JP2938633B2 - 繊維強化型溶射傾斜機能材料の製造方法 - Google Patents
繊維強化型溶射傾斜機能材料の製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】航空、宇宙、原子炉等の高温環境
下で使用可能な耐熱材料の製造方法に関する。
下で使用可能な耐熱材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来からプラズマ溶射方法による傾斜機
能材料や繊維強化型溶射皮膜の製造方法が盛んに研究さ
れている。
能材料や繊維強化型溶射皮膜の製造方法が盛んに研究さ
れている。
【０００３】傾斜機能材料に関しては特開昭６２−１５
６９３８号公報に開示されており、この公報中には、繊
維を傾斜機能材料に含有させ室温強度及び高温強度向上
を達成させた繊維強化型傾斜機能材料の概念が示唆され
ている。しかしながら具体的な製造方法は明確にされて
いない。
６９３８号公報に開示されており、この公報中には、繊
維を傾斜機能材料に含有させ室温強度及び高温強度向上
を達成させた繊維強化型傾斜機能材料の概念が示唆され
ている。しかしながら具体的な製造方法は明確にされて
いない。
【０００４】また、プラズマ溶射方法による繊維強化型
溶射の製造方法は、大別すると、予め繊維を含有した
溶射材料を用いて溶射を行うタイプと、予め繊維を基
材表面に配置しこの上から溶射を行うタイプと、溶射
材料と繊維を同時にプラズマに供給しながら溶射を行う
タイプとがある。本発明に直接関与するタイプは第３番
目のものであり、この製造方法に関しては、特公昭６１
−５６３１２号公報、特公昭６１−５６３１３号公報、
特公平１−１４９９５号公報、特開昭６１−１４６３６
２号公報などに開示されている。これらの関連特許公報
では、溶射材料供給口近傍に一方向から繊維を供給して
いる。
溶射の製造方法は、大別すると、予め繊維を含有した
溶射材料を用いて溶射を行うタイプと、予め繊維を基
材表面に配置しこの上から溶射を行うタイプと、溶射
材料と繊維を同時にプラズマに供給しながら溶射を行う
タイプとがある。本発明に直接関与するタイプは第３番
目のものであり、この製造方法に関しては、特公昭６１
−５６３１２号公報、特公昭６１−５６３１３号公報、
特公平１−１４９９５号公報、特開昭６１−１４６３６
２号公報などに開示されている。これらの関連特許公報
では、溶射材料供給口近傍に一方向から繊維を供給して
いる。
【０００５】更に、類似技術として、セラミックスとプ
ラスチックの混合溶射皮膜の製造方法が特開平２−２１
７４５８号公報に開示されている。ここでは、プラスチ
ックの融点を考慮して、プラスチック供給口を溶射材料
供給口近傍とせず、基盤直上に設置している。
ラスチックの混合溶射皮膜の製造方法が特開平２−２１
７４５８号公報に開示されている。ここでは、プラスチ
ックの融点を考慮して、プラスチック供給口を溶射材料
供給口近傍とせず、基盤直上に設置している。
【０００６】なお、上述した全てのプラズマ溶射方法に
用いるプラズマは従来型の直流プラズマである。
用いるプラズマは従来型の直流プラズマである。
【０００７】従来から知られている、繊維を溶射材料供
給口近傍・一方向から供給する方法では溶射皮膜中に繊
維を均一に混合させることは困難である。また、プラズ
マ上部から繊維を供給するには大量の繊維供給ガスが必
要であり、プラズマ温度が供給ガスにより冷却されてし
まう。その結果、溶射材料が基材到達前に再凝固してし
まい溶射皮膜の密度低下、溶射材料と繊維との接合強度
低下が生じる。更に、従来から使用している直流プラズ
マはガス速度が速く、かつ半径方向の速度勾配が大きい
ため、比重の小さい繊維はガス流に乗りやすく、繊維の
分布勾配が生じ、繊維の均一分散が困難であるという問
題点があった。
給口近傍・一方向から供給する方法では溶射皮膜中に繊
維を均一に混合させることは困難である。また、プラズ
マ上部から繊維を供給するには大量の繊維供給ガスが必
要であり、プラズマ温度が供給ガスにより冷却されてし
まう。その結果、溶射材料が基材到達前に再凝固してし
まい溶射皮膜の密度低下、溶射材料と繊維との接合強度
低下が生じる。更に、従来から使用している直流プラズ
