JPH0387346A - 傾斜溶射方法 - Google Patents
傾斜溶射方法Info
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- JPH0387346A JPH0387346A JP1223687A JP22368789A JPH0387346A JP H0387346 A JPH0387346 A JP H0387346A JP 1223687 A JP1223687 A JP 1223687A JP 22368789 A JP22368789 A JP 22368789A JP H0387346 A JPH0387346 A JP H0387346A
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- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
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。
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〕
本発明は耐熱性及び耐摩耗性が必要とされる金属材に傾
斜皮膜を形成する溶射方法に関する。
斜皮膜を形成する溶射方法に関する。
耐熱性及び耐摩耗性が必要とされる金属材においては、
該金属材の表面に耐熱性及び耐摩耗性が優れたセラミッ
クス粉末を溶射して皮膜層を設けることにより、表面改
質が行われている。しかし、このように金属材表面に直
接的にセラミックス粉末を溶射した場合、前記金属材と
セラミックスとの線膨張率の差によって溶射後のセラミ
ックスに亀裂が入り、必要である耐熱性及び耐摩耗性が
金属材に付与されないという問題がある。
該金属材の表面に耐熱性及び耐摩耗性が優れたセラミッ
クス粉末を溶射して皮膜層を設けることにより、表面改
質が行われている。しかし、このように金属材表面に直
接的にセラミックス粉末を溶射した場合、前記金属材と
セラミックスとの線膨張率の差によって溶射後のセラミ
ックスに亀裂が入り、必要である耐熱性及び耐摩耗性が
金属材に付与されないという問題がある。
この問題を解消する方法としては、第5図に示す如き傾
斜組成皮膜を生成させる方法がある(溶接学会論文集第
6巻第4号514頁〜)。第5図は傾斜組成皮膜の模式
的断面図である。図中4は金属製の基板である。傾斜組
成皮膜は、基板4上にまず、基板4に金属の第1層Aを
溶射形成させ、次に微量のセラごツクスを含む第2層B
を前記第1NAの上に溶射形成させる。そして、引き続
き第2層Bの上に、複数の層を重ね、最上層Eのセラミ
ックスの含有率が100%となるように上層になるに従
ってセラミックス含有率を増加させる。
斜組成皮膜を生成させる方法がある(溶接学会論文集第
6巻第4号514頁〜)。第5図は傾斜組成皮膜の模式
的断面図である。図中4は金属製の基板である。傾斜組
成皮膜は、基板4上にまず、基板4に金属の第1層Aを
溶射形成させ、次に微量のセラごツクスを含む第2層B
を前記第1NAの上に溶射形成させる。そして、引き続
き第2層Bの上に、複数の層を重ね、最上層Eのセラミ
ックスの含有率が100%となるように上層になるに従
ってセラミックス含有率を増加させる。
このように形成された傾斜組成皮膜の線膨張率は基板4
に対して徐々に変化するので、溶射皮膜の亀裂の発生が
抑制される。
に対して徐々に変化するので、溶射皮膜の亀裂の発生が
抑制される。
前述した如き傾斜組成皮膜の作成にあたっては、基板材
料である金属とセラミックスとの2種類の粉末を用いな
ければならない。この2種類の粉末を用いた傾斜組成皮
膜の作成方法として例えばプラズマ溶射では、単一の溶
射装置のノズルから金属材に吹付けられるプラズマジェ
ットに対して前記2種類の粉末を各々供給し、該粉末を
金属材に溶射する方法が用いられる。この方法の場合、
粉末のセラくツクスは粉末の金属よりも融点が高く溶融
し難いため、前記溶射装置における溶射条件は前記粉末
のセラミックスの適正溶射条件を用いる。
