JPS62297452A - 複雑な幾何形状の高品質プラズマ溶射堆積物の形成方法 - 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】 発明の背景 本発明は、プラズマ溶射により高密度の物品や不規則な
形状の物品を形成する方法および手段に関する。さらに
詳しくは、本発明は、複雑な形状をもつ高密度の凝集し
た堆積物を大きな司法の被堆積面上に形成する低圧プラ
ズマ堆積方法および装置に関する。ここで用いる用語「
大きな寸法」とは、１本の静止プラズマ銃で静止披堆積
面上に低圧プラズマ堆積層を形成するときに高密度の堆
積物で覆われる被堆積面の面積より実質的に大きい寸法
を意味する。

現在の低圧プラズマ堆積技術では、プラズマのとどく範
囲内のターゲット区域の中心部分に高密度の堆積層を作
ることができる。特定の装置と操作条件の組合せでは、
この中心領域は直径で測って面積が約２０乃至４０ｃａ
であり、特に堆積１層に高密度化熱処理を行えば、この
中心領域の堆積物の密度は約１００％に近い。また大抵
は、中心領域を囲む溶射堆積物は、特に周辺領域では、
密度が低く、実際的１００ｃ♂の区域より外側では極め
て多孔質となる。多孔質の外側区域は理論密度の９７％
にさえも高密度化できず、９７％より密度が低い材料は
物理的特性が悪く、特に引張特性が悪い。

外側周辺部の堆積物があまり高密度でない、言い換える
とあまり望ましい特性を示さない理由の一つは、プラズ
マ銃からの堆積物の入射角が直角、すなわち９０″でな
いことである。被堆積面に９０″より著しく小さい鋭角
で入射するプラズマフレームからの堆積物は特性が劣る
ことを確かめた。

また、入射角が９０°からはずれるほど特性の劣化も大
きくなる。

以上のことを別の観点から考えるため、円形の区域を用
いると、面積が２０ｃｄである高密度の堆積物の中心区
域は直径約５ｃｍの区域に相当する。

堆積したときに中心区域だけしか高密度でないとすると
、堆積物全体のごく一部だけが高密度だということであ
る。面積４０ｃｄの区域は直径約７゜１　ａｍの円内に
入り、面積１００ｃＪの区域は直径約１１．３ｃｍの円
内に入る。

現在の技術では、プラズマ銃から形成すべき堆積物の大
きさが少なくとも１つの寸法において溶射パターンの密
度の領域より大きい場合、その大きな区域を覆うのにプ
ラズマ銃を動かすか支持体を動かすかあるいは両方を動
かす必要がある。このような移動の結果前られる堆積物
は、高密度の部分と多孔質の部分とが組み合わさったも
のとなる。このように堆積物の大きさを大きくすると堆
積物の引張および延性特性に影響を及ぼし、このため面
積の大きな堆積物は堆積したま＼の状態では密度が小さ
く且つ強度が弱い。

また一般に、堆積角を小さい（溶射方向と溶射物が堆積
する表面との間の角度が鋭角であることを意味する）と
、堆積物の密度および引張特性がそれだけ低くなる。例
えば、堆積角が７０°より小さいと、プラズマ銃を被堆
積面に対して直角に向けて堆積した層と較べて、堆積物
の密度および引張特性が更に悪くなる。

被堆積面自体が平面でない場合、特に被堆積面が複雑な
幾何形状をもっている場合、その彼堆ｆΔ面のプラズマ
銃に対して直角に向いていない部分には、プラズマ溶射
物が高密度の堆積物を得るための望ましい９０’の角度
からはずれた角度で入射する。

プラズマ溶射堆積物は、ニッケル系超合金の粉末などの
多数の粉末原料から形成されている。

例えばニッケル系超合金の場合、約１２５０’Ｃで適当
な時間熱処理した後の密度が９７％未満である堆積物の
延性値は低いことを確かめた。

発明の概要 従って本発明の目的は、回旋状の高密度の表面被膜を、
低圧プラズマ堆積によって、堆積したま＼の状態で良好
な特性を有すように形成することのできる方法を提供す
ることにある。

本発明の別の目的は、比較的複雑な形状の三次元表面上
に均一な堆積物を形成する方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、低圧プラズマ堆積技術により高密
度の堆積物を凹凸のある区域に形成することのできる装
置を提供することにある。

本発明の別の目的は、密な堆積物を比較的大きな寸法の
複雑な幾何形状の表面上に形成することのできる方法を
提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、低圧プラズマ堆積技術によ
り不規則な形状の表面の比較的大きな面積にわたって形
成された均一な高密度の堆積物を提供することにある。

他の目的は一部は自明であり、また一部は以下の説明の
中で指摘する。

本発明の一面においては、上記目的を達成するため、低
圧プラズマ溶射室内に少なくとも２本のプラズマ銃を用
意し、これらのプラズマ銃から材料を同時に溶射して、
堆積物が形成されるにつれて重なり合うようなパターン
で堆積させる。２本のガンを室内に装着して、彼堆積面
に重なり合うパターンで入射するようにプラズマフレー
ムの射出軌道を設定する。

