JP2008538385A - Method for forming metal matrix composite and coating layer and bulk produced using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】 コーティング層の形成過程によって母材に熱変形などの損傷を発生しないながらも金属間化合物およびセラミック粒子の分散によって高硬度を確保して耐摩耗性および疲労亀裂に対する優れた抵抗性を有するコーティング層と、前記コーティング層を母材から分離して製造されるバルクを提供する方法、およびこれによって製造されるコーティング層とバルクを提供する。
【解決手段】 本発明は金属マトリックス複合体形成方法およびこれを利用して製造されたコーティング層とバルクに関するものであって、特に母材を提供する工程；（ｉ）金属、合金またはその混合体粒子からなる第１金属粉末、（ｉｉ）前記金属または前記合金の合金元素と金属間化合物を形成する金属間化合物形成用金属粒子からなる第２金属粉末、および（ｉｉｉ）セラミックまたはその混合体粒子からなるセラミック粉末を含む混合粉末を準備する工程；前記準備された混合粉末をコーティング用噴射ノズルに注入する工程；前記噴射ノズル内に流れる運搬ガスの流動によって前記混合粉末を非溶融状態で３００〜１，２００ｍ／ｓの速度で加速して、前記母材の表面に混合粉末をコーティングする工程；および前記コーティングされたコーティング層を熱処理して前記金属間化合物を形成する熱処理工程を含むことを特徴とする金属マトリックス複合体形成方法及びこれによるコーティング層とバルクに関する。
【選択図】 図５PROBLEM TO BE SOLVED: To ensure high hardness by dispersing an intermetallic compound and ceramic particles and to have excellent resistance to wear and fatigue cracks, while causing no damage such as thermal deformation in a base material due to the formation process of a coating layer A coating layer, a method for providing a bulk manufactured by separating the coating layer from a base material, and a coating layer and a bulk manufactured thereby are provided.
The present invention relates to a method for forming a metal matrix composite and a coating layer and a bulk produced using the method, and in particular, a step of providing a base material; (i) a metal, an alloy or a mixture thereof A first metal powder comprising particles, (ii) a second metal powder comprising metal particles for forming an intermetallic compound that forms an intermetallic compound with the alloy element of the metal or the alloy, and (iii) ceramic or a mixture thereof. A step of preparing a mixed powder containing a ceramic powder comprising: a step of injecting the prepared mixed powder into a coating spray nozzle; and a flow of a carrier gas flowing in the spray nozzle to cause the mixed powder to be 300 to 300 in an unmelted state. Accelerating at a speed of 1,200 m / s to coat the surface of the base material with mixed powder; and The present invention relates to a method for forming a metal matrix composite, and a coating layer and a bulk according to the method, including a heat treatment step of heat-treating the coated layer to form the intermetallic compound.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は金属マトリックス複合体形成方法およびこれを用いて製造された金属マトリックス複合体コーティング層および金属マトリックス複合体バルクに関するものであって、より詳しくは、コーティング層の形成過程によって母材に熱変形などの損傷を発生しないながらも金属間化合物およびセラミック粒子の分散によって高硬度を確保して耐摩耗性および疲労亀裂に対する優れた抵抗性を有するコーティング層と、前記コーティング層を母材から分離して製造されるバルクを提供する方法、およびこれによって製造されるコーティング層とバルクに関するものである。 The present invention relates to a method for forming a metal matrix composite, and a metal matrix composite coating layer and a metal matrix composite bulk produced by using the method, and more particularly, thermal deformation of a base material according to the formation process of the coating layer. A coating layer having excellent resistance to wear resistance and fatigue cracks by securing high hardness by dispersing intermetallic compounds and ceramic particles while not causing damage such as, and separating the coating layer from the base material The present invention relates to a method for providing a manufactured bulk, and a coating layer and a bulk manufactured thereby.
合金または金属の強度、硬度、耐摩耗性などを向上させるために一般に使用する方法の一つとして分散強化方法がある。分散強化方法は合金または金属のマトリックス内に金属間化合物が分散した構造を有するものであって、これに関する代表的な例が析出硬化や高硬度粒子の分散である。特に、アルミニウム合金はアルミニウム基材内に金属間化合物を析出硬化などの方法で分散強化が容易で、これを通じた機械的物性改善が行われており、アルミニウムが有する軽量性以外にも強度、耐熱性および耐久性に優れて自動車のエンジン部品や航空機などの熱的機械的部品の素材として広く使用されている。 One method commonly used to improve the strength, hardness, wear resistance, etc. of an alloy or metal is a dispersion strengthening method. The dispersion strengthening method has a structure in which an intermetallic compound is dispersed in an alloy or metal matrix, and typical examples thereof are precipitation hardening and dispersion of high hardness particles. In particular, aluminum alloys are easy to disperse and strengthen by methods such as precipitation hardening of intermetallic compounds in an aluminum base material, and mechanical properties are improved through this method. In addition to the light weight of aluminum, strength and heat resistance are improved. Excellent in durability and durability, it is widely used as a material for thermal mechanical parts such as automobile engine parts and aircraft.
以下、アルミニウムを例として分散強化方法を説明する。 Hereinafter, the dispersion strengthening method will be described using aluminum as an example.
つまり、従来分散強化されたアルミニウム合金の製造方法としては鋳造法、粉末冶金法および溶射法などの方法が使用されている。 That is, methods such as casting, powder metallurgy, and thermal spraying are conventionally used as methods for producing dispersion strengthened aluminum alloys.
鋳造法によって製造されたアルミニウム合金はアルミニウムマトリックス相内に微細な析出物が析出された析出相が均一に分散され優れた常温強度を有するが、高温露出時に析出相の急激な粗大化によって２００℃以上の温度では強度が急激に低下するという問題があり、したがって耐熱アルミニウム合金用としてこのような析出硬化を通じた分散強化は不適である。 The aluminum alloy produced by the casting method has excellent room temperature strength by uniformly dispersing the precipitated phase in which fine precipitates are precipitated in the aluminum matrix phase, but it is 200 ° C. due to rapid coarsening of the precipitated phase when exposed to high temperature. At the above temperature, there is a problem that the strength sharply decreases. Therefore, such dispersion strengthening through precipitation hardening is not suitable for a heat-resistant aluminum alloy.
これに比べて、粉末冶金法はアルミニウムと添加剤としての分散物（金属粉末またはセラミック粉末）を粉末形態に成形および焼結してアルミニウム合金を製造する方法であって、これによって製造された合金は微細な分散相が合金内に均一に分散されるだけでなく、セラミック粉末の場合は高温で分散相の粗大化が発生せず優れた高温特性を有する。 In comparison, the powder metallurgy method is a method for producing an aluminum alloy by forming and sintering aluminum and a dispersion (metal powder or ceramic powder) as an additive into a powder form, and the alloy produced thereby. In addition to the fine dispersed phase being uniformly dispersed in the alloy, the ceramic powder has excellent high temperature characteristics without causing coarsening of the dispersed phase at high temperatures.
しかし、金属粉末を分散物として含む場合は金属間化合物を形成するための追加熱処理が必要であり、アルミニウム金属粉末の表面には常温の大気中でも薄い酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）膜が形成され、この表面酸化アルミニウム膜がアルミニウムとその他金属元素の反応を阻害して金属間化合物の形成を妨害する。したがって、粉末冶金法によって金属間化合物を生成するためには合金の融点以上の高温で熱処理が行われなければならないのが必須的であるので、高温形成による高費用と設備の安定性確保などの問題点がある。 However, when the metal powder is included as a dispersion, an additional heat treatment is required to form an intermetallic compound, and a thin aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film is formed on the surface of the aluminum metal powder even in the air at room temperature. The surface aluminum oxide film hinders the formation of intermetallic compounds by inhibiting the reaction between aluminum and other metal elements. Therefore, in order to produce an intermetallic compound by powder metallurgy, it is essential that heat treatment be performed at a temperature higher than the melting point of the alloy. There is a problem.
また、焼結過程の高温でアルミニウムの酸化を防止するために焼結雰囲気などを適切に制御するなど製造工程が複雑であるという問題点があり、粉末冶金法によってはＴｉやＮｉのような高融点遷移金属との金属間化合物形成が極めて困難であることが知られている。さらに、粉末冶金法の場合は金型を通じて所望の形状に製造しなければならないので金型製作に高費用が必要になり、大きさに制約を受けるなどの問題点がある。 In addition, there is a problem that the manufacturing process is complicated such as appropriately controlling the sintering atmosphere in order to prevent oxidation of aluminum at a high temperature in the sintering process. It is known that formation of intermetallic compounds with melting point transition metals is extremely difficult. Furthermore, in the case of the powder metallurgy method, since it has to be manufactured into a desired shape through a mold, there is a problem that a high cost is required for manufacturing the mold and the size is restricted.
一方、溶射法は溶融した溶融金属を噴射した後、冷却させて分散強化アルミニウム合金を製造する方法である。この方法による場合にも鋳造法と同一の問題点が発生する。特に、溶射法によって製造されたアルミニウム−遷移金属との合金の場合、アルミニウムマトリックス相内に粗大な２次相が形成され低級の合金特性を有する。 On the other hand, the thermal spraying method is a method for producing a dispersion strengthened aluminum alloy by injecting molten molten metal and then cooling it. Even in this method, the same problems as in the casting method occur. In particular, in the case of an alloy with an aluminum-transition metal produced by a thermal spraying method, a coarse secondary phase is formed in the aluminum matrix phase and has a lower alloy characteristic.
このような従来の技術によれば、分散強化アルミニウム合金は特にアルミニウム−遷移金属合金の場合に微細な金属間化合物が均一に分散したアルミニウム合金を得るのが難しく、合金の溶融温度以上に熱処理する場合にのみ金属間化合物が形成されるという問題点を有している。 According to such a conventional technique, it is difficult to obtain an aluminum alloy in which fine intermetallic compounds are uniformly dispersed, especially in the case of an aluminum-transition metal alloy, and the heat treatment is performed at a temperature higher than the melting temperature of the alloy. There is a problem that an intermetallic compound is formed only in this case.
