JPH04116149A - 強化された微細積層金属母体複合構造物 - 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】

［０００１］

【関連出願の説明】

本願は、　　　　　年　　月　　日に提出された米国特
許出願第　　　　　　号と技術的に関連している。 ［０００２］

【産業上の利用分野】 本発明は、概して積層状態を成すようにして第１の金属
を第２の金属またはセラミック材料と共にプラズマ溶射
することによって形成された微細積層金属母体複合構造
物に関するものである。更に詳しく言えば本発明は、金
属母体および該母体の層間に位置する補強部材から成る
微細積層構造物並びにかかる構造物の製造方法に関する
。 ［０００３］

【従来の技術】

２種の相異なる材料から成る概して積層状態の構造物の
製造方法は、当業界において公知であった。かかる先行
技術を記載した出版物の一例は、セラミック・エンジニ
アリング・アンド・サイエンス・プロシーディングズ（
Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　５
ｃｉｅｎｃｅ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）第６巻第７／
８号（１９８５年７７８月）中に発表された［低圧プラ
ズマ溶射法による複合構造物の製造」と称する論文であ
る。この論文中には、本発明によって提供される構造物
に類似しているが、それと同じではない構造物が記載さ
れている。かかる従来の構造物はプラズマ溶射法によっ
て形成されたものである。たとえば、該論文の図７およ
び８中には、概して積層状態を成す構造物が示されてい
る。図７の構造物においては、超合金が第１群の薄層を
成しており、また炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）が第２群の
薄層を成している。図８の構造物においては、超合金の
薄層と酸化アルミニウムの薄層とが交互に配置されて積
層状態を成している。 ［０００４］ プラズマ溶射被膜を論じているその他の文献としては、
下記の５つの論文が挙げられる。 ［０００５］ （１）アール・エフ・ブンシャー　シー・ヴイー・ブシ
ュパンデイ−およびビー・ピー・オブライエン（Ｒ，Ｆ
、　Ｂｕｎｓｈａｈ、　Ｃ，Ｖ、　Ｄｅｓｈｐａｎｄｅ
ｙ　＆　Ｂ、Ｐ、　Ｏ’Ｂｒ１ｅｎ）の論文［微細積層
複合材料−断熱被膜に関するもう１つのアプローチ」　
［アメリカ合衆国オハイオ州りリーブランド市における
ＮＡＳＡ−ルイス主催の断熱被膜会議で発表］。 ［０００６］ （２）ジェイ・アール・レアテンおよびデイ−・エム・
グレイ（Ｊ、Ｒ，Ｒａ１ｒｄｅｎ　＆Ｄ、Ｍ、　Ｇｒａ
いの論文「協調二重ガン急速凝固プラズマ溶射法（Ｒ３
ＰＤ法）による寸法および形状制御の研究１　　［ＧＥ
レポートＮｏ、８８ＣＲＤ１４７　（１９８８年６月）
　クラス１］。 ［０００７］ （３）ジェイ・アール・レアテンおよびデイ−・エム・
グレイ（Ｊ、Ｒ，Ｒａ１ｒｄｅｎ　＆Ｄ、Ｍ、　Ｇｒａ
いの論文「低圧のマルチガンプラズマ溶射法によるター
ビン羽根被膜の形成」　［西ドイツのガルミツシュ・パ
ルテンキルヘン市で開催されたプラズマ表面処理技術に
関する第１回国際会議（１９８８年９月１９〜２３日）
の紀要中に発表］。 ［０００８］ （４）ピー・エイ・シーマーズおよびダブリュー・ビー
・ヒリッグ（Ｐ、Ａ、　Ｓｉｅｍｅｒｓ　＆　Ｗ、Ｂ、
　Ｈｉｌｌｉｇ）の論文［断熱被膜で被覆されたタービ
ン羽根の研究Ｊ　　［ＮＡＳＡレポートＮｏ、ＣＲ−１
６５３５１，５ＲＤ−８１−０８３（１９８１年８月）
］。 ［０００９］ （５）ジー・ピー・リアンおよびジエイ・ダブリュー・
フェアバンクス（Ｇ、Ｐ、　Ｌｉａｎｇ　＆　Ｊ、Ｗ、
　Ｆａｉｒｂａｎｋｓ）の論文「積層タービン翼の伝熱
に関する研究」　［サンフランシスコ市で開催された１
９７８年のＡＳＭＥ冬季会議におけるガスタービン伝熱
シンポジウムの紀要の２１〜２９頁に発表］。 ［００１０１

