(57)【要約】【課題】準結晶粒子を有したままで厚板や特定の形状、特に複雑な形状を有する構造物用部材とすることができ、且つ構造物用部材として用いたときの強度、特に高温環境下での強度を強化することのできる準結晶粒子分散合金積層材の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る準結晶粒子分散合金積層材１の製造方法は、積層装置１００によって基材２上に、マトリクス中に準結晶粒子を分散させた準結晶粒子分散合金を前記準結晶粒子の分解温度以下の温度で積層させることにより、準結晶粒子分散合金積層材１を製造することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層装置によって基材上に、マトリクス中に準結晶粒子を分散させた準結晶粒子分散合金を前記準結晶粒子の分解温度以下の温度で積層させることにより、準結晶粒子分散合金積層材を製造することを特徴とする準結晶粒子分散合金積層材の製造方法。
【請求項２】
前記準結晶粒子分散合金は、前記準結晶粒子の分解温度以下の固相状態で積層されることを特徴とする請求項１に記載の準結晶粒子分散合金積層材の製造方法。
【請求項３】
前記準結晶粒子分散合金が、アルミニウム基合金であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の準結晶粒子分散合金積層材の製造方法。
【請求項４】
前記マトリクスが、アルミニウム結晶相またはアルミニウム過飽和固溶体相であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の準結晶粒子分散合金積層材の製造方法。
【請求項５】
前記積層装置がコールドスプレー装置であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の準結晶粒子分散合金積層材の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の準結晶粒子分散合金積層材の製造方法によって製造された準結晶粒子分散合金積層材を用いて製造される準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法であって、
前記準結晶粒子分散合金積層材から前記基材を除去して前記準結晶粒子分散合金バルク材を製造することを特徴とする準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法。
【請求項７】
マトリクス中に準結晶粒子を分散させた準結晶粒子分散合金を基材上に積層してなることを特徴とする準結晶粒子分散合金積層材。
【請求項８】
前記準結晶粒子分散合金は、前記準結晶粒子の分解温度以下の固相状態で積層されていることを特徴とする請求項７に記載の準結晶粒子分散合金積層材。
【請求項９】
前記準結晶粒子分散合金が、アルミニウム基合金であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の準結晶粒子分散合金積層材。
【請求項１０】
前記マトリクスが、アルミニウム結晶相またはアルミニウム過飽和固溶体相であることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の準結晶粒子分散合金積層材。
【請求項１１】
基材上にマトリクス中に準結晶粒子を分散させた準結晶粒子分散合金を積層した後、前記基材を除去してなることを特徴とする準結晶粒子分散合金バルク材。
【請求項１２】
前記準結晶粒子分散合金は、前記準結晶粒子の分解温度以下の固相状態で積層されていることを特徴とする請求項１１に記載の準結晶粒子分散合金バルク材。
【請求項１３】
前記準結晶粒子分散合金が、アルミニウム基合金であることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の準結晶粒子分散合金バルク材。
【請求項１４】
前記マトリクスが、アルミニウム結晶相またはアルミニウム過飽和固溶体相であることを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載の準結晶粒子分散合金バルク材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輸送用機器や電子機器などに用いられる金属材料に関し、より詳しくは、マトリクス中に準結晶粒子を分散させた準結晶粒子分散合金を積層させてなる準結晶粒子分散合金積層材の製造方法、準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法、準結晶粒子分散合金積層材および準結晶粒子分散合金バルク材に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料は、鉄道、自動車等の輸送用機器をはじめとする構造物用部材の材料として広い分野で用いられてきた。現在、機器の軽量化を図るため、ＦＲＰのようなプラスチックが金属材料に置き換わりつつある中でも、電子機器の普及、レジャー産業の台頭、環境、省エネルギーの視点から、金属材料に対するニーズは多様化している。
特に近年では、金属材料でなる基材（これを特に「金属基材」という）に表面処理を施すことで、プラスチックでは代替できない電気伝導性、熱伝導性などの機能に加え、耐食性、耐久性などの複合機能を備えさせた用途開発も進んでいる。
【０００３】
しかし、金属基材は、構造物用部材として使用されるうちに破壊が発生することがある。構造物用部材に発生する破壊の多くは疲労破壊によるものであり、このような疲労破壊の多くは、部材の表面、すなわち金属基材の表面に発生するクラックの伝播によって引き起こされることが分かっている。
【０００４】
このような金属基材の表面に発生するクラックの伝播を防止する手法として、金属材料の強度強化を図ることが挙げられる。金属材料の強度強化は、一般的には、固溶強化や結晶粒を微細化させるなどの手法によって成すことができる。
また、金属材料の強度強化は前記した以外にも、高温であっても粒子構造を維持できる強化粒子をマトリクス中に分散させることで強度強化を図るといった手法（以下、「分散強化法」という。）もある。かかる手法によれば、特に高温環境下での強度を強化させることが可能である。
【０００５】