前記アルミニウムの例を挙げて説明したように、既存の分散強化方法の場合は全て高温工程を必須の工程として要求して高費用が発生し、熱処理過程で高温での高い反応性を防止しなければならないという困難があり、粉末冶金の場合は金型を準備しなければならないので大きさに制約を受け、高費用が発生するという問題点がある。 As explained with the example of aluminum, all existing dispersion strengthening methods require a high temperature process as an essential process, resulting in high costs, and must prevent high reactivity at high temperatures during the heat treatment process. In the case of powder metallurgy, there is a problem that the metal mold must be prepared, so that the size is restricted and the cost is high.
また、摩擦、疲労、浸食または腐食など摩耗性環境で使用される機械部品の寿命延長のために部品の表面を硬化したり耐摩耗性物質をコーティングするなどの方法が利用されてきたが、このような耐摩耗性向上コーティング物質としては硬度が高い物質、すなわち、アルミナなどの酸化物、ＳｉＣまたはＴｉＣなどの炭化物、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＮなどの窒化物などセラミック材料が主に用いられている。 In addition, methods such as curing the surface of parts and coating with wear-resistant materials have been used to extend the life of mechanical parts used in abrasive environments such as friction, fatigue, erosion or corrosion. As such a wear resistance improving coating material, a material having a high hardness, that is, a ceramic material such as an oxide such as alumina, a carbide such as SiC or TiC, or a nitride such as Si 3 N 4 or TiN is mainly used. .
これに関する内容の具体例として、下記特許文献１はシリンダーボア内壁に既存の鋳鉄材ライナーの代わりにコーティング皮膜を形成する方法を提示しており、この方法はプラズマまたはアークを熱源とした溶射法によってセラミックおよびその混合物からなるコーティング粉末をボア内壁に形成することにより耐摩耗性を向上させる。 As a specific example of the contents related to this, Patent Document 1 below shows a method of forming a coating film on the inner wall of a cylinder bore instead of an existing cast iron liner, and this method is performed by a thermal spraying method using plasma or arc as a heat source. Abrasion resistance is improved by forming a coating powder made of ceramic and a mixture thereof on the inner wall of the bore.
下記特許文献２は炭化ケイ素などの粒子を利用してプラズマ溶射によってアルミニウムシリンダーブロックのボア（bore）面に耐摩耗性コーティング層を形成する方法を使用している。 Patent Document 2 below uses a method of forming a wear-resistant coating layer on the bore surface of an aluminum cylinder block by plasma spraying using particles such as silicon carbide.
また、下記特許文献３はステンレス材質のシリンダーボア内面に溶射コーティング用粉末組成物を高温の熱源で溶融させながら噴射して皮膜を形成する方法を提示しており、この時に使用される溶射コーティング用粉末組成物はアルミナおよびジルコニアの混合物である。 Patent Document 3 below presents a method of forming a film by spraying a powder composition for thermal spray coating on the inner surface of a stainless steel cylinder bore with a high-temperature heat source. The powder composition is a mixture of alumina and zirconia.
このように、耐摩耗性に優れたセラミック材質で金属母材上に耐摩耗性コーティングを形成しようとする多くの試みがあったが、これら方法は全てプラズマまたは電気アークを利用した溶射法が主流をなしている。このような溶射法はコーティングされる粉末粒子をほとんど溶融点付近またはその以上に加熱して、粉末粒子の少なくとも一部分を溶融させて母材に提供する。 As described above, many attempts have been made to form a wear-resistant coating on a metal base material using a ceramic material having excellent wear resistance. However, these methods are mainly sprayed using a plasma or an electric arc. I am doing. In such a thermal spraying method, the powder particles to be coated are heated almost to or near the melting point to melt at least a part of the powder particles and provide the base material.
したがって、母材にコーティングされるセラミック粒子は一般的なセラミック粒子の溶融温度の１０００℃付近の高温で加熱して母材に供給され、接触するようになるのでコーティング時母材表面に熱衝撃による損傷と共に高温加熱後の冷却過程で発生する残留応力を誘発して付着力が低下し、部品の寿命を短縮させるという問題点を有する。 Therefore, the ceramic particles coated on the base material are heated at a high temperature around 1000 ° C., which is the melting temperature of general ceramic particles, and are supplied to the base material so that they come into contact with each other. In addition to damage, it induces residual stress generated in the cooling process after high-temperature heating, resulting in a problem that adhesive force is reduced and the life of the part is shortened.
また、高温の粒子噴射によって溶射装備の運用に従う危険性も増加し、作業が複雑になるという短所を避け難く、その他にも、高温の溶融された粒子が金属マトリックス相または表面の不純物と反応して新たな化合物を形成することによって材料の特性に悪影響を与えることがあるという問題点がある。
このような従来の技術の問題点を解決しようと、本発明は母材に熱的変形または熱衝撃による損傷を誘発するおそれがないようにすると共に、耐摩耗性に優れた金属マトリックス複合体コーティング層またはバルクを形成する方法およびそのコーティング層とバルクを提供することを目的とする。 In order to solve such problems of the prior art, the present invention eliminates the possibility of inducing damage to the base material due to thermal deformation or thermal shock, and has a metal matrix composite coating with excellent wear resistance. It is an object to provide a method of forming a layer or bulk and its coating layer and bulk.
また、本発明は低廉な費用で相対的に低い温度で分散強化を得ることができ、大型化の可能な金属マトリックス複合体コーティング層またはバルクを形成する方法およびそのコーティング層とバルクを提供することを目的とする。 The present invention also provides a method of forming a metal matrix composite coating layer or bulk capable of being enlarged and capable of obtaining dispersion strengthening at a relatively low temperature at low cost, and the coating layer and bulk. With the goal.
その他、本発明はコーティング層に熱が蓄積されることを防止し、母材とコーティング層との間またはコーティング層内の亀裂生成を抑制して、コーティング層の疲労による亀裂発生に対する抵抗性に優れた金属マトリックス複合体コーティング層またはバルクを形成する方法およびそのコーティング層とバルクを提供することを目的とする。 In addition, the present invention prevents heat from being accumulated in the coating layer, suppresses crack formation between the base material and the coating layer or in the coating layer, and is excellent in resistance to crack generation due to fatigue of the coating layer. It is an object of the present invention to provide a method for forming a metal matrix composite coating layer or bulk and the coating layer and bulk.
前記目的を達成するために、本発明は、
母材を提供する工程；
（ｉ）金属、合金またはその混合体粒子からなる第１金属粉末、（ｉｉ）前記金属または前記合金の合金元素と金属間化合物を形成する金属間化合物形成用金属粒子からなる第２金属粉末、および（ｉｉｉ）セラミックまたはその混合体粒子からなるセラミック粉末を含む混合粉末を準備する工程；
前記準備された混合粉末をコーティング用噴射ノズルに注入する工程；
前記噴射ノズル内に流れる運搬ガスの流動によって前記混合粉末を非溶融状態で３００〜１，２００ｍ／ｓの速度で加速して、前記母材の表面に混合粉末をコーティングする工程；および
前記コーティングされたコーティング層を熱処理して、前記金属間化合物を形成する熱処理工程を含むことを特徴とする金属マトリックス(matrix)複合体形成方法を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
Providing a base material;
(I) a first metal powder comprising particles of a metal, an alloy or a mixture thereof; (ii) a second metal powder comprising metal particles for forming an intermetallic compound that forms an intermetallic compound with an alloy element of the metal or the alloy; And (iii) providing a mixed powder comprising a ceramic powder composed of ceramic or a mixture thereof;
Injecting the prepared mixed powder into a coating spray nozzle;
Coating the mixed powder on the surface of the base material by accelerating the mixed powder in a non-molten state at a speed of 300 to 1,200 m / s by flow of a carrier gas flowing in the injection nozzle; A method for forming a metal matrix composite is provided, which includes a heat treatment step of heat-treating the coating layer to form the intermetallic compound.
また、本発明は、前記金属マトリックス複合体形成方法によって製造されることを特徴とする金属マトリックス複合体コーティング層および前記金属マトリックス複合体形成方法によって製造された母材とコーティング層から母材を分離して形成されることを特徴とする金属マトリックス複合体バルクを提供する。 In addition, the present invention provides a metal matrix composite coating layer manufactured by the metal matrix composite forming method, and a base material separated from the base material and the coating layer manufactured by the metal matrix composite forming method. A metal matrix composite bulk is provided.
このような本発明の金属マトリックス複合体形成方法およびこれを利用して形成される金属マトリックス複合体コーティング層およびバルクによれば、従来に比べて低温で金属間化合物およびセラミック粉末が分散された金属マトリックス複合体を製造することができるので母材に熱的変形または熱衝撃による損傷を誘発するおそれがないようにし、金属間化合物の成長が抑制されるので高温強度などの機械的特性が向上する長所があり、コーティング層に熱が蓄積されることを防止し、母材とコーティング層との間またはコーティング層内の亀裂生成を抑制してコーティング層の疲労による亀裂発生に対する抵抗性を向上させることができる。 According to the metal matrix composite forming method of the present invention, the metal matrix composite coating layer formed using the metal matrix composite, and the bulk, the metal in which the intermetallic compound and the ceramic powder are dispersed at a low temperature as compared with the conventional method. Matrix composites can be manufactured so that there is no risk of inducing damage to the base material due to thermal deformation or thermal shock, and growth of intermetallic compounds is suppressed, so mechanical properties such as high-temperature strength are improved. It has advantages, prevents heat from being accumulated in the coating layer, and suppresses the generation of cracks between the base material and the coating layer or in the coating layer, thereby improving the resistance to cracking due to fatigue of the coating layer. Can do.
また、本発明は機械的強度に優れた部材の製造に用いることができるだけでなく、既存の部材の表面を分散強化するのに用いることもできる。特に、低い熱処理温度で行われるため、表面強化時に部材の物性に悪影響を及ぼす可能性が少ない。 In addition, the present invention can be used not only for producing a member having excellent mechanical strength but also for dispersing and strengthening the surface of an existing member. In particular, since it is performed at a low heat treatment temperature, there is little possibility of adversely affecting the physical properties of the member during surface strengthening.
また、本発明は相対的に低い温度の熱処理温度および混合粉末注入圧力と低い運搬ガス温度を低く維持しても工程が可能なので製造費用が低廉であり、大量生産が容易であるという長所がある。 In addition, the present invention has the advantages that the manufacturing process is low and mass production is easy because the process can be performed even if the heat treatment temperature, the mixed powder injection pressure and the low carrier gas temperature are kept low. .
