JPH0343339B2 - - Google Patents

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JPH0343339B2
JPH0343339B2 JP57166420A JP16642082A JPH0343339B2 JP H0343339 B2 JPH0343339 B2 JP H0343339B2 JP 57166420 A JP57166420 A JP 57166420A JP 16642082 A JP16642082 A JP 16642082A JP H0343339 B2 JPH0343339 B2 JP H0343339B2
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layer
thickness
cermet
thermal insulation
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Baiberu Guido
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Battelle Institut eV
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases
    • F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
    • F02F7/0087—Ceramic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/11—Thermal or acoustic insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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Description

【発明の詳細な説明】
この発明は、火炎又はプラズマ噴射されたセラ
ミツク物質類で形成された基体上の耐高温性、耐
熱衝撃性の断熱被膜に関する。 二酸化ジルコニウム及び／又はケイ酸ジルコニ
ウム及びニツケル／アルミニウム又はニツケル／
アルミニウム／クロム合金からなる基体上に設け
られた耐高温性被膜は知られている。この被膜の
製造に当たつては、金属成分の含有量は、ある層
から別の層にかけて徐々に変わつており、熱源に
面している層において最も低い。この被膜の最大
の欠点は、各々の酸化物又はケイ酸塩含有層が特
定の厚さまでにしか噴射できないので、被膜の厚
さに限界があるということにある。その上、この
被膜の耐熱衝撃性は十分でなく、層の数が増加す
るにつれて減少する。 そのため、厚さに依存する被膜の断熱性は十分
でない。 この発明の目的は、断熱性、耐高温性及び耐熱
衝撃性を有する金属基体に対する被膜を提供する
ことである。 この目的は、繰り返される各複合層が少なくと
も１つのセラミツクとサーメツト及び／又は少な
くとも１つのセラミツクと金属及び／又は少なく
とも１つのサーメツトと金属を含むような組み合
わされた連続層からなる複合層の本質的に同じ材
料の繰返し数層からなる被膜を用いる本発明によ
り達成されうる。好ましい実施態様は、特許請求
の範囲の従属項に記載されている。また、本発明
の断熱被膜は、特に、還元性又は酸化性雰囲気を
もつ駆動ユニツトの燃焼室内においても好適に使
用することができる。 この発明による火炎又はプラズマ噴射された被
膜の本質的な特長は、先行技術とは違つて、機能
的な断熱被膜が厚さが約１〜２mmに限られて基体
成分とは数個の接着層によりしつかりと接合され
なければならないような１つの単一層からなつて
はいない点にある。この発明の被膜は、交互にラ
ミネート状に複合された数個のセラミツクとサー
メツト及び／又はセラミツクと金属及び／又はサ
ーメツトと金属の層からなる。この構造をとるこ
とにより層の厚さを増加させることができ、断熱
性が改善される。この発明によるラミネート構
造、特に非常に薄い複合層からなる構造の高温に
おける断熱性は、ラミネート構造中に金属成分が
含まれているにもかゝわらず、公知のセラミツク
単一被膜の場合と同じ程度に高いものである。ま
た、例えば衝撃時における機械的荷重能力のみな
らず、耐熱衝撃性についても、セラミツク被膜に
較べてはるかに優れている。 この発明による被膜においては、二酸化ジルコ
ニウム、好ましくは酸化マグネシウム、酸化カル
シウム又は酸化イツトリウムで安定化された二酸
化ジルコニウムが用いられる。安定化に用いられ
る酸化物の添加は、被膜が作業条件下に受ける熱
負担に応じて選択されるべきである。約1600℃ま
