JPWO2017217076A1 - セラミックス基複合材料部品及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
セラミックス基複合材料部品（１０）は、珪化物を含むセラミックス基複合材料で各々形成される第１基材（１２）及び第２基材（１４）と、第１基材（１２）の接合面と、第２基材（１４）の接合面とを各々被覆する炭化珪素層（１６）、（１８）と、第１基材（１２）の接合面を被覆する炭化珪素層（１６）と、第２基材（１４）の接合面を被覆する炭化珪素層（１８）との間に設けられ、珪素を含む合金で形成される接合層（２０）と、を備える。
Description
本開示は、セラミックス基複合材料部品及びその製造方法に関する。
近年、高温環境下で使用されるジェットエンジンのガスタービン部品やシュラウド部品、ロケットエンジンのスラスタ等の高温部品として、ニッケル合金等の耐熱合金よりも耐熱性に優れかつ高温域での比強度の大きいセラミックス基複合材料（ＣＭＣ：Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）が注目されている。セラミックス基複合材料は、セラミックス繊維等の強化繊維でセラミックスマトリックスを強化した複合材料である（特許文献１参照）。
ところで、ガスタービン部品等のような複雑形状部品や大型部品等をセラミックス基複合材料で製造する場合には、強化繊維からなるプリフォームの形成が難しく、製造が困難となる可能性がある。
そこで本開示の目的は、ガスタービン部品等のような複雑形状部品等でも容易に製造可能なセラミックス基複合材料部品及びその製造方法を提供することである。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品は、珪化物を含むセラミックス基複合材料で各々形成される第１基材及び第２基材と、前記第１基材の接合面と、前記第２基材の接合面とを各々被覆する炭化珪素層と、前記第１基材の接合面を被覆する炭化珪素層と、前記第２基材の接合面を被覆する炭化珪素層との間に設けられ、珪素を含む合金で形成される接合層と、を備える。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品において、前記第１基材及び前記第２基材は、前記第１基材の接合面の空隙と、前記第２基材の接合面の空隙とに、炭化珪素粉末が充填された目止め部を有している。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品において、前記接合層は、珪素を含む共晶合金で形成されている。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品において、前記珪素を含む共晶合金は、Ｓｉと、Ｔｉ、Ｙ及びＨｆの少なくとも１つの元素と、を含む共晶合金である。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品は、前記接合層の組織サイズが、１００μｍ未満である。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品において、前記接合層の組織サイズは、金属シリサイド相のサイズである。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品の製造方法は、珪化物を含むセラミックス基複合材料で各々形成される第１基材及び第２基材の各々接合面を、炭化珪素層で被覆する炭化珪素層被覆工程と、前記第１基材の接合面を被覆する炭化珪素層と、前記第２基材の接合面を被覆する炭化珪素層とを、珪素を含む合金からなるろう材を加熱することにより溶融させてろう付けするろう付け工程と、を備える。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品の製造方法において、前記炭化珪素層被覆工程は、前記炭化珪素層を被覆する前に、前記第１基材の接合面の空隙と、前記第２基材の接合面の空隙とに、炭化珪素粉末を充填して目止めする。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品の製造方法において、前記炭化珪素層被覆工程は、前記炭化珪素層を被覆する前に、前記第１基材と前記第２基材とを、前記炭化珪素粉末を含むスラリに浸漬し、前記スラリに超音波振動を加えながら、前記第１基材の接合面の空隙と、前記第２基材の接合面の空隙とに、炭化珪素粉末を充填して目止めする。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品の製造方法において、前記炭化珪素層被覆工程は、前記スラリを脱泡し、脱泡させた前記スラリに前記第１基材と前記第２基材とを浸漬させて静置した後に、前記スラリに超音波振動を加える。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品の製造方法において、前記炭化珪素粉末の平均粒径は、３μｍ以上５μｍ以下である。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品の製造方法において、前記ろう材は、珪素を含む共晶合金である。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品の製造方法において、前記炭化珪素層被覆工程は、前記炭化珪素層を化学気相含浸法により形成する。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品の製造方法において、前記ろう付け工程は、前記ろう材を、珪素を含む合金の融点以上、且つ前記セラミックス基複合材料の強化繊維の結晶粒粗大化温度未満で加熱する。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品の製造方法において、前記ろう付け工程は、前記第１基材の接合面を被覆する炭化珪素層と、前記第２基材の接合面を被覆する炭化珪素層とを、隙間をあけて突き合せ、前記隙間の外側から溶融させた前記ろう材を前記隙間に流して充填する。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品の製造方法において、前記ろう付け工程は、前記第１基材及び前記第２基材の各々接合面に被覆された各々炭化珪素層の表面の少なくとも一方に前記ろう材を塗布した後に突き当ててろう付けする。
