JPS60253535A - 複合部材 - Google Patents

複合部材

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JPS60253535A
JPS60253535A JP60007304A JP730485A JPS60253535A JP S60253535 A JPS60253535 A JP S60253535A JP 60007304 A JP60007304 A JP 60007304A JP 730485 A JP730485 A JP 730485A JP S60253535 A JPS60253535 A JP S60253535A
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ceramic
layer
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fibers
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カルリノ　パンゼラ
ロバート　ピー　トローカン
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Brunswick Corp
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    • B32B15/02—Layer formed of wires, e.g. mesh
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
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    • 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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、有害な影響を与えることなく熱ひずみを吸収
することのできる複合部材あるいは積層接合品に関する
。
を望む工業上の用癒は多いが、それはこれらの部材の熱
膨張係数の差のために難しい。たとえば、特開昭４７−
１４２１０号に、セラミックの取付面を１〜５ミクロン
のニッケル層で被覆し、このニッケル被覆したセラミッ
クに金属界面層の片面をろう付け、この金属界面層の反
対面を金属部材にろう付けすることが示唆されている。
この「ニッケル被覆・二重ろう付け」構造はセラミック
部材と金属部材の間の熱膨張差を吸収するかも知れない
が、簿いニッケル被覆層が金属界面層をセラミックに対
して保持しているだけであるから、機械的に、特に剪断
応力に対しては弱いのは明らかである。
本発明の目的はセラミック部材な可撓性のある金属繊維
ウェブ界面界によって金属部材にしっかりと結合した改
良複合部材を提供することにある。金属繊維ウェブの片
面を金属接合、たとえばろう付けによって金属部材に結
合できると仮定すれば、本発明の目的は繊維ウェブの反
対面を中間金属層、次℃・でセラミックに固定する優れ
た手段を見出すことにある。
本発明による複合部材では、中間金属部材が焼結金属ウ
ェブ界面層によって金属ベースにしっかりと結合されて
いる。金属ウェブの上面はその繊維の一部を金属層にろ
う付けすることによって中間層内に固定される。この構
造では、金属層を、金属ベースとはかなり異なる熱膨張
係数を持つセラミック層内に埋め込むことができる。金
属ウェブの下面はその繊維の一部を金属にろう付けする
ことによって金属ベースの結合面に結合される。所望に
応じて、金属固定要素すなわちステープルを埋め込んだ
セラミック部材は、純粋なセラミック部材のような第２
のセラミック部材に融着できる第２の面を備える場合に
は中間セラミック・金属層として作用させ得る。金属ウ
ェブは、金属ベースとセラミック部材を剥離させること
なく温度差の下で相対運動させることのできる連結要素
として作用する。
以下添付図面を参照しながら、本発明を説明するが、最
初に第１．２図に関連して技術的な背景を説明する。第
１．２図は本出願人の別出願に開示している同様な複合
部材の構造を示しており、本願発明はこのような構造を
さらに発展させたものである。
第１図において、これはガスタービンエンジン用の高温
摩耗性シール１００である。セラミック部材１は、高温
セラミック、たトエば、アルミナ、安定化キュービック
・ジルコニア、マグネシア、ジルコン（ｚｒｏ２Ｈ５ｉ
０２）、ホステライト（２Ｍεｏ　−５ｉｎ２）　、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
シリコン、アルミノ・硼珪酸塩等で作ってもよい。これ
らの材料はたとえ＆ｆ高温摩耗性シールに必要な厚さ、
多孔度で加工できる。
セラミック部材１は、約Ｉ　Ｘ　１０’−６乃至８×１
０−６インチ／インチ°Ｆ程度の非常に低℃１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しま。
約２　Ｘ　１０”−６乃至２０　ｘ　１０−６インチ／
インチ／″Ｖ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、セラミック部材１の外面は１８０
０−３６００°Ｆ　（９８２，２−１９８２，２°Ｃ）
近くの温度を受けるのに対し、金属の露出面はほんの数
百度の華氏温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。したかって、本発明においては、
