(57)【要約】【課題】接合部の軽量化が可能で、容易に接合でき、十分な気密性および接合強度が得られるセラミックス基複合部材と金属部材との接合体を提供する。【解決手段】金属部材３が、熱膨張率が４．５〜１９[×１０−６/Ｋ] の範囲のものであり、セラミックス基複合部材２が、セラミックス繊維と前記セラミックス繊維に付着されたセラミックスマトリックスとからなる熱膨張率が３〜６[×１０−６/Ｋ]の範囲のものであって、ロウ材４の溶融温度における嵌合部２ａの外面と接合部３ａの内面との距離Ｄが１５〜５００μｍの範囲であるものであり、ロウ材４がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくともいずれか１種を含むものである、金属部材３とセラミックス基複合部材２とがロウ材により接合された接合体１とする。【選択図】図１
2008069060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の接合部を有する金属部材と、前記接合部にはめ込まれる嵌合部を有するセラミックス基複合部材とがロウ材を用いて接合されてなる接合体であって、
前記金属部材は、熱膨張率が４．５〜１９[×１０−６/Ｋ] の範囲のものであり、
前記セラミックス基複合部材は、セラミックス繊維と前記セラミックス繊維に付着されたセラミックスマトリックスとからなる熱膨張率が３〜６[×１０−６/Ｋ]の範囲のものであって、前記ロウ材の溶融温度における前記嵌合部の外面と前記接合部の内面との距離が１５〜５００μｍの範囲であるものであり、
前記ロウ材は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくともいずれか１種を含むものであることを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記ロウ材が、Ｔｉ−Ｃｕ−Ｎｉおよび／またはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有することを特徴とする請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
前記金属部材と前記セラミックス基複合部材とが前記ロウ材を介して接合されているオーヴァーラップ領域の前記嵌合部のはめ込まれる方向の長さが、４〜１２ｍｍの範囲のものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合体。
【請求項４】
前記セラミックス基複合部材が、円筒状部品であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の接合体。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の接合体を備えたことを特徴とするスラスタ。
【請求項６】
筒状の接合部を有する金属部材と、前記接合部にはめ込まれる嵌合部を有するセラミックス基複合部材とをロウ材を用いて接合する接合体の製造方法であって、
前記金属部材として、熱膨張率が４．５〜１９[×１０−６/Ｋ] の範囲のものを用い、
前記セラミックス基複合部材として、セラミックス繊維と前記セラミックス繊維に付着されたセラミックスマトリックスとからなる熱膨張率が３〜６[×１０−６/Ｋ]の範囲のものであって、前記ロウ材の溶融温度における前記嵌合部の外面と前記接合部の内面との距離が１５〜５００μｍの範囲であるものを用い、
前記ロウ材として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくともいずれか１種を含むものを用いることを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項７】
前記ロウ材が、Ｔｉ−Ｃｕ−Ｎｉおよび／またはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有することを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項８】
前記セラミックス基複合部材が、円筒状部品であることを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項９】
前記接合部の内壁縁部に前記ロウ材を設置するロウ材設置工程と、
