爆薬散布

デトネーション スプレーは、表面特性を変えるために超音速で保護コーティングを材料に塗布するために使用される、多くの形式の溶射技術の 1 つです。これは主に、コンポーネントの耐久性を向上させるために行われます。これは 1955 年に HB Sargent、RM Poorman、H. Lamprey によって初めて発明され、特別に設計されたデトネーション ガン (D ガン) を使用してコンポーネントに適用されます。強力に結合したデトネーション スプレー コーティングを実現するために、スプレーされるコンポーネントは、表面の油、グリース、破片をすべて取り除き、表面を荒らして適切に準備する必要があります。このプロセスでは、他のすべての形式の溶射技術と比較して、コーティング材料の速度 (コーティング材料を推進する衝撃波は約 3500 m/s ) と温度 (約 4000 °C) が最も高くなります。これらの特性により、デトネーション噴霧は、低多孔性（1% 未満）および低酸素含有量（0.1 ～ 0.5%）の保護コーティングを適用することができ、低負荷下での腐食、摩耗、および付着から保護します。

このプロセスにより、耐摩耗コーティングとして有用な非常に硬く高密度の表面コーティングを施すことができます。このため、デトネーション スプレーは、航空機エンジン、プラグ ゲージとリング ゲージ、刃先 (スカイビング ナイフ)、管状ドリル、ローター ブレードとステーター ブレード、ガイド レール、または摩耗や損傷が激しいその他の金属材料の保護コーティングによく使用されます。デトネーション スプレー中にコンポーネントにスプレーされる材料は、通常、金属、金属合金、サーメットの粉末、およびそれらの酸化物 (アルミニウム、銅、鉄など) です。

デトネーション スプレーは、安全な環境で正しく実行されなければ危険な工業プロセスです。そのため、この熱スプレー技術を使用する際には、多くの安全上の注意事項を順守する必要があります。

デトネーションスプレー法は、1955年にHBサージェント、RMプアマン、H.ランプリーによって初めて開発され^[1] 、その後特許を取得しました。同年、ユニオンカーバイド社によって「Dガンプロセス」として初めて商業的に利用可能になりました。 ^[2] 1960年代にはキエフ（ウクライナ）のパトン研究所によってさらに開発され、現在でも米国のデメトンテクノロジーズ（ウェストバビロン）によって商業的に利用可能な技術になりました。^[3]

デトネーションスプレーコーティングは、デトネーションガン（Dガン）を使用して塗布されます。デトネーションガンは、長い水冷式の金属製バレルと、チャンバー内にガスや粉末を導入するための入口バルブで構成されています。^[4]フィードストックと呼ばれる所定の量の保護コーティング材料（粒子サイズ5〜60μmの粉末状）がチャンバー内に導入されます（一般的な粉末流量は16〜40 g/分）。^[3]ここで、酸素と燃料（通常はアセチレン）がスパークプラグによって点火され、超音速の衝撃波が生成され、溶融および/または部分的に溶融したおよび/または固体のフィードストック（使用する材料の種類による）の混合物がバレルから噴射され、スプレーされる対象に吹き付けられます。^[要出典]次に、 Dガンを再び発射する前に、窒素を短時間噴射してバレルを洗浄します。これは重要なステップです。残留ガスの熱によって新しい燃料混合物が燃焼し、制御不能な反応を引き起こす可能性があるためです。また、点火前に燃料と原料の2つの混合物の間に少量の不活性窒素ガスを挿入すると、バックファイアを防ぐのに役立ちます。[ ^3] Dガンは通常、1〜10 Hzの点火速度で動作します。^[要出典]デトネーションガンによる材料の噴霧中には、さまざまなコーティング粉末の混合物とDガン設定を使用できます。これらはすべて、噴霧されたコーティングの最終的な表面特性に影響します。一般的に使用される粉末材料には、アルミナ-チタニア、アルミナ、タングステン カーバイド-タングステン-クロムカーバイド混合物とニッケル-クロム合金バインダー、クロムカーバイド、タングステンカーバイドとコバルト バインダーが含まれますが、これらに限定されません。^[5]