【発明が解決しようとする課題］ これらの論文中に開示されているような構造物の製造お
よび使用に際して認められた問題の１つは、それらが大
幅な熱サイクルに暴露された場合にそれらの有益な性質
の一部が失われることがあるという点である。ここで言
う「熱サイクル」とは、構造物がたとえば１０００℃を
越える使用温度にまで加熱された後に室温あるいはそれ
より低い温度にまで冷却されるという過程が繰返される
ことを意味する。このような熱サイクルは、上記のごと
き論文中に記載されたような構造物中における亀裂成長
の原因となることが認められている。すなわち、複合構
造物を構成する１つのセラミック薄層中に比較的小さな
亀裂が発生した場合に該構造物が熱サイクルを受けると
、該構造物を構成する金属部材とセラミック薄層との間
における比較的大きな熱膨張率の差によって誘起される
応力のために該亀裂は成長する傾向を示すのである。複
合構造物の１つの薄層を通って亀裂が優先的に成長する
結果、実質的に該構造物の層割れが生じることになる。 かかる層割れを引起こす原因は、上記のごとく、複合構
造物の（たとえば）セラミック薄層中に発生した亀裂が
核層を通って拡大し、そのために該構造物を構成する複
数の薄層間に存在する本来ならば強固な結合が弱められ
かつ破壊されることにある。 ［００１１］ 【発明の概要】 本発明の目的の１つは、層割れ傾向が低減もしくは排除
された微細積層構造物を提供することにある。 ［００１２］ また、積層形態の保持能力を示す微細積層構造物を提供
することも本発明の目的の１つである。 ［００１３］ 更にまた、高い比強度を有する微細積層構造物を提供す
ることも本発明の目的の１つである。 ［００１４］ 更にまた、低い密度および高い弾性率を有する微細積層
構造物を提供することも本発明の目的の１つである。 ［００１５］ 更にまた、制御された熱膨張率を有する微細積層構造物
を提供することも本発明の目的の１つである。 ［００１６］ 更にまた、制御された熱伝導率を有する微細積層構造物
を提供することも本発明の目的の１つである。 ［００１７］ 更にまた、制御された導電率を有する微細積層構造物を
提供することも本発明の目的の１つである。 ［００１８］ 更にまた、長期熱サイクルまたはその他任意の応力発生
源に由来する応力を受けながらも積層形態を保持し得る
微細積層構造物を提供することも本発明の目的の１つで
ある。 ［００１９］ 更にまた、複合積層構造物を構成する微小薄層中におけ
る亀裂の成長を制限するための方法を提供することも本
発明の目的の１つである。 ［００２０１ その他の目的は、以下の説明を読むことによって自ら明
らかとなろう。

