JPS58501944A - 溶射された繊維を含むプラズマコ−ティング - 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】 スプレーされた繊維を含むプラズマコーティング技術分野 本発明はプラズマスプレーとプラズマスプレーされたコーティングとに関し特に 繊維を含むプラズマスプレーコーティングに関する。

背景技術 過去２０年間に亙っでプラズマアークスプレーに関する様々な進歩改良がなされ 、また様々な応用が開発されてきた。プラズマスプレーによれば溶融可能な殆ど あらゆる物質からなるコーティング及び自ら形状を保つことのできる（フリース タンディング）組織を形成する−ことができる。

特に興味深い応用としては金属部品を熱及び摩滅性の環境に対して保護するため に金属部品にセラミック面を接着することがある。良く知られているようにセラ ミックを金属組織と一体化させようとする時に発生する問題の多くは、様々な種 類のセラミックと金属との間に存在する熱膨張係数の差異に基くものである。高 温用の構造は一般に鉄、−ッケル及びコバルトの高温用金属を用いている。この よう−ら な材料は一般に１０Ｘ１０　〜１４Ｘ１０　／’Ｃのオーダの大きな熱膨張係数 を有している。また最も関心のもたれ４ るセラミックとしては５×１０〜１０Ｘ１０　／’Ｃのオーダの小さな熱膨張係 数を有するアルミナ、ジルコニア、マグネシアなどを含む材料である場合が多い 。小さな熱膨張係数を有するセラミックと大きな熱膨張係数を有する金属構造と の間に良好な接着を可能にするための幾つもの異った方法が用いられてきた。そ のような方法の一つとしては金属及びセラミックの粉体を様々な割合で混合する ことにより、金属表面に於ては完全に金属からなる粉体を用い次第に金属に対す るセラミックの比率を増大させ最終的には完全にセラミックからなる粉体を用い ることにより複数のスプレーされた複合材料中間層を形成するものがある。

本出願人に譲渡された米国特許第４．２７３．８２４号明細書に記載されている 別の方法によれば、先ず金属繊維からなるマットがろう付けまたは拡散接着法に より金属表面に接着される。そして金属繊維のマット上にセラミックのコーティ ングを積層するためにプラズマスプレーが用いられる。金属繊維マットに対する セラミックの接着性を改善するために最初にマットに金属からなる薄いボンドコ ーティングが施される。このような方法によりかなりの成果か冑られるようにな ったがコスト及び性能の点で更に改良されるべき点が多々ある。プラズマスプレ ーコーティング及びプラズマスプレーされたフリースクンディング構造体は特に コーティングの厚さが大きい場合に、他の方法により形成された材料よりも強度 が小さくなる傾向がある。従って積層されるプラズマスプレーコーティングの内 部に繊維を混入してその強度を高めるための好適な方法を見出すことが望ましい 。ボロン繊維により強化されたアルミニウム複合材料は、プラズマコーティング に繊維を混入する組合せとして知られたものの一つである。この材料は薄い金属 フォイルにＩＩ維を敷設しこの層をフォイルに接着するためにアルミニウムをス プレーして積層構造を形成することにより製造される。更にこのような繊維−フ ォイル積層材料を数多く重合して互いに押付けることによりアエロフォイルなど のような一般に薄クシかも広幅の物品を製造するために用いられている。しかし ながらこの製造過程はコストが高い。また薄手の積＠材料からなる構造をとるた めに物品の名目上の面に対して直交する向きに繊維を混入するための実用的な方 法が見出されていない。

発明の開示 本発明の目的の一つは表面に対してｔＭ雑をプラズマスプレーするための技術を 提供することにある。本発明の第二の目的は繊維を一体的な要素として含むプラ ズマコーティング及び他のコーティングを形成することにある。

本発明によれば繊維をプラズマスプレーなどの熱的なスプレー方法を用いること により加工片の表面に付着させる時に繊維を部分的に溶融し互に接着させる。本 発明の主な実施例に於ては繊維が加工片の表面に対しても接着される。

加工片の表面に対して予備的なボンドコーティングを施すことによりその表面の 状態をより好適にすることもできる。

付着された４Ｍ維はそのアスペクト比及び用いられたスプレーについてのパラメ ータに応じてランダムまたはより規則性を有するパターンをもって付着される。

何れにしても繊維は一般的に金属表面に対して平行となるのではなく表面から突 出する部分をかなりの割合で含んでいる。スプレー過程の開繊維の一部のみが溶 融される。スプレーされるファイバの多くば殆ど溶融することなくその突端及び 外面のみが部分的に溶融されることにより加工片に対して並びに繊維同士の間で 好適なボンディングが行われる。上記したような結果を得るためにはプラズマを 発生するノズルと加工片との間の一点に於て繊維を高温のプラズマガス流に注入 する。