セラミック部材１と金属ペース３０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
び温度勾配で生じる幾何学形状差を吸収する。
界面層２は、可撓性、弾性があり１弾性率、密度が低く
、多孔性である三次元の高融点金屑繊維ウェブあるいは
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号に詳しく記載しである。この界面層
の繊維として用いる代表的な合金は、Ｈａｓｔｅｌｌｙ
χ５Ｈｏｓｋｉｎｓ　８７５．　Ｈａｙｎｅｓ　１８８
．　ＤＨ２４２の登録商標で販売されているものとか、
ニッケルベースのスーハー合金およヒ鉄、コバルト、ニ
ッケル、クロム、アルミニウムならびにイツトリウム（
または希土類）の四元、五元（ｑｕａｄｒｉｎａｒｙ　
、　ｑｕｉｎｔｉｎａｒｙ　）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チであるが、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い合金が、最終的な用途で遭遇する
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２０
表面に含浸してそこの繊維に機械的に結合する。次に、
セラミック層１が所望の厚さになるまでプラズマ噴霧を
続けるっこのようにし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、セラミック部材１
と金属ベース３０間に大きな熱膨張率の差があっても、
界面層２がこの膨張差、その結果中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２ａの他面は金属板３ａに２０ａ
のところでろう付けしである。それ故、セラミック層１
ａの表面に金属フェルト化マットの界面層２ａが埋め込
まれたことになる。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ックの化学反応を最少限に抑えて
主に両者を機械的に結合させるように選定しなければな
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塑性塊に押込ん
で形成してもよい。上述したように、セラミック層１ａ
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
。マットを塑性セラミックに埋込んだ後、この複合物を
乾燥させ、火にかける。
先に述べたように、ウェブ界面層は最初に金属ベースに
取付けてもよいし、セラミックを界面層に結合した後金
属ベースに取付けてもよい。
本発明の具体例では、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プルを繊維ベースに取
付けてほぼ直立の位置に押込む。セラミック繊維または
粉末もしくは両方と水のスラリ状混合物を織物（ファブ
リック）上に堆積させ、それを金属ステープルの区域に
閉じ込める。この最初の材料を次に炉で焼結させてセラ
ミックスラリを反応させ、所望のセラミック材を生成１
すると同時にワイアステープルを機械的に包み込む。第
６図に示すように、織物１４ａはワイアステープル１３
ａ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プル１３ａが残ル。突出し
たステープル１３ａは便宜上両面で平らに折り曲げても
よい。金属繊維の界面材では、ワイアステープルとセラ
ミック材との化学反応を最少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っ
て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ることにな
ろう。
第３図でわかるように、ステープ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
ガラスフリッ）２３ｂで純粋なセラミック層１ｂに取付
ける。金属ベース３ｂは２０ｂで示すように多孔性ウェ
ブ界面層２ｂにろう付けされる。次にこの露出したステ
ープルを持ったセラミック積層物を１０ｂのところで界
面層２ｂにスポットろう付けする。界面層２ｂの繊維が
１００％密集しておらず、またセラミック層のステープ
ル１３ａが１００％密集していないので１両者のろう付
けは１００％でもよいが、金属の全面積は最小の金属材
料の金属密度より大きくはならない。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またはステープル１３ａの幾何字形状の結合が機械的
結合を高めるということに注目されたい。この特別な性
質はこの材料の作用にとってきわめて重要である。
ステープル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温用セラミックとして市販されてい
るものでもよいし、以後述べるように本発明者らの発見
した材料でもよい。
高温シールおよびガスタービン用のセラミック材料を用
いる場合、特に従来技術（たとえば、米国特許第３，８
８０．５５０号）で教示されているようなシールを作る
場合、高温材および絶縁材（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
ミックの焼結生成物に限られる。市販の繊維（Ｆｉｂｅ
ｒｆｒａｘ　Ｋａｏｗｏｏｌの登録商標で知られる）に
存在する遊離石英は、１８００″Ｆ（９’８２．２°Ｃ
）以上の温度にさらされると溶融して失透し、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維（または粉末）の混合物を