本発明の実施形態に係るセラミックス基複合材料部品の製造方法において、前記ろう付け工程は、前記ろう材の平均粒径が、４５μｍ以下である。
上記構成によれば、ガスタービン部品等のような複雑形状部品等でも、複数の部材に分割して形成した後に、ろう付けにより接合して一体化すればよいので、容易に製造可能となり生産性が向上する。
以下に本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、セラミックス基複合材料部品１０の構成を示す断面図である。セラミックス基複合材料部品１０は、第１基材１２と、第２基材１４と、炭化珪素層１６、１８と、接合層２０と、を備えている。セラミックス基複合材料部品１０は、例えば、ジェットエンジンのタービン翼等のガスタービン部品、ロケットエンジンのスラスタ等の高温部品等である。
第１基材１２と、第２基材１４とは、珪化物を含むセラミックス基複合材料で形成されている。セラミックス基複合材料は、強化繊維と、セラミックスマトリックスとから構成されている。
強化繊維には、例えば、炭化珪素繊維（ＳｉＣ繊維）、窒化珪素繊維（Ｓｉ３Ｎ４繊維）、炭素繊維、グラファイト繊維等の長繊維、短繊維、ウイスカが用いられる。プリフォームには、例えば、強化繊維のフィラメントを数百から数千本程度束ねて繊維束とした後、この繊維束をＸＹＺ方向に織ることにより得られる３次元構造を備える繊維織物や、平織りや朱子織り等の２次元構造を備える織物等が用いられる。また、セラミックスマトリックスには、例えば、炭化珪素、窒化珪素等が用いられる。
強化繊維及びセラミックスマトリックスの少なくとも一方は、珪化物で形成されており、強化繊維及びセラミックスマトリックスの両方が珪化物で形成されていてもよい。また、強化繊維とセラミックスマトリックスとは、同じ材質であってもよく、異なる材質であってもよい。なお、珪化物には、炭化珪素や窒化珪素等の珪素化合物だけでなく、珪素も含まれる。
セラミックス基複合材料には、例えば、炭化珪素繊維と炭化珪素マトリックスからなるＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料，炭化珪素繊維と窒化珪素マトリックスからなるＳｉＣ／Ｓｉ３Ｎ４複合材料，窒化珪素繊維と窒化珪素マトリックスからなるＳｉ３Ｎ４／Ｓｉ３Ｎ４複合材料等を用いることが可能である。また、セラミックス基複合材料には、炭化珪素層１６、１８との密着性向上や熱応力低減のために、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を用いることが好ましい。
第１基材１２及び第２基材１４は、同じセラミックス基複合材料で形成されていてもよいし、異なるセラミックス基複合材料で形成されていてもよい。例えば、第１基材１２と第２基材１４とは、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料で形成されていてもよいし、第１基材１２がＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料で形成され、第２基材１４がＳｉＣ／Ｓｉ３Ｎ４複合材料で形成されていてもよい。また、第１基材１２と第２基材１４とは、接合層２０の熱応力を低減するために、同じセラミックス基複合材料で形成されていることが好ましい。
第１基材１２及び第２基材１４は、第１基材１２の接合面の空隙と、第２基材１４の接合面の空隙とに、炭化珪素粉末が充填された目止め部２２、２４を有していてもよい。セラミックス基複合材料は、通常、強化繊維からなるプリフォームに、セラミックスを含浸して形成されるので、繊維束の織り目等に空隙を有している。また、例えば、平織りや朱子織り等の織物をＺ糸で縫合したような３次元織物では、織物の面（Ｘ−Ｙ平面）では空隙が少ないが、織物の面に対して直交する面（Ｘ−Ｚ平面、Ｙ−Ｚ平面）では空隙が多くなる傾向がある。このため、第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面の空隙に、炭化珪素粉末を充填して目止めした目止め部２２、２４を設けるようにしてもよい。これにより、第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面を平滑化することができる。また、目止め部２２、２４は、炭化珪素粉末で形成されているので、珪化物を含むセラミックス基複合材料で各々形成されている第１基材１２及び第２基材１４と密着性を高めることができる。
炭化珪素層１６、１８は、炭化珪素（ＳｉＣ）で形成されており、第１基材１２の接合面と、第２基材１４の接合面とを各々被覆している。炭化珪素層１６、１８は、第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面を緻密化して、後述するように、接合層２０を形成するためのろう材の含浸を抑制する機能を有している。これにより、接合層２０の厚みを確保することができるので、接合強度を高めることが可能となる。
炭化珪素層１６、１８の厚みは、１μｍ以上２０μｍ以下とするとよく、５μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましい。炭化珪素層１６、１８の厚みが１μｍより小さくなると、炭化珪素層１６、１８の緻密性が低下するからである。炭化珪素層１６、１８の厚みが２０μｍより大きくなると、ＳｉＣが脆性材料であることから炭化珪素層１６、１８に割れが生じやすくなるからである。
