(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも希土類元素（ＲＥ）、珪素（Ｓｉ）および酸素（Ｏ）を含有し、前記希土類元素（ＲＥ）が、Ｄｙ、Ｙ、Ｅｒ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種であり、ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7で表される結晶相およびＲＥ2ＳｉＯ5で表される結晶相を主成分とするセラミックマトリックス中の粒内に、非酸化物粒子である窒化珪素粒子が分散してなることを特徴とする耐食性セラミック部材。
【請求項２】
前記セラミックマトリックスの結晶粒子の平均結晶粒径が５μｍ以下である請求項１記載の耐食性セラミック部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼ガス等、水蒸気を多く含んだ高温ガスに対して、高い耐食性を有し、かつ高強度を有する耐食性セラミック部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エンジニアリングセラミックスとして知られている窒化珪素、炭化珪素やサイアロン等は、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性および耐酸化性に優れることから、特にガスタービンやターボロータ等の熱機関用部品として応用が進められている。これらのセラミックスを内燃機関、特にガスタービン用部材に用いる場合には、高強度のみならず、高温気流による腐食に強いことが要求される。
【０００３】
上記耐食性と高強度を両立するため、強度の高い窒化珪素焼結体表面に耐食性の高いセラミックスをコーティングする試みがなされている（特許文献１および特許文献２）。
しかしながら、特許文献１、２に記載のセラミックコーティングにおいても、温度変化のあるような環境下で繰り返し使用しているうちにクラックが発生し、表面層が剥離するなどの問題があった。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２３８８５９号公報
【特許文献２】特開２００３−１３７６７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、ガスタービン燃焼ガス中等、水蒸気を多く含んだ高温、高速の燃焼ガス中でも破損することなく、高い強度と高い耐食性を有する耐食性セラミック部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、耐食性セラミック部材が、少なくとも希土類元素（ＲＥ）、珪素（Ｓｉ）および酸素（Ｏ）を含有し、前記希土類元素（ＲＥ）が、Ｄｙ、Ｙ、Ｅｒ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種であり、ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7で表される結晶相およびＲＥ2ＳｉＯ5で表される結晶相を主成分とするセラミックマトリックス中の粒内に、非酸化物粒子である窒化珪素粒子が分散してなる場合には、水蒸気を多く含んだ高温、高速の燃焼ガスに対しても耐食性が高く、強度も高くなるという新たな知見を見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明の耐食性セラミック部材は、以下の構成からなる。
（１）少なくとも希土類元素（ＲＥ）、珪素（Ｓｉ）および酸素（Ｏ）を含有し、前記希土類元素（ＲＥ）が、Ｄｙ、Ｙ、Ｅｒ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種であり、ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7で表される結晶相およびＲＥ2ＳｉＯ5で表される結晶相を主成分とするセラミックマトリックス中の粒内に、非酸化物粒子である窒化珪素粒子が分散してなることを特徴とする耐食性セラミック部材。
（２）前記セラミックマトリックスの結晶粒子の平均結晶粒径が５μｍ以下である前記（１）に記載の耐食性セラミック部材。
【発明の効果】
【０００８】
前記（１）によれば、少なくとも希土類元素（ＲＥ）、珪素（Ｓｉ）および酸素（Ｏ）を含有し、前記希土類元素（ＲＥ）が、Ｄｙ、Ｙ、Ｅｒ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種であり、ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7で表される結晶相およびＲＥ2ＳｉＯ5で表される結晶相を主成分とするセラミックマトリックス中の粒内に、非酸化物粒子である窒化珪素粒子が分散するので、高温の水蒸気に対して耐食性が高く、かつ強度が高い高耐食性セラミック焼結体となり、高い耐食性と高強度を両立することができるという効果がある。
【０００９】
前記（２）によれば、破壊する際の破壊源が結晶粒子以外となるので、強度をより高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
＜耐食性セラミック部材＞
