JP6056564B2 - セラミックマトリックス複合材の加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックマトリックス複合材の加工方法に関する。

従来、航空機のエンジンなどに用いられる高温構造部材にニッケル基超合金が用いられてきたが、軽量化、長寿命化、燃費改善などの観点からニッケル基超合金に替わる複合材料が検討され、セラミック繊維をセラミックで硬化したセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）が注目されている（下記特許文献１を参照）。

セラミックマトリックス複合材は、セラミックスの利点である高耐熱性、高剛性、高耐摩耗性、高耐薬品性などを活かしながら、セラミックス繊維と複合化して欠点である低じん性を補い、ニッケル基超合金よりもさらに高温な環境で使用でき、大幅な燃費効率の改善が期待できる（下記非特許文献１を参照）。

このセラミックマトリックス複合材は、これまで難削材であるが故に研削によって表面加工が行われ、エンドミルやドリルなどによる切削機械加工が難しく、工具寿命も短かった。例えば、切削工具または砥石で加工する場合には、除肉量が高々０．０６ｃｃ／ｍｉｎ程度となり、かつ連続加工が出来なかった。

このようなセラミックマトリックス複合材のようなセラミック系または金属系の難加工材の加工を改善する方法として、レーザ援用加工が提供されている。このレーザ援用加工には、（１）金属材料に対してパルス発振レーザ光を照射し、切削する方法（下記特許文献２を参照）や（２）高硬度、高脆性材料を急熱・急冷により、被削材表面にクラックを発生させて脆化層を形成させる方法（下記特許文献３を参照）および（３）レーザ支援によるフライス加工（下記特許文献４を参照）などがある。

特開２００８−８１３７９号公報 特開平９−１５５６０２号公報 特開昭６１−１５２３４５号公報 特開平１０−１１３８１５号公報

小笠原俊夫、「航空宇宙分野におけるＳｉＣ系セラミックス複合材料開発」、プラズマ・核融合学会誌、２００４年、第８０巻、第１号、ｐ．３６−４１ 飯田修一編、「物理定数表」、朝倉書店、１９６９年、ｐ．１９９

しかしながら、上記レーザ援用加工について、（１）の方法は、工具の前切刃角で得られる斜面の表面を間欠的にレーザ照射加熱することにより、被削材の強度を低下させ、切り屑を一定間隔で切断することを特徴としていて、切り屑処理性を向上させるものであるため、切削性の効率は限定されていた。

（２）の方法は、繊維強化されていないモノリシックセラミックスでは有効な大きさの亀裂が発生するが、セラミックマトリックス複合材に対しては亀裂進展効果が低かった。（３）の方法は、フライス加工に特化したレーザ援用加工方法で、機械衝撃による臨界領域を加熱することを特徴とするため、工具および加工形状が限定された。

本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、セラミックマトリックス複合材の加工速度を向上させ、加工工具の寿命を延ばすようなセラミックマトリックス複合材の加工方法を提供することを目的とする。また、切削性を向上させ、亀裂進展効果が高く、工具及び加工形状が限定されないようなセラミックマトリックス複合材の加工方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明に係る方法は、セラミックマトリックス複合材の加工方法であって、被加工材の表面にレーザ光の照射部を走査して照射し、この照射部における被加工材の表面に劣化層(脆化した表層部)を形成するステップと、エンドミルその他の加工工具によって前記照射部に形成された劣化層を順に除去するステップとを有し、前記劣化層は、前記照射部を連続発振レーザ光の照射により所定温度まで加熱するとともにパルス発振レーザ光の照射により亀裂を形成することにより形成されるものである。

このとき、所定温度とは、セラミックスマトリックス複合材の表面に熱変成層を形成しうる温度である。たとえば、ポリマー原料からなるＳｉＣ繊維やマトリックスは、耐熱性の低いグレードのものは１３００℃から１４００℃程度以上で熱分解を開始し、熱変成層が形成される。

