。 ガスタービンエンジンでは、セラミックiπ(材1の外
面は1800−3600°F (982,2−1982
,2’O)近くの7品度を受けるのに対し、金属力心出
面はほんの数百度の華氏を精度を受けるだけであり、こ
れら2つの部材を直接結合したならば、膨張係数の差お
よびセラミックの厚さからの温度勾配の影響によりセラ
ミックが直ちに壊れることにな・ろう。したがって、本
発明においては、セラはツク部材lと金属ベース3の間
に、弾性率の低い界面層2が設けられ、これは2つの材
料の熱膨張差および温度勾配で生じろ幾何学形状差を吸
収する。 界面層2は、可撓性、弾性があり、弾性率、密度が低(
、多孔性である三次元のA M!II点金属繊維ウエグ
つるいはマット構造から成り、たとえば、これは米国特
許第3,469,297号、同第3,505,038号
、第3,127,668号に詳しく記帷、しである。こ
の界面層の繊維として用いる代表的な合金は、Hast
ellOy X1t(oski、ns 875、Hay
neS 188、D f■242の登條商標で販売され
ているものとか、ニッケルベースのスーパ・−合金お、
1: ヒ鉄、:I ハ/l/ト、ニッケル、クロム、ア
ルミニウムfc ラフ1にイツトリウム(捷たは希土類
)の四元、五元(quadrj、nary 、 qui
ntj−nary )合金である。 望ましくは、多孔性ウェブまたはマット構造の密度は約
35%であるが、用途によっては、このウェブの密度は
、界面層2を含めて5から80%に変えうる。マットを
作るのに用いる正し7い合金が、最終的な用途でi′音
遇する温度、酸化、応力の各条件に基いて決定されるこ
とになることは明らかであろう。 第1図に示す具体化物を作る1つの方法は、ウェブ界面
層2を20で示すように金属ベース3にろう付けするこ
とである。セラミック層1は界面層2の露出面にセラミ
ック材をプラズマ噴霧して形成し、セラミック材は界面
層?の表面に含;憂してそこの繊維に機械的に結合才ろ
。次に、セラミック層Jが所望の厚さになる壕でプラズ
マ噴霧な続けろ。この」:うに
【7て作った製品は弾性
界面層を持つセラミック・金属複合物であり、金属部材
がセラミック材よりも大きく熱膨張したとき、この界面
層はこの熱膨張量の差を吸収できる。したがって、セラ
ミック部FAIと金属ベース3の間に大きな熱膨張率の
差が)1つでも、界面層2がこの膨張差、その結果生じ
る熱ひずみを吸収できるので、極端な熱循環にも耐えう
る。 第2図において、ウェブ界面層2aの金属繊維4はセラ
ミック層1aの厚さの約4分の1セラミック面に突入し
ており、他方、界面層2dの他面は金属板3aに20a
のところでろう付げl−である。それ故、セラミック層
1aの表面に金属フェルト化マットの界面層2aが埋め
込洩れたことになる。セラミックおよび合金は、界面層
の金属繊維およびセラミンクの化学反応な量少限(て抑
えて主に両者を機械的に結合させるように選定しなげれ
ばならない。セラミック・金属界面複合部分は、金属フ
ェルト界面層を充分な強度の機械的結合をさせるに充分
な距離にわたってセラミック材の盟゛王fi t’i二
、、”:n−ら−7ご形成してもよい。上述したように
、セラミック9 i aの厚さの約4分の1という寸法
は界面層2aを埋込むに充分なものであるが、これは所
望に応じて変えてもよい。マツトビ渭性セラミックに埋
込んだ後、この複合′吻?乾燥させ、火にかげる。 先に述べたように、ウェブ界泥層は最初に金属ベースに
取付けてもよいし、セラ。′ツクを界面層に結合1−た
後金属ベースに取付けてもよい。 本発明の別の具体例では、約8分の3インチ(0,95
センチ)のU字形カードワイアステーブルを繊維ベース
に取付けてほぼ直立の位置に押込む。セラミック繊維ま
フλは粉末もしくは両方と水のスラリ状混合物を織物(
フアプリノゾン上【・こ堆積させ、それを金属ステーブ
ルの区域に閉じ込める。この最初の材料を次に炉で焼結
;\せてセラミックスラリ?反応させ、所望のセラミッ
ク材を生成すると同時にワイアステーブルを機械的に包
み込む。 第6図(で示すように、織物14 ;]はワイアステー
ブル13aを有し、これはセラミック材12aに埋込ま
れてセラミック・ワイア層11aを構成している。セラ
ミックを炉で火にかけると、織物層14aは分解し、セ
ラミック12aに埋込まれたステーブルl laが残る
。突出したステーブル13aは便宜上両面で侶らに折り