前記ロウ材を溶融させて、前記接合部と前記嵌合部との間に溶融した前記ロウ材を浸透させる浸透工程とを備えることを特徴とする接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス基複合部材と金属部材との接合体、および接合体を備えたスラスタ、並びに接合体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ロケットエンジンを高性能化するために、燃焼器（スラストチャンバ）の耐熱温度を高めることが要求されている。そして、近年、耐熱性に優れたスラストチャンバの材料として、セラミックス繊維とセラミックスマトリックスとからなるセラミックス基複合材料（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：以下、ＣＭＣと略称する）を用いることが検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、高温・高圧の燃焼ガス雰囲気であるスラストチャンバの使用環境において、スラストチャンバとスラスタ本体との接合部は、十分な気密性および接合強度を有することが要求される。従来、ＣＭＣからなるスラストチャンバとスラスタ本体との接合方法としては、Ｏリングや有機系接着剤を用いて気密性を確保し、機械的な接合方法により接合強度を確保する方法が用いられている。機械的な接合方法としては、例えば、スラストチャンバとスラスタ本体の取付部とにピン穴を設け、ピン穴に金属からなるピンを通して固定する方法や、スラストチャンバにフランジ形状の接合部を形成し、スラスタ本体の取付部にボルトで固定する方法が用いられている。
【０００４】
しかし、従来の機械的な接合方法では、十分な気密性が得られないことや、接合に手間がかること、接合部の重量が重いことが問題となっていた。
この問題を解決するために、ＣＭＣからなるスラストチャンバを、金属部材からなるスラスタ本体の接続部にロウ付け接合することが考えられる。ロウ材としては、例えば、Ｔｉ基ろうやＡｇ基ろう、Ａｌ基ろうなどが挙げられる（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００１−３３５３７８号公報
【特許文献２】特開平８−１３２２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＣＭＣからなるスラストチャンバと金属部材からなる接続部とをロウ付け接合した場合、金属部材を構成する金属材料とＣＭＣとの熱膨張率の差（以降、熱伸び差と呼ぶ）に起因する熱応力によって、ロウ付け面の剥離や接合強度の低下が生じてしまう場合があった。このため、ロウ付け接合では、スラストチャンバとして使用可能な十分な気密性や接合強度が得られなかった。
【０００６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、接合部の軽量化が可能で、容易に接合でき、十分な気密性および接合強度が得られるセラミックス基複合部材と金属部材との接合体を提供することを目的とする。
また、本発明は、軽量で、容易に製造でき、十分な気密性および接合強度を有するスラスタを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、容易に接合でき、十分な気密性および接合強度が得られるセラミックス基複合部材と金属部材との接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明者は鋭意研究を重ね、スラストチャンバの外面と金属部材の内面との距離であるクリアランスが、常温では適正寸法であっても、ロウ材溶融温度では金属材料とＣＭＣとの熱伸び差によって適正寸法とならないことが、スラストチャンバと金属部材とをロウ付け接合する場合におけるロウ付け面の剥離や接合強度の低下の一因であることを見出した。そして、本発明者は、クリアランスと、スラストチャンバおよび金属部材を構成する材料の熱膨張率との関係に着目し、本発明を見出した。
【０００８】
本発明の接合体は、筒状の接合部を有する金属部材と、前記接合部にはめ込まれる嵌合部を有するセラミックス基複合部材とがロウ材を用いて接合されてなる接合体であって、前記金属部材は、熱膨張率が４．５〜１９[×１０−６/Ｋ] の範囲のものであり、前記セラミックス基複合部材は、セラミックス繊維と前記セラミックス繊維に付着されたセラミックスマトリックスとからなる熱膨張率が３〜６[×１０−６/Ｋ]の範囲のものであって、前記ロウ材の溶融温度における前記嵌合部の外面と前記接合部の内面との距離が１５〜５００μｍの範囲であるものであり、前記ロウ材は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくともいずれか１種を含むものであることを特徴とする。
