JP4109732B2 - Manufacturing method of self-healing type high temperature member - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン、ジェットエンジンなど、高温酸化雰囲気中で使用される自己修復型高温用部材の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ガスタービンやジェットエンジンなどの原動機においては、熱効率の向上を図るための開発研究が精力的に継続されている。熱効率の向上のための最も有効な技術の一つは、燃焼ガスの温度を高温化させることである。
【0003】
よって、高温の燃焼ガスに直接接する、動翼、静翼、燃焼器及びシュラウド等の高温用部材の基材は、より過酷な高温環境での使用にも耐え得るような改良が要請される。
【0004】
ところが、金属、カーボン(黒鉛、カーボン/カーボン繊維複合体を含む)、非酸化物セラミックを高温の酸化雰囲気で使用すると、その酸化雰囲気に晒された表面が酸化される問題がある。
【0005】
一方、酸化物セラミックは、この酸化を低減可能であると同時に、耐熱性に優れ、かつ化学的にも安定である利点をもつが、じん性に劣る問題があるため、信頼性に欠ける問題がある。
【0006】
このような問題の解決する観点から、次の(A),(B)の点から改良が試みられている。
(A)合金化による耐酸化性を向上させる試みである。
(B)機械強度やじん性に優れた金属、セラミック、カーボンを基材として用い、その表面に耐酸化性に優れた材料をコーティングし、機能を分離することで機械特性と耐環境性を両立させる試みである。なお、金属表面にセラミックをコーティングした例は、特願平4−214422号公報などに開示されている。窒化珪素セラミック表面に酸化物セラミックをコーティングした例は、特公平5−8152号公報などに開示されている。また、カーボンにセラミックをコーティングした例は、特開昭58−12567号公報などに開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら以上のような基材からなる高温用部材では、ガスタービンやジェットエンジン等の如き高温の酸化雰囲気で使用されるとき、次の(Ap),(Bp)に述べるように、機械強度と耐酸化性とが不十分である問題がある。
(Ap)合金化による方法は、耐酸化性を向上させるものの、当然、同時に機械強度を低下させる欠点をもつ。また、セラミックは化学的に安定なものが多いため、多くの合金元素の使用が制限されるという欠点もある。まとめると、合金化による方法は、機械強度と耐酸化性の両立が困難である問題がある。
(Bp)一方、基材表面に耐酸化性材料をコーティングする方法では、耐酸化性のセラミックコーティング層が一般的には脆いため、急激な温度変化に伴う熱衝撃や基材との熱膨張差による熱応力などにより、容易に割れを生じる問題がある。
【0008】
正確には、この割れにより、金属、非酸化物セラミック、カーボン基材を露出させて高温の酸化雰囲気に晒し、基材に著しく酸化を進行させ、基材の強度低下を招く問題がある。また、係る問題は、使用に支障をきたすトラブルを発生させる可能性がある。
【0009】
本発明は上記実情を考慮してなされたもので、基材表面に形成した酸化層や耐酸化コーティング層に割れを生じ、基材を露出させたときでも、Al酸化物にて割れを修復する自己修復機能を備え、機械強度と耐酸化性を両立し得る自己修復型高温用部材の製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に対応する発明は、少なくともセラミックス又はカーボンを主成分に含有する複数の繊維を編み込んで繊維部材を形成する繊維部材形成工程と、前記繊維部材に、少なくともセラミックス又はカーボンを主成分に含有するスラリーを含浸させる含浸工程と、前記スラリーの含浸された繊維部材にAlを固溶又はAl化合物を分散させ、これらスラリーとAlとを繊維部材ごと焼結してこの繊維部材中にマトリクス部材を形成するマトリクス部材形成工程とを含んでいる自己修復型高温用部材の製造方法である。
【0017】
また、請求項2に対応する発明は、請求項1に対応する自己修復型高温用部材の製造方法において、前記繊維部材及び前記マトリクス部材としては、両者ともSiCを主成分とする自己修復型高温用部材の製造方法である。
【0018】
さらに、請求項3に対応する発明は、請求項1又は請求項2に対応する自己修復型高温用部材の製造方法において、前記マトリクス部材の形成後、機械加工により、前記繊維部材及び前記マトリクス部材からなる基材を所定の寸法に成形する成形工程と、前記成形された基材の表面に、CVD法により、耐酸化性コーティング層を形成するコーティング層形成工程とを含んでいる自己修復型高温用部材の製造方法である。
【0019】
また、請求項4に対応する発明は、請求項3に対応する自己修復型高温用部材の製造方法において、前記CVD法としては、供給するHClガスと前記マトリクス部材中のAlとの反応により生じるAl塩化物ガスを前記耐酸化性コーティング層の原料に用いており、前記耐酸化性コーティング層としては、Al2O3である自己修復型高温用部材の製造方法である。
【0020】
基材は、セラミックス単独又はカーボン単独あるいはその両者の合計を〜99.9重量%の範囲内で含有するものである。なお、他の副成分としては、W,Mo,Ta,Nbなどの高融点金属、NiAl,NbAl,MoSi,TiAlなどの金属間化合物などの融点が1200℃以上の金属系材料等が適宜使用可能となっている。