本発明者は、第１のプラズマ銃を用いである区域に通常
多孔質であるプラズマ溶射堆積物を形成し、第２のプラ
ズマ銃を用いて同じ区域に通常は多孔質になるような堆
積物を形成した場合、驚くべきことには、十分に高密度
の堆積物が得られることを見出した。さらに驚くべきこ
とには、小さい寸法の堆積物を複雑な幾何形状の表面上
に形成し、その表面の一部が第１のプラズマ銃の方向に
対して直角でない角度に向いているとき、同時に第２照
準方向の第２のプラズマ銃を用い、第２のプラズマ銃の
照準方向を第１のプラズマ銃の照亭方向に対して鋭角に
、好ましくは、複雑な表面の別の部分に直角に設定する
と、極めて高密度の驚くほど均一な低圧プラズマ堆積被
膜が得られることを見出した。

更に不規則な彼堆積面を被覆したい場合には、３本以上
のプラズマ銃を３つ以上の異なる鋭角に設定して同時に
用いることもできる。

発明の詳細な説明 第１図に、低圧エンクロジヤ８内に収容したプラズマ溶
射銃（以下、単に銃とも呼ぶ）１０の）既略図を示す。

銃１０には中央陰極１２と環状陽極１４とが互に間隔を
あけて設けられている。陰極１２および陽極１４に導線
１８および２０を介して接続された電源１６により、陽
極と陰極の間に作動電圧を印加する。陽極１４には中心
孔２２があり、この孔２２を２４の位置に線図的に示さ
れる粒子の流れが通過する。粒子は、陽極１４のまわり
に互に間隔をおいて設けられた供給口２６および２８を
通して中心孔２２に供給される。ガス流をガス供給口３
０および３２に導入すると、ガスは陰極１２と陽極１４
の間の環状空間を通過する。ガスは図示していないソー
スからガス供給口３０および３２に導入されて、陰極と
陽極の間の環状空間を流れると、陽極と陰極の間に適当
な励起電力を印加することによって、プラズマアークが
生成する。ガスが環状隙間そしてオリフィス２４を高速
で通過する結果、オリフィスに導入された粒子はそのガ
スによりオリフィスから送り出されて、アークプラズマ
溶射銃１０から離れた位置にあるターゲット３４に向う
。これにより堆積物質層３６がターゲット３４上に形成
される。ターゲツト３４自体は堆積物質層３４に対する
基体として働く。

銃とターゲットは、第１図に破線で示した低圧エンクロ
ジヤ８内に収容されている。適当なガスおよび粉末粒子
供給手段により、エンクロジヤ８の外部の貯蔵部から銃
にガスと粉末粒子を供給する。

適当な電源３８を設けて、銃１０とターゲット３４の間
に所望の電圧を維持するとともに、ガンの動作と所望の
堆積層３６をｊ与るのに適した所望の電圧変化をターゲ
ットに与える。導線４０および４２により電源３８を銃
１０およびターゲット３４に接続する。陽極と陰極の間
にプラズマアークが設定されると、１００００乃至２０
０００°Ｃ程度の極めて高い温度が発生し、このプラズ
マのエネルギーはオリフィス２４に導入された粒子を溶
融するのに十分になる。溶融粒子はプラズマ溶射ジェッ
トに乗って、図示のように銃１０からターゲット３４へ
流れ４４として運ばれる。

１０で示すようなプラズマ溶射銃を用いる低圧プラズマ
技術で堆積物を３４のような比較的広い表面上に形成す
る場合、表面自体を加熱するのが好ましい。加熱はプラ
ズマ銃自身からの熱によって行ってもよいし、独立の熱
源からの熱によって行ってもよい。プラズマ溶射エネル
ギー約８０ＫＷの銃１本を用いる場合、約９００℃に保
ち得るサンプルの最大面積は約１０００ｃｄである。１
０００ｃｊの面積は直径約３６ｃｍのはソ円形の区域に
入る。

例えばエネルギー約８０ＫＷのプラズマ銃１本を用いて
、プラズマ銃からマンドレル上に堆積することにより、
幅７．５ｃｍで直径３０ｃｍのリング状帯を形成する場
合、このリング状帯は明らかに堆積（溶射）中に十分に
加熱されない。このことはマンドレルを化学的に除去し
た後のひずみと大きな残留応力から検証された。

０３−ＣＡ−８０陽極を備えたＥＰＩモデル０３−ＣＡ
プラズマ溶射銃２本を横に並べて、直径１１４ｃｍで長
さ１３７ｃｍの寸法の水冷低圧室内に装着した。この構
造体内に銃取付はブラケットを適切に配置し、２本の銃
を互に９ｃｍのように近い間隔でブラケットに取付け、
各銃の照準点を室の外部から操作される制御機構を介し
て広い範囲で変化できるような角度に２本の銃を向けら
れる構成とした。

装置には、基体として面積が約１５．２ｃｍＸ２５．４
ｃｍで厚さが０．３２ｃｍのマンドレルを保持した。使
用したマンドレルは平面状の銅シートであった。低圧プ
ラズマ法でマンドレルの表面上に堆積層を形成した後、
基体を構成するマンドレルを選択的な化学溶解により除
去した。

