JP2009214540A - 金属−セラミックマトリックスハイブリッド複合構造の製造方法、複合構造の製造方法、および積層複合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】局所化された衝撃荷重に対するより高い耐性および向上された延性を示す金属−セラミックマトリックスハイブリッド複合構造の製造方法を提供する。
【解決手段】積層セラミックマトリックス複合構造は、金属強化材の１つ以上の層で強化される。金属強化材は、最適な強度およびセラミックマトリクス複合材との熱親和性を実現するよう選択される。金属強化材は、セラミックマトリックス複合材に接着する外側酸化層を含む。金属強化材は、それ以上の酸化を防ぐのに役立つ防護層も金属の表面上に含んでもよい。この構造は、標準の複合材プリプレグレイアップ技術を用いて形成される。
【選択図】図３

Description

この開示は、概して、積層複合構造、特にセラミックマトリックスを用いる積層複合構造に関し、より具体的には、金属強化セラミックマトリックスハイブリッド複合構造の製造方法、さらにはそれによって製造される複合構造を扱う。

背景
セラミックマトリックス複合（ceramic matrix composite：ＣＭＣ）構造は、高い動作温度に耐える能力があるので、航空宇宙および他の用途に用いられることがある。たとえば、ＣＭＣ構造は、航空機用途において部品が高温の排気ガスに晒される場合に、用いられることがある。一般に、積層ＣＭＣ複合構造は、耐衝撃性が比較的低いことがあり、とりわけ、急な点荷重の結果、衝撃が局所化された場合そうである。この耐衝撃性の低さは、こういったＣＭＣ積層品が、セラミックマトリックス中に保持される繊維から形成されることがあり、このセラミックマトリックスは、局所化された衝撃から生じるエネルギを吸収または緩衝する能力が最適未満であることがあることに、部分的に由来する。

上述の問題の１つの解決策は、この構造を強化するために、ＣＭＣ積層材料の追加の層を加えることで構成される。しかしながら、この解決策によって航空機構成部品に重量が追加されるため、この解決策が、好ましくない用途もある。

連続繊維を樹脂マトリックス中に含む複合層に金属を含む層が挿入された積層ハイブリッド材料が知られている。たとえば、グラファイト複合材とチタンの挿入層を含むＴｉＧｒ積層品が開発されている。同様に、アルミニウム層が挿入されたガラス複合層を有する積層品も知られている。しかしながら、こういった先行材料システムは、いずれも、ＣＭＣ構造の強化において用いるために容易に適用可能でない。

したがって、ＣＭＣ積層品が、局所化された衝撃負荷に耐えるが、構造に大幅な重量を追加する材料を回避するように強化される、金属−セラミックマトリックスハイブリッド複合構造が必要とされている。上述のハイブリッド構造の、繰返し可能で、そのうえ生産環境によく適した製造方法も必要とされている。

概要
開示される実施例は、局所化された衝撃荷重に対するより高い耐性および向上された延性を示す金属−セラミックマトリックスハイブリッド複合構造の製造方法を提供する。その他の利点は、強化された耐雷撃能力およびより高い熱伝導性も含んでもよいが、これに限定されない。

開示される１つの方法に従って、金属−セラミックマトリックスハイブリッド複合構造は、金属強化材を含む強化層を形成するステップと、金属強化材の表面上に酸化層を形成するステップと、強化層を、セラミックマトリックスを予め含浸された連続セラミック繊維の層間に配置するステップを含む、レイアップを形成するステップと、レイアップを硬化し、セラミック繊維の層を強化層に接着するステップとによって製造される。強化層を形成するステップは、金属シートにメッシュパターンを圧延して形成するステップを含ん
でもよい。酸化物の層は、金属強化材の表面上に金属被膜を施すステップと、金属被膜を酸化させるステップとによって形成されてもよい。この方法は、硬化されたレイアップを、炉内で予め選択された時間加熱するステップによって、セラミックマトリックスを焼結するステップをさらに含んでもよい。

