JPH05209807A - 高温風洞試験装置用ノズル - Google Patents
高温風洞試験装置用ノズルInfo
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- JPH05209807A JPH05209807A JP1470792A JP1470792A JPH05209807A JP H05209807 A JPH05209807 A JP H05209807A JP 1470792 A JP1470792 A JP 1470792A JP 1470792 A JP1470792 A JP 1470792A JP H05209807 A JPH05209807 A JP H05209807A
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- Japan
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- nozzle
- tbc
- wind tunnel
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- temperature wind
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- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】地上で航空機用エンジンの性能を評価する高温
風洞試験装置の性能を向上させるためのノズル内壁への
遮熱コーティングの開発。 【構成】ノズル３の内壁への遮熱コーティング１３の厚
さが、その場所にかかる熱負荷の程度により連続的に変
化している高温風洞試験装置用ノズル。 【効果】場所によってかかる熱負荷の程度が違っても、
遮熱コーティングの厚さが連続的に変化しているため信
頼性に優れた遮熱コーティングが得られる。
風洞試験装置の性能を向上させるためのノズル内壁への
遮熱コーティングの開発。 【構成】ノズル３の内壁への遮熱コーティング１３の厚
さが、その場所にかかる熱負荷の程度により連続的に変
化している高温風洞試験装置用ノズル。 【効果】場所によってかかる熱負荷の程度が違っても、
遮熱コーティングの厚さが連続的に変化しているため信
頼性に優れた遮熱コーティングが得られる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、極めて高い性能（目標
とするノズルマッハ数：１０〜、現状のノズルマッハ
数：〜６）を付与することを目的に、内壁に厚さが連続
的に変化した遮熱コーティング層を有する高温風洞試験
装置用ノズルの構造に関する。
とするノズルマッハ数：１０〜、現状のノズルマッハ
数：〜６）を付与することを目的に、内壁に厚さが連続
的に変化した遮熱コーティング層を有する高温風洞試験
装置用ノズルの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、宇宙開発は通信・放送・観測・探
査等の分野では実用期を迎えているが、今後さらに活発
な宇宙活動への展開が予想されている。これらの宇宙開
発を行なっていくうえでの交通手段としては、現在のと
ころスペースシャトルが唯一の手段である。しかし、ス
ペースシャトルは安全性・信頼性・経済性・自在性等の
点で問題を抱えている。そのため各国でスペースプレー
ンの研究・開発が盛んに行なわれている。スペースプレ
ーンは水平離着陸方式の再使用型有人宇宙往環機であ
り、航空機，宇宙輸送機及び軌道上宇宙機の機能を基本
的に併せもったものである。そのため加速上昇時の空気
力の利用，空気の推進剤としての積極的な利用・構造重
量・空気抵抗の大幅な軽減等による飛行限界・性能限界
の飛躍的な拡大が必須となる。これらの点を考慮する
と、スペースプレーンのエンジンとして空気吸込み式エ
ンジンの開発を行うことが、重要な要素を占めてくる。
しかし現在のところ、国内には本格的なエンジン燃焼試
験を行うことができる高温風洞試験装置が開発されてい
ない。図１に、本発明で対象とする高温風洞試験装置の
概略図を示す。このような高温風洞試験装置では、高温
・高圧の空気源を作る方法として、アーク放電，蓄
熱器，希薄燃焼器の３種類の方法が提案されている。
図２に、高温風洞試験装置用ノズルの断面模式図を示
す。高温風洞試験装置用ノズル内に前述した，，
のいずれの方法で高温ガスを流した場合でも、高温ガス
によるノズルの内壁面の加熱はノズルのスロート部分で
最大になる。このため、従来技術ではノズルのスロート
部分の耐熱強度の確保と熱による変形を防止するため
に、ノズルのスロート部分に冷却を行っていた。しか
し、このようにノズルのスロート部分を冷却すると、ノ
ズル出口部分の気流の総温が低下するので、ノズルの性
