航空宇宙用Al-SiC複合材溶射皮膜の包括的レビュー

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溶射Al-SiC複合皮膜 は、航空宇宙技術の進歩において極めて重要な役割を果たしている。これらのコーティングは、耐摩耗性、熱安定性、機械的強度を向上させ、重要な部品に不可欠なものとなっています。アルミニウムの軽量特性と炭化ケイ素の耐久性を組み合わせた独自の組成により、厳しい環境下でも優れた性能を発揮します。

溶射プロセスは、これらのコーティングの品質を大幅に向上させる。プラズマ溶射のような技術は、以下のようなパラメーターを最適化する。 ガス温度と圧力SiC粒子の破損を最小限に抑えます。このアプローチは、コーティングのコンパクト性と、せん断強度を含む機械的特性を向上させる。このような進歩により、これらのコーティングは、タービンブレードや構造システムなど、高い精度と信頼性が要求される用途に理想的なものとなっている。

の統合 SiCコーティングカーボン カーボン 材料はAl-SiCコーティングの可能性をさらに広げ、熱保護と耐エロージョン性を向上させます。しかし、溶融アルミニウムによるSiCの濡れ性が悪いなどの課題もあり、SiCコーティングには精密な加工が必要である。 SiCコーティング加工 最適な結果を得るために。さらに コーティングのSICコード は、航空宇宙産業におけるコンプライアンスと品質保証に不可欠である。

要点

  • 溶射Al-SiCコーティング 航空宇宙技術 摩耗や熱によるダメージを軽減する。
  • アルミニウムと 炭化ケイ素 は、軽くて丈夫なコーティング剤を作り、燃料を節約する。
  • プラズマ溶射とHVOF溶射は、強力な結合と隙間の少ない皮膜を形成する。
  • アルミニウム中にSiC粒子を均一に拡散させることが、良好な性能の鍵となる。
  • これらのコーティングは、タービンブレードのような重要な部品を損傷や熱から保護する。
  • スプレー設定とSiCレベルを調整することで、強度と耐熱性が向上する。
  • ハイブリッド・スプレーや極小のSiC粒子といった新しい方法は、コーティングをより良く、使いやすくする。
  • コーティングの隙間を減らすことで、航空宇宙部品の錆を防ぐことができる。

溶射Al-SiC複合皮膜の概要

構成と構造

軽量マトリックスとしてのアルミニウム

アルミニウムは、溶射Al-SiC複合皮膜の主要なマトリックス材料として機能する。密度が低く、強度対重量比が高いため、航空宇宙用途に最適です。アルミニウムの軽量性は部品全体の質量を減らし、燃費と性能の向上に貢献します。さらに、その優れた熱伝導性と電気伝導性は、コーティングの機能性を高めます。また、マトリクスは延性のあるベースとなるため、応力分布がよくなり、機械的変形に対する耐性が高まります。

補強材としての炭化ケイ素

炭化ケイ素 (SiC)は、これらの複合コーティングの強化相として作用する。卓越した硬度と熱安定性で知られるSiCは、アルミニウムマトリックスの機械的特性を大幅に向上させる。SiCは耐摩耗性を向上させ、コーティングを高応力環境に適したものにします。SiCはまた、複合材料の弾性率と強度を高め、過酷な条件下での耐久性を保証します。最適な性能を得るためには、マトリックス内にSiC粒子を均一に分散させることが重要である。不均一な分散は、気孔率の増加や結合強度の低下につながるからである。

主要部品/特性 説明
微細構造 ラメラの界面や内部構造に影響される形成メカニズムに関連。
多孔性 析出中の液体Alの流れや充填の欠陥により形成され、コーティング全体の品質に影響を与える。
ボンディング特性 明確な界面と密接な結合が観察され、スプレー中の酸化レベルは低い。
表面形状 コーティングの性能に重要な役割を果たし、表面が粗いと気孔率が高くなる。
SiC含有量の影響 SiC含有量が高くなると、液体Alの充填が困難になるため、気孔率が増加する。