これらの堆積層をプラズマ形成するのに用いた粉末は、
ホモジニアス・メタルズ社（ＩｌｏｒＩｌｏｇｅｎｅｏ
ｕＳ　Ｍｅｔａｌｓ、米国ニューヨーク州クレイビル）
から入手した合金ｌＮ−１００の一４００メツシュ金属
粉末であった。

マンドレルの除去後、堆積層を切断して、引張試験を行
うのに通常用いられるような、幅約０゜２０３ｃｍの中
央部に両端部がついた通常の試験用のダンベル形の形状
にした。厚さは約０．１５７±０．００２５ｃｍであっ
た。

第２図に、１本のプラズマ溶射銃から被堆積面上に堆積
物を形成した結果を図示する。湾曲した輪郭線または等
高線は等しい深さの堆積物のパターンを示す。第２図に
分数の形で示した数値は、区切られた四角内に囲まれた
堆積物のサンプルそれぞれの密度の数値を表わし、分子
の数値は堆積したままの状態での密度（％）を表わし、
分母の数値は１２５０℃で２時間熱処理した後の密度（
％）を表わす。中央の四角では、堆積物の密度は９５．
６であり、これが１２５０℃で２時間の熱処理により９
９．６に上昇する。

しかし、２つの外側の四角の密度は、堆積したま＼の状
態で８７．２および８９．６、焼鈍後で９２．１および
９５，２のようにいずれの場合でも低い。このような低
い密度の試料は引張強度も低いことがわかった。

本発明に従って行う急速凝固プラズマ堆積法によって堆
積した材料の密度が異なることの意義は、第８図に１２
５０℃で熱処理した後の機械的特性と密度の関係を示す
データを見るとより明らかになろう。第８図には。３０
°、５０°、７０°および９０’の姿勢の単−銃で堆積
したサンプルにおいて得られた密度をプロットしである
。第８図に示す角度を記入したデータ点かられかるよう
に、３０″または５０＠の低い角度で粒子をプラズマ溶
射した場合には得られる密度の値がかなり低く、９０％
または９３％程度である。

第８図では密度を横軸に、縦軸から離れるにつれて密度
が低下するものとしてプロットしである。

縦軸は、２つの部分に分けて表示しである。下側のスケ
ールには、試験片の最初の直径（Ｒ）対試験片の最終直
径（Ａ）の比をパーセントで示しである。例えばグラフ
の左隅に、密度約９９％、面積減少率（Ｒ／Ａ）約９％
のデータ点が示されている。その意味は、このデータ点
に対応するサンプルでは、その引張試験片の幅狭の点の
面積が、試験片を引張って２つに分断したときにその最
初の寸法の９２６分だけ減少したことを表わす。

第８図の上側のグラフには、それぞれのサンプルの密度
（％）に対して試験片の強度（ｋｓｌ　）を縦軸に示し
である。密度（％）は、第８図の下側部分と同じスケー
ルを用いである。例えば、強度が１８０で密度が９７％
の丸印のデータ点は、密度が約９７９６である材料の極
限引張強度（ＵＴＳ）が約１８０ｋｓｉであることを表
わす。

三角形のデータ点は、上記と同じ位置にあるとすると、
密度的９７％の試験片が、標準降伏強度試験および指示
計器を用いて、約１８０ｋｓ１の降伏強度を有すること
を表わす。

第８図の上部に実線で示した大きな四角は多数のデータ
点が集合した区域であり、この四角の範囲内に多数のデ
ータ点が得られたことを表わす。

この範囲内の値は試験した材料の極限引張強度の値を示
す。

１７０乃至１８０ｋｓｊ範囲に破線で示した四角は、上
記実線の四角に対応して、試験した材料の降伏強度を示
す多数の対応するデータ点があることを表わす。言い換
えると、２３０ｋｓｌ程度の極限引張強度（ＵＴＳ）の
値を有する試験材料の場合、これらの同じサンプルが１
７０乃至１８０ｋｓｌの範囲内の降伏強度（ＹＳ）を有
することを表わす。

同様に、約２１３ｋｓｉの所にある小さな四角は、種々
のサンプルの極限引張強度（ＵＴＳ）の多数の試験点を
表わす区域である。約１４５　ｋｓｉの所の破線の四角
は、上記の２１３ｋｓｉの所の実線の四角内に表示され
たサンプルと同じサンプルの対応する降伏強度（ＹＳ）
を表示する。

さらに、約２３０ｋｓｌの実線の四角内のデータは、試
験した各サンプルのスウィートスポット（ｓｗｅｅｔ　
５ｐｏｔ）からとったサンプルのものである。

ここで用語「スウィートスポット」は、静止銃から静止
基体へ両者間の相対運動なしで堆積を行った結果得られ
る、プラズマ溶射材料の堆積物の高密度の領域を意味す
る。例えば、第８図の上側の四角、特に２３０ｋｓｉ付
近の実線の四角内のデータは、スウィートスポットのサ
ンプルであって、堆積物を射出する銃にアルゴンと水素
の混合ガスを用いて作製したサンプルから得た測定値で
ある。

