JPH0211750A

JPH0211750A - 溶射法

Info

Publication number: JPH0211750A
Application number: JP63159488A
Authority: JP
Inventors: Jun Takeuchi; 順竹内; Koichi Takeda; 紘一武田; Michitoshi Ito; 井藤　三千寿
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1988-06-29
Publication date: 1990-01-16
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: JP2702738B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は溶射被覆中の残留応力を制御する溶射法、ある
いは、溶射被覆または母４Ａの形状を制御する溶射法で
あり、熔’１．１月の熱膨脹イ（が母Ｈの２ノー膨脹率
より小さい溶射材の溶射法に関する。

（従来の技術）産業の進歩と技（１・１の発展に、トリ近年月ｎはまず
まずきびしい環境で使用される。Ｊ、−）にな、′（き
た、。

例えば、宇宙開発では再利用を前提とした宇宙船（いわ
ゆるスペースシャトル）が開発されているが、大気圏へ
の再突入の際の宇宙ｆ１（）の加熱から内部を守るため
宇宙船表面には断熱被覆を施′づ必要がある。現在該断
熱被覆はタイルを張り合ね−ｌるごとにより形成されて
いる。しかし夕・イルの形状を厳密に制御−１ねばなら
なく、タイルを貼る作業は効率が低く、さらには再突入
の際にタイルが：／、１１げろという重大な問題がある
。従って、Ｉ＋］、　＋４と被覆の密着性がイ憂れたコ
ーティングを施すことが・シ・要とされている。

一方、コーティングの方法にはｌ）　Ｖ　Ｉ）法、ＣＶ
Ｄ法、溶射法が知られている。コーティングは１Ｖｌｉ
１食性、耐高′／ＩｊＬ腐食性、耐酸化性、耐摩耗性、
濡れ性の改善、電気的または熱的伝導性の付ｔｊまたは
絶縁性の４１与などを目的とする。例えば、宇宙船の外
壁などには断熱性を（（］与することを目的とし。

て比較的厚い膜をコーティングするが、１ｖい膜を得る
方法はこの中でも溶射法が適している。熔躬法において
密着性を向」二さ−１るためには母材を高温にして溶射
することが有効であることが知られている（井藤三千寿
、林和範、武田紘−２ｌ」木溶射協会第４５回学術講演
会人会講演論文集ｐρ、６（１９８Ｇ）　）。シカシ、
ＲＮＡを高ｌｌ！？ｔ　ニＬ／　７　？８則した場合に
も、残留応力のために被覆層力ｑ８射後に割れたり剥ｈ
１シたりすることがたびたびある。特に被覆層の厚みを
厚く一ツるときゃ、母材と被覆材の熱膨張率が著しく違
うときは（例えば軟鋼を母材としモリブデンを溶射する
場合は熱膨張率はそれぞれ、１７ｘ　Ｉ　Ｏ−’　（Ｋ
−’）　、８．８ｘ　１０−１′（Ｋ−’）である）残
留応力のため被覆層が割れ、または被覆層が剥げてコー
ティングの目的が達成されないばかりでなく、■利およ
び被覆層が変形するという問題も深刻化する。したがゲ
で被覆を高速で施す方法であるン容」・ｌ？夫は、■膜
の形成法として有力であるが残留応力のため被覆の厚み
は高々数百ｌ！ｌｎが限界であるとされている。以上の
ように溶射の際にもたらされる残留応力を軽減すること
が現在の課題となっている。

（発明が解決しようとする課題）本発明はかかる現状に焔の、被覆層および１υ（Ａ中の
残留応力を低減し、被覆層お、１、び母材の変形を防（
方法を提供するものである。

（課題を解決するだめの手段）本発明者らは」−記の目的を達成゛４るべく種り実験、
検削を重ねた結果、ある溶射材と母材の糾合せに対して
は、溶射時の母材（及び被覆層）がある温度に於いて残
留応力が極小化゛することを見出した。（以後溶射中の
母４Ａ及び被覆層の温度を溶射温度と言う。）更に残留
応力を極小とする該溶射温度が、溶１＝Ｉ材および母材
の物性値、１Ｉｉ４の及び被覆の使用される温度から後
述する方法により求められることを見出した。か′）溶
射材の熱膨用毒率が母材の熱膨張率より小さい場合は該
方法から求めた温度で溶射を行・うごとで被覆の割れ、
９１１がれ、または変形無しに溶射できるごとを見出し
また。