能が劣ってしまう。そこで、熱応力緩和型の遮熱コーテ
ィングをノズルの内壁へ施す技術が検討されてきた。従
来技術では、この遮熱コーティングはＺｒＯ2 系セラミ
ックス単層を、一様な厚さでコーティングしたものであ
った。しかし、本発明で対象としている高温風洞試験装
置用ノズルは、図２に示したように、燃料ガスをスロー
ト部で絞り込む構造となっており、その各場所によって
ノズルにかかる熱負荷の度合いは異なる。つまり、場所
によって必要となる遮熱コーティング(以下ＴＢＣ)の膜
厚は異なることになる。そこで、従来技術のように一様
な厚さをもった遮熱コーティングでは信頼性の点で問題
が生じてしまう。また、ＺｒＯ2 系セラミックス単層の
コーティングでは、さらに実機に近いより厳しい熱負荷
条件で試験を行なうと、さらに大きな熱応力が発生して
しまい、ＴＢＣに損傷が生じてしまう可能性がある。そ
こで、特開昭62−156938号公報に提案されているよう
に、ＴＢＣの組成を基材成分から遮熱のためのセラミッ
クス成分へと連続的に変化させ、熱応力を緩和させる傾
斜被覆層（以下ＦＧＭ）を設ける必要がある。本発明で
は、ＦＧＭ層の上に遮熱のためのＺｒＯ2 系セラミック
スを設けた２層コーティングを考案した。以上の点か
ら、ノズルの内壁に施すＴＢＣの厚さが連続的に変化し
ており、ＴＢＣ内のＦＧＭ層の組成が任意に変化してい
るようなコーティング技術が求められていた。
査等の分野では実用期を迎えているが、今後さらに活発
な宇宙活動への展開が予想されている。これらの宇宙開
発を行なっていくうえでの交通手段としては、現在のと
ころスペースシャトルが唯一の手段である。しかし、ス
ペースシャトルは安全性・信頼性・経済性・自在性等の
点で問題を抱えている。そのため各国でスペースプレー
ンの研究・開発が盛んに行なわれている。スペースプレ
ーンは水平離着陸方式の再使用型有人宇宙往環機であ
り、航空機，宇宙輸送機及び軌道上宇宙機の機能を基本
的に併せもったものである。そのため加速上昇時の空気
力の利用，空気の推進剤としての積極的な利用・構造重
量・空気抵抗の大幅な軽減等による飛行限界・性能限界
の飛躍的な拡大が必須となる。これらの点を考慮する
と、スペースプレーンのエンジンとして空気吸込み式エ
ンジンの開発を行うことが、重要な要素を占めてくる。
しかし現在のところ、国内には本格的なエンジン燃焼試
験を行うことができる高温風洞試験装置が開発されてい
ない。図１に、本発明で対象とする高温風洞試験装置の
概略図を示す。このような高温風洞試験装置では、高温
・高圧の空気源を作る方法として、アーク放電，蓄
熱器，希薄燃焼器の３種類の方法が提案されている。
図２に、高温風洞試験装置用ノズルの断面模式図を示
す。高温風洞試験装置用ノズル内に前述した，，
のいずれの方法で高温ガスを流した場合でも、高温ガス
によるノズルの内壁面の加熱はノズルのスロート部分で
最大になる。このため、従来技術ではノズルのスロート
部分の耐熱強度の確保と熱による変形を防止するため
に、ノズルのスロート部分に冷却を行っていた。しか
し、このようにノズルのスロート部分を冷却すると、ノ
ズル出口部分の気流の総温が低下するので、ノズルの性
能が劣ってしまう。そこで、熱応力緩和型の遮熱コーテ
ィングをノズルの内壁へ施す技術が検討されてきた。従
来技術では、この遮熱コーティングはＺｒＯ2 系セラミ
ックス単層を、一様な厚さでコーティングしたものであ
った。しかし、本発明で対象としている高温風洞試験装
置用ノズルは、図２に示したように、燃料ガスをスロー
ト部で絞り込む構造となっており、その各場所によって
ノズルにかかる熱負荷の度合いは異なる。つまり、場所
によって必要となる遮熱コーティング(以下ＴＢＣ)の膜
厚は異なることになる。そこで、従来技術のように一様
な厚さをもった遮熱コーティングでは信頼性の点で問題
が生じてしまう。また、ＺｒＯ2 系セラミックス単層の
コーティングでは、さらに実機に近いより厳しい熱負荷
条件で試験を行なうと、さらに大きな熱応力が発生して
しまい、ＴＢＣに損傷が生じてしまう可能性がある。そ
こで、特開昭62−156938号公報に提案されているよう
に、ＴＢＣの組成を基材成分から遮熱のためのセラミッ
クス成分へと連続的に変化させ、熱応力を緩和させる傾
斜被覆層（以下ＦＧＭ）を設ける必要がある。本発明で
は、ＦＧＭ層の上に遮熱のためのＺｒＯ2 系セラミック
スを設けた２層コーティングを考案した。以上の点か
ら、ノズルの内壁に施すＴＢＣの厚さが連続的に変化し
ており、ＴＢＣ内のＦＧＭ層の組成が任意に変化してい
るようなコーティング技術が求められていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】高温風洞試験装置のノ
ズルの内壁にＴＢＣを行なうことは装置の性能を向上さ
せるためには必須条件である。しかし、このような円筒