この混合ガス中の水素は容積比で比較的低い割合（％）
であり、重量比ではさらに小さい割合（％）であった。

作製したサンプルの一部は、銃とコレクタ板との間に一
方向相対移動を行いながら作製した。例えば、２１Ｊｋ
ｓｉ付近の実線の四角内に含まれるデータ点に関して集
めたデータは、銃とコレクタ板間のプラズマをＸ方向、
言い換えると単一の第１方向に移動させながらプラズマ
からコレクタ板に堆積させて作製したサンプルから得た
ものである。これらのサンプルでは、形成した堆積物は
、銃とコレクタ板とのト目対移動に基づいて外形寸法約
５ｃｍＸ１２ｃｍの堆積物であった。

単一の銃とコレクタ板との相対移動をもっと複雑にして
、他のサンプルを作製した。第８図のグラフに表示した
多数のサンプルでは、銃とコレクタ板間の相対移動は２
方向移動とした。２方向は互に９０°で、形成した堆積
物は全体の外形寸法が約１５ｃｍＸ１５ｃｍのものであ
った。

単一の銃とコレクタ板間の二方向相対移励と、コレクタ
板に向けたプラズマの堆積角度との両方を用いて、さら
に他のデータ点を得た。例えば、Ａで示すデータ点は、
堆積角度が７０°であるデータ点である。データ点Ｂは
堆積角度が５０°であるデータ点で、データ点Ｃは堆積
角度が３０″である点を示す。他のデータ点について、
堆積角度が特定されていない場合、その堆積角度は９０
６である。

堆積角度に関するデータからプラズマを射出する銃の長
さ方向軸線に対する銃の照阜点の堆積角度を順次小さく
して作製した各サンプルについて測定すると、サンプル
の強度および密度特性が急に下がることが明らかである
。

銃の作動に用いたガスに関しては、第８図のグラフにア
ルゴンと水素の混合ガス（Ａｒ／）１２）を銃に用いた
ことを表示した場合以外では、アルゴンとヘリウムの混
合ガスを銃に用いてすべてのサンプルを作製した。

さて、第８図の下側部分にプロットしたデータに移ると
、作製しデータを採取したサンプルは、第８図の上側部
分に関して作製し試験したものと同じサンプルである。

例えば、２３０ｋｓｉ付近の実線の四角内に入ったデー
タは、Ｒ／Ａ比約１０乃至２０９６の範囲の点線の四角
内の多数のデータ点で表わされる。延性率（Ｒ／Ａには
Ｖ等しい）と横軸にとった密度との関係を示すグラフ上
の他のデータ点は、先に作製して、試験した、第８図の
上側のグラフに含まれるものと同じサンプルについて得
た測定値である。

超合金粉末をプラズマ法で堆積する場合、堆積物を受け
る基体を約９００℃に加熱したとき、低圧プラズマ堆積
の最良の結果が得られることが知られている。しかし、
被堆積面または被堆積物品（基体）の温度を約９００℃
の好適な温度に維持する手段を設けないと、熱源がプラ
ズマ銃自身からの熱だけであるので、堆積物を受ける物
品の寸法が制限される。計算によれば、８０Ｉ（Ｗのプ
ラズマ銃は約！０ＯＯｃ♂の表面を約９００℃の温度に
加熱した状態に維持することができる。それより大きな
物品では、′物品が適切な温度に達せず、従って被堆積
面の温度が所望の温度より低いため、得られる堆積物の
特性が悪くなる恐れがある。

しかし、本発明によれば、被堆積面に材料の層を堆積す
るのに複数のプラズマ銃を用いるので、そしてまた好ま
しくは材料を受ける表面自体が、前述したように少なく
とも９００℃程度でなければならない高い温度に加熱さ
れるので、より大きな寸法の被堆積面上に高密度の堆積
物を形成することができる。

実施例　１ 第１図に関連して説明したような銃装置を、減圧した状
態に維持した室内で使用し、そして銃からの材料の層の
堆積パターンを調べた。本例の堆積操作中には銃もター
ゲットも動かさなかった。

使用したターゲットは平板で、平板上の材料の堆積パタ
ーンを調べた。銃Ａと呼ぶ第１の銃による堆積パターン
の概略を第２図に示す。第２図の等高線は下記の条件で
形成したサンプル堆積物について、堆積厚さが変化する
様子を示す。

粉末材料はｌＮ−１００と表示された合金を用いた。こ
の合金は下記成分をほぼ下記の濃度で含有する。すなわ
ち、６０．５％ニッケル、１５％コバルト、１０．０％
クロム、５．５％アルミニウム、４．７％チタン、３．
０％モリブデン、０゜０６％ジルコニウム、１．０％バ
ナジウム、０゜０１４％ホウ素、０．１８９６炭素を含
有する。この粉末は一４００メツシュ（３７μｍ未満）
のｌＮ−１００であった。