冶金学者は、溶射コーティングの品質を決定する際に、表面酸素含有量、マクロ硬度とミクロ硬度、多孔性、接着強度、表面粗さの測定値を考慮します。 ^[6]

• スパークプラグ
• 水冷バレル
• 窒素入口バルブ
• 燃料入口バルブ
• 酸素入口バルブ
• 粉末原料入口バルブ

^[4]

1. 燃料と酸素の混合物が燃焼室に噴射されます。
2. 粉末原料がチャンバー内に導入されます。
3. 逆火を防ぐために、燃料と酸素の混合物と粉末原料の間に窒素ガスが追加されます。
4. 混合物に点火し、加熱された粉末をバレルから対象物質に噴射します。
5. その後、銃身は窒素ガスでパージされ、再び発射する準備が整います。
6. このプロセスは、希望するコーティングの厚さが達成されるまで、1～10 Hz の速度で繰り返されます。

^{[3] [8]}

デトネーション スプレー コーティングは、主に機械的に結合します。つまり、スプレーされる部品の表面は、スプレーされたコーティングと基材の結合強度を最大化するために適切に準備する必要があります。表面をうまく準備するには、グリース、油、汚れ、その他の汚染物質をすべて取り除き、コーティングが密着するのに十分な表面の凹凸を与えるために十分に粗くする必要があります。化学処理は、基材表面を洗浄するために使用される最も適切な方法です。その後、スプレーする前に表面に触れたり汚したりしないように注意する必要があります。基材表面を粗くするために使用される 3 つの方法は、研磨ブラスト、機械加工、ボンド コーティングです。ボンド コーティングを使用する場合を除いて、洗浄は表面を粗くした後にのみ行われます。表面は、このプロセスの前と、場合によってはこのプロセスの後にも洗浄する必要があります。デトネーション スプレー コーティングの適用は、基材表面の準備ができたらできるだけ早く実行する必要があります。^[5]

サンドブラストとも呼ばれる研磨ブラストは、圧縮空気を使用して、清潔で鋭利な粉砕鋼グリットまたは酸化アルミニウムの蒸気を部品の表面に噴射するものです。アルミニウムは比較的安価なので良い選択肢です。噴射されたグリットは基板表面の小さな塊を砕き、均一で粗い表面を作り出し、良好な機械的結合を形成します。スプレーする前に、基板からブラストによる破片や残留グリットをきれいに除去する必要があります。^[9]

非常に強力な機械的結合が必要な場合（機械加工に使用する部品など）、部品の表面を機械加工してコーティングを結合するための溝を作ることがよくあります。蟻溝は強力なポジティブ結合を提供しますが、手間がかかりコストがかかります。より安価な方法は、部分的に開いた単純な溝を切ることですが、この方法では最終的な結合強度が劣ります。部品のエッジとコーナーは、部品から剥がれる可能性があるため、コーティング構造の潜在的な弱点となります。これらのポイントでの結合強度を高めるには、部品のコーナーとエッジを丸くする必要があります。コーティングが部品のエッジに達する必要がない場合は、アンダーカットを使用して（右の図に示すように）コーティングを基板に固定できます。アンダーカットは他のシナリオでも使用できます。^[10]

コーティングは、塗布後に冷却プロセスにより収縮する傾向があることが多い。つまり、収縮の悪影響を最小限に抑えるための対策を講じる必要がある。そうしないと、コーティングは張力によるストレスを受け、コーティングが弱くなり、場合によっては剥がれてしまう可能性がある。コーティングが収縮するという事実は、賢明に適用すれば接着強度を高めるために利用できる。部品の外側表面全体にコーティングを施すということは、冷却時にコーティングが部品の周囲で収縮し、一種のグリップ力を与えて機械的接着強度を高めることを意味する。これは、平らな部品の端にスプレーした場合も同様で、コーティングはクランプのように表面をつかみ、やはり接着強度を高める。内部コーティングは収縮の影響を受けて、部品の表面から引き離される。これに対処するには、部品を加熱して、冷却時の相対的な収縮効果を減らすことができる。^[5]

部品は、油が部品に付着するのを避けるために、スプレーする前に乾式加工（油なし）する必要があります。これが避けられない場合は、デトネーションスプレーの前に基板を再度洗浄する必要があります。^[5]

