JPS6017063A - 高靭性セラミツクコ−テイング層およびその製造方法 - Google Patents

高靭性セラミツクコ−テイング層およびその製造方法

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JPS6017063A
JPS6017063A JP58125788A JP12578883A JPS6017063A JP S6017063 A JPS6017063 A JP S6017063A JP 58125788 A JP58125788 A JP 58125788A JP 12578883 A JP12578883 A JP 12578883A JP S6017063 A JPS6017063 A JP S6017063A
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JP
Japan
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ceramic
metal
powder
coating layer
layer
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JP58125788A
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Masatoshi Inagaki
正寿 稲垣
Yoshitaka Kojima
慶享 児島
Hiromichi Imahashi
今橋 博道
Naotatsu Asahi
朝日 直達
Kimihiko Akahori
赤堀 公彦
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06Metallic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は高靭性コーティング層およびその製造方法に係
り、特に金属又は合金からなる基体との耐剥離性に優れ
た高靭性コーティング層およびその製造方法に関する。
〔発明の背景〕 ガスクー・ビン等の燃焼機器のエネルギ変換効率は高温
で稼動させる程高くなる。このためガスタービン等の燃
焼機器に用いられる高温部品にニッケル基、コバルト基
の耐熱合金を用い、この部品の高温ガス流にさらされる
表面にセラミック溶射層を形成させ、耐熱性及び耐食性
を向上させることが提案されている。
セラミックは、熱伝導率が低くかっふく対重が高いとい
う特性を有しているので、そのコーティングは熱遮蔽効
果があり、高温部品の温度を低減させる。
しかしセラミック溶射層は、熱サイクルの反復等によっ
て、使用中に部品から剥離し、その機能を失う場合があ
った。セラミックの剥離は主に母材とセラミック溶射層
との境界で発生することから、その原因は金属とセラミ
ックとの熱膨張差に起因して発生する剪断力によるもの
と考えられる。
この剪断力を緩和するために母材とセラミック層との間
に母材とセラミックのそれぞれの熱膨張係数の中間の熱
膨張係数を有する金属又は合金からなる中間層を形成さ
せる方法が提案されている(特開昭55−113880
号公報)。
また母材上のセラミック層に予め微細な割れを形成させ
、セラミックの割れの成長を阻止する方法も提案されて
いる(特開昭56−54905号公報)。
しかしいずれの方法でもセラミックの剥離を完全に防止
することが困難であり、また後者の方法ではセラミック
層に均一かつ微細な割れを形成することが困難である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、金属又は合金からなる基体との耐剥離
に優れた高靭性のコーティング層およびその製造方法を
提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、金属あるいは合金とセラミックとの混合物を
溶融凝固させると、混合物はセラミック粒子を取り囲ん
で金属が在存する組織に変化するという知見に基づくも
のである。すなわち、合金とセラミックとの混合物を溶
融凝固させると、融点の高いセラミックが先ず凝固して
結晶粒が形成され、次いで流動性のある液体状態の金属
がセラミック結晶粒をとり囲んで凝固する。このような
組織からなるセラミック層の特徴は、セラミックの結晶
粒界に存在する金属又は合金が高い変形態を有している
ので、セラミック単体からなるコーティング層に比べて
高い靭性を有していることである。さらに、母材金属と
セラミック粒子を取囲んで存在する金属との結合が形成
されるためセラミック溶射層に比べて耐剥離性が優れて
いる。
金属と酸化物セラミック(ジルコニヤ、アルミナ、マグ
ネシャ、チタニャ等)との界面の接合機構は以下に述べ
るようである。金属粒子表面は、通常大気中では、薄い
酸化物被膜で覆れている。
この酸化物被膜は、10””’[’orr程度の真空度
でも安定であシ、イオンスパッタリング等で除去しても
金属清浄面を保つには10 ” ’l’orr以上の超
高真空が必要である。よって、通常の金属粒子表面は金
属の酸化物であると考えてさしつかえない。
酸化物系セラミックは、酸化物として非常に安定である
(酸化物標準生成自由エネルギが低い)ため、他の酸化
物と接触すると、その酸化物を還元する。すなわち、酸
化物セラミックと溶融金属との界面において酸素の拡散
が生じる。この酸素の拡散によって、酸化物セラミック
と金属との界面か強固に固着されるのである。
