(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属母材をセラミックスのコーティング層により被覆するコーティング構造であって、
前記コーティング層は、第１の密度のセラミックスの密度を有する密部と、前記第１の密度より低い第２の密度のセラミックスの密度を有する粗部とが、面方向において所定間隔で交互に配されて構成されることを特徴とするコーティング構造。
【請求項２】
金属母材に溶融状態のセラミックスを吹き付けることによりコーティング層を形成するコーティング方法であって、
前記コーティング層に、第１の密度のセラミックスの密度を有する密部と、前記第１の密度より低い第２の密度のセラミックスの密度を有する粗部とを、面方向において所定間隔で交互に配して形成することを特徴とするコーティング方法。
【請求項３】
前記密部及び前記粗部は、セラミックスの吹き付け角度、前記金属母材までの距離、吹き付け速度、プラズマの電圧、のうち１つ以上を変更することによりそれぞれ形成されることを特徴とする請求項２記載のコーティング方法。
【請求項４】
前記密部及び前記粗部は、移動マスクに形成された移動スリットを介してセラミックスを吹き付ける場合に、該移動マスクをステップ移動させることによりそれぞれ形成されることを特徴とする請求項２記載のコーティング方法。
【請求項５】
前記密部及び前記粗部は、固定マスクに形成された複数の固定スリットを介してセラミックスを吹き付けることによりそれぞれ形成されることを特徴とする請求項２記載のコーティング方法。
【請求項６】
前記コーティング層の使用環境における温度変化の大きさに応じて、前記粗部が配される前記所定間隔の大きさを設定することを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のコーティング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属母材の表面を被覆するセラミックスのコーティング構造、及び金属母材の表面に溶融状態のセラミックスを吹き付けることによりコーティング層を形成するコーティング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、金属部材の耐熱性や耐摩耗性などを向上させるために、金属表面にセラミックスのコーティングを施すことが行われている。このセラミックスのコーティングは、母材である金属表面に向けて溶融状態のセラミックスを吹き付けるといった溶射により実施され、溶射技術としては融点の高いセラミックスを溶融させるためにプラズマ溶射等が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、セラミックスの溶射によってコーティングを形成する際、溶射によってコーティング層内には微少な気孔を有しており、セラミックスが硬化するに従って収縮し、コーティング層に生じる大きな応力によってついには金属母材からコーティング層が剥がれたり、コーティング層が割れてしまう場合があるといった問題点を有している。また、金属母材にコーティング層が形成された後であっても、温度変化の大きい環境下で使用されると、金属母材よりセラミックスの熱膨張率が小さいことに起因してコーティング層に大きな応力が生じ、前記と同様に金属母材からコーティング層が剥がれたり、コーティング層が割れてしまう可能性を有している。特に、コーティング層を厚く形成したときは、コーティング層の剥がれや割れの問題が顕著となる。
【０００４】
本発明は、以上の課題を解決するものであり、コーティングの形成時や温度変化の大きい環境下での使用に際してコーティング層に生じる応力を緩和し、金属母材からコーティング層が剥がれたりコーティング層が割れるのを抑制することができるコーティング構造及びコーティング方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、金属母材をセラミックスのコーティング層により被覆するコーティング構造であって、コーティング層は、第１の密度のセラミックスの密度を有する密部と、前記第１の密度より低い第２の密度のセラミックスの密度を有する粗部とが、面方向において所定間隔で交互に配されて構成されることを特徴とする。このコーティング構造では、コーティング層が密部と粗部とで構成されるため、コーティング層に応力が生じた場合、強度が低い粗部が伸縮することで対応し、コーティング層に生じる応力を緩和する。従って、コーティング層の形成時や温度変化の大きい環境下で使用した場合であっても、金属母材からコーティング層が剥がれたりコーティング層が割れるのを抑制することが可能となる。
