(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ2Ｏ3とＹ2Ｏ3との共晶混合物を含む方向性固化された共晶ファイバであって、前記共晶ファイバは、Ｙ2Ｏ3約３９モル％からＹ2Ｏ3約４３モル％の範囲の組成、または、Ｙ2Ｏ3約７８モル％からＹ2Ｏ3約８２モル％の範囲の組成を有することを特徴とするファイバ。
【請求項２】
マトリックスと、このマトリックス内に分散された複数の方向性固化共晶ファイバとを含むことを特徴とする高温用ファイバ強化複合物体。
【請求項３】
前記マトリックスの熱膨張係数と、前記共晶ファイバの熱膨張係数との差は、２５％以内であることを特徴とする請求項２に記載の物体。
【請求項４】
前記物体は、タービンブレードである請求項２に記載の物体。
【請求項５】
前記共晶ファイバは、Ａｌ2Ｏ3、ＢａＯ、ＣａＯ、Ｃｒ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＣｅＯ、ＨｆＯ2、およびＴｈＯ2から成る群より選択される酸化物の共晶混合物を含むことを特徴とする請求項２に記載の物体。
【請求項６】
前記共晶ファイバは、Ａｌ2Ｏ3とＹ2Ｏ3の共晶混合物を含むことを特徴とする請求項２に記載の物体。
【請求項７】
前記共晶ファイバは、Ｙ2Ｏ3約１８モル％からＹ2Ｏ3約２２モル％の範囲の組成を有することを特徴とする請求項６に記載の物体。
【請求項８】
前記共晶ファイバは、Ｙ2Ｏ3約３９モル％からＹ2Ｏ3約４３モル％の範囲の組成を有することを特徴とする請求項６に記載の物体。
【請求項９】
前記共晶ファイバは、Ｙ2Ｏ3約７８モル％からＹ2Ｏ3約８２モル％の範囲の組成を有することを特徴とする請求項６に記載の物体。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、一般にはファイバーに関するものであり、特に高温用複合材のための強化ファイバに関する。
背景技術
金属代替えのため、ファイバ強化複合材を使用すれば、高強度、軽量、高温運転が可能な用途を広げることができる。例えば、高強度かつ高耐熱性の軽量材料は、タービンブレードやロケットエンジンを製造するために望ましい。金属マトリックス複合材または、セラミックマトリックス複合材は、物体の使用可能な運転温度の向上させるために使用することができるとともに、強度、剛性、耐クリープ性といった特性を向上させることができる。
上記複合材のためのファイバは、反応性が低く、高強度であり、かつ良好な耐酸化性を有している必要がある。加えて、ファイバ径が約１３μｍから約１２７μｍの範囲であることが高温用複合材を製造するためには望ましい。
２種類の高温用ファイバＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3は、現時点では最も利用し易い。しかしながらこのＳｉＣファイバは、極めて反応性に富み、かつ充分な耐酸化性も有してはいない。さらに、上記適切な直径のＳｉＣファイバは、製造が困難である。これは、ＳｉＣファイバ製造の際の製法に本来的に制約があることによる。
同様にＡｌ2Ｏ3ファイバは、高温用複合材料用に十分に好ましいわけではない。例えば、Ａｌ2Ｏ3ファイバは、高温において低強度である。加えて、Ａｌ2Ｏ3ファイバは、単相材料であり、かつ他の多くの材料において行われるように、合金化させることによっては強度を向上させることができない。
また、上記ファイバの熱膨張係数（ＣＴＥ）は、上記マトリックスのＣＴＥと同程度であることが好ましく、この様にすることによって上記マトリックスとファイバの間の高度の内部応力が生じることを防ぐようにすることができる。この様な応力は、上記各構成要素のいずれか、あるいはその双方を破壊してしまうこととなる。例えば、ＳｉＣファイバとＡｌ2Ｏ3ファイバは、ニッケルといった高温用途に好適なほとんどの金属よりもそれぞれ低いＣＴＥを有している。
従って、反応性が低く、高強度であり、かつ耐酸化性の良好な高温複合材料に使用することができるファイバが要求されていた。
発明の開示
本発明は、反応性が低く、高強度でありかつ耐酸化性に優れた高温用複合材に使用することができるファイバに関するものである。
本発明の特徴の一つは、方向性固化（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ  ｓｏｌｉｄｉｆｉｄｅ）した共晶性ファイバにある。
本発明の別の特徴は、マトリックスとこのマトリックス中に方向性固化された複数の共晶性強化ファイバとを分散することでファイバ強化した、高温複合材体にある。
本発明の別の効果及び効果については、後述する記載と図面をもってより詳細に説明を加える。
【図面の簡単な説明】
図１は、Ａｌ2Ｏ3−Ｙ2Ｏ3混合物の相図である。
図２は、Ａｌ2Ｏ3−Ｙ2Ｏ3が共成長（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｇｒｏｗｔｈ）しているところを示した顕微鏡写真である。
発明の最良の実施態様
本発明の上記強化ファイバは、高強度、低反応性、良好な耐酸化性を有していれば、いかなる方向性固化されたセラミック又は金属共晶混合物を含有していても良い。また、ほぼ共晶を与える組成とすることが好適である。上記ファイバの融点が、約１６００℃であり、共成長した結晶を有していることが好ましい。表には、種々の用途に好適な共晶系の実施例を示した。上記表の他、ＣｅＯ、ＨｆＯ2及び、ＴｈＯ2を含有する共晶系も、種々の用途に好適である。