銃への電圧は５０Ｖ、電流は１３００Ａとした。

銃をターゲットの表面にはＶ直角に向け、銃ノズルとタ
ーゲットの距離を１２．５インチとした。

真空室内の圧力は６０Ｔｏｒｒとした。

トランスファー形アーク現象を利用しなかったので、銃
からターゲットへは電圧を印加しなかった。

プラズマ銃としては、エレクトロ・プラズマ社（Ｅｌｅ
ｃｔｒｏ　Ｐｌａｓｍａ、Ｉｎｃ、　、米国カルフォル
ニア州アービン所在）から商品名ＥＰＩモデル０３ＣＡ
として販売されている銃を用いた。

ターゲットとしては、面積が６インチ×８インチで厚さ
が１／８インチの銅の金属シートを用いた。

プラズマ堆積後、堆積物を１２５０℃で２時間加熱して
堆積層を緻密化した。緻密化加熱の前後の材料の密度を
測定した。この測定の結果を第２図に示す。

第２図において、各等高線は等しい厚さの堆積区域を示
す。厚さは等高線で区切られた区域にミリメートルの単
位で表示しである。また矩形の区域は、測定のためにサ
ンプルを切り出した区域である。各矩形の区域に分数で
表示した値は、分子の値が堆積したま＼の状態での密度
を表わし、そして分母の値が１２５０℃で２時間の緻密
化加熱後の密度を表わす。

図示の値から、図面上に符号Ａで示した照準点からの距
離が長くなるにつれて、得られる堆積物の密度が低くな
ることがわかる。

この実施例は、被堆積面に対して直角に向けた単−銃か
らのプラズマ溶射で得られるものを示す。

この実施例から、密度が最高となる銃の照準点から距離
が離れるにつれて堆積物の密度が低下すると云う重大な
問題があることが明らかである。密度の低い堆積物は緻
密化熱処理によっては救済できないことも明らかである
。

実施例　２ 本質的に実施例１で説明した通りの銃Ｂと呼ぶ第２の銃
を用いて、同じｌＮ−１００材料を第２のターゲット上
に、本質的に実施例１に記載したのと同じ条件下で堆積
した。

堆積した材料の等石線を第３図に示す。緻密化加熱前後
の堆積物の密度の値も、第３図中に分数の形態で示しで
ある。

材料の低圧プラズマ堆積法の一部として銃を使用した際
の本発明者の過去の経論によれば、２つのＥＰＩ陽極は
正確には同じでなく、またいずれのＥＰＩ陽極からの溶
射パターンもその使用中に連続的に変わってゆく傾向の
あることがわかった。

この変化は、一部にはアーク室や粉末供給口の４比や侵
食によるものであり、また一部には銃の個々の動作特性
によるものである。従って、同じ銃と同じターゲットを
用いた場合でも、等石線の形状ならびに外形は１回ごと
に異なる。

実施例　３ ２本の銃、特に実施例１および２で説明した銃Ａおよび
Ｂの両者を、１つの低圧プラズマ堆積室内に配置し、単
一のターゲットに向けた。これらの銃を差し向けたター
ゲット上の位置、すなわちそれぞれの照準点は、約３．
８ｃｏ＋離れていた。

２本の銃による同時溶射によって形成した堆積物の等石
線を第４図に示す。本例でターゲット上に堆積した材料
をその後１２５０℃で２時間熱処理して、加熱による緻
密化を行った。緻密化加熱前後の堆積物の密度を図面に
、先の実施例の場合と同じく分数の形態で示す。

第４図に示したデータから明らかなように、第２および
３図の堆積物と比較すると、溶射物のパターンが重なり
合って堆積するように２本の銃を配向した本例の方法に
より、高密度のプラズマ溶射堆積物が極めて広い範囲に
形成された。

この結果はまったく予想外である。と云うのは、高密度
の堆積物が形成される区域が広く、その中には２つの低
密度の材料層が堆積された区域も含まれているからであ
る。驚くべきことには、低密度の堆積物の２つの層が合
わさってこのような広い結合層を形成し、そしてこの結
合層は、それを構成する各層が低密度であるにもか−わ
らず高密度であった。

実施例　４ 実施例３で用いた手順を繰返したが本例では、室内の２
本の銃の照準点間距離を６．４ｃｍに広げた。

材料を堆積した。堆積物の等石線を第５図に示す。堆積
物からサンプルを採取し、実施例１に記載したのと同様
に緻密化加熱の前後にその密度を測定した。密度の値は
、実施例１および２と同様に、堆積物の四角のサンプル
の中に分数の形態で記入しである。

実施例　５ 実施例３の手順を繰返したが、本例では２本の銃の照準
点を８．９ｃｍ＃した。材料の堆積物を実施例３に記載
の通りに作製した。

堆積物から多数のサンプルをとり、緻密化加熱の前後に
サンプルの密度を測定した。緻密化加熱は実施例１に記
載したように１２５０’Ｃで２時間の処理とした。堆積
物のパター〉を第６図に等石線で示す。堆積物から採取
したサンプル材料の密度も第６図のそれぞれの区域に示
す。

実施例５に従って作製したサンプルを調べて得られた結
果から、ターゲット、特に溶射領域か重なり合っている
ターゲットの中心の試料Ｅからの試料断面の冶金学的組
織は、ターゲット上の各照準点に位置する実施例５の試
料ＢおよびＨと比較したとき、それらと非常によく類似
していることがわかった。