マはガス速度が速く、かつ半径方向の速度勾配が大きい
ため、比重の小さい繊維はガス流に乗りやすく、繊維の
分布勾配が生じ、繊維の均一分散が困難であるという問
題点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
したような問題点を解消し得るような上記形式の繊維強
化型溶射傾斜機能材料の製造方法を提供することにあ
る。
したような問題点を解消し得るような上記形式の繊維強
化型溶射傾斜機能材料の製造方法を提供することにあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このような目的は、本発
明によれば、プラズマ溶射方法による繊維強化型溶射傾
斜機能材料の製造方法に於て、繊維或いは繊維を基材直
上からプラズマ中心軸に軸対称方向から供給し、溶射皮
膜中に繊維を含有させることを特徴とする繊維強化型溶
射傾斜機能材料の製造方法を提供することにより達成さ
れる。
明によれば、プラズマ溶射方法による繊維強化型溶射傾
斜機能材料の製造方法に於て、繊維或いは繊維を基材直
上からプラズマ中心軸に軸対称方向から供給し、溶射皮
膜中に繊維を含有させることを特徴とする繊維強化型溶
射傾斜機能材料の製造方法を提供することにより達成さ
れる。
【００１０】
【作用】本発明は、上記問題点を克服するため、繊維を
同心円上から基材に直接吹き付けることにより、繊維分
散の均一化及びプラズマの冷却の低減化を達成し、溶射
皮膜中に繊維を混合した繊維強化型溶射傾斜皮膜の製造
方法を提供する。また、繊維供給口に角度をつけて供給
ガスに回転成分を付加することや、プラズマ内ガス流速
が遅く、ガスの速度・温度勾配が小さい高周波或いはハ
イブリッドプラズマを使用することにより、繊維を溶射
皮膜中に均一分散させることができる。更に、大型基材
に溶射するためには、プラズマ中心軸に対して基材を公
転させながら自転させると良い。
同心円上から基材に直接吹き付けることにより、繊維分
散の均一化及びプラズマの冷却の低減化を達成し、溶射
皮膜中に繊維を混合した繊維強化型溶射傾斜皮膜の製造
方法を提供する。また、繊維供給口に角度をつけて供給
ガスに回転成分を付加することや、プラズマ内ガス流速
が遅く、ガスの速度・温度勾配が小さい高周波或いはハ
イブリッドプラズマを使用することにより、繊維を溶射
皮膜中に均一分散させることができる。更に、大型基材
に溶射するためには、プラズマ中心軸に対して基材を公
転させながら自転させると良い。
【００１１】
【実施例】本発明を実施するための方法の概念図を図１
に示す。プラズマ１ｂに溶射材料を挿入ノズル１ａから
挿入する際、繊維供給用円筒状治具１ｃから繊維を矢印
１ｅにより示されるように挿入し、基材１ｄに吹き付け
る（従来方法では想像線１ｆにより示されるように溶射
材料供給口近傍の一方向から繊維を供給していた）。本
発明の要旨は特に、繊維を一方向からではなく、プラ
ズマ中心軸に対して軸対称方向から供給すること、軸
対称方向から繊維を供給する際、繊維が”うず状”に供
給されるように、繊維供給口の円周方向に角度を付加
し、供給ガスに回転成分を付与すること、軸対称方向
から繊維を供給する際、プラズマ中心部から周辺部まで
の繊維供給分布が均一になるように繊維供給ガスを供給
するため、繊維供給口毎に水平方向に異なる角度を付加
し、供給ガスに水平成分を付与すること、上記、円周
及び水平ガス方向が軸対称になるように、複数組の軸対
称供給角度を付与すること、繊維供給口を基板上１０
cm以内の直上にすることにある。なお、繊維分散をより
均一にするためには、繊維供給を多段式にし、かつそれ
ぞれの円周・水平角度を変えることが好ましい。
に示す。プラズマ１ｂに溶射材料を挿入ノズル１ａから
挿入する際、繊維供給用円筒状治具１ｃから繊維を矢印
１ｅにより示されるように挿入し、基材１ｄに吹き付け
る（従来方法では想像線１ｆにより示されるように溶射
材料供給口近傍の一方向から繊維を供給していた）。本
発明の要旨は特に、繊維を一方向からではなく、プラ
ズマ中心軸に対して軸対称方向から供給すること、軸
対称方向から繊維を供給する際、繊維が”うず状”に供
給されるように、繊維供給口の円周方向に角度を付加
し、供給ガスに回転成分を付与すること、軸対称方向
