JPH0466656A - 混合溶射被覆層形成方法 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、金属のみでは適用困難な超耐熱耐久性か要求
される環境において使用可能な複合被覆材料に関し、詳
しくは超耐熱金属粉末と超耐熱セラミックスとにより成
分を連続的に変化させた超耐熱被覆層を形成する混合溶
射方法に関するものである。

［従来の技術］ 極限状態で使用される材料はいわゆる超特性を有してい
ることが必要であるが、近年開発中あるいは次世代とし
て考えられている宇宙、航空、核融合炉等の分野におい
ては、超高温で使用されても耐久性のある材料が要求さ
れている。

例えば、宇宙往還機（スペースブレーン）を完全再使用
する場合は、その先端ノーズ部における熱防御材料は、
表面温度２０００Ｋ　、温度落差１０００Ｋに耐える必
要がある。

一般に超耐熱・耐久材料としては、Ｎｉ基超超耐熱合金
Ｆｅ基超超耐熱合金Ｇｏ基超超耐熱合金用いられている
が、いずれも９００℃以下でしか使用できない。

これ以上の高温領域においてはセラミックス被覆か金属
の上に施されて用いられるか、高温・低温の熱的縁り返
しがある環境においては破壊、脱落が生じ耐久性に欠け
る難点があった。

［発明が解決しようとする課題］ 超高温および極めて大きい温度落差のある環境において
使用可能な材料として耐熱セラミックスと超耐熱合金と
からなる複合材料が考えられているか、大きな熱応力か
生じる事により両者の接合部が剥離する。

従って、耐熱セラミックス・超耐熱合金複合材料は超耐
熱合金のみよりはもちろん耐熱・耐久性に優れているも
のの宇宙往還機のような材料としての耐久性は満足しな
い。

そこで、本発明は耐熱セラミックスと超耐熱金属とから
なる溶射皮膜層において超高温、大温度落差環境下での
皮膜破壊、界面剥離を防止する超耐熱皮膜を混合溶射法
にて製造することにより長寿命化という難問題の解決を
図った。

［課題を解決するための手段］ 本発明は超高温・大温度落差環境下て使用可能な超耐熱
溶射被覆層の形成を可能としたものである。

耐熱セラミックスと超耐熱金属とから構成される傾斜皮
膜の製造に際しては、両者の混合が適正に行われ、しか
も目的とする組成濃度て構造制御されねばならない。し
かし、従来の溶射方法による異種材料混合溶射方法では
、一つの溶射カンに一つもしくは二つの粉末投入孔から
異種材料を一緒もしくは個別に投入する方法が用いられ
ているか、一つの投入孔に異種材料を一緒に投入する場
合は、プラズマ・ジェットを貫通してしまう未溶融粉末
粒子量が多いことから皮膜構成率を下げることになり、
いわゆる歩留りを悪くするために適正な構造制御が困難
である。また、二つの投入孔から異種材料を個別に投入
する方法では、プラズマ・ジェットがおおきく楕円状に
変形することにより皮膜内部で異種材料が均一に混合せ
ず分離層が生じる。

本発明者らは、上記のｔ見合皮膜製造に際し、これらの
問題点を解決するために、一つの溶射ガンに四つ以上の
複数個の粉末投入孔を設け、溶射を行えば歩留りか良く
、均質な混合皮膜の構造制御か行えることを見いたし、
本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の要旨とするところは、１、等間隔の
位置に配設されたｍ×ｎ個の投入孔を有する一つの溶射
ガンにより、ｍ種類（ｍ≧２）の粉末を用いて同時溶射
を行う場合、溶射ガンのカソードを対称軸とした０回対
称（ｎ≧２）の位置にあるｎ個の粉末投入孔より同種類
の粉末を供給して溶射することを特徴とする混合溶射被
覆層形成方法。または ２、各々の孔に粉末送給量制御機能をもたせることを特
徴とする上記１項記載の混合溶射被覆層形成方法。また
は ３、溶射雰囲気を減圧下とすることを特徴とする上記１
または２項記載の混合溶射被覆層形成方法にある。

以下、本発明の詳細な説明する。

［作用コ ここて−・つの溶射ガンにより、二種以上の粉末を用い
て同時溶射を行う場合、溶射ガンに予め四つ以上からな
る複数個の粉末投入孔を設けておき、溶射することによ
ってもたらされる作用について第１図〜第４図を参照し
ながら説明する。