以下、本発明について図面および具体的な実施例を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings and specific embodiments.
本発明は金属マトリックス複合体形成方法に関するものであって、母材を提供する工程、（ｉ）金属、合金またはその混合体粒子からなる第１金属粉末、（ｉｉ）前記金属または前記合金の合金元素と金属間化合物を形成する金属間化合物形成用金属粒子からなる第２金属粉末、および（ｉｉｉ）セラミックまたはその混合体粒子からなるセラミック粉末を含む混合粉末を準備する工程、前記準備された混合粉末をコーティング用噴射ノズルに注入する工程、前記噴射ノズル内に流れる運搬ガスの流動によって前記混合粉末を非溶融状態で３００〜１，２００ｍ／ｓの速度で加速して前記母材の表面に混合粉末をコーティングする工程、および前記コーティングされたコーティング層を熱処理して前記金属間化合物を形成する熱処理工程を含んで構成される。 The present invention relates to a method for forming a metal matrix composite, the step of providing a base material, (i) a first metal powder comprising particles of a metal, an alloy or a mixture thereof, (ii) an alloy of the metal or the alloy Preparing a mixed powder comprising a second metal powder comprising metal particles for forming an intermetallic compound that forms an intermetallic compound with an element, and (iii) a ceramic powder comprising ceramic or a mixture thereof, the prepared mixing The step of injecting powder into the spray nozzle for coating, and the mixed powder is accelerated at a speed of 300 to 1,200 m / s in a non-molten state by the flow of the carrier gas flowing in the spray nozzle and mixed on the surface of the base material A step of coating a powder, and a heat treatment step of heat-treating the coated coating layer to form the intermetallic compound. In constructed.
つまり、本発明はコールドスプレー（低温噴射）方法を適用して母材に金属マトリックス複合体のコーティング層を形成する方法において、コーティング層の硬度、耐摩耗性、疲労特性などを含む機械的性質の向上に焦点をおいてこれを最大限向上させるために既存の金属マトリックス複合体の成分である金属マトリックスにセラミック粒子を混合するもの以外に、前記金属マトリックスに該当する金属または合金の合金元素と金属間化合物を形成する金属間化合物形成用金属粒子をさらに含むことを特徴とし、このような混合粉末を融射法や焼結温度に比べて相対的に低い低温でコールドスプレー方法を通じて噴射して積層する金属マトリックス複合体形成方法に関するものである。 That is, the present invention is a method of forming a coating layer of a metal matrix composite on a base material by applying a cold spray (low temperature spraying) method, and has mechanical properties including hardness, wear resistance, fatigue characteristics, etc. of the coating layer. In addition to mixing ceramic particles with a metal matrix that is a component of an existing metal matrix composite in order to maximize this with a focus on improvement, the alloy elements and metals of the metal or alloy corresponding to the metal matrix It further comprises metal particles for forming intermetallic compounds that form intermetallic compounds, and such a mixed powder is sprayed and laminated through a cold spray method at a relatively low temperature compared to the thermal spraying method and the sintering temperature. The present invention relates to a method for forming a metal matrix composite.
コールドスプレー方法自体は公知の技術であって、このようなコールドスプレーのための装置の概略図は図１に示した通りである。つまり、図１は本発明で母材（Ｓ）にコーティング層を形成するための低温噴射（コールドスプレー）装置（１００）の概略図を示した図面である。 The cold spray method itself is a known technique, and a schematic diagram of an apparatus for such a cold spray is as shown in FIG. That is, FIG. 1 is a schematic view of a cold spray apparatus (100) for forming a coating layer on a base material (S) according to the present invention.
前記噴射装置（１００）はコーティング層を形成する粉末を亜音速または超音速で加速して母材（Ｓ）に提供する。このために前記噴射装置（１００）は、ガス圧縮器（compressor）（１１０）、ガスヒーター（１２０）、粉末供給器（powder feeder）（１３０）、および噴射用ノズル（１４０）から構成される。 The spray device (100) accelerates the powder forming the coating layer at subsonic speed or supersonic speed and provides it to the base material (S). For this, the injection device (100) includes a gas compressor (110), a gas heater (120), a powder feeder (130), and an injection nozzle (140).
ガス圧縮器（１００）から提供された約５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧縮ガスは、粉末供給器（１３０）から提供される粉末を噴射用ノズル（１４０）を通じて約３００〜１２００ｍ／ｓの速度で噴出してコーティングする。このような亜音速乃至超音速の流動を発生させるためには通常は、前記図１に示したように前記噴射用ノズル（１４０）は収斂−発散型ノズル（de Laval-Type）が使用され、このような収斂および発散過程を通じて超音速流動を発生させることができる。 About 5 to 20 kgf / cm 2 of compressed gas provided from the gas compressor (100) is supplied at a speed of about 300 to 1200 m / s through the spray nozzle (140) through the powder provided from the powder feeder (130). Spout and coat. In order to generate such subsonic or supersonic flow, normally, the injection nozzle (140) is a convergent-divergent nozzle (de Laval-Type) as shown in FIG. Supersonic flow can be generated through such convergence and diverging processes.
前記装置（１００）において、圧縮ガス供給経路上のガスヒーター（１２０）は、圧縮ガスの運動エネルギーを増加させて噴射用ノズルでの噴射速度を高めるために圧縮ガスを加熱するための付加的な装置であって、必ずしも必要なものではない。また、図示されているように、噴射用ノズル（１４０）への粉末の供給をより円滑にするために前記ガス圧縮器（１１０）の圧縮ガスの一部は前記粉末供給器（１３０）に供給される。 In the apparatus (100), the gas heater (120) on the compressed gas supply path is an additional for heating the compressed gas to increase the kinetic energy of the compressed gas and increase the injection speed at the injection nozzle. It is a device, not necessarily required. Also, as shown in the drawing, a part of the compressed gas of the gas compressor (110) is supplied to the powder supplier (130) in order to make the supply of powder to the spray nozzle (140) smoother. Is done.
前記装置で圧縮ガスとしては商業用のガス、例えばヘリウム、窒素、アルゴンおよび空気などを用いることができ、使用ガスの種類は噴射用ノズル（１４０）での噴射速度および経済性などを考慮して適切に選択することができる。 Commercial gas such as helium, nitrogen, argon and air can be used as the compressed gas in the above apparatus, and the type of gas used is in consideration of the injection speed and economics of the injection nozzle (140). You can choose appropriately.
このような装置を利用してコールドスプレーコーティングをすることにおいて、第１工程として、母材を提供する。前記母材（Ｓ）は耐摩耗性を要求する部品の耐摩耗性向上を目標とする場合には耐摩耗性を要求する部品の母材になる多様な公知の材質がこれに該当し、その他の任意の材質からなることができる。具体的には、前記母材は熱的、機械的部材として幅広く使用されるアルミニウム、アルミニウム合金、特にＡｌ−ＳｉまたはＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金や、鋳鉄（Cast Iron）等の鉄系合金材質であることができ、シリコンなどの半導体材質であり得る。好ましくは、前記母材は耐摩耗性が劣り本発明のコーティング層の形成によって改善効果が大きいアルミニウムまたはアルミニウム合金であるのが良い。また、母材を含むコーティング層を形成する場合ではなく金属マトリックス複合体単独で構成されたバルク形態を製造する場合には母材からコーティング層を分離することが必要であるので、このために前記母材は金属粉末との反応性が低いセラミック材質、または熱処理工程で消失してなくなる樹脂材質であることが好ましい。 In performing cold spray coating using such an apparatus, a base material is provided as a first step. The base material (S) corresponds to various known materials used as a base material for parts requiring wear resistance when the goal is to improve the wear resistance of parts requiring wear resistance. It can be made of any material. Specifically, the base material is made of aluminum or aluminum alloy, which is widely used as a thermal or mechanical member, particularly an Al-Si or Al-Mg-based aluminum alloy, or an iron-based alloy material such as cast iron. It can be a semiconductor material such as silicon. Preferably, the base material is aluminum or an aluminum alloy having poor wear resistance and a large improvement effect due to the formation of the coating layer of the present invention. In addition, it is necessary to separate the coating layer from the base material when manufacturing a bulk form composed of the metal matrix composite alone, not when forming a coating layer containing the base material. The base material is preferably a ceramic material having low reactivity with the metal powder or a resin material that does not disappear in the heat treatment process.
また、本発明で前記第１金属粉末に使用される前記金属、合金またはその混合体粒子は公知の多様な金属、合金またはその混合体を用いることができ、好ましい例としては鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、モリブデン、チタニウムまたはこれらの合金またはその混合体を使用するのが良い。これに関する具体的な例としてアルミニウムとチタニウムの場合にはアルミニウム、アルミニウム合金、アルミニウムとアルミニウム合金の混合体、アルミニウムとチタニウムの混合体、アルミニウムとチタニウム合金の混合体、アルミニウム合金とチタニウム合金の混合体などを挙げることができ、特に、通常の熱的、機械的部材として頻繁に使用されるアルミニウム合金またはチタニウム合金であり得る。さらに好ましくは、前記金属または合金は耐摩耗性が劣り本発明のコーティング層の形成によって効果が大きいアルミニウムまたはアルミニウム合金母材にコーティングされるのが良いので、同質性の高いアルミニウムまたはアルミニウム合金であるのが良い。 The metal, alloy or mixture thereof used for the first metal powder in the present invention may be any of various known metals, alloys or mixtures thereof. Preferred examples include iron, nickel, copper. Aluminum, molybdenum, titanium, or alloys or mixtures thereof may be used. Specific examples for this are aluminum, aluminum alloys, aluminum-aluminum alloy mixtures, aluminum-titanium mixtures, aluminum-titanium alloy mixtures, aluminum alloy-titanium alloy mixtures in the case of aluminum and titanium. In particular, it may be an aluminum alloy or a titanium alloy frequently used as a normal thermal or mechanical member. More preferably, the metal or alloy is an aluminum or aluminum alloy having high homogeneity because the metal or alloy has poor wear resistance and is preferably coated on an aluminum or aluminum alloy base material having a large effect by the formation of the coating layer of the present invention. Is good.
