JP7063675B2 - 耐熱部品及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐熱部品及びその製造方法に関する。

ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材は、高強度で耐食性、耐熱性に優れるため、超合金に代わる耐熱材料として期待されている。

特許文献１には、多層セラミックチューブにおいて、モノリシック炭化ケイ素の内層と、炭化ケイ素ファイバーを炭化ケイ素マトリックスで囲んだ複合材である中間層と、モノリシック炭化ケイ素の外層から成ることを特徴とする前記多層セラミックチューブが記載されている。

特表２００８－５０１９７７号公報

しかしながら、上記記載された発明は、セラミックチューブの周囲を炭化ケイ素繊維で囲む構造であるため、パイプのような単純な形状には容易に適用できるが、複雑な立体形状には適用が困難である。

本発明では、前記課題を鑑み、複雑な立体形状にも適用でき、気密性が高く、安定して強度の得られる耐熱部品およびその製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための本発明の耐熱部品は、以下のものである。

（１）全体形状を構成する芯材と、前記芯材の表面を、シリコンを含む接着層を介して覆うＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層とからなる。

本発明の耐熱部品は、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層のみでなく、芯材を有しているので芯材が気密性を確保する構造となっている。芯材は、気体不浸透の材料であることが好ましく、例えば、ＣＶＤ－ＳｉＣ、超合金などを利用することができる。

本発明の耐熱部品は、芯材にＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層を貼り付ける構造となっている。ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材は、厚くなるに従って内部に気孔が形成されやすくなり、強度のバラツキの原因となる。本発明では、芯材の表面に接着層を介して覆う構造をとっているので、厚いＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材が必要ではなく、表層のみを複合材にする構造をとっている。また、緻密な芯材を用いることにより、芯材が、気密性と絶対的な強度を確保し、被覆層が破壊靱性を確保する構造となり、高温で使用する耐熱部材として好適に利用することができる。被覆層は、パネル状部品を貼り付けたものであってもよい。

本発明の耐熱部品は、以下の態様であることが望ましい。

（２）前記芯材には、内部空間が形成されている。

内部空間を有することにより、芯材は殻状の構造となり、温度差による熱応力を緩和しやすい構造をとることができる。
内部空間の応用例として、空気、水などが通過する冷却通路などがある。

（３）前記芯材は、ＣＶＤ－ＳｉＣからなる。

芯材がＣＶＤ－ＳｉＣであると、強度、気密性がともに高く、外側に貼り付けられる被覆層と熱膨張挙動が同等であるので、熱応力が生じにくく、高強度で剥がれにくい耐熱部品を得ることができる。

（４）前記芯材には、ＳｉＣ繊維が骨材として含まれる。

芯材は、モノリシックのＳｉＣであってもよいが、セラミック繊維を骨材として含んでいてもよい。セラミック繊維としては、ＳｉＣ繊維、炭素繊維などが挙げられる。これらのセラミック繊維を骨材として含む場合、空隙の形成を防止するため芯材に占めるセラミック繊維の比率は３０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。セラミック繊維の比率が３０ｖｏｌ％以下であると、セラミック繊維が密集した気相成長時に原料ガスが到達しない部分ができにくく、強度劣化の原因となる気孔の形成を抑制できる。

（５）前記接着層は、シリコンまたは反応焼結ＳｉＣからなる。

シリコンまたは、反応焼結ＳｉＣは、１４００℃程度まで耐熱性があり、強い接着力を確保することができる。反応焼結ＳｉＣは、ＳｉＣの粉またはカーボンの粉と溶融シリコンとを反応させて得られたものであり、シリコンが液化した段階で隙間を埋め、気孔の少ないＳｉＣを得ることができ、高強度のＳｉＣを得ることができる。また、反応焼結ＳｉＣを用い芯材がＣＶＤ－ＳｉＣである場合、熱膨張挙動が同等であるので、熱応力が生じにくく、高強度で剥がれにくい耐熱部品を得ることができる。

（６）前記被覆層は、複数に分割されている。

耐熱部品は、用途によっては複雑な立体形状である。このような耐熱部品に対しては、表面を覆う被覆層を立体形状に合わせて複数に分割されていることによって被覆層を構成するＳｉＣ繊維をムラなく配置することができる。特に、被覆層を構成するＳｉＣ繊維が織布の形態である場合に、織布は平面であるので、適宜分割することにより、複雑な立体形状の表面を効率よく覆うことができる。

（７）前記耐熱部品はガスタービン部品である。
ガスタービン部品は、内部に冷却用の空洞を有し、気密性、耐熱性、高強度、高い破壊靭性を必要とする。本発明の耐熱部品は、これらの特性を有しているので好適に利用することができる。