【0021】
ここで、セラミックスとしては、例えばSiCに代表される炭化物系セラミック、Si3 N4 に代表される窒化物系セラミック、Al2 O3 ,MgO,SiO2 ,Y2 O3 ,ZrO2 などの酸化物系セラミック等が適用可能となっており、繊維部材及びマトリクス部材でも同様である。
【0022】
Al化合物としては、例えばTiAl,NiAlなどの金属間化合物、AlCなどの炭化物系セラミック、AlNなどの窒化物系セラミック等が適用可能となっている。
【0023】
また、基材中のAlの含有率は、0.1〜30重量%の範囲内にあり、自己修復機能を迅速に発現させる観点から10〜30重量%の範囲内にあることが好ましい。なお、基材は、内部でのAlの含有率が0.1〜30重量%の範囲内にあり、表面でのAlの含有率が10〜30重量%の範囲内にあることが、内部にて高い高温強度を維持し、前記表面にて高い耐酸化性を備える観点から好ましい。
【0024】
Al系酸化物は、例えばAl2 O3 ,Al2 O3 ・SiO2 ,Al2 O3 ・MgO,Al2 O3 ・ZrO2 などの複合酸化物系セラミック等がある。
繊維部材は、セラミックス単独又はカーボン単独あるいはその両者の合計を〜99.9重量%の範囲内で含有するものである
【0025】
マトリクス部材は、セラミックス単独又はカーボン単独あるいはその両者の合計を〜99.9重量%の範囲内で含有するものである。
また、マトリクス部材のAlの含有率は、0.1〜30重量%の範囲内にあり、自己修復機能を迅速に発現させる観点から10〜30重量%の範囲内にあることが好ましい。
【0026】
なお、繊維部材及びマトリクス部材の夫々のセラミックス等の含有率に対し、各部材の重量を重みとした重みつき平均を施した値が前述した基材におけるセラミックス等の含有率となることは言うまでもない。
(作用)
従って、請求項1に対応する発明は以上のような手段を講じたことにより、基材がAl又はAl化合物を含有するため、高温酸化雰囲気にて、酸化物の生成自由エネルギーが小さい(酸素と結合し易い)Alが優先的に酸素と反応し、表面にAl系酸化物が形成される。このAl系酸化物は、その中の酸素の拡散速度が遅いために、酸化物の生成速度を遅くできる。すなわち、表面にAl系酸化物を形成させ、酸化速度を低減している。
【0027】
さらに、このAl系酸化物に割れが生じ、基材表面が露出しても、基材中のAlが優先的に酸素と反応し、表面にAl系酸化物が形成される。よって、このAl系酸化物により、割れによる露出部からの急激な酸化を防止している。
【0028】
このように、基材表面に形成したAl系酸化物に割れを生じ、基材を露出させたときでも、Al系酸化物を再形成して割れを修復する自己修復機能を備えているので、機械強度と耐酸化性を両立させることができる。
【0035】
さらに、請求項1に対応する発明は、繊維部材中にマトリクス部材を保持させた構成のため、機械的強度やじん性の向上を期待し得る繊維部材やマトリクス部材からなる自己修復型高温用部材を容易かつ確実に製造することができる。
【0036】
また、請求項2に対応する発明は、繊維部材及びマトリクス部材としては両者ともSiCを主成分とするので、請求項1の基材の作用を容易かつ確実に奏することができる。
【0037】
さらに、請求項3に対応する発明は、請求項1又は請求項2に対応する作用に加え、基材表面に耐酸化性コーティング層を形成するので、基材への酸素の侵入を抑制し、酸化速度を低減できる自己修復型高温用部材を製造することができる。
【0038】
また、請求項4に対応する発明は、基材表面の耐酸化性コーティング層をAl2O3としたので、請求項3に対応する作用を容易かつ確実に奏することができる。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に係る自己修復型高温用部材の構成を模式的に示す模式図である。この自己修復型高温用部材は、SiC系繊維1と、SiC系繊維1中に保持されたSiC−Al−C系マトリクス2とからなるSiC繊維強化複合材料3である。
【0040】
SiC系繊維1は、セラミックス及びカーボンを主成分に含有するものであり、予め平織りされた複数のSiC系平織りクロスが互いに重ねられ、各SiC系平織りクロスがSiC系長繊維で編込まれて形成されている。
【0041】
SiC−Al−C系マトリックス2は、SiC系繊維1中に保持され、セラミックス及びカーボンを主成分に含有し、かつAlを含有する焼結体である。なお、SiC−Al−C系マトリックス2は、内部のAlの含有率よりも表面のAlの含有率の方が高い構造が、内部にて高い高温強度を維持し、表面にて後述する高い耐酸化性を備える観点から好ましい。
【0042】
SiC系繊維強化複合化材料3は、これらSiC系繊維1とSiC−Al−C系マトリックス2が一体形成されたものである。
次に、以上のように構成された自己修復型高温用部材の製造方法及び作用等を説明する。
(製造方法)
図2に示すように、始めに、SiC系平織りクロス4をSiC系長繊維5で編込むことにより、所望の形状のSiC系繊維1(以下プリフォーム6ともいう)を形成する(ST1;プリフォーム工程)。
【0043】
次は、そのSiC系繊維1でできたプリフォーム6の隙間を、水、又は有機溶媒中にSiCとCの微粉末を混合したSiC−C系スラリー7で埋める(ST2;含浸工程)。
【0044】
このとき、ガス、または水を圧力媒体としたCIP(冷間等方性加圧)8法を用い、圧力を196MPa程度とすれば、プリフォーム7内部の隙間にまでSiC−C系スラリー7を含浸させることができる。
