JPS6051421B2 - 複合部材を製造する方法 - Google Patents

複合部材を製造する方法

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JPS6051421B2
JPS6051421B2 JP57092934A JP9293482A JPS6051421B2 JP S6051421 B2 JPS6051421 B2 JP S6051421B2 JP 57092934 A JP57092934 A JP 57092934A JP 9293482 A JP9293482 A JP 9293482A JP S6051421 B2 JPS6051421 B2 JP S6051421B2
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    • F02B1/04—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder

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材料を作る方法に関する。
金属部材をセラミック部材に取付けることを望む工業上
の用途は多いが、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４７−１４２１吋に、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を片面をろう付け
、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０ニッケル被覆・二重ろう付
けョ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、薄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を可撓性のある金
属繊維ウェブ界面層によつて金属部材にしつか．りと結
合した改良複合部材を製造する方法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
けによつて金属部材に結合する段階を仮定した場合、本
発明の目的は金属繊維ウェブ界面層の反対面をろう付け
の有無にかかわ；らずセラミック部材にしつかりと固定
する方法を見出すことにある。本発明による複合部材を
製造する方法では、セラミック材料を金属繊維ウェブの
片面に堆積させ、それを乾燥させ、加熱してセラミック
層を形４成し、セラミックにウェブの繊維を埋め込むこ
とによつて繊維ウェブをセラミックの錠止するのである
。
次に、金属繊維ウェブの下面を金属ベースにろう付けし
てセラミック・金属ウェブ・金属複合部材を完成する。
本発明者らは、セラミックを繊維状積層支持層の上面に
堆積させ、この上面を通して金属ファスナまたは固定要
素（金属ステーブルでもよい）が突出するというやや異
なつた技術も発明した。
堆積させたセラミック層に金属固定要素の上部が入り込
む。繊維状支持層を除去してから焼結してセラミックを
硬化させた後、金属固定要素の上部はセラミック内にし
つかりと埋め込まるが、その下ノ部はセラミック層の下
方に突出している。次に、金属繊維ウェブ界面層の上面
を固定要素の突出した下部にろう付けし、一方、界面層
の下面を金属ベース部材にろう付けする。所望に応じて
、最初のセラミック部材の上面に第２のセラミック部材
・を融着してもよい。以下、添付図面を参照しながら本
発明を説明する。
第１図に示す具体例において、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、たとえば、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（ＺｒＯ２・ＳｉＯ２）、ホステライト（２Ｍ
ｇ０●ＳｉＯ２）、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
で作つてもよい。これらの材料はたとえば高温摩耗性シ
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１刈０−６乃至８×１０−６インチ／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２×１０−６乃至２０×１０−６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、セラミック部材１の外面は１８０
０−３６００′Ｆ（９８２．２−１９８２．２℃）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。したがつて、本発明においては、セラ
ミック部材１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
度勾配て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、弾性率、密度が低く、多孔性であ
る三次元の高融点金属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３，４６９，２９
７号、同第３，５０５，０３８号、第３，１２７，６６
８号に詳しく記載してある。この界面層の繊維として用
いる代表的な合金は、ＨａｓｔｅｌｌＯｙＸ，ＨＯｓｋ
ｉｎｓ８７＼Ｈａｙｎｅｓｌ８８、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パ
ー合金および鉄、コバルト、ニッケル、クロム、アルミ
ニウムならびにイットリウム（または希土類）の四元、
五元（ＱＬｌａｄｒｉｎａｒｙ．．ｑｕｉｎｔｉｎａｒ
ｙ）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、用途によつては、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２の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。このようにし
て作つ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
。したがつて、セラミック部材１と金属ベース３の間に
大きな熱膨張率の差があつても、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２ａの他面は
金属板３ａに２０ａのところでろう付けしてある。
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つ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２