接合層２０は、第１基材１２の接合面を被覆する炭化珪素層１６と、第２基材１４の接合面を被覆する炭化珪素層１８との間に設けられ、珪素を含む合金で形成されている。接合層２０は、第１基材１２と、第２基材１４とを接合して一体化する機能を有している。接合層２０の厚みは、例えば、１０μｍから１０００μｍとすることが可能である。
接合層２０は、珪素を含む合金で形成されているので、接合層２０の熱膨張と、第１基材１２及び第２基材１４の熱膨張や、炭化珪素層１６、１８の熱膨張との差がより小さくなる。これにより、接合層２０や炭化珪素層１６、１８に生じる熱応力をより小さくすることができるので、接合層２０や炭化珪素層１６、１８の割れ、接合層２０と炭化珪素層１６、１８との界面での剥離等を抑制することができる。
接合層２０は、珪素を含む共晶合金で形成されているとよい。珪素を含む共晶合金の融点は、珪素を含む共晶合金を構成する珪素等の各合金成分単体の融点より低いことから、後述するろう付けの温度をより低い温度にすることができる。これにより、強化繊維の結晶粒粗大化等が抑えられ、セラミックス基複合材料の機械的強度の低下を抑制することが可能となる。
珪素を含む共晶合金は、共晶合金組成からなる合金だけでなく、共晶合金組成の近傍の組成からなる合金を含むようにしてもよい。共晶合金組成の近傍の組成からなる合金についても、珪素等の各合金成分単体の融点より低いことから、セラミックス基複合材料の機械的強度の低下を抑制することが可能となる。
珪素を含む共晶合金には、Ｓｉと、Ｔｉ、Ｙ及びＨｆの少なくとも１つの元素と、を含む共晶合金を用いることができる。珪素を含む共晶合金には、例えば、Ｓｉ−Ｔｉ共晶合金、Ｓｉ−Ｙ共晶合金またはＳｉ−Ｈｆ共晶合金を用いるとよい。なお、珪素を含む共晶合金には、２元系共晶合金だけでなく、３元系共晶合金、４元系共晶合金を用いることが可能である。
Ｓｉ−Ｔｉ共晶合金には、１５原子％のＴｉと、残部がＳｉ及び不可避的不純物とからなるＳｉ−１５原子％Ｔｉ共晶合金と、８６原子％のＴｉと、残部がＳｉ及び不可避的不純物とからなるＳｉ−８６原子％Ｔｉ共晶合金と、を用いるとよい。Ｓｉ−Ｔｉ共晶合金には、第１基材１２及び第２基材１４や、炭化珪素層１６、１８との熱膨張の差をより小さくするために、Ｓｉ量の比率が大きいＳｉ−１５原子％Ｔｉ共晶合金を用いることが好ましい。
Ｓｉ−Ｙ共晶合金には、１８原子％のＹと、残部がＳｉ及び不可避的不純物とからなるＳｉ−１８原子％Ｙ共晶合金と、８７原子％のＹと、残部がＳｉ及び不可避的不純物とからなるＳｉ−８７原子％Ｙ共晶合金と、を用いるとよい。Ｓｉ−Ｙ共晶合金には、第１基材１２及び第２基材１４や、炭化珪素層１６、１８との熱膨張の差をより小さくするために、Ｓｉ量の比率が大きいＳｉ−１８原子％Ｙ共晶合金を用いることが好ましい。
Ｓｉ−Ｈｆ共晶合金には、９．５原子％のＨｆと、残部がＳｉ及び不可避的不純物とからなるＳｉ−９．５原子％Ｈｆ共晶合金を用いるとよい。
接合層２０の組織サイズは、１００μｍ未満であるとよい。接合層２０の組織サイズとは、後述するろう材を構成する珪素を含む合金が溶融凝固したときに形成される金属シリサイド相（金属珪化物相）のサイズである。接合層２０の金属シリサイド相のサイズは、１００μｍ未満であるとよい。金属シリサイド相のサイズは、金属シリサイド相の全体のサイズである。接合層２０の金属シリサイド相のサイズを１００μｍ未満とすることにより、接合層２０の機械的強度等を向上させることが可能となる。
接合層２０が珪素を含む共晶合金で形成されている場合には、金属シリサイド相のサイズは、接合層２０の珪素を含む共晶組織における珪素を含む共晶相のサイズである。例えば、接合層２０がＳｉ−Ｔｉ共晶合金で形成されている場合には、金属シリサイド相のサイズは、接合層２０のＳｉとＴｉとの共晶組織におけるＳｉ−Ｔｉ共晶相のサイズである。接合層２０の金属シリサイド相のサイズは、例えば、接合層２０の断面金属組織を光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡等で観察し、接合層２０の厚み方向に対して直交方向（第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面に沿う方向）の金属シリサイド相の長さを測定することにより求めることができる。
次に、セラミックス基複合材料部品１０の製造方法について説明する。図２は、セラミックス基複合材料部品１０の製造方法を示すフローチャートである。セラミックス基複合材料部品１０の製造方法は、炭化珪素層被覆工程（Ｓ１０）と、ろう付け工程（Ｓ１２）と、を備えている。
まず、第１基材１２及び第２基材１４の形成方法について説明する。第１基材１２及び第２基材１４は、一般的なセラミックス基複合材料の成形方法で形成することができる。第１基材１２及び第２基材１４は、例えば、炭化珪素繊維等で３次元織物等のプリフォームを形成した後、プリフォーム内に炭化珪素等のセラミックスマトリックスを化学気相含浸法（ＣＶＩ法：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）で浸透させることにより複合化させて成形される。炭化珪素繊維には、例えば、チラノ繊維（宇部興産株式会社製）、ハイニカロン繊維（日本カーボン株式会社製）等が用いられる。
第１基材１２及び第２基材１４は、ポリカルボシラン等の有機金属ポリマ（セラミックスマトリックスの前駆体）をプリフォームに含浸し、含浸後に不活性雰囲気で焼成して成形されるようにしてもよい。また、第１基材１２及び第２基材１４は、炭化珪素繊維等の強化繊維と、炭化珪素等のセラミックスマトリックスを形成するための原料粉末（例えば、珪素粉末やカーボン粉末）とを混合した後に、ホットプレスや熱間静水圧プレス装置（ＨＩＰ：Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ）で反応焼結させて複合化して成形されるようにしてもよい。更に、第１基材１２及び第２基材１４は、これらの成形方法を組み合わせて複合化して成形されるようにしてもよい。