【0045】
次は、このSiC−C系スラリー7を含浸させたプリフォーム6に、溶融したSi−Al溶液9を充填させながら全体を焼結してSi−AlーC系マトリクス2を形成させる(ST3;反応焼結工程)。
【0046】
これにより、SiC系繊維1とSi−Al−C系マトリクス2からなるSiC繊維強化複合材料3が完成される。なお、反応焼結工程は、49MPa以上のArなどの不活性ガス加圧雰囲気で行われることが、高い蒸気圧をもつAlの蒸発防止という観点から望ましい。
【0047】
また、完成されたSiC繊維強化複合材料3は、動翼、静翼、燃焼機及びシュラウド等の基材に適用するため、所定の寸法に機械仕上げされる(ST4;機械加工工程)。
(作用)
SiC繊維強化複合材料3は、高温酸化雰囲気に晒されると、図3(a)に示すように、Si−AlーC系マトリクス2中のAlが酸化物の生成自由エネルギーの小さいことから優先的に酸化されるので、表面にAl2 O3 等のAl系酸化物10が形成される。
【0048】
このAl系酸化物10は非常に緻密であり、また、その中の酸素の拡散速度が遅いために酸化速度が小さくできる。但し、Al系酸化物10は、ぜい性であるために、加熱冷却時の熱衝撃やSiC繊維強化複合材料3とAl系酸化物10の線膨張差による熱応力などにより割れ11が生じやすい。
【0049】
次に、図3(b)に示すように、このAl系酸化物10に割れ11が生じ、SiC繊維強化複合材料3が露出したとする。
このとき、図3(c)に示すように、Si−AlーC系マトリクス2中のAlと雰囲気の酸素とが反応してAl2 O3 のAl系酸化物(修復)12を形成し、割れ11を塞ぐという自己修復作用により、SiC繊維強化複合材料3の表面は、再びAl系酸化物12で修復される。
(評価)
図4は本実施形態におけるSiC繊維強化複合材料3の1300℃、大気圧下での酸化増量を従来材料に比較して示す図である。なお、従来材料とは、SiC−C系(Alを含まない)マトリクスである。
【0050】
図示するように、本実施形態のSiC繊維強化複合材料3では、SiC−Al−C系マトリクス2中にAlを含有させ、高温酸化雰囲気での使用時、表面にAl系酸化物10を形成させることにより、従来材料と比べ、酸化増量を著しく低減させることができた。すなわち、本実施形態に係るSiC繊維強化複合材料3は、耐酸化性を著しく向上させることができる。
【0051】
図5は本実施形態におけるSiC繊維強化複合材料3の高温酸化雰囲気への暴露時間に対する曲げ強度の変化を従来材料に比較して示す図である。図示するように、本実施形態のSiC繊維強化複合材料3は、暴露時間が経過しても曲げ強度がほとんど低下せず、経時的な強度特性を明らかに向上させることができた。一方、従来構造は暴露時間と共に曲げ強度を低下させていた。
【0052】
上述したように第1の実施の形態によれば、SiC繊維強化複合材料3表面に形成したAl系酸化物10に割れ11を生じ、SiC繊維強化複合材料3を露出させたときでも、Al系酸化物11を再形成して割れ11を修復する自己修復機能を備えているので、機械強度と耐酸化性を両立させることができる。
【0053】
また、耐酸化性の向上、すなわち、SiC繊維強化複合材料3における酸化の抑制により、酸化減肉に伴う応力上昇による破壊を低減させることができる。なお、この酸化減肉の抑制効果は、SiC−Al−C系マトリックス2において、内部のAlの含有率よりも表面のAlの含有率の方が高い構造の方がより一層顕著となる。
【0054】
SiC繊維強化複合材料3としては、SiC繊維1中にSiC−Al−C系マトリクス2を保持させた構成のため、機械的強度やじん性の向上を期待することができる。
【0055】
また、SiC繊維強化複合材料3により、航空機、又は発電用ガスタービンにおける動翼、静翼、燃焼器、シュラウド等の高温部品の基材を構成することで、これら高温用部材の信頼性を向上させることができる。
(第2の実施の形態)
図6は本発明の第2の実施の形態に係る自己修復型高温用部材の構成を模式的に示す模式図であり、図1と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【0056】
すなわち、本実施の形態は、SiC繊維強化複合材料3の表面にコーティングを施した変形例であり、具体的には図6に示すように、SiC系繊維1とSiC−Al−C系マトリクス2からなるSiC繊維強化複合材料3の表面に、耐酸化性に優れたAl2 O3 コーティング層13が形成されている。
【0057】
ここで、Al2O3コーティング層13は、2000℃以上の融点を有し、かつ科学的にも安定なものである。なお、この表面のコーティング層としては、Al2O3に限らず他に、BeO、CeO 2 、Cr2O3、HfO2、La2O3、MgO、ThO2、UO2、Y2O3、及びZrO2よりなる群から選ばれた1種類以上の酸化物から形成され、2000℃以上の融点を有する材料が適宜使用可能である。
【0058】
次に、このような自己修復型高温用部材の製造方法及び作用を説明する。
(製造方法)
図7に示すように、機械加工工程ST4までは、第1の実施形態におけるSiC繊維強化複合材料3の製造方法と同様である。
【0059】
機械加工工程のST4の完了後、CVD法により、SiC繊維強化複合材料3の表面にAl2O3コーティング層13が形成される。(ST5;CVDコーティング工程)。具体的には、Al2O3層コーティング層13は、CVD法による成長中、HCl(g)、CO 2 (g)の供給により形成される。ガスの反応式は、以下の(1)式乃至(3)式の通りである。