繊維が加工片の表面に付着した後にマトリックス材料を繊維の間に浸透させるこ ともできる。マトリックスは様々な技術を用いて浸透させる゛ことが可能である がマトリックスが複数の層をなすプラズマスプレーコーティングからイｒる場合 に本発明の有用性が高い。繊維はプラズマスプレーされたマトリックスを基層に 対して保持する働きがある。

更にＡ１１Ｉｌｆｆｉがスプレーされたマトリックスの層を横切っていることに よりマトリックスの強度が高まる。マトリックス材料がプラズマスプレーされた コーティングである場合には主たるマトリックス材料をコーティングする前にボ ンド用のコーティングを繊維に対して付着させると良い。

本発明は特にガスタービンエンジンの金属−セラミックエアシールを製造するた めに特に好適である。そのような場合に基層は超合金からなるのが好ましい。ま たマトリックス材料はジルコニアを基礎とするセラミック材料であるのが好まし い。また繊維は高温に於ける強度を有すると共に腐蝕に対して抵抗力のある金属 であるのが好ま１ノい。このような実施例は更に本発明に基き次のような処理を 施すことにより更に改善される。繊維が付着され狙マトリックス材料が付着され る前に、ポリマーなどの一時的な材料を基層の上に形成することにより加工片上 の繊維の一部が全面的にこのポリマーにより覆われるようにする。しかしながら ＪＪＤ工片の面から最も高く突出する繊維の部分は完全にポリマーにより覆われ てはいない。従って次いでマトリックス材料がスプレーされた時このマトリック ス材料は繊維の突出端を覆うこととなる。次いで燃焼などにより一時的なポリマ 材料を除去する。こうすることにより基層の表面の近傍に対してはマトリックス 材料が浸透していないような金属Ｍ維のネットワークにより連結されたセラミッ ク及び金属繊維複合構造体が形成される。この金属Ｍ＆雑のネットワークは比較 的良好なコンプライアンスを有している。

即らこの金属繊維のネットワークはセラミックと金属基層との間の熱膨張係数の 差異に基く相対変位を許容するべく比較的僅かな抵抗を伴うのみで変形し易い。

従フて廿ラミックは基層にしっかりと保持されるが破壊に導くような応力が発生 することがない。一般にコーティング内に繊維を混入すうことは強度並びに熱伝 専度などの他の性質を改善する働きがある。本発明はプラズマコーティングに限 らず殆どあらゆるコーティングに対して好適且有用であると考えられる。繊維は プラズマスプレー可能な任意の材料であって良い。マトリックス材料を用いずに ｔａ維のみを用いることも基層に繊維を接着させその表面積を増大させる上では 有用である。

本発明の上記した或いは他の目的、特徴及び利点は以下の好適実施例の説明と添 付の図面とにより一層明らかになるものと思う。

図面の簡単な説明 第１図は本発明に基く物品を製造するための過程を示す基層の端面図である。

第２図は基層上に形成されたセラミックによって覆われた金属繊維を示す断面図 である。

第３図はセラミックと基層との間に意図的に空隙を設けた試験片を示す第２図と 同様な図である。

第４図はプラズマスプレー装置と加工片との関係を示す模式図である。

第５図は加工片にスプレーされ接着された銅繊維を示す写真である。

第６図は第５図の繊維を拡大して示す写真である。

第７図は第６図を更に拡大して示す写真である。

発明を実施するための最良の形態 以下にステンレス鋼繊維を用いジルコニアセラミックコーティングをステンレス 鋼基層に施す実施例について説明するが、本発明は他の組合せの材料についても 等しく応用可能であることはいうまでもない。

