アルミナ セラミック コーティングは、その高硬度、高温耐性、耐食性、電気絶縁性で高く評価されており、航空宇宙、石油化学、機械エレクトロニクスなどの分野の極限条件において不可欠な表面保護材料となっています。{0}特に、より高い負荷、速度、温度に向けたハイエンド機器の開発に伴い、アルミナ コーティングに対する総合的な性能要件はますます厳しくなっています。-しかし、アルミナコーティングの調製と塗布は、アルミナコーティングの固有の脆さ、応力集中に対する敏感さ、金属基材との熱膨張係数の不一致という核心的な課題が長い間悩まされてきました。溶射プロセスの急速な溶融と凝固の特性と相まって、これらの要因によりコーティング内に引張応力が残留しやすくなり、亀裂が非常に発生しやすくなり、その結果、保護性能が低下します。さらに重要なのは、熱衝撃や機械的負荷がかかると、微小亀裂が伝播して結合し、最終的にはコーティングの剥離や破損を引き起こす可能性があることです。
したがって、亀裂の発生を抑制し、アルミナ皮膜の強化を達成することは、溶射技術研究の中心的なテーマであるだけでなく、さらに要求の厳しい環境での適用を可能にするための重要な前提条件でもあります。この記事では、溶射粉末特性、コーティング組成設計、溶射プロセスの最適化、コーティング構造制御の 4 つの側面からアルミナコーティングのクラックを回避し、強化を達成する方法を紹介します。
I. スプレー粉末の特性: 欠陥管理の源
コーティングの「原材料」としてのスプレー粉末の物理化学的特性は、コーティングの微細構造と欠陥形成傾向を基本的に決定します。したがって、クラックの抑制は粉末の選択と最適化から始める必要があります。
01 粒子サイズの制御と最適化
一般に、アルミナ粒子が小さいほど、溶射中にコーティングの細孔をよりよく埋めることができ、気孔率が減少し、比較的高い耐摩耗性と機械的特性を備えたより緻密なコーティングが得られます。したがって、粒子寸法に関しては、より微細なナノ-サイズのアルミナが好ましい。しかし、過度に細かい粒子は 2 つの主な問題を引き起こします。1 つは、ナノパウダーの慣性が非常に低いことです。基板に衝突すると、効果的に付着するのに十分な運動エネルギーが不足し、その結果、蒸着効率が非常に低くなります。第二に、ナノパウダーは比表面積が大きく、表面エネルギーが高いため、凝集しやすくなります。これにより、流動性の低下、供給の困難、不均一なスプレーが発生し、局所的に硬度や耐摩耗性が不十分になったり、コーティングの全体的な性能に影響を与える応力集中領域が生じたりする可能性があります。
したがって、噴霧にナノパウダーを使用する場合は、「二次造粒」プロセスを使用できます。これには、バインダーを使用して特定のサイズ分布と形状を持つより大きな粒子を形成し、流動性を改善し、スプレー中の粉末の輸送と堆積を促進し、堆積効率を高めることが含まれます。
02 形態選択
規則的な形状と良好な流動性を備えた球状アルミナ粉末は、スプレー中に均一に広がり、滑らかな表面、低気孔率、優れた保護性能を備えた緻密なコーティング構造を形成します。対照的に、不規則なアルミナ粉末はより緩く固まる傾向があり、潜在的に多孔性が高くなり、コーティングの密度と完全性に影響を与えます。さらに、不均一な分散により、不規則な粉末はコーティング内に応力集中点を生じ、摩耗中に粒子の剥離を引き起こし、耐摩耗性を低下させる可能性があります。したがって、実際の用途では、良好な流動性と高い見掛け密度を備えた球状または球形に近い粉末を優先する必要があります。-
03 相組成の影響
アルミナには最大 12 の多形があり、一般的なものには -Al2O3、-Al2O3、-Al2O3、θ-Al2O3 などがあります。これらの中で、三方晶系に属する -Al2O3 は、さまざまな多形の中で最も安定な構造です。他のものはアルミナの遷移相であり、低温の結晶形態である-。一般に、主に -Al2O3 相で構成されるコーティングは、優れた強度と耐摩耗性を示します。
II. Coating Design: Achieving a 1+1>2 強化効果
単一のアルミナ コーティングに固有の脆さは、その本質的な弱点です。アルミナ マトリックスに第 2 相を導入する、微量の改質元素を追加する、またはコーティング構造を最適化することにより、コーティングの応力状態と破壊挙動が大幅に変化し、「1+1 > 2」の強化効果が得られます。