2Al(s)+6HCl(g)
→2AlCl3(g)+3H2(g)…(1)
3H2(g)+CO2(g)
→3H2O(g)+3CO(g) …(2)
2AlCl3(g)+3H2O(g)
→Al2O3(s)+6HCl(g)…(3)
(作用)
Al2O3コーティング層13が表面に形成されたSiC繊維強化複合材料3は、Al2O3中の酸素の拡散速度が遅いために、耐酸化性に優れるとともに、Al2O3コーティング層13に割れが生じSiC繊維強化複合材料3が露出した場合も、前述同様に、自己修復作用により再びAl系酸化物で修復される。
【0060】
すなわち割れによる露出部においては、SiC−Al−C系マトリクス2中のAlと雰囲気の酸素が反応してAl系酸化物(Al2 O3 )が形成され、速やかに割れが塞がれる。
【0061】
上述したように第2の実施の形態によれば、SiC繊維強化複合材料3表面に、耐酸化性のAl2 O3 コーティング層13を形成したので、第1の実施形態の効果に加え、SiC繊維強化複合材料3への酸素の侵入を抑制し、酸化速度を低減させることができる。
【0062】
また、このAl2 O3 コーティング層13に割れが生じ、SiC繊維強化複合材料3が露出した場合にも、前述同様に、SiC繊維強化複合材料3中のAlが優先的に酸素と反応してAl系酸化物を形成するので、割れによるSiC繊維強化複合材料3の露出部からの急激な酸化を防止することができる。
【0063】
また特に、SiC繊維強化複合材料3表面の耐酸化性コーティング層をAl2 O3 としたので、これらの効果を容易かつ確実に奏することができる。
(他の実施の形態)
なお、上記第1の実施の形態では、SiC−C系スラリーの含浸・Si−Al溶液の充填・焼結という製造方法について説明したが、これに限らず、少なくともセラミック又はカーボンを主成分に含有する粉末と、Al、又はAl化合物を少なくとも1つ含む粉末とをメカニカルアロイ法により固相反応、又は微細分散させた後、その粉末を成形焼結する方法により、マトリクス2中にAlを固溶、又はAl化合物を形成させる製造方法としても、本発明を同様に実施して同様の効果を得ることができる。
【0064】
また同様に、焼結法、反応焼結法、物理蒸着法、気相合成法、プラズマ溶射法、ディッピング法、電気メッキ法、イオン注入法、または、これらの方法の組合せにより、マトリクス2中にAlを固溶、又はAl化合物を形成させる製造方法としても、本発明を同様に実施して同様の効果を得ることができる。
【0065】
また、上記各実施形態は、繊維部材及びマトリクス部材の両方が、セラミックス及びカーボンを主成分にする構造であったが、これに限らず、少なくともセラミックス又はカーボンを主成分に含有していればよい。
【0066】
また、上記第1の実施形態では、Alを固溶させる製造工程を含む製造方法について説明したが、これに限らず、Al化合物を分散させる製造工程を含む製造方法であっても、基材中にAl元素を含有させるための製造方法として置換可能なため、本発明の概念に包含される。
その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。
【0067】
以上説明したように本発明によれば、基材表面に形成した酸化層や耐酸化コーティング層に割れを生じ、基材を露出させたときでも、Al系酸化物にて割れを修復する自己修復機能を備え、機械強度と耐酸化性を両立し得る自己修復型高温用部材の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る自己修復型高温用部材の構成を模式的に示す模式図
【図2】同実施の形態における製造工程図
【図3】同実施の形態における自己修復機能を説明するための模式図
【図4】同実施の形態におけるSiC繊維強化複合材料の高温、大気圧下での酸化増量を従来材料に比較して示す図
【図5】同実施の形態におけるSiC繊維強化複合材料の高温酸化雰囲気への暴露時間に対する曲げ強度の変化を従来材料に比較して示す図
【図6】本発明の第2の実施形態に係る自己修復型高温用部材の構成を模式的に示す模式図
【図7】同実施の形態における製造工程図
【符号の説明】
1…SiC系繊維
2…SiC−Al−C系マトリクス
3…SiC繊維強化複合材料
4…SiC系平織りクロス
5…SiC系長繊維
6…プリフォーム
7…SiC−C系スラリー
8…CIP
9…Si−Al溶液
10,12…Al系酸化物
11…割れ
13…Al2 O3 コーティング層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a gas turbine, and jet engine, a method for producing a self-healing type high-temperature member for use in a high temperature oxidizing atmosphere.
[0002]
[Prior art]
In recent years, development research for improving thermal efficiency has been vigorously continued in prime movers such as gas turbines and jet engines. One of the most effective techniques for improving thermal efficiency is to raise the temperature of the combustion gas.