ａ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。次に述べたように
、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。本発明の別の具体例では、約８分の３インチ
（イ）．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。
セラミック繊維または粉末もしくは両方と水のスラリ状
混合物を織物（フアブリツク）上に堆積させ、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
に炉で焼結させてセラミツクスラリを反応させ、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図に示すように、織物１４ａはワ
イアステーブル１３ａを有し、これはセラミック材１２
ａ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１３
ａが残る。突出したステーブル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
ステーブ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
”生じた応力によつて材料の分解が生じることになる。
金属、複合物間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つてガラスフリット２３ｂで純粋
なセラミック層１ｂに取付ける。金属ベース３ｂは２０
ｂ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ブルを持つ）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ブル１３ａが１００％密集し
ていないので、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またはステーブル１３ａの幾
何学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よつてきわめて重要
である。また、界面層を列挙した金属で作つた場合、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つてもよい。
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３，８８０，５（支）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（ＦｉｂｅｒｆｒａｘＫａＯｗ
ＯＯｌの登録商標で知られる）に存在する遊離石英（よ
、１８００′Ｆ（９８２．２゜Ｃ）以上の温度にさらさ
れると容融して失透し、クリストグライトに変わるので
、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、２
２００−３０００混Ｆ（１２０４．４−１６４８．８失
Ｃ）の温度に耐えるセラミック材料を形成できることが
わかつた（公知のＦｌｂｅｒｆｒａｘの場合よりも４０
０′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．高温特性を持つてい
ることがわかつた。標準のアルミノ・シリケート、代表
的には３５−５５％のＳｌＯ２と４５−６５％のＡＩ２
Ｏ３のものを１８００′Ｆ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、異なつ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図に示してある。
金属ウェブ２は約２０％の密度であり、ＨＯｓｋｉｎｓ
８７袷金で作つてあり、ベース３にろう付けしてある。
セラミック層１はウェブにプラズマ噴霧してあつて埋込
まれている。セラミック層は４重量％のＣａＯと９６重
量％のＺｒＯ２から・成る。本発明に従つて作つたセラ
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。
実施例１ 米国特許第３，１２７，６６８号の教示に従つて、半イ
ンチのねじつた５ミルワイア（ＦｅＣｒＡｌＳｉ−ＨＯ
ｓｋｉｎｓ８７５一合金）でフェルトウェブを作り、こ
れを１０−５ｔ０ｒｒの真空中でかつ２１７５をＦ（１
１９０．５゜Ｃ）の温度で比時間熱処理した。
このウェブは約３０％の密度であつた。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１紛間
真空炉内で２１５０′Ｆ（１１７６．６℃）にさらすこ
とによつて溶着させた。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ミルウェ
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インチほどにもできる）。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２
９００゜Ｆ（１５９３．３℃）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
なかつた。実施例 ■ 米国特許第３，１２７，６６８号の教示に従つて、Ｈａ
ｓｔｅｌｌｙＸ合金の半インチのねじつた４ミルワイヤ
で作つたフェルトウェブを１０−５ｔ０ｒｒの真空中で
かつ２１７５゜Ｆ（１１９０．５℃）の温度で１時間熱
処理した。
このウェブの密度は約２０％であつた。この焼結ウェブ
にＨａｓｔｅｌｌｙＸ合金の金属ベースを、約１紛間真
空炉内で２１５０゜Ｆ（１１７６．６℃）にさらすこと
によつて溶着させた。８分の３インチのＵ字形をした直
立１２ミル径のステーブルワイヤを多孔性織物ベースに
突き刺してベッドを作り、ステーブルを半直立状態に保
つてセラミック材とステーブルカードワイアのセラミッ
ク複合物を作つた。
８ミクロン〜８０ミクロンの直径を持つたアルミノ・シ
リケート・ミネラル繊維で作つ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メッシュ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５喀量
％の水に５唾量％のアルミニウムシリケートと５呼量％
のガラスを混ぜた組成である。スラリを、直立した金属
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、他の保持容器によつ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２３０００Ｆ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
無くし、ムライト・ガラス結合体（ムライトー３Ａ１２