別の開示される方法実施例に従って、複合構造は、セラミックマトリックスを予め含浸された連続セラミック繊維の複数のプライを提供するステップと、熱膨張率（ＣＴＥ）がセラミック繊維のＣＴＥに概ね一致する連続金属強化材を含む少なくとも１つの強化プライを形成するステップと、強化プライをセラミック繊維の複数のプライ間に配置することによって、レイアップを形成するステップと、レイアップを高温で硬化することによって、強化プライをセラミックマトリックスに接着するステップとによって製造される。強化プライは、金属繊維とセラミック繊維とを織り合わせ、金属−セラミックメッシュを形成することによって形成されてもよい。強化プライは、ホウケイ酸ガラスの熱膨張特性を有するニッケル−コバルト鉄合金シートを提供するステップと、この合金シート上にニッケル被膜を施すステップと、この合金シートを、ニッケル被膜を酸化させるのに十分な温度に加熱するステップとによっても形成されてもよい。

別の開示される実施例に従って、積層複合構造が提供される。この積層複合構造は、セラミックマトリックス中に保持されるセラミック繊維の複数の層と、セラミックマトリックスに接着され熱膨張率（ＣＴＥ）がセラミック繊維のＣＴＥに概ね一致する金属を含む少なくとも１つの強化層とを含む。強化層中の金属は、メッシュ、穿孔された金属箔、金網、金属箔ストリップ、またはワイヤを含んでもよい。金属の表面は、金属、ガラス、または層状不透過性酸化膜であってもよい酸化物防護被膜を含む。

別の開示される方法実施例に従って、航空宇宙機のための強化セラミックマトリックス複合構造の製造方法は、連続繊維のプライをセラミックマトリックスで予め含浸するステップと、熱膨張率（ＣＴＥ）がセラミックマトリックスのＣＴＥと概ね一致する金属強化材を選択するステップと、金属強化材の表面上に金属被膜を施すステップと、金属被膜を酸化させるステップと、金属強化材を含む少なくとも１つの強化プライを形成するステップと、強化プライを少なくとも２つの予め含浸されるプライの間に配置することによって、レイアップを形成するステップと、レイアップを加熱および加圧することによって硬化し、圧縮するステップと、レイアップを、硬化し圧縮した後に、焼結するステップとを含んでもよい。

別の開示される実施例に従って、航空宇宙機のための金属強化セラミック複合構造が提供される。この構造は、セラミックマトリックス中に保持される繊維の複数のプライと、繊維の複数のプライ間に差し込まれた少なくとも１つの強化プライとを含み、この強化プライは、熱膨張率（ＣＴＥ）がセラミックマトリックスのＣＴＥに概ね一致する連続金属強化材を含み、この連続金属強化材は、セラミックマトリックスに接着される金属酸化物の外側層をさらに含む。

開示される実施例は、軽量だが、機械的衝撃荷重のみならず熱サイクルからのストレスにも耐えるよう強化されたセラミックマトリックス複合構造へのニーズを満たす。

開示される実施例の他の特徴、利益、および利点は、添付の図面および添付の特許請求の範囲に従って検討されると、以下の実施例の説明から明らかとなるであろう。

開示される実施例に従って製造されてもよい高温のジェットエンジン構成部品を有する航空機の斜視図である。 開示される実施例のいずれかに従う金属−セラミックハイブリッド複合構造の一部分の斜視図である。 図２中の線３−３に沿った断面図である。 図３に示す複合構造中で強化材として用いられる圧延金属スクリーンメッシュの平面図である。 強化材の代替的な形状を構成する穿孔された金属箔メッシュを示す平面図である。 強化材の別の代替的な形状を構成する金網を示す平面図である。 強化材の別の代替的な形状を構成する織り合わされた金属およびセラミック繊維の平面図である。 強化材の別の代替的な形状を構成する互いに直交するように配列された２組の金属箔ストリップを示す斜視図である。 強化材の別の代替的な形状を構成する間に差し込まれた連続金属シートで強化されるＣＭＣ構造の断面図である。 強化材の別の代替的な形状を構成する互いに直交するように配列された金属ワイヤを備えるＣＭＣ構造の断面図である。 １つの方法実施例の簡略化されたフロー図である。 別の方法実施例を示すより詳細な図式的フロー図である。 図１２に示す方法によって製造されるワイヤメッシュの一部分の拡大された平面図である。

