JPS58199072A - 増大した厚さのセラミツクコ−テイングの溶着法 - 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】 本発明は、機械工学の分野に関し、更に詳細にはプラズ
マ溶射によるセラミックコーティングの溶着法に関する
。本発明は、高温材料およびコーティングが部品の表面
を高温、腐食性媒体、浸食等の影響から保護するために
使用される機械工学の部門、即ち航空工業、化学工学、
パワーブラント建設、冶金工学等において広汎な応用を
見い出すことができる。

プラズマ溶射によるセラミックコーティングの各種の溶
着法が当該技術分野で既知である０酸化物のプラズマ溶
射法が当該技術分野で既知である（ビー・タブリー−・
キングによる酸化物のガス炎およびブラズ１溶射につい
ての論文、インダストリアル・ヒーティング、第１Ｏ号
、ｌり６２年、第２０１３頁、第２０／４！頁、第２０
２３負参照）。

前記の従来法は００ｌ−Ｏｏり騙の厚さを有する金属ｄ
化物コーティングの溶着に関する。

前記の従来法は、比較的厚い厚さ、即ち／＋ｕ以上のコ
ーティングの場合には基材に対するコーティングの適当
に強い接着力を得ることが不可能であるという欠点を有
する０ また、アクアセントラムというチェコスロバキアの会社
によって開発された厚いコーティングの溶着法およびセ
ラミック材料からの厚壁物品の製作法も当該技術分野で
既知である（液体プラズマ溶射機ヘッドを使用するプラ
ズマ溶射法についてのアクアセントラムによる広告デー
タシート参照。

内容説明書にはデータはない。クオールラプ・ジェイ、
ツペリナ・ケー）。更に、プラズマトーチ（ｔｏｒｃｈ
　）を、保護表面層を溶着し、かつ構造エレメントを製
作するのに使用することは既知である（ストロジレエン
スカΦピローパ、Ｎｕ　ｒ　、　２／、１９７３年、第
１Ｖ　−Ｖ頁参照）。

前記の後者の従来法は、水安定化プラズマアークを有す
る特殊なプラズマトーチをセラミ７り材料の溶射に使用
した場合にだけ実現され得る点において不利である。水
安定化プラズマトーチは複雑なデザインを有し、そして
大量生産されず、それ故前記の後者の方法の適用はむし
ろ制限される。

更に、前記方法は、比較的低い熱膨張係数、従って亀裂
形成に対する低い傾向を有するセラミノ１：Ｂｌｌ”１ り材料（アルミナ、酸化ジルコニウム、スピネル）から
部品を製作できるだけである。問題の方法は、かなりの
厚さのコーティングを溶着するのに適しておらず、そし
て七〇熱膨張係数が前記材料の熱膨張係数よりも２〜参
倍島い高温材料、例えばジルコニア（融点コｔ００℃、
２２００℃までの加工温度）から厚壁部品を製作するの
に適していない０ 本発明は、成る種の技術の適用によりＯ，コ關を超える
厚さの増大によるセラミックコーティングの劣化を防止
する増大した厚さのセラミックコーティングを基材上に
溶着する方法の問題を解決することを目的とする。

前記問題は、ガス安定化プラズマジェット内の出発材料
を溶射することによって増大した（　０．コ闘以上）厚
さのセラミックコーティングを基材上に溶着するにあた
り、ｏ、ｌ−ｔｏｏｏ　９７分の量の冷却剤を被溶射材
料の基材との接触領域に導入し、一方溶射プロセスを以
下の主要パラメーターの仙アーク電流（Ａ）　　　　　
　　　２！０〜７００アーク電圧（Ｖ）　　　　　　　
　　ｔＳ〜３０θプラズマ発生ガス流量（Ａ’／分）／
−／ｊＯ被溶射粉末状材料の流量（Ｋｐ／時）　　　ｏ
、１−−２ｓの条件下で実施することを特徴とする増大
した厚さのセラミックコーティングの溶着法によって解
決される。