第１図は本発明に基く過程の概要を示している。第１（ａ）図に示されているよ うに先ずボンドコーティング２２を金属基層、即ち加工片２０の清浄な表面にプ ラズマスプレーし、後に付着されるべき物質に対して親和力のある表面２３を形 成する。次いで微細な金属繊維２４をボンドコーティングされた加工片の表面に 付着されるようにプラズマスプレーする。第１（ｂ）図に示されているように繊 維の多くは加工片の表面から突出している。次いで第１（Ｃ）図に示されている ように突出する繊維を覆うような普通の層状セラミック組織２６を形成するべく セラミックの粉体をプラズマスプレーする。必ずしも必要ではないがこの過程に 先立って付着した繊維に対して金属粉の軽いボンドコーティングをプラズマスプ レーすると良い。繊維の表面が不規則であるために付着したセラミックの表面も 不規則となる。従ってセラミックの表面から突出部分２８を除去するためにグラ インド加工を伴う平滑な表面仕上げを行うこともできる。第１（ｄ）図に示され ているようにこのようにして形成された物品２７は、その表面２３にＨ＆維及び セラミックマトリックスのコーティング２７が形成された基層２０からなってい る。

第１（ｅ〉図から第１（ｇ）図までに示されている任意的な工程は、セラミック マトリックス−［［金材料と基層との間に低い剛性を有する柔軟な繊維構造を形 成しである物品を製造するためのものである。第１（ｅ）図に示されているよう にポリマーの層３０を加工片の表面２３にプラズマスプレー等の方法によりスプ レーすることにより表面から突出するｌ！雑の部分を覆う。層３ｏめ厚さは、繊 維２４の突出部分が層の平均表面から突出するように定められる。次いで第１（ ｆ）図に示されているように第１（ｃ）図に示された構造を形成するために用い られたのと同様な要領によりセラミックマトリックス材料をポリマー層の上にス プレーする。層をなすセラミック材料２６′はポリマー表面に付着しポリマーの 上方に突出する繊維の部分を覆う。次いで所望に応じてセラミックの表面２８′ をグラインド加工し平滑且平坦な表面仕上げを行う。更に物品を酸化可隙な環境 を有する炉内におきポリマーを燃焼させ、ガスに変換して除去する。こうして第 １（ｇ）図に示されているよ゛うな繊維及びセラミックマトリックス構造２６′ が基層をなすボンドコーティングされた表面２３′に対して互いに間隔をおいて 多数の繊維により連結されたＩ造を有する物品が残される。このようにポリマー は一時的な材料として機能しセラミック材料か前記した空隙に浸透するのを一時 的に防止する働きをする。その機能が果された後は加工片またはコーティングに 対して同等悪影響を及ぼすことなく除去される。このように基層に施された］− ティングは第一にｔｌ＆Ｈにより強化されたセラミックマトリックスからなる第 一の部分２６′とマトリックス粒子が殆ど含まれていない繊維からなる第二の部 分３０’　とからなることを特徴としている。

第２図はステンレス鋼からなる８Ｍ２４ａ　、２４ｂと同じくステンレス鋼から なる基層２０ａと主にジルコニアからなるマトリックス２６ａとを含む実際の物 品を断面して示す第１（Ｃ）図に対応する図である。マトリックスの厚さは約２ ．５ｍｍである。普通の！！維２４ａは名目上加工片に対して平行或いは傾斜し たＭ＆雑の部分２４ｂの組合せからなっていることが解る。突出部分２８ａは繊 維にプラズマを蓄積することによって形成されたものである。第３図は第１（ｇ ）図に対応する断面斜視図であるが但しセラミック突出部分２８ｂが除去されて いない。マトリックス２６ｂと繊維とからなる複合構造の間には既に除去されて しまったポリマーにより形成された約０．１ｍｍの厚さの空隙３０ｂが存在する 。繊維２４ｃがこの空隙を横切ることによりセラミック２６を保持している。

第２図及び第３図に示されている試験片は次のようにして作られる。△ｌ５Ｉ３ ０４ステンレス鋼の小片を溶剤及びグリッドブラストを用い従来がらある方法に より清浄化する。ボンドコーティングは４５Ｘ１０’〜１２０Ｘ１０−４ｍの径 を有するニッケルクロムアルミニウム合金の粉体（Ａ　１ｌｏｙ４４３　、　Ｍ ｅｔｃｏ、Ｉ　ｎｃ、、１ｎｆｒａ　）からなっている。

ＩＭＭは０．２５ｘ０．２５ｍｍの方形の断面を有し且約３゜ｍｎ＋の長さを有 する△ｌ５Ｉ３０４ステンレス鋼がらなっている。セラミック粉末は１０Ｘ１０ 　〜９０ｘ１０ｍの径を有する８０％のジルコニアと２０％のイツトリア（Ｍｅ ｔｃｏ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　２０２　Ｎ　３　）の混合体からなっている。