[0003]
Therefore, the base material of the high temperature member such as the moving blade, the stationary blade, the combustor, and the shroud that is in direct contact with the high temperature combustion gas is required to be improved so that it can be used even in a severer high temperature environment.
[0004]
However, when metals, carbon (including graphite, carbon / carbon fiber composites), and non-oxide ceramics are used in a high-temperature oxidizing atmosphere, there is a problem that the surface exposed to the oxidizing atmosphere is oxidized.
[0005]
On the other hand, oxide ceramics have the advantage of being able to reduce this oxidation and at the same time have excellent heat resistance and chemical stability, but there is a problem of poor toughness, so there is a problem of lack of reliability. is there.
[0006]
From the viewpoint of solving such problems, improvements have been attempted from the following points (A) and (B).
(A) An attempt to improve oxidation resistance by alloying.
(B) Using metal, ceramic, and carbon with excellent mechanical strength and toughness as the base material, coating the surface with a material with excellent oxidation resistance, and separating the functions to achieve both mechanical properties and environmental resistance Is an attempt. An example in which ceramic is coated on the metal surface is disclosed in Japanese Patent Application No. 4-214422. An example in which an oxide ceramic is coated on a silicon nitride ceramic surface is disclosed in Japanese Patent Publication No. 5-8152. An example in which carbon is coated with ceramic is disclosed in JP-A-58-12567.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a high-temperature member comprising the above-described base material, when used in a high-temperature oxidizing atmosphere such as a gas turbine or a jet engine, as described in (Ap) and (Bp) below, mechanical strength and acid resistance There is a problem that the chemical properties are insufficient.
Although the (Ap) alloying method improves the oxidation resistance, it naturally has the disadvantage of simultaneously reducing the mechanical strength. In addition, since many ceramics are chemically stable, there is a drawback that the use of many alloy elements is limited. In summary, the alloying method has a problem that it is difficult to achieve both mechanical strength and oxidation resistance.