また、セラミクスなどの断熱素材を用いて金属基材上に遮熱コーティングした、いわゆる金属基セラミクス複合材もある。かかる金属基セラミクス複合材は、マトリクスを金属基材と同じ材質とし、強化相として硬質粒子を分散させた断熱層を有する分散強化材である。このような分散強化材とすれば、断熱層と金属基材との親和性が良好であり、且つ高温環境下での強度を強化させることが可能となる。
さらに、特許文献１に記載されているように、金属基セラミクス複合材の金属基材と断熱層の間に、剥離を防ぐための中間層を設けた金属基セラミクス複合材なども開発されている。
【０００６】
なお、金属基材に種々の機能を付加する表面処理技術として他には、例えば、耐食性を向上させるクロムめっき層や、Ａｕ、Ｐｔなどの腐食環境に強い貴金属を用いた貴金属層、Ａｌ２Ｏ３のような化学的に安定なセラミクスを用いたセラミクス層、さらには、腐食環境に強いカーボンを用いたカーボン層を金属基材上にコーティングすることなどが一般的に行われている。その他にも、金属基材の摺動性を向上させるＤＬＣ層や、金属基材の耐熱性を向上させるための断熱層をコーティングすることも一般的に行われている。
前記した断熱層のコーティングは、金属基材上にセラミクスのような断熱材をコーティングすることによって金属基材の温度上昇を抑制し、強度低下を回避させることができる。つまり、これによって作製された構造物用部材の耐熱性を向上させるものである。
【０００７】
通常、前記したような各種の層を金属基材上にコーティングするには、例えば、非特許文献１や非特許文献２に記載されているように、フレーム溶射（２０００〜３０００℃）や爆発溶射などのガス式溶射、またはアーク溶射（２０００〜５０００℃）やプラズマ溶射（２０００〜１００００℃）などの電気式溶射によって行われる。いずれによっても極めて高温のガスを使用することになるが、このような高温のガスを使用することによって溶射材料に高いエネルギーを付与し、金属基材との密着性を向上させることができる。
【０００８】
なお、最近開発された、前記した分散強化法による金属材料として、例えば、特許文献２に記載されたＭｇ−Ｚｎ−Ｙ系合金がある。このＭｇ−Ｚｎ−Ｙ系合金は、金属溶融体の冷却中に、この準結晶粒子を初晶として晶出させ、延性マトリクスに対する強化粒子として作用させた分散強化材料であって、比較的高温でも強化粒子の構造を安定に保つことができるため高い強度を有する。また、かかるＭｇ−Ｚｎ−Ｙ系合金は、冶金的に準結晶粒子をマトリクス中に分散させるため、微細な球状粒子を均一分散させることが可能である。そのため、特許文献２に記載されているように、粒径数１００ｎｍ以下の微細な球状粒子を孤立粒子として約８０％までの高体積率で分散させることで金属基材に対する耐熱性・耐摩耗性の向上を実現している。このような金属材料を断熱層として使用することで構造物用部材の強度、特に高温環境下での強度を強化させることが可能であると思われる。
【０００９】
また、同じく最近開発された、前記した分散強化法による金属材料として、特許文献３に記載されたアルミニウム基合金がある。このアルミニウム基合金は、準結晶粒子を形成する元素と、準結晶粒子の形成を補助する元素と、準結晶粒子の晶出を遅らせる元素と、を特定の組成範囲で含有させたアルミニウム基準結晶粒子分散合金とすることにより、優れた機械的性質、特に高温環境下での強度に優れている。したがって、このような金属材料を断熱層として使用することによっても、構造物用部材の強度、特に高温環境下での強度を強化させることが可能であると思われる。
【００１０】
なお、特許文献２および特許文献３に記載されている準結晶粒子とは、１９８４年にＡｌ−１４％Ｍｎ合金において初めて発見された構造であって、その特徴としては、正二十面体という構造に起因して、従来の結晶材料が示さない回転対称性を示すことが挙げられる。また、準結晶粒子は、従来の結晶材料のような周期的な構造を有していないことから極めて高い硬度を示す。例えば、Ａｌ−Ｌｉ−Ｃｕ系ではビッカース硬度で５２０Ｈｖ、Ａｌ−Ｒｕ−Ｃｕ系では１０７０Ｈｖにも達する。
【００１１】
【特許文献１】特開平６−２５６９６号公報
【特許文献２】特開２００５−１１３２３４号公報
【特許文献３】特開２００６−２７４３１１号公報
【非特許文献１】伊佐重輝、「溶射技術ハンドブック」、日本溶射協会編、新技術開発センター、１９９８年５月、ｐ．１２５〜１２９
【非特許文献２】榊和彦、「コールドスプレーテクノロジー」、溶射技術、２００２年２月５日、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．３、ｐ．２９〜３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
固溶強化や結晶粒を微細化させて強度強化を図ると、高温環境下でその構造・特性を維持することが困難であり、高温環境下で得られる強度強化の効果が小さくなってしまう。
分散強化法においては、強化粒子を微細に、均一に、高い体積率で分散させることが強度強化の鍵となるが、特に高い体積率で分散させることが非常に困難である。
【００１３】
また、特許文献１などに記載された金属基セラミクス複合材も前記と同様、セラミクスを機械的に複合化させることが必要となることから、強化粒子の粒径が数μｍ以上と大きく、強化粒子を球状に均一に分散させることが困難である。このため、金属基セラミクス複合材は非常に脆い性質を有し、延性を確保しなければならないために、強化粒子を高い体積率とすることができない。
そして、クロムめっき層は、最近では廃水処理などの環境問題の観点から好ましいといえず、ＤＬＣ層やセラミクスの断熱層は、金属基材との密着性が問題となっている。また、従来行われてきたこれらの層によって高温環境下で高い強度を維持させることはできない。
【００１４】
また、特許文献２や特許文献３に記載されている準結晶粒子を有する合金は、高硬度を示す一方で非常に脆いため、単相では厚板や特定の形状、特に複雑な形状を有する構造用部材として得ることが困難であり、非特許文献１や非特許文献２に記載された溶射を行うと準結晶粒子が消滅してしまい、所望する強度を得ることができない。
【００１５】