プラズマスプレーのためにはＭ　ｅｔｃｏ　Ｍ　ｏｄｅｌ　７　Ｍ　５ｙｓｔｅ ｌ及び７．８ｎ＋ｉの出口径を有する５ｔｙｌｅ　Ｇテーバノズルをを有するガ ンからなる従来形式のガン及び粉体供給装置を用いた（Ｍｅｔｃｏ、［ｎｃ、、 Ｗｅｓｔｂｕｒｙ　Ｎｅ＋＊Ｙｏｒｋ　）　。ガンは平坦な加工片に対して約Ｑ 　、　３　ＩＲＩＳ／　ＳｅＣの速度で横方向に移動させ各パスは先行するパス に対して約３ＩＩｌ１Ｍオフセットサレルものとする。繊維はＴｈｅｒｌｗｏ　 ａｒｃ　ＰＩ　−ＡＯＶ　−２ｆｅｅｄｅｒ　（Ｓ　ｙｌｖｅｓｔｅｒ＆　Ｃｏ ｍｐａｎｙ、　、Ｃｒｅａｖｅｌａｎｄ　、　Ｏｈｉｏ　）を用いて供給した、 以下に更に詳しく説明するように繊維はノズルの外側からプラズマ流に注入され る。粉体は約０゜５ｇ／ｓｅａの流量をもってプラズマ流の出口の下流側の近傍 位置に注入される。

ボンドコーティングは約０．０５〜Ｑ、１４ｍｍの厚さに施される。次いで繊維 を表面にスプレーしそれに付着させる。繊維は注入されると共にプラズマ流に捕 えられ加工片に向けて放射される。繊維の一部分のみが溶融しｉ雉が加工片に付 着する。プラズマガスのエンタルピーとプラズマ流中の滞留時間の関数である熱 伝達率は繊維の一部を溶融し加工片に対してそして互いに接着させるのに十分で な（）ればならない。しかしながら繊維が完全に溶融しその表面張力により滴状 となるほど大きくあってはならない。０２５ｍｍのステンレス鋼の場合所要の溶 融状態を達成するためには比較的大きなエンタルピーが必要であった。その過程 については以下に詳しく説明する。スプレーされた繊維の密度はその本来の密度 である７、９ｇ／ｃｃの１０％〜２５％であると推定された。名目上は約１５％ の密度であるものとする。

セラミックの粉末はガンのノズルを基層に対して９０゜の角度に向けることによ り従来からある方法によりスプレーされる。粉体をスプレーする際のパラメータ は概ね従来通りであってガンと加工片との間隔は約５４ｍｍ、使用電流７００Ａ 、使用電圧７０Ｖそして９　ａｒｌ　／　ｓｅａの水素と６２ｓ’　／　ＳｅＧ の窒素とを混合して用いるものからなっている。

以下に詳しく述べるように繊維をスプレーする場合にも同様なパラメータが用い られた。前記した名目上の繊維密度が１５％の場合に於てセラミックは加工片に 達するまで浸透し比較的均一な密度を実現した。通常は加工片の而を横切る繊維 の下側に若干の遮蔽された領域が形成されることが予想される。しかしながらこ れは本実施例の実施に当って同等顕著な空乏部分を形成することがなかった。も し過大な遮蔽領域が存在した場合にはガンを加工片の面に対して様々な角度をも って傾斜することにより繊維の下側にもセラミックを良好に付着させより高い密 度を得ることもできる。しかしながら＃＆雑の密度が十分に高いためにセラミッ クが浸透することができずに密度が低い或いは完全に密度がＯであるよ−うな領 域が形成される場合もある。従って特別の場合には上記したような方策を施すこ とも必要である。

多くの場合、セラミックはｍ維の層に浸透するとかできる。従って前記したよう にポリマーその他の］−ティングを一時的な材料として用いることにより所望に 応じて基層の表面の近傍にセラミックマトリックスの存在しない領域を形成する ことができる。本実施例の場合粒径４４Ｘ１０−ム 一６〜１００Ｘ１０　ｍであるようなポリエステル（Ｍｅｔｃ。