(Bp) On the other hand, in the method of coating an oxidation-resistant material on the surface of a base material, since the oxidation-resistant ceramic coating layer is generally brittle, a thermal shock caused by a rapid temperature change or a difference in thermal expansion from the base material There is a problem that cracks easily occur due to thermal stress caused by.
[0008]
Precisely, this crack causes a problem that the metal, non-oxide ceramic, and carbon base material are exposed and exposed to a high-temperature oxidizing atmosphere to cause the base material to oxidize remarkably and cause a reduction in strength of the base material. In addition, such problems may cause troubles that hinder use.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and even when an oxide layer or an oxidation-resistant coating layer formed on the substrate surface is cracked and the substrate is exposed, the crack is repaired with Al oxide. the self-healing, and to provide a method for producing a self-healing type high-temperature member which is compatible with mechanical strength and oxidation resistance.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The invention corresponding to claim 1 includes a fiber member forming step of forming a fiber member by weaving a plurality of fibers containing at least ceramics or carbon as a main component , and at least ceramics or carbon as a main component in the fiber member. An impregnation step of impregnating the slurry, and solid solution or dispersion of Al compound in the fiber member impregnated with the slurry, and sintering the slurry and Al together with the fiber member to form a matrix member in the fiber member It is a manufacturing method of the member for self-repair type | mold high temperature including the matrix member formation process to form .
[0017]
The invention corresponding to
[0018]
Furthermore, the invention corresponding to
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a self-repairing type high temperature member corresponding to the third aspect , the CVD method is caused by a reaction between a supplied HCl gas and Al in the matrix member. Al chloride gas is used as a raw material for the oxidation-resistant coating layer, and the oxidation-resistant coating layer is a method for producing a self-repairing type high-temperature member that is Al 2 O 3 .
[0020]
The base material contains ceramic alone or carbon alone or a total of both within a range of ˜99.9% by weight. As other subcomponents, high melting point metals such as W, Mo, Ta, and Nb, and intermetallic compounds such as NiAl, NbAl, MoSi, and TiAl can be used as appropriate. It has become.
[0021]
Here, examples of the ceramic include carbide ceramics represented by SiC, nitride ceramics represented by Si 3 N 4 , oxidation of Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 , Y 2 O 3 , ZrO 2, and the like. Physical ceramics can be applied, and the same applies to fiber members and matrix members.
[0022]
As the Al compound, for example, intermetallic compounds such as TiAl and NiAl, carbide ceramics such as AlC, nitride ceramics such as AlN, and the like are applicable.
[0023]
Moreover, it is preferable that the content rate of Al in a base material exists in the range of 0.1-30 weight%, and exists in the range of 10-30 weight% from a viewpoint of expressing a self-repair function rapidly. Note that the base material has an Al content of 0.1 to 30% by weight within the range and an Al content of 10 to 30% by weight on the surface. In view of maintaining high high-temperature strength and providing high oxidation resistance on the surface.
[0024]
Examples of the Al oxide include composite oxide ceramics such as Al2 O3, Al2 O3.SiO2, Al2 O3.MgO, and Al2 O3.ZrO2.
The fiber member contains ceramic alone or carbon alone or a total of both within a range of ˜99.9% by weight.
The matrix member contains ceramic alone or carbon alone or a total of both within a range of ˜99.9% by weight.
The Al content of the matrix member is preferably in the range of 0.1 to 30% by weight, and preferably in the range of 10 to 30% by weight from the viewpoint of rapidly developing the self-repair function.
[0026]
In addition, it goes without saying that the value obtained by weighted average with the weight of each member as the weight is the content of ceramics in the base material described above with respect to the content of ceramics in each of the fiber member and the matrix member. .
(Function)
Therefore, in the invention corresponding to claim 1, since the base material contains Al or an Al compound by taking the above-described means, the free energy of formation of the oxide is small in a high-temperature oxidizing atmosphere (oxygen and Al which is easy to bond) preferentially reacts with oxygen, and an Al-based oxide is formed on the surface. Since this Al-based oxide has a low diffusion rate of oxygen therein, the generation rate of the oxide can be reduced. That is, an Al-based oxide is formed on the surface to reduce the oxidation rate.
[0027]
Further, even if the Al-based oxide is cracked and the surface of the base material is exposed, Al in the base material preferentially reacts with oxygen, and an Al-based oxide is formed on the surface. Therefore, this Al-based oxide prevents rapid oxidation from the exposed part due to cracking.