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、準結晶粒子を有したままで厚板や特定の形状、特に複雑な形状を有する構造物用部材とすることができ、且つ構造物用部材として用いたときの強度、特に高温環境下での強度を強化することのできる準結晶粒子分散合金積層材の製造方法、準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法、準結晶粒子分散合金積層材および準結晶粒子分散合金バルク材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題を解決した本発明に係る準結晶粒子分散合金積層材の製造方法は、積層装置によって基材上に、マトリクス中に準結晶粒子を分散させた準結晶粒子分散合金を前記準結晶粒子の分解温度以下の温度で積層させることにより、準結晶粒子分散合金積層材を製造することを特徴とする。
【００１７】
このように、本発明の準結晶粒子分散合金積層材の製造方法では、マトリクス中に準結晶粒子を分散させた準結晶粒子分散合金を、積層装置によって準結晶粒子の分解温度以下の温度で基材上に積層させることにより、準結晶粒子の構造を壊さないでその構造を維持させたまま準結晶粒子分散合金の層（以下、「準結晶粒子分散合金層」という。）とすることができる。つまり、基材と、この基材の表面に積層させた、準結晶粒子を有したままの準結晶粒子分散合金層と、を含んでなる準結晶粒子分散合金積層材を製造することができる。また、積層装置を用いて基材の表面に積層させることにより、基材の形状が複雑であってもこれに追従してその表面に準結晶粒子分散合金層を積層させることができる。さらに、基材の表面に、準結晶粒子を有した準結晶粒子分散合金層を積層したことにより、構造物用部材として用いたときの強度、特に高温環境下での強度を強化することのできる準結晶粒子分散合金積層材を製造することができる。
【００１８】
本発明において、前記準結晶粒子分散合金は、前記準結晶粒子の分解温度以下の固相状態で積層されるのが好ましい。
このように、準結晶粒子の分解温度以下の固相状態で基材の表面に準結晶粒子分散合金を積層させることにより、準結晶粒子を有する準結晶粒子分散合金積層材を確実に製造することができる。
【００１９】
本発明においては、前記準結晶粒子分散合金が、アルミニウム基合金であるとよく、前記マトリクスが、アルミニウム結晶相またはアルミニウム過飽和固溶体相であるのが好ましい。
このようにすれば、アルミニウム基合金でなる準結晶粒子分散合金層を基材上に積層させた準結晶粒子分散合金積層材を製造することができる。
【００２０】
本発明において、前記積層装置は、コールドスプレー装置であるのが好ましい。
積層装置としてコールドスプレー装置を用いることにより、準結晶粒子の構造を壊すことなく、その構造を維持したまま基材の表面に準結晶粒子分散合金層を積層させることができるので、準結晶粒子を有する準結晶粒子分散合金積層材を、より確実に製造することができる。
【００２１】
本発明に係る準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法は、前記したいずれかの準結晶粒子分散合金積層材の製造方法によって製造された準結晶粒子分散合金積層材を用いて製造される準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法であって、前記準結晶粒子分散合金積層材から前記基材を除去して前記準結晶粒子分散合金バルク材を製造することを特徴とする。
【００２２】
このように、本発明の準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法では、前記した本発明に係る準結晶粒子分散合金積層材の製造方法によって製造された準結晶粒子分散合金積層材から基材を除去することによって、準結晶粒子を有した準結晶粒子分散合金のみでなる準結晶粒子分散合金バルク材を製造することができる。したがって、厚板や特定の形状、特に複雑な形状を有する、準結晶粒子分散合金バルク材のみからなる構造物用部材として製造することができる。また、本発明の準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法で製造された準結晶粒子分散合金バルク材は、準結晶粒子を有する準結晶粒子分散合金のみからなるので、構造物用部材として用いたときの強度、特に高温環境下での強度を強化させることができる。
【００２３】
本発明に係る準結晶粒子分散合金積層材は、マトリクス中に準結晶粒子を分散させた準結晶粒子分散合金を基材上に積層してなることを特徴とする。
このように、本発明の準結晶粒子分散合金積層材は、準結晶粒子を有する準結晶粒子分散合金層を備えているので、構造物用部材として用いたときの強度、特に高温環境下での強度を強化させることができる。
【００２４】
本発明において、前記準結晶粒子分散合金は、前記準結晶粒子の分解温度以下の固相状態で積層されているのが好ましい。
このように、本発明の準結晶粒子分散合金積層材に積層された準結晶粒子分散合金は、準結晶粒子の分解温度以下の固相状態で積層されているので、準結晶粒子の構造が壊されないでそのまま維持された準結晶粒子分散合金層となることができる。そのため、かかる準結晶粒子分散合金積層材は、構造物用部材として用いたときの強度、特に高温環境下での強度を強化することができる。
【００２５】
本発明においては、前記準結晶粒子分散合金が、アルミニウム基合金であるとよく、前記マトリクスが、アルミニウム結晶相またはアルミニウム過飽和固溶体相であるのが好ましい。
このようにすれば、基材上にアルミニウム基合金でなる準結晶粒子分散合金層を積層させた準結晶粒子分散合金積層材とすることができる。
【００２６】
本発明に係る準結晶粒子分散合金バルク材は、基材上にマトリクス中に準結晶粒子を分散させた準結晶粒子分散合金を積層した後、前記基材を除去してなることを特徴とする。
【００２７】
このように、本発明の準結晶粒子分散合金バルク材は、前記した準結晶粒子分散合金積層材から基材が除去されているので、厚板や特定の形状、特に複雑な形状を有する、準結晶粒子分散合金バルク材のみからなる構造物用部材とすることができる。また、本発明の準結晶粒子分散合金バルク材は、準結晶粒子を有する準結晶粒子分散合金のみからなるので、構造物用部材として用いたときの強度、特に高温環境下での強度を強化させることができる。
【００２８】