【０００９】
上記の接合体においては、前記ロウ材が、Ｔｉ−Ｃｕ−Ｎｉおよび／またはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有するものとすることができる。
また、上記の接合体においては、前記金属部材と前記セラミックス基複合部材とが前記ロウ材を介して接合されているオーヴァーラップ領域の前記嵌合部のはめ込まれる方向の長さが、４〜１２ｍｍの範囲のものであるものとすることができる。
また、上記の接合体においては、前記セラミックス基複合部材が、円筒状部品であるものとすることができる。
【００１０】
また、上記目的を達成するために、本発明のスラスタは、上記のいずれかの接合体を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、上記目的を達成するために、本発明の接合体の製造方法は、筒状の接合部を有する金属部材と、前記接合部にはめ込まれる嵌合部を有するセラミックス基複合部材とをロウ材を用いて接合する接合体の製造方法であって、前記金属部材として、熱膨張率が４．５〜１９[×１０−６/Ｋ] の範囲のものを用い、前記セラミックス基複合部材として、セラミックス繊維と前記セラミックス繊維に付着されたセラミックスマトリックスとからなる熱膨張率が３〜６[×１０−６/Ｋ]の範囲のものであって、前記ロウ材の溶融温度における前記嵌合部の外面と前記接合部の内面との距離が１５〜５００μｍの範囲であるものを用い、前記ロウ材として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくともいずれか１種を含むものを用いることを特徴とする。
【００１２】
上記の接合体の製造方法においては、前記ロウ材が、Ｔｉ−Ｃｕ−Ｎｉおよび／またはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有する方法とすることができる。
また、上記の接合体の製造方法においては、前記セラミックス基複合部材が、円筒状部品である方法とすることができる。
また、上記の接合体の製造方法においては、  前記嵌合部を前記接合部にはめ込む嵌合工程と、前記接合部の内壁縁部に前記ロウ材を設置するロウ材設置工程と、前記ロウ材を溶融させて、前記接合部と前記嵌合部との間に溶融した前記ロウ材を浸透させる浸透工程とを備える方法とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の接合体は、金属部材とセラミックス基複合部材とがロウ材を用いて接合されてなるものであるので、従来の機械的な接合方法を用いたものと比較して、接合部の軽量化が可能で、接合が容易なものとなる。
また、本発明の接合体では、金属部材は、熱膨張率が３〜６[×１０−６/Ｋ]の範囲のものであり、セラミックス基複合部材は、セラミックス繊維とセラミックスマトリックスとからなる熱膨張率が４．５〜１９[×１０−６/Ｋ] の範囲のものであって、ロウ材の溶融温度における前記嵌合部の外面と前記接合部の内面との距離が１５〜５００μｍの範囲であるものであり、ロウ材は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくともいずれか１種を含むものであるので、十分な気密性および接合強度が得られる。
【００１４】
また、本発明の接合体の製造方法によれば、容易に接合でき、十分な気密性および接合強度が得られるセラミックス基複合部材と金属部材との接合体が得られる。
また、本発明のスラスタは、本発明のいずれかの接合体を備えたものであるので、軽量で、容易に製造でき、十分な気密性および接合強度を有するものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
「第１実施形態」
以下、図面を参照して、本発明に係る接合体および接合体の製造方法の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の接合体の一部を拡大して示した概略断面図である。図１に示す接合体１は、円筒状部品であり、金属部材３とセラミックス基複合部材２とが、ロウ材４を用いて接合されてなるものである。
【００１６】
図１に示すように、金属部材３は、円形の筒状の接合部３ａを有するものである。接合部３ａの内壁縁部には、外側から内側に向かって傾斜した斜面３ｂが形成されており、ロウ材４の一部がセラミックス基複合部材２の嵌合部２ａと金属部材３の接合部３ａとの間から盛り上がって固着している。