【００２月 【課題を解決するための手段］ 本発明の一側面に従って上記のごとき目的を達成するた
めには、第１の材料をプラズマ溶射するために役立つ第
１のプラズマガンと、第２の材料をプラズマ溶射するた
めに役立つ第２のプラズマガンとが用意される。これら
２つの独立したガンを基体表面の共通領域に向け、そし
て両方のガンから同時にプラズマ溶射を行うことにより
、該領域上に溶射材料が付着する。こうして得られた構
造物は渦巻き状の形態を有する結果、該構造物を構成す
る薄層の間には補強材のストランドが形成され、従って
該構造物は熱サイクルまたはその他の原因による層割れ
に対して抵抗性を有することが判明した。かかる構造物
が渦巻き状の形態を有する理由は、２つの独立したガン
からプラズマ溶射される２種の成分が付着に際して相互
に混合しかつ微細に分散し合う結果として微細積層構造
物が形成されることにある。 ［００２２］ ここで言う「微細積層」、「相互混合」および類似の用
語は、溶射された金属が渦巻き状を成してセラミックと
混合する場合、得られる複合構造物の性質が該金属によ
って支配される程度にまで混合が行われる結果として該
金属が実質的に連続相を成すことを意味している。 ［００２３］ 以下に記載される微細積層構造物はいずれも低圧プラズ
マ溶射法によって形成されたものであるが、通常の常圧
プラズマ溶射法によって本発明の微細積層構造物を形成
することも可能である。 ［００２４］ 添付の図面を参照しながら以下の説明を読めば、本発明
は一層明確に理解されよう。 ［００２５］ 【実施例】 構造的に健全な被膜の開発に際して見出された最も重要
な点の１つは、２つの別個のプラズマガンから相異なる
材料を同時にプラズマ溶射した場合、特異な形態を有す
る構造物が形成されるという発見である。かかる形態は
、巨視的に見ても微視的に見ても特異なものである。詳
しく述べれば、２つのガンからプラズマ溶射された２種
の材料が渦巻き状を成して相互に混合する結果、形成さ
れた構造物中には連続した薄層がほとんど存在せず、従
って該構造物は層割れの傾向を示さないのである。この
ような渦巻き状の形態は、巨視的に見ても微視的に見て
も明らかである。すなわち、渦巻き状の形態は肉眼で見
ることもできるし、また顕微鏡下で見ることもできる。 ［００２６］ 別個のガンから基体表面にプラズマ溶射される２種の成
分から構成される構造物中において該成分同士が相互に
混合しかつ結合して成る渦巻き状の形態を実現するため
には、幾つかの重要なパラメータが存在する。 ［００２７］ 第１のパラメータは２つのガンの目標点である。一般的
に述べれば、各々のガンから基体表面の同じ領域に向け
て材料が溶射されるように２つのガンの目標点を一致さ
せることが望ましい。かかる目標点を決定するためには
、たとえば、ガンのノズルを通る想像線を延長し、そし
てその想像線が（ガンの向けられた）基体表面と交わる
位置を求めればよい。かかる目標点はまた、固定したガ
ンからの溶射物の中心がどこに位置するかを観察するこ
とによって実５験的に求めることもできる。２つのガン
の目標点が一致する場合には、各々のガンからのプラズ
マ溶射を受ける領域の全体にわたって構造物が渦巻き状
の形態を有することが実証された。 ［００２８］ もう１つのパラメータは、２つのガンから伸びる想像上
の目標線が成す分離角である。かかる分離角は、部分的
にはガン自体の幾何学的形状によって決定される。たと
えば、アメリカ合衆国カリフォルニア州アービン市所在
のエレクトロ・プラズマ社（Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｐｌａｓ
ｍａ、　Ｉｎｃ、）製のＥＰＩガンはアメリカ合衆国ニ
ューヨーク州つェストベリー市所在のパーキン・エルマ
ー・メトコ（Ｐｅｒｋｉｎ　Ｅｌｍｅｒ　Ｍｅｔｃｏ）
社製のメトコガンよりも物理的に大きい結果、ＥＰＩガ
ンを用いた場合の最小分離角はメトコガンを用いた場合
よりも大きくなる。一般的に述べれば、使用するガンに
ついて物理的に可能な限り、各々のガンからの溶射角を
基体表面に対する垂線に近づけることによって得られる
最小分離角を使用すれば望ましいことが判明した。９０
°の溶射角（すなわち、想像上の目標線が基体表面に対
してほぼ垂直となるような溶射角）を使用すれば、溶射
材料から成る最も高密度の構造物を形成することができ
るのである。 ［００２９］ 本発明者等の経験によれば、高密度の構造物を得るため
には溶射角（すなわち想像上の目標線とプラズマ溶射を
受ける表面とが成す角）が少なくとも７０゜でなければ
ならないことが判明した。 ［００３０１ 溶射角が７０°より小さいと、溶射角の減少に伴って構
造物は次第に多孔質となる。とは言え、かかる低密度の
構造物中においても渦巻き状の形態が認められる。制御
された多孔度を得ることが所望される場合には、７０°
より小さい溶射角を使用すればよい。その場合には、所
望の多孔度を有する構造物が得られるようにするため、
溶射角に対応して得られる多孔度を決定するための何ら
かの実験手段を使用することができる。たとえば、多孔
質の断熱被膜の使用が考えられる力ξ本発明はかかる断
熱被膜の内部構造を改善するために特に有用である。す
なわち、本発明に従えば、積層構造ではなく渦巻き状に
からみ合った構造を有する断熱被膜を得ることができる
のである。なお、小さい溶射角の使用は基体表面に対す
る被膜の密着性に影響を及ぼすものと考えられるのであ
って、多孔質被膜の形成は基体表面に対する被膜の密着
性を制限することがある。 ［００３１］ 本発明の構造物を形成する際におけるもう１つのパラメ
ータは、ガンと基体表面との距離である。一般的に述べ
れば、かかる距離は低圧プラズマ溶射法においては約８
〜約１８インチの範囲内にあればよく、また常圧プラズ
マ溶射法においては約３〜６インチの範囲内にあればよ
い。かかる距離は所望の溶射パターンサイズに基づいて
選定される。ガンと基体表面との距離が大きくなるほど
、形成される溶射パターンは大きくなる。かかる距離に
関係するもう１つの因子は基体の加熱度である。基体に
対する被膜の密着性を良くするためにはある程度の加熱
が必要であり、またガンと基体表面との距離が小さくな
るほど基体の加熱度は高くなる。このパラメータは、特
定の基体／被膜の組合せに関する要求条件を適正にバラ
ンスさせるために実施される若干の予備実、験によって
比較的容易に決定することができる。その際に考慮すべ
き因子は、上記のごとく、基体の加熱度および基体表面
上における所望の溶射パターンサイズである。すなわち
、距離が小さくなるほど加熱度は高くなり、また距離が
大きくなるほど溶射パターンのサイズは大きくなるので
ある。なお、基体の予熱（すなわち、プラズマ溶射の開
始前における加熱）はプラズマガンのプラズマの使用に
より極めて効果的に行うことができる。 ［００３２］ 本発明の実施に際して有効に使用されたガンの供給業者
は、アメリカ合衆国カリフォルニア用（９２７１４）ア
ービン市ミリケン・アベニュー１６８４２番地所在のエ
レクトロ・プラズマ社、 アメリカ合衆国ニューヨーク州（１１５９０）ロングア
イランド島つェストベリー市プロスペクト・アベニュー
１１０１番地所在のパーキン・エルマー・メトコ社、お
よび スイス国ヴオーレン市（５６１０）リガツカーシュトラ
ーセ２１番地所在のプラズマ・テヒニーク社（Ｐｌａｓ
ｍａ　Ｔｅｃｈｎｉｋ、　ＡＧ）である。 ［００３３］ 本発明の実施に際して関係する更にもう１つのパラメー
タは、構造物を形成するために使用される粉末粒子の粒
度である。かかる粒度は、プラズマ中における材料の融
解特性に基づいて選定される。たとえば、ニッケル基合
金のごとき金属の低圧プラズマ溶射を行う場合には、約
４００メツシユまたは約３７μｍの粒度（平均粒度的２
０μｍ）を使用すれば満足すべき結果が得られることが
判明した。また、銅のごとき低融点金属については、２
７０メツシユまたは約５３μｍのごとき大きい粒度を使
用することができる。逆に、高融点金属については、粒
子の満足すべき融解を達成しカリ構造物中に渦巻き状の
形態を実現するために１０〜２０μｍの粒度を使用する
ことが必要となる。 ［００３４］ 粉末の粒度を選定する際の主たる基準は、該粉末がプラ
ズマを通過する際に融解し得ること、および利用可能な
粉末供給装置を用いて該粉末をプラズマガンに供給し得
ることである。因みに、分解せずに融解し得るものであ
れば、はとんど任意の材料をプラズマ溶射することがで
きる。 ［００３５］ 本発明の実施に関係する更にもう１つのパラメータは、
プラズマガンに対する粉末供給速度である。粉末供給装
置は商業的に入手可能であって、それらはいずれも本発
明に関連して使用するのに適している。たとえば、ニッ
ケル基合金の場合、毎時５０ポンドという大きい粉末供
給速度を使用することができる。とは言え、本発明の実
施に際しては毎時数ポンドから毎時２０ポンドまでの粉
末供給速度が通例使用される。 ［００３６］ 更にまた、下記のごとくにして２つのガンを使用するこ
とにより、特定の用途に合わせて被膜の性質を調整する
ために漸変組成被膜を形成することもできる。 たとえば、被膜／基体界面における応力を低減させるた
め、金属基体の位置においては高い金属含量を有しかつ
外面の位置においては高いセラミック含量を有するよう
に被膜組成を変化させることができる。それを達成する
ためには、プラズマ溶射に際して各々のガンに対する粉
末供給速度を変化させさえすればよい。 ［００３７］ 本発明に関連して使用されるキャリヤガスは、一般にア
ルゴンから成る。それの流量は、供給すべき粉末の粒度
および密度、並びに粉末粒子をプラズマガン中に噴射す
るために必要な速度に依存する。一般的に述べれば、プ
ラズマガン製造業者によって推奨される溶射条件が使用
される。本発明の実施に際しては、毎時１０〜４０標準
立方フイートの流量を使用するのが通例である。プラズ
マガンの動作に際して使用されるプラズマガスは、アル
ゴンとヘリウムとの混合物またはアルゴンと水素との混
合物から成るのが通例である。特定の粉末に対するガス
流量およびガス組成は、所望の粒子加熱性能が得られる
ように選定される。この場合、パラメータ間における適
正なバランスを達成するために何らかの予備実、験を行
うのが普通である。 ［００３８］ 本発明の実施方法および適当な組合せのパラメータを例
示するため、以下に実施例を示す。 ［００３９］

