溶射

溶射技術は、溶融（または加熱）した材料を表面に吹き付けるコーティングプロセスです。「原料」（コーティング前駆体）は、電気的手段（プラズマまたはアーク）または化学的手段（燃焼炎）によって加熱されます。

溶射は、電気メッキ、物理蒸着、化学蒸着などの他のコーティングプロセスと比較して、高い堆積速度で広い面積に厚いコーティング（厚さの範囲は、プロセスと原料に応じて約 20 ミクロンから数 mm）を提供できます。溶射に使用できるコーティング材料には、金属、合金、セラミック、プラスチック、複合材料があります。これらは粉末またはワイヤの形で供給され、溶融または半溶融状態まで加熱され、マイクロメートルサイズの粒子の形で基板に向かって加速されます。燃焼または電気アーク放電が通常、溶射のエネルギー源として使用されます。結果として得られるコーティングは、多数の噴霧粒子の蓄積によって形成されます。表面が大幅に加熱されることはなく、可燃性物質のコーティングが可能です。

コーティングの品質は通常、多孔度、酸化物含有量、マクロ硬度とミクロ硬度、接着強度、表面粗さを測定することによって評価されます。一般的に、コーティングの品質は粒子速度の増加とともに向上します。

溶射にはいくつかのバリエーションがあります。

• プラズマ溶射
• 爆薬散布
• ワイヤーアーク溶射
• 火炎噴射
• 高速酸素燃料コーティングスプレー（HVOF）
• 高速度空気燃料（HVAF）
• 温水噴霧
• コールドスプレー
• スプレーと溶着

1910年から1920年の間に開発された古典的な方法だが、現在でも広く使用されている火炎溶射やワイヤーアーク溶射などの方法では、粒子速度は一般的に低く（150 m/s未満）、原料を溶融させてから堆積させる必要がある。1970年代に開発されたプラズマ溶射は、通常15,000 Kを超える温度のアーク放電によって生成される高温プラズマジェットを使用し、酸化物、モリブデンなどの耐火材料を溶射することができる。 ^[1]

一般的な溶射システムは、次の要素で構成されます。

• スプレートーチ（またはスプレーガン） - 堆積する粒子の溶融と加速を行う中心装置
• フィーダー -粉末、ワイヤ、または液体をチューブを通してトーチに供給します。
• 媒体供給 -炎やプラズマジェットを生成するためのガスや液体、粉末を運ぶためのガスなど。
• ロボット/労働力 - トーチまたはコーティングする基板を操作する
• 電源 – 多くの場合、トーチ用に独立している
• 制御コンソール - 上記のすべてを統合または個別に制御

デトネーション ガンは、ガスと粉末の入口バルブを備えた長い水冷バレルで構成されています。酸素と燃料 (最も一般的なのはアセチレン) が粉末とともにバレルに供給されます。火花を使用してガス混合物に点火し、その結果生じるデトネーションにより粉末が加熱され、バレル内を超音速まで加速されます。デトネーションのたびに、窒素パルスを使用してバレルをパージします。このプロセスは 1 秒間に何度も繰り返されます。基材に衝突した高温の粉末粒子の高運動エネルギーにより、非常に高密度で強力なコーティングが構築されます。コーティングは、高速衝突後に噴霧された粒子を包み込むベース基材の変形によって生じる機械的結合によって付着します。

プラズマ溶射プロセスでは、堆積させる材料（原料）（通常は粉末ですが、液体^[2] 、 [3]、 ^[4]、またはワイヤの場合もあります）が、プラズマトーチから噴出するプラズマジェットに導入されます。ジェット内の温度は 10,000 K 程度で、材料は溶融して基板に向かって噴射されます。そこで、溶融した液滴は平らになり、急速に凝固して堆積物を形成します。通常、堆積物はコーティングとして基板に付着したままになりますが、基板を取り除くことで自立型の部品を製造することもできます。粒子とプラズマジェットおよび基板との相互作用、ひいては堆積物の特性に影響を与える技術パラメータは多数あります。これらのパラメータには、原料の種類、プラズマガスの組成と流量、エネルギー入力、トーチのオフセット距離、基板の冷却などが含まれます。