曲げてもよい。金属繊維の界面材では、ワイアステーブ
ルとヒラミック材との化学反応を最小限に抑えなければ
ならない。さもないと、膨張係数の不一致から生じた応
力によつ′C材料の分解が生じることになる。金属、複
合物量の化学反応は両者の結合を強くして界面区域での
分解を促進させると共に両者の運動をきわめて低く抑え
ろ−どになろう。 第3図でわかるにうに、ステーブルを含んだこのセラミ
ック層11aは、炉内で短時間高温に置くことによって
ガラスフリツ1−23bで純粋なセラミック層1bに取
付けろ。金属ベース31)は20 bで示すように多孔
性ウーLノ界面層2 bにろう付けされる。次にこの露
出したステーブルを持ったセラミック積層物を10bの
ところで界面層2bi/1mスポットろう付けする。界
面層2bの繊維が100%密$ I−、−C訃らず、ま
たセラミック層のステーブル13aが100係密集して
いないので、両者のろう付けは1. O0%でもよいが
、金属の全面積は最小の金属材料1)金属密度より太き
(はならない。この種の複合物は第1図に示す基本的な
具体例と同じ特性を有する。 第4,5図においては、セラミック1と界面層2の繊維
4またはステーブル13aの幾何学形状の結合が機械的
結合を高める1Fいうことに注目されたい。この特別な
11已實はこの材料の作用にとってきわめて重要である
。 また、界面層を列挙した金属で作つ/ヒ場合、ステーブ
ル13aを状況に応じてプラチナ、タングステン、モリ
ブデン等の材料で作ってもよい。本発明で用いるセラミ
ック材は高稿月」セラミツ/′とじて市販されているも
のでもよいし、以後述べろよう(て本発明者らの発見し
、を材料でもよい。 高温/−ル、F・・よびガスタービン用のセラミック材
料を用いる場合、特に従来技%y (7’−とえば、米
国特許第3,880.550号)で教示されているよう
なシールを作る場合、高温材および絶縁拐(2600°
F以上)としてはムライトと石英から成るアルミノ・シ
リケート・セラミンクの焼結生成物に限られろ。市販の
繊維(Fiberfrax Kaowoo、1 +7)
登録商標で知られる)に存在する遊離石英は、1800
°F(982,2’″C)以ヒの)昌度にさらされると
溶融して失透【7、クリストグライドに変わるので、も
ろくなる。アルミ、ノ・シリケート繊維と低膨張ガラス
繊R(まfc&i粉末うの混合物を焼結して用いると、
2200−3000°F(] 20=1.1−1648
.8℃)の湿度に耐えるセラミック材料を形成できるこ
とがわかった(公知のFiberfraxの場合よりも
400’F以上の増加)、この混合物を焼結したとき、
ガラスがアルミノ・シリケートを囲むと同時に、遊離石
英をすべて溶解し、ムライトとガラスの混合物とな5゜
この新しい七ラミックはここに教示した複合材料のセラ
ミック部分に用いる多孔性材料の1つである。非常に驚
くべきことには、この材料が優れた高温特性を持ってい
ることがわかったっ穐準のアルミノ・シリケート、代表
的には35−55%の5i02 ト45−65 %のA
(1203のものを18000F以上の温度で用いた際
、石英は溶けて失透し、クリストバライトを形成し、繊
維をきわめてもろくして製品全体を弱くする。アルミニ
ウム・シリケートに繊維状または粉末状のガラスを加え
ると、このガラスが石英と反応1、て失透のない新しい
ガラスとなる。このガラス添加技術を用いたときに優れ
たセラミックを作り出す、異なった温度範囲を有する繊
維形成材料にしては、アルミ7)・シリケート、アルミ
ナおよびジルコ:ニアの3つがt)ル。 コバルトベ・−スの!クーノ々−合金ベース3が第7図
に示しである。金属ウェブ2は約20係の密度であり、
Ho5kins 875合金で作ってあり、ベース3に
ろう付けしである。セラミック層1はウェブにプラズマ
噴霧してあって埋込呼れでいる。セラミック層は4重量
%のOaOと96重I係のZrO2から成る。 本発明に従って作ったセラミック・界面層・金属複合物
の以下の実施例は本発明で意l¥1した範囲を限定する
つもりのないものである。 実施例1 米国特許第3,127,668号の教示に従って、半イ
ンチのねじっt5ミルワイア (Fe0rA/Si −Ho5ki−ts 87°5−
合金)でフェルドウニゲな作り、これをJ、 O’ t
orrO真空中でかつ2175°F (1190,5°
C)の温度で15時間熱処理した。このウェブは約30