前記劣化層を除去するステップにおいては、前記照射部から所定距離だけ離れて前記照射部に追随する前記加工工具によって前記照射部に形成された前記劣化層を順に除去することが好ましい。前記加工工具は、エンドミルであることが好ましい。

このとき、所定距離とは、セラミックスマトリックス複合材の表面に熱変成層を形成した場合に、工具に及ぼす熱影響をできるだけ少なくする距離である。

前記劣化層を形成するステップにおいては、前記被加工材の表面の所定の領域に前記劣化層を形成し、前記劣化層を除去するステップにおいては、前記所定の領域に前記劣化層が形成された後、当該劣化層を除去することが好ましい。前記加工工具は、エンドミルであることが好ましい。

本発明によると、セラミックマトリックス複合材の加工速度が向上される。また、加工工具の寿命も延長される。また、切削性を向上させ、亀裂進展効果が高く、工具及び加工形状が限定されないようにすることができる。

加工装置の概略的な構成を示す図である。 セラミックマトリックス複合材を示す図である。 被加工材表面でのレーザ光（ビーム）の形状を示す図である。 被加工材を加工する一連の工程を示すフローチャートである。 輻射温度計の概略的な構成を示す図である。 輻射温度計のための校正曲線を示す図である。 エネルギ密度とレーザ照射部の表面温度の関係を示すグラフである。 レーザ照射部からの距離と温度の関係を示すグラフである。 レーザ援用と切削力の関係を示す図である。 エンドミルのすくい面のＳＥＭ像を示す図である。 レーザ援用加工の実施例の概略的な構成を示す図である。 レーザ出力と切削力との関係を示すグラフである。 エネルギ密度と除去深さの関係を示す図である。

以下、本発明に係るセラミックマトリックス複合材の加工方法の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。この加工方法は、レーザ援用により被加工材となるセラミックスマトリックス複合材（ＣＭＣ）を切削加工するものである。

本実施の形態においては、レーザを援用してセラミックマトリックス複合材の表面を局所加熱し、加熱部を切削するレーザ援用加工の可能性を調べる。そして、セラミックマトリックス複合材料の表面にレーザ照射したときの表面温度を輻射温度計で測定するとともに、レーザ照射条件が切削特性に及ぼす影響について調べる。

図１は、本実施の形態のセラミックマトリックス複合材の加工方法を実現する加工装置１０の概略的な構成を示す図である。この加工装置１０においては、テーブル１１の上面に切削動力計１２を介してバイス１３が取り付けられ、このバイス１３によりセラミックマトリックス複合材による厚さ３ｍｍの板状の被加工材３０が固定されている。この加工装置１０には、マシニングセンタ、フライス盤などを利用することができる。

被加工材３０の表面には、レーザヘッド２１から、レーザ光がテーブル１１上面の法線を基準として被加工材３０の送り方向から後方に４５°傾斜する方向に照射され、被加工材３０の表面に照射部３２が形成される。被加工材３０の表面において、この照射部３２から送り方向に所定距離だけ離れた位置が直径６ｍｍのエンドミル２５によって切り込み０．１ｍｍで切削される。なお、図中に矢印で示す加工方向は送り方向とは逆方向に相当する。

被加工材３０は、それぞれの位置が固定されたレーザヘッド２１とエンドミル２５に対して所定の送り速度で移動する。これとは逆に、被加工材３０を基準にすると、レーザヘッド２１とエンドミル２５は所定速度で移動し、エンドミル２５はレーザ光が照射された照射部３２を所定距離だけ離れて追随するようになされている。このようなレーザヘッド２１とエンドミル２５の移動方向が図中の矢印で加工方向として示されている。

レーザ光は被加工材３０の送り方向に対してエンドミル２５の先端から後方になるように設置され、被加工材３０の未切削面の表面の照射部３２に照射され、局所的に加熱された照射部３２をエンドミル２５が切削する。エンドミル２５には超鋼フラットエンドミルを用い、切削動力計１２の固有振動数を考慮し、エンドミル２５の回転数は６０００ｒｐｍとした。

