JPH0570708B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、ガスタービン部品あるいは自動車
エンジン部品の如く、高温にさらされる雰囲気で
使用される部材に適したセラミツク被覆部材の製
造方法に関し、特に溶射によつて断熱、遮熱等の
ために比較的厚いセラミツク層を形成するにあた
つて、部材使用時の熱応力を緩和し得るようにし
たセラミツク被覆部材の製造方法に関するもので
ある。

従来の技術 ガスタービン部品や自動車部品等においては、
耐熱性、耐食性向上や断熱、遮熱等の目的から金
属製母材の表面にセラミツク層を形成する方法が
知られており、その場合特に厚いセラミツク層を
得るためのセラミツク被覆方法としては溶射によ
つてセラミツク層を形成する方法が広く実用化さ
れている。

ところでガスタービン部品や自動車エンジン部
品は、機関作動時には高温にさらされるが非作動
時には室温付近まで冷却され、したがつて大きな
熱サイクルを受けるのが通常である。一方セラミ
ツクは一般に母材として用いられている金属と比
較して熱膨張係数が著しく小さい。そのため金属
母材にセラミツク溶射層を形成したガスタービン
部品や自動車エンジン部品においては、前述の熱
サイクルによつてセラミツク溶射層に大きな熱応
力が生じ、その結果熱サイクルを繰返し受けるう
ちにセラミツク溶射層に亀裂が発生し、遂にはセ
ラミツク溶射層の剥離に至ることが多く、そのた
め耐久性に未だ問題があつたのが実情である。

従来、セラミツク溶射層の剥離を防止するべ
く、金属母材とセラミツク溶射層との間の熱膨張
差による熱応力を緩和する方法としては、予め金
属母材表面に熱膨張率が母材金属とセラミツクと
の中間でしかもセラミツクとの密着性が良好な金
属、例えばNi−Cr−Al合金、Ni−Cr−Al−Ｙ合
金、ni−Co−Cr−Al−Ｙ合金などを薄く溶射し
てボンド層あるいはアンダーコート層と称される
中間層を形成しておき、そのボンド層の上に目的
とするセラミツクを溶射する方法（例えば「溶接
学会誌」第54巻（1985）第３号、p164〜168、
“プラズマ技術の応用”参照）が知られている。
あるいはまた、セラミツクを溶射して未だその溶
射層が高温のうちに冷却用の不活性ガスを溶射層
に吹付けて急冷させ、これによりセラミツク溶射
層に微細な割れを発生させ、その微細な割れによ
り使用時の熱応力を緩和する方法（例えば特開昭
58−87273号公報参照）も知られている。

発明が解決すべき問題点 セラミツク溶射層の剥離を防止するべく熱応力
を緩和するための前述の方法のうち、前者のボン
ド層（中間層）を形成する方法は、ある程度は有
効ではあるものの、その方法を単独で実施しただ
けでは未だ充分に剥離を防止することはできず、
したがつてより一層の寿命延長を図り得る方法の
開発が望まれいる。また後者の方法もある程度は
熱応力の緩和に有効ではあるが、セラミツク層の
厚みが１〜350μｍと薄い溶射膜の場合に限られ
る問題がある。すなわち断熱、遮熱を目的とする
場合はセラミツク溶射層を１mm程度まで厚くする
ことが望ましいが、このような厚いセラミツク層
の場合には単に溶射後に不活性ガスを吹付けただ
けではそのセラミツク層内部まで充分に急冷され
ず、そのため生じる割れは粗大となり、熱応力の
緩和に役立つような微細な割れを生成できず、し
たがつてこのように比較的厚いセラミツク溶射層
では寿命延長も充分に図り得なかつたのである。