%の密&であった。高温コバルトベース合金の金属ベー
スを、この焼結ウェブに、約10分間真空炉内で215
00F(l I 76.600 )にさらすことによっ
て溶着させた。ウェブの露出向に、大気中で、ジルコニ
アをプラズマ噴霧1−て/1)なくとも10ミルウエブ
に含浸さば、次に約100ミルのジルコニア層ができる
までプラズマ噴霧を続け/ヒ(不発明方、去によればジ
ルコニア層を4分の1インチはどにもできる)。こうし
て形成した複合物を熱循環させこのときジルコニア面は
2900’F(1593,3℃)の湿度を受け、金属ベ
ースは一連のサイクルで周囲温度の空気(Lこさらされ
たが、セラミック・ジルコニアと金属の分離はなんら認
められなかった。 実施例R 米国特許第3,127,668号の教示に従って、I(
、astel−1y X合金の半インチのねじった4ミ
ルワイアで作ったフェルトウェブを1O−5torrの
貞空中でかつ2175°l? (1190,5”D)の
温度で10時間熱処理した。このウェブの密度は約20
%であった。この焼結ウェブにHa s teコJyX
合金の金属ベースを、約10分間真空炉内で2150°
F (1176,6°C)にさらすことによって溶着さ
せ7t08分の3インチのU字形をした直立1:2ミル
i予のステープルワイアを多孔性織物ベースに突き刺し
てベッドを作り、ステープルを手直立状態に保ってセラ
ミック材とステープルカードワイアのセラミック複合物
を作った。8ミクロン〜80ミクロンの直径を持ったア
ルミノ・シリク・−ト・ミイ・ラル繊維で作った水ベー
スのスラリナ低膨張ガラス粉末と混ぜ合わせた。粉末は
325メツシユのふるいを6過する寸法であり、40ミ
クロン−までの直径を有する。 このスラリは50容量%の水に50重量%のアルミニウ
ムシリケートと50重量%のガラスを混ぜ之絹成である
。スラリを、直立した金属ステープルを囲みかつそれを
覆うように織物の上に堆積させ、他の保持容器によって
所定場所に保持した。このスラリ・ステープル複合物を
アルゴンで浄化した炉内で2時間2300°Fに熱処理
してガラスをアルミ、ノ・シリケートと溶融反応させる
と同時にアルミノ・シリケートの゛まわりに7トリツク
スを形成して遊離石英をすべて無くし、ムライト・ガラ
ス結合体(ムライト−3A1203・23102 )で
あるステープル含浸低膨張セラミックの最終製品を得た
。 フェルト化スラリ混合物においては、直往約8ミクロン
、長さ8分の1インチ(3,18ミリ)の98重量係ア
ルミナ・シリケート繊維を、直径約8ミクロン、長さ約
8分の1インチの2重量係アルミノ・硼珪酸塩ガラス繊
維と混ぜ合わせ、固体1部に対し水450部の割合で水
と混ぜ合わせた。この混合物を吸引堆積して約40%の
密度にIEE縮した多孔性セラミックフェルトとした。 このセラミックフェルトを約4時間大気中において29
00″F(1593,3°C)で焼結した。ガラス繊維
は溶けて遊離石英と反応結合し、ムライト士ガラスの絹
合わせ体となった。この構造は約8分の1インチの厚さ
であり、密度が65%である。このセラミック材料を、
重量パー七、/ト で 8 0.5 3i02 、
1 2.9 B 203 、 3.8Na20.
2.2 B2o3.0.4 K2Oから成る低膨張ガラ
ス粉末でステープルセラミック複合物の片側に取付け、
同時に金属繊維ウェブの自由面をステープルセラミック
複合物の反対側に N1crobraz LM (WaJ上 0o1o
rnony Companyの登録商標)を用いて、
アルゴン雰囲気の炉において2150°Fで10分間置
くことによってスポット溶着した。最終的な複合物を1
800OFに熱饋檗、、iz−’、ff、周囲温度まで
冷却した。 30回のサイクルの終りに、セラミックは分解すること
なく、界面層が構造上の一体性を維持した。 実施例■ 東国特許第3,127,668号内散示により、Fec
rAlsl(Ho5k]、ns 875 )合金ハ半イ
ンチ長さのねじった5ミルワイアで作ったウェブ゛を、
lo−5tDrrの真空において2175″F(119
0,5°G)の温度で9侍間焼結lまた。 このつLブの密度は約30%である。高温コバルトベー
ス合金の金属ベースを、焼結したウェブに、ウェブ、溶
着用合金および金にベースを真空炉において10分間2
150°Fにさらすことによって溶着した。イツトリア
安定化ジルコニアおよび黒鉛粉末(そJtぞれ、70.
