JPS63137764A - 複合材料製造用溶射ガン - 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】 産業上の利用分野 本発明は、溶射を利用した複合材料の製造に係り、特に
溶射を利用した複合材料の製造に使用される溶射ガンに
係る。

従来の技術及び 発明が解決しようとする問題点 溶射、特にプラズマ溶射やガス溶射を利用して複合材料
を製造する方法としては、 ■予め複合材料の線材を形成し、これを溶射する方法（
特開昭６０−８６３号） ■予め複合材料の粉末を形成し、これを溶射する方法（
特開昭６０−２６６０号） ■マトリックス粉末と微細な強化材とを混合し、これを
溶射する方法 が従来より既に知られている。

しかし上述の■の方法に於ては、複合材料の線材をプラ
ズマの如き熱源にて溶融し、溶融状態の複合材料を吹飛
ばさなければならないため、強化材及び溶融マトリック
スを微細な液滴として噴射することが困難であり、その
ため緻密な組織の複合材料を製造することが困難であり
、また空孔の如き欠陥が生じ易いという問題がある。ま
た上述の■の方法に於ては、特に強化材が繊維である場
合には、複合材料を粉末化する過程に於て強化材が剪断
され易く、そのため所望のｍ維長の強化材にて複合強化
された複合材料を製造することが困難であるという聞届
がある。また上述の■の方法に於ては、マトリックス粉
末と強化材とを混合する過程に於て強化材が剪断され易
く、そのため上述の■の場合と同様の問題が生じ易く、
またマトリックス粉末と強化材との混合が均一に行われ
なければ、製造される複合材料中の強化材の体積率にむ
らが生じ、従って均一な組織の複合材料を製造すること
ができないという問題がある。

更に上述の■〜■の何れの方法に於ても、予め複合材料
の線材等を形成しなければならないため生産性がかなり
低いという問題があり、また製造される複合材料中の強
化材の体積率が予め形成された線材等に於ける強化材の
体積率に限定されるので、予め形成された線材等に於け
る強化材の体積率とは異なる体積率の複合材料を製造す
ることができないという問題があり、更には強化材がマ
トリックスと密着し又は密接した状態にてそれらが高温
に加熱されマトリックスが溶融されるので、マトリック
スが反応性の高い金属である場合には、溶射条件によっ
ては強化材、とマトリックス金属とが反応して強化材が
劣化し、良好な複合材料を製造することが困難であると
いう問題がある。

また上述の■〜■の方法に於ける上述の如き問題を解決
すべく、実開昭５６−２９５５号、特開昭５６−１２９
０４９号、特開昭５７−４２６１号、実開昭５７−５５
５５９号の各公報に記載されたプラズマ溶射ガンに於て
、溶射材としてマトリックスの棒材や粉末を使用し、ガ
ス通路より作動ガス（プラズマ用ガス）と共に強化材を
ノズル内へ導入することが考えられる。

しかしかかる溶射ガンの使用態様に於ては、強化材がプ
ラズマによる非常に高温の領域へ導入されるので、使用
される強化材によってはその分解等による劣化が著しく
、正常な強化材にて複合強化された複合材料を製造する
ことが困難である。

また強化材はそれがプラズマ用ガスにて搬送される状態
にてノズル内へ供給されるので、強化材の流量をプラズ
マ用ガスの流量とは独立して制御することか困難であり
、従って製造される複合材料の強化材の体積率を所望の
値に制御することが困難である。また溶射材が溶融され
ることにより生じた液滴と強化材とを均一に混合するこ
とが困難であるため、均一な組織の複合材料を製造する
ことが困難であり、また強化材がプラズマガスと共に飛
散し易いため、強化材の歩留りが非常に悪いという問題
がある。特に上述の特開昭５６−１２９０４９号公報及
び実開昭５７−５５５５９号公報に記載された溶射ガン
に於ては、マトリックスが粉末に制限されるという問題
がある。