本発明において、前記準結晶粒子分散合金は、前記準結晶粒子の分解温度以下の固相状態で積層されているのが好ましい。
このように、準結晶粒子の分解温度以下の固相状態で準結晶粒子分散合金を積層させているので、準結晶粒子を確実に有する準結晶粒子分散合金バルク材とすることができる。
【００２９】
本発明においては、前記準結晶粒子分散合金が、アルミニウム基合金であるとよく、前記マトリクスが、アルミニウム結晶相またはアルミニウム過飽和固溶体相であるのが好ましい。
このようにすれば、アルミニウム基合金でなる準結晶粒子分散合金層を基材上に積層させた準結晶粒子分散合金バルク材とすることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の準結晶粒子分散合金積層材の製造方法によれば、準結晶粒子の分解温度以下の温度で準結晶粒子分散合金を基材上に積層するので、準結晶粒子を有したままで、厚板や特定の形状、特に複雑な形状を有する構造物用部材としての準結晶粒子分散合金積層材を製造することができる。また、かかる準結晶粒子分散合金積層材は、準結晶粒子を有する準結晶粒子分散合金を積層しているので、高温環境下での強度強化を図ることができる。
【００３１】
本発明の準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法によれば、前記した準結晶粒子分散合金積層材から基材を除去しているので、準結晶粒子分散合金のみからなる、厚板や特定の形状、特に複雑な形状を有する構造物用部材としての準結晶粒子分散合金バルク材を製造することができる。また、かかる準結晶粒子分散合金バルク材は、準結晶粒子を有する準結晶粒子分散合金のみからなるので、高温環境下での強度強化を図ることができる。
【００３２】
本発明の準結晶粒子分散合金積層材によれば、準結晶粒子を有したままで厚板や特定の形状、特に複雑な形状を有する構造物用部材とすることができ、且つ高温環境下での基材の強度強化を図ることができる。
【００３３】
本発明の準結晶粒子分散合金バルク材によれば、準結晶粒子分散合金のみからなる、厚板や特定の形状、特に複雑な形状を有する構造物用部材とすることができ、且つ高温環境下での基材の強度強化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の要旨は、準結晶粒子の分解温度以下で基材の表面に準結晶粒子分散合金を積層することにより、厚板や特定の形状、特に複雑な形状を有する構造物用部材としての準結晶粒子分散合金積層材や準結晶粒子分散合金バルク材を得ること、および、これらを容易に製造することのできる製造方法を得ることにある。
【００３５】
本発明者らが鋭意研究した結果、基材（特に金属基材）の表面のクラックの発生を抑制することで構造物用部材としての強度を向上することができること、また、そのような構造用部材の表面のクラックの発生を抑制するためには、構造物用部材全体に高強度材を使用するのではなく、構造物用部材の表層部、つまり、基材の表層部のみを強化することが効率的な手法であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００３６】
以下に、適宜図面を参照して本発明に係る準結晶粒子分散合金積層材の製造方法、準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法、準結晶粒子分散合金積層材および準結晶粒子分散合金バルク材について詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本発明に係る準結晶粒子分散合金積層材の製造方法によって準結晶粒子分散合金積層材を製造する様子を説明する説明図であり、図２は、本発明に係る準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法によって準結晶粒子分散合金バルク材を製造する様子を説明する説明図である。
【００３７】
まず、本発明に係る準結晶粒子分散合金積層材の製造方法について説明する。
図１に示すように、本発明に係る準結晶粒子分散合金積層材の製造方法は、積層装置１００によって基材２上に、マトリクス中に準結晶粒子を分散させた準結晶粒子分散合金を準結晶粒子の分解温度以下の温度で積層させることにより、準結晶粒子分散合金積層材１を製造するものである。
したがって、かかる製造方法によって製造された準結晶粒子分散合金積層材１は、図１に示すように、基材２の表面に、準結晶粒子分散合金の層（準結晶粒子分散合金層３）が積層された構造となる。
【００３８】
本発明で用いる基材２は、準結晶粒子分散合金層３を積層することができ、かつ、この準結晶粒子分散合金と親和性の高い基材を好適に用いることができる。
準結晶粒子分散合金と親和性の高い基材２を用いると、高温環境下であっても基材２と、その表面に積層された準結晶粒子分散合金層３と、を剥離しにくくすることができ、構造用部材として用いた場合、その表面にクラックが発生した場合であっても、その伝播を防止することができる。
【００３９】
このような準結晶粒子分散合金と親和性の高い基材２としては、準結晶粒子分散合金の主たる金属元素と同種の金属元素を主として含む基材２を用いるのが好適である。例えば、準結晶粒子分散合金に特開２００６−２７４３１１号公報に記載されたアルミニウム基合金を用いた場合、基材２も純アルミニウムやアルミニウム合金を用いるとよい。また、例えば、準結晶粒子分散合金に特開２００５−１１３２３４号公報に記載されたマグネシウム基合金を用いた場合、基材２も純マグネシウムやマグネシウム合金を用いるとよい。また、準結晶粒子分散合金と親和性の高い基材２としては、これらの金属種を同種とすることのほか、これらの熱膨張率やヤング率などの物性値が同等の金属を用いることもできる。
また、本発明で用いることのできる基材２としては、準結晶粒子分散合金層３を積層させることのできるものであれば特に限定されることなく用いることができることはいうまでもなく、例えば、カルシウム、マンガン、スズなどを用いることもできる。
【００４０】