30容量%)の混合物をウェブの露出部にプラズマ噴霧
した。この噴霧複合物を引き続き空気中ニオイて】5時
fi4j ] 700 ’F(92G。6QC)にさら
した。セラミ、ツク層の多孔度は実施例1で述べた黒鉛
無しのジルコニアよりも著しく太きいものとな゛つた。 第2の取付ウェブにプラズマ噴霧して純イツトリア安定
化ジルコニアの層で被覆し、続けて70容量係のイツト
リア安定化ジルコニアと゛30容量係の黒鉛の混合物で
被覆した。、黒鉛を焼き取った後、ウェブ・f1近の層
の密度が高く、したがって黒鉛を含んだ外層よりも強い
ことは明らかだった。密度、強度共に、黒1()その他
の犠牲月1力容段比を側御fろことによって調節できる
。 実施例1.It、Illは先に述べた具体例の3つのも
のと一致している。セラミック月利の組成を金属ベース
、界面層の両者について異なった合金に替えうろことは
当業者であれば充分に理解できると考える。本発明が、
金属ベースとセラミックに結合した低弾性率で低密度の
金属繊維マット界面層を提供することによってセラミッ
ク・金属積層接合物構造において熱ひずみを吸収するの
に非常に有効な方法を提供することは認識できよう。 本発明の具体例の他の技術的用途としては、ガスタービ
ンツユラウド、バーナカン、ベーン端壁、磁石流体力学
反応器、核融合炉およびジーゼルエンジン、ガソリンエ
ンジン/7)ヒヌ、トン、シリング泪コーティングがあ
る。 本発明の特定の具体例を説明してきたが、発明の精神、
範囲を逸脱することなくセラミック・金属複合物の材料
、形態、製造方法について多くの修正、変更をなしうる
。
界面層を持つセラミック・金属複合物であり、金属部材
がセラミック材よりも大きく熱膨張したとき、この界面
層はこの熱膨張量の差を吸収できる。したがって、セラ
ミック部FAIと金属ベース3の間に大きな熱膨張率の
差が)1つでも、界面層2がこの膨張差、その結果生じ
る熱ひずみを吸収できるので、極端な熱循環にも耐えう
る。 第2図において、ウェブ界面層2aの金属繊維4はセラ
ミック層1aの厚さの約4分の1セラミック面に突入し
ており、他方、界面層2dの他面は金属板3aに20a
のところでろう付げl−である。それ故、セラミック層
1aの表面に金属フェルト化マットの界面層2aが埋め
込洩れたことになる。セラミックおよび合金は、界面層
の金属繊維およびセラミンクの化学反応な量少限(て抑
えて主に両者を機械的に結合させるように選定しなげれ
ばならない。セラミック・金属界面複合部分は、金属フ
ェルト界面層を充分な強度の機械的結合をさせるに充分
な距離にわたってセラミック材の盟゛王fi t’i二
、、”:n−ら−7ご形成してもよい。上述したように
、セラミック9 i aの厚さの約4分の1という寸法
は界面層2aを埋込むに充分なものであるが、これは所
望に応じて変えてもよい。マツトビ渭性セラミックに埋
込んだ後、この複合′吻?乾燥させ、火にかげる。 先に述べたように、ウェブ界泥層は最初に金属ベースに
取付けてもよいし、セラ。′ツクを界面層に結合1−た
後金属ベースに取付けてもよい。 本発明の別の具体例では、約8分の3インチ(0,95
センチ)のU字形カードワイアステーブルを繊維ベース
に取付けてほぼ直立の位置に押込む。セラミック繊維ま
フλは粉末もしくは両方と水のスラリ状混合物を織物(
フアプリノゾン上【・こ堆積させ、それを金属ステーブ
ルの区域に閉じ込める。この最初の材料を次に炉で焼結
;\せてセラミックスラリ?反応させ、所望のセラミッ
ク材を生成すると同時にワイアステーブルを機械的に包
み込む。 第6図(で示すように、織物14 ;]はワイアステー
ブル13aを有し、これはセラミック材12aに埋込ま
れてセラミック・ワイア層11aを構成している。セラ
ミックを炉で火にかけると、織物層14aは分解し、セ
ラミック12aに埋込まれたステーブルl laが残る
。突出したステーブル13aは便宜上両面で侶らに折り
曲げてもよい。金属繊維の界面材では、ワイアステーブ
ルとヒラミック材との化学反応を最小限に抑えなければ
ならない。さもないと、膨張係数の不一致から生じた応
力によつ′C材料の分解が生じることになる。金属、複
合物量の化学反応は両者の結合を強くして界面区域での