炭化珪素層被覆工程（Ｓ１０）は、珪化物を含むセラミックス基複合材料で形成される第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面に、炭化珪素層１６、１８を被覆する工程である。
第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面に、炭化珪素層１６、１８を被覆する前に、第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面の空隙に、炭化珪素粉末を充填して目止め部２２、２４を形成するとよい。目止め部２２、２４は、第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面の空隙に、炭化珪素粉末をエタノール等の溶媒に分散させたスラリを含浸して、炭化珪素粉末を充填することにより形成される。これにより、第１基材１２及び第２基材１４の接合面が平滑化されるので、炭化珪素層１６、１８を緻密に被覆することができる。なお、炭化珪素粉末や溶媒については、一般的な市販品を用いることが可能である。
次に、目止め部２２、２４の形成方法について、より詳細に説明する。炭化珪素層被覆工程（Ｓ１０）は、炭化珪素層１６、１８を被覆する前に、第１基材１２と第２基材１４とを、炭化珪素粉末を含むスラリに浸漬し、スラリに超音波振動を加えながら、第１基材１２の接合面の空隙と、第２基材１４の接合面の空隙とに、炭化珪素粉末を充填して目止めするとよい。また、炭化珪素層被覆工程は、炭化珪素粉末を含むスラリを脱泡し、脱泡させたスラリに第１基材１２と第２基材１４とを浸漬させて静置した後に、スラリに超音波振動を加えるとよい。
まず、容器の中にエタノール、メタノール、アセトン等の分散媒と、炭化珪素粉末とを入れて混合し、スラリを作製する。炭化珪素粉末の粒径は、平均粒径で３μｍ以上５μｍ以下とするとよい。炭化珪素粉末の粒径が平均粒径で３μｍより小さい場合には、スラリ中で炭化珪素粉末同士が凝集し易くなり、スラリに超音波振動を加えたときに凝集を解くのが難しくなるからである。また、炭化珪素粉末の平均粒径が５μｍより大きい場合には、接合面の空隙への炭化珪素粉末の充填率が低下する可能性があるからである。
容器の中のスラリを真空引きして脱泡する。スラリを脱泡することにより、スラリ中に含まれる気泡等を除去し、接合面の空隙に炭化珪素粉末を充填させるときに気泡等の巻き込みを抑制することができる。真空引きには、一般的な真空ポンプ等を用いることが可能である。スラリを脱泡した後に真空引きを停止して大気開放する。
次に、容器の中に第１基材１２及び第２基材１４を入れて、スラリに浸漬させる。第１基材１２及び第２基材１４をスラリに浸漬させた状態で静置する。静置時間については、３０分間から６０分間とするとよい。静置することにより、スラリ中に炭化珪素粉末が沈殿するので、接合面の空隙への炭化珪素粉末の充填率を高めることができる。
静置後に、超音波振動機により、第１基材１２及び第２基材１４を浸漬させたスラリに超音波振動を加える。超音波振動は、主に、エタノール等の分散媒を介して炭化珪素粉末に伝播され、炭化珪素粉末の凝集を解きほぐすので、接合面の空隙への炭化珪素粉末の充填率を高めることができる。超音波振動の周波数は、２３ｋＨｚ以上２８ｋＨｚ以下とするとよい。超音波振動の周波数が２３ｋＨｚより低い場合には、炭化珪素粉末の凝集を解きほぐし難くなり、炭化珪素粉末の充填率が低下し易くなる。超音波振動の周波数が２８ｋＨｚより高い場合には、炭化珪素粉末の振動が大きくなり、炭化珪素粉末が接合面の空隙に充填され難くなる。超音波の出力は、例えば、６００Ｗとするとよい。超音波振動の加振時間は、１０分間以上１５分間以下とするとよい。超音波振動機には、一般的な超音波振動装置を用いることが可能である。
超音波振動を加えた後に、スラリから第１基材１２及び第２基材１４を取り出して、乾燥させる。乾燥後、第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面の表面仕上げを行って、接合面の目止め部２２、２４以外の箇所に付着した炭化珪素粉末をヘラ等で除去することにより、接合面を平滑化することが好ましい。このようにして、第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面の空隙に、炭化珪素粉末を充填して、目止め部２２、２４を形成することができる。
目止め部２２、２４は、炭化珪素粉末が充填されて形成されていることから、目止め部２２、２４の耐熱性や耐酸化性を高めることが可能となる。また、目止め部２２、２４は、炭化珪素粉末を充填することにより容易に形成可能であることから、例えば、カーボン粉末と、溶融させた珪素とを反応させて炭化珪素を形成する方法や、珪素系ポリマを熱分解して炭化珪素を形成する方法よりも、目止め部２２、２４の形成作業を効率的に行うことができる。
炭化珪素層１６、１８は、溶射法、スパッタリングやイオンプレーティング等の物理蒸着法（ＰＶＤ法：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、化学気相含浸法（ＣＶＩ法）等で形成可能である。炭化珪素層１６、１８は、化学気相含浸法（ＣＶＩ法）で形成されることが好ましい。化学気相含浸法（ＣＶＩ法）によれば、溶射法等よりも緻密な皮膜を形成可能だからである。炭化珪素層１６、１８を化学気相含浸法（ＣＶＩ法）で形成する場合には、例えば、反応炉内に第１基材１２及び第２基材１４をセットして加熱し、反応炉内に反応ガスとしてメチルトリクロロシラン（ＣＨ３ＳｉＣｌ３）等を供給することにより、第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面に炭化珪素層１６、１８を被覆することができる。