【０００６】
本発明は、請求項１のコーティング構造において、粗部が、コーティング層の使用環境に応じて所定間隔で形成されることを特徴とする。このコーティング構造では、粗部がコーティング層の使用環境に応じて所定間隔で形成されるため、密部によるコーティング層の強度を確保しつつ、コーティング層に生じる応力を粗部によって効率よく緩和し、コーティング層が剥がれたり割れるのをより一層抑制することが可能となる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、金属母材に溶融状態のセラミックスを吹き付けることによりコーティング層を形成するコーティング方法であって、コーティング層に、第１の密度のセラミックスの密度を有する密部と、前記第１の密度より低い第２の密度のセラミックスの密度を有する粗部とを、面方向において所定間隔で交互に配して形成することを特徴とする。このコーティング方法では、コーティング層に密部と粗部とを形成するので、コーティング層に応力が生じた場合、強度が低い粗部が伸縮してコーティング層に生じる応力を緩和し、コーティング層が剥がれたり割れるのを抑制することが可能となる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項２のコーティング方法において、密部及び粗部が、セラミックスの吹き付け角度、前記金属母材までの距離、吹き付け速度、プラズマの電圧、のうち１つ以上を変更することによりそれぞれ形成されることを特徴とする。このコーティング方法では、密部及び粗部をセラミックスの吹き付け角度等を変更することによりそれぞれ形成するため、これら密部及び粗部を確実に形成することが可能となる。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項２のコーティング方法において、密部及び粗部が、移動マスクに形成された移動スリットを介してセラミックスを吹き付ける場合に、該移動マスクをステップ移動させることによりそれぞれ形成されることを特徴とする。このコーティング方法では、スリットを通過して直進するセラミックスが吹き付けられた密部と、スリットから多少拡がってセラミックスが吹き付けられた粗部とを形成するため、これら密部及び粗部を容易に形成することが可能となり、さらに、移動マスクのステップ移動距離を調整することにより、密部と粗部との配置を容易に調整することが可能となる。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項２のコーティング方法において、密部及び粗部が、固定マスクに形成された複数の固定スリットを介してセラミックスを吹き付けることによりそれぞれ形成されることを特徴とする。このコーティング方法では、複数のスリットを有する固定マスクを用いることで、スリットを通過して直進するセラミックスが吹き付けられた密部と、スリットから多少拡がってセラミックスが吹き付けられた粗部とが同時に形成されるため、これら密部及び粗部を容易に形成することが可能となる。
請求項６に係る発明は、請求項２のコーティング方法において、コーティング層の使用環境における温度変化の大きさに応じて、前記粗部が配される前記所定間隔の大きさを設定することを特徴とする。このコーティング方法では、粗部がコーティング層の使用環境における温度変化の大きさ応じて所定間隔で形成されるため、密部によるコーティング層の強度を確保しつつ、コーティング層に生じる応力を粗部によって効率よく緩和し、コーティング層が剥がれたり割れるのをより一層抑制することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。図１は本発明に係るコーティング構造を示す斜視断面図である。図１に示すように、このコーティング構造は、チタン−アルミ合金やチタン−ニッケル合金などの金属母材１の表面にセラミックスのコーティング層２が施されたものであり、これら金属母材１とコーティング層２との間には両者を接合するためのボンドコーティング層３が設けられている。
【００１２】
コーティング層２は、図１に示すように、密部４と粗部５とが所定間隔で交互に配された状態で構成されている。密部４は、セラミックスが密に吹き付けられた領域であって比較的高い強度を有し、一方、粗部５は、セラミックスが粗く吹き付けられた領域であってポーラスを多く含むことにより比較的低い強度を有している。これら密部４と粗部５は交互に形成されており、広い領域を有する密部４に対して粗部５の領域を狭くして、強度が高い密部４の領域を広く確保することでコーティング層２全体の強度を確保している。
