JP2010047825A - 金属皮膜の形成方法及び航空宇宙構造部材 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易なコールドスプレー装置を用いて、金属皮膜を高速で形成する方法、及び、コールドスプレー法により金属皮膜が形成された航空宇宙構造部材を提供する。
【解決手段】基材表面に、コールドスプレー法により金属からなる非球状の異形粒子を投射し、前記基材表面に金属皮膜を形成する金属皮膜の形成方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属皮膜の形成方法、及び、金属皮膜が形成された航空宇宙構造部材に関する。

航空機などの構造部材として、繊維強化プラスチックなどの樹脂を含む樹脂基複合材や、アルミ合金などが使用される。樹脂基複合材は、導電性の低い樹脂を母材として含むため、例えば航空機主翼構造体に用いる場合、耐雷性を持たせるために表面に導電性を有する層（耐雷層）が形成される。樹脂基複合材表面に耐雷層を形成する方法としては、樹脂基複合材の成形と同時に銅箔を加熱接着する方法が知られている。

しかし、樹脂基複合材の表面に銅箔を同時加熱接着する上記の方法は、熱膨張係数が異なる樹脂と銅箔とを貼り合わせることから、密着性に劣り、樹脂基複合材表面の広い面積に銅箔を貼り合わせることができなかった。また、薄い銅箔を樹脂基複合材表面に貼り合わせる作業は、技術的に困難という問題もあった。

そこで、コールドスプレー法による金属皮膜の形成が注目されている（例えば、非特許文献１及び非特許文献２）。コールドスプレー法は、原料金属の融点または軟化温度よりも低い温度のガスに金属粒子を投入し、そのガスの流れを超音速流にして金属粒子を加速させ、固相状態のまま金属に高速で衝突させることにより、金属粒子を塑性変形させて凝集・堆積させて金属皮膜を形成する方法である。コールドスプレー法は、火炎やプラズマなどの高温熱源で金属粒子を溶融させずに、常温での皮膜形成が可能な方法であるため、酸化されやすい純金属の皮膜形成に有効な方法である。

非特許文献２には、噴射圧力が１ＭＰａ以下の低圧型コールドスプレー法により純Ａｌ皮膜を形成することが開示されている。
榊和彦、「コールドスプレーの概要ならびにその軽金属皮膜」、軽金属、第５６巻、第７号、２００６年、ｐ．３７６−３８５ 小川和洋ら、「低圧型コールドスプレーにより施工した純Ａｌ皮膜の機械的特性評価」、日本溶射協会 第８５回（２００７年度春季）講演大会概要集、講演番号２１４

コールドスプレー法による皮膜形成では、皮膜を形成しやすくするために、一般に粒径が５０μｍ以下の粒径が揃った球状微粒子を用いることが必要とされる。しかし、球状微粒子を用いると、堆積効率が悪い（皮膜形成速度が遅い）、適正な条件でしか皮膜形成されない、樹脂基複合材を基材とした場合は表面をブラストする、粒径が揃った球状微粒子は高価である、といった問題があった。特に、噴射ガスの圧力が低い低圧型コールドスプレー法により皮膜を形成する場合、球状微粒子では、皮膜がある程度の膜厚になると剥離が生じるため、薄膜しか形成することができないという問題もあった。

また、コールドスプレー法では、堆積効率を向上させるために金属粒子にアルミナ粒子を混合した投射粒子を使用して高速で皮膜を形成することが行われるが、導電性が要求される皮膜の形成には不適であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡易なコールドスプレー装置を用いて、金属皮膜を高速で形成する方法、及び、コールドスプレー法により金属皮膜が形成された航空宇宙構造部材を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、基材表面に、コールドスプレー法により金属からなる非球状の異形粒子を投射し、前記基材表面に金属皮膜を形成する金属皮膜の形成方法を提供する。

本発明の金属皮膜の形成方法では、投射金属粒子として非球状の異形粒子を用いる。本発明の非球状の異形粒子は、例えば、樹枝状粒子、フレーク状粒子などである。「樹枝状粒子」とは、枝分かれした形状を有する粒子であり、「フレーク状粒子」とは、偏平な板のような形状を有する粒子である。非球状の異形粒子を基材表面に投射すると、球状粒子に比べて粒子同士が絡み易いため、凝集・堆積しやすくなり皮膜形成速度が向上する。特に、樹脂基複合材を基材とした場合、基材表面のブラストが抑制される。このため、密着性に優れた金属皮膜を高速で形成することが可能となる。また、コールドスプレー法を用いれば、金属を酸化させることなく、純金属の皮膜を形成することができる。本発明の金属皮膜の形成方法は、膜厚が０．５ｍｍ以上の厚い金属皮膜を形成する場合に特に有効である。

