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溶射技術は、溶融（または加熱）され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」（コーティングの前駆体）は、電気的（プラズマまたはアーク）または化学的（燃焼炎）な手段によって加熱されます。
溶射は、電気めっき、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、広い面積に厚いコーティング（プロセスと原料によって厚さは約20ミクロンから数ミリメートル）を高い成膜速度で形成できます。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、複合材料などがあります。これらは粉末またはワイヤ状で供給され、溶融または半溶融状態に加熱され、マイクロメートルサイズの粒子として基板に向かって加速されます。溶射のエネルギー源としては通常、燃焼または電気アーク放電が使用されます。得られるコーティングは、多数の噴霧粒子が蓄積することによって形成されます。表面はそれほど高温にならないため、可燃性物質のコーティングも可能です。
コーティングの品質は通常、多孔性、酸化物含有量、マクロ硬度およびミクロ硬度、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種類がある。
火炎溶射やワイヤアーク溶射などの古典的な（1910年から1920年の間に開発された）が現在でも広く使用されているプロセスでは、粒子速度は一般的に低く（150 m/s（490 ft/s）未満）、堆積させるには原料を溶融させる必要がある。1970年代に開発されたプラズマ溶射は、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、その典型的な温度は15,000 K（14,700 °C、26,500 °F）を超え、酸化物やモリブデンなどの耐火材料を溶射することが可能である[ 1 ]。
一般的な溶射システムは、以下の要素で構成されています。
爆轟銃は、ガスと粉末の入口バルブを備えた長い水冷式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内に供給されます。火花によってガス混合物に点火され、その結果生じる爆轟によって粉末が加熱され、バレル内を超音速で加速されます。爆轟の後、窒素パルスを用いてバレル内をパージします。このプロセスは1秒間に何度も繰り返されます。高温の粉末粒子が基材に衝突する際の高い運動エネルギーにより、非常に緻密で強固なコーティングが形成されます。コーティングは、高速衝突後に基材が変形して噴霧された粒子を包み込むことで生じる機械的結合によって密着します。
プラズマスプレープロセスでは、堆積させる材料（原料）は、通常は粉末状、時には液体[ 2 ] 、懸濁液[ 3 ] 、またはワイヤ状で、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（9,700 °C、17,500 °F）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坦化し、急速に固化して堆積物を形成します。一般的に、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、基板を除去することで自立部品を製造することも可能です。プラズマジェットと基板との粒子の相互作用、ひいては堆積物の特性に影響を与える技術的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、トーチオフセット距離、基板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る、ラメラと呼ばれる多数のパンケーキ状の「飛沫」から構成されています。原料粉末のサイズは通常マイクロメートルから100マイクロメートル以上であるため、ラメラの厚さはマイクロメートル範囲、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になります。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存在します。この独特な構造の結果、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あります。これらは一般的に、強度と弾性率が低く、歪み許容度が高く、熱伝導率と電気伝導率が低いといった機械的特性です。また、急速な凝固のため、堆積物中に準安定相が存在することもあります。
この技術は主に構造材料にコーティングを施すために用いられます。このようなコーティングは高温（例えば排気熱管理用の熱遮断コーティング）、腐食、浸食、摩耗から保護します。また、表面の外観、電気的特性、摩擦特性を変化させたり、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除去すると、プレート、チューブ、シェルなどの自立部品を製造できます。また、粉末処理（球状化、均質化、化学組成の改質など）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（例えば水）で固化します。この技術は、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、バリエーションをつけて使用できます。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 ]この用途は主にポリマーの表面化学を改質するために用いられます。
プラズマ溶射システムは、いくつかの基準によって分類することができる。
プラズマジェットの生成：
血漿形成培地：
散布環境：
別のバリエーションとして、溶融用の固体粉末の代わりに液体原料を用いる方法があり、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。
真空プラズマスプレー（VPS）は、再現性の高い多孔質層を形成するためのエッチングおよび表面改質技術であり、プラスチック、ゴム、天然繊維の洗浄および表面改質、ならびに金属部品の洗浄におけるCFCの代替技術としても利用されています。この表面改質により、摩擦特性、耐熱性、表面電気伝導率、潤滑性、膜の凝集強度、誘電率などの特性を向上させることができ、また、材料を親水性または疎水性にすることも可能です。