本発明は、従来の溶射を利用した複合材料の製造方法及
び従来の溶射ガンを用いて複合材料を製造する場合に於
ける上述の如き問題に鑑み、強化材の劣化等の問題を生
じることなく、また強化材の歩留りよく均一な組織及び
所望の強化材体積率の複合材料を低置に且能率よく製造
することを可能ならしめる複合材料製造用溶射ガンを提
供することを目的としている。

問題点を解決するための手段 上述の如き目的は、本発明によれば、軸線に沿って延在
し途中にのど部を備えたノズル孔を有する溶射噴流案内
ノズルと、前記溶射噴流案内ノズルの前記のど部より上
流側にて前記ノズル孔内に配置され実質的に前記軸線に
沿って前記溶射噴流案内ノズル内へマトリックスを供給
するマトリックス供給ノズルと、前記のど部若しくはそ
の上流側の前記ノズル孔内にて前記マトリックスを溶融
するための熱源を与える手段と、前記溶射噴流案内ノズ
ルと前記マトリックス供給ノズルとの間に配置され前記
マトリックスの液滴を吹飛ばすためのガスを前記溶射噴
流案内ノズル内へ供給するガス供給ノズルと、前記熱源
より下流側にて該ノズル内へ微細な強化材を供給する強
化材供給ノズルとを有する複合材料製造用溶射ガンによ
って達成される。

発明の作用及び効果 本発明によれば、ノズル孔内ののど部より上流側若しく
はその近傍にて熱源によりマトリックスが溶融され、ガ
スによって微細な溶融マトリックスの液滴が形成され、
この液滴及びガスの高速の流れに対し熱源より下流側に
て強化材が供給され、これにより最高温度部より下流側
にて強化材が溶融マトリックスの液滴及びガスと混合さ
れるので、強化材が過剰に加熱されることが回避され、
従って強化材が過剰に加熱されることに起因する劣化を
生じることなく複合材料を製造することができる。

またマトリックスの融液を吹飛ばすためのガスはマトリ
ックスの溶融部よりも上流側の位置よりそれを囲繞する
状態にて流れるので、溶融されたマトリックスが良好に
微細な液滴とされ、またガスはノズル孔ののど部よりも
上流側の部分に従って流れることにより集束する流れと
なり、この集束する流れに対し強化材が供給されるので
、強化材が溶融マトリックスの液滴の流れに良好に取込
まれ、また強化材と溶融マトリックスの液滴とが均一に
混合され、従って空孔等の欠陥を有しない均一な組織の
複合材料を強化材の歩留りよく製造することができる。

またマトリックスの溶融量及びマトリックスの融液を吹
飛ばすためのガスの供給量とは独立して強化材の供給量
を制御することができるので、任意の所望の強化材体積
率の複合材料を製造することができ、また溶射の途中に
於てもこれらの流量を容易に変化させることができるの
で、強化材の体積率が漸次又は段階的に変化する複合材
料を容易に製造することができる。

更に予め複合材料の粉末や強化材とマトリックス粉末と
の混合物を形成することは不要であるので、強化材の剪
断等の問題を生じることなく低置に且能率よく複合材料
を製造することができ、またマトリックスとして線材及
び粉末の何れの形態のマトリックスをも使用することが
できる。