６００Ｍａｔｅｒｉａｌ　）を約０．２５ｍｍの厚さに従来からある方法により スプレーした。この層は５５０℃の温度により３時間炉内で加熱することにより 除去された。ルーサイト４Ｆアクリル樹脂（Ｄｕｐｏｎｔ　Ｃｏ、、　Ｗｉｌｍ ｉｎｇｔｏｎ、［）ｅｌａｗａｒｅ）等の他の一時的な材料を用いることもでき る。ポリ７−は容易に酸化され、且軽度の加熱により除去されるために好適な等 材料である。またプラズマコーティングによりフリースクンディング構造体を形 成しようとする場合にマンドレルにコーティングを施そうとする場合に用いらね る塩その他の溶解または溶融可能な材料を用いることもぐきる。

上記した説明は一つの例としての試験片に関するものである。米国特許第４．２ ７３，８２４号明細害に教示されているようなガスタービンエンジンのためのけ ラミックエアシールを実際に製造するためにはニッケル、鉄または］バルトから なる超合金を用いた基層を用いることとなろう。

繊維は高温に於ける強度と腐蝕に対する抵抗性を有する材料であることとなる。

繊維は基層に類似した組成を有するものであっても良くまた他の組成を有するも のであっても良い。その他の高温に於て有用な繊維の例としてはＨｏ５ｋｉｎＳ ８７５△１ｌｏｙ（Ｃｒ　２２．５％、△１５．５％、Ｓ：　Ｏ。

５％、Ｃｏ、０１％、Ｆｅ残壜、以上重量比）（Ｔｈｅｌ−１ｏｓｋｉｎｓ　ｌ ｙｊａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃｏ　、［１ｅｔｒθｉｔ、（ｖｌｉｃｈｉｇ ａｎ、ｔＪＳ△）かある。エアシールに於ては前記したジルコニアを基礎とする セラミック材料が有用である。有用な他のセラミック材料としては１４００℃以 上の融点を有する好ましくは酸化物として溶融可能且耐火性の金属化合物であっ て良くまたポライド、ナイトライド、カーバイドなどを純粋な化合物としてまた は混合物として含むものであっても良い。繊維のみからなるセラミックと基層と の間の空隙は十分な量の１！維と一時的な材料とをスプレーすることにより約０ ．２５＋＋＋ｍ〜４２ｍｍの範囲で変りづるものであって良い。

ｆａ帷のみを有するこの゛空隙の厚さは特定の用途に応じて定められる。熱膨張 係数の差異に起因する変位を吸収する能力が大きいことが必要な場合には空隙を 大きくする。

繊維を基層状にイ」看させる要領は第４図に部分的に示されている。プラズマガ ン３２は加工片部ノ５基層３４（二対して距１１ｆｔＤを隔てて設置される。プ ラズマガス流３Ｇはノズル３９の出口３８から発射される。そのノズル而４０に 隣接する下流側の位置には従来形式の粉体注入管４２が設けられている。粉体の 場合と異り繊維４４はノズル面に対して間隔をおいて設けられた別の管４６によ り注入される。

管４６はプラズマガス流の中心線４７に対して直交しているのが好ましいが管４ ６を１１０王片に向けて傾斜して用いることもできる。繊維４４が放出される管 の出口４８は直接プラズマ流に衝当することのないような十分な距離Ｅをおいて プラズマ流の中心線から離間されている。繊維はキャリアガスにより管４６内を 搬送される。前記した。、２５ｎｕｎのステンレス鋼の繊維を６１！１ｍの内径 を有する管４６内を搬送するために約１０［１ｒ］／ｓｅｃの流量を用いた。繊 維は管の出口４４から発射されると共にカニス流に捕えられる。

繊維注入用の管の正確な位置は特定の作動条件、繊維の寸法及び所望の結果に応 じて変えると良い。一般に管の軸線５７はプラズマ流の中心線４７に概ね交差す る。繊維を注入する点は通常粉体を注入する点の下流ｆ１１．１１に位置してい るのが好ましいことが解った。これは本発明の目的を達成するに当って粉体より も繊維を比較的少く加熱することが必要であるという要請を反映しており、これ により後記するように繊維を加工片に対して針状に付着させることができる。例 えばノズル面と加工片との間隔りが約４Ｑｍｍである場合前記した０、２５ｍｍ の直径を有する鋼ｍ雑をノズル面から約８ｍ１１１の距離［を隔てて注入するこ とができる。中心線４７に対する間隔Ｅは約６ＩＩ１ｍであった。