航空宇宙アプリケーションの利点

軽量化と燃費向上

溶射Al-SiC複合材コーティングは、航空宇宙システムの大幅な軽量化に貢献します。アルミニウムの軽量特性とSiCの強化機能の組み合わせにより、部品の強度対重量比が向上します。この改善により、性能を損なうことなく、より軽量な構造を設計することが可能になります。SiCの密度はアルミニウムに匹敵するため、コーティングは軽量でありながら優れた機械的強度を維持することができます。軽量化は運転中の燃料消費量の低減につながるため、これらの特性は燃費に直接影響する。

機械的および熱的特性の向上

SiCをアルミニウムマトリックスに組み込むことで、コーティングの機械的特性と熱的特性が向上する。これらの複合コーティングは、従来のアルミニウム合金と比較して高いヤング率と強度を示します。耐摩耗性が向上することで、タービンブレードやエンジン部品のような要求の厳しい航空宇宙環境での耐久性が保証されます。さらに、コーティングは熱障壁として機能し、重要な部品を高温暴露から保護します。この汎用性により、溶射Al-SiC複合皮膜は最新の航空宇宙用途に不可欠なものとなっている。

  • 主な利点は以下の通り:

    • 強度対重量比の向上。
    • 高応力用途向けに耐摩耗性を強化。
    • 熱に敏感な部品のための遮熱機能。

溶射Al-SiC複合材コーティングは、軽量設計と堅牢な性能のユニークな組み合わせを提供し、航空宇宙イノベーションの要となっている。

Al-SiCコーティングのためのスプレープロセス

Al-SiCコーティングのためのスプレープロセス

溶射技術

プラズマ・スプレー

プラズマ溶射は、Al-SiCコーティングを施すための最先端の溶射技術のひとつです。この方法では、非転移アークを使用して高温プラズマジェットを発生させ、コーティング材料を溶融させて基材上に噴射します。このプロセスは、高い接合強度、優れた噴霧効率、大きな成膜速度を達成する。これらの特性は、耐久性が高く均一なコーティングを必要とする大型の航空宇宙部品に適しています。

プラズマ溶射は、以下のような産業で広く使用されている:

  • 航空宇宙
  • 自動車
  • 構造
  • インダストリアル

高速オキシ燃料(HVOF)スプレー

高速オキシ燃料(HVOF)溶射は、Al-SiCコーティングを製造するためのもう一つの効果的な技術である。このプロセスでは、燃料と酸素の混合物を燃焼させて高速のガス流を作る。コーティング材料はこの気流に導入され、溶融して基材に向かって加速される。HVOF溶射は、気孔率の低い緻密な皮膜を形成するため、高い耐摩耗性と耐食性が要求される用途に最適です。基材への熱損傷を最小限に抑えながらコーティングを成膜することができるため、航空宇宙用途への利用がさらに広がる。

プラズマ溶射によるAl-SiCコーティング

主要プロセス・パラメーター

Al-SiCコーティングのプラズマ溶射の成功は、いくつかのパラメーターの正確な制御にかかっている。ガス流量、アーク電流、溶射距離はコーティングの品質に大きく影響します。これらのパラメータを適切に調整することで、Al-SiC粉末の最適な溶融と基板上への均一な成膜が保証されます。粉末の粒子径と形状も、安定したコーティングを実現する上で重要な役割を果たします。高エネルギー乾式粉砕技術であるメカニカルアロイングは、均一なSiC分布を持つAl-SiC粉末を製造するためにしばしば使用され、コーティングの性能を向上させます。

航空宇宙用途での利点

プラズマ溶射は、航空宇宙用途に数多くの利点をもたらします。このプロセスでは、耐摩耗性と耐食性が向上し、結合強度が高く、気孔率が低いコーティングが得られます。これらの特性は、タービンブレードやエンジン部品などの重要な航空宇宙部品の耐久性と信頼性を保証します。さらに、プラズマ溶射は他のコーティング方法と比較してコスト効率が高いため、大規模な航空宇宙プロジェクトに適しています。

主な利点は以下の通り:

  • 耐摩耗性の向上
  • 耐食性の向上
  • 高い接着強度
  • 空隙率が低い
  • 費用対効果

スプレーコーティング形成における課題

均一なSiC粒子分布

溶射Al-SiC複合皮膜において均一なSiC粒子分布を達成することは、依然として課題である。Al-SiC粉末の品質は、アルミニウムマトリックス内のSiCの空間分布に大きく影響します。粒子の形状とサイズは、粉末の流動性と析出特性を決定する。メカニカルアロイングは、SiC粒子が均一に分布した複合パウダーを製造する上で明確な利点を提供し、安定したコーティング性能を保証します。