本発明は上記の知見に基づいてなされたものでつまり本
発明は、溶ＩＩ法によって母ＩＡ−１−に金属、合金あ
るいはセラミックスを被覆′するに際し、残留応力を母
材および溶射材の物性値、母材および溶射＋Ａの厚めお
よび溶射被覆が使用に供される際の使用温度および？’
ｊｉ　！Ｌ！　＞Ｒ度の関数として求め、該関係から残
留応力が極小化する溶射温度を求めまたは該関係から残
留応力を所定量の引張またしｊ圧縮の残留応力となるよ
う溶剤温度を求め、１ｖ材を咳溶射湛度に設定して溶射
する事を特徴と゛づるン容躬法である。

本発明の概要を以下にのべる。

本発明に於いては、物性値などから溶射温度を計神、に
より予測するが、物性値全てが知られていないときは試
行錯誤的Ｇこ溶射温度を実験により予測してもよい。

４算により溶射温度を予測する場合には■溶射温度の予
測、■溶射温度を制御した溶射を行えばよく、■残留応
力を測定することによって、所期の目的を達成できたこ
とを確認できる。この際、以下に示した１次元のモデル
以外のモデルで溶射温度を予測してもよい。ｉＥ　６１
な物性値が知られていないときや、母材の形状が板状で
ないときなどは、暫定的な物性値などを用いてｎ１算を
行う。この際、所定の残留応力が得られず溶射温度の補
正が必要な時は、■゛潴射温度の補正、■溶射温度を制
御した溶射、■残留応力の判定の手順を踏む。

試行ｉ１）誤的に溶射温度を実験により予４（１１する
場合には暫定的な溶射温度を仮定し■溶射温度を制御し
た溶射、■残留応力の判定の手続きの後、所定の残留応
力が得られていないときは■°溶９・１温度の補正、■
溶射温度を制御した溶射、■残留比、力の判定の手順を
踏む。

以下本発明の詳細な説明する。（式の各項目は第−表に
示す。） ■−１溶融している溶射粒子が母材に衝突し冷却される
際に生ずる応力を求める。

溶射材の応力歪曲線が第一図で示されるとき、凝固点で
第一図の原点（０）の応力状態である粒子は基板温度に
冷却される際に収縮しようとするが母材が溶射粒子に比
べて十分に大きいため母材は変形しないとみなし得る。

従っ′（溶射粒子内には相対的に引っ張り応力が誘起さ
れる。溶！１−１粒子−第表第表（続き）の変形歪（ε２）は次式で表わさる。

ε２−α、（ＴＭ−’Ｆｓ）　　　　　　　　　・・・
（１１（記号は第−表で定義される。以下同様）第一図
から溶射粒子は弾性限（１）まで弾性変形したのら塑性
変形をして点（２）の応力状態にいたる。

（２）での応力（σ２）は次式で表わされる。

σ２−Ｅ、αＣ（”Ｉ’Ｓ　−ＴＳ）　４−　（１？、
、　　Ｅｒ）　　ε、　・１２１ε。は弾性変形歪（ε
Ｆ）と塑性変形歪（Ｅｒ）とに分りられる。弾性変形歪
（ε、）は、次式で表わされる。

ε１−σ２／Ｉ７．Ｃ・・・（３） ■−２溶射中に起こる母材及び皮膜の変形及び応力を求
める。

■−１で求めた応力は粒子−・個のものであるが、これ
が積もり積もると母材及び皮膜が変形しながら溶射が進
行する。任意の溶射被覆厚（１）に於て、溶射の進行に
よる母材及び被覆の長さの変化率は、長さの釣合と応力
の釣合から次式で表わされる。

ｄｔ　　　　　Ｅｃｔ＋ＢＳｔ、厚みが限りなく薄いときは、長さは熔ル１直前の母材の
長さ（Ｌｏ）である。この条件の下で（４）式の解は、
次式で与えられる。

・・００） ■−３溶射終了後所定の温度に冷却する過程の母材及び
被膜の変形及び応力を求める。

溶射時（１゛５における）の端板及び被覆の自然長は■
−２からそれぞれＩ−０、Ｉ−ｎ　（ｘ）として求めら
れる。従って所定の温度（′Ｉ″Ｒ）に冷却するとそれ
ぞれの自然長Ｌ；ＪＩＯｆ１−α、　（′ｌ’　、−Ｔ
　Ｒ）　ｌ、Ｌ、（ｘ）［１−αｃ（１’＝−１’Ｒ）
　］　である。この際所定の温度が室温である場合、お
よび溶射被覆の使用温度である場合も含まれる。■−２
と同様に長さの釣合と応力の釣合を考えることにより被
覆及び母材の長さ、それぞれの歪、それぞれの応力が求
められる。被覆内の平均残留応力（σＣ）は次代の通り
となる。