上記試料それぞれの冶金学的微細組織を表わす顕微鏡写
真を調べたところでは、これらの試料同士が極めて類似
しているので、顕微鏡写真の検査によっては試料同士を
区別できない。

第２図から、材料の最初の堆積物が９２２６より低い密
度に形成された場合、その後の加熱で層を圧密化しても
、９９乃至１００％の高密度まで所望通りに圧密化する
ことができないことが明らかである。

低圧プラズマ堆積技術の利点の一つは、結晶および粒子
特性の有利な構造を形成できることであることに留意さ
れたい。このような材料を長時間かつ極めて高い温度に
加熱すると、層の有利な結晶特性および関連する物理的
特性が低下または消失するおそれがある。従って、堆積
物の低密度部分を長時間かつ高温の加熱により圧密化し
ようとすると、低密度の区域の層の特性だけでなく、同
じ長期の高温の加熱を受けてしまう十分に密度の高い部
分の層の特性も犠牲になる。堆積したま＼の状態で密度
９７％未満の堆積物を長時間加熱しても、これらの堆積
物は十分に高密度化できないことを確かめた。

上記実施例から明らかなように、従来のやり方では、高
密度のプラズマ溶射堆積物が形成される区域より大きい
寸法の平面に高密度の一体の溶射構造物を付着しようと
すると特性が劣化し、堆積物を単に加熱してもその密度
欠陥は解消されない。

さらに、物理的特性は密度と関係があるので、低密度の
堆積物は低強度の堆積物でもあることが明らかである。

さらに、まった＜驚＜べきことには、２つ以上の銃を用
い、第１の銃からの低密度の堆積物が第２の銃からの低
密度の堆積物と重なり合うように２つの銃を作動するこ
とによって、上記欠点を克服できることが示された。こ
の際、極めて驚くべき事象として、８銃からの低密度の
堆積物が何らかの機構で圧密化して高密度の堆積物とな
り、従って他の方法では得られない表面構造を形成する
ことができる。

さらに、大きな表面積の選ばれた区域に高密度の溶射物
を堆積する単一の銃を動かしても、２本の銃を用いた場
合と同じようには低密度堆積物の問題を解消することは
できない。従って単一の銃を用いて銃と被堆積面を相対
移動させながら、平面状の表面上の大きな区域に溶射し
ようとしても、この所望の結果を達成する効果はない。

複雑な幾何形状のプラズマ溶射 上述の説明は、単一または複数の銃を被堆積面にはソ直
角に向けて、その平面状の表面上に堆積物を形成するこ
とに関するものである。しかし、既に指摘しまたここで
指摘する通り、銃の軸線と被堆積面との角伐が約７００
より小さくなると、形成される堆積物の密度が著しく低
下し、その結果形成されるプラズマ溶射堆積物が劣化す
ることがわかった。上述の説明は、平面状の表面上に高
密度の堆積物を形成することに関するものである。

しかしながら、まことに驚くべきことには、このプラズ
マ溶射法を比較的複雑な幾何形状および輪郭の被堆積面
に対して用いると、有利な結果が得られることを見出し
た。つまり、１本の銃により、約７０″′より小さい堆
積角を用いて複雑な形状の物体を製造する場合、堆積物
の特性が劣化することを確かめた。

従来の方法では、銃の向きと対応する基体の向きとを微
妙に制御することにより、１隻雑な形状の物体を製造ま
たは被覆する。このような銃と基体の移動は、被堆積面
′のすべてが少なくとも短時間、はＶ９０’の堆積角に
向けた銃に露出されるように設計されている。しかし、
このような移動を行なうと、大きな角度での堆積と小さ
な角度での堆積とが平均化され、この結果形成される層
の特性は両者の折衷値となる。さらに、高密度の層を低
密度の層の上に堆積しても、下側の層の低密度とそれに
付随する劣った特性は解決されず、従って形成される構
造物全体の特性は折衷値となる。

しかし、驚くべきことには、２本の銃を用い、これらの
銃を被覆すべき複雑な幾何形状の構造物の表面に対して
傾斜させると、高密度の堆積物が形成され、もっと驚い
たことには、均一な厚さに形成されることを見出した。

１本の銃とその銃の複雑な表面に対する向きを変える機
構を用いて複雑な幾何形状の表面を被覆するのは、前述
したように、複雑な幾何形状の構造物の表面に、比較的
均一な高密度の表面層または比較的均一な厚さの表面層
を形成するのに、適切でないことが確認されている。

実施例　６ 第１１図に銅のマンドレル１１０がシャフト１１２に取
付けられたものとして示しである。シャフト１１２は駆
動装置（図示せず）で支持され、これによりシャフトと
マンドレルは図示の通りに回転する。マンドレルとシャ
フトは２本のプラズマ銃１１４および１１６と共に、低
圧プラズマ堆積室内に取付けである。