複雑形状の内壁に厚さを軸方向に連続的に変化させ、コ
ーティング層内の混合層の組成の変化を任意に行なうこ
とは従来技術では困難であった。
ズルの内壁にＴＢＣを行なうことは装置の性能を向上さ
せるためには必須条件である。しかし、このような円筒
複雑形状の内壁に厚さを軸方向に連続的に変化させ、コ
ーティング層内の混合層の組成の変化を任意に行なうこ
とは従来技術では困難であった。
【０００４】本発明の目的は、ノズルの各場所ごとに最
適な厚さとなるように、内壁に施すＴＢＣの厚さを軸方
向に連続的に変化させ、さらにノズル内に発生する熱応
力を最小にすることができるようにＴＢＣの組成を任意
に変化させた、高温風洞試験装置用ノズルを提供するこ
とにある。
適な厚さとなるように、内壁に施すＴＢＣの厚さを軸方
向に連続的に変化させ、さらにノズル内に発生する熱応
力を最小にすることができるようにＴＢＣの組成を任意
に変化させた、高温風洞試験装置用ノズルを提供するこ
とにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、高温風洞試験
装置用ノズルの内壁へ遮熱コーティングを行なう際に、
ダイナミックミキシング法とプラズマ溶射法の両方法を
用いることによりコーティング層の厚さを１０〜１５０
μｍの間で適宜連続的に変化させ、さらにコーティング
層内の組成が任意に変化していることを特徴とする。
装置用ノズルの内壁へ遮熱コーティングを行なう際に、
ダイナミックミキシング法とプラズマ溶射法の両方法を
用いることによりコーティング層の厚さを１０〜１５０
μｍの間で適宜連続的に変化させ、さらにコーティング
層内の組成が任意に変化していることを特徴とする。
【０００６】高温風洞試験装置用ノズルでは、その場所
によってノズル基材にかかる熱負荷の程度が異なる。そ
のためＴＢＣの厚さも場所によって変える必要がある。
熱負荷の厳しい、例えば、スロート部分のコーティング
は、ＰＶＤ法の１種であるダイナミックミキシング法で
行なうことが望ましい。熱負荷の厳しい部分では１０〜
３０μｍのＴＢＣが必要となり、この範囲の膜厚での組
成の制御が可能で、さらにイオン注入の効果により密着
性に優れたＴＢＣが得られるからである。なぜならば、
イオン注入を行なうことにより、基材及び各層間の界面
では、隣接する各層間の成分が相互に侵入しているた
め、密着力が向上するからである。その他の比較的熱負
荷の厳しくない部分では１００μｍ程度のＴＢＣが必要
なので、プラズマ溶射法を用いることが望ましい。そし
て、この両方法を組み合わせて使用することによって、
軸方向に連続的に厚さが変化したＴＢＣをもつノズルを
作製することができる。
によってノズル基材にかかる熱負荷の程度が異なる。そ
のためＴＢＣの厚さも場所によって変える必要がある。
熱負荷の厳しい、例えば、スロート部分のコーティング
は、ＰＶＤ法の１種であるダイナミックミキシング法で
行なうことが望ましい。熱負荷の厳しい部分では１０〜
３０μｍのＴＢＣが必要となり、この範囲の膜厚での組
成の制御が可能で、さらにイオン注入の効果により密着
性に優れたＴＢＣが得られるからである。なぜならば、
イオン注入を行なうことにより、基材及び各層間の界面
では、隣接する各層間の成分が相互に侵入しているた
め、密着力が向上するからである。その他の比較的熱負
荷の厳しくない部分では１００μｍ程度のＴＢＣが必要
なので、プラズマ溶射法を用いることが望ましい。そし
て、この両方法を組み合わせて使用することによって、
軸方向に連続的に厚さが変化したＴＢＣをもつノズルを
作製することができる。
【０００７】セラミックス被覆層は、耐熱性の点からＹ
2Ｏ3・ＣａＯ・ＭｇＯなどの酸化物の部分あるいは完全
安定化されたＺｒＯ2 系セラミックスを用いることが望
ましい。この層を最表面に設けることによって、遮熱の
効果を高める。
2Ｏ3・ＣａＯ・ＭｇＯなどの酸化物の部分あるいは完全
安定化されたＺｒＯ2 系セラミックスを用いることが望
ましい。この層を最表面に設けることによって、遮熱の
効果を高める。
【０００８】高温風洞試験装置用ノズルの材料として、
Ｃｕ又はＣｕ合金、あるいは、Ｎｉ基超合金が有力であ
るため、ＦＧＭ層のメタル成分は、（６〜２０）ｗｔ％
のＡｌを含有するＣｕ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅの少なくとも
一つを主成分とする合金あるいは、Ｎｉ−（１５〜２
５）ｗｔ％Ｃｒ合金を、セラミックス成分には最表面に
設けたのと同じジルコニア系セラミックスを用い、熱応
力を緩和させるためにその両成分の組成を連続的に変化
させるとよい。
Ｃｕ又はＣｕ合金、あるいは、Ｎｉ基超合金が有力であ
るため、ＦＧＭ層のメタル成分は、（６〜２０）ｗｔ％
のＡｌを含有するＣｕ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅの少なくとも
