JPH05504172A - 急速凝固アルミニウムベース合金のプラズマ溶射 - 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】 本発明は、材料の特性を改良する方法、より詳細には急速凝固金属から金属皮膜 を製造する方法に関するものである。

２、先行技術の説明 噴霧金属化は、金属を高温の熱源内に導通することにより加熱して溶融状態また は半溶融状態となし、それを微細な形で支持体上に析出させることよりなる。

溶融または半溶融粒子は支持体に衝突した際に偏平になり、その表面に付着する 。

続いて析出する粒子も偏平になり、先に析出したものに付着し、こうして噴霧析 出物の組織は層状となる。噴霧金属析出物は誘導品であるワイヤまたは粉末と化 学的には類似するが、それらの物理的特性、特にそれらのミクロ組織は元の鍛錬 用金属のものと全く異なる。凝集は機械的および冶金学的結合により得られる。

ある種の材料は噴霧したのち融着させて、支持体に冶金学的に結合した緻密かつ 均質な皮膜を形成することかできる。融着した皮膜は通常は、支持体材料を高温 での使用に際して、また摩耗性および腐食性の環境において保護するために、ま たは均一に高い硬度を備えた表面を形成するために必要とされる。たとえば鋼上 に噴霧されたアルミニウム皮膜は、皮膜を鋼に冶金学的に結合させるためには４ ８２℃以上に加熱する必要かある。一般には、ベースメタルに冶金学的に結合し た緻密かつ均質な皮膜を得るために材料は７３２−１０９３°Ｃに後続加熱され るであろう。

アルミニウム皮膜を噴霧金属化し、次いでこのアルミニウム噴霧皮膜を拡散させ ることにより、析出粒子内に分散した、および皮膜／支持体界面における粗大な アルミニウムー鉄金属間化合物の形成によって、問題が生じる場合がある。これ らの金属間化合物は極めて脆く、たとえば部材間に脆性層を形成することにより 部材の機械的特性を低下させる可能性かある。同様に、噴霧アルミニウム皮膜は 熱拡散処理を必要とするので、支持体材料か適切に熱処理されない状況かありう る。溶接されたアルミニウム被覆鋼部品に問題を生じる場合かある。アルミニウ ムと鉄の合金化により、溶接および熱作用を受けた帯域において延性の喪失およ び耐食性の低下を生じる可能性がある。最後に、噴霧アルミニウム皮膜と支持体 との熱膨張率の不一致のため、高温に暴露された際に皮膜か劣化し、破砕する場 合がある。

発明の要約 本発明は、後続の熱処理を必要としない、経済的かつ有効なアルミニウムベース 合金のプラズマ（ｐｌａｓｍａ　ｓｐｒａｙｉｎｇ）溶射法を提供する。有利な ことに、アルミニウム噴霧金属化皮膜の高温強Ｉおよび安定性、耐食性および耐 酸化性、ならびに支持体との適合性なとの特性か、本発明に従って急速凝固した 高温のアルミニウム合金を当該支持体りにプラズマ溶射することにより改良され る。以下プラズマ溶射と呼ぶこの方法により、高温噴霧金属化皮膜か形成される 。従来、皮膜を支持体に付着させるために必要とされていた後続の熱処理、たと えば皮膜を合金の固相線以上に加熱することは、実際上排除される。急速凝固合 金を支持体上に析出させ、保持することか、単一作業工程で行われる。被覆され た支持体は、得られる急速凝固皮膜のミクロ組織のため、周囲温度および高めら れた温度における改良された機械的および物理的特性を示す。

すなわち本発明は、急速凝固アルミニウムベース合金皮膜を製造するための、下 記工程からなる方法を提供する （ａ）急速凝固アルミニウムベース合金を粉末状となし：そして（ｂ）該粉末を 支持体上にプラズマ溶射する。粉末は米国標準篩サイズＮｏ、３．　５　（５， ６ｍｍ）以下、好ましくはＮｏ、６Ｏ−Ｎｏ、３２５　（２５０−４５μｍ）の 粒度をもち、溶融状態で支持体上にプラズマ溶射により噴霧された際に、はぼ完 全に０乙な噴霧金属化皮膜を形成する。さらに、急速凝固粉末の魅力的な特性が 保持される。噴霧皮膜上に後続の噴霧を行う形で、この処理を反復することがで きる。