この加工装置１０においては、ｘｙｚ直交座標系が規定され、テーブル１１の上面にｘｙ面が平行になり、被加工材３０の長手方向がｘ軸方向、厚さ方向がｙ軸方向となり、テーブル１１上面法線とｚ軸方向が逆向きになるようになされている。したがって、被加工材３０におけるｘｙ面が切削加工が行われる加工面であり、ｘ軸方向が被加工材３０の送り方向、ｚ軸方向が切削の深さ方向になる。

このｘｙｚ座標系を参照すると、レーザヘッド２１から照射されるレーザ光はテーブル１１の上面法線からｘ軸方向に４５度傾斜し、エンドミル２５はｚ軸方向を切削の深さ方向としている。また、被加工材３０を基準として、レーザヘッド２１とその照射部３２はｘ軸方向に所定速度で移動し、エンドミル２５もこれらに追随してｘ軸方向に所定速度で移動する。レーザ光は加工面となるｘｙ面を照射部３２にて走査し、エンドミル２５はこの照射部３２による走査に追随して切削する。

図２は、被加工材３０となるセラミックマトリックス複合材の一例を示す図である。この複合素材は、板状のセラミックス繊維３１の織物の隙間をセラミックスで充填し、複合化することにより形成したものである。このようなセラミックマトリックス複合材としては、例えば前記特許文献１に挙げたものを利用することができる。

この板状のセラミックマトリックス複合材においてもｘｙｚ直交座標系が設定され、例えばこのセラミックマトリックス複合材の長手方向をｘ軸方向とし、厚さ方向をｙ軸方向とし、他の方向をｚ軸方向とすることができる。そしてこのように設定されたｘｙｚ方向を参照し、加工装置１０に設定されたｘｙｚ方向と整合するように、加工装置１０に取り付けることができる。

図３は、加工装置１０に取り付けられた被加工材３０でのビーム形状を示す図である。この図においては、レーザ光の強さがグレースケールで示されている。照射部３２は楕円状であり、短軸方向が０．４ｍｍ×長軸方向が４．１ｍｍであった。

図４は、この加工装置１０を用いて被加工材３０を加工する一連の工程を示すフローチャートである。最初のステップＳ１１において被加工材３０が加工装置１０に取り付けられる。被加工材３０は、加工装置１０のテーブル１１の上面に備えられたバイス１３などの治具に取り付けられ、固定される。

このステップＳ１１から工程は２つの流れに分れる。第１の流れはステップＳ１２に進む。ステップＳ１２においては被加工材３０に対してレーザ光が照射されるとともに被加工材３０の切削が行われる。被加工材３０はレーザヘッド２１とエンドミル２５に対して所定速度で送られ、レーザヘッド２１から照射されたレーザ光による被加工材３０の表面、すなわちｘｙ面に形成された照射部３２は、この照射部３２の後方に所定距離だけ離れて追随するエンドミル２５によってｚ軸方向に所定深さまで切削される。

ここで、被加工材３０に連続発振レーザ光の照射により表面の照射部３２を所定温度まで加熱して熱損傷を与えるとともに、高エネルギのパルス発振レーザ光の照射により照射部３２に亀裂を形成する。このような連続発振レーザ光の照射及びパルス発振レーザ光の照射によって、被加工材３０の表面にはｚ軸方向に所定深さの劣化層が形成される。

エンドミル２５は、被加工材３０の表面に形成された劣化層を除肉する。劣化層は、熱損傷された上、組織に亀裂が形成されているので、エンドミル２５の切削抵抗は低減され、高速に切削することができる。例えば、前記特許文献２〜４に示した先行技術と比較して５０倍から７０倍の除肉速度が得られ、例えば金属品と同等の加工ができるようになる。また、エンドミル２５など加工工具の寿命も延長される。さらに、切削性を向上し、亀裂進展効果が高く、工具及び加工形状が限定されないものである。