コーティングを貴金属の合金の基材上に溶着する場合に
は、溶射を２段で行う。第一段階はコーティングをその
全面積が基材の全表面の％を超えない分離部分（５ｅｐ
ａｒａｔｅ　ｐｏｒｔｌｏｎｓ　）上にコーティングの
所定の厚さの／−２％の厚さに溶着させることからなり
、基材の温度は１００−１０００℃の範囲内であり、一
方第二段階はコーティングを全表面にわたって溶着する
ことからなる。溶射プロセスが完了した後に厚壁セラミ
ック物品を製作する場合には、基材を溶射材料から取り
外す。

本発明は、通常のガス安定化プラズマトーチを使用しな
がら実際上制限されない厚さのセラミックコーティング
を得る可能を与え、それによって溶射すべきコーティン
グの保護性を改善させ、従ってそれらの応用範囲を拡張
させる。

セラミックコーティングを白金合金製ガラス溶融装置の
部品上に溶着させるために本発明の方法を使用すると、
高温雰囲気腐食の影餐に付されるガラス溶融容器の壁の
強度をかなシ増大させる。

コノため、前記容器の操作時に受けるプラチノイド全損
失は少なくとも３５チだけ減少し、一方ガラス溶融ユニ
ットの寿命は約２．２倍増大する。

本発明は、溶射プロセスの終了時に溶射材料から取り外
すことのできるマンドレルを基材として使用する場合に
、制限されない厚さの壁を有するセラミ・／り部品を如
何なる材料からも如何なる形状にも製作できる可能性を
与える。本発明は、通常のセラミック技術の使用によっ
ては製作できない形のセラミック部品（例えば、ペンチ
ーリ管）の製作時に特に有利に使用され得る。例えば酸
化カルシウム５重量％で安定化されたジルコニアの形の
ある厚壁部品を製作することが必要である場合には、本
発明の方法は唯一の′可能なものである。

本発明は以下のように実現される。

出発材料をガス安定化プラズマトーチによって基材上に
溶着する。

基材を如何なる金属材料および非金属材料（例えば、如
何なる等級の鋼、非鉄金属、耐火金属、耐火セラミック
材料吟〕からも作ることができる。

如何なるセラミック材料（例えば、酸化物、炭化物、ホ
ク化物、窒化物および他の金属化合物、並びに成分の如
何なる組み合わせおよび比率の混合物）も出発材料とし
て使用できる。

被溶射材料の粒子の基材との接触領域に、プラズマジェ
ットおよび被溶射融解材料の粒子により導入される熱の
除去を確実にする冷却剤を導入する。湾射時に冷却剤を
使用すると、連続的に適用さ扛たコーティング層間の温
度勾配を減少させ、そして迅速な冷却の結果として若干
数の微小亀裂の形成による前記層内の残留応力の水準の
低下をもたらす。このことは、溶射材料の非限定数の層
を溶着する可能性の発現をもたらし、従って結局のとこ
ろコーティング厚の増大をもたらす。

水、空気、二酸化炭素および他の物質またはそれらの混
合物を冷却剤として使用できる。

被溶射材料の粒子の基材との接触領域に導入される冷却
剤の量は、冷却に使用される物質の熱物理的性質に応じ
て０．／　−１０００１１／分の範囲である。

冷却剤を被溶射材料の粒子の基材との接触領域に導入す
るために、パイプ（冷却剤が単一成分からなる場合）ま
たはミキサー（冷却剤が２種以上の成分からなる場合）
および冷却剤またはその成分をパイプまたはミキサーに
移送するのに役立つホースを具備するむしろ単純な装置
を使用する。

ガス安定化プラズマトーチによる厚い厚さのセラミック
コーティングの溶着プロセスは、次の通りである。

所定の全表面に被溶射材料を徐々に一層ずっ被横するよ
うに、基材およびガス安定化プラズマトーチを互いに相
対的な動きにセットする。基材上に溶着される層の数は
、コーティングの所望の厚さに依存する。被溶射材料の
粒子の基材との接ね上領域の冷却を例えば空気−水混合
物のジェットによって行う！。