から繊維を供給する際、プラズマ中心部から周辺部まで
の繊維供給分布が均一になるように繊維供給ガスを供給
するため、繊維供給口毎に水平方向に異なる角度を付加
し、供給ガスに水平成分を付与すること、上記、円周
及び水平ガス方向が軸対称になるように、複数組の軸対
称供給角度を付与すること、繊維供給口を基板上１０
cm以内の直上にすることにある。なお、繊維分散をより
均一にするためには、繊維供給を多段式にし、かつそれ
ぞれの円周・水平角度を変えることが好ましい。
【００１２】具体的な説明として、繊維供給用の円筒状
治具の一例を図２に示す。図２ａは斜視図、図２ｂは平
面断面図、図２ｃは正面断面図である。繊維入路２ｂか
ら治具に挿入された繊維は、繊維通路２ｃを通して繊維
供給口２ａに至り、ここから繊維を基材に吹き付けられ
る。このような繊維供給口２ｄを多数、円筒状治具の内
面に配置する。供給口方向は円筒の円周方向に対して９
０°〜０°（２ｇ）の角度を、また、水平方向に対して
は上向き３０°〜下向き６０°（２ｈ）の角度を有す
る。更に治具の冷却は、水入路２ｄから水を挿入、水通
路２ｆを通して水出路２ｅから排水する機構により行
う。
治具の一例を図２に示す。図２ａは斜視図、図２ｂは平
面断面図、図２ｃは正面断面図である。繊維入路２ｂか
ら治具に挿入された繊維は、繊維通路２ｃを通して繊維
供給口２ａに至り、ここから繊維を基材に吹き付けられ
る。このような繊維供給口２ｄを多数、円筒状治具の内
面に配置する。供給口方向は円筒の円周方向に対して９
０°〜０°（２ｇ）の角度を、また、水平方向に対して
は上向き３０°〜下向き６０°（２ｈ）の角度を有す
る。更に治具の冷却は、水入路２ｄから水を挿入、水通
路２ｆを通して水出路２ｅから排水する機構により行
う。
【００１３】上記で示した繊維供給に円筒状治具を使用
する代わりに、ノズルを使用することも可能である。
する代わりに、ノズルを使用することも可能である。
【００１４】実施例１ 本発明の実施例として、繊維強化型溶射傾斜皮膜の製造
条件を以下に示す。 プラズマ入力 電流値：１４００Ａ 電圧値： ５５ｋＶ プラズマ作動圧力： ２００Ｔｏｒｒ ガス流量 プラズマ作動ガス Ａｒ： １２０ｌ／ｍｉｎ Ｈ2 ： １５ｌ／ｍｉｎ 粉体供給ガス：（Ａｒ）１５ｌ／ｍｉｎ 繊維供給ガス：（Ａｒ）８０ｌ／ｍｉｎ 基板位置 ： １５ｃｍ （プラズマガンノズル出口と基板間の距離） 繊維供給位置 ： ２ｃｍ （繊維供給口と基板間の距離） 粉体 溶射材料：NiCoCrAlY、ZrO2-8wt%Y2O3(YSZ) 繊維材料：SiC 供給量 ：０〜５０ｇ／ｍｉｎ 繊維供給角度 円周方向(２ｇ)： ４５° 水平方向(２ｈ)：下向き３０° 以上の条件で約膜厚１mmの皮膜がφ３０mm基板上に形成
できた。この手法により形成した傾斜機能材料に於て、
ＹＳＺ部が強化され高温強度が上昇した。従来方法で形
成した繊維強化型皮膜と比較して溶射材料の密度が上昇
し、溶射部の密度は理論密度の９０％以上であった。
条件を以下に示す。 プラズマ入力 電流値：１４００Ａ 電圧値： ５５ｋＶ プラズマ作動圧力： ２００Ｔｏｒｒ ガス流量 プラズマ作動ガス Ａｒ： １２０ｌ／ｍｉｎ Ｈ2 ： １５ｌ／ｍｉｎ 粉体供給ガス：（Ａｒ）１５ｌ／ｍｉｎ 繊維供給ガス：（Ａｒ）８０ｌ／ｍｉｎ 基板位置 ： １５ｃｍ （プラズマガンノズル出口と基板間の距離） 繊維供給位置 ： ２ｃｍ （繊維供給口と基板間の距離） 粉体 溶射材料：NiCoCrAlY、ZrO2-8wt%Y2O3(YSZ) 繊維材料：SiC 供給量 ：０〜５０ｇ／ｍｉｎ 繊維供給角度 円周方向(２ｇ)： ４５° 水平方向(２ｈ)：下向き３０° 以上の条件で約膜厚１mmの皮膜がφ３０mm基板上に形成
できた。この手法により形成した傾斜機能材料に於て、
ＹＳＺ部が強化され高温強度が上昇した。従来方法で形
成した繊維強化型皮膜と比較して溶射材料の密度が上昇
し、溶射部の密度は理論密度の９０％以上であった。
【００１５】実施例２ 本発明の実施例として、ハイブリッドプラズマ溶射方法
を用いて作製した繊維強化型溶射傾斜皮膜の製造条件を