このステップＳ１２においては、レーザヘッド２１とエンドミル２５を固定して被加工材３０を送る場合に限られず、レーザヘッド２１とエンドミル２５に対して被加工材３０が相対的に移動するようにすればよい。例えば、被加工材３０を固定してレーザヘッド２１とエンドミル２５を移動させてもよく、レーザヘッド２１とエンドミル２５、被加工材３０の双方を移動させてもよい。

一方、ステップＳ１１から分れた第２の流れはステップＳ１３に続き、このステップＳ１３においては被加工材３０に対してレーザ光の照射のみを行う。被加工材３０はレーザヘッド２１に対して所定速度で送られ、レーザヘッド２１から照射されたレーザ光により被加工材３０の表面、すなわちｘｙ面が走査される。被加工材３０の表面の所定領域は、このようなレーザ光の照射によって劣化層がｚ軸方向に所定深さにわたって形成される。

このステップＳ１３においても、上記ステップＳ１２と同様に、連続発振レーザ光の照射により被加工材３０の表面の照射部３２を所定温度まで加熱して熱損傷を与えるとともに、高エネルギのパルス発振レーザ光の照射により照射部３２に亀裂を形成することにより劣化層が形成される。被加工材３０の表面の所定領域に劣化層の形成を終えた後、次のステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４において、被加工材３０の表面の所定領域に形成された劣化層がエンドミル２５によって切削される。被加工材３０はエンドミル２５に対して所定速度で送られ、ステップＳ１３で表面に形成された劣化層は、ｚ軸方向に所定深さまでエンドミル２５によって切削される。

このステップＳ１４においても、ステップＳ１２と同様に、劣化層は、熱損傷された上、組織に亀裂が形成されているので、エンドミル２５の切削抵抗は低減され、高速な切削加工が可能になる。また、切削性が向上し、亀裂進展効果が高く、工具及び加工形状が限定されない。

なお、前記ステップＳ１２とＳ１３においても、ステップＳ１１と同様にレーザヘッド２１とエンドミル２５、被加工材３０のいずれを移動させてもよい。

前記第１の流れのステップＳ１２、第２の流れのステップＳ１３とＳ１４は被加工材３０の表面を切削したｚ軸方向の深さが所望の値に達するまで、繰り返し行うことができる。また、第１の流れと第２の流れを交互に行うこともできる。

なお、本実施の形態においては、第１の流れのステップＳ１１及びステップＳ１２にしたがい、被加工材３０に対してレーザ光を照射するとともに被加工材３０の切削を行うものとする。

図５は、被加工材３０の温度の測定に用いられる輻射温度計の概略的な構成を示す図である。この輻射温度計は、対象物４２から放出された赤外線を光ファイバ５１にて導いて輻射温度を測定するものであって、光ファイバ５１、コンデンサレンズ５４、パイロメータ６０、オシロスコープ７１及び電源装置７２を有している。

この輻射温度計は、対象領域４１に位置する対象物４２から放出された赤外線をクラッド５２とコア５３を含む光ファイバ５１にて導き、ＢａＦ_２レンズによるコンデンサレンズ５４により集光する。コンデンサレンズ５４によって集光された光は、パイロメータ６０に入り、Ｇｅフィルタ６１を介してＩｎＡｓ検出器６２とＩｎＳｂ検出器６３によってそれぞれ検出される。

ＩｎＡｓ検出器６２とＩｎＳｂ検出器６３によって検出された信号は、それぞれアンプ６４にて増幅され、オシロスコープ７１に供給され、記録される。電源装置７２は、パイロメータ６０のアンプ６４に電源を供給している。

ここで、ＩｎＡｓ検出器６２とＩｎＳｂ検出器６３は、いずれも周波数特性が４００ｋＨｚまでフラットな特性を有し、レーザ照射時の温度変化を計測するための十分な性能を有している。