堆積物は、液滴が平らになることで形成されたラメラと呼ばれる多数のパンケーキのような「スプラット」で構成されています。原料粉末のサイズは通常、マイクロメートルから100マイクロメートルを超えるため、ラメラの厚さはマイクロメートルの範囲で、横方向の寸法は数マイクロメートルから数百マイクロメートルです。これらのラメラの間には、細孔、亀裂、不完全な結合領域などの小さな空隙があります。この独自の構造の結果、堆積物はバルク材料とは大きく異なる特性を持つことができます。これらは通常、強度と弾性率が低い、歪み耐性が高い、熱伝導率と電気伝導率が低いなどの機械的特性です。また、急速凝固のため、堆積物に準安定相が存在する場合があります。

この技術は、主に構造材料にコーティングを施すために使用されます。このようなコーティングは、高温（例えば、排熱管理用の遮熱コーティング）、腐食、浸食、摩耗に対する保護を提供します。また、表面の外観、電気的または摩擦学的特性を変更したり、摩耗した材料を置き換えたりすることもできます。さまざまな形状の基板にスプレーして取り除くと、プレート、チューブ、シェルなどの形状の自立型部品を製造できます。また、粉末処理（球状化、均質化、化学的性質の変更など）にも使用できます。この場合、堆積用の基板は存在せず、粒子は飛行中または制御された環境（水など）で固化します。この技術は、バリエーションを加えて、医療用インプラントのコーティングとして、骨の成長に適した多孔質構造を作成するためにも使用できます。ポリマー分散エアロゾルをプラズマ放電に注入して、このポリマーを基板表面にグラフトすることができます。^[3]このアプリケーションは、主にポリマーの表面化学を変更するために使用されます。

プラズマ溶射システムは、いくつかの基準によって分類できます。

プラズマジェット生成:

• 直流（DCプラズマ）、エネルギーは直流の高出力電気アークによってプラズマジェットに伝達される。
• 誘導プラズマまたはRFプラズマでは、交流の高周波電流が流れるプラズマジェットの周りのコイルからの誘導によってエネルギーが伝達されます。

プラズマ形成媒体:

• ガス安定化プラズマ（GSP）、プラズマはガス（通常はアルゴン、水素、ヘリウムまたはそれらの混合物）から形成される。
• 水安定化プラズマ（WSP）、プラズマは水（蒸発、解離、イオン化を通じて）または他の適切な液体から形成される。
• ハイブリッドプラズマ – ガスと液体の安定化を組み合わせたもので、通常はアルゴンと水

散布環境：

• 大気プラズマ溶射（APS）は、大気中で行われる。
• 制御雰囲気プラズマ溶射（CAPS）は、通常、不活性ガスで満たされた密閉チャンバー内または真空状態で行われる。
• CAPS のバリエーション: 高圧プラズマ溶射 (HPPS)、低圧プラズマ溶射 (LPPS)、その極端な例は真空プラズマ溶射 (VPS、下記参照)
• 水中プラズマ溶射

別のバリエーションは、溶融のために固体粉末の代わりに液体原料を使用することから成り、この技術は溶液前駆体プラズマスプレーとして知られています。

真空プラズマ溶射（VPS）は、エッチングと表面改質により、高い再現性で多孔質層を作成し、プラスチック、ゴム、天然繊維の洗浄と表面エンジニアリング、および金属部品の洗浄用フロン代替に使用できる技術です。この表面エンジニアリングにより、摩擦挙動、耐熱性、表面電気伝導性、潤滑性、フィルムの凝集強度、誘電率などの特性を改善したり、材料を親水性または疎水性にしたりすることができます。

このプロセスは、熱による損傷を避けるため、通常 39～120 °C で動作します。非熱的に活性化される表面反応を誘発し、大気圧での分子化学では起こり得ない表面変化を引き起こします。プラズマ処理は、中程度の真空度 (約 13～65 Pa)の密閉チャンバー内の制御された環境で行われます。ガスまたはガス混合物は、通常 50 V で 1～500 W のDCからマイクロ波周波数までの電界によって励起されます。処理されたコンポーネントは通常、電気的に絶縁されています。揮発性のプラズマ副産物は真空ポンプによってチャンバーから排出され、必要に応じて排気スクラバーで中和できます。