一つを主成分とする合金あるいは、Ｎｉ−（１５〜２
５）ｗｔ％Ｃｒ合金を、セラミックス成分には最表面に
設けたのと同じジルコニア系セラミックスを用い、熱応
力を緩和させるためにその両成分の組成を連続的に変化
させるとよい。
【０００９】
【作用】本発明において、ダイナミックミキシング法と
プラズマ溶射法を組み合わせてＴＢＣを作製することに
より、高温風洞試験装置用ノズル内で熱負荷の程度が違
っても対応できる作用を有する。ダイナミックミキシン
グ法のみでは厚さ数百μｍレベルのＴＢＣの作製は困難
であり、プラズマ溶射法のみでは厚さ数十μｍレベルの
ＴＢＣの組成の制御が困難である。すなわち、ダイナミ
ックミキシング法では熱負荷の厳しい部分の厚さ数十μ
ｍレベルのＴＢＣを作製し、プラズマ溶射法では比較的
熱負荷の厳しくない部分の厚さ数百μｍレベルのＴＢＣ
を作製する。
プラズマ溶射法を組み合わせてＴＢＣを作製することに
より、高温風洞試験装置用ノズル内で熱負荷の程度が違
っても対応できる作用を有する。ダイナミックミキシン
グ法のみでは厚さ数百μｍレベルのＴＢＣの作製は困難
であり、プラズマ溶射法のみでは厚さ数十μｍレベルの
ＴＢＣの組成の制御が困難である。すなわち、ダイナミ
ックミキシング法では熱負荷の厳しい部分の厚さ数十μ
ｍレベルのＴＢＣを作製し、プラズマ溶射法では比較的
熱負荷の厳しくない部分の厚さ数百μｍレベルのＴＢＣ
を作製する。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の詳細について実施例を用いて
説明する。
説明する。
【００１１】図２に高温風洞試験装置用ノズルの断面図
を示す。そして、図３には、ノズル壁面に設けたＴＢＣ
の断面図を示す。図３で、９は基材、１１はＦＧＭ層、
１２はセラミックス被覆層を示す。基材９には、本実施
例では無酸素銅を用いた。ＦＧＭ層１１はセラミックス
とメタルの混合層で、基材９に接している部分はメタル
成分１００％となり、セラミックス被覆層１２に接して
いる部分はセラミックス成分１００％となるように、両
成分の組成を連続的に変化させたＦＧＭ層とした。ここ
で、ＦＧＭ層の組成変化は、熱応力計算を行なって、発
生する熱応力が最小となるようにした。メタル成分には
基材のＣｕと熱伝導率が近く、耐酸化性に優れたＣｕ−
８ｗｔ％Ａｌ合金を用い、セラミックス成分には、最表
面層と同じＺｒＯ2−５.４ｗｔ％Ｙ2Ｏ3を用いた。セラ
ミックス被覆層１２は遮熱性に優れたＺｒＯ2を主成分
とし、Ｙ2Ｏ3を５.４ｗｔ％添加した部分安定化ジルコ
ニアを用いた。また、セラミックス被覆層１２の厚さ
は、次式により決定した。
を示す。そして、図３には、ノズル壁面に設けたＴＢＣ
の断面図を示す。図３で、９は基材、１１はＦＧＭ層、
１２はセラミックス被覆層を示す。基材９には、本実施
例では無酸素銅を用いた。ＦＧＭ層１１はセラミックス
とメタルの混合層で、基材９に接している部分はメタル
成分１００％となり、セラミックス被覆層１２に接して
いる部分はセラミックス成分１００％となるように、両
成分の組成を連続的に変化させたＦＧＭ層とした。ここ
で、ＦＧＭ層の組成変化は、熱応力計算を行なって、発
生する熱応力が最小となるようにした。メタル成分には
基材のＣｕと熱伝導率が近く、耐酸化性に優れたＣｕ−
８ｗｔ％Ａｌ合金を用い、セラミックス成分には、最表
面層と同じＺｒＯ2−５.４ｗｔ％Ｙ2Ｏ3を用いた。セラ
ミックス被覆層１２は遮熱性に優れたＺｒＯ2を主成分
とし、Ｙ2Ｏ3を５.４ｗｔ％添加した部分安定化ジルコ
ニアを用いた。また、セラミックス被覆層１２の厚さ
は、次式により決定した。
【００１２】 Ｑ＝λ／ｔ・ΔＴ …（数１） Ｑ：熱流束 λ：セラミックス被覆層１２の熱伝導率 ｔ：セラミックス被覆層１２の厚さ ΔＴ：セラミックス被覆層１２の表面と背面の温度差 ここで、セラミックス被覆層１２の表面と背面の温度差
は７００℃で一定とし、セラミックス成分の熱伝導率も
既知であるので、各場所での熱流束に対応するセラミッ
クス被覆層１２の厚さを計算できる。そして、セラミッ
クス被覆層１２内に発生する熱応力を緩和するような最
適な厚さや組成変化をもったＦＧＭ層１１を作製する。
図４にはノズル内の熱流束の分布とその時の最適なＴＢ
Ｃ（ただし、ここでのＴＢＣの厚さはセラミックス被覆
層１２とＦＧＭ層１１の厚さを併せたものとした。）の
膜厚の一例を示した。
は７００℃で一定とし、セラミックス成分の熱伝導率も
既知であるので、各場所での熱流束に対応するセラミッ
クス被覆層１２の厚さを計算できる。そして、セラミッ
クス被覆層１２内に発生する熱応力を緩和するような最
適な厚さや組成変化をもったＦＧＭ層１１を作製する。
図４にはノズル内の熱流束の分布とその時の最適なＴＢ
Ｃ（ただし、ここでのＴＢＣの厚さはセラミックス被覆