本発明の一つの詳細な特徴によれば、溶射噴流案内ノズ
ルのノズル孔ののど部より上流側の部分は軸線に対し実
質的に３〜１０’の角度をなしている。

また本発明の他の一つの詳細な特徴によれば、溶射噴流
案内ノズルのノズル孔ののど部より下流側の部分は軸線
に対し３〜２０″の角度をなしている。

本発明の更に他の一つの詳細な特徴によれば、強化材供
給ノズルは軸線に垂直な仮想平面に対し下流側へ傾斜し
た方向へ強化材を供給するよう構成されている。

尚本発明による溶射ガンはガス溶射、プラズマ溶射及び
アーク溶射の何れにも適用可能であり、特にガス溶射の
場合には熱源を与える手段及びマトリックスの融液を吹
飛ばすためのガスはアセチレンの如き可燃性ガスと酸素
との混合ガスを供給トリックスが吹飛ばされてよい。ま
たプラズマ溶射の場合には溶射噴流案内ノズルとガス供
給ノズルとの間又は特にマトリックスが線材である場合
にはマトリックスと溶射噴流案内ノズルとの間に、アー
ク溶射の場合には一対の線状のマトリックスの先端間電
圧が印加され、これにより熱源としてのアークが発生さ
れてよい。また強化材はホイス力を含む短繊維、粒子、
又はそれらの組合せの何れであってもよく、更にマトリ
ックスは金属、セラミック及び樹脂の何れであってもよ
い。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例 第１図はガス溶射に適用された本発明による複合材料製
造用溶射ガンの一つの実施例を示す断面図である。図に
於て、１０は溶射噴流案内ノズルを示しており、該ノズ
ルは軸線１２に沿って延在する先細末広状のノズル孔１
４を有している。ノズル孔１４はその途中にのど部１６
、即ち最小断面部を有しており、それよりも上流側の部
分１４ａ及び下流側の部分１４ｂは軸線に沿って延在し
互いに対向する円錐面により郭定されている。上流側部
分１４ａ及び下流側部分１４ｂはそれぞれ軸線に対しθ
１及びθ２の角度をなしている。

溶射噴流案内ノズル１０の上流側部分１４ａ内には軸線
に沿って延在するマトリックス供給ノズル１８が配置さ
れており、図示の実施例に於ては、ノズル１８はその供
給口１８ａより溶射噴流案内ノズル内へマトリックスを
構成すべき材料よりなる線材２０を軸線に沿って下流側
方向へ連続的に供給するようになっている。また溶射噴
流案内ノズル１０の上流側部分１４ａ内には、軸線に沿
って延在する実質的に円筒状のガス供給ノズル２２が配
置されている。ノズル２２は溶射噴流案内ノズルとマト
リックス供給ノズルとの間にて溶射噴流案内ノズルと同
心に延在しており、ノズル１８と共働して軸線の周りに
環状に延在するガス噴出口２４を郭定しており、またノ
ズル１０と共働してガス噴出口２４と同心に環状に延在
するガス噴出口２６を郭定している。図には示されてい
ないが、ガス噴出口２４はアセチレンの如き可燃性ガス
と酸素との混合ガスを噴出し、ガス噴出口２６は圧縮空
気を噴出するようになっている。

溶射噴流案内ノズル１０には軸線１２に対し互いに直径
方向に対向する位置にて二つの強化材供給ノズル２８及
び３０が圧入により固定されている。ノズル２８及び３
０の軸線２８ａ及び３０ａの中心は軸線１２に対し下流
側方向へθ３の角度にて傾斜しており、これによりこれ
らのノズルは軸線１２に対し垂直な仮想平面に対し下流
側へ傾斜した方向へキャリヤガスと共に強化材３２を供
給するようになっている。またノズル２８及び３０の噴
出口２８ｂ及び３０ｂはのど部１６よりｄの距離にて下
流側方向へ隔置されている。尚溶射噴流案内ノズル１０
、マトリックス供給ノズル１８、及びガス供給ノズル２
２は本体３４により互いに一体に保持されている。

作動に於ては、ガス噴出口２４及び２６よりそれぞれ混
合ガス及び圧縮空気を連続的に供給し、混合ガスを点火
して燃焼火炎を発生させ、その状態にてマトリックス供
給ノズル及び強化材供給ノズルよりそれぞれ所定の供給
速度にてマトリックス及び強化材を連続的に供給する。

この場合線材２０は燃焼火炎の熱によって溶融され、そ
の溶融部２０ａはのど部１６の近傍若しくはその上流側
に形成される。かくして溶融されたマトリックスは燃焼
ガスによって吹飛ばされることにより微細な液滴３６と
なる。