[0028]
In this way, even when the Al-based oxide formed on the surface of the base material is cracked and the base material is exposed, it has a self-healing function to repair the crack by re-forming the Al-based oxide, Both mechanical strength and oxidation resistance can be achieved.
[0035]
Furthermore, the invention corresponding to claim 1 is a structure in which the matrix member is held in the fiber member, so that a self-healing type high temperature member made of a fiber member or matrix member that can be expected to improve mechanical strength and toughness is provided. It can be manufactured easily and reliably.
[0036]
In the invention corresponding to claim 2 , since both the fiber member and the matrix member are mainly composed of SiC, the action of the substrate of claim 1 can be easily and reliably achieved.
[0037]
Furthermore, in addition to the action corresponding to claim 1 or
[0038]
In the invention corresponding to claim 4 , since the oxidation-resistant coating layer on the surface of the base material is made of Al 2 O 3 , the action corresponding to claim 3 can be achieved easily and reliably.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic view schematically showing a configuration of a self-healing type high temperature member according to the first embodiment of the present invention. This self-healing type high temperature member is a SiC fiber reinforced
[0040]
The SiC fiber 1 contains ceramics and carbon as main components, and is formed by superimposing a plurality of SiC plain weave cloths that have been plain woven in advance and knitting each SiC plain weave cloth with SiC long fibers. Has been.
[0041]
The SiC-Al-
[0042]
The SiC fiber reinforced
Next, the manufacturing method and operation of the self-healing type high temperature member configured as described above will be described.
(Production method)
As shown in FIG. 2, first, SiC-based
[0043]
Next, the gap between the
[0044]
At this time, if CIP (cold isotropic pressurization) 8 method using gas or water as a pressure medium is used and the pressure is set to about 196 MPa, the SiC-C-based
[0045]
Next, the
[0046]
Thereby, the SiC fiber reinforced
[0047]
Further, the completed SiC fiber reinforced
(Function)
When the SiC fiber reinforced
[0048]
This Al-based
[0049]
Next, as shown in FIG. 3B, it is assumed that the Al-based
At this time, as shown in FIG. 3C, Al in the Si—Al—
(Evaluation)
FIG. 4 is a view showing an increase in oxidation of the SiC fiber reinforced
[0050]
As shown in the drawing, in the SiC fiber reinforced
[0051]
FIG. 5 is a diagram showing a change in bending strength with respect to the exposure time of the SiC fiber reinforced
[0052]
As described above, according to the first embodiment, even when cracks 11 are generated in the Al-based
[0053]
Further, by improving the oxidation resistance, that is, by suppressing the oxidation in the SiC fiber reinforced
[0054]
Since the SiC fiber reinforced
[0055]
In addition, the SiC fiber reinforced
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a schematic view schematically showing the structure of a self-repairing type high temperature member according to the second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. Only the different parts will be described here.
[0056]
That is, the present embodiment is a modification in which the surface of the SiC fiber reinforced
[0057]
Here, the Al 2 O 3 coating layer 13 has a melting point of 2000 ° C. or higher and is scientifically stable. The surface coating layer is not limited to Al 2 O 3, but also BeO, CeO 2 , Cr 2 O 3 , HfO 2 , La 2 O 3 , MgO, ThO 2 , UO 2 , Y 2 O 3. And a material having a melting point of 2000 ° C. or higher that is formed from one or more oxides selected from the group consisting of ZrO 2 can be used as appropriate.
[0058]
Next, the manufacturing method and operation of such a self-repairing type high temperature member will be described.
(Production method)
As shown in FIG. 7, the process up to the machining step ST4 is the same as the manufacturing method of the SiC fiber reinforced
[0059]
After the completion of the machining process ST4, the Al 2 O 3 coating layer 13 is formed on the surface of the SiC fiber reinforced
2Al (s) + 6HCl (g)
→ 2AlCl 3 (g) + 3H 2 (g) (1)
3H 2 (g) + CO 2 (g)
→ 3H 2 O (g) + 3CO (g) (2)
2AlCl 3 (g) + 3H 2 O (g)
→ Al 2 O 3 (s) + 6HCl (g) (3)
(Function)
The SiC fiber reinforced
[0060]
That is, in the exposed portion due to cracking, Al in the SiC-Al-
[0061]
As described above, according to the second embodiment, since the oxidation-resistant Al 2 O 3 coating layer 13 is formed on the surface of the SiC fiber-reinforced
[0062]
Further, when the Al 2 O 3 coating layer 13 is cracked and the SiC fiber reinforced
[0063]
In particular, since the oxidation-resistant coating layer on the surface of the SiC fiber reinforced
(Other embodiments)
In the first embodiment, the manufacturing method of impregnation of SiC-C-based slurry, filling of Si-Al solution, and sintering has been described. However, the present invention is not limited thereto, and at least ceramic or carbon is contained as a main component. Solid solution or finely disperse the powder to be prepared and powder containing at least one of Al or an Al compound by a mechanical alloy method, and then form and sinter the powder to form a solid solution of Al in the
[0064]
Similarly, in the
[0065]
In each of the above embodiments, both the fiber member and the matrix member have a structure containing ceramics and carbon as main components. However, the present invention is not limited to this, and it is sufficient that at least ceramics or carbon is contained in the main components. .
