CMC를위한 고속 SIC 스포츠 사이트 증착 공정 개발

Kubota Wataru, Tanaka Yasutomo, Fukushima Yasuyuki, Kotani Masahiro

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Kubota Wataru, 기술 개발 본부, 재료 및 구조 기술 부서, 기술 재단 센터
Tanaka Yasutomo, 기술 개발 본부, 재료 및 구조 기술 부서, 기술 재단 센터
Fukushima Yasuyuki, 기술 개발 본부, 물리 및 화학 기술 부서, 기술 인프라 센터
Otani Masahiro, 기술 개발 본부, 재료 및 구조 기술 부서, 기술 재단 센터

CMC (Ceramic Base Composite Materials)는 가벼운 무게와 우수한 고온 특성을 가지므로 항공기 엔진의 고온 구성 요소에 적용하는 것이 바람직합니다. CMC베이스 재료 (매트릭스)를 형성하는 공정 중 하나 인 화학 증기 위상 임신 (CVI) 공정은 SIC 매트릭스에 우수한 고온 특성을 제공하지만 문제는 긴 공정 시간이라는 것입니다. 이 연구에서 우리는 기존 CVI와 다른 반응 메커니즘을 사용하여 고속 스포츠 사이트 형성을 허용하는 CVI 프로세스를 개발하고 CVI 프로세스에 필요한 기능을 평가했습니다. 결과적으로, 높은 스포츠 사이트 형성 속도를 유지하면서 스포츠 사이트 균일 성을 유지하기위한 조건이 확립되었으며, CMC의 스포츠 사이트 결정 성, 조성 및 기계적 특성 측면에서 좋은 결과가 얻어졌다.

세라믹 매트릭스 구성 요소 (CMC)는 가벼운 중량 및 고온 특성으로 인해 에어로 엔진의 고온 성분에 사용하기에 바람직합니다. 화학 증기 침윤 (CVI) 공정은 SIC 매트릭스에 우수한 고온 특성을 제공하지만 긴 공정 시간이 걸립니다. 이 연구에서 우리는 기존 CVI와 다른 반응 메커니즘을 사용하여 고속 CVI 프로세스를 개발하고 새로운 CVI 프로세스의 기능을 평가했습니다. 결과적으로, 우리는 높은 성장률과 코팅 균일 성을 얻는 조건을 확립했으며, 스포츠 사이트 결정 성, 스포츠 사이트 조성 및 CMC의 기계적 특성 측면에서 좋은 결과를 얻었습니다.

1. 소개

국제 항공 부문의 CO2 배출량은 세계 총계의 약 1.8% (6 억 6 천만 톤)를 차지합니다. 국제 민간 항공기구 (ICAO)는 CO2 배출량을 줄이기위한 조치가 없다면 국제 항공기의 CO2 배출량은 2019 년에 비해 약 2.5 배 증가 할 것이라고 추정합니다.이 배경에 따라이 기관은 2022 년 일반 회의에서 2050 년까지 탄소 중립성을 달성하기 위해 장기 목표를 채택했습니다.^{( 1 )}. 이러한 방식으로, 기후 변화 대책을 목표로하는 CO2 배출량을 줄이기 위해 항공 산업은 더 가벼운 중량과 연료 효율을 개발하고 있습니다. 항공기 엔진의 경우 터빈 입구의 온도를 높이고 냉각 공기를 감소시켜 터빈 물질의 내열성을 개선하여 연료 효율을 향상시키고 내열성이 높은 재료가 개발되었습니다. 오늘날의 엔진 재료의 주류 인 니켈 기반 합금은 이미 내열 제한에 가까운 온도에서 작동하고 있으며, 대안적인 세라믹 매트릭스 복합재 (CMC)로서 세라믹 및 내열의 장점을 사용하고 단점을 극복하는 취약성을 극복합니다.^{( 2 )}．

세라믹은 산화물 기반 및 비분산 기반 SICF/SIC 기반 CMC 모두에서 비분산 기반 실리콘 카바이드 (SIC) 섬유 및 SIC 매트릭스에서 찾을 수 있으며 현재 가능한 가장 높은 서비스 저항 온도는 예상 될 수 있습니다. 이 SICF/SIC 기반 CMC는 많은 제조 공정을 통해 제조됩니다. 이 중에서, 주요 원료로서 메틸 트리클로로 실란 (MTS)을 사용하는 화학 증기 위상 (CVI) 공정은 SIC 섬유 라미네이트에서 공극이 적은 SIC 매트릭스를 형성하는 방법으로 사용된다. 일반적으로 CVI 프로세스는 조밀 한 고급 스포츠 사이트을 형성 할 수 있으며 프로세스 시간이 길어질 수 있습니다.