【実施例１】 本実施例においては、１．４４ｍの直径および１．３７
ｍの長さを有する水冷式の低圧プラズマ溶射室内に取付
けられた２つのプラズマガンを用いて断熱被膜を形成し
た。詳しく述べれば、共通の目標点に向けてガンを固定
状態に保ちながら基体を移動させることにより、互いに
混合した溶射材料から成る複合構造物を基体の特定領域
上に形成した。上記のガンは８０　ｋＷの０３ＣＡ型Ｅ
ＰＩガンであった。これらのガンは、基体に対して様々
な角度でガンを配置させ得るブラケット上に取付けられ
ていた。その結果、２つのガンは最小９ｃｍの間隔で配
置することができた。かかるガンはまた、それらの目標
点が基体の同じ領域内に位置しかつ２つの独立したガン
からの溶射パターンが図１に略示されるごとく互いに重
なり合うようにしながら、広い角度範囲にわたって傾斜
させることができた。 ［００４０］ 上記のガンは、プラズマ溶射を施すべき基体から約４３
．２ｃｍの距離に配置された。 ［００４１］ 本実施例において使用した粉末は下記の通りである。 ［００４２］ （１）アロイ・メタルズ社（Ａｌｌｏｙ　Ｍｅｔａｌｓ
、　Ｉｎｃ、）から人手した、Ｎｉ−２２Ｃｒ−ＩＯＡ
Ｉ−１，０Ｙ（７）組成を有するアムドリー（Ａｍｄｒ
ｙ）　９６２粉末・［００４３］ （２）やはリアロイ・メタルズ社から入手した、Ｃｏ−
３２Ｎｉ−２１Ｃｒ−８ＡＩ−０，５Ｙの組成を有する
アムドリー９９５粉末。 ［００４４］ （３）パーキン・エルマー・メトコ社から入手した１０
５　３ＦＰ酸化アルミニウム粉末。 ［００４５］ （４）コーニング・グラス・ワークス（Ｃｏｒｎｉｎｇ
　Ｇｌａｓｓ　Ｗｏｒｋｓ）から入手したＺｒ０−８ｗ
ｔ％Ｙ２Ｏ３粉末（−４４μｍ＋　Ｉ　ＱＡｔｍ）。 ［００４６］ 使用したプラズマ溶射条件を表１に示す。 ［００４７］

【表１】 陽極　　　　　　　　　０３−ＣＡ−１１０−次ガス　
　　　　　毎分１２２リツトルのＡｒ二次ガス　　　　
　　毎分３２リツトルのＨｅキャリヤガス　　　　毎分
５．６リツトルのＡｒ電力　　　　　　　　　１７００
Ａ、４４Ｖ系内圧力　　　　　　６０ｍｍＨｇ 本実施例においては、一方のガンは金属粉末を溶射する
ために使用され、また他方のガンはセラミック粉末を溶
射するために使用された。 ［００４８］ 個々の実、験に際し、第１のガンからは金属粉末Ｎ１Ｃ
ｒＡＩＹ　（アムドリ−９６２）またはＣｏＮ１ＣｒＡ
ＩＹ　（アムドリ−９９５）が溶射された。また、第Ｙ
２Ｏ３が溶射された。 ［００４９］ 下記のごとき組合せに従って４回の実験を行った。 ［００５０］