表面をブラスト加工および/または機械加工した後、最終的なデトネーション スプレー コーティングの前に、モリブデン、ニッケルクロム合金、またはニッケルアルミナイドの薄い層をスプレーして、接着強度を向上させることができます。これはボンド コーティングと呼ばれます。ボンド コーティングは、セラミック複合材のスプレー コーティング材料を塗布するときによく使用されます。部品の表面にぴったりと合うようにボンド コーティングとスプレー コーティングのためのスペースを確保するため、部品を少し深く機械加工および/またはブラスト加工する必要がある場合があります。

スプレーしない部分は、ストップオフケミカル（スプレーの接着を防ぐケミカル）またはテープで覆う必要があります。コーティングが冷めたら、ケミカルとテープを取り除きます。^{[5] [11]}

デトネーションスプレーは、非常に高い化学結合強度と硬度を持つコーティングを生成します。コーティングは、低多孔性、低酸素含有量で、低～中程度の表面粗さです。これは、表面コーティングの塗布中にデトネーションガンによって生成される非常に高い温度と速度によって実現されます。^{[6]これらの特性により、デトネーションスプレーは、他のすべての熱スプレーコーティング（ワイヤーアーク、プラズマ、炎、HVAF、HVOF、温間、}冷間）の比較基準となっています。^[2]

最終的なデトネーション ガンのコーティング特性を決定する要因は多数あります。主に、表面特性は使用される粉末原料の種類と特性 (組成と粒子サイズ) によって決まりますが、D ガンで使用される設定によっても影響を受けます。これらの設定には、粉末の流量、発射速度、ガンからターゲットまでの距離、コーティングを適用するために D ガンをどのように動かすか、バレルのサイズ、燃料と酸素の混合物の量と組成などがあります。^{[引用が必要]}

デトネーション スプレーは、比較的敏感で繊細な材料に保護コーティングを施すことができます。これは、デトネーション ガン コーティングの適用の性質により、非常に速く、対象材料から熱源が取り除かれるためです。これにより、デトネーション スプレーに適した用途の範囲が広がります。^{[引用が必要]}

Dガンを使用して、多くの材料をコーティングとしてスプレーすることができます。^[8]原料として使用されるこれらの材料は、金属、合金、サーメット、およびそれらの酸化物の粉末です。^[7]ただし、主にハイテクコーティングが使用され、これにはセラミックや複雑な複合材料が含まれます。スプレー可能な材料の強度、硬度、収縮率、耐腐食性、摩耗品質などの特性は、コーティング材料を選択する際に考慮されます。^[5]

例としては次のようなものがあります:

• アルミニウム
• 銅-アルミニウム
• 銅-SiC
• アル-Al2O3
• 銅-アルミナ
• アルミニウムSiC
• アル・ティ
• チタンモリブデン(CN)–36NiCo
• Fe–A ^[要出典]

デトネーションスプレーコーティングの主な機能は、低酸素含有量による腐食、摩耗、低荷重下での接着を防ぐことです。^[7]これは、デトネーションスプレーが以下の用途に適した硬くて耐久性のあるコーティングを生成することを意味します。^[5]

• 一般機械の各種部品：シャフト、シール、ブッシング、ベアリング、シール^[8]
• 航空：
  • ローターブレードとステーターブレード
  • エンジン部品^[2]
  • ガイドレール
• 石油・ガス産業:
  • ESPユニットのブッシングとシーリングリング
  • ゲートバルブ
  • 遮断弁
  • ドリル工具の作業面
• 宇宙ロケット産業
• 電子・ラジオ業界
• 機器のエンジニアリング
• ツール業界
  • チューブラードリル^[5]
  • ゴムとプラスチック用のスカイビングナイフ
• 造船業
• Dガンメッキプラグおよびリングゲージ