層１２とＦＧＭ層１１の厚さを併せたものとした。）の
膜厚の一例を示した。
【００１３】（実施例１）脱脂・洗浄済みの２００×２
００ｍｍの平板の無酸素銅板上に、ダイナミックミキシ
ング法とプラズマ溶射法により、厚さが１５〜１３０μ
ｍの範囲で連続的に変化するＴＢＣを作製した。図５に
試験片の断面模式図を示す。まず、試料半分にマスクを
しておき、熱流束の大きい部分に相当する１３の部分を
作製した。試料の作製にはダイナミックミキシング装置
を用いた。試料作製中の真空度は２×１０-4Ｔｏｒｒ以
下で、最大１６ｋｗの電子銃によるＥＢ蒸着を行ないつ
つ、エネルギ１０ｋｅＶで加速した酸素イオンを１cm2
あたり毎秒１×１０16個の割合で注入しながら作製し
た。イオン源としてバケット型のイオン源を用い、原料
ガスとして９９.９％Ｏ2 を使用した。ＥＢ蒸着では、
ＺｒＯ2 −５.４ｗｔ％Ｙ2Ｏ3とＣｕ−８ｗｔ％Ａｌ合
金を各々０〜４５Å／ｓの間で蒸着速度を変化させて蒸
着した。その時、基材である無酸素銅側が１００％合金
層、表面層側でセラミックス１００％となるような直線
的な組成変化を示すＦＧＭ層を作製し、最表面のセラミ
ックス層もダイナミックミキシング法で作製した。各層
の厚さはＦＧＭ層が１０μｍ，セラミック層が５μｍ，
合計で１５μｍ厚さのＴＢＣを得た。
００ｍｍの平板の無酸素銅板上に、ダイナミックミキシ
ング法とプラズマ溶射法により、厚さが１５〜１３０μ
ｍの範囲で連続的に変化するＴＢＣを作製した。図５に
試験片の断面模式図を示す。まず、試料半分にマスクを
しておき、熱流束の大きい部分に相当する１３の部分を
作製した。試料の作製にはダイナミックミキシング装置
を用いた。試料作製中の真空度は２×１０-4Ｔｏｒｒ以
下で、最大１６ｋｗの電子銃によるＥＢ蒸着を行ないつ
つ、エネルギ１０ｋｅＶで加速した酸素イオンを１cm2
あたり毎秒１×１０16個の割合で注入しながら作製し
た。イオン源としてバケット型のイオン源を用い、原料
ガスとして９９.９％Ｏ2 を使用した。ＥＢ蒸着では、
ＺｒＯ2 −５.４ｗｔ％Ｙ2Ｏ3とＣｕ−８ｗｔ％Ａｌ合
金を各々０〜４５Å／ｓの間で蒸着速度を変化させて蒸
着した。その時、基材である無酸素銅側が１００％合金
層、表面層側でセラミックス１００％となるような直線
的な組成変化を示すＦＧＭ層を作製し、最表面のセラミ
ックス層もダイナミックミキシング法で作製した。各層
の厚さはＦＧＭ層が１０μｍ，セラミック層が５μｍ，
合計で１５μｍ厚さのＴＢＣを得た。
【００１４】以上の様な方法で図５の１３の部分を作製
後、マスクをはがし、次に１３の部分にカバーをかけプ
ラズマ溶射法で１４の部分を作製した。プラズマ溶射法
でもダイナミックミキシング法と同様なＴＢＣの構成と
した。ここで、ＦＧＭ層は減圧溶射法により作製した。
その時、２台の粉末供給用ホッパを用い、これにメタ
ル：セラミックスの混合率が、７５：２５，５０：
５０，２５：７５，５：９５の４種類の混合粉末
を、２台のホッパを順次切り替えることによって、プラ
ズマガンに供給される原料粉末の混合率を変化させた。
そして、ＦＧＭ層の上に大気溶射法によりセラミックス
層を作製した。ＦＧＭ層の厚さは５０μｍ，セラミック
ス層の厚さは５０〜８０μｍ、合計で１００〜１３０μ
ｍ厚さのTBCを得た。作製した試験片の断面を光学顕微
鏡で観察してみたところ、図６の模式図と同様に、連続
的に厚さが変化するＴＢＣが作製されていることがわか
った。作製した試験片について、評価試験を試みたとこ
ろ本試験片は平板上であるため同時に異なる熱負荷をか
けるような試験を行なえない。そこで、熱流束が５ＭＷ
／ｍ2前後と、９０ＭＷ／ｍ2前後の評価試験を行ない、
試験後の試験片の損傷の有・無を調べた。その結果を以
下の表にまとめた。
後、マスクをはがし、次に１３の部分にカバーをかけプ
ラズマ溶射法で１４の部分を作製した。プラズマ溶射法
でもダイナミックミキシング法と同様なＴＢＣの構成と
した。ここで、ＦＧＭ層は減圧溶射法により作製した。
その時、２台の粉末供給用ホッパを用い、これにメタ
ル：セラミックスの混合率が、７５：２５，５０：
５０，２５：７５，５：９５の４種類の混合粉末
を、２台のホッパを順次切り替えることによって、プラ
ズマガンに供給される原料粉末の混合率を変化させた。
そして、ＦＧＭ層の上に大気溶射法によりセラミックス
層を作製した。ＦＧＭ層の厚さは５０μｍ，セラミック
ス層の厚さは５０〜８０μｍ、合計で１００〜１３０μ
ｍ厚さのTBCを得た。作製した試験片の断面を光学顕微
鏡で観察してみたところ、図６の模式図と同様に、連続
的に厚さが変化するＴＢＣが作製されていることがわか
った。作製した試験片について、評価試験を試みたとこ
ろ本試験片は平板上であるため同時に異なる熱負荷をか
けるような試験を行なえない。そこで、熱流束が５ＭＷ
／ｍ2前後と、９０ＭＷ／ｍ2前後の評価試験を行ない、