このプロセスは、熱による損傷を避けるため、通常39～120 °C (312～393 K; 102～248 °F)で実行されます。熱活性化されない表面反応を誘発し、大気圧下での分子化学では起こり得ない表面変化を引き起こす可能性があります。プラズマ処理は、中真空 (約13～65 Pa (0.13～0.65 mbar ; 0.0019～0.0094 psi ))の密閉チャンバー内の制御された環境で行われます。ガスまたはガスの混合物は、直流からマイクロ波周波数までの電界によって励起され、通常 50 V で 1～500 W です。処理される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生成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することができます。
分子化学とは対照的に、プラズマは以下の原理を用いる。
プラズマはまた、真空紫外光子という形で電磁波を 発生させ、バルクポリマーを約10μmの深さまで透過する。これにより、鎖切断や架橋反応が引き起こされる可能性がある。
プラズマは原子レベルで物質に影響を与えます。X線光電子分光法や走査型電子顕微鏡などの技術は、必要なプロセスを特定し、その影響を評価するために表面分析に用いられます。表面エネルギー、ひいては接着性や濡れ性の簡単な指標として、水滴接触角測定がよく用いられます。接触角が小さ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。
高エネルギー領域では、化学解離よりもイオン化が起こりやすい傾向があります。典型的な反応性ガスでは、100分子に1分子がフリーラジカルを形成するのに対し、イオン化するのは10⁶分子に1分子のみです。ここでは、フリーラジカルの形成が主な効果となります。 イオン効果は、プロセスパラメータの選択、必要に応じて希ガスの使用によって支配的になることがあります。
ワイヤアーク溶射は、2本の消耗金属ワイヤを別々に溶射ガンに供給する溶射の一種です。これらのワイヤに電荷を与え、ワイヤ間にアークを発生させます。このアークの熱でワイヤが溶融し、溶射ガンからの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上に堆積されます。このプロセスは、金属の厚膜コーティングによく使用されます。[ 1 ]
プラズマ転送ワイヤアーク（PTWA）は、シリンダーの内面、またはあらゆる形状の部品の外面にコーティングを施すワイヤアーク溶射の一種です。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、重い鋳鉄スリーブを必要とせずにアルミニウム製エンジンブロックの使用を可能にします。このシステムでは、1本の導電性ワイヤを「原料」として使用します。超音速プラズマジェットがワイヤを溶融し、霧化して基板上に噴射します。プラズマジェットは、非消耗性カソードとワイヤとの間の転送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のため、基板の表面に衝突すると平坦化します。粒子は接触すると急速に固化します。積み重なった粒子が、耐摩耗性に優れたコーティングを形成します。PTWA溶射プロセスでは、原料として1本のワイヤを使用します。芯線を含む、直径0.0625インチ（1.59mm ）以下のすべての導線を原料として使用できます。PTWAは、エンジンやトランスミッション部品の摩耗面にコーティングを施し、ブッシュやベアリングの代替として使用できます。例えば、コネクティングロッドのベアリング面にPTWAをコーティングすると、重量、コスト、摩擦ポテンシャル、コネクティングロッドにかかる応力の低減など、多くのメリットが得られます。
1980年代には、高速酸素燃料噴霧と呼ばれる熱溶射プロセスの一種が開発されました。気体または液体の燃料と酸素の混合物が燃焼室に供給され、そこで連続的に点火および燃焼されます。結果として生じる約1 MPa (10 bar; 150 psi)の圧力の高温ガスが収束・拡散ノズルから噴出し、直線部を通過します。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。バレル出口でのジェット速度 (> 1,000 m/s (3,300 ft/s) ) は音速を超えます。粉末原料がガス流に注入され、粉末は最大800 m/s (2,600 ft/s)まで加速されます。高温のガスと粉末の流れが、コーティングされる表面に向かって噴射される。粉末は流れの中で部分的に溶融し、基材上に堆積する。得られたコーティングは、低多孔性と高い密着強度を有する。[ 1 ]
HVOFコーティングは最大12 mm ( 1/2インチ)の厚さになることがあります。これは通常、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、ニッケル基合金、アルミニウム、医療用インプラント用のヒドロキシアパタイトなど) の堆積に最も成功しています。[ 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、熱バッフルを使用して熱溶射メカニズムをさらに安定させる点で異なります。材料は空気燃料流に注入され、コーティング粒子は部品に向かって推進されます。[ 4 ] HVAF の最大火炎温度は3,560 ～ 3,650 °F (1,960 ～ 2,010 °C、2,230 ～ 2,280 K)で、平均粒子速度は3,300 ft/s (1,000 m/s)です。最大火炎温度はほとんどの溶射材料の融点に比較的近いため、HVAF はより均一で延性のあるコーティングをもたらします。これにより、コーティング厚さは0.002 ～ 0.050 in (0.051 ～ 1.270 mm)になります。 HVAFコーティングは、 12,000 psi (83 MPa; 830 bar)を超える機械的結合強度も有しています。一般的なHVAFコーティング材料には、炭化タングステン、炭化クロム、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、キャビテーション損傷に対する耐性を高めることができます。[ 5 ]