【００１３】
また、粗部５の間隔は任意であり、コーティング層２の使用環境によって任意に設定可能である。例えば、温度変化の大きな環境下で用いるものでは粗部５の間隔を小さくして粗部５による応力緩和を優先し、一方、温度変化の小さな環境下で用いるものでは粗部５の間隔を大きくして密部４による強度確保を優先してもよい。さらに、粗部５の間隔を部分的に変化させることも可能であり、例えば、コーティング層２のうち温度変化が大きな部分で間隔を狭くし、温度変化が小さい部分で間隔を広くしてもよい。
【００１４】
なお、コーティング層２は、密部４を粗部５で囲んだ状態で構成されるのが好ましい。これは、密部４を粗部５で囲むことにより、コーティング層２のいずれの面方向に応力が生じたときでも粗部５の伸縮によって対応できるからである。そして、複数の密部４それぞれを粗部５で囲むことにより、コーティング層２全体としては粗部５が網目状に形成されることになる。なお、この網目状としては格子状やハニカム状など任意である。
【００１５】
ボンドコーティング層３は、金属とセラミックスとの中間の性状を持つものが用いられ、金属母材１とコーティング層２（セラミックス）とを接着させるとともに、金属母材１の酸化等を防止するために形成されている。なお、ボンドコーティング層３を設けるか否かは任意である。
【００１６】
以上のように構成されたコーティング構造では、コーティング層２が密部４と粗部５とで構成されるため、コーティング層２に対して面方向の応力が生じた場合、強度が低い粗部５が伸縮して（例えば粗部５に亀裂が生じるだけで）コーティング層２に生じる応力を緩和することになる。従って、コーティングの形成時や温度変化の大きい環境下で使用することで金属母材１とコーティング層２との熱膨張率の差からコーティング層２に応力が生じたときでも、金属母材１から（ボンドコーティング層３から）コーティング層２が剥がれたりコーティング層２が割れるのを抑制することができる。
【００１７】
次に、このようなコーティング構造を形成するためのコーティング方法について説明する。その方法の１つとして、セラミックスを吹き付ける条件を変更することにより密部４と粗部５とを形成する方法がある。例えば、セラミックスを溶射するときに溶射角度を変更する方法や、溶射元となる溶射ガンと金属母材１との相対距離を変更する方法、溶射速度を変更する方法、プラズマ溶射を用いる場合のプラズマ電圧を変更する方法、などがある。また、これらの方法を組み合わせてもよい。
【００１８】
このうち、溶射角度を変更する方法では、密部４の形成時に溶射角度を金属母材１に対してほぼ垂直に向け、また粗部５の形成時に傾けるようにする。これにより、金属母材１に対してほぼ垂直に当てられたセラミックスは密状態となって密部４を形成し、また傾けて当てられたセラミックスはポーラスを多く含んだ粗状態となって粗部５を形成する。なお、傾ける角度によってポーラス含有比率が変化するため、粗部５の強度を溶射角度によって容易に制御可能となる。
【００１９】
溶射ガンと金属母材１との距離を変更する方法では、密部４の形成時に相対距離を短くして両者を近づけ、また粗部５の形成時に相対距離を長くして両者を離すようにする。これにより、相対距離が短いときはセラミックスが拡がる前に勢いよく金属母材１にぶつかることで密状態となって密部４を形成し、また相対距離が長いときはセラミックスが若干拡がりつつ勢いがやや失われて金属母材１にぶつかることでポーラスを多く含んだ粗状態となって粗部５を形成する。なお、密部４及び粗部５のそれぞれに必要な強度は相対距離を調節することで任意に設定できる。
【００２０】
溶射速度を変更する方法では、密部４の形成時にセラミックスの溶射速度（吹き付け速度）を速くし、また粗部５の形成時に溶射速度を遅くするようにする。これにより、溶射速度が速いときはセラミックスが勢いよく金属母材１にぶつかることで密状態となって密部４を形成し、また溶射速度が遅いときは金属母材１にセラミックスが弱くぶつかることでポーラスを多く含んだ粗状態となって粗部５を形成する。なお、密部４及び粗部５のそれぞれに必要な強度は溶射速度を調節することで任意に設定できる。
【００２１】
プラズマ溶射を用いる場合のプラズマ電圧を変更する方法では、密部４の形成時にプラズマ電圧を高くし、また粗部５の形成時にプラズマ電圧を低くするようにする。これにより、プラズマ電圧が高いときは多くのプラズマガスがプラズマ化することによりセラミックスの溶融状態を向上させ、この溶融セラミックスが金属母材１にぶつかることで密状態となって密部４を形成し、またプラズマ電圧が低いときはプラズマガスのプラズマ化が低減され、セラミックスの溶融状態が悪化することでポーラスを多く含んだ粗状態となって粗部５を形成する。なお、密部４及び粗部５のそれぞれに必要な強度はプラズマ電圧を調節することで任意に設定できる。