詳細な説明
まず図１−図４を参照して、金属−セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）ハイブリッド構造２０は、これに限定しないが、航空機２８のジェットエンジン２６上にある排気ノズル２２および排気プラグ２４または航空機排気アセンブリなどの、高温に晒される部品において用いられてもよい。本明細書中で用られる用語「セラミックマトリックス複合材」は、セラミックマトリックス中に束ねられる連続繊維から生成される複合材を指す。この繊維は、テープまたは布状であり得、炭化ケイ素、アルミナ、アルミノケイ酸塩、アルミノホウケイ酸塩、炭素、窒化ケイ素、ホウ化ケイ素、シリコンボロナイトライド、および同様の材料から形成される繊維を含むが、これに限定されない。セラミックマトリックスは、アルミノケイ酸塩、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭素、および同様の材料から形成されるマトリックスを含んでもよいが、これに限定されない。

金属−ＣＭＣハイブリッド構造２０は、概して、セラミックマトリックス中に保持される連続セラミック繊維を含む複数の層３２間に差し込まれる１つ以上の強化層３０を含む。図示する例において、金属ＣＭＣハイブリッド構造２０は、図３で見て最上部から最下部へ、２つのセラミックマトリックス複合材の層３２と、１つの強化層３０と、８つのセラミックマトリックス複合材の層３２と、１つの強化層３０と、２つのセラミックマトリックス複合材の層３２とを含む。さまざまな他のサンドイッチ構造が、用途により可能である。金属−ＣＭＣハイブリッド構造２０は、セラミックマトリックス複合材の層３２間のさまざまな位置に差し込まれるわずか１つの強化層３０または複数のこのような層３０を含んでもよい。

図２−図４に説明される実施例において、強化層３０各々は、金属−ＣＭＣハイブリッド構造２０の製造中にセラミックマトリックスによって貫通され層３０、層３２の融合をもたらしてもよい開口部４２を有する金属スクリーンメッシュ４０を含む。メッシュ４０は、周囲のセラミックマトリックスに接着される外側酸化物層３６を有する相互接続された金属要素３４を含む。

３０．強化層３０は、任意のさまざまな連続形状であってもよい金属を含む。たとえば、図５に示すように、強化層３０は、穿孔４６を含む金属箔シート４４を含んでもよい。これに代わって、図６に示すように、強化層３０は、金網４８を含んでもよい。図７に示すように、強化層３０を、織り合わされた金属繊維５０とセラミック繊維５２とから形成することが可能であってもよい。

図８は、強化層３０の別の形状を説明する。この強化層において、金属強化材は、金属箔から成る平行ストリップ５４によって形成される。複数の層３０ａ、３０ｂ中の金属箔から成る平行ストリップ５４は、１つ以上の強化層３０を用いてハイブリッド構造２０を強化する場合は、たとえば互いに直交するような、異なる角度で配列されてもよい。

図９は、セラミックマトリックス複合材の層３２間に挟持される平坦な連続金属箔シート５６を用いる可能性を説明する。さらに別の実施例を図１０に示す。この実施例において、強化層３０は、複数の層３０中に互いに直交するように配列されてもよい平行金属ワイヤ５８によって形成される。

