JPH0421756A - TiAl系金属間化合物層の製造方法 - Google Patents

TiAl系金属間化合物層の製造方法

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JPH0421756A
JPH0421756A JP2123307A JP12330790A JPH0421756A JP H0421756 A JPH0421756 A JP H0421756A JP 2123307 A JP2123307 A JP 2123307A JP 12330790 A JP12330790 A JP 12330790A JP H0421756 A JPH0421756 A JP H0421756A
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隆 森川
Hiroyuki Shamoto
社本 裕幸
Yoshiki Tsunekawa
好樹 恒川
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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T i A l系金属間化合物層の製造方法に
関する。
[従来の技術] T i −A I 2元系において、常温における49
〜55原子%Alの組成域において、金属間化合物T 
i A lが存在する。このT i A l金属間化合
物は、比重が小さく、高温強度、耐酸化性に優れている
ため、軽量の耐熱材料として、有望視されている。
しかしながら、このT i A l金属間化合物は、他
の金属間化合物と同様に、通常の金属や合金にくらべて
脆く、常温延性に乏しく、まだ本格的に実用化されてい
ない、そのため、比較的延性の出やすいTi′Frりの
TiAl÷Ti5Al相境界に近い組成の化合物を中心
に、延性を改良する研究が続けられている。
また、Tiは溶融状態で非常に活性な金属であるため、
カルシア製のるつぼを用い真空誘導溶解する方法が提案
されており(特開昭61−223172号公報)、T 
i A Iが難加工性であるため、AlおよびTiの粉
体混合物と密封容器中で成形した後焼結する粉末冶金の
手法が提案されている(特開昭62−70531号公報
)、さらに、TiA金属間化合物の加工方法として、耐
熱合金からなるシース材を用いた恒温鍛造法が提案され
ている(特開昭61−213361号公報)。
[発明が解決しようとする課題] そこで、T i A l系金属間化合物の高温強度およ
び耐酸化性を利用する方法として、部材の表面にT i
 A l系金属間化合物を金属溶射により盛金する方法
が考えられる。しかしながら、部材の表面にTiAl層
を金属溶射により盛金するには、高価なTiAl粉末を
用いる必要があり、その場合にはTiAlの組成および
量を容易に変えることが困難であるため、盛金の条件を
うまくコントロールしないと割れが生じるという欠点が
ある。
かかる問題点を解決すべ〈発明者等は先にTiAl系化
合物層の形成方法の発明を出願しており、その要旨は重
量比で7〜43%のAl粉末を含有するTi粉末を溶射
材料として、減圧プラズマ溶射することにある。
また、高温学会誌(Vol、10.1984.P249
)には、窒素雰囲気中でN2ガスプラズマを形成し、T
i粉末を溶射してTi皮膜中に硬質のTi窒化物を形成
させて、耐摩耗性を著しく向上することが示されている
さらに、特開昭62−199764号公報の発明は、T
 i A I材料の特性改善のため、第3元素を合金添
加により固溶すること、または熱拡散法により固溶させ
ることが極めて困難であることに鑑みてなされたもので
、T i A 1基合金材料の表面にイオン注入法によ
りNイオンを注入することが提案されている。
しかしながら、前記のALE含有するTi粉末を減圧プ
ラズマ溶射する第1の提案においては、TiAl系金属
間化合物のみの被覆層であり、たとえ第3の合金元素が
添加できたとしても、硬さが不十分で耐摩耗性が十分で
ない、また、窒素ガスをプラズマガスとする第2の提案
においては、マトリクスがTiのため耐酸化性が悪く、