焼結して用いると、２２００−３０００”Ｆ（１２０４
，１−１６４８，８°Ｇ）の温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Ｆｉｂｅｒｆｒ
ａｘ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る。
この新しいセ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。標準のアルミノ・シリケート、代表
的には３５−５５％の８１０２と４５−６５係のＡｌ１
０３のものを１８００１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し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
としては、アルミノ・シリケート、アルミナおよびジル
コニアの３つがある。
コバルトベースのスーパー合金ベース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、　Ｈｏ
５ｋｉｎｓ　８７５合金で作ってあり、ベース３にろう
付げしである。セラミック層１はウェブにプラズマ噴霧
してあって埋込まれている。セラミック層は４重量係の
Ｃａ、Ｏと６９重量係の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図した範囲を限定するつも
りのないものである。
比較例 米国特許第３・１２７，６６８号の教示に従って、半イ
ンチのねじった５ミルワイア （ＦｅＣｒＡＩＶ、Ｓｉ、　”　Ｈｏ５ｋｉ、ｎｓ　８
７５−合金）でフエルトウエプを作り、これを１０　’
　ｔｏｒｒの真空中でかつ２１７５°Ｆ（１１９０，５
°Ｃ）の温度で１５時間熱処理した。このウェブは約３
０係の密度であった。高温コバルトベース合金の金属ベ
ースを、この焼結つ土プに、約１０分間真空炉内で２’
ｌ　５０”Ｆ（１１７６，６°Ｃ）にさらすことによっ
て溶着させた。ウェブの露出面に、大気中で、ジルコニ
アをプラズマ噴霧して少なくとも１０ミルウエブに含浸
させ、次に約１００ミルのジルコニア層ができるまでプ
ラズマ噴霧を続けた（本発明方法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”
ＦＣ１５９３，３°Ｃ）の温度を受け、金属ベースは一
連のサイクルで周囲温度の空気にさらされたが、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Ｉ 米国特許第３．１２７．６６８号の教示に従つて、Ｈａ
ｓｔ、ｅｌｌｏｙ　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の真
空中でかつ２１７５°Ｐ（１１９０，５’Ｃ）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Ｈａｓｔｅｌｌｙ　ｘ合金の金
属ベースを、約１０分間真空炉内で２１５０°Ｆ　（１
１７６，６°Ｃ）にさらすことによって溶着させた。８
分の３インチのＵ字形をした直立１２ミル径のステープ
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
、ステーブルを半面立状態に保ってセラミック材とステ
ーブ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・シリケ
ート・ミネラル繊維で作った水ベースのスラリを低膨張
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通過する寸法であり、
４０ミクロンまでの直径を有する。
このスラリは５０容量チの水に５０重量％のアルミニウ
ムシリケートと５０重量％のガラスを混ぜた組成である
。スラリを、＠立した金属ステーブ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・ステーブル複合物を
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マトリックスを
形成して遊離石英をすべて無くシ、ムライト・ガラス結
合体（ムライト−３Ａｊ！２０３・２’５ｉｏ２　）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、直径約８ミクロン
、長さ８分の１インチ（３，１８ミリ）の９８重重量子
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％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チの
密度に圧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２９００
”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、ムライトとガラスの組合わ
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係である。このセラミック材料を１重量
パーセントで８０．５　ｓｌｏ、、　、　１２．９　Ｂ
２’０３．３．８　Ｎａ２Ｏ。
２　、２　ＡＪ！２０３．０．４に、ｏカら成る低膨張
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Ｎ］ｃｒｏｂｒａｚＬＭ　（Ｗａ