強化層３０において用いられる金属３４は、熱膨張率（ＣＴＥ）が、セラミックマトリックス複合材のＣＴＥに、概ね一致してもよく、可能な限り近くてもよい。セラミックマトリックス複合材が、アルミノケイ酸塩マトリックス中にアルミナ繊維を含む場合は、ＣＭＣとの満足のいく接着を形成するためには、比較的軟らかく、ＣＴＥが比較的低い金属３４を選択してもよい。たとえば、ＫＯＶＡＲ（登録商標）および４２アロイなどの、鉄およびニッケルベースの金属合金が、アルミナ繊維ベースのＣＭＣとともに用いるための良い候補であってもよい。ＫＯＶＡＲ（登録商標）は、ニッケル−コバルト鉄合金であり、熱膨張特性がホウケイ酸ガラスに類似し、３０℃と２００℃の間で約５×１０^-6／Ｋ、８００℃で約１０×１０^-6／Ｋである。ＫＯＶＡＲ（登録商標）は、典型的に、重量で２９％のニッケル、１７％のコバルト、０．２％のシリコン、０．３％のマンガンおよび５３．５％の鉄を含む。用語ＫＯＶＡＲ（登録商標）は、上述の熱膨張特性を示すＦｅＮｉ合金を指す一般的な用語として用いられることがある。

ベースの合金元素が通常ニッケル、コバルト、またはニッケル−鉄合金である他の「超合金」も適していてもよい。超合金は、高温での良好な機械的強度および耐クリープ性、良好な表面安定性、ならびに耐食性および耐酸化性を示す。しかしながら、セラミックマトリックス３８（図１３に示す）として用いられる材料によっては、より硬く、ＣＴＥがより高い金属３４を使用することが可能であってもよい。

強化層３０の厳密な幾何学的形状は、用途によってさまざまであるだろう。強化層３０に含まれる合金３４の特徴サイズおよび幾何学的形状を選択するにあたって、ゲージまたは厚さ、１平方インチあたりの開口部面積、１平方インチあたりの分布、ならびにパターンおよび角度を含むがこれに限定されない、さまざまなパラメータを考慮してもよい。

次に、図１１に注目する。図１１は、簡略化された形で、金属−ＣＭＣハイブリッド構造２０の製造方法の１つの実施例のステップを説明する。６０から始まり、金属強化材３４を、いくつかのみ挙げるが、金属箔圧延成形、織成、編組、または押出成形などの任意のさまざまなプロセスを用いて製造する。次に、ステップ６２において、以下にさらに詳細に述べるように、金属強化材３４の表面を前処理することが必要であってもよい。たとえば、下層にある金属合金を、後続処理ステップ中のまたは金属−ＣＭＣハイブリッド構造２０が使用に供せられた後の過度の酸化または他の化学変化から保護するためには、金属強化材３４に防護被膜（図示せず）を施すことが必要であってもよい。

ステップ６４において、酸化物被膜３６（図３）を、金属強化材３４の表面を覆ってま
たは該当する場合は防護被膜を覆って形成する。後に述べるように、６４において施される酸化物被膜３６は、金属強化材３４とセラミックマトリックス３８の間にもたらされる接着を強化することを意図するものである。金属酸化物の厳密な種類は、セラミックマトリックス３８において用いられるセラミック酸化物の種類によるであろう。

次に、ステップ６６において、１つ以上の強化層３０が間に差し込まれる複数のＣＭＣ層３２を含むレイアップを形成する。６８において、６６で形成したレイアップを、加熱プレス、真空バッグ処理、およびオートクレーブ処理などの従来の技術および設備を用いて圧縮し、硬化する。最後に、ステップ７０に示すように、硬化したレイアップを、硬化後処理にかける。硬化後処理は、セラミックマトリックス３８を溶融するために、硬化したレイアップを炉内で加熱する焼結を含んでもよいが、これに限定されない。