での高い熱負担に対しては、二酸化イツトリウム
で安定化された二酸化ジルコニウムが用いられ
る。約100℃までの低い熱負担に対しては、酸化
カルシウム又は酸化マグネシウムの添加だけで十
分である。二酸化ジルコニウム層に代えて、ケイ
酸ジルコニウム層又は二酸化ジルコニウムとケイ
酸ジルコニウムの混合物からなる層を用いること
も可能である。 一般に、断熱性は低い熱伝導性を必要とする。
またそのためには、一定の物質特有の性質以外
に、層ができるだけ多孔性であることが必要であ
る。しかしながら、多孔度が増加すると、物質の
強度と荷重下での安定性は減少し、また断熱性を
変えずに機械的荷重を増加するためには、層の厚
さを増加し、多孔度を減少することが必要とな
る。この発明によれば、セラミツク層の多孔度は
約３〜15体積％である。 サーメツト層は、金属成分のほかに、例えば安
定化された二酸化ジルコニウム及び／又はケイ酸
ジルコニウムからなる。好ましく用いられる金属
は、ニツケル／アルミニウム又はニツケル／クロ
ム／アルミニウム合金である。またラミネート中
に含まれる金属層は、好ましくはサーメツト層中
に含まれる合金と同じものからなる。 良好な耐熱衝撃性を有する耐久力のある被膜
は、できるだけ薄い厚さの連続した層を含んでい
る。ラミネートの全体の厚さは、好ましくは0.2
〜10mmであり、個々の層の厚さは、５〜1000μｍ
好ましくは50〜200μｍである。達成することの
可能な層の最低の厚さは、用いられる粉末の粒径
に依存し、約5μｍである。各層は同じ厚さであ
つても異なつた厚さであつてもよい。１つの具体
例によれば、金属とサーメツトの層は同じ厚さで
あるのに対して、セラミツク層の厚さは表面層に
近くなる程徐々に減少している。他の具体例によ
れば、セラミツクの層が同じ厚さであるのに対し
て、金属とサーメツトの層の厚さは表面層に近く
なる程徐々に減少している。また、セラミツク層
の厚さを表面層に近くなる程徐々に増加させ、そ
れらの間にある金属又はサーメツトの層の厚さを
表面層に近くなる程徐々に減少させることも可能
である。更に他の変形としては、サーメツト層中
における金属の含有量を表面層に近くなる程減少
させることも可能である。熱源に面するこの発明
の被膜の外側の層は、好ましくはセラミツク、耐
食性物質又は耐摩耗性物質で被覆される。 この発明は、以下に図面を参照しながら説明さ
れる。 第１図から明らかなように、公知の断熱系は、
金属の基体物質１、金属の接着層２、数個のサー
メツトの中間層３、及びセラミツクの表面層４か
らなる。基体１とセラミツク表面層４との熱膨張
係数は、通常互に極めて相違している。これを補
うために、数個のサーメツト中間層３が基体１と
表面層４との間に設けられる。この中間層の設置
は、全体の層の厚さにかなり制限を与えることと
なり、公知の断熱系においては全体の層の厚さが
約２mmとなる。全体の層の厚さが２mm以上となる
と耐熱衝撃性の減少が生じる。 この発明による断熱被膜が第２図に示されてい
る。セラミツクの表面層４と金属の接着層２との
間には、サーメツトの中間層３、及びその外側に
数個の交互に設けられた酸化物又はケイ酸塩の層
５と金属又はサーメツトの層６がある。この配置
により、従来のものに比して数倍も優れた性質を
有する断熱被膜がつくられる。設置された層の熱
膨張係数の間にかなりの相違があるけれども、こ
の発明によれば、耐高温性、耐熱衝撃性の断熱被
膜を得ることができる。耐熱衝撃性は、ラミネー
ト構造をした連続層における各層の厚さを減少さ
せることにより増加する。 第２図に示された層は、火炎又はプラズマ噴射
（H.S.Ingham＆A.P.Shopard、「Metco Elame
Spray Handbook」第巻、Plasma Flame
Process、Metco Ltd.、Chobham、Woking、英
国1965年参照）の公知手段によりつくられる。ま
た、幾何学的に複雑な形態をした要素、例えば粗
い不均一な表面、刻み目のついたピストン・ヘツ
ド、パイプの壁部など、に対しても、火炎又はプ
ラズマ噴射技術により被膜を設けることが可能で
ある。 この発明によれば、これらの被覆技術を用いる
ことにより、適当な物質からなる個々の層を有す
る耐久力のある構成要素が有利につくられる。そ
の上、外側の層は、基体を取り除いた後に被膜が
溶接、鋳込み、はんだづけ等により金属要素と結
合できるように、火炎又はプラズマ噴射によつて
つくられる。この外側の層には通常金属層が用い
られる。 第２図に示された具体例は、層５と６がサーメ
ツトと金属の層であるように変形することができ
る。その上、表面層４と接着層２との間の連続し
た層は、セラミツク−サーメツト及び／又はセラ