ろう付け工程（Ｓ１２）は、第１基材１２の接合面を被覆する炭化珪素層１６と、第２基材１４の接合面を被覆する炭化珪素層１８とを、珪素を含む合金からなるろう材を加熱することにより溶融させてろう付けする工程である。図３は、ろう付け方法を説明するための図である。
まず、ろう材３０について説明する。ろう材３０は、珪素を含む合金から構成されている。ろう材３０は、珪素を含むので、第１基材１２及び第２基材１４や、炭化珪素層１６、１８との熱膨張差がより小さくなることにより熱応力が低下し、炭化珪素層１６、１８と接合層２０との界面等で割れや剥離が抑制される。
ろう材３０は、小片等からなるバルク材であってもよいし、粉末であってもよい。ろう材３０の粒径が大きくなると、接合層２０の組織サイズが大きくなり、ろう材３０の粒径が小さくなると、接合層２０の組織サイズが小さくなる傾向がある。ろう材３０の平均粒径を４５μｍ以下とすることにより、接合層２０の組織サイズを１００μｍ未満とすることができる。
より詳細には、ろう材３０の平均粒径は、１５０μｍ以下とするとよく、４５μｍ以下とすることが好ましい。ろう材３０の粒径を揃えることにより、ろう材３０の溶融挙動がより均一になり、接合後の接合層２０の金属組織が、より均一な組織サイズになると共に、より微細化することが可能になる。また、ろう材３０の平均粒径を４５μｍ以下とすることにより、接合層２０の金属シリサイド相のサイズを、１００μｍ未満とすることができる。ろう材３０の平均粒径を１５０μｍ以下とする場合には、例えば、１００メッシュのふるいで分級して、１００メッシュアンダの粉末を用いればよい。ろう材３０の平均粒径を４５μｍ以下とする場合には、例えば、３２５メッシュのふるいで分級して、３２５メッシュアンダの粉末を用いればよい。
ろう材３０には、水アトマイズ合金粉末やガスアトマイズ合金粉末等を用いることが可能である。また、ろう材３０には、合金成分が調製されたインゴットをジェットミル等で粉砕して形成した合金粉末や小片等を用いることができる。ろう材３０の粒度調整については、ふるい分け等の分級により行うことが可能である。ろう材３０の粒径や粒度分布については、一般的なレーザ回折・散乱法等の測定方法により測定可能である。
ろう材３０は、珪素を含む共晶合金から構成されていることが好ましい。珪素を含む共晶合金の融点は、珪素を含む共晶合金を構成する珪素等の各合金成分単体の融点より低いことから、ろう付け温度をより低い温度にすることができる。これにより、ろう付け作業の生産性が向上すると共に、生産コストを低減することが可能となる。また、強化繊維の結晶粒粗大化が抑えられるので、セラミックス基複合材料の機械的強度の低下を抑制できる。ろう材３０には、共晶合金組成からなる合金だけでなく、共晶合金組成の近傍の組成からなる合金を用いてもよい。共晶合金組成の近傍の組成からなる合金についても、珪素等の各合金成分単体の融点より低いことから、ろう付け温度をより低い温度にすることができる。
ろう材３０には、Ｓｉ−Ｔｉ共晶合金、Ｓｉ−Ｙ共晶合金またはＳｉ−Ｈｆ共晶合金を用いることができる。また、Ｓｉ−１５原子％Ｔｉ共晶合金、Ｓｉ−８６原子％Ｔｉ共晶合金、Ｓｉ−１８原子％Ｙ共晶合金、Ｓｉ−８７原子％Ｙ共晶合金、及びＳｉ−９．５原子％Ｈｆ共晶合金の融点は、いずれも１４００℃以下であるので、例えば、強化繊維にチラノ繊維を用いた場合でもセラミックス基複合材料の機械的強度の低下を抑制できる。ろう材３０には、耐酸化性等に優れていることから、Ｓｉ−Ｔｉ共晶合金を用いるとよい。
ろう材３０は、図３に示すように、バインダ３２と混合することによりペースト状ろう材３４としてもよい。ペースト状ろう材３４を用いることにより、複雑な曲面形状の接合面に対しても容易に適用可能となる。バインダ３２には、溶剤等を含む一般的な市販品を用いることが可能である。ろう材３０とバインダ３２との混合比については、例えば、質量比で、ろう材：バインダ＝２０：１以下とすることが可能である。
次に、ろう材３０の適用方法について説明する。第１基材１２及び第２基材１４は、第１基材１２の接合面を被覆する炭化珪素層１６と、第２基材１４の接合面を被覆する炭化珪素層１８とを、接合層２０を形成するための隙間２６を設けて突き合せて配置される。隙間２６の間隔は、例えば、１０μｍから１０００μｍとすることが可能である。
ペースト状ろう材３４は、例えば、第１基材１２の接合面を被覆する炭化珪素層１６と、第２基材１４の接合面を被覆する炭化珪素層１８との間における隙間２６の外周の上側開口に沿って塗布される。ペースト状ろう材３４の塗布については、ディスペンサ（液体吐出装置）等の一般的な塗布方法を用いることができる。
ペースト状ろう材３４を乾燥させた後に、珪素を含む合金の融点以上のろう付け温度で熱処理し、ろう材３０を加熱することにより溶融させてろう付けする。例えば、ろう材３０がＳｉ−Ｔｉ共晶合金である場合には、Ｓｉ−Ｔｉ共晶合金の融点が約１３３０℃であることから、熱処理は、１３３０℃以上のろう付け温度で行われる。また、熱処理は、珪素を含む合金の融点以上、且つセラミックス基複合材料の強化繊維の結晶粒が粗大化する結晶粒粗大化温度未満で行われるとよい。強化繊維の結晶粒が粗大化する結晶粒粗大化温度より低い温度でろう付けすることにより、セラミックス基複合材料の機械的強度の低下を抑制できる。例えば、強化繊維がチラノ繊維である場合には、ろう付け温度は、珪素を含む合金の融点以上、且つ１４００℃未満であることが好ましい。熱処理雰囲気については、ろう材３０等の酸化を抑制するために、真空中またはアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行われることが好ましい。熱処理設備については、金属材料等の熱処理で使用される一般的な真空熱処理炉や雰囲気熱処理炉等を用いることができる。