したがって、セラミック粉末と金属又は合金の粉末を混
合する際、金楕又は合金は、その酸化物標準生成エネル
ギが酸化物セラミックのそれよりも高いことが望ましい
。例えば、セラミックとしてチタニャ(T’Ch )を
用いる場合、TiO2よりも酸化物標準生成エネルギの
低い金属はチタニャを還元し、セラミックとしての性質
を変化させるので好ましくない。このような金属として
、At。
M g + Z rがある。cr、 Ni、 Mn、M
O,WtFe、V、CLJ、Nb等の大部分の金属は、
チタニャとの組合せとして適当である。
ジルコニヤに対しては、上記金属元素との組合せはすべ
て好適である。マグネシャに対してZr以夕iの上記金
属元素との組合せはすべて好適である。アルミナに対し
てZr、Mg以外の上記金属あるいは合金はすべて好適
である。
またセラミックに対する金属の組合せとして、セラミッ
クよりも酸化物標準生成エネルギが高く、セラミックの
酸化物標準生成エネルギに近側した金属を用いることが
望ましい。このような金属とセラミックを組合せた場合
、金属の溶融凝固時、金属とセラミックとの界面の濡れ
性がよいため溶融金属がセラミック粒界に苅り込みやす
くなシ、セラミック粒子間の結合が強固なものとなる。
このような点から、金属としてはCr、V、Nbが望ま
しい。なおセラミック粒子としては0.3箇以下がよい
金属又は合金からなる基体上にセラミック粉末と金属又
は合金の粉末との混合粉末層を形成させる方法としては
、溶射法が好適である。また溶射法以外にもプレス圧縮
成形法、バインダを用いて焼結する方法、樹脂等のバイ
ンダを用いて混合粉末を塗布する方法等でもよい。
結局、混合粉末層を形成させる方法は、混合粉末層が形
成される基体の形状に応じて、その後の電子ビーム照射
等による加熱溶融時にも基体表面上に混合粉末層が維持
でき、かつ基体を変形さぜないものであればよい。
混合粉末層を加熱溶融させる方法としては、レーザ光又
は電子ビーム照射が好適である。これらの方法は、基体
(母材)を溶融させることなく、混合粉末層を効率的に
加熱溶融することができ、また基体全体を溶融させるこ
となく、混合粉末層との界面付近の基体のみを溶融させ
ることによってセラミック層の耐剥離性を一層向上させ
ることができる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
以下、本発明の実施例を第1図によシ説明する。
母材1は、Ni基耐熱合金であるハステロイ−X(22
%Cr、1.5%Co、9%M O、0,6$ W+1
9%Fe、0.1%C9残Ni)であり、溶射粉19) 末は、Nr−50%C「合金粉末(粒径5〜25Bm)
及び8%Y2O3ZrO2粉末(粒径10〜44μm)
である。溶射チャンバ内では酸素分圧10′″3TOr
r以下、容器内圧力100〜150Torrとした。上
記溶射雰囲気は、溶射チャンバ内を10−s〜10−2
Torrに排気後、アルコンカスを760 TOrrに
なるまで導入するという操作を数回繰返し、最終のアル
ゴンガス導入時の容器内圧力を100〜150 Tor
rとすることによシ調整した。
合金粉末及びセラミック粉末の混合比は、1:1〜1:
9の範囲で変化させた。セラミック及び合金の混合粉末
溶射層2の厚さは、50μm〜200μmの範囲であっ
た。溶射層においては、偏平なセラミック5と同じく偏
平なNi−Cr合金4とが層状に重なり合いかつ多孔質
な組織となっていた。
溶射層表面側からのCO2レーザ10照射により溶融凝
固させた。レーザ照射条件は、10覗×1flの領域1
1に1kW一定出力のレーザビームを(10) 照射し、試験片の送り速度を0.5m/分〜1m/分と
変化させた。送り速度1m/分の場合溶融深さ3は約5
0μmとなり送り速度0.5m/分の場合200μm以
上となる。
第2図(a)は、レーザ照射前の溶射層の組織であシ、
第2図(b)、 (C)及び(d)は溶射j−をレーザ
照射により溶融凝固させた組織のスケッチを示す。第2
図(b)では、溶射時の粉末混合比(セラミック=Ht
−Cr合金)が1:1であり、第2図(C)では、粉末
混合比は3:1であり、第2図(d)では9;1である
。第2図(b)より合金粉末の量が50%程度と多くな
ると、合金が局所に偏在し大きな球状を呈するが、合金
粉末の混合音が75%以上となると球状の合金相4′は
消失し、セラミック粒界4に沿って均一に存在するよう
になる。熱遮蔽コーティングとしては、第2図(C)及
び(d)の方が(a)及び(b)より優れている。第1
表は、前記セラミックコーティング層を有する試験片に
熱サイクルを負荷しセラミック層の剥離が生じるまでの
熱サイクル数を示したものである。熱ザイクルは、90
0tll’(11) (12) にて5分間保持し、アルゴンガス吹付けにより室温まで
平均冷却速度70r/sで冷却させる操作の繰返しによ
り負荷した。第1表よ、り、Zr02(8% YzOs
 ) : N r−Crが3:1〜9:1の範囲におい
て、セラミック溶融凝固層は1000回以上の熱サイク
ルを負荷し七も剥離しない(試験片A(C) 、 (d
) )。一方試験片屋(a)、(b)においては、約1
00程度の熱サイクル負荷により剥離した。以上の結果
より、75チ以上がZrCh(8%YzO3)であり、
残りN i −Cr合金からなるセラミックコーティン
グ層(但し、第2図(C)及び(d)の組織を有してい
る層)は、熱サイクルに対し長寿命を有していることが
わかる。
第3図は、セラミックコーティング層と母材との密着力