【表２】 Ｎ１ＣｒＡＩＹ ＣｏＮｉＣｒＡＩＹ ＮｉＣｒＡＩＹ Ｚｒ０２・Ｙ２０３ プラズマ溶射によって複合構造物を形成するための前処
理工程として、溶射工程の開始に先立ち、先ず基体をプ
ラズマ火炎中において約９００℃にまで加熱し次いで基
体表面に逆移送アークによる清浄処理を施した。 ［００５月 複数の基体上に複合構造物を形成し、次いで熱サイクル
試験によって層割れの有無を調べた。これらの基体は、
図２に示されたような形状を有する鋳造ルネ８０製の試
験片であった。かかる試験片は約１７２インチの幅、１
７４インチの厚さ、および約１−３／４インチの長さを
有していた。かかる試、弦月は、インコネル８２溶加材
によってそれの一端に溶接された保持棒によって支持さ
れた。また、保持棒が固定された端部と反対側の端部に
は熱電対用の穴が設けられていた。 ［００５２］ 静止炉内において試験片を１１５０℃で５０分間にわた
り加熱する操作と、１０分間にわたって室内空気に暴露
する操作とを繰返すことによって循環酸化試験を行った
。１０分間の室内空気暴露期間中には、重量変化の測定
値を記録した。 また、かかる試、弦月から切出した横断方向の切片につ
いて金属組織学的検査を行った。 ［００５３］ これらの試験結果から、ＭＣｒＡＩＹ金属（ただし、Ｍ
はＮｉ、Ｃｏまたはそれらの組合せである）中に混入す
るための酸化物としては、Ｚ　ｒ　０２　・Ｙ２Ｏ３よ
りもＡｌ　　Ｏの方が好適であるという結論が得られた
。Ａ１゜０３を含有する複合構造物は優れた強度および
耐久性を有していた。 ［００５４］ 本実施例においてはまた、本発明方法の重要な特徴が実
証された。そのような特徴とは、形成される複合構造物
を所望に応じて調整し得ることである。ここで言う「調
整」とは、成分それ自体並びに基体表面に対する酸化物
および金属の溶射を変化もしくは制御することにより、
使用する成分の組合せによって達成し得る広範囲の性質
中に含まれる所望の性質を複合構造物に付与し得ること
を意味する。 ［００５５］ 本実施例においては、複合構造物は断熱被膜として形成
された。ジルコニアを含有する被膜は、酸化アルミニウ
ムを含有する被膜に比べ、低い耐久性を有しがつ酸化を
受は易いことが判明した。 ［００５６］ 熱伝導試、験によれば、Ｎ１ＣｒＡＩＹ／酸化アルミニ
ウム複合構造物はＮ１ＣｒＡＩＹの熱伝導率の約４０％
に等しい熱伝導率を有することが判明した。 ［００５７］

【実施例２】 本実施例は、ルネ（Ｒｅｎｅ　　）８０／Ａｌ　　○　
がら成る高強度カリ低密度の自立した微細積層複合構造
物に関するものである。 ［００５８］ 本実施例においては、実施例１の手順および装置を再び
使用することによって微細積層複合構造物を形成した。 ［００５９］ この場合には、ルネ８０および酸化アルミニウムから成
る微細積層複合構造物を形成することにより、高い比強
度および高い弾性率を要求する用途における該材料の使
用可能性を評価した。かがる目的のため、ルネ８０／Ａ
１２ｏ３がら成る２群の微細積層複合構造物を形成した
。 ［００６０１ （１）約１．５ｍｍの厚さ、１０ｃｍの長さ、および３
．８ｃｍの直径を有する第１群の管状構造物を鋼管マン
ドレル上に形成した。かがる構造物においては、ルネ８
０とＡｌ　　Ｏとの容量比は８０　：　２０〜２０　：
　８０の範囲にわたっていた。詳しく述ヘレば、８０　
：　２０．６５：３５．５０　：　５０．３５：６５お
よび２ｏ：８０の容量比を有する５種の構造物が形成さ
れた。各組成の構造物を形成する際には、４５°のガン
分離角（図１中の角度θ）を使用した。

【００６月 （２）１０°のガン分離角を使用しながら、６５：３５
．５０：５０および３５：６５のルネ８０／Ａｌ。０３
容量比を有する第２群の管状構造物を形成し。これらの
構造物は、それの顕微鏡組織に対するガン分離角の効果
を調べるためのものであった。一般的に述べれば、かか
る管状構造物はプラズマガンを固定状態に保ちながら管
状の基体を（回転および軸方向運動により）移動させる
ことによって形成された。 ［００６２］ ルネ８０および酸化アルミニウムを用いたプラズマ溶射
試験によれば、５０：５０より小さい金属／酸化物容量
比においては、構造物の構造強度が劣ることが判明した
。すなわち、３５：６５および２０　：　８０の金属／
酸化物容量比を有する構造物は破断する傾向を示すこと
が判明したばかりでなく、このような破断傾向はマンド
レルの除去前においても認められたのである。図３．４
および５の顕微鏡写真は、３種の相異なる容量比をもっ
て形成された構造物を示している。詳しく述べれば、図
３は６５容量％のＡ１゜０３および３５容量％のルネ８
０から形成された構造物の顕微鏡写真（倍率４００ｘ）
である。図４の構造物は５０容量％のＡｌ２Ｏ３および
５０容量％のルネ８０から形成されたものである。図５
の構造物は３５容量％のＡｌ２Ｏ３および６５容量％の
ルネ８０から形成されたものである。 ［００６３］ 本実施例において使用したルネ８０粉末は、約２０ミク
ロンの平均粒度を有する４００メツシユの粉末であった
。ルネ８０は、９．５重量％のコバルト、１４０重量％
のクロム、３．０重量％のアルミニウム、５．０重量％
のチタン、４０重量％のモリブデン、４．０重量％のタ
ングステン、０．０３重量％のジルコニウム、０．０１
５重量％のホウ素、０．１７重量％の炭素、および残部
のニッケルから成る組成を有する市販の合金である。こ
の粉末は、アロイ・メタルズ社から入手した。 ［００６４］ 酸化アルミニウム粉末は、パーキン・エルマー・メトコ
社から入手した１０５３ＰＦ酸化アルミニウム粉末であ
った。 ［００６５］ 図３．４および５に示された構造物の顕微鏡組織を見る
と、それらが基本的に渦巻き状の形態を有することがわ
かるのであって、かかる渦巻き状の形態が性質の改善と
関連していることが確認された。また、これらの顕微鏡
組織から明らかなごとく、相分布は一様でないにせよ、
２つの相は微細に分散し合っていることがわかる。その
結果として、得られた構造物は性質の改善の原因となる
渦巻き状の形態を示すのである。 ［００６６］ ２つのガンの間における分離角を変化させた場合、顕微
鏡組織に顕著な相違は認められなかった。しかしながら
、表３中に示された性質データを見れば、ガンの分離角
は意味のあることがわかる。表３には、本実施例におい
て使用した実、験手順および得られた実、験結果が要約
して示されている。 ［００６７］ 【表３】 画像分析データかられかる通り、 １０゜ のガン分離角を用いて形成された構造 物の組成は粉末供給速度に基づく目標組成に一層近似す
る傾向を示している。 ０°のガン分離角を用いて形成されたルネ８０／Ａｌ２
Ｏ３の５０　：　５０構造物を別にすれば、いずれの構
造物においてもルネ８０の含量は目標値よりも低かった
。なお、以後の構造物については１０°のガン分離角を
使用した。表３中にはまた、若干の追加データが示され
ている。すなわち、得られた構造物には熱処理が施され
た。表３中のデータかられかる通り、熱処理は構造物の
密度にほとんど影響を及ぼさなかった。しかしながら、
表３中に示されるごとく、弾性率および三点曲げ強さは
熱処理の結果として増大した。 ［００６８３ 次に、表３中に示されたデータによれば、熱膨張率はＡ
１゜０３含量の増加に伴って低下し、また抵抗率はＡ１
゜０３含量の増加に伴って増加したことがわかる。これ
らのデータは、混合規則に基づく考察結果と一致してい
る。 ［００６９］ １５．２ｃｍＸ１５．２ｃｍの寸法を有する銅板マンド
レル上に、約２．５ｍｍの厚さを有する板状構造物を形
成した。これらの構造物もまた、ガンを固定状態に保ち
ながら板状のマンドレルを移動させることによって形成
された。その際には、マンドレルをＸ軸方向およびｙ軸
方向に移動させることにより、それの表面全体にプラズ
マ溶射を施した。これらの構造物の形成に際しては、１
０°のガン分離角を使用した。板状のマンドレル上にお
ける微細積層複合構造物の形成に際して使用したルネ８
０／Ａｌ２Ｏ３容量比は８０　：　２０．７５：２５．
６５：３５および５０　：　５０であった。 ［００７０１ 上記のごとき板状構造物の形成および試、験に際して得
られたデータを下記衣４中に示す。、 ［００７１］

