(57)【要約】【課題】機械的及び熱的安定性に関して公知の複合材構造よりも優れた金属−セラミック複合材構造を提供する。【解決手段】ａ）成形体を製造し、それぞれのキャビティ１２，２８に１つ以上のセラミックタイル１１，２１，２２を得るために成形体を焼結し、ｂ）セラミックタイル１１，２１，２２を金型に配置し、ｃ）液体金属を金型に注入し、中間金属層（１３）は、前記セラミックタイル１１，２１，２２と中間金属層１３との間のインタロックにより形成され、ｄ）注入された金属が固まった後、セラミックタイル１１，２１，２２と中間金属層（１３）との間の機械的なインタロックを備えた、結果的に得られた金属−セラミック構造体を金型から取り出し、その後、中間金属層（１３）を備えたセラミックタイル（１１，２１，２２）は、ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）と永久に接合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
好適には高温に曝されることが意図された、金属−セラミック複合材構造（１０，３０）を製造する方法において、前記金属−セラミック複合材構造（１０，３０）は、少なくとも一方の側において１つ以上のセラミックタイル（１１，２１，２２）によって被覆されかつ該セラミックタイル（１１，２１，２２）と永久に接合された、ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）を有し、前記方法は、以下のステップを含む：
ａ）１つ以上の成形体であって、該成形体の一方の側における面から前記成形体の内部にまで延びたキャビティ（１２，２８）を備えた成形体を製造し、それぞれのキャビティ（１２，２８）を備えた１つ以上のセラミックタイル（１１，２１，２２）を得るために前記成形体を焼結する；
ｂ）前記セラミックタイル（１１，２１，２２）を金型に配置し、この場合、前記セラミックタイル（１１，２１，２２）は、前記金型の一部として使用される；
ｃ）液体金属を所定の温度及び圧力で前記金型に注入し、前記セラミックタイル（１１，２１，２２）の前記キャビティ（１２，２８）を完全に又はほぼ充填し、これにより、前記ベース金属構造若しくは構成部材（１４）と接合される中間金属層（１３）を製造し、該中間金属層を、前記セラミックタイル（１１，２１，２２）と前記中間金属層（１３）との間の機械的なインタロックを備えて形成する；
ｄ）注入された前記金属が固まった後、前記セラミックタイル（１１，２１，２２）と前記中間金属層（１３）との間の機械的なインタロックを備えた、結果的に得られた金属−セラミック構造を金型から取り出し、その後、前記中間金属層（１３）を備えた前記セラミックタイル（１１，２１，２２）を、前記ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）と永久に接合する、を特徴とする、金属−セラミック複合材構造を製造する方法。
【請求項２】
前記ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）又は前記中間金属層（１３）に使用される金属は、Ｎｉベースの超合金である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｂ）において、可溶性セラミックを組立て及びマスキングのために使用する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記機械的インタロックにおけるセラミックのほとんどが、使用される温度範囲にわたって、後の使用の間に圧縮を受けるように、前記セラミックタイル（１１，２１，２２）における前記キャビティ（１２，２８）を配置する、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）は、ガスタービンの高温ガス通路部分である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）は、ステータ遮熱材である、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）は、燃焼器ライナである、請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）は、ブレード及び／又はベーンの、プラットフォーム及び／又は翼である、請求項５記載の方法。
【請求項９】
ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）と、少なくとも一方の側において１つ以上のセラミックタイル（１１，２１，２２）によって被覆されかつ該セラミックタイル（１１，２１，２２）と永久に接合されている中間金属層と、を含む、特にガスタービンにおける、好適には高温条件下で使用されるための金属−セラミック複合材構造（１０，３０）において、前記セラミックタイル（１１，２１，２２）と前記中間金属層（１３）との間の前記接合が、前記セラミックタイル（１１，２１，２２）と前記中間金属層（１３）との間の機械的なインタロックを含み、該機械的なインタロックは、前記セラミックタイル（１１，２１，２２）内のキャビティ（１２，２８）が、前記中間金属層（１３）と直接に接合される金属によって完全に又はほぼ充填されることから成り、前記中間金属層（１３）は、前記ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）と接合されていることを特徴とする、金属−セラミック複合材構造。
【請求項１０】
前記ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）は、ガスタービンの高温ガス通路部分である、請求項９記載の金属−セラミック複合材構造。
【請求項１１】
前記ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）は、ステータ遮熱材である、請求項１０記載の金属−セラミック複合材構造。
【請求項１２】
前記ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）は、燃焼器ライナである、請求項１０記載の金属−セラミック複合材構造。
【請求項１３】
前記ベース金属構造若しくは構成部材（１４，２３）は、ブレード及び／又はベーンの、プラットフォーム及び／又は翼である、請求項１０記載の金属−セラミック複合材構造。
【請求項１４】
前記ベース金属構造若しくは構成部材又は中間金属層（１３，１４，１９，２３）に使用される金属は、Ｎｉベースの超合金である、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の金属−セラミック複合材構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材構造を製造する方法に関する。本発明は、請求項１の前段に係る金属−セラミック複合材構造を製造する方法に関する。本発明はさらに、高温条件下で、特に３００℃を超える温度において使用するための金属−セラミック複合材構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
焼結セラミックタイルは、ガスタービンの高温ガス通路においてしばしば使用されるサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）よりも高い温度能力（耐熱性）を有する。すなわち、断熱のために、より厚いセラミックタイルを、熱的保護として、適用限界に達する前に使用することができる。これ自体により、その部分のための冷却空気の節約が大きくなり、これは、機械の全体的な効率にとって有利である。
【０００３】
しかしながら、ベース金属構造へのセラミックの接合は困難である。セラミックは、ベース金属構造の表面へＴＢＣのように噴霧することはできない。なぜならば、セラミックは、ベース金属溶融温度よりも高い温度において焼結させることを必要とするからである。すなわち、予め製造された焼結セラミックタイルがベース金属構造に接合されなければならない。
【０００４】
接合の従来技術は、他の技術の中でも特に、ベース構造へのセラミックタイルのボンディングである（例えば米国のスペースシャトル）。ボンディングの手段は例えば、セメント又はろう付けである。
【０００５】
ベース金属構造へのセラミックタイルのこのような接合は、接合される部材の小さな形状公差を要求し、金属とセラミックを結合する適切なろう付けを要求する。残留せん断応力は、しばしば接合部に隣接してき裂及び破損を生じる。
【０００６】
その他の技術も従来技術において公知である：
米国特許第３９１８２５５号明細書は、ガスタービン発電プラントを開示しており、この場合、金属燃焼室シリンダは、その内側において二層のセラミック材料で被覆されている。半径方向で最も内側の層は、優れた耐熱衝撃性を提供する高密度のセラミック材料から成るインタロックするタイル状の構造である。金属シリンダと最も内側の層との間に配置された中間層は、高い断熱を提供する、低い密度のセラミック材料である。セラミック材料の層は、燃焼器の外側金属シリンダから中間壁及び内壁を貫通したセラミック管によって支持されている。管は、燃焼室に冷却空気を送り込みかつ室内の燃焼する燃料及び空気の乱流を増大させるためにも用いられる。