爆発噴霧にはいくつかの制限があります。

• デトネーション溶射では、冶金的結合よりも機械的に結合したコーティングが形成され、より強力な結合タイプとなります。
• デトネーション スプレーは「視線」プロセスであり、コンポーネントは一般に使用または組み立てる前にコーティングする必要があります。これは、効果的なコーティングを施すには、デトネーション ガンが表面にアクセスできる必要があるためです。
• コーティングは圧縮に対してはかなり強いものの、引張に対しては弱いため、可鍛性部品や膨張部品には適用できません。
• コーティングは、ピンポイントの負荷がかかると疲労する傾向があります。
• 起爆銃はかなり大きくて音が大きい。^[12]
• 爆発噴霧は、ガンがかなり大きく、かなりの騒音を発生する大きな作業であるため、特別に設計された場所で実行する必要があります。このため、通常は防音室（厚さ 45 cm のコンクリート壁）に設置されます。
• Dガンが作動している間はオペレーターが室内にいることができないため、このプロセスにはかなりの機械化と自動化が伴います。^[5]

デトネーション ガン スプレーは、他の工業プロセスと同様に、使用中の作業者の安全を確保するために正しく管理する必要がある多くの安全上の危険を伴います。これらの安全上の予防措置は主に次のカテゴリに分類され、提案されている危険最小化技術は、場合によっては、結果として得られるデトネーション スプレー コーティングにプラスの効果をもたらします。たとえば、スプレー プロセスを自動化すると、非常に均一で一貫性のあるスプレー コーティングを実現できます。

デトネーションガンの操作は、チャンバー内で毎秒複数の爆発が発生するため、非常に大きな音を発します。デトネーションガンに近づいたオペレーターの聴力に損傷を与える可能性があります。そのため、デトネーションスプレーは防音室で実行し、操作中は誰も室内にいないようにします。^[5]また、オペレーターは、Dガンで作業する際は耳を保護するもの（イヤーマフや耳栓など）を着用する必要があります。

Dガンは作動中、極めて高温（≈4000 °C）に達します^{[要出典] 。デトネーションスプレーでは、可燃性および爆発性の燃料（通常は}アセチレン）を使用して超音速衝撃波を発生させ、粉体塗料を対象部品に噴射します。これにより、深刻な火傷や爆発の危険が生じます。また、Dガンが作動中は誰も室内にいてはいけません。また、室内はDガンの故障に耐えられるように設計する必要があります。また、スプレー後の高温部品による火傷を防ぐために、Dガンやスプレーされた部品の取り扱いには保護手袋を使用する必要があります。^[13]

D ガンは粉末原料を極めて小さな粒子に霧化します (総粒子数の 80～95% が 100 nm 未満のサイズ)。つまり、吸入安全のために適切な抽出設備が必要です。また、作業者が危険な粉塵や煙を吸い込まないように、D ガンを隔離することが推奨されます。^[14]作業者が室内に入る場合は、適切な防塵マスクまたは呼吸器を着用する必要があります。デトネーション スプレーの原料として使用される化合物の多くは、摂取または吸入すると人体に有害です。特にデトネーション ガンから発生する空気中の金属は肺に有害です。たとえばカドミウムにさらされると、腎臓や肺に害を及ぼし、嘔吐、意識喪失、さらには生殖能力の低下を引き起こす可能性があります。^[15]また、鉛、ニッケル、クロム、カドミウムなどの重金属は、最近の研究で発がん性があることが示されています。金属粉塵の吸入によって引き起こされる深刻な肺疾患には、次のものがあります。

• 珪肺症- 原料化合物中に存在するシリカを吸入することで引き起こされる肺疾患。
• 鉄肺症（銀研磨肺または溶接肺）、原料化合物に含まれる鉄を吸入することで起こる肺疾患。^[16]
• アルツハイマー病は高齢者に多い記憶障害の病気で、いくつかの研究でアルミニウムへの高濃度曝露が原因であることが示されています（他の多くの原因の中でも）。ただし、これらの研究は決定的なものではなく、他の研究で別の結果が証明されていることに留意する必要があります。^[17]
• 金属ヒューム熱- これは、特に不快な臭いを持つ特定の金属化合物（銅、亜鉛、マグネシウム、アルミニウムの合金または酸化物など）にさらされた後に、一部の人に発生する可能性があります。金属が加熱されたときに副産物としてヒュームが発生し、医師の診察が必要になる可能性のある発熱のような反応を引き起こす可能性があります。^[18]