他方、後記する準結晶粒子分散合金バルク材１０を製造する場合などは、準結晶粒子分散合金と親和性の低い基材２を用いることもできる。後記するように、本発明の準結晶粒子分散合金バルク材１０は、その製造過程で基材２を除去することによって得ることができるので、その際に準結晶粒子分散合金層３と基材２とを意図的に剥離させるようにしてもよいからである。準結晶粒子分散合金と親和性の低い基材２としては、例えば、金属製の基材であれば、鉄、チタン、ステンレス、マグネシウムなどを用いることができ、非金属製の基材であれば、セラミクス、ガラス、木材などを用いることができる。
【００４１】
ここで、マトリクス中に準結晶粒子を分散させた準結晶粒子分散合金としては、例えば、特開２００６−２７４３１１号公報に記載されたアルミニウム基合金や特開２００５−１１３２３４号公報に記載されたマグネシウム基合金などを好適に用いることができる。これらによれば、準結晶粒子を有する準結晶粒子分散合金層３を確実に得ることができる。なお、本発明において用いることのできる準結晶粒子分散合金としてはこれらに限定されるものではなく、例えば、D. Schechtman, I. Blech, D. Gratias, J. Cahn, "Metallic phase with long range orientational order and no translational symmetry," Physical Review Letters, Vol.53, p.1951-1954 (1984)に記載のＡｌ−１４％Ｍｎ合金（アルミニウム基合金）やA. Inoue, M. Watanabe, H. M. Kimura, F. Takahashi, A. Nagata and T. Masumoto, ”High Mechanical Strength of Quasicrystalline Phase Surrounded by fcc-Al Phase in Rapidly Solidified Al-Mn-Ce Alloys”, Materials Transactions, JIM, Vol.33 No.8, p.723-729 (1992)に記載のＡｌ−Ｍｎ−Ｃｅ合金、A. Inoue, H. M. Kimura, K. Sasamori and T. Masumoto, “Ultrahigh Strength of Rapidly Solidified Al96-xCr3Ce1Cox (x=1, 1.5 and 2%) Alloys Containing an Icosahedral Phase as a Main Component”, Materials Transactions, JIM, Vol.35 No.2, p.85-94 (1994)に記載のＡｌ−Ｃｒ−Ｃｅ−Ｃｏ合金（アルミニウム基合金）、Yuan G.Y., Amiya K., Kato H., Inoue A., “Structure and Mechanical Properties of Cast Quasicrystal-reinforced Mg-Zn-Al-Y Base Alloys.” Jounal of Materials Research, 19 (5), p1531-1538 (2004)に記載のＭｇ−Ｚｎ−Ａｌ合金（マグネシウム基合金）などのほか、ガリウム基合金、パラジウム基合金、チタン基合金、クロム基合金、バナジウム基合金なども用いることができる（竹内伸著、「準結晶−結晶でもアモルファスでもない夢多き新物質」、産業図書、p.84参照）。
【００４２】
なお、準結晶粒子分散合金のマトリクスは、アルミニウム結晶相またはアルミニウム過飽和固溶体相であるのが好ましい。なお、かかるマトリクスがアルミニウム過飽和固溶体相である場合は、固溶強化によるマトリクスの強化が見込まれ、かかるマトリクスがアルミニウム結晶相である場合は、その延性を活かすことで靭性の高い準結晶分散合金を得ることができる。
【００４３】
本発明においては、当該準結晶粒子分散合金は、これに分散させた準結晶粒子の分解温度以下の温度で基材２の表面に積層させる必要がある。準結晶粒子の分解温度を超えた温度で基材２の表面に積層すると、準結晶粒子の構造が壊れてしまうため、準結晶粒子が存在することによって得ることのできる、構造物用部材の強度を強化する効果、特に、高温環境下における構造物用部材の強度を強化する効果を得ることができない。なお、準結晶粒子分散合金を積層させる温度は、準結晶粒子の分解温度よりも低い温度であることが好ましく、準結晶粒子の分解温度よりも３０℃以上低い温度であることがさらに好ましい。
【００４４】
そして、本発明における準結晶粒子分散合金層３の積層は、前記した準結晶粒子の分解温度以下であって、準結晶粒子の固相状態を保ったまま基材２の表面に積層させるのが最も好ましい。このようにすれば、準結晶粒子の構造を維持したまま基材２の表面に確実に積層させることができる。
また、準結晶粒子分散合金層３の積層は、準結晶粒子分散合金層３と基材２との密着性を向上させたいのであれば、準結晶粒子分散合金層３を積層させる前に、基材２の表面をブラスト処理等するなどの粗面化処理を施しておくのがよい。また、これとは対照的に、準結晶粒子分散合金層３と基材２との密着性を低下させたいのであれば、準結晶粒子分散合金層３を積層させる前に、基材２の表面を研磨するなどの平滑化処理を施しておくのがよい。
【００４５】
準結晶粒子分散合金層３の積層は、望ましくは、準結晶粒子分散合金を粉末状態とした上で、前記した準結晶粒子の分解温度以下の温度で積層させるのが好ましい。しかし、本発明においてはこれに限定されることはなく、例えば、板状、チップ状、粒状、粉体状などとして積層させてもよい。
【００４６】
粉末状態の準結晶粒子分散合金とした場合、その粒子は、最大粒子径が２００μｍ以下とするのが好ましく、１５０μｍ以下とするのがより好ましい。また、その平均粒子径としては、０．１〜５０μｍとするのが好ましい。本発明においては、粉末状態の準結晶粒子分散合金の粒子径が小さいほど、これによって積層される準結晶粒子分散合金層３は均質なものとなるので好ましいが、積層装置１００での供給性、流動性が悪くなる傾向があるので、作業性、生産性に劣ることがある。これに対し、粉末状態の準結晶粒子分散合金の粒子径が大きくなりすぎると準結晶粒子分散合金層３の積層が困難となったり、高品位な準結晶粒子分散合金層３を有する準結晶粒子分散合金積層材１を得ることができなかったりするおそれがある。
【００４７】