かくして発生された液滴３６を含む溶射噴流３８は燃焼
ガス及び圧縮空気がノズル孔１４の上流側部分１４ａに
従って流れることによる慣性により、溶射噴流案内ノズ
ルの先端１０ａよりも外側の集束点４０に於て集束する
態様にて流れる。また強化材供給ノズル２８及び３０よ
り供給される強化材はかくして集束する態様にて流れる
噴流３８に取込まれ、液滴３６と混合され、その一部は
液滴に取込まれて溶融マトリックスと強化材とよりなる
微粒４２が形成される。かくして生じた液滴、溶融マト
リックスと強化材との微粒、及び強化材は高速度にて被
溶射材４４に衝突してその表面に堆積し、主として被溶
射材の吸熱による急冷によって冷却され、これにより被
溶射材の表面に強化材にて複合強化されたマトリックス
よりなる層状の複合材料４６を形成する。

次に角度θ１〜θ３及び距離ｄの最適値について説明す
る。

燃焼火炎の温度は２７００℃程度になり、溶射噴流の温
度はガス供給ノズルの噴出口よりの距離の増大につれて
低下する。−力強化繊維等の分解劣化を防止し、また溶
融マトリックスの液滴が被溶射材に衝突する前に凝固す
ることを防止するためには、集束点４０の温度が８００
〜２０００℃程度に維持されることが望ましい。この条
件よりガスノズルの先端より集束点４０までの距離りは
４０〜１０５ｍｍ程度であることが好ましい。角度θ１
は上記距離りとガス供給ノズルの直径とにより定まるが
、ガス供給ノズルの直径は一般に数１０ｍｍ程度である
ので、集束点４０に於ける温度が最適の温度になり、ま
た良好に集束する溶射噴流を形成するためには、角度θ
１は３〜１０’は程度であることが好ましい。

第２図は角度θＩを７″に設定し、角度θ３を６０″に
設定し、距離ｄを３Ｈに設定し、線材として純アルミニ
ウムの線材を使用し、強化材として炭化ケイ素ホイスカ
（平均繊維径０．２μ、平均繊維長５０μ）を使用し、
角度θ２を種々の値に設定して溶射を行った場合に於け
る角度θ２と強化材の歩留りとの関係を示すグラフであ
る。二のグラフより、角度θ２は２５°以下、特に２０
０以下であることが好ましいことが解る。また角度θ２
が小さくなると溶射噴流案内ノズルの下流側部分１４ｂ
内に於けるガスの膨張量が小さくなるため、強化材を供
給するためのキャリヤガスの圧力を高くしなければ溶射
噴流３８へ良好に強化材供給することができなくなり、
また溶融マトリックスの液滴強化材との混合も十分に行
われなくなる。従って角度θ２は３″以上、特に５″以
上であることが好ましい。

また第３図は角度θ１、θ２）θ３をそれぞれ７°、７
．５＠、６０”に設定し、線材として純アルミニウムの
線材を使用し、強化材として炭化ケイ素ホイスカを使用
し、距離ｄを種々の値に設定して溶射を行った場合に於
ける距、１！ｔｄと強化材の歩留りとの関係を示すグラ
フである。この第３図より、距Ｍｄは１０ｍ＋ｗ以内、
特に８ｍ−以内であることが好ましいことが解る。

更に角度θ３が大きすぎると強化材を供給するためのキ
ャリアガス（通常不活性ガス又は窒素ガス）の圧力が高
くされなければ、強化材を噴流中へ良好に供給すること
ができず、逆に角度θ３が小さすぎる場合には強化材を
噴流中へ良好に供給することができなくなる。従って角
度θ３は１０〜９０°、特に１５〜８０°であることが
好ましい。

尚強化材供給ノズル２８及び３０の先端は、図示の実施
例に於てはノズル孔１４の下流側部分１４ｂと整合され
ているが、これらのノズルの先端は下流側部分１４ｂよ
り僅かに（１ａｒｍ程度以下）突出していてもよい。ま
たこれらのノズルは溶射噴流案内ノズル１０に形成され
た孔であってもよい。また角度０重〜θ２及び距離ｄが
上述の範囲にある時には、強化材を供給するためのキャ
リヤガス（通常不活性ガス又は窒素ガス）の圧力が実質
的に０ｋＰａであっても下流側部分１４ｂに発生する負
圧によって強化材が良好に吸出されるが、キャリヤガス
の圧力が４００ｋＰａを越えると、溶射噴流が乱され、
これにより良好な溶射を行い得なくなる。従って強化材
を供給するためのキャリヤガスの圧力は実質的に０〜４
００ｋＰａ程度であることが好ましい。