を示す。溶射層の厚さは200μmとし、レーザ照射条
件を変化させて、セラミック層溶融深さを変化させた。
試験片形状は直径30諺長さ50wmの円柱状とし、そ
の円形端面に溶射及びレーザ照射を施した。前記処理を
施した試験片の円形端面に同一寸法の円柱状試験片を接
着し引張負(13) 荷を加えた。溶射のままの試験片及び溶射層の表面層5
0μmを溶融させた試験片においては、3〜4 Kg 
f / mm ”の負荷で溶射層−母材界面でハクリが
生じるが、全溶射層を溶融させた試験片においては、接
着面で剥離した。よって密着力は接着剤の密着カニ 7
 Kqf /mm”以上である。
以上のことから、第2図(c)及び(d)に示す組織を
有するセラミックコーティング層においては、母材−コ
ーティング層界面においても母材金属の1部が溶融し、
セラミック粒子を取り囲んでいるため密着力が大であり
耐剥離強度が少なくとも2倍以上向上することがわかる
〔発明の効果〕
本発明によれば、セラミック粒子は、靭性の高い金属を
介して強固に結合しているため、熱サイクル、応力負荷
等に対し耐剥離性に優れた、セラミックコーティング層
が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明におけるレーザ照射方法を示す斜
視図、第1図(b)は第1図のA部拡大断面図、(14
) 第2図(a)、 (b)、 (C)、 (d)はそれぞ
れ溶融凝固したセラミックコーティング層の組織の模式
図、第3図はセラミックコーティング層の密着力を示す
グラフである。 1・・・母材、2・・・溶射層、3・・・溶融凝固した
セラミック層、4・・・金属あるいは合金、5・・・セ
ラミック、10・・・レーザ光。 代理人 弁理士 鵜沼辰之 (15) $ l 口 (tL) / 1 $2囚

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、金属又は合金の表面に設けられるセラミックコーテ
    ィング層において、このセラミックコーティング層中の
    セラミック粒子が金属又は合金を介して互いに結合され
    ていることを特徴とする高靭性セラミックコーティング
    層。 2、特許請求の範囲第1項において、コーティング層の
    厚さ方向に直交する方向に並ぶセラミック粒子の間に金
    属又は合金の溶融凝固層が介在していることを特徴とす
    る高靭性セラミックコーティング層。 3、特許請求の範囲第1項において、セラミックが、ジ
    ルコニヤ、チタニャ、アルミナ及びマグネシアのいずれ
    か1種以上である高靭性セラミックコーティング層。 4、特許請求の範囲第1項において、セラミック粒子を
    結合する金属は、その酸化物標準生成エネルギが酸化物
    セラミックスのそれよシも高く、かつ近似していること
    を特徴とする高靭性セラミックコーティング層。 5、 セラミック粉末と金属粉末又は合金粉末とからな
    る混合粉末層を金属又は合金からなる基体上に形成させ
    、この混合粉末層を加熱溶融して基体上に固着させるこ
    とを特徴とする高靭性セラミックコーティング層の製造
    方法。 6、特許請求の範囲第5項において、前記混合粉末層は
    、溶射によって基体上に形成させることを特徴とする高
    靭性セラミックコーティング層の製造方法。 7、特許請求の範囲第5項において、前記混合粉末層が
    、セラミック粉末を75重量%以上含むことを特徴とす
    る高靭性セラミックコーティング層の製造方法。 8、特許請求の範囲第5項において、前記セラミック粉
    末が、ジルコニヤ、チタニャ、アルミナ及びマグネシア
    のいずれか1種以上であることを特徴とする高靭性セラ
    ミックコーティング層の製造方法。 9.特許請求の範囲第5項において、前記金属粉末又は
    合金粉末の金属は、その酸化物標準生成エネルギが酸化
    物セラミックのそれよりも高く、かつ近似していること
    を特徴とする高靭性コーティング層の製造方法。 10、%許請求の範囲第5項において、前記混合粉末層
    が、ジルコニヤ系酸化物とクロム又はクロム合金とから
    なることを特徴とする高靭性コーティング層の製造方法
    。 11、特許請求の範囲第5項又は第6項において、前記
    混合粉末層が、レーザ光又は電子ビーム照射により加熱
    溶融されることを特徴上する高靭性コーティングノーの
    製造方法。
JP58125788A 1983-07-11 1983-07-11 高靭性セラミツクコ−テイング層およびその製造方法 Pending JPS6017063A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS629949A (ja) * 1985-07-05 1987-01-17 小林 義信 構造物表面に融接する為の耐摩耗材
JPH06126224A (ja) * 1992-10-20 1994-05-10 Hagiwara Kogyo Kk 塗装用マスキングシート

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS629949A (ja) * 1985-07-05 1987-01-17 小林 義信 構造物表面に融接する為の耐摩耗材
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