なお、準結晶粒子分散合金の粒子の最大粒径や平均粒子径は、これを製造する際の条件、例えば、特開２００６−２７４３１１号公報に記載されたアルミニウム基合金を用いた場合、単ロール液体急冷装置のロールの温度や回転速度、ロールへの溶湯の供給量などを調節することによって制御することが可能である。また、アトマイズ法、ケミカルアロイング法、メカニカルアロイング法などによっても制御することができるが、生産性を考慮すると、これらの中でもアトマイズ法によって制御すると好適である。
【００４８】
準結晶粒子分散合金層３の層厚は、使用用途によって適宜変更することができるが、１μｍ以上とするのが好ましく、１０μｍ以上とするのがより好ましく、１００μｍ以上とするのがさらに好ましい。なお、層厚の上限値は特に制限されず、目的に応じて決定できるが、通常は３ｍｍ程度もあれば、基材２に対するクラックの発生を抑制することができ、また耐摩耗性の向上を図るのに十分である。
なお、かかる準結晶粒子分散合金層３の層厚は、その積層条件（例えば、ガス種、ガス圧、ガス温度、準結晶粒子分散合金の粉末の供給量など）を変更することにより制御することが可能である。また、準結晶粒子分散合金層３を積層した後に行う加工によっても制御することが可能である。
【００４９】
また、準結晶粒子分散合金層３の層厚や面積も特に限定されず、適当な製造条件を選択することにより、前記したよりもさらに層厚化、大面積化することが可能である。
なお、準結晶粒子分散合金層３の気孔率も使用用途によって適宜変更することができるが、５０％以下の気孔率とするのがよい。特開２００６−２７４３１１号公報に記載されたアルミニウム基合金に記載されるアルミニウム基合金の特性を本発明の準結晶粒子分散合金積層材１でも同様に発現させるためには、準結晶粒子分散合金層３の気孔率を極力小さくするのが好ましい。しかし、油膜保持、熱伝導性、耐衝撃性等の機能を向上させる場合などは、気孔率を増加させるように制御することもできる。ただし、このような場合であっても５０％以上の気孔率となると、準結晶粒子分散合金層３としての機能を果たさなくなるおそれがある。
【００５０】
また、準結晶粒子分散合金層３の準結晶粒子の存在形態は、微細な球状粒子の状態であって、マトリクス中に均一に分散していることが好ましい。具体的には、準結晶粒子の平均粒子寸法は１０〜１０００ｎｍとするのが好ましい。準結晶粒子の平均粒子寸法が１０ｎｍ未満の場合は、準結晶粒子分散合金の強度に寄与しにくいことがある。一方で、準結晶粒子の平均粒子寸法が１０００ｎｍを超えた場合は、析出強化粒子としての機能が低下するおそれがある。
【００５１】
準結晶粒子分散合金に含まれる準結晶粒子の体積率は、２０〜８０％とするのが好ましい。準結晶粒子の体積率が２０％未満である場合は、準結晶粒子を分散強化粒子として利用できず、準結晶粒子の体積率が８０％を超えた場合は、準結晶粒子分散合金が著しく脆化するおそれがある。準結晶粒子の体積率は、準結晶粒子分散合金の粉末などを作製するときの条件、例えば、強度と延性のバランスを考慮して、溶質元素量や冷却速度を制御することにより制御することが可能である。
【００５２】
なお、前記した準結晶粒子分散合金は、母合金の溶湯を、単ロール法、双ロール法、各種アトマイズ法、スプレー法などの液体急冷法、スパッタリング法、メカニカルアロイング法、メカニカルグラインディング法などの製造方法を利用することによって製造することができる。
【００５３】
本発明で用いる積層装置１００としては、基材２の表面に準結晶粒子分散合金層３を圧着、めっき、蒸着、溶射などを実施することによって、準結晶粒子の分解温度以下で積層することのできる装置、特にコールドスプレー装置や高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）装置を好適に用いることができる。コールドスプレー装置やＨＶＯＦ装置によれば、運動エネルギーに起因して加速された溶射材料の塑性変形を積極的に利用する手法であるので、準結晶粒子の加熱温度を低くすることができる。そのため、準結晶粒子の分解温度以下の温度で積層することができる。また、コールドスプレー装置やＨＶＯＦ装置を用いて準結晶粒子分散合金層３を基材２の表面に積層させると、積層が必要とされる部位にのみ準結晶粒子分散合金層３を積層することもでき、これにより効率的な特性向上が可能となる。また準結晶粒子分散合金層３の積層が不要な部位にはこれを積層しないことで低資源化、低コスト化を実現することができる。なお、本発明で用いることのできる積層装置１００はこれらに限定されるものではなく、準結晶粒子の分解温度以下での積層が可能なものであればどのような装置でも用いることができる。
【００５４】
以上に説明した本発明に係る準結晶粒子分散合金積層材の製造方法によって製造された準結晶粒子分散合金積層材１は、以下に示す特徴を有する。
（１）強度強化の観点から、例えば、本発明の準結晶粒子分散合金積層材１の製造過程において準結晶粒子が化合物に分解した場合、この化合物も強化因子として、機械的性質の向上に寄与することが期待できる。また、本発明の準結晶粒子分散合金積層材１は、積層時に生じる圧縮残留応力により、準結晶粒子分散合金層３自体の強度を強化することが可能である。さらに、準結晶粒子を有する準結晶粒子分散合金は、機械的性質のみならず耐摩耗性にも優れている。そのため、本発明の準結晶粒子分散合金積層材１では、準結晶粒子分散合金層３を基材２の表面に積層することにより、構造物用部材の表層部の耐摩耗性を効率的に向上させることが可能である。
また、基材２と準結晶粒子分散合金とを同種の金属、または熱膨張率やヤング率などの物性値が同等の金属を用いることによって、これらの剥離を伴うクラックの伝播を防止することができる。また、従来技術のようにこれらの間に中間層を設けなくとも前記した剥離を伴うクラックの伝播を防止することができる。さらに、構造物用部材の必要な部分にのみ強度を強化させるという効率的な部分強化の技術を提供することもできる。
【００５５】
（２）機能の観点から、本発明の準結晶粒子分散合金積層材１は、基材２と異なる熱伝導率を有する準結晶粒子分散合金層３を積層させることにより、準結晶粒子分散合金積層材１の表層部から基材２への熱伝導を抑制または促進させることも可能である。つまり、本発明の準結晶粒子分散合金積層材１は遮熱コーティング材または良熱伝導材として使用することができる。