熱処理により、溶融したろう材３０が、第１基材１２の接合面を被覆する炭化珪素層１６と、第２基材１４の接合面を被覆する炭化珪素層１８との間の隙間２６に流れ込み、隙間２６が溶融したろう材３０で充填される。加熱後に冷却することで、溶融したろう材３０が凝固して、接合層２０が形成される。これにより、第１基材１２の接合面を被覆する炭化珪素層１６と、第２基材１４の接合面を被覆する炭化珪素層１８とがろう付けされ、第１基材１２と第２基材１４とは、接合層２０により接合されて一体化される。
第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面は、炭化珪素層１６、１８が被覆されていることから、溶融したろう材３０が、第１基材１２及び第２基材１４の空隙に含浸されることが抑制される。これにより、接合層２０の厚みが確保されるので、セラミックス基複合材料部品１０の接合強度が向上する。
第１基材１２の接合面を被覆する炭化珪素層１６と、第２基材１４の接合面を被覆する炭化珪素層１８との間における隙間２６の外側から溶融したろう材３０を流し込んで接合層２０を形成することから、接合層２０におけるボイドの発生が抑制される。また、隙間２６に溶融したろう材３０を流してろう付けすることから、隙間２６の寸法管理が容易となり、接合層２０の寸法精度が向上する。
なお、ろう付け工程（Ｓ１２）におけるろう付け方法については、第１基材１２及び第２基材１４の各々接合面に各々被覆された炭化珪素層１６、１８の表面の少なくとも一方にペースト状ろう材３４を塗布した後に突き当ててろう付けしてもよい。加圧等によりペースト状ろう材３４を塗布した面を突き当てて熱処理することにより、炭化珪素層同士をろう付けして、第１基材１２及び第２基材１４を一体化することができる。
以上、上記構成によれば、珪化物を含むセラミックス基複合材料で各々形成される第１基材及び第２基材をろう付けにより接合して、セラミックス基複合材料部品を製造することが可能となる。これにより、ガスタービン部品等の複雑形状部品や大型部品等を製造する場合でも、複数の部材に分割して形成した後に、ろう付けにより接合して一体化すればよいので、容易に製造可能となり生産性が向上する。
例えば、セラミックス基複合材料部品として、航空機用タービンエンジンに適用されるタービンの連翼を製造する場合には、各単翼のシュラウド部やプラットフォーム部を、ろう付けにより接合して連翼化することにより、容易に製造可能となる。
上記構成によれば、第１基材及び第２基材の各々接合面が炭化珪素層で被覆されているので、第１基材及び第２基材へのろう材の含浸が抑制される。これにより、接合層の厚みが確保されるので、接合強度を向上させることができる。また、接合層が珪素を含む合金で形成されているので、第１基材及び第２基材や、炭化珪素層との熱応力を緩和することが可能となると共に、接合層と炭化珪素層との密着性を向上させることができる。
まず、実施例１の製造方法について説明する。図４は、実施例１の製造方法を説明するための図であり、図４（ａ）は、基材４０の構成を示す図であり、図４（ｂ）は、基材４０の接合面の空隙に目止め部５０を形成した構成を示す図であり、図４（ｃ）は、基材４０の接合面に炭化珪素層６０を被覆した構成を示す図である。
基材４０については、ＳｉＣ繊維からなるプリフォーム４２とＳｉＣマトリックス４４とを複合化したＳｉＣ/ＳｉＣ複合材料で形成した。図４（ａ）に示すように、プリフォーム４２には、Ｘ糸、Ｙ糸及びＺ糸がＳｉＣ繊維からなる３次元織物を用いた。ＳｉＣ繊維には、チラノ繊維（宇部興産株式会社製）を使用した。ＳｉＣ/ＳｉＣ複合材料の成形については、ＳｉＣ繊維で形成した３次元織物に珪素粉末と炭素粉末とを含浸し、反応焼結させてＳｉＣマトリックス４４を形成して複合化した。基材４０の形状については、縦２５ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ４ｍｍｔの矩形状とした。
図４（ｂ）に示すように、基材４０の接合面の空隙に、炭化珪素粉末をエタノールに分散させたスラリを含浸して炭化珪素粉末を充填し、目止め部５０を形成した。
次に、目止め部５０の形成方法について、より詳細に説明する。まず、容器の中にエタノールからなる分散媒と、炭化珪素粉末とを入れて混合し、スラリを作製した。炭化珪素粉末の粒径は、平均粒径で４μｍとした。容器中のスラリを真空引きして脱泡した。スラリを脱泡した後に真空引きを停止して大気開放した。容器の中に基材４０を入れて、スラリに浸漬させた。基材４０をスラリに浸漬させた状態で静置した。静置時間については、３０分間から６０分間とした。静置後に、超音波振動機で、基材４０を浸漬させたスラリに超音波振動を加えた。超音波振動の周波数は、２３ｋＨｚから２８ｋＨｚとした。超音波振動の加振時間は、１０分間から１５分間とした。超音波振動の加振後に、スラリから基材４０を取り出して乾燥させた。乾燥後、基材４０の接合面を平滑にするために、接合面を表面仕上げした。このようにして、基材４０の接合面の空隙に、炭化珪素粉末を充填して目止め部５０を形成した。
図４（ｃ）に示すように、基材４０の接合面に化学気相含浸法（ＣＶＩ法）で炭化珪素層６０を被覆した。反応炉内に基材４０をセットして加熱（反応温度９００℃から１０００℃）し、反応ガスとしてメチルトリクロロシラン（ＣＨ３ＳｉＣｌ３）を用いることにより、基材４０の接合面に炭化珪素層６０を被覆した。炭化珪素層６０の厚みについては、５μｍから８０μｍとした。
次に、ろう付け方法について説明する。ろう材には、平均粒径４５μｍ以下のＳｉ−１５原子％Ｔｉ共晶合金粉末（融点が約１３３０℃）を用いた。より詳細には、ろう材には、３２５メッシュのふるいで分級して、３２５メッシュアンダの粉末を用いた。ろう材とバインダとを混合してペースト状ろう材を作製した。ろう材とバインダとの混合比については、質量比で、ろう材：バインダ＝２０：１以下とした。バインダには、一般的な、溶剤を含む市販品を用いた。