【０００７】
特開昭５９−００４８２４号公報は、高温ガスタービン燃焼器の金属内側シリンダの表面にタイル状のセラミック部材が配置されており、内側シリンダの前記金属面が、８〜３０％の空隙率を有するセラミック層によって被覆されている構造を開示している。適用されたセラミック層は、多孔質材料から成り、好適には、金属構造の熱膨張率に近いそのような値を有する。セラミックの例として、イットリア（Ｙ2Ｏ3）、安定化ジルコニア（ＺｒＯ2）、マグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）などが適用される。セラミック層の空隙率が８％未満である場合、層の粘着性剥離が容易に形成され、逆に３０％以上であると、層の凝集凝結剥離が容易に形成され得る。セラミックの厚さは好適には０．１〜０．５ｍｍである。
【０００８】
欧州特許第０６５８７２４号明細書は、特にガスタービン用の燃焼室を開示しており、この燃焼室は、中空円筒状の支持壁を備え、この支持壁の内側には、個々のセラミックエレメントから成るライニングが配置されており、セラミックエレメントは、偏四角多面体として設計されており、そのベース領域は、燃焼室の形状に適応させられており、支持壁の内側に固定されている。
【０００９】
米国特許出願公開第２０１１／０１２３３２３号明細書は、下側に位置する金属シートと、少なくとも１つの締結具アセンブリによって、下側に位置する金属シートに取り付けられた少なくとも１つのセラミックマトリックス複合材タイルとを有する、ガスタービン機関において使用するためのアセンブリを開示している。パネル締結具アセンブリは、ヘッドから後方へ延びたねじ山付き部分を有する締結具を含み、ヘッドは、ねじ山付き部分に面した円錐台形の面を有する。円錐台形の面は、セラミックマトリックス複合材パネルにおける円錐台形のボアに収容される。ブシュは、金属シートの、セラミックマトリックス複合材パネルとは反対側に配置されている。ブシュは、金属シートから延びたフランジを有する。スリーブは、締結具のねじ山付き部分の周囲に収容され、パネルから、金属シートを超えて延びる。スリーブは、ブシュにおいてフランジに向かって半径方向外方へ延びたリップであり、ブシュにおけるフランジは、ブシュにおけるリップと座面との間に形成された空間を超えて延びている。波形ばねがキャビティに収容されている。
【００１０】
複数のその他の文書、例えば特開平０４−１１９９７４号公報、特開平０１−９９７６７号公報又は特開昭６０−１５５５７９号公報は、インタロッキングジョイントを備えたセラミックに溶融金属を鋳造することによってセラミック−金属複合材材料若しくは加工物を形成することを開示している。
【００１１】
他方、金属対金属接合を、いわゆるバイキャストプロセスによって確立することができることが米国特許出願公開第２０１１／０２４３７２４号明細書から公知である。
【００１２】
しかしながら、優れた機械的安定性及び高い温度能力を有する構造体を生じる、特にガスタービンの高温ガス通路において使用される構成部材のための、金属−セラミック複合材構造を製造する方法がいまだ必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第３９１８２５５号明細書
【特許文献２】特開昭５９−００４８２４号公報
【特許文献３】欧州特許第０６５８７２４号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１１／０１２３３２３号明細書
【特許文献５】特開平０４−１１９９７４号公報
【特許文献６】特開平０１−９９７６７号公報
【特許文献７】特開昭６０−１５５５７９号公報
【特許文献８】米国特許出願公開第２０１１／０２４３７２４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の課題は、これらの要求を満たしかつ従来の方法の欠点を回避する、金属−セラミック複合材構造を製造する方法を確立することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のさらに別の課題は、機械的及び熱的安定性に関して公知の複合材構造よりも優れた金属−セラミック複合材構造を提供することである。好適には、本発明による金属−セラミック複合材構造は、３００℃を超える温度において使用されるべきである。
【００１６】
これらの及びその他の課題は請求項１に係る方法によって、また、請求項９に係る金属−セラミック複合材構造によって達成される。
【００１７】