上記発明において、前記金属皮膜の形成速度が、５μｍ／ｓｅｃ以上であることが好ましい。金属皮膜の形成速度が上記範囲であれば、高い生産性で皮膜を形成することができる。

上記発明において、前記金属が、銅であっても良い。コールドスプレー法を用いれば、例えば航空機主翼構造体の耐雷層に適用される銅の皮膜を酸化させることなく形成することができる。

また本発明は、上記の金属皮膜の形成方法を用いて、表面に金属皮膜が形成された航空宇宙構造部材を提供する。

本発明の金属皮膜の形成方法を用いれば、金属が酸化されることなく、金属皮膜が形成された航空宇宙構造部材を得ることができる。特に、繊維強化プラスチックなどの樹脂を含む樹脂基複合材に金属皮膜を形成する場合には、基材表面がブラストされることによる損傷を受けにくいため、有利である。形成された金属皮膜は、基材との密着に優れ高い皮膜強度を有するため、航空機主翼構造体の耐雷層などに適用することができる。

本発明によれば、基材表面のブラストを抑制し、基材上に密着性に優れた金属皮膜を、高速で形成することができる。

以下に、本発明の金属皮膜の形成方法の実施形態を説明する。
基材は、アルミ合金などの金属、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などの樹脂基複合材とされる。上記基材は、航空機主翼などの航空宇宙構造体に好適である。

図１は本実施形態の金属皮膜の形成方法を説明する概略図である。本実施形態では、噴射圧力が低いコールドスプレー装置が使用される。コールドスプレー装置１０に導入される噴射ガスを、ヒータ１１で加熱する。このとき噴射ガスが加熱される温度は、原料である金属粒子の融点または軟化温度より低い温度とされる。加熱された噴射ガスに、金属粒子を投射粒子投入口１２から投入すると、金属粒子が噴射ガスによって加熱される。噴射ガスは、超音速ノズル１３において超音速流とされて、ノズル１３の先端から基材１４に向かって噴射される。噴射ガスと共に、加熱された金属粒子が加速されて基材１４に向かって投射される。基材１４に向かって投射された金属粒子は、固相状態のまま基材１４に衝突する。これにより、金属粒子が塑性変形を起こして基材表面に凝集・堆積し、金属皮膜１５が形成される。

投射金属粒子は、銅粒子が好ましいが、アルミ粒子なども使用できる。投射金属粒子の形状は、非球状の異形粒子とされる。非球状の異形粒子とは、球形以外の形状を有する粒子を指し、例えば、樹枝状粒子、フレーク状粒子などである。特に、電解法で製造された樹枝状粒子は、比較的軟質で熱伝導性に優れるので容易に塑性変形しやすく、さらに、塑性変形により粒子同士が絡み合うため、堆積しやすい。そのため、金属皮膜を高速で形成するのに適している。投射金属粒子の大きさは、１００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下とされる。

球状粒子を、簡易なコールドスプレー装置を用いて基材表面に投射した場合、堆積効率が悪く高速で皮膜形成することができない。また、膜が厚くなると皮膜が剥離しやすくなるため、例えば０．５ｍｍ以上の厚膜を形成することができない。条件によっては、逆に基材をブラストする場合がある。特に、基材がＣＦＲＰやＧＦＲＰであると、ブラストされやすく、内部の繊維を損傷してしまう。

噴射圧力は０．１ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下、好ましくは０．４ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下とされる。０．１ＭＰａ未満であると、安定した噴射状態を維持することができない。

コールドスプレー装置のノズルと基材との距離は、５ｍｍ以上１００ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下とされる。５ｍｍ未満であると、基材がブラストされて繊維を損傷したり、堆積した膜がブラストされて皮膜形成が困難となる。１００ｍｍを超えると、皮膜形成ができなくなる。

コールドスプレー装置のヒータ温度は、２００℃以上５００℃未満、好ましくは３００℃以上４００℃以下とされる。基材の温度は、ノズルと基材との距離やヒータ温度によって変化するが、本実施形態では、８０℃以上１８０℃以下、好ましくは１２０℃以上１５０℃以下とされる。ヒータ温度が２００℃未満であると、投射金属粒子が基材に堆積せずに、基材がブラストされて繊維を損傷してしまう。ヒータ温度が５００℃以上になると、投射金属粒子が溶融してノズル内壁に付着してノズルを閉塞しやすくなるとともに、形成された金属皮膜が酸化されるため、例えば導電性が低下するなど皮膜特性が悪化する。