次に図１２および図１３に注目する。これらの図は、金属−ＣＭＣハイブリッド構造２０の選択された材料を用いた製造方法のいっそうの詳細を図式的に説明する。７２から始まり、厚さ０．００５インチのＫＯＶＡＲ（登録商標）などの選択された合金箔７４に、切れ目を入れ、圧延工具７６を用いて引き伸ばし、たとえば１平方インチあたり１００個の開口部を有する金属メッシュ４０を形成する。切れ目を入れられ、引き伸ばされた後、メッシュ４０は、７８に示すように、断面がいくぶん不均一であることがある。したがって、メッシュ４０を、８０において圧延し、平坦化し、これにより８２に示すように、メッシュ４０にある開口部を均等にする。次に、８４で、メッシュ４０を、ニッケルなどの適切な金属で被膜する。８６に示すように、ニッケル被膜８８は、ＫＯＶＡＲ（登録商標）メッシュ４０を取囲む。ステップ９０において、ニッケルで被覆されたＫＯＶＡＲ（登録商標）メッシュ４０を、ニッケル被膜８８の表面を酸化させ、これによりニッケル被膜８８を覆うニッケル酸化物から成る外側層９２を生成するために、たとえば１５００°Ｆで３時間熱処理する。ここで、開示される実施例に関連してニッケル被膜８８が説明されたが、他の適切な防護被膜が、ガラス系被膜および複合層状不透過性酸化膜も含めて可能であることが留意されるべきである。

ステップ９４において織られたまたは編まれたセラミック繊維のシート９５を、９６においてセラミックスラリに浸漬し、プリプレグセラミック繊維シート９８を形成する。９９において、プリプレグシート９８を、金属強化材３４を含み、間に差し込まれる１つ以上の強化層３０とともに積み重ねることによって、レイアップ９８を形成する。１つの実施例において、適切なレイアップ９８は、Ｎ６１０ＣＭＣプリプレグシート９８の２つのプライを含み、続いてメッシュ４０の１つのシート、プリプレグシート９８の８つのプライ、メッシュ４０の１つのプライを含み、続いてプリプレグシート９８の２つのプライを含んでもよい。

次に、１０２において、レイアップ１００を、当て板１０４間に配置し、真空バッグ（図示せず）中に密封する。真空バッグに詰められたレイアップ１００を、次に、ステップ１０６に示すように、プラテンプレス機（図示せず）にかけ、またはオートクレーブ１０８に入れる。レイアップ１００を、適切な温度および圧力で、予め選択された時間、硬化させる。たとえば、上述のレイアップ１００を、１５０から４５０°Ｆまで、圧力最高１００ｐｓｉまでにわたってもよい低温硬化プロファイルにかけてもよい。

ステップ１１０において、部品１００を炉（図示せず）内における焼結などの硬化後処理にかけてもよい。たとえば、部品１００を、炉内で、５００°Ｆから２２００°Ｆにわたってもよい高温常圧硬化後プロファイルにかけてもよい。

図１３は、周囲のセラミックマトリックス３８と界面接着を形成するニッケル酸化物の層９２によって覆われるニッケル被膜８８を有するＫＯＶＡＲ（登録商標）メッシュ４０
の断面を、より明確に説明する図である。ニッケル酸化物９２とセラミックマトリックス３８の間の接着強度は、ハイブリッド複合材の特性を最適化するよう調整される。

図１２に関連して説明されたプロセスは、ＫＯＶＡＲ（登録商標）４０をセラミックマトリックス３８に接着するために必要であってもよいニッケル酸化物被膜９２との間の防護壁として、ニッケル被膜８８を用いる。前述のように、下層にあるニッケル被膜８８は、金属−ＣＭＣハイブリッド構造２０の製造段階中にか、または、構造２０の供用時に持続的高温のためにかのいずれかで起こることがある、ＫＯＶＡＲ（登録商標）メッシュ４０の過度の酸化を防止する。しかしながら、金属強化層３０のために選択された合金によっては、ニッケル被膜８８などの防護被膜を使用する必要はないこともあり、むしろ強化層３０の製造母材の外側表面を直接酸化させることが可能であることもある。また、防護層８８を用いない場合は、他の技術を用いて、下層にある母材４０に引き続き起こり得る酸化を抑制してもよい。

酸化物被膜９２は、上に説明した実施例においては下層にある防護被膜８８を酸化させることによって生成されたが、これに代わって、防護層８８を形成する母材の酸化物以外の酸化物を含む酸化物被膜を、下層にある防護層８８に施し、接着することが可能であってもよい。