好適には高温に曝されることが意図された、金属−セラミック複合材構造を製造するための本発明による方法は、少なくとも一方の側において１つ以上のセラミックタイルによって被覆されかつこれらのセラミックと永久に接合された、ベース金属構造若しくは構成部材を有する。この方法は、以下のステップを含む：
ａ）１つ以上の成形体であって、該成形体の一方の側における面から前記成形体の内部にまで延びたキャビティを備えた成形体を製造し、それぞれのキャビティを備えた１つ以上のセラミックタイルを得るために前記成形体を焼結する；
ｂ）セラミックタイルを金型に配置し、この場合、セラミックタイルは、前記金型の一部として使用される；
ｃ）液体金属を所定の温度及び圧力で金型に注入し、セラミックタイルのキャビティを完全に又はほぼ充填し、これにより、ベース金属構造若しくは構成部材と接合される中間金属層を製造し；中間金属層を、セラミックタイルと中間金属層との間の機械的なインタロックを備えて形成する；
ｄ）注入された金属が固まった後、セラミックタイルと中間金属層との間の機械的なインタロックを備えた、結果的に得られた金属−セラミック構造体を金型から取り出し、その後、中間層を備えたセラミックタイルを、ベース金属構造若しくは構成部材と永久に接合する。
【００１８】
好適には、厚さａを備えたタイルの接合面全体を被覆した中間金属層により、この金属−セラミック構造を、その後、通常の方法で、例えば金属対金属ろう付けによって、ベース金属構造若しくは構成部材と接合することができる。これは大きな利点である。
【００１９】
成形体は、鋳造、プラスチック成形及びプレスなどの成形プロセスによってセラミック粉末混合物（永久添加剤を含む）から形成される。成形体は、それに加えて、水分と、しばしば有機解膠材、可塑剤、結合材及びその他の添加剤とを含有する。より高い温度において揮発性となる、すなわち気化又は分解する全ての成分は、損傷を回避するために焼結する前に特別の注意を持って成形体から除去されなければならない。
【００２０】
本発明の１つの実施の形態によれば、ベース金属構造若しくは構成部材のために使用される金属、又は中間金属層は、Ｎｉベースの超合金である。
【００２１】
本発明の別の実施の形態によれば、ステップ（ｂ）において、可溶性セラミックは組立て及びマスキングのために使用される。
【００２２】
本発明の別の実施の形態によれば、セラミックタイルにおけるキャビティは、機械的インタロックにおけるセラミックのほとんどが、使用される温度範囲にわたって、後の使用の間に圧縮を受ける。
【００２３】
本発明の別の実施の形態によれば、ベース金属構造若しくは構成部材は、ガスタービンの高温ガス通路部分である。
【００２４】
特に、ベース金属構造若しくは構成部材は、ステータ遮熱材である。
【００２５】
特に、ベース金属構造若しくは構成部材は、燃焼器ライナである。
【００２６】
特に、前記ベース金属構造若しくは構成部材は、ブレード及び／又はベーンの、プラットフォーム及び／又は翼である。
【００２７】
特にガスタービンにおける、好適には高温条件下で使用されるための、本発明による金属−セラミック複合材構造は、少なくとも一方の側において１つ以上のセラミックタイルによって被覆されかつこれらのセラミックタイルと永久に接合されているベース金属構造若しくは構成部材又は中間金属層を含む。金属−セラミック複合材構造は、セラミックタイルと中間金属層との間の接合部が、セラミックタイルと中間金属層との間の機械的なインタロックを含み、この機械的なインタロックは、セラミックタイル内のキャビティが、中間金属層と直接的に接合される金属によって完全に又はほぼ充填されることから成り、中間層は、ベース金属構造若しくは構成部材と接合されている。
【００２８】
本発明の１つの実施の形態によれば、前記ベース金属構造若しくは構成部材は、ガスタービンの高温ガス通路部分である。
【００２９】
特に、ベース金属構造若しくは構成部材は、ステータ遮熱材である。
【００３０】
特に、ベース金属構造若しくは構成部材は、燃焼器ライナである。
【００３１】
特に、ベース金属構造若しくは構成部材は、ブレード及び／又はベーンの、プラットフォーム及び／又は翼である。
【００３２】
本発明の別の実施の形態によれば、ベース金属構造若しくは構成部材又は中間金属層に使用される金属は、Ｎｉベースの超合金である。
【００３３】
本発明はここで、様々な実施の形態によって、添付の図面を参照してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の１つの実施の形態による製造方法における様々なプロセスステップを示す図である。