料である金属とセラミックスとの2種類の粉末を用いな
ければならない。この2種類の粉末を用いた傾斜組成皮
膜の作成方法として例えばプラズマ溶射では、単一の溶
射装置のノズルから金属材に吹付けられるプラズマジェ
ットに対して前記2種類の粉末を各々供給し、該粉末を
金属材に溶射する方法が用いられる。この方法の場合、
粉末のセラくツクスは粉末の金属よりも融点が高く溶融
し難いため、前記溶射装置における溶射条件は前記粉末
のセラミックスの適正溶射条件を用いる。
しかしながら、前述の如き溶射方法においては溶射条件
をセラミックス粉末が十分に熔融すべき条件としている
ため、この条件では金属は過熱状態となり、金属粒子の
粘性が過度に低下しており、金属材への衝突時に飛散し
易く、該金属材に対する付着力が低いという問題があっ
た。
をセラミックス粉末が十分に熔融すべき条件としている
ため、この条件では金属は過熱状態となり、金属粒子の
粘性が過度に低下しており、金属材への衝突時に飛散し
易く、該金属材に対する付着力が低いという問題があっ
た。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、溶射
する金属粉末の平均粒径をセラミックス粉末の平均粒径
よりも所定量大きくして溶融し難くすることにより、単
一の溶射装置における同一溶射条件にて金属とセラミッ
クスとを安定に溶射すること及び金属材に対する皮膜の
付着力を強固なものとすることを可能とする傾斜溶射方
法を提供することを目的とする。
する金属粉末の平均粒径をセラミックス粉末の平均粒径
よりも所定量大きくして溶融し難くすることにより、単
一の溶射装置における同一溶射条件にて金属とセラミッ
クスとを安定に溶射すること及び金属材に対する皮膜の
付着力を強固なものとすることを可能とする傾斜溶射方
法を提供することを目的とする。
本発明にb)かる傾斜溶射方法は、金属材に対して金属
の粉末及びセラミックスの粉末を同時に溶射し、前記金
属材から離れるに従いセラミックスの金属に対する割合
が大である皮膜を前記金属材に付着させる傾斜溶射方法
において、前記金属粉末の平均粒径とセラミックス粉末
の平均粒径との比を、金属粉末の熱拡散率とセラミック
ス粉末の熱拡散率との比の平方根に関連づけて定めるこ
とを特徴とする。
の粉末及びセラミックスの粉末を同時に溶射し、前記金
属材から離れるに従いセラミックスの金属に対する割合
が大である皮膜を前記金属材に付着させる傾斜溶射方法
において、前記金属粉末の平均粒径とセラミックス粉末
の平均粒径との比を、金属粉末の熱拡散率とセラミック
ス粉末の熱拡散率との比の平方根に関連づけて定めるこ
とを特徴とする。
金属粉末の平均粒径とセラミックス粉末の平均粒径との
比を、金属粉末の熱拡散率とセラ藁ツクス粉末の熱拡散
率との比の平方根に関連づけて定めると金属粉末の粒径
はセラミックスの粉末の粒径よりも大きくなり、夫々の
粉末の融点に対する粉末中の平均温度の比が金属の粉末
とセラくツクスの粉末において等しくなり、これらの粉
末が同一の溶融状態となる。
比を、金属粉末の熱拡散率とセラ藁ツクス粉末の熱拡散
率との比の平方根に関連づけて定めると金属粉末の粒径
はセラミックスの粉末の粒径よりも大きくなり、夫々の
粉末の融点に対する粉末中の平均温度の比が金属の粉末
とセラくツクスの粉末において等しくなり、これらの粉
末が同一の溶融状態となる。
以下本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に説
明する。
明する。
第1図は本発明に係る傾斜溶射方法を実施するために使
用するプラズマ溶射装置のプラズマ溶射用ノズル近傍の
模式的断面図である。
用するプラズマ溶射装置のプラズマ溶射用ノズル近傍の
模式的断面図である。
図中1は直流電源2の正極と接続した筒形のプラズマ溶
射用のノズルである。該ノズル1の先端側の側壁には、
図示しないセラミックス粉末供給部と連結し、ノズル1
内にセラミックス粉末を供給するセラミックス粉末供給
口1aと、図示しない金属粉末供給部と連結し、ノズル
1内に金属粉末を供給する金属粉末供給口1bとが夫々
設けられる。