【００１７】
金属部材３を構成する材料は、熱膨張率が４．５〜１９[×１０−６/Ｋ] の範囲の金属であれば、いかなる材料からなるものであってもよく、特に限定されないが、例えば、Ｔｉ,Ｎｂ,Ｍｏ,Ｎｉ,Ｆｅ等とそれらからなる合金などが挙げられる。
なお、接合体１がスラスタに用いられるものである場合には、金属部材３を構成する材料は、インバー効果を有する合金などの耐熱性に優れた金属であることが望ましく、例えば、Ｔｉ、ＳＵＳ３０４（日本工業規格（ＪＩＳ））、ＨＲＡ９２９（商品名：日立金属株式会社製）、Ａｌｌｏｙ９０９（商品名：日立金属株式会社製）、ＫＯＶＡＲ（商品名：ウェスティングハウス株式会社製）などを用いることが望ましい。
【００１８】
また、セラミックス基複合部材２は、図１に示すように円形の筒状であり、金属部材３の接合部３ａの内壁にはめ込まれる嵌合部２ａを有するものである。
セラミックス基複合部材２は、熱膨張率が３〜６[×１０−６/Ｋ]の範囲のものであって、図２に示すセラミックス基複合材料（ＣＭＣ）２０からなるものである。ＣＭＣ２０は、図２に示すように、セラミックス繊維２１とセラミックスマトリックス２２とからなるものである。セラミックス繊維２１としては、Ｃ繊維やＳｉＣ繊維などからなる所定の繊維束を軸方向と円周方向に繊維を配向させた２次元織物が用いられている。また、セラミックスマトリックス２２は、ＣやＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４などからなるものであり、セラミックス繊維２１に付着されている。
このようなＣＭＣ２０の中でも特に、セラミックス繊維２１とセラミックスマトリックス２２のいずれもがＣからなるものやＳｉＣからなるもの、セラミックス繊維２１がＣからなり、セラミックスマトリックス２２がＳｉＣからなるものなどを用いることが好ましい。
【００１９】
また、本実施形態においては、図１に示すセラミックス基複合部材２の嵌合部２ａの外面と金属部材３の接合部３ａの内面とのロウ材４の溶融温度における距離Ｄ、言い換えると、セラミックス基複合部材２の嵌合部２ａの外形ｄ２と金属部材３の接合部３ａの内径ｄ１とのロウ材４の溶融温度における寸法差の１／２の値（以下「クリアランス」と呼ぶ）が１５〜５００μｍの範囲とされており、５０〜１５０μｍの範囲とされることが好ましい。クリアランスＤの最適値は、ロウ材４、セラミックス基複合部材２、金属部材３の種類に応じて決定される。
【００２０】
クリアランスＤが上記範囲内であると、気密性が高く、接合強度に優れた接合体１が得られる。しかし、クリアランスＤが上記範囲未満であると、ロウ付け後に冷却することで、セラミックス基複合部材２が金属部材３の収縮しようとする圧縮応力によって圧壊する可能性があり、好ましくない。また、クリアランスＤが上記範囲を超えると、ロウ材４が厚くなって、金属部材３とセラミックス基複合部材２との熱伸び差に起因する熱応力によるロウ材４への負荷が大きくなり、接合強度が十分に得られず、気密性も不十分となるため、好ましくない。
【００２１】
また、本実施形態においては、金属部材３とセラミックス基複合部材２とがロウ材４を介して接合されているオーヴァーラップ領域６の嵌合部２ａのはめ込まれる方向の長さｄ３（以下「オーヴァーラップ長」と呼ぶ）が、４〜１２ｍｍの範囲とされていることが望ましい。
オーヴァーラップ長ｄ３が上記範囲未満であると、接合面積が不足して、十分な気密性および接合強度が得られない場合がある。また、オーヴァーラップ長ｄ３が上記範囲を超えると、接合面積が多すぎて、金属部材３とセラミックス基複合部材２との熱伸び差に起因する熱応力によるロウ材４への負荷が大きくなり、ロウ材４の剥離や接合強度の低下が生じる恐れがあるため、好ましくない。
【００２２】
また、ロウ材４としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくともいずれか１種を含むものであれば、いかなるものであっても用いることができる。ロウ材４に含まれているＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆは、セラミックス基複合部材２と反応し、ロウ材４とセラミックス基複合部材２との濡れ性および密着性を向上させる活性剤として機能するものである。例えば、ロウ材４としてＴｉが含まれているものを用いた場合、ロウ付けされることによりセラミックス基複合部材２を構成するＣ原子やＮ原子とＴｉとが反応して、ＴｉＣやＴｉＮが生成されることにより、ロウ材４とセラミックス基複合部材２との濡れ性および密着性が向上される。