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アルミナとイットリア混合体共晶を、図１に示すが、これらは本発明のファイバとして好適である。例えば、Ａｌ2Ｏ3−３Ｙ2Ｏ3・５Ａｌ2Ｏ3（イットリアアルミナガーネット）は、Ｙ2Ｏ3約１８モル％からＹ2Ｏ3約２２％の組成を有していることが好ましく、これは、共晶成長した微細構造が高い勾配のもとで方向性固化されるためである。加えて、この共晶体は上記融点を容易に得ることができ、かつ耐熱性金属るつぼ内の液状体として蓄えておくことができる。また、Ｙ2Ｏ3約３９モル％からＹ2Ｏ3約４３モル％の範囲の共晶混合物も好適である。同様に、Ｙ2Ｏ3約５８モル％からＹ2Ｏ3約６２モル％の範囲の組成が、Ｙ2Ｏ3約７８モル％からＹ2Ｏ3約８２モル％の範囲の組成と同様に好適である。約１３μｍから約１２７μｍの範囲のファイバ径は、高温複合材用に好適である。また、金属を強化するためには、上記ファイバ径が約２５μｍから約１００μｍの範囲であることが好適である。より大径のファイバは、体積に対する表面積の割合を低下させてしまい、マトリックスとファイバ間の化学的な相互作用効果を減少させてしまうこととなる。約１０μｍから約２０μｍの範囲のより小径のファイバは、セラミックマトリックス複合材を強化させるために好適である。図２に示すようなＡｌ2Ｏ3−Ｙ2Ｏ3の共成長は、ファイバを配向させて界面エネルギを低下させることによって、上記共晶ファイバの安定性を向上させている。
本発明の上記ファイバは、幾つかの固化工程によって製造できる。エッジデファインドフィルム（ｅｄｇｅ  ｄｅｆｉｎｅｄ  ｆｉｌｍ  ｆｅｄ  ｇｒｏｕｔｈ）供給成長（ＥＦＧ）は、特に好適である。本工程においては、所定の組成を有する種を、るつぼ内の共晶性融液の表面に接触させて、溶融フィルムを形成させる。本発明では、上記種組成は、上記共晶性融液の組成と同じである。また、低温の指状物または、液体との接触角が小さい高融点材料を使用してファイバ成長を開始させることもできる。上記種が上方に引き上げられるにつれ、上記溶融フィルムは、方向性固化して共晶性ファイバを形成する。方向性固化は、上記融液の方向に向かって起こる。いくつかの共晶性ファイバを、複数の種と、複数のキャビティをもった金型を用いて同時に引き上げることが好適である。上記融液面は、上記るつぼ内において、上記共晶融液組成を持つロッドを追加供給することで一定に保たれている。あるいは、各構成相用の複数のロッドを、適切な直径と供給速度で用いて、正確に上記融液を補うことで、上記融液面をるつぼ内で一定に保持するようにされていても良い。
本発明の上記共晶ファイバは、高温にさらされる複合材体を強化するファイバとして使用できる。例えば、上記共晶ファイバは、ガスタービンエンジン、タービンブレード、ベーン類、ノズル類に使用することができる。ファイバ強化高温用複合材体は、マトリックスとこのマトリックス中に分散された複数の方向性固化共晶強化ファイバを有していても良い。上記マトリックスは、上記ファイバと共用できるいかなる金属マトリックス、合金マトリックス又はセラミックマトリックスであっても良い。上記マトリックスは、ニッケル合金、ニオブ合金、又はモリブデン合金といった高温用金属合金であることが好ましい。加えて、上記共晶性ファイバの上記ＣＴＥは、上記マトリックスのＣＴＥと同等であることが必要であり、この様にすることによって、残留応力が有害な影響を与える可能性を減少している。上記応力は、ファイバとマトリックスの熱膨張係数が同等でないことによって発生する。また上記ファイバと上記マトリックスの上記各ＣＴＥを同程度とすることによって、繰り返し加えられる熱応力、クラック、変形を避けることができる。上記マトリックスとファイバのそれぞれのＣＴＥは、その差が互いに２５％以内となっていることが好ましい。さらに上記それぞれのＣＴＥの差は、互いに、１０％以内であることが好ましい。本発明の複合材は、いかなる好適な従来法を用いても製造することができる。
本発明は、従来技術に比べて数多くの効果を発揮する。従来では、普通、ＳｉＣとＡｌ2Ｏ3といった２種の高温用ファイバが使用できるにすぎなかった。最も好適なファイバは、低反応性と、高い強度と、良好な耐酸化性とを組み合わせて有していなければならないが、これらの各ファイバは、高温運転を繰り返し行う場合に不都合が生じていた。例えば、従来のＳｉＣファイバは、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｎｂといったほとんどの金属合金と高温で化学的に活性である。加えて、ＳｉＣファイバは、酸化に対して抵抗性を有していない。また、従来のＡｌ2Ｏ3ファイバは、高温時に強度が低い。
しかしながら本発明の共晶ファイバは、高温下でも高強度を有している。これは、上記各共晶ファイバは、分散され互いに配向した相を有することによって、自己−強化されていることによっている。共晶ファイバは、また、酸化物−酸化物系といった系の中でも良好な耐酸化性を有している。これは、上記ファイバ組成物を、上記特性を発揮させるように選定しているためである。加えて、アルミナよりもＣＴＥが大きな酸化物は、高温運転に好適なニッケル等の金属の強化材料として好ましい。多くの共晶系を使用することができることから、上記マトリックスとファイバの間の熱膨張係数の差を、適切な共晶系を選択することで最小とすることができる。この共晶強化ファイバはまた、熱力学的に安定であるとともに、その融点が高い。この結果、上記強化ファイバは、ほとんどのマトリックスと反応性を示さない。従って、本発明は、従来よりも高温で使用できる複合材料のための、より効果的な強化ファイバを提供することができる。
本発明は、上述した特定の実施例に限定されるわけではない。種々の変更及び改良は、請求項の発明の範囲内で行うことが可能である。
【図１】
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【図２】
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