Al-SiC粉末のマトリックス中のSiCの均一性は、コーティング中の強化材の空間分布を決定する。高エネルギー乾式粉砕技術であるメカニカルアロイングは、強化第二相粒子の分布が均一な複合金属粉末を製造することができる。

接着と空隙率コントロール

溶射Al-SiC皮膜の性能にとって、密着性と気孔率の制御は非常に重要です。気孔率が高くなると、層間の結合強度が低下し、欠陥が生じ、コーティングの完全性が損なわれます。気孔は層内やその境界に形成され、耐久性に影響する。SiC粒子の存在は、液体アルミニウムの流動と充填を複雑にし、気孔率を増加させる。熱間静水圧プレス(HIP)のような後処理工程は、気孔率を効果的に減少させ、コーティングの機械的特性を向上させることができる。

空隙率制御のための主な考慮事項:

  • 層間接着不良による性能低下
  • 層内部または層境界での気孔の形成
  • 気孔率を最小化するHIPのような後処理工程

プラズマ溶射やHVOF溶射を含むAl-SiCコーティングの溶射プロセスは、航空宇宙用途に高度なソリューションを提供します。これらの技術により、機械的および熱的特性が強化された高品質のコーティングが保証され、最新の航空宇宙システムの厳しい要件に対応します。

溶射Al-SiC複合皮膜の特性

耐摩耗性

SiC含有量の影響

溶射Al-SiC複合皮膜の耐摩耗性は、SiC含有量に大きく依存する。炭化ケイ素粒子は皮膜の微小硬度を高め、耐摩耗性を直接的に向上させる。しかし、他の要因も摩耗性能の決定に一役買っている。次の表は、耐摩耗性に影響する主な要因を示している:

ファクター 説明
SiC粒子体積分率 SiCの含有量を増やすと、微小硬度と耐摩耗性が向上する。
基板温度 コーティングの機械的特性と摩耗挙動に影響する。
多孔性 硬度と耐摩耗性に影響し、気孔率が高いと性能が低下する。
微細構造の欠陥 ボイドやクラックが存在すると、摩耗が始まったり伝播したりする可能性があり、全体的な耐性に影響する。
負荷条件 耐摩耗性は、高負荷になるほど著しく向上し、性能指標が改善されている。

これらのことから、優れた耐摩耗性を実現するためには、SiC含有量を最適化し、コーティングパラメーターを制御することが重要であることがわかる。

他の航空宇宙コーティングとの比較

溶射Al-SiC複合皮膜は、耐摩耗性において従来の航空宇宙用皮膜の多くを凌駕しています。例えば

  • Al-SiCコーティングは、コーティングされていないZE41マグネシウム基板よりも85%高い耐摩耗性を示した。
  • 純アルミニウムのコーティングに比べ、400%の耐摩耗性を示す。
  • ポストスプレー処理されたAl-SiCコーティングは、77%から140%の範囲で耐摩耗性の向上を示した。

以下の表は、異なる条件下でのAl-SiCコーティングの比較性能をさらに示している:

コーティング・タイプ 耐摩耗性の向上
10N荷重下のAl-SiC 54%まで
30N荷重下のAl-SiC 10倍以上
ポストスプレー処理コーティング 77%~140%以上
鋳造Al-20Al2O3複合材料 同等以上
非塗装マグネシウム基板 Al-SiCより低い

これらの結果は、Al-SiCコーティングの卓越した耐摩耗性を浮き彫りにしており、高応力の航空宇宙用途に適した選択肢となっている。

熱安定性

高温性能

溶射Al-SiC複合皮膜は、過酷な条件下でも優れた熱安定性を示します。主成分である炭化ケイ素は、その結晶構造と純度によって3076℃から4175℃の範囲にある分解点までの温度に耐えることができる。

SiCの高温復元力により、溶射Al-SiC皮膜は、要求の厳しい航空宇宙環境においても構造的完全性と性能を維持することができます。特筆すべきことに、これらのコーティングではAl4C3の生成は検出されておらず、溶射プロセスにおけるSiCの安定性を示している。