【００２３】
Ｔｉを含むロウ材４としては、Ｔｉ−Ｃｕ−Ｎｉおよび／またはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有するものなどが挙げられ、具体的には、Ｔｉｃｕｎｉ，Ｉｎｃｕｓｉｌ−ＡＢＡ（商品名：ｗｅｓｇｏ社）や、Ａｇ６０質量％、Ｃｕ２４質量％、Ｉｎ１４質量％、Ｔｉ２質量％を含むＴＢ−６２９Ｔ（商品名：東京ブレイズ社）などが挙げられる。
また、Ｚｒを含むロウ材４としては、Ｚｒを０.５〜５ａｔ％含むＡｇロウあるいはＮｉロウ等などが挙げられる。
また、Ｈｆを含むロウ材４としては、Ｈｆを０．５〜５ａｔ％含むＡｇロウあるいはＮｉロウ等などが挙げられる。
また、ロウ材４としては、金属部材３とセラミックス基複合部材２との熱伸び差に追従可能であるＡｇろうを用いることが望ましい。
さらに、ロウ材４には、Ｉｎが添加されていてもよい。Ｉｎを添加することで、融点の低いロウ材４とすることができ、好ましい。
【００２４】
図１に示す接合体１を製造するには、まず、嵌合部２ａが所定の外形ｄ２を有するセラミックス基複合部材２と、接合部３ａが所定の内径ｄ１を有する金属部材３とを用意する。
ここで、本実施形態においては、下記の式（１）を用いて、図１に示すセラミックス基複合部材２の嵌合部２ａの外形ｄ２と金属部材３の接合部３ａの内径ｄ１とのロウ材４の溶融温度における寸法差の１／２（クリアランスＤ）が所定の範囲となるように、金属部材３の接合部３ａの内径ｄ１を決定する。なお、下記の式（１）を用いて、クリアランスＤが所定の範囲となるように、セラミックス基複合部材２の嵌合部２ａの外形ｄ２を決定してもよい。
【００２５】
【数１】
2008069060.tif 000003
【００２６】
ここで、ｄＭＥＴは、接合部の内径（ｍ）であり、ｄＣＭＣは嵌合部の外形（ｍ）、αＭＥＴは金属部材を構成する金属材料の熱膨張率（/Ｋ）、αＣＭＣはセラミックス基複合部材を構成するＣＭＣの熱膨張率（/Ｋ）、△Ｔはロウ材の溶融温度と室温の差（Ｋ)、ｃはロウ材の溶融温度におけるクリアランス（ｍ）をそれぞれ表している。なお、ここでの室温とは２５℃とする。
【００２７】
ここで、例えば、セラミックス基複合部材２として、セラミックス繊維およびセラミックスマトリックスが共にＳｉＣからなるＣＭＣ（熱膨張率＝３．００[×１０−６/Ｋ]）を用い、金属部材３として熱膨張率が８．４[×１０−６/Ｋ]であるＴｉを用い、ロウ材として溶融温度が７２０℃であるＴＢ-６２９Ｔ  からなるものを用いた場合、室温でのクリアランスは、−４３．５〜４４０．７μｍとされ、好ましくは−６．７〜９２．８μｍとされる。
また、例えば、セラミックス基複合部材２として、セラミックス繊維およびセラミックスマトリックスが共にＳｉＣからなるＣＭＣ（熱膨張率＝３．００[×１０−６/Ｋ]）を用い、金属部材３として熱膨張率が１８．７[×１０−６/Ｋ]であるステンレスを用い、ロウ材として溶融温度が７２０℃であるＴＢ-６２９Ｔ  からなるものを用いた場合、室温でのクリアランスは、−１５３．７〜３３０．８μｍとされ、好ましくは−１１３．４〜１４．７μｍとされる。
【００２８】
次いで、所定の外径ｄ２のセラミックス基複合部材２の嵌合部２ａを、所定の内径ｄ１の金属部材３の接合部３ａにはめ込み（嵌合工程）、オーヴァーラップ長ｄ３が所定の寸法となるように調整する。ここでの嵌合部２ａの接合部３ａへのはめ込みは、専用の冶具を用いてセラミックス基複合部材２の中心軸と金属部材３の中心軸とが同軸となるように支持しながら行なうことが望ましい。さらに、嵌合工程終了後も接合が完了するまで、セラミックス基複合部材２の中心軸と金属部材３の中心軸とが同軸となるように、冶具を用いて支持することが望ましい。
【００２９】
次いで、接合部３ａの内壁縁部の斜面３ｂ上にペースト状とされた所定量のロウ材４を設置する（ロウ材設置工程）。その後、ロウ材４を溶融させて、接合部２ａと嵌合部３ａとの間に溶融したロウ材４を毛細管現象によって浸透させ（浸透工程）る。このとき、接合部２ａと嵌合部３ａとの間に浸透させたロウ材４に含まれているＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆが、セラミックス基複合部材２と反応するので、ロウ材４のセラミックス基複合部材２に対する濡れ性および密着性が十分に得られる。そして、５分〜１時間ロウ材４の融点温度を保持した後、ゆっくりと冷却する。ここでの冷却速度は、例えば、１℃／分程度とすることができ、特に限定されないが、急速に冷却すると冷却による接合体１の歪みが大きくなるため好ましくない。このようにして、金属部材３とセラミックス基複合部材２とがロウ付け接合された接合体１が得られる。