以下、本発明の耐食性セラミック部材の一実施形態について説明する。本実施形態にかかる耐食性セラミック部材（すなわち高耐食性セラミック焼結体）は、少なくとも希土類元素（ＲＥ）、珪素（Ｓｉ）および酸素（Ｏ）を含有し、前記希土類元素（ＲＥ）が、Ｄｙ、Ｙ、Ｅｒ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種であり、ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7で表される結晶相およびＲＥ2ＳｉＯ5で表される結晶相を主成分とするセラミックマトリックス（以下、単に「マトリックス」という）中の粒内に、非酸化物粒子である窒化珪素粒子が分散してなる。これにより、高温の水蒸気に対して耐食性が高く、かつ強度が高い高耐食性セラミック焼結体となる。この理由としては、以下の理由が推察される。
【００１１】
すなわち、ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7で表される結晶相およびＲＥ2ＳｉＯ5で表される結晶相は、高温の水蒸気に対して耐食性が高い。さらに、ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7で表される結晶相およびＲＥ2ＳｉＯ5で表される結晶相を、非酸化物粒子である窒化珪素粒子により強化しているため強度が高くなる。特に、効率よく高い強度と高い耐食性を有する耐食性セラミック部材とする上で、ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7で表される結晶相とＲＥ2ＳｉＯ5で表される結晶相とを合わせて１００％としたときに、前記ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7で表される結晶相の結晶比率が９０〜９７％であり、ＲＥ2ＳｉＯ5で表される結晶相の結晶比率が３〜１０％であるのが好ましい。前記結晶比率は、ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7とＲＥ2ＳｉＯ5の結晶量の比であり、例えばＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7結晶相は、式：［ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7結晶相／（ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7結晶相＋ＲＥ2ＳｉＯ5結晶相）×１００］で算出される値であり、Ｘ線回折（ＸＲＤ）の回折パターンからリートベルト法により算出して得られた値である。
【００１２】
本実施形態では、前記非酸化物粒子が、主としてマトリックス中の粒内に分散してなる。これにより、非酸化物粒子が主としてマトリックス中の粒界に分散してなる場合よりも、強度を向上することができる。前記非酸化物粒子が、マトリックス中の粒内に分散しているか否かの確認は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）あるいは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）での観察で確認することができる。
【００１３】
前記マトリックス中の非酸化物粒子が窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）粒子であることにより、強度を高くすることができる。
【００１４】
本実施形態の耐食性セラミック部材は、前記した通り、所定のマトリックス中に非酸化物粒子が分散してなるものであり、前記マトリックスと非酸化物粒子との割合は、マトリックスの割合の方が、非酸化物粒子の割合よりも多いことが好ましい。これに対し、非酸化物粒子の割合の方が、マトリックスの割合よりも多いと、高温の水蒸気に対して耐食性が低下する。
【００１５】
具体的には、マトリックスと非酸化物粒子の割合としては、マトリックスを構成する希土類元素（ＲＥ）および酸素（過剰酸素）と、非酸化物粒子とが、それぞれ以下に示す割合で、かつマトリックスの割合の方が、非酸化物粒子の割合よりも多くなるようにして耐食性セラミック部材中に含有されているのが好ましい。すなわち、前記希土類元素（ＲＥ）を酸化物換算（ＲＥ2Ｏ3）で１６．７〜３７．５モル％含有し、過剰酸素を二酸化珪素換算（ＳｉＯ2）で３３．３〜６３．３モル％含有するのがよい。これにより、マトリックスが、ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7で表される結晶相およびＲＥ2ＳｉＯ5で表される結晶相に結晶化しやすくなり、耐食性がより高くなる。また、前記非酸化物粒子を５〜５０モル％含有するのがよい。これにより、粒子分散強化の効果が高くなり、強度をより向上することができる。
【００１６】
前記マトリックスの結晶粒子の平均結晶粒径は１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下であるのがよい。通常、セラミックスの破壊は、欠陥や粗大粒子等に応力が集中して破断にいたる。このため、マトリックス結晶粒子の結晶粒径を小さくすることにより、破壊する際の破壊源が結晶粒子以外となり、その結果、強度を高くすることができる。前記平均結晶粒径は、高耐食性セラミック焼結体を切断して、その断面を鏡面加工し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写真撮影し、画像解析で測定して得られた値である。
【００１７】
前記非酸化物粒子の平均粒子径は０．１〜５μｍ、好ましくは０．３〜１μｍであるのがよい。これに対し、前記平均粒子径が０．１μｍより小さいと、粒子分散強化の効果が小さく、５μｍより大きいと、分散粒子が破壊源となり強度を低下させる恐れがある。前記平均粒子径は、中間層断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写真撮影し、画像解析で測定して得られた値である。