【表４】 表４中に示されたデータから明らかなごとく、構造物の
形成に際して目標として容量比は８０：２０，７５：２
５．６５：３５．６５：３５（熱処理なし）および５０
　：　５０であった。なお、１００％のルネ８０につい
ても、以前の研究に基づく代表的データが示されている
。上記のごとき容量比で粉末を供給しながらプラズマ溶
射を行った。こうして得られた板状構造物から薄板状の
引張試、弦月を切出した。室温から１０１０℃までの温
度範囲内において行った試験の結果を表４中に要約して
示す。これらのデータは１００％のルネ８０　（すなわ
ち、急速凝固プラズマ溶射されたルネ８０）に関する代
表的な引張試験データと比較することができる。微細積
層複合構造物を急速凝固プラズマ溶射されたルネ８０と
比較すると、低温において軸方向引張強さおよび延性の
大幅な低下が認められる。また、引張強さはＡ１２０３
含量の減少に伴って低下する傾向も認められる。表３中
に示されたルネ８０／Ａｌ２Ｏ３微細積層複合構造物の
三点曲げ強さは軸方向引張強さよりも顕著に大きいこと
に注意すべきである。更にまた、１０１０℃における微
細積層複合構造物の軸方向引張強さは急速凝固プラズマ
溶射されたルネ８０の値にほぼ等しい。これらのデータ
によれば、延性が小さくかつ弾性率が高いという点から
見て、小さい延性を許容し得るような用途においては本
発明の微細積層複合構造物を有利に使用し得ることが示
唆される。 ［００７２］ 上記の説明から明らかな通り、本発明に従えば、低い密
度で高い強度を有し、従って高い比強度を有する特異な
材料を製造することができるのである。また、使用する
成分の性質を変化させることにより、かかる材料の密度
を所望の値に調整し得ることも明らかである。 ［００７３］

【実施例３】 本実施例は、インバー／Ａｌ２Ｏ３から成る自立状態の
微細積層複合構造物に関するものである。 ［００７４］ 上記の実施例から明らかな通り、本発明に従って製造さ
れる各種の構造物には広い範囲にわたる所望の性質を付
与することができる。 ［００７５］ そのような可能性を例示するため、マイクロエレクトロ
ニクス分野におけるパッケージ用途に適する自立状態の
材料を製造した。かかる材料は、極めて小さい熱膨張率
および極めて低い密度を有する必要がある。小さい熱膨
張率を有する点から、金属材料としてはインバーを使用
した。とは言え、インバーは弱い金属であり、しかも低
い弾性率を有している。それの強度および弾性率を増大
させると共に、それの熱膨張率を低下させることが意図
された。上記の実施例中に記載された装置および方法を
再び使用しながら、インバー／Ａｌ２Ｏ３から成る微細
積層複合構造物の性質を調べることにより、低い密度、
高い弾性率および高い強度を有する材料において小さい
熱膨張率を達成し得るかどうかを検討した。６５：３５
．５０　：　５０および３５　：　６５の容量比で粉末
を供給することにより、インバー／Ａｌ２Ｏ３から成る
板状の微細積層複合構造物を形成した。 ［００７６］ これらの構造物の性質を上記のごとくにして測定した。 こうして得られた結果を下記衣５中に要約して示す。 ［００７７］