【００３０】
なお、上述した製造方法では、ロウ材４を溶融させる前に、嵌合部２ａを接合部３ａにはめ込むことにより、オーヴァーラップ長ｄ３を所定の寸法となるように調整したが、常温でのセラミックス基複合部材２の嵌合部２ａの外形ｄ２と金属部材３の接合部３ａの内径ｄ１との寸法差が小さく、常温で嵌合部２ａを接合部３ａにはめ込めない場合には、オーヴァーラップ長ｄ３の調整は、ロウ材４を溶融させる際の熱などによって接合部３ａが膨張したときに行なってもよい。
具体的には、例えば、接合部３ａ内の所定の位置に、嵌合部２ａが必要以上に挿入されることを防止するストッパーを設置し、接合部３ａの内壁縁部の斜面３ｂ上に嵌合部２ａを載置した状態で、ロウ材４を溶融させる熱処理を行なうことによってオーヴァーラップ長ｄ３を調整してもよい。この場合、ロウ材４を溶融させる熱処理によって金属部材３が膨張すると、接合部３ａ内にロウ材４とともに嵌合部２ａが進入していき、嵌合部２ａの進入が所定の位置となると、ストッパーによって嵌合部２ａの進入が阻止され、オーヴァーラップ長ｄ３が所定の長さとなる。
なお、オーヴァーラップ長ｄ３を調整するための熱処理は、上述したように、ロウ材４を溶融させるための熱処理であってもよいが、セラミックス基複合部材２の嵌合部２ａを金属部材３の接合部３ａにはめ込むためだけに行なわれる熱処理であってもよい。
【００３１】
本実施形態の接合体１は、金属部材３とセラミックス基複合部材２とがロウ材４を用いて接合されてなるものであるので、従来の機械的な接合方法を用いたものと比較して、接合部の軽量化が可能で、接合が容易なものとなる。
また、本実施形態の接合体１は、金属部材３の熱膨張率が３〜６[×１０−６/Ｋ]の範囲のものであり、セラミックス基複合部材２の熱膨張率が４．５〜１９[×１０−６/Ｋ] の範囲のものであり、金属部材３とセラミックス基複合部材２との熱膨張率の差が小さいので、金属部材３とセラミックス基複合部材２との熱伸び差に起因する熱応力が小さいものとなり、十分な気密性および接合強度を有するものとなる。
【００３２】
しかも、本実施形態の接合体１は、上述したように、金属部材３とセラミックス基複合部材２との熱膨張率の差が小さいことに加え、クリアランスＤが１５〜５００μｍの範囲のものであるので、金属部材３とセラミックス基複合部材２との熱伸び差に起因するセラミックス基複合部材２およびロウ材４への負荷を効果的に小さくすることができ、非常に気密性が高く、接合強度に優れたものとなる。
さらに、本実施形態の接合体１において、オーヴァーラップ長ｄ３が４〜１２ｍｍの範囲である場合、金属部材３とセラミックス基複合部材２との熱伸び差に起因するセラミックス基複合部材２およびロウ材４への負荷をより一層小さくすることができるので、より一層気密性が高く、接合強度に優れたものとすることができる。
【００３３】
また、本実施形態の接合体１は、ロウ材４として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくともいずれか１種を含むものが用いられているので、ロウ材４のセラミックス基複合部材２との優れた濡れ性および密着性により、金属部材３とセラミックス基複合部材２とが十分に高い気密性および接合強度で接合されたものとなる。
さらに、本実施形態の接合体１において、ロウ材４が、Ｔｉ−Ｃｕ−Ｎｉおよび／またはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを含有するものである場合、ロウ材４のセラミックス基複合部材２に対する濡れ性および密着性がより一層優れたものとなるので、金属部材３とセラミックス基複合部材２とがより優れた気密性および接合強度で接合されたものとなる。
【００３４】
さらに、本実施形態の接合体１は、セラミックス基複合部材２が、ＣＭＣからなるものであるため、耐熱性に優れたものとなる。
【００３５】
また、本実施形態の接合体１の製造方法では、熱膨張率が上記の範囲である金属部材３と、ＣＭＣからなり、熱膨張率が上記の範囲であり、ロウ材の溶融温度における嵌合部２ａの外面と接合部３ａの内面との距離Ｄが１５〜５００μｍの範囲であるセラミックス基複合部材２とを、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの少なくともいずれか１種を含むロウ材４を用いて接合するので、十分な気密性および接合強度が得られる接合体１が容易に得られる。
