JPS6051422B2 - 積層構造体 - Google Patents

積層構造体

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JPS6051422B2
JPS6051422B2 JP57092935A JP9293582A JPS6051422B2 JP S6051422 B2 JPS6051422 B2 JP S6051422B2 JP 57092935 A JP57092935 A JP 57092935A JP 9293582 A JP9293582 A JP 9293582A JP S6051422 B2 JPS6051422 B2 JP S6051422B2
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ceramic
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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
することのできる積層複合体に関する。
或る金属材料で作つた部材を別の金属材料で作つた部材
に取付けることを望む工業上の用途は多いが、それは熱
膨張係数および結晶グラフィック構造の通常の差（これ
は熱膨張係数の大きな差によつて証明されている）のた
めに非常に難しい。従来は、ろう付け、はんだ付け、溶
接、接着などによつて異種金属要素を取付けているが、
いずれの手段でも良好な構造を得ることができず、しか
も熱膨張差を吸収することもできない。熱膨張差は構造
を機械的に弱くし、特に低レベルの剪断力を受けたとき
でも剥離を生じやすくする。本発明の目的は、可撓性の
ある金属繊維ウェブ界面層によつて第１の金属部材を第
２の金属部材にしつかりと結合した改良複合部材を製造
することにある。
金属繊維ウェブの両面は、２種の金属部材がたとえ完全
に異なつた熱膨張係数を持つていてもろう付けなどの金
属接合によつてこれらの金属部材に結合することができ
る。本発明の複合部材では、第１の金属部材が中間焼結
材料繊維ウェブによつて第２の金属部材にしつかりと結
合されており、この繊維ウェブがこれら２種の金属部材
の熱膨張係数差を吸収するようになつている。
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２Ｘ１０−６乃至２０Ｘ１０−６インチ／
インチ／０Ｆ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
０−３６０００Ｆ（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、これらの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、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、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３，４６９，２
９７号、同第３，５０５，０３８号、第３，１２７，６
６８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．ｓＨＯ
ＳｋｉｎＳ８７飄Ｈａｙｒｌｅｓｌ８８、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（Ｑｕａｄｒｉｎａｒｙ．．ｑｕｉｎｔｉｎ
ａｒｙ）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を含せて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ろう。
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
に含侵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のところでのう付
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１合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
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。本発明の別の具体例では、約８分の３イ
ンチ（４）．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。突出したテスープル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％てもよいが、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とつてきわめて重要
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
スターピ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３，８８０，５５吋）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（ＦｉｂｅｒｆｒａｘＫａＯｗＯ
Ｏｌの登録商標で知られる）に存在する遊離石英は、１
８００′Ｆ（９８２．２′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、２２０
０−３０００混Ｆ（１２０４．４−１６４８．８℃）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Ｆｉ恥Ｒｆｒａｘの場合よりも４０００Ｆ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がわかつ
た。標準のアルミノ・シリケート、代表的には３５−５
５％のＳｌＯ２と４５−６５％のＡｌ。Ｏ３のものを１
８００′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になる。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て意
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ミルワイヤ（ＦｅＣｒ，ＡｌＳｉ−Ｈ
Ｏｓｋｉｎｓ８７５一合金）でフェルトウェブを作り、
これを１０−５ｔ０ｒｒの真空中でかつ２１７５゜Ｆ（
１１９０．５℃）の温度で田時間熱処理した。
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２１５００Ｆ（１１７６．６゜Ｃ）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
２９０００Ｆ（１９５３．３℃）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
ｓｔｅｌｌＯｙＸ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１０−５ｔ０ｒＴの真空中
でかつ２１７５ェＦ（１１９０●５−Ｃ）の温度で１Ｃ
ｆＦ１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ＨａｓｔｅＩｌｙＸ合金の金属ベースを、約１扮間真
空炉内で２１５００Ｆ（１１７６．６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呼量％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２３００合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し、ムライト・ガ
ラス結合体（ムライトー３Ａ１２０３・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ノミ
クロン、長さ８分の１インチ（３．１８ミリ）の９８重
量％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２９０００Ｆ（１９５３
．３℃）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、３．８Ｎａ２０１２
．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扮間置くこと
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、ＦｅＯ
ｒＡｌＳｌ（ＨＯｓｋｉｎｓ８７５）合金の半インチ長
さのねじつた５ミルワイアで作つたウェブを、１０−５
ｔ０ｒｒの真空において２１７５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
ス合金に金属ベースを、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吟間２１
５０゜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
００゜Ｆ（９２６．６℃）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
マ噴霧して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％の黒鉛の混合物で被覆した。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だ
外層よりも強いことは明らかだつた。密度、強度共に、
黒鉛その他の犠性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 耐熱性の金属部材と、この金属部材を片面に結合し
    た低弾性率の焼結金属繊維マットと、この金属繊維マッ
    トの反対面に結合した金属構造とを包含する積層構造体
    。 ２ （ａ）ｉｎ／ｉｎ／゜Ｆ（ｃｍ／ｃｍ／℃）で測定
    した「Ａ」の熱膨張係数を有する金属層と、（ｂ）ｉｎ
    ／ｉｎ／゜Ｆで測定した「Ｂ」の熱膨張係数を有する耐
    熱、耐腐食性の金属ベースと、（ｃ）金属層と金属ベー
    スの両方に結合してあつて、金属層、金属ベースそれぞ
    れの温度が変化したときに、金属層あるいは金属ベース
    に損傷を与えることなく熱膨張係数「Ａ」、「Ｂ」の差
    による金属層、金属ベース間の運動を許すようになつて
    いる弾性金属界面層とを包含する積層複合構造体。
JP57092935A 1976-04-05 1982-05-31 積層構造体 Expired JPS6051422B2 (ja)

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