ペースト状ろう材の塗布方法については、図３に示す方法と同様にして行った。一方の基材の接合面を被覆する炭化珪素層と、他方の基材の接合面を被覆する炭化珪素層とを隙間をあけて突合せた。炭化珪素層同士の間の隙間の間隔については、約１０μｍとした。この隙間の外周における上側開口に沿って、ペースト状ろう材を塗布して自然乾燥させた。
次に、真空熱処理炉で熱処理することにより、ろう材を加熱して溶融し、溶融したろう材を炭化珪素層同士の間の隙間に流して充填し、ろう付けした。ろう付け温度については１３７５℃とし、保持時間については２０分間とした。熱処理雰囲気については、約１．０×１０−２Ｐａ以下の真空中とした。実施例１の供試体について外観観察したところ、熱処理後では、ろう材が溶融して接合層が形成され、基材同士が接合されて一体化した。
実施例２の製造方法について説明する。実施例２の製造方法は、実施例１の製造方法と、ペースト状ろう材の塗布方法が相違しており、その他の構成については同じとした。ろう材には、平均粒径４５μｍ以下のＳｉ−１５原子％Ｔｉ共晶合金粉末を用いた。より詳細には、ろう材には、３２５メッシュのふるいで分級して、３２５メッシュアンダの粉末を用いた。実施例２の製造方法では、各々の基材の接合面に被覆した炭化珪素層の表面にペースト状ろう材を塗布した後に、ペースト状ろう材が塗布された面を突き当てて熱処理し、ろう付けした。ペースト状ろう材の構成や熱処理条件については、実施例１の製造方法と同じであるので、詳細な説明を省略する。実施例２の供試体について外観観察したところ、熱処理後では、ろう材が溶融して接合層が形成され、基材同士が接合されて一体化した。
実施例３の製造方法について説明する。実施例３の製造方法は、実施例１の製造方法と、ろう材の構成が相違しており、その他の構成については同じとした。ろう材には、粒径３ｍｍから５ｍｍのＳｉ−１５原子％Ｔｉ共晶合金小片を用いた。基材の接合面に被覆された炭化珪素層同士の隙間の間隔については、約１５μｍとした。ろう材の塗布方法、熱処理条件については、実施例１の製造方法と同じであるので、詳細な説明を省略する。実施例３の供試体について外観観察したところ、熱処理後では、ろう材が溶融して接合層が形成され、基材同士が接合されて一体化した。
次に、比較例１の製造方法について説明する。比較例１の製造方法は、実施例１の製造方法と、炭化珪素層及び目止め部を設けていない点で相違しており、その他の構成については同じとした。すなわち、比較例１の製造方法では、基材の接合面に炭化珪素層及び目止め部を設けずに、ペースト状ろう材を塗布して熱処理した。比較例１の供試体について外観観察したところ、熱処理後では、基材同士が剥がれて接合できなかった。基材の接合面には、溶融したろう材が含浸されていた。
実施例１から３の供試体の接合部について、光学顕微鏡により断面組織観察を行った。実施例１から３の供試体では、各基材の接合面を被覆する炭化珪素層の間に接合層が形成されており、濡れ性、施工性ともに良好であった。基材には、ろう材の含浸が認められず、炭化珪素層が溶融したろう材の基材側への含浸を抑制していることがわかった。接合層の厚みについては、実施例１の供試体が約１０μｍであり、実施例２の供試体が約２５μｍであり、実施例３の供試体が約１５μｍであった。
また、実施例１、２の供試体では、実施例３の供試体よりも、接合層の組織サイズが小さくなった。図５は、実施例１、３の供試体における接合部の断面組織観察を示す写真であり、図５（ａ）は、実施例１の供試体の写真であり、図５（ｂ）は、実施例３の供試体の写真である。実施例１、２の供試体では、接合層の組織サイズが１００μｍ未満であった。これに対して、実施例３の供試体では、接合層の組織サイズが１００μｍ以上であった。
次に、各供試体の接合層の組織サイズについて、より詳細に説明する。接合層の組織サイズは、図５（ａ）及び図５（ｂ）の写真に示すように、各供試体の接合部を光学顕微鏡により観察することにより測定した。接合層の組織サイズは、接合層の厚み方向に対して直交方向（基材の接合面に沿った方向）の金属シリサイド相の長さを測定した。各供試体の接合層の金属組織は、ＳｉとＴｉとの共晶組織で構成されていることから、各供試体の接合層の組織サイズは、金属シリサイド相であるＳｉ−Ｔｉ共晶相のサイズとした。実施例１、２の供試体では、接合層におけるＳｉ−Ｔｉ共晶相のサイズが１００μｍ未満であった。これに対して、実施例３の供試体では、接合層におけるＳｉ−Ｔｉ共晶相のサイズが１００μｍ以上であった。この結果から、ろう材の平均粒径を４５μｍ以下とすることにより、接合層におけるＳｉ−Ｔｉ共晶相のサイズをより微細化できることがわかった。
次に、曲げ強度特性を評価した。曲げ試験片については、実施例１から３の製造方法で作製した。実施例１の製造方法における曲げ試験片の接合層の厚みについては、０．０２５ｍｍから０．５ｍｍ（０．０２５ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ）の７条件とした。実施例２の製造方法における曲げ試験片の接合層の厚みについては、０．０２５ｍｍとした。実施例３の製造方法における曲げ試験片の接合層の厚みについては、０．０１５ｍｍとした。
図６は、曲げ試験方法を説明するための図である。曲げ試験方法については、ＪＩＳ Ｒ １６０１に準拠して行った。曲げ試験片の形状については、幅４ｍｍ×長さ４０ｍｍ×厚み３ｍｍｔの矩形状とし、接合層が長手方向の中央部に位置するようにした。曲げ試験については４点曲げ試験とし、支点間距離を３０ｍｍとし、荷重点間距離を１０ｍｍとした。曲げ試験温度については１１００℃とし、各条件につき２体試験した。