溶射プロセスを以下の主要パラメーターの値の条件下で
実施する。

アーク電流（Ａ）　　　　　　　　コＳＯ〜７００アー
ク電圧（Ｖ）　　　　　　　　　ａ、ｔ〜３００被溶射
粉末状材料の流量（Ｋ９／時）　　　０．１−２７所望
の厚さのコーティングに達したら、溶射プロセスを停止
する。

貴金属の合金の基材を使用する場合には、溶射を２段で
行う。この際、第一段階はコーティングをその全面積が
基材の全表面の％を超えない分離部分上にコーティング
の所定の厚さのｌ〜−チの厚さに溶着させることからな
９、基材の温度は１００−１０００℃の範囲内であり、
一方第二段階はコーティングを全表面にわたって溶着す
ることからなる。

セラミック部品を製作するために増大した厚さのコーデ
ィングを溶着する本発明の方法を使用する場合には、出
発材料をその配置が被製作部品の内面の輪郭に従うマン
ドレルとして作られた基材上に溶射する。被溶射材料の
層を基材上に被製作部品の所望の壁厚を確実にする量で
溶着させた後、溶射プロセスを停止し、そして基材（マ
ンドレル）を通常の技術の一つ（マンドレルが組立式な
ものである場合には分解、エツチング等）によって製作
部品から取り外す。

例１ 酸化力ルシウ重量型量係で安定化されたジルコθアのコ
ーティングを、／　Ｃｒ　／Ｉ　Ｎｉ　　１０　Ｔｉ　
％級ステンレス鋼から作られかつサンド・プラストに付
された直径３０ａｍの円柱状部品の形状に作られた基材
上に溶着させる。部品を回転させるのに役立つ機構のホ
ルダー内に固着させる。ガス安定化プラズマトーチを部
品の表面に対してりＯｏの角度で部品から／１０Ｉｕ＋
の距離に置き、その後トーチにプラズマ発生ガス、酸化
力ルシウム３重量％で安定化された粉末状ジルコニア、
冷却水および電力を供給し、そしてトーチを部品の軸に
沿って往復させる。

酸化カルシウム５重量％で安定化されたジルコニアを以
下の主要プロセスパラメーターの値アーク電流（Ａ）　
　　　　　　　　　　　参〇〇アーク電圧（Ｖ）　　　
　　　　　　ｔＺ〜　タｊプラズマ発生ガスの流量 アルゴン（７？！分）　　　　　　　　１０−　　／λ
窒　　　素（ｉ！／分）　　　　　　　　　ｉｏｍ　７
０基材の回転速度（ｍ７分）　　　　　　　　　ｔｓプ
ラズマトーチの給送速度（−／回転）乙の条件下で溶射
する。

部品上の溶射材料の２００層の溶着は、ｉｏｍの厚さを
有する酸化カルシウム５重量％で安定化さｎたジルコニ
アのコーティングを生じた。

例λ 操作は例１に記載の操作を類似であるが、基材をモリブ
デンから作る。

例３ 酸化カルシウム３重量％で安定化されたジルコニアから
作られ、内径３０ｔｍおよび壁厚３０厘厘を有する円筒
状部品は、酸化カルシウム３重量％で安定化された粉末
状出発ジルコニアをアルミニウムから作られかつ外径Ｓ
Ｏ閣を有する円柱状水冷基材（１７ドレル）上に溶射す
ることによって製造されるＯ 基材表面を０．１−／、コｌの粒径を有する炭化ケイ素
でのシ曽ット・プラストに付す。基材を回転機構のチャ
ック内に配置し、そして回転させる。

水冷を施す。

マンドレル軸に沿って往復されたガス安定化プラズマト
ーチによって、酸化カルシウム３重量％で安定化された
ジルコニアを基材表面上に溶射する。プラズマジェット
軸とマンドレル表面との間の角度は１０°であり、そし
てトーチノズルの出口部からマンドレル表面までの距離
は／１０−である。