この発明は以上の事情を背景としてなされたも
ので、セラミツク溶射層の厚みが0.3〜１mm程度
と厚い場合でも、セラミツク溶射層の熱応力を充
分かつ確実に緩和して、セラミツク溶射層の剥離
が可及的に生じないようにし、これによつて従来
よりも格段に耐久性を高めたセラミツク溶射層を
有するセラミツク被覆部材を製造する方法を提供
することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 この発明は、母材を金属とし、かつ表面に溶射
によるセラミツク層が形成されているセラミツク
被覆部材の製造方法において、溶射によつて所定
厚みのセラミツク層を形成した後、そのセラミツ
ク溶射層の表面に高密度エネルギを照射してセラ
ミツク溶射層の最表面層のみを急速溶融・急速再
凝固させることにより、その最表面層に微細なク
ラツクを発生させ、しかる後セラミツク溶射層に
冷熱サイクルを与えて前記クラツクをセラミツク
溶射層の実質的に全厚みにわたつて成長させるこ
とを特徴とするものである。

作 用 この発明の方法においては、先ず第１図に示す
ように、金属からなる母材１上に必要に応じてボ
ンド層２を形成した後、常法にしたがつてプラズ
マ溶射法などによりセラミツク溶射層３を形成し
ておく。

母材１の金属は部材の用途に応じて定めれば良
く、例えばガスタービン部品の場合には主として
耐熱性の観点から耐熱合金鋼等の鉄系材料を、ま
た自動車エンジン用部品の場合には主として軽量
性等の観点からAl−Ci合金等のアルミニウム系
材料などを選択すれば良い。前記ボンド層２は必
ずしも形成しなくても良いが、これを形成してお
けば熱応力をより一層緩和することができる。こ
のボンド層は、セラミツクと母材金属との中間の
熱膨張係数を有しかつセラミツクとの密着性が優
れた金属を溶射して形成すれば良い。ボンド層の
金属としてはNi基合金、例えばNi−Cr−Al合
金、Ni−Cr−Al−Ｙ合金、Ni−Co−Cr−Al−
Ｙ合金等が最適であるが、これらに限らないこと
は勿論である。またセラミツク溶射層３を構成す
るセラミツクは、用途や耐熱温度等に応じて、酸
化物系セラミツク例えばZrO₂（Y₂O₃、CaO、
MgOなどにより安定化したものを含む）、Al₂O₃、
MgO、あるいはSi₃N₄、BN、AlN等の窒化物系
セラミツク、SiC等の炭化物系セラミツクTiB₂、
CrB₂などのホウ化物系セラミツク、さらにはそ
れらの混合物等を用いることができる。なおボン
ド層の厚みは特に限定しないが、通常は30μｍ〜
200μｍ程度とすれば良い。またセラミツク溶射
層の厚みも特に限定しないが、この発明の方法は
特に断熱や遮熱等を目的として比較的厚いセラミ
ツク溶射層を形成する場合に有効であり、その観
点から通常は0.3mm〜1.0mm程度とすることが望ま
しい。なおまた、母材１の表面は予めシヨツトブ
ラスト等によつて粗面としておき、ボンド層の結
合強度を高めることが望ましい。

なおセラミツク溶射層３の内部には、溶射法の
特性上、第１図に示すように多数の気孔４が分散
しており、この気孔４は後に説明する微細なクラ
ツクとともに熱応力緩和の役割を担う。

上述のようにしてセラミツク溶射層３を形成し
た後、この発明の方法では第２図に示すようにセ
ラミツク溶射層３の表面にレーザ、プラズマある
いはTIGアーク等の高密度エネルギ５を照射す
る。高密度エネルギ５の照射は、そのエネルギビ
ームと対象物（セラミツク溶射層）を相対的に移
動させつつ行えば良い。このようなレーザ等の高
密度エネルギは、そのエネルギ密度が高いため
に、照射されたセラミツク溶射層の最表面層３Ａ
が急速に溶融されるが、その照射位置を移動させ
ることによりその溶融した部分は母材側への熱移
動により急速に凝固され、再凝固層３Ｂとなる。
このようにセラミツク溶射層３の最表面の再凝固
層３Ｂはその冷却・凝固速度が高いため、微細な
クラツク６が多数発生する。なおこの再凝固層３
Ｂにおいては、高密度エネルギによる再溶融・再
凝固処理前に内部に存在していた気孔４はその殆
んどが消滅する。