【００３６】
また、本実施形態の接合体１の製造方法において、接合部３ａの内壁縁部にロウ材４を設置する工程と、ロウ材４を溶融させて、接合部３ａと嵌合部２ａとの間に溶融したロウ材４を浸透させる工程とを備えることで、オーヴァーラップ領域６における嵌合部２ａの外形ｄ２と接合部３ａの内径ｄ１との間の１５〜５００μｍの隙間全体に、セラミックス基複合部材２との濡れ性および密着性に優れたロウ材４を毛細管現象によって十分に浸透させることができ、金属部材３とセラミックス基複合部材２とを確実かつ容易に接合することができる。
【００３７】
また、本実施形態の接合体１は、接合部３ａの内壁縁部に、外側から内側に向かって傾斜した斜面３ｂが形成されたものであるので、接合部３ａの内壁縁部に設置されたロウ材４を溶融させた際に、ロウ材４が接合部３ａの内壁縁部から外面側にこぼれることを防止できる。
なお、図１に示す例では、接合部３ａの内壁縁部には、外側から内側に向かって傾斜した斜面３ｂが形成されていたが、本発明は、図１に示す例に限定されるものではなく、例えば、接合部の内壁縁部には、外側から内側に向かって下る階段状の段差が設けられていてもよい。この場合においても、接合部３ａの内壁縁部に設置されたロウ材４を溶融させた際に、ロウ材４が接合部３ａの内壁縁部から外面側にこぼれることを防止できる。
また、図１に示す例では、セラミックス基複合部材２は円形の筒状ものとされていたが、セラミックス基複合部材の形状は、金属部材の接合部にはめ込まれる嵌合部を有するものであればいかなるものであってもよい。
【００３８】
「第２実施形態」
以下、図面を参照して、本発明に係るスラスタの一実施形態について説明する。
図３は、本発明のスラスタの一例の一部を拡大して示した概略図である。図３に示すスラスタ１０は、金属部材３とセラミックス基複合部材２とがロウ材４を用いて接合されてなる図１に示す接合体１からなる円筒状部品を備えたものである。図３に示す例においては、スラストチャンバ２３およびノズル５は、接合体１のセラミックス基複合部材２から構成されている。また、接合体１の金属部材３は、スラスタ本体の接続部である。
【００３９】
図３に示すスラスタ１０は、図１に示す接合体１を備えたものであるので、優れた耐熱性を有するＣＭＣからなるスラストチャンバ２３を有し、しかも、十分な気密性および接合強度を有するものとなる。
また、図３に示すスラスタ１０は、金属部材３とセラミックス基複合部材２とがロウ材４を用いて接合されてなる接合体１を備えているので、従来の機械的な接合方法を用いたものと比較して、接合部の軽量化が可能で、接合が容易なものとなる。
【００４０】
例えば、外形２８ｍｍのスラストチャンバを金属部材に接合する場合に、スラストチャンバにフランジ形状の接合部を形成し、金属部材にボルトで固定すると、接合のために増加する重量は、フランジ形状の接合部の重量約６６０ｇとボルト・ナットの重量約６０ｇとを合わせた約７２０ｇである。
これに対し、金属部材３とセラミックス基複合部材２とをロウ材４を用いて接合する場合、接合のために増加する重量は、ロウ材の重量約３８ｇのみである。
よって、ロウ材４を用いて接合する場合、接合のために増加する重量を、スラストチャンバにフランジ形状の接合部を形成し、金属部材にボルトで固定する場合の約１／２０とすることができる。
【００４１】
また、ロウ材を用いて接合する場合、接合が容易となるので、接合のために要する時間を、スラストチャンバにフランジ形状の接合部を形成し、金属部材にボルトで固定する場合の１／２以下とすることができる。
【００４２】
本発明のスラスタは、例えば、ジェットエンジンやロケットのスラスタとして用いることができる。
【００４３】
（実施例）
次に、本発明の実施例について説明する。
「実施例１」
内形３０．１０７ｍｍの円形の筒状の金属部材３と、ロウ材の溶融温度におけるクリアランスＤが１１２．５μｍとなる外径３０．０ｍｍの円形の筒状のセラミックス基複合部材２とを用意した。そして、金属部材３の接合部３ａ内におけるオーヴァーラップ長が９ｍｍとなる位置に、セラミックス基複合部材２の嵌合部２ａが必要以上に挿入されることを防止するストッパーを設置し、接合部３ａの内壁縁部の斜面３ｂ上に嵌合部２ａを載置した。次いで、金属部材３の内壁縁部に設けられた斜面３ｂ上にペースト状とされた所定量のロウ材４を設置した。続いて、金属部材３およびセラミックス基複合部材２を２００℃に加熱する熱処理を行なうことにより金属部材３を膨張させて、接合部３ａ内に嵌合部２ａを進入させた。その後、ロウ材を７５０℃に加熱して溶融させて、セラミックス基複合部材２と金属部材３との間に溶融したロウ材を浸透させた。そして、１時間ロウ材の融点温度を保持した後、１℃／分の冷却速度で冷却して図１に示す接合体１を得た。