酸化カルシウム３重量％で安定化されたジルコニアの溶
射を以下の主要プロセスパラメーターの値の条件下にお
いて行う。

アーク電流（１，）　　　　　　　　　　　　４ＡＯＯ
アーク電圧（Ｖ）１０−１？！ プラズマ発生ガスの流量 アルゴン（Ｊ／分）　　　　　　　　Ｊ　−ｉ。

窒　　素（Ａ’／分）　　　　　　　　　ｓｏ〜　６０
マンドレルの回転速度（ｍ７分）ｔｓ−ｘ。

プラズマトーチの給送速度（ＩＩｌｌＩ／回転）　　　
　　６溶射材料のｔｏｏ層がマンドレル表面上に溶着さ
れ、かつ部品の壁厚が３０關に達した後、溶射プロセス
を停止し、そして基材（マンドレル）を最終部品から取
り外す。

例参 ロジウム１０重量係を含有する白金−ロジウム合金のガ
ラス溶融容器を白色合成コランダムでの外部処理に付し
、エチルアルコールで洗浄し、容器を溶射時に移動させ
るように設定された機構内に固着し、次いでプラズマジ
ェットによって３ｊＯ℃に均一に加熱する。次いで、酸
化力ルシウム３重量−で安定化された粉末状ジルコニア
をプラズマジェットに供給し、そしてコーティングの２
．Ｏｍｃｒｎ層を基材表面積の３ＡＫわたって均一に分
布さ７ｔだ分離帯域内に溶着させる０溶射に付される表
面積の大きさをプラズマトーチおよび容器の移動速度の
比率によって制御する。容器の表面温度を３３０℃に維
持するために、容器の内部を空冷する。空気−水混合物
で基材温度２００℃に同時に冷却しながら、コーティン
グ厚の更なる増大を全表面にわたりて行う。冷却剤のジ
ェットは、基材表面上のアノードスポットに接近して従
う。空気−水混合物の供給時に、容器の内部の冷却を停
止する。

溶射プロセスを以下の主要プロセスパラメーターの値の
条件下において実施する。

アーク電流（Ａ　）　　　　　　　　　　　　３ｒｃア
ーク電圧（Ｖ）　　　　　　　　　　　　・７０プラズ
マ発生ガスの流量 アルゴンＣ１１分）　　　　　　　　１０−　　／２窒
　　　素（Ｊ／分）　　　　　　　　　　６０〜７０酸
化力ルシウムｊ重量％で安定化され た粉末状ジルコニアの流量ＣＫｐ１時）　　　　　　３
冷却剤（空気−水混合物）の流量 ｇ７分）／／ｊ〜ｊ００ 基材に対してのプラズマジェットの 相対的移動速度（ｍ／分）　　　　　　　　　　　　１
６溶射の結果、／ｌのコーティングが白金−ロジウム合
金のガラス溶融容器上に溶着された。

コーティングの存在のため、容器の長期高温試験により
て生ずる白金−ロジウム合金の総損失は３５％だけ減少
した。

例ｊ 操作は例弘に記載の操作と類似であるが、第一段階にお
ける基材温度はｌ参〇℃である０得らｔた容器コーティ
ングはＪｍ厚である。容器の試験後の合金損失は３コチ
だけ減少する。

例６ 操作は例参に記載の操作と類似であるが、第一段階にお
ける基材温度は２７０℃である０得られた容器コーティ
ングはＪｍ厚である。容器の試験後の合金損失は３ｇ％
だけ減少する０例７ 操作は例参に記載の操作と類似であるが、アルミナを被
溶射材料として使用し、そしてアーク電流は３００〜３
２ＯＡである。得られたコーティングＦｉＯ０１ｍの厚
さを有する。

コーティングの提供のため、容器長期高温試験によって
生ずる白金−ロジウム合金の総損失は２０チだけ減少し
た。

例を 方法は例参に記載の方法と類似であるが、酸化力ルシウ
ム３重量％で安定化された粉末状ジルコニアの流量は０
．　Ｊ　ｌ：Ｐ　７時であシ、そして基材に対するプラ
ズマジェットの相対的移動速度はｔｍ１分である。得ら
れるコーティングは０．Ｊｍの厚さを有する。