なお、本発明では二種以上の粉末の材質については任意
に選択出来るのであるが、ここでは便宜上セラミックス
と金属粉末による傾斜被覆形成の方法を例にとり作用を
説明する。一つの溶射ガンを用いて傾斜被覆層を形成す
る際には二種以上の粉末を用いて連続的に投入粉末の比
率を変化させなから溶射を行うか、通常第１図に示すご
とく、溶射ガン１のタングステン電極（カソード）２に
対称的に配置された二つの粉末投入孔（Ｐａ、　Ｐｂ）
によりそれぞれセラミックス粉、金属粉を投入して行わ
れるか、説明を簡潔にするためにセラミックスと金属粉
の投入比率を同じにして溶射すると、第２図に示すよう
に被溶射物４上の被覆層３中央部では適正な混合比率の
組成が成立するが、端部側においてはセラミックスＣと
金属Ｍの成分濃度偏析が生しることにより、被覆層全域
での均質な組成を得ることか困難となる。

本発明者らは前記のように溶射ガンに対称的に配置され
た二つの投入孔だけでセラミックスと金属の粉末を投入
すると、プラズマジェットの形状を乱す原因となるもの
と考え、プラズマジェットの流れを安定に保持しつつ異
種材料の投入が同時に行える方法について種々検討した
ところ、タングステン電極に対して対称的に四つ以上の
投入孔を設け、相対するそれぞれの投入孔よりセラミッ
クス粉と金属粉を投入すわば、プラズマジェットの流れ
を乱さす被溶射物上に形成される被覆層の全域にわたっ
て適正な混合組成が得られるとの知見を得た。

第３図に示すようにタングステン電極２に対して対称的
に四つの投入孔を配置し、例えば相対する投入孔ｐ、、
　ｐｃからセラミックス粉、ｐｂ、　ｐ、から金属粉を
投入して溶射を行ったところ、プラズマジェットの形状
的な乱れを起こす事なく、第４図の３′に示すごと〈溶
射被覆層全域にわたって均質な混合層が得られた。

次に、粉末投入孔に粉末を供給する方法は各種考えられ
るか、連続的にセラミックスと金属の成分組成を変化さ
せる、いわゆる傾斜被覆層を高精度な変化率で得るため
の粉末供給方式について検討を行フたところ、各々の粉
末投入孔個別に粉末供給器を直結させることが最も組成
比率を精密に変化せしめる方法であることが判明した。

すなわち、各々の投入孔からの粉末投入量の変化を対称
的に正確に制御することができるためにプラズマジェッ
トの形状を安定に保持することが可能となったためであ
る。又、末法について溶射を減圧雰囲気下で行ういわゆ
る減圧プラズマ溶射法にて実施するとその効果は更に顕
著となった。

減圧溶射法は真空チャンバー内を真空排気後アルゴンガ
ス等の不活性ガスで置換し所定の減圧下でプラズマジェ
ットを発生させ溶射を行うものであるが、減圧下ではプ
ラズマジェットの形状は長大化しそれに伴い溶射ガンと
被溶射物との距離も大きくなるために、プラズマジェッ
トの形状の乱れによる被溶射物上の被覆層の混合組成の
不均質性は増長される。

これに対し本発明による等間隔の位置に配設されたｍＸ
ｎ個の投入孔を有する一つの溶射ガンにより、ｍ種類（
ｍ＝２）の粉末を用いて同時溶射を行う場合、溶射ガン
のアノードを対称軸としたｎ回対称（ｎ＝２）の位置に
あるｎ個の粉末投入孔より同種類の粉末を供給して混合
溶射すると、長大なプラズマジェットにもかがねらず形
状の乱れを発生させないで被溶射物上全域に均質な混合
被覆層が得られた。

第５図にこむまでの発明により得られる傾斜被覆層の模
式図を示す。又、ｍ＝３の場合あるいはｎ＝３の場合に
ついても良好な結果が得られることは言うまでもない。

以下に本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

［実施例１コ 本発明に基づく効果を確認するために四つの投入孔を設
けた溶射ガンを用い減圧下て溶射を行い被溶射物上に形
成される被覆層の断面を観察した結果、被覆層内全域で
組成濃度偏析のない均質な混合層が得られることか確認
できた。なお、粉末投入孔の記号は第３図に準するもの
とする。