０３・２Ｓｉ０２）であるステーブ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（３．１
８ミリ）の９８重量％のアルミナ・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％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４５（２）の割合でと混ぜ合わせた。
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つた。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、重量パーセントで８０
．５Ｓ１０２，１２．９Ｂ２０３，３．８Ｎａ２０，２
．２Ａ１２０３，０．４Ｋ２０から成る低膨張ガラス粉
末でステーブ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ブルセラミック複合
物の反対側にＮｉｃｒＯｂｒａｚＬＭ（ＷａｌｌＣＯｌ
ＯｍＯｎｙＣＯｍｐａｎｙの登録商標）を用いて、アル
ゴン雰囲気の炉において２１５００Ｆで１紛間置くこと
によつ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
ｒＡｌＳｉ（ＨＯｓｋｉｎｓ８７５）合金の半インチの
長さのねじつた５ミルワイアで作つたウェブを、１０−
５ｔ０ｒｒの真空において２１７５゜Ｆ（１１９０．５
長Ｃ）の温度で９時間焼結した。
このウェブの密度は約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
着用合金および金属ベースを真空炉において１紛間２１
５０よＦにさらすことによつて溶着した。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喀
量％）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１７
０００Ｆ（９２６．６゜Ｃ）にさらした。セラミック層
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
も著しく大きいものとなつた。第２の取付ウェブにプラ
ズマ噴霧した純イツトリア安定化ジルコニアの層で被覆
し、続けて７喀量％のイツトリア安定化ジルコニアと３
喀量％の混合物を被覆した。黒鉛を焼き取つた後、ウェ
ブ付近の層の密度が高く、したがつて黒鉛を含んは外層
よりも強いことは明らかだつた。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つて調節
できる。実施例１，■，■は先に述べた具体例の３つの
ものと一致している。
セラミック材料の組成を金属ベース、界面層の両者につ
いて異なつた合金に替えうる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つてセラミック・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、ガスターピンシユラウド、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、ガソリンエンジンのピストン、シ
リンダ用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。
【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
は本発明の或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具体例の托倍
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。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ しつかりしたセラミック・金属ウェブ・金属複合部
    材を製造する方法であつて、（ａ）金属繊維ウェブの露
    出上面にセラミック材料を堆積させてこのウェブにしみ
    込ませ、所望の厚さのセラミック層１を形成する段階と
    、（ｂ）この段階ａで形成したセラミック被覆ウェブ２
    を乾燥、加熱する段階と、（ｃ）金属繊維ウェブ２の露
    出下面を金属ベース部材にろう付けする段階とからなる
    ことを特徴とする方法。 ２ しつかりしたセラミック・金属ウェブ・金属複合部
    材を製造する方法であつて、（ａ）複数の金属固定要素
    １３ａの突出する繊維状支持層１４ａの露出上面にセラ
    ミック材料を堆積させて金属固定要素１３ａの上部の入
    り込んだ、所望厚さのセラミック層１２ａを形成する段
    階と、（ｂ）この段階ａで作つたセラミック被覆繊維状
    支持層１４ａを除去する段階と、（ｃ）セラミックを焼
    結して金属固定要素１３ａの上部を機械的に埋め込んだ
    セラミック材料の硬化層１２ａを形成する段階と、（ｄ
    ）金属繊維ウェブ界面層の上面をセラミック層の下方に
    突出する金属固定要素の下部にろう付け１０ｂする段階
    と、（ｅ）金属繊維ウェブの下面を金属部材３ｂの結合
    面にろう付け２０ｂする段階とからなることを特徴とす
    る方法。 ３ しつかりしたセラミック・金属ウェブ・金属複合部
    材を製造する方法であつて、（ａ）複数の金属固定要素
    １３ａの突出する繊維状支持層１４ａの露出上面にセラ
    ミック材料を堆積させて金属固定要素１３ａの上部の入
    り込んだ、所望厚さのセラミック部材１２ａを層状に形
    成する段階と、（ｂ）この段階ａで作つたセラミック被
    覆繊維状支持層１４ａを除去する段階と、（ｃ）セラミ
    ックを焼結して金属固定要素１３ａの上部を機械的に埋
    め込んだセラミック材料の硬化層１２ａを形成する段階
    と、（ｄ）第２のセラミック部材１ｂを第１のセラミッ
    ク部材１２ａの上面に融着２３ｂする段階と、（ｅ）金
    属繊維ウェブ界面層の上面をセラミック部材の下方に突
    出する金属固定要素の下部にろう付け１０ｂする段階と
    、（ｆ）金属繊維ウェブの下面を金属部材３ｂの結合面
    にろう付け２０ｂする段階とからなることを特徴とする
    方法。
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CA1100712A (en) 1981-05-12
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BE853068A (fr) 1977-07-18
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