容器の長期高温試験によって生ずる白金−ロジウム合金
の総損失はｉｓ４だけ減少した。

出願人代理人　　　猪　股　　　　清 第１頁の続き ＠発明者　　ワレリー・ワシリエウイツチ・ザベガロフ ソビエト連邦モスクワ・ウーリ ツツア・マルシャラ・コネワ４ カーベー１８ ０発　明　者　ユリ−・ニコラエウイツチ・カリニン ソビエト連邦モスクワ・ウーリ ツツア・ノボクズネツカヤ３０力 一べ−５２ ０発　明　者　ナタリア・マトベーエウナ・クニナ ソビエト連邦モスクワ・ピョー トロフスキー・ブールバール１２ カーベー１１ ０発　明　者　ユリ−・アルカブイエウィッチ・パポフ ソビエト連邦モスクワ・タシケ ントスキー・ペレウロク３カー ベー２４ ０発　明　者　ビロルイ・ステパノウイツチ・ポルスチ
ェンコ ソビエチ連邦モスクワ・ウーリ ツツア・アムルスカヤ２２／コル ジス２カーベー２２ ＠ｌ！　　間者　　アレクサンドル・フヨードロウイツ
チ・セレジン ソビエト連邦モスクワ・ウーリ ツツア・カッコツ１６コルプス２ カーベー２１３ ０発　明　者　ウラジミール・イワノウイッチ・スムイ
チニ、コツ ソビエト連邦モスクワ・ザゴロ ドヌイープロエズド７コルプス ２カーベー５８ ０発　明　者　ウラジミール・ミハイロウイツチ・ノビ
コツ ソビエト連邦ヒムキ・モスコツ スコイ・オープラスチ・プロス ペクト・ドルズブイ５カーベー １３ ０発　明　者　シャ・アレクサンドロウナ・アキモカ ソビエト連邦モスコフスカヤ・ オーブラスト・ソルネチノゴル スキー・ライオン・パー／オー ・アンドレーエフ力１１カーベー １ ＠発明者　　ワレンチン・ミハイロウィッチ・クズミン ソビエト連邦モスコフスカヤ・ オーブラスト・ソルネチノゴル フスキー・ライオン・ペー／オ ー・アンドレーエフ力１８カーベ ２７ ０発　明　者　エフゲニー・イサエウィッチ・ルイトウ
イン ソビエト連邦モスクワ・ウー゛リ ツツア・ポロフスコボ２３−アー ・カーベー２４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ　ガス安定化プラズマジェット内の出発材料を溶射す
   ることによって、増大した（０．２１以上）の厚さのセ
   ラミックコーティングを基材上に溶着するにあたり、０
   ．１−１０００１／分の量の冷却剤を被溶射材料の基材
   との接触領域に導入し、一方溶射プロセスを以下の主要
   ノくラメ−ターの値 アーク電流（Ａ）　　　　　　　ｘｓｏ〜７００アーク
   電圧（Ｖ）　　　　　　　　４３〜３００プラズマ発生
   ガス流量（Ｊ／分）　　　　ｌ〜１３０被溶射粉末状材
   料の流量（にｇ／時）（７，／−２５基材およびプラズ
   マジェットの 相対的移動速度　ｍ７分　　　　　　Ｑ、ｊ　−３０の
   条件下で実施することを特徴とする増大した厚さのセラ
   ミックコーティングの溶着法０λ、貴金属の合金の基材
   を使用する場合に溶射を一段で行い、第一段階はコーテ
   ィングをその全面積が基材の全表面の％を超えない分Ｍ
   部分上にコーティングの所定の厚さの１，２％の厚さに
   溶着させることからなり、基材の温度が１００〜１００
   ０℃の範囲内であり、一方第二段階はコーティングを全
   表面にわたって溶着することからなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３、アルゴン、窒素、空気および水素およびそれらの混
   合物をブ。ラズマ発生ガスとして使用することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の方法。