（１）溶射粉末　　セラミックス；　ＺｒＯ２８％１Ｙ
２０３金属　　　　；　Ｎｉ−２０（：ｒ合金（２）粉
末供給量　セラミックス ；Ｐａ、Ｐｃ各孔　２０多孔ｗｉｎ 金属 ；ｐ、、ｐ、各孔　２０多孔ｍ１ｎ （３）粉末供給ガス量 減圧雰囲気 溶射距離 溶射電流 プラズマガス ；多孔　１０１１　／１ｎｉｎ　（アルゴン）；　２０
０Ｔｏｒｒ ；　２００＋ｎｍ ；　１４００Ａ アルゴン；　１２０４２　／１ｎ５ｎ 水素　　；　２０４２７ｍ１ｎ （８）被溶射物　　；軟鋼（板厚　］　Ｏｍｍ　）溶射
後、被覆層断面をＭ徴鏡観察するとともに写真を画像解
析することにより均一に混合された組成構造であること
を確認した。

［実施例２］ 次に同しく本発明の効果を確認するために、前述と同じ
溶射ガンを用いて投入孔よりのセラミックスと金属粉末
の供給比率の割合を変化させて連続的に成分組成を変え
た混合溶射被覆層形成の実施条件について記述する。セ
ラミックスおよび金属粉の供給比率は第６図に示すよう
に５段階の比率設定を行フた。なお四つの粉末投入孔の
各々の最大粉末供給量は２０ｇ／ｍｉｎに設定した。

（１ン溶射粉末　　セラミックス；　ＺｒＯ２−８％Ｈ
Ｙ２０゜金属　　　　；　Ｎｉ−２０Ｃｒ合金 （２）粉末供給量　セラミックス ；Ｐａ、Ｐｃ各孔　０〜多孔ｇ／ｍｉｎ金属 ；Ｐｂ、Ｐｄ各孔　２（多孔Ｏｇ／ｍ１ｎ（３）粉末供
給ガス量 ：番孔　１０４！　／ｍｉｎ　（アルゴン）（４）減圧
雰囲気　；　２００Ｔｏｒｒ（５）溶射距離　　；　２
００ｍｍ （６）溶射電流　　、　＋４０ＯＡ （７）プラズマガス　アルゴン；　１２０　ｎ／ｌｌ１
ｉｎ水素　　；　２０Ｉｌ／ｍ１ｎ （８）被溶射物　　；銅　（板厚　５＋ｎｍ）末法によ
りＺｒ０２−８９６Ｙ２０３とＮｉ−２０Ｃｒ合金の粉
末供給量を直線状の濃度勾配がつくように溶射被覆層内
を構造制御した。試験片は直径３０ｍｏ＋の表面に被覆
層１ｍｍ厚とした。本試験片は銅基材側を液体窒素で冷
却されるようにおき溶射被覆層表面のＺｒＯ□−８＊Ｙ
２Ｏ３側を３０ＫＷランプ加熱源により照射をＯＮ、Ｏ
ＦＦする加熱−冷却の繰り返し試験を行った。表面温度
１５００℃で１００回行った後表面部と被覆断面を顕微
鏡観察してクランクの発生状況を観察した。その結果全
くクランクか発生せず優れた性能を示した。裏面との温
度落差も９００℃となり優れた断熱性能を有していた。

［発明の効果］ 以上の如く本発明は一つの溶射ガンにより二つ以上の異
種材料からなる渾合溶射被覆層を工業的に容易に製造す
ることを可能としたために、宇宙往還機、原子炉用材料
等の製造に寄与することができるために利点が大きく、
極めて工業的に有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は中心電極をはさんで対称位置にある二つの粉末
投入孔を有する溶射ガンの説明図、第２図は第１図の溶
射ガンを用いて溶射を行った場合の被覆状態を示す説明
図、第３図は中心電極をはさんで対称位置にある四つの
粉末投入孔を有する溶射ガンの説明図、第４図は第３図
の溶射ガンを用いて溶射を行った場合の被覆状態を示す
説明図、第５図は本発明により得られた傾斜被覆層の模
式図、第６図は本発明の実施例におけるセラミックスと
金属粉の供給比率の一例を示すグラフである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．等間隔の位置に配設されたｍ×ｎ個の投入孔を有す
   る一つの溶射ガンにより、ｍ種類（ｍ≧２）の粉末を用
   いて同時溶射を行う場合、溶射ガンのカソードを対称軸
   としたｎ回対称（ｎ≧２）の位置にあるｎ個の粉末投入
   孔より同種類の粉末を供給して溶射することを特徴とす
   る混合溶射被覆層形成方法。
2. ２．各々の孔に粉末送給量制御機能をもたせることを特
   徴とする請求項１記載の混合溶射被覆層形成方法。
3. ３．溶射雰囲気を減圧下とすることを特徴とする請求項
   １または２記載の混合溶射被覆層形成方法。