分子化学とは対照的に、プラズマでは以下が使用されます。

• 化学効果のための分子、原子、準安定およびフリーラジカル種。
• 運動効果のための正イオンと電子。

プラズマは真空紫外線光子の形で電磁放射も生成し、バルクポリマーを約 10 μm の深さまで浸透します。これにより、鎖切断や架橋が起こります。

プラズマは原子レベルで物質に影響を及ぼします。表面分析には、X 線光電子分光法や走査型電子顕微鏡法などの技術が使用され、必要なプロセスを特定し、その効果を判断します。表面エネルギー、つまり接着性や濡れ性の簡単な指標として、水滴接触角テストがよく使用されます。接触角が低いほど、表面エネルギーが高く、物質の親水性が高くなります。

エネルギーが高い場合、化学解離よりもイオン化が起こりやすくなります。一般的な反応性ガスでは、100 分子のうち 1 分子がフリーラジカルを形成しますが、イオン化するのは 10 ^{6 分子}のうち 1 分子のみです。ここでの主な効果はフリーラジカルの形成です。 プロセス パラメータの選択と、必要に応じて希ガスの使用により、 イオン効果が優勢になる可能性があります。

ワイヤーアークスプレーは、2 本の消耗金属ワイヤーを別々にスプレーガンに送り込む熱スプレー法の一種です。これらのワイヤーは充電され、ワイヤー間にアークが発生します。このアークの熱によって流入したワイヤーが溶け、ガンから噴出される空気ジェットに巻き込まれます。この巻き込まれた溶融原料は、圧縮空気の助けを借りて基板に堆積します。このプロセスは、金属の厚いコーティングによく使用されます。^[1]

プラズマ トランスファー ワイヤ アーク (PTWA) は、ワイヤ アーク スプレーの別の形態で、シリンダーの内面または任意の形状の部品の外面にコーティングを堆積します。主に、エンジンのシリンダー ボアのコーティングに使用されることで知られており、重い鋳鉄スリーブを必要とせずにアルミニウム エンジン ブロックを使用できます。システムの「原料」として、1 本の導電性ワイヤが使用されます。超音速プラズマ ジェットがワイヤを溶かし、霧化して基板に噴射します。プラズマ ジェットは、非消耗カソードとワイヤ タイプ間のトランスファー アークによって形成されます。霧化後、強制空気によって溶融液滴の流れがボア壁に運ばれます。粒子は、高い運動エネルギーにより、基板の表面に衝突すると平らになります。粒子は接触すると急速に固まります。積み重ねられた粒子が、耐摩耗性の高いコーティングを形成します。PTWA 溶射プロセスでは、1 本のワイヤを原料として使用します。 0.0625 インチ (1.6 mm) までのすべての導電性ワイヤ (芯線付きワイヤを含む) を原料として使用できます。PTWA は、エンジンまたはトランスミッション コンポーネントの摩耗面にコーティングを施して、ブッシングまたはベアリングを置き換えるために使用できます。たとえば、PTWA を使用してコネクティング ロッドのベアリング面をコーティングすると、重量、コスト、摩擦の可能性、コネクティング ロッドのストレスの軽減など、さまざまな利点が得られます。

1980 年代に、高速酸素燃料噴射と呼ばれる種類の溶射プロセスが開発されました。ガスまたは液体燃料と酸素の混合物が燃焼室に送り込まれ、そこで連続的に点火され燃焼します。結果として生じる 1 MPa 近くの圧力の高温ガスは、収束-発散ノズルから噴出し、直線セクションを通過します。燃料は、ガス (水素、メタン、プロパン、プロピレン、アセチレン、天然ガスなど) または液体 (灯油など) です。バレルの出口でのジェット速度 (> 1000 m/s) は音速を超えます。粉末原料がガス流に注入され、粉末が最大 800 m/s まで加速されます。高温ガスと粉末の流れは、コーティングする表面に向けられます。粉末は流れの中で部分的に溶融し、基板上に堆積します。結果として得られるコーティングは、多孔性が低く、接着強度が高くなります。^[1]

HVOFコーティングの厚さは12 mm（1/2インチ）にもなります。通常、セラミックや金属層などの材料に耐摩耗性および耐腐食性のコーティングを堆積するために使用されます。一般的な粉末には、 WC -Co 、炭化クロム、MCrAlY、アルミナなどがあります。このプロセスは、サーメット材料（WC-Coなど）やその他の耐腐食性合金（ステンレス鋼、ニッケルベース合金、アルミニウム、医療用インプラント用のハイドロキシアパタイトなど）の堆積に最も効果的です。^[1]