本発明を実施するに当ってＩＪｉ維の所要の溶融状態を制御するために繊維を注 入する位置の間隔Ｆ＠変化させてみた。

一般に溶融のために必要なエネルギか小さい繊維は加工片面に近い位置で注入す ると良い。このような要領で繊維を注入する位置を変化させることによりプラズ マ流れのパワーレベルをより独立に設定することが可能となる。従ってプラズマ 流の高いパワーレベル及びそれに伴う高い速度を達成し得ることとなるが繊維の 滞留時間が必要以上の溶融を引起すほど過大になることがない。更にこのような 方針に基いて本発明を実燕することによりスプレーされる粉体に応じたガンのパ ワーの設定が可能になり特に粉体と繊維とを同時に注入しようとする場合等の本 発明の様々な実施例の実施を容易にすることができる。繊維はノズル面と加工片 面との間隔りの５％〜８０％の間隔Ｅをおいて注入すると良く特にこの範囲を１ ０％へ一５０％とすると良い。この間隔りは粉体をスプレーする場合と同様に変 化させれば良い。一般にスプレーされるへき材料、環境条件その他にもよるが５ ０ｍｍ〜１７５＋＋ｕｎの範囲であって良い。いうまでもなく繊維か加工片の面 に過度に近接して注入された場合にはそのプラズマ流中の滞留時間が不十分とな り溶融が過度となり繊維が加工片に過度に付着することとなる。しかしながらそ のような場合粉体ち同時に表面に衝当されれば繊維もプラズマ中に以前として留 まることとなる。

加工片上に付着された繊維の顕微鏡観察を行ってみた。

第５図はＭｔ＞ｔｃｏ　△１ｌｏｙ４４３をコーティングした加工片上に０．３ ５ｍｍの直径を有し且３ｍｍ〜６ｍｍの長さを有する銅の繊維を付着した状態を 示している。繊維の密度は約４０％であると推定される。第６図及び第７図は加 工片の表面に直交する線に対して３０°傾斜した位置からより高い拡大率で観察 したものである。第５図から繊維の多くの部分が加工片の面に対して直交覆る向 きに近い様々な角度をもって加工片５２０面から３ｍｍの高さに達するように突 出していることが解る。これは米国特許第４，２７３，８２４号明細書に記載さ れている公知技術に於ける場合のようにすべてのｌ！維が加工片の表面に対して 概ね平行をなすように１．８＋ｎｍの厚さを有する繊維マットを加工片にろうｆ 」（プする場合と対照的である。第６図及び第７図は繊維の一部分５４が溶融さ れた状態を示している。また破壊されたｇ＆維５６及び醗化物からなるスケール ５８も見られろ。；Ｊだボンドコーティングされた基層表面６２の一部分ら見る ことができる。しかしながら全体として繊維の端部が溶融されており、１帷に力 を加えてみればｗｇＭの多（か加工片の表面に接着されていることが解る。また 繊維の長手り向に沿う表面の溶融も見られるがこれらは繊維同士を豆いに接着す る働ぎをする。繊維の一部は破壊され又は過度に溶融されているが繊維の大部分 は針状の形状を保ち概ねその本来の直径を保っている。

本発明に関づるここＪ：での説明に於ては金属繊維を用いていた。基本的には市 販されているワイヤ加工により装造され！ごワイヤを裁断したちのやフォイルを 細幅で裁断して得られる繊維も本発明に用いることができるが、特に後者は概ね 四角形または矩形の断面を有することとなる。ここで円形でない断面を有する繊 維の直径について言及されている場合円形でない断面の内部に内接する円の平均 直径を意味するものとする。現在のところ約０．０５ｍｍ〜０．３５＋ｎｍの直 径が従来形式のプラズマスプレー装Ｈに於て用いるのに有用であると考えられる 。前記したように繊維の最小直径は効果的なコーティングを行い得るようなプラ ズマガンの最小の熱伝達条件によって定められる。０．０１ｍｍの直径を有する 繊維をスプレーする場合我々の用いた装置によってｌ！維が完全に溶融してしま うのを避けることかできなかった。最大直径も同じく熱伝達の条件の関数である か特に繊維がカロエ片に衝当する前にプラズマ流に滞留する時間に依存する。均 一な結果を得るため←二は繊維が慨ね均一な直径を有しているべきである。もし 小さな司法の繊維が混入している場合にはそれらは溶融してしまう可能性が高い ために、そのような繊維か余り多数混入していると本発明の目的が十分達成でき ないこととなろう。しかしながらこのパラメータは前記しｔこようにその向きに 関する点を除いては結果にそれほど人きイ【影響を与えないために１０ツト内の 繊維の長さが多少不均一であっても良い。