以下に示す。 入力 高周波入力： ５０ｋＷ 直流入力： １０ｋＷ ガス流量 円周ガス：（Ａｒ）３０ｌ／ｍｉｎ （Ｈ2 ）１０ｌ／ｍｉｎ 半径ガス： ３０ｌ／ｍｉｎ ＤＣガス： １５ｌ／ｍｉｎ 粉体供給ガス： １５ｌ／ｍｉｎ 繊維供給ガス： ３０ｌ／ｍｉｎ 基板位置 ： １０ｃｍ （トーチ出口から基板間の距離） 繊維供給位置： １ｃｍ 粉体 溶射材料：NiCoCrAlY、YSZ 繊維材料：SiC 供給量 ：０〜１０ｇ／ｍｉｎ 繊維供給角度 円周方向： ３０° 水平方向：下向き１５° 以上の条件で約膜厚０．５mmの皮膜がφ３０mm基板上に
形成できた。従来方法で形成した繊維強化皮膜と比較し
て、繊維の分散が均一化する皮膜が得られた。
を用いて作製した繊維強化型溶射傾斜皮膜の製造条件を
以下に示す。 入力 高周波入力： ５０ｋＷ 直流入力： １０ｋＷ ガス流量 円周ガス：（Ａｒ）３０ｌ／ｍｉｎ （Ｈ2 ）１０ｌ／ｍｉｎ 半径ガス： ３０ｌ／ｍｉｎ ＤＣガス： １５ｌ／ｍｉｎ 粉体供給ガス： １５ｌ／ｍｉｎ 繊維供給ガス： ３０ｌ／ｍｉｎ 基板位置 ： １０ｃｍ （トーチ出口から基板間の距離） 繊維供給位置： １ｃｍ 粉体 溶射材料：NiCoCrAlY、YSZ 繊維材料：SiC 供給量 ：０〜１０ｇ／ｍｉｎ 繊維供給角度 円周方向： ３０° 水平方向：下向き１５° 以上の条件で約膜厚０．５mmの皮膜がφ３０mm基板上に
形成できた。従来方法で形成した繊維強化皮膜と比較し
て、繊維の分散が均一化する皮膜が得られた。
【００１６】実施例３ 本発明の方法により、大型基材に均一に溶射するための
概念図を図３に示す。プラズマ中心軸に対して基材を公
転させる。また、公転中に基材を自転させる。更にプラ
ズマ中心軸と基材中心間距離を連続的に変える。これら
の動作をさせるための機構の具体的例を図４に示す。こ
れは基材４ａ、基材支持盤４ｂ、基材自転用モータ４
ｃ、支持盤回転用（基材公転用モータ）４ｄ、基材自転
モータ摺動用モータ４ｅ、摺動部４ｆから構成される。
ここでは摺動部を基材が摺動することによりプラズマ中
心軸と基材中心距離が変わる。
概念図を図３に示す。プラズマ中心軸に対して基材を公
転させる。また、公転中に基材を自転させる。更にプラ
ズマ中心軸と基材中心間距離を連続的に変える。これら
の動作をさせるための機構の具体的例を図４に示す。こ
れは基材４ａ、基材支持盤４ｂ、基材自転用モータ４
ｃ、支持盤回転用（基材公転用モータ）４ｄ、基材自転
モータ摺動用モータ４ｅ、摺動部４ｆから構成される。
ここでは摺動部を基材が摺動することによりプラズマ中
心軸と基材中心距離が変わる。
【００１７】
【発明の効果】従来の傾斜機能材料と比べて、繊維強化
により室温並びに高温強度が高い傾斜機能材料が得られ
る。また、プラズマ低温領域の縮小に起因し溶射材料の
基材到達前の再凝固を抑制させたことにより、従来の繊
維強化型溶射皮膜と比較して、溶射皮膜の密度及び粒子
間の接合強度が高い材料が得られる。更に、繊維供給方
法の改良、或いは使用するプラズマ形態の差異により繊
維の分散が均一である材料が得られる。
により室温並びに高温強度が高い傾斜機能材料が得られ
る。また、プラズマ低温領域の縮小に起因し溶射材料の
基材到達前の再凝固を抑制させたことにより、従来の繊
維強化型溶射皮膜と比較して、溶射皮膜の密度及び粒子
間の接合強度が高い材料が得られる。更に、繊維供給方
法の改良、或いは使用するプラズマ形態の差異により繊
維の分散が均一である材料が得られる。
【００１８】均一な繊維分散や皮膜密度の上昇や大きな
粒子が使用が可能となったことにより、室温及び高温強
度の高い均質皮膜が形成できるようになった。このこと
は例えば本発明結果を航空・宇宙のエンジン部材に適用
した場合、エンジン内の温度を従来より高めることを可
能とし、その結果エンジン効率の上昇、推進力向上を示
唆している。
粒子が使用が可能となったことにより、室温及び高温強
度の高い均質皮膜が形成できるようになった。このこと
は例えば本発明結果を航空・宇宙のエンジン部材に適用
した場合、エンジン内の温度を従来より高めることを可
能とし、その結果エンジン効率の上昇、推進力向上を示
唆している。
【図１】繊維強化型溶射傾斜材料形成装置の概略図であ
る。
る。
【図２】繊維供給用円筒状治具を示すもので、ａはその
概略斜視図、ｂは水平断面図、ｃは縦断面図である。
概略斜視図、ｂは水平断面図、ｃは縦断面図である。