また、前記第２金属粉末に使用される前記金属または前記合金の合金元素と金属間化合物を形成する金属間化合物用金属粒子は、前記第１金属粉末の金属、合金またはその混合体粒子によって決定される。 In addition, the metal particles for the intermetallic compound forming the intermetallic compound with the alloy element of the metal or the alloy used for the second metal powder are determined by the metal, alloy or mixed particles of the first metal powder. Is done.
つまり、これに関する例として、前記第１金属粉末がアルミニウムまたはその合金である場合には前記第２金属粉末は遷移金属のうちのアルミニウムより高い融点を有する金属がこれに該当し、これに関する具体的な例としてはチタニウム、ニッケル、クロムおよび鉄からなる群より一つ以上選択される金属であり得る。これは、図２に示した各システムの状態図を通じて分かるように、アルミニウムの場合にはチタニウム、ニッケル、クロム、鉄それぞれに対して金属間化合物を形成することができる。 That is, as an example related to this, when the first metal powder is aluminum or an alloy thereof, the second metal powder corresponds to a metal having a melting point higher than that of aluminum among transition metals. As an example, it may be one or more metals selected from the group consisting of titanium, nickel, chromium and iron. As can be seen from the phase diagram of each system shown in FIG. 2, in the case of aluminum, an intermetallic compound can be formed for titanium, nickel, chromium, and iron.
以下、Ａｌ金属と金属間化合物の形成が可能な遷移金属元素間の例を状態図に基づいて説明する。図２乃至図５は本発明の方法によって形成可能なアルミニウム合金の一例であって二元系アルミニウム合金に関する状態図である。 Hereinafter, an example between transition metal elements capable of forming an intermetallic compound with Al metal will be described based on state diagrams. FIG. 2 to FIG. 5 are examples of an aluminum alloy that can be formed by the method of the present invention and are phase diagrams relating to a binary aluminum alloy.
まず、図２はＡｌ−Ｔｉ系の状態図である。図２を参照すれば、Ｔｉが数〜数十重量％添加される場合に、６６４℃（９３７Ｋ）以下の温度では合金内にＴｉが少量固溶されたＡｌ相とＡｌ−Ｔｉ間の金属間化合物であるＴｉＡｌ3相が安定相として存在する。また、Ｔｉ含量が増加することによって（すなわち、３８重量％以上添加されると）Ａｌ3Ｔｉ相とＡｌ2Ｔｉ相が合金の安定相として存在する。金属粉末の混合組成によって合金内に存在するＡｌ、Ａｌ3ＴｉおよびＡｌ2Ｔｉ相間の相対的な重量比はいわゆるレバールールによって決定され、これについては本発明の技術分野に属する通常の知識を有する者に広く知られているので説明を省略する。 First, FIG. 2 is an Al—Ti phase diagram. Referring to FIG. 2, when Ti is added to several to several tens of weight%, at a temperature of 664 ° C. (937 K) or less, the amount of Ti dissolved in a small amount in the alloy is between the Al phase and the Al—Ti metal. The compound TiAl 3 phase exists as a stable phase. Further, when the Ti content is increased (that is, when 38% by weight or more is added), an Al 3 Ti phase and an Al 2 Ti phase exist as stable phases of the alloy. The relative weight ratio between the Al, Al 3 Ti and Al 2 Ti phases present in the alloy due to the mixed composition of the metal powder is determined by the so-called lever rule, which has ordinary knowledge in the technical field of the present invention. The explanation is omitted because it is widely known to those skilled in the art.
図３はＡｌ−Ｎｉ系の状態図である。図３を参照すれば、６３６℃以下の温度でＮｉの含量によってＡｌ3Ｎｉ、Ａｌ3Ｎｉ2、ＡｌＮｉ、ＡｌＮｉ3等の金属間化合物が合金の安定相をなしているのが分かる。図４はＡｌ−Ｃｒ系の状態図である。図４を参照すれば、６６３℃（９３６Ｋ）以下の温度でＣｒの添加によってＣｒＡｌ7の金属間化合物が安定相をなしているのが分かる。一方、図５はＡｌ−Ｆｅ系の状態図であって、図示されているように、Ａｌ−Ｆｅ系の場合にも１３５４℃（９２７Ｋ）以下の温度でＦｅＡｌ3のような準安定相の金属間化合物が形成されるのが分かる。 FIG. 3 is an Al—Ni phase diagram. Referring to FIG. 3, it can be seen that intermetallic compounds such as Al 3 Ni, Al 3 Ni 2 , AlNi, and AlNi 3 form a stable phase of the alloy depending on the Ni content at a temperature of 636 ° C. or lower. FIG. 4 is an Al—Cr phase diagram. Referring to FIG. 4, it can be seen that the CrAl 7 intermetallic compound forms a stable phase by the addition of Cr at a temperature of 663 ° C. (936 K) or lower. On the other hand, FIG. 5 is an Al—Fe phase diagram. As shown in the figure, even in the case of the Al—Fe system, a metastable phase metal such as FeAl 3 at a temperature of 1354 ° C. (927 K) or less. It can be seen that intermetallic compounds are formed.
以上で状態図を参照して説明した通り、Ａｌ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｎｉ、Ａｌ−ＣｒおよびＡｌ−Ｆｅ二元系システムは所定温度以下で金属間化合物が安定相として存在するので、したがってＡｌ金属粉末とＴｉ、Ｎｉ、ＣｒまたはＦｅ金属粉末の混合によって合金内に金属間化合物を生成するのが可能である。 As described above with reference to the phase diagram, the Al—Ti, Al—Ni, Al—Cr, and Al—Fe binary system has an intermetallic compound as a stable phase below a predetermined temperature. It is possible to produce intermetallic compounds in the alloy by mixing the powder with Ti, Ni, Cr or Fe metal powder.
また、その他にも前記第２金属成分には既存のＡｌ合金で析出硬化を得ることができる合金元素もこれに含まれる。つまり、析出硬化型アルミニウム合金としてはＡｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｌｉ、Ａｌ−Ｍｇなどの多様な合金システムが可能であり、この場合に前記合金は金属間化合物に該当する析出物を析出させて分散強化効果を得るので、本発明の金属マトリックス複合体コーティング層またはバルクの応用分野が相対的に低温である場合には前記第２金属成分としてＣｕ、ＬｉまたはＭｇなどが含まれるのはもちろんである。 In addition, the second metal component includes an alloy element that can obtain precipitation hardening with an existing Al alloy. In other words, various alloy systems such as Al—Cu, Al—Li, and Al—Mg are possible as the precipitation hardening type aluminum alloy. In this case, the alloy precipitates a precipitate corresponding to the intermetallic compound and disperses it. In order to obtain a strengthening effect, when the metal matrix composite coating layer or bulk application field of the present invention is at a relatively low temperature, it is a matter of course that Cu, Li or Mg is included as the second metal component. .
また、本発明で前記セラミック粉末に該当する前記セラミックまたはその混合体は耐摩耗性、硬度、疲労などの公知の機械的性質の向上のために金属マトリックス複合体に使用される多様な種類のセラミックとその混合物がこれに該当し、これには酸化物、炭化物または窒化物を含む。具体的に、前記セラミックは金属、酸化物、金属炭化物、金属窒化物などが使用可能であり、より具体的には二酸化ケイ素、ジルコニア、アルミナなどの酸化物、ＴｉＮ、Ｓｉ3Ｎ4等の窒化物、ＴｉＣ、ＳｉＣなどの炭化物を使用することができ、アルミナまたはＳｉＣであることが耐摩耗性増大のために好ましい。 In addition, the ceramic or a mixture thereof corresponding to the ceramic powder in the present invention may be various types of ceramics used in metal matrix composites for improving known mechanical properties such as wear resistance, hardness, fatigue, and the like. And mixtures thereof, including oxides, carbides or nitrides. Specifically, the ceramic may be a metal, an oxide, a metal carbide, a metal nitride, or the like, more specifically, an oxide such as silicon dioxide, zirconia, or alumina, or a nitride such as TiN or Si 3 N 4. And carbides such as TiC and SiC can be used, and alumina or SiC is preferable for increasing wear resistance.
また、本発明で前記混合粉末に混合される前記セラミック粒子は凝集粉末（agglomerated powder）形態に提供されることができ、この場合、前記コーティング工程で前記粉末粒子が基板などと衝突する時、凝集粉末の場合は微細な粒子への粉砕が容易であって微細粒子になるので、微細なセラミック粒子が均等に分散されたコーティング層を形成することができるという点で有利である。 In addition, the ceramic particles mixed with the mixed powder according to the present invention may be provided in the form of an agglomerated powder. In this case, when the powder particles collide with a substrate or the like in the coating process, In the case of powder, it is easy to grind into fine particles and becomes fine particles, which is advantageous in that a coating layer in which fine ceramic particles are uniformly dispersed can be formed.
