サーマルスプレー完全解説：種類、用途、メリット

今日、サーマルスプレー被膜は多くの異なる産業で利用されています。これらの被膜はワイヤと溶融粉末で構成され、プラズマまたは酸素燃料燃焼にさらされます。スプレー装置からの炎が加熱された混合物を駆動し、金属に噴霧されると混合物は強固な被膜を保持します。

サーマルスプレー被膜は、飛行機、建物、その他の構造物を極端な温度、化学物質、湿度や雨などの環境条件から保護するなど、幅広い有用な用途に使用されます。この記事では、サーマルスプレーとは何か、どう行うか、その用途とメリットについて説明します。

サーマルスプレー被膜とは？

サーマルスプレー技術は、溶融（または加熱）された材料を表面に噴霧する被膜プロセスです。「フィードストック」（被膜前駆体）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）で加熱されます。

サーマルスプレーは、電気めっき、物理・化学気相成長などの他の被膜プロセスと比較して、厚い被膜（約20ミクロン〜数mm、プロセスとフィードストックによる）を広い面積に高堆積率で提供できます。

サーマルスプレー用被膜材料には、金属、合金、セラミックス、プラスチック、複合材料が利用可能です。これらは粉末またはワイヤ形で供給され、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材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、サーマルスプレー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被膜は、多数の噴霧粒子の蓄積によって形成されます。基材表面は大幅に加熱されないため、可燃性物質への被膜も可能です。

被膜品質は通常、多孔率、酸化物含有量、マクロ/ミクロ硬度、密着強度、表面粗さの測定で評価されます。一般的に、粒子速度の増加とともに被膜品質は向上します。

オリジナル機器用途に加えて、サーマルスプレー被膜は摩耗・損傷した部品の修理、機械加工部品の寸法復元に使用されます。摩耗や腐食したコンポーネント（印刷ロール、アンダーサイズベアリングなど）の寸法復元に用いられます。

サーマルスプレーの実施方法

サーマルスプレーは、消耗材を微細な溶融または半溶融液滴のスプレーとして適用し、被膜を生成する被膜プロセスの総称カテゴリです。

金属、サーメット、セラミックス、ポリマーを通常0.1〜10mmの実質的厚さの層で堆積できる能力によって区別されます。溶融または可塑状態になる限り、ほぼあらゆる材料を堆積可能です。基材表面では、粒子が「スプラット」または「プレートレット」を形成し、インターロックして積み上げられ被膜を形成します。

堆積物は基材と融合せず、固溶体を形成する必要もありません。これはアーク溶接、ブレージング、レーザー被膜プロセスなど多くの他の被膜プロセスと比較した際のサーマルスプレーの重要な特徴です。

サーマルスプレー被膜と基材の結合は主に機械的であり、冶金的または融合的ではありません。基材への密着は基材表面状態に依存し、スプレー前にグリットブラストまたは機械加工で清浄かつ粗面化されている必要があります。

サーマルスプレープロセスは、すべての主要エンジニアリング産業分野で長年にわたり広く使用され、コンポーネント保護と再生に役立ってきました。最近の機器とプロセス開発により、サーマルスプレー被膜の品質が向上し、潜在的応用範囲が拡大しています。

サーマルスプレー被膜プロセスの種類

サーマルスプレーにはいくつかのバリエーションがあります：

• プラズマスプレー
• デトネーションスプレー
• ワイヤアークスプレー
• フレームスプレー
• 高速酸素燃料被膜スプレー（HVOF）
• 高速空気燃料（HVAF）
• ウォームスプレー
• コールドスプレー
• スプレーアンドフューズ

クラシカル（1910〜1920年開発）だが依然広く使用されるフレームスプレーとワイヤアークスプレーなどでは、粒子速度は一般的に低い（<150m/s）、原料は溶融状態でなければ堆積できません。

1970年代に開発されたプラズマスプレーは、アーク放電で生成される高温プラズマジェット（典型的温度>15,000K）を使用し、酸化物、モリブデンなどの難熔材料のスプレーを可能にします。

ここでは熱スプレー被膜生成の最も一般的な5プロセスを詳細に説明します：

1. HVOF（高速酸素燃料スプレー）

HVOFは、ノズル使用時に炎を拡散させるトーチを使用するプロセスです。これにより急速な加速が生まれ、混合物内の粒子を高速化します。結果は非常に薄く均一に適用された被膜です。薄いながらもこの被膜は強力でよく密着します。耐食性はプラズマ被膜より優れていますが、高温にはあまり適していません。

2. 燃焼フレームスプレー

燃焼フレームスプレーは、極端なストレスに耐える設計でない表面に最適な選択肢です。スプレー機構が低い炎速度で駆動されるため、このプロセスで生成される被膜は表面に強く付着しません。

炎は燃料と組み合わされた酸素により生成され、混合物を溶かします。燃焼フレームスプレーは低コストのため低強度用途で人気です。

3. プラズマスプレー

プラズマスプレーは、加熱とスプレーの主要ツールとしてプラズマトーチを使用します。粉末材料が溶融された後、燃焼フレームスプレーと類似した方法で製品に配置されます。

プラズマスプレーによる被膜は数マイクロメートル〜数ミリメートルの厚さになります。粉末が最も広く使用される材料ですが、金属とセラミックスも使用されます。プラズマスプレープロセスは適応性が高いため非常に人気があります。

4. 真空プラズマスプレー

真空プラズマスプレーは制御された環境で実施されますが、低温を利用します。これにより真空を維持しつつ材料へのダメージを低減します。様々なガス組み合わせでスプレーに必要な圧力を得られます。

真空プラズマスプレーは自動車バンパー、ダッシュボード、ドアミラーハウジングなどに使用されます。このプロセスはポリエチレン成形品の前処理にも使用でき、水性エポキシ接着剤の密着性を提供します。

5. 2線式電気アークスプレー

このスプレー方法は、電気的に導電性のある2本のワイヤ間に生成されるアークポイントを利用します。ワイヤ接続点で溶融が発生します。アークにより加熱が可能になり、燃焼フレームスプレーと同様に堆積と溶融が生じます。

圧縮空気で被膜をスプレーします。この手順はコスト効率が良いため人気があり、通常アルミニウムまたは亜鉛を基材として使用します。

サーマルスプレー被膜の利点

サーマルスプレー被膜のメリットには以下が含まれます：

• コスト削減。 コンポーネント修理コストは新品購入より安価。多くの場合、被膜は元の材料より長持ちします。
• 低熱入力。 例外を除き、サーマルスプレー工程はコンポーネントの熱履歴を変えません。
• 汎用性。 ほぼすべての金属、セラミック、プラスチックをサーマルスプレー可能。
• 厚さ範囲。 材料とスプレーシステムにより、0.001インチ〜1インチ以上の厚さでスプレー可能。典型的範囲は0.005〜0.1インチ。
• 処理速度。 スプレー速度は材料とスプレーシステムにより3〜60lb/hr。典型的な材料適用率は0.01インチ厚あたり1/2〜2lb/平方フィート。

サーマルスプレー被膜の欠点

• 基材を隠蔽する — サーマルスプレー被膜が多くの場合非常に効率的であるため、厳格な記録を保持しない限り、被膜プロセス後に基材が何の材料で作られていたか判別不可能。
• 効果を正確に評価できない — サーマルスプレー被膜適用後、視覚評価以外で被膜がどれほどうまく施されたか正確に判断するのは困難。
• 高コストなセットアップ — サーマルスプレー被膜の一部手法は非常に高価な装置を必要とし、初期セットアップコストが高くなる可能性があります。