試験後の試験片の損傷の有・無を調べた。その結果を以
下の表にまとめた。
【００１５】
【表１】
【００１６】以上の結果から、それぞれ異なる膜厚の部
分で必要な耐熱性をもったＴＢＣであることがわかっ
た。
分で必要な耐熱性をもったＴＢＣであることがわかっ
た。
【００１７】（実施例２）実施例１から得られた基礎デ
ータをもとに、実機高温風洞試験装置用ノズル内壁への
コーティングを行なった。図２に今回作製を試みた高温
風洞試験装置用ノズルの断面模式図を示す。今回基材に
は無酸素銅を用いたため、ＦＧＭ層のメタル成分にはＣ
ｕに比べて耐酸化性に優れたＣｕ−８ｗｔ％Ａｌ合金を
用い、また冷却のための水を通す溝を基材内に設けた。
図２に示したように、高温風洞試験装置用ノズルは複雑
な形状をしているのでこのまま内壁にコーティングする
ことは難しい。そこで、以下に述べるような方法でコー
ティングを行なった。ノズル内部の空間部分と同じ形状
のＡｌの中子の上へＴＢＣを作製した。ＴＢＣ作製手順
を図６に示す。まず、Ａｌの中子の上へセラミックス被
覆層１２をコーティングした。（ｂ）その上にＦＧＭ層
１１をセラミックスからメタルへと成分を連続的に変化
させてコーティングした。（ｃ）そして、基材９を電着
により作製した。（ｄ）次に、冷却用の水を通す溝をつ
けた。（ｅ）溝の部分を樹脂で埋めた。（ｆ）更に、Ｃ
ｕ電着を行なった。（ｇ）最後に、アルカリ性の溶液
（例えば、ＮａＯＨ等）によりＡｌ製の中子を溶出し
た。（ｈ）本実施例では、ダイナミックミキシング法と
プラズマ溶射法の両方法でのＴＢＣの作製が終わった時
点で、基材９のＣｕ電着を行なった。またＴＢＣの作製
は、実施例１のコーティングを逆の順番で行なった。ま
ず、プラズマ溶射法で作製する部分にはマスクをしてお
き、ダイナミックミキシング法により２５μｍのＴＢＣ
を作製した。次にマスクをはがした後、実施例１と同様
に先に作製したＴＢＣの部分にカバーをかけ、図４に示
した膜厚分布図のように膜厚を連続的に変化させて、プ
ラズマ溶射法によりその他の部分のＴＢＣを作製した。
このときのＦＧＭ層の組成の変化は、セラミックス層内
に発生する熱応力を最小にするようにセラミックスから
メタルへと連続的に変化させた。
ータをもとに、実機高温風洞試験装置用ノズル内壁への
コーティングを行なった。図２に今回作製を試みた高温
風洞試験装置用ノズルの断面模式図を示す。今回基材に
は無酸素銅を用いたため、ＦＧＭ層のメタル成分にはＣ
ｕに比べて耐酸化性に優れたＣｕ−８ｗｔ％Ａｌ合金を
用い、また冷却のための水を通す溝を基材内に設けた。
図２に示したように、高温風洞試験装置用ノズルは複雑
な形状をしているのでこのまま内壁にコーティングする
ことは難しい。そこで、以下に述べるような方法でコー
ティングを行なった。ノズル内部の空間部分と同じ形状
のＡｌの中子の上へＴＢＣを作製した。ＴＢＣ作製手順
を図６に示す。まず、Ａｌの中子の上へセラミックス被
覆層１２をコーティングした。（ｂ）その上にＦＧＭ層
１１をセラミックスからメタルへと成分を連続的に変化
させてコーティングした。（ｃ）そして、基材９を電着
により作製した。（ｄ）次に、冷却用の水を通す溝をつ
けた。（ｅ）溝の部分を樹脂で埋めた。（ｆ）更に、Ｃ
ｕ電着を行なった。（ｇ）最後に、アルカリ性の溶液
（例えば、ＮａＯＨ等）によりＡｌ製の中子を溶出し
た。（ｈ）本実施例では、ダイナミックミキシング法と
プラズマ溶射法の両方法でのＴＢＣの作製が終わった時
点で、基材９のＣｕ電着を行なった。またＴＢＣの作製
は、実施例１のコーティングを逆の順番で行なった。ま
ず、プラズマ溶射法で作製する部分にはマスクをしてお
き、ダイナミックミキシング法により２５μｍのＴＢＣ
を作製した。次にマスクをはがした後、実施例１と同様
に先に作製したＴＢＣの部分にカバーをかけ、図４に示
した膜厚分布図のように膜厚を連続的に変化させて、プ
ラズマ溶射法によりその他の部分のＴＢＣを作製した。
このときのＦＧＭ層の組成の変化は、セラミックス層内
に発生する熱応力を最小にするようにセラミックスから
メタルへと連続的に変化させた。
【００１８】以上のようにして作製した高温風洞試験装
置用ノズルを評価するために、ノズル中に液体酸素と液
体水素からなる燃焼ガスを通過させる燃焼試験を行なっ
た。その結果、本方法で内壁にＴＢＣを行なった高温風
洞試験装置用ノズルでは試験後に何ら損傷はみられず、
本発明が有効であることがわかった。
置用ノズルを評価するために、ノズル中に液体酸素と液
体水素からなる燃焼ガスを通過させる燃焼試験を行なっ
た。その結果、本方法で内壁にＴＢＣを行なった高温風
洞試験装置用ノズルでは試験後に何ら損傷はみられず、
本発明が有効であることがわかった。
【００１９】（実施例３）ノズル内部の空間部分と同じ
形状のＡｌの中子の上へ、酸素イオン注入とZrO2−５.