CVI 공정의 중요한 점은 섬유 라미네이트 내부의 섬유 표면에 증착 될 수 있다는 것입니다 (스포츠 사이트 균일 성),이를 위해서는 프로세스가 완료 될 때까지 라미네이트로 확산되는 경로 (경로)를 유지해야합니다. 고속 스포츠 사이트 형성으로 인해 반응성이 증가하면, 스포츠 사이트은 경로 직전에 퇴적되어 막힘을 초래하고 내부로의 확산이 억제되어 스포츠 사이트 균일 성이 불량합니다. 그러나 확산이 증가 할 때 느린 반응 조건을 선택해야합니다. 따라서, 반응성과 확산 성 사이에 상충 관계가 있기 때문에, 전통적인 CVI는 확산 성을 우선 순위로 한 결과 시간이 많이 걸리는 과정으로 간주된다.^{( 3 )}．

이 연구에서는 기존 CVI와 다른 반응 메커니즘을 사용하여 고속 스포츠 사이트 형성을 허용하고 CVI 프로세스로 필요한 기능을 평가하는 새로운 CVI 프로세스 (이하 고속 CVI 프로세스라고 함)를 제안했습니다.

2. 고속 CVI 프로세스 제안

기존 및 고속 CVI 프로세스의 간단한 개념 다이어그램그림 1에 표시됩니다. 기존의 CVI 공정의 반응 메커니즘에 대한 최근 보고서는 원료로 사용 된 MT가 가스 단계, 2 개의 큰 스포츠 사이트 형성 종, 저분의 스포츠 사이트 형성 종 및 고분비 스포츠 사이트 형성 종에서 생성된다는 것을 보여준다.^{( 4 )}. 메틸 라디칼 (CH₃•)와 같은 낮은 확산 스포츠 사이트 형성 종은 섬유 라미네이트의 표면에서 즉시 침전되고 내부로 확산되는 경로를 차단하여 확산 속도를 감소시키고 CVI 공정의 스포츠 사이트 형성 속도를 제한합니다.

반면에, 고속 CVI 공정은 SIC가 고분비 스포츠 사이트 형성 종을 사용하여 증착되는 프로세스입니다. 고도로 확산 된 스포츠 사이트 형성 종은 ch₄, SIC AS SI 소스_x사용되었습니다. 이들 스포츠 사이트 형성 유형은 높은 확산성을 가지기 때문에 반응성이 증가하더라도 경로의 막힘이 억제 될 수 있고, 스포츠 사이트 균일 성을 유지하면서 고속 스포츠 사이트 형성이 달성 될 수있을 것으로 예상된다.^{( 5 )}．

CVI 프로세스를위한 장비의 간단한 다이어그램그림 2에 표시됩니다. 고속 CVI 공정 장비는 가스 생산 구역, 가스 혼합 영역 및 막 침전 구역의 세 가지 구역으로 구성됩니다. 가스 생산 구역의 반응 방정식은 식 (1)에 나와있다.

si (파우더) + Cl₂ (가스) → SICL_x(가스) .... (1)

cl to si powder₂SICL은 가스를 공급하여 고도로 확산 된 스포츠 사이트 형성 종입니다._x선택적으로 가스를 생성합니다. 유사한 과정은 수 ​​소화물 증기 상 에피 택시 (HVPE) 방법이며, 질화 갈륨 (GAN) 결정은 50 nm/h 이상의 높은 성장 속도로 수득 될 수 있다고보고되었다.^{( 6 )}. HVPE 방법은 스포츠 사이트 형성 유형의 원료가 클로라이드 가스로 변환되고, 기체 상태로 운반되며, 스포츠 사이트이 제금 될 스포츠 사이트으로 형성되는 기술이며,이 기술은 고속 CVI 공정에 적용됩니다. HVPE 방법과의 차이점은 고속 CVI 프로세스가 섬유 라미네이트 내부의 직물 표면의 스포츠 사이트 형성에 초점을 맞추고, 고분 확산 스포츠 사이트 형성 만 선택적으로 생성함으로써 섬유 라미네이트에서 고속 스포츠 사이트 형성이 달성된다는 것이다.

3. 테스트 방법

3.1 개념 확인

먼저, 고속 CVI 프로세스에 대해2 장검증되었습니다.표 1, - (a) 및 - (b)에 표시된 고속 CVI 공정에 대한 스포츠 사이트 형성 조건 중에는 개념 검증을 위해 구현 된 스포츠 사이트 형성 조건이있다. SICLX 가스가 선택적으로 생성되었음을 확인하기 위해, 4 중 분광 질량 분석기 (QMS)를 배기관에 연결하고 반응 후 가스 분석을 수행 하였다. 다음으로, 생성 된 SICLX 가스의 양에 영향을 미치는 요인을 확인하기 위해, 가스 생산 구역의 상이한 온도가 수행되었고, 시험 전후에 SI 분말 중량으로부터 SI 소비 속도를 계산 하였다.