更に角度θ１〜θ３及び距離ｄが上述の範囲にある場合
には、強化材の歩留りよく能率的に複合材料を製造する
ことができる。例えば角度θ１〜θ３をそれぞれ７’、
７．５＠、６０°に設定し、距離ｄを３１１腸に設定し
、線材として純アルミニウムの線材（直径３．２１）を
使用し、強化材として炭化ケイ素ホイスカを使用し、酸
素、アセチレン、圧縮空気の流量をそれぞれ４０．＆／
ｗｉｎ、１７Ｊ！／ｗｉｎ、８５０ノ／ｗｉｎに設定し
、キャリヤガス（窒素ガス）の流量を３５７／ｉ１ｎ　
　（２９４ｋＰａ）に設定し、溶射噴流案内ノズルの先
端より被溶射材までの距離を１５０ｍａ＋に設定して溶
射を行ったところ、炭化ケイ素ホーイス力の体積率が約
１２％であり空孔やホイスカの劣化等の欠陥を有しない
均一な組織の複合材料を約８０ｇ／ｗｉｎの速度にて能
率よく製造することができ、また炭化ケイ素ホイスカの
歩留りは約２８９６であった。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はガス溶射に適用された本発明による複合材料製
造用溶射ガンの一つの実施例を示す断面図、第２図は溶
射噴流案内ノズルのノズル孔ののど部より下流側の部分
がノズル孔の軸線となす角度θ２と強化材の歩留りとの
関係を示すグラフ、第３図は強化材供給ノズルの噴出口
の中心とノズル孔ののど部との間の軸線方向距離ｄと強
化材の歩留りとの関係を示すグラフである。 １０・・・溶射噴流案内ノズル、１４・・・ノズル孔。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）軸線に沿って延在し途中にのど部を備えたノズル
   孔を有する溶射噴流案内ノズルと、前記溶射噴流案内ノ
   ズルの前記のど部より上流側にて前記ノズル孔内に配置
   され実質的に前記軸線に沿って前記溶射噴流案内ノズル
   内へマトリックスを供給するマトリックス供給ノズルと
   、前記のど部若しくはその上流側の前記ノズル孔内にて
   前記マトリックスを溶融するための熱源を与える手段と
   、前記溶射噴流案内ノズルと前記マトリックス供給ノズ
   ルとの間に配置され前記マトリックスの液滴を吹飛ばす
   ためのガスを前記溶射噴流案内ノズル内へ供給するガス
   供給ノズルと、前記熱源より下流側にて該ノズル内へ微
   細な強化材を供給する強化材供給ノズルとを有する複合
   材料製造用溶射ガン。
2. （２）特許請求の範囲第１項の複合材料製造用溶射ガン
   に於て、前記溶射噴流案内ノズルの前記ノズル孔の前記
   のど部より上流側の部分は前記軸線に対し実質的に３〜
   １０°の角度をなしていることを特徴とする複合材料製
   造用溶射ガン。
3. （３）特許請求の範囲第２項の複合材料製造用溶射ガン
   に於て、前記溶射噴流案内ノズルの前記ノズル孔の前記
   のど部より下流側の部分は前記軸線に対し実質的に３〜
   ２０°の角度をなしていることを特徴とする複合材料製
   造用溶射ガン。
4. （４）特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れかの複合
   材料製造用溶射ガンに於て、前記強化材供給ノズルは前
   記軸線に垂直な仮想平面に対し下流側へ傾斜した方向へ
   強化材を供給するよう構成されていることを特徴とする
   複合材料製造用溶射ガン。