図７は、曲げ試験結果を示すグラフである。図７のグラフでは、横軸に接合層の厚さを取り、縦軸に無次元曲げ強度（ろう付部曲げ強度（ＭＰａ）／母材曲げ強度（ＭＰａ））を取り、実施例１の曲げ試験片を白丸、実施例２の曲げ試験片を白三角形、実施例３の曲げ試験片を黒菱形で示している。実施例１の曲げ試験片では、接合層の厚さが０．０２５ｍｍから０．５ｍｍの全ての条件において、無次元曲げ強度が０．１１以上であった。実施例１の曲げ試験片は、実施例２、３の曲げ試験片よりも曲げ強度が大きくなった。また、実施例２の曲げ試験片は、実施例３の曲げ試験片よりも曲げ強度が大きくなった。
曲げ試験後の実施例１から３の曲げ試験片について接合部の断面観察をした結果、曲げ破壊については、基材の内部破壊と、接合層の内部破壊とが支配的であった。基材の内部破壊は、Ｙ糸同士の接合部の近傍で発生しており、接合層の内部破壊は、Ｘ糸同士の接合部で発生した。
本開示は、ガスタービン部品等のような複雑形状部品等でも、複数の部材に分割して形成した後に、ろう付けにより接合して一体化すればよいので、容易に製造可能となり生産性が向上することから、ジェットエンジンのタービン翼等のガスタービン部品、ロケットエンジンのスラスタ等に有用なものである。
Claims (17)
- セラミックス基複合材料部品であって、
珪化物を含むセラミックス基複合材料で各々形成される第１基材及び第２基材と、
前記第１基材の接合面と、前記第２基材の接合面とを各々被覆する炭化珪素層と、
前記第１基材の接合面を被覆する炭化珪素層と、前記第２基材の接合面を被覆する炭化珪素層との間に設けられ、珪素を含む合金で形成される接合層と、
を備える、セラミックス基複合材料部品。 - 請求項１に記載のセラミックス基複合材料部品であって、
前記第１基材及び前記第２基材は、前記第１基材の接合面の空隙と、前記第２基材の接合面の空隙とに、炭化珪素粉末が充填された目止め部を有している、セラミックス基複合材料部品。 - 請求項１または２に記載のセラミックス基複合材料部品であって、
前記接合層は、珪素を含む共晶合金で形成されている、セラミックス基複合材料部品。 - 請求項３に記載のセラミックス基複合材料部品であって、
前記珪素を含む共晶合金は、Ｓｉと、Ｔｉ、Ｙ及びＨｆの少なくとも１つの元素と、を含む共晶合金である、セラミックス基複合材料部品。 - 請求項１から４のいずれか１つに記載のセラミックス基複合材料部品であって、
前記接合層の組織サイズが、１００μｍ未満である、セラミックス基複合材料部品。 - 請求項５に記載のセラミックス基複合材料部品であって、
前記接合層の組織サイズは、金属シリサイド相のサイズである、セラミックス基複合材料部品。 - セラミックス基複合材料部品の製造方法であって、
珪化物を含むセラミックス基複合材料で各々形成される第１基材及び第２基材の各々接合面を、炭化珪素層で被覆する炭化珪素層被覆工程と、
前記第１基材の接合面を被覆する炭化珪素層と、前記第２基材の接合面を被覆する炭化珪素層とを、珪素を含む合金からなるろう材を加熱することにより溶融させてろう付けするろう付け工程と、
を備える、セラミックス基複合材料部品の製造方法。 - 請求項７に記載のセラミックス基複合材料部品の製造方法であって、
前記炭化珪素層被覆工程は、前記炭化珪素層を被覆する前に、前記第１基材の接合面の空隙と、前記第２基材の接合面の空隙とに、炭化珪素粉末を充填して目止めする、セラミックス基複合材料部品の製造方法。 - 請求項８に記載のセラミックス基複合材料部品の製造方法であって、
前記炭化珪素層被覆工程は、前記炭化珪素層を被覆する前に、前記第１基材と前記第２基材とを、前記炭化珪素粉末を含むスラリに浸漬し、前記スラリに超音波振動を加えながら、前記第１基材の接合面の空隙と、前記第２基材の接合面の空隙とに、炭化珪素粉末を充填して目止めする、セラミックス基複合材料部品の製造方法。 - 請求項９に記載のセラミックス基複合材料部品の製造方法であって、
前記炭化珪素層被覆工程は、前記スラリを脱泡し、脱泡させた前記スラリに前記第１基材と前記第２基材とを浸漬させて静置した後に、前記スラリに超音波振動を加える、セラミックス基複合材料部品の製造方法。 - 請求項８から１０のいずれか１つに記載のセラミックス基複合材料部品の製造方法であって、
前記炭化珪素粉末の平均粒径は、３μｍ以上５μｍ以下である、セラミックス基複合材料部品の製造方法。 - 請求項７から１１のいずれか１つに記載のセラミックス基複合材料部品の製造方法であって、
前記ろう材は、珪素を含む共晶合金である、セラミックス基複合材料部品の製造方法。 - 請求項７から１２のいずれか１つに記載のセラミックス基複合材料部品の製造方法であって、
前記炭化珪素層被覆工程は、前記炭化珪素層を化学気相含浸法により形成する、セラミックス基複合材料部品の製造方法。 - 請求項７から１３のいずれか１つに記載のセラミックス基複合材料部品の製造方法であって、
前記ろう付け工程は、前記ろう材を、珪素を含む合金の融点以上、且つ前記セラミックス基複合材料の強化繊維の結晶粒粗大化温度未満で加熱する、セラミックス基複合材料部品の製造方法。 - 請求項７から１４のいずれか１つに記載のセラミックス基複合材料部品の製造方法であって、
前記ろう付け工程は、前記第１基材の接合面を被覆する炭化珪素層と、前記第２基材の接合面を被覆する炭化珪素層とを、隙間をあけて突き合せ、前記隙間の外側から溶融させた前記ろう材を前記隙間に流して充填する、セラミックス基複合材料部品の製造方法。 - 請求項７から１４のいずれか１つに記載のセラミックス基複合材料部品の製造方法であって、
前記ろう付け工程は、前記第１基材及び前記第２基材の各々接合面に被覆された各々炭化珪素層の表面の少なくとも一方に前記ろう材を塗布した後に突き当ててろう付けする、セラミックス基複合材料部品の製造方法。 - 請求項７から１６のいずれか１つに記載のセラミックス基複合材料部品の製造方法であって、
前記ろう付け工程は、前記ろう材の平均粒径が、４５μｍ以下である、セラミックス基複合材料部品の製造方法。
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