【表５】 基体上に形成された３５％インバー／６５％ＡＩ。０３
の微細積層複合構造物は極めて脆く、そのため機械加工
によって試験片を作製し得ないことが判明した。表５か
られかる通り、これらの構造物のインバー含量は目標値
よりも低かった。すなわち、いずれの構造物についても
、インバー含量は粉末供給速度に基づく期待値よりも低
かったのである。このように構造物の金属含量が低いこ
とは、ルネ８０／Ａｌ２Ｏ３から成る微細積層複合構造
物について既に論じたデータの場合と同様である。とは
言え、このような低い金属含量はそれぞれの粉末供給速
度を調整することによって克服することができる。すな
わち、より高いレベルの金属が供給されるように粉末供
給速度を調整することにより、所望レベルの密度を達成
すると共に、所望の組合せに応じてその他の性質を得る
ことができるのである。 ［００７８］ インバー／Ａｌ。０３から成る微細積層複合構造物の弾
性率はインバーの弾性率よりも約５０％だけ高く、また
それの抵抗率はＡ１゜０３含量の増加に伴って増大する
ことが認められた。 ［００７９］ 熱膨張率は、インバー／Ａｌ。０３容量比が４０　：　
６０の時に最小となることが判明した。得られたデータ
は、インバー／Ａｌ。０３から成る微細積層複合構造物
がインバーの熱膨張率に近似した熱膨張率を有するもの
と見なし得ることを示している。 ［００８０］ インバー／の評価に際して得られたデータによれば、イ
ンバーそれ自体に比べ低い密度、低い熱膨張率、高い弾
性率、および適度の強度特性を有する材料をそれらの成
分から製造し得ることが可能であるように思われる。 ［００８１］

【実施例４】 本実施例は、銅およびＡｌ２Ｏ３から成る自立状態の微
細積層複合構造物に関するものである。 ［００８２］ 電力用ハイブリッドマイクロエレクトロニクス分野にお
ける使用可能性に関し銅／Ａｌ２Ｏ３から成る微細積層
複合構造物の性質を評価した。詳しく述べれば、上記の
実施例３中に記載されたごとくにして、一連の銅／Ａｌ
。０３微細積層複合構造物を板状の基体上に形成した。 これらの構造物の形成に際しては、６５：３５．５０　
：　５０および３５　：　６５の容量比で粉末を供給し
た。こうして得られた構造物の性質を表６中に要約して
示す。 ［００８３］

【表６】 これらの構造物に関しては、画像分析データは正確でな
いように思われる。なぜなら、密度の測定値に基づけば
、６５容量％の銅および３５容量％のＡｌ２Ｏ３から成
る構造物並びに５０容量％の銅および５０容量％のＡｌ
２Ｏ３がら成る構造物においては、銅含量が目標値より
も高かったからである。 ［００８４］ 表６中に示されたデータによれば、抵抗率はＡ１゜０３
含量の増加に伴って系統的に増大し、また熱伝導率はへ
１□０３含量の増加に伴って系統的に低下する［００８
５］