図６は、輻射温度計のための校正曲線を示す図である。ここでは、試料にはＡｌ_２Ｏ_３が用いられ、ファイバはＮＳＧタイプ、コア材料はカルコゲニドガラス、コア径３８０μｍ、フィルタはＧｅである。図中の測定値ａは熱電対、測定値ｂは溶融状態の普通鋼ＳＰＣＣ、測定値ｃは溶融状態の炭化ケイ素ＳｉＣである。

この図において、１０００℃までの温度範囲にある測定値ａは熱電対法によるものであり、熱電対を用いて試料温度を測定した。１０００℃を超える範囲にある測定値ｂ、ｃは溶融法によるものであり、普通鋼と炭化ケイ素の融点および分解点を用いた（前記非特許文献２を参照）。

図中には、このようにして得られたＩｎＡｓ検出器６２とＩｎＳｂ検出器６３の出力比と温度との関係が示されている。図中の実線は輻射温度計の構成部品の各分光感度特性から求めた理論曲線である。実験で得られた出力比と理論値が良く一致しており、本実施の形態の温度換算は図中の理論曲線で行った。

図７は、エネルギ密度とレーザ照射部の表面温度の関係を示す図である。図中の測定値ａはセラミックマトリックス複合材、測定値ｂは炭化ケイ素（ＳｉＣ）のバルク材、測定値ｃは窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）のバルク材の場合を示している。いずれも照射時間は１秒である。

測定値ａ〜ｃのいずれの材料の場合もエネルギ密度が大きくなるにつれて温度が高くなっている。また、測定値ａのセラミックマトリックス複合材の表面温度は、他のバルク材と比較して著しく高くなっている。

これは、材料の熱伝導率に起因しており、セラミックマトリックス複合材がマトリックスを形成しているため熱伝導率が小さくなったと考えられる。したがって、セラミックマトリックス複合材は他のセラミックス材料と比較しても局所加熱が容易で、レーザ照射後の周囲への熱影響が小さくできると考えられる。

図８は、レーザ照射部３２から測定位置までの距離と温度の関係を示す図である。ここで、レーザの照射モードは連続発振（ＣＷ）レーザ光の照射であり、レーザ出力は５０Ｗである。

レーザ照射部３２では２０００℃近くあった温度は、照射部３２から距離が大きくなるにつれて次第に低くなり、照射部３２から１０ｍｍ離れると７００℃以下まで低下した。すなわち、レーザ照射部３２から離れた位置でも加熱領域が存在し、レーザ条件や照射位置によって照射部温度がコントロールできる可能性を有しているといえる。

図９は、レーザ援用が切削抵抗に及ぼす効果を示す図である。ここで、切削抵抗は加工装置１０に設置した切削動力計１２にて測定し、ｘ軸及びｙ軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｙの合力Ｆｔを切削力Ｎとした。

図中には、レーザ出力が４０Ｗであり、照射部３２と切削位置を５ｍｍ離して切削した場合について、レーザ援用なしとレーザ援用ありについて、Ｆｔ、Ｆｚ、切削体積がそれぞれ示されている。図から、レーザにより局所加熱したときの切削抵抗は、実切削体積がほぼ同じであるにも関わらず、レーザ援用無しの場合と比較して著しく小さくなっていることが明らかである。

図１０は、エンドミル２５のすくい面の磨耗を示す図である。図中の（ａ）はレーザ援用なし、図中の（ｂ）はレーザ援用ありの場合のＳＥＭ像を示している。これらを比較すると、レーザを援用することでエンドミル２５の摩耗量が大幅に減少していることがわかる。

以上のように、セラミックマトリックス複合材について、被削性改善に向けたレーザ援用加工の適用可能性について検討した結果、切削抵抗などでレーザ援用の効果が確認でき、セラミックマトリックス複合材の切削加工へのレーザ援用が適用できる可能性が示された。