分解を促進させると共に両者の運動をきわめて低く抑え
ろ−どになろう。 第3図でわかるにうに、ステーブルを含んだこのセラミ
ック層11aは、炉内で短時間高温に置くことによって
ガラスフリツ1−23bで純粋なセラミック層1bに取
付けろ。金属ベース31)は20 bで示すように多孔
性ウーLノ界面層2 bにろう付けされる。次にこの露
出したステーブルを持ったセラミック積層物を10bの
ところで界面層2bi/1mスポットろう付けする。界
面層2bの繊維が100%密$ I−、−C訃らず、ま
たセラミック層のステーブル13aが100係密集して
いないので、両者のろう付けは1. O0%でもよいが
、金属の全面積は最小の金属材料1)金属密度より太き
(はならない。この種の複合物は第1図に示す基本的な
具体例と同じ特性を有する。 第4,5図においては、セラミック1と界面層2の繊維
4またはステーブル13aの幾何学形状の結合が機械的
結合を高める1Fいうことに注目されたい。この特別な
11已實はこの材料の作用にとってきわめて重要である
。 また、界面層を列挙した金属で作つ/ヒ場合、ステーブ
ル13aを状況に応じてプラチナ、タングステン、モリ
ブデン等の材料で作ってもよい。本発明で用いるセラミ
ック材は高稿月」セラミツ/′とじて市販されているも
のでもよいし、以後述べろよう(て本発明者らの発見し
、を材料でもよい。 高温/−ル、F・・よびガスタービン用のセラミック材
料を用いる場合、特に従来技%y (7’−とえば、米
国特許第3,880.550号)で教示されているよう
なシールを作る場合、高温材および絶縁拐(2600°
F以上)としてはムライトと石英から成るアルミノ・シ
リケート・セラミンクの焼結生成物に限られろ。市販の
繊維(Fiberfrax Kaowoo、1 +7)
登録商標で知られる)に存在する遊離石英は、1800
°F(982,2’″C)以ヒの)昌度にさらされると
溶融して失透【7、クリストグライドに変わるので、も
ろくなる。アルミ、ノ・シリケート繊維と低膨張ガラス
繊R(まfc&i粉末うの混合物を焼結して用いると、
2200−3000°F(] 20=1.1−1648
.8℃)の湿度に耐えるセラミック材料を形成できるこ
とがわかった(公知のFiberfraxの場合よりも
400’F以上の増加)、この混合物を焼結したとき、
ガラスがアルミノ・シリケートを囲むと同時に、遊離石
英をすべて溶解し、ムライトとガラスの混合物とな5゜
この新しい七ラミックはここに教示した複合材料のセラ
ミック部分に用いる多孔性材料の1つである。非常に驚
くべきことには、この材料が優れた高温特性を持ってい
ることがわかったっ穐準のアルミノ・シリケート、代表
的には35−55%の5i02 ト45−65 %のA
(1203のものを18000F以上の温度で用いた際
、石英は溶けて失透し、クリストバライトを形成し、繊
維をきわめてもろくして製品全体を弱くする。アルミニ
ウム・シリケートに繊維状または粉末状のガラスを加え
ると、このガラスが石英と反応1、て失透のない新しい
ガラスとなる。このガラス添加技術を用いたときに優れ
たセラミックを作り出す、異なった温度範囲を有する繊
維形成材料にしては、アルミ7)・シリケート、アルミ
ナおよびジルコ:ニアの3つがt)ル。 コバルトベ・−スの!クーノ々−合金ベース3が第7図
に示しである。金属ウェブ2は約20係の密度であり、
Ho5kins 875合金で作ってあり、ベース3に
ろう付けしである。セラミック層1はウェブにプラズマ
噴霧してあって埋込呼れでいる。セラミック層は4重量
%のOaOと96重I係のZrO2から成る。 本発明に従って作ったセラミック・界面層・金属複合物
の以下の実施例は本発明で意l¥1した範囲を限定する
つもりのないものである。 実施例1 米国特許第3,127,668号の教示に従って、半イ
ンチのねじっt5ミルワイア (Fe0rA/Si −Ho5ki−ts 87°5−
合金)でフェルドウニゲな作り、これをJ、 O’ t
orrO真空中でかつ2175°F (1190,5°
C)の温度で15時間熱処理した。このウェブは約30
%の密&であった。高温コバルトベース合金の金属ベー
スを、この焼結ウェブに、約10分間真空炉内で215
00F(l I 76.600 )にさらすことによっ