このような成分の混合粉末に混合される前記第１金属粉末と第２金属粉末およびセラミック粉末の粒子の大きさは公知のコールドスプレーに使用される多様な大きさの粒子を用いることができ、好ましくは１〜１００μｍの大きさを有するのが分散および混合側面で良い。また、さらに好ましくは第２金属粉末は以後の熱処理工程によって金属間化合物に変化する粒子であるので均一で強い分散強化効果を得るためには微細な粒子であるほどさらに良く、第１金属粉末に比べてさらに小さな粒子の大きさを有するのが好ましい。これに関する具体的な例として、アルミニウム粉末とＮｉ粉末を混合する場合には前記アルミニウム粉末は５０〜１００μｍであり、ニッケル粉末は１〜１００μｍ、好ましくは１〜５０μｍであるのが良く、アルミニウム粉末とＴｉ粉末を混合する場合には前記アルミニウム粉末は５０〜１００μｍであり、Ｔｉ粉末は１〜１００μｍ、好ましくは１〜５０μｍであるのが良い。また、これに共に混合されるセラミック粉末も公知の金属マトリックス複合体の製造に使用される多様な大きさの粉末を用いることができ、好ましくは１〜１００μｍの大きさを有するのが分散および混合側面で良く、前記アルミニウム粉末を第１金属粉末として使用する場合には前記セラミック粉末はＳｉＣやアルミナを使用するのが反応性および分散効果側面で好ましく、その大きさは前記アルミニウム粉末が５０〜１００μｍである場合に１〜５０μｍの大きさを有するセラミック粉末を混合するのが良い。つまり、第１金属粉末とセラミック粉末の場合は粒子の大きさが過度に小さい場合は粒子の重量が少ないので速い速度にもかかわらず、コーティング層に対する衝突時に衝撃量が過度に少なくて、ショットピーニング（shot peening）のような加工硬化が少なく起こり、粒子の大きさが過度に大きい場合には衝撃量は大きいが、衝突回数および面積が少なくて加工硬化が少なく、第２金属粉末とセラミック粉末の場合は粒子の大きさが過度に大きいと分散強化効果が低下するので、前述のように加工硬化および分散強化を最大化する最適の中間大きさ範囲が存在するようになる。 The particles of the first metal powder, the second metal powder and the ceramic powder to be mixed with the mixed powder of such components can be particles of various sizes used in known cold sprays, The dispersion and mixing side surfaces preferably have a size of 1 to 100 μm. More preferably, the second metal powder is a particle that changes into an intermetallic compound in the subsequent heat treatment step, so that a finer particle is better for obtaining a uniform and strong dispersion strengthening effect. It is preferable to have a smaller particle size. As a specific example in this regard, when aluminum powder and Ni powder are mixed, the aluminum powder is 50 to 100 μm, the nickel powder is 1 to 100 μm, preferably 1 to 50 μm. In the case of mixing Ti powder, the aluminum powder is 50 to 100 μm, and the Ti powder is 1 to 100 μm, preferably 1 to 50 μm. Also, the ceramic powder mixed together may be a powder of various sizes used in the manufacture of known metal matrix composites, preferably having a size of 1 to 100 μm for dispersion and mixing. When the aluminum powder is used as the first metal powder, the ceramic powder is preferably SiC or alumina in terms of reactivity and dispersion effect, and the size of the aluminum powder is 50-100 μm. In this case, it is preferable to mix ceramic powder having a size of 1 to 50 μm. That is, in the case of the first metal powder and the ceramic powder, when the particle size is excessively small, the weight of the particle is small, so that the impact amount is excessively small at the time of collision with the coating layer, and the shot peening is caused. When the particle size is excessively large, the amount of impact is large, but the number of collisions and the area are small and the work hardening is small. In this case, if the size of the particles is excessively large, the dispersion strengthening effect is lowered, so that an optimum intermediate size range for maximizing work hardening and dispersion strengthening exists as described above.
また、前記第１金属粉末、第２金属粉末およびセラミック粉末の混合比は多様な混合比を選択して使用することができ、第２金属粉末を以後の熱処理工程でほとんど大部分が金属間化合物に変化するので、金属マトリックス複合体の設計時に要求される分散物の量に対応する比率で混合するのが良く、セラミック粉末の場合は別途の反応なしに全てそのまま分散物として役割を果たすので金属マトリックス複合体の設計時に要求される分散物の量に対応する比率で混合するのが良い。特に、耐摩耗性の相対的指標であるマイクロビッカース硬度値を最大化するためには前記第１金属粉末対比セラミック粉末の混合比は金属：セラミックの体積比が１：１〜３：１の範囲であるのが良い。 In addition, the mixing ratio of the first metal powder, the second metal powder, and the ceramic powder can be selected from various mixing ratios, and most of the second metal powder is an intermetallic compound in the subsequent heat treatment process. Therefore, it is better to mix at a ratio corresponding to the amount of the dispersion required at the time of designing the metal matrix composite. It is preferable to mix at a ratio corresponding to the amount of dispersion required at the time of designing the matrix composite. In particular, in order to maximize the micro Vickers hardness value, which is a relative indicator of wear resistance, the mixing ratio of the first metal powder to the ceramic powder is in the range of a metal: ceramic volume ratio of 1: 1 to 3: 1. It is good to be.
このような前記第１金属粉末、第２金属粉末およびセラミック粉末の混合粉末は通常の方法によって製造することができる。最も簡単な方式としては前記粉末をＶミル（v-mill）によって乾式混合する方式を挙げることができる。乾式混合された粉末は別途の処理なしにそのまま粉末供給器で用いることができる。前記混合粉末中のそれぞれの粉末の混合比率は用途によって適切に調節され、耐摩耗性などの機械的性質の最適化のためにはその設計値によって適切な比率の範囲内で混合し、前記セラミック粒子の体積比が５０％を超える時にはコーティング層が一定の厚さ以上に増加しないという問題点が発生することができるので、その範囲内で混合する。 Such a mixed powder of the first metal powder, the second metal powder and the ceramic powder can be produced by a usual method. The simplest method is a method of dry mixing the powder by a V-mill. The dry-mixed powder can be used as it is in a powder feeder without any additional treatment. The mixing ratio of each powder in the mixed powder is appropriately adjusted depending on the application, and in order to optimize mechanical properties such as wear resistance, mixing is performed within an appropriate ratio depending on the design value. When the volume ratio of the particles exceeds 50%, a problem that the coating layer does not increase beyond a certain thickness can occur, so mixing is performed within the range.
一般に、前記ノズルとして収斂−発散型ノズルを使用し通常の構成を有する場合には前記混合粉末に約５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧縮ガスが供給される。前記圧縮ガスとしてはヘリウム、窒素、アルゴンおよび空気などを用いることができる。前記ガスはコンプレッサのようなガス圧縮器で約５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ2に圧縮されて提供される。必要によって、前記圧縮ガスは図１のガスヒーター（１２０）のような加熱手段によって約２００〜５００℃の温度で加熱された状態で提供することができる。 Generally, when a convergent-divergent nozzle is used as the nozzle and has a normal configuration, a compressed gas of about 5 to 20 kgf / cm 2 is supplied to the mixed powder. As the compressed gas, helium, nitrogen, argon, air, or the like can be used. The gas is provided after being compressed to about 5 to 20 kgf / cm 2 by a gas compressor such as a compressor. If necessary, the compressed gas may be provided in a state of being heated at a temperature of about 200 to 500 ° C. by a heating means such as the gas heater (120) of FIG.
前記コールドスプレー工程には前述のように粉末に対する圧縮圧力、運搬ガスの流動速度、運搬ガスの温度などその制御変数が多いが、好ましくは耐摩耗性の増大のためにはノズルから噴射された粉末が全てコーティングされることより、全体混合粉末の５０％以上はコーティング面にショットピーニングのような加工硬化に寄与するためにコーティング面にぶつかった後に脱落し、最大に噴射された粉末の５０％だけ実質的にコーティングされるようにするのがコーティング層の加工硬化による硬度向上および耐摩耗性の増大に良い。さらに好ましくは、前記コーティング効率の範囲は１０〜２０％の範囲であるのが硬度向上および耐摩耗性の増大に良い。 As described above, the cold spraying process has many control variables such as the compression pressure on the powder, the flow rate of the carrier gas, and the temperature of the carrier gas. Preferably, the powder sprayed from the nozzle is used to increase the wear resistance. Since all of the powder is coated, more than 50% of the total mixed powder falls off after hitting the coating surface to contribute to work hardening such as shot peening, and only 50% of the maximum sprayed powder Substantially coating is good for improving hardness and increasing wear resistance by work hardening of the coating layer. More preferably, the range of the coating efficiency is in the range of 10 to 20% in order to improve hardness and increase wear resistance.
したがって、前記コーティング効率を維持する場合には混合粉末の衝突時に速度を相対的に低く維持するのが好ましく、速度は運搬ガス温度の自乗根にほぼ比例して変わるので、このような場合には前記混合粉末のノズルを通じたコーティング時、前記ノズルに供給される運搬ガスの温度は相対的に低い温度で維持してもかまわなく、この場合に前記運搬ガスの温度は２８０±５℃であるのが好ましい。さらに好ましくは、前記運搬ガスの温度はアルミニウム第１金属粉末を使用する場合に前記適正コーティング効率を示すので良い。 Therefore, in order to maintain the coating efficiency, it is preferable to keep the velocity relatively low when the mixed powder collides, and the velocity changes almost in proportion to the square root of the carrier gas temperature. When coating the mixed powder through the nozzle, the temperature of the carrier gas supplied to the nozzle may be maintained at a relatively low temperature. In this case, the temperature of the carrier gas is 280 ± 5 ° C. Is preferred. More preferably, the temperature of the carrier gas may indicate the proper coating efficiency when using the aluminum first metal powder.
また特に、前記第１金属粉末の金属がアルミニウムまたはその合金であり、前記第２金属粉末の金属間化合物形成用金属粒子がチタニウム、ニッケル、クロムおよび鉄からなる群より一つ以上選択される金属である場合にはそのセラミック粒子の種類と関係なく前記母材にコーティングされる粉末の速度を３００〜５００ｍ／ｓで維持すれば前述のようなコーティング層の加工硬化効果を得ることができ、したがって耐摩耗性の増大を最大化することができるので好ましい。 In particular, the metal of the first metal powder is aluminum or an alloy thereof, and the metal particles for forming the intermetallic compound of the second metal powder are one or more selected from the group consisting of titanium, nickel, chromium, and iron. In this case, the work hardening effect of the coating layer as described above can be obtained if the speed of the powder coated on the base material is maintained at 300 to 500 m / s regardless of the type of the ceramic particles. This is preferable because an increase in wear resistance can be maximized.
また、前記コールドスプレー装置のノズルは前述のような通常のde Laval-Typeの収斂−発散型ノズルの他に、図６〜９に示したように、前記ノズルはスロウト（throat）を有する収斂−発散型ノズルまたは収斂−直管型ノズルが使用され、前記混合粉末の注入はスロウトを貫通して位置する注入管を通じて前記ノズルの発散または直管部分で行われる形態でコーティングを実施することができる。これを通じて混合粉末の注入が発散乃至直管部分で行われ相対的に低い圧力で行われるので、混合粉末の注入のための圧力を低く維持することができコールドスプレー装置を低価で構成することができ、発散または直管区間で粉末が注入されるので、ノズル内部、特にスロウトに粉末がコーティングされることを防止して長時間操作が可能なようにするので好ましい。 Further, the nozzle of the cold spray apparatus is a normal de Laval-Type convergence as described above. In addition to the divergent nozzle, the nozzle has a convergence with a throat as shown in FIGS. A divergent nozzle or a converging-straight tube type nozzle is used, and the coating of the mixed powder can be performed in a form in which the mixed powder is injected at the diverging or straight tube portion of the nozzle through an injection tube located through the slot. . Through this, the mixed powder is injected at the divergent or straight pipe portion and at a relatively low pressure, so that the pressure for injecting the mixed powder can be kept low, and the cold spray device can be constructed at a low price. Since the powder is injected in the divergent or straight pipe section, it is preferable because the powder is prevented from being coated inside the nozzle, particularly in the slot, so that it can be operated for a long time.