ｌｌ　Ｃｏ１．ｏｍｏｎｖ　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１８００°Ｆに熱循環させ、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■ 米国特許第３，１２７，６６８号の教示により、ＦｅＣ
ｒＡ、ｊ’、Ｓｉ　＜　Ｈｏ５ｋｉｎｓ　ｓ　７５　）
合金の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、１０−”　ｔｏｒｒの真空において２１７５°
Ｆ（１１９０，５°Ｃ）の温度で９時間焼結した。
このウェブの密度は約３０チである。高温コバルトペー
ス合金の金属ベースを、焼結したウェブに、ウェブ、溶
着用合金および金属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（それぞれ、７０．３
０容量チ）の混合物をウェブの露出面にプラズマ噴霧し
た。この噴霧複合物を引き続き空気中において１５時間
１７００°Ｆ（９２６，６°Ｃ）にさらした。セラミッ
ク層の多孔度は実施例Ｉで述べた黒鉛無しのジルコニア
よりも著しく大きいものとなった。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容量チ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、ウェブ付近の層の密度が高く、シたがって黒
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、黒鉛その他の犠牲材料の容量比を制御するこ
とによって調節できる。
例１．１．１は先に述べた構造の３つのものと一致して
いる。セラミック材料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
複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
ンシュラウド、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、ガンリンエ
ンジンのピストン、シリンダ用コーテイグがある。
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。
【図面の簡単な説明】
第１図はセラミック・弾性界面層・金属複合物の断面図
、 第２図は別の断面を示す図。 第３図は本発明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図、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１つの中間
製品を示す断面図、 第７図は第１図の構造の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 切１回の浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、６ ＦＩＧ、　７ 手続補正Ｂ（自発） 昭和６０年　３月２７日 特許庁長官殿 昭和６０年特許願第　７３０４　号 ２、発明の名称 複合部材 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　ブランズウィック　コーポレーション５、補正
命令の日付 （自　発） ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　プランズウィック　コーポレーション４、代理
人　〒１０７ 住　所　東京都港区赤坂２丁目２番２１号第２６森ビル
　３０６号 ６、補正の対象 明細占の図面の簡単な説明の欄および図面７、補正の内
容

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （］）　（ａ）中間金属層部材素（１３ａ）と。 （ｂ）結合面を有する金属部材（３ｂ）と、（Ｃ）中間
    金属層部材（１３ａ）と金属部材（３ｂ）の間にはさま
    れている焼結金属繊維ウェブ界面層と を包含し、この界面層において、 （１）上面の繊維の一部が中間金属層部材（１３ａ）に
    接合してあり、 （ＩＩ）下面の繊維の一部が金属部材（３）の結合面に
    ろう付けしである ことを特徴とする複合部材。 （２＋　（ａ）中間金属層部材（１３ａ）の複数の金属
    固定要素を埋め込んであり、これらの金属固定要素が下
    方取付面から突出している第１セラミック部材（１２ａ
    ）と１ 、（ｂ）結合面を有する金属部材（３ｂ）と、（Ｃ）第
    １セラミック部材（１２ａ）と金属部材（３ｂ）の間に
    はさまれている焼結金属繊維ウェブ界面層と を包含し、この界面層において。 （ｉ）上面の繊維の一部がセラミック部材（１２ａ）の
    下方取付面から突出する 金属固定要素（１３ａ）にろう付けし てあり５ （１１）下面の繊維の一部が金属部材（３）の結合面に
    ろう付けしてあり、 さらに。 （ｄＪ前記第１セラミック部材（１２ａ）の上方取付面
    に第２のセラミック部材が融着（２３ｂ）してある ことを特徴とする複合部材。
JP60007304A 1976-04-05 1985-01-18 複合部材 Pending JPS60253535A (ja)

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US674047 1976-04-05
AU74791/81A AU533531B2 (en) 1976-04-05 1981-08-31 Multiple fibre reinforced ceramic-metal laminate

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