て溶着させた。ウェブの露出向に、大気中で、ジルコニ
アをプラズマ噴霧1−て/1)なくとも10ミルウエブ
に含浸さば、次に約100ミルのジルコニア層ができる
までプラズマ噴霧を続け/ヒ(不発明方、去によればジ
ルコニア層を4分の1インチはどにもできる)。こうし
て形成した複合物を熱循環させこのときジルコニア面は
2900’F(1593,3℃)の湿度を受け、金属ベ
ースは一連のサイクルで周囲温度の空気(Lこさらされ
たが、セラミック・ジルコニアと金属の分離はなんら認
められなかった。 実施例R 米国特許第3,127,668号の教示に従って、I(
、astel−1y X合金の半インチのねじった4ミ
ルワイアで作ったフェルトウェブを1O−5torrの
貞空中でかつ2175°l? (1190,5”D)の
温度で10時間熱処理した。このウェブの密度は約20
%であった。この焼結ウェブにHa s teコJyX
合金の金属ベースを、約10分間真空炉内で2150°
F (1176,6°C)にさらすことによって溶着さ
せ7t08分の3インチのU字形をした直立1:2ミル
i予のステープルワイアを多孔性織物ベースに突き刺し
てベッドを作り、ステープルを手直立状態に保ってセラ
ミック材とステープルカードワイアのセラミック複合物
を作った。8ミクロン〜80ミクロンの直径を持ったア
ルミノ・シリク・−ト・ミイ・ラル繊維で作った水ベー
スのスラリナ低膨張ガラス粉末と混ぜ合わせた。粉末は
325メツシユのふるいを6過する寸法であり、40ミ
クロン−までの直径を有する。 このスラリは50容量%の水に50重量%のアルミニウ
ムシリケートと50重量%のガラスを混ぜ之絹成である
。スラリを、直立した金属ステープルを囲みかつそれを
覆うように織物の上に堆積させ、他の保持容器によって
所定場所に保持した。このスラリ・ステープル複合物を
アルゴンで浄化した炉内で2時間2300°Fに熱処理
してガラスをアルミ、ノ・シリケートと溶融反応させる
と同時にアルミノ・シリケートの゛まわりに7トリツク
スを形成して遊離石英をすべて無くし、ムライト・ガラ
ス結合体(ムライト−3A1203・23102 )で
あるステープル含浸低膨張セラミックの最終製品を得た
。 フェルト化スラリ混合物においては、直往約8ミクロン
、長さ8分の1インチ(3,18ミリ)の98重量係ア
ルミナ・シリケート繊維を、直径約8ミクロン、長さ約
8分の1インチの2重量係アルミノ・硼珪酸塩ガラス繊
維と混ぜ合わせ、固体1部に対し水450部の割合で水
と混ぜ合わせた。この混合物を吸引堆積して約40%の
密度にIEE縮した多孔性セラミックフェルトとした。 このセラミックフェルトを約4時間大気中において29
00″F(1593,3°C)で焼結した。ガラス繊維
は溶けて遊離石英と反応結合し、ムライト士ガラスの絹
合わせ体となった。この構造は約8分の1インチの厚さ
であり、密度が65%である。このセラミック材料を、
重量パー七、/ト で 8 0.5 3i02 、
1 2.9 B 203 、 3.8Na20.
2.2 B2o3.0.4 K2Oから成る低膨張ガラ
ス粉末でステープルセラミック複合物の片側に取付け、
同時に金属繊維ウェブの自由面をステープルセラミック
複合物の反対側に N1crobraz LM (WaJ上 0o1o
rnony Companyの登録商標)を用いて、
アルゴン雰囲気の炉において2150°Fで10分間置
くことによってスポット溶着した。最終的な複合物を1
800OFに熱饋檗、、iz−’、ff、周囲温度まで
冷却した。 30回のサイクルの終りに、セラミックは分解すること
なく、界面層が構造上の一体性を維持した。 実施例■ 東国特許第3,127,668号内散示により、Fec
rAlsl(Ho5k]、ns 875 )合金ハ半イ
ンチ長さのねじった5ミルワイアで作ったウェブ゛を、
lo−5tDrrの真空において2175″F(119
0,5°G)の温度で9侍間焼結lまた。 このつLブの密度は約30%である。高温コバルトベー
ス合金の金属ベースを、焼結したウェブに、ウェブ、溶
着用合金および金にベースを真空炉において10分間2
150°Fにさらすことによって溶着した。イツトリア
安定化ジルコニアおよび黒鉛粉末(そJtぞれ、70.
