JPS6246625B2 - - Google Patents

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ツクコーテイングの
溶着法に関する。本発明は、高温材料およびコー
テイ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、パワープラン
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ツクコーテイングの
各種の溶着法が当該技術分野で既知である。

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・ダブリユー・キングによる酸化物
のガス炎およびプラズマ溶射についての論文、イ
ンダストリアル・ヒーテイング、第10号、1962
年、第2013頁、第2014頁、第2023頁参照）。前記
の従来法は0.1〜0.9mmの厚さを有する金属酸化物
コーテイ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１mm以
上のコーテイングの場合には基材に対するコーテ
イ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。

また、アクアセントラムというチエコスロバキ
アの会社によつて開発された厚いコーテイングの
溶着法およびセラミツ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
溶射機ヘツ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。ウオールラ
ブ・ジエイ、ツベリナ・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・ビローバ、No.
８、21、1973年、第〜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ツク材
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、
従つて亀裂形成に対する低い傾向を有するセラミ
ツク材料（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イングを溶着するの
に適しておらず、そしてその熱膨張係数が前記材
料の熱膨張係数よりも２〜４倍高い高温材料、例
えばジルコニア（融点2600℃、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。

本発明は、或る種の技術の適用により0.2mmを
超える厚さの増大によるセラミツクコーテイング
の劣化を防止する増大した厚さのセラミツクコー
テイ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エツト内の
出発材料を溶射することによつて増大した（0.2
mm以上）厚さのセラミツクコーテイングを基材上
に溶着するにあたり、0.1〜1000ｇ／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値 アーク電流(A) 250〜700 アーク電圧（Ｖ） 65〜300 プラズマ発生ガス流量（／分） １〜150 被溶射粉末状材料の流量（Kg／時） 0.1〜25 基材およびプラズマジエツトの相対的移動速度
（ｍ／分） 0.5〜50 の条件下で実施することを特徴とする増大した厚
さのセラミツクコーテイングの溶着法によつて解
決される。

コーテイ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
テイングをその全面積が基材の全表面の2/3を超
えない分離部分（separate portions）上にコー
テイングの所定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イングを全表面にわたつて
溶着することからなる。溶射プロセスが完了した
後に厚壁セラミツ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ツ
クコーテイングを得る可能を与え、それによつて
溶射すべきコーテイングの保護性を改善させ、従
つてそれらの応用範囲を拡張させる。

セラミツクコーテイ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響に付される
ガラス溶融容器の壁の強度をかなり増大させる。
このため、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％だけ減少し、一方ガラ
ス溶融ユニツトの寿命は約1.3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
セラミツク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
常のセラミツク技術の使用によつては製作できな
い形のセラミツク部品（例えば、ベンチユリ管）
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つて
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、
耐火セラミツク材料等）からも作ることができ
る。如何なるセラミツク材料（例えば、酸化物、
炭化物、ホウ化物、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
ズマジエツ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。溶射時に冷却剤を使用すると、連続的に適用
されたコーテイ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、従つて結局
のところコーテイ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0.1〜1000ｇ／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
ラミツクコーテイ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つ被
覆するように、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ツトする。基材上
に溶着される層の数は、コーテイングの所望の厚
さに依存する。被溶射材料の粒子の基材との接触
領域の冷却を例えば空気−水混合物のジエツトに
よつて行う。

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) 250〜700 アーク電圧（Ｖ） 65〜300 プラズマ発生ガス（アルゴン、窒素、空気、水
素）の流量／分） １〜150 被溶射粉末状材料の流量（Kg／時） 0.1〜25 基材およびプラズマジエツトの相対的移動速度
（ｍ／分） 0.5〜50 所望の厚さのコーテイングに達したら、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、第一段階はコーテイング
をその全面積が基材の全表面の2/3を超えない分
離部分上にコーテイ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、基材の温度は
100〜1000℃の範囲内であり、一方第二段階はコ
ーテイングを全表面にわたつて溶着することから
なる。

セラミツク部品を製作するために増大した厚さ
のコーテイ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
つて製作部品から取り外す。

例 １ 酸化カルシウム５重量％で安定化されたジルコ
ニアのコーテイングを、1Cr 18Ni 10Ti等級ステ
ンレス鋼から作られかつサンド・ブラストに付さ
れた直径50mm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90゜の角度で部品
から110mmの距離に置き、その後トーチにプラズ
マ発生ガス、酸化カルシウム５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つて往復させ
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) 400 アーク電圧（Ｖ） 85〜95 プラズマ発生ガスの流量 アルゴン（／分） 10〜12 窒素（／分） 60〜70 酸化カルシウム５重量％で安定化された粉末状ジ
ルコニアの流量（Kg／時） ３ 冷却剤（空気−水混合物）の流量（ｇ／分）
２〜４ 基材の回転速度（ｍ／分） 15 プラズマトーチの給送速度（mm／回転） ６ の条件下で溶射する。