【００１８】
希土類元素（ＲＥ）には、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｙ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｃがあるが、Ｄｙ、Ｙ、Ｅｒ、ＹｂおよびＬｕから選ばれる１種であることにより、イオン半径が小さく、かつ結合力が強いので、水蒸気に対する耐食性をより向上することができる。
【００１９】
そして、耐食性セラミック部材は、室温から１２００℃の熱膨張係数が７×１０-6／℃以下、好ましくは５×１０-6／℃以下、より好ましくは３．６×１０-6／℃以下であるのがよい。これにより、耐熱衝撃性が向上し、さらに、発生する熱応力が小さくなるため、熱サイクルによる破損を抑制することができる。前記熱膨張係数は、ＪＩＳＲ１６１８に基づき、熱機械分析による熱膨張の測定方法で測定して得られた値である。
【００２０】
＜製造方法＞
次に、上記で説明した高耐食性セラミック焼結体の製造方法について説明する。まず、出発原料として、周期律表第３ａ族元素の酸化物（ＲＥ2Ｏ3）、二酸化珪素（ＳｉＯ2）、非酸化物粒子の粉末を用意し、希土類元素（ＲＥ）を酸化物換算で１６．７〜３７．５モル％、過剰酸素を二酸化珪素換算で３３．３〜６３．３モル％、非酸化物粒子が５〜５０モル％となるように調整する。前記非酸化物粒子としては、前記した通り、窒化珪素である。
【００２１】
そして、上記のように所定の割合で調整した混合粉末を、公知の成形手段、例えば金型プレス成形、鋳込み成形、押出成形、射出成形、冷間静水圧プレス成形等により任意の形状に成形する。得られた成形体を公知の焼成手段、例えば酸化性雰囲気中あるいは非酸化性雰囲気中での常圧焼成法、ホットプレス法等により１４５０〜１７５０℃の温度で焼成した後、冷却して本発明の耐食性セラミック部材を得ることができる。
【００２２】
本発明の耐食性セラミック部材は、水蒸気を多く含んだ高温、高速の燃焼ガス中でも破損することなく、高い強度と高い耐食性を有するので、例えばガスタービン用部品、自動車エンジン用部品やその他内燃機関用部品等に好適に用いることができる。
【００２３】
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００２４】
＜耐食性セラミック部材の作製＞
出発原料として周期律表第３ａ族元素の酸化物（ＲＥ2Ｏ3）、二酸化珪素（ＳｉＯ2）、非酸化物粒子（窒化珪素、炭化珪素、炭化チタン、窒化チタン、炭化タングステン、珪化タングステン、炭化モリブデン、珪化モリブデン）の粉末を、表１に示すような組成に調整し、溶媒と共に窒化珪素ボールにて混合粉砕した後、スプレードライヤーで乾燥造粒して顆粒を製作した。
【００２５】
上記で得た顆粒を金型に充填し、１ｔ／ｃｍ2の圧力で金型プレス成形することにより成形体を作製した。この成形体を窒化珪素質のこう鉢にいれて、カーボンヒーターを用い、常圧窒素雰囲気中にて、表１の温度まで昇温し、この温度にて２時間保持した後、冷却してセラミックス焼結体である耐食性セラミック部材を得た（表１中の試料Ｎｏ．１〜２３）。
【００２６】
＜評価＞
上記で得られたセラミックス焼結体である耐食性セラミック部材について、強度、耐食性、結晶比率、平均結晶粒径、熱膨張係数および非酸化物粒子の分散位置を評価した。各評価方法を以下に示すと共に、結果を表１に併せて示す。
【００２７】
（強度）
上記で得られたセラミックス焼結体を、ＪＩＳＲ１６０１の形状に加工して試験片を作製した。ついで、これらの試料を用いて、ＪＩＳＲ１６０１に基づく室温の４点曲げ強度の測定を行った。
【００２８】
（耐食性）
上記強度の評価において作製した試験片の一部を３×４×２０ｍｍの大きさに加工し、この試料について、高温水に対する耐食性を測定した。耐食性に関する測定は次の手順で行った。すなわち、まず、試料の表面積（Ｓｃｍ2）に対する水の体積（Ｖｃｍ3）が式：Ｖ／Ｓ＝１０となるように、蒸留水をテフロン（登録商標）製の容器に入れた。蒸留水を入れた容器に試料を入れた後、該容器をステンレス容器中に入れて密閉した。ついで、密閉したステンレス容器を乾燥機中に入れ、２００℃で１００時間保持した後、取り出した。該容器から取り出した試料を１２０℃の乾燥機中で２時間乾燥した後、電子天秤で重量測定を行った。得られた重量変化から、単位面積当たりの重量変化（ｍｇ／ｃｍ2）を計算し比較した。
【００２９】
（結晶比率）
ＲＥ2Ｓｉ2Ｏ7で表される結晶相およびＲＥ2ＳｉＯ5で表される結晶相の結晶比率は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）の回折パターンからリートベルト法により算出した。
（平均結晶粒径）
マトリックスの平均結晶粒径は、焼結体を切断し、その断面を鏡面加工し、ＳＥＭ写真を撮影して測定した。
（熱膨張係数）
熱膨張係数は、ＪＩＳＲ１６１８に基づき、熱機械分析による熱膨張の測定方法で測定した。
（非酸化物粒子の分散位置）
非酸化物粒子の分散位置は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）あるいは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察して測定した。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１から明らかなように、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜５、７〜１１の試験片は、強度が５００ＭＰａ以上の高強度であり、耐食試験による重量変化量も０．０５ｍｇ／ｃｍ2以下と耐食性も高いことがわかる。