30容量%)の混合物をウェブの露出部にプラズマ噴霧
した。この噴霧複合物を引き続き空気中ニオイて】5時
fi4j ] 700 ’F(92G。6QC)にさら
した。セラミ、ツク層の多孔度は実施例1で述べた黒鉛
無しのジルコニアよりも著しく太きいものとな゛つた。 第2の取付ウェブにプラズマ噴霧して純イツトリア安定
化ジルコニアの層で被覆し、続けて70容量係のイツト
リア安定化ジルコニアと゛30容量係の黒鉛の混合物で
被覆した。、黒鉛を焼き取った後、ウェブ・f1近の層
の密度が高く、したがって黒鉛を含んだ外層よりも強い
ことは明らかだった。密度、強度共に、黒1()その他
の犠牲月1力容段比を側御fろことによって調節できる
。 実施例1.It、Illは先に述べた具体例の3つのも
のと一致している。セラミック月利の組成を金属ベース
、界面層の両者について異なった合金に替えうろことは
当業者であれば充分に理解できると考える。本発明が、
金属ベースとセラミックに結合した低弾性率で低密度の
金属繊維マット界面層を提供することによってセラミッ
ク・金属積層接合物構造において熱ひずみを吸収するの
に非常に有効な方法を提供することは認識できよう。 本発明の具体例の他の技術的用途としては、ガスタービ
ンツユラウド、バーナカン、ベーン端壁、磁石流体力学
反応器、核融合炉およびジーゼルエンジン、ガソリンエ
ンジン/7)ヒヌ、トン、シリング泪コーティングがあ
る。 本発明の特定の具体例を説明してきたが、発明の精神、
範囲を逸脱することなくセラミック・金属複合物の材料
、形態、製造方法について多くの修正、変更をなしうる
。
第1図はセラミック・弾性界面層・金属複合物を示す、
本発明の第1具体例の断面図、第2図は別の断面を示す
図、 第3図は本発明の別の具体例を示す断面図、第4図は本
発明の成る面を示す拡大断面1g1、第5図は本発明の
別の面を示す拡大断面図、第6図は本発明の具体例のI
っの中間製品を示す断面図、 第7図は第1具体例の15倍の拡大写真である。 1・・・・・・セラミック部材、2・・・・・界面層、
3・・・・・・金属ベース 代理人弁理士 河 野 昭 \ 13a +40 オフ類 第1頁の続き 7倉発 明 者 カルリノ・パンゼラ アメリカ合衆国コネチカット州 06416ドツグウツド・コート22 番 つ多発 明 者 ロバート・ピー・ドローカンアメリカ
合衆国コネチカット州 06514ハムデン・オーガー・ス トリート159番 手続補正書く方式) 1、事件の表示 昭和、57年特許願第 92934 号2、発明の名
称 複合月利を!li!造する方法 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 名 称 ブランズ・クイック コーポレーション4、
代理人 〒107 昭和57年11月30日 (発送日) 6、補正の対象 明1111]書の図面の簡単な説明の欄および図 面7
、補正の内容 (1) 明細書第25頁第15行目「第7図は・・・・
・・・・・・・・・・・写真で」を「第7図は第1具体
例のセラミック・金属積層の構造を表わす15倍の拡大
図面代用写真で」と訂正する。 (2) 図 面 別紙のとおり
本発明の第1具体例の断面図、第2図は別の断面を示す
図、 第3図は本発明の別の具体例を示す断面図、第4図は本
発明の成る面を示す拡大断面1g1、第5図は本発明の
別の面を示す拡大断面図、第6図は本発明の具体例のI
っの中間製品を示す断面図、 第7図は第1具体例の15倍の拡大写真である。 1・・・・・・セラミック部材、2・・・・・界面層、
3・・・・・・金属ベース 代理人弁理士 河 野 昭 \ 13a +40 オフ類 第1頁の続き 7倉発 明 者 カルリノ・パンゼラ アメリカ合衆国コネチカット州 06416ドツグウツド・コート22 番 つ多発 明 者 ロバート・ピー・ドローカンアメリカ
合衆国コネチカット州 06514ハムデン・オーガー・ス トリート159番 手続補正書く方式) 1、事件の表示 昭和、57年特許願第 92934 号2、発明の名
称 複合月利を!li!造する方法 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 名 称 ブランズ・クイック コーポレーション4、