この安定性により、Al-SiCコーティングは、高い熱負荷に対する耐性を必要とする用途に理想的である。

熱保護システムへの応用

Al-SiC コーティングは、航空宇宙分野で遮熱コーティング(TBC)としてますます利用されるようになっている。これらのコーティングは、タービンブレードのような重要な部品を高温暴露から保護する。熱保護システムにおけるAl-SiCコーティングの効果は、溶射条件とSiC含有量に依存します。これらの要素を最適化することで、エンジニアは航空宇宙システムの熱性能を向上させ、信頼性と寿命を確保することができます。

粘着特性

接着に影響する要因

溶射Al-SiC複合皮膜の接着特性は、いくつかの要因に依存する。基材、SiC含有量、粒子径、表面処理はすべて重要な役割を果たす。アルミニウム基材は一般的に最も高い密着強度を示し、ステンレス鋼基材は低い密着性を示す。SiC粒子を大きくすると、金属との接触面積が増えるため、密着性が向上する。さらに、ゾルゲルシリカでコーティングされたSiC粒子は、熱膨張係数を減少させ、界面でのより強力な接着につながる。

基板準備の重要性

Al-SiCコーティングで強固な密着性を得るためには、適切な下地処理が不可欠である。接着強度を高めるには、次のような方法がある:

  • 洗浄とグリットブラストにより、化学的および物理的に活性な表面が形成される。
  • 粗い表面形状はメカニカル・キーイングを高め、コーティングと基材との結合を向上させる。

これらのステップにより、厳しい使用条件下でもコーティングが効果的に付着することが保証される。

耐食性

過酷な環境下での行動

溶射Al-SiC複合皮膜は、腐食性の高い航空宇宙環境において卓越した性能を発揮します。これらのコーティングは、摩耗や腐食に対する強固なバリアを提供し、厳しい条件にさらされる材料を保護するのに非常に効果的です。その用途は、従来の材料が故障しがちな海洋雰囲気やその他の腐食環境において特に有益です。炭化ケイ素粒子がコーティングの耐久性を高め、摩耗率を大幅に低減し、航空宇宙部品の寿命を延ばします。

  • 過酷な環境におけるこれらのコーティングの主な利点は以下の通り:

    • 航空宇宙材料に優れた耐食性を発揮。
    • 過酷な条件下でも耐摩耗性が向上。
    • 海洋やその他の腐食性雰囲気で効果的な性能を発揮。

溶射Al-SiC複合膜は、このような環境に耐えることができるため、信頼性が高く、重要な航空宇宙用途に適しています。

スプレーパラメータの影響

Al-SiC皮膜の耐食性は、その適用時に使用される溶射パラメータに大きく依存する。温度や溶射距離の正確な制御などの最適な条件は、高品質のコーティングを実現する上で極めて重要な役割を果たします。複合材料中の炭化ケイ素の割合が適切であれば、コーティングの保護特性はさらに向上する。気孔は腐食性物質の侵入経路となるため、気孔率を最小限に抑えたコーティングは高い耐食性を示します。

  • 耐食性に影響を与える要因には、以下のようなものがある:

    • 温度やスプレー距離などの溶射条件。
    • 複合材料中のSiC含有量は、コーティングの密度と耐久性に影響する。
    • 気孔率レベルは、気孔率が低いほどプロテクションの向上につながる。

これらのパラメーターを最適化することで、エンジニアは優れた耐食性を持つコーティングを製造することができ、航空宇宙部品の寿命と信頼性を確保することができる。

チップ:Al-SiC皮膜の耐食性を最大にするためには、溶射プロセス中の気孔率を最小にすることが重要である。

溶射されたAl-SiC複合皮膜は、その高度な耐食性と耐摩耗性により、航空宇宙システムの性能と耐久性を向上させる上で重要な役割を果たし続けている。

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溶射Al-SiC複合膜の最近の進歩

スプレー技術の革新

ハイブリッド・スプレー法

ハイブリッド・スプレー方式 は、溶射Al-SiC複合皮膜の応用における重要な進歩として登場した。これらの方法は、複数の溶射技術の長所を組み合わせてコーティング性能を向上させる。例えば

  • サスペンション・スプレー技術は、SiC粒子分布の均一性を向上させ、気孔率を減らし、耐摩耗性を高める。
  • コールドスプレーは、基材への熱損傷を最小限に抑え、より優れた接着性と構造的完全性を保証する。
  • 高周波爆轟ガンは、優れたコーティング密度と硬度を実現し、航空宇宙用途に最適です。