したがって、このようなノズルおよび注入管を使用する場合には前記混合粉末のノズルへの注入時に圧力は通常の圧力より非常に低い９０〜１２０ｐｓｉの相対的に低い圧力を使用するのが好ましい。 Accordingly, when such a nozzle and injection tube are used, it is preferable to use a relatively low pressure of 90 to 120 psi, which is much lower than normal pressure when the mixed powder is injected into the nozzle.
さらに好ましくは、前記形式のノズルおよび注入管を使用する場合に混合粉末のノズルへの注入時の圧力が９０〜１２０ｐｓｉであり、運搬ガスの温度が２８０±５℃であるのが耐摩耗性に優れたコーティング層を形成することに良く、特に、これは前記第１金属粉末がアルミニウムであり、前記セラミックがＳｉＣである場合にさらに良い。 More preferably, when the nozzle and the injection tube of the above type are used, the pressure when the mixed powder is injected into the nozzle is 90 to 120 psi, and the temperature of the carrier gas is 280 ± 5 ° C. in terms of wear resistance. It is good for forming an excellent coating layer, especially when the first metal powder is aluminum and the ceramic is SiC.
その他に、前記コーティング工程で前記第１金属粉末に対する前記第２金属粉末の混合比または前記セラミック粉末の混合比は母材表面から外郭表面に行くほど濃度勾配を有するようにコーティングすることができ、前記セラミック粉末の粒子の大きさまたは第２金属粉末の粒子の大きさは母材表面から外郭表面に行くほど粒子の大きさにおいて一定の勾配を有するようにコーティングすることができる。 In addition, in the coating step, the mixing ratio of the second metal powder to the first metal powder or the mixing ratio of the ceramic powder can be coated so as to have a concentration gradient from the base material surface toward the outer surface, The particle size of the ceramic powder or the particle size of the second metal powder may be coated such that the particle size has a certain gradient from the surface of the base material to the outer surface.
つまり、前記第１金属粉末に対する第２金属粉末の混合比を（ｉ）母材表面から外郭に行くほどさらに高くしたり、（ｉｉ）母材表面から外郭に行くほどさらに低くコーティングしたり、または（ｉｉｉ）中間部位が最も高く、母材表面および最外郭は低くしたり、（ｉｖ）中間部位が最も低く、母材表面および最外郭は高くするなどの多様な構成の混合比濃度勾配を有するように構成することができ、これはセラミック粉末に対しても同一に適用可能であり、セラミック粉末と第２金属粉末を共に濃度調節をすることもでき、セラミック粉末と第２金属粉末の濃度勾配方向を異なるようにまたは反対に構成することもできる。 That is, the mixing ratio of the second metal powder to the first metal powder is (i) further increased from the surface of the base material to the outer shell, (ii) coated further lower from the base material surface to the outer shell, or (Iii) The intermediate portion is the highest and the base material surface and outermost contour are low, or (iv) the intermediate portion is the lowest and the base material surface and outermost contour are high, and the mixture ratio concentration gradient has various configurations. This is equally applicable to the ceramic powder, and the concentration of the ceramic powder and the second metal powder can both be adjusted, and the concentration gradient of the ceramic powder and the second metal powder can be adjusted. It is also possible to configure the directions differently or vice versa.
また、このような濃度勾配と共にまたは別途に粒子の大きさの場合にも勾配を有するように構成することができ、これはセラミック粉末の場合にその粉末粒子の大きさを（ｉ）母材表面から外郭に行くほどさらに大きくしたり、（ｉｉ）母材表面から外郭に行くほどさらに小さくコーティングしたり、または（ｉｉｉ）中間部位が最も大きく、母材表面および最外郭を小さくしたり、（ｉｖ）中間部位が最も小さく、母材表面および最外郭を大きくするなどの多様な構成の粒子大きさ勾配を有するように構成することができ、これは第２金属粉末に対しても同一に適用可能であり、セラミック粉末と第２金属粉末を共に大きさ調節をすることもでき、セラミック粉末と第２金属粉末の粒子大きさ勾配方向を異なるようにまたは反対に構成することもできる。 Also, it can be configured to have a gradient in the case of the particle size together with or separately from such a concentration gradient. (Ii) coating further smaller from the surface of the base material to the outer surface, or (iii) the intermediate part is the largest, and the surface of the base material and the outermost surface are reduced (iv) ) It can be configured to have a particle size gradient with various configurations such as the smallest intermediate part and the base material surface and outermost part being enlarged. This can be applied to the second metal powder as well. The size of the ceramic powder and the second metal powder can both be adjusted, and the particle size gradient directions of the ceramic powder and the second metal powder are configured to be different or opposite to each other. And it can also be.
このような勾配によって母材とコーティング層との間の熱膨張係数の差による熱応力発生を最少化し、熱伝達を活性化して、熱サイクリングによって発生できるコーティング層の剥離、残留応力の発生を最少化することができる。 This gradient minimizes the generation of thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the base material and the coating layer, activates heat transfer, and minimizes the occurrence of coating layer peeling and residual stress that can be generated by thermal cycling. Can be
このような追加中間層の形成も、好ましくは前記第１金属粉末がアルミニウムであり、前記セラミックがＳｉＣである場合に適用するのが良い。 The formation of such an additional intermediate layer is also preferably applied when the first metal powder is aluminum and the ceramic is SiC.
前記のように高速で噴射された混合粉末は母材に衝突して高密度のコーティング層を形成する。所望の厚さのコーティング層を得るまで前記コーティング工程を行った後、前記コーティングされたコーティング層を熱処理して前記混合粉末を準備する工程で意図した金属間化合物を形成する熱処理工程を実施する。本発明では前記熱処理工程が低い温度で行われることを特徴とする。前述の従来の鋳造法および溶射法で金属混合粉末は全て９００〜１２００℃程度の高温で熱処理されるが、本発明の方法での熱処理工程は９００℃以下の温度で行われる。より具体的に、本発明で前記熱処理工程は、相違した第１金属粉末と第２金属粉末の混合組成が成し得る最も低い液状形成温度、すなわち、共融温度（eutectic temperature）以下で行われるのが好ましい。本発明で共融温度という用語は包晶温度（peritectic temperature）を含む意味として使用される。例えば、第１金属粉末がＡｌであり、第２金属粉末がＴｉである混合粉末の場合、図２に示されているように、本発明の熱処理工程は６６４℃以下の温度で行われるのが好ましい。また、前記第１金属粉末と第２金属粉末の混合粉末がＡｌ−Ｎｉ、Ａｌ−ＣｒまたはＡｌ−Ｆｅである場合、前記熱処理工程はそれぞれ６３６℃以下、６６３℃以下、または６５４℃（９２７Ｋ）以下の温度で行われるのが好ましい。また、より好ましくは、前記熱処理工程は約５００℃以上で行われるのが熱処理の容易性および金属間化合物の形成時間を適切に維持するので良い。 The mixed powder sprayed at high speed as described above collides with the base material to form a high-density coating layer. After the coating process is performed until a coating layer having a desired thickness is obtained, a heat treatment process is performed to form an intended intermetallic compound in the process of preparing the mixed powder by heat-treating the coated coating layer. In the present invention, the heat treatment step is performed at a low temperature. All the metal mixed powders are heat-treated at a high temperature of about 900 to 1200 ° C. by the above-described conventional casting method and thermal spraying method, but the heat treatment step in the method of the present invention is performed at a temperature of 900 ° C. or less. More specifically, in the present invention, the heat treatment process is performed at the lowest liquid forming temperature at which different mixed compositions of the first metal powder and the second metal powder can be formed, that is, below the eutectic temperature. Is preferred. In the present invention, the term eutectic temperature is used to mean a peritectic temperature. For example, in the case of a mixed powder in which the first metal powder is Al and the second metal powder is Ti, the heat treatment process of the present invention is performed at a temperature of 664 ° C. or lower as shown in FIG. preferable. Further, when the mixed powder of the first metal powder and the second metal powder is Al—Ni, Al—Cr or Al—Fe, the heat treatment step is 636 ° C. or lower, 663 ° C. or lower, or 654 ° C. (927 K), respectively. The following temperature is preferred. More preferably, the heat treatment step is performed at about 500 ° C. or higher so that the ease of heat treatment and the formation time of the intermetallic compound can be appropriately maintained.
このように、前記熱処理工程によって前記母材に形成されたコーティング層はその内部に金属間化合物およびセラミック粉末が分散されたＡｌマトリックス複合体を形成する。本発明のように、熱処理工程が共融温度以下で熱処理が遂行される場合、金属間化合物は固相反応で固相拡散によって形成される。したがって、鋳造法または融射法のように金属間化合物の形成に液状が介されないため、微細な金属間化合物がＡｌマトリックス相内に分散されたＡｌマトリックス複合体を得ることができる Thus, the coating layer formed on the base material by the heat treatment process forms an Al matrix composite in which an intermetallic compound and ceramic powder are dispersed. When the heat treatment is performed at a eutectic temperature or lower as in the present invention, the intermetallic compound is formed by solid phase diffusion in a solid phase reaction. Accordingly, since the liquid is not involved in the formation of the intermetallic compound as in the casting method or the spraying method, an Al matrix composite in which fine intermetallic compounds are dispersed in the Al matrix phase can be obtained.