また、本発明の準結晶粒子分散合金積層材１は、準結晶粒子分散合金層３として、基材２よりも電気伝導度の小さい準結晶粒子分散合金層３を積層させることにより、基材２の絶縁効果の向上を図ることが可能である。
さらに、本発明の準結晶粒子分散合金積層材１は、準結晶粒子分散合金層３として、基材２よりも耐食性の優れた準結晶粒子分散合金層３を積層させることにより、基材２の耐食性を向上させることが可能である。
【００５６】
（３）改善性の観点から、準結晶粒子分散合金層３の気孔率を小さくするため、準結晶粒子の分解温度以下の温度で熱処理を施す。これを行うことにより、マトリクスの固相拡散を誘起し、準結晶粒子分散合金層３を均質化することができる。
また、準結晶粒子の分解温度以下の温度、且つ準結晶粒子分散合金層３が塑性変形を担える範囲で、圧延や圧縮等の塑性変形を与えることで、気孔率を小さくすることも可能である。
基材２と準結晶粒子分散合金層３のヤング率、熱膨張率、熱伝導率等の物性値が大きく異なることに起因する剥離などを回避したい場合、それらの物性値が両者の間にある金属材料などを中間層として積層することで、基材２と準結晶粒子分散合金層３との物性値の急激な変化を抑制し、これらが剥離するのを防止した準結晶粒子分散合金積層材１とすることが可能である。
本発明の準結晶粒子分散合金積層材１の表面は、研削、機械研磨、化学研磨、電界研磨等を施すことにより、目的の表面状態にすることが可能である。また、局所的に層厚を変化させることも可能である。
【００５７】
次に、本発明に係る準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法について説明する。
図２に示すように、本発明に係る準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法は、前記した準結晶粒子分散合金積層材の製造方法によって製造された準結晶粒子分散合金積層材１を用いて製造され、この準結晶粒子分散合金積層材１から基材２を除去して準結晶粒子分散合金バルク材１０を製造するものである。
したがって、かかる製造方法によって製造された準結晶粒子分散合金バルク材１０は、図２に示すように、準結晶粒子分散合金層３のみからなる構造となる。
【００５８】
なお、本発明に係る準結晶粒子分散合金バルク材１０の製造方法は、準結晶粒子分散合金積層材１から基材２を除去する以外は、前記した準結晶粒子分散合金積層材１の製造方法と同様であり、その説明が重複してしまうので、基材２を除去することを主として説明する。
【００５９】
本発明における、準結晶粒子分散合金積層材１から基材２を除去する手段としては機械的手段や化学的手段があり、これらの手段によって基材２のみを好適に除去することができる。ここで、機械的手段による基材２の除去としては、例えば、研削装置等によって基材２のみを研削することや、前記したように、積層する準結晶粒子分散合金と親和性の低い基材２を用いた場合は、これらを剥がすことによって基材２のみを除去することを挙げることができる。また、化学的手段による基材２の除去としては、例えば、基材２を任意の酸溶液などの化学薬品と接触させることにより溶解させて除去することなどを挙げることができる。なお、本発明で用いることのできる基材２を除去する手段はこれらに限定されるものではない。
【００６０】
そして、このようにして製造された本発明に係る準結晶粒子分散合金バルク材１０は、（１）強度強化の観点、（２）機能の観点、（３）改善可能性の観点で、前記した準結晶粒子分散合金積層材１と同様の特徴を有することはいうまでもない。
【実施例】
【００６１】
次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
［実施例１］
図１に模式的に示したコールドスプレー装置（プラズマ技研社製）を使用して、表１に示すコールドスプレー条件で、表１に示す粉末組成および粉末粒度をもつ粉末状の準結晶粒子分散アルミ合金を２枚のアルミニウム合金製の基材（ＪＩＳＨ４０００に規定されるＡ５０５２合金（以下「Ａ５０５２」とする。））上へ積層した。表１に示すように、２枚の基材に対するコールドスプレー条件は、ガス温度が異なっており、それぞれの条件で作製された準結晶粒子分散合金積層材をＨｅ−ＴＰ１およびＨｅ−ＴＰ２とした。なお、［実施例１］では、作動ガスのガス種としてＨｅガスを使用した。
【００６２】
【表１】
2008248279.tif 000003
【００６３】
Ｈｅ−ＴＰ１およびＨｅ−ＴＰ２ともに、層厚５００μｍを有する緻密なコーティング層が得られた。ただし、層厚に関しては、積層回数を増加または減少させることにより調整可能である。
また、図３にＨｅガスを使用した場合に得られた準結晶粒子分散合金積層材の代表例として、Ｈｅ−ＴＰ２の断面ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を示す。なお、図中のスケールバーは２００μｍを示す。この断面ＳＥＭ写真からも層厚５００μｍ程度の緻密なコーティング層が形成されていることがわかる。
【００６４】
図４にＨｅ−ＴＰ２の準結晶粒子分散合金積層材の表面に対してＸ線回折を実施した際に得られた回折パターンを示す。なお、図中、横軸は回折角度（２θ［ｄｅｇ］）を示し、縦軸は回折強度［任意単位］を示す。
図４に示すように、Ｈｅ−ＴＰ２の準結晶粒子分散合金積層材は、粉末状の準結晶粒子分散合金にみられる準結晶粒子のピーク（図４中の「○」で示すピーク）を明瞭に示しており、コールドスプレー装置によって基材上に準結晶粒子分散合金の粉末を積層させた後であっても、当該準結晶粒子分散合金は準結晶粒子を維持したまま基材上に積層されていることが明らかとなった。なお、図４中の「▽」は、アルミニウム（Ａｌ）のピークを示す。
【００６５】
図５（ａ）に表１に示す条件で得られた準結晶粒子分散合金積層材（Ｈｅ−ＴＰ２）の皮膜中心部（つまり、膜厚方向の２５０μｍ付近）のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真を示す。なお、図中のスケールバーは１００ｎｍを示す。図５（ａ）に示すように、皮膜中心部で、準結晶粒子を維持していることが明らかとなった。
また、図５（ｂ）は、同じくＨｅ−ＴＰ２の基材と準結晶粒子分散合金との界面部分のＴＥＭ写真を示している。なお、図中のスケールバーは１００ｎｍを示す。図５（ａ）に示すように、界面部分においても準結晶粒子が溶融した痕跡はなく、準結晶粒子を維持したまま固相接合されていることが明らかとなった。