次いでセラミツク溶射層３の全体に適切な加熱
冷却の冷熱サイクルを繰返し加える。このよう
に冷熱サイクルを加える行ことによつてセラミツ
ク溶射層内部に熱応力が生じ、前述のような最表
面層のクラツク６がセラミツク溶射層３内の再溶
融・再凝固処理を施していない層３Ｃに伝播し、
その層内でもクラツクがさらに伝播し、遂にはボ
ンド層２にまで至る。すなわち第３図に示すよう
に微細なクラツク６がセラミツク溶射層３の全厚
みにわたつて成長することになる。

このようにしてセラミツク溶射層３の全厚みに
わたつて成長した微細なクラツク６は、ほぼセラ
ミツク溶射層３の厚み方向に沿つている。一方ガ
スタービン部品や自動車エンジン部品としての使
用時における熱応力は、セラミツク溶射層３の厚
み方向に対し直角な方向に作用するから、前述の
ような方向性を有する微細なクラツクは、使用時
の熱応力を緩和するに有効に機能する。またセラ
ミツク溶射層３の全厚みのうち、再溶融・再凝固
処理が施されていない下側の層３Ｃにおいては、
溶射時に導入された多数の気孔４がそのまま残つ
ており、この気孔４も熱応力を緩和する作用をも
たらす。

上述のように、レーザ等の高密度エネルギの照
射による再溶融・再凝固処理によつてセラミツク
溶射層の最表面層に形成された微細なクラツク
は、セラミツク溶射層の厚みが大きい場合でもそ
の後の冷熱サイクルによつてセラミツク溶射層の
全厚みにわたつて厚み方向に成長され、しかも最
表面層以外の部分には溶射時に形成された気孔も
残つているから、セラミツク溶射層が厚い場合で
も有効に熱応力を緩和することが可能となるので
ある。

ここで、レーザ等の高密度エネルギによつて溶
融・再凝固させる厚みが厚過ぎれば、溶射時に導
入された気孔が残つている層が少なくなり、その
ため熱応力緩和効果が少なくなる。そこで高密度
エネルギにより再溶融・再凝固させる層３Ｂの厚
みはセラミツク溶射層３の全厚みの1/2以下、よ
り望ましくは1/3以下とすることが好ましい。こ
のように再凝固層３Ｂの厚みを調整するために
は、例えばレーザを用いる場合、レーザ出力およ
びa_b値を制御すれば良い。ここで、a_b値とは、レ
ーザ装置のレンズの焦点距離をl₀、レンズから対
象物までの距離をｌとすれば、a_b＝ｌ／L₀で表わ
される値である。なお再凝固層３Ｂの厚みがセラ
ミツク溶射層３の全厚みの1/10未満となるような
条件では、安定して微細なクラツクを導入するこ
とができないから、再凝固層３Ｂの厚みはセラミ
ツク溶射層３の全厚みの1/10以上とすることが好
ましい。

また高密度エネルギ照射により微細クラツクを
発生させた後にその微細なクラツクを成長させる
ための冷熱サイクルの望ましい条件は、母材の材
質によつて異なるが、要は100℃以下程度の低温
域と母材金属に悪影響を与えない程度の高温域と
の間で適切な加熱速度、冷却速度で加熱−冷却を
繰返せば良い。加熱速度、冷却速度は、大き過ぎ
れば急激に大きな割れがセラミツク層に発生して
しまい、逆に小さ過ぎればクラツクの成長が困難
となるから、これらの条件を考慮して定める必要
がある。例えば母材が耐熱鋼等のFe系材料の場
合には、50〜100℃の低温域と700〜900℃の高温
域との間で加熱速度５〜15℃／sec、冷却速度５
〜20℃／secで加熱−冷却を繰返せば良い。また
母材がAl−Si合金などのAl系材料の場合には、
50〜100℃の低温域と350〜400℃の高温域との間
で加熱速度５〜15℃／sec、冷却速度５〜20℃／
secで加熱冷却を繰返せば良い。また冷熱サイク
ルの繰返し回数は、要はクラツク６がセラミツク
溶射層３の全厚みにわたつて確実に成長するまで
とすれば良く、特に限定はしないが、通常は100
回〜1000回程度とすれば良い。