射用のノズルである。該ノズル1の先端側の側壁には、
図示しないセラミックス粉末供給部と連結し、ノズル1
内にセラミックス粉末を供給するセラミックス粉末供給
口1aと、図示しない金属粉末供給部と連結し、ノズル
1内に金属粉末を供給する金属粉末供給口1bとが夫々
設けられる。
また、ノズル1の内部には先端が尖った形状の電極3が
その先端をノズル1の先端側へ向けて配設される。この
電極3は直流電源2の負極と接続している。そしてノズ
ル1の先端と対向する位置には金属製の基板4が配され
る。
その先端をノズル1の先端側へ向けて配設される。この
電極3は直流電源2の負極と接続している。そしてノズ
ル1の先端と対向する位置には金属製の基板4が配され
る。
而して前述したプラズマ溶射装置においては、直流電源
2によって正極であるノズル1及び負極である電極3に
通電し、ノズル1を陽極、電極3を陰極としノズル1内
に直流放電を形成する。そしてノズル1内に、図示しな
いガス導入口からプラズマガスを導入してノズルl内に
プラズマを生ぜしめ、破線にて示されるプラズマジェッ
トを基板4に向けて吹付ける。またセラミックス粉末供
給口1a及び金属粉末供給口ibからセラミックス粉末
及び基板4と同し材質の金属粉末をノズル1内に供給し
、プラズマジェットにより溶融させて基板4に溶着させ
、基trfi4上に傾斜組成皮膜5を形成する。この傾
斜組成皮膜5を形成する場合、基板4上に金属の皮膜を
形威し、皮膜を重ね上げ基板4から離れるに従いセラミ
ックスの含有量を増加させ、最終的にセラミックス10
0%の層を形成する。
2によって正極であるノズル1及び負極である電極3に
通電し、ノズル1を陽極、電極3を陰極としノズル1内
に直流放電を形成する。そしてノズル1内に、図示しな
いガス導入口からプラズマガスを導入してノズルl内に
プラズマを生ぜしめ、破線にて示されるプラズマジェッ
トを基板4に向けて吹付ける。またセラミックス粉末供
給口1a及び金属粉末供給口ibからセラミックス粉末
及び基板4と同し材質の金属粉末をノズル1内に供給し
、プラズマジェットにより溶融させて基板4に溶着させ
、基trfi4上に傾斜組成皮膜5を形成する。この傾
斜組成皮膜5を形成する場合、基板4上に金属の皮膜を
形威し、皮膜を重ね上げ基板4から離れるに従いセラミ
ックスの含有量を増加させ、最終的にセラミックス10
0%の層を形成する。
次に前記セラミックス粉末及び金属粉末の平均粒径を決
定する方法について説明する。前記粉末が平均半径aの
球であり、該粉末がO′Cの温度で前記プラズマジェッ
トに吹込まれ、この吹込まれた瞬間に粉末の表面が融点
に達し、その後加熱されつつノズル1から基板4まで飛
行し、基板4に衝突すると仮定した場合、粉末への熱伝
導は下記(1)式に示される熱伝導方程式と、下記(2
)式に示される初期条件及び下記(3)式に示される境
界条件とによって表現される。
定する方法について説明する。前記粉末が平均半径aの
球であり、該粉末がO′Cの温度で前記プラズマジェッ
トに吹込まれ、この吹込まれた瞬間に粉末の表面が融点
に達し、その後加熱されつつノズル1から基板4まで飛
行し、基板4に衝突すると仮定した場合、粉末への熱伝
導は下記(1)式に示される熱伝導方程式と、下記(2
)式に示される初期条件及び下記(3)式に示される境
界条件とによって表現される。
θい。=O
θ、8.=θ1
但し、K :熱拡散率
θ、:粉末の融点
θ :粉末温度
L :粉末の飛行時間
・・・(2)
・・・(3)
r :粉末中心からのある一定の距離
前記(1)、 (2)、 (3)式を満足する解は下記
(4)式に示す如くなる。
(4)式に示す如くなる。
・・・(4)
また、粉末の半径をrとした時の平均温度θmvaは前
記(4)式を基にして下記(5)式にて示される。
記(4)式を基にして下記(5)式にて示される。
前記(5)式において融点θ1に対する粉末の平均温度
θmv+aの比をθ、とすると(即ちθ。−θmva/
θ、)、前記(5)式は下記(6)式に示す如く変換さ
れる。
θmv+aの比をθ、とすると(即ちθ。−θmva/
θ、)、前記(5)式は下記(6)式に示す如く変換さ