前記課題を解決するための本発明の耐熱部品の製造方法は、以下のものである。

（８）全体形状を構成する芯材の周囲にシリコンを含む接着剤を挟んでＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層を配置し、前記シリコンを溶融させて接着層に転化する。

本発明の耐熱部品の製造方法は、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層のみでなく、芯材を用いているので芯材が気密性を確保する構造となっている。芯材は、気体不浸透の材料であることが好ましく、例えば、ＣＶＤ－ＳｉＣ、超合金などを利用することができる。

本発明の耐熱部品の製造方法は、芯材にＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層を貼り付ける構造となっている。ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材は、厚くなるに従って内部に気孔が形成されやすくなり、強度のバラツキの原因となる。本発明では、芯材の表面に接着層を介して覆う構造をとっているので、厚いＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材が必要ではなく、表層のみを複合材にする構造をとっている。また、緻密な芯材を用いることにより、芯材が、気密性と絶対的な強度を確保し、被覆層が破壊靱性を確保する構造となり、高温で使用する耐熱部材として好適に利用することができる。

本発明の耐熱部品の製造方法は、以下の態様であることが望ましい。

（９）前記芯材には、内部空間が形成されている。

内部空間を有することにより、芯材は殻状の構造となり、温度差による熱応力を緩和しやすい構造をとることができる。
内部空間の応用例として、空気、水などが通過する冷却通路などがある。

（１０）前記耐熱部品の製造方法は、黒鉛からなる基材にＣＶＤ法でＳｉＣ層を形成するＣＶＤ工程と、前記基材を除去することにより前記ＳｉＣ層を分離して芯材を形成する分離工程とをさらに含む。

黒鉛は、加工しやすく耐熱性を有しているので、基材として使用すると複雑な形状を容易に得ることができる。また、ＣＶＤ工程の後、除去工程では、基材の黒鉛を切削加工、酸化によって除去することができる。除去工程では、切削加工により大まかに除去した後、酸化によって基材を除去してもよい。酸化の条件は黒鉛が酸化し、ＳｉＣが劣化しない条件であれば特に限定されないが、例えば大気中５００～１０００℃の条件で除去することができる。

（１１）前記芯材には、ＳｉＣ繊維が骨材として含まれる。

芯材は、モノリシックのＳｉＣであってもよいが、セラミック繊維を骨材として含んでいてもよい。セラミック繊維としては、ＳｉＣ繊維、炭素繊維などが挙げられる。これらのセラミック繊維を骨材として含む場合、空隙の形成を防止するため芯材に占めるセラミック繊維の比率は３０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。セラミック繊維の比率が３０ｖｏｌ％以下であると、セラミック繊維が密集した気相成長時に原料ガスが到達しない部分ができにくく、強度劣化の原因となる気孔の形成を抑制できる。

（１２）前記接着剤は、シリコンを含む。

接着剤にシリコンが含まれていると、強い接着力が得られるとともに、１４００℃程度まで耐熱性を得ることができる。

（１３）前記接着剤は、ＳｉＣまたは炭素を含む。

接着剤にＳｉＣまたは、炭素を含んでいると、溶融シリコンと反応し、反応焼結ＳｉＣを形成する。なおＳｉＣと溶融シリコンとの反応では、シリコンリッチのＳｉＣとなる。シリコンは、凝固時に体積膨張を起こすため、接着剤にＳｉＣまたは、炭素を含有することにより、凝固時の体積膨張による歪を緩和することができる。

（１４）前記被覆層は、複数に分割されている。

耐熱部品は、用途によっては複雑な立体形状である。このような耐熱部品に対しては、表面を覆う被覆層を立体形状に合わせて複数に分割されていることによってＳｉＣ繊維をムラなく配置することができる。特に、被覆層を構成するＳｉＣ繊維が織布の形態である場合に、織布は平面であるので、適宜分割することにより、複雑な立体形状の表面を効率よく覆うことができる。

（１５）前記耐熱部品はガスタービン部品である。
ガスタービン部品は、内部に冷却用の空洞を有し、気密性、耐熱性、高強度、高い破壊靭性を必要とする。本発明の耐熱部品の製造方法は、これらの特性を有する耐熱部品を得ることができるので好適に利用することができる。

芯材にＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層を貼り付ける構造となっている。ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材は、厚くなるに従って内部に気孔が形成されやすくなり、強度のバラツキの原因となる。本発明では、芯材の表面に接着層を介して覆う構造をとっているので、厚いＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材が必要ではなく、表層のみを複合材にする構造をとっている。また、緻密な芯材を用いることにより、芯材が、気密性と絶対的な強度を確保し、被覆層が破壊靱性を確保する構造となり、高温で使用する耐熱部材として好適に利用することができる。