スプレーアンドフューズ法は、高温を利用して溶射コーティングと部品の基材との密着性を高めます。他の溶射方法とは異なり、スプレーアンドフューズ法ではコーティングと表面との間に冶金的な結合が形成されます。つまり、コーティングの密着を摩擦に頼るのではなく、表面とコーティング材を一体化させるのです。スプレーアンドフューズ法の本質は、接着と凝集の違いにあります。
このプロセスでは、通常、粉末状の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融させ、それらを融合させます。スプレー＆フューズでは高温になるため、熱による歪みが生じる可能性があり、部品がこのプロセスに適しているかどうかを慎重に判断する必要があります。これらの高温は溶接で使用される温度に匹敵します。この冶金的な結合により、非常に耐摩耗性と耐擦傷性に優れたコーティングが形成されます。スプレー＆フューズは、熱溶射の容易さでハードフェイス溶接の利点を提供します。 [ 6 ]
コールドスプレー（またはガスダイナミックコールドスプレー）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たもので、風洞内で微細粉末の二相高速流にさらされた対象基板の侵食実験中に、科学者たちは偶然にもコーティングが急速に形成されることを観察しました。[ 1 ]
コールドスプレーでは、粒子は収束・発散型のド・ラバル型ノズルを通して押し出されるキャリアガスによって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は塑性変形し、基板と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、粉末サイズ、温度に依存します。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、他の材料（W、Ta、Ti、MCrAlY、WC-Coなど）のコールドスプレーによるコーティングも報告されています。[ 1 ]
合金粉末の場合、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範囲は狭い。粉末をより高速に加速するために、より細かい粉末（20マイクロメートル未満）が使用される。音速の高い処理ガス（窒素の代わりにヘリウム）を使用することで、粉末粒子をはるかに高速に加速することが可能である。しかし、ヘリウムは高価であり、その流量、ひいては消費量も多い。加速能力を向上させるために、窒素ガスを約900 ℃（1,170 K、1,650 °F）まで加熱する。その結果、堆積効率と堆積物の引張強度が増加する。[ 1 ]
温溶射は、高速酸素燃料溶射の新しい改良法であり、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、プロセスを冷溶射に近づけるものです。生成されるガスには水蒸気、未反応炭化水素、酸素が多く含まれているため、冷溶射よりも汚れています。しかし、コーティング効率は高くなります。一方、温溶射の温度が低いため、HVOFと比較して供給粉末の溶融や化学反応が抑制されます。これらの利点は、高温で急速に酸化または劣化するチタン、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 ]
熱溶射は視線方向のプロセスであり、接合メカニズムは主に機械的です。熱溶射は、適用する領域が複雑であったり、他の物体によって遮られていたりする場合、基材と適合しません。[ 9 ]
熱溶射は、装置を注意深く扱い、正しい溶射手順に従えば、危険なプロセスである必要はありません。あらゆる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、装置は、ヒュームを排出し、騒音レベルを低減し、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、より均一な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量が少ない場合、手動で装置を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、製造業や加工業で一般的に遭遇する危険に加えて、熱溶射特有の多く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するため、騒音が発生します。音のレベルは、溶射装置の種類、溶射される材料、および運転パラメータによって異なります。一般的な音圧レベルは、アークの1メートル後方で測定されます。[ 12 ]
燃焼式スプレー装置は、最高温度が3,100 °C (3,370 K; 5,610 °F)を超える強烈な炎を発生させ、非常に明るい。電気アークスプレーは紫外線を発生させ、繊細な身体組織を損傷する可能性がある。プラズマもまた、かなりの紫外線を発生させ、露出した皮膚を容易に火傷させ、目に「フラッシュバーン」を引き起こす可能性がある。スプレーブースや囲いには、紫外線吸収性の暗色のガラスを取り付ける必要がある。これが不可能な場合は、作業者および周囲の人は、BS グレード 6 の緑色のガラスを使用した保護ゴーグルを着用する必要がある。スプレーエリアの周囲には不透明なスクリーンを設置する必要がある。アークピストルのノズルは、装置に電源が供給されていないことが確実な場合を除き、決して直接見てはならない。[ 10 ]
溶融材料の噴霧により、非常に細かい粒子（粒子数の約 80～95% が 100 nm 未満）からなる大量の粉塵とヒュームが発生します。 [ 13 ]適切な抽出設備は、個人の安全のためだけでなく、再凍結した粒子が噴霧コーティングに巻き込まれるのを最小限に抑えるためにも不可欠です。機器を隔離できない場合は、適切なフィルターを備えた呼吸器の使用を強く推奨します。[ 13 ] 特定の材料には、特定の既知の危険性があります。[ 10 ]
燃焼式スプレーガンは酸素と燃料ガスを使用します。燃料ガスは爆発性があります。特にアセチレンは承認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、燃焼を維持し、酸素濃度が高すぎると多くの物質が自然発火します。漏洩を防ぎ、使用しないときは酸素と燃料ガスの供給を遮断するように注意する必要があります。[ 10 ]
電気アークガンは低電圧（直流45V以下）で動作しますが、電流は比較的高いです。安全に手で持つことができます。電源ユニットは交流440V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 ]