これらの技術革新は、粒子の凝集や溶融アルミニウムによるSiCの低い濡れ性といった課題に対処し、安定したコーティング品質を保証する。

プロセス制御の進歩

プロセス制御の進歩は溶射業界に革命をもたらしました。最新の装置では、ガス流量、アーク電流、溶射距離などのパラメーターを正確に調整することができます。これらの改善により、Al-SiC粉末の最適な溶融と析出が保証され、機械的特性と熱的特性が向上した皮膜が得られます。さらに、粉末原料、特にSiCの技術革新により、コーティング性能がさらに向上し、要求の厳しい航空宇宙環境に適したものとなりました。

コーティング特性の最適化

SiC含有量の調整

溶射Al-SiC複合皮膜中のSiC含有量を調整することは、研究者の焦点となっている。懸濁溶射やコールドスプレーなどの溶射技術の最近の進歩により、アルミニウムマトリックス内のSiC分布を正確に制御することが可能になりました。この最適化により、耐摩耗性、熱安定性、コーティング全体の性能が向上する。SiCの含有量を調整することで、エンジニアは特定の航空宇宙要件を満たすようにコーティングをカスタマイズし、耐久性と効率を確保することができます。

ナノ構造SiCの使用

を組み込んだ。 ナノ構造SiC を溶射皮膜に添加することで、その特性が大幅に改善された。ナノ構造のSiCは、コーティングの微細構造を最適化すると同時に、硬度と耐摩耗性を向上させます。これらの改良は、高い耐久性と過酷な条件への耐性を必要とする用途に不可欠です。さらに、ナノ構造SiCは効果的な熱障壁として機能し、航空宇宙部品を高温暴露から保護します。適切な溶射条件は、これらの利点をさらに増幅し、重要な用途における信頼性の高い性能を保証します。

航空宇宙用途

タービンブレードとエンジン部品

溶射Al-SiC複合皮膜は、タービンブレードやエンジン部品の保護に重要な役割を果たしています。これらのコーティングは、卓越した耐摩耗性と耐食性を提供し、重要な部品の寿命を保証します。また、熱効率を高めることができるため、航空機エンジンなどの高温用途に最適です。 プラズマスプレー広く使用されている技術であるSiC粒子で強化されたアルミニウムマトリックス複合材の成膜を可能にし、航空宇宙システム用の堅牢で信頼性の高いコーティングを提供する。

構造および熱保護システム

溶射Al-SiC複合材コーティングの汎用性は、航空宇宙における構造および熱保護システムにも及んでいる。これらのコーティングは、構造部品の強度と弾性を高め、高い応力下での安定性を確保します。その遮熱性能は、極度の熱から繊細な部品を保護し、航空宇宙システムの全体的な性能と安全性を向上させます。溶射パラメータとSiC含有量を最適化することで、エンジニアは最新の航空宇宙用途の厳しい要求を満たすコーティングを開発することができる。

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課題と研究ギャップ

過酷な条件下での長期性能

Al-SiC複合材溶射皮膜は、航空宇宙産業の過酷な条件下で長期的な性能を維持する上で大きな課題に直面しています。高温、腐食環境、機械的応力は、コーティングの特性を時間とともに劣化させます。炭化ケイ素は耐久性に優れていますが、長時間の熱サイクルにさらされると微細構造が変化することがあります。このような変化は、コーティングの耐摩耗性と熱安定性を低下させ、重要な航空宇宙部品の完全性を損なう可能性があります。

もうひとつの懸念は、長期間の使用によるマイクロクラックの形成である。これらのクラックは、繰り返される機械的負荷の下で伝播し、コーティングの剥離や破損につながる可能性がある。SiC粒子とアルミニウムマトリックスとの相互作用も、長期的な性能を決定する上で重要な役割を果たします。界面での結合不良は摩耗を促進し、コーティングの寿命を縮める。研究者は、これらの問題に効果的に対処するために、Al-SiCコーティングの微細構造の安定性を向上させることに注力しなければならない。