Ｄ ■−４所定の応力となる溶射温度を求める。

残留応力をＯにしたい時は０υ式のσ。に０を、引張に
したい時は正の値を、圧縮にしたい時は負の値を与える
。更に、被覆及び母材の物性（１ｊｊ、厚みなどを与え
、００式を満たずように溶射温度を求める。この際物性
値を温度の関数としてｊｇえても良いが、暫定的温度で
の物性値をＩｊえ仮の溶ルＩ　？Ａ！を度を求めた移譲
溶射温度での物性値を再度与えて溶射温度を求める占い
・う繰り返し羽算を行−７でも良い。また被膜の物性値
としてはバルクの（ｌｉ′ｉを１１えても良いが、−度
被膜を作製した後物性値の測定を行い該物性値を与えた
方が良い。全ての物性値が正確に解らないとき、母材の
形状が板状でないときは、仮の値を与えて溶射温度を求
めて■のごとく溶射し■のごとく応力の判定を行い、■
に示ずように溶射温度の補正を行う。

■゛溶射温度の補正全ての物性値が正確に解らないとき、母材の形状が板状
でないとき、さらには所定の残ｉ／応力とならない時は
溶射温度の補正を行う。被覆内に所定の残留応力より引
張の応力が残るときは、溶射温度を高くする。被覆内に
所定の残留応力より圧縮の応力が残るときは、溶射温度
を低くする。溶Ｉ耐温度の変更ｒｉ　（ＡＴＳ）は、試行錯誤によっても
良いが、０ｊｊ式を溶射温度で微分しても求めることが
できる。すなわち、溶射温度の変更１１目１次式により
求められる。

ｄＴ。

■溶射温度を制御した溶４・１を行う。

母＋Ａまたは被覆の温度を熱電対または放射温度旧など
で測定する。■または■゛で求めた溶射温度に母材を保
持し溶射を行う。この際、溶射法の手段が減圧プラズマ
溶射法、大気圧プラズマ溶射法、アーク溶射法、燃焼炎
溶射法などのいずれの方法であってもよい。また、被覆
が使用時には母材から剥がされ単独で用いられる被覆で
あってもよい。溶射材が２種以上の金属、合金あるいは
セラミックスの混合物である溶射材であってもよい。

この際プラズマ人力、基板位置、圧力、ガス流量、粉体
供給速度などの溶射パラメーターと基板温度との関係を
前もって調べて置りば潴躬中に温度測定を行わなくても
良い。ｌｊＪ祠を溶射温度に加り忙づるには、プラズ゛
７フレーＪ、により加熱することもできる。この際母ｆ
イに電位をｌｉえプラズマとの間に電流を流すことも可
能である。また、１υ＋、４を通電加熱しても良い。さ
らには、赤外炉などの炉によっても加熱することも可能
である。

■残留応力の判定全ての物性値が１錨に解らないたき、母Ｈの形状が板状
でないときなどには、熔１・１温度を−・回で予測する
ことはできないから実際に熔１，１を行った溶射被覆の
残留応力を判定して熔η・１温度を補正４ることが必要
となる。残留応力は溶射被膜と母Ｈの形状の変化から判
定できる。すなわら、所定の温度に於て被覆が母材側に
しなる時（第二図（ａ））または剥がれる時（第二図（
ｂ））は圧縮の応力があり、被覆が表面にしなる時（第
二図（Ｃ））または亀裂が生ずる時（第二図（ｄ））は
引張の応力がある。

更に厳密に測定するには、Ｘ線回折法などに、１−り格
子定数を測定する、被覆の曲率から旧ｑするなどの方法
で残留応力を求める。ここで１υ０月及び被覆の変形ま
たは残留応力が許容範囲内でないときは■′によりン容
躬温度の補正を行う。

以下に本発明の実施例について説明する。（Ｄから■は
、上述の手順■から■に対応する。

（実施例１） ■１．す（Ａとして５Ｓ４１、？Ｒ躬＋ＡとしてＭｏを
選んだ。

第二表に溶射温度を予測するために用いた物性値を示す
。

第二表所定のｎり厚を様りな値を選び１γみ比（ｔ　ｃ／　ｔ
　ｓ）が０．０１から１までについて、（１１）式によ
り溶１・１温度を求めた（第三図）。これにより厚め比
が１の時溶射温度は１３００にであると求められた。

■母材Ｗ−１２＋ｕ、被覆ｊ￥１２鰭の時、この条（’
Ｉで溶射を行った結果、被覆層に■亀裂は生じず母材及
び被覆の変形もみられなかった。更にＸ線回折により残
留応力はないと判定された。