マンドレル１１０は、平坦な上面１１８と、円錐台側面
または斜面１２０と、内向きのリップ１２２とを有する
。マンドレル１１０の側面１２０とリップ１２２との間
には湾曲したまたは丸めた縁面１２４が形成され、これ
がマンドレル上に形成される堆積物で製造しようとする
物品の特徴的な形状である。この物品はジェットエンジ
ン用の燃焼器で、直径約６インチである。この燃焼器は
、ｌＮ−１００の層を低圧プラズマ堆積することにより
形成する。ｌＮ−１００金属を粉末形態て銃１１４およ
び１１６に供給し、銃の作動により銅のマンドレルの外
面上にプラズマ溶射する。

プラズマ被覆されている銅のマンドレル１１０の構造を
調べると、表面１２０，１２２そして両者をつなぐ湾曲
した面１２４がかどのまわりに２０′よりもかなり大き
な鋭角で延在していることが明らかである。この角度は
実際のところ恐らくは約７０°に近く、このため直角、
すなわち約９０″の角度よりも被覆するのが難しい。プ
ラズマ銃１１４と１１６の配置は、互に大体直角である
ように見えるであろう。一方の銃１１４をマンドレル１
１０の片側の斜面１２０に向ける。他方の銃１１６をリ
ップ１２２および丸い縁面１２４に向ける。注目すべき
こととして、単一の銃を用いてマンドレルを均一な高密
度の被膜で被覆しようとして、単一の銃を相対移動させ
て、まず最初に銃を１１４で示す位置に、次にマンドレ
ル１１０に対して１１６で示す位置に置いても、得られ
る被膜は不均一であり、またその不均一な被膜には高密
文の部分と多孔質な部分とがあり、このためジェットエ
ンジン用の燃焼器リングとしては不適当であることがわ
かった。

４−１５−１３および４−２ｌ−１ｓと名付けた２つの
実験を行った。第１の実験では、２本の銃をそれぞれ、
第１１図に示すように対応する表面に対して約９０’で
照準合わせした。第２の実験４−２１−１３では、２本
の銃をそれぞれの表面に対して約７０°で照準合わせし
た。これらの実験のいずれでも極めて良好な密度の堆積
物が形成された。しかし、７０″で行った実験すなわち
４−２１−１３と名付けた実験では堆積物の厚さがより
均一となることも認められた。そしてこれは、実験４−
１５−１ｓの角度９０″ではなく、７０”の照阜角を用
いたことの結果であると考えられた。これらの実験で得
たデータを次の第１表に示す。

第工表 実施例　８ 第１０図に示す通りのマンドレルから模造銃身を作った
。マンドレル１００には切削加工により、ライフル溝に
対応する隆起ランド１０２と溝１０４を形成した。２本
のプラズマ銃１０６および１０８をマンドレルの軸線に
対して半径方向の位置に配置し、互に大体直角な角度に
セットした。両方の銃の位置を図示のようにマンドレル
の頂部と交差するようにセットした。マンドレル自体を
第１０図に矢印で示すように反時計方向に回転した。

２つのマンドレルを用いて２回実験を行った。

４−７−１３と名付けた最初の実験は、第１０図に示し
たように銃身内部を模して長さに沿って溝を切削加工し
たステンレス鋼のマンドレルで行った。第２の実験は銅
のマンドレルで行い、４−８−Ｉｓと名付けた。両実験
とも、−４００メツシユのｌＮ−１００粉末を用いて堆
積物を形成した。

密度測定を行い、その１ｌｌｌｌ定値を第■表に示す。

第■表 実施例　９ １本の銃を用いて第１１図に示したような燃焼器リング
を形成しようとした。この銃を２つの表面１２０および
１２２に対して約４５″にセットした。堆積する合金は
レネ８０　（Ｒｅｎｅ’　　８０）とした。堆積物を形
成する間、リングを回転した。

本例のように４５６にセットした単一の銃で形成された
堆積物は、堆積したままの状態で８９，２％の密度を有
し、この密度は熱処理後に９５．４％に増大した。しか
し、９５．４％の密度は、先の説明で述べたように不十
分である。

実施例　１０ 第１１図に示すようなリングを形成する別の実験を行っ
た。本例では、精巧な銃の移動を採用し、リングをその
軸線のまわりに回転させながら、銃を側面に対する９０
’の堆積角の位置からリップに対する４５″の堆積角の
位置まで往復移動させた。堆積した合金はＣｏ　−２９
Ｃｒ−６Ｍ　−Ｉ　Ｙであった。この精巧なガン移動を
行った堆積したリングでは、密度は堆積したままの状態
で９２．２％であり、１２５０℃で２時間の熱処理後に
は９８゜９２６であった。このように、単一の銃を用い
て複雑かつ精巧な銃の移動を行うことにより得られた結
果は、第１１図に示し且つ前述したように２本の銃を用
いて得た結果より劣ることが明らかである。