以下、本発明を適用した実施例について説明する。図１１は、この実施例において用いられる加工装置１０の概略的な構成を示す図である。

この加工装置１０のレーザヘッド２１は、テーブル１１上面の法線からｘ軸方向に６０°傾斜する方向にレーザ光を照射するようになされている。他の構成については、特記する場合を除いて前記の加工装置１０と同様であるので同一の符号を付して参照することにする。

表１はこの実施例１における加工条件を示し、表２はレーザ照射条件を示している。この実施例１においては、図４における第１の流れであるＳ１１とＳ１２に従い、被加工材３０に対してレーザ光が照射されるとともに被加工材３０の切削が行われる。

図１２は、レーザ出力と切削力の関係を示す図である。図中には、レーザ出力と切削力のｘｙｚ軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚとの関係が示されている。レーザ出力の増加とともに切削力の減少が見られる。この実施例において、エンドミル２５などの工具寿命を考慮した切削加工に効果的なレーザ照射エネルギは、９０Ｗから１８０Ｗである。

表３はこの実施例２におけるレーザ照射条件を示す。加工条件は実施例１におけるものと同様である。この実施例２は、図４における第２の流れであるＳ１１、Ｓ１３、Ｓ１４に従い、被加工材３０に対してパルス発振レーザ光の照射により表面を局所的に除去又は切断した後、切削加工により除肉するものである。

図１３は、エネルギ密度と除去深さとの関係を示す図である。エネルギ密度の増加に応じて除去深さも大きくなっていることが見られる。この実施例２では、エネルギ密度をコントロールすることで、被加工材３０の表面層からの除去深さを設定することができる。

実施例３は、実施例１の連続発振レーザ光の照射と実施例２のパルス発振レーザ光の照射を組み合わせたものである。被加工材３０の表面を連続発振レーザ光の照射により所定温度まで加熱して熱損傷を与えるとともに、高エネルギのパルス発振レーザ光の照射により被加工材３０の表面に亀裂を形成して劣化層を形成し、この劣化層を加工工具にて除肉する。

実施例３におけるレーザ光の照射と切削の流れは、レーザ光の照射とともに切削を行う第１の流れであるＳ１１、Ｓ１２であっても、加工面にレーザ光の照射を終えた後に切削を行う第２の流れであるＳ１１、Ｓ１３、Ｓ１４であってもよい。

このように、連続発振レーザ光の照射とパルス発振レーザ光の照射を組み合わせることにより、切削抵抗を低減し、加工速度を向上させることができる。また、切削性を向上させ、亀裂進展効果が高く、工具及び加工形状が限定されないようにすることができる。また、工具にダイヤモンドコーティングなどのコーティングを施したものを使用してもよい。

本実施の形態の加工方法は、例えばタービンブレード、ノズル、排気部品等の航空機エンジン及びガスタービン用高温部適用部品、ノズル、チャンバー等のロケット及び飛翔体用耐熱部品に用いられるセラミックマトリックス複合材に適用することができる。

１０ 加工装置
１１ テーブル
１２ 切削動力計
１３ バイス
２１ レーザヘッド
２５ エンドミル
３０ 被加工材
３２ 照射部

Claims (4)

1. セラミックマトリックス複合材の加工方法であって、
   被加工材の表面にレーザ光の照射部を走査して照射し、この照射部における被加工材の表面に劣化層を形成するステップと、
   加工工具によって前記照射部に形成された劣化層を除去するステップと
   を有し、
   前記劣化層は、前記照射部を連続発振レーザ光の照射により所定温度まで加熱するとともにパルス発振レーザ光の照射により亀裂を形成することにより形成されることを特徴とする方法。
2. 前記劣化層を除去するステップにおいては、前記照射部から所定距離だけ離れて前記照射部に追随する前記加工工具によって前記照射部に形成された前記劣化層を順に除去することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記劣化層を形成するステップにおいては、前記被加工材の表面の所定の領域に前記劣化層を形成し、
   前記劣化層を除去するステップにおいては、前記所定の領域に前記劣化層が形成された後、当該劣化層を除去することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記加工工具は、エンドミルであることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。