耐久性を高めるために、熱間静水圧プレス(HIP)やレーザー再溶解などの高度な後処理技術が有望視されている。これらの方法は、気孔率を低減し、界面結合を改善することができるため、過酷な条件下でもコーティングの信頼性を維持することができる。SiCの含有量と粒子分布を最適化するためのさらなる研究は、長期間にわたって安定した性能を達成するために不可欠である。

費用対効果と拡張性

Al-SiC複合材溶射皮膜の費用対効果と拡張性は、航空宇宙用途に広く採用するための重要な課題として残っている。これらのコーティングの製造には高い材料費と加工費がかかるため、大規模なプロジェクトでは実現可能性が制限される可能性がある。しかし、いくつかの戦略によって、性能を維持しながらコスト効率を改善することができる。

  • SiC強化材の粒子径と体積分率を最適化することで、耐摩耗性が向上し、材料消費量が削減される。
  • SiCの粒径を大きくすることで、地下の破壊の伝播を制限し、耐久性を向上させ、メンテナンスコストを下げる。
  • SiC補強材の体積分率が高いほどクラック偏差が大きくなり、コーティングの寿命が延びる。
  • Al-50vol.%SiCコーティングは費用対効果の高い代替となる 延性に大きな影響を与えることなく、表面耐摩耗性を向上させることによって。

スケーラビリティは、溶射技術と装置の進歩にも左右される。自動制御を備えた最新の溶射システムは、生産を合理化し、人件費を削減し、一貫した品質を確保することができる。さらに、ハイブリッド溶射法の開発は、高性能コーティングを低コストで実現する道を提供します。これらの技術革新により、コーティングの信頼性を損なうことなく、大規模な航空宇宙プロジェクトの生産規模を拡大することが可能になります。

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溶射Al-SiC複合皮膜は、耐摩耗性、熱安定性、耐食性を向上させることにより、航空宇宙技術に革命をもたらしました。プラズマ溶射のような最適化された溶射プロセスは、低空孔率と均一なSiC分布を確保し、コーティング性能を向上させる。今後の研究では、航空宇宙産業の需要に対応するための高度な製造方法、界面結合、拡張性に焦点を当てる。これらのコーティングは、次のような形で持続可能性に貢献している。 排出量削減、燃費向上そしてリサイクル可能な材料を利用する。構造耐久性と熱特性を向上させるその能力は、航空宇宙システムにおける技術革新の礎石として位置づけられている。

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よくあるご質問

Al-SiC複合コーティングとは?

Al-SiC複合コーティングは、軽量マトリックスとしてのアルミニウムと、補強材としての炭化ケイ素を組み合わせたものです。これらのコーティングは耐摩耗性、熱安定性、機械的強度を向上させ、航空宇宙用途に最適です。


これらのコーティングがなぜ航空宇宙にとって重要なのか?

これらのコーティングは重量を減らし、燃費を向上させ、摩耗や高温から部品を保護します。その耐久性は、タービンブレードやエンジン部品のような重要な航空宇宙部品の寿命を保証します。


炭化ケイ素はコーティングの性能をどのように向上させるのか?

炭化ケイ素 は、硬度、耐摩耗性、熱安定性を向上させます。アルミニウムマトリックス内に均一に分布しているため、過酷な条件下でも安定した性能を発揮します。


Al-SiCコーティングにはどのようなスプレー技術が使われていますか?

一般的な技術には、プラズマ溶射や高速オキシ燃料(HVOF)溶射がある。これらの方法は、気孔率が低く、高い接着強度を持つ均一なコーティングを保証し、要求の厳しい航空宇宙環境に適しています。


Al-SiCコーティングにはどのような課題がありますか?

課題は、均一なSiC粒子分布の達成、気孔率の制御、強力な接着性の確保などである。メカニカルアロイングや後処理プロセスのような高度な技術は、これらの問題に効果的に対処します。


Al-SiCコーティングは耐食性に優れているか?

そう、これらのコーティングは優れた耐食性を提供する。過酷な環境に対するバリアとして機能し、航空宇宙部品を摩耗や化学的損傷から保護します。


Al-SiCコーティング技術の進歩はありますか?

最近の技術革新には、ハイブリッド・スプレー法、ナノ構造SiC、プロセス制御の改善などがある。これらの進歩により、航空宇宙用途のコーティング性能と拡張性が向上している。


Al-SiCコーティングについてもっと知りたいのですが?

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