実施例 ガスタービン部品、自動車エンジン部品への適
用を想定して、母材としてNi基耐熱合金鋼およ
びAl−Si（JIS AC8A）合金をそれぞれ母材とし
て用意した。

各母材の表面にシヨツトブラス処理を施した
後、ボンド層としてNi−Cr−Al合金を厚さ100μ
ｍに溶射し、続いてそのボンド層の上に、セラミ
ツク層としてZrO₂・8Y₂O₃を1.0mm厚でプラズマ
溶射した。

次いで母材側を移動させながらセラミツク溶射
層の表面にレーザを照射した。ここでレーザ出力
は2KW／cm²、a_b値は0.96、母材側移動速度は３
ｍ／minとし、セラミツク層の最表面から0.3mm
深さまでの領域を急速再溶融、急速再凝固させ
た。この状態では再凝固層に微細なクラツクが多
数発生していることが確認された。

その後、Ni基耐熱合金鋼を母材とするものに
ついては、100℃と900℃との間において加熱速度
８℃／sec、冷却速度10℃／secで加熱−冷却サイ
クルを繰返し与え、またAl−Si合金を母材とす
るものについては50℃と400℃との間において加
熱速度８℃／sec、冷却速度10℃／secで加熱−冷
却サイクルを繰返し与えた。その結果第３図に示
すように微細なクラツクがボンド層まで達してい
ることが確認された。

以上のようにして得られたセラミツク被覆部材
について、熱サイクル試験を行なつてセラミツク
溶射層の剥離状態を調べた。但し熱サイクル条件
は、Ni基耐熱鋼を母材とするものでは50℃と
1100℃との間において、またAl−Si合金を母材
とするものについては20℃と450℃との間におい
て、ともに加熱速度10℃／sec、冷却速度15℃／
secにて加熱−冷却を繰返した。この熱サイクル
試験の結果、第４図に示すように、この発明の実
施例により得られたセラミツク被覆部材では
10000回の熱サイクルでもセラミツク溶射層の剥
離が生じないことが判明した。比較のため、セラ
ミツク溶射を施しただけの従来のセラミツク被覆
部材、すなわち微細なクラツクを発生させなかつ
たものについて同じ熱サイクル試験を実施したと
ころ、第５図中に従来法として示したように熱サ
イクル2500回以下でセラミツク層の剥離が生じ
た。なおこれらの従来法は、いずれも各層の材
質、厚みは実施例と同じである。このような試験
結果から、この発明の方法により得られたセラミ
ツク被覆部材は、従来よりも格段にその耐用寿命
を延長し得ることが明らかである。

発明の効果 この発明の方法によれば、セラミツク溶射層が
0.3〜1.0mmと比較的厚い場合においても、使用時
のセラミツク溶射層の熱応力を充分に緩和して、
セラミツク溶射層の剥離に至るまでの耐用寿命を
従来よりも格段に延長することができる顕著な効
果が得られる。特にこの発明の方法は上述のよう
に比較的厚いセラミツク溶射層で有効であること
から、断熱や遮熱を目的としてセラミツク被覆を
施す場合に有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図まではこの発明の方法を実施
する状態を段階的に示す模式的な断面図、第４図
はこの発明による実施例および従来法によるセラ
ミツク被覆部材の熱サイクル試験結果を示すグラ
フである。 １……母材、２……ボンド層、３……セラミツ
ク溶射層、４……気孔、５……高密度エネルギ、
６……クラツク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 母材を金属とし、かつ表面に溶射によるセラ
   ミツク層が形成されているセラミツク被覆部材の
   製造方法において、 溶射によつて所定厚みのセラミツク層を形成し
   た後、そのセラミツク溶射層の表面に高密度エネ
   ルギを照射してセラミツク溶射層の最表面層のみ
   を急速溶融・急速再凝固させることにより、その
   最表面層に微細なクラツクを発生させ、しかる後
   セラミツク溶射層に冷熱サイクルを与えて前記ク
   ラツクをセラミツク溶射層の実質的に全厚みにわ
   たつて成長させることを特徴とするセラミツク被
   覆部材の製造方法。