次いて一般的な金属仕上げ操作、たとえば機械加工、研削仕上げ、磨き仕上げお よび艶出しにより噴霧金属皮膜を仕上げ処理することかできる（ただし噴霧金属 化皮膜に関して通常従う注意事項に従う）。また噴霧金属化皮膜を保有する部材 は適度な成形操作、たとえば延伸、スピニング、ブレーキ（ｂｒａｋｅ）および ロール成形ならびにエンボス加工に耐えうる。

プラズマ溶射皮膜は腐食、酸化および高温に対する保護を必要とする部材として 用いるのに適している。宇宙空間用部材、たとえばターヒンプレート、タービン 羽根およびファスナー、自動車部材、たとえば排気パイプ、吸気弁およびシリン ダーバレル、ならびに工業用部材、たとえば熱交換器、化学薬品配管用およびボ イラー用のファスナー、反応器チューブ、ならびに熱処理装置。その後の鋳造に 用いるための型など、急速凝固皮膜の高温性能、すなわち硬度を特に利用した用 途か挙げられる。あるいは、急速凝固材料から直接製造された工業用造形品のほ か、皮膜の修復にプラズマ溶射層を用いることかできる。詳細には、支持体にそ の表面欠陥を修復するために上記皮膜を付与することかできる。プラズマ溶射層 は、支持体が硬質または準硬實材料、たとえば耐火性の炭化物、酸化物または窒 化物から製造された、連続もしくはｍｙ＊維、バンドル、ボイスカーまたは粒子 からなる、各種複合材料用のプレフォームの製造にも使用しつる。

また急速凝固合金を支持体上にプラズマ溶射する前に、強化相と組み合わせて複 合材料を形成してもよい、米国特許用［ｉ第２４２．９８９号明細書に記載、１ ９８８年９月１２日出願、この明細書をここに参考として引用する。

図面の簡単な説明 以下の本発明の好ましい形態および添付の図面の簡単な説明を参照することによ って、本発明がより十分に理解され、他の利点が明らかになるであろう第１図は 、本発明により製造された、低炭素鋼シート上に均一に析出した、アルミニウム をベースとする、鉄、／＜ナシラムおよびケイ素を含有する急速凝固合金マトリ ックスからなる直ｍ　（ｄ、ｃ、　）プラズマ溶射プレフォームの表面の走査電 子顕微鏡写真である。

第２図は、本発明により製造された、低炭素鋼シート上に析出した、アルミニウ ムをベースとする、鉄、バナジウムおよびケイ素を含有する急速凝固合金マトリ ックスからなる直流プラズマ溶射プレフォームの断面の光学ｉ′！！微鏡写耳鏡 写真。

第３図は、本発明により製造された、アルミニウムをベースとする、鉄、バナジ ウムおよびケイ素を含有する平坦なフロー鋳造（ｆｌｏｗ　ｃａｓｔ）　リボン 上に析出した、アルミニ　とベースとする、鉄、バナジウムおよびケイ素を含有 する急速凝固台金マＨックスからなる誘導結合（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｃ。

ｕｐｌｅｄ）プラズマ溶射プレフォームの表面の走査電子顕微鏡写真である。

第４図は、本発明により製造された、アルミニウムをベースとする、鉄、バナジ ウムおよびケイ素を含有する平坦なフロー鋳造リボン上に析出した、アルミニウ ムをベースとする、鉄、バナジウムおよびケイ素を含有する急速凝固合金マトリ ックスからなる誘導結合プラズマ溶射プレフォームの断面の光学顕微鏡写真であ る。ならびに 第５図は、本発明により製造された、アルミニウムをベースとする、鉄、バナジ ウムおよびケイ素を含有する急速凝固台金からなる誘導結合プラズマ溶射プレフ ォームの透過型電子顕微鏡写真である。