この開示の実施例は、特定の例示的な実施例について説明されたが、他の変形例が当業者には想起されるであろうことから、特定的な実施例は例示目的のものであり、限定目的のものではないことが理解されるべきである。

２０ 金属−セラミックマトリックス複合ハイブリッド構造、３０ 強化層、３２ セラミックマトリックス複合材の層、３４ 金属要素、３６ 外側酸化物層、３８ セラミックマトリックス、４０ 金属スクリーンメッシュ、８８ 防護被膜、９２ 酸化物被膜、９８ プリプレグセラミック繊維シート、１００ レイアップ。

Claims (15)

1. 金属−セラミックマトリックスハイブリッド複合構造の製造方法であって、
   金属強化材を含む強化層を形成するステップと、
   前記金属強化材の表面上に酸化物を形成するステップと、
   前記強化層を、セラミックマトリックスを予め含浸された連続セラミック繊維の層間に配置するステップを含む、レイアップを形成するステップと、
   前記レイアップを硬化し、前記セラミック繊維の層を前記強化層に接着するステップとを備える、方法。
2. 前記酸化物の層を形成するステップは、
   前記金属強化材の表面上に金属被膜を施すステップと、
   前記金属被膜を酸化させるステップとを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記レイアップを硬化するステップは、前記金属強化材の表面上の前記酸化物の層を前記セラミック繊維および前記セラミックマトリックスに接着するのに十分な温度に、前記レイアップを加熱するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記硬化されたレイアップを炉内で予め選択された時間加熱することによって、前記セラミックマトリックスを焼結するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
5. 前記強化層を形成するステップは、金属繊維をセラミック繊維と織るステップを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記強化層を形成するステップは、ＫＯＶＡＲ（登録商標）金属箔を提供するステップを含み、
   前記酸化物の層を前記金属強化材の表面上に形成するステップは、前記ＫＯＶＡＲ（登録商標）金属箔の表面上にニッケル被膜を施すステップと、前記ニッケル被膜を酸化させるのに十分な温度に、前記ニッケル被膜を加熱するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
7. 複合構造の製造方法であって、
   セラミックマトリックスを予め含浸された連続セラミック繊維の複数のプライを提供するステップと、
   熱膨張率（ＣＴＥ）が前記セラミック繊維のＣＴＥに概ね一致する連続金属強化材を含む少なくとも１つの強化プライを形成するステップと、
   前記強化プライを前記セラミック繊維の複数のプライ間に配置することによって、レイアップを形成するステップと、
   前記レイアップを高温で硬化することによって、前記強化プライを前記セラミックマトリックスに接着するステップとを備える、方法。
8. 前記強化プライを形成するステップは、工具を金属箔のシート上に転がし、前記金属箔にメッシュパターンを生成するステップを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記金属強化材の表面に金属の被膜を施すステップと、
   前記金属被膜を酸化させるステップとをさらに備える、請求項７に記載の方法。
10. 前記強化プライを形成するステップは、金属繊維とセラミック繊維とを織り合わせ、金属−セラミックメッシュを形成するステップを含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記強化プライを形成するステップは、
    ホウケイ酸ガラスの熱膨張特性を有するニッケル−コバルト鉄合金シートを提供するステップと、
    前記合金シート上にニッケル被膜を施すステップと、
    前記ニッケル被膜を酸化させるのに十分な温度に前記合金シートを加熱するステップとを含む、請求項７に記載の方法。
12. 積層複合構造であって、
    セラミックマトリックス中に保持されるセラミック繊維の複数の層と、
    前記セラミックマトリックスに接着され熱膨張率（ＣＴＥ）が前記セラミック繊維のＣＴＥに概ね一致する金属を含む少なくとも１つの強化層とを備える、積層複合構造。
13. 前記強化層は、織り合わされた金属繊維とセラミック繊維とを含む、請求項１２に記載の積層複合構造。
14. 前記金属の表面は、酸化物防護被膜を含む、請求項１２に記載の積層複合構造。
15. 前記金属は、前記セラミックマトリックスに接着される酸化物の外側層を含む、請求項１２に記載の積層複合材料。

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