本発明に係る耐熱部品の一例を示し、（ａ）斜視図、（ｂ）平面図、（ｃ）側面図。 本発明に係る耐熱部品の製造方法の一例を示し、（ａ）基材、（ｂ）マスキング工程、（ｃ）ＣＶＤ工程、（ｄ）マスキング除去工程、（ｅ）分離工程、（ｆ）接着材塗布工程、（ｇ）被覆層形成工程。

（発明の詳細な説明）
本発明の耐熱部品は、全体形状を構成する芯材と、前記芯材の表面を、シリコンを含む接着層を介して覆うＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層とからなる。

本発明の耐熱部品は、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層のみでなく、芯材を有しているので芯材が気密性を確保する構造となっている。芯材は、気体不浸透の材料であることが好ましく、例えば、ＣＶＤ－ＳｉＣ、超合金などを利用することができる。

本発明の耐熱部品は、芯材にＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層を貼り付ける構造となっている。ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材は、厚くなるに従って内部に気孔が形成されやすくなり、強度のバラツキの原因となる。本発明では、芯材の表面に接着層を介して覆う構造をとっているので、厚いＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材が必要ではなく、表層のみを複合材にする構造をとっている。また、緻密な芯材を用いることにより、芯材が、気密性と絶対的な強度を確保し、被覆層が破壊靱性を確保する構造となり、高温で使用する耐熱部材として好適に利用することができる。被覆層は、パネル状部品を貼り付けたものであってもよい。

本発明の耐熱部品は、以下の態様であることが望ましい。

前記芯材には、内部空間が形成されている。

内部空間を有することにより、芯材は殻状の構造となり、温度差による熱応力を緩和しやすい構造をとることができる。
内部空間の応用例として、空気、水などが通過する冷却通路などがある。

前記芯材は、ＣＶＤ－ＳｉＣからなる。

芯材がＣＶＤ－ＳｉＣであると、強度、気密性がともに高く、外側に貼り付けられる被覆層と熱膨張挙動が同等であるので、熱応力が生じにくく、高強度で剥がれにくい耐熱部品を得ることができる。

前記芯材には、ＳｉＣ繊維が骨材として含まれる。

芯材は、モノリシックのＳｉＣであってもよいが、セラミック繊維を骨材として含んでいてもよい。セラミック繊維としては、ＳｉＣ繊維、炭素繊維などが挙げられる。これらのセラミック繊維を骨材として含む場合、空隙の形成を防止するため芯材に占めるセラミック繊維の比率は３０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。セラミック繊維の比率が３０ｖｏｌ％以下であると、気相成長時に原料ガスが到達しない部分ができにくく、強度劣化の原因となる気孔の形成を抑制できる。
この場合、芯材も被覆層もＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材であるが、被覆層よりも芯材のほうがＣＶＤ－ＳｉＣからなるマトリックスの比率か高くなるようにすることが望ましい。芯材が気密性、絶対的な強度を確保し、被覆層が破壊靭性を確保することができる。

前記接着層は、シリコンまたは反応焼結ＳｉＣからなる。

シリコンまたは、反応焼結ＳｉＣは、１４００℃程度まで耐熱性があり、強い接着力を確保することができる。反応焼結ＳｉＣは、ＳｉＣの粉またはカーボンの粉と溶融シリコンとを反応させて得られたものであり、シリコンが液化した段階で隙間を埋め、気孔の少ないＳｉＣを得ることができ、高強度のＳｉＣを得ることができる。また、反応焼結ＳｉＣを用い芯材がＣＶＤ－ＳｉＣである場合、熱膨張挙動が同等であるので、熱応力が生じにくく、高強度で剥がれにくい耐熱部品を得ることができる。

前記被覆層は、複数に分割されている。

耐熱部品は、用途によっては複雑な立体形状である。このような耐熱部品に対しては、表面を覆う被覆層を立体形状に合わせて複数に分割されていることによって被覆層を構成するＳｉＣ繊維をムラなく配置することができる。特に、被覆層を構成するＳｉＣ繊維が織布の形態である場合に、織布は平面であるので、適宜分割することにより、複雑な立体形状の表面を効率よく覆うことができる。

前記耐熱部品はガスタービン部品である。
ガスタービン部品は、内部に冷却用の空洞を有し、気密性、耐熱性、高強度、高い破壊靭性を必要とする。本発明の耐熱部品は、これらの特性を有しているので好適に利用することができる。