れる。
この(6)式は粉末の溶融度合いを示すものであり、セ
ラミックス粉末と金属粉末の溶融度合いを等しくするた
めには、下記(7)式に示す如くセラミックス粉末及び
金属粉末にて夫々求められる(6)式における指数演算
部分を等しくする必要があり、この(7)式を整理して
求められる下記(8)式を満足させれば良い。
ラミックス粉末と金属粉末の溶融度合いを等しくするた
めには、下記(7)式に示す如くセラミックス粉末及び
金属粉末にて夫々求められる(6)式における指数演算
部分を等しくする必要があり、この(7)式を整理して
求められる下記(8)式を満足させれば良い。
但し、ac :セラミックス粉末の平均粒径a、:金属
粉末の平均粒径 Kc :セラミックス粉末の熱拡散率 に1 :金属粉末の熱拡散率 即ち夫々の粉末の平均粒径を夫々の熱拡散率に応じて調
整すればセラミックス粉末と金属粉末とが同一溶射条件
において、同一の溶融状態となる。
粉末の平均粒径 Kc :セラミックス粉末の熱拡散率 に1 :金属粉末の熱拡散率 即ち夫々の粉末の平均粒径を夫々の熱拡散率に応じて調
整すればセラミックス粉末と金属粉末とが同一溶射条件
において、同一の溶融状態となる。
また、前記(8)式で得られた平均粒径を有する粉末を
得る方法としては、公知の技術である例えばふるい分球
法によって得ることができる。
得る方法としては、公知の技術である例えばふるい分球
法によって得ることができる。
前述した如き同一溶射条件において同一の溶融状態を得
るべく粉末の平均粒径を決定する方法としては、例えば
溶射条件を金属粉末に対して適正化しておき、該金属粉
末に対して前記(8)式よりセラミックス粉末の平均粒
径を算出することによってセラミックス粉末の平均粒径
を調整する。
るべく粉末の平均粒径を決定する方法としては、例えば
溶射条件を金属粉末に対して適正化しておき、該金属粉
末に対して前記(8)式よりセラミックス粉末の平均粒
径を算出することによってセラミックス粉末の平均粒径
を調整する。
また、実際の溶射においては前記(3)式の境界条件が
θ1..=θ、ではなく、θ、8.は粉末の飛行と共に
増加し、融点θ、より大となるため前記(8)式は下記
(9)式の如くなる。
θ1..=θ、ではなく、θ、8.は粉末の飛行と共に
増加し、融点θ、より大となるため前記(8)式は下記
(9)式の如くなる。
但し、α:定数
そして、前記(9)式における定数αの値を得るべく種
々のセラミックス粉末と金属粉末との組合せにて実験を
繰返し、検討を行った結果、定数αは1〜2の値が適正
値であることが知見された。
々のセラミックス粉末と金属粉末との組合せにて実験を
繰返し、検討を行った結果、定数αは1〜2の値が適正
値であることが知見された。
以下前述した定数αを1〜2に定めた理由について述べ
る。
る。
まず、第1表に示す条件にてNi−50χCr合金粉末
とZrO□粉末とを各溶射毎にZr0zの粒径を変化さ
せて溶射した。この結果を第2図に示す。なお、Ni−
50χCr粉末の熱拡散率は0.05c+11/sec
、 Zr0z粉末の熱拡散率は0.005c11N/s
ecであり、この熱拡散率と第1表のNi−50XCr
の平均粒径よりZrO□の平均粒径は前記(8)式より
26μmが適正であると計算される。
とZrO□粉末とを各溶射毎にZr0zの粒径を変化さ
せて溶射した。この結果を第2図に示す。なお、Ni−
50χCr粉末の熱拡散率は0.05c+11/sec
、 Zr0z粉末の熱拡散率は0.005c11N/s
ecであり、この熱拡散率と第1表のNi−50XCr
の平均粒径よりZrO□の平均粒径は前記(8)式より
26μmが適正であると計算される。
第1表
第2図はZrO□皮膜の付着力と、その平均粒径との関
係を示すグラフであって縦軸に付着力、横軸に平均粒径
をとってあり、これらの関係を示しである。この結果と
してZr0z皮膜の付着力は26〜52μmの範囲の平
均粒径、即ち前記定数α=l〜2の範囲が優れていると
いうことが得られた。
係を示すグラフであって縦軸に付着力、横軸に平均粒径
をとってあり、これらの関係を示しである。この結果と