【図３】基材走査方法を示す概念図である。
【図４】基材走査機構の例を示す斜視図である。
１ａ 溶射材料挿入 １ｂ プラズマ １ｃ 円筒状治具 １ｄ 基材 １ｅ 繊維挿入（本発明） １ｆ 繊維供給（従来法） ２ａ 繊維供給口 ２ｂ 繊維入路 ２ｃ 繊維通路 ２ｄ 冷却水入路 ２ｅ 冷却水出路 ２ｆ 冷却水通路 ２ｇ 水平角度 ２ｈ 円周角度 ４ａ 基材 ４ｂ 基材支持盤 ４ｃ 基材自転用モータ ４ｄ 支持盤回転用モータ ４ｅ 摺動用モータ ４ｆ 摺動部
フロントページの続き (72)発明者 北口 三郎 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社 中央研究本部内 (72)発明者 斉藤 亨 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社 中央研究本部内 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C23C 4/04
Claims (6)
- 【請求項１】 プラズマ溶射方法による繊維強化型溶射
傾斜機能材料の製造方法に於て、繊維或いはウィスカー
（以下単に”繊維”とする）を基材直上からプラズマ中
心軸に軸対称方向から供給し、溶射皮膜中に繊維を含有
させることを特徴とする繊維強化型溶射傾斜機能材料の
製造方法。 - 【請求項２】 繊維を、回転成分を有し、円周・水平
角度の異なるガスにより供給することを特徴とする請求
項１に記載の繊維強化型溶射傾斜機能材料の製造方法。 - 【請求項３】 繊維を供給する治具またはノズルに水
冷却構造を付加することを特徴とする請求項１若しくは
２に記載の繊維強化型溶射傾斜機能材料の製造方法。 - 【請求項４】 繊維供給率を変えることにより皮膜膜
厚方向に繊維含有量を変化させることを特徴とする請求
項１乃至３のいずれかに記載の繊維強化型溶射傾斜機能
材料の製造方法。 - 【請求項５】 前記溶射方法が高周波プラズマ溶射方
法或いはハイブリッドプラズマ溶射方法であることを特
徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の繊維強化型
溶射傾斜機能材料の製造方法。 - 【請求項６】 基材をプラズマ中心軸に関して公転さ
せながらかつ自転させることを特徴とする請求項１乃至
５のいずれかに記載の繊維強化型溶射傾斜機能材料の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25052291A JP2938633B2 (ja) | 1991-09-03 | 1991-09-03 | 繊維強化型溶射傾斜機能材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25052291A JP2938633B2 (ja) | 1991-09-03 | 1991-09-03 | 繊維強化型溶射傾斜機能材料の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0565617A JPH0565617A (ja) | 1993-03-19 |
| JP2938633B2 true JP2938633B2 (ja) | 1999-08-23 |
Family
ID=17209145
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25052291A Expired - Lifetime JP2938633B2 (ja) | 1991-09-03 | 1991-09-03 | 繊維強化型溶射傾斜機能材料の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2938633B2 (ja) |
-
1991
- 1991-09-03 JP JP25052291A patent/JP2938633B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0565617A (ja) | 1993-03-19 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19990601 |