本発明の耐熱部品の製造方法は、全体形状を構成する芯材の周囲にシリコンを含む接着剤を挟んでＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層を配置し、前記シリコンを溶融させて接着層に転化する。

本発明の耐熱部品の製造方法は、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層のみでなく、芯材を用いているので芯材が気密性を確保する構造となっている。芯材は、気体不浸透の材料であることが好ましく、例えば、ＣＶＤ－ＳｉＣ、超合金などを利用することができる。
接着材がシリコンである場合には、芯材または被覆層にあらかじめシリコンを蒸着しておく、シリコンの粒子を塗布しておくなどの方法をとることができる。また、接着層が反応焼結ＳｉＣである場合には、芯材または被覆層にあらかじめ黒鉛及びシリコンの粒子を塗布しておく方法をとることができる。

本発明の耐熱部品の製造方法は、芯材にＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層を貼り付ける構造となっている。ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材は、厚くなるに従って内部に気孔が形成されやすくなり、強度のバラツキの原因となる。本発明では、芯材の表面に接着層を介して覆う構造をとっているので、厚いＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材が必要ではなく、表層のみを複合材にする構造をとっている。また、緻密な芯材を用いることにより、芯材が、気密性と絶対的な強度を確保し、被覆層が破壊靱性を確保する構造となり、高温で使用する耐熱部材として好適に利用することができる。

本発明の耐熱部品の製造方法は、以下の態様であることが望ましい。

前記芯材には、内部空間が形成されている。

内部空間を有することにより、芯材は殻状の構造となり、温度差による熱応力を緩和しやすい構造をとることができる。
内部空間の応用例として、空気、水などが通過する冷却通路などがある。

前記耐熱部品の製造方法は、黒鉛からなる基材にＣＶＤ法でＳｉＣ層を形成するＣＶＤ工程と、前記基材を除去することにより前記ＳｉＣ層を分離して芯材を形成する分離工程とをさらに含む。

黒鉛は、加工しやすく耐熱性を有しているので、基材として使用すると複雑な形状を容易に得ることができる。また、ＣＶＤ工程の後、除去工程では、基材の黒鉛を切削加工、酸化によって除去することができる。除去工程では、切削加工により大まかに除去した後、酸化によって基材を除去してもよい。酸化の条件は黒鉛が酸化し、ＳｉＣが劣化しない条件であれば特に限定されないが、例えば大気中５００～１０００℃の条件で除去することができる。
また、耐熱部品に内部空間を有し、基材用い除去する必要がある場合には、基材の露出部分を形成できるよう基材にマスキングをしておくことが望ましい。基材のマスキングで覆われた部分には、ＳｉＣ層が形成されず、容易に基材を除去することができる。

前記芯材には、ＳｉＣ繊維が骨材として含まれる。

芯材は、モノリシックのＳｉＣであってもよいが、セラミック繊維を骨材として含んでいてもよい。セラミック繊維としては、ＳｉＣ繊維、炭素繊維などが挙げられる。これらのセラミック繊維を骨材として含む場合、空隙の形成を防止するため芯材に占めるセラミック繊維の比率は３０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。セラミック繊維の比率が３０ｖｏｌ％以下であると、気相成長時に原料ガスが到達しない部分ができにくく、強度劣化の原因となる気孔の形成を抑制できる。

前記接着剤は、シリコンを含む。

接着剤にシリコンが含まれていると、強い接着力が得られるとともに、１４００℃程度まで耐熱性を得ることができる。
接着材がシリコンである場合には、芯材または被覆層にあらかじめシリコンを蒸着しておく、シリコンの粒子を塗布しておくなどの方法をとることができる。

前記接着剤は、ＳｉＣまたは炭素を含む。

接着剤にＳｉＣまたは、炭素を含んでいると、溶融シリコンと反応し、反応焼結ＳｉＣを形成する。なおＳｉＣと溶融シリコンとの反応では、シリコンリッチのＳｉＣとなる。シリコンは、凝固時に体積膨張を起こすため、接着剤にＳｉＣまたは、炭素を含有することにより、凝固時の体積膨張による歪を緩和することができる。
また、接着剤がＳｉＣまたは炭素を含む場合には、芯材または被覆層にあらかじめ黒鉛及びシリコンの粒子を塗布しておく方法をとることができる。

前記被覆層は、複数に分割されている。

耐熱部品は、用途によっては複雑な立体形状である。このような耐熱部品に対しては、表面を覆う被覆層を立体形状に合わせて複数に分割されていることによってＳｉＣ繊維をムラなく配置することができる。特に、被覆層を構成するＳｉＣ繊維が織布の形態である場合に、織布は平面であるので、適宜分割することにより、複雑な立体形状の表面を効率よく覆うことができる。