４ｗｔ％ Ｙ2Ｏ3の蒸着を併用して行なうダイナミック
ミキシング法により２μｍ程度のＺｒＯ2 層を設けた。
そして、プラズマ溶射法により作製する部分にカバーを
かけダイナミックミキシング法によりＴＢＣを作製し
た。そしてその後、ダイナミックミキシング法により作
製した部分にカバーをかけ、プラズマ溶射法により、Ｔ
ＢＣを作製した。この時のＴＢＣの作製方法も図６に示
したようにしておこなった。このようにして、Ａｌ基材
の上にダイナミックミキシング法による２μｍ程度のＺ
ｒＯ2 層を設けることによって、Ａｌ中子とＴＢＣとの
密着性を向上することができる。なぜならば、イオン注
入の効果により、基材と皮膜の成分が、界面付近では相
互に侵入するためである。このようにＡｌの中子とＴＢ
Ｃの密着力をある程度向上させると、電着によりＣｕメ
ッキを行なう際に、ＴＢＣに剥離が起こりにくくなる。
しかし、あまりＡｌの中子とＴＢＣの密着力を向上させ
ると、アルカリ性の溶液でＡｌの中子を溶出させる際に
ＴＢＣに損傷が生じてしまう可能性がある。
形状のＡｌの中子の上へ、酸素イオン注入とZrO2−５.
４ｗｔ％ Ｙ2Ｏ3の蒸着を併用して行なうダイナミック
ミキシング法により２μｍ程度のＺｒＯ2 層を設けた。
そして、プラズマ溶射法により作製する部分にカバーを
かけダイナミックミキシング法によりＴＢＣを作製し
た。そしてその後、ダイナミックミキシング法により作
製した部分にカバーをかけ、プラズマ溶射法により、Ｔ
ＢＣを作製した。この時のＴＢＣの作製方法も図６に示
したようにしておこなった。このようにして、Ａｌ基材
の上にダイナミックミキシング法による２μｍ程度のＺ
ｒＯ2 層を設けることによって、Ａｌ中子とＴＢＣとの
密着性を向上することができる。なぜならば、イオン注
入の効果により、基材と皮膜の成分が、界面付近では相
互に侵入するためである。このようにＡｌの中子とＴＢ
Ｃの密着力をある程度向上させると、電着によりＣｕメ
ッキを行なう際に、ＴＢＣに剥離が起こりにくくなる。
しかし、あまりＡｌの中子とＴＢＣの密着力を向上させ
ると、アルカリ性の溶液でＡｌの中子を溶出させる際に
ＴＢＣに損傷が生じてしまう可能性がある。
【００２０】以上のようにして作製した高温風洞試験装
置用ノズルを評価するために、ノズル中に液体酸素と液
体水素からなる燃焼ガスを通過させる燃焼試験を行なっ
た。その結果、本方法で内壁にＴＢＣを行なった高温風
洞試験装置用ノズルでは試験後に何ら損傷はみられず、
実施例２と同様良好な結果が得られた。
置用ノズルを評価するために、ノズル中に液体酸素と液
体水素からなる燃焼ガスを通過させる燃焼試験を行なっ
た。その結果、本方法で内壁にＴＢＣを行なった高温風
洞試験装置用ノズルでは試験後に何ら損傷はみられず、
実施例２と同様良好な結果が得られた。
【００２１】（実施例４）実施例２で示した方法によ
り、実機高温風洞試験装置用ノズル内壁にＴＢＣを施す
際、ダイナミックミキシング法によって作製する場合
も、プラズマ溶射法によって作製する場合もＦＧＭ層１
１を作製するとき最表面はメタル成分が１００％となる
が、延長層として、ＦＧＭ層内のメタル成分と同じもの
をダイナミックミキシング法により３μｍ程度、続けて
コーティングした。このようにＡｌの中子へＴＢＣを作
製する際、ＦＧＭ層１１の上へメタル層を設けると、電
着によりＣｕめっきを行なう際に、緻密なめっき層が得
られる。
り、実機高温風洞試験装置用ノズル内壁にＴＢＣを施す
際、ダイナミックミキシング法によって作製する場合
も、プラズマ溶射法によって作製する場合もＦＧＭ層１
１を作製するとき最表面はメタル成分が１００％となる
が、延長層として、ＦＧＭ層内のメタル成分と同じもの
をダイナミックミキシング法により３μｍ程度、続けて
コーティングした。このようにＡｌの中子へＴＢＣを作
製する際、ＦＧＭ層１１の上へメタル層を設けると、電
着によりＣｕめっきを行なう際に、緻密なめっき層が得
られる。
【００２２】以上のようにして作製した高温風洞試験装
置用ノズルを評価するために、ノズル中に液体酸素と液
体水素からなる燃焼ガスを通過させる燃焼試験を行なっ
た。その結果、本方法で内壁にＴＢＣを行なった高温風
洞試験装置用ノズルでは試験後に何ら損傷はみられず、
実施例２，３と同様良好な結果が得られた。
置用ノズルを評価するために、ノズル中に液体酸素と液
体水素からなる燃焼ガスを通過させる燃焼試験を行なっ
た。その結果、本方法で内壁にＴＢＣを行なった高温風
洞試験装置用ノズルでは試験後に何ら損傷はみられず、
実施例２，３と同様良好な結果が得られた。
【００２３】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので以下に記載されているような効果を奏する。
ているので以下に記載されているような効果を奏する。
【００２４】高温風洞試験装置の耐熱性を向上させるた
めにノズルの内壁面へ遮熱コーティングを設けるが、そ
の遮熱コーティングの厚さを連続的に変化させることに
より、場所によってかかる熱負荷の度合いが違っていて
も対処できる。
めにノズルの内壁面へ遮熱コーティングを設けるが、そ
の遮熱コーティングの厚さを連続的に変化させることに
より、場所によってかかる熱負荷の度合いが違っていて
も対処できる。
【００２５】また、遮熱コーティング層として遮熱性に
優れたセラミックス層を設け、さらに、基材と最表面の
セラミックスの両成分の組成を連続的に変化させた傾斜