【発明の効果】

以上の説明から明らかなごとく、本発明の協調二重ガン
法に従って低圧プラズマ溶射を行うことによって金属母
体複合構造物を製造し得ることがわかる。 ［００８６］ ここで言う「微細積層」、「相互混合」および類似の用
語は、溶射された金属が渦巻き状を成してセラミックと
混合する場合、得られる複合構造物の性質が該金属によ
って支配される程度にまで混合が行われる結果として該
金属が実質的に連続層を成すことを意味している。 ［００８７］ こうして得られた構造物は被膜として使用することもで
きるし、あるいは自立状態の物体として使用することも
できる。かかる構造物は各種の用途において有用である
。たとえば、それらは耐酸化性かつ耐高温腐食性の材料
として使用することができる。また、それらは断熱材料
として使用することもできる。更にまたそれらは構造材
料として使用することもできる。 ［００８８］ 本発明に基づく渦巻き状の顕微鏡組織を有する金属母体
複合構造物は、様々な工業的用途の要求条件を満足する
可能性を持った１種の先進材料である。これらの構造物
は各種の有利な性質を有しており、そのために上記のご
とき用途において特に有用である。かかる有利な性質と
しては、高い比強度、低い密度、高い弾性率、制御され
た熱膨張率、制御された熱伝導率、および制御された導
電率が挙げられる。本発明の重要な特徴の１つは、所望
の組合せの有利な性質を有するように構造物を製造し得
ることである。 ［００８９］ 本発明によって提供されるような構造物を形成するため
に特に適した製造技術の１つは、米国特許第４６０３５
６８号明細書中に記載されているような低圧プラズマ溶
射法である。 ［００９０］ 米国特許第４６０３５６８号の方法を本発明において使
用する際の特徴は、２つのガンを基体表面の同じ領域に
向けながら、一方のガンから金属を溶射すると同時に他
方のガンからセラミックを溶射することである。上記の
実施例において達成されたごとく、２種の材料の粒子が
基体に同時に衝突する結果、２つの相は互いに混合しか
つ結合して異方性のある微細な渦巻き状の形態を生み出
すのである。 ［００９１］ こうして得られた構造物は、広範囲にわたって連続した
セラミック薄層を形成する傾向が小さいために耐久性を
有するように思われた。なぜなら、連続したセラミック
薄層は特に熱サイクルに暴露された場合に亀裂成長面を
成すことが多いからである。上記の実施例によって代表
されるような研究結果に基づけば、２つのガンを用いた
低圧プラズマ溶射法に従って自立状態の物体および被膜
を形成し得ることが実証された。すなわち、２種の材料
が微細に分散し合う結果として、２つの相が互いに混合
した渦巻き状の顕微鏡組織を成して存在することが判明
したのである。得られた特性データは、金属およびセラ
ミックを同時にプラズマ溶射することにより、広範囲の
用途に適合した複合構造物を製造し得る可能性を示して
いる。詳しく述べれば、金属とセラミックとを組合わせ
ることによって密度を低下させ得ることが実証された。 また、溶射材料の比率を変化させること、とりわけセラ
ミック成分の量を増加させることにより、複合構造物の
弾性率を増大させることもできる。更にまた、金属およ
びセラミックを併用することにより、複合構造物の総合
熱膨張率を低下させることもできる。熱膨張率の制御可
能性は図６のグラフに示されている。更にまた、複合構
造物を構成する材料を適宜に選択することにより、熱伝
導率を増大もしくは低下させることもできる。 ［［０９２１ 本発明の方法を使用すれば、幾つかの操作上の利点も得
られることになる。たとえば、各々の材料について最適
の溶射パラメータを使用することができる。詳しく述べ
れば、金属に関する最適の溶射パラメータはセラミック
に関する最適の溶射パラメータとは異なるはずである。 本発明の方法においては、２つのガンが独立状態で同時
に使用されるから、各々のガンの動作パラメータは該ガ
ンから溶射される材料にとって最良の条件に合わせて調
整することができるのである。 ［００９３］ 本発明は２つのガンの使用のみに限定されないことを理
解すべきである。すなわち、３つ以上のガンを使用する
ことによっても、複数の材料が互いに混合して成る渦巻
き状の形態を有する極めて有利な複合構造物を製造する
ことができるのである。 ［００９４］ ２つのガンを同時に使用する本発明方法のもう１つの利
点は、各材料の溶射角を変化させることにより、渦巻き
状の顕微鏡組織中における材料の混合度を高めそれによ
って耐久性を向上させ得ることである。なお、かかる耐
久性の向上は本発明の複合構造物における好ましい性質
の１つである。 ［００９５］ 更にもう１つの利点は、２種の材料の物理的混合物を使
用する場合に見られるような密度差による分離の問題を
排除するため、各々の材料に対して独立した粉末供給装
置を使用し得ることである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 プラズマ溶射を施すべき基体に対する２つのプラズマガ
ンの配置状態を示す略図である。

【図２】 実施例においてプラズマ溶射を施すために使用された試
験片の側面図（Ａ）および端面図（Ｂ）である。

【図３】 Ｎ　Ｉ　Ｃｒ　Ａ　Ｉ　Ｙ　／　Ａ　ｌ　２０３から成
る微細積層複合構造物の金属組織学的特徴を示す顕微鏡
写真である。

【図４】 Ｎ１ＣｒＡＩＹ／Ａｌ。０３から成る微細積層複合構造
物の金属組織学的特徴を示す顕微鏡写真である。 ［図５］ Ｎ　ｉ　Ｃｒ　Ａ　Ｉ　Ｙ　／　Ａ　１゜０３から成る
微細積層複合構造物の金属組織学的特徴を示す顕微鏡写
真である。

【図６】 各種の材料に関する熱膨張率を温度に対してプロットし
たグラフである。

【書類名】

【図１】

【図２】 図面

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　（ａ）第１の材料をプラズマ溶射するた
   めに役立つ第１のプラズマガンを用意し、 （ｂ）第２の材料をプラズマ溶射するために役立つ第２
   のプラズマガンを用意し、そして （ｃ）基体表面の同じ領域に向けて前記第１および第２
   のプラズマガンからプラズマ溶射を行うことにより、前
   記表面上に溶射された材料の薄層に実質的に渦巻き状の
   形態を付与し、それによって得られる構造物中に層間補
   強ストランドを形成する諸工程から成ることを特徴とす
   る、層間補強材を有する微細積層構造物の製造方法。
2. 【請求項２】　前記第１の材料が金属である請求項１記
   載の方法。
3. 【請求項３】　前記第１および第２の材料が金属である
   請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】　前記第１および第２の材料が顕著に性質
   の異なる金属である請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】　前記第２の材料がセラミックである請求
   項１記載の方法。
6. 【請求項６】　前記第１の材料が金属であり、かつ前記
   第２の材料がセラミックである請求項１記載の方法。
7. 【請求項７】　前記第１および第２の材料の比率が１０
   ：９０〜９０：１０の範囲内にある請求項１記載の方法
   。
8. 【請求項８】　前記第１および第２の材料が金属であり
   、かつそれらの比率が１０：９０〜９０：１０の範囲内
   にある請求項１記載の方法。
9. 【請求項９】　前記第１および第２の材料の比率が２０
   ：８０〜８０：２０の範囲内にある請求項１記載の方法
   。
10. 【請求項１０】　前記第１および第２の材料が金属であ
    り、かつそれらの比率が２０：８０〜８０：２０の範囲
    内にある請求項１記載の方法。
11. 【請求項１１】　第１および第２の材料から成る凝固状
    態の薄層が互いに混在し、 かつ前記薄層が渦巻き状の形態を有する結果、１つの薄
    層と別の薄層との間に層間補強ストランドが形成されて
    いることを特徴とする微細積層構造物。
12. 【請求項１２】　前記第１および第２の材料が金属であ
    る請求項１１記載の構造物。
13. 【請求項１３】　前記第１の材料が金属であり、かつ前
    記第２の材料がセラミックである請求項１１記載の構造
    物。