約600℃以上にさらされる部位には使用できないとい
う欠点がある。さらに、イオン注入法を用いる第3の提
案においては、イオン注入深さが一般に1<(1μ−以
下)、信頼性に欠けるとともに生産性も良くない。
本発明はTiAl系金属間化合物層の製造方法における
前記のごとき問題点を解決すべくなされたものであって
、耐摩耗性および耐酸化性が良好で、かつ数100μ麹
程度の厚さの被覆層が容易に得られるT i A l系
金属間化合物層の製造方法を提供することを目的とする
[課題を解決するための手段] 本発明のT i A l系金属間化合物層の製造方法は
、重量比で20〜63%のAI粉末を含有するTi粉末
を溶射材料とし、窒素ガスをプラズマガスとして反応性
減圧プラズマ溶射することを要旨とする。
溶射材料として用いるTi粉末に混合するAl粉末量の
重量比が20%未満であるとTiが大量に残留し、耐酸
化性が著しく悪くなる。また、Al粉末の重量比が63
%を越えると、生成した化合物にAIが残存し、TiA
l皮膜の耐摩耗性、耐酸化性等の特性を著しく劣化させ
て好ましくない。
減圧プラズマ溶射は、溶射ガン、基材移動装置および基
材を、減圧無酸素状態に制御できる減圧室内に組み込ん
でプラズマ溶射を行う従来から公知の減圧プラズマ溶射
装置を用いて行う。
減圧プラズマ溶射を行う際の減圧室の内圧は、200 
Lorr以下とすることが好ましい、減圧室の内圧が2
00 torrより高い場合は、Ti、AIの液滴から
の雰囲気への放熱が多くなり、液滴が基材に到達する前
に凝固しやすくなる。このため、生成した皮膜がポーラ
スとなり、密着性が悪くなる。
減圧室の内圧は、低くなればなる程、液滴の温度が上が
り、TiAl皮膜の生成には有利である。
また、プラズマ溶射を行う基材の移動速度が小さくなれ
ばなる程、減圧室の内圧が低くなればなる程、基材の温
度は上昇するが、減圧プラズマ溶射時においては、基材
の温度は630°C以上に保つ必要がある。基材の温度
が630℃未満であると、T i A l系金属間化合
物および一部の窒化物(Ti−AIN系窒化物)は殆ど
生成されない、従って、減圧プラズマ溶射に際しては、
基材移動速度、基材冷却方法、減圧室の内圧を適宜に選
択して、基材の温度と630°C以上に保つことが必要
である。
プラズマ生成のための雰囲気ガスとしては、N2とN2
の混合ガスまたは、N2羊独ガスを用いることができる
。N、とN2の混合ガスとすることでプラズマ温度が上
がり、その結果基材の温度も上がり、T i A l基
金Ii!:開化合物および一部の窒化物(Ti−AI−
N系窒化物)の生成には有利て′ある。
なお、N2ガス量はプラズマ発生の着火が起きさえすれ
ば良く、一般に多いほど高温になるため多量の混合粉末
を処理でき、生産性は高くなる。
[作用] 電極と基材の間に発生したメインアークは、作動ガスと
ノズルによって、収束されてプラズマ柱となる。このプ
ラズマ柱の中へAl粉末を混合したTi粉末を供給して
溶融し、さらにプラズマアークにより、基材表面に溶融
溶着させる。
溶着された盛金の組成範囲は、溶射材料であるTi粉末
中に混合するAl粉末の量によって、自由に調整するこ
とができる。また、プラズマ溶射条件あるいは減圧室の
内圧および基材の温度を適宜選択することにより、T 
i A I基金属間化合物層が盛金される。
プラズマジェットは化学的に極めて活性で反応性に富ん
だ状態にあり、本発明方法では7素雰囲気中でN2ガス
プラズマが形成されるので、TiAl−N系窒化物が形
成される。このT i −AN系窒化物は硬質で、T 
i A I基金属間化合物層に分散されるので、従来法
で製造したものより硬さが高く、耐摩耗性に優れている
。また、T i −A 1−N系窒化物の形成割合は、
プラズマ電流、溶射距離等によって変えることができる
[実施例] 本発明の好適な実施例について説明し、本発明の効果を
明らかにする。
(実施例1) 第1表に示す種々の重量比の純Al粉末を混合した粒度
44μ以下の純Ti混合粉末を溶射材料として、所定の
真空度にしてN2雰囲気を維持しつつ、第1表に示す溶
射条件で、溶射直前にブラスト処理を行ったSS41製
の基材に、反応性減圧プラズマ溶射を行い、溶射皮膜を