代理人 〒107 昭和57年11月30日 (発送日) 6、補正の対象 明1111]書の図面の簡単な説明の欄および図 面7
、補正の内容 (1) 明細書第25頁第15行目「第7図は・・・・
・・・・・・・・・・・写真で」を「第7図は第1具体
例のセラミック・金属積層の構造を表わす15倍の拡大
図面代用写真で」と訂正する。 (2) 図 面 別紙のとおり
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 (1)耐熱性のある合金板を、第1.第2の外面を有す
る、可撓性があり、低弾性率、低密度の金属構造マント
力界面層に結合し、金属部材を前記第2の外面に結合し
、金属部材と合金板との間の温度差で生じた熱ひずみを
有害な影響なしに前記界面層で吸収することを特徴とす
る、複合材料を製造する方法。 (2、特許請求の範囲第1項の方法において、界面層が
金属繊維のマットであることを特徴とする方法。 (312X 10−6乃至20 X 10 ’ in/
in/’Fの熱膨張係数を有でる第1の部材を用意し、
第1.第2の外面を有する、可撓性のある、低弾性率、
低密度の金属マットを用意し、第1の部材を前記第1の
外面に結合し、第1の部材ど異なった熱膨張係数を有す
る第2の部材な前MF金金属マットの第2外面に結合し
、第1.第2の部材間の温度差で生じた熱ひずみを有害
な影響なしに金属マットで吸収−r 6ようにl−たこ
とを特徴とする、複合材料を製造する方法。 (412X 10−6乃至20 X 10−6in /
j、n 10Fの熱膨:辰係数を有才ろ第1の金属部
材を用意し、第1.第2の外面を有する、可撓性のある
、低弾性率、低密度の金属マットを用意1−1第1の金
庫部材を前記第1の外面に結合し、第1の全7°弔部材
と異なった熱膨張係数を有する第2の部材を前記第2の
外面に結合することから成ることを特徴とする、複合1
オ料を製造する方法。 (5) 第1の金属部材を、第1.第2の外面を有する
、可撓性のある、低弾性率、低密度の金属マットの前記
第1外面に結合し、この金属マットの第2外面に第1部
月と異なった熱膨張係数を有する第2の部材を結合才る
ことを特徴とfる、複合材料を製造する方;去。 (6)耐熱性のある合金板を、第1.第2の外面を有す
る、可撓性のある、低弾性率、低密度の金属構造マット
の界面層に7結合し、lJ)なくとも1種の金属/、+
7分部材を有する部]lを前記第2の外面(・て結合し
、前記薄利と前記合金板との間の7品度差で生じた熱ひ
ずみを有害な影響なしに前記界面層によって吸収才るよ
うにしたことを特徴とでる、仲合材ネ」を製造する方法
。 (力 2 X 10−6乃至20 X ] ]0−6i
−q、/ in /°Fの熱膨張係数を有する第1の部
材を用意[2、第1.第2の外面を有する可撓性のある
、低弾性率、低密度の金属マットを用意1〜、第1の部
材を前記第1の外面に結合し、少なくとも1種の金属成
分を含有しかつ第1部材と異なる熱膨張係数を有する第
2の部材を金属・・ットの第2外面に結合し、第1、第
2の部材間の温度差で生じた熱ひすみが有害な影響なし
に金属マットICよって吸収されるようにしたことを特
徴とする、複合(A料を製造する方法。 (812X 10””乃至20 X 1. O” i、
n 、、/ in /°Fの熱膨張係数を何才ろ第1の
金属部1′Aを用意し7、第1.第2の外面を有才ろ6
F撓件のある、低弾性率、低密度の金属マットを用意し
、第1部材を前記槙1の外面に結合し、少なくとも1種
の金属成分を有しかつ第1部材と異なった熱膨張係数を
有する第2の部材を金属マットの第2の外向に結合する
ことを特徴とする、複合材料6・製、貨1−4)方法。 (9)第1の金属部材を用意し、第1.第2の外向を有
する可撓性のある、低弾性率、低密度の金属マットを用
意し2、第1部材を前記第1の外面に結合し、少なくと
も1atの金属部1分を含イラしかつ第1部材と異なっ
た熱膨張係数を有する第2部材を金属マットの第2外面
に結合することを特徴とする、複合飼料を製造する方法
。 (lO)特許請求の範囲第7項の方法にぷいて、争1部
祠が固体金属であることを特徴とする方法。
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