好ましい形態の説明 本発明方法に用いるために指定されたアルミニウムをベースとする急速凝固合金 は、本質的に式Ａ　ｌｈａ＋Ｆ　ｅ、Ｓ　ｉｂＸ、からなる組成をもち、式中の ＸはＭ　ｎ　。

Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素 であり、＃ａ＃は１．　５−８．　５原子％、′ｂ′は０．２５−５．５原子％ 、′Ｃ′は０．０５−４．２５原子％であり、残部はアルミニウムおよび付随す る不純物であり、ただし比［Ｆｅ＋Ｘ］：Ｓｉは約２．Ｏ：１−５．０：１であ る。合金の例には、アルミニウムー鉄−バナシウムーケイ素組成物が含まれ、そ の際鉄は約１．　５−８．　５原子％、バナジウムは約０．２５−４．２５原子 ％、ケイ素は約０．　５−５．　５原子％である。

本発明方法に用いるのに適したアルミニウムをベースとする他の急速凝固合金は 、本質的に式Ａ　ｌｂ、；Ｆｅ、Ｓ　ｉｂＸ。からなる組成をもち、式中のＸは Ｍｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａよりなる群から選ばれる少なくとも１種 の元素であり、ａ″は１．　５−７．　５原子％、ｓｂ′は０．７５−９．５原 子％、′Ｃ″は０．２５−４．５原子％であり、残部はアルミニウムおよび付随 する不純物であり、ただし比［Ｆｅ＋Ｘ］：Ｓｉは約２．０１：１−１．０：１ である。

本発明方法に用いるのに適したアルミニウムをベースとするさらに他の急速凝固 合金は、本質的に式Ａｌｂ、ＩＦｅ、Ｓ　ｉｂＸ、からなる組成をもち、式中の ＸはＭｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＮｂＸＴａ、Ｃｅ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、 Ｓｃよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素であり、ａ″は１．　５−８ ．　５原子％、ｂ″は０．２５−７．０原子％、＃ｃ＃は約０．０５−４．２５ 原子％であり、残部はアルミニウムおよび付随する不純物である。

本発明方法に用いるのに適したアルミニウムをベースとするさらに他の急速凝固 合金は、本質的に約２−４５１３Ｎ千％のジルコニウム、ハフニウム、チタン、 バナジウム、ニオブ、タンタル、エルビウムよりなる群からのもの、約０−５原 子％のカルシウム、約０−５原子％のゲルマニウム、約０−２原子％のホウ素か らなり、残部はアルミニウムおよび付随する不純物である親戚をもつ。

本方法に用いるのに適したアルミニウムーリチウムをベースとする低密度の急速 凝固合金は、本質的に式Ａｌｂ、ＩＺｒ、ＬｉｂＭｇ、Ｔｔからなる組成をもち 、式中のＴはＣｕ、Ｓｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、ＢＸＨｆｓ　Ｃｒ１Ｍｎ５Ｆｅ、Ｃｏお よびＮ１よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素であり、−ａｓは領　０ ５−〇、７５原子％、＃ｂ＃は９，０−１７．７５原子％、Ｃは０．４５−８． ５原子％、ｄ″は約０．０５−１３原子％であり、残部はアルミニウムおよび付 随する不純物である。

他の分散強化された、急速凝固または機械的合金化した合金または複合材料を本 発明方法において皮膜材料として用いるために指定しうろことは、当業者に自明 であろう。機械的に合金化した適切な１材料は、前記の米国特許出願第２４２゜ ９８７号明細書、１９８８年９月１２日出願、に記載されたものである。詳細に は、その粉末は急速凝固合金を約０．１−５０容量％の量で存在する強化材の粒 子と組み合わせたものから構成することかでき、この粉末はボールミル処理され て各粒子の周りに金属マトリックス材料を抱き込んでいる。

