ガストンネル型プラズマ反応溶射による航空宇宙用超耐熱材料の開発に関する研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15360449
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 小林 明 大阪大学, 接合科学研究所, 助教授 (70110773)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 平田 好則 大阪大学, 工学研究科, 助教授 (00116089) ; 片山 聖二 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (10144528) ; 松村 年郎 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90126904) ; 小紫 公也 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 助教授 (90242825)
• Keywords: TiN皮膜 / ガストンネル型プラズマジェット / プラズマ反応溶射 / 高硬度 / 傾斜機能性 / 熱遮蔽膜 / ガストンネル型プラズマジェット

Research Abstract

航空宇宙用耐熱材料の開発のため、ガストンネル型プラズマ溶射・反応溶射により得られたセラミックス膜について解析し、以下の結果を得た。
1.ガストンネル型反応溶射による典型的なTiN膜として、P=27kW,Qen=100l/min,t=5s,L=60mmにおいて、皮膜厚さ160μm、ビッカース硬度Hv=2000に近い高品質の金色のTiN膜がステンレス基板上に得られた。
2.このTiN膜の断面厚さ方向の硬度分布は平坦であり、窒化反応が溶射粒子の飛行過程で起こると推測された。TiN複合膜の断面組織は画像解析システムなどで観察し、気孔、結晶粒径分布等を測定した。また、界面の密着強度試験や、ビッカース硬度の測定などによりその機械的機能性を解明した。
3.TiN膜の形成に対する適正溶射距離として約60mmが得られたが、この領域でTiN強度比R=95%以上の高品質TiN膜を作製することができた。適正溶射距離ではTiN厚膜の平均硬度はHv=1500であったが、溶射距離が過小な場合は、窒化率が低くなりTiが残り、過大な場合は酸化が生じTiO_2が不純物となった。
4.ZrO_2Al_2O_3混合粉末を用いて耐熱性に優れたジルコニア複合膜を形成するため、分光器、放射温度計などにより種々の条件においてプラズマ溶射パラメータを測定し、ジルコニア複合膜の作製プロセスについて検討した。
5.高速多数回トラバースによるジルコニア複合皮膜は、膜断面において表面側の気孔が少なく緻密であり、基板に近づくほど気孔率が大きくなる。また、ジルコニア複合皮膜の硬度分布は直線状であり、表面層ではHv_<50>=1275の高硬度となり硬度の傾斜性が得られた。
6.高硬度ZrO_2-Al_2O_3複合皮膜は、アルミナとジルコニアが交互に積層しており、膜の横方向厚さ方向の熱伝導が縦方向と比べて抑制される。このことは、TBCにとって好都合である。

Research Products

• [Publications] 小林 明: "ガストンネル型プラズマ反応溶射による窒化チタン厚膜の性質と作製プロセス"プラズマ応用科学(2003). Vol.11. 67-75 (2003)
• [Publications] Akira KOBAYASHI: "Performance of Zirconia Composite Coatings Produced by Gas Tunnel Type Plasma Spraying as a Thermal Barter Coating"TRANSACTIONS OF JWRI. Vol.32-2. (2003)
• [Publications] S.Sharafat, A.Kobayashi, N.M.Ghoniem: "Experimental Facility for Thermal Cycle Testing of Refractory Foams Using Plasma Technology"ADVANCES IN APPLIED PLASMA SCIENCE. Vol.4. 175-180 (2003)
• [Publications] A.Kobayashi: "Adhesive Strength of Zirconia Composite Coatings by Gas Tunnel Type Plasma Spraying"ADVANCES IN APPLIED PLASMA SCIENCE. Vol.4. 223-228 (2003)
• [Publications] A.Jan, A.Kobayashi, V.Gupta, V.Kieev: "Mesurement and Control of Interface Strength of Zirconia Coatings by a Laser"ADVANCES IN APPLIED PLASMA SCIENCE. Vol.4. 241-246 (2003)
• [Publications] Akira Kobayashi, Shahram Sharafat, a Nasr M.Ghoniem: "Deposition of Tungsten on Stainless Steel by Gas Tunnel Type Plasma Spraying Torch"ADVANCES IN APPLIED PLASMA SCIENCE. Vol.4. 387-394 (2003)