実施例　１１ 一４００メツシュのｌＮ−１００粉末を用いて、直径１
５．２ｃｍの燃焼器リングを形成する実験を行った。２
本の銃を用い、これらを第１１図に示すように配置した
。本例では、第１１図に示すように、両方の銃をそれぞ
れの表面に対して大体９０″に向けて堆積を行った。本
例に従って形成した堆積物の密度は堆積したままの状態
で９７．２％であり、１２５０℃で２時間の熱処理後に
１００．０％であった。このようにして側面からリップ
湾曲区域まで形成した堆積物の密度は良好である。しか
し、堆積物の厚さの均一さは密度はどには良好でなかっ
た。

実施例　１２ 厚さと均一さの良好な燃焼器リングを製造した。

本例では、２本の銃をそれぞれの表面に対して約７０°
に配置して堆積を行った。銃１１１１互は第１１図に示
すように約９０″としたが、銃を時計方向に約２０″回
転して各表面に対して７０°の配向が得られるようにし
た。７０’の堆積角で形成した堆積物の密度は、堆積し
たままの状態で９７゜８％であり、１２５０″Ｃで２時
間の熱処理後には１００．１％に達した。２本の銃で堆
積した燃焼器リングの冶金学的品質が極めて望ましいも
のであることを確かめた。本実施例により、堆積物の品
質、密度および分布が銃の配置により制御できること、
そして本発明の方法が複雑な形状の物体を製造できるこ
とも例証された。

慢雑な形状の物体の１例が第９図にも示しである。これ
はタービンのブレードまたはパケットである。タービン
パケットをシャフト９０で支持し、シャフトのまわりの
矢印で示すように回転する。

パケットは根元部分９１と羽根部分９２とを含む。

２本の銃９３および９４を約４５″の角度に配置し、そ
れぞれのプラズマフレームをパケットの羽根部分９２に
差し向ける。このような銃を２本または３本用いてター
ビンパケットの羽根部分に差し向けることにより、比較
的均一な高密度の層を羽根部分の表面上に形成して、特
性や性能のすぐれたパケットを形成できることを確かめ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、低圧プラズマ堆積装置を、特にプラズマ銃と
そのターゲットとの関係に重きを置いて示した概略説明
図、 第２図は、種々の位置での堆積物の厚さと密度を記録し
たプラズマ溶射堆積物の等高線図、第３図は第２図と同
様の等高線図、 第４図は第２図と同様だが、２本の銃を用いて形成した
堆積物の等高線図、 第５図は第４図と同様の等高線図、 第６図は第４図と同様の等高線図、 第７図は第４図と同様の等高線図、 第８図は上部に応力と密度との関係を示し、下部にサン
プルの延性または伸び率に関係する引張試験片の面猜減
少率と密度との関係を示すグラフ、第９図は、鉛直軸線
のまわりを回転しながら、低圧エンクロジヤ内で２本の
プラズマ銃のプラズマフレームにより溶射されているタ
ービンパケットの概略側面図、 第１０図は、回転しながら、低圧エンクロジヤ内で２本
のプラズマ銃のプラズマフレームにより溶射されている
銃身用のマンドレルの概略側面図、そして 第１１図は、鉛直軸線のまわりを回転しながら、低圧エ
ンクロージャ（図示せず）内で２本のプラズマ銃のプラ
ズマフレームにさらされている銅のマンドレルを一部破
断して示す概略側面図である。 ［主な符号の説明］゛ ８・・・低圧エンクロジヤ、 １０・・・プラズマ溶射銃、 １２・・・陰極、１４・・・陽極、１６・・・電源、３
４・・・ターゲット、３６・・・堆積物、９３．９４，
１０６，１０８，１１４，１１６・・・プラズマ溶射銃
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１のプラズマ銃を複雑な幾何形状の被堆積面上の
   第１の照準点に向けて、この第１の銃を通して処理した
   材料を上記被堆積面の第１の部分上に堆積し、 同時に、第２のプラズマ銃を上記被堆積面上の第２の照
   準点に向けて、この第２の銃を通して処理した同一材料
   を上記被堆積面の第２の部分上に堆積する工程を含み、 この際、上記２本の銃からのプラズマを上記２つの照準
   点で重なり合わせ、上記２本の銃の軸線を互に２０°以
   上の角度になるようにし、上記照準点同士を上記複雑な
   幾何形状の対向するか反対向きの表面上に離すことを特
   徴とする複雑な幾何形状の表面上に高密度の堆積物を形
   成する方法。 ２、上記２つの照準点が鋭角を狭む対向面上にある特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ３、上記被堆積面がタービンバケットである特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ４、上記被堆積面が環状帯の輪郭をもち、上記２つの照
   準点が該環状帯の側面および底面上にある特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ５、上記被堆積面が波形部分を有し、上記２本の銃を上
   記波形部分の反対向きの面にそれぞれ向ける特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ６、上記被堆積面が鋭い角度の表面形状をもち、上記２
   本の銃をこの形状の反対向きの面上の点にそれぞれ向け
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７、プラズマ溶射堆積物の組成の微粉砕粉末を用意し、 低圧室内の２本以上のプラズマ銃に上記粉末を同時に供
   給し、 上記粉末を上記低圧室内の被堆積面上にプラズマ溶射し
   、 上記銃を、その各々からの溶射堆積パターンが重なり合
   うように配向する工程を含む高密度のプラズマ溶射堆積
   物の形成方法。