01 コーティング組成設計
-Al2O3 相の導入に加えて、複合コーティングを調製するために、特定の用途要件に基づいて他の非アルミナ成分を追加することもできます。-例えば、最近のアルミナ複合コーティングの注目すべき例には、Al2O3-TiO2 系や Al2O3-ZrO2 系などがあります。
さらに、希土類元素 (La2O3、CeO2 など) を微量添加すると、最小限の量で大きな効果が得られる場合があります。これらは主にコーティングの微細構造を改善することによって機能し、これによりコーティング密度が増加し、界面結合が改善されます。最終的に、これにより、強度、靱性、硬度などのコーティングの機械的特性と、耐摩耗性、耐食性、耐熱衝撃性の点での実用的な性能が顕著に向上します。
02 塗膜構造設計
セラミック材料と金属基板の間の熱膨張係数の不一致が、使用中にコーティングに亀裂が発生する主な原因です。異なる特性を持つ複数の層で構成される多層複合コーティング、または材料の組成、構造、密度、機能が基材からコーティング表面まで連続的に変化する機能的に傾斜したコーティングを設計すると、材料間の熱物理的特性の違いによって引き起こされる熱応力を軽減でき、それによって亀裂のリスクを軽減できます。
Ⅲ．スプレープロセスの最適化: プロセス制御が鍵となります
粉末は、火炎ジェット内で、加熱、加速、溶融、衝撃、平坦化、固化などの一連の複雑な物理的変化を受けます。プロセスパラメータのわずかな変動により、コーティングの品質に大きな変動が生じる可能性があります。
01 基板の前処理
スプレーする前に、基材表面に規則的で清潔な接着性の高いマイクロ / ナノ構造を作成できます。{0}粗さとプロファイルを正確に制御し、基材表面に油、酸化物、その他の不純物がないことを確認することで、接着強度と一貫性が向上し、亀裂のリスクが軽減されます。
02 プロセスパラメータの最適化
スプレープロセスパラメータは、火炎ジェット内の粉末粒子の温度と速度を直接決定し、その後、扁平粒子の形態やコーティング欠陥に影響を与えます。研究によると、粉末が過熱せずに完全に溶けたときに最も密度の高いコーティングが達成されることがわかっています。半溶融状態または過熱状態では、気孔率と欠陥数が増加する傾向があります。特に、過熱はコーティング性能低下の主な原因である縦方向の亀裂の形成につながる可能性があります。したがって、スプレー出力、一次ガス流量、粉末供給量、スプレー距離、スプレー速度などのプロセスパラメータは、スプレー粉末に適合し、理想的な「完全に溶融しているが過熱していない」状態を達成するために継続的に実験的に調整する必要があります。さらに、飛行粒子の温度と速度のオンライン監視を使用して、正確なプロセス制御を行うことができます。-
03 新しいスプレー技術の応用
従来の大気圧プラズマ溶射 (APS) を超えて、新興の溶射技術は強化コーティングを調製するためのより多くのオプションを提供します。たとえば、デトネーションスプレーは可燃性ガスの爆発エネルギーを利用して、サーメット、酸化物、特殊合金のスプレーに適した、低気孔率、強力な基材接着力、および滑らかな表面を備えた非常に緻密なコーティングを生成します。従来の APS と比較して、超音速大気圧プラズマ溶射 (SAPS) または低圧プラズマ溶射 (LPPS) は、結合強度が高く、亀裂の形成が少ない、より緻密なコーティングを生成できます。
04-治療後のテクニック
レーザー再溶解は、コーティングの欠陥を軽減する効果的な方法です。高エネルギーのレーザー ビームを使用して、-溶射されたコーティングを急速に溶融および再固化することで、コーティング構造を均質化および緻密化し、層状形態を除去し、接着強度と亀裂耐性を向上させることができます。-ただし、材料の熱物理的特性の違いと、レーザー再溶解中の溶融池内の大きな温度勾配のため、新たな熱応力や亀裂の発生を避けるためには、レーザー出力やスキャン速度などのパラメーターを最適化することが重要です。さらに、シーリング処理によりコーティング内の細孔や微小亀裂を埋めることができ、コーティングの密度と不浸透性を高め、亀裂が伝播する可能性を低減します。