ミツク−金属及び／又はサーメツト−金属からな
る４つの層又は６つの層であることもできる。 金属とセラミツクからなるラミネートは、高密
度物質として知られており、焼結又は熱溶融によ
りつくられる。これらの方法は、幾何学的に複雑
な形態をもつ金属要素の被覆に対して使用するこ
とができない。その上、耐久力のある構造を得る
ためには、個々の層の多孔度を変えることができ
ず、また各層の厚さも容易に変えることができな
い。しかしながら、このことは火炎又はプラズマ
噴射法によればなし遂げられる。高密度部品を製
造するに当たつて、火炎又はプラズマ噴射法によ
り単一の製造工程で物質が外側の層として散布さ
れる。そしてこの外側の層に溶接、鋳造、はんだ
づけ等で他の物質を接合させて構造体をつくるこ
とができる。 次に、この発明の詳細を実施例で説明する。 実施例 １ （金属／サーメツトラミネート） この発明によるラミネート物質からなるパイプ
部品を製造するために、シリンダー状のアルミニ
ウム．コアーが加熱され、塩化ナトリウム溶液で
散布処理され、更に300℃まで加熱された。次い
で、表１に示された断熱層がプラズマ・ガンによ
りコアー上に沈積された。ニツケルが外側の層と
して沈積されたが、これによりパイプ状要素の内
部にこのパイプをはんだづけすることが可能とな
る。 アルミニウムとこの発明によるラミネートとの
熱膨張係数が異なるために、コアーは冷却すると
容易にラミネートから除去される。二つの部分に
分離させるためには、水（例えば塩化ナトリウム
を溶解した）中に浸漬することがより有利であ
る。この発明によるラミネートからなるパイプ部
品の内径は100mmで、その長さは50mmであつた。
この部品はパイプ状の要素中に挿入され、はんだ
づけにより相互に接合された。このために、パイ
プ部品は適当な形状のはんだ板（軟はんだ）でつ
つまれた後、パイプ状要素中に挿入され、350℃
まで加熱された。表１には、パイプ状要素の内壁
から始まる連続した層が示されている。
【表】
【表】 実験のために、厚さの異なつた層をもつ３つの
パイプ部品がつくられた。第１のパイプ部品は５
つの層から、第２のパイプ部品は11の層から、第
３のパイプ部品は20の層からなつていた。その
上、全てのパイプ部品の外側の層は厚さ50mmのニ
ツケル層であつた。第１と第２のパイプ部品は、
パイプ部品をはんだづけした後に冷却したら、熱
張力に耐えれなかつた。このことからみて、全体
の長さが1.2mmである第３のパイプ部品が良好な
結果を示した。 実施例 ２ （セラミツク／サーメツトラミネート） ピストン・ヘツド（ジーゼルエンジン用）の断
熱のために、ピストン・ヘツドは脱脂され、サン
ドブラストされた後に、その上にプラズマ噴射に
より層が沈積された。表２には、その層が示され
ている。
【表】 次に厚さの異なつた３つの被膜が、断熱性と燃
焼操作の際の断熱効果をテストするためにつくら
れた。第１のピストン・ヘツドは６つの層から、
第２のピストン・ヘツドは12の層から、第３のピ
ストン・ヘツドは24の層からなつていた。第１と
第２のピストン・ヘツドにおける最後の層の厚さ
は、表２に示された数値とは違つて、200μｍで
あつた。これら３つのピストン・ヘツドをジーゼ
ル・エンジン（１気筒テスト用エンジンMWM
KD 12E）中で10時間稼動テストしたら、全てが
何等被膜に損害を受けなかつた。 実施例 ３、４ （金属／セラミツク、セラミツク／サーメツ
ト／セラミツク／金属のラミネート） ジーゼル・エンジンの燃焼室を断熱し、かつ機
械部分を熱的な過負担から保護するために、入口
バルブと出口バルブ（直径50mm）の上に表３に示
される層が沈積された。バルブは熱負担のみなら
ず機械荷重にも耐えなければならない。そのため
には耐衝撃性を改善する必要があり、層の中に追
加の金属層が設けられた。この構造は、表４に示
されている。バルブは、実施例２に記載したよう
な100時間の稼動テストの結果、何等被膜に損害
を受けなかつた。
【表】
【表】
【表】 【図面の簡単な説明】
第１図は、ZrO2基体上に設けられた公知の断
熱系の標準的な構造を示し、第２図は、この発明
による被膜の１つの具体例を示す。 １……金属の基体物質、２……金属の接着層、
３……サーメツトの中間層、４……セラミツクの
表面層、５……酸化物又はケイ酸塩の層、６……
金属又はサーメツトの層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 複合層が、少なくとも１つのセラミツク層と
    サーメツト層、少なくとも１つのセラミツク層と
    金属層及び少なくとも１つのサーメツト層と金属
    層より成る組合せ層の群から選択され、基体上に
    繰返し連続して積層形成される数個の該複合層が