[0066]
Moreover, in the said 1st Embodiment, although the manufacturing method including the manufacturing process which carries out solid solution of Al was demonstrated, even if it is a manufacturing method including the manufacturing process which disperse | distributes an Al compound, it is in a base material. Since it can be substituted as a production method for containing Al element in Al, it is included in the concept of the present invention.
In addition, the present invention can be implemented with various modifications without departing from the gist thereof.
[0067]
As described above, according to the present invention, self-healing repairs cracking with an Al-based oxide even when the oxide layer or oxidation-resistant coating layer formed on the substrate surface is cracked and the substrate is exposed. It is possible to provide a method for producing a self-repairing type high-temperature member having a function and capable of achieving both mechanical strength and oxidation resistance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a configuration of a self-repairing high temperature member according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a manufacturing process diagram in the same embodiment. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the self-healing function. FIG. 4 is a diagram showing the amount of increase in oxidation of the SiC fiber-reinforced composite material in the same embodiment at high temperature and atmospheric pressure in comparison with the conventional material. The figure which shows the change of the bending strength with respect to the exposure time to the high temperature oxidation atmosphere of the SiC fiber reinforced composite material in a form compared with a conventional material. FIG. 6 shows the self-repairing type high temperature member according to the second embodiment of the present invention. Schematic diagram schematically showing the configuration [FIG. 7] Manufacturing process diagram in the same embodiment [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
9 ... Si-
Claims (4)
前記繊維部材に、少なくともセラミックス又はカーボンを主成分に含有するスラリーを含浸させる含浸工程と、
前記スラリーの含浸された繊維部材にAlを固溶又はAl化合物を分散させ、これらスラリーとAlとを繊維部材ごと焼結してこの繊維部材中にマトリクス部材を形成するマトリクス部材形成工程と
を含んでいることを特徴とする自己修復型高温用部材の製造方法。A fiber member forming step of forming a fiber member by weaving a plurality of fibers containing at least ceramics or carbon as a main component;
An impregnation step of impregnating the fiber member with a slurry containing at least ceramics or carbon as a main component;
A matrix member forming step of forming a matrix member in the fiber member by dispersing Al or an Al compound in the fiber member impregnated with the slurry, and sintering the slurry and Al together with the fiber member. A method for producing a self-healing type member for high temperature, wherein
前記繊維部材及び前記マトリクス部材は、両者ともSiCを主成分とすることを特徴とする自己修復型高温用部材の製造方法。In the manufacturing method of the member for self-healing type high temperature according to claim 1 ,
The fiber member and the matrix member both have SiC as a main component, and a method for producing a self-healing type high temperature member.
前記マトリクス部材の形成後、機械加工により、前記繊維部材及び前記マトリクス部材からなる基材を所定の寸法に成形する成形工程と、
前記成形された基材の表面に、CVD法により、耐酸化性コーティング層を形成するコーティング層形成工程と
を含んでいることを特徴とする自己修復型高温用部材の製造方法。In the manufacturing method of the member for self-repair type | mold high temperature of Claim 1 or Claim 2 ,
After the formation of the matrix member, a forming step of forming the base member made of the fiber member and the matrix member into a predetermined dimension by machining,
And a coating layer forming step of forming an oxidation-resistant coating layer on the surface of the molded base material by a CVD method.
前記CVD法は、供給するHClガスと前記マトリクス部材中のAlとの反応により生じるAl塩化物ガスを前記耐酸化性コーティング層の原料に用いており、
前記耐酸化性コーティング層は、Al2O3であることを特徴とした自己修復型高温用部材の製造方法。In the manufacturing method of the member for self-healing type high temperature according to claim 3 ,
The CVD method uses, as a raw material for the oxidation-resistant coating layer, an Al chloride gas generated by a reaction between supplied HCl gas and Al in the matrix member.
The method for producing a self-repairing type high-temperature member, wherein the oxidation-resistant coating layer is Al 2 O 3 .
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