3.2 스포츠 사이트 증착 속도 평가

3. 섹션 1에서 얻은 결과에 기초하여, 우리는 섬유 라미네이트에 대한 고속 CVI 공정의 스포츠 사이트 형성 속도를 평가 하였다. 이 평가를 위해 수행 된 고속 CVI 공정에 대한 스포츠 사이트 형성 조건은 다음과 같습니다.표 1- (c)에 표시됩니다. 스포츠 사이트 후 라미네이트의 단면을 퇴적 후 스캐닝 전자 현미경 (SEM)을 사용하여 관찰되었고, 증착 속도는 섬유에 형성된 SIC 스포츠 사이트의 스포츠 사이트 두께로부터 계산되고, 종래의 CVI 공정과 비교되었다.

3.3 멤브레인 품질 평가

CMC에서 매트릭스의 역할은 탄성 변형 영역에서 강성을 유지하고 고온 산화 대기에서 섬유 및 인터페이스 층의 산화를 방지하는 것입니다. 반응 메커니즘을 변경하면 막 품질이 변경되고 매트릭스의 기능이 감소 될 수 있습니다. 따라서, 매트릭스의 기능적 발현에 중요한 것으로 간주되는 막 품질을 평가해야한다. 이 연구에서, 고속 CVI 공정, 결정 성, 조성 및 기계적 특성을 통해 얻은 SIC 스포츠 사이트의 균일 성이 확인되었다. 스포츠 사이트 품질을 평가하는 데 사용되는 스포츠 사이트 형성 조건은 다음과 같습니다.3. 섹션 2표 1- (c)에 표시된대로. 스포츠 사이트 형성 균일 성을 위해, 라미네이트 내부의 단면은 SEM을 사용하여 관찰되었다. 결정 성 및 조성은 기질로서 흑연 플레이트 및 X- 선 회절 (XRD) 및 X- 선 광전자 분광법 (XPS)을 사용하여 각각 분석되었다. 기계적 특성을 평가할 때, 섬유 라미네이트에서 고속 CVI 공정이 수행되고, 저온 용융 함침 공정^{( 7 )}를 사용하여 밀도가 높은 매트릭스를 갖는 SICF/SIC 기반 CMC 시편을 준비 하였다. 기계적 특성은 실온 및 1,100 ° C 대기 공기에서 정적 인장 시험에 의해 시편을 사용하여 평가되었다.

4. 결과 및 고려 사항

4.1 개념 확인

QMS에서 얻은 반응 후 가스 조성의 온도 의존성그림 3에 표시됩니다. 여기서 우리는 CL을 대표 할 것입니다.₂가스 및 SICL₄가스 만 표시됩니다. 400 ℃에서 Cl₂가 많지만 500 ° C 이상, SICL₄. 이것으로부터, sicl_xSI 소스는 가스 형태로 막 증착 구역으로 전달 될 수 있으며, 스포츠 사이트 형성이 확립 된 상태는 500 ℃ 이상임을 밝혀냈다. 다음으로, 우리는 가스 생산 구역에서 SI 소비율의 Arrhenius 플롯을 보여줄 것입니다.그림 4에 표시됩니다. 스포츠 사이트 형성 온도는 약 1,000 ° C 였고 소비 속도의 변화율이 얻어졌다. 수득 된 플롯으로부터 활성화 에너지를 계산하고, SI의 반응은 800-1,000 ℃ 범위에서 1.0 kJ/mol 였지만, 1,000-1,200 ° C 범위에서는 14.1 kJ/mol의 비교적 높은 SI 반응이 수행된다. 이 결과는 약 1,000 ° C에서 SICL_x이것은 반응 경로 및 형성과 관련된 가스 종에서 변화가 발생 함을 시사한다. 14 kJ/mol은 반 데르 발스 힘과 동등한 에너지이므로 SICL은 Si 파우더의 표면에서 생성됩니다._x순차적으로 탈취되는 것은 siCl_x이것은 세대의 속도 제한 단계 일 수 있다고 추측됩니다. 상기로부터, 가스 생산 구역을 1,000 ℃ 이상으로 유지함으로써, 많은 원료 가스를 공급할 수 있으며, 반응성 및 스포츠 사이트 형성 속도를 증가시킬 것으로 예상된다.