繊維は最も好ましい強度の改善及び物性の改善を達成するようにマトリックス中 に導入される。強度についてはプラズマコーティングの最も重要な欠点がその基 層に対する接着の度合にあることが良く知られている。上記した本発明にに於て は繊維が基層とマトリックスとの雨音に接着されることとなるためにこの点に於 て改善されている。プラズマコーティングは複数回のバスをもって付着され、そ のために固化した粒子の複数の層として見ることができる。

層の′間に欠陥が発生する傾向があるが繊維が導入され且層間を横切って突出す るようになっているために強度が改善される。普通一つの層は０．０８ｍｍのオ ーダの厚さを有しているが、一本の繊維は約０．Ｏ８ｌ１ｍの長さを有している ためにこのような隣接する二つの層のそれぞれ半分を横切るように突出するとい う利点が得られる。層をなすマトリックスを強化するためには繊維がマトリック スに十分に接着されていなければならない。マトリックスを強化するために存在 しなければならないＨＡＨの長手方向に沿う接着力は接着部分の剪断強さの関数 である。これは繊維及びマトリックスの組成により変化するが一般に繊維の直径 の３１８の長さに亙って繊維が接着されることにより十分な強度か得られると考 えられている。従ってこのような応用に於て繊維の最小アスペクト比は６対１と なる。アスペクト比（繊維の名目上の直径に対する長さの比〉は重要なパラメー タである。第一にこれは繊維が加工片に接着する時の繊維の形成するパターンに 対して影響を及ぼす。限られた観察結果によれば、約０．２５ｍｍの直径を有し ロアスペクト比が２０対１であるようなステンレス鋼の繊維についてのように高 いアスペクト比を有する繊維を用いた場合には繊維が加工片に対してランダムな 向きで付着する傾向が見られた。しかしながらこのような繊維のアスペクト比は 約１５対１以下であるためにそれよりも整合したパターンをもって付着する傾向 があり即ち加工片の面に対してより直交する向きに近い向きに整列する傾向があ る。従って繊維の向きを特定の方向としようとする場合にはそれに応じて繊維の ７スペクト比を選ぶこととなる。しかしながら上記したような効果が現れる理由 については完全に理解されていない。しかしながらすべての繊維はプラズマガス 流の流れの向きに平行に整列する傾向があるように見受けられる。

しかし繊維が加工片に衝当する際に長い繊維はど曲げられ易くなり従ってよりラ ンダムに整列する傾向が現われる。

繊維が過度に長い場合にはそれらを供給する際に困難が生じる。いうまでもなく これは粉体供給装置及びノズルの寸法などに依存するものである。多（の用途に 於て繊維の有用な長さは約０．４ｍｍ〜Ｑ、４１１１１であると煮えられる。

上記した議論に暴けば好ましいアスペクト比の範囲は約３対１から８０対１であ る。このような範囲は将来の発展に伴い変化し得るものである。マトリックスに 先立って付着するｌ維の密度は特に繊維寸法、供給量、キャリアガスの流用及び プラズマ流れの条件などのパラメータを選択することにより調節することができ る。一般に独立に付着される繊維のかさ密度は固形金属の密度の６０％以下の範 囲である。繊維を付着し次いでマトリックスをスプレーしてなる物品の密度はマ トリックスが繊維内に浸透し得る度合に依存する。いうまでもなくマトリックス は繊維の有無に拘らずそれ自身の密度を有している。繊維は加工片の面に対して 概ね直交する向きに整列する傾向があるために米国特許第４，２７３，８２４号 明細書に教示されているような繊維のマットを用いる場合に比べてより大きなマ トリックス−繊維複合材料としての密度を有する。限られた範囲の証拠によれば 、第３図に示されているような繊維の密度の部分が約５０％を占めるような普通 のマトリックス密度を（９ることができる。

これまでに何回かボンディングコーティングについて言及した。ニクロム、ニッ ケルアルミニウムその他の従来形式のプラズマコーティング下地材料も有用であ ろう。このような材料を従来形式のプラズマコーティングの付着力を改善するた めに良く知られた要領で加工片に対して］−ティングすることができる。ボンデ ィングコーティングが既に付着した繊維の表面に対して施された場合或いは繊維 を加工片に付着させると同時に−」−ティングした場合に、付着されるべきボン ディングコーティングの１は、繊維が存在しない場合に平坦な加工片の而に約０ ．０８ｍｍの厚さの層を形成するような間であって良い。過度に大半のボンデイ ンクコーティングを付着させるとそれ自体がマトリックスとなってしまう。