HVAF コーティング技術は、圧縮空気流中でのプロパンの燃焼です。HVOF と同様に、均一な高速ジェットを生成します。HVAF は、熱バッフルを組み込むことで熱スプレー機構をさらに安定化させている点が異なります。材料は空気燃料流に注入され、コーティング粒子が部品に向かって噴射されます。^[4] HVAF の最大炎温度は 3,560 ～ 3,650 °F、平均粒子速度は 3,300 フィート/秒です。最大炎温度はほとんどのスプレー材料の融点に比較的近いため、HVAF ではより均一で延性のあるコーティングが得られます。これにより、典型的なコーティングの厚さは0.002～0.050インチになります。HVAFコーティングの機械的結合強度は12,000psi以上です。一般的なHVAFコーティング材料には、タングステンカーバイド、クロムカーバイド、ステンレス鋼、ハステロイ、インコネルなどがありますが、これらに限定されません。HVAFコーティングは延性があるため、キャビテーションによる損傷を防ぐのに役立ちます。^[5]

スプレー アンド フューズは、高熱を使用して、溶射コーティングと部品の基材との結合を強化します。他のタイプの溶射とは異なり、スプレー アンド フューズはコーティングと表面の間に冶金結合を作成します。つまり、コーティングの接着に摩擦に頼るのではなく、表面とコーティング材料を 1 つの材料に融合します。スプレー アンド フューズは、接着と凝集の違いに帰着します。

このプロセスでは通常、粉末材料を部品にスプレーし、その後アセチレントーチで加熱します。トーチはコーティング材料と部品材料の最上層を溶かし、それらを融合させます。スプレー＆ヒューズは高熱であるため、熱変形が発生する可能性があり、部品が適切な候補であるかどうかを判断するには注意が必要です。これらの高温は溶接で使用される温度に似ています。この冶金結合により、耐摩耗性に優れたコーティングが作られます。スプレー＆ヒューズは、熱スプレーの手軽さでハードフェース溶接の利点を実現します。^[6]

コールドスプレー法（またはガスダイナミックコールドスプレー法）は、1990年代に市場に導入されました。この方法はもともとソビエト連邦で開発されました。風洞内で2相の高速微粉末流にさらされた対象基材の浸食実験中に、科学者が偶然にコーティングが急速に形成されるのを観察したのです。^[1]

コールドスプレーでは、収束-発散型のラバルノズルから押し出されるキャリアガスによって粒子が非常に高速に加速されます。衝突すると、十分な運動エネルギーを持つ固体粒子が塑性変形し、基材に機械的に結合してコーティングを形成します。結合を形成するために必要な臨界速度は、材料の特性、粉末のサイズ、温度によって異なります。金属、ポリマー、セラミックス、複合材料、ナノ結晶粉末は、コールドスプレーを使用して堆積できます。^[7] CuやAlなどの軟質金属はコールドスプレーに最適ですが、コールドスプレーによる他の材料（W、Ta、Ti、MCrAlY、WC-Coなど）のコーティングも報告されています。^[1]

合金粉末の堆積効率は一般的に低く、プロセスパラメータと適切な粉末サイズのウィンドウは狭い。粉末をより高速に加速するには、より細かい粉末（<20マイクロメートル）を使用する。音速の高い処理ガス（窒素の代わりにヘリウム）を使用すると、粉末粒子をはるかに高速に加速することができる。しかし、ヘリウムは高価であり、その流量、つまり消費量も大きい。加速能力を向上させるために、窒素ガスは約900℃まで加熱される。その結果、堆積効率と堆積物の引張強度が向上する。^[1]

ウォームスプレーは高速酸素燃料スプレーの新しい改良法で、燃焼ガスに窒素を混合することで燃焼ガスの温度を下げ、コールドスプレーに近いプロセスを実現します。生成されたガスには多くの水蒸気、未反応の炭化水素、酸素が含まれるため、コールドスプレーよりも汚れます。しかし、コーティング効率は高くなります。一方、ウォームスプレーは温度が低いため、HVOF と比較して供給粉末の溶融と化学反応が抑えられます。これらの利点は、高温で急速に酸化または劣化する Ti、プラスチック、金属ガラスなどのコーティング材料にとって特に重要です。^[1]