一方、従来の粉末冶金法では９００℃以下の低温、特に共融温度以下ではアルミニウムと他の金属との間の金属間化合物の形成が極めて困難であることが知られている。これはアルミニウム粉末の表面に形成されている酸化物がアルミニウムと他の金属との反応を妨害するためである。したがって、従来の粉末冶金法では表面皮膜が破壊される程度に充分な量の液状が形成されなければＡｌと他の金属との反応によって金属間化合物の形成はほとんど行われない。 On the other hand, it is known that it is extremely difficult to form an intermetallic compound between aluminum and another metal at a low temperature of 900 ° C. or lower, particularly at a eutectic temperature or lower, in the conventional powder metallurgy method. This is because the oxide formed on the surface of the aluminum powder hinders the reaction between aluminum and other metals. Therefore, in the conventional powder metallurgy method, an intermetallic compound is hardly formed by the reaction between Al and another metal unless a sufficient amount of liquid is formed to destroy the surface film.
しかし、本発明によれば、Ａｌと他の金属粉末との反応をより低い温度で行うことができる。これは本発明で噴射されたアルミニウム粉末が母材表面に衝突する時、衝突エネルギーによって表面皮膜が破壊され、結局、Ａｌ粉末と他の金属粉末との間の実質的な接触が行われることに起因する。 However, according to the present invention, the reaction between Al and another metal powder can be performed at a lower temperature. This is because when the aluminum powder injected in the present invention collides with the surface of the base material, the surface film is destroyed by the collision energy, and eventually, the substantial contact between the Al powder and the other metal powder is performed. to cause.
また、本発明の方法によって形成されたコーティング層は非常に高い密度を有している。したがって、熱処理過程で大気または雰囲気ガスに含まれている酸素にさらされても個別Ａｌ粉末粒子表面に酸化皮膜が形成される可能性は減る。このような理由で本発明の前記熱処理工程は窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気だけでなく空気中でも行うことができる。 Also, the coating layer formed by the method of the present invention has a very high density. Therefore, the possibility that an oxide film is formed on the surface of the individual Al powder particles is reduced even when exposed to oxygen contained in the atmosphere or atmospheric gas in the heat treatment process. For this reason, the heat treatment step of the present invention can be performed not only in an inert gas atmosphere such as nitrogen and argon but also in air.
以上説明したように、本発明で熱処理工程が共融温度（包晶温度含む）以下で行われるのが好ましい理由は、この温度以下の熱力学的平衡状態では原則的に液状が介されないため微細な分散相の金属間化合物を得るのに適するということを意味する。しかし、実際のシステムにおいては、共融温度を超えるある程度の範囲の温度でも液状の介在が微少であるため実際には金属間化合物の形成に及ぼす液状の役割は無視することができる。従って、本明細書の特許請求の範囲に記載された‘共融温度以下’という用語の意味はこのような程度の温度範囲を排除するものとして厳密に解釈されることを意図するものではない。 As described above, the reason why the heat treatment step is preferably performed at a temperature lower than the eutectic temperature (including the peritectic temperature) in the present invention is that the liquid is not interposed in a thermodynamic equilibrium state below this temperature in principle. It means that it is suitable for obtaining an intermetallic compound having a different dispersed phase. However, in an actual system, even when the temperature is within a certain range exceeding the eutectic temperature, the presence of liquid is very small, so that the role of liquid on the formation of intermetallic compounds can be ignored. Accordingly, the meaning of the term “below the eutectic temperature” in the claims of the present specification is not intended to be strictly interpreted as excluding such a temperature range.
前記熱処理工程は金属間化合物の形成と共に表面粗度調節のための機械加工やコーティング層の接着力向上のための熱処理効果を一緒に有することができる。 The heat treatment process can have the effect of heat treatment for forming the intermetallic compound, machining for adjusting the surface roughness, and improving the adhesion of the coating layer.
その他に本発明の金属マトリックス複合体形成方法は前述の金属マトリックス複合体形成方法によって形成される金属マトリックス複合体コーティング層で前記コーティングする工程で形成された部分であるコーティング層を母材から分離する工程をさらに含んで構成され、これを通じて金属マトリックス複合体のみからなる金属マトリックス複合体バルクを提供することができる。 In addition, the metal matrix composite forming method of the present invention separates the coating layer, which is the part formed in the coating step, from the base material with the metal matrix composite coating layer formed by the above-described metal matrix composite forming method. The method further comprises a step, through which a metal matrix composite bulk consisting of only the metal matrix composite can be provided.
また、本発明は前述の金属マトリックス複合体形成方法によって形成されることを特徴とする金属マトリックス複合体コーティング層を提供する。このような前記コーティング層の厚さは、好ましくは１０μ〜１ｍｍである。過度に薄い場合には耐摩耗性が低下する問題が発生し、厚い場合にはコーティング層形成の製造費用と熱膨張による剥離、熱応力発生などが起こることがあるので、前記範囲であるのが良い。 The present invention also provides a metal matrix composite coating layer formed by the above-mentioned metal matrix composite formation method. The thickness of the coating layer is preferably 10 μm to 1 mm. If it is too thin, there will be a problem that the wear resistance will be reduced. If it is thick, the manufacturing cost of the coating layer, peeling due to thermal expansion, and generation of thermal stress may occur. good.
その他、本発明は前述の金属マトリックス複合体形成方法によって形成される金属マトリックス複合体コーティング層で前記コーティングする工程で形成された部分であるコーティング層を母材から分離する工程をさらに含んで形成されることを特徴とする金属マトリックス複合体バルクを提供する。 In addition, the present invention is formed by further including a step of separating a coating layer, which is a part formed in the coating step with the metal matrix composite coating layer formed by the above-described metal matrix composite formation method, from the base material. A metal matrix composite bulk is provided.
本発明の方法によって得られた耐摩耗性金属マトリックス複合体コーティング層またはバルクは母材、コーティングまたはバルクの機械的物性を向上させる。 The wear resistant metal matrix composite coating layer or bulk obtained by the method of the present invention improves the mechanical properties of the matrix, coating or bulk.
まず、高い硬度の金属間化合物およびセラミック粒子をコーティング層またはバルクに含むことによって、部材の耐摩耗性を向上させることができる。 First, the wear resistance of a member can be improved by including a high hardness intermetallic compound and ceramic particles in the coating layer or bulk.
第二に、本発明によって製造されたコーティング層またはバルクはコーティングされた部品の疲労特性を向上させる。つまり、コーティング層と母材との間の高い結合力によって母材とコーティング層との間の亀裂発生を抑制し、コーティング層は金属マトリックス複合体の特性を有するのでこれによる微細構造の特性上コーティング層内部の亀裂発生および伝播速度を低くする効果があるので疲労特性を向上させる。また、このような部品が熱疲労（thermal fatigue）破壊に対して高い抵抗性を有するようにする。ガスタービンのような耐熱機関に使用される部品での亀裂の発生と伝播の主な原因として局部的な温度差に起因した熱応力を挙げることができる。また、エンジンブロックでエンジンの燃焼によってシリンダーから近い側は高い温度状態にあり、シリンダーから遠い側は低い温度状態にある。このような温度差はエンジンブロック表面で亀裂生成の原因になる熱応力を発生させる。特に、エンジンのように周期的な燃焼と冷却を伴う場合、周期的な熱応力による熱疲労破壊特性を制御することが非常に重要である。本発明では金属としてアルミニウムやアルミニウム合金、セラミックとしてＳｉＣのような高い熱伝導度を有する粒子を使用してコーティング層を形成することによって部材の熱伝導特性を向上させることができる。熱伝導特性の向上は部品に発生する局部的な温度差を減少させるので、結局、部品の熱疲労破壊特性を向上させる。また、複合体の形成によって母材との熱膨張係数差を減らすことができるので、これによって加熱時に発生する熱応力を減らすことができるのでコーティング層の剥離や亀裂発生を最小化することができるという長所がある。 Secondly, the coating layer or bulk produced according to the present invention improves the fatigue properties of the coated part. In other words, cracking between the base material and the coating layer is suppressed by the high bonding force between the coating layer and the base material, and the coating layer has the characteristics of a metal matrix composite. Fatigue properties are improved because of the effect of reducing the crack initiation and propagation speed inside the layer. It also ensures that such parts are highly resistant to thermal fatigue failure. The main cause of crack generation and propagation in parts used in heat-resistant engines such as gas turbines is thermal stress due to local temperature differences. In the engine block, the side closer to the cylinder is in a high temperature state due to engine combustion, and the side far from the cylinder is in a low temperature state. Such a temperature difference generates a thermal stress that causes crack formation on the engine block surface. In particular, when an engine is accompanied by periodic combustion and cooling, it is very important to control thermal fatigue fracture characteristics due to periodic thermal stress. In the present invention, the thermal conductivity of the member can be improved by forming a coating layer using particles having high thermal conductivity such as aluminum or aluminum alloy as a metal and SiC as a ceramic. Since the improvement of the heat conduction characteristic reduces the local temperature difference generated in the part, the thermal fatigue breakdown characteristic of the part is eventually improved. Moreover, since the difference in thermal expansion coefficient with the base material can be reduced by forming the composite, it is possible to reduce the thermal stress generated during heating, thereby minimizing the peeling and cracking of the coating layer. There is an advantage.
以下、本発明の好ましい実施例を説明することによって、本発明を詳述する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail by explaining preferred embodiments of the present invention.