【００２２】
図２及び図３は、図１に示すようなコーティング構造を容易かつ確実に形成するためのコーティング方法を示す工程図である。先ず、図示しないが金属母材１の表面にボンドコーティング層３を溶射等により形成する。ただし、前記のとおり、ボンドコーティング層３を設けるか否かは任意である。次に、図３（ａ）に示すように、金属母材１（ボンドコーティング層３）に対峙して溶射装置７が配置されるとともに、両者間には矩形状の移動スリット７ａを備えた移動マスク７が設置される。移動マスク７としては、金属製や樹脂製の板材が用いられる。
【００２３】
そして、図３（ａ）に示すように、移動スリット７ａを金属母材１の所定箇所に対応させた状態で移動マスク７をセットするとともに、溶射装置６を駆動してセラミックスを溶射する。このとき、移動スリット７ａに対応する中心領域４ａにはセラミックスが溶射装置６から勢いよく吹き付けられるため密度の高い状態となり、後に密部４となる。一方、中心領域４ａの周りの周辺領域５ａは移動スリット７ａから外れて位置しており、この周辺領域５ａには移動スリット７ａの縁部を通過したセラミックスが若干拡がって吹き付けられるにすぎないため、ポーラスを多く含み、後に粗部５となる。
【００２４】
続いて、図３（ｂ）に示すように、移動マスク７を移動スリット７ａの幅とほぼ同一の距離までステップ移動させて（ずらして）その位置に保持するとともに、溶射装置６を駆動してセラミックスを溶射する。前回の溶射時と同様、移動スリット７ａに対応する中心領域４ａにはセラミックスが溶射装置６から勢いよく吹き付けられ、一方、周辺領域５ａには移動スリット７ａの縁部を通過したセラミックスが若干拡がって吹き付けられる。このとき、周辺領域５ａでは、隣り合う周辺領域５ａに重なった状態でセラミックスが吹き付けられる。
【００２５】
以上のような、移動マスク７のステップ移動と、セラミックスの溶射とを繰り返すことにより、図２に示すように、金属母材１表面にセラミックスのコーティング層２が形成される。そして、このコーティング層２は、広い密部４と、狭い粗部５とが交互に形成された状態となる。このように、移動マスク７のステップ移動及びセラミックスの溶射といった手順によりコーティング層２を形成するので、密部４及び粗部５を容易かつ確実に形成することができる。
【００２６】
なお、図２及び図３では、溶射装置６からのセラミックスの吹き付け径が比較的大きい場合であって、セラミックスが移動スリット７ａの幅いっぱいに吹き付けられる形態が図示されている。これに代えてセラミックスの吹き付け径が小さい場合は、溶射装置６を移動マスク７及び金属母材１に対して相対的に移動させて溶射することで対応可能である。この場合でも、移動スリット７ａに対応する中心領域４ａ及び周辺領域５ａは同様である。
【００２７】
なお、移動スリット７ａの形状及び大きさは任意であり、さらに移動スリット７ａの開口大きさを変更できるような絞り機能を付加してもよい。また、密部４の幅は移動スリット７ａの幅を変えることで調節でき、また粗部５の幅は移動マスク７のステップ移動距離を変更することにより調節できる。
【００２８】
図４及び図５は、他のコーティング方法を示す工程図である。なお、金属母材１の表面にボンドコーティング層３を溶射等により形成する点、ボンドコーティング層３を設けるか否かは任意である点は前記と同様である。次に、図５に示すように、金属母材１（ボンドコーティング層３）に対峙して溶射装置７が配置されるとともに、両者間には矩形状の複数の固定スリット８ａ，８ｂ，８ｃを備えた固定マスク８が設置される。固定マスク８としては、金属製や樹脂製の板材が用いられ、また複数の固定スリット８ａ等は、後述する周辺領域５ａの幅を考慮した間隔で配列されている。
【００２９】
そして、図５に示すように、セットされた固定マスク８の上方で溶射装置６を駆動し、セラミックスを溶射するとともに、複数の固定スリット８ａ〜８ｃにわたって溶射装置６を固定マスク８及び金属母材１に対して相対的に移動させる。このとき、固定スリット８ａ等に対応する中心領域４ａにはセラミックスが溶射装置６から勢いよく吹き付けられるため密度の高い状態となり、後に密部４となる。一方、中心領域４ａの周りの（すなわち固定スリット８ａと８ｂとの間等に対応する箇所）周辺領域５ａは固定スリット８ａ等から外れて位置しており、この周辺領域５ａには固定スリット８ａ等の縁部を通過したセラミックスが若干拡がって吹き付けられることによりポーラスを多く含み、後に粗部５となる。なお、周辺領域５ａでは、隣り合う固定スリット８ａ等の縁部を通過したセラミックスが重なった状態で吹き付けられるが、いずれもポーラスを多く含むため後に粗部５となることに変わりない。