これらの合金を調製するために用いられる金属合金急冷法は、一般に目的組成の 溶融物を少なくとも約１０Ｓ℃／秒の速度で冷却する工程からなる。一般に特定 の組成を選び、目的とする割合の必要な元素の粉末または顆粒を溶融および均質 化し、そして溶融合金を冷却面、たとえば急速に移動している金属表面、衝突す る気体または液体で急冷する。

これらの急速凝固法により処理した場合、アルミニウム合金は実質的に均一なミ クロ組織および化学組成をもつリボン、粉末またはスプラット（ｓｐｌａｔ）と して得られる。次いでこの実質的に均一な組織をもつリボン、粉末またはスプラ ットを微粉砕して、支持体上にプラズマ溶射するための粒子となすことができる 。

処理に際して支持体を水もしくはガスで冷却するか、または直接的もしくは間接 的に加熱してもよい。最適な支持体温度は急速凝固合金および凝固に際して形成 されるはずの分散相に依存する。次いで、米国標準篩サイズＮｏ、３．　５　（ ５゜６ｍｍ）以下、好ましくはＮｏ、６Ｏ−Ｎｏ、３２５　（２５０−４５μｍ ）の粒度の粉末状の急速凝固合金を、支持体上にプラズマ溶射することができる 。プラズマ溶射法は、（ｉ）不活性ガスをイオン化してプラズマを発生させ；（ ｉｉ）粉末をプラズマ内へ注入し；（ｉｉｉ）プラズマ内における粉末の滞留時 間を制御して粉末を溶融状態となし；（ｉｖ）そして溶融粉末を支持体上へ向け る工程からなる。イオン化ガスプラズマは、たとえば直流、誘導結合または高周 波電源により形成される。直流プラズマ溶射は２Ｏ−４０ｋＷの電源、より好ま しくは２５−３５ｋＷの電源を用いて行うことができる。イオン化プラズマ内へ の粉末の流量は直流プラズマ溶射ユニットのノズルから排出されるガスの速Ｉに 依存する。というのは、粉末が緩慢すぎる流量でプラズマ内へ導入されると粉末 は吹き戻されてプラズマ内へ進入せず、粉末が急速すぎる流量で導入されると粉 末は支持体に衝突する前に部分的に溶融するにすぎないからである。誘導結合プ ラズマ溶射は１４０−２００ｋＷ（７）ＩＩ源水準、ヨリ好ましくは１５０−１ ７０ｋＷ（７）電源を用いて行うことができる。イオン化プラズマガス内への粉 末の流量は合金の液相線温度およびプラズマの温度に依存する。誘導結合プラズ マ溶射は、プラズマ内での粉末滞留時間が約７０倍長く、従ってより大きな粉末 粒子をプラズマ内へ注入しても完全に溶融させることかできるという点て、直流 プラズマ溶射と異なる。ここで用いる″最適流量′という語は、粉末をプラズマ 内へ（１）粉末がプラズマによって排除されず、かつ（２）粉末か支持体に衝突 して凝固する前に完全に溶融する速度で導入することを意味する。′最適真空水 準“という語は、各プラズマ溶射チャンバー内の真空水準を、（１）溶融粉末液 滴が支持体に衝突する前に凝固することなく、かつ（２）支持体の過熱か起こら ないように制御することを意味する。支持体の過熱は析出した溶融液滴の同相線 塩度に不都合な影響を及ぼし、析出した粉末層の分解を生じるであろう。

プラズマ溶射は必要な皮膜の厚さに応じて種々の期間実施することができる。

さらに、急速凝固粉末の魅力的なミクロ組織、優れた機械的および物理的特性か 保持される。詳細には、プラズマ溶射金属化皮膜は、アルミニウムをベースとす る急速凝固合金か粉末冶金学的方法により凝固した場合に得られるものと実質的 に等しい腐食、酸化および高温に対する強度および安定性を合わせて示す。噴霧 皮膜上に後続の噴霧を行う形でこの処理を反復して、多層皮膜を調製することが できる。