噴射ガスとして、操作性に優れ安価な圧縮空気を用いることが好ましい。本実施形態の金属皮膜の形成方法によれば、噴射ガスとして圧縮空気を用いても、酸化させることなく金属皮膜を形成することができる。但し、より確実に皮膜の酸化を防止するために、ヘリウムや窒素などの不活性ガスを使用しても良い。

樹枝状粒子やフレーク状粒子などの非球状の異形粒子を上記条件のコールドスプレー法により基材に投射すると、金属粒子が酸化されることなく、金属皮膜が形成される。特に、ＣＦＲＰやＧＦＲＰなどの樹脂基複合材に対しては、基材表面がブラストされずに金属皮膜を形成できるので、基材の損傷を防止することができる。また、上記条件とすることで、５μｍ／ｓｅｃ以上の速い皮膜形成速度が得られる。そのため、生産性を向上させることができる。本実施形態の方法により形成された金属皮膜は、基材との密着性や皮膜強度に優れる。
本実施形態は、基材上に膜厚が０．５ｍｍ以上の厚膜を形成する場合に有効である。但し、金属皮膜に必要とされる特性、例えば導電性が満足される場合には、膜厚が０．５ｍｍ未満の金属皮膜であっても、何ら差し支えない。

（金属粒子形状の効果）
表１に示す条件で、引張用冶具（直径１４ｍｍ，長さ１７ｍｍの銅製試験片を２体組み合わせたもの）上にコールドスプレー法により銅皮膜を形成した。なお、コールドスプレー条件は、噴射圧力：０．５ＭＰａ、ノズル距離：１０ｍｍ、ヒータ温度：３００℃（実施例２）または４００℃（実施例１，３、比較例１，２）とした。皮膜形成時の基材温度を測定したところ、実施例２は約１２０℃、実施例１，３及び比較例１，２は約１５０℃であった。
皮膜形成前後の引張用冶具の径の変化から、膜厚及び成膜速度を得た。各皮膜の引張強度を測定した。結果を表１に示す。

実施例１及び実施例２（樹枝状）、実施例３（フレーク状）は、膜厚０．５μｍ以上の皮膜を５μｍ／ｓｅｃの速度で形成することができた。特に、実施例１及び実施例２は、１．５〜１．６ｍｍの金属皮膜が形成できた。ヒータ温度が高いほど、厚膜を形成できた。実施例の成膜速度は比較例２よりも小さいが、高い成膜速度が得られた。一方、比較例１（球状）は、成膜速度が遅く、厚膜を形成することが困難であった。

実施例１乃至実施例３の皮膜強度は比較例２より小さいが、いずれも、例えば航空機主翼の耐雷層としては十分な強度を示した。

実施例３は、実施例１及び２よりもコールドスプレー装置での粒子の流れが悪く、成膜速度が小さくなった。また、熱伝導が速いため、皮膜が酸化されやすい傾向があった。以上のことから、投射粒子としては、樹枝状粒子が特に好ましいと言える。

（ノズル距離の効果）
基材（アルミ製平板）上に、実施例１の条件でコールドスプレーにより銅皮膜を形成した。また、実施例１におけるノズル距離を、３０ｍｍ及び５０ｍｍに変更して、それぞれ実施例４及び実施例５の銅皮膜を形成した。光学顕微鏡を用いて断面を観察して、各銅皮膜の膜厚を測定し、成膜速度を得た。表２に結果を示す。

ノズル距離が大きくなるほど、成膜速度が低下した。ノズル距離５０ｍｍでは皮膜形成は可能であったが、成膜速度が著しく低下した。

(ヒータ温度の効果)
基材（銅製平板）上に、ヒータ温度を３００℃及び５００℃とした以外は実施例１と同条件で、それぞれ実施例６及び実施例７の銅皮膜を形成した。実施例１及び実施例６は、皮膜の酸化は観察されなかったが、実施例７は皮膜表面が酸化されていることが目視で確認できた。

本実施形態の金属皮膜の形成方法を説明する概略図である。

符号の説明

１０ コールドスプレー装置
１１ ヒータ
１２ 投射粒子投入口
１３ 超音速ノズル
１４ 基材
１５ 金属皮膜

Claims (4)

1. 基材表面に、コールドスプレー法により金属からなる非球状の異形粒子を投射し、前記基材表面に金属皮膜を形成する金属皮膜の形成方法。
2. 前記金属皮膜の形成速度が、５μｍ／ｓｅｃ以上である請求項１に記載の金属皮膜の形成方法。
3. 前記金属が、銅である請求項１または請求項２に記載の金属皮膜の形成方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の金属皮膜の形成方法を用いて、表面に金属皮膜が形成された航空宇宙構造部材。

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