    本質的に同じような複合層から成ることを特徴と
    する火炎又はプラズマ溶射されて基体上に形成さ
    れたセラミツク物質類の耐高温性、耐熱衝撃性の
    断熱被膜。 ２ 被膜の厚さが少なくとも200μｍであり、か
    つ各層の厚さが６〜1000μｍである特許請求の範
    囲第１項記載の断熱被膜。 ３ 被膜の厚さが少なくとも200μｍであり、か
    つ各層の厚さが50〜200μｍである特許請求の範
    囲第１項記載の断熱被膜。 ４ 各層が異なつた厚さを有する特許請求の範囲
    第１項又は第２項に記載の断熱被膜。 ５ 金属とサーメツトの層が同じ厚さを有するの
    に対して、セラミツク層の厚さが表面層に近くな
    る程増加する特許請求の範囲第１項〜第４項のい
    ずれかに記載の断熱被膜。 ６ セラミツクの層が同一の厚さを有するのに対
    して、金属とサーメツトの層の厚さが表面層に近
    くなる程減少する特許請求の範囲第１項〜第４項
    のいずれかに記載の断熱被膜。 ７ セラミツク層の厚さが表面層に近くなる程増
    加し、金属とサーメツトの層の厚さが表面層に近
    くなる程減少する特許請求の範囲第１項〜第４項
    のいずれかに記載の断熱被膜。 ８ サーメツト層中における金属成分の含有量
    が、表面層に近くなるほど徐々に減少する特許請
    求の範囲第１項〜第７項のいずれかに記載の断熱
    被膜。 ９ 各層が、耐摩耗性及び耐食性である特許請求
    の範囲第１項〜第８項のいずれかに記載の断熱被
    膜。 １０ サーメツト層が、好ましくはニツケル／ア
    ルミニウム及びニツケル／クロム／アルミニウム
    から選択される金属類と、安定化された二酸化ジ
    ルコニウム及びケイ酸ジルコニウムから選択され
    るセラミツク類から成り、またセラミツク層が安
    定化された二酸化ジルコニウム及びケイ酸ジルコ
    ニウムから選択される特許請求の範囲第１項〜第
    ９項のいずれかに記載の断熱被膜。 １１ 荷重を受ける表面層が二酸化ジルコニウム
    及びケイ酸ジルコニウムから選択され、かつその
    厚さが、好ましくは他の層よりも厚い特許請求の
    範囲第１項〜第１０項のいずれかに記載の断熱被
    膜。 １２ 被膜が、基体上に除去可能に形成され、か
    つ外側の層が金属材料からなり、それにより該皮
    膜が金属成分と結合し得る特許請求の範囲第１項
    〜第１１項のいずれかに記載の断熱被膜。
JP57166420A 1981-09-23 1982-09-24 セラミツク物質の基体上に設けられた耐高温性、耐熱衝撃性の断熱被膜 Granted JPS58140380A (ja)

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DE19813137731 DE3137731A1 (de) 1981-09-23 1981-09-23 Hochtemperatur- und thermoschockbestaendige kompaktwerkstoffe und beschichtungen
DE31377319 1981-09-23

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Publication Number Publication Date
JPS58140380A JPS58140380A (ja) 1983-08-20
JPH0343339B2 true JPH0343339B2 (ja) 1991-07-02

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ID=6142345

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JP57166420A Granted JPS58140380A (ja) 1981-09-23 1982-09-24 セラミツク物質の基体上に設けられた耐高温性、耐熱衝撃性の断熱被膜

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US (1) US4471017A (ja)
EP (1) EP0075228A3 (ja)
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CA (1) CA1186568A (ja)
DE (1) DE3137731A1 (ja)

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