（発明を実施するための形態）
図１に基づいて、耐熱部品を説明する。

耐熱部品１は、全体形状を構成する芯材２と、芯材２の表面を覆う被覆層３と、芯材２で形成される内部空間４とを備える。被覆層３は、芯材２に対してシリコンを含む接着剤を転化した接着層５を介して接合されている。また、芯材２は、ＳｉＣ繊維が骨材として含まれ、ＣＶＤ－ＳｉＣからなり、被覆層３は、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材からなり、複数に分割されている。耐熱部品１は、やジェットエンジンのガスタービン部品などに利用される。

図２に基づいて耐熱部品の製造方法を説明する。本発明の耐熱部品１は、以下の工程で製造される。

（１）マスキング工程：黒鉛からなる基材１０にマスキング１１を施す（図２（ｂ））。
（２）ＣＶＤ工程：マスキング１１が施された基材１０にＣＶＤ法でＳｉＣ層１２を形成する（図２（ｃ））。
（３）マスキング除去工程：ＳｉＣ層１２が形成された状態で、マスキング１１を取り外す（図２（ｄ））。
（４）分離工程：基材１０を切削加工、酸化によって除去してＳｉＣ層１２を分離して芯材２を形成する（図２（ｅ））。
（５）接着材塗布工程：芯材２の表面にシリコンの粒子を含む接着材１３を塗布する（図２（ｆ））。
（６）被覆層形成工程：接着材１３の表面にＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層３を配置し、シリコンを溶融させて接着層５に転化する（図２（ｇ））。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明の耐熱部品及びその製造方法は、複雑な立体形状にも適用でき、気密性が高く、安定した強度を要望するジェットエンジン、核融合炉用アーマータイルなどの分野に適合可能である。

１ 耐熱部品
２ 芯材
３ 被覆層
４ 内部空間
５ 接着層
１０ 基材
１１ マスキング
１２ ＳｉＣ層
１３ 接着材

Claims (16)

1. 全体形状を構成する芯材と、前記芯材の表面を、シリコンを含む接着層を介して覆うＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層とからなり、
   前記芯材は、モノリシックのＣＶＤ－ＳｉＣである耐熱部品。
2. 前記芯材には、内部空間が形成されている請求項１に記載の耐熱部品。
3. 前記接着層は、シリコンまたは反応焼結ＳｉＣからなる請求項１または２に記載の耐熱部品。
4. 前記被覆層は、複数に分割されている請求項１から３のいずれか１項に記載の耐熱部品。
5. 前記耐熱部品はガスタービン部品である請求項１から４の何れか１項に記載の耐熱部品。
6. 全体形状を構成する芯材と、前記芯材の表面を、シリコンを含む接着層を介して覆うＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層とからなり、
   前記芯材は、ＳｉＣ繊維が骨材として含まれ、ＣＶＤ－ＳｉＣからなり、
   前記被覆層よりも前記芯材のほうがＣＶＤ－ＳｉＣからなるマトリックスの比率が高い耐熱部品。
7. 前記芯材には、内部空間が形成されている請求項６に記載の耐熱部品。
8. 前記接着層は、シリコンまたは反応焼結ＳｉＣからなる請求項６または７に記載の耐熱部品。
9. 前記被覆層は、複数に分割されている請求項６から８のいずれか１項に記載の耐熱部品。
10. 前記耐熱部品はガスタービン部品である請求項６から９の何れか１項に記載の耐熱部品。
11. 黒鉛からなる基材にＣＶＤ法でＳｉＣ層を形成するＣＶＤ工程と、前記基材を除去することにより前記ＳｉＣ層を分離して全体形状を構成する芯材を形成する分離工程と、前記芯材の周囲にシリコンを含む接着剤を挟んでＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材の被覆層を配置し、前記シリコンを溶融させて接着層に転化する被覆層形成工程とを含む耐熱部品の製造方法。
12. 前記芯材には、内部空間が形成されている請求項１１に記載の耐熱部品の製造方法。
13. 前記芯材には、ＳｉＣ繊維が骨材として含まれる請求項１１または１２に記載の耐熱部品の製造方法。
14. 前記接着剤は、ＳｉＣまたは炭素を含む請求項１１から１３のいずれか１項に記載の耐熱部品の製造方法。
15. 前記被覆層は、複数に分割されている請求項１１から１４のいずれか１項に記載の耐熱部品の製造方法。
16. 前記耐熱部品はガスタービン部品である請求項１１から１５の何れか１項に記載の耐熱部品の製造方法。

Images