本発明の主な用途はセラミックその弛の脆いコーティングを強化することにある と考えられるが、これからの研究により更に改善された材料を提供するために有 用であると考えられる。従って本出願に於ては本発明があらゆる種類のプラズマ コーティングについて有用である企図されている。

金属繊維を混入することにより特に好適となるプラズマコーティングの一例はポ リマーとニクロム粉末の混合物をスプレーし次いでポリマーを除去して形成され るような比較的軟質の剥離可能な材料として用いられる多孔質（４０％密度）の 金属コーティングがある。この多孔質のニクロムマトリックスにニクロム繊維を 混入することにより金属製の物品の熱伝導度が高まる。そのような場合に繊維と マトリックスとの間のボンディングの度合はそれほど重要でなく、むしろ繊維が 熱伝達が行われてほしい向きに沿ってできるだけ並ぶように繊維が整列している ことが望ましい。

そのような材料の用途の一つとしてはガスタービンエンジンの圧縮機に於て用い られる剥離可能なシールの材料としてである。熱が局部的に摩擦を受ける点から シールに隣接する領域に伝達されるためにシールまたはそれに隣接する構造体を 損うような局部的な加熱が回避される。不発明の最初の重要な応用は繊維マット に対する改良した代替物としての用途に見出されると考えられるが場合によって は繊維マットを直接代替するものとして用いることもできる。

そのためには繊維が加工片の表面に対して平行な向き・に整列するように繊維の 材料及びプラズマスプレーのパラメータを選択することによプラズマスプレーを 行うこととなる。

次いで熱間または冷間の圧縮過程が行われ付着した後の繊維を変形させることに より繊維を加工片に対してより平行な向き←・整列させる。

プラズマコーティングはるつぼ、ロケットノズルなどのフリースタンディングな 即らそれ自体の形状を有する物品を製造するためにも用い得ることが良く知られ ている。本発明の上記した実施例に基いてこのようにして製造される物品の性質 を改善することもできる。

更に本発明に基く繊維をスプレーしそれらを金属表面に付着させる方法はプラズ マコーティング以外にもポリマー、蒸着、非電解式コーティングなどのプラズマ コーティング以外のコーティングを強化するためにも有用であると考えられる。

更に本出願に於ては繊維のみが第１（ｂ）図に示されているようにｂロエ片面に 付着した状態であっても電気的または化学的な応用分野に於ても高い表面積を１ ｑる上で好適であることも認識されておりまたガスタービンエンジンに於て剥離 可能な材料として有用であるということら同じく認識されている。

以上本発明の好適実施例を説明したか他の実施例も種々実施可能である３、上記 に於てはプラズマアークスプレーが用いられたのはそれが優れた方法であるから である。しかしながら燃焼成いは°電気アーク以外の熱源を用いた他の熱的なス プレー方法も適切に繊維を溶融することができ本発明の実施のために利用するこ とが可能である。

ｉ維を粉体とを同時にスプレーするためには別個のガンを用いることによりそれ ぞれのパラメータを独立に制巽し轡るよ、うにすることができる。また−個の粉 体／繊維注入孔を有するような単一のガンを用いることもできる。その場合ｍ維 と粉体とが予め混合されることとなる。この場合には選択された粉体及び繊維の 寸法及び注入位置に関する様々なパラメータの適合性を実験的に定める必要があ ろう。

以上本発明の特定の好適実施例について説明し−たが当業考であれば請求の範囲 に記載された本発明の概念及び範囲から逸脱することなく種々の変形変更を加え て本発明を実施し得ることは明らかであろう。

ＦＩＧ、２　Ｂａ ＦＩＧ、Ｊ ＦＩＧ、　４ Ｆ／に、５

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．プラズマスプレーにより製造された物品であって、層をなすプラズマスプレ ーされた粒子のマトリックス内に部分的に溶融し且同化したｍ維を含んでなる構 造を有することを特徴とする物品。 ２、熱的なスプレーにより部分的に溶融し固化した繊維が表面に付着している基 層を有することを特徴とする物品。 ３、熱的にスプレーされた物品を製造するための方法であって、繊維をその針状 であるという性質を変えることなくその一部を溶融しそれを基層の表面に付着せ しめることにより繊維の一部が前記基層から突出するようにさせることを特徴と する方法。