してZr0z皮膜の付着力は26〜52μmの範囲の平
均粒径、即ち前記定数α=l〜2の範囲が優れていると
いうことが得られた。
また、第1表の条件にて第3図に示す溶射皮膜の模式的
断面図の如く基板4に対してまずNi−50χCrJW
53を50μm付着させ、次に100 a mの厚みで
Zr0z量が上方になるに従って大となるように傾斜組
成層52を付着させ、その上にZrO□層51を50μ
m付着させた。このような溶射皮膜の作成を各溶射毎に
ZrO2の粒径を変化させて行った。この結果を第4図
に示す。
断面図の如く基板4に対してまずNi−50χCrJW
53を50μm付着させ、次に100 a mの厚みで
Zr0z量が上方になるに従って大となるように傾斜組
成層52を付着させ、その上にZrO□層51を50μ
m付着させた。このような溶射皮膜の作成を各溶射毎に
ZrO2の粒径を変化させて行った。この結果を第4図
に示す。
第4図はZrO□皮膜の付着力と、その平均ね径との関
係を示すグラフであって縦軸に付着力、横軸に平均粒径
をとってあり、これらの関係を示しである。この結果と
して付着力は前記定数α=l〜2の範囲が優れていると
いうことが得られた。
係を示すグラフであって縦軸に付着力、横軸に平均粒径
をとってあり、これらの関係を示しである。この結果と
して付着力は前記定数α=l〜2の範囲が優れていると
いうことが得られた。
また、前述の定数αはZr0z粉末だけでなく TiO
□。
□。
3A ffi 203・2SiOz粉末時でも適用でき
ることが確認された。
ることが確認された。
なお、前述した粉末の平均粒径は正視分布で標準偏差が
10μmの範囲をもつ粒径の平均値である。
10μmの範囲をもつ粒径の平均値である。
次に前述した如き本発明法を用いて実際に傾斜溶射を実
施した結果について説明する。
施した結果について説明する。
まず、金属粉末として平均粒径81μmのNi−50χ
Crの粉末を使用し、セラミックス粉末としてZrO□
。
Crの粉末を使用し、セラミックス粉末としてZrO□
。
Tie、、 3A l zOs ’ 2SiOzの3種
類の粉末を使用し、第1表の溶射条件にて第3図に示す
如き傾斜皮膜を作成し、セラミックスの平均粒径と皮膜
の付着力との関係を調査した。
類の粉末を使用し、第1表の溶射条件にて第3図に示す
如き傾斜皮膜を作成し、セラミックスの平均粒径と皮膜
の付着力との関係を調査した。
なお、前述のZrO,、Ti0z、 3A l zOs
・2SiOzのセラミックス粉末の平均粒径は前記(
9)式によって得られる範囲内の平均粒径を有する粉末
と種々平均粒径を変化させたセラごツクス粉末とを使用
した。その結果を第2表に示す。
・2SiOzのセラミックス粉末の平均粒径は前記(
9)式によって得られる範囲内の平均粒径を有する粉末
と種々平均粒径を変化させたセラごツクス粉末とを使用
した。その結果を第2表に示す。
(以下余白)
第2表に示すように、金属粉末の平均粒径とセラミック
ス粉末の平均粒径との比を本発明法で示す範囲内に規定
したN。、1〜3は高い付着力を示すのに対し、本発明
法で示す範囲内を外れたN。。
ス粉末の平均粒径との比を本発明法で示す範囲内に規定
したN。、1〜3は高い付着力を示すのに対し、本発明
法で示す範囲内を外れたN。。
4〜9は極めて付着力が低い。
[効果]
以上詳述した如く本発明に力)かる傾斜溶射方法は溶射
する金属粉末の平均粒径をセラミックス粉末の平均粒径
よりも所定量大きくして溶融し難くしたため、単一の溶
射装置における同一溶射条件にて金属とセラミックスと
を安定に溶射することが可能となり、また、皮膜の付着
力も強固なものとすることができる等本発明は優れた効
果を奏する。
する金属粉末の平均粒径をセラミックス粉末の平均粒径
よりも所定量大きくして溶融し難くしたため、単一の溶
射装置における同一溶射条件にて金属とセラミックスと
を安定に溶射することが可能となり、また、皮膜の付着
力も強固なものとすることができる等本発明は優れた効
果を奏する。
第1図は本発明に係る傾斜溶射方法を実施するために使
用するプラズマ溶射装置のプラズマ溶射ノズル近傍の模