【００４４】
なお、金属部材としては、Ｔｉ（熱膨張率＝８．４０[×１０−６/Ｋ]）を用いた。
また、セラミックス基複合部材としては、セラミックス繊維がＳｉＣからなりセラミックスマトリックスがＳｉＣからなるＣＭＣ（熱膨張率＝３．００[×１０−６/Ｋ]）を用いた。
また、ロウ材としては、溶融温度が７２０℃であるＴＢ−６２９Ｔ（商品名：東京ブレイズ株式会社製）を用いた。
【００４５】
「実施例２」
金属部材としてＨＲＡ９２９（商品名：日立金属株式会社製）（熱膨張率＝７．７０[×１０−６/Ｋ] ａｔ５００℃）を用い、金属部材３の内径を３０．１２２ｍｍとし、ロウ材の溶融温度におけるクリアランスＤを１１２．５μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、図１に示す接合体１を得た。
【００４６】
このようにして得られた実施例１および実施例２の接合体１のオーヴァーラップ領域６のせん断強度と、接合される前のセラミックス基複合部材２のせん断強度とを以下に示すようにして調べた。
図４は、接合体１のオーヴァーラップ領域６のせん断強度の測定方法を説明するための図である。図４に示すように、試験体である接合体１を冶具３２上に載置し、アタッチメント３１を介して図４に示す矢印の方向に荷重を負荷し、プラッグ・ワッシャー方式のせん断試験を行なった。
【００４７】
その結果を図５に示す。図５は、実施例１および実施例２の接合体のオーヴァーラップ領域のせん断強度と、接合される前のセラミックス基複合部材のせん断強度とを示したグラフであり、接合される前のセラミックス基複合部材のせん断強度を１とした場合の実施例１および実施例２のオーヴァーラップ領域のせん断強度の強度比を示したグラフである。
図５に示すように、実施例１および実施例２の接合体のオーヴァーラップ領域は、十分に高いせん断強度を有していることが確認できた。このことより、実施例１および実施例２の接合体が、十分な接合強度を有していることが確認できた。
【００４８】
また、このようにして得られた実施例１および実施例２の接合体１の気密性を、以下に示す方法によって調べた。
図６は、接合体１の気密性の測定方法を説明するための図である。図６に示すように、実施例１および実施例２の接合体１のセラミックス基複合部材２側の端面と金属部材３側の端面とをシール剤３３で密閉して、接合体１内にヘリウムガスを供給し、接合体１内の圧力を計測することによって接合体１の気密性を調べた。更に、微細な気密性について調べるために、ガス漏れ検知用の石鹸水を接合体１の外周部に塗布し、リークによる泡が発生するかどうかを確認した。
その結果、実施例１および実施例２の接合体１内の圧力が０．７ＭＰａ以下である場合には、リークが発生しないことが確認できた。このことから、実施例１および実施例２の接合体が、十分な気密性を有していることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、本発明の接合体の一部を拡大して示した概略断面図である。
【図２】図２は、セラミックス基複合材料の一例を説明するための断面図である。
【図３】図３は、本発明のスラスタの一例の一部を拡大して示した概略図である。
【図４】図４は、接合体１のオーヴァーラップ領域６のせん断強度の測定方法を説明するための図である。
【図５】図５は、実施例１および実施例２の接合体のオーヴァーラップ領域のせん断強度と、接合される前のセラミックス基複合部材のせん断強度とを示したグラフである。
【図６】図６は、接合体１の気密性の測定方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…接合体、２…セラミックス基複合部材、２ａ…嵌合部、３…金属部材、３ａ…接合部、３ｂ…斜面、４…ロウ材、５…ノズル、６…オーヴァーラップ領域、１０…スラスタ、２０…セラミックス基複合材料（ＣＭＣ）、２１…セラミックス繊維、２２…セラミックスマトリックス、２３…スラストチャンバ、Ｄ…クリアランス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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