プラズマ溶射された材料は急速凝固粉末の魅力的なミクロＭｍならびに機械的お よび物理的特性を保持するので、噴霧皮膜は拡散処理を必要としない。

実施例■ 米国ｆｆ１ｉ篩サイズＮｏ、１７０−Ｎｏ、３２５　（９０−４５μｍ）、なら びに組成　残部アルミニウム、４．０６原子％鉄、０．７０ｉ子％バナジウム、 １゜５１原子％ケイ素を有する急速凝固粉末（以下、台金Ａと表示する）を、は ぼ０゜２ｃｍＸ５ｃｍＸ５ｃｍの寸法をもつ低炭素鋼シート上に直流プラズマ溶 射した。

プラズマ溶射は２０ｇ／分の粉末供給量で３５ｋＷにおいて実施され、厚さ約０ ゜０２ｃｍの析出層を得た。第１図は、低炭素鋼シート上に析出した、アルミニ ウムをベースとする、鉄、バナジウムおよびケイ素を含有する急速凝固合金マト リックスからなる直流プラズマ溶射プレフォームの表面の走査電子顕微鏡写真で ある。

凝固したｑ１霧粉末粒子に対応する個々の頭載またはスプラットを観察した。皮 膜は均一かつ連続性であった。第２図は、低炭素鋼シート上に析出した、アルミ ニウムをベースとする、鉄、バナジウムおよびケイ素を含有する急速凝固合金マ トリックスからなる直流プラズマ溶射プレフォームの断面の光学顕微鏡写真であ る。

若干の多孔性か認められたが、台金Ａのミクロ組織中に明瞭に区別される一次金 属間化合物粒子は見られず、これはプラズマ溶射粉末の凝固が粗大な一次分子１ １質粒子の形成を抑制するのに十分なほど急激な速度で起こったことを示す。

実施例ＩＩ 米国標準篩サイズＮｏ、８０　（１８０μｍ）以下、ならびに組５１ｆＥ：残部 アルミニウム、４．０６原子％鉄、０．７０原子％バナジウム、１．５１原子％ ケイ素を有する急速凝固粉末（以下、合金Ａと表示する）を、直径約３０ｃｍの マンドレルに巻き付けた合金Ａからなる２インチ（５，０８ｃｍ）幅の平坦なフ ロー鋳造リボン上に誘導結合プラズマ溶射した。誘導結合プラズマ溶射は１７０ ｋＷで約１０分間実施され、厚さ約０．０２ｃｍの析出層を得た。第３図は、ア ルミニウムをベースとする、鉄、バナジウムおよびケイ素を含有する平坦なフロ ー鋳造リボン上に析出した、アルミニウムをベースとする、鉄、バナジウムおよ びケイ素を含有する急速凝固合金マトリックスからなる誘導結合プラズマ溶射プ レフォームの表面の走査電子顕微鏡写真である。凝固した噴射粉末粒子に対応す る個々の頭載またはスプラットを観察した。皮膜は均一かつ連続性であった。第 ４図は、アルミニウムをベースとする、鉄、バナジウムおよびケイ素を含有する 平坦なフロー鋳造リボン上に析出した、アルミニウムをベースとする、鉄、バナ ジウムおよびケイ素を含有する急速凝固合金マトリックスからなる誘導結合プラ ズマ溶射プレフォームの断面の光学顕微鏡写真である。若干の多孔性が認められ たが、合金Ａのミクロ組織中に明瞭に区別される一次企　１合物粒子は見られず 、これはプラズマ溶射粉末の凝固が粗大な一次分散質粒子の形成を抑制するのに 十分なほど急激な速度で起こったことを示す。