部品上の溶射材料の200層の溶着は、10mmの厚
さを有する酸化カルシウム５重量％で安定化され
たジルコニアのコーテイングを生じた。

例 ２ 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５重量％で安定化されたジルコ
ニアから作られ、内径50mmおよび壁厚30mmを有す
る円筒状部品は、酸化カルシウム５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50mmを有する円注状水冷基材
（マンドレル）上に溶射することによつて製造さ
れる。

基材表面を0.8〜1.2mmの粒径を有する炭化ケイ
素でのシヨツト・ブラストに付す。基材を回転機
構のチヤツク内に配置し、そして回転させる。水
冷を施す。

マンドレル軸に沿つて往復されたガス安定化プ
ラズマトーチによつて、酸化カルシウム５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。プラズマジエツト軸とマンドレル表面との間
の角度は90゜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110mmであ
る。

酸化カルシウム５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(A) 400 アーク電圧（Ｖ） 80〜85 プラズマ発生ガスの流量 アルゴン（／分） ８〜10 窒素（／分） 50〜60 酸化カルシウム５重量％で安定化された粉末状ジ
ルコニアの流量（Kg／時） ３〜４ 冷却剤（空気−水混合物）の流量（ｇ／分）
２〜４ マンドレルの回転速度（ｍ／分） 15〜20 プラズマトーチの給送速度（mm／回転） ６ 溶射材料の600層がマンドレル表面上に溶着さ
れ、かつ部品の壁厚が30mm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 ４ ロジウム10重量％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、次いでプラズマジエツトによつて350℃
に均一に加熱する。次いで、酸化カルシウム５重
量％で安定化された粉末状ジルコニアをプラズマ
ジエツトに供給し、そしてコーテイングの
20mcm層を基材表面積の1/3にわたつて均一に分
布された分離帯域内に溶着される。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つて制御する。容器の表面温
度を350℃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500℃に同時に
冷却しながら、コーテイング厚の更なる増大を全
表面にわたつて行う。冷却剤のジエツトは、基材
表面上のアノードスポツトに接近して従う。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) 380 アーク電圧（Ｖ） 70 プラズマ発生ガスの流量 アルゴン（／分） 10〜12 窒素（／分） 60〜70 酸化カルシウム５重量％で安定化された粉末状ジ
ルコニアの流量（Kg／時） ３ 冷却剤（空気−水混合物）の流量（ｇ／分）
115〜500 基材に対してのプラズマジエツトの相対的移動速
度（ｍ／分） 15 溶射の結果、１mmのコーテイングが白金−ロジ
ウム合金のガラス溶融容器上に溶着された。

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

例 ５ 操作は例４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140℃である。

得られた容器コーテイングは１mm厚である。容
器の試験後の合金損失は32％だけ減少する。

例 ６ 操作は例４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970℃である。

得られた容器コーテイングは１mm厚である。容
器の試験後の合金損失は38％だけ減少する。

例 ７ 操作は例４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300〜320Aである。得られたコーテイングは
0.8mmの厚さを有する。

コーテイングの提供のため、容器長期高温試験
によつて生ずる白金−ロジウム合金の総損失は20
％だけ減少した。

例 ８ 方法は例４に記載の方法と類似であるが、酸化
カルシウム５重量％で安定化された粉末状ジルコ
ニアの流量は0.2Kg／時であり、そして基材に対
するプラズマジエツトの相対的移動速度は１ｍ／
分である。得られるコーテイングは0.3mmの厚さ
を有する。

容器の長期高温試験によつて生ずる白金−ロジ
ウム合金の総損失は15％だけ減少した。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガス安定化プラズマジエツト内の出発材料を
   溶射することによつて、増大した（0.2mm以上
   の）厚さのセラミツクコーテイングを基材の表面
   上に溶着するにあたり、該出発材料の溶射と同時
   に、0.1〜1000ｇ／分の量の冷却剤を、溶射され
   る材料と基材との接触領域に導入し、かつ、溶射
   プロセスを以下の主要パラメーターの値、すなわ
   ち、 アーク電流(A) 250〜700 アーク電圧（Ｖ） 65〜300 プラズマ発生ガス流量（／分） １〜150 粉末状溶射材料の流量（Kg／時） 0.1〜25 基材およびプラズマジエツトの相対的移動速度
   （ｍ／分） 0.5〜50 の条件下で実施することを特徴とする、増大した
   厚さのセラミツクコーテイングの溶着法。 ２ 貴金属の合金の基材を使用する場合に溶射を
   ２段で行い、第１段階においては基材温度100〜
   1000℃の範囲内においてコーテイングをその全表
   面の2/3を超えない分離部分上にコーテイングの
   所定の厚さの１〜２％の厚さに溶着させることか
   らなり、さらに第２段階はコーテイングを全表面
   にわたつて溶着することからなる、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、水素あるいはこれら
   のガスの混合物をプラズマ発生ガスとして使用す
   る、特許請求の範囲第１項に記載の方法。