【００６６】
［実施例２］
図１に模式的に示したコールドスプレー装置を使用して、表２に示すコールドスプレー条件で、表２に示す粉末組成および粉末粒度をもつ粉末状の準結晶粒子分散アルミ合金を８枚のアルミニウム合金製の基材（Ａ５０５２）上へ積層した。表２に示すように、８枚の基材に対するコールドスプレー条件は、ガス圧、ガス温度、およびコーティングする層厚が異なっており、それぞれの条件で作製された準結晶粒子分散合金積層材をＮ２−ＴＰ１からＮ２−ＴＰ８とした。なお、［実施例２］では、作動ガスのガス種としてＮ２ガスを使用した。
【００６７】
【表２】
2008248279.tif 000004
【００６８】
表２に示すように、Ｎ２−ＴＰ１からＮ２−ＴＰ８の準結晶粒子分散合金積層材はいずれも、緻密なコーティング層が得られた。また、これにより、層厚は、積層回数を増加または減少させることにより、調整可能であることも確認できた。
図６にＮ２ガスを使用した場合に得られた準結晶粒子分散合金積層材の代表例として、Ｎ２−ＴＰ７の断面ＳＥＭ写真を示す。なお、図中のスケールバーは２００μｍを示す。図６からＮ２−ＴＰ７の準結晶粒子分散合金積層材には層厚６００μｍの緻密なコーティング層が形成されていることがわかる。
また、図７にＮ２−ＴＰ７の準結晶粒子分散合金積層材の表面に対してＸ線回折を実施した際に得られた回折パターンを示す。なお、図中、横軸は回折角度（２θ［ｄｅｇ］）を示し、縦軸は回折強度［任意単位］を示す。
図７に示すように、Ｎ２−ＴＰ７の準結晶粒子分散合金積層材は、粉末状の準結晶粒子分散合金にみられる準結晶粒子のピーク（図７中の「○」で示すピーク）を明瞭に示しており、コールドスプレー装置によって基材上に準結晶粒子分散合金の粉末を積層させた後であっても、当該準結晶粒子分散合金は準結晶粒子を維持したまま基材上に積層されていることが明らかとなった。なお、図７中の「▽」は、アルミニウム（Ａｌ）のピークを示す。
【００６９】
［実施例３］
図８にガス種としてＨｅガス（Ｈｅ−ＴＰ２）およびＮ２ガス（Ｎ２−ＴＰ７）を使用した場合に得られた準結晶粒子分散合金積層材の断面硬度試験結果を示す。準結晶粒子分散合金積層材の断面硬度試験は０．２Ｎ（荷重２００ｇｆ）で、ＪＩＳＺ２２４４に規定されるビッカース硬度試験に準じて実施した。なお、図中の横軸は基材−皮膜界面からの距離（膜厚方向）（ｍｍ）を示し、縦軸はビッカース硬度（Ｈｖ）を示す。
Ｈｅ−ＴＰ２およびＮ２−ＴＰ７ともに、基材の硬度の約３倍の硬度を示しており、積層した準結晶粒子分散合金が強化層としての役割を担うことが確認された。なお、ＨｅガスとＮ２ガスとの比較で、Ｈｅガスの方が高い硬度を示しているのは、Ｈｅガスを使用した場合の方が準結晶粒子分散合金の粒子の流速が高くなり、粉末変形量が大きいためと考えられる。なお、参考として、準結晶粒子分散合金の熱間押出しバルク材についても同様の条件でビッカース硬度試験を行い、その硬度を確認している（熱間押出しバルク材のビッカース硬度を図８中の点線で示す。）が、本発明の要件を満たす準結晶粒子分散合金積層材の硬度は、熱間押出しバルク材よりも硬度が高いことがわかった。これは、準結晶粒子分散積層材の作製時に、マトリクスが加工硬化したためと考えられる。
【００７０】
［実施例４］
次に、図１に模式的に示したコールドスプレー装置を使用して、表３に示すコールドスプレー条件で、表３に示す粉末組成および粉末粒度をもつ粉末状の準結晶粒子分散アルミ合金をアルミニウム合金製の基材（Ａ５０５２）上に、層厚約１ｍｍで準結晶粒子分散合金を積層し、準結晶粒子分散合金積層材を得た。
そして、かかる準結晶粒子分散合金積層材の基材部分を研削することにより、準結晶粒子分散合金のみでなる準結晶粒子分散合金バルク材を製造することができた。
【００７１】
【表３】
2008248279.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係る準結晶粒子分散合金積層材の製造方法によって準結晶粒子分散合金積層材を製造する様子を説明する説明図である。
【図２】本発明に係る準結晶粒子分散合金バルク材の製造方法によって準結晶粒子分散合金バルク材を製造する様子を説明する説明図である。
【図３】Ｈｅガスを使用した場合に得られた準結晶粒子分散合金積層材の代表例として、Ｈｅ−ＴＰ２の断面ＳＥＭ写真である。なお、図中のスケールバーは２００μｍを示す。
【図４】Ｈｅ−ＴＰ２の準結晶粒子分散合金積層材の表面に対してＸ線回折を実施した際に得られた回折パターンである。なお、図中、横軸は回折角度（２θ［ｄｅｇ］）を示し、縦軸は回折強度［任意単位］を示す。
【図５】（ａ）は、表１に示す条件で得られたＨｅ−ＴＰ２の皮膜中心部のＴＥＭ写真であり（なお、図中のスケールバーは１００ｎｍを示す。）、（ｂ）は、Ｈｅ−ＴＰ２の基材と準結晶粒子分散合金との界面部分のＴＥＭ写真である（なお、図中のスケールバーは１００ｎｍを示す。）。
【図６】Ｎ２ガスを使用した場合に得られた準結晶粒子分散合金積層材の代表例として、Ｎ２−ＴＰ７の断面ＳＥＭ写真である。なお、図中のスケールバーは２００μｍを示す。
【図７】Ｎ２−ＴＰ７の準結晶粒子分散合金積層材の表面に対してＸ線回折を実施した際に得られた回折パターンである。なお、図中、横軸は回折角度（２θ［ｄｅｇ］）を示し、縦軸は回折強度［任意単位］を示す。
【図８】ガス種としてＨｅガス（Ｈｅ−ＴＰ２）およびＮ２ガス（Ｎ２−ＴＰ７）を使用した場合に得られた準結晶粒子分散合金積層材の断面硬度試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１      準結晶粒子分散合金積層材
２      基材
３      準結晶粒子分散合金層
１０    準結晶粒子分散合金バルク材
１００  積層装置
【図１】
2008248279.tif 000006
【図２】
2008248279.tif 000007
【図４】
2008248279.tif 000008
【図７】
2008248279.tif 000009
【図８】
2008248279.tif 000010
【図３】
2008248279.tif 000011
【図５】
2008248279.tif 000012
【図６】
2008248279.tif 000013