JPS62167830A - 耐熱性金属基複合材料の製造方法 - Google Patents

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】 〔発明の技術分野〕 本発明は高耐熱疲労、耐熱衝撃性等が要求される耐熱性
金属基複合材料を製造する方法に係り、特にマトリック
ス金属と強化繊維とを複合化さける方法において、マト
リックス金属と強化繊維との熱膨張差に基因する材料の
割れの発生防止等を図った耐熱性金属基複合材料の製造
方法に関する。

〔発明の技術的背景〕

従来、耐熱機器、例えば発電用蒸気タービンのタービン
ブレード等には高温強度、耐食性等に優れた１２Ｃｒ鋼
系の鉄基合金が多用されている。

ところが、近年発電プラントの大容但化、高効率化の要
求に伴い、タービンの大型化、高温化が進められており
、特に蒸気タービンとガスタービンとを組合せたコンバ
インドサイクルの実用化により、タービンブレードがさ
らされる雰囲気温度稈１０００℃近くなっている。この
ため、１２Ｃｒ鋼系の鉄基合金よりもさらに高温強度、
耐食性に優れた材料が要望されるようになっている。

このような要望に沿う材料として、Ｔｉ合金やＮｉ基合
金が開発されているが、これらはタービンブレード等と
して使用するに際して高温クリープ強度に問題がある。

一方、Ｃ，ＳｉＣ等のセラミックスｌｌＮは耐熱性に優
れており、金属と複合化することにより、マトリックス
金属の高温強度、クリープ強度を大幅に改善することは
よく知られている。このようなセラミックス繊維をコア
部に配し、マトリックスとしてＴｉやＮ１等を用いた金
属基複合材料が高温強度に優れた材料として注目されて
いる。

第５図（Ａ）〜（Ｃ）はこのような金属基複合材料の一
般的な製造方法を示している。

まず、Ｃ，Ｓ　ｉ　Ｃ，Ａｌ１０３等のセラミックスＪ
［１を所定の寸法、形状に配列する（第５図（Ａ））。

このセラミックス［ｔｌを無機バインダ、有機バインダ
または金属等の結合剤２で固型化し、所定形状の繊１ｆ
ｆの入ったプリシート３をつくる（第５図（Ｂ））。

次に、このブリシート３と、マトリックス金属としての
金属粉４とを共に成形型５に挿入し、プレス装置６によ
って加圧するとともに、真空中または不活性ガス雰囲気
中でヒータ７によって加熱、焼結して複合化させる（第
５図（Ｃ））。

その後、所定時間が経過したら、冷却工程を経て、成形
品として取出し、必要な熱処理、加工をｊｋシて金ｌｉ
１基複合材料製品とする。

〔背景技術の問題点〕

上記従来の方法で製造した金属基複合材料は、マトリッ
クス金属の強度を上界させるための熱処理時に、ｍ雑方
向に割れが発生することが多い。

なお、熱処理を要しないマトリックス金属を用いた複合
材料の場合は、例えばタービンブレードとしての実機使
用時の熱サイクルを模擬した実験を行なったところ、非
常に低いサイクルで割れを生じることが多々認められた
。

このような割れの生じた試験片を詳細に調べた結果、割
れは、！ｌＮとマトリックス金属との界面で発生してい
ることがわかった。即ち、金属の熱膨張係数が約１０Ｘ
　１０−一／’Ｃであるのに対し、Ｃ，ＳｉＣなどのセ
ラミックスｌＩＭの熱膨張係数は金属の１／４〜１／１
０程度しかない。そのため、温度変化が大きい場合には
、両者の熱膨張差が原因となって、界面に熱応力が生じ
、割れが発生するものである。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情に基づいてなされたもので、マ
トリックス金属と強化繊維との界面の熱応力低減を図り
、これにより高温強度、即ち耐熱疲労、耐熱衝撃特性の
優れた金属基複合材料を製造することができる耐熱性金
属基複合材料の製造方法を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、マトリックス金属と、このマトリックス金属
よりも耐熱強度の高い強化繊維とを高温下で複合化させ
て耐熱性金属基複合材料を製造する方法において、予め
前記マトリックス金属と強化繊維との中間の熱膨張係数
を有する物質からなる被覆層で前記強化繊維を覆い、そ
の被覆層で覆われた強化ＩＩ維とマトリックス金属とを
複合化させることを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第３図を参照して説
明する。

この実施例では、マトリックス金属として７ｉを用い、
強化繊維としてＳｉＣ長繊維を用い、熱応力を緩和する
ための被ｒｆＩ層の材料としてＳｉＣウィスカを混合し
たＴｉ粉末を用いている。