• クランクシャフトの再生または調整
• 腐食防止
• 汚れ防止
• 熱伝導率や電気伝導率を変える
• 摩耗制御:ハードフェーシング（耐摩耗性）またはアブレイダブルコーティング
• 損傷した表面の修復
• 温度/酸化保護（遮熱コーティング）
• 医療用インプラントコーティング（ポリマー由来のセラミックスを使用）^[8]
• 機能的に傾斜した材料の製造（上記のいずれかの用途向け）

溶射は視線プロセスであり、結合メカニズムは主に機械的なものである。溶射が適用される領域が複雑であったり、他の物体によって遮られている場合、溶射は基材に適合しない。^[9]

熱溶射は、機器が丁寧に扱われ、正しい溶射方法が守られていれば、必ずしも危険なプロセスではありません。他の工業プロセスと同様に、オペレーターが認識し、特定の予防措置を講じるべき多くの危険があります。理想的には、機器は、煙を排出し、騒音レベルを下げ、溶射ヘッドを直接見ないように特別に設計された囲いの中で自動的に操作されるべきです。このような技術は、より一貫性のあるコーティングも生成します。処理される部品の種類や生産レベルが低い場合は、機器を手動で操作する必要がある場合があります。このような状況では、生産または加工業界で一般的に遭遇する危険に加えて、熱溶射に特有のいくつかの危険が発生します。^{[10] [11]}

金属溶射装置は圧縮ガスを使用しており、騒音を発生します。騒音レベルは溶射装置の種類、溶射される材料、および動作パラメータによって異なります。典型的な音圧レベルはアーク後方1メートルで測定されます。^[12]

燃焼式スプレー装置は、ピーク温度が 3,100 °C を超える非常に明るい強烈な炎を発生します。電気アーク スプレーは紫外線を発し、繊細な体組織を損傷する可能性があります。プラズマもかなりの量の紫外線を発するため、露出した皮膚は簡単に火傷を負い、目に「フラッシュ バーン」を起こすこともあります。スプレー ブースと囲いには紫外線を吸収する暗色ガラスを取り付ける必要があります。これが不可能な場合は、オペレーターと付近にいる人は BS グレード 6 の緑色ガラスを含む保護ゴーグルを着用する必要があります。スプレー エリアの周囲には不透明スクリーンを配置する必要があります。アーク ピストルのノズルは、装置に電力が供給されていないことが確実でない限り、直接見ないでください。^[10]

溶融物質の霧化により、非常に微細な粒子（粒子数の約80～95%が100nm未満）からなる大量の粉塵と煙が発生します。^[13]適切な排気設備は、人員の安全のためだけでなく、スプレーされたコーティング剤に再凍結した粒子が閉じ込められるのを最小限に抑えるためにも重要です。機器を遮断できない場合は、適切なフィルターを備えた呼吸器の使用を強くお勧めします。^[13] 特定の物質には、特定の既知の危険性があります。^[10]

1. 細かく分割された金属粒子は、体内に蓄積されると自然発火し、有害となる可能性があります。
2. アルミニウム、亜鉛、その他の卑金属などの特定の材料は水と反応して水素を発生することがあります。これは爆発の危険があり、煙抽出装置には特別な注意が必要です。
3. 特定の物質、特に亜鉛や銅の合金の煙は不快な臭いがあり、特定の人に発熱のような反応を引き起こす可能性があります (金属煙熱として知られています)。これは噴霧後しばらくしてから発生することがありますが、通常はすぐに治まります。治まらない場合は、医師の診察を受ける必要があります。
4. 反応性化合物の煙は分解して有害なガスを生成する可能性があります。これらのエリアでは呼吸器を着用し、呼吸器を外す前にガスメーターを使用して空気を監視する必要があります。

燃焼式スプレーガンは酸素と燃料ガスを使用します。燃料ガスは爆発の恐れがあります。特にアセチレンは認可された条件下でのみ使用できます。酸素は爆発性はありませんが、燃焼を持続させ、酸素レベルが高すぎると多くの物質が自然発火します。漏れを防ぎ、使用していないときは酸素と燃料ガスの供給を遮断するよう注意する必要があります。^[10]

アークガンは低電圧（45V DC以下）で作動しますが、電流は比較的高いです。安全に手で持つことができます。電源ユニットは440V AC電源に接続されているため、注意して取り扱う必要があります。^[10]

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