盛金した。
得られた溶射皮膜について、X線回折法により生成した
化合物を測定したところ、第2表に示すような結果を得
た。
(以下余白) 第2表に示されたように、混合粉末のAI配合比が20
%未満である場合はTiが、混合粉末のAl配合比が6
3%を越えるとAlが、それぞれ溶射層に多量に残存す
ることが判明した。これに対して、AI配合比が20〜
63%ではT i A l系金属間化合物が主成分であ
ることが確認された。また、Al配合比が高くなるにつ
れて、Al含有量の高いT i A l系金属間化合物
に変化している。
一方、強化相となる窒化物も同時に生成し、特にAI配
合比が10〜63%において、T i A l系の窒化
物が生成していることが判明した。また、AI配合比が
高くなるにつれて、AI含有量の高い窒化物に変化して
いる0代表例として、36%AIの混合粉末を使用して
、本発明方法により製造した溶射層のX線回折線口を第
2図に示す。
(実施例2) 従来例として重量比で64%の純Tiおよび36%の純
Alの混合粉末を溶射材料として、第3表に示す従来方
法の減圧プラズマ溶射条件で、5S41製の基材の上に
、溶射皮膜を盛金した。
得られたこの従来例の溶射皮膜と、本発明例として実施
例1で得られた溶射皮膜の内36%の純Al粉末を混合
したものについて、種々の温度における硬度を測定し、
得られた結果を第112Iに示した。
第1図に示したように、本発明方法で得られた溶射皮膜
は、従来法で得られた溶射皮膜よりも、すべての温度で
はるかに高い硬度を示し、本発明方法で得られた溶射皮
膜の方が優れた耐摩耗性を持つことが確認された。
(実施例3) 36%純A純金1有する純Ti混合粉末を使用し、実施
例1で本発明方法で製造した溶射皮膜と、従来例として
純Ti粉を使用し窒素雰囲気中でN2ガスプラズマを形
成して反応性減圧プラズマ溶射して製造した溶射皮膜と
を、大気中800℃で200時間保持し、表面状態の比
較を行った0本発明方法による溶射皮膜は試験後も特に
ま著な変化はなく良好であったが、従来例として製造し
た溶射皮膜は、表面に酸化スケールが生成し、かなりの
剥離がみられた。この結果、本発明方法による溶射皮膜
は耐酸化性が良好であることが確認された。
[発明の効果] 本発明のTiAl系金属間化合物層の製造方法は以上詳
述したように、重量比で20〜63%のA粉末を含有す
るT1粉末′5:溶射材料として、窒素ガスをプラズマ
ガスとして反応性減圧プラズマ溶射することを特徴とす
るものであって、プラズマ柱の中へAI粗粉末混合した
Ti粉末を供給して溶融することによって、TiAl系
金属間化合物層を製造することができ、その上基材表面
に溶M溶着されるTiAl系金属閉化合物層の組成範囲
は、溶射材料であるTi粉末中に混合するA!粉末の量
によって、自由に調整することができる。また、化学的
に極めて活性で反応性に富んだプラズマジェットを窒素
雰囲気にすることにより、N2ガスプラズマが形成され
るので、溶射皮膜中に硬質のTiAl−N系窒化物が形
成され、製造されたTiAl系金属間化合物層の耐摩耗
性および耐酸化性を著しく向上することができる。さら
に、AIとTの混合比を変えることにより、溶射皮膜の
硬さを容易に選択することができるので、摺動部材に用
いる場合には、相手材の硬さに応じた硬さにすることで
、自己摩耗と相手攻撃性を兼ね備えた材料とすることが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明方法により形成された溶射皮膜層と従来
方法で形成された溶射皮膜層の各種温度における硬度を
示す線区、第2図は本発明方法で形成されたT i A
 I基金属間化合物層(Ti+36%AI)のX線回折
図形である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)重量比で20〜63%のAl粉末を含有するTi
    粉末を溶射材料とし、窒素ガスをプラズマガスとして反
    応性減圧プラズマ溶射することを特徴とするTiAl系
    金属間化合物層の製造方法。
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