4.2 스포츠 사이트 증착 속도 평가

기존 및 고속 CVI 프로세스를위한 SIC 스포츠 사이트 형성 속도표 2에 표시됩니다. 고속 CVI 프로세스는 짧은 시간에 많은 SIC 스포츠 사이트을 형성하는 데 성공했으며, 스포츠 사이트 형성 속도가 기존 CVI 프로세스보다 10 배 이상 높다는 것이 확인되었습니다.

4.3 멤브레인 품질 평가

4.3.1 영화 형성 균일 성

고속 CVI 공정 전후에 섬유 라미네이트의 외부그림 5에 표시됩니다. 설치 후 섬유 라미네이트는 균일하게 회색이었으며, 이는 조밀 한 매트릭스가 형성되었음을 나타냅니다. 섬유 라미네이트 내부의 단면 SEM 이미지그림 6에 표시됩니다. 섬유 다발은 섬유가 함께 포장되는 섬유 다발 내부의 라미네이트 바디의 표면 층과 동일한 두께를 갖는 것으로 확인되었다. 이것은 높은 스포츠 사이트 형성 속도에서도 막힘이 발생하지 않으며 우수한 스포츠 사이트 균일 성을 얻을 수 있음을 보여 주었다.

4.3.2 결정

고속 CVI 프로세스에 의해 형성된 SIC 스포츠 사이트의 X- 선 회절 패턴그림 7에 표시됩니다. 얻어진 회절 패턴의 SIC 스포츠 사이트의 피크 위치는 35.56 ° 였고, 회절 각도 2θ의 반 폭은 0.28 °였으며, 고속 CVI 공정을 사용하여 매우 높은 결정 β-SIC 스포츠 사이트을 얻을 수 있음을 확인 하였다. 고 결정질 β-Sic 매트릭스를 가짐으로써 우수한 고온 안정성이 예상 될 수 있습니다.

4.3.3 구성

XPS에서 얻은 고속 CVI 프로세스에 의해 형성된 SIC 스포츠 사이트의 구성비표 3에 표시됩니다. 최소 1 μM을 갖는 SIC 스포츠 사이트을 기판 상에 형성하고, 아르곤 이온 빔 스퍼링에 의해 표면으로부터 약 200 nm 깊이로 분석 하였다. 분석 결과는 조성 비가 대략 SI : C = 1 : 1이고 화학량 론적 조성물은 불순물이 거의없는 SIC 스포츠 사이트을 제공한다는 것을 보여준다. 화학량 론적 조성물을 갖는 매트릭스를 가짐으로써 결정 성과 마찬가지로 우수한 고온 안정성이 예상 될 수 있습니다.

4.3.4 기계적 특성

실온 및 1,100 ° C 대기에서 고속 CVI 공정을 사용하여 제조 된 SICF/SIC CMC의 정적 인장 테스트 결과그림 8에 표시됩니다. CVI 공정을 통해 형성된 SIC 매트릭스는 높은 강성 및 높은 내열성으로 인해 CMC 기계적 특성의 개발에 중요하며 초기 강성 및 파괴 거동에 특히 중요한 영향을 미칩니다. 이 테스트의 결과는 실온과 고온 대기 모두에서 일반 CMC에서 볼 수있는 약 170 gpa의 높은 초기 강성 및 유사 소도시 거동을 나타내는 것으로 나타났습니다. 또한, 기계적 특성은 기존 CVI 공정을 사용하여 제조 된 CMC의 기계적 특성과 동일하다는 것이 확인되었다. 상기로부터, 고속 CVI 공정에 의해 형성된 매트릭스는 CMC의 기계적 특성의 개발에 기여한다는 것이 도시되어있다.

5. 결론

이 연구에서는 기존 CVI와 다른 응답 메커니즘을 활용하는 고속 CVI 프로세스를 제안하고 CVI 프로세스에 필요한 기능을 평가했으며 다음 결론을 얻었습니다.

1. 우리는 고속 CVI 프로세스의 개념이 보유하는 스포츠 사이트 형성 조건을 발견했습니다.
2. 고속 CVI 프로세스는 기존 CVI보다 10 배 이상 높은 스포츠 사이트 형성 속도를 갖는 동안 스포츠 사이트 균일 성을 유지할 수 있습니다.
3. 고속 CVI 공정에 의해 형성된 SIC 스포츠 사이트의 결정 성 및 조성 및 고속 CVI 공정을 사용하여 제작 된 CMC의 기계적 특성은 모두 우수하다.

고속 CVI 프로세스를 실질적으로 사용하기 위해서는 기본 특성의 추가 획득 및 제조 기능 이해가 필요할 것입니다.

　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

Volume 64, Issue 2 특징 에너지 및 스마트 기술 지속 가능한 미래를 지원합니다