実施例ＩＩＩ 析出層のミクロ組織をさらに調べるために、誘導結合プラズマ溶射皮膜につき透 過型電子顕微鏡検査（ＴＥＭ）を実施した。皮膜は実施例ＩＩの場合と同様に調 製された。試料は平坦なフロー鋳造合金Ａ製支持体から機械的に削り取り、この 試料を厚さ約２５μｍに薄くすることにより調製された。ＴＥＭ箔は、８０容量 ％のメタノールおよび２０容量％の硝酸からなる電解液中において、通常の電解 研摩法により調製された。研摩したＴＥＭ箔をフィリップスＥＭ　４００Ｔ電子 顕微鏡により検査した。本発明により製造された、アルミニウムをベースとする 、鉄、バナジウムおよびケイ素を含有する急速凝固合金からなる誘導結合プラズ マ溶射皮膜の透過型電子顕微鏡写真を第５図に示す。析出層のミクロ組織はアル ミニウム固溶体マトリックス中に均一に分散した直径５５０−１Ｏ０ｎの微細な Ａ　ｌｕ　（Ｆ　ｅ、　Ｖ）　！Ｓ　ｉ分散質からなることか観察された。この ミクロ組織は、平坦なフロー鋳造した急速凝固合金ＡＩＪボンにおいて、および 急速凝固粉末粒子から粉末冶金学的方法により圧密した部材において、一般に観 察されるものと極めて類似する。

以上、本発明をかなり詳細に説明したが、これらの詳細に厳密に従う必要はなく 、さらに変更および修正しうろことは当業者に自明であり、これらはすべて付記 する請求の範囲に定める本発明の範囲に含まれる。

ＦｉＱ、Ｉ Ｆｋ；１．２ ＦｉＱ　３ 〜・４ Ｆｉｇ、５ 呈鞠棗 急速凝固アルミニウムベース合金を粉末状となし、そして支持体上にプラズマ溶 射して、均一な連続した皮膜を得る。支持体上への合金の析出および保持が単一 作業工程で行われる。この皮膜は優れた耐食性および耐酸化性ならびに改良され た高温強度および熱安定性を含めた、改良された機械的および物理的特性を示す 。

補正嘗の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成　４年７月１７日　１

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．急速凝固アルミニウム噴霧金属化皮膜を製造するための、下記工程からなる 方法： （ａ）急速凝固アルミニウムベース合金を粉末状となし；そして（ｂ）該粉末を 支持体上にプラズマ溶射する。
2. ２．急速凝固アルミニウムベース合金が、アルミニウムベース合金の溶融物を調 製し、そして溶融物を移動冷却面上において少なくとも１０５℃／秒の速度で急 冷する工程からなる方法により調製される、請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．粉末調製工程が、合金の溶融物を衝突する気体または液体によって少なくと も約１０５℃／秒の速度で急冷する工程からなる、請求の範囲第１項に記載の方 法。
4. ４．急速凝固合金を微粉砕して粉末を調製する、請求の範囲第２項に記載の方法 。
5. ５．粉末が米国標準篩サイズＮｏ．６０−３２５（２５０−４５μｍ）を有する 、請求の範囲第４項に記載の方法。
6. ６．粉末が急速凝固アルミニウム合金を約０．１−５０容量％の量で存在する強 化材の粒子と組み合わせたものから構成され、該粉末はボールミル処理されて各 粒子の周りに金属マトリックス材料を抱き込んでいる、請求の範囲第１項に記載 の方法。
7. ７．プラズマ溶射工程が、（ｉ）不活性ガスをイオン化してプラズマを発生させ ；（ｉｉ）粉末をプラズマ内へ注入し；（ｉｉｉ）プラズマ内における粉末の滞 留時間を制御して粉末を溶融状態となし；（ｉｖ）そして溶融粉末を支持体上へ 向ける工程からなる、請求の範囲第１項に記載の方法。
8. ８．急速凝固アルミニウム合金を支持体上にプラズマ溶射することにより形成さ れた噴霧金属化皮膜。
9. ９．皮膜が連続した、織成された、ホイスカー状の、または粒状の強化材である 支持体に付与される、請求の範囲第８項に記載の噴霧金属化皮膜。
10. １０．合金がアルミニウム−鉄−バナジウムケイ素合金である、請求の範囲第８ 項に記載の噴霧金属化皮膜。