【００３０】
以上のような、固定マスク８上方での溶射装置６の相対的な移動により、図４に示すように、金属母材１表面にセラミックスのコーティング層２が形成される。そして、このコーティング層２は、広い密部４と、狭い粗部５とが交互に形成された状態となる。このように、固定マスク８上方での溶射装置６の移動といった手順によりコーティング層２を形成するので、密部４及び粗部５を容易かつ確実に形成することができる。
【００３１】
なお、固定スリット８ａ等の形状及び大きさは任意であり、また、各固定スリット８ａ等の形状及び大きさが同一であることに限定されない。さらに各固定スリット８ａ等の開口大きさを変更できるような絞り機能を付加してもよい。また、密部４の幅や粗部５の幅は、各固定スリット８ａ等の幅、隣り合う固定スリット８ａ等の間隔の幅を変えることで調節できる。
【００３２】
なお、前記実施の形態において示した各構成部分の諸形状や組み合わせ、並びに手法等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係るコーティング構造は、コーティング層が密部と粗部とで構成されるため、コーティング層に応力が生じた場合、強度が低い粗部が伸縮することで対応し、コーティング層に生じる応力を緩和する。従って、コーティング層の形成時や温度変化の大きい環境下で使用した場合であっても、金属母材からコーティング層が剥がれたりコーティング層が割れるのを抑制することができる。また、コーティング構造は、粗部がコーティング層の使用環境に応じて所定間隔で形成されるため、密部によるコーティング層の強度を確保しつつ、コーティング層に生じる応力を粗部によって効率よく緩和し、コーティング層が剥がれたり割れるのをより一層抑制することができる。
【００３４】
請求項２に係るコーティング方法は、コーティング層に密部と粗部とを形成するので、コーティング層に応力が生じた場合、強度が低い粗部が伸縮してコーティング層に生じる応力を緩和し、コーティング層が剥がれたり割れるのを抑制することができる。請求項３に係るコーティング方法は、密部及び粗部をセラミックスの吹き付け角度等を変更することによりそれぞれ形成するため、これら密部及び粗部を確実に形成することができる。請求項４に係るコーティング方法は、スリットを通過して直進するセラミックスが吹き付けられた密部と、スリットから多少拡がってセラミックスが吹き付けられた粗部とを形成するため、これら密部及び粗部を容易に形成することが可能となり、さらに、移動マスクのステップ移動距離を調整することにより、密部と粗部との配置を容易に調整することができる。請求項５に係るコーティング方法は、複数のスリットを有する固定マスクを用いることで、スリットを通過して直進するセラミックスが吹き付けられた密部と、スリットから多少拡がってセラミックスが吹き付けられた粗部とが同時に形成されるため、これら密部及び粗部を容易に形成することができる。請求項６に係るコーティング方法は、粗部がコーティング層の使用環境における温度変化の大きさに応じて所定間隔で形成されるため、密部によるコーティング層の強度を確保しつつ、コーティング層に生じる応力を粗部によって効率よく緩和し、コーティング層が剥がれたり割れるのをより一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るコーティング構造の実施形態を示す斜視断面図である。
【図２】  本発明に係るコーティング方法を示す斜視図である。
【図３】  図２のコーティング方法を示す工程図であって、（ａ）はステップ移動前の溶射時、（ｂ）はステップ移動後の溶射時である。
【図４】    本発明に係る他のコーティング方法を示す斜視図である。
本発明に係るコーティング構造の実施形態を示す斜視断面図である。
【図５】  図４のコーティング方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１  金属母材
２  コーティング層
３  ボンドコーティング層
４  密部
５  粗部
６  溶射装置
７  移動マスク
７ａ  移動スリット
８  固定マスク
８ａ，８ｂ，８ｃ  固定スリット
【図１】
0004752114.tif 000002
【図２】
0004752114.tif 000003
【図３】
0004752114.tif 000004
【図４】
0004752114.tif 000005
【図５】
0004752114.tif 000006