被覆層を設けることにより、基材とセラミックス層の熱
膨張率の違いから生じる熱応力の発生を防ぐことができ
る。
優れたセラミックス層を設け、さらに、基材と最表面の
セラミックスの両成分の組成を連続的に変化させた傾斜
被覆層を設けることにより、基材とセラミックス層の熱
膨張率の違いから生じる熱応力の発生を防ぐことができ
る。
【図１】高温風洞試験装置の断面図。
【図２】本発明の遮熱コーティングを有する高温風洞試
験装置用ノズルの縦・横断面図。
験装置用ノズルの縦・横断面図。
【図３】ノズル内壁面に設けた遮熱コーティングの断面
図。
図。
【図４】高温風洞試験装置用ノズル内の熱流束及び最適
膜厚分布図。
膜厚分布図。
【図５】本発明の遮熱コーティングを施した試験片の断
面図。
面図。
【図６】高温風洞試験装置用ノズルの製造プロセスの説
明図。
明図。
９…基材、１３…ダイナミックミキシング法により作製
した遮熱コーティング、１４…プラズマ溶射法により作
製した遮熱コーティング。
した遮熱コーティング、１４…プラズマ溶射法により作
製した遮熱コーティング。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和田 靭彦 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内
Claims (4)
- 【請求項１】地上での評価機器である高温風洞試験装置
において、円筒形状の一部分を絞り込み、高温ガス又は
燃焼ガスにより高温・高速流体を発生させるノズル部分
の内壁面に、１０〜１５０μｍの遮熱コーティングをも
ち、前記遮熱コーティングの厚さは熱負荷が高い方が熱
負荷の低い場合に比較して薄くなるように軸方向に連続
的に変化していることを特徴とする高温風洞試験装置用
ノズル。 - 【請求項２】請求項１において、前記遮熱コーティング
が、金属とセラミックスの混合層であり、しかもその組
成が膜厚方向に連続的に変化する内層側の傾斜被覆層と
外層側のセラミックス層からなる高温風洞試験装置用ノ
ズル。 - 【請求項３】請求項１において、前記遮熱コーティング
内のセラミックス層が完全安定化又は部分安定化ジルコ
ニア系セラミックスよりなる高温風洞試験装置用ノズ
ル。 - 【請求項４】請求項１において、前記遮熱コーティング
内の傾斜被覆層は、セラミックス成分が完全安定化又は
部分安定化ジルコニア系セラミックス，メタル成分がＮ
ｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕの少なくとも一つを主成分とし、
（６〜２０）ｗｔ％Ａｌを含む合金もしくはＮｉ−（１
５〜２５）ｗｔ％Ｃｒ合金からなる高温風洞試験装置用
ノズル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1470792A JPH05209807A (ja) | 1992-01-30 | 1992-01-30 | 高温風洞試験装置用ノズル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1470792A JPH05209807A (ja) | 1992-01-30 | 1992-01-30 | 高温風洞試験装置用ノズル |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05209807A true JPH05209807A (ja) | 1993-08-20 |
Family
ID=11868642
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1470792A Pending JPH05209807A (ja) | 1992-01-30 | 1992-01-30 | 高温風洞試験装置用ノズル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05209807A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010237046A (ja) * | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 試験片製造方法及びコーティング層の物性値測定方法 |
| CN105181290A (zh) * | 2015-10-13 | 2015-12-23 | 北京航天长征飞行器研究所 | 一种用于燃气流风洞的高温喷管 |
-
1992
- 1992-01-30 JP JP1470792A patent/JPH05209807A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010237046A (ja) * | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 試験片製造方法及びコーティング層の物性値測定方法 |
| CN105181290A (zh) * | 2015-10-13 | 2015-12-23 | 北京航天长征飞行器研究所 | 一种用于燃气流风洞的高温喷管 |
| CN105181290B (zh) * | 2015-10-13 | 2017-07-28 | 北京航天长征飞行器研究所 | 一种用于燃气流风洞的高温喷管 |
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