【図２】本発明による構造の１つの実施の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明は、中間層によるベース構造とセラミックタイルとの一体化された機械的なインタロックによってボンディングを置き換えるという概念に基づく。これは、図２（概略図）に例示されている。図２の金属−セラミック複合材構造３０は、ベース金属構造若しくは構成部材（例えばブレード、ベーン、燃焼器ライナ、プラットフォームなど）２３を含み、この場合、後側において、インピンジメントプレート２５を備えたインピンジメント冷却配列において冷却空気を受け取るための冷却室を有する。作動中、冷却空気は、複数のインピンジメント穴２６を通ってチャンバ２４に進入し、構成部材２３の内壁に衝突し、冷却空気チャネル２７を通って退出する。
【００３６】
構成部材２３の熱的に負荷される前側は、セラミックタイル２１及び２２によって高温に対して保護されており、これらのセラミックタイル２１及び２２は、間隙２９において突き合わされており、金属で満たされたタイル２１，２２におけるマッシュルーム状のキャビティ２８の形態の、中間層１３を形成した機械的なインタロッキングエレメントによって構成部材２３の前側に固定されている。金属は、構成部材２３を形成する金属と同じ材料であってよい。キャビティは、他の形状を有してよい（例えば図１（ａ）におけるキャビティ１２を参照）。いずれの場合にも、セラミックタイルにおけるキャビティは、機械的なインタロックにおけるセラミックのほとんどが、使用される温度範囲にわたって、作動中に圧縮を受けるように配置されているべきである。
【００３７】
このような部材の製造プロセスは以下の通りである（図１参照）：
まず、１つ以上の成形体であって、成形体の一方の側における面から成形体の内部にまで延びたキャビティ１２，２８を備えた成形体を製造し、その後、それぞれのキャビティ１２（又は図２における２８）を備えた１つ以上のセラミックタイル１１（又は図２における２１，２２）を得るために焼結する。
【００３８】
その後、セラミックタイル１１，２１，２２は、適切な金型（明らかに図面には示されていない）に配置され、この場合、キャビティ１２，２８を備えたセラミックタイル１１，２１，２２自体が金型の一部として使用される。
【００３９】
次のステップにおいて、液体金属、好適にはＮｉベースの超合金が、所定の温度及び圧力でそれぞれの充填チャネルを通じて金型に注入され、セラミックタイル１１，２１，２２のキャビティ１２，２８は、金属によって完全に又はほぼ充填され、これにより、（図１に示したような）ベース金属構造若しくは構成部材１４と接合される中間金属層１３を備えたセラミック金属複合材構造を製造する。したがって、キャビティを備えたセラミックタイル１１，２１，２２は、金型の一部である。
【００４０】
注入された金属が固まった後、セラミックタイル１１と中間金属層１３（図１）との間の機械的なインタロックを備えた、結果的に得られた金属−セラミック構造が金型から取り出される。
【００４１】
好適には、厚さａを備えた、タイル１１の接合面全体を被覆した中間金属層１３（図１）により、この金属−セラミック構造１１，１３を、その後、通常の方法で、例えば金属対金属ろう付けによって、ベース金属構造若しくは構成部材１４と接合することができる。これは大きな利点である。
【００４２】
本発明は、ガスタービンの高温ガス通路部分、例えばステータ遮熱材、燃焼器ライナ、ブレード及びベーンのプラットフォーム及び翼にセラミックタイルを取り付けることを可能にする。ブレード及びベーンなどのより複雑な部材に使用される場合、この概念は、有利には、部材の形状を単純にするために、欧州特許第２１８９６２６号明細書に開示されたロータブレード配列に関連して用いることができる。
【００４３】
本発明の利点は：
・ベース構造にセラミックタイルを接合する簡単な手段
・費用対効果の高い接合プロセス
・金属の熱膨張率がセラミックの熱膨張率よりも大きいので、固定ゾーンにおいてセラミックタイルは作動中に圧縮を受け、これにより、金属の融点未満ではセラミックは常時圧力を受け、このことはセラミックにとって有利である。
【符号の説明】
【００４４】
１０，３０  金属−セラミック複合材構造
１１，２１，２２  セラミックタイル
１２，２８  キャビティ
１３  中間金属層
１４，２３  ベース金属構造若しくは構成部材
１５，２４  冷却チャンバ
１６  冷却リブ若しくはポスト
２５  インピンジメントプレート
２６  インピンジメント穴
２７  冷却空気チャネル
２９  間隙
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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