更に仕較として試行錯誤的に溶射温度をＴ’　Ｎｔｌｌ
　した。

暫定的な溶！１−１温度をｌｌ５０にと仮定した場合、
溶射を行った結果被覆層に亀裂が入っており　（第四図
）被覆内に引っ張り応力が生じていると判定された。０
０式から求められた基板温度応力線図（第五図）からｄ
σｃ／ｄ　Ｔｓが−１，００００００Ｐａ／にと求めら
れた。さらに、残留応力は１５０．０（＋０，０００Ｐ
ａと求められたので、残留応力の誤差（ΔσＣ）は、−
１５０，０００，０００Ｐａであるので、溶射温度の補
正１１Ｊ（ΔＴｓ）は１５０にと求められた。

逆に１４５０にで溶射を行うと被覆は剥げ被覆内に圧縮
応力が生じていると判定された。（１１）式から求めら
れた基板温度応力線図（第五図）からｄσｃ　／　ｄ　
Ｔｓが１．０００．０００１’ａ／にと求められた。

さらに、残留応力は−１５０，０００，０００Ｐａと求
められたので、残留応力の誤差（ΔσＣ）は、１５０、
０００．０００１”ａであるので、溶射温度の補正１１
１（ΔＴｓ）は−１５０にと求められた。

以上試行錯誤的方法によっても溶射温度を求めることが
できた。

（実施例２） ■実施例Ｉと同様に母材としてＳＳ４１、溶！ｌｌ材と
してＭｏを選んだ。溶射温度を予測するために用いた物
性値を上述の第二表に示す。所定の膜厚を様々な値を選
び厚み比（ｔｃ　／ＬＳ　）　が０．Ｏｌから１までに
ついて、ＯＤ式により溶射温度を求めた（第三図）。こ
れにより＋７み比が１の時溶射温度は１３００にである
と求められた。

■母材厚１２１ｍであるが形状は板でなく管であるとき
、被覆厚１２ｍｍを目標にこの条件で溶射を行った。

■被覆に亀裂が入っており被覆内に引っ張り応力が生じ
ていると判定された。

■゛０υ式から求められた基板温度応力線図（第五図）
からｄσｃ／ｄＴｓが−１，０００，０００Ｐａ／にと
求められた。さらに、残留応力は５０，０００＋　００
０１’ａ　Ｊ求められたので、残留応力の誤差（Δσ、
）は、５０＋　０００＋　０００Ｐａであるので、溶射
温度の袖ｉ「中（Δ’ｒ、）は５（ＩＫと求められた。

以上から溶射温度の補正を行い＋　３５０１（を得た。

■この条件で溶射を行った。

■亀裂が生じていない被覆が得られた。母相及び被覆の
変形がみられなかった。更にＸ線回折により残留応力は
ないと判断された。

（実施例３） ■母材として５Ｓ４１．溶射材として＾Ｉ！、２０１を
選んだ。第三表に溶射温度を予測するために用いた物性
値を示す。

厚め比が１の時溶射温度は９５０にであると求められた
。

■母材厚２１．被覆１￥２１Ｉｌの時、この条（′１で
溶射を行った。

■°００式から求められたＪ４Ｈ仮温度広力線図（第五
第三表図）からｄσｃ／ｄＴ、が−１，５００，０００１’ａ
／にと求められた。さらに、残留応力は７５．０００．
０ＯＯＰａと求められたので、残留応力の誤差（Δσ、
）は、７５　＋　０００．０００１’ａであるので、溶
射温度の補正中（Δ’＋’ｉ　は５０にと求められた。

以上から溶射温度の補正を行い１００ＯＫを得た。

（発明の効果）以上述べたように本発明によれば残留応力が制御され、
亀裂が無い被覆が得られ母料の変形もない、これにより
耐食性、耐高温腐食性、耐酸化性、耐摩耗性、濡れ性、
電気的または熱的伝導性または絶縁性など表面被覆が目
的とする特性を改善する事が可能であり、産業上の発展
に貢献するところきわめて大である。

【図面の簡単な説明】

第−Ｉｇ＋は予測に用いた応力歪関係図である。第二図は溶射被覆層の残留応力と変形の関係し１である
。第三図　は予測された最適溶射温度を被Ｉ′ｗ層七基板
との厚み比にたいして示した図第四図は最適溶射温度でないため被覆層に亀裂が生じた
例の図第五図は被覆層と基板とのｊＩの比が１の時の被覆層内
平均残留応力と溶射温度の関係図である。１・・・被覆層、２・・・母相（ノル板）、３・・・剥
離、４・・・亀裂。？　Ｎ（？）々ｂ　恨　・ぺ

Claims

【特許請求の範囲】

溶射法によって母材上に金属、合金あるいはセラミック
スを被覆するに際し、被覆層および母材の残留応力を、
母材および溶射材の物性値、母材および溶射材の厚み、
溶剤被覆が使用に供される際の使用温度および溶剤温度
の関数として求め、該関係から残留応力を所定の残留応
力となるよう溶射温度を求め、母材を該溶射温度に設定
して溶射する事を特徴とする溶射法。