まず、第１図（Ａ）〜（Ｄ）によって耐熱性台ａ基複合
材料のｇＪＪ造工程を説明する。

強化１ａｌとして、多数のＳｉＣ長１１１［ｔｌｌを所
定形状に配列し、その端部で固定する（第１図（Ａ））
。

次に、ＳｉＣウィスカを約５０％含有する平均粒径が約
３０μｍのＴｉ粉末１２を、真空中または不活性ガス雰
囲気中で溶剤ノズル１３からＳｉＣ長！［ｆ１１上に溶
射し、第１の被覆層１４ａを形成する（第１図（Ｂ））
。

そして、第１の被覆層１３が形成されたＳｉＣ長１ｆｔ
１１に、上記同様の方法でＳｉＣウィスカを約３０％含
むＴｉ粉末を吹付けて第２の被覆層１４ｂを形成すると
ともに、さらにその上からＳｉＣウィスカを約１０％含
有するＴｉ粉末を吹付けて第３の被覆ｆｆ１４ｃを形成
してブリシート１５をつくる（第１図（Ｃ））。

その後、ブリシート１５を、マトリックス金属としての
Ｔｉ粉末１６とともに成形型１７に挿入し、プレス装置
１８によって約１５０／（ｆｆｆ／Ｃ１ｉの圧力を加え
るとともに、真空中でヒータ１９によって８００〜９０
０℃の温度で焼結させる（第１図（Ｄ））。

このような方法により、第２図に拡大断面形状を示す耐
熱性金属基複合材料が成形される。この耐熱性金属基複
合材料について、マトリックス金ｆ１１６と強化繊１ｔ
１１との界面に生じる熱応力を調べたところ、従来の方
法で製造した複合材料の熱応力の約１／２に低減するこ
とが認められた。

コ（７）ように、被覆層１４ａ、１４ｂ、１４ｃを形成
することにより、界面の熱応力が緩和される結果、耐熱
衝撃性および熱疲労特性が向上し、高温特性が優れた材
料が提供され、例えばタービンブレード等に適用した場
合、その耐用強度が向上するものである。

前記実施例の方法で製造した耐熱性金属基複合材料の場
合、熱応力緩和作用は、被覆材１４ａ。

１４ｂ、１４ｃをマトリックス金属（Ｔｉ）１６と強化
ｕＡ維（Ｓ　ｉ　Ｃ）　１１　トノ”１１合材ｎ　（Ｔ
　ｉ　＋５ｉＣ）にすることにより得られている。つま
り被覆層１４ａ、１４ｂ、１４ｃの熱膨張係数がマトリ
ックス金属１６と強化ａ！維１１との中間的な値を有す
るものとなり、熱膨張差が界面で小さくなることに基づ
くものである。

ココテ被覆層１４ａ、１４ｂ、１４ｃを重合層構造とし
て、各層のＳｉＣウィスカ体積率を強化［ｆｆ１ｌ側か
らマトリックス金属側に５０％、３０％、１０％と段階
的に減少させたのは、次の知見に基づく。即ち、第３図
の曲線Ａは、Ｔｉ基基金合材しての被覆層におけるＳｉ
Ｃウィスカの体積率と熱膨張係数との関係を示したもの
である。

この曲線Ａから明らかなように、ＳｉＣウィスカの体積
率の増加に伴い、被覆層の熱膨張係数が略直線的に減少
する。逆にいえば、被覆層の熱膨張係数はＴｉｆｆ１に
比例して増大する関係にある。このことから、被覆層の
熱膨張係数を強化繊維側からマトリックス金属側へ次第
に大きくなるように変化させ、熱応力を各層毎に段階的
に緩和するようにしたものである。

金ＢＨ複合材料製品の使用時の温度変化が広範囲に亘る
場合など、単一の被覆層では熱応力緩和作用を十分発揮
できない事態が考えられるが、前記実施例の如く、重合
層状の被ｆ［７１４ａ、１４ｂ、１４ｃを形成すればそ
のような事態に十分対処することができる。要するに、
被覆層は強化繊Ｉｆｆ（長繊維）に近い層はどＳｉＣウ
ィスカの体積率を大きくし、熱膨張係数を小さくしであ
ることにより、強化繊維とマトリックス金属との界面に
生じる熱応力を低減することができる。

なお、前記実施例では被′ｒｒ１層を重合層状に形成し
たが、必ずしも層区分を設けなくてら、被覆層構成物質
としてのＳｉＣウィスカの体積率を一層の被覆層内でそ
の厚さ方向に次第に異ならせるようにしてもよい。これ
により、被覆層の熱膨張係数を連続的に変化さければ、
より望ましい熱応力緩和作用を得ることが可能となる。