式的断面図、第2図はZrO□皮膜の付着力と、その平
均粒径との関係を示すグラフ、第3図は溶射皮膜の模式
的断面図、第4図はZrO□皮膜の付着力と、その平均
粒径、との関係を示すグラフ、第5図は傾斜組成皮膜の
模式的断面図である。 4 ・・・基牟反 5 ・・・皮膜
用するプラズマ溶射装置のプラズマ溶射ノズル近傍の模
式的断面図、第2図はZrO□皮膜の付着力と、その平
均粒径との関係を示すグラフ、第3図は溶射皮膜の模式
的断面図、第4図はZrO□皮膜の付着力と、その平均
粒径、との関係を示すグラフ、第5図は傾斜組成皮膜の
模式的断面図である。 4 ・・・基牟反 5 ・・・皮膜
Claims (1)
- 1.金属材に対して金属粉末及びセラミックス粉末を同
時に溶射し、前記金属材から離れるに従いセラミックス
の金属に対する割合が大である皮膜を前記金属材に付着
させる傾斜溶射方法において、 前記金属粉末の平均粒径とセラミックス粉 末の平均粒径との比を、金属粉末の熱拡散率とセラミッ
クス粉末の熱拡散率との比の平方根に関連づけて定める
ことを特徴とする傾斜溶射方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1223687A JPH0645865B2 (ja) | 1989-08-30 | 1989-08-30 | 傾斜溶射方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1223687A JPH0645865B2 (ja) | 1989-08-30 | 1989-08-30 | 傾斜溶射方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0387346A true JPH0387346A (ja) | 1991-04-12 |
JPH0645865B2 JPH0645865B2 (ja) | 1994-06-15 |
Family
ID=16802076
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1223687A Expired - Lifetime JPH0645865B2 (ja) | 1989-08-30 | 1989-08-30 | 傾斜溶射方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0645865B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009011342A1 (ja) * | 2007-07-13 | 2009-01-22 | Kagoshima University | スプレーガンとその制御システム |
JP2018168474A (ja) * | 2014-09-17 | 2018-11-01 | 東京エレクトロン株式会社 | プラズマ処理装置用の部品の製造方法 |
-
1989
- 1989-08-30 JP JP1223687A patent/JPH0645865B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009011342A1 (ja) * | 2007-07-13 | 2009-01-22 | Kagoshima University | スプレーガンとその制御システム |
JPWO2009011342A1 (ja) * | 2007-07-13 | 2010-09-24 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | スプレーガンとその制御システム |
JP2018168474A (ja) * | 2014-09-17 | 2018-11-01 | 東京エレクトロン株式会社 | プラズマ処理装置用の部品の製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0645865B2 (ja) | 1994-06-15 |
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