実施例１：
平均粒度が７７μｍであるＡｌ粉末と平均粒度が３μｍであるＮｉ粉末をＡｌ：Ｎｉ重量比がそれぞれ９０：１０（Ａｌ−１０％Ｎｉ）、７５：２５（Ａｌ−２５％Ｎｉ）である金属混合粉末を製造し、ここに平均粒度が３５μｍであるＳｉＣ粉末を前記金属混合粉末１００重量部に対して５重量部混合して最終混合粉末を製造し、標準ラバル型（standard laval type）ノズルとしてアパーチャは４×６ｍｍであり、のど部ギャップ（throat gap）は１ｍｍであるノズルを使用し、圧縮ガスとしては空気を使用して、７気圧、３３０℃の運搬ガス流動に前記混合粉末を注入してコーティング層を形成した。形成されたコーティングを約４５０℃、５００℃、５５０℃で４時間熱処理した。熱処理は窒素雰囲気で行った。熱処理された基板表面をＸ線回折パターンを測定し、その結果を図１０（Ａｌ−１０％Ｎｉ）および図１１（Ａｌ−２５％Ｎｉ）に示した。前記Ｘ線回折結果によれば、Ｎｉの含量が高いほど、熱処理温度が高いほどＡｌ3Ｎｉ金属間化合物とＡｌ3Ｎｉ2金属間化合物が多く形成されるが、熱処理温度が低い場合にも前記金属間化合物が確かに生成することが分かった。
Example 1:
Al powder having an average particle size of 77 μm and Ni powder having an average particle size of 3 μm are mixed with metals having an Al: Ni weight ratio of 90:10 (Al-10% Ni) and 75:25 (Al-25% Ni), respectively. A powder is prepared, and 5 parts by weight of SiC powder having an average particle size of 35 μm is mixed with 100 parts by weight of the metal mixed powder to produce a final mixed powder, which is used as a standard laval type nozzle. Is 4 × 6 mm, a nozzle with a throat gap of 1 mm is used, air is used as a compressed gas, and the mixed powder is injected into a carrier gas flow at 7 atm and 330 ° C. A coating layer was formed. The formed coating was heat treated at about 450 ° C., 500 ° C., and 550 ° C. for 4 hours. The heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere. An X-ray diffraction pattern of the heat treated substrate surface was measured, and the results are shown in FIG. 10 (Al-10% Ni) and FIG. 11 (Al-25% Ni). According to the X-ray diffraction results, the higher the Ni content and the higher the heat treatment temperature, the more Al 3 Ni intermetallic compound and Al 3 Ni 2 intermetallic compound are formed. It was found that an intermetallic compound was produced.
また、Ｎｉ粉末およびこれに隣接したＡｌマトリックス間の金属間化合物形成に対するＥＤＸ撮影結果は図１２に示した通りである。つまり、Ａｌマトリックス付近にはＮｉの濃度が低いためＡｌ3Ｎｉ金属間化合物が形成され、Ｎｉ粉末の粒子内部側にはＮｉの濃度が高いためＡｌ3Ｎｉ2金属間化合物が形成されたのを観察することができた。
このような反応が完全に起こらない場合にはＮｉ粉末の内部に残留Ｎｉが存在するのを図１３を通じて観察することができた。
Further, the EDX imaging results for the formation of the intermetallic compound between the Ni powder and the Al matrix adjacent thereto are as shown in FIG. That is, the Al 3 Ni intermetallic compound was formed near the Al matrix because the Ni concentration was low, and the Al 3 Ni 2 intermetallic compound was formed because the Ni concentration was high inside the Ni powder particles. I was able to observe.
When such a reaction did not occur completely, the presence of residual Ni inside the Ni powder could be observed through FIG.
実施例２：
平均粒度が７７μｍであるＡｌ粉末と平均粒度が４３μｍであるＴｉ粉末をＡｌ：Ｔｉ重量比がそれぞれ９０：１０（Ａｌ−１０％Ｔｉ）、７５：２５（Ａｌ−２５％Ｔｉ）である金属混合粉末を製造し、ここに平均粒度が３５μｍであるＳｉＣ粉末を前記金属混合粉末１００重量部に対して５重量部混合して最終混合粉末を製造し、標準ラバル型（standard laval type）ノズルとしてアパーチャが４×６ｍｍであり、のど部ギャップ（throat gap）が１ｍｍであるノズルを使用し、圧縮ガスとしては空気を使用して、７気圧、３３０℃の運搬ガス流動に前記混合粉末を注入してコーティング層を形成した。形成されたコーティングを約４５０℃、５００℃、５５０℃、６３０℃で４時間熱処理した。熱処理は窒素雰囲気で行った。熱処理された基板表面のＸ線回折パターンを測定し、その結果を図１４（Ａｌ−１０％Ｔｉ）および図１５（Ａｌ−２５％Ｔｉ）に示した。前記Ｘ線回折結果によれば、Ｔｉの含量が高いほど、熱処理温度が高いほどＡｌ3Ｔｉ金属間化合物が多く形成されるが、熱処理温度が低い場合にも前記金属間化合物が確かに生成することが分かった。
Example 2:
Al powder having an average particle size of 77 μm and Ti powder having an average particle size of 43 μm are mixed with metal having an Al: Ti weight ratio of 90:10 (Al-10% Ti) and 75:25 (Al-25% Ti), respectively. A powder is prepared, and 5 parts by weight of SiC powder having an average particle size of 35 μm is mixed with 100 parts by weight of the metal mixed powder to produce a final mixed powder, which is used as a standard laval type nozzle. Is 4 × 6 mm, using a nozzle with a throat gap of 1 mm, using air as the compressed gas, and injecting the mixed powder into a carrier gas flow at 7 atm and 330 ° C. A coating layer was formed. The formed coating was heat treated at about 450 ° C., 500 ° C., 550 ° C., and 630 ° C. for 4 hours. The heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere. The X-ray diffraction pattern of the heat-treated substrate surface was measured, and the results are shown in FIG. 14 (Al-10% Ti) and FIG. 15 (Al-25% Ti). According to the X-ray diffraction results, the higher the Ti content and the higher the heat treatment temperature, the more Al 3 Ti intermetallic compounds are formed. Even when the heat treatment temperature is low, the intermetallic compounds are certainly produced. I understood that.
また、前記熱処理温度を６３０℃とした場合にＴｉ粉末およびこれに隣接したＡｌマトリックス間の金属間化合物形成に対するＥＤＸ撮影結果は図１６に示した通りである。つまり、Ａｌ原子がＴｉ原子の相互拡散を通じて前記粉末の境界地域にＡｌ3Ｔｉ金属間化合物が形成されるのを観察することができた。また、Ｔｉの場合はＮｉに比べて相対的に低い拡散度によって界面で金属間化合物の形成が行われ、Ｔｉ粉末の内部には反応が完全に起こらない残留Ｔｉが存在するのを観察することができた。 Further, when the heat treatment temperature is set to 630 ° C., the EDX imaging result for the formation of the intermetallic compound between the Ti powder and the Al matrix adjacent thereto is as shown in FIG. That is, it was observed that Al 3 Ti intermetallic compound was formed in the boundary region of the powder through interdiffusion of Ti atoms. In addition, in the case of Ti, an intermetallic compound is formed at the interface due to a relatively low diffusivity compared to Ni, and it is observed that there is residual Ti inside the Ti powder where no reaction occurs completely. I was able to.
以上で説明した本発明は前述した発明の詳細な説明、実施例および図面によって限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で当該技術分野の当業者が多様に修正および変更させたものも本発明の範囲内に含まれることはもちろんである。 The present invention described above is not limited by the above-described detailed description of the invention, the examples and the drawings, but within the technical field within the scope of the spirit and scope of the present invention described in the claims. Of course, various modifications and changes made by those skilled in the art are also included within the scope of the present invention.
本発明の金属マトリックス複合体の製造方法およびその方法によって製造された金属マトリックス複合体コーティング層並びにバルクによれば、金属間化合物およびセラミックス粉末が分散した金属マトリックス複合体の製造が、先行技術に比べて低い温度で可能となるので、母材に対する熱的歪みや熱的衝撃により損傷を起こすことがなく、金属間化合物の成長が抑制されるので高温度における強度のような機械的物性が改善される。またコーティング層での熱の蓄積が抑えられ母材とコーティング層との間あるいはコーティング層内部における亀裂の発生が抑えられ、コーティング層の疲労による亀裂の発生に対する抵抗性が改善される。 According to the method for producing a metal matrix composite of the present invention, the metal matrix composite coating layer produced by the method, and the bulk, the production of the metal matrix composite in which the intermetallic compound and the ceramic powder are dispersed is compared with the prior art. Therefore, it does not cause damage due to thermal distortion or thermal shock to the base material, and the growth of intermetallic compounds is suppressed, so mechanical properties such as strength at high temperatures are improved. The Further, heat accumulation in the coating layer is suppressed, and generation of cracks between the base material and the coating layer or inside the coating layer is suppressed, and resistance to generation of cracks due to fatigue of the coating layer is improved.
さらに、本発明は優れた機械的強度を備えた部材の調製に適用することができ、また存在する部材表面の分散補強に用いることができる。特に低い熱処理温度が達成されるので、表面硬化に際して部材の物性に悪影響を及ぼす可能性が殆どない。 Furthermore, the present invention can be applied to the preparation of a member having excellent mechanical strength, and can be used for dispersion reinforcement of the existing member surface. In particular, since a low heat treatment temperature is achieved, there is almost no possibility of adversely affecting the physical properties of the member during surface hardening.
さらに、本発明は、相対的に低い熱処理温度、低い混合粉末注入圧および低い運搬ガス温度という環境下で加工できるので、低廉価格で製造することができ、大量生産が容易である。 Furthermore, since the present invention can be processed in an environment of a relatively low heat treatment temperature, a low mixed powder injection pressure, and a low carrier gas temperature, it can be manufactured at a low cost and is easily mass-produced.
Claims (19)
（ｉ）金属、合金またはその混合体粒子からなる第１金属粉末、（ｉｉ）前記金属または前記合金の合金元素と金属間化合物を形成する金属間化合物形成用金属粒子からなる第２金属粉末、および（ｉｉｉ）セラミックまたはその混合体粒子からなるセラミック粉末を含む混合粉末を準備する工程；
前記準備された混合粉末をコーティング用噴射ノズルに注入する工程；
前記噴射ノズル内に流れる運搬ガスの流動によって前記混合粉末を非溶融状態で３００〜１，２００ｍ／ｓの速度で加速して、前記母材の表面に混合粉末をコーティングする工程；および
前記コーティングされたコーティング層を熱処理して、前記金属間化合物を形成する熱処理工程を含むことを特徴とする金属マトリックス複合体形成方法。 Providing a base material;
(I) a first metal powder comprising particles of a metal, an alloy or a mixture thereof; (ii) a second metal powder comprising metal particles for forming an intermetallic compound that forms an intermetallic compound with an alloy element of the metal or the alloy; And (iii) providing a mixed powder comprising a ceramic powder composed of ceramic or a mixture thereof;
Injecting the prepared mixed powder into a coating spray nozzle;
Coating the mixed powder on the surface of the base material by accelerating the mixed powder in a non-molten state at a speed of 300 to 1,200 m / s by flow of a carrier gas flowing in the spray nozzle; and A method of forming a metal matrix composite comprising the step of heat-treating the coating layer to form the intermetallic compound.
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