このように、被で層の形態は、マトリックス金属と強化
繊維との熱膨張差おＪ：び製品の使用温度条件に応じて
、適宜設定することかできる。

なお、第３図の曲線Ｂは、被″ｍ層としてＮｉとＳｉＣ
ウィスカとの複合材料を使用する場合、そのＳｉＣウィ
スカの体積率と熱膨張係数との関係を例示したものであ
る。このようにＴｉ以外の被蕾層構成用金属の場合も前
記実施例と同様の傾向が表われる。また、図示しないが
、ＳｉＣウィスカ以外のセラミックス短繊維や粒子、例
えばグラフフィト等のカーボン材を使用して被覆層を形
成する場合についても、第３図と同様の傾向が認められ
た。なお、カーボン材使用の場合は、ＳｉＣよりも熱膨
張係数が小さいことから、少ない添加量で大きい熱応力
緩和機能が得られる。

また、強化繊維群への被覆層形成は浸漬等種々の方法も
考えられるが、前記実施例の如く吹付は成形によりブリ
シートをつくる方法によれば、繊紺配列随持等が容易で
、所定形状の複合材製造が簡便、確実に行なえる。

なお、被覆層に要求される特性として、熱膨張係数以外
に高温強度が高く、マトリックス金属と強化ＩＪ［との
結合性、濡れ性のよいことなどが挙げられる。Ｔｉ、Ｎ
ｉ等のマトリックス金属とＳｉＣ等の強化繊維との複合
材料の製造に対し、これらと同質の物質を要素とする複
合材、即ち３ｉＣウイスカ等とＴｉ、Ｎｉ等とを複合化
した被覆層を形成する前記実施例によれば、上記の各特
性も十分に備えたものとすることができる。

第４図は本発明の他の実施例を示している。この実施例
においても、使用材料、ブリシート２０の形成工程およ
びブリシート２０とマトリックス金［２１との複合化工
程等は前記実施例と略同様である。但し、この実施例で
はブリシート２０の被覆層の形成を前記実施例の第１、
第２層までどする。一方、マトリックス金属は金属単体
でなく、前記実施例の第３被覆層と同様のＳｉＣウィス
カ含有の複合物とする。即ち、マトリックス金属２１の
材料としてＳｉＣウィスカ混入のＴ１粉末を使用し、ブ
リシート２０とともに成形型１７内で複合化するもので
ある。

このような方法で製造した耐熱性台ｆｌ基複合材料にお
いても、前記実施例と同様に、マトリックス金属２１と
強化繊維２０との界面での熱応力緩和ひいては割れの発
生防止が図れるものである。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、強化ｒａＭを予め被覆
層で覆い、その被覆層として強化繊維とマトリックス金
属との中間の熱膨張係数を存する物質を使用することに
より、￥ｌＪ造される複合材料の強化ＩＡＭとマトリッ
クス金属との界面熱応力が緩和され、高温下での割れの
発生防止が図られる。

したがって、金属基複合材料の耐熱疲労、耐熱衝撃性が
一層向上して、タービンブレード等の高温機器への利用
が極めて有効に図れるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図（△）〜（Ｄ）は本発明に係る耐熱性台ｈｒＳ（
を複合材料の製造方法の一実施例を示す工程図、第２図
は製品の一部を示す拡大断面図、第３図は被覆層の材料
特性を示す゛特性線図、第４図は本発明の他の実施例の
一工程を示す説明図、第５図（△）〜（Ｃ）は従来の製
造方法を示す工程図である。 １・・・強化繊維、１４ａ、１４ｂ、　１４ｃｍ・・被
覆層、１５．２０・・・ブリシート、１６．２１・・・
マトリックス金属。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久（Ｄ） 第１図 手２図 Ｌ ５ｔＣウイスカ　イ本；Ｔ１　　（’／）＄３　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マトリックス金属と、このマトリックス金属よりも
   耐熱強度の高い強化繊維とを高温下で複合化させて耐熱
   性金属基複合材料を製造する方法において、予め前記マ
   トリックス金属と強化繊維との中間の熱膨張係数を有す
   る物質からなる被覆層で前記強化繊維を覆い、その被覆
   層で覆われた強化繊維とマトリックス金属とを複合化さ
   せることを特徴とする耐熱性金属基複合材料の製造方法
   。 ２、シート状に配列した強化繊維群に被覆向を吹付け成
   形してブリシートをつくり、このブリシートとマトリッ
   クス金属とを複合化する特許請求の範囲第１項記載の耐
   熱性金属基複合材料の製造方法。 ３、被覆層の構成物質として、短繊維、ウィスカまたは
   粉末セラミックス粒子のいずれか１つ以上を金属に混合
   または複合化させたものを使用する特許請求の範囲第１
   項記載の耐熱性金属基複合材料の製造方法。 ４、被覆層の構成物質の体積率をその被覆層の厚さ方向
   に異ならせ、または被覆層を重合層状に形成して各層の
   構成物質の体積率を異ならせ、それにより被覆層の熱膨
   張係数を強化繊維側からマトリックス金属側に連続的に
   または段階的に変化させる特許請求の範囲第３項記載の
   耐熱性金属基複合材料の製造方法。